JPH04229782A - デジタル信号の非線形処理装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デジタル信号の非線形
処理に関し、特にテレビジョン等の表示装置の非線形動
作であるガンマ補正を行うデジタル信号処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】信号処理装置において、非線形動作によ
り入力信号の高調波が発生する。例えばテレビジョン放
送機器においては、陰極線管（ＣＲＴ）等の非線形特性
を、それに対応した逆の非線形処理をテレビジョン信号
に加えることにより補正する必要がある。このようにす
ることにより、所要の表示特性が得られる。これはガン
マ特性として知られているもので、表示装置の種類によ
り、各々特有のガンマ特性を持っている。信号がかかる
非線形処理を受けるために信号の各周波数成分が一連の
高調波を発生する。デジタル装置においては、かかる高
調波の発生により、いわゆる折返し歪（エイリアス）成
分が生じ種々の雑音障害等の原因となる。折返し歪成分
は、デジタル信号のサンプリング周波数の半分となるナ
イキスト周波数限度以上の高調波の存在により発生する
ので、その発生を抑制する１つの手段は、非線形処理に
より発生する如何なる高調波も、常にナイキスト周波数
限度以下になるように装置を構成することである。この
ためには、サンプリング周波数を十分大きくすれば良い
のであるが、実際には以下述べる多くの困難が伴う。

【０００３】図１は、テレビジョン信号のガンマ補正回
路の代表的な非線形特性を示している。ＣＲＴ等のテレ
ビジョンの入出力特性は以下に示すパワー法則（ｐｏｗ
ｅｒ−ｌａｗ）で表わせる。

【数１】 ＬはＣＲＴの光出力、Ｒは定数、ＥはＣＲＴに印加され
る信号電圧γ（ガンマ）は定数である。個々の機器にお
いて、ガンマは定数となり、例えばＣＲＴのガンマはお
よそ２．２〜２．５となる。

【０００４】従って、図１の特性に対しガンマ特性の影
響を打消すためには、表示装置のガンマ特性の逆となる
ような信号電圧を印加して補正することが必要である。 非線形で特に対数のような入力及び出力振幅の間で逆の
形状となる特性により、入力信号電圧の周波数成分は高
調波を発生する。かかる状態を図２に示す。図２におい
て、基本周波数成分から、その倍数である３つの高調波
を発生することが示されている。実際には、信号の全て
の周波数成分が同様の高調波を発生する。また信号に非
線形処理を加えると高調波を発生するが高調波の個々の
振幅は、非線形処理の特性によって異なる。

【０００５】図３に示す如く、デジタル装置では、非線
形操作により発生した高調波は、上述したように好まし
くない折返し歪成分を発生させる。図３において、サン
プリング周波数ｆｓ　でサンプリングされ、且つ非線形
操作を受けたデジタル信号の基本周波数成分により、ナ
イキスト周波数限度であるｆｓ　／２以上で第２高調波
が発生している。基本周波数成分の周波数をｆ０　とし
た場合、折返し歪成分ｆａ　はナイキスト周波数限度で
あるｆｓ　／２を中心に、第２高調波と対称位置にある
。第２高調波の周波数は２ｆ０　である。従って、

【数
２】 から

【数３】 となる。

【０００６】この折返し歪成分は、例えばテレビジョン
装置に画像の歪等の好ましくない作用を及ぼす。

【０００７】非線形のデジタル処理における折返し歪成
分発生の問題を解消する１つの方法は、サンプリング周
波数を大きくして、非線形操作により発生する高調波を
、ナイキスト周波数限度以下に維持することである。 図４は、サンプリング周波数を大きくしてｆｓ　′にし
た状態を示すもので、デジタル信号の基本周波数成分の
重要な高調波の全てがナイキスト周波数限度のｆｓ　′
／２以下に入っている。サンプリング周波数の増加は、
スーパーサンプリング（ｓｕｐｅｒ−ｓａｍｐｌｉｎｇ
）またはアップコンバーション（ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｓ
ｉｏｎ）等の補間により行うことができる。しかし、こ
の解決策は、多くの場合、以下の理由により現実的では
ない。第１の理由は、個々の装置においては、サンプリ
ング周波数を固定する必要があるので、特に多くの高調
波を処理することが必要な場合には、アップコンバート
は不可能である。第２の理由は、サンプリング周波数を
増加することにより生じる高速の処理速度は、早過ぎて
実際的ではない。第３の理由は、処理されたデジタル信
号を、基本サンプリング周波数にダウンコンバート（ｄ
ｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔ）するか、或いはそのデジタル
信号を濾波して元の帯域幅に戻すことが必要である。こ
れらの処理方法はいずれも、非線形操作により帯域幅以
外で発生した高調波を除去すると共に、非線形操作の影
響を打消そうとするものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、一方
においては折返し歪成分等の望ましくない高調波を発生
させることなくデジタル信号の非線形変換を行うことが
でき、また他方においては、デジタル信号のサンプリン
グ周波数を増加させずにデジタル信号の非線形変換を行
い、変換により生じる高調波を常にナイキスト周波数限
度以下に維持しうる、デジタル信号の非線形処理装置を
提供することである。

