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あきおいしなみ
5 years ago
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1 第 3 章情報メディアのディジタル符号化

2 アナログ / デジタルネットワークへのアナログ / デジタル端末収容構成デジタル端末アナログ端末モデム UNI アナログネットワーク UNI モデムデジタル端末アナログ端末デジタル端末ディジタルネットワークデジタル端末アナログ端末コーデック UNI UNI コーデックアナログ端末 UNI: ユーザ - ネットワークインタフェース User-Network Interface モデム :MODEM(Modulation/Demodulation) コーデック :CODEC(Coder/Decoder) 図 3.1

3 号振幅量子化レベ標本化量子化符号化信入力信号標本化量子化量子化レベル標本化周期時間時間 (sampling) (quantization) 量子化誤差量子化ひずみ符号化時間パルス列時間図 3.2

4 ナイキストの定理 4 最高周波数を f Maxとする原信号を標本化したのち原信号を忠実に再生するためには最高周波数 fmaxの2 倍以上の周波数で標本化する必要がある電話音声 300Hz~3.4kHz 6.8kHz で標本化 8kHz で標本化すると 8 ビット 8kHz = 64kbps 8 ビット =256 諧調

5 モールス符号 ( 英文 ) 表 3.1

6 μ 則圧縮の入力信号対出力信号量子化誤差小小振幅大振幅図 3.3

7 μ 則圧縮の原理 (1) 7 1. 小振幅での量子化誤差小 2. 音声は小振幅の出現頻度大 3. μ 則 y n(1 x ) sgn( x) (1 x ) 符号 0~1で考えると μが大きいほど上に凸 4. 大振幅に対して量子化ひずみ大小振幅に対して量子化ひずみ小

8 μ 則圧縮の原理 (2) 8 5. 音声のダイナミックレンジ ( 小振幅のところから大振幅 ) 40dBある B (db ってなに? 10 log 10 db ) A 6. SD 比 ( 信号対ひずみ雑音比 :Distortion) 音声のダイナミックレンジ 40dB = 小信号 SD 比 40dB 劣化 7. μ 則 ( 図 3.4) すべてにわたってSD 比 30dBを確保

9 μ 則と A 則の入力信号振幅対 S/D 比 A 則はヨーロッパの量子化の方式図 3.4

10 各種音声符号化方式表 3.2 符号化方式伝送速度 (kbps) 携帯電話 VoIP につかわれる標本サイズ (ms) MOS ITU-T 勧告仕様制定年 PCN G ADPCM G LD-CELP G CS-ACELP G MP-MLQ G ACELP G PCM: Pulse Code Modulation, ADPCM:Adaptive Differential PCM, CELP: Code Excited Linear Prediction, LD-CELP: Low Delay CELP, CS-CELP: Conjugate Structure CELP, VSELP: Vector Sum Excited Linear Prediction, PSI-CELP: Pitch Synchronous Innovation CELP

11 オーディオ情報符号化方式緒元表 3.3 高品質音声に使われる方式標本化周波数 (khz) 量子化ビット数信号帯域 (khz) 伝送レート (kbps/ チャネル ) 備考サブバンド ADPCM Hz- 7kHz ITU-T G.722 ITU-T G kbps オーディオ符号化 Hz-15kHz 384 ITU-T J.41 衛星テレビ音声 Hz-15kHz 512 音楽 CD ( コンパクトディスク ) DAT (Digital Audio Tape) Hz-20kHz Hz-20kHz 768

12 NTSC テレビジョン信号の周波数スペクトラム図 3.5

13 ネットワークと符号化の関係 13 風景符号化復号化処理量遅延時間帯域の節約廃棄の発生 1 携帯電話帯域の圧縮へのチャレンジ 2 地デジの問題リアルタイム性の欠じょ 3 遠隔医療完全リアルタイム性

14 MPEG 符号化方式のブロック構成図 3.6

15 AD PCM の原理 15 音声って連続して変化している 24 差分の符号化 PCM=78 54

16 MPEG 方式 16 MPEG-1 動画と音声を合わせて 1.5Mbps のデータ VHS なみの品質 MPEG-2 DVD ディジタル BS CS など

17 画素数とは ( 解像度 ) 17

18 18

19 19 8 画素 = ピクセル =LED RGB にさらに分かれる

20 各種動画像符号化方式の特徴表 3.5 方式 PCM ADPCM MPEG1 MPEG2 MPEG4 H.264 符号化方式線形量子化 PCM 適応差分符号化方式フレーム内予測離散コサイン変換 (DCT) フレーム内予測フレーム間予測離散コサイン変換 (DCT) フレーム内予測フレーム間予測離散コサイン変換 (DCT) フレーム内予測フレーム間予測離散コサイン変換 (DCT) フレーム内予測フレーム間予測動き保証なしなしありありありあり特徴最も単純もっとも単純な高能率符号化圧縮率小 1.5Mbps までの動画を対象従来テレビ並みから HDTV クラスの画像に対応 MPEG2 よりも高圧縮 MPEG4 の 2 倍以上の圧縮率用途参考 NTSC テレビ信号相当の画像符号化ビットレート放送通信 100Mbps( 複合信号 ) 通信蓄積系メディア (CD 等 ) 蓄積系 (DVD) 放送系通信系蓄積系放送系通信系インターネット蓄積系放送系 (TV HDTV) 通信系インターネット移動体通信 30-50Mbps 適用外 6-8Mbps 適用外 -1Mbps

21 JPEG の基本構成色分解 + ブロック分割 R G DCT B RGB-YCC 変換量子化ジグザグスキャンハフマン符号化圧縮データ ( オプション ) ブロック合成 + 色合成逆 DCT 逆量子化 2 次元化ハフマン復号化圧縮データ図 3.7

22 離散コサイン変換 (DCT) の解釈 22

23 DCT における各要素のイメージ 23 低周波低周波高周波高周波合成してこのように作る

24 ピクセルと DCT の使い方 24 ピクセル明るさを 256 階調 (8bit) であらわすピカチューの耳の部分 8 8 ピクセルをまとめて DCT で表わそう

25 ジグザグスキャンの原理 25 矢印の順番でデータを読むデータを羅列すると後ろのほうに高周波成分が集まり連続して 0 が発生しやすくなる符号化で圧縮率がよくなる

26 8 8 ピクセルの表わし方 ( 全部真黒の図 ) 26 全部真黒従来 bit DCT bit ですむかも?

