JPH036185A - 映像信号ディジタル伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、映像信号をディジタル化して伝送するに際し
、従来と同等な伝送レートでありながら、より高画質な
映像を伝送することが可能な映像信号ディジタル伝送装
置に関するものである。

従来の技術 従来、ＮＴＳＣカラー映像信号をサブキャリア周波数ｆ
ｓｃの４倍でサンプリングし、８ビツトに量子化して記
録再生する放送用のディジタルＶＴＲが発表されている
。この場合、テープ上に記録されるデータの記録レート
は１１５Ｍｂｐｓと非常に膨大となる。

第８図にディジタルＶＴＲの記録再生系のブロック図を
示す。第８図において、１７はアナログ映像信号入力端
子、１８は前置フィルタ、１９はＡ／Ｄ変換器、２０は
記録信号処理回路、２１は記録ヘッド、２２は磁気テー
プ、２３は再生ヘッド、２４は再生信号処理回路、２５
はＤ／Ａ変換器、２６は後置フィルタ、２７はアナログ
映像信号出力端子である。

アナログ映像入力端子１７に入力されたＮＴＳＣカラー
映像信号は、まず前置フィルタにおいてナイキスト周波
数以上の周波数成分が取り除かれる。そして、Ａ／Ｄ変
換器１９において、サブキャリア周波数ｆｓｃの４倍の
周波数でサンプリングされ８ビツトに量子化されて、次
の記録信号処理回路２０に送られる。この記録信号処理
回路２０においては、誤り訂正符号化およびチャンネル
符号化などの記録時に必要な信号処理が施される。そし
て記録データは記録ヘプト２１を介して磁気テープ２２
に記録される。再生時には、磁気テープ２２から再生さ
れた信号は再生ヘッド２３を介して、再生信号処理回路
２４に入力されチャンネル符号の復号および誤り訂正符
号の復号等の処理が施され、Ｄ／Ａ変換器２５で元のア
ナログ映像信号に戻されて、最後に後置フィルタ２６に
おいてサンプリングによる折返し成分が除去された後、
アナログ映像信号出力端子２７から出力される。

発明が解決しようとする課題 以上述べたように、放送用ディジタルＶＴＲでは映像信
号を８ビツトで量子化するのが一般的であり、−度ディ
ジタル信号に変換された信号は何度記録再生を繰り返し
ても訂正不可能な誤りが発生しない限り画質劣化は生じ
ない。したがって、Ａ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換を一回
しか通らない系においては、８ビツトの量子化で十分な
画質が得られるはずである。しかしながら、現状のディ
ジタルＶＴＲの使用環境下では周囲の放送機器が必ずし
もすべてディジタル化されておらず、番組製作の過程で
複数回のＡ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換を経由することが
少なくない。そして映像信号はＡ／Ｄ変換およびＤ／Ａ
変換を繰り返す度に、前置フィルタお上び後置フィルタ
の振幅特性、あるいは位相特佳の不完全さおよびＡ／Ｄ
変換の際の量子化雑音の累積等によって画質が次第に劣
化してゆく。すなわち、Ａ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換を
なん度も繰り返すような系においては、もはや８ビツト
の量子化では不十分であり、９ビツトあるいは１０ビツ
トの量子化が必要となってくる。

しかしながら、映像信号を９ビツトで量子化すると８ビ
ツトで量子化する場合に比較して記録データレートは９
７８倍となる。これは、同じ記録容量を有するビデオテ
ープカセットを想定した場合には記録時間が８７９に減
少することを意味し、逆に同じ記録時間を想定した場合
にはテープの長さおよびテープのランニングコストが９
／８倍になることを意味している。そこで、この問題を
解決する方法として量子化は９ビツトで行うが、記録に
際してデータ量を８／９に低減することが考えられる。

