JPS5848844Y2 - テレビジヨン信号のフイ−ルド間予測符号化装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、商用テレビジョンやテレビ電話のような映像
信号に対し、その連続する画面の間に存在する相関を利
用した所要伝送帯域を圧縮するための予測符号化装置に
関するものである。

まず、用語についてここで説明しておくことにする。

現在の標準的なテレビジョンは１秒間に３０枚送られる
フレームと呼ばれる画面より戊り立っており、さらに各
フレームはそれぞれ１走査線ごとに飛び越し走査が行な
われている関係がら、連続する２フイールドより戊り立
っている。

また画面を構成している要素を画素と呼ぶが、ここでは
ディジタル処理を念頭においているので、標本化された
１サンプルを画素と呼ぶことにする。

従って、この場合には各画素の画面内では位置は、信号
をディジタル化するためのサンプリング周波数に依存す
ることになる。

次に、従来からあるフィールド内平面予測符号化と呼ば
れる符号化方式について説明する。

第１図はそのための各画素Ｘ１〜Ｘ４の位置関係を示す
図である。

今、標本化周波数は水平走査周波数の整数倍にとっであ
るので、各画素は格子状にまた飛び越し走査の関係で同
一フィートル中の画素は１ラインおきに並んでいること
になる。

この時、すぐ近くに位置するいくつがの画素には、その
振幅値に互いに強い相関があると考えられるので、画素
Ｘ４の値Ｘ４の予測値Ｘ４をまわりの各画素の値を用い
て Ｘ４＝Ｘ３＋Ｘ２ Ｘｌ（１） として作り、この予測値と真の値すなわち標本値との差 ０Ｘ−Ｘ４ Ｘ４ Ｃ２）を
予測誤差とし、これを量子化して符号化を行なうことに
より、伝送ビット数を少なくとも済ませるようにし、必
要とする伝送帯域幅の圧縮を行なうのが従来からなるフ
ィールド内平面予測符号化である。

しかし、この符号化は単色信号に対しては有効であるが
、標準テレビジョン方式におけるＮＴＳＣやＰＡＬなど
の方式のカラーテレビジョン複合信号に対して適用する
と、色成分による予測誤差が大きくなり、圧縮効率が悪
くなるか画質が劣化する。

そこで、カラー信号を扱う場合には一般に複合信号を輝
度信号と２つの色差信号の３威分に分解して各成分に対
して別々に処理を行なっているが、これでは装置が複雑
になり、帯域圧縮効率もあまり高くすることはできない
。

又、この様に輝度信号と２つの色差信号への分解を行な
わずに直接複合カラー複合信号の予測を行なう方式とし
て、例えば昭和５０年度電子通信学会全国大会Ｎｏ、９
８３ＮＴＳＣ力ラー信号の直接予測符号化に記載されて
いるフィールド間予測方式（以後従来のフィールド間予
測方式）がある。

同方式においては、第２図に示す様にして予測を行なう
為に前フィールド及び前フレームの画素の値を必要とし
ていた。

従って、１フレーム前までの画素を畜積しておくだけの
容量のメモリが必要となる。

本考案は、予測に必要とするメモリ容量をほぼ半減した
１フイ一ルド期間の画素情報を用いて、単色信号はもち
ろんカラー複合信号をも各成分に分解することなく直接
取扱い、かつ、所要伝送帯域幅を圧縮することのできる
カラーテレビジョン信号のフィールド間予測符号化装置
を提供するものである。

以下本考案を細評に説明する。

すなわち、本考案は第３図に示すようにあるフィールド
中の画素Ｘ４を予測するのに同一フィールド同一ライン
上にある直前の画素ｘ３と直前のフィールド中にあって
１つ下のライン中の同じイ装置にある画素Ｘ２．Ｘｌの
標本値を用いる予測符号化装置である。

なお、本考案においては、標本化周波数ｆｓｐは従来の
平面予測と同じように水平走査周波数ｆＨの整数倍、つ
まり 、７’ ＳＰ ＝ ｎ ’ Ｊ’ Ｈ（３）（ｎ：整数
１例えぽｎ＝６８０ ） としてもよく、またカラー副搬送波周波数ｆｓｃの整数
倍、つまり Ｊ’ＳＰ −ｍ−ｆ ｓｃ （
４）（ｍ：歴数、例えばｍ−３） としてもよい。