27 ハフマン符号化 27 出現頻度と割り当てられた符号

28 ハフマン符号のつくり方と効果ハフマン符号とは文字列で表現されるデータを圧縮するための手法圧縮はデータ内における文字の出現頻度に応じて実行 a b c d e f 出現回数 (100 字中 ) 固定長符号可変長符号 ( ハフマン符号 ) 図 1. ハフマン符号化によるデータ圧縮の例固定長の場合 3bit*( )=300bit 可変長の場合 1bit*45+3bit*( )+4bit*(9+5)=224bit この場合 224/300*100=74.7% までデータ量が削減文字の出現回数に応じたデータ量の削減が可能

29 ハフマン符号の作成法 (1/4) 貪欲なアルゴリズムによって最適化された接頭符号を生成最小出現頻度の 2 つのノードを子としてその出現頻度を足し合わせた頻度を持つ親ノードを生成これを文字の種類数 n に対して n-1 回反復することで各符号語を意味する二分木を生成 f:5 e:9 c:12 b:13 d:16 a:45 図 2. ハフマン符号の生成 (1/4) 図のような文字群に対し, 符号の生成を実行 (: の左は文字, 右は出現頻度 )

30 ハフマン符号の作成法 (2/4) 貪欲なアルゴリズムによって最適化された接頭符号を生成最小出現頻度の 2 つのノードを子としてその出現頻度を足し合わせた頻度を持つ親ノードを生成これを文字の種類数 n に対して n-1 回反復することで各符号語を意味する二分木を生成 c:12 b:13 14 d:16 a: f:5 e:9 図 2. ハフマン符号の生成 (2/4) 最小出現頻度を有する f と e を子として新たなノードを生成親から左の子に進むには 0, 右に進むには 1 を符号語に結合

31 ハフマン符号の作成法 (3/4) 貪欲なアルゴリズムによって最適化された接頭符号を生成最小出現頻度の 2 つのノードを子としてその出現頻度を足し合わせた頻度を持つ親ノードを生成これを文字の種類数 n に対して n-1 回反復することで各符号語を意味する二分木を生成 14 d:16 25 a: 次に, 最小出現頻度を有する c と b を子として新たなノードを生成 f:5 e:9 c:12 b:13 図 2. ハフマン符号の生成 (3/4)

32 ハフマン符号の作成法 (4/4) a:45 貪欲なアルゴリズムによって最適化された接頭符号を生成最小出現頻度の 2 つのノードを子としてその出現頻度を足し合わせた頻度を持つ親ノードを生成これを文字の種類数 n に対して n-1 回反復することで各符号語を意味する二分木を生成同様の処理を後 3 回繰り返すことで最終的に図のような二分木を生成 c:12 b:13 14 d: 生成された符号を用いることで固定長の符号を用いた場合と比べ, f:5 e:9 少ない容量でデータを表現図 2. ハフマン符号の生成 (4/4)

33 MPEG 符号の工夫 33 動画像 (30,60 フレーム / 秒の静止画列 ) I ピクチャ (Intra-code Picture) オリジナルの画像フレームに離散コサイン変換 (DCT: discrete cosine transform) したもので符号量は削減されているが全画面情報をもつ P ピクチャ (Predicted Picture) 前フレームの I もしくは P ピクチャからの予想差分画像 I ピクチャより情報量小 B ピクチャ (Bi-directionary Predicted Picture) 前フレームと後続フレームから得られる予想差分画像である

34 MPEG の特徴 34 I ピクチャ = もとの画像を再現できる P/B ピクチャ = 差分混雑 I ピクチャをできるだけ届ける P/B ピクチャを廃棄する

35 優先制御と廃棄 35 P=0 P=0 のみ廃棄 P=1 同じ方路しきい値 Queue P=1 P=0,1 ( 書き込みを行なうバッファ ) 待つ

36 MPEG2 プロファイルとレベル Simple Main SNR Scalable Spatially Scalable High - 80Mbps High H:1920 V:1152 T:60 プロファイルレベル High-1440 H:1440 V:1152 T:60 Main H:720 V:576 T:30 Low H:352 V:288 T: Mbps 15Mbps 4Mbps 15Mbps 10Mbps 4Mbps 3Mbps 20Mbps 15Mbps 4Mbps 100Mbps 80Mbps 25Mbps 80Mbps 60Mbps 20Mbps 60Mbps 40Mbps 15Mbps 15Mbps 表 3.4

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Microsoft PowerPoint - network3 3 章情報メディアのディジタル符号化アナログ / デジタルネットワークへのアナログ / デジタル端末収容構成デジタル端末アナログ端末モデム UNI アナログネットワーク UNI モデムデジタル端末アナログ端末デジタル端末ディジタルネットワークデジタル端末アナログ端末コーデック UNI UNI コーデックアナログ端末 UNI: ユーザ - ネットワークインタフェース User-Network