NTSC彩色标准

以美国国家电视系统委员会命名的NTSC是在北美使用的模拟电视系统,直到美洲大部分地区(巴西,阿根廷,巴拉圭,乌拉圭和法属圭亚那除外)使用数字转换之前; 缅甸; 韩国; 台湾; 菲律宾,日本; 和一些太平洋岛国和领土。

第一个NTSC标准是在1941年开发的,并没有提供色彩。 1953年采用了第二种NTSC标准,允许彩色电视广播与现有的黑白接收机兼容。 NTSC是第一个被广泛采用的广播色彩系统,直到2000年才开始被不同的数字标准如ATSC和其他标准取代,并一直保持主导地位。

大多数使用NTSC标准的国家以及使用其他模拟电视标准的国家已经切换到或正在切换到更新的数字电视标准,至少有四种不同的标准在世界各地使用。 北美,中美洲和韩国部分地区正在采用或采用ATSC标准,而其他国家(如日本)正在采用或采用其他标准而不是ATSC。 近70年后,美国的大多数空中NTSC传输在2010年1月1日停止,并于2011年8月31日在加拿大和大多数其他NTSC市场停止。 大部分NTSC传输在2011年7月24日在日本结束,日本的岩手县,宫城县和福岛县将于明年结束。 在2013年的一个试点计划之后,墨西哥的大多数全功率模拟电台在2015年的10个日期内都停止播出,其中约500个低功率和中继站允许保持模拟状态,直到2016年底。数字广播允许更高分辨率电视,但数字标清电视仍然使用模拟NTSC标准所建立的分辨率和帧率。

历史
美国联邦通信委员会(FCC)于1940年成立了国家电视系统委员会,以解决在美国引入全国范围的模拟电视系统时公司之间发生的冲突。 1941年3月,该委员会根据1936年由无线电制造商协会(RMA)的建议发布了黑白电视技术标准。 残留边带技术的技术进步使得有机会增加图像分辨率。 NTSC选择525条扫描线作为RCA的441扫描线标准与Philco和DuMont希望将扫描线数量增加到605和800之间的妥协。该标准建议每秒30帧(图像)的帧速率,包括每帧262.5行,每秒60场,每帧两个交错场。 最终建议中的其他标准是4:3的宽高比,以及声音信号的频率调制(FM)(当时相当新颖)。

1950年1月,该委员会改制为彩色电视标准化。 美国联邦通信委员会于1950年10月简要地批准了CBS开发的彩色电视标准。 CBS系统与现有的黑白接收机不兼容。 它使用旋转色轮,将扫描线的数量从525个减少到405个,并将场频从60个增加到144个,但其有效帧速率仅为每秒24个帧。 竞争对手RCA的法律行动在1951年6月之前一直将该系统的商业用途保留下来,定期广播只持续了几个月,然后在10月份国防动员部门禁止制造所有彩色电视机,这表面上是由于朝鲜战争。 哥伦比亚广播公司在1953年3月撤销了它的系统,1953年12月17日,美国联邦通信委员会用NTSC彩色标准取代了它,该标准由包括RCA和Philco在内的多家公司合作开发。

1953年12月,FCC一致通过了现在所称的NTSC彩色电视标准(后来定义为RS-170a)。 兼容的彩色标准保留了与现有黑白电视机的完全后向兼容性。 通过引入精确为315/88 MHz的彩色副载波(通常描述为3.579545 MHz或3.58 MHz),将彩色信息添加到黑白图像。 精确的频率被选择为使得色度信号的水平行速率调制分量恰好落在亮度信号的水平行速率调制分量之间,从而使色度信号能够从亮度信号中滤除,亮度信号。 由于彩色标准发布时分频器电路的限制,彩色副载波频率被构造为由小整数组成的复合频率,在这种情况下为5×7×9 /(8×11)MHz。 水平线速度从每秒15,750行减少到每秒约15,734行(3.579545×2 / 455MHz = 9 / 572MHz),并且帧速率降低到30 / 1.001≈29.970帧每秒(水平线速率除以525行/帧)从每秒30帧。 这些变化达到了0.1%,并且容易被现有的电视接收机所容忍。

