JP2001339310A

JP2001339310A - 符号化装置

Info

Publication number: JP2001339310A
Application number: JP2000157192A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Nishida; 幸博西田; Eisuke Nakasu; 英輔中須; Yoshimichi Otsuka; 吉道大塚; Kikufumi Kanda; 菊文神田; Masaaki Kurozumi; 正顕黒住; Tomohiko Sugimoto; 智彦杉本
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の画質を維持させながら、信号処理回路
を簡素化させて、製造コスト、メンテナンスコストなど
を低く抑えさせることができるとともに、必要以上の情
報が発生しないようにして、伝送容量に余裕を持たせ
る。【解決手段】いろいろな映像を用いて、量子化スケー
ルと、画質との関係を予め実験的に求め、目標とする画
質“Ｔ”に対し、使用すべき最小の量子化スケールを決
めておき、量子化スケールが予め設定されている最小の
量子化スケールより小さくならないように、かつ符号化
処理で得られた符号化信号“Ｖ_Ｅ”を量子化して伝送す
るときの伝送量が一定量以下となるように、伝送対象と
なる画像を含む映像信号“Ｖ_Ｏ”を量子化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、テレビジョン映像
や音声を符号化して伝送する際に使用される符号化装置
に係わり、特に伝送容量を効率的に利用し得るようにし
た符号化装置に関する。

【０００２】［発明の概要］本発明は、予め実験的に求
めた符号化品質と量子化スケールとの関係を参照して、
目標とする符号化品質に対応するように、量子化スケー
ルの使用範囲（特に、最小値）のみを制限させることに
より、複雑な制御を必要とすることなく、符号化が容易
な入力画像を伝送するとき、伝送容量に余裕を生じさ
せ、また符号化が難しい入力画像を伝送するとき、割り
当てられた伝送容量一杯まで使用させるものである。

【０００３】

【従来の技術】デジタルテレビ放送では、伝送帯域やデ
ジタル変調方式などに基づいて割り当てられた所定の伝
送容量（ビットレート）の中で放送番組を伝送する必要
があることから、符号化装置によって、伝送対象となる
画像を符号化しながら、所定のビットレートに整え、こ
れによって得られたビットストリームを伝送するように
している。

【０００４】この際、ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８−２
（ＭＰＥＧ−２と呼ばれる映像符号化規格）では、量子
化スケール（quantizer_scale）と、重み付けマトリッ
クス（weighting matrices）とを使用した次式によっ
て、逆量子化を行うことが規定されている。

【０００５】

【数１】Ｆ″＝｛（２×Ｆ＋ｋ）×Ｗ×quantizer_scale／３２｝ …（１）但し、Ｆ：量子化信号ｋ：イントラの場合は“０”、ノンイントラの場合は量
子化信号 “Ｆ”の符号Ｗ：重み付けマトリックスＦ″：逆量子化信号

【０００６】このため、符号化装置では、（１）式で規
定された逆量子化を考慮して量子化を行う。

【０００７】そして、一般的には、量子化スケールを画
像の小ブロック毎に変化させることで、ビットレート制
御を行い、さらに、例えばＭＰＥＧ−２などのように、
Ｉ（intra-coded）ピクチャ、Ｐ（predictive coded）
ピクチャ、Ｂ（bidirectionally predictive coded）ピ
クチャなどで規定される符号化モード毎に情報量を制御
していることから、ビットレート制御回路によって、ビ
ットストリームの情報量（ビットレート）、ビットスト
リームを一時的に記憶するバッファの占有率などに基づ
き、所定の目標ビットレートとなるように、符号化モー
ド毎に量子化スケールを制御している。

【０００８】また、ビットレートを固定した符号化方式
では、量子化スケールを小さくしても、所定のビットレ
ートに達しないとき、ビットストリーム中に無効な情報
を補充（スタッフィング）して、所定のビットレートに
なるようにしている。

【０００９】図３は、固定レート符号化方式の一般的な
符号化装置例を示すブロック図である。

【００１０】この図に示す符号化装置１０１は、符号化
回路１０２と、量子化回路１０３と、ビットストリーム
生成／スタッフィング回路１０４と、ビットストリーム
制御回路１０５とを備えている。

【００１１】符号化回路１０２は、伝送対象となる映像
信号“Ｖ_Ｏ”を取り込んで、所定の符号化方式、例えば
ＭＰＥＧに代表されるような“動き補償方式”と“ＤＣ
Ｔ符号化方式”とを組み合わせた符号化方式で、映像信
号“Ｖ_Ｏ”を符号化して符号化信号“Ｖ_Ｅ”を生成す
る。

