Преобразование телевизионных стандартов — это процесс изменения телевизионной трансляции или записи из одной видеосистемы в другую. Конвертация видео между различными количествами строк, частотами кадров и цветовыми моделями в видеоизображениях представляет собой сложную техническую задачу. Тем не менее, международный обмен телевизионными программами делает преобразование стандартов необходимым, чтобы видео можно было просматривать в другой стране с отличающимся стандартом. Обычно видео подаётся на , который создаёт копию в соответствии с другим видеостандартом. Одним из наиболее распространённых преобразований является переход между стандартами NTSC и PAL.
Естественно считать, что идеальное преобразование должно привести к выходному изображению, неотличимому от изображения, полученного непосредственно камерой оператора в соответствующем стандарте. Однако нужно понимать, что этого достичь нельзя даже теоретически, если преобразуем из изображения с более низким разрешением в более высокое.
История Первый известный случай преобразования телевизионных систем произошел в Европе через несколько лет после Второй мировой войны, в основном, когда RTF (Франция) и BBC (Великобритания) пытались обмениваться своими чёрно-белыми программами с разрешением и .
Британский патент июня 1959 года показывал, как можно убирать часть строк для перевода из формата 525/60 в формат 405/50. Это была первая попытка создать неоптический конвертор. Идея не была реализована, поскольку требовала особой головки магнитофона.
Первый преобразователь частоты кадров появился в 1965 году, в котором BBC использовала массив кварцевых акустических линий задержки. В этой системе оставались пустых 50 строк сверху и снизу. Активная строка запоминалась в 576 конденсаторах, которые затем считывались с большей скоростью.
Проблема усугубилась с введением цветовых стандартов PAL, SECAM (оба 625 строк) и французской чёрно-белой системой . До 1980-х годов преобразование стандартов было настолько сложным, что 16-мм или 35мм плёнка с частотой 24 кадра в секунду была предпочтительным носителем для обмена программами.
Настоящий прорыв в преобразовании произошёл, когда появилась возможность воспользоваться цифровыми технологиями. Размер и стоимость цифровых накопителей играла основную роль, хотя и скорость вычислений до 1971 года была большой проблемой, решаемой только усложнением системы. BBC и разработали стандарты преобразований между 625 строками и 405 строками и конверторы были продемонстрированы на Техническом комитете EBU в 1971 году. Конвертор ВВС использовал линейную интерполяцию между двумя строками, в то время как конвертор IBA использовал 4 строки.
С падением цен на микросхемы IBA решило начать разработку цифрового конвертора. Оборудование Pictures through DICE (Digital Intercontinental Conversion Equipment, цифровое оборудование межконтинентального конвертирования) было показано в 1972 году на . Оборудование разрабатывалось лишь для проверки возможности преобразования, но для тестирования было использовано в ноябре 1972 года по поводу переизбрания Никсона. Ночью производилось конвертирование и отправлялось в Европу. Качество материала оказалось значительно лучше, чем при конвертировании на аналоговом оборудовании.
Обзор Пожалуй, самым технически сложным преобразованием является переход от PAL и SÉCAM к NTSC. PAL и SÉCAM используют 625 строк при 50 полях в секунду или 25 кадрах в секунду NTSC использует 525 строк при 59,94 полях в секунду (60000/1001) или 30 кадрах в секунду
Стандарт NTSC временно́ и пространственно несовместим как с PAL, так и с SÉCAM. Помимо разницы в количестве строк, трудность представляет преобразование в формат, требующий 60 полей в секунду, из формата, имеющего только 50 полей. Каждую секунду необходимо генерировать дополнительные 10 полей — преобразователь должен создавать новые кадры (из существующего входного сигнала) в реальном времени.
Преобразование между PAL и SÉCAM не требует аналогичных изменений временны́х параметров, но всё же требует преобразования цветового кодирования и звука. Такое преобразование называется перекодированием ().
