SMPTE カラーバー、EBU カラーバー、PM5544 の見方

私たちのテレビ画面テストには、使う人の大半よりも歴史の長いパターンが三つあります。EBU カラーバー、SMPTE カラーバー、Philips PM5544 テストパターンです。アナログテレビのために作られ、スタジオのモニターを調整したり、番組の合間に映したりしていました。当初の測定対象の多くは、今の画面の中にはもうありません。残っているものもあれば、新しい使い道が見つかった部分もあります。

それぞれがどこから来たのか、各部分は何を確認するためのものなのか、今のテレビ、モニター、プロジェクターではどこを見るとよいのかを説明します。規格と、当時の技術者が発表した論文に当たりました。出典は最後にまとめています。

カラーバーがこの順番に並ぶ理由

カラーバーは、ほぼ必ず白、黄、シアン、緑、マゼンタ、赤、青の順に並び、多くは最後に黒が入ります。適当に決めた順番ではありません。三原色をそれぞれ完全にオンかオフにすると、組み合わせは八通りあります。各バーはその一つです。緑、赤、青の順に三つのスイッチとして書くと、白の 111 から黒の 000 まで二進数で数え下げる並びになります。発生器に必要なのは三つの矩形波だけです。青はバーごと、赤は二本ごと、緑は四本ごとに切り替わります。

この並びは、明るさの順にもなっています。目が明るさとして感じる成分は、緑が最も多く、赤がそれに続き、青が最も少なくなります。標準画質の映像規格 ITU-R BT.601 では、輝度信号（ルーマ）は緑の 0.587 倍に赤の 0.299 倍と青の 0.114 倍を足した値です。バーごとに計算すると、白 100%、黄 89%、シアン 70%、緑 59%、マゼンタ 41%、赤 30%、青 11%、黒 0 になります。一本ずつ暗くなるので、グレースケールとしても使えます。

電子式のカラーバー発生器は、カラーテレビの初期からありました。RCA の技術者 Norbert Larky と David Holmes は、1951 年にカラーテストパターン発生器の特許を出願し、1956 年に成立しています。

多くのカラーバーは、色を最大レベルにはしていません。実用上の理由があります。ITU-R BT.471 は、白バーのレベル、黒バーのレベル、色バーの最大レベルと最小レベルという四つの数値で信号を表します。いずれも白レベルに対する百分率です。最大レベルの 100/0/100/0 では、黄とシアンのカラー映像信号のピークが白より約三分の一高くなります。SMPTE 自身の解説によれば、NTSC では白の 100 IRE に対して 131〜133 IRE です。SMPTE の 75% カラーバーなら、黄とシアンのピークはちょうど 100 になります。そこで通常は色を 75% に抑え、調べるシステムの範囲内にテスト信号を収めています。

EBU カラーバー

EBU カラーバーは 100/0/75/0 のパターンです。白は最大レベル、六つの色は 75%、最後に黒が入ります。EBU という呼び名は、欧州の放送で使われてきたことに由来します。ITU の規格では単に 100/0/75/0 と呼んでいます。

私たちのファイルは、4:3 の画面に同じ幅のバーを八本描いています。大きさは 768 × 576 で、PAL の映像を正方形ピクセルで表した寸法です。ワイド画面では、八本目の黒いバーが横の黒帯に溶け込みます。それで正常です。

今の画面では、次の三つを見ます。

各バーの色が均一であること。 上から下まで同じ色のはずです。画像自体は完全に均一なので、途中で色あいが変わったり、両端より中央が明るく見えたりするなら、パネルやバックライトの状態が表れています。
順に暗くなること。 テレビの「色の濃さ（彩度）」を最小にすると、左から右へ段階的に暗くなる灰色の階段になります。一段ずつはっきり区別できるかを見ます。確認後は設定を戻してください。
色が鮮やかでも、蛍光色のように光らないこと。 鮮やかさを強調する画質モードやダイナミックモードでは、黄やシアンが光るように見え、バーの境目に細い明暗の縁が付きがちです。その縁はテレビの輪郭強調で、パターンに含まれているものではありません。

EBU カラーバーは、このあと説明するブルーオンリーでの確認には向きません。白バーは最大レベルなのに対して、色バーに含まれる青は 75% なので、青だけで見ると白バーが必ず明るくなります。SMPTE カラーバーは最初が 75% の灰色なので、青を含む四本すべてで青の量が揃います。

