تحويل معايير التلفزيون

تشير نظرية المعلومات ونظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات إلى أن التحويل من معيار تلفزيوني إلى آخر سيكون أسهل إذا كان التحويل

• الانتقال من معدل إطارات أعلى إلى معدل إطارات أقل ( على سبيل المثال، من NTSC إلى PAL أو SECAM ).
• يتم التحويل من دقة أعلى إلى دقة أقل (من HDTV إلى NTSC )
• هو من مصدر مسح تدريجي إلى مصدر مسح تدريجي آخر ( نظام PAL المتداخل ونظام NTSC غير متوافقين زمنيًا ومكانيًا مع بعضهما البعض).
• يتميز بحركة بين الإطارات قليلة نسبياً، مما يقلل من الارتجاج الزمني أو المكاني
• مصدر لا تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء فيه عالية بشكل ضار [منخفضة؟]
• يأتي من مصدر لا يحتوي على عيب إشارة مستمر (أو دوري) من شأنه أن يعيق الترجمة.

عادةً ما يتم التعبير عن عملية أخذ العينات الفرعية في نظام الفيديو كنسبة ثلاثية الأجزاء. تمثل هذه النسبة عدد عينات السطوع ("اللمعان"، "الضوء"، " Y ") وعدد عينات مكوني اللون ("التشبع") ( U/Cb ثم V/Cr ) لكل منطقة عينة كاملة.

للمقارنة من حيث الجودة، فإن النسبة بين تلك القيم هي المهمة فقط، لذلك يمكن تسمية 4:4:4 بسهولة بـ 1:1:1؛ ولكن تقليديًا تكون قيمة السطوع دائمًا 4، مع تغيير مقياس بقية القيم وفقًا لذلك.

تنطبق مبادئ أخذ العينات المذكورة أعلاه على كل من التلفزيون الرقمي والتلفزيون التناظري.

تُحدث عملية تحويل الأفلام ذات معدل 24 إطارًا في الثانية إلى التلفزيون (التلسين) باستخدام تقنية "3:2 pulldown" خطأً طفيفًا في إشارة الفيديو مقارنةً بإطارات الفيلم الأصلية. وهذا أحد أسباب عدم ظهور الحركة في أفلام 24 إطارًا في الثانية بسلاسة عند مشاهدتها على أجهزة NTSC المنزلية العادية كما هو الحال في دور السينما. وتظهر هذه الظاهرة بوضوح أثناء حركات الكاميرا البطيئة والثابتة، والتي تبدو متقطعة بعض الشيء عند تحويلها إلى التلفزيون. وتُعرف هذه العملية باسم " اهتزاز التلسين" .

تعاني مواد PAL التي طُبِّق عليها تقنية 2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:3 pulldown من نقص مماثل في سلاسة الصورة، مع أن هذا التأثير لا يُعرف عادةً باسم "اهتزاز الصورة". يُعرض كل إطار من الإطارات الـ 12 لمدة 3 حقول PAL (60 مللي ثانية)، بينما يُعرض كل إطار من الإطارات الـ 11 الأخرى لمدة حقلين PAL (40 مللي ثانية). يتسبب هذا في حدوث "تقطع" طفيف في الفيديو مرتين في الثانية تقريبًا.

يجب على مُحوّلي أنظمة التلفزيون تجنّب إحداث تأثيرات اهتزاز الصورة أثناء عملية التحويل. يُعدّ تجنّب هذا الاهتزاز ذا أهمية اقتصادية، لأنّ الكثير من  مواد NTSC (بتردد 60 هرتز، أي 29.97 إطارًا/ثانية) المُستمدة من الأفلام ستُعاني من هذه المشكلة عند تحويلها إلى PAL أو SECAM (كلاهما بتردد 50  هرتز، أي 25 إطارًا/ثانية).

استخدمت أيرلندا هذه الطريقة لتحويل خدمة 625 خطًا إلى خدمة 405 خطوط. ولعلها أبسط تقنيات تحويل معايير البث التلفزيوني. وقد استخدمت هيئة الإذاعة والتلفزيون الأيرلندية (RTÉ) هذه الطريقة خلال السنوات الأخيرة من استخدامها لنظام 405 خطوط.

