JP2670259B2 - 高能率符号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ディジタルテレビジョン信号等の画像デ
ータの１画素当たりの平均ビット数を圧縮する高能率符
号化装置、特に発生情報量の制御に関する。 〔従来の技術〕 テレビジョン信号の符号化方法として、伝送帯域を狭
くする目的でもって、１画素当たりの平均ビット数又は
サンプリング周波数を小さくするいくつかの方法が知ら
れている。 サンプリング周波数を下げる符号化方法としては、サ
ブサンプリングにより画像データを1/2に間引き、サブ
サンプリング点と、補間の時に使用するサブサンプリン
グ点の位置を示す（即ち補間点の上下又は左右の何れの
サブサンプリング点のデータを使用するかを示す）フラ
グとを伝送するものが提案されている。 １画素当たりの平均ビット数を少なくする符号化方法
のひとつとして、DPCM（differential PCM）が知られて
いる。DPCMは、テレビジョン信号の画素同士の相関が高
く、近接する画素同士の差が小さいことに着目し、この
差分信号を量子化して伝送するものである。 １画素当たりの平均ビット数を少なくする符号化方法
の他のものとして、１フィールドの画面を微少なブロッ
クに細分化して、ブロック毎に平均値及び標準偏差と各
画素毎の１ビットの符号化コードを伝送するものがあ
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 サブサンプリングを用いてサンプリング周波数を低減
しようとする符号化方法は、サンプリング周波数が1/2
になるために、折り返し歪が発生するおそれがあった。 DPCMは、誤りが以後の復号化に伝播する問題点があっ
た。 ブロック単位で符号化を行う方法は、ブロック同士の
境界においてブロック歪が生じる欠点があった。 本出願人は、特願昭59−266407号明細書に記載されて
いるような、２次元ブロック内に含まれる複数画素の最
大値及び最小値により規定されるダイナミックレンジを
求め、このダイナミックレンジに適応した符号化を行う
高能率符号化装置を提案している。この発明は、この高
能率符号化装置の改良に係わるものである。 つまり、この発明の目的は、動き、絵柄等に適応した
可変長符号化ができ、また、符号化出力の伝送レートを
一定にすることができる高能率符号化装置を提供するこ
とにある。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明は、デジタル画像信号の同一フィールド又は
時間的に連続する複数フィールドに属する領域からなる
ブロックを構成し、ブロック内の複数の画素データ毎に
圧縮符号化を行い、可変長符号化出力を発生するように
した高能率符号化装置において、 ブロック毎のダイナミックレンジの度数を所定の期間
において集計し、度数分布を求める手段と、 該度数分布に基づいて、量子化ビット数を規定するパ
ラメータを順次変化させた時の所定の期間における、可
変長符号化出力の発生データ量をそれぞれ演算し、発生
データ量が伝送容量を越えない範囲における電子化歪が
最小の電子化ビット数を規定するパラメータを決定する
手段と、 所定の期間内の複数の画素データを決定されたパラメ
ータの量子化ビット数でもって量子化することによっ
て、デジタル画像信号の平均ビット数を圧縮する手段と からなることを特徴とする高能率符号化装置である。 〔作用〕 テレビジョン信号は、水平方向，垂直方向の２次元方
向並びに時間方向に関する３次元的な相関を有している
ので、定常部では、同一のブロックに含まれる画素デー
タのレベルの変化幅は、小さい。従って、ブロック内の
画素データが共有する最小レベルMINを除去した後のデ
ータDTIのダイナミックレンジを元の量子化ビット数よ
り少ない量子化ビット数により量子化しても、量子化歪
は、殆ど生じない。量子化ビット数を少なくすることに
より、データの伝送帯域幅を元のものより狭くすること
ができる。 また、動きの発生，絵柄等によって、所定の期間例え
