音響技術者のための映像入門＜第2回：映像の信号方式＞【PROSOUND SEMINAR】

❶ はじめに

　前章では映像信号を構成する要素（色空間・画角・解像度・フレームレート・描画方式）について解説したが、実際に映像信号を扱う際には、信号方式（信号規格）と端子（インターフェース）についての知識もある程度必要だ。音響機器でAES/EBUやS/PDIFといった信号方式が採用され、XLRやフォーンといった様々な形状の端子があるのと同じように、映像機器でも多様な信号方式と端子が存在する。現場で発生するトラブルの主な要因の一つが、信号方式の違いによるものだと言われており、初心者であっても最低限の知識を持っておいた方がいいだろう。

　主要な信号方式と端子について、分かりやすくまとめたのが（図①）だ。左側の4列（色空間・画角・フレームレート・描画方式）が映像を構成する要素で、右側の3列では、その信号がアナログかデジタルかということと、信号方式および端子を表している。ビデオ系の映像機器（『色空間』が、YUV／YCbCr／YPbPr）とパソコン系の映像機器（『色空間』が、RGB）、どちらも現在主流になっている信号方式は『HDMI』だが、ビデオ系の映像機器（特に業務用機）ではBNC端子の『SDI』も標準になっている。

　それでは代表的な信号方式について、アナログとデジタルに分けて解説することにしよう。

❷ アナログの信号方式

▼コンポジット

　テレビやビデオ・デッキといった民生機で、1980年代から2000年代にかけて標準的に採用されていた信号方式が『コンポジット』だ（外国メーカーの映像機器などでは、『CVBS（Composite Video, Blanking, and Sync）』と呼ばれることもある）。端子はほとんどの場合RCA端子で（写真①）、業務機などではBNC端子が採用されているものもある。その昔、テレビとビデオ・デッキを接続する際に黄色いRCA端子のケーブルを使用したと思うが、あのケーブルで伝送される映像信号が『コンポジット』だ。

　『コンポジット』では、映像を構成する輝度信号（Y）、色差信号（C）、同期信号といった信号を混合し、1本のケーブルで伝送する。接続がシンプルで扱いやすい反面、輝度信号と色差信号が混合しているため、クロス・カラーや滲みといった画質的な問題が生じる場合があり、再びそれらの信号を同じ状態で取り出す（完全に分離する）のは難しい。ただしその扱いやすさ／汎用性の高さから、機器のデジタル化が進んで現在でも、多くの製品で広く採用されている。

▼S-VIDEO

　1987年、“S-VHS”規格の制定に合わせて登場した信号方式が『S-VIDEO』だ（ここでは『S-VIDEO』と表記するが、メーカー／機器によって『Sビデオ』や『S映像』など、呼び方は様々である）。『S-VIDEO』の“S”は“Separate”の頭文字で、輝度信号（Y）／同期信号と色差信号（C）を分離して伝送するのが特徴。これによってすべての信号が混合されている『コンポジット』と比較すると、映像信号の記録／再生を繰り返しても、画質の劣化が少ないというメリットがある。『コンポジット』との互換性も高く、単純に輝度信号（Y）と色差信号（C）を混合すれば、同等の信号が得られる。端子は4pinのmini DIN端子が採用され、この端子のことを“S端子”と呼ぶのが一般的だ（写真②）。

　『S-VIDEO』の拡張規格として、4:3と16:9のアスペクト比を判別する『S1』や、さらにレターボックス信号を判別する『S2』という規格も定義されている。端子は普通の『S-VIDEO』と同じ“S端子”だ。

▼コンポーネント

　アナログ時代の業務用映像機器で標準となっていた信号方式が『コンポーネント』である。『コンポーネント』では、輝度信号（Y）、色差信号（C）、同期信号を完全に分離して扱う。端子は3系統のBNC端子（輝度信号（Y）、色差信号（Cb／Pb）、色差信号（Cr／Pr）をそれぞれ接続する）を採用した機器がほとんどだが（写真③）、それらを集約したD端子や15pinのD-Sub端子が採用されたものもある。ケーブル1本で扱える『コンポジット』や『S-VIDEO』に対し、（BNC端子の場合）ケーブルを3本使用しなければならない『コンポーネント』だが、画質的な問題が生じにくく、映像信号の記録／再生を繰り返した際の劣化も少ないのが特徴だ。