データレートを低減する方法としては、従来よりＤＰＣ
Ｍ符号化あるいは直交変換符号化などの高能率符号化が
よく知られているが、これらの高能率符号化にはいくつ
かの問題点が存在している。その第１は誤り伝搬の問題
であり、第２は入力映像信号の絵柄によって画質劣化の
様子が異なると言う問題である。特に第２の問題点は、
８ビツト量子化の記録データレートで記録するにも関わ
らず、入力映像信号の電圧レベルの変化の激しい白黒の
縞模様のような絵柄によっては８ビツト量子化の画質が
得られない場合があることを意味している。これは、画
質が最も重要視される放送用ディジタルＶＴＲにとって
は致命的な欠点である。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、
９ビツトで量子化した信号を８ビツト量子化の記録デー
タレートに低減して記録するにも関わらず、映像のかな
りの部分で９ビツト量子化相当の画質を得ることが可能
であり、少なくとも８ビツト量子化の画質は確保できる
映像信号ディジタル伝送装置を提供するものである。

課題を解決するための手段 本発明の映像信号ディジタル伝送装置は、上述した課題
を解決するために、映像信号をサンプリングするサンプ
リング手段と、サンプリングされた映像信号をＮビット
　（Ｎは正の整数）で量子化する第１の量子化手段と、
上記サンプリング手段によって得られたサンプルをＭサ
ンプル（Ｍは正の整数）に１サンプルの割合で間引く間
引き手段と、上記間引き手段によって間引かれるサンプ
ルを周囲の間引かれないサンプルを用いて予測する予測
手段と、上記間引き手段によって間引かれるサンプルの
サンプル値と上記予測手段によって得られる予測値との
差分値を計算する減算手段と、上記減算手段によって得
られる差分値を（Ｍ−に−（Ｍ−１）・Ｎ）ビット［Ｋ
はＮ＞Ｋ＞（Ｍ−１）・Ｎ／Ｍを満たす正の整数）で量
子化する第２の量子化手段と、上記差分値のダイナミッ
クレンジを判定するダイナミックレンジ判定手段と、上
記間引かれないサンプルに対しては上記第１の量子化手
段の出力を伝送し、上記間引かれるサンプルに対しては
上記第２の量子化手段の出力を伝送する第１の伝送手段
と、上記間引かれないサンプルのサンプル値及び上記間
引かれるサンプルとその予測値とのの差分値を共ににビ
ットで伝送する第２の伝送手段と、上記ダイナミックレ
ンジ判定手段により判定する差分値のダイナミックレン
ジが所定のレンジ以下である場合は上記第１の伝送手段
に切り換え、それ以外の場合は上記第２の伝送手段に切
り換える切り換え手段とを有するものである。

作用 本発明によれば上述した構成により、量子化された映像
信号のサンプルは、所定の割合で間引かれ、間引かれな
いサンプルに対しては量子化値がそのまま、間引かれる
サンプルに対してはそのサンプルの量子化値と周囲のサ
ンプルからの予測値との差分値が伝送される。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図は、本発明の第１の実施例を示すものである。第
１図において１は映像信号入力端子、２は前置フィルタ
、３はサンプリング回路、４はサンプリングパルス発生
器、５は１／Ｍ分周器、６は第１の量子化器、７．８は
予測器、９．１０は減算器、１１は第２の量子化器、１
２はダイナミックレンジ（以下、Ｄレンジと称す）判定
回路、１３．１４．１５はマルチプレクサ、１６はＤレ
ンジ判定情報出力端子である。

以下、第１図に従うて本発明を説明する。まず、映像信
号入力端子１に入力されたＮＴＳＣカラー映像信号は、
前置フィルタ２でナイキスト周波数以上の周波数成分が
除去された後、サンプリング回路３においてサンプリン
グパルス発生器４からのサンプリングパルスによってサ
ンプリングが行われる。このサンプリングパルスの周波
数は入力映像信号のバースト信号に同期させた４　ｆｓ
ｃである。

