JPH0226911B2

JPH0226911B2 -

Info

Publication number: JPH0226911B2
Application number: JP59183817A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tanimoto
Original assignee: NAGOYA DAIGAKU GAKUCHO
Current assignee: NAGOYA DAIGAKU GAKUCHO
Priority date: 1984-09-04
Filing date: 1984-09-04
Publication date: 1990-06-13
Also published as: EP0174056A2; US4675733A; EP0174056B1; DE3583980D1; EP0174056A3; JPS6162286A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、画像信号のアナログ伝送やアナログ
記録に適用できる画像信号帯域圧縮方式に関わる
ものである。

（従来の技術）一般に、画像信号の伝送や記録を行う場合、周
波数の有効利用の点からは、デイジタル方式より
もアナログ方式が有効である。このため、例えば
放送衛星を利用した高品位テレビジヨンの放送も
FM方式で行われる見通しである。高品位テレビ
ジヨン信号の周波数帯域は20MHzもあるため、こ
れをFM伝送するには60MHz程度の周波数帯域を
必要とする。ところが、衛星放送用の周波数帯域
は１チヤンネル当たり27MHzしかないので、高品
位テレビジヨン放送には２チヤンネル以上を必要
とし、不経済である。

高品位テレビジヨン信号の周波数帯域を9MHz
以下、すなわち45％以下に圧縮できれば、１チヤ
ンネルによる伝送が可能となるため、そのような
帯域圧縮技術の開発が強く望まれていた。NHK
により開発され、テレビジヨン学会技術報告、
TEBS 95―２（1984年３月）における二宮、大塚
および和泉による“高品位テレビの衛星１チヤン
ネル伝送方式（MUSE）”と題する文献において
報告されているMUSE方式は、高品位テレビジ
ヨン信号の帯域を8.1MHzに圧縮できるため、衛
星１チヤンネルによる高品位テレビジヨン放送を
可能とする方式として世界的に注目されている
が、これには画像の動いている部分の解像度が低
下するという大きな問題点がある。以下では
MUSE方式を従来方式と呼び第２図を用いてな
ぜそのような問題点が生じるかを説明する。

第２図は従来方式の原理を示すサンプリングパ
ターンである。第２図中の実線は偶数フイールド
の走査線、破線は奇数フイールドの走査線を示
す。ｎを整数とするとき、〇印は4n番目のフイ
ールドのサンプリング点、□印は（4n＋１）番
目のフイールドのサンプリング点、●印は（4n
＋２）番目のフイールドのサンプリング点、■印
は（4n＋３）番目のフイールドのサンプリング
点、×印は伝送されないサンプリング点である。
まず高品位テレビジヨン信号を64.8MHzのサンプ
リング周波数でサンプリングした後、公知の技術
により×印の画素を間引くと画素数が1/2に減少
する。この間引きによる画質低下は、信号の帯域
に比べてもとのサンプリング周波数が十分に高い
こともあつて、殆ど問題とならない。次に、残つ
た画素を第２図に示すように４フイールドに分割
して伝送すると、伝送画素の時間間隔は1/16.2Ｍ
Hzとなるため、8.1MHzの周波数帯域の信号とな
る。このとき、どのフイールドにおいても画素は
一様に更に1/2に間引かれている。受信部では動
き領域の検出を行い、静止領域については、４フ
イールドに分割して伝送した画素をフレームメモ
リで合成して表示するため、十分な解像度の画像
が復元できる。ところが動き領域では、そのフイ
ールドにおいて伝送された画素から不足の画素の
値を推定し、補間して画像を復元するため、精細
な部分を復元できず解像度が低下することとな
る。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来の帯域圧縮方式は、画素を分解
してゆつくり伝送した後、フレームメモリを用い
て合成することによつて画像の復元を行うため、
静止画伝送には都合がよいが、動画の帯域圧縮伝
送装置や録画装置、静止面を記録するスチルビデ
オ等に適用することには問題があつた。

（問題点を解決するための手段）本発明は、静止画像のみならず、従来の技術で
は低い解像度しか得られなかつた動画像について
も、高品質の復元画像が得られる画像信号帯域圧
縮方式を提供することを目的とするものである。