استُخدم مُحوِّل معايير لتوفير خدمة 405 خطًا، ولكن وفقًا لأكثر من مصدر هندسي سابق في هيئة الإذاعة والتلفزيون الأيرلندية (RTÉ)، فقد تعطل المُحوِّل، وبعد ذلك تم توفير خدمة 405 خطًا بواسطة كاميرا 405 خطًا موجهة نحو شاشة. هذه ليست أفضل تقنية تحويل، ولكنها قد تُجدي نفعًا عند الانتقال من دقة أعلى إلى دقة أقل - بنفس معدل الإطارات. يتطلب الأمر استخدام مواد فسفورية بطيئة على كلا وحدتي العرض .

كانت أولى محولات معايير الفيديو تناظرية . أي أن كاميرا فيديو احترافية خاصة ، مزودة بأنبوب كاميرا فيديو ، كانت تُوجه نحو شاشة عرض فيديو تعمل بأنبوب أشعة الكاثود . وكان بالإمكان تحويل كل من الكاميرا والشاشة إلى نظام NTSC أو PAL، للتحويل في كلا الاتجاهين. وقد صنعت شركة Fernseh التابعة لشركة Robert Bosch GmbH محولًا كبيرًا لمعايير الفيديو التناظرية بثلاثة أرفف . وكانت هذه المحولات من بين الأفضل في الستينيات والسبعينيات. استخدمت شركة Image Transform في مدينة يونيفرسال سيتي بولاية كاليفورنيا محول Fernseh، وفي الثمانينيات صنعت محولًا رقميًا خاصًا بها. وكان هذا أيضًا جهازًا أكبر بثلاثة أرفف. ومع ازدياد سعة الذاكرة الرقمية في أجهزة أصغر حجمًا، أصبحت المحولات بحجم فرن الميكروويف . واليوم، يمكن شراء محول استهلاكي صغير جدًا للاستخدام المنزلي. ^{[ 2 ]}

استخدمت مهمات أبولو القمرية (أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات) تقنية البث التلفزيوني البطيء (SSTV) بدلاً من البث التلفزيوني العادي؛ وكان الهدف الرئيسي من ذلك توفير طاقة البطارية (وعرض نطاق الإرسال، حيث تم دمج فيديو SSTV من مهمات أبولو مع جميع الاتصالات الصوتية وبيانات القياس عن بُعد الأخرى من المركبة الفضائية). وكانت الكاميرا تستهلك 7 واط فقط من الطاقة.

استُخدم نظام SSTV لنقل الصور من داخل مركبات أبولو 7 ، وأبولو 8 ، وأبولو 9 ، بالإضافة إلى بث تلفزيون المركبة القمرية أبولو 11 من على سطح القمر ؛ انظر كاميرا تلفزيون أبولو . كان نظام SSTV المستخدم في مهمات أبولو الأولى التابعة لناسا ينقل عشر لقطات في الثانية بدقة 320 خطًا، مستخدمًا نطاقًا تردديًا أقل من البث التلفزيوني العادي. تختلف أنظمة SSTV الأولى التي استخدمتها ناسا اختلافًا كبيرًا عن أنظمة SSTV المستخدمة حاليًا من قبل هواة الراديو. كان تحويل المعايير ضروريًا لكي يتمكن جمهور عالمي من مشاهدة المهمات بدقتي PAL/SECAM (625 خطًا، 50 هرتز) وNTSC (525 خطًا، 60 هرتز).  

استخدمت مهمات أبولو اللاحقة كاميرات متسلسلة ذات مجال لوني تُخرج فيديو بمعدل 60 إطارًا في الثانية. كل إطار يُمثل لونًا من الألوان الأساسية RGB. هذه الطريقة متوافقة مع نظام NTSC بالأبيض والأسود، لكنها غير متوافقة مع نظام NTSC الملون. في الواقع، حتى توافقها مع أجهزة التلفزيون أحادية اللون بنظام NTSC محدود. كان من الممكن أن يُعيد جهاز أحادي اللون إنتاج الصور، لكنها كانت ستُعاني من وميض شديد. كان فيديو الكاميرا الملون يعمل بمعدل 10  إطارات في الثانية فقط. إضافةً إلى ذلك، كان انزياح دوبلر في الإشارة القمرية سيؤدي إلى تمزق الصور وانقلابها. لهذه الأسباب، تطلبت صور أبولو القمرية تقنيات تحويل خاصة.

كانت خطوات التحويل كهروميكانيكية بالكامل، وجرى تنفيذها في وقت شبه فوري. أولًا، صحّحت محطة الاستقبال الصور لتأثير دوبلر. ثم، في مسجل أقراص تناظري، سجّلت محطة الاستقبال كل حقل فيديو وأعادت تشغيله ست مرات. في مسجل الأقراص ذي المسارات الستة، جرى التسجيل والتشغيل في آنٍ واحد. بعد التسجيل، أضافت معالجات الفيديو التناظرية المكونات المفقودة لإشارة ألوان NTSC، وهي: نبضة اللون بتردد 3.58 ميجاهرتز، وإشارة أحادية اللون عالية الدقة، والصوت، وإشارتي اللون I وQ.

