แถบสี SMPTE

แถบสี SMPTEเป็นรูปแบบทดสอบ โทรทัศน์ ที่ใช้ในกรณีที่ใช้มาตรฐานวิดีโอ NTSC รวมถึงประเทศใน อเมริกาเหนือสมาคมวิศวกรภาพยนตร์และโทรทัศน์ (SMPTE) เรียกรูปแบบนี้ว่าEngineering Guideline (EG) 1-1990 [ 1 ] ส่วนประกอบ ของรูปแบบ นี้เป็นมาตรฐาน ที่ทราบ และสร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิดรูปแบบทดสอบ[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]การเปรียบเทียบรูปแบบที่ได้รับกับมาตรฐานที่ทราบจะช่วยให้วิศวกรวิดีโอทราบว่า สัญญาณวิดีโอ NTSCได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างไรจากการบันทึกหรือการส่ง และต้องปรับเปลี่ยนอะไรบ้างเพื่อให้กลับมาเป็นไปตามข้อกำหนด นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการตั้งค่าจอภาพโทรทัศน์หรือเครื่องรับเพื่อให้แสดงข้อมูลความสว่างและความสว่างของ สี NTSC ได้อย่างถูกต้อง
รูปแบบการทดสอบ SMPTE ต้นแบบได้รับการคิดค้นโดย Norbert D. Larky (1927–2018) [ 5 ] [ 6 ]และ David D. Holmes (1926–2006) [ 7 ] [ 8 ]จากห้องปฏิบัติการ RCAและตีพิมพ์ครั้งแรกใน RCA Licensee Bulletin LB-819 เมื่อวันที่ 7 กุมภาพันธ์ 1951 สิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 2,742,525เครื่องกำเนิดรูปแบบการทดสอบสี (หมดอายุแล้ว) ได้รับการอนุมัติเมื่อวันที่ 17 เมษายน 1956 ให้แก่ Larky และ Holmes [ 9 ]ต่อมาEIAได้เผยแพร่มาตรฐานRS-189Aซึ่งในปี 1976 ได้กลายเป็นEIA-189Aซึ่งอธิบายถึงสัญญาณแถบสีมาตรฐานที่มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้เป็นสัญญาณทดสอบสำหรับการปรับจอภาพสี การปรับตัวเข้ารหัส และการตรวจสอบระบบส่งสัญญาณโทรทัศน์สีอย่างรวดเร็ว[ 10 ]ในปี พ.ศ. 2520 AA Goldberg จากศูนย์เทคโนโลยี CBSได้อธิบายสัญญาณทดสอบแถบสีที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งพัฒนาโดย Hank Mahler (1936–2021) ที่ศูนย์[ 11 ] [ 12 ]ซึ่งต่อมาได้ถูกส่งไปยังคณะกรรมการเทคโนโลยีวิดีโอโทรทัศน์ SMPTE เพื่อพิจารณาเป็นแนวทางปฏิบัติที่แนะนำโดย SMPTE [ 13 ]สัญญาณทดสอบที่ได้รับการปรับปรุงนี้ได้รับการเผยแพร่เป็นมาตรฐานSMPTE ECR 1-1978การพัฒนาโดยCBSได้รับรางวัล Technology & Engineering Emmy Awardในปี พ.ศ. 2545 [ 14 ] CBS ไม่ได้ยื่นคำขอจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับสัญญาณทดสอบ จึงทำให้สัญญาณดังกล่าวเป็นสาธารณสมบัติสำหรับการใช้งานทั่วไปในอุตสาหกรรม