すなわち本発明画像信号帯域圧縮方式は、画像
信号を帯域圧縮伝送するにあたり、送信側では、
画像を構成する画素の全部または所定パターンに
従つてその一部を抽出し、この抽出された画素
を、あらかじめ定められたパターンの位置に位置
し、画像の基本構造を表わし、かつ、前記抽出さ
れた画素の数に対し第１所定割合い数の基本画素
とその他の間引き画素とに分離し、画像の内容に
応じて画像の精細さを補間再生するために、前記
間引き画素より前記間引き画素の数に対し第２所
定割合い数の画素を追加画素としてその画素の位
置情報とともに選択抽出し、前記基本画素と前記
追加画素と前記位置情報とをフイールドまたはフ
レーム毎に再配列区分して送信し、受信側にあつ
ては、伝送されてきた前記位置情報を誤り訂正及
び検出回路に入力し、伝送されてきた位置情報に
誤りがなくまたはあつても誤り訂正できる場合
は、伝送されてきた前記基本画素と前記追加画素
および前記位置情報を使用して補間操作をも組入
れて原画像を復元し、伝送されてきた位置情報の
誤りが訂正不可能の場合は、前記追加画素と前記
位置情報とは使用せず、前記基本画素と補間操作
から原画像を復元することを特徴とするものであ
る。

（作用）本発明では、画像をあらかじめ定めたサンプリ
ングパターンで粗くサンプリングして画像の基本
構造を表わす画素（基本画素）を取り出し、次に
残りの画素の中から画像の精細さを表わすために
必要な画素（追加画素）をその位置情報と共に取
り出し、基本画素と追加画素の和をもとの画素数
より少なくし、この基本画素と追加画素および位
置情報をフイールドまたはフレーム毎に再配列区
分して、例えば時分割多重して伝送し帯域を圧縮
することが特徴である。これによつて、たとえ誤
り訂正符号などによる判定の結果位置情報に誤り
があつても画像の復元が可能となる。すなわち、
画像の復元に際して位置情報に誤りがあるかどう
かを調べ、誤りがない場合には基本画素と追加画
素の両者を用いて精細な画像を復元し、誤りがあ
る場合には位置情報と無関係に得られる基本画素
から画像を復元するのである。

（実施例）本発明の一実施例として、高品位テレビジヨン
衛星放送用帯域圧縮方式を第１図、第３図、第４
図によつて説明する。この実施例では、追加画素
の位置決定や画像の復元に１フレーム前の復元画
像信号も利用する。第１図は本発明の実施例であ
る高品位テレビジヨン信号帯域圧縮方式の送信部
ａ、受信部ｂの基本部分の概略を示すブロツク線
図、第３図は本実施例のサンプリング点の配置を
示す説明図、第４図は１フイールドの伝送信号の
形式を示す説明図である。

この実施例では、64.8MHzのサンプリング周波
数でサンプリングされた高品位テレビジヨン信号
を、公知の技術によつて画素を1/2に間引いて第
３図ａのサンプリングパターンとした後、本発明
の方法によつて画素を更に1/2に減らすことによ
り、帯域を従来方式と同じ8.1MHzに圧縮する。
以下では第３図ａのサンプリングパターンの画像
を入力信号として、帯域を1/2に圧縮する方式の
構成を説明する。

第１図ａは本発明による帯域圧縮を行う送信部
のブロツク線図である。入力端子１には第３図ａ
のサンプリングパターンを持つ画像信号が入力さ
れる。この信号はメモリ書き込み回路２によつ
て、偶数フイールドではフイールドメモリ３に、
奇数フイールドではフイールドメモリ４に書き込
まれる。スイツチ５，６，７，８，９，１０，１
１，１２，１３，１４，１５及び１６は１フイー
ルド毎に切り替えられる。一方、画素分離回路１
７により、あらかじめ定められた第３図ｂに示さ
れるサンプリングパターンの画素（基本画素）と
それ以外の画素（間引き画素）に分離され、前者
は端子１８に、後者は端子１９に出力される。こ
の例では基本画素の割合は1/4間引き画素の割合
は3/4である。補間回路２０では間引き画素の値
をその近傍の基本画素の荷重平均値で補間する。

