JP2791822B2 - 高精細度テレビジョン信号のデジタル処理方法および装置 - Google Patents

高精細度テレビジョン信号のデジタル処理方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多重チャネル高精細度テレビジョン（HDTV）
信号発生システムの１部分として拡張信号の成分をデジ
タル的に処理する方法および装置に関するものである。
（従来の技術） かかるシステムは米国特許第4,694,338号明細書に記
載されている。かかるシステムでは、例えば、16:9のア
スペクト比および525本の順次に走査された、即ち、105
0本で2:1のインターレースライン構体を有するHDTV信号
源の信号を２つの信号に分割している。従来のテレビジ
ョン信号、例えば、標準放送受像機に受信し得るNTSC符
号化された信号を第２の伝送媒体、例えば、第２テレビ
ジョンチャネルまたはその１部分に伝送する。従って、
高精細度テレビジョン受像機を用いて、これら両信号を
受信し、高精細度テレビジョン表示を行うことができ
る。
（発明が解決しようとする課題） 上述した米国特許には、アナログ拡張信号構造を用い
るシステムが記載されている。例えば、米国特許出願第
239,096号および第239,148号（双方とも1988年８月31日
に出願）に記載のシステムには、標準6MHzの幅の広いNT
SCチャネルおよび3MHz幅の拡張チャネルを用い、これら
を現在割り当てられていないテレビジョンチャネルで伝
送する例が記載されている。しかし、地球上の現用チャ
ネル容量はテレビジョン伝送に現在制限されているいわ
ゆる“タブー”チャネルである。しかるに、かかるチャ
ネルで拡張信号を伝送するに必要な電力量は有効に減少
され、実際上これら“タブー”チャネルが使用され始め
てきた。
本発明は、拡張信号成分を圧縮してこれらがもたらす
情報を、QPSK（直交位相シフトキーイング）のようなデ
ジタル伝送手段を用いて、例えば3MHzの広さの帯域幅の
狭いRFチャネルで、伝送し得るようにしたデジタル処理
方法および装置を提供するものである。これにより、拡
張チャネルで伝送される電力を充分に減少させ、次いで
同一の周波数帯域を用いる他のチャネルに対する干渉量
を低減することができる。拡張信号をデジタル伝送する
ことにより、低減電力を用いることができるとともに種
々の既知のエラー検出／補正手段の利点を得ることがで
きるため、良品質の信号を取出すことができる。
しかし、デジタル伝送の主な欠点は、伝送帯域幅を増
大させる必要があることである。帯域幅を増大させるた
めには、広い帯域幅のチャネルを必要とするか、また
は、データの圧縮を行って、必要な帯域幅を減少させる
必要がある。
本発明の目的は後者の解決策に基づきエンハンスメン
ト信号を符号化せんとするにある。
（課題を解決するための手段） 本発明方法は、複数の信号成分より成る高精細度テレ
ビジョン信号源から高精製度信号成分を取出し、これら
信号成分をデジタル化して複数のデジタル化された信号
成分を形成し、個別のデジタル化された信号成分に最適
のコーダにこれらデジタル化された信号成分の各々を圧
縮導入し、コーダの各々が余弦変換処理および可変長さ
符号化処理を用いて対応する信号成分を圧縮することを
特徴とする。
また、本発明は、複数の信号成分より成る高精製度テ
レビジョン信号をディジタル処理する装置において、高
精製度テレビジョン信号源から高精製度信号成分を取出
す手段と、この信号成分取出し手段に結合され、これら
信号成分をデジタル化して複数のデジタル化された信号
成分を形成するデジタル化手段と、このデジタル化手段
に結合され、個別のデジタル化された信号成分に最適な
ようにこれらデジタル化された信号成分の各々を圧縮す
る符号化手段とを有し、符号化手段の各々が余弦変換処
理および可変長長さ符号化処理を用いて対応する信号成
分を圧縮することを特徴とする。
画像符号化区域においてリサーチを広範囲に行うこと