ば４フレーム期間のダイナミックレンジの度数分布のパ
ターンが変化する。このパターンに応じて量子化の最大
歪が適応的に定められる。最大歪が与えられると、この
最大歪とダイナミックレンジに応じて量子化のために必
要なビット数が決まる。従って、ブロック毎に量子化ビ
ット数が適応的に定まる可変長符号化がなされる。ま
た、符号化された出力データの伝送レートが伝送路に適
合するように、最大歪が制御される。 〔実施例〕 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説
明する。この説明は、下記の項目の順序でなされる。 a.送信側の構成 b.受信側の構成 c.ブロックの説明 d.ダイナミックレンジ検出回路 e.度数分布の説明 f.量子化回路 g.変形例 a.送信側の構成 第１図は、この発明の送信側（記録側）の構成を全体
として示すものである。１で示す入力端子に例えば１サ
ンプルが８ビットに量子化されたディジタルテレビジョ
ン信号が入力される。このディジタルテレビジョン信号
がブロック化回路２に供給される。 ブロック化回路２により、入力ディジタルテレビジョ
ン信号が符号化の単位である３次元ブロック毎に連続す
る信号に変換される。この実施例では、１ブロックが
（４ライン×４画素×４フレーム＝64画素）の大きさと
されている。ブロック化回路２の出力信号が遅延回路3a
及びダイナミックレンジ検出回路４に供給される。ダイ
ナミックレンジ検出回路４は、ブロック毎にダイナミッ
クレンジDR及び最小値MINを検出する。これと共に、ダ
イナミックレンジ検出回路４は、検出されたダイナミッ
クレンジDRと最大歪Exとを用いて量子化に必要なビット
数Nbを求める。 ダイナミックレンジDRが度数集計回路５に供給され
る。度数集計回路５は、４フレーム毎の全てのブロック
のダイナミックレンジDRの度数を集計する。集計された
度数が最大歪決定回路６に供給される。最大歪決定回路
６は、最大歪Exを決定する。最大歪とは、復号した時に
生じる誤差の最大値である。 この一実施例は、量子化ビット数を規定するパラメー
タとして最大歪を用いるものである。 ダイナミックレンジDRの度数分布は、４フレームの期
間の画像の情報の特徴を示すパターンとなる。例えば動
きが多い画像或いは細かな絵柄の画像の場合には、比較
的大きなダイナミックレンジDRの度数が多く、また、ダ
イナミックレンジDRの度数分布が集中していない。一
方、動き部分が少ない画像或いは大柄の画像の場合に
は、小さなダイナミックレンジDRの度数が多く、また、
ダイナミックレンジDRの度数分布が集中している。前者
と後者とを比較すると、伝送情報量が前者の方が多い。 ダイナミックレンジDRの出数分布から検出された伝送
情報量に応じて最大歪Exが決定される。伝送情報量が多
い場合には、最大歪Exが大とされ、伝送情報量が少ない
場合には、最大歪Exが小とされる。最大歪Exと既に求め
られているダイナミックレンジDRの度数分布とから、４
フレームの期間で必要とされる全ビット数が求まる。こ
の全ビット数と付加データとを４フレーム期間に送る時
に、伝送路の伝送容量を越えるかどうか検証される。例
えば64MBPS（メガビット/sec）の伝送容量の場合、４フ
レーム期間に換算すると、（64×（4/30）≒8.5Mビッ
ト）となる。この伝送容量を越えないように最大歪Exが
最大歪決定回路６により定められる。 遅延回路3aは、ダイナミックレンジ検出回路4,度数集
計回路５及び最大歪決定回路６において生じる時間，画
素データを遅延させる。遅延回路3aからの画素データPD
が量子化回路７により量子化されることにより、圧縮さ
れたビット数の符号化コードDTに変換される。 量子化回路７には、遅延回路3b及び3cの夫々により遅
延された前述のブロック毎のダイナミックレンジDR,ブ
ロック毎の最小値MIN及び４フレーム毎の最大歪Exが供
給される。最小値MINが画素データPDから減算されるこ
とにより、最小値除去後の画素データPDIが形成され
る。この画素データPDIが量子化される。 量子化回路７では、各ブロックのダイナミックレンジ