Скрытые сигналы не всегда передаются Телевидение содержит множество скрытых сигналов. Одним из типов сигналов, который не передается, за исключением некоторых очень дорогих преобразователей, является сигнал скрытых субтитров. Сигналы телетекста передавать не обязательно, но поток данных субтитров следует передавать, если это технологически возможно.
С вещанием HDTV это менее проблематично, в основном означая лишь передачу потока данных субтитров в новый исходный материал. Однако, DVB и ATSC имеют существенно разные типы потоков данных субтитров.
Роль теории информации
Теория преобразования систем Теория информации и теорема Котельникова (Найквиста — Шеннона) подразумевают, что преобразование из одного телевизионного стандарта в другой будет проще, если: преобразование осуществляется из более высокой частоты кадров в более низкую (например, из NTSC в PAL или SECAM) преобразование осуществляется из более высокого разрешения в более низкое (HDTV в NTSC) преобразование осуществляется из одного источника построчной развёртки в другой источник (чересстрочные PAL и NTSC временно́ и пространственно несовместимы друг с другом) имеется относительно мало движения между кадрами, что уменьшает временно́е или пространственное отношение сигнал/шум источника не слишком высоко источник не имеет непрерывного (или периодического) дефекта сигнала, который препятствовал бы переводу
Системы и коэффициенты дискретизации Субдискретизация в видеосистемах обычно выражается в виде соотношения из трёх частей. Эти три части соотношения представляют собой количество отсчётов яркости («яркость», «Y») выборки и количества отсчётов двух цветовых компонентов («цветовые» компоненты U/Cb и V/Cr) для каждой полной области выборки.
Для сравнения качества важен только коэффициент между этими значениями, поэтому 4:4:4 можно было бы легко назвать 1:1:1, однако традиционно значение яркости всегда равно 4, а остальные значения масштабируются соответствующим образом.
Принципы дискретизации, обсуждаемые выше, применимы как к цифровому, так и аналоговому телевидению.
Дрожание кадра в телекинопроекторе Процесс «преобразования 3:2» для перевода 24 кадров в секунду киноплёнки в телевизионный форма (телекинопроектор) создаёт небольшую ошибку в видеосигнале по сравнению с оригинальными кадрами фильма. Это одна из причин, почему движение в фильмах с частотой 24 кадра/с, просматриваемых на обычном домашнем оборудовании NTSC, может выглядеть не так плавно, как при просмотре в кинотеатре. Это явление особенно заметно во время медленных, устойчивых движений камеры, которые при телекино выглядят слегка прерывистыми. Этот процесс обычно называют дрожанием кадра в телекинопроекторе.
Материал PAL, к которому применен метод преобразования 2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:3, также страдает от недостаточной плавности, хотя этот эффект обычно не называют дрожанием кадра в телекинопроекторе. Каждый 12-й кадр фильма отображается в течение 3 полей PAL (60 миллисекунд), тогда как каждый из 11 других кадров отображается в течение 2 полей PAL (40 миллисекунд). Это вызывает небольшую «запинку» в видео примерно два раза в секунду.
Конвертеры телевизионных систем должны избегать создания эффектов дрожания кадра в телекинопроекторе в процессе преобразования. Избегание этого дрожания имеет экономическое значение, поскольку большая часть материала NTSC (60 Гц, технически 29,97 кадров/с) с разрешением, полученного из плёнки, будет иметь эту проблему при преобразовании в PAL или SECAM (оба 50 Гц, 25 кадров/с). При пропускании каждого 6-го кадра наблюдается раздражающее дрожание с частотой 10 Гц.
Исторические стандарты техник преобразования
Ортикон в ортикон Этот метод использовался Ирландией для преобразования 625-строчного потока в 405-строчный поток. Возможно, это самая простая техника преобразования телевизионных стандартов. RTÉ использовала этот метод в последние годы использования 405-строчных систем.