【０００９】更に本発明の別の課題は、例えば、ガンマ
補正等の色成分信号の非線形変換を簡単で有効な方式で
行い得るデジタルカラービデオ信号のカラー補正装置を
提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明は以下のように構成される。即ち、デジタル
信号のサンプリング周波数を増加させて、第１のサンプ
リング周波数より高い第２のサンプリング周波数でアッ
プコンバートされたデジタル信号を形成するための手段
１１とアップコンバートされたデジタル信号を所定の非
線形処理特性に近似する二次関数で処理するための非線
形変換手段１４とを具え、第１のサンプリング周波数を
有するデジタル信号の最大周波数成分である第２高調波
が第２のサンプリング周波数の２分の１以下になるよう
にしたものである。

【００１１】また、本発明の他の特徴は、以下に示す如
く構成される。即ち、デジタル信号を帯域制限し、元の
デジタル信号の帯域幅以下の帯域幅を持つ、帯域幅を制
限されたデジタル信号を形成する手段１２と、帯域幅を
制限されたデジタル信号を、所要の非線形処理特性に近
似する二次関数で処理する非線形変換手段１４とを具え
、サンプリング周波数を有する帯域幅を制限されたデジ
タル信号の最大の周波数成分である第２高調波が、サン
プリング周波数の２分の１以下になるようにしたもので
ある。更に本発明は、第１のサンプリング周波数を持つ
輝度信号と、第１のサンプリング周波数の２分の１であ
る第２のサンプリング周波数を持つ第１及び第２の色差
信号とから構成されるデジタルカラービデオ信号のカラ
ー補正装置で、以下のように構成される。即ち、輝度信
号を第１のサンプリング周波数の４分の１の帯域幅に帯
域制限するための手段５２と、第１及び第２の色差信号
のサンプリング周波数を２倍にして、第１のサンプリン
グ周波数にアップコンバートされた第１及び第２の色差
成分信号を形成する手段５４，５６と、帯域制限された
輝度信号と、第１及び第２のアップコンバートされた色
差信号とを、第１，第２及び第３の色成分信号に変換す
るための手段５８と、第１，第２及び第３の色成分信号
を、各々対応した所要のカラー補正特性に近似する二次
関数で処理し、第１，第２及び第３の補正された色成分
信号を形成するための非線形変換手段６０，６２，６４
とを具えている。

【００１２】

【作用】上記構成において、デジタル信号の非線形処理
を行う際、デジタル信号を帯域制限すると共に、二次関
数を用いて適合した非線形動作を行わせるようにしたの
で、第２高調波をナイキスト周波数限度以下に維持でき
ると共に、有害な折返し歪成分の発生を防止できる。

【００１３】また、ビデオ信号である輝度信号、色差信
号又は色成分信号を、それぞれ帯域制限し、対応した二
次関数による非線形処理を行うことにより、テレビジョ
ン等のガンマ特性に応じたカラー補正が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図５は、本実施例のデジタル非線形処理方
式を示したものである。この方式は、二次関数による所
要の非線形動作の近似に基づいている。同図から明らか
な如く二次関数を使用すると高調波の発生は第２高調波
のみに制限される。このためには、二次関数により可能
な限り非線形動作に近似させることが要求される。選択
された二次関数で処理されたデジタル信号は、元の入力
信号との第２高調波のみから形成され、これは、元の２
倍の帯域幅内に入る筈である。ｆｓ　／４（ｆｓ　はサ
ンプリング周波数）以下の周波数である元の信号成分は
、ｆｓ／２即ちナイキスト周波数限度以下の周波数で第
２高調波を発生する。元の入力信号の第２高調波に対す
る付加的な領域は、係数を２としてサンプリング周波数
のアップコンバートを行うか、或いは元の信号をその元
の帯域幅の半分即ち、ｆｓ　／４に帯域制限することに
より、いずれにおいても形成できる。サンプリング周波
数のアップコンバートを行う場合には、基本サンプリン
グ周波数をｆｓ　として、アップコンバートされた信号
を濾波してｆｓ／２〜ｆｓ　の間に存在する周波数成分
を除去させる。

