JP2005505202A - ダイナミックビデオサンプリング - Google Patents

Abstract

サンプリングシステムは、高いレート、及び、同等に大きい数のサンプルが、高い空間周波数を有する画像又はビデオセグメントに対し得られ、一方、低い数のサンプル（低いサンプリングレート）が、低い空間周波数を有する画像又はビデオセグメントに対し維持されるよう、アナログ信号をサンプリングするサンプリングレート、及び／又は、格納されるサンプル数を、固定又はビデオ画像コンテンツに適応させる。ナイキスト定理は、各個々の画像セグメントに対し依然として満たされ得、同時に、エッジエンハンスメントに必要な情報も維持される。

Description

【０００１】
本発明は、一般的に、ビデオ信号の処理に関わり、より具体的には、ビデオ信号のデジタルサンプリングに係る。
【０００２】
画像の１つ又は複数の空間周波数は、単位距離当たりの画素の変化率であり、一般的に、角度又はラジアン当たりのサイクルで表現される。例えば、図３に示す格子の水平サンプリングでは、正弦波変動領域３００及び３０１は共に、１つの空間周波数を有するが、領域３０１の空間周波数は、領域３００の空間周波数より低い。方形波変動領域３０２は、多数の空間周波数を有し、領域３０２の最低空間周波数は、領域３０１の１つの空間周波数に等しい。画像サンプルのフーリエ解析は、画像の１つ又は複数の空間周波数を識別することを可能にする。
【０００３】
現在のデジタル画像／ビデオシステムは、画像中の最高空間周波数の少なくとも２倍の固定サンプリング周波数を用いるよう設計される（ナイキスト定理）。１つの画像に用いる及び／又は格納されるサンプル数は、サブサンプリングによって少なくし得るが、このようなサブサンプリングは、画像又はビデオコンテンツによって変調されない。更に、ナイキスト定理は、サンプリングの間に時として守られないが、サンプリング周波数は、一般的に所定且つ一定である。
【０００４】
ナイキスト定理がサンプリングの間に満たされると、サンプリングされた画像の全ての空間周波数は、理論上は維持される。実際には、当然ながら、不確定性がノイズのために増加し、その結果、オリジナルの高空間周波数の再現は、より困難となるか、又は、不可能とさえなる。ノイズ低減アルゴリズムによって、回復を向上するよう試みられるが、高周波数に対しては依然として困難である。
【０００５】
従って、サンプリングされる画像又はビデオコンテンツに応じて、サンプリング周波数又はサンプリング密度を適応させる必要性が当該技術においてある。
【０００６】
上述した従来技術の欠点に対処するために、本発明は、ビデオ受信器内に用いるサンプリングシステムを提供することを主要の目的としており、本発明のサンプリングシステムは、高いレート、及び、同等に大きい数のサンプルが、高い空間周波数を有する画像又はビデオセグメントに対し得られ、一方、低い数のサンプル（低いサンプリングレート）が、低い空間周波数を有する画像又はビデオセグメントに対し維持されるよう、アナログ信号をサンプリングするサンプリングレート、及び／又は、格納されるサンプル数を、固定又はビデオ画像コンテンツに適応させる。ナイキスト定理は、各個々の画像セグメントに対し依然として満たされ得、同時に、エッジエンハンスメントに必要な情報は維持される。
【０００７】
上述は、当業者が以下の本発明の詳細な説明をより良好に理解するよう本発明の特徴及び技術的利点を広く概説したものである。本発明の追加の特徴及び利点は、本発明の請求項の対象を形成し、以下に説明する。当業者は、開示される概念及び特定の実施例を、本発明と同一の目的を達成するために修正する又は他の構造を設計する基盤として容易に用い得ることを理解するものとする。当業者は更に、そのような等価の構造は、本発明のその最大の形における精神及び範囲から逸脱するものではないことを認識するであろう。
【０００８】
以下の本発明の詳細な説明に進む前に、この特許文書全体に用いる特定の用語又は表現の定義を説明することが有利であろう。「有する」、「構成する」、及びそれらの派生語は、非制限的な含有を意味し、「又は」という用語も、及び／又はを意味して包含的であり、「関連付けられる」及びその派生語は、有する、〜の中に含まれる、相互接続する、含有する、〜の中に含有される、接続する、接合する、〜と通信可能である、協働する、相互配置する、並列する、〜に近接する、〜に境界付けられる、有する、〜の特性を有する等を意味し得る。「制御器」という用語は、少なくとも１つの作業を制御する、任意の装置、システム、又はシステムの一部であり、その装置は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は少なくともこのうちの２つの組合わせで実施される。任意の特定の制御器に関連付けられる機能性は、中央集中管理されても分散管理されても、ローカルで管理されても遠隔で管理されてもよい。特定の用語及び表現の定義が、この特許文書全体に対し与えられ、当業者は、このような定義は、そのような定義付けされた用語及び表現の従来の使用から将来の使用まで多くの場合において適用されることを理解するものとする。
