第10回 画像通信

• 画像通信の概要

– 構成、画素、走査、送受信原理

• ファクシミリ

– 画像の走査と同期、光電変換と記録変換、伝送方式、符号化・復号化

• テレビジョン

– テレビジョンの仕組み、撮像装置、走査、映像信号、カラーテレビジョン信号、周波数インターリービング

• テレビジョン受像機

– 受像機の構成、ディスプレイ(ブラウン管、液晶、プラズマ、有機ＥＬ)、信号系回路、偏向系回路

画像通信の概要(P.192)

画像通信の原理画像を有限の数の点で表したものを画素(ピクセル)に分解し、画素を読取り、組立てる動作(走査)を行うことで、画像を伝える

画像通信の構成

画像入力

符号化処理

伝

送

復号化処理

画像出力

静止画像通信 ⇒ Fax紙出力

動画像通信 ⇒ テレビジョンディスプレイ出力

画像通信：写真、図面、文章(文字)などの視覚情報を電気信号に変換して伝送し、受信側で再現する通信形態

符号化処理アナログ通信においては、変調や多重化などディジタル通信においては、圧縮や誤り訂正なども行います

画素

N個の画素

個の画素

M

M×N画素の画像0000000000000000000000000000000000000000000000001110000000000000000000000000000011011000000000000000000000000000110001100000000000000000000000001100000110000000000000000000000011000000011000000000000000000000110000000001100000000000000000001111111111111110000000000000000001100000000000001100000000000000011000000000000000110000000000000110000000000000000011000000000001100000000000000000001100000000000000000000000000000000000000

Faxの場合、白黒の情報を0 or 1 の画素として表現

カラー画像の場合、各画素は赤色、緑色、青色の光(明るさ)の合成で表されます（ＲＧＢ：Red Green Blue）

画像通信の画素

ディジタルの場合は、R、G、Bそれぞれ8ビットの明るさで構成されます

画素は通常8ビットの明るさで表現カラーの場合はＲＧＢで表現

• 画素の「明るさ」は電圧の大きさで表されます

• 画素の左から右、上から下の順に順次、電圧を取り出し、送り出します(走査)

＝左から右に取り出す流れ

を走査線と呼びます

• 走査によって、2次元信号(画像)を1次元の電気信号に変換して、送り出します

電気信号

画像通信の走査

1画面は複数の走査線で構成されています

走査と同期

送信側と受信側で走査線のタイミングを

合わせることを同期と呼びます

画像通信の送受信

問1、問2へ

ファクシミリ(P.194)

ファクシミリの構成＝ラテン語の「写しとる」

原画に光をあて、反射光を光センサなどで、読み取り、受信側で左→右、上→下に走査して、復元します

主走査：水平方向(左→右)副走査：垂直方向(上→下)

主走査方向の1mm当たりの画素数を画素密度(画素/mm)といい、副走査方向の1mm当たりの走査線数を線密度(本/mm)といいます

問3へ

光電変換、記録変換

送信側において、画素の明るさや色を電気

信号に変換することを光電変換といいます

受信側において、信号から画素を復元し、

紙に出力することを記録変換といいます

光電変換には、CCD(電荷結合素子)など半導体イメージセンサが用いられる

エリアセンサ：矩形領域読取りリニアセンサ：線で読取り

ファクシミリにおいて、リニアセンサが一般的に用いられる理由を調べましょう 問4へ

黒色部分低い電圧白色部分高い電圧

伝送方式(P.197)

Faxの解像度普通文字：密度8×3.85本/mm(200×100dpi) 小さな文字：密度8×7.7本/mm(200×200dpi)微細文字：密度16×15.4本/mm(400×400dpi)

