JP2000092332A - 画像符号化装置及び画像符号化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可逆圧縮方式は圧縮率向上のためのコストが
高く、可変長圧縮は画像データによっては圧縮の効果が
得られず却って逆効果になる。一方、非可逆圧縮方式は
圧縮率を高くすることができるが、符号化においてはエ
ントロピー符号化を行うため可変長圧縮となる。また処
理時間がかかり、高価である。 【解決手段】 ブロック化した画像データを擬似的なＹ
Ｃ変換後、信号変換し、そのうちの差分値を予測確率に
応じた量子化を行うことで、画像の特性を損なうことな
く、簡易、高速、低価格、高能率な、固定圧縮率で圧縮
することのできる画像符号化装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多階調画像データを
圧縮符号化する方法であり、簡便な構成で高速、高能率
に符号化圧縮する画像符号化方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、画像符号化方法は情報量の多
い画像を圧縮するための手法として用いられ、特に最近
では圧縮率の高い、高速高細精な圧縮方法の要求が高ま
っている。このような画像圧縮の手法として広く用いら
れているもののひとつとして、いわゆるＪＰＥＧ符号化
方式がある。

【０００３】このＪＰＥＧ方式には、大きく分けて２種
類の符号化方式が含まれている。一方は、ＤＣＴ（離散
コサイン変換）符号化を用いたＤＣＴ方式と呼ばれるベ
ーシックな符号化方式であり、もう一方はＤＰＣＭ（差
分ＰＣＭ）方式と呼ばれるオプション的な符号化方式で
ある。ＤＣＴ方式は、符号化処理の途中で画像情報の一
部が削減されて完全に元の情報に復元できない、いわゆ
る非可逆（ロッシー）符号化方式であり、ＤＰＣＭ方式
は、符号化処理の途中で画像情報を損なうことがなく完
全に元の情報に復元できる、いわゆる可逆（ロスレス）
符号化方式である。

【０００４】可逆符号化方式であるＤＰＣＭ方式では、
画像情報が損なわれないので画像の保存性が優れてお
り、再生画像の画質が極めて良好であるが、ＤＣＴ方式
に比べて符号化圧縮率が低く、画像の種類によるが１／
１．５程度である。一方、非可逆符号化方式であるＤＣ
Ｔ方式では、Ｎ×Ｎ画素（ＪＰＥＧではＮ＝８）のブロ
ックデータに対し、２次元のＤＣＴ変換後、その変換係
数に対して非線形量子化を行い、交流成分についてジグ
ザグスキャンして２次元ハフマン符号化を施す。この非
線形量子化においては、低周波数成分に対して細かく量
子化を行い、高周波数成分の係数に対して粗く量子化を
行うことで、高圧縮を行うようになっている。これによ
り、画像により圧縮率１／１０〜１／３０程度で、画質
的にもほぼ満足できるような画像を得ることができてい
る。しかし、画像により、また圧縮率を上げることによ
り、ブロック歪みやモスキートノイズの発生などの画質
劣化の現象が知られている。

【０００５】また、ＪＰＥＧ以外にも、さまざまな圧縮
方式の研究や提案がなされているのが現状である。可逆
圧縮方式においては、ＪＰＥＧ−ＬＳやＪＰＥＧ２００
０などの新しい国際標準規格などにおいてＤＰＣＭ方式
を超える圧縮性能を持つものが提案されている。非可逆
圧縮方式についても、ＤＣＴ方式以外に、ウェーブレッ
ト変換方式や、ベクトル量子化方式、フラクタル圧縮方
式などさまざまなものが提案されている。

【０００６】一方、カラースキャナやカラープリンタな
どのカラー入出力機器においては、システムトータルの
スループットを一定に保つために、圧縮率１／４〜１／
１６程度で圧縮率固定、低価格、高速な圧縮方法が求め
られており、独自の圧縮方法が用いられていることも多
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法では以下のような課題がある。まず、可逆圧縮
方式の場合、ＤＰＣＭ方式も含めその他の圧縮方式も、
基本的な圧縮方式は予測符号化方式である。そのため圧
縮率の向上はほぼ１／３程度で頭打ちの状態であり、わ
ずか数％〜１０％程度の圧縮率改善を得るためにさまざ
まな処理が追加されており、これら追加された処理が非
常に重い割には圧縮率の向上のコストが高い。また、エ
ントロピー符号化を行うため可変長圧縮となることと、
画像データによっては、圧縮の効果が得られないばかり
か、かえって逆効果になる等という問題点を有してい
た。