このときｆｓｃとｆＨの間には、例えばＮＴＳＣカラ一
方式では の関係があるので、（４）式においてｍ＝３とするとＪ
’ＳＰ ＝ ６８２．５ Ｊ’Ｈ（６）となるが、この
様に標本化周波数を水平走査周波数の整数倍以外の周波
数に選ぶことも可能であり、それだけ融通性が増した方
式となっている。

これに対し、先の従来のフィールド間予測方式では第２
図に示す様に標本点が格子状に並んだ場合にしか適用不
可能である。

次に本考案において特徴とする予測値の作成について説
明することにする。

一般に、相隣る画素の標本値は互いに相関が強いと考え
られるのでＸ４−Ｘ３キ０（７） Ｘ２− Ｘ ｌキ０（８） となり、さらに静止画においては、Ｘ２とＸ４．Ｘｌと
Ｘ３はそれぞれ被写体の非常に近い２点に対応した画素
となるので、これらの間にも強い相関があると考えるこ
とが出来る。

そこで（７） 、 （８）式よりＸ４ Ｘ３中Ｘ２
− Ｘｌ （９Ｊと考えられる
ので画素ｘ４の予測値Ｘ４としてＸ４ ＝ Ａ ３ ＋
Ｘ ２ Ｘ １ ％）を用いることと
する。

次に送信側では、こうして作成された予測値Ｘ４と標本
値Ｘ４との差をとることにより予測誤差ＯＸを計算し ＯＸ＝ Ｘ４− Ｘ４ （ｌ
ｌ）これに対し量子化を行った値 Ｑ（Ｏｘ） ＝ Ｑ （Ｘ４ Ｘ４）
Ｕを伝送することとする。

一方、受信側では、これまでに再生された画素Ｘ１〜Ｘ
３の値ＸＩ’〜Ｘ３’を用い、Ｘ４の再生値Ｘ４′を Ｘ４−Ｑ （Ｘ４−Ｘ４） ＋（Ｘイ＋Ｘニーｘｌｕ３
として作り、テレビ信号を再生する。

なお、これら受信側での再生値Ｘ１′〜Ｘ４′は標本値
Ｘ１〜Ｘ４に近い値ではあるが、厳密に言えば多少異な
った値である。

従って、送信側における予測値Ｘ４＝ Ｘ３＋Ｘ２
ＸＩと受信側における予測値Ｘ４’−Ｘ３’十Ｘ２’
Ｘｓ’との間に誤差が生じ、この差が累積されて画質
を劣化させるおそれがある。

そこでこれをさけるために、送信側においても（１３）
式と同様にして受信側で再生される再生値ＸＩ’〜Ｘ４
′をつくり、これをもとに予測値を作ることとする。

従って厳密に言えば、式（１０）から式（１３）まで゛
は 入４ ”＝ Ｉ３ ＋ Ｉ２ ＸＩ
（１０−ａ）ｏｘ−＝ｘ４ Ｉ４
（１１ａ）Ｑ （Ｏｘ） ＝Ｑ （Ｉ４ Ｉ
４） （］、２−ａ）Ｉ４””Ｑ（Ｉ４
Ｉ４）＋（Ｘ３＋Ｘ２ Ｘｌ） （１３−ａ
）と表わされるべきであるが、以下の説明においては、
式（１０）〜式（１３）のように考えたとしても支障は
きた−さないので゛、これらの式を用いることとする。

以上の操作により、伝送路上に送り出される値は画素の
値Ｘ４の代りに量子化された予測誤差の値Ｑ（Ｘ４〜Ｘ
４）でよいことになり、一般に予測がよく当中すればそ
の予測誤差の量は小さくてすみ、従って符号化ビット数
も少なくてよいので、結果として帯域圧縮を行なうこと
が出来ることになる。

