JPS5851472B2 - テレビジヨン信号の１ライン間予測符号化方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明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、画面中の隣接する画素間に存在する強い相関
を利用して所要伝送帯域を圧縮する予測符号化方式に関
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
われている関数から連続する２フイールドより成り立っ
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の位置は信号をデ
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。

次に従来からある平均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〜ｘ３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
一フィールド中の画素は１ラインおきに並んでいること
になる。

この時、すぐ近くｆζ位置するいくつかの画素について
はその標本値に互いに強い相関があると考えられるので
、画素Ｘ３の標本値Ｘ３の予測値Ｘ３を左隣と一ライン
上の画素の標本値の平均値を用いて Ｘ３ ＝ ａ １Ｘｔ ＋ ａ２ ｘ２・−−−−−−
−−ｍとする。

ただしここに例えばａｌ−１／ ２ ｒ ａ２１／２の
ようｔこ ａ１＋ａ２＝１ （２）をとる
こととする。

次に予測値と真の値すなわち標本値との差 ０ｘ−Ｘ３−Ｘ３ （３）を予測誤差
としてこれを量子化し、符号化を行なうことにより伝送
ビット数を少なくて済ませるようにし、伝送帯域幅の圧
縮を行なうのが従来からある平均予測符号化である。

しかしこの方法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ｌこおけるＮＴＳＣカラー複合信号
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、般に複合信号を輝度
信号と２つの色度信号の３成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、帯域圧縮効果もあまり高くすることはできない。

本発明は以上の点にかんがみなされたもので１ライン期
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り扱って所要伝
送帯域幅を圧縮することのできるテレビジョン信号の１
ライン間予測符号化方式を提供するものである。

すなわち本発明は第２図に示すようなあるフィールド中
の画素Ｘ８を予測するのに、同一ライン上にある左隣り
の２つの色素Ｘ６ ｙ Ｘ７と、一つ上のライン中にあ
る５つの画素ｘ１〜Ｘ、の標本値を用いる予測符号化方
式である。

なお図中画素Ｘ。及びＸ、は、予測値の作成方法を説明
するために図中に挿入しものであり、実際（こは使用し
ない画素である。

また本発明においては標本化周波数ｆｓｐは先の平均予
測の場合と同様水平走査周波数ｆＨの整数倍、つまり ｆｓｐ＝ｎ−ｆＨ（４） （ｎ：整数、例えばｎ＝６８０） とする。

次に、本発明において特徴とする予測値の作成方法につ
いて説明することにする。

第２図における画素ｘ２とＸ７１ Ｘ３とｘ８．Ｘｏと
ｘ４のように隣接する上下の２画素の標本値の和をとる
こととする。

この場合上下２画素間では色成分について強い相関があ
ると考えられるので、上下２画素の標本値の和を求める
ことにより、カラー副搬送波が逆転している上下２画素
の色成分を相殺することが出来、はぼ上下２点の輝度成
分の和に相当なｆ直を取出すことが出来る。

そうすれば、これは単色信号に対する先の（１）式の関
係を適用することが可能なわけであり、従って Ｘ８＋Ｘ３＝８７（Ｘ７＋Ｘ：）＋ａ４’ＯＱ＋Ｘｏ）
（５）ただし ａ７＋ ２４ ＝ １ （６）
の関係が導かれ、これより画素Ｘ８の予測値を導くこと
が可能である。

しかし、この場合画素Ｘ。の値を用いるにはほぼ２ライ
ン分の画素の値を蓄えておくだけの記憶部を必要とする
が、記憶メモリは高価なので、装置を廉価に構成するた
めには出来るだけ少ない容量ですむような予測符号化方
式が提供される必要がある。

そこでもし画素Ｘ。の代りに画素Ｘ、の値を用いること
が出来ればほぼ１ライン分、つまり画素Ｘ。

を用いた場合の約２分の１の容量のメモリで符号化部を
構成することが出来ることになるが、実際には画素Ｘ、
の今予測しようとする画素Ｘ８の次に現われる信号であ
り、将来現われる未だ不明な値を用いて次に現わるべき
信号の値を予測することは不可能である。