【００１５】図６は、二次曲線Ｚ＝ａｘ２　＋ｂｘによ
る非線形処理の状態を示すものである。

【００１６】しかしながら、単一の二次関数では、うま
く非線形処理に近似させることができない場合があり、
このような場合には、二次曲線部を用いて断片的に近似
させることができる。図７は２つの二次曲線部ａ及びｂ
を接合してＳ型の非線形動作を行わせるようにしたもの
である。この方法を用いる場合、接合により生じる、よ
り高次の非直線性を抑制することが必要で、このために
は入力信号の振幅を制限することにより抑制することが
できる。

【００１７】図８は、デジタル非線形変換回路の一実施
例を示したものである。処理すべきデジタル信号が入力
端子１０を介して帯域制限型のローパスフィルタ１２に
印加される。デジタル信号のサンプリング周波数をｆｓ
　とし、ローパスフィルタ１２の帯域通過特性がｆｓ　
／４となるように設定される。帯域制限されたデジタル
信号は非線形二次変換回路１４に送られる。図５〜７で
説明したように、二次関数は所定の非線形変換をできる
だけ精度良く行うように選択される。これが図６で示し
たａｘ２　＋ｂｘ（ｘは入力）として表される場合、変
換回路１４は乗算器１６、加算器１８及び乗算器２０で
構成できる。入力信号ｘが第１及び第２の乗算器１６及
び２０の入力に印加されると同時に、係数ａが乗算器１
６の入力に、且つ係数ｂが加算器１８の入力に印加され
、非線形二次変換回路１４の出力はａｘ２　＋ｂｘとな
ると共に、ローパスフィルタ１２の帯域制限作用により
、入力信号の第２高調波は図５に示す如く、ナイキスト
周波数限度のｆｓ　／２以下に維持される。従って、折
返し歪成分は発生しないことになる。