次に、サンプリングされた映像信号は第１の量子化器６
で９ビツトのディジタルデータに変換される。この８ビ
ツトのデータはマルチプレクサ１３の入力Ａ、予測器８
．減算器１０にそれぞれ入力される。予ｉ＃１器８は入
力されたデータの各サンプル（量子化値）の予測値をそ
のサンプルの近傍に存在する相関の強いサンプルを用い
て計算するものである。そして、この予測器８によって
得られる予測値と予測された上記９ビツトの量子化値と
の差分値が減算器１０において求められ、次の第２の量
子化器１１でＳビットに量子化されて、マルチプレクサ
１４の入力Ａに入力される。ここで９ビツトのディジタ
ルデータからＭサンプル毎に１サンプルの割合でサンプ
ルを間引く場合には、Ｓは（９−Ｍ）となる。一方、９
ビツトの量子化値の上位８ビツトがマルチプレクサ１３
の入力Ｂ。

予測器７．減算器９にそれぞれ入力される。減算器９か
らは８ビツトの差分値が得られ、これがマルチプレクサ
１４の入力Ｂに入力される。また、Ｄレンジ判定回路１
２では減算器１０の出力をＳＤＲとすると、−２（Ｓ−
目＜ＳＤＲ＜２（Ｓ−目−１を満たすか否かが判定され
る。そしてこれが満たされる場合にはマルチプレクサ１
３．１４においてそれぞれ人力Ａが選択される。そして
マルチプレクサ１３の出力はマルチプレクサ１５の入力
Ａに、マルチプレクサ１４の出力はマルチプレクサ１５
の入力Ｂに入力される。マルチプレクサ１５では１／Ｍ
分周器５の制御に従ってＭサンプルのうちの１サンプル
は入力Ｂが選択され、残りのＭ−１サンプルは入力Ａが
選択される。すなわち、Ｍサンプルのうち１サンプルが
間引かれ、この間引かれるサンプルに対しては差分値が
伝送され、間引かれないＣＭ−１）個のサンプルに対し
てはサンプル値がそのまま伝送される。

さらに、減算器１０で求められる差分値のＤレンジに応
じて２つの伝送モードが存在する。すなわち、Ｄレンジ
がＳビット以下の場合にはマルチプレクサ１３．１４で
入力Ａが選択され、間引かれるサンプルに対してはＳビ
ットの差分値が伝送され、間引かれない（Ｍ−１）個の
サンプルに対しては、第１の量子化器６から得られる９
ビツトのサンプル値が伝送される。この場合をモード１
と呼ぶ。一方、ＤレンジがＳビットを越える場合にはマ
ルチプレクサ１３．１４で入力Ｂが選択され、間引かれ
ない（Ｍ−１）個のサンプルに対しては８ビツトのサン
プル値が伝送され、間引かれるサンプルに対しては８ビ
ツトのサンプル値を用いて計算された差分値が８ビツト
で伝送される。

この場合をモード２と呼ぶことにする。このことは、入
力された映像信号において予測誤差の小さい領域では９
ビット精度での伝送が可能であり、予測誤差が大きい領
域でも最悪８ビット精度で伝送が可能であることを示し
ている。

ここで、送信データを正しく復元するためには、Ｍサン
プル毎に上記２つのモードのどちらで伝送されてきたか
を区別する必要がある。そのためには、Ｍサンプル毎に
それぞれのモードを表わす１ビツトのインデックスを付
加しなければならない。

今、Ｍ＝５とすると、このインデックス付加による伝送
レートの増加は１サンプル当り０．２ビツトとなる。こ
の伝送レートの増加分を減らすためにはインデックスを
Ｍサンプル単位ではなく、Ｐ−Ｍサンプル単位に付加す
れば良い。この場合、増加分は１／（Ｐ−Ｍ）ビットと
なり、Ｐ＝２とすれば増加分は１サンプル当り０．１ビ
ツトとなる（この場合にはＰ個の差分値のＤレンジがす
べてＳビット以下の時のみモード１で伝送することにな
る）。

