1980年代のアナログ高精細テレビ規格
MUSE ( Multiple sub-Nyquist Sampling Encoding ) [1]は 、商業的には ハイビジョン( HI gh-definition teleVISION の 略 ) [1] として知られていた日本の アナログ高精細テレビシステム であり、設計は1979年に遡りました。 [2] 従来のインターレースビデオは、奇数ラインか偶数ラインのどちらかのビデオを一度に表示しますが、MUSEでは1つのビデオフレームを完成させるのに4つのフィールドのビデオを必要としました。ハイビジョンは、1035i解像度、つまり1035本のインターレースラインでビデオを送信できる、密接に関連した日本のテレビシステムを指すこともあります。MUSEはハイビジョン信号の圧縮方式として使用されていました。
概要
ドットインターレースと デジタルビデオ圧縮を 用いて、1125ライン、60フィールド/秒(1125i60) [2] の 信号を家庭に配信しました。このシステムは ITU -R勧告BO.786 [3]として標準化され、 SMPTE 260M [4] で規定されました。これは SMPTE 240Mで規定された 測色 マトリックスを用いています。 [5]他のアナログシステムと同様に、すべてのラインが可視情報を伝送するわけではありません。MUSEでは1035本のアクティブ インターレース ラインがある ため、このシステムは 1035i と呼ばれることもあります。 [6] MUSEは、2次元フィルタリング、ドットインターレース、 動きベクトル補正 、そして時間圧縮を伴う線順次カラーエンコードを採用し、元の30MHz 帯域幅の ハイビジョンソース信号をわずか8.1MHzに「折り畳む」、つまり圧縮しました。
MUSE(Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding)は、4フィールドのドットインターレースサイクルを使用する点で異なっていたため、1つのMUSEフレームを完成させるのに4つのフィールドが必要であった。インターレースはピクセル単位で行われ、ビデオの各フィールドで水平解像度と垂直解像度の両方が半分に削減された。これは、垂直解像度のみを削減し、静止画像のみがフル解像度で送信される従来のインターレースとは異なります。つまり、MUSEはフレームごとに大きく変化する素材の解像度を下げるため、動画はぼやけていました。MUSEは動き補償を使用していたため、カメラのパンはフル解像度を維持しましたが、個々の動きのある要素はフルフレーム解像度の4分の1にまで削減できました。その結果、動きと非動きの混合がピクセル単位でエンコードされ、目立たなくなりました。 [7]
日本は1988年12月に広帯域アナログHDTV信号の放送を開始したが [8] 、当初の アスペクト比 は2:1であった。 ソニーのHDVS 高精細ビデオ システムはMUSEシステムのコンテンツ制作に使用されたが、MUSE信号は記録しなかった。 [2] このシステムは非圧縮のハイビジョン信号を記録していた。1991年の商用開始時には、 デジタル HDTVは既に 米国 で開発中であった。ハイビジョンMUSEは主に NHKの BShi 衛星テレビチャンネルで放送された が、WOWOW、テレビ朝日、フジテレビ、TBSテレビ、日本テレビ、テレビ東京などの他のチャンネルでもMUSEで放送された。 [9] [10] [11]
その後の改良により、MUSE-IIIシステムとして知られ、画像の動きのある部分の解像度が向上し、動きのある際の彩度解像度も向上しました。MUSE-IIIは1995年以降の放送と、一部のハイビジョンMUSEレーザーディスクに使用されました。MUSEデコーダーのサイズが大きいという初期からの苦情が多く寄せられたため、小型デコーダーが開発されました。
1994年5月20日、 パナソニックは 最初のMUSE レーザーディスク プレーヤーを発売しました。 [12] パイオニア や ソニー などの他のブランドからも多数のプレーヤーが発売されていました 。
このアナログ伝送方式では影やマルチパスの問題があったにもかかわらず、日本はISDBをベースとしたデジタルHDTVシステムに移行しました。ハイビジョンは2007年までNHKによってアナログ放送が続けられました。他のチャンネルは、日本のデジタル放送規格であるISDBのデジタルHD信号への移行に伴い、2000年12月1日以降すぐに放送を停止しました。 [13]
歴史
MUSE は、ハイビジョン HDTV 信号の圧縮方式として 1980 年代に
NHK 放送技術研究所 によって開発されました。
日本の放送技術者は、従来の 残留側波帯 放送を直ちに拒否した。
日本は衛星放送を経済的に支援しているため、MUSEは衛星放送方式であることが早い段階で決定されました。MUSEは21GHz帯 [14] または12GHz帯[ 15 ]で送信されました。 [3]
変調研究