【０００９】
本発明及びその利点をより完全に理解するために、添付図面と共に以下の説明を参照する。図面中、同様の番号は同様の対象物を示す。
【００１０】
以下に説明する図１及び図２Ａ乃至２Ｃ、及び、この特許文献において、本発明の原理を説明するために用いる様々な実施例は、例示的に過ぎず、本発明の範囲を制限すると考えるべきではない。当業者は、本発明の原理は、任意の好適に構成される装置にて実施され得ることを理解するものとする。
【００１１】
図１は、本発明の１つの実施例によるビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいたサンプリングを有するビデオシステムを示す。この例示的な実施例において、ビデオシステム１００は、アナログビデオ信号を受信する入力１０２を有し、受信したアナログビデオ信号に対応するデジタルビデオデータを、表示装置、記憶装置又はシステム、或いは、他の装置に伝送する出力１０３を選択的に有するビデオ受信器１０１において実施される。
【００１２】
受信器１０１は、デジタル表示装置を有するデジタルテレビジョン（ＤＴＶ）、テレビジョンに接続するための衛星、地上波、又はケーブル放送受信器等で有り得る。本発明は更に、例えば、ブロードバンド・ワイヤレス・インターネット・アクセス受信器といった任意の受信器、又は、ビデオカセットレコーダ（ＶＣＲ）、デジタルビデオレコーダ、又はデジタルバーサトルディスク（ＤＶＤ）プレーヤといったアナログビデオ情報を受信する任意の他のビデオ装置にも用い得る。しかし、実施例に関係なく、受信器１０１は、以下に詳細に説明するように、結果として得られるデジタル信号内のコンテンツに依存するサンプリングの周波数又はサンプリング密度を用いる。
【００１３】
当業者は、図１は、受信器システム内の全ての構成要素を明示的に示しているものではないことを理解するであろう。そのようなシステムにおいて、本発明に独特である及び／又は本発明の構造及び動作の理解のために必要な部分のみを示す。
【００１４】
受信器１０１は、サンプリングされるコンテンツの空間周波数により変調される又は空間周波数に依存する周波数で、アナログビデオ入力信号をサンプリングするサンプリングメカニズム１０４を有する。高サンプリング周波数（大きいサンプリング密度）は、高い空間周波数を有する画像コンテンツに用いられ、低サンプリングレートは、低い空間周波数を有する画像コンテンツに用いられる。サンプリング周波数が、サンプリングされるコンテンツにおける最高空間周波数の２倍に設定されて、ナイキスト定理は依然として満たされ得る。
【００１５】
結果は、固定周波数サンプリングと比較して、低空間周波数を有するコンテンツにはサンプルが少なくなり、高空間周波数を有する画像コンテンツにはサンプルが多くなる。ノイズが画像又はビデオを劣化しても、主にエッジである高空間周波数を有する領域のための多数のサンプルは、固定サンプリングレートより有意に良好にオリジナルのエッジを維持することを支援する。追加のサンプルは、一般的に、多くの先鋭度エンハンスメントアルゴリズムには必要である。
【００１６】
図２Ａ乃至２Ｃは、本発明の様々な実施例による、ビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいた画像サンプリングのサンプリングメカニズムを示す図である。図２Ａの実施例では、入力信号の周波数スペクトルを分離するために、ｎ個（ここでは、ｎは、任意の正の非ゼロの整数である）のアナログフィルタ２０１がサンプリングメカニズム１０４によって用いられる。各アナログフィルタ２０１は、空間周波数の特定の帯域について入力信号をフィルタリングする。それぞれ様々なフィルタリングされた信号に対し異なる設定を有する多数の対応するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０２が用いられ、異なるサンプリングレートを有する様々なデジタル表現を生成する。フィルタ２０１の出力と、変換器２０２からの対応するデジタル表現の両方を受信するインテリジェントサンプル合成メカニズム２０３は、各入力信号セグメントに対し変換器２０２のうちの１つからの出力を選択し、選択された表現を合成して、デジタル出力信号を形成する。
【００１７】
図２Ｂの実施例では、サンプリングメカニズム１０４は、高い固定サンプリングレートを用いる１つのアナログ−デジタル変換器２０４を有する。サンプリングされた入力信号は、次に、信号解析ユニット２０５により解析され、サンプル画像データにおける最高空間周波数が決められる。信号解析ユニット２０５は、ダウンサンプリングユニット２０６を制御する。ダウンサンプリングユニット２０６は、入力サンプルを受信して、低空間周波数を有する画像又はビデオ部にて維持されるサンプル数を減らし、また、高空間周波数を有する画像コンテンツに対しては高いサンプル数を維持する。特定の画像セグメントに対して維持されるサンプル数は、ナイキスト定理と、サンプリングされた画像コンテンツ内で検出された最高空間周波数に関連し得る。