【０００８】一方の非可逆圧縮方式においては、圧縮率
を高くすることができるが、符号化においてはエントロ
ピー符号化を行うため、可変長圧縮となる。また複雑な
処理や重い処理を行うため、処理時間がかかったり、高
価になる等の問題点を有していた。

【０００９】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、圧縮率が１／４〜１／８の固定率圧縮を簡便な構成
で提供することにより、低価格で高速かつ高画質な画像
圧縮方法を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、ブロック化した画像データを擬似的にＹＣ
変換した後、信号変換し、そのうちの差分値を予測確率
に応じて量子化することで、画像の特性を損なうことな
く、簡易、高速、低価格、高能率な、固定圧縮率で圧縮
することのできる画像符号化方法が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、画像データを複数の画素ごとにまとめてブロックに
分割するブロック化手段と、前記ブロック化手段により
分割されたブロックデータを色空間変換する色空間変換
手段と、前記色空間変換手段により色空間変換されたブ
ロックデータをサブブロックに分割するサブブロック化
手段と、前記サブブロック化手段により分割されたサブ
ブロックデータを信号変換する信号変換手段と、前記信
号変換手段により信号変換された変換データを非線形量
子化する非線形量子化手段とを含み、画像の特性を損な
うことなく、簡易、高速、低価格、高能率な、固定画像
符号化を行うことができるという作用を有する。

【００１２】請求項２に記載の発明は、画像データを複
数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブロック化
手段と、前記ブロック化手段により分割されたブロック
データを色空間変換する色空間変換手段と、前記色空間
変換手段により色空間変換されたブロックデータをサブ
ブロックに分割するサブブロック化手段と、前記サブブ
ロック化手段により分割されたサブブロックデータを空
間周波数の低周波数部分に相当する部分と高周波数部分
に相当する部分とに分けて信号変換する信号変換手段
と、前記信号変換手段により信号変換された変換データ
を非線形量子化する非線形量子化手段とを含むことを特
徴とし、画像の特性を損なうことなく、簡易、高速、低
価格、高能率な、固定画像符号化を行うことができると
いう作用を有する。

【００１３】請求項３に記載の発明は、画像データを複
数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブロック化
手段と、前記ブロック化手段により分割されたブロック
データを色空間変換する色空間変換手段と、前記色空間
変換手段により色空間変換されたブロックデータをサブ
ブロックに分割するサブブロック化手段と、前記サブブ
ロック化手段により分割されたサブブロックデータを
（数１）を用いて信号変換する信号変換手段と、前記信
号変換手段により信号変換された変換データを非線形量
子化する非線形量子化手段とを含むことを特徴とし、画
像の特性を損なうことなく、簡易、高速、低価格、高能
率な、固定画像符号化を行うことができるという作用を
有する。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、画像デ
ータを複数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブ
ロック化手段と、前記ブロック化手段により分割された
ブロックデータをＲＧＢ色空間から、擬似的なＹＣｒＣ
ｂ色空間へ色空間変換する色空間変換手段と、前記色空
間変換手段により色空間変換されたブロックデータをサ
ブブロックに分割するサブブロック化手段と、前記サブ
ブロック化手段により分割されたサブブロックデータを
信号変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により
信号変換された変換データを非線形量子化する非線形量
子化手段とを含むことを特徴とし、画像の特性を損なう
ことなく、簡易、高速、低価格、高能率な、固定画像符
号化を行うことができるという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項５に記載の発明は、画像デ
ータを複数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブ
ロック化手段と、前記ブロック化手段により分割された
ブロックデータを（数２）を用いて色空間変換する色空
間変換手段と、前記色空間変換手段により色空間変換さ
れたブロックデータをサブブロックに分割するサブブロ
ック化手段と、前記サブブロック化手段により分割され
たサブブロックデータを信号変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段により変換された変換データを非線形
量子化する非線形量子化手段とを含むことを特徴とし、
画像の特性を損なうことなく、簡易、高速、低価格、高
能率な、固定画像符号化を行うことができるという作用
を有する。