一方、後述するように端子２１には１フレーム
前の復元画像信号が出力されているので、その画
素を画素分離回路２２によつて基本画素とそれ以
外の画素に分離し、前者を端子２３に、後者を端
子２４に出力する。動き領域検出回路２５では、
現フイールドの基本画素と１フレーム前の基本画
素の値の差より、基本画素で囲まれた画像の微小
な領域が静止領域か動き領域かを判別する。補間
値決定回路２６では、動き領域検出の結果に従つ
て、間引き画素の補間値を次のように決定する。
すなわち、動き領域では補間回路２０で得られた
値を出力し（フイールド内補間）、静止領域では
端子２４から得られる前フレームの値を出力する
（フレーム間補間）。ここで動き領域の動きの程度
によつては、フイールド内補間値とフレーム間補
間値に重みづけ係数を乗じてその和をとり、間引
き画素の補間値とする方式にすることもできる。
こうして得られた間引き画素の補間値はメモリ書
き込み回路２７によつて、偶数フイールドの場合
にはフイールドメモリ２８へ、奇数フイールドの
場合にはフイールドメモリ２９に書き込まれる。

同時に、減算回路３０によつて、補間値と端子
１９から得られる実際の値との差（補間誤差）が
求められる。この時補間回路２０の出力と端子１
９の出力の差および端子２４からの出力と端子１
９の出力の差をそれぞれ求め、両差の小さい方の
値を補間誤差とすることもできる。次に補間誤差
の大きいものから順に、全体の1/4の画素を追加
して取り出すこととし、追加画素位置決定回路３
１でその位置を決定する。このとき、各フイール
ドを小さなブロツク（例えば４画素×４画素）に
分割し、ブロツク単位でそのなかの間引き画素す
べてを追加画素としてもよい。例えば補間誤差の
絶対値をブロツク内で加算し、その値の大きい1/
３のブロツクはブロツク内間引き画素すべて（ブ
ロツク内全画素の3/4）を追加画素とし、それ以
外の2/3のブロツクはブロツク内間引き画素すべ
てを追加画素としないとすれば、フイールド内で
１／４の画素が追加画素となる。このように決定さ
れた位置情報は記憶回路３２に一時的に蓄えられ
る。位置情報はこの例では１ブロツク当たり１ビ
ツトであり、後述するように各フイールドの垂直
帰線期間に時分割多重伝送することが十分可能で
ある。

フイールドメモリ３に画素が書き込まれている
とき、フイールドメモリ４からはメモリ読み出し
回路３３によつて基本画素と追加画素が読み出さ
れている。基本画素と追加画素は区別ができるよ
うに、読み出しの順序は、例えばまず基本画素が
読み出され、次に追加画素が位置情報に従つて読
み出される。多重回路３４では、第４図に示すよ
うに基本画素と追加画素からなる画像信号（図面
ではアナログ信号）と位置情報とがフイールドま
たはフレーム毎に再配列区分例えば時分割多重さ
れ、端子３５に出力される。ここで基本画素数と
追加画素数の和はもとの画素数の1/2になつてい
るため、帯域が1/2に圧縮されることとなる。

一方、基本画素と追加画素はメモリ書き込み回
路３６によつて、偶数フイールドではフイールド
メモリ３７に、奇数フイールドではフイールドメ
モリ３８に書き込まれる。今、基本画素と追加画
素がフイールドメモリ３３に書き込まれていると
する。１フイールドを構成する残りの1/2の画素
の値として、フイールドメモリ２９に蓄えられて
いる補間値をメモリ読み出し回路３９で読み出
し、フイールドメモリ３８に書き込めば、１フイ
ールド前の画像信号が復元されることとなる。し
たがつてフイールドメモリ８７には２フイールド
すなわち１フレーム前の復元画像信号が蓄えられ
ていので、それをメモリ読み出し回路４０で読み
出すと、前述したように端子２１に１フレーム前
の復元画像信号が得られる。

次に第１図ｂの受信部を説明する。端子４１に
は送信部の端子３５からの出力信号が入力され
る。入力信号は多重分離回路４２によつて分離さ
れ、位置情報は端子４３に、追加画素は端子４４
に、基本画素は端子４５に出力される。基本画素
と追加画素はメモリ書き込み回路４６によつて、
偶数フイールドの場合にはフイールドメモリ４７
に、奇数フイールドの場合にはフイールドメモリ
４８に書き込まれる。第１図ｂ中の破線で囲まれ
た部分の構成は第１図ａ中の破線で囲まれた部分
と同じであるので、その説明は省略するが、フイ
ールドメモリ５７，５８にそれぞれ偶数フイール
ド奇数フイールドの間引き画素の補間値が蓄えら
れている。誤り訂正及び検出回路６３では位置情
報の誤り訂正及び検出を行う。位置情報に誤りが
なければ、メモリ読み出し回路６４によつて、基
本画素と追加画素及び間引き画素の補間値を位置
情報を利用してもとの配列となるように読み出
し、端子６５に復元画像信号を出力する。もし位
置情報に訂正できない誤りがある場合には、追加
画素は用いず、基本画素と間引き画素の補間値を
読み出して画像信号を復元する。