日本の放送技術者たちは、以前からさまざまなタイプの HDTV 放送を研究していた。 [16] 当初は信号の帯域幅が広いため、HDTV の伝送には SHF 、 EHF または 光ファイバーを 使用する必要があり、地上波放送には HLO-PAL を使用すると考えられていた。 [17] [18] HLO-PAL は従来構築された 複合信号 ( NTSC や PAL のように 輝度 については 、 彩度 についてはに基づく ) であり、広帯域/狭帯域彩度成分の半ライン オフセット キャリア エンコードによるラインごとの位相交番を使用する。広帯域彩度成分の最も低い部分のみが高周波彩度と重なる。狭帯域彩度は輝度から完全に分離されていた。PAF、またはフィールドごとの位相交番 (最初の NTSC カラー システム トライアルのような) も実験され、はるかに優れたデコード結果が得られたが、NHK はすべての複合エンコード システムを放棄した。衛星送信を 使用 する FMは三角波ノイズを発生させるため、サブキャリアを付加したコンポジット信号をFMで使用すると、復調されたクロマ信号は輝度信号よりもノイズが多くなります。そのため、他の選択肢 [19] を検討した結果、 [17] 、衛星放送にはコンポーネント信号を使用することが決定されました 。当初はFCFE(Frame Conversion Fineness Enhanced)と呼ばれるI/P変換圧縮方式 [20] が検討されましたが、最終的にはMUSEが採用されました。 [21]
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
はい
/
C
{\displaystyle Y/C}
コンポーネントとデジタルコンポーネント を分離して伝送する方法 が検討されました。現在放送されているMUSEフォーマットは、分離されたコンポーネント信号を使用しています。画質の改善は著しく、当初の試験システムが回収されました。
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
さらにもう 1 つの省電力調整が行われました。低周波ノイズに対する視覚的な反応がないため、より高いビデオ周波数が送信機で変調前に強調され、受信機で強調解除されると、トランスポンダーの電力が大幅に削減されます。
技術仕様
MUSEの「1125ライン」はアナログの測定値であり、CRTの電子ビームが画面上部に戻って次のフィールドの走査を開始するまでの非ビデオ走査線を含みます 。 画像 情報 を持つのは1035ラインのみです。デジタル信号は、実際にディテールを持つライン(ピクセルの列)のみをカウントするため、NTSCの525ラインは486i(MPEG互換のため480に丸められます)、PALの625ラインは576iとなり、MUSEは1035iとなります。ハイビジョンMUSEの帯域幅を、NTSCで使用されている「従来の」 水平解像度のライン数 に変換するには、帯域幅1MHzあたり29.9ラインを掛けます(NTSCとPAL/SECAMは1MHzあたり79.9ラインです)。この29.9ラインという計算は、Blu-rayやHD-DVDを含む現在のすべてのHDシステムに当てはまります。したがって、MUSEの場合、静止画の解像度は、輝度解像度が画像の高さあたり598ライン、彩度解像度が209ラインとなります。水平輝度測定値は、 ケル係数 とインターレース係数を考慮すると、1080インターレース画像の垂直解像度とほぼ一致します。1125ラインは、NTSCとPALの解像度とこの数値の2倍の間の妥協点として選択されました。 [22]
MUSEは時間圧縮統合(TCI)を採用しています。これは時分割多重化の別名で、輝度、色差、PCMオーディオ、同期信号を1つの搬送信号/1つの搬送周波数で伝送するために使用されます。しかし、TCIは時間次元でのコンテンツの圧縮によって多重化を実現します。つまり、ビデオフレームを領域に分割して伝送し、色差はフレームの左側に、輝度はフレームの右側に圧縮されます。その後、可視画像を作成するには、これらの圧縮された領域を拡張してレイヤー化する必要があります。 [15] この点が、輝度、オーディオ、色差を複数の搬送周波数で同時に伝送するNTSCとは異なります。 [23] [24] ハイビジョン信号は、3チャンネルのアナログコンポーネントビデオ信号で、当初はRGB、後にYP b P r でした。ハイビジョン規格は、RGB信号とYP b P r 信号の両方に対応することを目指しています。 [15] [25] [26]
MUSE システムの主な機能:
走査線数(合計/アクティブ): 1,125/1,035 [5]
1ラインあたりのピクセル数(完全補間): 1122(静止画)/ 748(動画)
基準クロック周期:アクティブラインあたり1920 [5]
インターレース比:2:1 [5]
アスペクト比16:9 [5]
リフレッシュレート:59.94または60フレーム/秒 [5]
放送用サンプリング周波数:16.2 MHz
ベクトル動き補償: 水平±16サンプル(32.4MHzクロック)/フレーム、垂直ライン±3/フィールド
オーディオ: 「DANCE」ディスクリート 2 または 4 チャンネル デジタル オーディオ システム: 48 kHz/16 ビット (2 チャンネル ステレオ : 2 つのフロント チャンネル)/32 kHz/12 ビット (4 チャンネル サラウンド : 3 つのフロント チャンネル + 1 つのバック チャンネル)