しかるに、合本発明においては（４）式に示すごとく標
本化周波数ｆｓｐは、カラー副搬送波周波数５５ ｆ ５ｃ＝−ｆＨの約３倍、つまり６８２．５ｆＨに近
い値に設定することとなっている。

従って３画素間隔だけ離れた位置の画素Ｘ６とＸ９とは
、その色成分の位相ははゾ等しいということになる。

従って色成分位相についていえば、Ｘ、のすなわちさら
にさかのぼってＸ。

の代りに、ｘ６を用いることが可能であり、従って（５
）式は Ｘ８＋Ｘ３＝８７（Ｘ７＋Ｘ２）＋３４（Ｘ４＋Ｘ６）
（７）と改めることが出来る。

さらに、この画素Ｘ６とＸ、の関係は画素Ｘ１とＸ４、
画素Ｘ２とｘ５の間にもあてはまるので、（７）式は 拘＋Ｘ３＝ａ７（Ｘ７＋（ｂ２Ｘ２＋ｂ５Ｘ５））＋ａ
４（（ｂ４ｘ４＋ｂ１Ｘ、）十輌）・・・・・・（８）
ただし ｂ２＋ｂ５＝１１ ｂ４＋ｂ１＝１ ・・・
・・・（９）であり、これを整理すると、 ＸＢ −Ｃ４・ｂｌ Ｘｌ ＋ａ７ ・ｂ２Ｘ２−Ｘ３
＋ａ４ ・ｂ４ Ｘ４＋ Ｃ７＋ ｂ５ｘ５＋ ａ４Ｘ
ａ ＋ ａ７Ｘ７．、、−Ｈ）となる。

各画素の係数値を改めてｃｌで表わすことにすると、上
式は、 Ｘ８＝ＣＩＸ１＋Ｃ２Ｘ２＋Ｃ３Ｘ３＋Ｃ４Ｘ１＋Ｃ３
Ｘ５＋Ｃ６Ｘ６＋ Ｃ７ｘ７−・・・・−（１０−２） ただし Ｃ１＝ａ４°ｂＩ Ｃ２＝ａ７°ｂ２ ｃ３＝ １ Ｃ４””’ａ４°ｂ４ Ｃ５＝ａ７°ｂ５ Ｃ６＝ ３４ ・・・・・・（１０−３） ・・・・・・（１０−４） ・・・・・・（１１） ・・・・・・（１１−２） ・・・・・・（１１−３） ・・・・・・（１１−４） ・・・・・・（１１−５） Ｃ７＝ ３７ となる。

ここｌこｃ１＋ｃ４＝ｃ６ ・・
・・・・α湯ｃ２ ＋ Ｃ５”” Ｃ７・・・・・匝 であり、更に先の式（６）により Ｃ６＋ Ｃ７＝ １ ・・・・
・・（１４）となる。

以上のＣ６〜ｃ７の７つの係数は（１υ、０乃〜（１４
）式を満たす範囲で、輝度成分についての（１０−２）
式の予測がよく適中するようなものとするのがよいが、
係数演算部の構成の容易さなどから、例えば Ｃ６”” １ ／ ４ 、 Ｃ７”” ３／ ４ ｐ
Ｃ１−〜１／４゜Ｃ２＝Ｃ４＝＝ １ ／ ２ ｔ Ｃ
５”” １ ／ ４ −・・・・−（１５１つまり、
予測値作成式は −１１１１１ ｘ８＝−−ｘ１＋−ｘ２− ｘ３＋−ｘ４＋−ｘ５＋
−Ｘ６４２ ２ ４４ ←Ｘ７ ・・・・・・（１６
）が考えられる。

次に送信側ではこうして作成された予測値Ｘ８と標本値
Ｘ８との差をとることにより予測誤差Ｏｘを計算し ０ｘ＝Ｘ８−ＸＢ・・・・・・（１７） これに対し量子化を行った値 Ｑ（Ｏｘ） ＝ ＱＣ（ＸＢ −Ｘｓ ）
”””α８）を伝送路に送り出してやる。