また（９）式を導くに際し、画面が静止している場合を
前提にしたが、動いている画面に対しては以下のように
考えることが出来る。

相続く２フイ一ルド間の画素Ｘ２とＩ４．ＸｌとＩ３と
の間の相関は、画面が動いている場合は、■フィールド
分の間に被写体が動く距離だけ離れた２点間の相関とな
る分だけ弱くなり、予測が当申しにくくなる。

従って静止画に対するのと同じ量子化を行なったのでは
量子化雑音が大きくなり、画質を落すことになるが、一
般に動いている画面では視覚の解像度が落ち画質の劣化
が目につきにくという性質を利用することができる。

次に、本考案がＮＴＳＣやＰＬ方式のカラー複合信号に
適用して効果があることを示す。

標準テレビジョン方式におけるＮＴＳＣカラーテレビジ
ョン信号は、カメラの三原色出力信号から合成された明
るさを表わす輝度信号Ｙと、２つの色度信号■及びＱと
の３つの信号成分の複合信号の形をなしている。

従って、ＮＴＳＣ信号の画素Ｘ４の標本値はＩ４ ＝Ｙ
４＋Ｉ４ＣＯ５α＋Ｑ４ｓｉｎα ０４
１（ただし 位相α＝２π・ｆＳＰ−ｔ＋３３ｆｓｐ：
ＮＴＳＣカラー副搬送副搬送部０ｉ波に対し、カラー副
搬送波は一ラインごとに半位相ずつずれてゆくので、直
前のフィールド中にあって一つ下のライン上では、ちょ
うど偶数ライン分の位相ずれ、つまりもとのままの位相
αということになる。

従って、画素Ｘ２の標本値はＸ２＝Ｙ２＋Ｉ２迩α＋Ｑ
２ｑｉｎα （至）と表わされる。

また、これらの画素Ｘ４，Ｉ２と同一ライン中にあって
左隣に位置する画素ｘ３，Ｘ１の標本値は Ｘ３＝Ｙ３＋Ｉ３迩（α＋Ａα）＋Ｑ３Ｓ拍（α十ｌα
）′１０ＸＩ ＝ Ｙ１＋ Ｉ １ＣＣＩＳ （ ａ
＋ ｌα） ＋Ｑ１ｓｉｎ（α＋ Ａα） 、１７）
（たたし Ｊα ２π・ｆｓｃ−Ａｔ となる。

従って予測誤差Ｏｘは０Ｘ−Ｉ４ Ｉ４ ＝Ｘ４
Ｉ３ Ｘ２＋ＸＩＹ ４ ＋ Ｉ４ ｃｏｓα＋Ｑ４
ｑｉｎα−Ｙ３ Ｉ３：ｏｓ（αＡａ） Ｑ３ｍＣ
α−Ａα）Ｙ２ Ｉ２ＣＯ５α−Ｑ２内α ＋ Ｙｌ ＋ Ｉｌ ＣＯＳ （ ａ − Ｊα）＋Ｑ
１ｓｉｎ（α１（ｘ）” （ Ｙ４Ｙ３− Ｙ２＋Ｙ１
） ＋ （ Ｉ ４−Ｉ２） ＣＱＳα−（Ｉ３ １１）
ＣＯＳ（α−Ａα）＋（Ｑ４ Ｑｚ）ｓｉｎα−（Ｑ
３ ＱＩ）＝ｎ（α−１ａ） ＱＥＯとなる。

ここに、（ Ｙ ４Ｙ ３Ｙ ２ ＋ Ｙ １）は単色
信号に対する予測誤差と等価であり、零に近い値となる
。

さらに第２項以降については一般に色度成分はその周波
数帯域がせまく、従って上下のライン間では強い相関が
あると考えられるので Ｉｊ＋２−Ｉｊ 中０ 、 Ｑｉ＋２ Ｑ； 中
０ （１９１（たたし ｊ＝１又は
２） となり、かつこれらにＣＯＳα又はｓｉｎαという絶対
値が１以下の数が掛っていることから、これらも零に近
い値になると考えられる。

従って、全体としでも予測誤差は零に近い値になると考
えられ、それ故ＮＴＳＣ複合信号を本考案の予測装置に
適用した場合にも帯域圧縮ぺ果を上げることが出来ると
言える。