ได้มีการนำ แถบสี SMPTE เวอร์ชันขยายSMPTE RP 219:2002 [ 15 ]มาใช้ทดสอบ สัญญาณ HDTV (ดูหัวข้อย่อย) [ 16 ]
แม้ว่าเดิมทีแถบสีถูกออกแบบมาเพื่อปรับเทียบอุปกรณ์อนาล็อก NTSC แต่ก็ยังคงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการส่งสัญญาณและในสถานีโทรทัศน์ดิจิทัลสมัยใหม่ ในบริบทนั้น แถบสีถูกใช้เพื่อรักษาระดับความเข้มของสีและความสว่างให้ถูกต้องในจอแสดงผล CRT, LCD, LED, พลาสมา และจอแสดงผลวิดีโออื่นๆ รวมถึงอุปกรณ์การทำสำเนา การส่งสัญญาณผ่านดาวเทียม ไฟเบอร์ออปติก และไมโครเวฟ ตลอดจนอุปกรณ์โทรทัศน์และการถ่ายทอดสดทางเว็บ
จากการสำรวจมาตรฐานสูงสุดขององค์กรในช่วง 100 ปีแรก SMPTE EG-1 ได้รับการโหวตให้เป็นมาตรฐาน SMPTE ที่สำคัญที่สุดอันดับ 5 [ 17 ]
SMPTE ECR 1-1978 (SDTV)

ในภาพแถบสี SMPTE สองในสามส่วนบนของภาพโทรทัศน์ประกอบด้วยแถบแนวตั้งเจ็ดแถบที่มีความเข้ม 75% เรียงจากซ้ายไปขวา ได้แก่ สีขาวหรือสีเทาสีเหลือง สีฟ้าอมเขียวสีเขียวสีม่วงแดงสีแดงและสีน้ำเงิน[ 18 ] การเลือกสีขาวหรือสีเทาขึ้นอยู่กับว่าความสว่างของแถบนั้นเป็น 100% หรือไม่ ลำดับนี้จะวนไปตามชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งเจ็ดชุดที่ใช้ส่วนประกอบสีพื้นฐานอย่างน้อยหนึ่งอย่าง จากสามส่วนประกอบ ได้แก่ สีเขียว สีแดง และสีน้ำเงิน โดยสีน้ำเงินจะเปิดและปิดสลับกันระหว่างทุกแถบ สีแดงจะเปิดและปิดสลับกันทุกสองแถบ และสีเขียวจะเปิดสำหรับสี่แถบซ้ายสุดและปิดสำหรับสามแถบขวาสุด เนื่องจากสีเขียวมีส่วนช่วยในด้านความสว่างมากที่สุด รองลงมาคือสีแดง และสีน้ำเงิน ดังนั้นลำดับของแถบเหล่านี้จึงปรากฏบนจอภาพรูปคลื่นในโหมดความสว่างเป็นขั้นบันไดลงจากซ้ายไปขวา ตารางแสดงค่าสัญญาณของเวกเตอร์สโคปจะถูกสลักด้วยกล่องที่แสดงขอบเขตที่อนุญาต ซึ่งเส้นสัญญาณจากแท่งทั้งเจ็ดแท่งควรตกอยู่หากปรับสัญญาณอย่างถูกต้อง
ด้านล่างของแถบสีหลักเจ็ด แถบจะมีแถบสีน้ำเงินสีม่วงแดงสีฟ้าและสีขาวหรือสีเทาเป็นลวดลายคล้ายปราสาท เมื่อตั้งค่าเครื่องรับโทรทัศน์ให้กรองสีทั้งหมด ยกเว้นสีน้ำเงิน ลวดลายคล้ายปราสาทเหล่านี้ เมื่อรวมกับแถบสีหลัก จะถูกใช้เพื่อปรับการควบคุมสี โดยจะปรากฏเป็นแถบสีน้ำเงินทึบสี่แถบ โดยไม่มีความแตกต่างที่เห็นได้ชัดระหว่างแถบและลวดลายคล้ายปราสาท หากการควบคุมสีได้รับการปรับอย่างถูกต้อง