　なお『コンポーネント』は、ITU（国際電気通信連合）が標準化した『ITU-R BT.601』と、ARIB（電波産業会）が標準化した『BTA S-001B』という2つの規格が代表的で、他にもいくつかの派生規格が存在する。ほとんどの場合、このあたりは意識しなくていいと思うが、詳しく知りたい人は専門書を参照していただきたい。

▼RGB

　パソコン系機器の映像の伝送で使用される信号方式が『RGB』である。これまで紹介した『コンポジット』、『S-VIDEO』、『コンポーネント』は、ビデオ系の映像機器で使用される『色空間』が“YUV／YCbCr／YPbPr”の信号方式だが、『RGB』は文字どおり『色空間』が“RGB”の信号方式だ。『RGB』で採用される端子は、15pinのD-Sub端子が一般的で（写真④）、中には5系統のBNC端子（赤信号（R）、緑信号（G）、青信号（B）、水平同期信号（H）、垂直同期信号（V）をそれぞれ接続する）が採用されているものもある。

❸ デジタルの信号方式

▼HDMI

　デジタル時代の映像の信号方式で、最も普及しているのがご存じ『HDMI』だ。『HDMI』は、“High-Definition Multimedia Interface”の頭文字からネーミングされたもので、2002年12月、Silicon Image、ソニー、東芝、Thomson、パナソニック、日立製作所、Philipsの7社が共同で最初の仕様を策定した。

　『HDMI』は、非圧縮のデジタル映像と非圧縮のデジタル音声（最大8ch）を1本のケーブルで伝送することができ、ありとあらゆる『色空間』『画角』『解像度』『フレームレート』『描画方式』に対応するため、映像機器やゲーム機といった民生機から、パソコン系機器、業務用機器に至るまで、様々な分野の製品で広く採用されている。規格自体がどんどんバージョン・アップし、対応する『画角』や『解像度』、音声方式が拡張されていっているのもポイントだ。バージョン・アップで追加された主な機能は以下のとおり。

○　1.0　1080pに対応
○　1.1　Dolby Digital／DTS／DVD Audioに対応
○　1.2　Super Audio CD／DSDに対応
○　1.3　Deep Color／Dolby True HD／DTS-HDに対応
○　1.4　3840×2160（24／25／30Hz）／4096×2160（24Hz）／3D映像に対応
○　2.0　4K映像（2160p／60Hz）に対応
○　2.1　8K映像（4320p／60Hz）に対応

　端子は様々な形状のものが採用されているが、最も標準的なのは19pinの“Type A”と呼ばれる端子（写真⑤）。その他、ビデオ・カメラをはじめとする小型の映像機器で採用されている“Type C”端子も一般的で、さらに小さな“Type D”（マイクロHDMI）という端子も存在する。映像と音声を1本のケーブルで扱うことができ、簡単にセッティングが行える『HDMI』だが、BNC端子などと違って端子部分にケーブルを固定するための機構が備わっていないのが一般的。従って業務の現場で使用する際は、ケーブル抜けに注意が必要だ

▼DVI

　『HDMI』の登場以前、デジタル映像の信号方式の主流だったのが『DVI（Digital Visual Interface）』だ。『HDMI』は『DVI』を基に開発されたため、フルHDまでの映像信号ならば基本的には互換性がある。『HDMI』が主流になった現在でも、『DVI』はパソコン系の映像機器などで広く採用されている。

　端子は“DVI端子”（写真⑥）が使用されるが、ピンの数が異なる様々な種類が存在する（図②）。また、アナログからデジタルへの変遷期に登場した信号方式のため、中にはアナログのRGB信号を伝送するためのピンを内包するものもある。

○　DVI-A　アナログ専用
○　DVI-D（Single Link）　デジタル専用（1920×1080以下）
○　DVI-D（Dual Link）　デジタル専用（4K、WQHDなどにも対応）
○　DVI-I（Single Link）　デジタル／アナログ兼用
○　DVI-I（Dual Link）　デジタル／アナログ兼用