一方受信側ではこれまでに再生された画素Ｘ１〜Ｘ７の
再生値Ｘ１′〉Ｘ７′を用い、ＸＢの再生値Ｘ８′を Ｘｓ’−Ｑ （Ｘｓ −Ｘｓ ） 十Ｘｓ’
・・・・・・（１のとして作り、テレビ信号を再生す
る。

なお、これら受信側での再生値Ｘ１′〜Ｘ８′は画素ｘ
１〜ｘ８の標本値Ｘ、〜Ｘ８Ｉど近い値ではあるが、厳
密ｌこ言えば多少異なった値である。

従って送信−１１１ 側における予測値ｘ８＝−−Ｘ、←Ｘ２−Ｘ３←Ｎ４
２ ２ １ １ ３ ←Ｘ、←風←Ｘ７ と受信側における予測値塩４
４ ４ １１ １１１３ ＝ −−Ｘｌ’ ＋−Ｘ、’−Ｘ３勺−Ｘ４勺−Ｘ５勺
−輌勺−Ｘ７′トノ４２ ２４４４ 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。

そこでそれをさけるために送信側においても受信側での
再生値Ｘ１′〜Ｘ７′を作り、これをもとに予測値Ｘ８
′を作ることとする。

従って厳密に言えば式（ｔ６）から式（１９）までは１
］ １１ １ ３風’＝
−−Ｘ１勺−ｘ７− Ｘ３′＋→ぐ←Ｘ、′←逸←Ｘ
７′４２ ２４４４ ・・・・・・（１６−ａ） Ｏｘ＝ ＸＢ −Ｘ８’ （１７−
ａ）Ｑ（Ｏｘ） ＝ Ｑ（ＸＢ−Ｘ８’ ）
（Ｉｓ−ａ）ＸＢ′−Ｑ（ＸＢ −ＸＢ’ ） ＋
ＸＢ’ （１９ａ）と表わされるべきである
が、以降の説明においては式（Ｌ６）〜式輌のように考
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ｌこ送り出されるのは画素
の標本値Ｘ８の代りに量子化された予測誤差の値Ｑ （
Ｘｓ −Ｘｓ ）でよいことになり、一般に予測がよぐ
渦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。

次に本発明がＮＴＳＣ方式のカラー複合信号に対しても
適用可能であることを示す。

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している。

従ってＮＴＳＣ信号の画素Ｘ８の値はＩ８−￥８＋■８
ＣＯ８α＋Ｑ８Ｓ１ｎα（２０）（ただし位相α−２ｙ
ｒ ・ｆ ５ｐ−ｔ＋３３°ｆｓｐ：ＮＴＳＣカラー副
搬送波周波数） のように表わすことができる。

さらに水平走査周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上方のライン中に位置す
る画素Ｘ３は Ｉ３−￥３−■３ＣＯ３α−Ｑ３Ｓｌｎα（２Ｉ）また
これと同一ライン中にあって左隣に位置する画素Ｘ２及
び右隣（こ位置する画素Ｘ４は、それぞれ Ｘ２＝ｙ２−■２ｃｏｓ（α−，（α）−Ｑ２Ｓｉ［ｌ
（α−＃） （２２）Ｘ４＝Ｙ４−Ｉ４ＣＯ３（α＋
Ｊα）Ｑ＋”１ＩＩ（α＋Ｊ（Ｚ） （２３）（ただ
し１ａ−２π・ｆｓｃ−Ａｔ Ｊｔ−−ｆＳｐ′ ｆｓｐ：標本化周波数） と表わされる。

他の画素Ｘ１ ｔ Ｉ５ 、 Ｉ６ ｙ Ｉ７もこれら
と同様にして表わされるので０９式の予測誤差Ｏｘは ０ｘ−Ｉ８−Ｉ８ 今標本化周波数はカラー副搬送波の周波数のほぼ３倍に
とっであるので、 ｃｏｓ （α±２Ｊα）プｏｓ（α＋Ａα）ｓｉｎ（α
±２ Ｊ ａ ） ６ｉｎ（ａ〒１ａ）０５） となる。

