ビデオ信号のディジタル化
と
記録方式の変遷
有限会社 啓
代表取締役
脇田 俊昭
有限会社 啓
ビデオ信号(NTSC)の概要
飛び越し走査をすること
でフレーム周波数を上げ
ることなくフィールド周波
数を上げフリッカーを防
いでいる。
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有限会社 啓
NTSC信号の波形と画像例
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有限会社 啓
同期信号(NTSC)
http://elm-chan.org/docs/rs170a/spec_j.html
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有限会社 啓
映像信号間の関係
3原色信号を ER EG EB 輝度信号を EYとすると
EY 0.30 0.59 0.11
ER- EY = 0.70 -0.59 -0.11
E B- E Y
-0.30 -0.59 0.89
ER
EG
EB
I Q軸は33°回転していることから座標軸を回転させると
EY 1.00 0.00 0.00
EI
= 0.00 0.74 -0.27
EQ
-0.30 -0.59 0.89
EY
ER-EY
EB-EY
と表現できる。
この信号を直行2相変調すれば変調信号が得られる。即ち 信号は
EM = EY + EI cos (ωsct+33°) + EQ sin (ωsct+33°)
ER
EY となります。
EG
E
I
EB
Matrix
EQ
LPF
1.5MHz
I 変調器
LPF
0.5MHz
Q 変調器
色副搬送波
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周
波
数
多
重
化
90°移相器
有限会社 啓
EM
カラーテレビ方式
http://www.interq.or.jp/blue/rhf333/TV-FORM.HTM
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有限会社 啓
定期変換方式例
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有限会社 啓
放送用VTRの例(FM変調方式)
世界的な標準になったのは、SMPTE TYPE-C、通称「Cフォーマット」と呼ばれる方
式でSMPTEに提案し規格化されたものである。
特徴としては、「Ω(オメガ)巻き」と呼ばれるテープ走行系を用いた方式で、ビデ
オテープを直径約134mmの回転ヘッドドラムにΩ状にテープを間見つける方式
である。テープとヘッドが接触しない部分を記録するため、主ヘッドから回転方向
に30度だけ先行させたシンクヘッドで垂直同期信号を記録する1.5ヘッド方式を
採用した。
この規格ではコンポジットビデオ信号はそのまま帯域が7〜10MHz付近を使う周
波数変調方式で記録される。TYPE-Cでは、ビデオ信号の電圧レベルに応じて次
のように周波数を対応させている。
白ピーク
:10MHz
ペデスタル :7.9MHz
シンクチップ :7.06MHz
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有限会社 啓
標本化定理
信号fを0~w [Hz] までの周波数成分を持ち、かつそれ以外の周波数成分は一切含まない信号であるとする。
このとき、信号fを次の式のように表現することができる。
上の式におけるXnは時刻
における信号の値、即ちfを 間隔でサンプ
リングした値を示している。
標本化関数
× Π
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ビデオ信号の量子化
振幅が一様に分布している信号を
直線量子化した場合S/Nは
S/N=(6 Qn + 10.8) [dB] で現すことが出来る。
最近ではカメラの映像S/Nが改
善され、ビデオでも12bitsの変
換が要求されている。
この場合にはS/N約80dBが得
られる。
一方S/Nが100dBを要求され
るAudioでは16bits となって
いることもこのグラフから読み取
ることが出来る。
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Qn
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ビデオ信号の量子化(サンプリング周波数)
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磁気記録再生モデル
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有限会社 啓
磁気記録再生時の損失
厚みロス:現状では対策なし
テープのHcを上げることで改善
スペーシングロス:重要課題
シミュレーションで確認
ギャップ損失:最適化は可能
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有限会社 啓
再生信号(孤立波)
孤立波を用いて伝達特性を調べる。
孤立波のFFT処理によって振幅と位相特性を調べる。
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等化
等化はナイキスト第1条件または
第2条件を満たす様にすることが
一つの鍵
低域の誤差の除去は困難ここまでで必要性能が得られた
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有限会社 啓
記録媒体としての磁気テープ
磁気テープには多くのメリットがあり多くの用途に使用され
て来ているが
n  周波数特性(波長特性)がフラットでない
w  再生ヘッド特性上低域遮断が発生する
n 
n 
ノイズが多い(変調ノイズ、バルクハウゼンノイズ等)
媒体欠陥によるドロップアウトがある
これらの問題を解決するためにチャンネルコーディングと呼
ばれている変調技術と最近多く使用されているリードソロモ
ンで代表されるエラー訂正技術を用いている。
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有限会社 啓
変調方式
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有限会社 啓
変調方式
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有限会社 啓