を分解してなる複数のレベル範囲の中の何れに画素デー
タPDIが属するかを示す符号化コードDTが形成される。
符号化コードDTのビット数は、ダイナミックレンジDRと
最大歪Exとによって決定される。量子化回路７は、後述
するように、例えば（Ex＝０）〜（Ex＝15）の16種類の
最大歪Exに応じた量子化用のROMを有している。 この符号化コードDTがフレーム化回路８に供給され
る。フレーム化回路８には、ブロック毎の付加コードと
して必要ビット数Nb（３ビット）及び最小値MIN（８ビ
ット）が供給されると共に、４フレーム毎の付加コード
として最大歪Ex（４ビット）が供給される。フレーム化
回路８は、符号化コードDT及び上述の付加コードに誤り
訂正符号化の処理を施し、また同期信号を付加する。フ
レーム化回路８の出力端子９に送信データが得られ、こ
の送信データがディジタル回線等の伝送路に送出され
る。 前述のように、符号化コードDTは、ブロック毎に可変
のビット数のものであるが、付加コード中の必要ビット
数Nbからそのブロックのビット数が一義的に定まる。従
って、可変長符号を採用しているにも拘らず、伝送デー
タ中にデータの区切りを示す冗長なコードを挿入する必
要がない利点がある。 b.受信側の構成 第２図は、受信（又は再生）側の構成を示す。入力端
子11からの受信データは、フレーム分解回路12に供給さ
れる。フレーム分解回路12により、符号化コードDTと付
加コードEx,Nb,MINとが分離されると共に、エラー訂正
処理がなされる。これらの符号化コードDT及び付加コー
ドがデコーダ13に供給される。 デコーダ13は、送信側の量子化回路７の処理と逆の処
理を行う。即ち、８ビットの最小レベル除去後のデータ
PDIが復号され、このデータPDIと８ビットの最小値MIN
とが加算され、元の画素データPDが復号される。デコー
ダ13の出力データPDがブロック分解回路14に供給され
る。ブロック分解回路14は、送信側のブロック化回路２
と逆に、ブロックの順番の復号データをテレビジョン信
号の走査と同様の順番に変換するための回路である。ブ
ロック分解回路14の出力端子15に復号されたテレビジョ
ン信号が得られる。 c.ブロック化回路 第３図を参照して、符号化の単位であるブロックにつ
いて説明する。第３図において、BLは、４フレームの各
フレームに属する２次元領域B1,B2,B3,B4からなる１ブ
ロックを示すもので、実線は、奇数フィールドのライン
を示し、破線は、偶数フィールドのラインを示す。各フ
レームの４本のラインの夫々に含まれる４個の画素によ
って、（４ライン×４画素）の領域B1,B2,B3,B4が構成
される。従って、１ブロックは、（４×４×４＝64）個
の画素からなる。 第４図は、上述のブロック化回路２の構成の一例を示
す。入力端子１にフレームメモリ21,22,23,24が継続接
続されている。現在のフレームF4の画素データと各フレ
ームメモリ21,22,及び23の夫々から取り出された以前の
３フレームF1,F2,F3の画素データが走査変換回路24に供
給される。 走査変換回路24の出力端子25には、３フレームの中で
対応する２次元領域B1,B2,B3の夫々の画素データが順次
得られる。即ち、第５図に示すように、連続する４フレ
ームF1,F2,F3,F4の中で対応する領域B1,B2,B3,B4が数字
で示される順番で出力される。 d.ダイナミックレンジ検出回路 第６図は、ダイナミックレンジ検出回路４の一例の構
成を示す。31で示される入力端子には、ブロック化回路
２から前述のように、１ブロック毎に符号化が必要で領
域の画像データが順次供給される。この入力端子31から
の画素データは、選択回路32及び選択回路33に供給され
る。一方の選択回路32は、入力ディジタルテレビジョン
信号の画素データとラッチ34の出力データとの間で、よ
りレベルの大きい方を選択して出力する。他方の選択回
路33は、入力ディジタルテレビジョン信号の画素データ
とラッチ35の出力データとの間で、よりレベルの小さい