▼SDI

　デジタル時代の業務用映像機器で広く採用されているのが、『SDI（Serial Digital Interface）』である。『SDI』は、SMPTE（米国映画テレビ技術者協会）が策定した信号方式であり、非圧縮のデジタル映像と非圧縮のデジタル音声（8～16ch）を1本の同軸ケーブルで伝送することができる。端子はBNC端子が一般的で、ケーブルを最長100m引き延ばせるため、中継現場などでも多用される。『SDI』には対応する『解像度』や『フレームレート』が異なる複数の種類があり（図③）、代表的なものは以下のとおりだ。

○　SD-SDI　480i（NTSC）／525i（PAL）対応
○　HD-SDI　1080i対応
○　3G-SDI　1080p対応

▼DisplayPort

　もう一つ、『DisplayPort』という信号方式も紹介しておこう。パソコンなどで採用されている『DisplayPort』は2006年、VESA（Video Electronics Standards Association。パソコン関連の映像機器に関する業界標準化団体）が『DVI』の後継を目指して策定した信号方式。非圧縮のデジタル映像と非圧縮のデジタル音声（基本は8chで最大32chまで拡張可能）を1本のケーブルで伝送することができ、端子は『DisplayPort』と呼ばれる独自の端子が採用されている（写真⑦。より小さな『Mini DisplayPort』という端子も普及している）。『HDMI』や『DVI』との互換性もあり、『HDMI』同様に規格自体のバージョン・アップによって、対応する『画角』や『解像度』、音声方式がどんどん拡張されているのも特徴（最新のバージョンでは8K映像にも対応する）。『HDMI』と端子が似ているため、セッティング時は注意が必要だ。

❹ 『EDID』と『HDCP』

　以上、アナログとデジタルに分けて代表的な映像の信号方式を紹介したが、これらの中で現在、最も普及しているのは『HDMI』である。民生機／業務機、ビデオ系／パソコン系問わず、多くの機器が『HDMI』を採用しており、今後しばらくは映像の信号方式の主流であり続けるだろう。

　アナログの信号方式と比較すると、デジタルの信号方式には画質の劣化がほとんどない／音声も一緒に伝送できるといったこと以外にも多くのメリットがある。その1つが機器の設定が容易であるということだ。アナログの信号方式で接続する場合、ユーザーは受信側の機器に合わせて、送信側の機器の設定を変えなければならない。例えば、フルHD対応のプロジェクターにパソコンの画面を目一杯（上下左右が欠けることなく）表示させたい場合、パソコン側の出力設定を自分で行わなければならないのだ。使い慣れた機器であれば問題ないだろうが、出先で初めて使用するプロジェクターやモニター・ディスプレイの場合、単に接続しただけでは思うような表示にならないことも多々あるだろう。

　その点、代表的なデジタルの信号方式（『HDMI』『DVI』『DisplayPort』。『SDI』は除く）では、機器間で『EDID』というデータをやり取りするため、ほとんど場合、接続しただけで適切に表示される。『EDID（Extended Display Identification Data）』は、機器の仕様（画角や解像度など）が記述された固有の識別データであり、これによって機器間の接続が自動的かつ適切に行われるのだ。

　もう一つ、デジタルの信号方式を利用する際に意識しなければならないのが、コピー・プロテクションである。『HDMI』や『DVI』は、非圧縮のデジタル映像／非圧縮のデジタル音声を伝送することができるため、著作権保護の観点から採用されたのが、『HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）』という方式のコピー・プロテクションだ。『HDCP』では、映像を送信する側の機器（Blu-ray／DVDプレーヤーなど）と映像を受信する側の機器（モニター・ディスプレイやプロジェクターなど）を双方で認証し、映像信号を暗号化して受け渡す。従って映像を受信する側が『HDCP』非対応の場合、認証手続きが完了しないため、接続は問題なくても映像は表示されない（図④）。加えて『HDCP』には、映像信号の分配制限もかけられている。映像を送信する側の機器には鍵（HDCPキー）の数が定められており、例えば鍵の数が2つの機器の場合、分配器を使用しても、映像は最大で2台までの機器にしか送信できない。あらかじめ設定されている鍵の数は、公開されていない場合が多いので注意が必要だ。