【００１６】本発明の請求項６に記載の発明は、画像デ
ータを複数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブ
ロック化手段と、前記ブロック化手段により分割された
ブロックデータを色空間変換する色空間変換手段と、前
記色空間変換手段により色空間変換されたブロックデー
タをサブブロックに分割するサブブロック化手段と、前
記サブブロック化手段により分割されたサブブロックデ
ータを信号変換する信号変換手段と、前記信号変換手段
により変換された変換データを発生頻度がラプラス分布
に従うと仮定して非線形量子化する非線形量子化手段と
を含むことを特徴とし、画像の特性を損なうことなく、
簡易、高速、低価格、高能率な、固定画像符号化を行う
ことができるという作用を有する。

【００１７】本発明の請求項７に記載の発明は、画像デ
ータを複数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブ
ロック化手段と、前記ブロック化手段により分割された
ブロックデータを色空間変換する色空間変換手段と、前
記色空間変換手段により色空間変換されたブロックデー
タをサブブロックに分割するサブブロック化手段と、前
記サブブロック化手段により分割されたサブブロックデ
ータを信号変換する信号変換手段と、前記信号変換手段
により変換された変換データを発生頻度がラプラス分布
に従うと仮定して非線形量子化する非線形量子化手段
と、前記非線形量子化手段を画像領域により適応的に切
り替えて行う適応選択手段とを含むことを特徴とし、画
像の特性を損なうことなく、簡易、高速、低価格、高能
率な、固定画像符号化を行うことができるという作用を
有する。

【００１８】本発明の請求項８に記載の発明は、画像デ
ータを複数の画素ごとにまとめてブロックに分割するブ
ロック化手段と、前記ブロック化手段により分割された
ブロックデータを色空間変換する色空間変換手段と、前
記色空間変換手段により色空間変換されたブロックデー
タをサブブロックに分割するサブブロック化手段と、前
記サブブロック化手段により分割されたサブブロックデ
ータを信号変換する信号変換手段と、前記信号変換手段
により変換された変換データを非線形量子化する非線形
量子化手段とを用いて、平均値領域４つを用いて更に２
×２サブブロックを構成し、順次ピラミッド構成で多階
調画像データを符号化を行うことを特徴とし、画像の特
性を損なうことなく、簡易、高速、低価格、高能率な、
固定画像符号化を行うことができるという作用を有す
る。

【００１９】以下、本発明の実施の形態について説明す
る。図１は本発明の一実施の形態による符号化方法を実
現するためのブロック図を、図２は本発明の一実施の形
態による符号化方法のフロー図を、図３は本発明の一実
施の形態による非線形量子化テーブルの例を、図４は本
発明の一実施例の形態によるピラミッド構造を示す説明
図を示している。

【００２０】図１において、１０１は画像データをＮ×
Ｍブロックにブロック化するブロック化部、１０２はＲ
ＧＢ表現された画素情報をＹＣｒＣｂ表現へ変換する色
変換部、１０３は画像データを２×２のサブブロックに
ブロック化するサブブロック化部、１０４は符号化の原
画像やブロック化画像データ等の画像データのメモリ、
１０５は２×２サブブロックの４データを信号変換する
信号変換部、１０６は信号変換されたデータのうち差分
データに対しその予測確率に応じた量子化を行う非線形
量子化部、１０７は量子化ビットを符号化もしくは復号
化する符号化／復号化部を表している。

【００２１】以上のように構成された画像符号化方法に
ついて、以下その処理手順を図２のフロー図を用いて説
明する。入力データはＲＧＢの多階調データであり、メ
モリ内１０４に、適切なバンド幅で格納されているもの
とする（２０１）。尚、ＲＧＢ３チャンネルのデータ構
造として、画素毎、ライン毎にインタリーブして構成し
たりシーケンシャルに構成したりする方法があるが、こ
の構成がどのようになっていても良い。以下の説明にお
いては、信号変換部１０５で信号変換した後のＹＣｒＣ
ｂ信号については、シーケンシャルになっているものと
し、その中の１つのチャンネルについて説明する。

【００２２】そこで、まずこのメモリ１０４内の画像デ
ータを読み込んで、最初にブロック化部１０１において
Ｎ×Ｍブロックにブロック化する（２０２）。ここで
Ｎ，Ｍは２ｎとなる数値（ｎ＝１，２，…）である。ブ
ロック化されたデータは、そのままもとのメモリ１０４
の該当するデータブロックへ格納しても良いし、別のメ
モリへ書き込んでも良い。尚、元のメモリに格納する場
合、一般には読み出しのデータは、ブロック数の縦方向
の画素を持つバンド幅のデータを読み込むことになる。
このブロック化されたＲＧＢデータに対し色変換部１０
２において、ＹＣ分離を行う。よく使われるＹＣ分離方
法として（数３）に示すＹＣｒＣｂ変換がある。

