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計測情報処理論 ビデオ信号の基礎 ビデオ信号とは？ • 映像信号を伝達する多数の方 式がある ビデオ信号(1) • 映像中の「明るさ」 は電圧の高さで表 される • 画像の明るさは端 から順次送り出さ れる 電気信号 テレビの動作 • 電子銃により発した陰極線が蛍光物質に衝突し発光 • 陰極線はコイル（電磁石）が発する磁界により偏向 （上下方向，左右方向） ビデオ信号(2) • 走査・同期とは 送信側と受信側でタイミングを合わせる必要あり 白黒ビデオ信号 • 明るさ 映像信号部分 0V~0.7V • 同期信号 約 -0.3V 同期信号部分 1/15750 秒 140IRE = 1V 飛び越し走査(1) • 走査線を１本飛ばしに伝送する – 同じ走査線本数でも画面の書き換え回数が倍速 （60回／秒）になる 飛び越し走査(2) • １枚の画像全体をフレームと呼ぶ • １回の垂直走査で得られる画像をフィールドと呼ぶ • NTSC方式：約30フレーム／秒，６０フィールド／秒 NTSCの同期周波数 • 垂直同期周波数 – フィールドレートと同じ – 約60Hz (59.94Hz) t のこぎり波（偏向ヨークに流れる電流） • 水平同期周波数 – フレームレート(約30Hz)×走査線数(525) – 15.75kHz (15734Hz) – 古いテレビをつけたときに聞こえる非常に高い 「キーン」という感じの音の周波数 インタレースコム • 動物体を撮影した場合，奇数フィールドと偶 数フィールドの撮影時刻のずれにより，画像 が櫛(comb)状になること • 動画像処理の大敵 カラービデオ信号(NTSC)(1) • 色は高周波成分の位相と振幅で表す – 3.58MHz の正弦波をカラーキャリアと呼ぶ – 白黒機器との互換性がある カラー 白黒 カラービデオ信号（NTSC)(2) カラーバースト • カラーバースト（色基準信号）からの位相差で 色相を表す（振幅で彩度を表す） NTSC における色の表現 赤 R, G, B 青 緑 Y, R-Y, B-Y (Ｙ=0.587G + 0.114B + 0.299R） Y, I, Q (３３度回転） • 原点からの距離（振幅）：彩度 • 回転（位相）：色相 人間は Ｉ 軸の解像度が高いことによる 色信号 • I （オレンジ/シア ン）のほうが Q （グ リーン/マゼンタ）よ り高解像度 • I: 帯域幅1.5MHz • Q:帯域幅 0.5MHz EY 0.3ER 0.59EG 0.11EB NTSC 信号の生成 • カラーサブキャリア信号を R-Y, B-Y 信号で AM 変調 – キャリアの位相は 90度ずらす • 輝度信号と色信号を足し合わせる AM変調について • AM変調（振幅変調） amplitude modulation m(t) (A s(t))sin(2ft) – f : 搬送波周波数 – s(t) 変調波 • AM変調の帯域 – S(t)=sin(2πgt) とすると g f 周波数 1 1 m(t) Asin(2ft) cos(2 ( f g)t) cos(2 ( f g)t) 2 2 周波数変調 • FM変調 – 変調波に応じて周波数を変化させる 搬送波 変調波 変調波 NTSCエンコード NTSC の占有帯域（放送） • 色信号領域(I,Q)は輝度信号領域と重なっ ている • 色信号領域の帯域幅は輝度信号より狭い ＹＣ分離 • 色信号と輝度信号を分離すること YC 分離の概念 ＹＣ分離の問題点 • 輝度信号の周波数が高い（縞模様が細かい） と色信号へノイズが乗る（色が付いてしまう） – クロスカラー妨害と言う • 輝度信号の帯域が制限されてしまう • 色信号の解像度が低くなってしまう – 色のにじみを生じる カラーインタリーブとくし型フィルタ • 色搬送波の位相は走査線ごとに反転している • ビデオ信号を１走査線分だけ遅らせて加減算 – ディレイは正確である必要がある くし形フィルタとYC分離信号 １５．