❺ 『HDMI』接続の確立プロセス

　ケーブル1本で接続が完了する便利な『HDMI』だが、このように見えない部分で様々な仕組みが動作しているのだ。『HDMI』による接続が確立するプロセスをまとめると、以下のようになる（図⑤）。もちろんすべて自動で行われるため、使い手が意識する必要はない。

○　１：ホットプラグ・ディテクト
ケーブルが接続されると、受信側から送信側へ+5Vの電圧が送られ、送信側で接続されたことが認識される。

○　２：『EDID』の読み取り
送信側が受信側の『EDID』によって機器の情報を取得する。

○　３：映像信号の出力
送信側が受信側に適切な映像の送信を開始する。送信側の『HDCP』の状態がONの場合には、受信側の『HDCP』の状態を確認し、認証できない場合には映像を出力しない。

　また、『HDMI』を使用する上で念頭に置かなければならないのが、そもそもこの信号方式は民生機用に開発されたものであり、ステージやイベントなどでの使用が考慮されていないということである。例えば、最大ケーブル長は基本的には5メートルであり、先述の『HDCP』によって、映像信号の分配や切り替え、録画には制限がかけられている。家庭などで再生機（Blu-rayプレーヤーやゲーム機など）と表示機（液晶テレビなど）を直接繋いで使用することを前提とした信号方式であり、ステージやイベントなどで使おうとすると、様々な問題／課題が発生するのだ。

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　次号掲載の第三回では、実際のシステム例と、そのトラブル・シューティングについて解説する。

監修：ローランド株式会社

音響技術者／音響会社におすすめの映像機器 #2
ローランド VC-1シリーズ

今回の章で、映像には様々な信号方式があることがお分かりいただけたかと思うが、信号方式に起因する問題を解決してくれる便利機材が、ローランドのビデオ・コンバーター VC-1シリーズだ。横幅150mm×奥行130mm×高さ30mm／重さ500グラムというコンパクト筐体のVC-1シリーズは、HDMIやSDIといったデジタル信号から、コンポーネントやコンポジットいったアナログ信号に至るまで、様々な信号方式に対応したビデオ・コンバーター。筐体は堅牢なアルミ製で、外装のくぼみによってベルトで三脚などに固定できるほか、別売アダプターを使えばラックにマウントすることも可能。現在4種類の製品がラインナップされており、その画質の劣化の無さと信頼性の高さで、世界中のプロフェッショナルから支持を集めている。

SDIの映像信号／音声信号をHDMI信号にロスレス変換できるモデル、「VC-1-SH」。SDI信号に音声を統合してHDMI出力できるオーディオ・エンベデッド機能や、SDI信号から音声を取り出することができるオーディオ・ディエンベデッド機能も装備し、それぞれデジタル（AES/EBU）もしくはバランスでのアナログ入出力に対応

HDMI信号をSDI信号にロスレス変換できるモデル、「VC-1-HS」。HDMI信号に音声を統合してSDI出力できるオーディオ・エンベデッド機能や、HDMI信号から音声を取り出することができるオーディオ・ディエンベデッド機能も装備し、それぞれデジタル（AES/EBU）もしくはバランスでのアナログ入出力に対応

3G／HD／SD-SDI、HDMI、RGB、コンポーネント、コンポジットといった様々な映像信号を、3G／HD／SD-SDIとHDMIに変換して出力できる高機能モデル、「VC-1-SC」。多機能なスケーラーを搭載し、アップ／ダウン／クロス／スキャン・コンバート、フレームレート簡易変換、I/P変換、アスペクト変換にも対応。フレーム・シンクロナイザーも内蔵し、オーディオ・エンベデッド／オーディオ・ディエンベデッドも行える

SDI信号とHDMI信号を双方向にロスレス変換できるモデル、「VC-1-DL」。最大4.5フレームまで遅延可能なビデオ・ディレイ、最大4.5フレームまで遅延可能なオーディオ・ディレイ、複数の映像信号を同期できるフレーム・シンクロナイザーといった機能も搭載。「VC-1-SH」「VC-1-HS」と同様、デジタル（AES/EBU）もしくはアナログ（バランス）入出力によるオーディオ・エンベデッド／オーディオ・ディエンベデッドにも対応する

　

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