JP3904115B2 - デジタル圧縮高精細度テレビジョンビットストリームを標準高精細度テレビジョンビットストリームにトランスコードする方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、データをあるフォーマット(または仕様)から他のフォーマットに変換するために、デジタル圧縮された符号化データ(例えばビット情報)を処理する方法および装置に関するものである。このような方法は、デジタルトランスコーディングと称され、このような機能を有する装置を、デジタルトランスコーダと称する。
発明の背景
IOS(International Standardization Organization)のMPEG(Moving PictureExpert Group)によって開発されたデジタルビデオ圧縮標準規格は、地上放送、電気通信およびケーブルのような広範囲のメディアに亘るデジタルビデオプログラムの配信における主技術となりつつある。ほとんどの場合MPEGによって推奨された標準規格と同様の、または標準規格と両立し得るデジタルHDTV(高精細度テレビジョン)標準規格は、北米およびヨーロッパにおける地上HDTV送信に用いられている。また、同様の技術を用いて、ケーブル、電話、光ファイバー、衛星およびISDN回線網によるHDTVおよび標準精細度テレビジョン(SDTV)が提供されている。
米国特許第 5,243,428号公報には、MPEG標準規格並びにそのブロックおよびフレーム符号化プロトコルが記載されている。この米国特許の内容は、この出願の内容に含まれる。フレーム間/フレーム内およびMPEGのようなビデオ符号化の関するさらに他の詳細も、次の文献にも記載されている。なお、これら文献の内容は、この出願の内容に含まれる。
“MPEG:マルチメディア用ビデオ圧縮標準規格”;
Le Gall,ACMの通信、第34巻、第4号、1991年4月
“高機能デジタル通信”;
Feher,Prentice-Hall Inc.,Englewood Cliffs, N.J. (1987)
“デジタル同時放送AD-HDTV符号化システム”;
IEEEトランザクション・オン・コンシューマ・エレクトロニクス第38巻、第4号、1992年11月
“動画及び関連オーディオの情報技術汎用符号化”;
ISO/IEC コミッティ ドラフト、1993年11月
“テストモデル5,ドラフトテストモデルエディティングコミッティ”;
ISO/IEC,1993年4月
SDTVは、ここではデジタル符号化テレビジョン信号と称され、この信号は通常の(例えばNTSCまたはPAL)型のテレビジョン画像に対する総合フォーマットおよび解像度において匹敵し得るテレビジョン画像を発生することができる。HDTV源の信号を通常のテレビジョンチャネル帯域幅(例えば、6MHz)に符号化する技術を用いることによって、各チャネルに単一のSDTVプログラムの代わりに数個のSDTVプログラムを与えることができる。
HDTVの導入は、完全なHDTV源信号を再生し得る受像機が大部分の視聴者により得られる前に、おそらく始まるであろう。従ってHDTV信号をSDTV信号に変換する(即ち、これら信号をトランスコードする)必要があり、その結果これら信号はさらに処理されて、標準精細度ビデオ信号を復号化し表示し得る通常の(例えばNTSC)テレビジョン受像機で表示することができる。
デジタルトランスコーダは伝送チェーンの中間段に、またはヘッドエンドあるいは回線交換機のような電気通信回線の部分として配置することができる。現在想像されているように、トランスコーダは中央位置から衛星または他の回線通信リンクを経てHDTV信号を受信し、各HDTV信号から1つ以上のSDTV信号をトランスコードする。次いで、これらHDTV信号およびSDTV信号の双方は、家庭に伝送される。
トランスコーダは、最初、HDTV信号およびSDTV信号の双方に対し提供すべきチャネルを必要とする伝送チェーンに配置されるが、低価格の集積回路が容易に入手可能となり、トランスコーダを視聴者の家庭に移すことができるようになった。受信チェーンにトランスコーダを設ける利点は、(SDTV信号と同時放送するよりも)実際にはHDTV信号のみを伝送でき、SDTV信号が占めるチャネルを他の用途に利用することができることである。