【００１２】量子化回路１０３は、符号化回路１０２か
ら出力される符号化信号“Ｖ_Ｅ”に対し、人間の視覚特
性や入力信号の性質を考慮した重み付けを行いながら、
ピクチャタイプ“ｐ”毎に量子化スケール指示信号“Ｑ
_Ｏ（ｐ）”で指定された量子化スケールで、符号化信号
“Ｖ_Ｅ”を量子化して、量子化信号“Ｖ_Ｑ”を生成す
る。

【００１３】ビットストリーム生成／スタッフィング回
路１０４は、量子化回路１０３から出力される量子化信
号“Ｖ_Ｑ”を可変長符号化し、所定の規則に則ってビッ
トストリーム“Ｂ”に変換するとともにバッファリング
し、このビットストリーム“Ｂ”が所定の情報量に達し
ているかどうかを判定し、ビットストリーム“Ｂ”が所
定の情報量に達していないとき、ビットストリーム
“Ｂ”中に無効な情報を補充（スタッフィング）し、所
定のビットレートのビットストリーム“Ｂ”を生成す
る。

【００１４】ビットレート制御回路１０５は、ビットス
トリーム生成／スタッフィング回路１０４によって生成
するビットストリームの情報量が所定の値となるよう
に、ビットストリームの情報量や、ビットストリームを
一時的に記憶するバッファの占有率などに応じて、ピク
チャタイプ毎に量子化回路１０３が使用する量子化スケ
ール指示信号“Ｑ_Ｏ（ｐ）”を生成して、これを量子化
回路１０３に供給する。例えば、情報量が目標値よりも
大きいときや、バッファ占有率が大きいときは、より大
きな量子化スケールを指示し、情報量が目標値よりも小
さいときや、バッファ占有率が小さいときはより小さな
量子化スケールを指示する。

【００１５】また、このような固定レート符号化方式を
使用した符号化装置１０１以外の符号化装置として、総
伝送容量を一定にするという条件の下で複数の番組を同
時に伝送する際、各番組の映像内容に応じて、ビットレ
ート配分を時間的に変化させて符号化、伝送する可変レ
ート符号化方式を使用した符号化装置がある。

【００１６】この可変レート符号化方式の符号化装置で
は、画像を符号化する際の難易度に応じて情報の発生量
が変動しても、これを許容して、複数の番組を伝送する
際の効率を高めることを基本としており、トータル伝送
容量一定の下で、伝送対象となっている各番組で生成さ
れた各情報の量を互いに制御させながら、マルチ番組伝
送のためのジョイント符号化（統計多重技術）などを使
用して、伝送容量を相互に融通させることにより、伝送
容量を効率的に使用する。

【００１７】なお、ＤＶＤなどの記録、蓄積メディアで
は、映像内容に応じて時間的に符号化レートを逐次変更
し、時間軸方向に容量を配分させるという手法で、総容
量を一定に維持させたまま、映像信号を符号化するとい
う可変レート符号化方式を採用している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の符号化装置においては、次に述べるような問題が
あった。

【００１９】固定レート符号化方式を用いた符号化装置
１０１では、映像信号“Ｖ_Ｏ”のうち、符号化が容易な
画像をビットストリーム“Ｂ”に変換する際、目標ビッ
トレートの情報を生成するため、量子化スケールを小さ
くする。量子化スケールを小さくしても、目標となるビ
ットレートの維持が難しいとき、ビットストリーム
“Ｂ”中に無効データを補充（スタッフイング）させ
て、目標とするビットレートを維持させている。

【００２０】しかしながら、量子化スケールを小さくす
ると、量子化信号“Ｖ_Ｑ”の情報の量を増加させること
ができ、これに応じて符号化歪みを小さくすることがで
きるものの、人間が知覚できない程度の符号化歪みを小
さくしても、受信画質の視覚的な向上には反映されず、
また一定の伝送容量を維持させるためだけに、スタッフ
ィングを行っても、伝送容量を無駄にしてしまうという
問題があった。

【００２１】このため、映像信号“Ｖ_Ｏ”のうち、符号
化が容易な画像をビットストリーム“Ｂ”に変換すると
き、人間の視覚特性に基づいて、所定の符号化歪みまで
は符号化歪みを許容し、その分だけ情報量を抑制させ
て、伝送容量に余裕を持たせ、空いている部分に他の情
報を入れて伝送し得る符号化装置の開発が強く望まれて
いた。