ส่วนล่างประกอบด้วยสี่เหลี่ยมจัตุรัสสีขาวที่มีความเข้ม 100% และสี่เหลี่ยมผืนผ้าสีดำที่มีความเข้ม 7.5% สำหรับใช้ในการตั้งค่าช่วงความสว่าง รูปแบบที่ทันสมัยกว่าจะมีพัลส์PLUGEสี่เหลี่ยมจัตุรัสสีขาวจะเรียงตัวอยู่ด้านล่างแถบสีเหลืองและสีฟ้า และบนจอภาพแสดงรูปคลื่น จะปรากฏแถบสีขาวทับซ้อนกับจุดสูงสุดของความเข้มสีเหลืองและสีฟ้าที่ 100 หน่วยIRE พัลส์ pluge (ย่อมาจาก picture line-up generation equipment) จะอยู่ภายในสี่เหลี่ยมผืนผ้าสีดำ ด้านล่างแถบสีแดง (มีอยู่ในภาพประกอบ แต่อาจมองเห็นได้ยาก) ประกอบด้วยแถบแนวตั้งขนาดเล็กสามแถบ แถบขวาสุดมีความเข้ม 4% เหนือระดับสีดำ (11.5 IRE) แถบตรงกลางมีความเข้มเท่ากับสีดำพอดี (7.5 IRE) และแถบซ้ายสุดมีความเข้ม 4% ต่ำกว่าสีดำ (สีดำสนิทหรือดำกว่าสีดำ 3.5 IRE) สัญญาณพัลส์ปลั๊กช่วยในการปรับช่วงความสว่างด้านล่างเพื่อหลีกเลี่ยงการทำให้โทนสีดำจางลงจนกลายเป็นสีเทา หรือการยุบข้อมูลภาพลงไปในสัญญาณที่ถูกตัดออกซึ่งเกิดขึ้นในระยะเล็กน้อยต่ำกว่าระดับสีดำ (เรียกว่าการบีบอัดสีดำ ) เมื่อจอภาพได้รับการปรับอย่างถูกต้อง แถบปลั๊กด้านขวาสุดควรจะมองเห็นได้เพียงเล็กน้อย ในขณะที่สองแถบด้านซ้ายควรจะดูแยกไม่ออกและเป็นสีดำสนิท นอกจากนี้ในส่วนล่างยังมีสองส่วนที่ประกอบด้วยสัญญาณ -In-phase และ +Quadrature (ดูYIQ ) ซึ่งอยู่ตรงกลางระดับสีดำและมีอัตราขยายเท่ากับสัญญาณสีเบิร์สต์ สัญญาณเหล่านี้จะปรากฏบนรูปแบบเป็นสี่เหลี่ยมสีน้ำเงินเข้มมาก และสี่เหลี่ยมสีม่วงเข้มมาก บนเวกเตอร์สโคป สัญญาณเหล่านี้จะปรากฏเป็นเส้นสั้นสองเส้นห่างกันเก้าสิบองศา สัญญาณเหล่านี้ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องรับโทรทัศน์กำลังถอดรหัสส่วนย่อยของสัญญาณสี 3.58 MHz อย่างถูกต้อง เวกเตอร์สำหรับบล็อก -I และ +Q ควรตกอยู่บนแกน I และ Q บนเวกเตอร์สโคปอย่างแม่นยำ หากสัญญาณโครมิแนนซ์ได้รับการถอดรหัสอย่างถูกต้อง
แถบเหล่านี้เป็นที่มาของคำเรียกแบบไม่เป็นทางการว่า " แถบและเสียง " โดยทั่วไปแล้วเครือข่ายโทรทัศน์สถานีโทรทัศน์หรือผู้ผลิตรายการวิดีโออื่นๆ จะส่งแถบสี SMPTE พร้อมกับคลื่นไซน์ความถี่ 1,000 เฮิรตซ์ อย่างต่อเนื่อง ก่อนที่จะส่งเนื้อหารายการ เพื่อยืนยันความเป็นเจ้าของสายส่งหรือสื่อ และเพื่อให้สถานีรับสัญญาณและผู้ให้บริการโทรคมนาคมระดับกลางสามารถปรับอุปกรณ์ของตนได้ ในทำนองเดียวกัน ผู้ผลิตรายการโทรทัศน์มักจะบันทึกแถบและเสียงไว้ ที่จุดเริ่มต้นของวิดีโอเทปหรือสื่อบันทึกอื่นๆ เพื่อให้สามารถ ปรับเทียบอุปกรณ์เล่น ได้ บ่อยครั้งที่ชื่อหรือรหัสสถานีโทรทัศน์ ข้อมูลอื่นๆ เช่น นาฬิกาแบบเรียลไทม์ หรือแหล่งสัญญาณอื่นๆ จะถูกซ้อนทับลงบนแถบเหล่านั้นในรูปแบบกราฟิก
