〔山梨大学工学部研究報告第40号1989年12月〕論文ディジタルスチルカメラ用 DPCM画像記録システムの試作橋口住久三枝正人木下祐三中澤透荒崎真一（平成元年8月31日受理） An Image Recording System for Digital Still Camera SumihisaHASHIGUCHI YuzoKINOSHITA ShinichiARAZAKI MasahitoSAIGUSA TohruNAKAZAWA Abstract An apparatus for recording of still images was manufactured for experiment． This appara− tus consists of an analog−to−digital converter， a data compressor， and an image memory． The image data of 8 bits／pel are reduced to 4 bits／pel by applying DPCM with the previous −sample feed back． The reproduced pictures were with good quality and no degrations were visible by most of the observers． 2．2画像のDPCM符号化 1．はじめに DPCM符号化方式は，画像情報の高能率符号化の代表的な方法である．この方式では，先行するデータから現在のデー一一一タを予測し，予測値と実際の値との差撮像素子で捕らえた画像信号を固体メモリに記録す（予測誤差信号）を符号化する．ハードウェアの構成るディジタルスチルカメラを実現するために，DPC M（Differential Pulse Code Modulation）符号化方は直前のデータのみを予測に用いる前値予測DPCM 式を用いて画像情報を1／2に圧縮して記録するシス方式が最も簡単である．テムのハードウェアを試作した，ここでは，画素数256×256画素，1画素RG B各8ビットの画像情報を圧縮する．いま一っの色のみについて考える．符号化しようと 2．データ圧縮の方法する画素の輝度をXn，この画素の左隣の画素の輝度 2．1 画像情報の特徴をXn−1（前値）とするとき， Xn−1から予測できる画像情報は，隣接する画素の相関が高いという性質 A Xnの値を予測値Xnとすると，差信号enは次式のを持っている．画像の輝度の空間分布が急激に変化すようになる．るのはまれであるので隣接する2っの画素のデータが A en＝Xn−Xn （1）似かよった値になる確率が高い．データの値の変化が図一1は，画像情報の差信号分布の一一例である．画像小さいということは冗長性があるということであり，情報は，次のような共通の性質を持つことが知られている1）．この冗長性を取り除くことにより情報量を圧縮するこ（1）差信号は小さい値が多く，平均値をOと考えてとができる，よい．（2）差信号の分散は元の画像情報の分散の1／10 ＊電子情報工学科，Department of Electronics 程度になる．＊＊機山工業高校，Kizan Technical High Schoo1 一78一ディジタルスチルカメラ用DPCM画像記録システムの試作 A に予測値Xnを加えて復号し，これを次の時刻の予測したかって，差信号を取ることによって情報量の圧縮かできる． ’ 値とするための回路である．このとき得られる予測値 2．3 DPCMシステムの動作図一2は，前値予測DPCMを用いた画像記録再生シは量子化誤差qnを含んでいる．したがって，予測値 A Xn＋1は次式のようになる， A Xn＋1＝Xn十qn （2）ステムのフロック図である，記録セクションでは，アナロク入力信号を8ヒット qnは， en＋1を求めるときに逆符号となり復号器でのディシタル信号に変換して記録再生する，画像信号発生したqnとXn＋1を復号するときに打ち消し合うは256本の水平走査線からなり，一走査線あたり2 ので累積しない． 56回サンプリングして256×256個のデータを再生セクションでは，メモリ内のデータは順次読み得る．一走査時間は63．5μsであるので，このときのサンプリングレートは5MHzである．第nサン A プル点のデータXnとその予測値Xnとの差enを作出して非線形逆変換し8ビットのデータを得る．このハ値に予測値Xnを加えて復号し，アナログ信号に変換り，これを非線形変換器（コンプレッサ）によって4 2．4 非線形変換器の特性ヒットのデータdに符号化してメモリに記録する．図中で破線で囲まれた局部復号器は，メモリに記録する画像信号Xnが8ビット（0∼255）のとき，差信号enは一255から＋255までの9ピットとなのと同じデータを非線形逆変換器（エキスパンダ〉にる．差信号enは511個の全ての値にわたって一様に分布するのではなく，図1のように差信号enが小して出力する，よってもとの8ビットレベルのデータにもどし，これさいところに集中して分布するので，小さい差信号を 0．30 を細かく量子化し，大きい差信号を粗く量子化すれば， ● 0．25 効率的に符号化できる．ここでは，この差信号の分布を考慮して，8ビヅトの差信号を非線形変換して4ビン eO．20 三・● ットに量子化する．非線形変換の特性は平均量子化雑乏O．15 音電力が最小となるように，すなわちS／N比が最大となるように選ぶ．この条件を満たす非線形変換特性 8臣 0．10 はマックスの手法により次式で与えられる2）．・・・−EXP←等xl 0．05 ● ● V （3） F（x）＝ ● ● ・●●・ 0 ● 1−EXP（−K） K＝ 326 V 一32 −16 0 16 32 e 図一1 予測誤差信号分布の一例 V：画像信号の最大振幅（255） Fig．1 A typical distribution of the prediCtion error of a image slgna】L RECORDING SECTION σ：差信号の標準偏差 REPRODUCING SEOTION 「一一一j’i〈iTδ∂6厄亘一一一「 IN A／D lXn en d l 十 COM 「一’ S言一ごδ三皿一一「 MEMORY EXP ＋卍十 D／A 1 へ E芸［！ 1 1 十＋ 1 1 十 L−一＿＿一＿一一一＿．．＿．．＿一＿一」 1 1 t 1 Xn DELAY A Xn DELAY DECODER 1 L＿．