このようにＰとＭの値を適当に選べばインデックス付加
による伝送レートの増加は非常にわずかであり、はぼ４
　ｆｓｃ・８　（ｂｐｓ）の伝送レートで部分的にでは
あるが９ビツトの画質が伝送できることになる（このＰ
−Ｍ個のサンプルのブロックをモードブロックと呼ぶこ
とにする）。しかも、後述するように、予測器をうまく
構成することにより入力映像信号に含まれるエネルギー
の大きな周波数領域あるいは視覚的に劣化が目だち易い
領域を９ビツトで伝送することが可能であり、そうする
ことによってより大きな効果を得ることができる。また
、Ｍサンプルのうち１サンプルを差分値として伝送する
ことにより本実施例の誤り伝搬はたかだか１サンプルで
あり従来の高能率符号化に比して格段に優れている。

以下、予測器の構成を中心に第３図を用いてより詳しく
本実施例を説明する。ここでＭ＝５．　　Ｐ＝２．Ｓ＝
４とする。第３図（ａ）はモードブロックの構成を示し
たものである。本図において２゜９＋１はライン番号で
あり、１）（Ｌｎ）は９番目のラインのｎ番目のサンプ
ルのサンプル値である。また黒丸は間引かれるサンプル
を示し、白丸は間引かれないサンプルを示している。そ
して破線で囲んだ範囲がモードブロックを表わしている
。

ここで間引かれるサンプル１）（＄１．ｎ）に対する予
測値をＱ（ｆｆ、ｎ）とすると、この値はこのサンプル
の前後４サンプルの値から次式より計算される。

ｑ（ｆｆ　　、ｎ）：［ｐ（ｆｆ　　、ｎ−１）＋ｐ（
ｆｆ　　、ｎ＋１））−（ｐ（３１、ｎ−２）＋ｐ（Ｒ
ｔｎ＋２））／２　　　　　ｓｅａ　（１）サンプルｐ
ｉ＋１．ｎ）の予測値Ｑ（！Ｑ＋１゜ｎ）も同様にして
求められる。第２図にこの予測器のブロック図を示す。

ここで２８．　２９．　３０゜３１は１クロツク遅延器
、３２．３３は１／２係数器、３４，３５．３８は加算
器である。ここで、この予測器の周波数応答をＨ（Φ）
とすると、Ｈ（Φ）は次式で表わされる。

Ｉｔ（Φ）＝２・Ｃ０５（Φ）−ＣＯＳ（２Φ）　　　
　　　・・・（２）但し、Φ＝２ｘｆ／４ｆｓｃである
。

誤差関数Ｅ（Φ）は次式で定義される。

Ｅ（Φ）：１−１１（Φ）　　　　　　　　　　　　・
・・（３）（１）式で表わされる予測器の誤差関数を第
３図（ｂ）に示す。この図においてｆ。はナイキスト周
波数でありサンプリング周波数が４　ｆｓｃの場合には
ｆＮ−”２ｆｓｃ である。ところで、誤差関数は間引かれるサンプルのサ
ンプル値と予測値との差分値に対応するものであるから
、この図より低周波数成分及びサブキャリア周波数ｆｓ
ｃの近傍の周波数成分において差分値は小さくなり差分
値が４ビツトで伝送できる確率が大きくなることがわか
る。このことはＮＴＳＣカラー映像信号の場合、上記周
波数成分にエネルギーが集中していることを考慮すると
、映像信号のかなりの部分が９ビツトの画質で伝送でき
ることを示している。しかも、これらの周波数領域は輝
度信号および色信号の低域成分に対応しており視覚的に
も最も感度が高く、画質劣化が目立ち易い領域であるか
らその実質的効果は大である。