ระบบอนาล็อก NTSC
ค่าของแถบสี SMPTE ECR 1-1978 75% (75/7.5/75/7.5) เป็นสัญญาณ NTSC แบบอนาล็อก: [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
| สี | ลูม่า | ช่วงสี | เฟสสี | ||
|---|---|---|---|---|---|
| ไออาร์อี | มิลลิโวลต์ | IREหน้า | ม.ว. พีพี | ° | |
| สีเทา | 76.9 | 549.1 | 0.0 | 0.0 | - |
| สีเหลือง | 69.0 | 492.6 | 62.1 | 443.3 | 167.1° |
| สีฟ้าอมเขียว | 56.1 | 400.9 | 87.7 | 626.6 | 283.7° |
| สีเขียว | 48.2 | 344.5 | 81.9 | 585.2 | 241.3° |
| แมเจนต้า | 36.2 | 258.2 | 81.9 | 585.2 | 61.3° |
| สีแดง | 28.2 | 201.7 | 87.7 | 626.6 | 103.7° |
| สีฟ้า | 15.4 | 110.1 | 62.1 | 443.3 | 347.1° |
| -ฉัน | 7.5 | 53.6 | 40.0 | 285.7 | 303.0° |
| สีขาว | 100.0 | 714.3 | 0.0 | 0.0 | - |
| +คิว | 7.5 | 53.6 | 40.0 | 285.7 | 33.0° |
| ซูเปอร์แบล็ค | 3.5 | 25.5 | 0.0 | 0.0 | - |
| สีดำ | 7.5 | 53.6 | 0.0 | 0.0 | - |
| 4% เหนือระดับสีดำ | 11.5 | 81.5 | 0.0 | 0.0 | - |
หมายเหตุ: หน่วย IREใช้ได้กับทั้งวิดีโอคอมโพสิต NTSC และสัญญาณออกอากาศ ในขณะที่ ค่า mVใช้ได้เฉพาะกับวิดีโอคอมโพสิต NTSC เท่านั้นค่าที่ได้มาจากคู่มือเครื่องกำเนิดรูปแบบทดสอบ Tektronix TSG95 [ 22 ]
วิดีโอดิจิตอล
สำหรับแหล่งวิดีโอดิจิทัล ค่า YCbCr 10 บิตสำหรับแถบสี SD [ 23 ]อ้างอิงจากสูตร SMPTE สำหรับ Y จากระบบ NTSC (Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B) [ 24 ]ตารางต่อไปนี้แสดงค่าดิจิทัลที่คาดหวัง เช่น เมื่อวัดโดยใช้เครื่องวิเคราะห์สัญญาณ[ 25 ]
| ค่า YCbCr 10 บิตสำหรับแถบสี SD 75% | |||
|---|---|---|---|
| สี | วาย | ซีบี | ครี |
| สีขาว | 940 | 512 | 512 |
| สีเหลือง | 646 | 176 | 567 |
| สีฟ้าอมเขียว | 525 | 625 | 176 |
| สีเขียว | 450 | 289 | 231 |
| แมเจนต้า | 335 | 735 | 793 |
| สีแดง | 260 | 399 | 848 |
| สีฟ้า | 139 | 848 | 457 |
| สีดำ | 64 | 512 | 512 |
หมายเหตุ:ค่าที่ได้มาจาก " การทดสอบการผลิตทางไกลของผู้นำ เล่ม 3 หมายเลข 4 - ระดับวิดีโอดิจิทัล " [ 24 ]