【００１８】
図２Ｃの実施例では、サンプリングメカニズム１０４は、サポートされる最高サンプリングレートに等しい固定サンプリングレートを用いる第１のアナログ−デジタル変換器２０７を有する。信号解析ユニット２０８がサンプリングされたサンプルにおける空間周波数を解析し、次に、サンプリングされたコンテンツに基づいて、第２のアナログ−デジタル変換器２０９によって用いられる可変サンプリングレートを変調する。サンプリングレートを、サンプリングされるコンテンツに相関付けるようバッファ（図示せず）が用いられ得る。変換器２０９の最初のサンプリングレートは用いられ、このサンプリングレートは、サンプリングされるコンテンツの空間周波数が高いときは（例えば、現在のサンプリングレートに対し選択されたナイキスト周波数に近いときは）、サンプリングの間に増加され、そうでない場合は低くされる。低すぎるレートでサンプリングされたと判断される画像セグメントは、高いサンプリングレートでリサンプリングされ得る。
【００１９】
図２Ａ乃至２Ｃの各実施例において、サンプル数、及び、サンプリングレートが調節される入力セグメントのサイズは、固定でも可変であってもよい。様々なセグメント長についてのサンプル密度の最適化は、考えられる全ての置換により決められ得る。
【００２０】
本発明は、サンプリングされるコンテンツの空間周波数に基づいて変調されるサンプリングレートを用いる。高いサンプリングレート、及び、大きいサンプル密度は、高い空間周波数を有するコンテンツに用いられ、一方で、低いサンプリングレートは、低い空間周波数を有するコンテンツに用いられる。ナイキスト定理は、画像データの特定のセグメントに対して依然として満たされ、また、エッジエンハンスメントに必要な情報は維持され得る。結果として得られるサンプルは、例えば、モーション・ピクチャ・エキスパーツ・グループ（ＭＰＥＧ）規格といったランレングス符号化（ＲＬＥ）を用いる画像規格に適する。
【００２１】
尚、本発明は、完全に機能的な受信器のコンテキストにおいて説明したが、当業者は、本発明のメカニズムの少なくとも一部は、様々な形式の命令を有する機械利用可能な媒体の形で分散されることが可能であり、また、本発明は、その分散を実際に行うために用いる信号担持媒体の特定の種類に関わらず同等に適用されることを理解するものとする。機械利用可能媒体の例としては、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）といった不揮発性のハード符号化されるタイプの媒体、又は、消去可能な電気的にプログラム可能な読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、及びコンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）又はデジタルバーサトルディスク（ＤＶＤ）といった記録可能なタイプの媒体、デジタル及びアナログ通信リンクといった伝送タイプの媒体が挙げられる。
【００２２】
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本発明のその最も広い解釈においてその技術的思想及び範囲から逸脱することなく、本願に開示する本発明の様々な変更、代用、増強、ニュアンス、グラデーション、小さい形式、修正、改定、改善、及び、類似は行われ得ることを理解するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の１つの実施例によるビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいたサンプリングを有するビデオシステムを示す図である。
【図２Ａ】本発明の様々な実施例によるビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいた画像サンプリングのためのサンプリングメカニズムを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の様々な実施例によるビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいた画像サンプリングのためのサンプリングメカニズムを示す図である。
【図２Ｃ】本発明の様々な実施例によるビデオ画像コンテンツの空間周波数に基づいた画像サンプリングのためのサンプリングメカニズムを示す図である。
【図３】様々な空間周波数を有する画像コンテンツの格子を示す図である。

Claims (20)

1. アナログビデオ信号を受信する入力と、
   前記入力に接続され、前記アナログビデオ信号内にある画像コンテンツにおける空間周波数に基づいて、前記アナログビデオ信号のセグメントに対し変調された可変サンプリングレートを用いて前記アナログビデオ信号をサンプリングするサンプリングメカニズムと、
