การแปลงมาตรฐานสัญญาณโทรทัศน์

การแปลงมาตรฐานสัญญาณโทรทัศน์ (Television Standards Conversion) คือกระบวนการทางเทคนิคในการเปลี่ยนสัญญาณการส่งสัญญาณโทรทัศน์หรือการบันทึกวิดีโอจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง ซึ่งมีความจำเป็นอย่างยิ่งในการแลกเปลี่ยนรายการโทรทัศน์ระหว่างประเทศที่มีการใช้มาตรฐานทางเทคนิคที่แตกต่างกัน

การแปลงวิดีโอระหว่างระบบที่มีจำนวนเส้นสแกน (Lines) อัตราเฟรม (Frame rates) และโมเดลสี (Color models) ที่แตกต่างกันถือเป็นปัญหาทางเทคนิคที่ซับซ้อน โดยทั่วไปจะใช้เครื่องแปลงมาตรฐานวิดีโอ (Video Standards Converter) เพื่อสร้างสำเนาของเนื้อหาให้ตรงตามมาตรฐานที่ต้องการ ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือการแปลงระหว่างมาตรฐาน NTSC และ PAL

ประวัติการแปลงมาตรฐานสัญญาณ

การแปลงระบบโทรทัศน์ครั้งแรกที่ถูกบันทึกไว้เกิดขึ้นในยุโรปหลังสงครามโลกครั้งที่สอง โดยสถานีโทรทัศน์ RTF ของฝรั่งเศส และ BBC ของสหราชอาณาจักร พยายามแลกเปลี่ยนรายการโทรทัศน์ขาวดำที่มีความละเอียด 441 เส้น และ 405 เส้น ตามลำดับ

ความซับซ้อนเพิ่มมากขึ้นเมื่อมีการนำมาตรฐานสีเข้ามาใช้ ได้แก่ PAL และ SECAM (ทั้งคู่ใช้ 625 เส้น) รวมถึงบริการโทรทัศน์ขาวดำ 819 เส้นของฝรั่งเศส จนถึงช่วงทศวรรษ 1980 การแปลงมาตรฐานมีความยากลำบากมากจนทำให้ฟิล์มขนาด 16 มม. หรือ 35 มม. ที่มีอัตรา 24 เฟรมต่อวินาที กลายเป็นสื่อกลางที่นิยมใช้ในการแลกเปลี่ยนรายการระหว่างประเทศ เนื่องจากสามารถนำไปแปลงเป็นมาตรฐานใดก็ได้ในภายหลัง

ความท้าทายทางเทคนิคในการแปลงระบบ

หนึ่งในการแปลงที่ท้าทายที่สุดคือการแปลงจาก PAL หรือ SECAM ไปเป็น NTSC เนื่องจากความแตกต่างทางกายภาพและเวลาดังนี้:

• PAL และ SECAM: ใช้ 625 เส้น โดยมี 50 ฟิลด์ต่อวินาที (หรือ 25 เฟรมต่อวินาที)
• NTSC: ใช้ 525 เส้น โดยมี 59.94 ฟิลด์ต่อวินาที (หรือประมาณ 30 เฟรมต่อวินาที)

มาตรฐาน NTSC ไม่สามารถใช้งานร่วมกับ PAL และ SECAM ได้ทั้งในด้านมิติภาพ (Spatial) และเวลา (Temporal) นอกจากจำนวนเส้นที่ต่างกันแล้ว การแปลงจาก 50 ฟิลด์ต่อวินาที ไปเป็น 60 ฟิลด์ต่อวินาที จำเป็นต้องมีการสร้างฟิลด์เพิ่มเติมอีก 10 ฟิลด์ในทุกๆ วินาที ซึ่งเครื่องแปลงต้องคำนวณและสร้างเฟรมใหม่จากข้อมูลที่มีอยู่แบบเรียลไทม์

สำหรับการแปลงระหว่าง PAL และ SECAM นั้น ไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนเรื่องเวลา (Timing) แต่ยังคงต้องมีการแปลงการเข้ารหัสสี (Color encoding) และการแปลงสัญญาณเสียง

สัญญาณแฝงและการส่งต่อข้อมูล

สัญญาณโทรทัศน์มีข้อมูลแฝงหลายประเภท ซึ่งบางครั้งไม่ถูกส่งต่อในกระบวนการแปลงมาตรฐาน เช่น สัญญาณคำบรรยายแทนเสียง (Closed Captioning) ซึ่งต้องใช้เครื่องแปลงราคาแพงจึงจะสามารถรักษาข้อมูลนี้ไว้ได้ ส่วนสัญญาณ Teletext มักไม่จำเป็นต้องส่งต่อ