【００１８】図９は、デジタル非線形変換回路の他の実
施例を示す。処理すべきデジタル信号が、入力端子１０
′を介して補間型アップコンバート回路１１に印加され
る。またデジタル信号のサンプリング周波数と同じ周波
数ｆｓ　のクロック信号が、クロック端子２２及び周波
数２倍回路２４を介し、補間型アップコンバート回路１
１に印加され、このアップコンバート回路１１は、２倍
となったサンプリング周波数２ｆｓ　のアップコンバー
ト信号を出力する。補間型アップコンバート回路１１は
隣接したデジタル値の間を補間して補間値を出力し、そ
の結果デジタル信号は入力時に対し、出力時には２倍の
サンプル値を持つことになる。更に補間型アップコンバ
ート回路１１は、ｆｓ　／２〜ｆｓ　間の周波数成分を
濾波する。この補間型アップコンバート回路１１により
アップコンバートされた信号は、非線形二次変換回路１
４に供給され、この二次変換回路１４は、図８の回路と
同様に、第１及び第２の乗算器１６及び２０と、加算器
１８より構成されている。非線形二次変換回路１４の出
力はａｘ２　＋ｂｘとなると同時に、入力信号の第２高
調波はナイキスト周波数限度以下に維持される（この場
合、サンプリング周波数が２ｆｓ　にアップコンバート
されているので、ナイキスト周波数限度はｆｓ　となる
）。従って、図８と同様に折返し歪成分は発生しない。 補間型アップコンバート回路１１の濾波作用により、第
２高調波は、周波数範囲ｆｓ／２〜ｆｓ　に元から存在
している如何なる周波数成分とも有害な相互作用をする
ことはない。本発明の特に有利な応用装置として、図１
０に示したテレビジョン／ビデオ信号処理回路があり、
この回路は、例えばテレビジョン放送機器に使用される
カラー補正回路を示すものである。またこの回路は、例
えばＣＣＩＲ（国際無線通信諮問委員会）推奨６０１に
従うデジタルビデオ成分信号を処理するために使用でき
る。かかるデジタルビデオ成分信号は、１３．５ＭＨｚ
でサンプリングされた輝度信号Ｙと、各々６．７５ＭＨ
ｚでサンプリングされた色（または色差）成分Ｃｒ及び
Ｃｂで構成されるか、或いは４倍の副搬送波周波数でサ
ンプリングされた複合信号からデコードされた輝度信号
Ｙ、色（または色差）成分Ｃｒ，Ｃｂから構成される。 かかる信号にガンマ補正を行う必要がある場合には、前
述したように、ガンマ補正が、非線形、特に対数処理で
あるため通常の非線形変換から多数の高調波及び折返し
歪成分が発生するという問題がある。図１０に示した回
路においては、輝度信号Ｙを帯域制限型のローパスフィ
ルタ５２（図８のローパスフィルタと同様）に送り、こ
のローパスフィルタ５２により輝度信号Ｙの帯域幅を半
分のみ、３．３７５ＭＨｚに制限する。一方サンプリン
グ周波数は１３．５ＭＨｚに維持される。色成分Ｃｒ及
びＣｂは、各々アップコンバート回路５４及び５６（図
９に示したアップコンバート回路と同様）に供給され、
アップコンバート回路５４及び５６は、補間により単位
時間当たりのサンプル数を２倍にし、且つサンプリング
周波数を６．７５ＭＨｚから１３．５ＭＨｚに増大する
。但し、最大帯域幅は３．３７５ＭＨｚに制限される。 帯域制限された輝度信号及びアップコンバートされた色
成分は、マトリクス回路５８に供給され、このマトリク
ス回路５８において従来の方法により色成分がマトリク
ス処理され３種の色成分Ｒ，Ｇ，Ｂが出力される。これ
ら色成分Ｒ，Ｇ，Ｂの各々は、対応するガンマ制御回路
６０，６２，６４に出力され、各々のガンマ制御回路６
０，６２，６４は各々適合する二次関数によりガンマ調
整される。各ガンマ制御回路６０，６２，６４は図８及
び図９で説明した二次変換ａｘ２＋ｂｘを行う変換回路
と類似する。あるいはこれらガンマ制御回路は、譲受人
が本願と同じである１９９０年２月２０日出願の米国特
許出願Ｎｏ．０７／４８２，０４９（Ｈａｒｒａｄｉｎ
ｅ）に開示されたものと類似するもので、その内容は概
略以下の通りである。上述の米国出願に開示されている
回路は、二次変換ａｘ２　＋ｂｘ＋ｃを実行することが
できる。定数ｃは必要に応じて黒レベルの調整に使用可
能である。従って、ガンマ制御回路６０、６２，６４は
、より高次の高調波やそれに伴う折返し歪成分を発生す
ることなくガンマ調整を行い得ると共に、第２高調波は
、３つの色成分Ｒ，Ｇ，Ｂに対し、６．７５ＭＨｚのナ
イキスト周波数限度以下に維持される。

【００１９】ガンマ補正後、３つの成分信号は、マトリ
クス回路６６で再び輝度信号Ｙ及び色成分Ｃｒ，Ｃｂの
形に変換され、ガンマ補正されたビデオ信号が各々ガン
マ補正された輝度信号Ｙ′、色成分Ｃｒ′及びＣｂ′と
して出力される。ガンマ補正された色成分Ｃｒ′及びＣ
ｂ′は、必要に応じ基本サンプリング周波数である６．
７５ＭＨｚにダウンコンバートできる。但し、これは必
然的にダウンコンバートに伴う濾波作用により、１．６
８７５ＭＨｚ〜３．３７５ＭＨｚ（６．７５ＭＨｚ÷４
）以上の周波数に加えられるガンマ補正も除去する。 この濾波作用は、ガンマ補正処理により発生する１．６
８７５ＭＨｚの範囲にある信号の第２高調波を含む３．
３７５ＭＨｚ以上のすべての周波数を除去するものであ
る。しかしながら、より高い周波数部分でのガンマ補正
の損失があるにもかかわらず、この方式は、表示装置の
非線形特性を補償するために、いまだに有効であること
が分かる。