次にＰＡＬ方式のカラー複合信号に、本考案を適用した
場合について述べてみることにする。

ＰＡＬ方式のカラーテレビジョン信号は、輝度信号Ｙと
、２つの色度信号Ｕ・■で変調された色副搬送波の複合
信号の形をしている点ではＮＴＳＣ方式と同じであるが
、さらに二つの色成分のうちの一つをラインごとに交互
に極性を反転した形をとっている。

すなわち画素Ｘ４の標本値Ｘ４は奇数ライン、偶数ライ
ンでそれぞれ Ｘ４ ＝ Ｙ４ ＋ Ｕ４５ｍａ’ ＋ ■（２＞ａ’
（１） Ｘ４＝Ｙ４＋Ｕ４ｓｉｎα’ ｖｃＯｓ”（たたし
α′−２π・ｆｓｃ ’ ｔ ｆｓｃ′：ＰＡＬカラー畠１ｊり送波８２）ｉｉ−数）
となっている。

しかし、この場合でも一水平走査周波に対しカラー副搬
送波はπ／２ずつずれ、かつ色度信号のうちの一つは一
ラインごとにその位相をπずつかえているが、４ライン
ごとには完全にもとの位相と同相になる。

さらに、直前のフィールド中にあって一つ下のラインは
ちょうど４ラインの整数倍だけ離れていることになるの
で、Ｘ２はＸ４と、ＸｌはＸ３と同様な形となり、ここ
にＰＡＬ方式信号に対する予測誤差ＯｘはＮＴＳＣ方式
信号に対する（１８）式の関係に等しくなり、本考案が
ＰＡＬ信号に対しても有効であることがわかる。

更に、本考案は先の従来のフィールド間予測方式に比べ
予測効率の大幅な改善がなされるという効果がある。

（尚、以後の説明では、簡単の為にＴＶ信号の輝度成分
項についてのみ検討を行うが、本考案と従来方式をカラ
ー複合信号に適用した場合には、色度成分に関する項も
以下に述べることとほぼ同様の結論が得られる。

）今、本考案と従来方式の予測誤差は以下の様になる。

疵来方式：Ｙ１−ｙ、二ＹＩ Ｙ２ Ｙ３＋ Ｙ４
□υ本考案方式： ＹＩＹ１＝Ｙ１−Ｙ３−Ｙ５＋Ｙ６
・ｔ’Ｚ／（だたしＹｉ：画素ｉの輝度成分値） 従って、画面が静止しているとした時の本考案と従来方
式の予測誤差電力は 従来方式： ％式％）：］ （２） ））） ： 平均値、尚以後簡単の為 ｙｔ−Ｅ（Ｙｉ）＝Ｙｉ’と書く Ｅ〔Ｙ１″−２Ｙ１′Ｙ≦−２Ｙ／ＸＹ≦＋２Ｙ１’Ｙ
４；十Ｙ；２＋２Ｙ′２Ｙニー２ Ｙ２Ｙ４’ ＋ ｙ
′３”−２Ｙ３Ｙ４’ ＋Ｙ’４２〕 （
至）静止画ではＹ１′＝Ｙ４′となるので ＥＣ（ＹＩＹｘ）′！〕＝〔１２ρ１２−２ρ１３＋２
＋１＋２ρ２３−２ρ２□＋１−２ρ３１＋１〕×σＹ
２ （至）タタシ、σｙ２＝Ｅｒ、Ｙ４ 〕 ρ３．＝Ｅ「Ｙ１′・Ｙ、′〕／σＹ２ ここで画素１，２．３の位置関係より ρ１２：ρ１３：ρ２１＝ρ３１
Ｖ３であるから、これをρ、と表わし、又、一般に画
素間の相関は距離に比例するので ρ２３−ρＶ２ ■と
すると Ｅ 〔（Ｙｘ−Ｙｌ）２１−（６−ｓρ＼・＋２ρＶ２
）σＹ２２（３−ρＶ）（１−ρｖ）σＹ２（４）とな
る。

同様の計算により、本考案では 本考案方式： ％式％（） ） ここに、ρ□、ρ、はそれぞれ水平方向と垂直方向の隣
接画素間の相関係数で静止画に近い場合通常１に近い値
となる。