【００２２】また、可変レート符号化方式の符号化装置
では、マルチ番組伝送を行うとき、従来から使用されて
いる統計多重技術を用いた効果的な符号化を行うことが
できるものの、単一番組の伝送を行うときには、伝送容
量を融通し合う相手側の番組が存在しないことから、従
来から使用されている統計多重技術を用いた効果的な符
号化を行うことができないという問題があった。

【００２３】また、単一番組を伝送するときでも、ＤＶ
Ｄなどの記録、蓄積メディアなどで採用されている可変
レート符号化方式などを用いて、映像の性質に応じて、
必要とするビットレートを制御させて、伝送容量に余裕
を持たせることができるものの、このような制御を行う
ためには、処理時間の増加による符号化から復号化まで
の遅延時間の増加や、信号処理回路が複雑になってしま
うという問題があった。

【００２４】本発明は上記の事情に鑑み、所望の画質を
維持させながら、信号処理回路を簡素化させて、製造コ
スト、メンテナンスコストなどを低く抑えさせることが
できるとともに、必要以上の情報が発生しないようにし
て、伝送容量に余裕を持たせることができる符号化装置
を提供することを目的としている。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、請求項１では、映像信号または音声信号
を符号化した符号化信号を、指定された量子化スケール
値を使用して量子化し、この量子化信号からビットスト
リームを生成する符号化装置において、目標とする符号
化品質に対応して、符号化する際の符号化モード毎に最
小の量子化スケールを出力する量子化スケール最小値設
定部と、量子化信号からビットストリームを生成するビ
ットストリーム生成部と、ビットストリームの情報量が
所定の値となるように、符号化する際の符号化モード毎
に量子化スケールを出力するビットレート制御部と、こ
のビットレート制御部から出力される量子化スケール、
前記量子化スケール最小値設定部から出力される最小の
量子化スケールのうち、値が小さくない方を選択すると
ともに、選択した量子化スケールに基づき、前記符号化
信号を量子化する量子化部とを備えたことを特徴として
いる。

【００２６】請求項２では、請求項１に記載の符号化装
置において、前記量子化スケール最小値設定部は、符号
化する際の符号化モードによらず共通の最小の量子化ス
ケールを出力することを特徴としている。

【００２７】請求項３では、請求項１、２のいずれかに
記載の符号化装置において、前記ビットストリーム生成
部は、ビットストリームの情報量が所定の値に達してい
ないときでも、スタッフィングを行わないことを特徴と
している。

【００２８】上記の構成の請求項１によれば、所望の画
質を維持させながら、信号処理回路を簡素化させて、製
造コスト、メンテナンスコストなどを低く抑えさせると
ともに、必要以上の情報が発生しないようにして、伝送
容量に余裕を持たせることができる。

【００２９】請求項２によれば、所望の画質を維持させ
ながら、信号処理回路を一層簡素化させて、製造コス
ト、メンテナンスコストなどを低く抑えさせるととも
に、必要以上の情報が発生しないようにして、伝送容量
に余裕を持たせることができる。

【００３０】請求項３によれば、ビットストリーム生成
部によって、ビットストリームの情報量が所定の値に達
していないときでも、スタッフィングを行わないように
することにより、所望の画質を維持させながら、予め設
定された伝送容量以下の伝送量にし、これによって生じ
た空部分に他の情報を入れて伝送させることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】《第１の実施形態》図１は本発明
による符号化装置の第１の実施形態を示すブロック図で
ある。

【００３２】この図に示す符号化装置１は、符号化回路
２と、量子化回路３と、ビットストリーム生成回路４
と、ビットストリーム制御回路５と、量子化スケール最
小値設定回路６と、比較回路７とを備えており、伝送対
象となる映像信号“Ｖ_Ｏ”を入力し、例えば“動き補償
方式”と、“ＤＣＴ符号化方式”とを組み合わせた符号
化方式で、映像信号“Ｖ_Ｏ”を符号化するとともに、予
め設定されている最小の量子化スケールより、量子化ス
ケールが小さくならないように、かつ符号化処理で得ら
れた符号化信号“Ｖ_Ｅ”を量子化して伝送するときの伝
送量が一定量以下となるように、量子化処理で使用され
る量子化スケールを制御しながら、符号化処理で得られ
た符号化信号“Ｖ_Ｅ”を量子化した後、この量子化処理
で得られた量子化信号“Ｖ_Ｑ”をビットストリーム
“Ｂ”に変換する。

