【発明の詳細な説明】
ＶＨＳフォーマットの磁気テープ・アプリケーションの
ビデオ・イメージ・サンプリング格子
技術分野
本発明は、ビデオ・イメージのサンプリングに関し、特に、磁気テープ記録ア
プリケーションのビデオ・イメージのサンプリングに関する。
背景技術
良く知られていることであるが、ビデオ・イメージは、電子的には、時間的に
連続するフレームを用いて表現される。各フレームは複数の連続する水平ライン
により構成されている。ビデオ・イメージは時間軸をサンプリングし、垂直方向
にサンプリングすることができる。このようなサンプリングは、１つの次元（時
間）のみで連続する信号を用いて、連続的なイクステント（extent）を有するイ
メージを、３つの次元（水平、垂直、時間）で表すために必要である。カラー・
イメージをレンダリングするには、水平ライン上の各ポイントに対して、３つの
信号値が必要である。そのポイントのブライトネスを、３つの信号のうちの１つ
の信号であるルミナンス信号を用いてレンダリングすることができ、カラー情報
を２つのクロミナンス信号によりレンダリングすることができる。
ＮＴＳＣ（National Television System Committee）標準では、ビデオ信号の
フレーム周波数は２９．９７フレーム／ｓｅｃである。用いられているフレーム
周波数が２５フレーム／ｓｅｃの国もあるが、このフレーム周波数は本発明では
用いない。フィールド、すなわち、（１／２）フレームは、それぞれ、このよう
なインターバルで表される。一方のフィールドはフレームの奇数番目のラインを
含み、他方のフィールドは偶数番目のラインを含む。これらのフィールドはイン
タリーブされる。ラインの位置と時間は、プロットされたポイントの配列として
図１に図示され、時間と垂直方向の位置を座標軸として図示してある。各ポイン
トの座標値はビデオ信号の水平ラインの時間と垂直位置である。例えば、時間１
／６０ｓｅｃおよび時間３／６０ｓｅｃでは、位置１に、ラインがあり、時間２
／６０ｓｅｃおよび時間４／６０ｓｅｃでは、位置２に、ラインがある。このよ
うな配列はサンプリング格子という。
ＶＨＳビデオ・フォーマット記録では、ビデオ信号に対する帯域幅が制限され
ている。帯域幅は、放送ビデオ信号の帯域幅の約１／２ないし１／３であり、１
４インチのMacintoshまたはIBM PCコンピュータ・モニタの帯域幅未満のオーダ
であり、毎秒約２７ＭＢ／ｓｅｃである。例えば、VHSテープの記録ルミナンス
帯域幅は、わずか約２ＭＨｚである。
サンプリング理論によると、約４Msamples/secのみのサンプリング・レートで
、ＶＨＳフォーマット・ビデオ信号の全帯域幅を記述することができる。サンプ
リング理論はＣ言語で説明することができる。Shannon，"A mathematical theor
y of communication，"Bell System Technical Journal．vol．27．pp.379.623.
1948。信号エネルギーの半分をルミナンスに割り当て、もう半分をクロミナンス
に割り当て（このことは、従来技術の一部である）、２つのクロマ・コンポーネ
ントは、ルミナンス帯域幅の半分の帯域幅でレンダリングされる。クロマ・コン
ポーネントは２．２５Msamples/secとすることができる。このようなレートを用
いて、ルミナンスは、水平方向に、各ラインごとに２４０個のポイントがサンプ
リングされ、クロミナンス信号は、それぞれ、各ラインごとに、１２０個のポイ
ントがサンプリングされる。垂直ライン・レートはビデオ標準により固定されて
おり、ＮＴＳＣビデオでは、ビデオの４８７本のアクティブ・ライン（４８６本
のラインと、２本のハーフ・ライン）である。よって、垂直方向の解像度が水平
方向の解像度より高くなる。
このような差異を利用するため、イメージ解像度が方向により相違しないよう
にレンダリングし、ディジタル・ビデオ処理に対して、メモリおよびディスク使
用およびプロセッサ時間要求を減少させるため、各フレームから１フィールドを
破棄するのが普通になっている。このサンプリング法を交互フィールド・サンプ
リングということにする。対応するサンプリング格子を黒点を用いて図２に示
す。図２において、黒点の座標は、ラインの位置と時間であり、ｘ印は破棄され
たラインの位置と時間を示す。例えば、１／６０秒を奇数倍した奇数の位置と時
間のラインは保持され、１／６０秒の偶数倍である位置および時間のラインは破