方を選択して出力する。 選択回路32の出力データが減算回路36に供給されると
共に、ラッチ34に取り込まれる。選択回路33の出力デー
タが減算回路36及びラッチ38に供給されると共に、ラッ
チ35に取り込まれる。ラッチ34及び35には、ラッチパル
スが制御部39から供給される。制御部39には、入力ディ
ジタルテレビジョン信号と同期するサンプリングブロッ
ク、同期信号等のタイミング信号が端子40から供給され
る。制御部39は、ラッチ34,35及びラッチ37,38にラッチ
パルスを所定のタイミングで供給する。 各ブロックの最初で、ラッチ34及び35の内容が初期設
定される。ラッチ34には、全て‘0'のデータが初期設定
され、ラッチ35には、全て‘1'のデータが初期設定され
る。順次供給される同一のブロックの画素データの中
で、最大レベルがラッチ34に貯えられる。また、順次供
給される同一のブロックの画素データの中で、最小レベ
ルがラッチ35に貯えられる。 最大レベル及び最小レベルの検出が１ブロックに関し
て終了すると、選択回路32の出力に当該ブロックの最大
レベルが生じる。一方、選択回路33の出力に当該ブロッ
クの最小レベルが生じる。１ブロックに関しての検出が
終了すると、ラッチ34及び35が再び初期設定される。 減算回路36の出力には、選択回路32からの最大レベル
MAX及び選択回路33からの最小レベルMINを減算してなる
各ブロックのダイナミックレンジDRが得られる。これら
のダイナミックレンジDR及び最小レベルMINが制御ブロ
ック39からのラッチパルスにより、ラッチ37及び38に夫
々ラッチされる。ラッチ37の出力端子41に各ブロックの
ダイナミックレンジDRが得られ、ラッチ38の出力端子42
に各ブロックの最小値MINが得られる。また、第６図で
は、省略されているが、ダイナミックレンジDRと最大歪
Exとから定まる必要ビット数Nbを検出する回路が設けら
れている。 e.度数分布の説明 度数集計回路５では、８ビット場合、0,1,2,・・・25
5の256通りのダイナミックレンジDRの度数が４フレーム
毎に集計される。第７図は、対照的な度数分布の２つの
例を示す。 第７図Ａに示す度数分布のパターンは、ダイナミック
レンジDRが小さいものの度数が多い場合を示している。
静止画，動き部分の少ない画像又は大柄なパターンの画
像に関して、第７図Ａに示すような度数分布のパターン
が生じる。この場合では、量子化に必要なビットが少な
くなるので、最大歪Exが小さくなる。一方、第７図Ｂに
示す度数分布のパターンは、ダイナミックレンジDRがば
らついている場合を示している。上述とは逆に、動き部
分の多い画像，細かな絵柄の画像に関して、第７図Ｂに
示すような度数分布のパターンが生じる。この後者の場
合では、量子化に必要なビット数が多くなるので、最大
歪Exが大きくなる。 最大歪Exを与えれば、量子化に必要なビット数が一意
に定まる。一例として、（Ex＝４）の場合の必要ビット
数Nb及び復元値は、次の表に示される。この一実施例で
は、復元値の大きさを下記の表に示されるように固定の
値としている。従って、付加コードとしては、ダイナミ
ックレンジDRを送る必要がなく、最小値（８ビット）及
び必要ビット数Nbを送れば良い。 前述のように、ダイナミックレンジDRは、ブロック毎
に検出されるので、１ブロック内の各画素の必要ビット
数は、同一となる。（Ex＝４）の場合で、（DR＝34）
（MIN＝100）のブロック内の画素に関しては、レベル範
囲が（０〜８）の範囲，（９〜17）の範囲，（18〜26）
の範囲，（27〜35）の範囲に４分割され、〔（00），
（01），（10），（11）〕で表される４個のレベル範囲
によって２ビットの量子化がされる。例えば画素のレベ
ルが（131）の時には、最小値MINが除去され、レベルが
（31）に変換される。このレベル（31）が（27〜35）の
範囲に含まれるので、（11）の符号化コードDTに量子化
される。 この実施例のように、ダイナミックレンジDRを９レベ
ル毎の領域に分割する時には、各ブロックに対する付加
コードは、最小値（８ビット）MINと必要ビット数Nb