สีที่แสดงด้านล่างนี้ใช้ การแปลงค่าสี sRGBของCSSเนื่องจาก sRGB เป็นมาตรฐานสีสำหรับเว็บเพจและหน้าจอคอมพิวเตอร์ จึงให้เพียงแค่แนวคิดเกี่ยวกับสีที่ต้องการเท่านั้น ไม่ได้แสดงถึงสีที่ปรากฏบนจอโทรทัศน์อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากจอโทรทัศน์ใช้ มาตรฐาน ITU-R BT.1886 ซึ่งกำหนดค่า การแก้ไขแกมมาที่แตกต่างกันดังนั้นสีด้านล่างจะดูมืดกว่าบนจอโทรทัศน์ และสีที่มืดกว่าเหล่านั้นจะเป็นสีอ้างอิง ข้อผิดพลาดแบบ "ผิดไปหนึ่งค่า" (เช่น 254 แทนที่จะเป็น 255 และ 1 แทนที่จะเป็น 0) เกิดขึ้นเนื่องจากใช้ค่า Y'CbCr 8 บิตในการถอดรหัสเป็น R'G'B' หากใช้ Y'CbCr 10 บิตจะไม่เกิดข้อผิดพลาดนี้
ค่า Y'CbCrของแถบสี SMPTE ECR 1-1978 75% (100/0/75/0) (0.75 * 219 + 16 = 180) โดยใช้สัมประสิทธิ์เมทริกซ์ BT.709-2ตามที่เขียนไว้ใน RP 219:2002: [ 26 ] [ 27 ]
| สี | 8-bit Studio R'G'B' | สตูดิโอ R'G'B' 10 บิต | 8 บิตY'CbCr | 10 บิต Y'CbCr | 12 บิต Y'CbCr |
|---|---|---|---|---|---|
| สีเทา 40% | 104-104-104 | 414-414-414 | 104-128-128 | 414-512-512 | 1658-2048-2048 |
| สีขาว 75% | 180-180-180 | 721-721-721 | 180-128-128 | 721-512-512 | 2884-2048-2048 |
| สีเหลือง 75% | 180-180-16 | 721-721-64 | 168-44-136 | 674-176-543 | 2694-704-2171 |
| ไซอัน 75% | 16-180-180 | 64-721-721 | 145-147-44 | 581-589-176 | 2325-2356-704 |
| สีเขียว 75% | 16-180-16 | 64-721-64 | 133-63-52 | 534-253-207 | 2136-1012-827 |
| 75% สีม่วงแดง | 180-16-180 | 721-64-721 | 63-193-204 | 251-771-817 | 1004-3084-3269 |
| สีแดง 75% | 180-16-16 | 721-64-64 | 51-109-212 | 204-435-848 | 815-1740-3392 |
| สีน้ำเงิน 75% | 16-16-180 | 64-64-721 | 28-212-120 | 111-848-481 | 446-3392-1925 |
| 75% สีดำ | 16-16-16 | 64-64-64 | 16-128-128 | 64-512-512 | 256-2048-2048 |
| สีขาว 100% | 235-235-235 | 940-940-940 | 235-128-128 | 940-512-512 | 3760-2048-2048 |
| +คิว | 72-16-118 | 288-64-472 | 35-174-152 | 141-697-606 | 564-2787-2425 |
| +ฉัน | 106-52-16 | 424-208-64 | 61-103-157 | 245-412-629 | 982-1648-2516 |
| -ฉัน | 16-70-106 | 64-280-424 | 61-153-99 | 244-612-395 | 976-2448-1580 |
ข้อมูลต้นฉบับสำหรับ Y'CbCr 10 บิตและ 12 บิตคือ Studio R'G'B' 8 บิต ดังนั้นข้อมูล 10 บิตจึงไม่ใช่แค่การดำเนินการเลื่อนบิต (ซึ่งหมายถึงการคูณด้วย 4) จาก Y'CbCr 8 บิต อย่างที่มักจะเป็น ตัวอย่างเช่น สำหรับ 75% Blue 28-212-120 จะเป็นเพียง 112-848-480 แต่จริงๆ แล้วคือ 111-848-481 [ 27 ]