現在、HDTVからSDTVへのトランスコーティングは、HDTV信号を完全に復号化して高精細度画像シーケンス(“HD画像シーケンス”)を形成することにより達成される。次に、HD画像シーケンスをフィルタリングし、サブサンプリングして低精細度画像シーケンス(“SD画像シーケンス”)を導出する。次にSD画像シーケンスを処理して、SDマクロブロック情報、例えばマクロブロック型情報、動きベクトル情報および量子化器情報を、符号化するために演算する。しかし、ほとんどの放送品質ビデオシステムの場合のように、完全な符号化器は高価であり、従って実際には受信(または送信)チェーンに用いるように設計された価格的に有利なトランスコーダに設けるのは困難である。
発明の概要
本発明の目的は、SDシーケンスからSDマクロブロック情報を演算することなく価格的に有利なトランスコーディングを行う方法および装置を提供することにある。
本発明はHDTV信号、例えば画像型情報、マクロブロック型情報、動きベクトル情報および量子化器情報の符号化されたマクロブロックに好適なHD画像シーケンスおよびHDマクロブロック情報を復号化する方法および装置であって;
HD画像シーケンスをフィルタ処理し且つサブサンプリングしてSD画像シーケンスを得;
HDマクロブロック情報を用いて併置SDマクロブロックの符号化に必要な対応するSDマクロブロック情報(例えば画像型情報、マクロブロック型情報、動きベクトル情報および量子化器情報)を直接に導出するようにしたことを特徴とする。
HDマクロブロック情報を直接処理してSDマクロブロック情報を導出することによって、本発明は、SDマクロブロック情報を導出するためにSD画像シーケンスを完全に解析する必要性を排除する。このことは、SD符号処理および装置を簡単化する。その理由は、従来の方法の場合よりもメモリを充分小さくし、且つ計算の複雑性を充分少なくし、従って受信チェーンで効果的に実現し得るからである。
本願発明で説明する好適な実施例は、圧縮HDTV信号を圧縮SDTV信号にトランスコードすることに関する。一般に、同一の技術を適用して、任意の高い精細度およびビット速度ビットストリームから低い精細度およびビット速度ビットストリームへのトランスコードすることができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明によって、HDビットストリームから復号化されたHDマクロブロック情報を用いて、SDマクロブロック情報を直接に導出することにより、圧縮HD(高精細度)ビデオデータビットストリームを、圧縮SD(低、例えば“標準”精細度)データビットストリームにトランスコードする。ここに云う“直接に”とは、SDマクロブロック情報をその対応するSD画像シーケンスから演算することなく、HDマクロブロック情報からSDマクロブロック情報を導出することを意味する。
ここに提示されている参考文献には例えばMPEGデジタルビデオプロトコル、並びにHDおよびSDデジタル信号処理の双方を行うために用いられる符号器および復号器が記載されている。従ってデジタル圧縮および符号化/復号化処理並びの装置の作動の詳細はここでは詳細に説明しない。
HDデータビットストリームによって、3種類の符号化画像の形式に関連する符号化情報(例えば、係数、量子化スケーリング情報および動きベクトル)を与える。これら3種類の符号化画像とは、I(フレーム内)符号化画像、P(順方向予測フレーム間)符号化画像、およびB(双方向予測フレーム間)符号化画像である。各P画像は、順方向に予測されたまたは個別のフレーム内符号化マクロブロックを含むことができる。各B画像は、順方向に予測された、双方向に予測された、またはフレーム内符号化されたマクロブロックを含むことができる。各I画像は、I符号化されたマクロブロックのみを含むことができる。HDデータビットストリームを復号化して、画素(例えば16×16画素)の最初に符号化されたHDマクロブロックを再生する。次に、これらのマクロブロックをさらに処理して、HD画像シーケンスを形成する。トランスコーダの好適な例を説明する図1に示すように、HD情報およびHD画像シーケンスをHD復号器10で導出する。次に、このHD画像シーケンスをフィルタリングし、且つサブサンプラー20でサブサンプルリングしてSD画像シーケンスを形成し、これを部分SD符号器40に供給する。
SDマクロブロック情報を演算するためにSD画像シーケンスをさらに処理する従来例の場合と相違して、本発明によれば、HDマクロブロック情報からSDマクロブロック情報を直接に導出して、サブサンプラー20により供給されたSD画像シーケンスを、部分DSD符号器40内でSD符号化データビットストリームに符号化する。