لم يستغرق تأخير التحويل سوى عشر ثوانٍ تقريبًا. ثم غادرت صور القمر الملونة محطة الإرسال لتوزيعها عالميًا.

قد تكتسب تقنية التحويل هذه شعبيةً لدى مصنعي أجهزة تحويل HDTV إلى NTSC و HDTV إلى PAL، وذلك في إطار التحول العالمي المستمر إلى HDTV. وقد استخدم نظام MUSE HDTV، الذي توقف إنتاجه، تقنية أخذ العينات الفرعية المتعددة من نوع Nyquist في اليابان. وتتوفر بالفعل شرائح MUSE التي يمكن استخدامها لتحويل الأنظمة، أو يمكن تعديلها لتلبية احتياجات أجهزة تحويل HDTV إلى التلفزيون التناظري.

يوجد فرق كبير في معدل الإطارات بين الفيلم (24.0 إطارًا في الثانية) ونظام NTSC (حوالي 29.97 إطارًا في الثانية). على عكس نظامي الفيديو الأكثر شيوعًا الآخرين ، PAL و SECAM ، لا يمكن التغلب على هذا الفرق بمجرد تسريع بسيط ، لأن التسريع المطلوب بنسبة 25% سيكون ملحوظًا بوضوح.

لتحويل فيلم بمعدل 24 إطارًا/ثانية إلى 29.97 إطارًا/ثانية (يُعرض على شكل 59.94 حقلًا متداخلًا في الثانية) في نظام NTSC، تُستخدم عملية تُسمى " 3:2 pulldown "، حيث يُكرر إطار من كل إطارين في حقل متداخل إضافي للوصول إلى معدل إطارات يبلغ 23.976 إطارًا/ثانية (مع إبطاء الصوت بشكل غير محسوس من مصدر 24 إطارًا/ثانية ليُطابقه). ينتج عن ذلك عدم انتظام في تسلسل الصور، وهو ما قد يلاحظه البعض على شكل تقطع أثناء تحريك الكاميرا ببطء وثبات في المادة المصدرية. راجع قسم "التحويل السينمائي " لمزيد من التفاصيل.

لعرض محتوى PAL أو SECAM الأصلي (مثل المسلسلات التلفزيونية الأوروبية وبعض الأفلام الأوروبية) على أجهزة NTSC، يلزم إجراء تحويل للمعايير. هناك طريقتان أساسيتان لتحقيق ذلك: الأولى هي إبطاء معدل الإطارات من 25 إلى 23.976 إطارًا في الثانية (بنسبة إبطاء تبلغ حوالي 4%) لتطبيق تقنية 3:2 pulldown . أما الثانية فهي استيفاء محتويات الإطارات المتجاورة لإنتاج إطارات وسيطة جديدة؛ وهذا يُسبب تشوهات ، حتى أن أبسط العيون المدربة تستطيع بسهولة ملاحظة الفيديو الذي تم تحويله بين الصيغ.

عند تحويل نظام PAL (625 خطًا بمعدل 25 إطارًا/ثانية) إلى نظام NTSC (525 خطًا بمعدل 30 إطارًا/ثانية)، يجب على المحول حذف 100 خط لكل إطار. كما يجب عليه أيضًا إنشاء خمسة إطارات في الثانية.

لتقليل إشارة 625 خطًا إلى 525، تقوم محولات أقل تكلفة بإسقاط 100 خط. تحافظ هذه المحولات على جودة الصورة من خلال توزيع الخطوط المُزالة بالتساوي. (على سبيل المثال، قد يتجاهل النظام كل سادس خط من كل حقل PAL. بعد الإسقاط الخمسين، تتوقف هذه العملية. عندها يكون النظام قد تجاوز منطقة العرض في الحقل. في الحقل التالي، تتكرر العملية لإكمال إطار واحد). لإنشاء الإطارات الخمسة الإضافية، يكرر المحول العملية كل خامس إطار.

إذا كانت الحركة بين الإطارات قليلة، فإن خوارزمية التحويل هذه سريعة وغير مكلفة وفعالة. وقد استخدمت العديد من أجهزة تحويل أنظمة التلفزيون الاستهلاكية منخفضة التكلفة هذه التقنية. مع ذلك، عمليًا، تتميز معظم مقاطع الفيديو بحركة كبيرة بين الإطارات. وللحد من تشوهات التحويل، قد تستخدم الأجهزة الأحدث أو الأغلى ثمنًا تقنيات متطورة.

