〔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
（平成元年8月31日受理）橋口住久 三枝正人
木下祐三 中澤透
荒崎真一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 撮像素子で捕らえた画像信号を固体メモリに記録す 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 式を用いて画像情報を1／2に圧縮して記録するシス テムのハードウェアを試作した， 2． データ圧縮の方法 2．1 画像情報の特徴 画像情報は，隣接する画素の相関が高いという性質 を持っている．画像の輝度の空間分布が急激に変化す るのはまれであるので隣接する2っの画素のデータが 似かよった値になる確率が高い．データの値の変化が 小さいということは冗長性があるということであり， この冗長性を取り除くことにより情報量を圧縮するこ とができる， ＊電子情報工学科，Department of Electronics ＊＊機山工業高校，Kizan Technical High Schoo1 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 （予測誤差信号）を符号化する．ハードウェアの構成 は直前のデータのみを予測に用いる前値予測DPCM 方式が最も簡単である．
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 する画素の輝度をXn，この画素の左隣の画素の輝度 をXn−1（前値）とするとき， Xn−1から予測できる AXnの値を予測値Xnとすると，差信号enは次式の
ようになる． A en＝Xn−Xn （1） 図一1は，画像情報の差信号分布の一一例である．画像 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）． （1）差信号は小さい値が多く，平均値をOと考えて よい． （2）差信号の分散は元の画像情報の分散の1／10 程度になる．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 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． ’
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 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 のディシタル信号に変換して記録再生する，画像信号 は256本の水平走査線からなり，一走査線あたり256回サンプリングして256×256個のデータを
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
り，これを非線形変換器（コンプレッサ）によって4 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 のと同じデータを非線形逆変換器（エキスパンダ〉に よってもとの8ビットレベルのデータにもどし，これ 0．30 0．25 ン eO．20 三 乏O．158
臣 0．10 0．05 0 ・●●・ ● ・● ・ ・ ● ● ● ● ● 一32 −16 0 16 32 e 図一1 予測誤差信号分布の一例 Fig．1 A typical distribution of the prediCtion error of a image slgna】LRECORDING SECTION
A
に予測値Xnを加えて復号し，これを次の時刻の予測 値とするための回路である．このとき得られる予測値 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） qnは， en＋1を求めるときに逆符号となり復号器で 発生したqnとXn＋1を復号するときに打ち消し合う ので累積しない． 再生セクションでは，メモリ内のデータは順次読み 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 して出力する， 2．4 非線形変換器の特性画像信号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
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 さいところに集中して分布するので，小さい差信号を を細かく量子化し，大きい差信号を粗く量子化すれば， 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 ットに量子化する．非線形変換の特性は平均量子化雑 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 はマックスの手法により次式で与えられる2）．・−EXP←等xl
F（x）＝
V （3）IN
「一一一
j’i〈iTδ∂6厄亘一一一「lXn en d l
1−EXP（−K）
K＝ 326 V
V：画像信号の最大振幅（255） σ：差信号の標準偏差REPRODUCING SEOTION
A／D
十 1 1 1 1 1 1 1 1 へXn
「一’S言一ごδ三皿一一「
COM
DELAY
MEMORY
EXP
E芸［！
十＋ 十 ＋卍 十A
Xn
DELAY
D／A
OUT
L−一＿＿一＿一一一＿．．＿．．＿一＿一」 1 tDECODER
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
平成元年12月 山梨大学工学部研究報告 第40号 ここでは，ミッドトレッド型1）を用いて量子化を行 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 5段階の値に変換して，これを4ビットて表現する， なお，図一4はエキスパンダの非線形逆変換特性である． σの値は，複数のサンプル画像の標準偏差の平均値 からσ＝17とした， 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， （1）NTSCコンポジット信号に比べ処理しやすい こと （2）撮像素子の出力信号はRGB信号が基本である ℃
7
6
5
4
3
2
1
0
50 100 150 200 250 e 図一3 非線形変換 Fig．3 Nonlinear transformation of the compressorIN
こと （3）フ’リントする場合にもRGB信号か必要である こと （4）RGB各色に同一のハードウェアを用いること ができること などの理由による． 3．2 システムの構成 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 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 を挿入した． 最大出力振幅はO．7Vとしてある． ω250
200
150
100
LPF
50
0
RGB
O．7VPP1 2 3 4 5 6 7
d 図一4 非線形逆変換 Fig．4 Nonlinear inverse transformation of the expanderAMP
15db
A／D
8
HSYNC
ENCODER
8
VSYNC
MEMORY
64kbyte
MEMORY
CONTROL
8
DECODER
8
D／A
LPF
−15dbAMP
OUT
HSYNC
RGB
O．7VPPMEMORY
CONTROL
VSYNC
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 ディジタル回路では，ICが発生するノイズや外部 からのノイズが誤動作の原因となる． ディジタルICでは，内部てトラン1スタかスイッ チング動作を行うときに消費電流が大きく変化するの で，電源のインピーダンスが十分低くないと電源電圧 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，