次に、第４図を用いて予測器の第２の実施例を説明する
。この予測器は最も簡単なものであり（ブロック図は省
略）、第４図（ａ）に示すようにサンプルｐ（Ｌｎ）の
予測値として４サンプル前のサンプル値ｐ（Ｌ　　ｎ−
４）を用いるものである。ここではＭ＝２．Ｐ＝８．３
＝７として考える。この場合の誤差関数も第４図（ｂ）
かられかるように、第１の実施例の場合と同様、映像信
号のエネルギーの集中している低周波数成分及びサブキ
ャリア周波数成分において最も誤差が小さくなっている
。ただ、第３図（ｂ）と比較すると誤差が相対的にかな
り大きくなっている。しかし、第１の実施例の場合には
差分値の量子化ビット数が４ビツトであったのに対し本
実施例の場合には、それが７ビツトとなり第１の実施例
に比較して８倍の差分値が伝送可能となるので、この場
合もかなりの部分が９ビット精度で伝送できることにな
る。

次に、第５図、第８図を用いて予測器の第３の実施例を
説明する。ここでは、Ｍ＝５．　　Ｐ＝２゜Ｓ＝４であ
り、第１の実施例の予測器と同じであるが、予測器の構
成が異なっている。すなわち、第１の実施例では間引か
れるサンプルの前後４サンプルを用いて予測を行ったが
、本実施例では（第６図（ａ＞に示すように）前後８サ
ンプルを用いて予測を行うのでより精度の高い予測を行
うことができる。第５図にこの予測器のブロック図を示
す。この図において、３７〜４４は１クロツク遅延器、
４５〜５１は加算器、５２〜５５は係数器である。すな
わち、サンプルｐ（Ｌｎ）の予測値ｑ（Ｌｎ）は ｑ（１２、ｎ）：に１４ｐ（ｆｆ　、ｎ−１）＋ｐ（１
１、ｎ＋１））＋に２・（ｐ（ｆｆ　、ｎ−２Ｄｐ（Ｉ
Ｉ　、ｎ＋２））＋に３・（ｐ（ｆｆ　ｔｎ−３）＋ｐ
（ｆｆ　、ｎ＋３））＋に４−（ｐ（！Ｑ　、ｎ−４）
＋ｐ（２、ｎ＋４））　　　・・（４）となる。但しに
１＋に２＋に３＋に４：０．５である。

そして、本実施例の予測器の周波数応答Ｈ（Φ）は次式
で表わされる。

Ｈ（Φ）＝２・Ｋ１−Ｃ０５（Φ）＋２・Ｋ２・Ｃ０５
（２Φ）＋２・Ｋ３・ｃｏｓ（３Φ）＋２・Ｋ４・Ｃ０
５（４Φ）・・・（５）この場合の誤差関数Ｅ（Φ）は
第６図（ｂ）に示すように第１の実施例に比較して予測
誤差は格段に小さくなっている。しかも差分値の量子化
ビット数は４ビツトで同じであるから９ビット精度で伝
送できる領域は飛躍的に増大する。

さて、本実施例と第１の実施例を比較した場合、最も大
きな相違点は第１の実施例の場合は予測に用いるサンプ
ルはモードブロック内すなはち破線内のサンプルに限定
されていたが、本実施例の場合にはこれが両隣のモード
ブロックにまたがっていることである。このために、本
実施例では予測値を各サンプルの量子化値の上位８ビツ
トを用いて計算する必要がある。これは、両隣のブロッ
クのうちひとつでもモード２のブロックがあれば、復号
時に８ビツトのサンプル値しか使えないためである。し
かしながら、この場合でも演算誤差のために差分値の実
効的なりレンジは多少大きくなるが、これが４ビツトで
伝送可能であれば９ビット精度は確保できる。この予測
器を利用する本発明の第２の実施例を示すブロック図を
第７図に示す。

第７図において、５６は映像信号入力端子、５７は前置
フィルタ、５８はサンプリング回路、５９はサンプリン
グパルス発生器、６０は１／Ｍ分周器、６１は量子化器
１．６２は予測器、６３は減算器、８４は量子化器２．
６５はＤレンジ判定回路、８８．８７．６８はマルチプ
レクサ、６９はＤレンジ判定情報出力端子である。動作
は第１図の場合と全く同様であるので説明は省略するが
、差分値が第１の量子化器６１の出力の９ビツトのうち
上位８ビツトのみを用いて計算されるところが第１図で
示チ本発明の第１の実施例と異なっている。