（４ビット）で済む。 一方、この一実施例と異なり、各ダイナミックレンジ
DRに適応して、その都度、分割範囲を決定する方式で
は、付加コードは、最小値（８ビット）、ダイナミック
レンジDR（８ビット）、最大値（８ビット）の何れか２
個となる。後者の方式は、データの圧縮率が下がるが、
復元歪は、前者に比して大幅に改善される。 上述のダイナミックレンジDRの度数分布を示すデータ
と最大歪Exとから、４フレーム期間の符号化コードDTの
ビット数の合計が検出される。符号化コードDTのビット
数の合計に付加コード（最大歪Ex,ブロック毎の必要ビ
ット数Nb,ブロック毎の最小値MIN）の合計のビット数が
加算されて、４フレーム期間の全ビット数が算出され
る。最大歪決定回路６は、この４フレーム期間の全ビッ
ト数が伝送容量を越えないように、最大歪Exを決定す
る。つまり、（Ex＝０）から、最大歪Exの値が〔1,2,3,
4,5,・・・・,15〕と順次大きくされ、上記の全ビット
数が伝送容量以内に納まった時の最大歪を今回の符号化
で発生する最大歪とする。伝送容量を越えない範囲で最
大歪Exがなるべく小さな値とされる。 受信側では、受信データ中の最大歪Ex及び必要ビット
数Nbから復号を行い、復号レベルを出力する。前出の
（Ex＝４）の表において、必要ビット数Nbが２ビットの
場合には、復号レベルとして、〔4,13,22,31〕の値が用
いられる。上述のような（DR＝34）（DT＝00）の場合に
は、復号レベル（31）が求められ、この復号レベル（3
1）に（100）が加えられ、（131）のレベルの復号出力
が得られる。 第９図は、この一実施例の符号化及び復号化の具体例
を図示するものである。最大歪（Ex＝４）の時で、最小
値除去後のデータPDIのダイナミックレンジDRが（９）
の時、前記の表から分かるように、必要ビット数が１ビ
ットとなる。この１ビットにより、そのブロック内の最
小値除去後のデータPDIの値が（０〜８）の範囲にある
時に（０）の符号化コードDTが出力され、データPDIの
値が（９）の時に（１）の符号化コードDTが出力され
る。受信側では、（L0＝４）と（L1＝13）とが復号レベ
ルとして用いられる。 一方、各ブロック毎にダイナミックレンジに適応して
復号する方式の場合には、ダイナミックレンジDRを受信
データから知ることができる。第９図と同様の例では、
ダイナミックレンジDRが（９）と分かり、また、ダイナ
ミックレンジDRに応じた必要ビット数が分かり、更に、
必要ビット数から、分割数が分かるので、これが第10図
に示すように、２分割され、各分割された領域の中央の
レベル（L0＝２）（L0＝７）の夫々が復元レベルとされ
る。第９図と第10図とを比較すると明らなように、量子
化歪は、後者の方法の方が小さくなる。 f.量子化回路 量子化回路７について、第８図を参照して説明する。
第８図において、50,51,・・・65で示す16個のROMに
は、最大歪（Ex＝０）（Ex＝１）・・・（Ex＝15）の夫
々の量子化のためのデータ変換テーブルが格納されてい
る。遅延回路３からの画像データPDが入力端子43から減
算回路45に供給されると共に、入力端子44からの最小値
MINが減算回路45に供給される。この減算回路45から最
小値除去後のデータPDIが得られる。 入力端子46からのブロック毎のダイナミックレンジDR
と最小値除去後のデータPDIとがROM50〜ROM65の夫々に
入力される。所定の最大歪とダイナミックレンジDRによ
って定まるビット数でもって量子化がされ、ROM50〜65
の夫々からデータPDと対応する符号化コードDT0〜DT15
が出力される。この符号化コードDT0〜DT15がセレクタ4
7に供給される。セレクタ47には、端子48から最大歪Ex
が供給され、最大歪Exと対応する符号化コードがセレク
タ47により選択され、出力端子49に取り出される。 g.変形例 １ブロックのデータをフレームメモリ，ライン遅延回
路，サンプル遅延回路を組み合わせた回路により、同時
に取り出すようにしても良い。 また、この発明は、伝送レートを一定に出来るもので
