Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding

MUSE（Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding）とは

MUSE（Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding）は、NHK放送技術研究所が1984年に開発したハイビジョン向けの映像圧縮技術です。日本のBS放送向けに開発されましたが、アメリカでのBS放送も考慮され、CATVや標準テレビ放送と同様にVSB-AM変調による地上波放送実験、マイクロ波による中継実験も行われました。また、現在のデジタル放送で採用されているISDBシリーズが備えているような字幕やデータ放送の実験、ハイビジョンLDの記録方式としても採用されています。

BSでのMUSEによる有料放送を目的とした仕様定義も行われ、MUSEデコーダ内蔵テレビの説明書にはデスクランブラの接続に関する記述もありました。

ハイビジョン放送実用化への課題

NHKは、現在のテレビ（System-J/NTSC-J）の「次のテレビ」として、1964年から立体テレビジョンおよび高品位テレビジョン（ハイビジョン）の研究を開始し、1972年にはCCIR（現在のITU-R）に規格提案を行いました。しかし、ハイビジョン放送の実用化には大きな課題がありました。それは、利用可能な帯域幅の問題です。

当時利用可能な最大の帯域幅は12GHz BSの27MHzであり、BSではFM変調が用いられていたため、駒井・カーソン則に従って計算すると伝送可能なベースバンド信号（原信号）の幅はわずか9MHz以下に制限されていました。RGB各色ごとに30MHzもあるスタジオ規格、放送規格の各色20MHz幅のハイビジョン映像をそのまま放送することは不可能でした。この問題を解決するために放送用伝送手段が検討され、MUSE方式が開発されました。

MUSEの特徴

MUSEの特徴は、入力された映像を千鳥格子状のサンプリングパターンでサブサンプリングすること、動きベクトルを利用して効率的に圧縮すること、色信号の多重化に色線順次TCIを用いてYC時分割多重を行ったことです。

人間の目は縦横方向に比べて斜め方向の解像度が低く、動体視力は静止視力に比べて低いという特性を活用しています。静止画と動画で圧縮方法を分け、パンやチルトのような動きがある場合は、動きベクトルを用いて動き補正を行い、静止画のように処理することで、画質の劣化を目立たなくしています。

MUSEの仕組み

映像の圧縮

MUSEでは、まずハイビジョン信号の20MHzを超える情報をカットし（帯域制限）、サンプリング周波数44.55MHzでRGB各色、または輝度・色差成分をデジタル化します。次に、圧縮に適したカラーマトリクスで輝度・色差に変換し、輝度と色差を時分割で格納するために、輝度は12:11の時間軸変更を行います。

色差に関しては7.425MHz以上の情報をカットした後、2種類の色差信号Cb/Crを交互に送信するため、縦方向の情報を半分にし、サンプリング周波数を14.85MHzに変換して、2回の単純なクインカンクスサブナイキストサンプリング（千鳥格子状のサンプリング点の間引き）を行います。

輝度については、入力された映像が静止画の場合はサンプリング周波数変換を交えた2回のサブナイキストサンプリングによって20MHzの情報が8.1MHzに畳み込まれます。動画の場合は、さらに16MHzを超えた情報をカットし、静止画の2回目と同じサンプリングを行って8.1MHzに畳み込みます。この畳み込まれたデジタル映像を静止画と動画で適宜混合し、アナログに変換して伝送します。

静止画と動画の最後の処理を同じにすることで、デコーダで静止画・動画の誤判定が起きた場合でも、デコード結果画像の破綻を防いでいます。これらの処理がエンコード時の基本となっていますが、フィルタの工夫や静止画のフレーム単位での処理など、いくつかの改善案も検討されました。

デコード時には、伝送されてきた畳み込みアナログ映像をデジタル化し、圧縮時と同様に静止画・動画の判定を行い、静止画の場合は前のフレームと合成して補完します。

音声の圧縮

音声に関しては、MUSEのために開発されたDANCE（DPCM Audio Near-instantaneous Compressing and Expanding）方式で圧縮されます。標準放送と異なり、3-1ステレオ方式をサポートする最大4チャンネルのAモードではサンプリング周波数32kHz15ビット、高音質だが最大2チャンネルのBモードでは48kHz16ビットでデジタル化した音声を、サンプル点間の差をとってDPCM圧縮し、その差信号を1ms区間で準瞬時圧伸（桁落とし）を行います。

Aモードでは8レンジ8ビット、Bモードでは6レンジ11ビットに圧縮されます。DPCM圧縮の際にはリーク値を利用した不完全積分を行い、伝送エラー時のノイズや直流誤差を低減しています。また、ローカルデコーダを設けることで、圧縮誤差の累積を防いでいます。