発明の詳細 な説明したように映像信号のディジタル伝送に本発明を
用いれば、本来８ビツト／サンプルの伝送容量しかない
伝送路においても９ビツト／サンプル相当の画質の伝送
が可能となる。しかも、従来の高能率符号化のように絵
柄によっては８ビツト以下の画質になるというような問
題点もな（、さらに誤り伝搬もわずか１サンプルで済む
。したがって、本発明を放送用ディジタルＶＴＲに適用
すれば従来と同じ記録レートでありながら、Ａ／Ｄ変換
及びＤ／Ａ変換を複数回繰り返すような状況においても
高画質を確保することが可能である。

また実施例においては入力信号としてＮＴＳＣカラー映
像信号のみについて説明したが、ＰＡＬなどの他のコン
ポジット信号およびコンポーネント信号に対しても全く
同様に適用できることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１・の実施例°を示すブロック図、
第２図は本発明における予測器の第１の実施例を示すブ
ロック図、第３図（ａ）は同予測器のモードブロック構
成図、第３図（ｂ）は同予測器の誤差関数特性図、第４
図（ａ）は予測器の第２の実施例のモードブロック構成
図、第４図（ｂ）は同予測器の誤差関数特性図、第５図
は予測器の第３の実施例を示すブロック図、第６図（ａ
）は同予測器のモードブロック構成図、第６図（ｂ）は
同予測器の誤差関数特性図、第７図は本発明の第２の実
施例を示すブロック図、第８図は従来例の全体のブロッ
ク図である。 ３・・・サンプリング回路、　　４・・・サンプリング
パルス発生器、　　５・・・１／Ｍ分周器、　　６・・
・第１の量子化器、７，８・・・予測器、　　９．１０
・・・減算器、　　１１・・・第２の量子化器、　　１
２・・・Ｄレンジ判定回路、　　１３．１４．　１５・
・・マルチプレクサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）映像信号をサンプリングするサンプリング手段と
   、 サンプリングされた映像信号をＮビット（Ｎは正の整数
   ）で量子化する第１の量子化手段と、上記サンプリング
   手段によって得られたサンプルをＭサンプル（Ｍは正の
   整数）に１サンプルの割合で間引く間引き手段と、 上記間引き手段によって間引かれるサンプルを周囲の間
   引かれないサンプルを用いて予測する予測手段と、 上記間引き手段によって間引かれるサンプルのサンプル
   値と上記予測手段によって得られる予測値との差分値を
   計算する減算手段と、 上記減算手段によって得られる差分値を［Ｍ・Ｋ−（Ｍ
   −１）・Ｎ］ビット［ＫはＮ＞Ｋ＞（Ｍ−１）・Ｎ／Ｍ
   を満たす正の整数］で量子化する第２の量子化手段と、 上記差分値のダイナミックレンジを判定するダイナミッ
   クレンジ判定手段と、 上記間引かれないサンプルに対しては上記第１の量子化
   手段の出力を伝送し、上記間引かれるサンプルに対して
   は上記第２の量子化手段の出力を伝送する第１の伝送手
   段と、 上記間引かれないサンプルのサンプル値及び上記間引か
   れるサンプルの差分値を共にＫビットで伝送する第２の
   伝送手段と、 上記ダイナミックレンジ判定手段により判定する差分値
   のダイナミックレンジが所定のレンジ以下である場合は
   上記第１の伝送手段に切り換え、それ以外の場合は上記
   第２の伝送手段に切り換える切り換え手段とを有するこ
   とを特徴とする映像信号ディジタル伝送装置。
2. （２）切り換え手段はＰ・Ｍ（Ｐは正の整数）サンプル
   のうちＰ個の差分値のダイナミックレンジがすべて［Ｍ
   ・Ｋ−（Ｍ−１）・Ｎ］ビット以下の時のみ第１の伝送
   手段に切り換え、その他の場合は第２の伝送手段に切り
   換えることを特徴とする請求項１記載の映像信号ディジ
   タル伝送装置。