【００２３】

【数３】

【００２４】ここで、ＲＧＢ表現された画素情報をＹＣ
ｒＣｂ変換する場合に、擬似的なＹＣｒＣｂへ変換する
方法について説明する。上述したように、一般には（数
３）で表されるＹＣｒＣｂ変換は、整数演算で行うよう
に近似される。本発明においては、さらに（数１）に示
すようなさらに簡略した変換式を用いてＹＣ分離を行う
（２０３）。また、この時４：１：１のサブサンプリン
グを行うことで、データ量を１／２にすることもでき
る。当然、ブロック化２０２とＹＣ分離２０３とは順序
が逆であっても本件にはなんらの影響もないため、順序
はどちらでも良い。ここでも、元のメモリに変換データ
を書き込んでも良いし、別メモリに書き込んでも良い。
以下の処理においても同様に、このようなメモリの使用
方法はどのような形態を取っても良い。サブブロック化
部１０３においては、ＹＣ分離されたデータに対し、２
×２のブロックにサブブロック化する（２０４）。ブロ
ック化部１０１、色変換部１０２、サブブロック化部１
０３は、それぞれ別バンドで並列に処理を行うこともで
きる。サブブロック化された２×２データつまり４画素
のデータに対し、信号変換部１０５により、信号の変換
処理を行う（２０５）。ここで、もっとも簡略で信号変
換によく使用されるアダマール変換を（数４）に示す。

【００２５】

【数４】

【００２６】アダマール変換は、直交変換の一種であ
り、変換行列の要素が１と−１のみを使って正規化した
ものであり、（数４）に示したものはナチュラル形と呼
ばれるもっとも一般的なものである。一般に、情報圧縮
において用いる信号の変換方式は、直交変換と呼ばれる
ものを使うことが多い。直交変換は、逆行列と転置行列
が同じであり情報圧縮には有利とされる。ここで、本発
明において用いる変換行列として（数２）を用いる場
合、その逆行列は（数５）となり直交変換ではない。

【００２７】

【数５】

【００２８】しかし、（数２）の行列による変換では、
１つの４画素による低周波数成分と、３つの２画素によ
る高周波数成分とを生成するものと考えることができ
る。ＤＣＴ変換やサブバンド変換などを用いる画像符号
化方式においては、この高周波成分を削減することによ
り情報量の圧縮を図っている。同様に、この変換後の４
つのデータのうち、高周波数成分つまり差分値のデータ
は、視覚特性から見て削減が可能である。また、多階調
の画像情報は、隣接または近接画素間の相関が高いこと
が良く知られている。従って、これら差分値は、０を中
心としたポアソン分布に従うと仮定して、その分布に応
じた量子化を施すことで情報削減を行うことができる
（２０６）。図５にポアソン分布の例を示す。たとえ
ば、この量子化を１６段階で行えば、高周波数成分のデ
ータ量を１／２にすることができる。

【００２９】一実施の形態として、この非線形量子化を
行う量子化テーブルの例を、図３に示す。図３におい
て、差分が０，−１，１のときの量子化値はそれぞれ
０，−１，１となる。差分が８から１５であれば１２に
量子化し、−６４から−１２７であれば−９６に量子化
する。これにより、発生頻度の高い０近辺は、細かく量
子化を行い、差分が大きい部分については、粗く量子化
を行うことになる。この差分値の分布は、画像によっ
て、また同じ画像の局所的な違いによって異なってく
る。従って、画像の特性に合う量子化テーブルを複数持
っていてそれを切り替えることや、動的に量子化テーブ
ルを構成することも考えられる。その場合、そのような
適応的な処理のオーバーヘッドが圧縮率へ悪影響を与え
ないような選択をすることになる。