الاستيفاء بين الحقول هو أسلوب يتم فيه إنشاء إطارات جديدة عن طريق دمج الإطارات المتجاورة، بدلاً من تكرار إطار واحد. يُعد هذا الأسلوب أكثر تعقيدًا واستهلاكًا للموارد الحاسوبية من الاستيفاء الخطي، لأنه يتطلب من المُستَكمِل معرفة الإطارات السابقة واللاحقة لإنتاج إطار وسيط مُدمج. قد يكون من الضروري أيضًا إزالة التشابك لإنتاج صور يمكن استيفاؤها بسلاسة. يُمكن أيضًا استخدام الاستيفاء لتقليل عدد خطوط المسح في الصورة عن طريق حساب متوسط ​​لون وشدة البكسلات على الخطوط المتجاورة، وهي تقنية مشابهة للترشيح الثنائي الخطي ، ولكنها تُطبَّق على محور واحد فقط.

توجد محولات بسيطة ثنائية الخطوط ورباعية الخطوط. يقوم المحول ثنائي الخطوط بإنشاء خط جديد بمقارنة خطين متجاورين، بينما يقارن النموذج رباعي الخطوط أربعة خطوط لحساب متوسط ​​الخط الخامس. يقلل الاستيفاء بين الحقول من اهتزاز الصورة، لكن على حساب تشويشها. كلما زاد المزج المستخدم لتنعيم الاهتزاز، زاد التشويش الناتج عن المزج.

تقيس بعض التقنيات الأكثر تطوراً طبيعة ودرجة الحركة بين الإطارات في المصدر، وتستخدم خوارزميات تكيفية لدمج الصورة بناءً على النتائج. تُعرف بعض هذه التقنيات بخوارزميات تعويض الحركة ، وهي أكثر تكلفة حسابية بكثير من التقنيات الأبسط، مما يتطلب أجهزة أكثر قوة لتكون فعالة في التحويل الفوري.

تستفيد خوارزميات الحركة التكيفية من الطريقة التي تعالج بها العين البشرية والدماغ الصور المتحركة - على وجه الخصوص، يتم إدراك التفاصيل بشكل أقل وضوحًا على الأجسام المتحركة.

يتطلب الاستيفاء التكيفي أن يقوم المحول بتحليل حقول متتالية متعددة واكتشاف مقدار ونوع الحركة في مناطق مختلفة من الصورة.

• في الحالات التي يتم فيها رصد حركة طفيفة، يمكن للمحول استخدام الاستيفاء الخطي.
• عند اكتشاف حركة أكبر، يمكن للمحول أن يتحول إلى تقنية بين الحقول تضحي بالتفاصيل من أجل حركة أكثر سلاسة.

تتعدد أشكال تقنية الاستيفاء التكيفي للحركة، وهي شائعة الاستخدام في محولات الفيديو متوسطة المدى . وتعتمد جودة هذه التقنية وتكلفتها على دقة تحليل نوع الحركة وكميتها، واختيار الخوارزمية الأنسب لمعالجة هذا النوع من الحركة.

تتضمن عملية مطابقة الكتل تقسيم الصورة إلى كتل فسيفسائية - على سبيل المثال، 8×8 بكسل. تُخزَّن هذه الكتل في الذاكرة. ثم يُقسَّم الحقل التالي المقروء إلى نفس العدد والحجم من الكتل الفسيفسائية. بعد ذلك، يبدأ حاسوب المُحوِّل عمله في مطابقة الكتل. أما الكتل التي حافظت على موضعها النسبي نفسه (أي لم تشهد أي حركة في هذا الجزء من الصورة)، فتُعالَج بشكل طفيف نسبيًا.

• بالنسبة لكل كتلة تغيرت، يبحث المحول في كل اتجاه من خلال ذاكرته، باحثًا عن تطابق لمعرفة أين ذهبت "الكتلة" (إذا كانت هناك حركة، فمن الواضح أن الكتلة قد ذهبت إلى مكان ما ..).
• يبدأ البحث من الكتل المحيطة مباشرة (بافتراض حركة قليلة).
• إذا لم يتم العثور على تطابق، فإنه يبحث بشكل أوسع وأبعد حتى يعثر على تطابق.
• عندما يتم العثور على الكتلة المطابقة، يعرف المحول حينها المسافة التي تحركت بها الكتلة وفي أي اتجاه.
• ثم يتم تخزين هذه البيانات كمتجه حركة لهذه الكتلة.
• بما أن الحركة بين الإطارات غالباً ما تكون قابلة للتنبؤ بسبب قوانين نيوتن للحركة في العالم الحقيقي، فإنه يمكن استخدام متجه الحركة لحساب المكان الذي من المحتمل أن تكون فيه الكتلة في الحقل التالي.
• توفر طريقة نيوتن الكثير من وقت البحث والمعالجة.