ตามมาตรฐาน ITU-R BT.2111-2 ตารางที่ 2
SMPTE RP 219:2002 (เวอร์ชัน HDTV)

สัญญาณแถบสี SMPTE เวอร์ชันขยาย ซึ่งพัฒนาโดยสมาคมอุตสาหกรรมและธุรกิจวิทยุ ของญี่ปุ่น ในชื่อARIB STD-B28และกำหนดมาตรฐานเป็นSMPTE RP 219:2002 [ 15 ] (สัญญาณแถบสีความละเอียดสูงที่เข้ากันได้กับความละเอียดมาตรฐาน) ได้ถูกนำมาใช้เพื่อทดสอบ สัญญาณ HDTVที่มีอัตราส่วนภาพ 16:9 ซึ่งสามารถแปลงเป็น สัญญาณแถบสี SDTVที่มีอัตราส่วนภาพ 4:3 หรือ 16:9 ได้ สัญญาณแถบสีถูกสร้างขึ้นด้วยค่าเวลาเพิ่มขึ้นและลดลงที่ช้าผิดปกติ เพื่ออำนวยความสะดวกในการควบคุมระดับวิดีโอและการปรับสีของจอภาพของอุปกรณ์ HDTV และ SDTV
ภาพทดสอบดิจิทัลที่สร้างขึ้นตาม ข้อกำหนด RP 219:2002และปรับให้พอดีกับความละเอียดมาตรฐานและไม่มาตรฐาน 114 แบบสำหรับทั้ง 16bpp และ 8bpp นั้นมีให้ใช้งานฟรีในชุดข้อมูล COLOR ของคลังข้อมูล TESTIMAGES [ 16 ]
ต่อมาRP 219:2002กลายเป็นRP 219-1:2014โดยมีRP 219-2:2016 [ 28 ]และARIB STD-B66 [ 29 ]เพิ่มรายละเอียดสำหรับ UHD ITU-R Rec. BT.2111 [ 30 ]และARIB STD-B72 [ 31 ]เพิ่มเวอร์ชันที่มี ฟังก์ชันการถ่ายโอน PQ / HLG HDRและขอบเขตสีที่กว้าง (BT.2020) ซึ่งเพิ่มเติมด้วยสีอิ่มตัว 100% ที่ด้านบนและแถบ BT.709 ที่ด้านล่างขวาและด้านล่างซ้าย แถบแนวนอนสีเทา 75% ตรงกลางเปลี่ยนเป็นขั้นบันไดสีเทา
ค่านิยม
ค่าของแถบสี 100% (100/0/100/0) SMPTE RP 219:2002 (1.00 * 219 + 16 = 235) โดยใช้สัมประสิทธิ์เมทริกซ์ BT.709 (เฉพาะสีขาวและสีดำเท่านั้นที่ใช้เมทริกซ์ BT.601) นำมาจากมาตรฐาน:
| สี | 8-bit Studio R'G'B' | 8 บิตY'CbCr | 10 บิต Y'CbCr | 12 บิต Y'CbCr |
|---|---|---|---|---|
| สีขาว 100% | 235-235-235 | 235-128-128 | 940-512-512 | 3760-2048-2048 |
| สีเหลือง 100% | 235-235-16 | 219-16-138 | 877-64-553 | 3507-256-2212 |
| สีฟ้า 100% | 16-235-235 | 188-154-16 | 754-615-64 | 3015-2459-256 |
| สีแดง 100% | 235-16-16 | 63-102-240 | 250-409-960 | 1001-1637-3840 |
| สีน้ำเงิน 100% | 16-16-235 | 32-240-118 | 127-960-471 | 509-3840-1884 |
| สีดำ 100% | 16-16-16 | 16-128-128 | 64-512-512 | 256-2048-2048 |
ITU-R Rec. BT.1729 [ 32 ]ระบุสี 100% สองสีสุดท้าย คือ สีเขียวและสีม่วงแดง นอกจากนี้ยังระบุสี 100% ทั้งหมดสำหรับเมทริกซ์ BT.601 ไม่ใช่เฉพาะ BT.709 เท่านั้น[ 22 ]