SMPTE カラーバー

アメリカで「カラーバー」と聞くと、多くの人は SMPTE カラーバーを思い浮かべます。これは、ある具体的な問題を解決するために生まれました。1977 年、CBS Technology Center の A. A. Goldberg が NAB の技術会議で発表しています。CBS は 1975 年から、スタジオのモニターの調整値がずれる問題を調べていました。並んだモニターの映りを揃えるには、通常、番組のたびに確認が必要でした。当時、色の濃さと色あいを合わせる一般的な方法は、赤と緑の電子銃を切り、青いバーを目で比べることでした。ただし正確ではありません。比べるバー同士が離れていて、画面の左右で青の出方が違うこともあり、目は青にあまり敏感ではないためです。

Goldberg の変更は小さなものでした。主なバーの下に、カラーパッチを逆順に並べた細い帯を加えました。合わせる相手が各バーの真下に来るようにしたのです。右下の黒い領域には、黒レベルを合わせる PLUGE 信号も加えました。CBS がニューヨークのネットワーク施設で六か月使ったところ、目で合わせた設定は、精密な光度計を使った設定と同じ精度でした。CBS は特許を取らず、パターンはパブリックドメインになりました。SMPTE は ECR 1-1978 として公開し、その後、技術ガイドライン EG 1-1990 としてまとめました。

私たちのファイルも、その配置に沿っています。

上の三分の二： 75% のバーが七本。白ではなく灰色から始まります。
細い帯： 青、黒、マゼンタ、黒、シアン、黒、灰色。上段で青を含む四本を逆順にし、間に黒を入れています。
下の四分の一： −I、100% の白い四角、+Q、黒、そして右の黒い領域に三本の PLUGE の縞があります。−I と +Q は、ベクトルスコープでデコーダーを確認するための NTSC 色信号です。パソコンの画面では暗い四角が二つ見えるだけで、何も検査できません。

青だけで色の濃さと色あいを合わせる

画面をブルーオンリー表示に切り替えます。テレビやプロジェクターによっては、詳細設定やキャリブレーション設定の中にこのモードがあります。濃い青のフィルターを目の前にかざしても同じ役割を果たします。以前は、フィルター付きの調整用ディスクもありました。青を含む灰色、シアン、マゼンタ、青と、その下のカラーパッチだけが明るく残ります。

色の濃さ（彩度）： 外側の二本、灰色と青が、それぞれ真下のカラーパッチと同じに見えるまで調整します。
色あい（色相）： 内側の二本、シアンとマゼンタを、それぞれ下のカラーパッチに合わせます。

色の濃さは四本すべてに作用するので、先に合わせます。そのあとで色あいを合わせます。両方が合うと、バーとカラーパッチの境目が見えなくなります。パソコンから映像を受けるテレビには、ずれを起こすアナログデコーダーはありませんが、「色の濃さ」と「色あい」は今も画面に作用します。映画モードやフィルムメーカーモードの中立な設定なら、バーとカラーパッチはすでに合っているはずです。合わないなら、設定が変えられているか、画質モードが独自に色を加えています。

PLUGE と黒レベル

PLUGE は Picture Line-Up Generating Equipment の略で、BBC に由来する考え方です。カナダ放送協会（Canadian Broadcasting Corporation）の S. F. Quinn と C. A. Siocos が、1966 年の Electronics Letters の短報で仕組みを説明しています。黒い領域に、黒より少し暗い縞と、少し明るい縞を一本ずつ入れます。暗いほうが周囲の黒に溶け込み、明るいほうは見えるところまで、明るさ設定を下げます。これで、黒より上の階調を失わずに、黒をできるだけ深くできます。

Quinn と Siocos は、今も通用することをもう一つ確かめました。電源を切ったモニターの画面が反射する光を測り、その量に応じて適切な PLUGE 設定も変わることを示しました。明るい調整室では、彼らの示した数値はもう当てはまりませんでした。現在の国際的な PLUGE 規格 ITU-R BT.814 も、調整は視聴条件に大きく左右されるとしています。黒レベルは、実際に見る部屋の明るさで合わせます。

SMPTE カラーバーの PLUGE は三本で、3.5、7.5、11.5 IRE です。中央が映像の黒に当たります。北米の NTSC は黒を 7.5 IRE に置いていました。信号のブランキングレベルより少し高いため、黒より下の縞を入れる余地がありました。