なお、本実施例では一様に1/4に間引いた画素
を基本画素としたが、帯域圧縮率以下の値であれ
ば1/4以外の比率でもよく、また一様ではなく、
画面の中央部では密に、周辺部では粗となるよう
にしてもよい。また、本実施例は追加画素の位置
決定及び画像信号の復元に１フレーム前の復元画
像信号も利用し、送信部での間引き画素の補間値
の決定に際して行なつたフイールド内補間かフレ
ーム間補間かの選択結果は受信部へは伝送されな
い構成となつているが、１フレーム前の復元画像
信号を利用しない構成や、送信部で行なつた前記
選択結果を補間情報として受信部へ伝送する構成
も可能である。更に、本実施例は伝送する追加画
素の値として画素値を用いる構成となつている
が、画素値の代わりに第１図ａ中の減算回路３０
の出力である補間誤差を用いる構成も可能であ
る。このように追加画素の値として補間誤差を用
いるとき、補間誤差の振幅分布が０近傍に集中し
そのその値の大部分が狭い振幅範囲に含まれるこ
とを利用して、伝送時に追加画素の振幅多重を行
えば、伝送可能な追加画素数を増加させることが
できる。

本実施例によれば、高品位テレビジヨン信号の
帯域を8.1MHzに圧縮できるので、放送衛星を用
いた１チヤンネル伝送が可能となる。また全画面
の1/3の領域では常に全画素が伝送され、かつ１
フレーム前の復元画像信号を用いてフレーム間補
間を行つているため、静止画像は３フレームたて
ば忠実に復元することができる。このように本発
明は、従来方式と同じ長所を有する上に、フイー
ルド毎の画像の精細さを表わす追加画素を伝送し
ているため、動画像の品質が従来方式より格段に
向上する。

第５図は本発明の効果の一例を示すグラフであ
る。横軸は画面の中で静止領域の占める割合、縦
軸は帯域圧縮によつて生じるひずみの二乗平均値
（ひずみ電力）の相対値である。横軸の値が０と
いうのは画面全体が動いている場合（動画像）、
100％というのは画面全体が静止している場合
（静止画像）である。また、フレーム間補間を行
わない場合は横軸の値が０の場合に相当する。本
発明によれば、画面全体が動いている場合でも従
来方式に比べて約7dBという大幅なひずみの改善
効果がある。この改善効果は、静止領域の割合が
増加するに従つて更に著しくなり、特に静止領域
の割合が2/3以上の場合には、本発明ではひずみ
を０とすることができる。これに対して、従来方
式では動いている領域では常に精細さが失われて
ひずみが生じるため、完全な静止画像以外ではひ
ずみを０とすることはできない。

なおこのひずみの解析結果について、以下に第
６図、第７図、第８図をあげ、発明の効果を理解
するための一助とする。

サブサンプリングのサンプリング密度、すなわ
ち第３図ｂの基本画素の第３図ａに対するサンプ
リング比をR₂（＜１）とし、補間誤差の大きい部
分はすべて追加画素とし、フレーム間補間および
補間誤差の多重伝送を行わない場合の、ひずみ電
力ＤとR₂の関係を第６図に示す。こゝでＲはも
との帯域で規格化された帯域幅、ρは隣接画素間
の相関係数、²は信号電力である。R₂には各Ｒ
毎にＤを最小とする最適値が存在するが、最適値
近傍ではＤの変化は小さい。R₂を最適値に選ん
だときの、ＤとＲの関係を第７図に示す。画面に
静止部分がある場合には、第８図に示すようにフ
レーム間補間によりＤが改善される。第８図は第
７図でＲ＝1/2の場合である。Ｄは、静止部分が
20％あれば4dB、40％あれば13dB減少する。補
間誤差の多重伝送を行えば、伝送できる画素数が
増加するのでＤが改善される。すなわちＲ＝1/2
のとき、２画素分を１サンプルに多重すれば
20dB、３画素を２サンプルに多重すれば7dBが
さらに改善される。