ここに（）で示す第１項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
数帯域がせまく近くの画素間では強い相関があると考え
られるので （なお、Ｑ５構成についても同じ） となり、かつこれらに絶対値力月以下の正弦または余弦
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。

従って全体としても予測誤差は零に近い値になると考え
られ、それ故ＮＴＳＣ複合信号と本発明の予測方式に適
用した場合にも帯域圧縮効果を上げることが出来ると言
える。

次に本発明による予測符号化を用いた帯域圧縮方式の具
体例について説明する。

第３図は第２図で説明した本発明予測符号化方式を用い
たフィールド期間帯域圧縮方式の送信側ブロックダイヤ
グラムである。

１はほぼ１ライン分のデータを蓄えておくレジスタ、２
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は画素復号部である。

このうち１と２は本発明において特徴とする予測符号化
を行う部分でその詳細を第４図で説明する。

レジスタ１は１１〜１７の７つのレジスタから構成され
ている。

今レジスタ１１〜１７１こ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。

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１０１〜１０７には
第２図によって示された各画素の標本値が読み出されて
くるごとになる。

つまり出力１０１１ζばＸ７．１０２にはＸ６．１０３
ＩどはＸ６．１０４にはＸ４．１０５にはＸ３．１０６
にはＸ２．１０７にはＸｌが現われる。

予測信号発生部は係数演算回路２１〜２６と、予測値作
成回路２７よりなりたっている。

この内係数演算回路は（１５）式に示すような各係数１
／４，１／２，３／４を入力１０１〜１０７に掛ける部
分で、割算器と加算器の組み合わせたもので構成されて
いる。

この結果出力２１１〜２６１においては２１１に３／４
Ｘ７゜２２１に１／４Ｘ６，２３１に１／４Ｘ、、２４
１に１／２Ｘ４．２５１に１／２Ｘ２．２６１に１７４
Ｘ１が現われることになる。

そして予測値作成回路２７ではこれら各入力を用いて（
１６）式に示されるＸ８を加算器と減算器で作成し、こ
の結果を出力２０１に出す。

以上が本発明の予測符号化部である。

そこで説明を第３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Ｘ８の予測値Ｘ
８が出てくる。

そこでこの予測値Ｘ８′（入力２０１）とその時の入力
標本値Ｘ８（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、符号化して伝送路４０１に出力する。

さらに伝送信号復号部５では伝送路に送り出されたと同
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により受
信側で復号される画素Ｘ８の値Ｘ８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５図は第３図に対応した帯域圧縮方式の受信側ブロッ
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３図５のそれ
にまったく等しい。

またその他の第３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差値５
０１と前述の予測値２０１とより画素復号部６で画素Ｘ
８の値を再生し、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為にレジスタ１
に蓄えてゆく。

なお以上の説明は（１５）式で示される様な各係数ａ１
〜ａ７を用いた場合についての式（１６）予測符号化の
場合について述べたものである。

しかしながら（１０）式の各係数はこれら以外の組み合
わせでもカラー複合信号の予測符号化を行なうことが可
能であり、例えば以下に示すような値とすることが考え
られる。