Конвертор стандартов использовался для обеспечения 405-строчного потока, но, по словам нескольких бывших инженеров RTÉ, конвертер вышел из строя и после этого 405-строчного поток обеспечивался 405-строчной камерой, направленной на монитор. Это не лучшая техника преобразования, но она может работать, если переходить от более высокого разрешения к более низкому при той же частоте кадров. На обоих ортиконах требуются медленные фотолюминофоры.
Первые преобразователи видеостандартов были аналоговыми. То есть, специальная профессиональная видеокамера, использующая передающую телевизионную трубку, направлялась на электронно-лучевой дисплей. И камеру, и монитор можно было переключать между стандартами NTSC и PAL для преобразования в обоих направлениях. Подразделение компании Robert Bosch GmbH производило большие аналоговые преобразователи видеостандартов, занимавших три стойки. Это были высококлассные преобразователи 1960-х и 1970-х годов. Компания Image Transform из Юниверсал-Сити, Калифорния, использовала преобразователь Fernsehа в 1980-х годах создала собственный цифровой преобразователь. Он также представлял собой крупное устройство из трёх стоек. По мере увеличения объёма цифровой памяти в меньших корпусах, преобразователи уменьшились до размеров микроволновой печи. Сегодня можно приобрести очень маленький бытовой преобразователь для домашнего использования.
Из SSTV в PAL и NTSC Лунные миссии «Аполлон» (конец 1960-х — начало 1970-х годов) использовали телевидение с медленной развёрткой (, SSTV) вместо обычного широкополосного телевидения. Это было сделано, в основном, для экономии заряда батарей (и пропускной способности передачи, поскольку видео SSTV с миссий «Аполлон» мультиплексировалось со всеми другими голосовыми и телеметрическими сообщениями с космического корабля). Камера потребляла всего 7 ватт мощности.
SSTV использовалось для передачи изображений изнутри Аполлон-7, Аполлон-8 и Аполлон-9, а также для телевизионной трансляции с лунного модуля Аполлон-11 c Луны; см. статью . Система SSTV, применявшаяся в ранних миссиях НАСА «Аполлон», передавала десять кадров в секунду с разрешением 320 строк, используя меньшую пропускную способность, чем обычная телевизионная передача. Ранние системы SSTV, использовавшиеся НАСА, значительно отличаются от систем SSTV применяемых сегодня радиолюбителями. Преобразование стандартов было необходимо, чтобы миссии могли быть просмотрены мировой аудиторией как в разрешениях PAL/SECAM (625 строк, 50 Гц), так и в NTSC (525 строк, 60 Гц).
Поздние миссии «Аполлон» использовали , которые выдавали видео со скоростью 60 кадров в секунду. Каждый кадр соответствовал одному из основных цветов RGB. Этот метод был совместим с чёрно-белым стандартом NTSC, но несовместим с цветным NTSC. Фактически, даже совместимость с монохромным телевидением NTSC была на грани. Монохромный телевизор мог бы воспроизводить изображения, но они бы ужасно мерцали. Цветное видео с камеры работало всего на 10 кадрах в секунду. Кроме того, доплеровский сдвиг в лунном сигнале приводил бы к разрывам и переворачиванию изображений. По этим причинам лунные снимки «Аполлона» требовали специальных методов преобразования.
Этапы преобразования были полностью электромеханическими и происходили почти в реальном времени. Сначала станция приёма корректировала изображения на предмет доплеровского сдвига. Затем, на аналоговом дисковом рекордере, станция приёма записывала и воспроизводила каждое видеополе шесть раз. На шестидорожечном рекордере запись и воспроизведение происходили одновременно. После рекордера аналоговые видеопроцессоры добавляли недостающие компоненты цветного сигнала NTSC, включая: Цветовой импульс 3,58 МГц Монохромный сигнал высокого разрешения, Звук, Цветовые сигналы I и Q.
Задержка преобразования составляла всего около 10 секунд. Затем цветные лунные снимки покидали станцию приёма для распространения по всему миру.