エラー訂正技術
リードソロモン符号
BCH符号
巡回ハミング符号
CRC符号
巡回符号
積符号
連接符号
シャフリング
インターリーブ
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有限会社 啓
符号構成
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実験機システム構成
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試作ハイビジョンDVTRの諸元
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有限会社 啓
試作実験機のデータレートと記録密度
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有限会社 啓
データの圧縮技術
データの圧縮は新しい技術ではなく古くから使われ
ていた
n 
n 
映像信号を伝送する際に通信路の帯域に合わせる事
通信コストを削減することが目的
よく知られている方法としてDPCMがあった
ここでは画像用に最近使用されているMPEGにつ
いて触れる
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有限会社 啓
MPEGとは
2006/07/14
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有限会社 啓
MPEG ビデオ
<空間領域における冗長性の除去>
自然画像は、領域を狭く限ると画素のレベル値が互いに
近いことが多い。ある領域(空間)内における画素値の変
化の度合い(空間周波数)が比較的小さいともいえる。
したがって画像を空間周波数領域のデータに変換する
と、データは低周波側に偏る。この結果高周波側のデータ
により少ないビット数を割り当てることにより、全体として
変換前より少ないビット数で画像を符号化できる。
MPEGでは、この空間―周波数変換にDCT(Discrete
Cosine Transform:離散コサイン変換)という手法を用い
ており、ブロックと呼ばれる8×8画素単位でDCTを行う。
<時間領域における冗長性の除去>
動画像は複数のフレームと呼ばれる画像により構成さ
れている。
あるフレームと、その1/30秒前の画像である直前のフ
レームとの間では、多くの場合それぞれの画像は似たも
のとなる。そこで直前のフレームをもとに、現フレームとの
差のみを抽出して符号化すれば、ビット数の削減につな
がる。これをフレーム間予測という。
また、画面内で動く物体を検出し、その動きを予測して
その結果と現フレームとの差を抽出するようにすれば、予
測の精度が向上し、さらなるビット数の削減につながる。
これを動き補償という。
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有限会社 啓
ビデオフォーマット
DVDビデオゾーンにはDVDビデオの再生に必要な
全てのファイルが入っており、ひとつのVMG(Video
Manager)といくつかのVTS(Video Title Set)からなる。
VMGはVMGI(Video Manager Information)、
VMGM_VOBS(Video Object Set for VMG Menu)と
バックアップのためのVMGI(BUP)からなる。
VMGIはDVDビデオゾーン全体についての制御情報
であり、VIDEO_TS.IFOというひとつのファイルから
なっている。
VMGM_VOBSはタイトル選択メニューのためのコンテ
ンツであり、VIDEO_TS.VOBというひとつのファイルか
らなっている。
VMGI(BUP)はVMGIの完全なコピーであり、
VIDEO_TS.BUPというひとつのファイルからなっている。
VMGM_VOBSはあってもなくても良いが、他の二つは
必ずなくてはならない。
VTSはVTSI(Video Title Set Information)、VTSM_VOBS(Video Object Set for the VTS Menu)、
VTSTT_VOBS(Video Object Set for Titles in a VTS)とバックアップのためのVTSI(BUP)からなる。
VTSIはそのVTSに対する制御情報であり、VTS_##_0.IFOというひとつのファイルからなっている。
VTSM_VOBSはVTS内の各種メニューのためのコンテンツであり、VTS_##_0.VOBというひとつのファイルからなって
いる。
VTSTT_VOBSはタイトル再生のためのコンテンツであり、VTS_##_@.VOBという複数のファイルからなっている。
VTSI(BUP)はVMGIの完全なコピーであり、VTS_##_0.BUPというひとつのファイルからなっている。 VTSM_VOBSは
あってもなくても良いが、他の三つは必ずなくてはならない。
ここで、##は01から99までの整数、@は1から9までの整数をそれぞれ表わす。
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有限会社 啓
DVDの容量とMPEG規格
ディスクの容量とMPEGの規格は強い関連がある。
ディスクに入れるためにデータ量を制限し規格が決まっている。
2006/07/14
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有限会社 啓
DVDディスクの構造
2006/07/14
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有限会社 啓
DVD+R/RW
記録原理は、
レーザー光の照
射で消去状態
(結晶相)と記録
状態(アモルファ
ス相)を切り替え、
その反射率の違
いによってデー
タを記録すると
いうもの。
2006/07/14
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有限会社 啓
DVD 原理
ゲルマニウム、アンチモン、テルリウムそれぞれの原子が持つ特性X線解析から、テルリウム-ゲルマニウムの原子間距離は
2.83オングストローム(1オングストロームは10分の1ナノメートル)、テルリウム-アンチモン間は2.91オングストロームで、アンチ
モン-ゲルマニウム結合は存在しないことがわかった。実験誤差は ±0.01オングストロームであった。また、第2近接状態にある