1953年8月30日,第一次公开发布的使用NTSC“兼容彩色”系统的节目的网络电视广播是NBC的库克拉,弗兰和奥利的一集,尽管只有在网络总部才能看到彩色。 第一次在全国范围内观看NTSC彩色节目的时间为1月1日,随着玫瑰游行比赛的海岸到海岸广播节目的播出,全国各地的特殊演示可以在原型彩色接收机上观看。 第一款彩色NTSC电视摄像机是1953年用于实验广播的RCA TK-40; 1954年3月推出的改进型TK-40A是第一款商用彩色电视机。 那年晚些时候,改进后的TK-41成为整个六十年代大部分时间使用的标准相机。

NTSC标准已被其他国家采用,其中包括美洲和日本的大部分国家。

随着数字电视的出现,模拟广播正在逐步淘汰。 美国联邦通信委员会要求大多数美国NTSC广播公司在2009年关闭其模拟发射机。到2015年,低功率电台,A级电台和翻译机必须关闭。

技术细节
行和刷新率
系统M电视信号使用NTSC彩色编码,该信号由每秒30/1.001(约29.97)个隔行扫描视频帧组成。 每帧由两个场组成,每场包含262.5条扫描线,共525条扫描线。 483条扫描线组成可见光栅。 其余部分(垂直消隐间隔)允许垂直同步和回扫。 该消隐间隔最初设计为简单地将接收机的CRT消隐,以允许简单的模拟电路和早期电视接收机的慢垂直回扫。 但是,其中一些行现在可能包含其他数据,例如隐藏式字幕和垂直间隔时间码(VITC)。 在完整的光栅中(不考虑由于交织造成的半行),绘制了偶数扫描行(即使在视频信号中计数的每隔一行,例如{2,4,6,…,524})在第一场中,并且在第二场中画出奇数(在视频信号中计数时将是奇数的每隔一行,例如{1,3,5,…,525}),以产生在现场刷新频率为60/1.001 Hz(约59.94 Hz)时无闪烁图像。 作为比较,诸如PAL-B / G和SECAM等576i系统使用625行(576可见),因此具有较高的垂直分辨率,但是较低的时间分辨率为25帧或每秒50场。

黑白系统中的NTSC场刷新频率最初与美国使用的标称60 Hz交流电功率频率完全匹配。 将场刷新率与电源匹配可避免互调(也称为跳动),从而在屏幕上产生滚动条。 刷新速率与功率的同步有助于显像管摄像机记录早期的实时电视广播,因为通过使用交流电频率来设置胶片相机的速度来同步胶片相机以捕获每个胶片帧上的一帧视频是非常简单的同步交流电动车相机。 当系统添加色彩时,刷新频率略微下移0.1%至约59.94 Hz,以消除声音和色彩载体之间差异频率中的固定点图案,如下面的“色彩编码”中所述。 在帧速率改变以适应色彩时,从视频信号本身触发相机快门几乎一样容易。

由于当时真空管技术的局限性,选择了525条线的实际数字。 在早期的电视系统中,主压控振荡器以水平线频率的两倍运行,并且该频率被所用线路的数量(在这种情况下为525)分频以给出场频率(在这种情况下为60Hz) 。 然后将此频率与60 Hz电力线频率进行比较,并通过调整主振荡器的频率来纠正任何差异。 对于隔行扫描,为了使奇数和偶数场的垂直回扫距离相同,每帧需要奇数行,这意味着主振荡器频率必须被分成奇数。 当时,唯一实用的分频方法是使用一系列真空管多谐振荡器,整体分频比是链条分频比的数学乘积。 由于奇数的所有因素也必须是奇数,因此链中的所有分频器也必须被奇数分开,并且由于真空管器件的热漂移问题,这些必须相对较小。 符合这些标准的最接近实际序列500是3×5×5×7 = 525。 (出于同样的原因,625行PAL-B / G和SECAM使用5×5×5×5,旧英国405行系统使用3×3×3×3×5,使用法国819行系统3×3×7×13等)