パソコンの画面での PLUGE

ここでは、放送でのルールを読み替える必要があります。私たちのファイルでは三本の縞を、最大 255 に対する RGB 9、19、29 で保存しています。白に対してそれぞれ 3.5%、7.5%、11.4% です。パソコンの画面の黒は 0 なので、このパターン自体の黒はごく暗い灰色です。「黒より黒い」縞さえ、本当の黒より明るくなっています。左の縞が消えるまで明るさを下げると、実際の映像の暗部をつぶしてしまいます。

次のように見てください。

三本ともかろうじて見える： 薄暗い部屋で適切に設定された画面なら、三本とも見分けられ、左だけはごくかすかに見えます。ワイド画面の左右に出る帯は本当の黒なので、パターン内の黒より少し暗く見えます。
左の縞が見えない： 中央の縞と一体になっているなら、暗部がつぶれています。明るさ設定が低すぎるか、ダイナミックコントラストが働いているか、信号レベルが合っていません。次の節で説明します。
三本ともはっきり見える： 簡単に見分けられ、左右の黒帯まで灰色に見えるなら、黒浮きしています。

HD 版

SMPTE カラーバーは 4:3 の標準画質向けに作られました。HDTV 向けには、日本の ARIB が 2000 年にマルチフォーマットカラーバーの規格 STD-B28 を発行し、SMPTE が 2002 年に RP 219 として採用しました。2014 年には RP 219-1 に改訂されています。16:9 を前提に、HD と SD の両方で使え、独自のランプ信号と PLUGE があります。私たちのテストでは、従来の 4:3 の配置を表示します。

PLUGE で今もわかるレンジの不一致

パソコンは通常、RGB を 0〜255 のフルレンジで出力します。テレビは、黒が 16、白が 235 の映像レベルを想定していることがよくあります。こちらはリミテッドレンジと呼ばれ、HD 映像の ITU-R BT.709 で使うコード値です。Intel 自身のドライバーガイドでも、テレビではリミテッドレンジが最も一般的だとしたうえで、フルレンジを推奨しています。どちらも正常な方式です。問題は、送る側と受ける側の設定が違うときに起きます。ノートパソコンを HDMI でつないだときによく見られます。

パソコンがフル、テレビがリミテッド： 16 以下はすべて黒として表示されます。左の PLUGE の縞と周囲の黒が一体になり、中央の縞もそこからわずか 3 階調しか離れていません。映画やゲームの暗部の細部が消えます。235 を超える値はすべて白にクリップされます。
パソコンがリミテッド、テレビがフル： 黒が 16 で届くため、暗い灰色として表示されます。画面全体が平板で白っぽくなり、パターンの左右の黒帯も灰色になります。

解決するには、両端の設定を揃えます。パソコン側の設定名は Quantization Range（Intel）、Output dynamic range（NVIDIA）、Pixel Format（AMD）です。テレビ側では HDMI Black Level や HDMI Video Range などを探します。SMPTE カラーバーを出しておけば、設定が合ったところが見てわかります。縞は三本見え、左はごくかすかに見える状態です。

Philips PM5544

PM5544 テストパターン：灰色地に白い格子、外周に白黒のブロック、左右に色の帯、円の中にカラーバー、中心の十字、縞とグレースケール — 放送局名の欄を空けた、4:3 の PM5544 テストパターン。

PM5544 は、放送する番組がない時間に、世界の多くの地域で映っていた円形のテストパターンです。Philips が 1960 年代後半に、コペンハーゲン近郊のテレビ試験機器研究所で開発しました。配置の設計者としては、デンマークの技術者 Finn Hendil の名が挙げられています。Philips は 1970 年、季刊誌 Electronic Measuring and Microwave Notes で紹介しています。

それ以前のテストパターンは、図版をカメラの前に置くか、モノスコープと呼ばれる専用の撮像管に図柄を刻んだものが一般的でした。PM5544 は画面全体を電子的に生成しました。円さえも、磁気コアメモリーの情報からデジタル論理で一行ずつ描きました。直径は画面の高さの約 83% で、誤差は 1% 未満でした。Philips によれば、複数の試験信号を組み合わせたパターンには国際勧告がなかったため、長く役立つと考えた信号を集めたそうです。ほかの計器を使わず、画面を見るだけでテレビ、モニター、デコーダーを確認し、調整できることを目指していました。