DPCM 音声圧縮形式: DPCM 準瞬時 圧縮圧縮
必要帯域幅:27MHz [1] 送信にFM変調を使用するため、使用可能な帯域幅はこれの1/3の9MHzとなる。 [15]
比色分析
MUSE 輝度 信号は 、元のRGBカラーチャンネルの以下の組み合わせで指定される エンコードされます。 [3]
はい
{\displaystyle Y}
はい
M
{\displaystyle YM}
はい
M
=
0.294
R
+
0.588
G
+
0.118
B
{\displaystyle {\begin{aligned}YM=0.294\,R+0.588\,G+0.118\,B\end{aligned}}}
色 差 信号は 、および 差信号を符号化します。これらの3つの信号( 、 および )を用いることで、MUSE受信機は次の行列を用いて元のRGB色成分を復元することができます。 [3]
C
{\displaystyle C}
B
−
はい
M
{\displaystyle B-YM}
R
−
はい
M
{\displaystyle R-YM}
はい
M
{\displaystyle YM}
B
−
はい
M
{\displaystyle B-YM}
R
−
はい
M
{\displaystyle R-YM}
[
G
B
R
]
=
[
1
−
1
/
5
−
1
/
2
1
1
0
1
0
1
]
[
1
0
0
0
5
/
4
0
0
0
1
]
[
はい
M
B
−
はい
M
R
−
はい
M
]
=
[
1
−
1
/
4
−
1
/
2
1
5
/
4
0
1
0
1
]
[
はい
M
B
−
はい
M
R
−
はい
M
]
{\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}G\\B\\R\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}1&-1/5&-1/2\\1&1&0\\1&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1&0&0\\0&5/4&0\\0&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}YM\\B-YM\\R-YM\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}1&-1/4&-1/2\\1&5/4&0\\1&0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}YM\\B-YM\\R-YM\end{bmatrix}}\end{aligned}}}
このシステムは、 SMPTE 240M [5] [27] [28] で規定された測色マトリックス( 標準規格作成時に使用されていた SMPTE RP 145原色( SMPTE-Cとも呼ばれる)に対応する係数を使用)を使用していました。 [29] 原色の色度と白色点は次のとおりです。 [28] [5]
luma( )関数は次のように規定される: [5]
E
はい
{\displaystyle EY}
E
はい
=
0.212
E
R
+
0.701
E
G
+
0.087
E
B
{\displaystyle {\begin{aligned}EY=0.212\,ER+0.701\,EG+0.087\,EB\end{aligned}}}
青色差( )は振幅スケール( )で表され、次式で表される: [5]
E
P
B
{\displaystyle EPB}
E
B
−
E
はい
{\displaystyle EB-EY}
E
P
B
=
1.826
(
E
B
−
E
はい
)
{\displaystyle {\begin{aligned}EPB=1.826\,(EB-EY)\end{aligned}}}
赤色の差( )は振幅スケール( )で表され、次の式で表される: [5]
E
P
R
{\displaystyle EPR}
E
R
−
E
はい
{\displaystyle ER-EY}
E
P
R
=
1.576
(
E
R
−
E
はい
)
{\displaystyle {\begin{aligned}EPR=1.576\,(ER-EY)\end{aligned}}}
信号と伝送
MUSEは1125ライン(可視光線1035本)のシステムであり、現代のHDTVで使用されているデジタル1080ラインシステムとはパルス同期互換性がありません。当初は1125ライン、インターレース、60Hz、5:3 [15] (1.66:1)のアスペクト比、最適視聴距離約3.3Hのシステムでした。1989年に16:9のアスペクト比に変更されました。 [30] [31] [32]
地上MUSE伝送には、帯域幅が制限されたFMシステムが考案されました。衛星伝送システムでは、非圧縮FMが使用されます。
MUSE 圧縮前では、ハイビジョン信号の帯域幅は、輝度と色差の 30 MHz から、 輝度の圧縮前帯域幅 20 MHz に削減され、色差の圧縮前帯域幅は 7.425 MHz の搬送波になります。
はい