عند تحريك الكاميرا من اليسار إلى اليمين (على سبيل المثال 10 حقول)، فمن الآمن افتراض أن الحقل الحادي عشر سيكون مشابهًا أو قريبًا جدًا.

• يمكن اعتبار مطابقة الكتل بمثابة "قص ولصق" كتل الصور.

هذه التقنية فعّالة للغاية، لكنها تتطلب قدرة حاسوبية هائلة. لنفترض وجود مربع بحجم 8×8 بكسل فقط. لكل مربع، يمتلك الحاسوب 64 اتجاهًا محتملاً و64 بكسلًا يجب مطابقتها مع المربع المجاور. ضع في اعتبارك أيضًا أنه كلما زادت الحركة، زاد مدى البحث المطلوب. للعثور على مربع مجاور في المربع التالي، يتطلب الأمر البحث في 9 مربعات. مربعان أبعد يتطلبان البحث والمطابقة في 25 مربعًا، وثلاثة مربعات أبعد تجعل العدد يصل إلى 49، وهكذا.

يمكن لنوع الحركة أن يزيد بشكل كبير من قوة المعالجة المطلوبة. لنأخذ مثالاً على جسم دوار، حيث لا يُفيد متجه الحركة البسيط في خط مستقيم في التنبؤ بمكان مطابقة الكتلة التالية. يتضح سريعاً أنه كلما زادت الحركة بين الإطارات، زادت قوة المعالجة المطلوبة. هذا هو المفهوم العام لمطابقة الكتل. وتختلف محولات مطابقة الكتل اختلافاً كبيراً في السعر والأداء تبعاً لمدى الاهتمام بالتفاصيل والتعقيد.

تُعزى إحدى المشكلات الغريبة في مطابقة الكتل إلى حجم الكتلة نفسها. إذا كان الجسم المتحرك أصغر من كتلة الفسيفساء، فاعتبر أن الكتلة بأكملها هي التي تتحرك. في معظم الحالات، لا يُشكل هذا مشكلة، ولكن تخيل كرة بيسبول مُلقاة. تتمتع الكرة نفسها بمتجه حركة عالٍ، لكن الخلفية التي تُشكل باقي الكتلة قد لا تتحرك. تنتقل الخلفية أيضًا مع الكتلة المتحركة، بناءً على متجه حركة الكرة. ما قد تراه هو الكرة مع جزء صغير من الملعب الخارجي أو ما شابه، مُلتصقًا بها. نظرًا لحركتها، قد تكون الكتلة "ناعمة" اعتمادًا على التقنيات الإضافية المُستخدمة، وبالكاد يُمكن ملاحظتها إلا إذا كنت تبحث عنها.

تتطلب عملية مطابقة الكتل قدراً هائلاً من قوة المعالجة، لكن المعالجات الدقيقة الحالية تجعلها حلاً قابلاً للتطبيق.

ربما يكون ارتباط الطور هو الأكثر تعقيدًا من الناحية الحسابية بين الخوارزميات العامة.

يكمن نجاح تقنية ترابط الطور في فعاليتها في التعامل مع الحركة السريعة والعشوائية. فهي لا تتأثر بسهولة بالأجسام الدوارة أو الملتوية التي تُربك معظم أنواع محولات الأنظمة الأخرى. تتميز هذه التقنية بالبساطة والتعقيد التقني والمفاهيمي، ويتحقق نجاحها من خلال تطبيق تحويل فورييه على كل حقل من حقول الفيديو.

تحويل فورييه السريع ( FFT) هو خوارزمية تتعامل مع تحويل القيم المنفصلة (في هذه الحالة، وحدات البكسل في الصورة). عند تطبيقه على عينة من القيم المحدودة، يعبر تحويل فورييه السريع عن أي تغييرات (حركة) بدلالة مكونات التردد.

بما أن نتيجة تحويل فورييه السريع لا تمثل سوى التغيرات بين الإطارات من حيث توزيع التردد، فإن هناك بيانات أقل بكثير يجب معالجتها من أجل حساب متجهات الحركة.