棄される。この格子の時間サンプリング・レートと、折り返しがなくレンダリン
グすることができる最高周波数は、ＮＴＳＣ標準サンプリング格子のレートおよ
び周波数の１／２である。サンプリングされている周波数がサンプリング周波数
の１／２を超えると、折り返しが生じる。このような場合、サンプリングされて
いる周波数と、より低い周波数は、サンプリングした後には、互いに、見分ける
ことができない。
従って、本発明の目的は、垂直解像度および水平解像度が、交互フィールド・
サンプリングと同一であり、時間サンプリング・レートと、交互フィールド・サ
ンプリングの解像度の２倍であるビデオ・イメージをサンプリングする方法を提
供することにあり、同一のサンプリング・レートを全体的に維持する方法を提供
することにある。
本発明の他の目的は、垂直解像度を柔軟に選択することができる、ビデオ・イ
メージをサンプリングする方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的と効果を、次に説明する。その説明から明らかになる
ものもあるし、本発明を実施することにより、会得することができるものもある
。
請求の範囲で特に指摘した手段と、組み合わせの手段とにより、本発明の目的
を理解することができ、効果を奏することができる。
発明の開示
本発明は、ビデオ・イメージをサンプリングする方法に係るものであり、磁気
テープ記録に適したフレーム・レートのサンプリング格子に従って、イメージを
サンプリングする。サンプリング格子の各フレームは、２つのインタリーブされ
たフィールドであって、間隔が一様でない水平ラインを有するフィールドを備え
ている。１つのフィールドのラインは、磁気テープ記録に適した対応するフィー
ルドの水平ラインの集合の部分集合とに一致する。
図面の簡単な説明
添付の図面は、明細書の一部に導入され、明細書の一部を構成し、本発明の好
ましい実施の形態を説明し、上記の一般的な記述と次に説明する好ましい実施の
形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するのに供されている。
図１は標準ＮＴＳＣ垂直および時間サンプリング格子を示す図である。
図２は標準ＮＴＳＣサンプリング格子に重ね合わせた垂直および時間交互フィ
ールド・サンプリング格子を示す図である。
図３は本発明に係る垂直および時間サンプリング格子であって、標準ＮＴＳＣ
サンプリング格子に重ね合わせたサンプリング格子を示す図である。
図４は図１に示すＮＴＳＣサンプリング格子をフーリエ変換した結果を示す図
である。
図５は連続に時間変動するイメージの垂直および時間周波数コンテント（cont
ent）を示す図である。
図６は、図１のＮＴＳＣサンプリング格子でサンプリングした後の、図５のイ
メージの垂直および時間周波数コンテントを示す図である。
図７は図６に示す信号のスペクトルをローパス・フィルタにより切り捨てた例
を示す図である。
図８は図２のサンプリング格子をフーリエ変換した例を示す図である。
図９Ａないし図９Ｇは回転ホイールの一連のビュー（view）を示す図である。
図１０Ａないし図１０Ｄは、サンプリングレートが図９Ａないし図９Ｇの１／
２である場合の、図９Ａないし図９Ｇの回転ホイールの一連のビューを示す図で
ある。
図１１は図３に示す本発明に係るサンプリング格子をフーリエ変換した例を示
す図である。
図１２はＮＴＳＣ ＴＶ信号を、本発明に係るサンプリング格子を用いてサン
プリングされたディジタル信号に変換するブロック図である。
図１３Ａないし図１３Ｈは図１２に示す変換の中間のステップを示す図である
。
図１４は本発明に係るサンプリング格子を用いたＴＶ信号をＮＴＳＣ信号に変
換するブロック図である。
図１５Ａないし図１５Ｇは図１４の変換の中間のステップを示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態は、水平ライン密度が減
少され、インタリーブされたサンプリング格子を用いて、ビデオ・イメージをサ
ンプリングする方法である。このようなサンプリング格子を図３に示す。図３に
示す格子のラインの位置を黒点と白丸で示す。フレームはそれぞれ２つのフィー
ルドよりなる。２つのフィールドのうちの一方は黒点で示すサンプルにより形成
され、他方は、元のサンプルと一致しない白丸で示すサンプルにより形成される
。水平ラインの垂直間隔は、標準格子のラインの垂直間隔より、整数倍、例えば