{\displaystyle Y}
日本人は当初、従来方式で構築された複合信号を周波数変調するアイデアを検討しました。この方式では、 NTSC コンポジットビデオ 信号と構造が似ており、低周波数側に ( 輝度 )を、高周波数側に( 色度 )を配置することになります。22GHz帯の複合FM信号で40dBの信号対雑音 比を得るには、約3kWの電力が必要でした。 これは衛星放送の技術や帯域幅と互換性がありませんでした。
はい
/
C
{\displaystyle Y/C}
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
この制限を克服するため、とを 別々に伝送することが決定されました 。これにより有効周波数範囲が狭まり、必要な電力も低減されます。22GHz衛星帯域で 独立したFM信号を用いて40dBの信号対雑音比を得るには、約570W(の場合は360W 、の場合は210W )の電力が必要です 。これは実現可能でした。
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
はい
/
C
{\displaystyle Y/C}
人間の目の特性からわかるもう一つの省電力化があります。人間の視覚は低周波ノイズに反応しないため、送信機で変調前に高周波数のビデオ周波数を強調し、受信機でデエンファシスすることで、トランスポンダの電力を大幅に削減できます。この手法を採用し、エンファシス/デエンファシスのクロスオーバー周波数を では 5.2 MHz、 では 1.6 MHzに 設定しました。これにより、消費電力は 260 W( では 190 W 、 では 69 W )に低下します。
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
はい
{\displaystyle Y}
C
{\displaystyle C}
サンプリングシステムと比率
ビデオシステムにおけるサブ サンプリング は通常、3つの要素からなる比率で表現されます。比率を構成する3つの要素は、輝度(ルマ) サンプル 数、2つの色(クロマ)成分のサンプル数、 そして 各サンプル領域における輝度です。伝統的に、輝度の値は常に4で、残りの値はそれに応じて調整されます。
はい
{\displaystyle Y}
C
b
{\displaystyle Cb}
C
r
{\displaystyle Cr}
4:4:4のサンプリングは、3つのコンポーネントすべてが完全にサンプリングされることを意味します。例えば、4:2:0のサンプリングは、2つの彩度コンポーネントが輝度の水平サンプリングレートの半分でサンプリングされることを意味します。つまり、水平彩度解像度が半分になります。これにより、非圧縮ビデオ信号の帯域幅は3分の1に削減されます。
MUSEは帯域幅を削減する手段として同様のシステムを実装していますが、静的サンプリングではなく、画面上の動きの量に応じて実際の比率が変化します。実際には、MUSEのサンプリングは動きの量に応じて約4:2:1から4:0.5:0.25の範囲で変化します。したがって、赤緑の彩度成分は 輝度成分のサンプリング解像度の半分から8分の1になり 、青黄色の彩度成分は 赤緑の半分の解像度になります。
C
r
{\displaystyle Cr}
はい
{\displaystyle Y}
C
b
{\displaystyle Cb}
オーディオサブシステム
MUSE には、「 DANCE 」と呼ばれる個別の 2 または 4 チャンネル デジタル オーディオ システムがありました。これは、 Digital Audio Near-instantaneous Compression and Expansion の略です 。
この方式は、 MPEG-1 Layer II のような心理音響学に基づいたものではない 差動音声伝送( 差動パルス符号変調 )を採用していました。伝送速度は1350 kbpsの固定でした。PAL NICAM ステレオシステムと同様に、 ほぼ瞬時の圧縮伸長( dbx システムのような音節圧縮伸長とは対照的)と、32 kHz のサンプルレート で13ビットの非線形デジタル符号化を採用していました 。
また、48kHz 16ビットモードでも動作可能でした。DANCEシステムは、NHKの多数の技術論文や、米国で発行されたNHK出版の書籍『 ハイビジョン技術』 で詳細に説明されています。 [33]
DANCEオーディオコーデックは、ドルビーAC-3(別名 ドルビーデジタル )、 DTSコヒーレントアコースティックス (別名DTSゼータ6x20またはARTEC)、 MPEG-1レイヤーIII (別名MP3)、MPEG-2レイヤーI、 MPEG-4 AAC 、その他多くのオーディオコーデックに置き換えられました。このコーデックの方式はIEEEの論文 [34] に記載されています。