によって２次元（２−Ｄ）離散ブロック余弦変換（DC
T）符号化は、実際にハードウエアを実現しながら他の
符号化技術に比べて興味ある性能を有することを示して
いる。しかし、これらの調査は標準全帯域の信号を伝統
的に処理するものである。ここに用いられる圧縮手段
は、C.Remus（LEPフィリップス、フランス）の著書“TV
画像の適応フレーム内／フレーム間DCT符号化"1988年６
月に記載されたものの変形例であるとともに、全帯域２
次元信号（正規の画像）に対し、VLCを有する２次元DCT
の実現W.ChenおよびW.K.Prattによる論文“景色適応コ
ーダ”（IEEEトランザクションオンコミュニケーショ
ン、1984年３月）により紹介されている。これらの研究
の結果は部分的に高い周波数内容のみを有する拡張信号
の符号化に容易に拡張することができない。
例えば、1989年８月13日に出願された米国特許出願第
84,968号に記載されているようなHDNTSCエンコーダと、
1987年９月15日に発行された米国特許第4,694,338号最
初に記載されたエンコーダとを用いて取出され、例え
ば、輝度パネル信号YPと、２つのクロミナンスパネル信
号（IPおよびQP）と、高周波輝度信号YHと、ライン差信
号LDとを具える拡張信号成分は、本発明により処理され
る信号である。本発明によればこれら拡張信号成分を取
出し、サンプリング化し、例えば８ビット／画素デジタ
ル信号に変換する。次いで、これらデジタル信号の各々
を個別のコーダに供給し、これにより元の信号成分を再
構成するに必要なビット／画素の数を減少し得るように
する。この圧縮は量子化および冗長度の除去によって行
う。量子化を行うことは、或る情報を除去することを意
味する。圧縮手段はVLC（可変長さ符号化）と組合わせ
てDCT（離散余弦変換）を用いることに依存し、かつ、
各拡張信号成分は独特の特性に適応するそれ自体のコー
ダを有する。
（実施例） 図面につき本発明の実施例を説明する。
第１図は高精細度テレビジョン信号源の信号の中央部
分およびパネル部分に対し輝度およびクロミナンス信号
成分の導出に用い得るエンコーダの１例を示す。このエ
ンコーダ10の作動および拡張信号の取出しに用いる作動
は前記米国特許第4,694,338号の第４図に完全に記載さ
れている。第１図に示すように、HDTV信号源を処理し
て、３チャネルデマルチプレクサ32の出力18、20および
22によって、HDTV信号源の中央部分に対し、輝度信号成
分（YC）および２つのクロミナンス信号成分、例えば、
QCおよびICをそれぞれ発生する。この中央部分は画像情
報を示し、この画像情報は前記米国特許第4,694,338号
に記載されているように、NTSC符号化され、１つの標準
テレビジョンチャネルに伝送される。３チャネルデマル
チプレクサ32の出力12、14および16によって、HDTV信号
源の信号から取出したパネルに対しYP、QPおよびIP信号
成分をそれぞれ発生させるようにする。
第２図はバンドパスフィルタ35と相俟ってHDTV信号源
の信号から高周波輝度信号成分YHを取出すために用いる
HDNTSCエンコーダ10を示す。このエンコーダは前記米国
特許出願第84,968号の第2a図として示され、ここには高
精細度テレビジョンシステムの拡張された水平解像度を
提供するシステムが記載されている。YH信号成分36はバ
ンドパスフィルタ（BPF）の出力側に得られる。ライン
差（LD）信号成分は出力端子38に得られる。
本発明の実施例によれば、ほぼ3MHz幅のRFチャネルに
取出した拡張信号の処理および伝送を行う。拡張信号
は、例えば、次の信号成分、即ち、YP、IP、QP、LDおよ
びYHで構成する。前記米国特許出願第84,968号に記載の
アナログ２チャネルシステムアでは、パネルのＩおよび
Ｑ信号は直交変調し、単一クロミナンス信号を発生し、
ここで個別のＩおよびＱ信号成分を拡張信号に対して得
るようにする。
本発明のデジタル圧縮兼伝送手段の１例のフローダイ