、この例では、２倍だけ広くなる。このことは、垂直ライン間隔が標準格子のラ
インの垂直間隔より偶数倍広い場合にも、真である。例えば、図３では、ライン
間隔は標準ライン間隔の２倍であり、黒点とｘ印は標準サンプル格子を形成する
。ｘ印は、破棄された標準格子のラインの位置と時間を示す。黒点は標準サンプ
リング格子、例えば、奇数フィールドのようなサンプリング格子の１つおきのフ
ィールドの１つおきのラインである。白丸は黒点で形成された四角形の中心を示
すが、標準格子のラインには一致しない。
例えば、ポジション１，ポジション５，ポジション９と、時間、例えば、１／
６０ｓｅｃ、３／６０ｓｅｃ、５／６０ｓｅｃ、７／６０ｓｅｃ（１／６０ｓｅ
ｃの奇数倍）のような時間には、ラインが存在する。これらのラインは標準サン
プリング格子のラインに一致する。これらのラインのうちｘ印で示すラインは破
棄されている。ポジション３，ポジション７，ポジション１１と、時間、例えば
、２／６０ｓｅｃ、４／６０ｓｅｃ、６／６０ｓｅｃ（１／６０ｓｅｃの偶
数倍）のような時間は、標準サンプリング格子のラインと一致しない。ポジショ
ン３と２／６０ｓｅｃのラインと一致する白丸は、ポジション１および５と、時
間１／６０ｓｅｃおよび３／６０ｓｅｃにより形成される四角形の中心に位置す
る。本発明の他の実施の形態では、垂直ラインの間隔は、標準格子のラインの垂
直間隔より、奇数倍だけ広い。サンプリング格子のサンプルは、全て、標準サン
プリング格子からのサンプルに一致する。標準格子を用いてサンプリングされた
信号を、イメージの適正なローパス・フィルタにより、本発明のサンプリング格
子に変換するのは可能である。記録する前に、本発明に従ってサンプリングされ
た信号を、標準サンプリング格子に変換することができる。このようなフィルタ
リングは当業者に周知である。
本発明に係るサンプリング格子の利点をより良く理解するため、周波数ドメイ
ンの種々のサンプリング格子をフーリエ変換して、これらサンプリング格子の効
果を検査することは役に立つことである。
連続する時間に依存するイメージのサンプリングを、水平、垂直、時間の広が
りを有する３次元サンプリング信号により、すなわち、サンプリング格子の水平
ライン上では、定数を、その他では、ゼロをそのイメージに乗算するものとみな
すことができる。このサンプリング信号はサンプリングされたビデオ・イメージ
と同様であるが、一様ではない。空間および時間周波数ドメインでは、イメージ
をサンプリング信号と乗算することは、イメージと、サンプリング信号のフーリ
エ変換を畳み込むことになる。図４は図１のサンプリング格子のノンゼロ垂直お
よび時間周波数コンポーネントを示す。図４および図５では、水平軸は時間周波
数（Ｈｚ）と一致し、垂直軸は繰り返し（サイクル／ライン間隔）（ライン-1）
に一致する。図１のサンプリング格子のノンゼロ垂直および時間周波数コンポー
ネントは離散的であり、その結果、図４はポイントの配列である。イメージの可
能な周波数コンテントの一例は、次に説明し、図５に示す。図４および図５に示
す信号の畳み込みは図６に示す。当然、図５のスペクトルのコピーは、図４の周
波数ドメイン格子の各ポイントに集中される。そのイメージが充分高い周波数成
分を有する場合は、折り返し（aliasing）が生じる。図６に示すように、折り返
しは、図５のイメージのスペクトルの間の重なりに起因し、図４の周波数ドメイ
ン・サンプリング格子の異なるポイントに集中する。折り返しがない場合は、図
５の元の信号は、ローパス・フィルタリングを行うことにより、図６のサンプリ
ングされた信号から復元することができることになる。折り返しが生じた場合、
元の信号に復元することは一般的に不可能である。折り返しの例としてはモアレ
縞があり、そのイメージが時間軸でサンプリングされると、回転するホイール（
スポークを有する）が不正確な角速度で静止したり動いたりするように見える。
折り返しを回避するには、高周波情報はなくなるが、元の信号をローパス・フ
ィルタリングした後にサンプリングする。実際の値を有する信号を含むアプリケ
ーションの場合、そのフィルタの通過帯域は、原点に対して反転対称である。標
準サンプリングが図４でハッチングを施した領域である場合に、フィルタの通過
帯域により折り返しが回避される。図５のスペクトルに対する効果は、図７に示
すように、スペクトルを切り捨てることである。
既に説明したように、別のフィールド・サンプリングでは、各フレームのそれ