なお第５図の本発明の曲線ではR₂は0.25として
いる。

（発明の効果）多くの画像例について、動画像の場合を想定し
て本発明と従来方法の帯域圧縮のシミユレーシヨ
ンを行い、復元された画像をモニターテレビ上で
比較・検討した。その結果、本発明によるもので
はもとの画像との差が殆ど検出されなかつたが、
従来方式では画像の精細な部分に明確なぼけが認
められ、画質においても本発明の方が格段に優れ
ていることが判明した。このように本発明によれ
ば、従来方式の大きな問題点である動画像の解像
度低下をほぼなくすことができ、その効果は極め
て大きい。

また本発明をビデオテープレコーダやビデオデ
イスクに適用すれば録画時間の増大や画質の向上
という効果が期待できる。更に、本発明では、１
フレーム前の復元画像信号を利用せずに帯域圧縮
を行つても、画面全体が精細な画像を除いては帯
域圧縮による劣化は殆どないので、スチルビデオ
の高品質化等にも適用できる。

またさらに、本発明で信号処理がデイジタル処
理で、追加画素として補間誤差を用いる構成で
は、追加画素値そのもののデイジタル情報（表示
ビツト数）に比し補間誤差のデイジタル情報が少
なくてすむので、同じ送信情報量で追加画素数を
増加させることができ、帯域圧縮の効果が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例としての高品位テレビ
ジヨン信号帯域圧縮方式の基本部分の概略を示す
ブロツク線図で、ａは送信部ｂは受信部であり、
第２図は従来方式の原理を示すサンプリングパタ
ーン、第３図は本発明実施例高品位テレビジヨン
信号帯域圧縮方式のサンプリング点の配置を示す
説明図で、ａは帯域圧縮前の画素配置、ｂは基本
画素の配置であり、第４図は本発明における１フ
イールドの伝送信号形式を示す説明図であり、第
５図は本発明の効果を示すひずみ電力の理論計算
値を示す図であり、第６図はひずみ電力Ｄとサン
プリング密度R₂の関係を、第７図はひずみ電力
Ｄと伝送帯域幅Ｒの関係を、第８図は静止部分の
割合とひずみ電力Ｄの関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１画像信号を帯域圧縮伝送するにあたり、送信側では、画像を構成する画素の全部または
所定パターンに従つてその一部を抽出し、この抽
出された画素を、あらかじめ定められたパターン
の位置に位置し、画像の基本構造を表わし、か
つ、前記抽出された画素の数に対し第１所定割合
い数の基本画素とその他の間引き画素とに分離
し、画像の内容に応じて画像の精細さを補間再生
するために、前記間引き画素より前記間引き画素
の数に対し第２所定割合い数の画素を追加画素と
してその画素の位置情報とともに選択抽出し、前
記基本画素と前記追加画素と前記位置情報とをフ
イールドまたはフレーム毎に再配列区分して送信
し、受信側にあつては、伝送されてきた前記位置情
報を誤り訂正及び検出回路に入力し、伝送されて
きた位置情報に誤りがなくまたはあつても誤り訂
正できる場合は、伝送されてきた前記基本画素と
前記追加画素および前記位置情報を使用して補間
操作をも組入れて原画像を復元し、伝送されてき
た位置情報の誤りが訂正不可能の場合は、前記追
加画素と前記位置情報とは使用せず、前記基本画
素と補間操作から原画像を復元することを特徴と
する画像信号帯域圧縮方式。２前記画像を復元する信号を記憶回路に一時的
に蓄積しておき、現フレームの追加画素の位置決
定および画像信号の復元に、過去のフレームの復
元画像信号をも使用することを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の画像信号帯域圧縮方式。３前記追加画素の復元値を、現フレームの追加
画素値ではなく、前記基本画素の信号および／ま
たは前記過去のフレームの復元画像信号から導出
される間引き画素値（２６の出力）と、現フレー
ムの間引き画素値１９との差の送信信号を受信し
て復元することを特徴とする、特許請求の範囲第
１項または第２項何れか記載の画像信号帯域圧縮
方式。