ในยุคของการแพร่ภาพความละเอียดสูง (HDTV) ปัญหานี้ลดน้อยลง แต่ยังมีความแตกต่างระหว่างมาตรฐาน DVB และ ATSC ในด้านประเภทของกระแสข้อมูลคำบรรยาย (Captioning datastream)

ทฤษฎีสารสนเทศและการสุ่มตัวอย่าง

ตามทฤษฎีสารสนเทศและทฤษฎีการสุ่มตัวอย่างของ ไนควิสต์-แชนนอน (Nyquist–Shannon sampling theorem) การแปลงมาตรฐานจะทำได้ง่ายขึ้นหากเข้าเงื่อนไขดังนี้:

• แปลงจากอัตราเฟรมที่สูงกว่าไปสู่ที่ต่ำกว่า (เช่น NTSC ไปเป็น PAL/SECAM)
• แปลงจากความละเอียดสูงไปสู่ความละเอียดต่ำ (เช่น HDTV ไปเป็น NTSC)
• แปลงจากแหล่งกำเนิดแบบ Progressive-scan ไปสู่ Progressive-scan
• มีภาพเคลื่อนไหวระหว่างเฟรมค่อนข้างน้อย เพื่อลดอาการภาพกระตุก (Judder)
• แหล่งกำเนิดสัญญาณมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (Signal-to-noise ratio) ที่เหมาะสม

ระบบการสุ่มตัวอย่างและอัตราส่วน

การสุ่มตัวอย่างย่อย (Subsampling) ในระบบวิดีโอจะแสดงเป็นอัตราส่วนสามส่วน ซึ่งระบุจำนวนตัวอย่างของความสว่าง (Luminance/Luma - Y) และตัวอย่างของส่วนประกอบสีสองสี (Chroma - U/Cb และ V/Cr)

โดยทั่วไปจะกำหนดให้ค่าความสว่างเป็น 4 และปรับสเกลค่าสีตามความเหมาะสม เช่น อัตราส่วน 4:4:4 ซึ่งเทียบเท่ากับ 1:1:1 หลักการสุ่มตัวอย่างนี้ใช้ได้กับทั้งโทรทัศน์ระบบอนาล็อกและดิจิทัล

ปรากฏการณ์ Telecine Judder

กระบวนการ "3:2 pulldown" ซึ่งใช้แปลงฟิล์ม 24 เฟรมต่อวินาที ให้เป็นวิดีโอโทรทัศน์ (Telecine) ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในสัญญาณวิดีโอ ส่งผลให้การเคลื่อนไหวในภาพยนตร์ที่รับชมผ่านอุปกรณ์ NTSC อาจดูไม่ราบรื่นเท่ากับการชมในโรงภาพยนตร์ โดยเฉพาะในฉากที่กล้องเคลื่อนที่ช้าๆ และสม่ำเสมอ ซึ่งจะเห็นเป็นอาการกระตุกที่เรียกว่า Telecine Judder

ในระบบ PAL จะมีการใช้การดึงภาพแบบ 2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:3 ซึ่งทำให้เกิดอาการกระตุกในลักษณะที่คล้ายกัน โดยทุกๆ เฟรมที่ 12 จะถูกแสดงผลนานกว่าเฟรมอื่น (60 มิลลิวินาที เทียบกับ 40 มิลลิวินาที) ทำให้เกิดอาการ "สะดุด" ของภาพประมาณสองครั้งต่อวินาที

เทคนิคการแปลงในยุคแรก

หนึ่งในเทคนิคที่เรียบง่ายที่สุดคือวิธี Orthicon to orthicon ซึ่งเคยถูกใช้ในไอร์แลนด์เพื่อแปลงบริการ 625 เส้น ให้เป็น 405 เส้น โดยการใช้กล้อง 405 เส้น ถ่ายภาพจากหน้าจอมอนิเตอร์ที่แสดงผล 625 เส้น วิธีนี้ใช้ได้ผลเมื่อต้องการลดความละเอียดของภาพและมีอัตราเฟรมที่เท่ากัน แต่คุณภาพของภาพจะต่ำและขึ้นอยู่กับคุณภาพของฟอสฟอรัสบนหน้าจอ