アグラムを第３図に示す。信号成分の各々を個別のアナ
ログ−デジタル変換器（A/D）を経て供給し、これによ
り個別の信号成分の帯域幅のほぼ２倍のサンプリング周
波数を用いる。かようにして、サンプル／秒の最低可能
な数を符号化前に得るようにする。アナログ拡張信号成
分YP、QP、IP、LDおよびYHは後に示す表１に示すように
帯域除去する。上述した出願の場合と同様に、本発明に
よる拡張信号はほぼ127μｓで既知であり、“スーパー
ライン”として、これら出願に記載されているライン周
期を用いる。表１は、信号成分の各々に対しメガサンプ
ル／秒の数を計算する手段を示す。サンプリング後、デ
ジタル信号成分の各々を８ビット画素の流れ、即ち、サ
ンプル52の流れに変換する。これがため、信号成分に対
するメガサンプル／秒の発生数は、信号成分QP、IP、LD
およびYHに対し、それぞれ、2.5MS/sec、0.36MS/sec、
0.72MS/sec、2.74MS/secおよび2.46MS/secとなる。従っ
て、デジタル信号成分は個別のコーダ、即ち、コーダ
YP、コーダQP、コーダIP、コーダLDおよびコーダYH53を
経て通過する。従って平均発生圧縮比は、信号成分YP、
IPおよびQPに対し、ほぼ1.0ビット／画素、信号成分LD
に対しほぼ0.2ビット／画素、および信号成分YHに対し
ほぼ0.3ビット／画素であった。これがため、デジタル
信号成分は多重化されて単一ビット流55となる。MS/sec
の前の計算および平均圧縮比に基づき、このビット流は
ほぼ4.91メガビット／秒のビット速度を有する。エラー
保護に対して追加された20％の追加のオーバヘッドに対
してはビット速度は、5.89Mb/secであった。信号成分お
よび合成信号の各々に対するビット速度の計算を後に示
す表２に示す。この表２の縦欄“符号加速度”には信号
成分の各々に対するシステムの動作速度を示す。この制
約は各コーダに課すものとする。
従来のエラー保護／補償方法はマルチプレクサ56を用
いて変調および伝送前にビット流を処理して伝送チャネ
ル媒体における雑音の影響を除去し得るようにする。こ
のビット流は例えば２ビット／秒/HzQPSK伝送手段58を
用いる3MHz幅のRFチャネルで伝送することができる。
受信端では、QPSKビット流を受信してQPSK復調器60で
復調し、使用する任意のエラー保護／補償方法によりエ
ラー補償手段62で補償する。次いで、復調されたビット
流を個別の圧縮されたデジタル拡張信号成分YP、QP、
IP、LDおよびYH64にデマルチプレクシングする。次に、
これら圧縮された信号はその各々をデコーダ66に通過さ
せて復号する。再生されたデジタル拡張信号成分はアナ
ログ形状に逆変換し、２チャネル復号器68に供給する。
この復号器は例えば前記米国特許出願第84,968号に記載
されているものと同様のものとする。
パネル情報、即ち、YP、QPまたはIPに対するコーダの
一例のブロック図を第4a図に示す。２つの連続フィール
ドからのパネルを合成して１つのパネルフレームを形成
する。特に、偶数フィールドの偶数ラインは奇数フィー
ルドの奇数ラインに対しインターリーブする。この結果
の合成信号はパネルの１フレームとしてパネルエンコー
ダ53aの入力端子100に供給する。各フレームは等しい大
きさＮ（ここにＮ＝16）の個別のブロックに区別けし、
２次元離散余弦変換手段110を用いて各ブロックに対し
２次元（２−Ｄ）離散余弦変換（DCT）処理を個別に独
立して施す。
コーダ53aは１ブロック単位で作動し、各ブロックに
対し同一の一連の符号化処理を行う。これがため、その
作動１ブロックに対してのみｘ（i,j）で表わす。ここ
では１フレームのブロックを左から右に、かつ、上かつ
下に（即ち、ラスタ走査フォーマットと同様に）インデ
ックスし、このインデックスを次のフレームに対しても
同様に継続する。２−D DCT変換処理後、平均グレイレ
ベル、またはブロックの輝度を表わすdc係数Ｘ（0,0）