【００２０】上述したように、本実施例は二次関数によ
り所要の非線形動作を行わせるため、各々基本周波数成
分の第２高調波以外は発生しない。また基本周波数成分
及び第２高調波を収める領域は、係数を２としてサンプ
リング周波数のアップコンバートを行うか、あるいは元
のデジタル信号を基本サンプリング周波数の４分の１に
帯域制限するか、いずれかの手段によって形成すること
ができる。以上本発明の実施例を添付図面に沿って詳細
に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
く、請求項に明示した本発明の範囲及び精神を逸脱する
ことなく、当該技術分野の者にとっては種々の変形が可
能となろう。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、デ
ジタル信号の非線形変換により発生する有害な折返し歪
成分が除去され、また、テレビジョン信号或いはビデオ
信号に対し、簡単でしかも有効なガンマ補正装置が得ら
れる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】テレビジョン信号のガンマ補正回路の非線形特
性を示す図である。

【図２】信号の基本周波数成分から非線形操作により発
生する高調波を示す図である。

【図３】デジタル信号の非線形操作より発生し、ナイキ
スト周波数限度以上に存在する第２高調波に伴う折返し
歪成分を示す図である。

【図４】高いサンプリング周波数における非線形操作に
伴う高調波を示す図である。

【図５】本発明の非線形処理の二次的近似を使用した実
施例を説明する図である。

【図６】所要の二次的近似による非線形動作の例を示す
曲線図である。

【図７】接合した二次近似による非線形動作の例を示す
曲線図である。

【図８】本発明の実施例に用いるデジタル非線形変換回
路の例を示すブロック図である。

【図９】本発明の他の実施例に用いるデジタル非線形変
換回路を示すブロック図である。

【図１０】本発明の他の実施例に用いるガンマ補正を行
うカラー補正回路を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１　　補間型アップコンバート回路 １２，５２　　ローパスフィルタ １４　　非線形二次変換回路 １６，２０　　乗算器 １８　　加算器 ２４　　周波数２倍回路 ５４，５６　　アップコンバート回路 ５８，６６　　マトリクス回路 ６０，６２，６４　　ガンマ制御回路 Ｙ，Ｙ′　　輝度信号 Ｃｒ，Ｃｒ′　　色成分 Ｃｂ，Ｃｂ′　　色成分 Ｒ，Ｇ，Ｂ　　　　色成分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１のサンプリング周波数をもつデジ
   タル信号の非線形処理装置であって、該デジタル信号の
   サンプリング周波数を増加させて、上記第１のサンプリ
   ング周波数より高い第２のサンプリング周波数でアップ
   コンバートされたデジタル信号を形成するための手段と
   、上記アップコンバートされたデジタル信号を、所要の
   非線形処理特性に近似する二次関数で処理するための非
   線形変換手段と、を具え、上記デジタル信号の最大周波
   数成分である第２高調波が上記第２のサンプリング周波
   数の２分の１以下になるようにしたことを特徴とするデ
   ジタル信号の非線形処理装置。
2. 【請求項２】　　サンプリング周波数を有するデジタル
   信号を帯域制限し、元のデジタル信号の帯域幅以下の帯
   域幅を持つ、帯域幅を制限されたデジタル信号を形成す
   るための手段と、上記帯域幅を制限されたデジタル信号
   を、所要の非線形処理特性に近似する二次関数で処理す
   るための非線形変換手段とを具え、上記帯域幅を制限さ
   れたデジタル信号の最大周波数成分である第２高調波が
   、上記サンプリング周波数の２分の１以下になるように
   したことを特徴とするデジタル信号の非線形処理装置。
3. 【請求項３】　　第１のサンプリング周波数を持つ輝度
   信号と該第１のサンプリング周波数の２分の１である第
   ２のサンプリング周波数を持つ第１及び第２の色差信号
   とより、構成されるデジタルカラービデオ信号のカラー
   補正装置であって、輝度信号を上記第１のサンプリング
   周波数の４分の１に帯域制限するための手段と、上記第
   １及び第２の色差信号のサンプリング周波数を２倍にし
   て、第１及び第２の上記第１のサンプリング周波数にア
   ップコンバートされた色差信号を得るための手段と、帯
   域制限された輝度信号と、上記第１及び第２のアップコ
   ンバートされた色差信号を、第１、第２及び第３の色成
   分信号に変換するための手段と、上記第１、第２及び第
   ３の色成分信号を、各々所要のカラー補正特性に近似す
   る二次関数で処理し、第１、第２及び第３の補正された
   色成分信号を得るための非線形変換手段とを具えたデジ
   タル信号の非線形処理装置。