HDマクロブロック情報は、各々が4つの“併置”HDマクロブロックより成る各群に対してモード情報を含み、モード情報をモード選択プロセッサ50に供給する。このモード情報は、次のものを含む:
a)群のマクロブロックの各々に対して用いられる予測の種類、予測の種類は、順方向に予測された、双方向に予測された、またはフレーム内符号化された、即ち、予測(フレーム内)されていないことを含む。フィールド予測またはフレーム予測を用いるか否か。;
b)各マクロブロックが量子化器スケール情報を含むか否か。;
c)各マクロブロックが残留係数データを含むか否か、および残留係数データを含む場合には、それがフィールドDCT符号化されたものであるかまたはフレームDCT符号化されたものであるか。;
d)各マクロブロックが動き情報を含むか否か。
ここに云う“併置マクロブロック”とは、SD画像の対応するSDマクロブロックを形成すべきHD画像の部分を形成するHDマクロブロックの群を意味するものとする。併置HDマクロブロックとSDマクロブロックとの間の関係を図2に示す。
SD画像内の位置x,yに位置する各SDマクロブロックと、HD画像内の位置X,Yに位置する(大きさSx,Syの)HD画像の対応する部分との間の関係を、式X=R*x,Y=R*yおよびSx=Sy=16*Rで表わし、ここにRは各ディメンション(xおよびy)のスケールファクタに等しい。この説明を行うために、HD画像およびSD画像のアスペクト比が同一であり、R=2であるものとする。従って1つのSDマクロブロック(mb1)は、4つのHDマクロブロック(MB1,MB2,MB3およびMB4)に相当する。
トランスコーディング処理により形成されるSD画像が、異なるアスペクト比、例えば4×3を有する場合には、サイドパネルを用いてHDビデオ領域を選択し、同一のアスペクト比を保持することができる。SDの各マクロブロックに対しては、これをHDの対応する領域にマッピングすることができる。この領域によって完全にまたは部分的にカバーされるHDマクロブロックの全ては、特定のSDマクロブロックの併置マクロブロックとして用いられる。
また、HD復号器10は、次の情報を与える。即ち、
a)バッファ制御兼適応量子化器30に対し、各マクロブロックの符号化に用いられるビットの数;
b)バッファ制御兼適応量子化器30に対する、各マクロブロックの量子化情報(qHD);および
c)動き推定プロセッサ60に対する、各マクロブロックの動きベクトル情報;である。
個別のマクロブロックに関する上記情報の他に、HD復号器10によってトランスコーダのモジュール20,30,50および60に対し各HDマクロブロックが(例えばI,PまたはB)の一部分となる画像の形式に関する情報を与える。
各々が4つの16×16画素SDマクロブロックより成る各群を用いて、併置16×16画素HDマクロブロックを導出する。
各SDマクロブロックのマクロブロックタイプは、モード選択プロセッサ50で併置HDマクロブロックからのモード情報に基づいて定められる。
マクロブロックのモード関係は、次に示す一般項で表わすことができる。
t(mb1)=G[T1(MB1),T2(MB2),T3(MB3),・・・,Tn(MBn)]
ここにGは関数または演算、nは併置HDマクロブロックの総数、tはSDマクロブロックmb1に割当てるべきモード、およびT1〜Tnは併置マクロブロックの各モードである。
SDマクロブロックモードは、例えば、HDマクロブロックMB1〜MBnの群の各HDマクロブロックの各マクロブロックモードを定めるとともに、何れのモードが上記群内で最も頻繁に用いられるかを定めるために各特定のモードを用いる回数を計数し続けるプロセスGによって定めることができる。次に、HDマクロブロックの群で最も頻繁に用いられるモードを、SDマクロブロックmb1に割当てる。同様に、併置マクロブロックMB1〜MBnの各々のうちの残留データを符号化するために最も頻繁に用いられるDCT符号化の種類を用いてSDマクロブロックmb1に用いるべきDCT符号化の種類を定める。
複数を表わすモードが存在しない場合には(即ち、“等しい(tie)”の場合には)、テーブルIの優先リストを適用して特定のSDマクロブロックに対する予測の種類を定めることができる。
テーブルIは、SDビデオに対する総合符号化性能を最大とするための発見的方法に基づいている。
各HD画像に対して、対応するSD画像が同一の画像の形式(I,PまたはB)を有する。テーブルIは、画像の形式に従って編成される。SDマクロブロックに割当てられ得る可能なマクロブロックカテゴリを欄の最上部に最高の優先度、欄の最下部に最低の優先度でリストされる。テーブルIの使用を、次の例により示すことができる。