   を有するダイナミックサンプリングシステム。
2. 第１のサンプリングレートは、第１の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号の第１のセグメントに用いられ、
   前記第１のサンプリングレートより大きい第２のサンプリングレートは、前記第１の最高空間周波数より大きい第２の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号のセグメントに用いられる請求項１記載のシステム。
3. 前記サンプリングメカニズムは更に、
   前記アナログビデオ信号をそれぞれ受信する複数のアナログフィルタと、
   前記複数のアナログフィルタの１つにそれぞれ接続され、対応するアナログフィルタに基づいた設定を有し、前記対応するアナログフィルタの出力をそれぞれサンプリングする複数のアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログビデオ信号の各セグメントに対し前記アナログ−デジタル変換器のうちの１つの出力を選択し、前記選択された出力を合成する合成ロジックと、
   を有する請求項２記載のシステム。
4. 前記サンプリングメカニズムは更に、
   前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を、固定レートでサンプリングする１つのアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログビデオ信号の各セグメントに対しサンプリングレートを選択するために前記変換器からのサンプルを解析する信号解析ユニットと、
   前記信号解析ユニットにより選択される前記対応するサンプリングレートに基づいて、前記アナログビデオ信号の各セグメントに対する前記変換器からのサンプルを維持するダウンサンプリングユニットと、
   を有する請求項２記載のシステム。
5. 前記サンプリングメカニズムは更に、
   前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を、前記アナログビデオ信号内にあるコンテンツにおける関心の全ての空間周波数を検出するのに十分な固定レートでサンプリングする第１のアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を可変レートでサンプリングする１つのアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログビデオ信号の各セグメントに対しサンプリングレートを選択するよう前記第１の変換器からのサンプルを解析し、前記第２の変換器のサンプリングレートを調節する信号解析ユニットと、
   を有する請求項２記載のシステム。
6. 前記アナログビデオ信号の各セグメントの前記サンプリングレートは、前記アナログビデオ信号の対応するセグメントにあるコンテンツにおける最高空間周波数の少なくとも２倍である請求項２記載のシステム。
7. 前記サンプリングメカニズムは、前記アナログビデオ信号を、第１のレートでサンプリングし、前記第１のレートとは異なる第２のレートで、前記アナログビデオ信号の少なくとも１つのセグメントのサンプルを伝送する請求項２記載のシステム。
8. アナログビデオ信号を受信する入力と、
   デジタルビデオ信号を、表示装置、記憶システム、又は他の装置に伝送する出力と、
   前記入力に接続され、前記アナログビデオ信号内にある画像コンテンツにおける空間周波数に基づいて、前記アナログビデオ信号のセグメントに対し変調された可変サンプリングレートを用いて前記アナログビデオ信号をサンプリングするサンプリングメカニズムと、
   を有するビデオ受信器。
9. 第１のサンプリングレートは、第１の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号の第１のセグメントに用いられ、
   前記第１のサンプリングレートより大きい第２のサンプリングレートは、前記第１の最高空間周波数より大きい第２の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号のセグメントに用いられる請求項８記載のビデオ受信器。
10. 前記サンプリングメカニズムは更に、
    前記アナログビデオ信号をそれぞれ受信する複数のアナログフィルタと、
    前記複数のアナログフィルタの１つにそれぞれ接続され、対応するアナログフィルタに基づいた設定を有し、前記対応するアナログフィルタの出力をそれぞれサンプリングする複数のアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対し前記アナログ−デジタル変換器のうちの１つの出力を選択し、前記選択された出力を合成する合成ロジックと、
    を有する請求項９記載のビデオ受信器。
11. 前記サンプリングメカニズムは更に、
