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

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1 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
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 1

2 画像通信の概要(P.192) 画像通信の構成 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
　　　　　　　紙出力 画像入力 符号化処理 伝　　 　送 復号化処理 画像出力 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

3 画像通信の画素 Faxの場合、白黒の情報を 0 or 1 の画素として表現 M×N画素の画像 M 画素 個の画素 N個の画素
M 画素 個の画素 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 N個の画素 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） 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

4 画像通信の走査 電気信号 1画面は複数の走査線で 構成されています 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 右端に到達し、次の場所の 左端に戻ることを帰線といいます 電気信号

5 画像通信の送受信 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 問1、問2へ

6 ファクシミリ(P.194) ファクシミリの構成 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
＝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

7 光電変換、記録変換 エリアセンサ：矩形領域読取り リニアセンサ：線で読取り
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 黒色部分低い電圧 白色部分高い電圧 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

8 伝送方式(P.197) 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 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) 解像度(dpi) 符号化 伝送速度 Ｇ３ 200×200 MH or MR 14.4kbps スーパーＧ３ MMR or JBIG 33.6kbps Ｇ４(ISDN) 400×400 MR,MMR 64kbps

9 Faxの圧縮技術(1) 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 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 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 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、 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

10 Faxの圧縮技術(2) 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
　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」 ・・・ 教科書 P199の例 下記の行は変化しないので、 MR方式では削減となる 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 → 25 　 → +5 → +1 → +4

11 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
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 1文字8bitとすると 元データ b a c ⇒ 128bit bが3個 aが2個 cが4個 aが3個 cが4個 圧縮データ b 3 a 2 c 4 a 3 c 4 ⇒ 80bit 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

12 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
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 出現度に基づく符号化 データ値 符号 データ値 出現確率 符号 A B C D 00 01 10 11 A B C D 0.8 0.1 0.05 10 110 111 １つのデータに必要なビットは、 2.0bit となている 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 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

13 ハフマン符号化(参考) 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 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 0.80 0.10 0.05 0.1 0.2 1 1.0 ①確率順 に並べる 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 -a) 生起確率の低い 0.5 、0.5 をまとめて 0.1

14 カラーFax(P.200) 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

15 テレビジョン(P.201) 送信の仕組み 受信の仕組み マイクロホン 送信アンテナ 撮像管 搬送波にのせる(変調) スピーカ 受信アンテナ
FM変調 送信アンテナ 音声増幅 回路 音声送信機 色回路 撮像管 変調回路 混合器 映像増幅 回路 映像送信機 AM変調 水平垂直 偏向回路 同期回路 搬送波にのせる(変調) 受信の仕組み スピーカ 受信アンテナ 音声検波 回路 音声出力 回路 色回路 復調 回路 映像増幅 回路 受像管 チューナー 回路 中間周波数 増幅回路 水平垂直 偏向回路 同期回路 問6へ

16 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(OFDM) 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

17 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
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 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 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。

18 テレビジョン放送の周波数帯域 ・・・・・ ディジタル放送の電波利用周波数 ⇒ アナログ放送の１/２ 5.6MHz 6MHz 12MHz
　　⇒　アナログ放送の１/２ テレビ映像と音声に 必要な周波数帯域 5.6MHz 6MHz ディジタル放送の 電波の周波数帯域 12MHz アナログ放送の 電波の周波数帯域 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 アナログ放送だと20ch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 問7へ

19 走査線 走査線 ・・・・ ・ 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 SDTV：Standard Definition TV 、HDTV：HighDefinitionTV

20 インターレースとプログレッシブ 順次走査（プログレッシブ） 飛び越し走査（インターレース） ・・・・ ・・・・
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ③ ⑤ ・・・・ ・・・・ 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

21 ＋ フィールドとフレーム 奇数フィールド フレーム 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 ↓
（奇数番目走査線の集まり） 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) ① ③ ⑤ ⑦⑨ フレーム ① ③ ⑤ ⑦⑨ ②④ ⑥⑧⑩ ＋ ②④ ⑥⑧⑩ 　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） 偶数フィールド （偶数番目走査線の集まり） 問8、問9へ

22 SDTVとHDTV * i：インターレース、p：プログレッシブ 4 : 3 525 480 i 720 x 480 16 : 9/4 : 3
横縦比 （アスペクト比） 走査線 [本] 有効走査線 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 : 9 750 1125 720 1080 i/p 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 SDTV：Standard Definition TV 、HDTV：HighDefinitionTV 問10へ

23 映像信号 最高映像周波数 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 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/ 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

24 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

25 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
　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

26 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
(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

27 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
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 I 信号 Q 信号 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

28 カラーテレビジョン信号(NTSC) 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
1.5MHz 0.5MHz 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

29 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)

30 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

31 本日の講義はここまで