比色法
最初的1953年彩色NTSC规格仍然是美国联邦法规的一部分,它将系统的色度值定义如下:

原始NTSC比色法(1953年) CIE 1931 x CIE 1931年
基础红 0.67 0.33
基础绿色 0.21 0.71
基础色 0.14 0.08
白点(CIE标准光源C)6774 K 0.310 0.316

早期的彩色电视接收机,如RCA CT-100,忠于本规范(基于主流电影标准),比今天大多数显示器的色域更大。 他们的低效率荧光粉(特别是在红色的)是弱和长期持久的,移动物体后留下痕迹。 从二十世纪五十年代后期开始,显像管荧光粉将牺牲饱和度来提高亮度; 接收机和广播机构对标准的这种偏差是相当大的颜色变化的来源。

SMPTE C
为了确保更均匀的色彩再现,接收机开始采用色彩校正电路,将接收到的信号(为上面列出的色度值编码)转换成为监视器中实际使用的荧光体编码的信号。 由于这种颜色校正不能准确地对所发送的非线性伽玛校正信号执行,因此只能对近似的调整引入高饱和度颜色的色调和亮度误差。

同样,在广播员阶段,1968-69年Conrac公司与RCA合作,定义了一套用于广播彩色图像视频监视器的受控荧光粉。 这个规范今天依然存活为SMPTE“C”磷光体规格:

SMPTE“C”比色法 CIE 1931 x CIE 1931年
基础红 0.630 0.340
基础绿色 0.310 0.595
基础色 0.155 0.070
白点(CIE光源D65) 0.3127 0.3290

与家用接收机一样,还建议工作室监视器包含类似的色彩校正电路,以便广播机构根据FCC标准传输为原始1953色度值编码的图像。

1987年,电影和电视工程师协会(SMPTE)电视技术委员会工作室显示器比色法工作组采用了SMPTE C(Conrac)荧光粉作为推荐实践145中的一般用途,促使许多制造商修改其相机设计如SMPTE标准170M“复合模拟视频信号 – 用于演播室应用的NTSC”(1994)中所认可的那样,直接编码SMPTE“C”比色法而不进行色彩校正。 因此,ATSC数字电视标准规定,对于480i信号,应假定SMPTE“C”比色法,除非传输流中包含比色数据。

日本NTSC从未将原色和白点改为SMPTE“C”,继续使用1953年NTSC原色和白点。 PAL和SECAM系统都使用原始的1953年NTSC比色法,直到1970年; 但是,与NTSC不同的是,欧洲广播联盟(EBU)当年拒绝了接收机和演播室监视器的色彩校正,而是明确要求所有设备直接对“EBU”色度值进行信号编码,从而进一步提高这些系统的色彩保真度。

颜色编码
为了与黑白电视向后兼容,NTSC使用Georges Valensi于1938年发明的亮度 – 色度编码系统。 三个彩色图像信号被分成亮度(从三个单独的彩色信号(红,绿和蓝)数学推导),它取代了原来的单色信号和色度,它只携带色彩信息。 该过程通过其自己的Colorplexer应用于每个颜色来源,从而允许将兼容的颜色来源进行管理,就像它是普通的单色来源一样。 这允许黑白接收机通过简单地忽略色度信号来显示NTSC彩色信号。 在1953年引入彩色广播后,在美国销售的一些黑白电视被设计用于过滤色度,但早期的黑白电视并没有这样做,色度可以被看作是在高度色彩区域中的“点阵图案”的图片。

