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映像の符号化

2008/05/26

信号のデジタル化

アナログ信号がデジタル信号に変換される様子を図に示します。図の左端の信号はテレビの走査線の1本を取り出したものと仮定します。
このアナログ信号のレベルを一定時間感覚で取り出しことを標本化(サンプリング)と言います。標本化したアナログ値は連続な値を取るのでこれをとびとびの値に対応させます。これを量子化と言います。例えば、8ビットで量子化した場合、2の8乗=256通りの値を取れるので、256段階の量子化になります。
サンプリング定理から、アナログ信号のもつ最大周波数成分の2倍以上の周波数で標本化すれば、元の信号は劣化しないことがわかっています。
また、量子化の細かさを、量子化後の値と元のアナログ信号の値の差(量子化雑音)が十分小さくさるように選べば、量子化の誤差は無視できる程度になります。
例えば、標準テレビ信号(NTSC信号)の場合、最大4.5MHz程度の信号が含まれているので、サンプリング周波数9MHz以上(サンプリング間隔0.11μs以下)にする必要があります。また、量子化は8から10ビット程度あれば問題ないといわれています。
量子化された信号は”0”と”1”の組み合わせである2新旧で表現され伝送されます。こうした一連の処理を一般にデジタル化と呼びます。

情報の圧縮

標準テレビ信号をデジタル化すると、約100Mbqsの情報レートになります。ハイビジョンになると、役120Mbpsになり、標準テレビの10倍以上の情報レートになります。例えば、地上デジタル放送の伝送容量は約18Mbps(64QAM、符号化率3/4、ガードインターバル比1/8の場合)なので、単にデジタル化しただけでは伝送することができません。そこで、情報量減らすことが必要になってきます。このための信号処理を、”圧縮”と呼びます。
情報量を減らしても信号の劣化が目立つことのないように、もともとの信号がもつ冗長な成分を取り除くことを基本に圧縮します。
例えば、テレビ信号は連続したフレーム単位の画像で構成され、前後のフレームでは似たような画像になる場合が多いことに注目し、異なる部分を順次送るなどの工夫をしています。

映像符号化方式

デジタル放送ではMPEG(Moving Picture Experts Group)-2 Videoと呼ばれる、国際標準規格の映像符号化方式が採用されています。この方式はBSデジタル放送、CSデジタル放送、地上デジタル放送のほか、DVDなどにも採用されています。
MPEG-2 Videoでは、映像信号の(1)時間的な冗長性、(2)空間的な冗長性、(3)データの統計的な冗長性という3つの冗長性を除去することで情報を圧縮しています。

(1)動き保障予測(時間的な冗長性の除去)

テレビは、静止画(フレーム)を連続して送ることで、動きのある画像が似ていることを利用して、前後の画像の差の成分を送ることで情報量を減らすことが可能です。
また、物体が動いてて背景が静止しているシーンの場合、前後の画像から動いている物体の動き情報(動きベクトル)を検出し、前の画像を元に、動きベクトルで補正した画像を生成します。この生成した画像と現在の画像の差を取り、その差と動きベクトルを送れば受信側で画像を再現でき。情報量を圧縮することができます。

(2)2次元DCT(空間的な冗長性の除去)

テレビ画像には高い解像度を必要としない部分があることや、人間の目は細かい絵柄に対して感度が低いことを利用して、情報量を圧縮することが出来ます。そのために、画像を2次元の周波数成分に分解する2次元DCT(Discrete Cosine Transform:離散コサイン変換)という技術が使われます。2次元DCT処理により、画像を粗い絵柄の成分と細かい絵柄の成分とに分離できるので、細かい絵柄の部分を省略したり、2次元DCTの結果をさらに粗く再量子化して送ることで、情報量を圧縮することが可能になります。

(3)可変長府号化(データの統計的な冗長性の除去)

一般に、信号をデジタル化すると、デジタル化した値は均等な確率で発生するのではなく、同じような値が偏って発生する傾向があります。
画像信号を2次元DCT処理すると、その傾向が顕著になり、発生確率の高い値には短い符号を、発生確率の低い値には長い符号を割り当てて、全体として平均的な符号長を短くすることで情報量を圧縮することができます。

デジタル放送の映像フォーマット

地上デジタル放送では、4種類の映像信号パラメーターが規定されています。BSデジタル放送においても同じパラメーターが使われています。


出所:知っておきたい地上デジタル放送(NHK出版)


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