あるが、小容量のバッファメモリを使用し、送出される
データ量の若干の調整を行うようにしても良い。 〔発明の効果〕 この発明に依れば、動き等による発生情報量に適応し
て符号化を行うことにより、符号化出力の伝送レートが
一定のものとされ、伝送路の伝送容量を有効に利用する
ことができる。また、この発明に依れば、ブロック内の
ダイナミックレンジに適応した量子化ビット数が選ばれ
るので、均一な歪の良質な復元画像を得ることができ
る。更に、この発明に依れば、データの区切りのコード
を必要としない可変長符号化が可能で一層の圧縮ができ
る。 また、この発明は、入力信号の量子化前に発生データ
量を演算し、最適データ量となるように、量子化ビット
数を規定するパラメータを決定する、フィードフォワー
ド方式の制御を行うものであり、バッファメモリの蓄え
られた過去の発生データ量を監視し、これがオーバーフ
ローあるいはアンダーフローしそうになることや、その
占有率の変化率に基づいて、量子化特性を決定する、フ
ィードバック方式と比して、この発明は、高精度且つ適
切に発生データ量を制御することができる。すなわち、
フィードバック方式は、以前の発生データ量に基づいた
制御であるために、正確且つ適切な制御が困難であり、
若し、シーンチェンジが発生すると、発生データを伝送
できなくなったり、画質が悪い量子化を行う欠点があ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図は受
信側の構成を示すブロック図，第３図は符号化の処理の
単位であるブロックの説明に用いる略線図、第４図及び
第５図はブロック化回路の構成の一例及びその説明のた
めの略線図、第６図はダイナミックレンジ検出回路の一
例のブロック図、第７図は度数分布の説明に用いる略線
図、第８図は量子化回路の一例のブロック図、第９図及
び第10図は夫々量子化の一例及び他の例の説明に用いる
略線図である。 図面における主要な符号の説明 1:ディジタルテレビジョン信号の入力端子,2:ブロック
化回路,4:ダイナミックレンジ検出回路,6:最大歪決定回
路,7:量子化回路。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−153378（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−99885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−83176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−132116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−54581（ＪＰ，Ａ) 電子通信学会論文誌、Ｊ64−Ｂ［９ ］（1981）Ｐ．1024−1031

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．デジタル画像信号の同一フィールド又は時間的に連
   続する複数フィールドに属する領域からなるブロックを
   構成し、上記ブロック内の複数の画素データ毎に圧縮符
   号化を行い、可変長符号化出力を発生するようにした高
   能率符号化装置において、 上記ブロック毎のダイナミックレンジの度数を所定の期
   間において集計し、度数分布を求める手段と、 該度数分布に基づいて、量子化ビット数を規定するパラ
   メータを順次変化させた時の上記所定の期間における、
   上記可変長符号化出力の発生データ量をそれぞれ演算
   し、上記発生データ量が伝送容量を越えない範囲におけ
   る量子化歪が最小の量子化ビット数を規定する上記パラ
   メータを決定する手段と、 上記所定の期間内の上記複数の画素データを上記決定さ
   れたパラメータの量子化ビット数でもって量子化するこ
   とによって、上記デジタル画像信号の平均ビット数を圧
   縮する手段と からなることを特徴とする高能率符号化装置。