在NTSC中,色度采用称为I(同相)和Q(正交)的两种颜色信号编码,称为QAM。 这两个信号各自幅度调制彼此相差90度的3.58MHz载波,并将结果加在一起,但载波本身被抑制。 结果可以看作是相对于参考载波具有不同相位且幅度变化的单个正弦波。 变化的相位表示由电视摄像机拍摄的瞬时色调,幅度表示瞬时色彩饱和度。 然后将这个3.58MHz副载波加到亮度上以形成像在单色传输中那样调制视频信号载波的“复合彩色信号”。

对于彩色电视从彩色副载波恢复色调信息,它必须有一个零相位参考来代替先前抑制的载波。 NTSC信号包括位于每个水平同步脉冲的“后沿”上的该参考信号的短采样,称为色同步信号。 色同步包括未调制(固定相位和幅度)彩色副载波的最少八个周期。 电视接收机有一个“本地振荡器”,它与这些色同步信号同步。 将从色同步信号导出的这个参考相位信号与色度信号的幅度和相位组合起来,可以恢复’I’和’Q’信号,当与亮度信息组合时允许在屏幕上重建彩色图像。 据说彩色电视真的是彩色电视,因为图像的亮度部分与彩色部分完全分离。 在CRT电视机中,NTSC信号变成三个彩色信号,称为红色,绿色和蓝色,分别控制该彩色电子枪。 带有数字电路的电视机使用采样技术来处理信号,但最终结果是一样的。 对于处理模拟NTSC信号的模拟和数字组,模拟NTSC信号使用三个离散信号(亮度,I和Q)来传输原始三个颜色信号(红,绿和蓝),然后作为三个单独的颜色被恢复并且组合为彩色图像。

当发射机广播NTSC信号时,它用上述的NTSC信号对射频载波进行幅度调制,同时用音频信号对4.5MHz以上的载波进行频率调制。 如果广播信号发生非线性失真,则3.579545 MHz彩色载波可能会与声音载波一起在屏幕上产生点阵图形。 为了使得到的图案不那么明显,设计师将原始的15,750 Hz扫描线速率降低了1.001倍(0.1%),以匹配音频载波频率除以286倍,从而产生大约59.94 Hz的场频。 这种调整确保声音载体和彩色副载波及其倍数(即,两个载波的互调产物)的和与差不是帧频的精确倍数,这是点保持静止的必要条件在屏幕上,使他们最引人注目。

59.94率来自以下计算。 设计人员选择使色度副载波频率为行频的n + 0.5倍,以最大限度地减少亮度信号和色度信号之间的干扰。 (经常说的另一种方式是彩色副载波频率是线路频率的一半的奇数倍)。然后,他们选择使音频副载波频率为线路频率的整数倍以最小化音频之间的可见(互调)干扰信号和色度信号。 原有的黑白标准,其15,750 Hz的线路频率和4.5 MHz的音频副载波不符合这些要求,因此设计人员不得不提高音频副载波频率或降低线路频率。 提高音频副载波频率将防止现有(黑白)接收器正确调节音频信号。 降低线路频率是相对无害的,因为NTSC信号中的水平和垂直同步信息允许接收器容忍线路频率的大量变化。 所以工程师选择了为了颜色标准而改变的线路频率。 在黑白标准中,音频副载波频率与电源频率之比为4.5 MHz / 15,750 Hz = 285.71。 在颜色标准中,这变为四舍五入为整数286,这意味着颜色标准的线速率为4.5 MHz / 286≈15,734 Hz。 每场(和帧)保持相同数量的扫描线,较低的线速率必须产生较低的场速率。 每秒分割4500000/286行,每场262.5行,每秒约59.94场。