HD併置マクロブロックがP画像の一部分である場合には、対応するSDマクロブロックをP画像(ヘッドPの欄)に対して求める。2つのフレーム内符号化併置マクロブロックと2つのフィールド予測マクロブロックとの間が“等しい(tie)”場合には、SDマクロブロックはフレーム内符号化されるであろう。その理由は、HDマクロブロックの2つのカテゴリのうち、クレーム内が最高となるからである。
各画像の形式に対し、DCT符号化タイプ(即ち、フレームまたはフィールドに基づく)も、定められる。“等しい(tie)”場合には、フィールドDCTがSDマクロブロックに対して選択される。
SDマクロブロックを選択した後、SDマクロブロックの動きベクトルを定めることができる。動き補償は、SD符号器40の各SDマクロブロックに対して、そのSDマクロブロックモードおよびその動きベクトルに基づいて常時行われる。導出された各SDマクロブロックタイプとともに、HDマクロブロックの各群に対する動きベクトルを用いて、併置SDマクロブロックに対してベクトルを定める。
フレーム内SDマクロブロックに対しては、動きベクトルを用いない。順方向に予測されたマクロブロックに対しては、mb1の順方向フレームまたはフィールド動きベクトルは、図3に示すように、且つ後に一層詳細に説明するように、HDマクロブロックMB1〜MB4に対する順方向フレームおよびフィールド動きベクトルの関数である。mb1の逆方向フレームまたはフィールド動きベクトルはHDマクロブロックMB1〜MB4に対する逆方向フレームおよびフィールド動きベクトルの関数である。SDマクロブロックmb1の動きベクトルの初期推定が定められると、これら動きベクトルのオフセットを有する追加の動き推定を更に詳細に行うことができる。
動き補償は、SD符号器40により行って、残部を再演算する。
SDマクロブロックmb1に初期動きベクトルは、以下に説明する方法によって、HD復号器10により供給されるHD動きベクトルを用いる動き推定プロセッサ60で推定する。
SDマクロブロックmb1の動きベクトルの初期推定は、例えば各方向(順方向/逆方向)におけるHDマクロブロックMB1〜MBnの動きベクトルの平均値をRで除算することにより定めることができる。換言すれば、HDマクロブロックMB1からMBnまで、その構成(フィールド/フレーム)に関係なく、同一方向(順方向/逆方向)に属する動きベクトルを平均化する必要がある。
初期動きベクトルの所望の推定がフレームに基づくものである場合には、全てのHDフィールド動きベクトルは、動き推定プロセッサ60において、平均化処理前に各フィールド動きベクトルの垂直成分を1/2とすることによって、対応するHDフレーム動きベクトルに変換する。初期動きベクトルの所望の推定がフィールドに基づくものである場合には、全てのフレーム動きベクトルは、平均化処理前に、これらフレーム動きベクトルの垂直成分を2倍とすることによって、対応するフィールド動きベクトルに変換する。
各群の併置マクロブロックは動きベクトルの種類および値が異なる場合があるため、これらHD動きベクトルから直接に導出した併置SDマクロブロックの初期動きベクトルは極めて正確なものとはなり得ず、従って追加の動き推定を必要とする。併置HD動きベクトルから良好な初期推定を行う場合には、必要な動きベクトルの量は完全なSD符号器が必要とする動きベクトルよりも著しく少ない。
バーストな(圧縮)データを一定の速度で伝送させるには、符号器および復号器にバッファを必要とする。1つの符号器バッファおよび多数の復号器バッファ(情報は符号器から復号器に向かって一方向にのみ伝送される)を必要とする放送シナリオを考察する。符号器によって、復号器のバッファの何れもがオーバーフローまたはアンダーフローしないようにする。符号器がビデオバッファ状態信号(vbv_delay)を発生させることにより、MPEGはこの問題に対処する。符号器によって、そのバッファが現在の画像の復号化の状態以前とする状態を復号器を知らせるために、画像(フレームとも称する)毎のvbv_delayを伝送する。