二：二二：二：二二：二二二二nl’ ⊂）oM：・cOMPREssOR EXP：EXPANDER 図一2 前値予測DPCMのブロック図 Fig・2 Block diagram of a previous−sample feedback DPCM 一79一 OUT 第40号山梨大学工学部研究報告平成元年12月ここでは，ミッドトレッド型1）を用いて量子化を行こと（3）フ’リントする場合にもRGB信号か必要であるった．ミッドトレ・ゾド型は，0付近の代表値が0であるので，0付近での符号化特性がよい．−255から＋255までの差信号を図一3の非線形変換によって1 こと 5段階の値に変換して，これを4ビットて表現する，ができること（4）RGB各色に同一のハードウェアを用いることなお，図一4はエキスパンダの非線形逆変換特性である．などの理由による． σの値は，複数のサンプル画像の標準偏差の平均値 3．2 システムの構成からσ＝17とした，図一5は，画像記録再生システムのブロック図である．入力信号を遮断周波数2MHzのアンチエーリアスフィルタを経て15dB増幅してからAD変換する．サンプリング周波数が5MHzであるため1画素の演算は200ns以内に終了することが必要であるので，動作速度の速いTTLでロジック回路を構成して 3． DPCM画像記録システムの試作 3．1 システムの概要ここで試作したシステムは，RGB各色の信号をディシタル変換した画像情報をi／2に圧縮し，メモリに記録するものである，RGB信号を用いるのは，いる．非線形変換器と非線形逆変換器には，高速動作のバイポーラ型PROMを用いた．出力側にも高域遮断周波数2MHzの低域フィルタ（1）NTSCコンポジット信号に比べ処理しやすいを挿入した．こと（2）撮像素子の出力信号はRGB信号が基本である最大出力振幅はO．7Vとしてある． 250 7 6 200 5 150 4 ℃ ω 3 100 2 50 1 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 e 図一3 非線形変換 d 図一4 非線形逆変換 Fig．3 Nonlinear transformation of the compressor Fig．4 Nonlinear inverse transformation of the expander IN RGB LPF AMP 15db A／D 8 ENCODER 8 8 MEMORY 8 DECODER D／A 64kbyte AMP LPF −15db O．7VPP OUT RGB O．7VPP HSYNC MEMORY CONTROL VSYNC HSYNC MEMORY VSYNC CONTROL 図一5 画像記録システムのブロック図 Fig．5 Block diagram of the recording system 一80一ディジタルスチルカメラ用DPCM画像記録システムの試作 3．3 ノイズ対策は256×256ては十分ではなく，少なくとも51 ディジタル回路では，ICが発生するノイズや外部 2×512の分解能か必要である．画素数を増加するには1画素当りの演算時間を短縮することが必要であからのノイズが誤動作の原因となる．チング動作を行うときに消費電流が大きく変化するのる，512×512画素にするには1画素あたりの演算は100ns以下となる．で，電源のインピーダンスが十分低くないと電源電圧復号画像の画質を向上させるには，エラーの発生をが変動し，誤動作を生じる．ここでは，個々のICか発生するノイズが他のICに影響するのを防ぐため，方法が考えられる．ディジタルICでは，内部てトラン1スタかスイッ減少させなけれはならない．そのためには次のような（1）二次元の予測を行う．この場合にはラインメモすべてのICの正負の電源ピンの間に1∼2nFのバリが必要となる．イパス用セラミックコンデンサを挿入した，（2）画面の性質に適応した符号化を行う，製作したシステムは4枚の基板で構成されている．電源から侵入するノイズを少なくするため，基板毎に定格5V5Aの三端子レキュレータを使用し，220 ここでは，予測誤差信号分布の標準偏差を17に固定して非線形変換特性を決定しているが，標準偏差が μFのコンデンサを並列に挿入した． 17でない画像にっいては，最適な符号化が行なわれ 4枚の基板のGND（接地）電位を等しくするためないことになる．画像毎に標準偏差を求めて非線形変に，4枚の基板を1枚の大きいアース板の上に乗せ，換特性を決定するようにすれば，その画像に最適な符基板の電源端子のGNDと電源のGNDをアース板に号化を行うことかできエラーを減らすことができる，最短距離で接続した．画像毎に非線形変換特性を決定するには，あらかじ 4．結果と検討め複数の非線形変換器を用意しておき，1画面分のデータをフレームメモリに記録してから差信号の標準偏差を求め，適当な非線形変換器を選択して符号化を行製作したシステムを用いて，ディジタル画像情報をうという方法が考えられる． 1／2に圧縮してメモリに記録した．これを復号してノイズ対策としては，（1）システム全体のシールトを完全にする得られた復号画像と原画像を比べると，視覚的にはほ（2）電源ラインのインピーダンスを下げるとんど劣化のない画像が得られた．原画像と復号画像の差の画像（図一6）を見ると，輝ことが必要である．度変化が大きいエッジ部分ではエラーが発生している 5．おわりにが，このエラーは復号画像を肉眼でみる限りほとんど検知できない，電子スチルカメラに搭載する場合を考えると画素数ディジタルスチルカメラを実現するために，DPC M画像記録システムを試作した．試作システムを用いて，画像デー−yを1／2に圧縮して半導体メモリに記録再生した．その結果，元の画像に比べて視覚的には劣化が検出できない再生画像が得られた．ディジタルスチルカメラに搭載するには画素数を4 倍以上に増やす必要があることがわかった．高画質化をはかるためには，二次元予測を用いる方法や画面の性質に応じた符号化を行う方法をさらに検討することが必要である．参考文献 1）伊東晋：画像情報処理の基礎，東京理科大学出版会図一6 エラー画像（1986） Fig．6 errors on a Pictu「e 2） J．Max：”Quantti2ing for Minimum Distrtion”，IRE Trans．Inf．Theory，IT−6，11pp，7−128 （March 1960）一81一