G3、スーパーG3はモデムを利用してアナログ回線で利用できるディジタル伝送方式普通のFaxはG3、スーパーG3は送受信で対応している必要あり

解像度(dpi) 符号化 伝送速度

Ｇ３ 200×200 MH or MR 14.4kbps

スーパーＧ３ 200×200 MMR or JBIG 33.6kbps

Ｇ４(ISDN) 400×400 MR,MMR 64kbps

a) ランレングス符号化RunLengthEncording

左上から順に読み取る白黒黒黒白黒白白白黒・・・

白ラン

黒ラン

白ラン

黒ラン

白ラン

黒ラン

同じデータが並んだ状態をランと呼びます

ランの長さで記述すると

白1黒3白1黒1白3黒1・・・

例えば、白(文字なし)が16個続いた場所があると、0000000000000000 となり16bit 必要だが、16を2進数で表せば10000 ⇒ 5ビットとなり ⇒ 1/3 に削減となります

同じデータがたくさん並ぶほどデータは削減できます

⇒ Faxデータに有効

Faxの圧縮技術(1)

b) エントロピー符号化

① MH方式(モディファイドハフマン符号方式)良く出てくるものには短い記号を割り当てます

「白3」 ・・・ 1000「黒3」 ・・・ 10

余り出てこないものは長い記号でも影響は少ないです「白8」 ・・・ 10011「黒8」 ・・・ 000101

② MR方式(モディファイドリード符号方式)ある行とすぐ下の行の差を符号化します差が少なければ送信量は小さくなります

例) 15 → 20 → 21 → 2515 → +5 → +1 → +4

下記の行は変化しないので、MR方式では削減となる

教科書P199の例

Faxの圧縮技術(2)

b b b a a c c c c a a a c c c c

b 3 a 2 c 4 a 3 c 4

bが3個 aが2個 cが4個

ランレングス符号化

データ内に同じ記号が連続して並んでいる場合、その記号の連続回数を記録していく方法

元データ

圧縮データ

cが4個aが3個

連続的に並ぶ個数が多くないと圧縮できません

例) abcdefgh→ 1a1b1c1d1e1f1g1h データは倍になってしまいます

1文字8bitとすると

⇒ 128bit

⇒ 80bit

エントロピー符号化

ハフマン符号データの出現頻度に応じて、ビット長の違う符号を割り当てる

普通の符号化

データ値 符号

00011011

ABCD

１つのデータに必要なビットは、

2.0bit となている

出現度に基づく符号化

データ値 符号

010110111

ABCD

1つのデータに必要なビットは、0.8×1+0.1×2+0.05×3＋0.050×3

= 1.3bit に削減できる

出現確率

0.80.10.050.05

ハフマン符号は、現在のファイル圧縮にも利用されています。興味のある人は、作り方を調べてみましょう。 問5へ

ハフマン符号化(参考)

0.80

0.10

0.05

0.050.1

0.2

0

1

0

1

0

1

1.0

ハフマン符号作成の手順①生起確率順に並べる②生起確率の低い２つを選び枝を１つにまとめ、生起確率をたし合わせる（元の２つの生起確率は削除）２つの枝には“０”、“１”のラベル付けをする③生起確率1.0の枝ができたところで符号化終了、そうでなければ④へ④②へ戻り手順を繰り返す

①確率順に並べる

② -a)生起確率の低い 0.5 、0.5 をまとめて 0.1

② -b)2-a)の0.1と残ったものの中で更に、生起確率の低い2つをまとめる0.1と0.1をまとめて 0.2

② -c)2-b)の0.2と残った0.8をまとめ1.0となるので終了

カラーファックス：カラー画像を伝送可能なFaxで、JPEGと呼ばれるカラー画像の圧縮を利用しています。(JPEGについては、後日学びます P.261)光電変換、記録変換は白黒Faxと同じです。

事前に送・受信側ともカラーFaxであることが分かっていることが必要で、情報が多くなるため伝送に時間がかかります。そもそも、Faxの解像度は高くないため、カラーの必要性があまりなく普及していないのが現状です。

JPEGを利用した機器

ディジタルカメラ、スマートフォン、イメージスキャナ、ディジタル複合機、プリンタ etc

カラーFax(P.200)