トランスコーダがHDビットストリームからSDビットストリームを発生するので、SDビットストリームがSD復号器におけるビデオバッファ制御を必要とすることにより課せられる制約を満足し得るようにする必要がある。換言すれば、SDビットストリームに対しビット速度およびバッファの大きさが変化するため、HDビットストリーム(HDvbv_delay)のビデオバッファ制御情報は、トランスコードされたSDビットストリーム(SDvbv delay)に対するビデオバッファ制御情報に修正する必要がある。これは次に示すようにバッファ制御兼適応量子化器30で行なわれる。
HD符号器によってビデオバッファ条件が前記文献に示すようにHDvbv delay信号を供給することにより満足となるようにする。数学的にはHDビデオバッファ制御情報の要件は次式で表わされる。
0<OHD<BHD
ここにOHDはフレーム復号化直前および直後にHD符号器に結合された仮想復号器のビデオバッファの占有度であり、BHDはバッファのサイズである。
同様に、SDビデオバッファ制御情報の対応する要件は、次式で表わされる。
0<OSD<BSD
ここにOSDはフレーム復号化直前および直後にSD符号器に結合された仮想復号器のビデオバッファの占有度であり、BSDはバッファのサイズである。この要件は、バッファ制御器を具えるトランスコーダのバッファ制御兼適応量子化器30を用いることにより満足させることができる。これは、バッファ占有度とバッファサイズとの間の関係が真であるならば、OSDへの制限が下記に示されるようになると云う事実を利用している。
OSD=(BSD/BHD)OHD
バッファ制御兼適応量子化器30は、各HDマクロブロックの符号化に用いられるビット数を受けて、次式を用いて各HD画像の符号化に用いられるビット数を計算する。
BITS_SDi=(BSD/BHD)BITS_HDi
ここにBITS_SDiは対応するSD画像iの符号化に用いる必要のあるビットの推定数であり、BITS_HDiは対応するHD画像iの符号化に用いられるビットの実際の数である。
このことは、バッファ占有度に対する制御が厳しいことを要求することに留意すべきである。換言すれば、画像当たりの実際の符号化ビットは、目標ビットの推定数に近くなければならない。
BITS_SDiを現在のSD画像に対して計算した後、BITS_SDiを得るSD画像に対する平均量子化器スケール(QiSD)を、次のようにバッファ制御兼適応量子化器30で計算する。
SD画像(Ci)の複雑性は次式により表わされる。
Ci=BITS_SDi*QiSD
同様に、前のSD画像の複雑性も次式により表わされる。
Ci-1=BITS_Sdi-1*Qi-1SD
画像から画像へ品質の連続性を実現するためには、CiをCi−1に等しくする必要がある。従って、推定平均量子化器のステップサイズを解くために次式を得る:
QiSD=(BITS_SDi-1*Qi-1SD)/BITS_SDi
併置HD画像のHDマクロブロックの各々に対する量子化器のステップサイズ値(qHD)は、バッファ制御兼適応量子化器30に対するHD復号器10によって与えられる。現在のHD画像に対する平均量子化器スケールQHDを与えるために、バッファ制御兼適応量子化器30によってHD画像に対するqHD値の平均値を計算する。また、バッファ制御兼適応量子化器30によって値QiSDをも計算する。その理由は、値Qi−1SDおよびBITS_SDi-1がそのバッファに保持されているからである。トランスコーティング処理の始めでは、値Qi−1SDの第1値が得られる前に、値QHSを値Qi−1SDの代わりに用いることができる。
SD画像を符号化するために利用できるビットは、SD画像の符号化に用いられるビットの数を増大することなくその実質的な品質を増大するように割当てる必要がある。これは、雑音に敏感な領域(例えば、平坦で低いアクティビティ領域)を微細に量子化しながら、複雑な画像の領域(見えにくい)における大きな歪を許容することによって実現される。マクロブロックに透起された歪みを求めるとともにこれにより発生するビットの数を求める各SDマクロブロックに対する量子化ステップサイズqSDは、次の3つのファクタ:(1)推定平均量子化器ステップサイズQSD、(2)バッファ状態OSiSD(これは、バッファ制御兼適応量子化器30のバッファの現在の占有度を読取ることによって得られる、および(3)そのSD画像の他のマクロブロックに対する各SDマクロブロックの相対的複雑性からバッファ制御兼適応量子化器30によって計算する。この量子化ステップサイズqSDは次式で表わされる。
qSD=(Qi,OSDi,cj)
ここにマクロブロックの平均的な複雑性cjは、次式で示すようにHD符号化ビットストリームから得られた以下の量の関数である。