【００３３】符号化回路２は、伝送対象となる映像信号
“Ｖ_Ｏ”を入力するとともに、所定の符号化方式、例え
ばＭＰＥＧに代表されるような“動き補償方式”と“Ｄ
ＣＴ符号化方式”とを組み合わせた符号化方式で、映像
信号“Ｖ_Ｏ”を符号化して、符号化信号“Ｖ_Ｅ”を生成
し、これを量子化回路３に供給する。

【００３４】量子化回路３は、符号化回路２から出力さ
れる符号化信号“Ｖ_Ｅ”に対し、人間の視覚特性、入力
信号の性質を考慮した重み付けを行いながら、比較回路
７から出力されるピクチャタイプ“ｐ”毎の量子化スケ
ール指示信号“Ｑ（ｐ）”で指定された量子化スケール
で、符号化信号“Ｖ_Ｅ”を量子化して、量子化信号“Ｖ
_Ｑ”を生成し、これをビットストリーム生成回路４に供
給する。

【００３５】ビットストリーム生成回路４は、量子化回
路３から出力される量子化信号“Ｖ _Ｑ”を可変長符号化
し、所定の規則に則ってビットストリーム“Ｂ”に変換
すると共にバッファリングし、これを後段の多重化装置
（図示は省略する）などに供給する。なお、このビット
ストリーム生成回路４では、ビットストリーム“Ｂ”の
ビットレートが固定ビットレート以下になっても、スタ
ッフィングを行わない。

【００３６】また、ビットレート制御回路５は、ビット
ストリーム生成回路４によって生成されたビットストリ
ームの情報量、このビットストリームを一時的に記憶す
るバッファの占有率などに基づいて、ピクチャタイプ
“ｐ”毎に量子化スケール指示信号“Ｑ（ｐ）”を生成
し、これを比較回路７に供給する。ここで、例えば、ビ
ットストリームの情報量が目標値よりも大きいときまた
はバッファの占有率が大きいとき、より大きな量子化ス
ケールを指示する量子化スケール指示信号“Ｑ
_Ｏ（ｐ）”を生成し、またビットストリームの情報量が
目標値よりも小さいときまたはバッファの占有率が小さ
いとき、より大きな量子化スケールを指示する量子化ス
ケール指示信号“Ｑ_Ｏ（ｐ）”を生成する。

【００３７】量子化スケール最小値設定回路６は、予め
行われた実験などの結果に基づいて得られた、量子化ス
ケール“Ｑ”と画質“Ｐ”との関係、例えば図２に示す
ように、ピクチャタイプＩ，Ｐ，Ｂ各々について、“Ｐ
＝ｆ_Ｉ（Ｑ）”、“Ｐ＝ｆ_Ｐ（Ｑ）”、“Ｐ＝ｆ
_Ｂ（Ｑ）”で示される関係に基づいて設定された、目標
画質を得るために必要な量子化スケールの使用範囲を指
定する設定信号“Ｔ”に応じて、ピクチャタイプ“ｐ”
毎に、最小の量子化スケールを示す量子化スケール指示
信号“Ｑ_ｍｉｎ（ｐ）”を生成し、これを比較回路７に
供給する。

【００３８】比較回路７は、ピクチャタイプ“ｐ”毎に
量子化スケール最小値設定回路６から出力される量子化
スケール指示信号“Ｑ_ｍｉｎ（ｐ）”で指定された最小
の量子化スケールと、ピクチャタイプ“ｐ”毎にビット
レート制御回路５から出力される量子化スケール指示信
号“Ｑ_Ｏ（ｐ）”で指定された量子化スケールとを比較
し、次式を満たす方の量子化スケールを選択するととも
に、選択した方の量子化スケールを示す量子化スケール
指示信号“Ｑ（ｐ）”を生成して量子化回路３に供給す
る。

【００３９】

【数２】

【００４０】このように、この第１の実施形態では、い
ろいろな映像を用いて、量子化スケールと、画質との関
係を予め実験的に求め、目標とする画質“Ｔ”に対し、
使用すべき最小の量子化スケールを決めておき、伝送対
象となる映像信号“Ｖ_Ｏ”が入力されたとき、例えば
“動き補償方式”と、“ＤＣＴ符号化方式”とを組み合
わせた符号化方式で、映像信号“Ｖ_Ｏ”を符号化すると
ともに、量子化スケールが予め設定されている最小の量
子化スケールより小さくならないように、かつ符号化処
理で得られた符号化信号“Ｖ_Ｅ”を量子化してビットス
トリームに変換して伝送するときの伝送量が一定量以下
となるように、量子化処理で使用される量子化スケール
を制御しながら、符号化処理で得られた符号化信号“Ｖ
_Ｅ”を量子化した後、この量子化処理で得られた量子化
信号“Ｖ_Ｑ”をビットストリーム“Ｂ”に変換するよう
にしているので、所望の画質を維持させながら、信号処
理回路を簡素化させて、製造コスト、メンテナンスコス
トなどを低く抑えさせることができるとともに、必要以
上の情報が発生しないようにして、伝送容量に余裕を持
たせることができる。