を、例えば、９−ビット量子化器112（簡単なフロート
対整数丸め作動）を用いて個別に量子化し、この量子化
器の出力をマルチプレクサ115に供給する。係数Ｘ（u,
v）ここに｛u,v＝0,1,…,N,N−1;（u,v）≠（0,0）｝、
を後述するように個別に処理する。次いで、ブロックの
ディテール（例えばエッジ内容）の量を表わす各ブロッ
クの活性度を、ブロック分類手段114を用い、次式に従
って計算し、分類する。
Ａ（m,n）＝max|X（u,v）｜ （u,v）≠（0,0） u,v＝｛0,1,…,N−１｝ ここにＡ（m,n）はブロック（m,n）の活性度を示す。そ
の後次式に示す固定の判定レベル組を用いて、上記ブロ
ックをＫ＝４の活性度分類の１つに割当てる。
τ０＝０＜τ１＝10＜τ２＝25＜τ３＝50＜τ４＝25
5即ち、τK-1≦Ａ（m,n）＜τＫの場合に，ブロック
（m,n）をクラスＫに割当てる。ブロックの割当てられ
たクラスは情報の２ビット（log24）を独自に識別し得
るようにする必要がある。次いで、割当てられたクラス
および正規化ファクタ（後に説明する）を用いて分類お
よび正規化ファクタに好適な１組の重みを選択する。適
宜の重みの選択は重み付け手段116を用いて行う。全部
の係数ｎ＝（ｕ＋ｖ）/2（ここにｎ＝0,1,…,2（Ｎ−
１）に関連する重みは次式に従って計算する。
ωｉ（ｎ）＝ωｉ（ｎ−１）＋［ωｉ（Ｎ−１）］ （ｎ−Ｎ＋１）／（kN） ここにｉはブロック番号または作動状態を示す。これら
重みの計算を第７図のグラフに示す。前述した所から明
らかなように、各係数に割り当てられた重みは、中央係
数または正規化ファクタと称されるとともに、正規化手
段124を用い、次式に従って評価されるωｉ（ｎ−１）
の計算値に依存する。
ωｉ（Ｎ）＝ｆ（ωｉ−１（Ｎ）,bs） ここにｆ（・）は第６図のグラフに示すようにバッファ
状態（bs）を有するピース状直線性関数である。このバ
ッファ状態はバッファ12のビット数とバッファの大きさ
との比で示される。dc係数を除く全部の変換係数を、上
述したように計算された重みにより除算器118で除算
し、次いで量子化器120の簡単なフロート対整数丸め作
動を用いて量子化する。次に、量子化器120の出力
（u,v）は第５図に示す疑似ジグザグ走査パターンを用
いてリオーダ手段122でリオーダ（走査）して、可変流
さコーダ（VLC）128に対する良好な整合が得られるよう
にする。
VLC128は、各々が特定の正規化値ωｉ（Ｎ−１）およ
び活性度クラスｋに対し設計された数個のテーブルで構
成される。この正規化値によって、従来技術で記載され
たような単一コーダにより前に行われた場合よりも良好
な入力系統に対する整合が得られるようにする。次い
で、正規化値およびクラス割当てに基づいて選択された
適当たテーブルを用いてVLC128に対し量子化器の出力
（u,v）を符号化する。VLC128の出力をバッファ126に供
給して伝送に対する更なる準備（チャネルコーディング
および変調）を行い得るようにする。次いでバッファ12
6の状態（bs）を更新し、次のブロックｉ＋１に対する
正規化値を正規化手段124を用いて計算する。バッファ1
26の出力は量子化器112の出力およびブロック分類手段1
14による個別のブロッククラスとともにマルチプレクサ
115で合成し得るようにする。従って、多重化された出
力は変調器117で搬送波に対し変調し、テレビジョンチ
ャネル119の１部分（即ち、3MHz）を経て伝送する。
伝送エラーのない場合には、デコーダ53bによってデ
ジタル信号成分を再生してコーダ53aの入力側に供給
し、量子化による劣化をシステムの作動速度に依存せし
め得るようにする。
第4b図はパネル情報、即ち、YP、QPまたはIPのデコー
ダの１例を示す。チャネル119の情報は復調器121によっ
て復調し、dc係数（0,0）を係数の残部およびデマル
チプレクサ125の個別に割当てられたブロッククラスか
ら分離して逆DCT変換手段123に供給する。逆多重化され