ぞれ２つのフィールドの一方は破棄される。その結果は、図２に示す時間および
垂直サンプリング格子となる。図２において、黒点は保持されているラインを示
し、ｘ印は破棄されたラインを示す。交互フィールド・サンプリング格子のフー
リエ変換を図８に示す。折り返しを生じさせずに、サンプリングすることができ
る周波数の範囲は、原点を中心としてハッチングを施してある。この四角形の領
域は図４のハッチングを施したドメインの領域の１／２である。というのは、サ
ンプリング格子のポイントの密度は１／２だけ減少するからである。折り返しを
生じさせずにレンダリングすることができる、時間軸および垂直方向での最高周
波数は、図４の対応する最高周波数の１／２である。そして、１５Ｈｚと３０Ｈ
ｚの間の時間周波数を有するイメージが、交互のフィールド・サンプリング格子
でサンプリングされたとき、折り返え（aliase）される。この折り返しは、標準
サンプリング格子を用いてサンプリングされたときは、生じないが、必要な帯域
幅は２倍になる。次に説明するが、このようなイメージは、交互フィールド・サ
ンプリング格子と同一の帯域幅を用いて、本発明に従ってサンプリングされたと
きは、折り返え（aliase）されない。
図９Ａないし図９Ｇと、図１０Ａないし図１０Ｄは、標準サンプリングの６０
Ｈｚから、交互フィールド・サンプリングの３０Ｈｚまで、時間周波数を減少さ
せることにより生じる折り返しを示す。図９Ａないし図９Ｇは時計方向に回転す
るホイール（スポークを有する）の一連のビュー（view）を示す。この一連のビ
ューには、例えば、１／６０ｓｅｃかかる。毎秒３０ビューのレートでイメージ
ングされた場合のビューは、図１０Ａないし図１０Ｄに示すようになる。ホイー
ルは同一であり、図１０Ａは図９Ａと同一、図１０Ｂは図９Ｃと同一、図１０Ｃ
は図９Ｅと同一、図１０Ｄは図９Ｇと同一である。図１０Ａないし図１０Ｄのビ
ューでは、ホイールは反時計方向に回転しているようであり、速度が遅いようで
あり、従って、不正確にレンダリングされている。
図１１は、図３の黒点と白丸を用いて示した、本発明に係るサンプリング格子
のフーリエ変換を示す。原点にあるシェーデングされたダイヤモンドは、折り返
しを回避するのに必要なローパス・フィルタリングの通過帯域である。交互フィ
ールド・サンプリングの場合のように、得られる信号は標準信号の帯域幅の１／
２であり、ＶＨＳビデオテープ記録のためには、その垂直解像度は垂直解像度に
より近くなる。静止している物体の場合、このサンプリング格子の垂直解像度は
、交互フレーム・サンプリング格子の垂直解像度と同一である。折り返しを生じ
させることなくレンダリングすることができる最高周波数は、標準サンプリング
格子の最高周波数の２倍である。
本発明に係るサンプリング格子のラインを連続させることができる。上述した
ように、ラインを水平方向にサンプリングすることができ、そのサンプリングに
は、ルミナンスに対しては、約２４０サンプリング・ポイント／ラインを用いる
のが好ましく、各クロミナンス信号に対して、約１２０サンプリング・ポイント
／ラインを用いるのが好ましい。従って、各サンプリング・ポイントはルミナン
ス信号に寄与され、サンプリング・ポイントの１／２は、各ルミナンス信号に寄
与されることになる。同一のサンプリング・ポイントは両方のクロミナンス信号
に寄与されるのが好ましい。
信号全体を、約４．５MSamples/secでレンダリングすることができる。現行の
ハイエンド・コンスーマ・ディスク・ドライブが平均的に供給することができる
ものがデータレートであるときは、このデータ・レートは充分過ぎる。
本発明に係るサンプリング格子は、３つの信号処理要素を結合することにより
、インプリメントすることができる。例を挙げると、図１２はディジタル化され
た標準ＴＶ信号２０を獲得する処理を示すブロック図であり、本発明に係る帯域
縮小された信号を生成するブロック図である。その処理は３つのブロックにより
構成されている。第１ブロック２４はゼロ充填である。元の信号２０はインタリ
ーブされている。各フィールド時間に対して、完全（full）なフレームを作成す
るために、図１３Ａに示すように、ゼロが、第１フィールド３２に対して偶数ラ
イン３０に充填され、第２フィールド３６に対して奇数ライン３４に充填される
。連続するフィールドは、約１／６０ｓｅｃの継続時間Ｔにより分割される。フ