中間周波数増幅回路

同期回路

復調回路

音声検波回路

色回路

チューナー回路

音声出力回路

同期回路水平垂直偏向回路

色回路

音声増幅回路 音声送信機

変調回路

映像送信機

混合器

映像増幅回路

送信の仕組み

受信の仕組み

送信アンテナ

スピーカ

受像管

受信アンテナ

水平垂直偏向回路

撮像管

マイクロホン

映像増幅回路

テレビジョン(P.201)FM変調

AM変調

問6へ

地上ディジタル放送の概略

映像

音声

データ

映像符号化(圧縮)

音声符号化(圧縮)

データ符号化(圧縮)

多重化

伝送路符号化

変調(O

FD

M)

アンテナ

映像、音声、データは圧縮後、右図の様に多重化され、誤り訂正符号やインターリーブなどの処理が行われます変調は、OFDMを利用して周波数利用効率を上げています

多重化することで、多様なビットレート(ワンセグ、文字放送など)に対応でき、連続的な誤りを訂正可能な符号化ができます

VHF周波数 90 ～ 108MHz マルチメディア放送

108 ～ 170MHz CATV

170 ～ 202.5MHz 災害対策用の無線通信

207.5 ～ 222MHz マルチメディア放送

UHF周波数 470 ～ 710MHz 地上ディジタル放送

715 ～ 725MHz 高速道路交通システムの無線通信

730 ～ 770MHz 携帯電話

アナログテレビで利用されていた90～770MHzのうち、ディジタル放送では利用しない周波数帯を違うサービスに使えるようになりました

テレビジョン放送の周波数(P.202)

アナログテレビ放送では、上記周波数帯をすべてテレビ用としていましたが、現地上ディジタル放送では、470～710MHz帯しか利用しません。

テレビ映像と音声に必要な周波数帯域5.6MHz

6MHz

12MHz

ディジタル放送の電波の周波数帯域

アナログ放送の電波の周波数帯域

ディジタル放送の電波利用周波数⇒ アナログ放送の１/２

アナログ放送では、周波数帯域を狭くすると、隣接チャンネルが混信してしまうため広くする必要がありました。

470MHz 710MHz

6MHz

1ch分

12MHz

1ch分

アナログ放送だと20ch分

・・・・・

6MHz

1ch分

12MHz

1ch分

12MHz

1ch分

6MHz

1ch分

6MHz

1ch分

・・・・・6MHz

1ch分

6MHz

1ch分

ディジタル放送だと40ch分

アナログ放送の周波数間隔

ディジタル放送の周波数間隔

テレビジョン放送の周波数帯域

問7へ

・ 発光点が左から右に高速に移動（走査）し、

右端に到達したら、下に下がって再び左から右に移動する

・走査線＝走査の軌跡

標準テレビ(SDTV)では525本、ハイビジョン（HDTV）は1125本

画面に表示されるのは480本（有効走査線数）と1080本とです

・・・・

有効走査線

走査線走査線

SDTV：Standard Definition TV 、HDTV：HighDefinitionTV

SDTVでは、走査線を間引いて送り（インターレース）、TV受像機のコスト軽減と、動画の滑らかさを両立させています

・・・・

順次走査（プログレッシブ） 飛び越し走査（インターレース）

・・・・

①②③④⑤⑥

①

③

⑤

インターレースとプログレッシブ

各フィールドは1/60秒で構成、1/30秒で1フレームを構成します

↓1秒間に30フレーム（30fps）

奇数フィールド（奇数番目走査線の集まり）

①③⑤⑦⑨

②④⑥⑧⑩

偶数フィールド（偶数番目走査線の集まり）

＋

①③⑤⑦⑨

②④⑥⑧⑩

フレーム

各フィールドを1/60秒とすることで残像による滑らかさが保てます(1秒30フレームの粗さを補う上手いやり方です)

フィールドとフレーム

問8、問9へ

横縦比

（アスペクト比）

走査線

[本]