た係数の残部はバッファ130に供給する。バッファ130の
出力は可変長さデコーダ（VLD）132に供給するとともに
バッファ130の状態を用いて正規化手段134によりコーダ
53aに用いられる正規化値を計算する。個別に割当てら
れたブロッククラスはデマルチプレクサ125から重み付
け手段13bに供給する。正規化手段134からの正規化値お
よびデマルチプレクサ125からの割当てブロッククラス1
25aを可変長さデコーダ132に供給し、これにより可変長
さコーダ128で用いられるテーブルを選択し得るように
し、従って、係数（u,v）の値を再生し得るようにす
る。かようにして形成した係数をリオーダ手段132aで処
理し、符号化中に用いられる任意の記録処理を補償し得
るようにする。重み付け手段13bによって、ブロックク
ラスおよび正規化ファクタを用い係数に対しエンコーダ
53aで使用される重みファクタを取出し、次いでこれら
ファクタをマルチプレクサ140で可変長さデコーダ132か
らの処理された係数と合成する。これら係数（u,v）
はdc係数（0,0）とともに２次元離散逆余弦変換手段1
23で逆変換してデコーダ（i,j）の出力を発生し得る
ようにする。
LD成分に対する符号化および復号化手順は第８図およ
び第９図に示すようにパネル成分に対する手順と同様と
する。LD成分の特定の性質のため、離散余弦変換係数に
は重みは存在しない。即ち、全部の係数は同一の正規化
値を用いて正規化する。更に、離散余弦変換領域の（0,
0）係数を係数の残部と同様に処理する。また、LDに用
いられる記録方法を適宜選定してこの信号の統計的な特
性を良好とし、これを第10図に示す。このテスト結果か
ら明らかなように、正規化ファクタの値は通常小さく、
従って、１つのコードブックのみを可変長さコーダに用
いて正規化値を実数とし得るようにする。
YH信号成分に対するエンコーダおよびデコーダの例の
作動を表わすブロックダイアグラムは第11図および第12
図に示す。YH信号成分に対するエンコーダの作動は、第
13図に示すリオーダーリングをYH信号成分の特性に対し
良好となるように選定する点以外はLD信号成分に対する
エンコーダの作動と同様である。上述した例では信号成
分を変換し、正規化し、重み付けし、可変長さエンコー
ディング／デコーディングする手段はハードウエアまた
はコンピュータプログラムを用いて達成することができ
る。従って、当業者は本発明に従って上述した手段を使
用することができる。
本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、
要旨を変更しない範囲内で種々の変更または変更が可能
である。
【図面の簡単な説明】
第１図は米国特許第4,694,338号に記載されているエン
コーダの構成を示す説明図、 第２図は米国特許出願第084,968号に記載されている高
精細度NTSC（HDNTSC）エンコーダの構成を示す説明図、 第３図は本発明デジタル処理兼伝送手段の概念のフロー
ダイアグラムを示す説明図、 第4a図はパネル情報のコーダの１例を示すブロック説明
図、 第4b図はパネル情報のデコーダの１例を示すブロック説
明図、 第５図は処理されたパネル情報のリオーダリングを示す
説明図、 第６図はバッファ調整手順を示す特性説明図、 第７図はパネル情報に対する重みを決める規準を示す特
性説明図、 第８図はLDエンコーダの１例を示す説明図、 第９図はLDデコーダの１例の示す説明図、 第10図はLD情報のリオーダリングを示す説明図、 第11図はYHコーダの１例を示す説明図、 第12図はYHデコーダの１例を示す説明図、 第13図はYH情報のリオーダリングを示す説明図である。 