【００３０】次に、２×２サブブロックを積み重ねて、
ピラミッド構成で圧縮効率を向上する方法について、図
４を用いて説明する。一例として、ブロック化を４×４
画素で行う場合で説明を行う。ブロック化を４×４画素
毎に行い、色変換、２×２のサブブロック化、信号変換
を行うと、４×４ブロックの１６画素のうちから４つの
低周波成分のデータすなわち平均値データと、１２個の
高周波成分のデータすなわち差分値データができる。こ
こで、４つの低周波成分を２×２ブロックに再構成し、
この再構成された２×２ブロックに対し、信号変換を行
う。これにより、４×４の１６画素を２段階のピラミッ
ド構造で表すことができる。この場合、解像度は水平・
垂直方向にそれぞれ１／２、全体で１／４になる。これ
により、プログレッシブな表示が可能になるとともに、
１６画素のうち、１５画素が差分値となり、量子化の対
象が増えるため、更に圧縮率が向上する。尚、この時の
量子化テーブルは、別のものを用いることが十分に考え
られる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ブロッ
ク化したデータをＹＣ分離して信号変換を行い、高周波
成分に該当する部分について非線形量子化をすることに
より、簡便な処理方法で画像情報の圧縮を行え、人間の
視覚特性に合った高画質な画像符号化方法を得ることが
できる。また、画像の特性により量子化テーブルを変え
ることやピラミッド型のデータ構造を採れること、固定
長の符号化を行えることなどにより、比較的低圧縮なア
プリケーションに幅広く応用できる画像符号化方法を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による符号化方法を実現
するための画像符号化装置の構成図

【図２】本発明の一実施の形態による画像符号化方法の
フロー図

【図３】本発明の一実施の形態による画像符号化方法で
用いる量子化テーブル

【図４】本発明の一実施の形態によるピラミッド構成を
示す図

【図５】ポアソン分布を示す図

【符号の説明】

１０１ ブロック化部 １０２ 色変換部 １０３ サブブロック化部 １０４ メモリ １０５ 信号変換部 １０６ 量子部 １０７ 復号化部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像データを複数の画素ごとにまとめてブ
   ロックに分割するブロック化手段と、前記ブロック化手
   段により分割されたブロックデータを色空間変換する色
   空間変換手段と、前記色空間変換手段により色空間変換
   されたブロックデータをサブブロックに分割するサブブ
   ロック化手段と、前記サブブロック化手段により分割さ
   れたサブブロックデータを信号変換する信号変換手段
   と、前記信号変換手段により信号変換された変換データ
   を非線形量子化する非線形量子化手段とを含むことを特
   徴とする画像符号化装置。
2. 【請求項２】前記信号変換手段は、空間周波数の低周波
   数部分に相当する部分と高周波数部分に相当する部分と
   に分けて画像データを変換することを特徴とする請求項
   １記載の画像符号化装置。
3. 【請求項３】前記信号変換手段は、サブブロックデータ
   の信号変換に（数１）を用いることを特徴とする請求項
   １記載の画像符号化装置。 【数１】
4. 【請求項４】前記色空間変換手段は、ＲＧＢ色空間から
   擬似的なＹＣｒＣｂ色空間へ画像データを変換すること
   を特徴とする請求項１記載の画像符号化装置。
5. 【請求項５】前記色空間変換手段は、ＲＧＢ色空間から
   擬似的なＹＣｒＣｂ色空間への変換手段として、（数
   ２）を用いることを特徴とする請求項４記載の画像符号
   化装置。 【数２】
6. 【請求項６】前記非線形量子化手段は、発生頻度がラプ
   ラス分布に従うと仮定して非線形量子化を行うことを特
   徴とする請求項１記載の画像符号化装置。
7. 【請求項７】前記非線形量子化手段は、画像領域により
   適応的に切り替えて上記非線形量子化を行うことを特徴
   とする請求項６記載の画像符号化装置。
8. 【請求項８】画像データを複数の画素ごとにまとめてブ
   ロックに分割するブロック化手段と、前記ブロック化手
   段により分割されたブロックデータを色空間変換する色
   空間変換手段と、前記色空間変換手段により色空間変換
   されたブロックデータをサブブロックに分割するサブブ
   ロック化手段と、前記サブブロック化手段により分割さ
   れたサブブロックデータを信号変換する信号変換手段
   と、前記信号変換手段により信号変換された変換データ
   を非線形量子化する非線形量子化手段とを用いて、平均
   値領域４つを用いて更に２×２サブブロックを構成し、
   順次ピラミッド構成で多階調画像データの符号化を行う
   ことを特徴とする画像符号化方法。