有効走査線

[本]走査方法 解像度

SDTV

(アナログTV)4 : 3 525 480 i 720 x 480

HDTV

(ハイビジョTV)

16 : 9/4 : 3

16 : 9

16 : 9

525

750

1125

480

720

1080

i/p

p

i/p

720x480

1280 x 720

1920 x 1080

ただし、地デジは1440x1080インターレース（30fps）が主に送信されており、受信側で1920x1080に変換して表示しています

* i：インターレース、p：プログレッシブ

SDTVとHDTV

SDTV：Standard Definition TV 、HDTV：HighDefinitionTV 問10へ

映像信号最高映像周波数

最も細かい画像の周期が最高映像周波数となります。

最も細かい画像 ⇒ 白黒の画素が交互となる（右図のような格子模様）

アナログテレビでは、走査線数は525本、1秒間のフレーム数30なので、水平走査線1本を表示する時間は、1/525/30＝1/15750秒となります。

アスペクト比は 4：3 なので、縦じまの数は、4/3×525＝700本 となります。

白黒の繰り返しは350回なので、1回の繰り返し時間は1/15750 ÷ 350 ＝ 1/5512500 となります。つまり周波数としては、

約５．５MHz が必要となるわけです。 縦じま模様の2つの画素で1周期を表すことに注意しましょう

映像信号

水平帰線：画面右端まで走査したら画面左端に戻す走査

垂直帰線：画面の最初の場所(つまり左上)に戻す走査

水平帰線、垂直帰線は画面に表示させないようにするため、同期信号が必要となります水平同期は走査線毎に、垂直同期はフィールド毎に必要となります

カラー信号（色信号）

光の３原色赤(R)、緑(G)、青(B)の光で、すべての色を作り出せる

撮影装置から出力されるR、G、Bに応じた電気信号を色信号という

色信号を放送したのでは、白黒テレビとの両立ができなかった

輝度信号(映像信号の明るさ)と色差信号(輝度信号と色信号の差)を利用して、白黒テレビとカラーテレビの両立を可能とした

カラー信号人の目の感度：(高) 緑 → 赤 → 青 (低) 緑の明るさの変化は気づき易い

青の明るさの変化は気づき難い

輝度信号（Y）と色差信号を工夫

視覚特性を利用したＩ信号、Ｑ信号で表現I信号 ⇒ 変化に敏感な色成分Ｑ信号 ⇒ 変化に鈍感な色成分

Ｉ信号を送信する周波数帯は広く(1.5MHz)Ｑ信号を送信する周波数帯は狭くする(0.5MHz) 問11へ

直角変調

3.58MHzの色副搬送波により、I信号とQ信号の位相を90°ずらしてAM変調します90°位相をずらすので直角変調といいます

Ｉ信号

Q信号

搬送色信号

Ｉ信号

Q信号

搬送色信号

搬送色信号sin波

×

×

cos波

LPF

LPF

I 信号

Q 信号

カラーテレビジョン信号(NTSC)

1.5MHz

0.5MHz

I信号、Q信号、輝度信号の３つの信号＋音声信号を合成して送信

アナログテレビ放送の周波数帯域は約6MHzですが、隣チャンネルとの干渉をなくすために、各チャンネル12MHzの帯域としていました

カラーテレビジョン信号

水平同期信号

水平同期信号により、BからCの間、水平帰線消去します。カラーバースト信号（カラー同期信号）により、変調に使用した色副搬送波と同期した復調を行います。(同期しないと正しい色が再現できません)

周波数インターリービング

輝度信号と搬送色信号(I信号とQ信号の合成)を同時に送ると画面(フィールド間)の明暗差が目立ってしまうため、色副搬送波の周波数を水平走査周波数の半分の奇数倍 3.58MHz としています

⇒ 周波数インターリービング偶数フィールドと奇数フィールドの位相が反転するように周波数をずらして明暗の変化を消去する

本日の講義はここまで