テルリウム-テルリウム間は4.26オングストロームであることから、6配位にある岩塩構造とは言い難く、4配位の構造をもつこと
が確認された。従来のX線による構造解析での各原子の格子点からの平均ゆらぎが0.04平方オングストロームであることから、
XAFSによる偏差は非常に小さく、この比較からゲルマニウムとアンチモンはランダムに岩塩構造の格子点を占めるのではなく、
強誘電体特性をもつゲルマニウム-テルリウム二元系材料と同様に、テルリウムと強い相関をもった歪んだ岩塩構造をもつこと
がわかった。さらにゲルマニウムおよびアンチモンの原子半径と結合数を考慮すると、均一な結合長をもつのではなく、強い結合
と弱い結合からなる図1に示されたような構造をとり、この構成ブロックが二次元的に結合した構造によって歪んだ岩塩構造が出
来上がっているものと考えられる。
また、アモルファス相と呼ばれる状態は、図1(a)のように中心にプラスに帯電した空孔をもちリング状に共有結合したゲルマニ
ウム -テルリウム- アンチモン- テルリウム- ゲルマニウム-テルリウム-アンチモン-テルリウム-からなる二次元ブロッ
クを維持しており、この隣接リングとの間でゲルマニウムとテルリウムの弱い共有結合が切れることで「アモルファス」構造を呈す
ることがわかった。このとき、アンチモン-テルリウム間の弱い結合は切れない。これは即ちユニット格子内のゲルマニウムのみ
がテルリウムとの弱い八面体構造(結晶状態)から強い四面体構造を取ることで格子が歪み、アモルファス相らしく見えているに
過ぎないということが初めてわかった(図2)。
産業技術総合研究所資料より 有限会社 啓
2006/07/14
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CD
記録原理は、レーザー光
の照射で消去状態(結晶
相)と記録状態(アモル
ファス相)を切り替え、そ
の反射率の違いによって
データを記録するというも
の。
2006/07/14
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有限会社 啓
最新のディジタルビデオレコーダー
新技術
パーシャルレスポンス
ビタビ復調
蒸着テープ
ディジタル等化
MRヘッド
2006/07/14
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有限会社 啓
フラッシュメモリーに記録
2006/07/14
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有限会社 啓
ご清聴ありがとうございました
2006/07/14
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有限会社 啓
参考文献
橋本 慶隆 放送用ディジタルVTRのシステム構成と高速・高密度化に
関する研究 1996年3月
RICOH DVD/CDメディアサポート情報
"Understanding the phase-change mechanism of rewritable
optical media"
ALEXANDER V. KOLOBOV, PAUL FONS, ANATOLY I. FRENKEL, ALEXEI L.
ANKUDINOV, JUNJI TOMINAGA and TOMOYA URUGA
PIONEER R&D 技術解説
Wikidedia 2006/07/14
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有限会社 啓
DVD フォーマット用語解説
DVD-ROMコンピュータ上で扱う読み出し専用のデータ記録メディアとして定められた
規格。CD-ROMと同様ISO9660規格のフォーマットであり、すべてのOS上で読み出し
が可能。
DVD+R
DVD+RWをベースに、追記型メディアとしてDVD+RWアライアンスが規格化。DVDROMと同等の反射率を持ち、互換性に優れている。
DVD+RW
互換性と使い勝手の両立を目指し、CD-RWの後継としてDVD+RWアライアンスが規
格化した記録型DVDメディア。2.4倍速記録、ロスレスリンキング、バックグラウンド
フォーマット、DVD+VRフォーマットなど、互換性と使い勝手を追及した様々な機能が
規格上で定められている。
DVD-RDVD-Videoオーサリング用のライタブルメディアとして定められた規格。業務
用のDVD-R for Authoringと一般ユーザー向けのDVD-R for Generalがある。
DVD-RW
DVD-Rの仕様をベースに、再利用のできるメディアとして定められた規格。メディ
ア上に、DVD-ROMにはないランドプリピットと呼ばれる切り欠きを記録すること
によりアドレス情報を管理するしくみをとっている。
2006/07/14
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有限会社 啓
59.94Hzの理由
カラー化する場合,色副搬送波の周波数は,色情報を伝えるのに十分な帯域を持
つように高くする必要があるので,音声 4.5MHz に近くなってしまう.よって妨害を
防ぐため,音声も輝度信号と同様に,色信号のピークとピークの間に現われるよう
にしたい.これには音声搬送波 4.5MHz が水平周波数の整数倍であればよい.
実際の値は以下の通り.音声搬送波 4.5MHz の整数分の 1 で,できるだけフレー
ム周波数が 30Hz に近くなるものを選ぶ.走査線は 525本なので,
4.5MHz / 286 =~ 15.734 kHz (水平周波数)
15.734 / 525 =~ 29.97 Hz (フレーム周波数)
と決めた.色副搬送波周波数は水平周波数の 奇数/2 倍で,色信号の帯域を考え
て
15.734265kHz * 455 / 2 =~ 3.579545 MHz (色副搬送波周波数)
とされた.
色信号の搬送波が水平周波数の 奇数/2 倍になっていることで,走査線ごとに色
信号が半周期ずれるようになっていて,縦縞のようなものが見えるのを防ぐ効果も
ある.ついでに走査線数も 525 なので,フレーム間でも位相が反転して相殺される
ことになる.
てな具合に規格の数字の依存関係としては実は音声信号が基準になっている.一
方,実際の機器の構成としては色副搬送波周波数が他のすべての基準になってい
て,高い精度が要求される.
2006/07/14
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有限会社 啓
ダウンロード

ビデオ信号のディジタル化 と 記録方式の変遷