传输调制方法
传输的NTSC电视频道占用6MHz的总带宽。 幅度调制的实际视频信号在信道下限以上的500 kHz和5.45 MHz之间传输。 视频载波比信道下限高1.25 MHz。 像大多数AM信号一样,视频载波产生两个边带,一个在载波上方,另一个在下方。 边带宽度均为4.2 MHz。 发送整个上边带,但只有1.25MHz的下边带(称为残留边带)被发送。 如上所述,彩色副载波在视频载波上方3.579545兆赫,并且被抑制载波进行正交幅度调制。 音频信号是频率调制的,就像调频广播电台在88-108 MHz频段广播的音频信号一样,但最大频率偏差为25 kHz,而FM频段使用的是75 kHz,这使得模拟电视音频信号比在宽带接收机上接收的FM无线电信号安静。 主音频载波在视频载波上方4.5 MHz,使其低于频道顶部250 kHz。 有时一个通道可能包含一个MTS信号,它通过在音频信号上增加一个或两个副载波提供多于一个音频信号,每个副载波同步到线路频率的倍数。 当使用立体声音频和/或第二音频节目信号时通常是这种情况。 在ATSC中使用相同的扩展,其中ATSC数字载波以比频道下限高0.31MHz的频率广播。

“设置”是“黑色”和“消隐”电平之间的54 mV(7.5 IRE)电压偏移。 这对NTSC来说是独一无二的。 CVBS代表色彩,视频,消隐和同步。

帧率转换
在以每秒24.0帧运行的电影和以约29.97(10MHz×63/88/455/525)帧每秒运行的NTSC标准之间,帧速率存在很大差异。 在使用25fps电视和视频标准的地区,这种差异可以通过加速来克服。

对于30-fps标准,使用称为“3:2下拉”的过程。 一个电影帧传输三个视频字段(持续1½个视频帧),下一个帧传输两个视频字段(持续1个视频帧)。 因此两个电影帧在五个视频场中传输,每个电影帧的平均2½个视频场。 因此平均帧频是60÷2.5 = 24帧每秒,所以平均电影速度名义上应该是正确的。 (实际上,在一个小时的实时过程中,显示​​了215,827.2个视频场,代表了86,330.88帧电影,而在一小时真正的24fps电影投影中,恰好显示了86,400帧:因此,29.97fps的NTSC 24 fps胶片的传输速度为胶片正常速度的99.92%)。回放时的静止帧可以显示来自两个不同胶片帧的视频帧,因此帧之间的任何差异都会显示为快速回放,第四闪烁。 在缓慢的相机平底锅(电视电影抖动)中也可能会出现明显的抖动/“口吃”。

为了避免3:2下拉,专为NTSC电视拍摄的电影通常以30帧/秒的速度拍摄。

为了在NTSC设备上显示25fps的素材(如欧洲电视剧和一些欧洲电影),每隔五帧重复一次,然后将结果流隔行扫描。

传统上,以每秒24帧的速度拍摄NTSC电视的电影在传输速度上以1/24(正常速度的约104.17%)加速传输至使用25fps电视标准的地区。 传统上,图像速度的这种增加伴随着音频的音调和节奏的类似增加。 最近,帧混合已经被用于将24个FPS视频转换成25个FPS而不改变其速度。

在使用25fps电视标准的地区拍摄的电影可以通过以下两种方式处理:

该电影可以以每秒24帧的速度拍摄。 在这种情况下,当在其本地区域传输时,根据上述模拟技术可以将电影加速至25fps,或者通过上述数字技术将电影保持在24fps。 当在使用标称30fps电视标准的地区传输相同的电影时,速度,节奏和音高没有明显变化。
该电影可以以每秒25帧的速度拍摄。 在这种情况下,当在其原生地区传输时,电影以其正常速度显示,而不会改变伴音。 当在使用30fps标称电视标准的区域中显示相同的电影时,每五帧重复一次,并且速度,节奏和音高仍然没有明显的变化。

由于这两部电影的速度已被用于25fps的地区,观众可能会对来自这些地区的电视电影中视频和音频的真实速度,以及声音,音效和音乐表演的音调造成混淆。 例如,他们可能想知道,在20世纪80年代和90年代初制作的杰勒米布雷特系列的福尔摩斯电视电影是以24帧/秒的速度拍摄,然后以25fps的速度人为快速传输的,还是以25帧/秒,然后放慢到NTSC制式的24帧/秒。