従来のインターレースビデオでは、インターレースはラインごとに行われ、一度にビデオの奇数ラインか偶数ラインのどちらかが表示され、ビデオフレームを完了するには2つのフィールドのビデオが必要になりますが、MUSEは4フィールドのドットインターレース [35] [15] [36] [37] [38] サイクルを使用します。つまり、1つのMUSEフレームを完了するには4つのフィールドが必要でした。 [39] [40] また、ドットインターレースはピクセルごとに行われるインターレースであり、水平解像度と垂直解像度を半分に分割して各ビデオフィールドを作成します。従来のインターレースビデオのようにラインごとに行われ、垂直解像度のみを削減して各ビデオフィールドを作成します。したがって、MUSEでは、静止画像のみがフル解像度で送信されました。 [41] [37] [42] [43] ただし、MUSEはフレームごとに大きく変化する素材の水平および垂直解像度を下げるため、動画はぼやけていました。 MUSEは動き補償を使用していたため、カメラ全体をパンしてもフル解像度を維持できましたが、個々の動きのある要素はフルフレーム解像度の4分の1にしか削減できませんでした。動きのある部分と動きのない部分の混合はピクセル単位でエンコードされていたため、多くの人が考えるほど目立ちませんでした。その後、NHKはMUSEエンコード/デコードの下位互換性のある方式を考案し、画像の動きのある部分の解像度を大幅に向上させ、動きのある部分の彩度解像度も向上させました。このいわゆるMUSE-IIIシステムは1995年からの放送に使用され、最後のハイビジョンMUSEレーザーディスクのごく一部で使用されていました( リバーランズ・ スルー・イットはこれを使用したハイビジョンLDの1つです)。MUSEシステムの初期のデモでは、デコーダーのサイズが大きいという苦情が多く寄せられ、小型デコーダーの開発につながりました。 [1]
影とマルチパスは、このアナログ周波数変調伝送モードにも依然として影響を及ぼします。
日本はその後、 ISDB に基づくデジタル HDTV システムに切り替えました が、元の MUSE ベースの BS 衛星チャンネル 9 (NHK BS ハイビジョン) は 2007 年 9 月 30 日まで放送されていました。
文化的および地政学的影響
ハイビジョン誕生のきっかけとなった日本国内の事情
(1940 年代): NTSC 規格 (525 ラインのモノクロ システム) は、 米国占領 軍によって導入されました。
(1950 年代 - 1960 年代): PAL に切り替えることもできたカナダとは異なり、日本は状況に関係なく米国のテレビ送信規格に固執していました。
(1960 年代 - 1970 年代): 1960 年代後半までに、現代の日本のエレクトロニクス産業の多くの部分は、NTSC の設計に固有の伝送と保存の問題を解決することからスタートしました。
(1970 年代 - 1980 年代): 1980 年代には、より優れたテレビ システムを設計できる技術者の余剰が日本に存在していました。
米国でMUSEとして知られるようになったこの技術は、1980年代半ばに雑誌 『ポピュラーサイエンス』 で初めて取り上げられました。日本以外では公開デモンストレーションがほとんど行われなかったため、米国のテレビ局は1980年代後半までMUSEについてあまり報道しませんでした。
日本は独自の国内周波数割り当て表(MUSE の展開に対してよりオープン)を持っていたため、 1980 年代末までに
このテレビ システムを Ku バンド衛星技術で送信することが可能になりました。
1980 年代後半、米国 FCC は、MUSE が 6 MHz のSystem-M チャネルに適合することを条件に、米国内でのテストを許可する指令を発行し始めました 。
ヨーロッパ人(欧州放送連合 (EBU)の形態 )は MUSE に感銘を受けましたが、これは 60 Hz のテレビ システムであり、ヨーロッパやその他の地域(南北アメリカと日本以外)で標準となっている 50 Hz システムではないため、採用することはできませんでした。
EBUによる B-MAC 、 D-MAC 、そしてずっと後の HD-MAC の開発と導入は、ハイビジョンの技術的成功によって可能になりました。MAC 信号構造において、時間領域で
色 と 輝度を完全に分離できるため、MAC伝送システムは多くの点でMUSEよりも優れています。
ハイビジョンと同様に、HD-MACも8MHzチャネルで伝送するには大幅な変更が必要であり、画質とフレームレートが大幅に低下しました。米国では6MHz版ハイビジョンの実験が行われましたが [8] 、これも深刻な画質問題を抱えていたため、FCCは国内地上波テレビ放送規格としての使用を完全に承認しませんでした。
1950年代にNTSCの創設を主導した米国 ATSC ワーキンググループは、ハイビジョンの成功を受けて1990年代初頭に再始動しました。DVB規格の多くの側面はATSCワーキンググループの作業に基づいていますが、その影響の大部分は60Hz(および映画放送用の24Hz)のサポート、均一なサンプリングレート、そして相互運用可能な画面サイズにあります。
参照
これらのシステムが置き換えることになっていたアナログテレビ システム:
関連規格:
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外部リンク
初期のMUSEレーザーディスクプレーヤーの例
ハイビジョン、MUSE、光ディスク