ィールドは画面幅Ｗであり、４８０ラインの画面高Ｈを有する。画面幅ＷはＮＴ
ＳＣ信号の完全な帯域幅を保持するために７２０水平ピクセルでも良い。
次に、その信号はより低い帯域幅でサンプリングされるので、その信号は、図
１２にブロック２６で示すように、ローパス・フィルタリングした後に、サンプ
リング・ステップ２８を実施する。その信号は、水平、垂直、および時間の３つ
の次元で再サンプリングされる。よって、３次元ローパス・フィルタリングが必
要である。３次元フィルタを分割することができる。その場合、図１３Ｂないし
図１３Ｄに示すような３つの１次元フィルタを用いて、３次元フィルタを統合す
ることができる。図１３Ｂないし図１３Ｄはフィルタ窓を示す。これらフィルタ
窓を用いて、その信号を畳み込み、その結果、それらのフィルタの水平（Ｈn）
、垂直（Ｈv）、時間（Ｈt）伝達関数を得ることができる。当然、水平および垂
直フィルタには、タップが７つあるものでも良く、時間フィルタはタップが５つ
あるものでも良い。垂直フィルタのゲインにより、先に行われたビット充填が補
間される。当然、水平および垂直フィルタは、７つのタップを用いてインプリメ
ントすることができ、時間フィルタは５つのタップを用いてインプリメントする
ことができる。その結果、図１３Ｅに示すように、ローパス・フィルタリングさ
れた信号が得られる。
図１２のブロック２８のサンプリングは２つのパートで行われる。図１３Ｆに
示すように、水平サンプリング格子は独立しており、最初に、サンプリング
される。そして、相互に関係付けられている時間および垂直サンプリングが、図
１３Ｇに示すように、共に行われる。帯域縮小された出力信号２２を図１３Ｈに
示す。
ＴＶ（television）信号は、図１４に示すように、図１２の方法と同様の方法
を用いて再構成される。ブロック３８に示すように、帯域縮小された信号２２は
、まず、ゼロ充填されて完全なサイズにされる。この意味するところは、２４０
ピクセルの水平ラインがゼロ充填され、７２０ピクセルになることであり、水平
および時間次元がゼロ充填され、毎秒、４８０ライン×６０フィールドになるこ
とである。その結果、図１５Ａに示す信号４４になる。
信号４４は３次元ローパス・フィルタを通過する。この３次元ローパス・フィ
ルタは、図１４にブロック４０で示すように、３つの１次元フィルタに分割する
ことができる。３つの１次元フィルタは、ゼロ充填がある場合は、ゼロ充填の量
に適したゲインを有する。これらの１次元フィルタの伝達関数を図１５Ｂないし
図１５Ｄに示す。例えば、水平フィルタのゲインは、図１５Ｂに示すように、存
在しなければならない。というのは、元のイメージでは、１つのピクセルおきに
、３つのピクセルが作成される。時間および垂直フィルタを共に畳み込むことに
より、時間および垂直フィルタリングを同時にインプリメントすることが可能で
ある。そして、得られたローパス信号４６（図１４および図１５Ｅ）は、図１５
Ｆに示す標準ＴＶサンプリング格子で再サンプリングされ、再構成された信号４
８（図１４および図１５Ｇ）が得られる。再構成された信号４８は図１２の入力
信号と同様であるが、帯域幅がＶＨＳ記録の帯域幅により制限されている。
上述したステップの幾つかを組み合わせて、システムで生じるデータ・トラフ
ィックを、本発明の範囲を逸脱しないように減少させることは可能である。これ
らのフィルタの設計は、当業者に周知であり、ディジタルフィルタに関する標準
的な教本、例えば、Maurice Bellanger，Digital Processing of Signals‐Theo
ry and Practice，John Wiley and Sons，New York，1984に、その説明がある。
要約すると、ビデオテープに記録されるビデオ・イメージであって、垂直およ
び時間次元のサンプル格子が変動するビデオ・イメージを、ほとんど光学的にサ
ンプリングする方法を記載した。
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明は、これら実施の形
態に限定されるものではない。例えば、約２５Ｈｚのフレーム・レート（約５０
ｚのフィールド・レートに対応する）を、３０Ｈｚのフレーム・レート（６０ｚ
のフィールド・レート）の代わりに用いることができる。本発明の範囲は発明の
範囲により規定される。
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