例えば、ρ、＝ρ□＝０．９として数値を入れてみると
、本考案と従来方式の予測誤差電力は 従来方式： ２Ｘ２．ＩＸＯ，ＩＸσＹ２＝０４２σｙ
２ｉ２９１不考案方式： ４ Ｘ Ｏ，Ｉ ＸＯ，ｌ
ＸσＹ２ＸＯ，０４σ）・２■となり、本考案の方が従
来方式に比べ予測誤差電力が約１／１０になることが分
る。

次に本考案による予測符号化を用いた帯域圧縮装置の具
体例について説明する。

第４図は第３図で説明した本考案の予測符号化を用いた
カラーテレビジョン信号のフィールド間帯域圧縮装置の
送信側ブロックダイヤグラムである。

１は１フイ一ルド分のカラーテレビジョン信号データを
畜積しておくレジスタ、２は予測信号を発生する予測信
号発生部、３は予測信号と入力信号との差をとる差信号
発生部、４は伝送路へ送出する信号を符号化する符号化
部、５は送信信号復号部、６は画素複合部である。

このうち１と２は本考案において特徴とする予測符号化
を行なう部分でその詳細を第５図で説明する。

レジスタ１は１１，１２．１３の３つのレジスタから構
成されている。

今、レジスタ１１，１２．１３によって与えられる遅延
時間を第１表のように設定しておく。

（ＩＦ、： フィールド分の遅延、 １Ｐ ： ］ 画累分の遅延 このようにしておけばレジスタ１の入力として再生信号
人力６０１が入ってくる時点で出力１０１゜１０２．１
０３には第３図によって示された各画素の標本イ直が読
み出されてくることになる。

つまり出力１０３にはＸｌ、１０２にはＸ２．１０１に
はＸ３が現われる。

そこで予測信号発生部では１の各出力１０１，１０２゜
１０３を用いてＸ３＋Ｘ２−Ｘｌを加算器と減算器で作
威し、この結果を出力２０１に出す。

以上が本考案の予測符号化部である。

そこで説明を第４図にもどしこのような予測符号化によ
る場合の帯域圧縮動作を説明する。

予測信号発生部２の出力２０１には画素Ｘ４の予測値Ｘ
４が出てくる。

そこでこの予測値Ｘ４（入力２０１）とその時の入力画
素の標本値Ｘ４（入力１００）との差を差信号発生部３
で作り、結果を３０１に出力する。

符号化部４ではこの予測誤差値（入力３０１）を量子化
し伝送路４０１に出力する。

さらに送信信号復号部５では伝送路に送り出されたのと
同じ信号を受信側で行なうのと同じ方法で復号し、画素
復号部６ではこの時の出力５０１と予測値２０１とより
受信側で復号される画素Ｘ４の標本値と同じものを作り
、これを以後の予測符号化の基準値として出力６０１に
出し、レジスタ１に蓄えてゆく。

第６図は第４図（送信側）に対応した帯域圧縮装置の受
信側ブロックダイヤグラムである。

５ａは受信信号復号部分で、その構成は第４図５のそれ
にまったく等しい。

またその他の第４図と等しい部分については同じ参照数
字で示しである。

本構成のもとての動作は送信側のそれにほぼ等しく、レ
ジスタ１からの出力を用い予測信号発生部２で予測値を
作り出力２０１に出し、他方受信信号４０１を受信信号
復号部５ａで復号し、こうして復号された予測誤値５０
１と、前述の予測値２０１とより画素復号部６で画素Ｘ
４の標本値を再生し、この出力６０１を映像信号３００
として読み出すと共に以後の予測符号化のためにレジス
タ１に蓄えている。

なお（１０）式で示される本考案で特徴とする予測符号
化は、さらに一般的な形 Ｘ４ ＝ ａ３ｘ３ ＋ ａ２Ｘ ２ ａＩ Ｘ １
ｌ１５”；として表わすことが出来る
。

