動画像処理特論１ 動画像の獲得と保存

1.1 動画像の撮影 1.1.1 カメラの構造と原理 画像撮影装置の構成要素 １）像を結ぶためのレンズ 1.1　動画像の撮影 1.1.1 カメラの構造と原理 画像撮影装置の構成要素 １）像を結ぶためのレンズ ２）レンズを通る光の面積（直径）を調整する絞り ３）レンズを通る時間を調整するシャッター ４）画像を感知するためのイメージセンサー

カメラの基本的な構造は図１に示すとおりである． 　デジタルスチールカメラやビデオカメラの場合，フィルムの代わりに平面型のCCDイメージセンサーが使われており，そして，機械的なシャッターの代わりに電子シャッターが使用される場合が多い．

図1　カメラの構造

●　レンズは空間中の一点から出る光を別の点に集 　める機能を持つ光学部品である． ●　絞りは，中心に穴が開いている円板状のもので， 　レンズの中或は後ろに設置されている．穴の直径 　を調整することでレンズを通る光の面積を調整で 　きる．

●　シャッターはイメージセンサーの前に設置され 　る扉のことである．一般的に薄い金属や布ででき 　ている．シャッターを開閉することで撮影の時刻 　や時間をコントロールすることができる． ●　イメージセンサーはレンズで光学的に形成され 　た像を化学反応や電気信号に変換するものである．

CCDイメージセンサー CCDイメージセンサーは、 １）入射する光を集めるレンズ、 ２）入射光を赤、緑、青の三原色に分けるカラーフィルター、 　２）入射光を赤、緑、青の三原色に分けるカラーフィルター、 　３）光を電荷に変換するフォトダイオード、そして 　４）電荷を集めて運び出す回路（CCD)から構成されている。 ・フォトダイオードとは、半導体二極管の一種で、照射された光によって電荷を生ずる素子である。 ・CCDはCharge Coupled Deviceの略で、電荷結合素子という。本来、電荷をバケツリレー式に伝送する機能を持つ素子を指すことばで、CCDイメージセンサーにおいて、フォトダイオードが生ずる電荷を運び出すために利用されている。

CCDイメージセンサーの構造 ・シリコン基板上にフォトダイオードと電極を碁盤目のように配置する。 ・個々のフォトダイオードは、受光した光の強弱に応じた電荷を発生する。 ・蓄積された電荷は、電極に交互に電圧をかけて、隣の電極に移動させ、最終的にひとつずつ出力される。（この部分はCCDである）

CCDの仕組み

1CCDと3CCD 1CCD： 個々のフォトダイオードに単色のフィルタをかけて 　一つの色の強さだけ検知し、周囲の素子の信号と総合して色情報を得る方式。 　CCDは光の強弱を検知するセンサーで、色を識別すること はできない。このため、個々のCCD素子にあらかじめ単色の フィルタをかけておき、別の色を受け持っている隣り合うい くつかの素子の信号と総合して色信号を得るのが1CCD方式で ある。 　フィルタには光の3原色(RGB：赤・緑・青)、もしくはその 補色(CMY：シアン・マゼンタ・イエロー)が使われる。前者 を原色系フィルタ、後者を補色系フィルタという。3つの補色 に可視領域の広い緑を加えて4色にフィルタリングする方式も

3CCD :　CCDを3面用意して、プリズムで分解した3原色をそれぞれの面で受光する3CCD方式が登場している。1CCD方式よりも高価だが、(特に色）再現性の高い画像が得られる。

２．画像の入力・伝送・デジタル化・記録 2.1 走査 画像：2次元のもの 画像の伝送経路・記録媒体：1次元のもの 2.1　走査 　画像：2次元のもの 　画像の伝送経路・記録媒体：1次元のもの 　　伝送経路の例：ビデオ信号，テレビ電波，ネットワーク等． 　　記録媒体の例：ビデオテープ，LD,DVD,コンピュータのメモリ等． 　2次元のものから1次元のものへの変換： 　　（空間依存情報から時間依存情報へ） 　　ラスタ走査 　　１．順次走査（non-interlace scan) 　　２．飛び越し走査 (interlace scan)

Non-interlace scan

Interlace scan

インタレーススキャンー、（奇数フィールド） １ ３ ５

インタレーススキャンー、（奇数フィールド＋偶数フィールド）

動画像の記憶と表現 動画像の表現： 動画像は元々、２次元平面に変動するアナログ的な光の信号である。 　動画像は元々、２次元平面に変動するアナログ的な光の信号である。 　現実の動画像伝送、記録、再生の過程において、動画像は静止画の系列として表現されている。 動画像の記録方法 　映画フィルム、アナログビデオテープ、アナログ光ディスク、デジタルビデオテープ、デジタル光ディスクなど

動画像を表現・記録・再生ための規格 映画： 　１秒間の動画像を２４枚の静止画として表現し、２４枚のフィルムで記録する NTSC形式のテレビ放送： 　１秒間の動画像を30枚の静止画像として表現し、 　1枚の画像を525本（有効本数480）の水平線で表現され、インタレース走査方式で、奇数/偶数フィールドに分けて記録する

デジタルハイビジョン： 　1080i:　１秒間の動画像を30枚の静止画像として表現し、1枚の画像を1080本の水平線で表現され、インタレース走査方式で、奇数/偶数フィールドに分けて記録する. 1本の水平線には1920個の画素がある。 　720p:　１秒間の動画像を60枚の静止画像として表現し、1枚の画像を720本の水平線で表現され、順次走査方式を採用し、1本の水平線には1289個の画素がある。 データ量を減らすために、MPEGという動画像圧縮技術が用いられている。

DV： NTSC程度の動画像を記録するためのデジタルビデオの規格の1種で、１秒間の動画像を30枚の静止画像として表現し、1枚の画像を480本の水平線で表現され、インタレース走査方式で、奇数/偶数フィールドに分けて記録する. 1本の水平線には720個の画素がある。データ量を減らすために、画像をフィールド単位で圧縮・記録される。 HDV： ハイビジョンを記録するためのデジタルビデオの規格の一つで、DVと同じ磁気テープを用いる。

光ディスク 　DVD:　DVと同程度の画質の画像が記録できるが、MPEG2規格利用して画像を圧縮する。 　VCD:　CDROMメディアを用いて動画像を記録するための規格で、MPEG1の規格利用して画像を圧縮する。 　画像の解像度はDVDの半分程度で、VHSと同程度の画質である。 　メモリ： 　　画像を記録用のメモリ、あるいはコンピュータのメモリにデジタル動画像データを記録する方法もある。

MPEGでは、フレーム間相関も利用して画像を圧縮するので、１フレームの画像を復元するために、前後数フレームのデータが必要である。