（イ）Ｃ６＝Ｃ７＝ １／２ ｔ Ｃ１＝Ｃ５−Ｏｔ
Ｃ２＝Ｃ４＝ １ ／２（ロ） Ｃ６−Ｃ７＝１／２
：ｃｌ−−１／２．Ｃ２−１／２ 。

Ｃ４：Ｉ ＋ −〇 ５ （ハ） Ｃ６−Ｃ７−１／２．ｃｌ−Ｏ２Ｃ２−１，Ｃ
４−１／２゜Ｃ３−−１／２ に） Ｃ６＝Ｃ７＝１／２．ｃ１＝ｃ５＝−１／２．Ｃ
２＝Ｃ４＝１（ホ）Ｃ６＝ １／４ ｙ Ｃ７−３／４
＋ ＣＩ ＝Ｃ５＝ＣｙＣ２＝３／４ ｔｃ４ ＝
ｌ ／４ （へ）Ｃ６＝１／４ 、Ｃ７＝３／４．Ｃ１−−１７４
゜Ｃ２＝３／４ ｙ Ｃ４＝１／２ 、 Ｃ５−０（ト
） Ｃｏ ＝ １／４ ｔ Ｃ７＝３／４
ｙ Ｃ１＝Ｃｙ Ｃ２＝ Ｉ／２ ｓＣ４−Ｃ
５＝ １ ／４ このうち例えば（イ）の各係数を用いた場合、画素Ｘ８
の予測を与える式は Ｘ８−１／２Ｘ２−Ｘ３＋１／２Ｘ、刊／２Ｘ６刊／２
Ｘ７・・・・・・ （至） となり、画素Ｘｔ 、 Ｘｓの値は用いておらず、予測
値の作成も容易となる。

具体的には第３図及び第５図中のレジスタ１及び予測信
号発生部２の構成は第４図に示すそれにより簡単にする
ことが出来、その１例を第６図に示す。

第６図中にあってレジスタ１は１１〜１５の５つのレジ
スタから構成されており、各レジスタによって与えられ
る遅延時間を第２表のように設定しておく。

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
入力６０１が入ってくる時点で出力１０１゜１０２．１
０３，１０４，１０５にはＸ７ ｙ Ｘ６ ｙＸ４ ｙ
Ｘ３１ Ｘ２の値が読み出されてくることになる。

また予測信号発生部２は第４図中のそれに比べて係数演
算回路の構成が容易であり、４つの係数演算回路はすべ
て１／２を掛ける回路つまり１桁シフトの除算器で実現
することが出来る。

そして予測値作成回路２５ではこれら各入力を用いて（
３０）式に示されるＸ８を加算器と減算器で作成し、こ
の結果を出力２０１に出す。

以上、本発明において特徴とするあるフィールド期間中
の画素を予測するのに、同一ライン上にある左隣りの２
つの画素と、一つ上のライン中にあって予測しようとす
る画素の直上及びその左隣２つ、右隣２つの画素の値を
用いて、これら各画素の値には強い相関があることを利
用して導いた予測符号化方式と、それ（こよる帯域圧縮
方式について説明した。

本発明は単色信号に対して適用可能であることはもちろ
ん、ＮＴＳＣカラー複合信号に対しても従来方式におい
て不可欠であったカラ−３成分に分解するという操作な
しに直接符号化を行ない、高い圧縮率を得ることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人力されるテレビジョン信号と常時少くとも１ライ
   ンと２画素分記憶しておくだけの容量を有する記憶部と
   、前記テレビジョン信号の最新の入力画素の値Ｘ８が入
   力されたとき該信号と同一フィールド同一ライン中にあ
   って前記最新の画素の左隣りにある第１の画素の値Ｘ７
   及びさらにその第１の画素の左隣りの第２の画素の値Ｘ
   ６と前記最新の画素の１つ上のライン中にあってライン
   中の位置がその最新の画素と同じである第３の画素の値
   Ｘ３とその第３の画素の右隣にある第４の画素の値Ｘ４
   及びさらにその第４の画素の右隣りにある第５の画素の
   値Ｘ、と、前記最新の画素の直上にある第３の画素の左
   隣りにある第６の画素の値Ｘ２及びさらにその第６の画
   素の左隣りにある第７の画素の値Ｘ１を前記記憶部より
   読み出し前記最新の入力画素の予測値Ｘ８をＸＢ ＝
   ｃ Ｉ Ｘｌ ＋ｃ２Ｘ２＋ｃ３Ｘ３＋ｃ４Ｘ４＋ｃ５
   Ｘ５−１−ｃ６Ｘ６＋ｃ７Ｘ７とし、ここに各画素の値
   の係数を、Ｃ３−−１゜Ｃ１＋Ｃ４＝Ｃ６？ ｃ２＋ｃ
   ５＝ｃ７ ｙ ｃ６＋ｃ７＝ １となるように定めて前
   記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
   テレビジョン信号の１ライン間予測符号化方式。