Cj=f(qHD1, qHD2, qHD3, qHD4,・・・, qHDn;b1,b2,b3,b4,・・・,bn)
ここに、bは各HDマクロブロックのビットの数である。例えば、cj=次の積のうちから得た最小値:(b1qHD1);(b2qHD2);(b3qHD3);(b4qHD4)
上述した手順の根拠は、雑音に最も敏感なHDマクロブロックに基づくSDマクロブロックを符号化することにより、“最悪の”場合を処理することである。同一の量子化ステップに対し、少数のビットが、より低いアクティブティ、従って雑音に最も敏感であることを意味する。
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形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明を実現するトランスコーダの好適な例を示すブロック図、
図2は、併置HDマクロブロックとSDマクロブロックとの間の関係を示す説明図、
図3は、併置HDマクロブロック動きベクトルとSDマクロブロック動きベクトルとの間の関係を示す説明図である。
Claims (14)
- 第1のデータビットストリームを、第2のデータビットストリームにトランスコードする方法であって、
a)前記第1のデータビットストリームから、第1の解像度を有する第1の画像シーケンスを復号化するステップと、
b)前記第1のデータビットストリームの第1のマクロブロックのマクロブロックパラメータ表すマクロブロック情報を導出するステップと、
c)前記第1の画像シーケンスから、前記第1の解像度よりも低い第2の解像度を有する第2の画像シーケンスを有する第2の画像シーケンスを導出するステップと、
d)前記第2の画像シーケンスおよび前記マクロブロック情報から第2のデータビットストリームを符号化するステップとを含み、
前記第2のデータビットストリームは、前記第1のマクロブロックのマクロブロック情報から導出された第2のマクロブロック情報を含む方法。 - 前記第1および第2のデータビットストリームの両方は、MPEGフォーマットされている請求項1に記載の方法。
- 前記マクロブロック情報は、予測情報を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記マクロブロック情報は、量子化器スケール情報を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記マクロブロック情報は、動き情報を含む、請求項1の記載の方法。
- 前記マクロブロック情報は、変換係数情報を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記マクロブロック情報は、動き情報,予測情報,量子化器情報,変換係数情報を含む、請求項1に記載の方法。
- 第1のデータビットストリームを、第2のデータビットストリームにトランスコードする装置であって、
a)前記第1のデータビットストリームから、第1の解像度を有する第1の画像シーケンスを復号化する復号器と、
b)前記第1のデータビットストリームの第1のマクロブロックのマクロブロックパラメータ表すマクロブロック情報を導出する少なくとも1個のプロセッサと、
c)前記第1の画像シーケンスから、前記第1の解像度よりも低い第2の解像度を有する第2の画像シーケンスを有する第2の画像シーケンスを導出するサンプラーと、
d)前記第2の画像シーケンスおよび前記マクロブロック情報から第2のデータビットストリームを符号化する符号器とを具え、
前記第2のデータビットストリームは、前記第1のマクロブロックのマクロブロック情報から導出された第2のマクロブロック情報を含むトランスコーダ装置。 - 前記第1および第2のデータビットストリームの両方は、MPEGフォーマットされている請求項8に記載のトランスコーダ装置。
- 前記マクロブロック情報は、予測情報を含む、請求項8に記載のトランスコーダ装置。
- 前記マクロブロック情報は、量子化器スケール情報を含む、請求項8に記載のトランスコーダ装置。
- 前記マクロブロック情報は、動き情報を含む、請求項8に記載のトランスコーダ装置。
- 前記マクロブロック情報は、変換係数情報を含む、請求項8に記載のトランスコーダ装置。
- 前記マクロブロック情報は、動き情報,予測情報,量子化器情報,変換係数情報を含む、請求項8に記載のトランスコーダ装置。
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