Philips の説明に沿って、各部分の目的と、今そこからわかることを見ていきます。

円が真円になるのは、アスペクト比と走査が正しいときだけです。今、楕円に見えるなら、映像が引き伸ばされています。たいていはテレビの「ワイド」「ズーム」などの画面サイズ設定か、画面いっぱいに拡大する必要のある入力解像度が原因です。私たちのテストは 4:3 を保つので、ブラウザーによる変形ではありません。
格子も、同じ理由で正方形になるはずです。CRT ではコンバージェンスの調整にも使われました。プロジェクターでも、台形補正の状態や、隅までピントが合っているかを見るのに役立ちます。
外周の白黒のブロックは、映像の端を切り落とすオーバースキャンを確認するためのものでした。今も HDMI 入力をオーバースキャンするテレビがあり、通常は Just Scan、Fit to Screen、Full Pixel などと呼ばれる設定を有効にする必要があります。ワイドテレビではこのパターンが画面の高さいっぱいに入るので、上か下のブロックが切れていたら、テレビは上下左右を切り取り、表示する映像すべてを拡大し直しています。
中央の十字の横線は、二つのインターレースフィールドを格子の線とは逆の順序で組み合わせていました。インターレースが正しくなければ、二種類の線の太さにはっきり違いが出ます。プログレッシブ表示のパネルでは、単に中心を示す印です。
カラーバーの上の白黒ブロックは、75% レベルの 250 kHz 矩形波です。オーバーシュートやリンギングを見つけるために使いました。今、縁に明るい線や暗い線が付くなら、テレビの輪郭強調が働いています。
カラーバーは 75% のバーで、彩度の基準です。赤と緑の電子銃を切ると、青いバーはすぐ上の 75% の灰色ブロックと合うはずです。SMPTE の確認と同じ考え方です。
縞模様は、正弦波の縞を五つの群に分けたものです。PAL 版では 0.8、1.8、2.8、3.8、4.8 MHz で、テレビがどれだけ細かい情報を通せるかを示します。通常の受像機では、最初の三群はコントラストをそのまま保ち、最も細かい群ではわずかに残る程度でした。今は、どの群もきれいで均一な縞に見えるはずです。揺れるモアレや明暗の縁取りが出るなら、再サンプリングか輪郭強調が加わっています。テレビのスケーラー、シャープネス設定、あるいは全画面になっていないウィンドウが原因として考えられます。
グレースケールは黒から白への六段階です。私たちのものは 0、20、40、60、80、100% になっています。各段階を区別でき、どの灰色も青、緑、ピンクに偏らないことを確認します。
黄色地の赤いブロックは円の下部にあり、色と輝度が同時に届くかを確認するものでした。Philips は、黄色地に赤を選ぶまで多くの実験をしたと述べています。デジタル映像でも、色を輝度より低い解像度で運ぶクロマサブサンプリングは使われます。ただし、この大きさのブロックでは、縁が少しぼける程度にしか現れません。
針状パルスは、円の上下に近い白黒の階段の横にある細い線です。ケーブルやアンテナの反射によるゴーストを確認するものでした。左右の色の帯は、デコーダーを調べるための PAL 色差信号です。デジタルの画像では、どちらも確認する対象が残っていません。

このパターンではわからないこと

これらは目で比べるための基準で、測定器ではありません。引き伸ばし、切り取り、黒つぶれ、白飛び、過度な輪郭強調が見え、色の誤りも一部はわかりやすくなります。ただし、色の正確さ、ピーク輝度、バックライトの均一性を数値にはできません。それには測色計とキャリブレーションソフトが必要です。モニターのキャリブレーションのページでは、目で調整できる範囲を説明しています。また、これらの画像は標準ダイナミックレンジです。HDR には専用の版があり、BT.814 にも今は HDR 用 PLUGE 信号が含まれますが、ブラウザーはここにあるパターンを SDR で表示します。

試す

テレビ画面テストを開き、「放送テストパターン」を選びます。クリック、タップ、スペースキーで次へ進み、Esc で終了します。数秒たつと下の操作バーと閉じるボタンが消え、パターンに何も重ならなくなります。マウスを動かすかタップすると、再び表示されます。

テレビでは、内蔵ブラウザーを使うか、HDMI でパソコンをつなぎます。ブラウザーのタブをキャストしたり、スマホの画面をミラーリングしたりすると、圧縮映像が送られます。縞がぼけるほか、PLUGE の判断に使う黒に近い縞の値も変わることがあります。