７３４KHｚ (水平同期周波数 29.27 * 525) 3.58MHｚ (カラーサブキャリア 29.97 * 525 * 455 / 2) • 周波数応答は櫛の歯状（コムフィルタ） • YC分離結果はカラークロストークが少ないた め優れている（色再現性，解像度とも） YC分離 • 映像信号は走査線同士の相関が高い – 水平同期周波数の高調波成分 – その隙間に色信号を配置 デジタルコムフィルタ ＮＴＳＣ コンポジット信号 Ｙ ＡＤコンバータ 演算 Ｃ • コンポジット信号を直接AD変換 – デジタル値の演算で Y/C 分離を行う （例えば前後走査線間の加減算など） • ＡＤ変換のサンプリング周波数はカラーサブ キャリア周波数 (3.58MHz）の倍数 Bt878 YC信号，コンポーネント信号 • ＹＣ分離を避けるために Ｓ端子（ＹＣ端子） •色信号と輝度信号が別々に流れている •通常のビデオ信号はコンポジット信号と呼ぶ •その他，RGB 信号，YCrCb 信号が用いられる ガンマ特性 • ブラウン管の輝度特性を送り手側で補償 • NTSC の場合 γ＝2.2 (v = iγ ) 画像センサの変遷 静止画用 JPEG 画像センサ MPEG デジタルスチルカメラ 高速化 高速度 撮影 画像センサ 独自化 テレビ用 画像センサ 30fps H.264 AVCHD ビデオカメラ 高解像度化 デジタル化 • テレビ・ビデオ技術は規格の縛りが強い • デジタルカメラは新価値の模索へ 民生用機器の発展 • デジタルカメラの例 – カシオ EX-F1(300-1200fps高速度撮影) http://dc.casio.jp/product/exilim/ex_f1/ • ビデオカメラの例 – ソニー Handycam(1020万画素静止画） http://www.sony.jp/products/Consumer/handy cam/PRODUCTS/HDR-SR11SR12/ – http://www.watch.impress.co.jp/av/docs/20080 312/zooma349.htm デジタルインタフェース • IEEE1394 – 別名：FireWire, i.Link – 圧縮（DV），非圧縮の双方がある – 非圧縮でも色解像度が輝度解像度の 半分のものが多い（YUV 4:2:2方式など） • USB – 画像データの規格が比較的まちまち 画像処理用のカメラ • Point Grey / ViewPLUS (主にIEEE1394) – http://www.viewplus.co.jp/ • 東芝テリー – http://www.toshiba-teli.co.jp/index_j.htm • アルゴ – http://www.argocorp.com/ • 独自信号規格（専用ドライバ必要）多し – 部分読み出し，シャッタータイミング etc. • webcam は規格統一が進んでいる YUV422 • 輝度解像度に比べて色解像度が低い • YUV422 • YUV444 YUV422 • 輝度解像度に比べて色解像度が低い • YUV420 • YUV411 JPEG 8×8画素のブロッ ク毎に DCT 量子化 原画像 量子化テーブル DC 伝送・ 記録 ハフマン符号化 ハフマン符号化 • 高周波成分は捨てられる 近傍のブロック 間で１次予測 AC ジグザグ走査 圧縮と画質劣化 ビデオ処理時の注意 • カメラの組み合わせ – 白黒処理 • 白黒機材の組み合わせがベスト • カラーカメラを白黒キャプチャした場合，ノイズが乗る Ｓ信号のY成分を入力する方法もある • 白黒カメラをカラーキャプチャした場合，カラーバース トがないため色信号からノイズが乗る場合がある • 白黒機材がない場合，S信号利用がよい – カラー処理 • RGB分離信号がベスト，次はS信号 • インタレース – フィールドごとに処理をする – プログレッシブカメラを用いる キャプチャとアスペクト比 • コンポジット信号を直接AD変換してデジタ ル的にYC分離するものも多い – サンプリング周波数は色副搬送波の整数倍 3.58MHz*4 / 15.75KHz * 0.828 = 753 垂直の有効走査線数(5０5本)の1.5倍 – アスペクト比が正確に得られるキャプチャボー ドを選択する必要がある • きちんとキャリブレーションする場合は必ずしもそ の必要はない