この（３１）式においては予測値を作るのに各画素の値
に適当な係数を掛けた形をしているが、先の（１０）式
はこれら各係数が全て１の場合に該当していたことにな
る。

しかしながら、一般に各係数は１よりも小さな数にした
方が予測誤差が少なくなり幅域圧縮効果をさらに上げる
ことが出来る。

具体的には各係数値を掛ける演算装置の実現が容易であ
る点なども考慮して、以下のような値が考えられる。

つ１ り つ１ り また、色度成分における予測誤差が生ずるが、輝度成分
による予測がよく当るように つ筐 シ としでもよい。

これらの予測式を用いて先の（１０）式の予測式を用い
た場合と同様なフィールド期間帯域圧縮装置を実現する
ことが可能である。

この場合には、第４図及び第６図中のレジスタ１及び予
測信号発生部２の構成の仕方は第５図に示すそれとは若
干変えなければならないことになる。

そこで（３３）式の予測式の場合を例にとってその構成
を第７図に示す。

第７図中にあって係数演算回路７１．７２は、例えば１
桁シフトを行なう演算器である。

その化第５図に等しい部分は同一の参照数字で示しであ
る。

今、レジスタ１からの出力１０３，１０２，１０１には
それぞれＸ３．Ｘ２．Ｘｌのイ直か出てくる。

このうちＸ３とＸｌに対しては１桁シフトを行なう演算
器を通すことによって係数１／２を掛ける演算を行なわ
せることが出来る。

こうして出カフ２１，７１１にそれぞれ を出し、先の出力１０２のＸ２と合わせて予測信号発生
部２で予測値を作り出している。

以上は（３３）式に示されるような係数ａ３＝ａｌ＝１
／２の場合について説明であったが、他の係数値の場合
、例えばａ３−ａｌ−３／４のような場合でも第７図中
７１．７２の係数演算回路を、割算器と加算器とを組み
合わせたもので構成すればよい。

以上、本考案において特徴とするあるーフィールド期間
中の画素の値を予測するのに同一ライン上にあって直前
に位置する画素の値と、直前のフィールド中にあって画
面中の位置が一つ下のライン上で、その位置が前記二つ
の画素の下にある二つの画素の値を用いる予測符号化と
、それを用いた帯域圧縮装置について説明した。

本考案ＮＴＳＣやＰＡＬの如きカラーテレビジョン信号
に対して、カラ−３戊分に分解するという操作なしに直
接予測符号化を行ない高い正筋率を得ることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の平面予測符号化方式を説明するための各
画素の位置関係を示す図、第２図は従来のフィールド間
予測符号化方式を説明するための各画素の位置関係を示
す図、第３図は本考案の予測符号化装置を説明するため
の各画素の位置関係を示す図、第４図は本考案の予測符
号化装置の実施例を示すブロック図、第５図は第４図の
実施例における予測符号化を行なう部分の具体例を示す
ブロック図、第６図は本考案装置により伝送された信号
の復号を行なうための受信側のブロック図、第７図は本
考案の他の実施例における予測符号化を行なう部分の具
体例を示すブロック図である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 入力されるカラーテレビジョン信号を常時少くとも１フ
   イールドと一画素分記憶しておくだけの容量を有する記
   憶部と、前記カラーテレビジョン信号の最新の入力画素
   の情報が入力されたとき、該信号と同一フィールド中に
   あって前記最新の画素と同一ライン上にありこれと隣接
   する位置の第２の画素の情報を前記記憶部から読み出し
   これら第１の組の２つの画素の値にそれぞれ必要な係数
   を掛けた値の第１の差を作成するとともに前記最新の画
   素の１つ前のフィールド中にあって前記第１の組の２つ
   の画素の１つ下のライン中の同じ位置にある第２の組の
   ２つの画素の情報と前記記憶部から読み出し該２つの組
   の２つの画素の値にそれぞれ必要な係数を掛けた値の第
   ２の差を前記第１の組の２つの画素の値の第１の差を作
   ると同様に作威しこれら第１．第２の差が１フイ一ルド
   間ではほは゛同じ変化をすることを利用して前記最新の
   入力画素の予測値を作る予測信号発生回路と、該予測値
   と前記最新の入力画素の値との差をとる差信号発生回路
   と、該差信号発生回路の出力を符号化する符号化回路と
   を備えたカラーテレビジョン信号のフィールド間予測符
   号化装置。