这些差异不仅存在于无线电视广播和有线电视广播中,而且还存在于家庭视频市场,包括磁带和光盘,包括激光光盘和DVD。

在替代模拟前辈的数字电视和视频中,能够适应更宽范围帧率的单一标准仍然表现出模拟区域标准的局限性。 例如,ATSC标准允许帧速率为每秒23.976,24,29.97,30,59.94和60帧,但不是25和50。

调制模拟卫星传输
由于卫星功率受到严重限制,因此通过卫星进行模拟视频传输与地面电视传输不同。 AM是线性调制方法,因此给定的解调信噪比(SNR)需要相同的高接收RF SNR。 演播室质量视频的SNR超过50 dB,因此AM需要非常高的功率和/或大型天线。

使用宽带FM代替交换RF带宽以降低功耗。 将信道带宽从6 MHz增加到36 MHz,可以使RF SNR仅为10 dB或更低。 更宽的噪声带宽可将40 dB的节能降低36 MHz / 6 MHz = 8 dB,大幅降低32 dB。

与地面传输一样,声音在FM副载波上,但4.5 MHz以上的频率用于降低听觉/视觉干扰。 通常使用6.8,5.8和6.2MHz。 立体声可以是多路复用,离散或矩阵,并且可以将不相关的音频和数据信号放置在附加的副载波上。

在调制之前,将三角形60Hz能量扩散波形添加到复合基带信号(视频加音频和数据副载波)。 这在视频信号丢失的情况下限制了卫星下行链路功率谱密度。 否则卫星可能会在单一频率上传输其全部功率,干扰同一频段内的地面微波链路。

在半转发器模式下,复合基带信号的频率偏差降至18 MHz,以允许36 MHz转发器另一半的另一个信号。 这在一定程度上降低了FM的好处,并且恢复的SNR被进一步降低,因为组合的信号功率必须“回退”以避免卫星转发器中的互调失真。 单个FM信号幅度恒定,因此它可以在不失真的情况下使发送应答器饱和。

现场秩序
NTSC“帧”由一个“偶数”字段和一个“奇数”字段组成。 就模拟信号的接收而言,这纯粹是一个惯例问题,并没有什么区别。 这就像是沿着道路中间的虚线,无论是线/空对还是空对线都无关紧要; 对驾驶员的影响是完全一样的。

数字电视格式的引入有所改变。 大多数数字电视格式作为单个数字帧成对存储和传输字段。 与NTSC现场速率匹配的数字格式(包括流行的DVD格式)在数字帧中首先录制偶数场的视频,而匹配625行系统场频的格式通常先录制奇数帧。 这意味着当再现许多基于非NTSC的数字格式时,必须颠倒场序,否则在移动的物体上出现不可接受的颤抖“梳理”效果,因为它们在一个场中向前显示,然后在下一个场中跳回。

对于非NTSC逐行视频转码为隔行扫描,反之亦然,这也成为一种危险。 恢复逐行帧或转码视频的系统应确保遵守“现场顺序”,否则恢复的帧将由来自一帧的字段和来自相邻帧的字段组成,导致“梳”交错伪影。 如果对去隔行算法进行了不适当的选择,那么在基于PC的视频播放实用程序中通常会出现这种情况。

在美国数十年的高功率NTSC广播中,根据两种标准在两台摄像机之间切换视图,两种标准之间的选择由地理学制作,东西对比。 在一个区域中,开关是在完成一帧的奇数场和开始下一帧的偶数场之间进行的; 另一方面,开关是在偶数场之后和奇数场之前进行的。 因此,例如,由东部地方电视新闻广播制作的家庭VHS录制当暂停时,将只显示来自一个摄像机的视图(除非解散或其他多镜头镜头意图),而VHS播放情景喜剧录制和编辑在洛杉矶,然后传输到全国范围内可能会暂停在相机之间切换的时刻,一半线描述传出的镜头,另一半描绘传入镜头。