    前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を、固定レートでサンプリングする１つのアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対しサンプリングレートを選択するために前記変換器からのサンプルを解析する信号解析ユニットと、
    前記信号解析ユニットにより選択される対応するサンプリングレートに基づいて、前記アナログビデオ信号の各セグメントに対し前記変換器からのサンプルを維持するダウンサンプリングユニットと、
    を有する請求項９記載のビデオ受信器。
12. 前記サンプリングメカニズムは更に、
    前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を、前記アナログビデオ信号内にあるコンテンツにおける関心の全ての空間周波数を検出するのに十分な固定レートでサンプリングする第１のアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログビデオ信号を受信し、前記アナログビデオ信号を可変レートでサンプリングする１つのアナログ−デジタル変換器と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対しサンプリングレートを選択するよう前記第１の変換器からのサンプルを解析し、前記第２の変換器のサンプリングレートを調節する信号解析ユニットと、
    を有する請求項９記載のビデオ受信器。
13. 前記アナログビデオ信号の各セグメントの前記サンプリングレートは、前記アナログビデオ信号の対応するセグメントにあるコンテンツにおける最高空間周波数の少なくとも２倍である請求項９記載のシステム。
14. 前記サンプリングメカニズムは、前記アナログビデオ信号を、第１のレートでサンプリングし、前記第１のレートとは異なる第２のレートで、前記アナログビデオ信号の少なくとも１つのセグメントのサンプルを伝送する請求項９記載のビデオ受信器。
15. アナログビデオ信号を受信する段階と、
    前記アナログビデオ信号内にある画像コンテンツにおける空間周波数に基づいて、前記アナログビデオ信号のセグメントに対し変調された可変サンプリングレートを用いて前記アナログビデオ信号をサンプリングする段階と、
    を有するダイナミックサンプリング方法。
16. 第１のサンプリングレートは、第１の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号の第１のセグメントに用いられ、
    前記第１のサンプリングレートより大きい第２のサンプリングレートは、前記第１の最高空間周波数より大きい第２の最高空間周波数を有するコンテンツを有する前記アナログビデオ信号のセグメントに用いられる請求項１５記載の方法。
17. 複数のアナログフィルタのそれぞれにおいて前記アナログビデオ信号を受信する段階と、
    対応するアナログフィルタに接続し、該対応するアナログフィルタに基づいた設定を有するアナログ−デジタル変換器を用いて各アナログフィルタの出力をサンプリングする段階と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対し前記アナログ−デジタル変換器のうちの１つの出力を選択し、前記選択された出力を合成する段階と、
    を有する請求項１６記載の方法。
18. 前記アナログビデオ信号を、固定レートでサンプリングする１つのアナログ−デジタル変換器において前記アナログビデオ信号を受信する段階と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対するサンプリングレートを選択するために前記変換器からのサンプルを解析する段階と、
    前記対応する選択されるサンプリングレートに基づいて、前記アナログビデオ信号の各セグメントに対し前記変換器からのサンプルを維持する段階と、
    を有する請求項１６記載の方法。
19. 前記アナログビデオ信号を、前記アナログビデオ信号内にあるコンテンツにおける関心の全ての空間周波数を検出するのに十分な固定レートでサンプリングする第１のアナログ−デジタル変換器において前記アナログビデオ信号を受信する段階と、
    前記アナログビデオ信号を、可変レートでサンプリングする第２のアナログ−デジタル変換器において前記アナログビデオ信号を受信する段階と、
    前記アナログビデオ信号の各セグメントに対するサンプリングレートを選択するよう前記第１の変換器からのサンプルを解析し、前記第２の変換器のサンプリングレートを調節する段階と、
    を有する請求項１６記載の方法。
20. 前記アナログビデオ信号の各セグメントに対する前記サンプリングレートは、前記アナログビデオ信号の対応するセグメントにあるコンテンツにおける最高空間周波数の少なくとも２倍である請求項１６記載の方法。

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