50……２チャネルシステムエンコーダ 52……A/D兼サブサンプリング 53……コーダ 53a……コーダ 55……マルチプレクサ 56……エラー保護手段 58……QPSK変調器 60……QPSK復調器 62……エラー補正器 64……デマルチプレクサ 66……デコーダ 68……２チャネルシステム復号器 110……２次元離散余弦変換手段 112……量子化器 114……ブロック分類手段 115……マルチプレクサ 116、13b……重み付け手段 117、121……復調器 118……除算器 119……チャネル 120……量子化 122、132a……リオーダ手段 123……２次元逆離散余弦変換手段 124、134……正規化手段 125……デマルチプレクサ 126、130……バッファ 128……可変長さコーダ 132……可変長さデコーダ 140……乗算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−84087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−13595（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04N 11/00 - 11/24 H04N 7/24 - 7/68 H04N 7/00 - 7/015

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の信号成分より成る高精細度テレビジ
    ョン（HDTV）信号をデジタル処理するに当たり、 （ａ）高精細度テレビジョン信号源から高精細度信号成
    分を取出し、 （ｂ）これら信号成分をデジタル化して複数のデジタル
    化された信号成分を形成し、 （ｃ）個別のデジタル化された信号成分に最適なコーダ
    に、これらデジタル化された信号成分の各々を圧縮導入
    し、 （ｄ）前記コーダの各々が余弦変換処理および可変長さ
    符号化処理を用いて対応する信号成分を圧縮する、 ことを特徴とする高精細度テレビジョン信号のデジタル
    処理方法。
  2. 【請求項２】前記信号成分は、少なくとも１つの輝度成
    分および少なくとも１つのクロミナンス成分を具えるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の高精細度テレビジョン
    信号のデジタル処理方法。
  3. 【請求項３】複数の信号成分より成る高精細度テレビジ
    ョン（HDTV）信号をデジタル処理する装置において、 （ａ）高精細度テレビジョン信号源から高精細度信号成
    分を取出す手段と、 （ｂ）この信号成分取出し手段に結合され、これら信号
    成分をデジタル化して複数のデジタル化された信号成分
    を形成するデジタル化手段と、 （ｃ）このデジタル化手段に結合され、個別のデジタル
    化された信号成分に最適なようにこれらデジタル化され
    た信号成分の各々を圧縮する符号化手段とを有し、 （ｄ）前記符号化手段の各々が余弦変換処理および可変
    長さ符号化処理を用いて対応する信号成分を圧縮する、 ことを特徴とする高精細度テレビジョン信号のデジタル
    処理装置。
  4. 【請求項４】前記信号成分は、少なくとも１つの輝度成
    分および少なくとも１つのクロミナンス成分を具えるこ
    とを特徴とする請求項３に記載の高精細度テレビジョン
    信号のデジタル処理装置。
  5. 【請求項５】請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法
    もしくは装置を利用するものであって、HDTV信号源の信
    号を通常のテレビジョン信号および増補（拡張）信号に
    分割し、この拡張信号が、前記通常のテレビジョン信号
    と受像機で合成される場合に前記HDTV信号源を再構成す
    るようにしてHDTV信号を送受信するシステムにおいて、 前記拡張信号はデジタル形状にして、前記HDTV信号源か
    ら取出した複数のデジタル信号成分を具えるようにした
    ことを特徴とするHDTV信号送受信システム。
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