ディジタル・ビデオ信号の基礎と シリアル伝送規格の種類 ディジタル

第1章
ディジタル・ビデオ信号の基礎と
シリアル伝送規格の種類
∼画像の圧縮や伸張による遅延が無いSDIは医療機器や業務用，産業用カメラで活動する∼
黒毛利 学
ここでは，本特集を読み解くために必要なビデオ信号の基礎に
べての色を表現しています（図 1，図 2）．ここで合成とは，
ついて解説する．その後，ビデオ信号をシリアル伝送するため
RGB 各色を足し合わせる割合や，濃さを調整することを指
の規格を整理する．
します．
（編集部）
カメラでは，レンズを通した光の情報を，カラー・フィ
全国の都道府県庁所在地では，2006 年 12 月までに地上
ルタを用いて RGB に分解し，撮像素子で電気信号に変換
デジタル放送が開始され，一般家庭でもハイビジョン映像
しています．また，映像表示装置であるブラウン管，液晶，
を手軽に楽しめるようになりました．放送局では地上デジ
プラズマなどの方式によるディスプレイでは，例外なく
タル放送に合わせてスタジオ設備を一新し，ハイビジョン
RGB3 色の素子を持ち，この 3 色の組み合わせでいろいろ
放送に対応していきました．
な色や明るさを表現しています．
その際に，従来はアナログ・ビデオ信号を同軸ケーブル
を用いて引き回していた放送局内において，インフラを変
更することなくディジタル・ビデオ信号を引き回せないか
● YCbCr ；輝度と色差を表す
もともと映像信号は輝度信号（Y）だけでした（白黒映像）．
という要望が出てきました．そこで検討，採用されたのが
この信号と互換性を保ち，同時に色情報を伝えるために考
SDI（Serial Digital Interface）です．
えられた信号が，輝度・色差信号である YCbCr です．この
このSDI は，放送局だけに利用されるわけではありません．
LED を使った大型表示装置の映像信号伝送や小型カメラなど
信号はRGB 信号から作られており，Y は輝度信号，色信号
は CbCr となります．
の用途でも，従来は同軸ケーブルを利用してアナログ・ビデ
Cb（PB といわれることもある）は，青色の信号から Y 信
オ信号を伝送していたため，同じようにSDI を利用し，ディ
号（輝度信号）を引いたものであり，C（P
は赤色の信号
r
R）
ジタル・ビデオ信号を伝送したいという需要があります．
からY 信号（輝度信号）を引いたものです．このC は色彩を
ここでは，その準備として，ディジタル・ビデオ信号に関
表す Chroma（クロマ）という言葉に由来しています．
する基礎について，簡単に説明します．本特集の第2 章以降
では，このSDI の最新版である3G-SDI について解説します．
● 分解能 8 ビット，10 ビット，12 ビット； A-D コン
バータの分解能を表す
1．特集に出てくるビデオ信号の用語解説
アナログ・ビデオ信号をディジタル化する際には，A-D
コンバータを用います．この A-D コンバータの分解能に
● RGB ；足し合わせるとすべての色を表現できる
パソコンでは，R（赤）G（緑）B（青）の 3 色を合成し，す
Keyword
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よって，ディジタル・ビデオ信号の分解能が決まります．
一般的な動画を扱うカメラでは 8 ビットが主流です．
RGB，YCbCr，輝度・色差信号，分解能，4 ： 4 ： 4，4 ： 2 ： 2，SMPTE，インターレース，プログレッシブ，
フレーム・レート
Design Wave Magazine 2008 January
特 集2
RGBRGBRGB
RGB各色とも見
せない場合は黒
赤色部分
RGBRGBRGB
RGBRGBRGB
白色部分
緑色部分
図 1（1）
図２（1） RGB の色の組み合わせでさまざ
まな色ができる
液晶セルを拡大してみるとRGB1 組の画素で構成されている
● 4 ：4 ：4 や4 ：2 ：2 ；輝度に対する色の割合を表す
1
ています．
画素（ピクセル）のデータをサンプリング（量子化）すると
余談ですが，欧州では EBU（European Broadcasting
き，そのピクセルがどのようなサンプリング・データを持
Union ；欧州放送連合）という団体があり，SMPTE と同じ
つのかを表す方法として，4 ： 4 ： 4 とか 4 ： 2 ： 2 などと
ように欧州独自の映像規格を策定しています．また，日本
表すことがあります．
では ARIB（社団法人 電波産業会）があります．この 3 団体
4 ： 4 ： 4 とは，すべての画素が色の 3 要素（輝度・色差
信号 YCbCr または RGB）のデータをすべて含むことを意味
は，お互いに連携をとりながら映像規格の策定に取り組ん
でいるようです．
します．このサンプリング方式は，パソコンの表示や高度
な編集用途などで使われています．
● 1080i や 720p ；水平走査線数と走査の方式を表す
4 ： 2 ： 2 とは，輝度・色差信号 YCbCr の伝送で使用さ
最近，ちまたでよく聞かれるハイビジョンという言葉が
れることがあります．すべての画素は輝度信号 Y を含みま
あります．ハイビジョン映像には大きく分けて 2 種類あり
すが，色差信号 CbCr は 2 画素に一つのデータしか含みませ
ます．インターレースを基本とした1080i（i はインターレー
ん．例えば，ハイビジョン映像の場合，サンプリング周波
スの頭文字）とプログレッシブの 720p（p はプログレッシブ
数（ピクセル・クロック）は，74.25MHz です．輝度信号 Y
の頭文字）です．
は74.25MHz でサンプリングされますが，色差信号 CbCr は
1080i は，もともと日本の ARIB で策定された規格が元に
輝度信号の半分の 32.125MHz でサンプリングされます．
なっています．1080i のアクティブ・ライン数は 1035 本/フ
4 ： 2 ： 2 サンプリングは，放送局内の伝送などで使われて
レーム，総ライン数（ブランク区間も含む）は 1125 本です．
います．ちなみに RGB 4 ： 2 ： 2 方式はありません．
NTSC と同じくインターレース方式を採用しています．
このほかにも DV（ディジタル・ビデオ・ムービ）で使用
インターレースの場合，フレーム当たりのアクティブ・
される 4 ： 1 ： 1 や MPEG 関連で使用される 4 ： 2 ： 0 など
ライン数が 1000 本を超えたあたりから画像改善効果がなく
があります．
なるという研究に基づき，総ライン数が既存の NTSC や
PAL どちらとも整数比になる数として1125 本と決めました．
● SMPTE ；映像にかかわる規格を策定する
日本の規格では従来の放送（NTSC）に対して，ブランキ
SMPTE と は ， Society of Motion Picture and Tele
ング区間と有効サンプリング数の比が同じになるようアク
vision Engineers の略です．日本語で表すと，米国映画テ
ティブ・ライン数を1035 本/フレームとしていました．ディ
レビ技術者協会となります．SMPTE は米国の団体ですが，
ジタル処理においては正方画素としたほうが処理しやすい
約 60 カ国にメンバがいて，米国だけに限らず日本でも
ため，ディジタル放送ではアクティブ・ライン数を1080 本
SMPTE 規格が標準規格として取り扱われています．
/フレームとしました．通常，ハイビジョンといわれるも
SMPTE では，主に映像にかかわる標準規格の策定を行っ
のは，このアクティブ・ライン数 1080 本/フレームのこと
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