圧縮されたデジタル音声は(82，74)短縮化BCHで保護され、16ビットインターリーブ後、0と1の2値から0/1/2の3値12.15Mbaudに変換・時間軸変更して、MUSE映像の画面に映らない部分、垂直帰線区間に格納します。

3値化の際の値は伝送経路（AM/FM）や記録媒体（LD）によって異なり、LDの場合はデータ放送のための領域を削って、より強力なエラー訂正を付加しています。

データ放送に関しては、標準テレビジョン放送と同様に斜め配置の288バイトパケット方式を採用し、18フレームで1スーパーフレームを構成しています。

開発初期のMUSE

MUSEの原型となるシステムは、1983年の技研公開で展示されました。伝送サンプル周波数が19MHzと27MHzでRF帯域に合致するもので、音声は水平同期（33.75kHz）にロックした14-11bit準瞬時圧伸2チャンネルでした。初期のMUSEでは、映像はサンプリング周波数64.8MHzでデジタル化され、画素は単純に2回の1/2サブサンプリングで1/4になっていました。TCI多重化の際の輝度信号の時間軸圧縮もなく、音声はQPSK変調のRFを時分割多重、または標準テレビジョン放送で用いられた音声フレームを4値ベースバンド多重していました。

MUSEの仲間

MUSE-T

放送用に作られたMUSE（以下、MUSE-E）に対し、MUSE-Tは、狭帯域での素材伝送などに使われることを想定して開発されました。RGB各色をMUSE-E同様にサンプリング周波数64.8MHzでデジタル化し、カラーマトリクスの変換も同様に行います。静止画の場合は1回のみフィールドオフセットサブサンプリングを行い、動画の場合は帯域制限が加わるだけで静止画の場合と同一です。音声もMUSE-Eと同様に圧縮・時間軸変更を行い、シンボルレート12.15Mbaudとなった音声を垂直帰線区間に多重します。

ATV向けのMUSE

日本のハイビジョン開発・放送の影響を受け、アメリカでもHDTV放送への要望が高まりました。ATSCは既存の受信機と互換性のあるHDTV方式ATVを募集し、FCCは互換性のある方式、または占有帯域が6MHz幅でサイマル放送しやすい方式を条件としました。FCCの諮問機関であるACATSが行ったATVコンペディションに応募するため、NHK技研はADTV（Advanced Definition Television）であるNarrow MUSE、MUSE-6、MUSE-9を開発しました。最終的に残ったのはNarrow MUSEでした。

Narrow MUSE

Narrow MUSEは、占有帯域6MHzという条件を満たした、ADTVの中で最も高画質なシステムです。デジタル化する際のサンプリング周波数は40.095MHzで、圧縮前に1125（有効走査線数1035本）→750本（同690本）の走査線数変換があります。また、音声の映像多重化のシンボルレートは7.29Mbaudと、BS向けのMUSEとは異なります。電波発射時の変調には、標準テレビジョン放送との干渉を防ぐため、VSB-AM変調に加え、750kHzまでの低域はVSB-AM、高域はSSB変調を行う特殊な変調方式が採用されています。

MUSE-6, MUSE-9

MUSE-6は、既に広く普及している標準テレビジョン放送受像機で受信できる一方で、対応テレビで受信した場合は約2倍の静止画解像度が得られるという方式です。画面アスペクト比は4:3から16:9への変更には、サイドピクチャー方式ではなく、ワイドクリアビジョンのようにレターボックス方式を採用しています。圧縮元の映像は、順次走査525本（有効走査線本数480本）のワイドクリアビジョンと異なり、飛び越し走査750本（同690本）の映像を圧縮し、飛び越し走査345本で放送します。走査線数を半分にした結果失われるはずだった情報は、レターボックス方式で生まれた黒帯に圧縮して格納されます。

この分離法には加減算法とSSKF（Symmetric Short Kernel Filter）を用いた方式が検討されました。入力された映像が静止画の場合は、7.7MHzまでの情報を周波数領域で4分割し、3.9～7.7MHzの情報を1.9～4.2MHzに周波数をずらして2フレームオフセット変調多重します。

音声は2チャンネルまでMUSE-EのAモード同様にDANCE方式で圧縮・3値化されますが、1フレームあたり1170ビットであり、多重化区間は垂直帰線区間ではなく水平帰線区間に格納されます。

MUSE-9はMUSE-6の拡張で、MUSE-6で格納しきれなかった動画の高い周波数成分、AモードとBモードとの差分高音質化信号、Aモードのサラウンド化のための追加2チャンネル音声が追加チャンネルで送信されます。この追加チャンネルは、MUSE-6の帯域と地続きでも、離れた場所から別の送信機を使っていても構いません。

参考文献

MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding) - Wikipedia)

関連項目

ハイビジョン
MUSEデコーダ
UNIHI
W-VHS
ハイビジョンLD

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