【００４１】なお、ピクチャタイプ“ｐ”毎に最小の量
子化を設定する際、回路の簡略化のために、ピクチャタ
イプによらず共通の値を設定することも可能である。

【００４２】さらに、量子化スケールを符号化モード毎
に制御する例として、一般的に用いられているピクチャ
タイプ毎に制御する場合を示したが、例えばＭＰＥＧに
おける各種のマクロブロック毎の符号化モードに応じ
て、最小の量子化スケールを設定することも可能であ
る。

【００４３】また、この第１の実施形態では、ビットス
トリーム生成回路４から出力されるビットストリーム
“Ｂ”のビットレートが予め設定されている固定ビット
レートに達しないときでも、スタッフィング処理を行わ
ないようにしているので、所望の画質を維持させなが
ら、予め設定された伝送容量以下の伝送量にして、ビッ
トストリーム“Ｂ”内の空部分に他の情報を入れること
ができ、これにより多重化装置などによって、他の情報
を多重化させて、伝送させることができる。

【００４４】《他の実施形態》また、上述した第１の実
施形態では、ビットストリーム生成回路４において、通
常の固定ビットレート符号化処理を行う際に必要なスタ
ッフィングを行わないようにしているが、一旦、スタッ
フィングを行わせて、固定ビットレート化しておき、符
号化装置１の後段に配置される多重化装置側で、スタッ
フィングした無効な情報を除去させるようにしても良
い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、請
求項１の符号化装置では、所望の画質を維持させなが
ら、信号処理回路を簡素化させて、製造コスト、メンテ
ナンスコストなどを低く抑えさせることができるととも
に、必要以上の情報が発生しないようにして、伝送容量
に余裕を持たせることができる。

【００４６】請求項２の符号化装置では、信号処理回路
を一層簡素化させて、製造コスト、メンテナンスコスト
などを低く抑えさせることができるとともに、必要以上
の情報が発生しないようにして、伝送容量に余裕を持た
せることができる。

【００４７】請求項３の符号化装置では、所望の画質を
維持させながら、予め設定された伝送容量以下の伝送量
にすることができ、これによって生じた空部分に他の情
報を入れて伝送させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による符号化装置の第１の実施形態を示
すブロック図である。

【図２】図１に示す量子化スケール設定回路で使用され
る量子化スケールと、画質との関係例を示すグラフであ
る。

【図３】従来から知られている符号化装置の一例を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１：符号化装置２：符号化回路３：量子化回路４：ビットストリーム生成回路５：ビットレート制御回路６：量子化スケール最小値設定回路７：比較回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大塚吉道東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者神田菊文東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者黒住正顕東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者杉本智彦東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内Ｆターム(参考） 5C059 KK01 KK15 MA00 MA23 MC14 MD08 PP05 PP06 PP07 RB01 RB06 RB10 SS01 SS13 SS30 UA02 5J064 AA02 BA13 BA16 BB10 BC02 BC16 BD02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像信号または音声信号を符号化した符
号化信号を、指定された量子化スケール値を使用して量
子化し、この量子化信号からビットストリームを生成す
る符号化装置において、目標とする符号化品質に対応して、符号化する際の符号
化モード毎に最小の量子化スケールを出力する量子化ス
ケール最小値設定部と、量子化信号からビットストリームを生成するビットスト
リーム生成部と、ビットストリームの情報量が所定の値となるように、符
号化する際の符号化モード毎に量子化スケールを出力す
るビットレート制御部と、このビットレート制御部から出力される量子化スケー
ル、前記量子化スケール最小値設定部から出力される最
小の量子化スケールのうち、値が小さくない方を選択す
るとともに、選択した量子化スケールに基づき、前記符
号化信号を量子化する量子化部と、を備えたことを特徴とする符号化装置。
【請求項２】請求項１に記載の符号化装置において、前記量子化スケール最小値設定部は、符号化する際の符
号化モードによらず共通の最小の量子化スケールを出力
する、ことを特徴とする符号化装置。
【請求項３】請求項１、２のいずれかに記載の符号化
装置において、前記ビットストリーム生成部は、ビットストリームの情
報量が所定の値に達していないときでも、スタッフィン
グを行わない、ことを特徴とする符号化装置。