JP2005130517A - ブロック適応型差分パルスコード変調システム - Google Patents

Abstract

【課題】差分パルスコード変調符号化において量子化器空間を円形に分割したのでは画素値ブロックの統計である平均と標準偏差の各々に適合した量子化器を選択できない。このため再構成されたデジタル画像信号に誤差が生じ圧縮がうまく行えない。
【解決手段】ブロック適応型差分パルスコード変調システムは、画素値ブロックに応答して符号器命令信号を発生する損失なしＤＰＣＭプロセッサ１８、２０と、画素値ブロックに応答して符号器命令信号を発生する損失ありＤＰＣＭ圧縮器２２、２４と、符号器命令信号を受取って圧縮された符号化ビットストリームを生成する符号器２８と、圧縮構成信号と損失あり圧縮器からの符号器命令信号とに応答して、損失なしプロセッサまたは損失あり圧縮器のいずれかからの符号器命令信号を選択的に符号器へ伝えるスイッチ２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は米国防省との契約番号ＦＡ７０５６−９２−Ｃ−００２０に基づいて米国政府との提携においてなされたものである。従って、米国政府は本発明に対して一定の権利を所有する。

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は異論はないが、ただしこれ以外のすべての権利を保有している。

本発明は一般にはデジタル画像処理の分野に関し、より特定的には差分パルスコード変調（以下、ＤＰＣＭと称す）システムにおいて残留デジタル画像データを適応的に圧縮する方法に関する。

デジタル画像信号を圧縮するためのＤＰＣＭシステムは、一般的には予測器と量子化器と符号器とを備える。予測器はデジタル画像信号を残留信号空間に変換する働きをする。残留信号とは、デジタル画像信号中の元の画素値と、これに対応するＤＰＣＭシステムによって生成される予測画素値との単なる数学的な差である。

予測に基づく圧縮技術で用いるためのブロック適応型量子化方法がサリバンらによって開発されている。これについては次の２件の米国特許を参照されたい。（１）米国特許第４，８８５，６３６号（１９８９年１２月５日発行、発明者Ｊ・Ｒ・サリバン）、および（２）米国特許第５，２８７，２００号（１９９４年２月１５日発行、発明者Ｊ・Ｒ・サリバンおよびＣ・Ｍ・スミス）。サリバンらの開示する量子化器システムは、本明細書の図１１に示すように放射状に（つまり円形に対称的に）配置された複数の量子化器を含む。ｎｘｍブロックからなる残留データΔ_ijの近隣１２の局所統計μ_k 、σ_k （ｋは残留画像データのｋ番目のブロックを示す）に従って、一組の量子化器１０からある特定の量子化器Ｑ_n が選択され、各データブロック１０ごとに平均μ_k と標準偏差σ_k とが計算される（ステップ１４）。これらの統計により該当する近隣ブロックの局所統計に適合した量子化器Ｑ_n が示される。統計の計算は以下の式（１）で行われる。

残留信号Δ_ijは元の画素値ｘ_ijとこれに対応する予測値ｐ_ijとの数学的な差であるため、以下の式（２）が成り立つ。個々の量子化器はロイド−マックスの量子化法を用いて設計することができる。

以上の説明は損失のある圧縮技術についてのものである。予測に基づいた数値的に損失のない圧縮アルゴリズムを用いれば量子化工程を割愛して、残留データを直接符号化して圧縮を行うことができる。残留画像データを損失なく符号化するにはハフマン符号化や算術符号化といった符号化技術が用いられるが、これらの符号化技術は量子化した残留画像データの符号化にも用いることができる。サリバンらは、超低ビットレートを達成するために、１ブロックの残留データの残留値が０近傍であるブロックのランの中にあるかどうかを判断し、それらのブロックをランレングス符号化する技術を開示している。

しかし、サリバンらによって開示されるＤＰＣＭ符号化技術において量子化器空間を放射状に円形に対称的に分割する方法では、量子化器を局所ブロックの平均と標準偏差とについて独立して適合するように選択する能力に限界がある。

サリバンらの開示するランレングス符号化技術では、ランの間に誤差が累積するため、再構成されたデジタル画像信号中に偏りが生じる。この累積誤差によってランが途中で終了してしまい、圧縮技術の効果が減少してしまう。

従って本発明の目的は、上記のような欠点を克服し、かつ先行技術のＤＰＣＭ符号化技術をさらに改良することである。

上記の目的は本発明に従うブロック適応型ＤＰＣＭシステムを提供することによって達成される。本発明のシステムは、画素値のブロックに応答して符号器命令信号を発生する損失なしＤＰＣＭプロセッサと、画素値のブロックに応答して符号器命令信号を発生する損失ありＤＰＣＭ圧縮器と、圧縮構成信号と損失あり圧縮器からの符号器命令信号とに応答して、損失なしプロセッサまたは損失あり圧縮器からの符号器命令信号を選択的に符号器へ伝えるスイッチとを備える。

本発明に従うブロック適応型ＤＰＣＭ圧縮システムによって達成することのできる圧縮レートは、低ビットレート（１画素あたり１．０ビット未満）から数値的に損失のない圧縮レートまでの範囲にわたる。

本発明の他の実施形態では、改良された適応量子化器は楕円形に分割された量子化器空間を用いる。このため量子化器をブロックの平均と標準偏差とについて
独立して適合するように選択できるため、量子化器空間およびこの空間内の対応
する量子化器の設計をより効率的にすることができる。

本発明のさらに他の実施形態では、精細度の低い画像領域では量子化された残留データは量子化の間にサブサンプリングされ、サンプリングされなかったデータは圧縮度をさらに高めるために廃棄される。ランブロックとして分類された画像ブロックでは累積された誤差が追跡され、この誤差が一定のしきい値を越えると誤差をオフセットするために偏りが導入される。これによりより多くの連続ブロックをランとして分類することができ、データの圧縮を高めることができる。

本発明のさらに他の実施形態では、量子化の前にデジタル画像データと残留データとに正規化係数を乗じておいてもよい。正規化係数は残留信号の振幅を左右して、最終的にデータの圧縮率を制御する。この正規化係数は圧縮レートを変えるためにユーザが決めてもよい。またユーザは、手動で所望の処理構成を特定することによって、損失ありか損失なしかのどちらかの処理経路を選択することもできる。この代わりに、処理構成をレートコントローラによって局所圧縮レートの関数として自動的に選択させることもできる。本出願と同日出願で同時係属中の米国特許出願番号第（ＥＫ Ｄｏｃｋｅｔ ６９，６７６）（発明の名称「データ圧縮レート制御方法および装置」、発明者ダグラス・Ｗ・コーエンホーベンら）に、圧縮レートを制御する適切なレートコントローラが開示されている。処理構成モードと正規化係数とをユーザが特定する方法であっても自動的に選択する方法であっても、どちらもユーザのニーズに応える処理システムのレート制御手段を提供することができる。

以上のような本発明の実施形態、目的および特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明、前掲の特許請求の範囲、および添付の図面を参照することによってより明白に理解することができる。

本発明に従うブロック適応型ＤＰＣＭシステムでは、量子化器が量子化器空間中で楕円形に分割配置されるため、画素ブロックの各統計に独立して適合するように量子化器を選択できる。また精細度の低いランブロックと分類された画像ブロックでは、量子化誤差を追跡して誤差が一定のしきい値を超えると偏りを入れて誤差の拡大を防ぐため、より多くのブロックでランレングス符号化が行うことができ、データの圧縮を高めることができる。

図１に示すハードウェアブロック図は、本発明に従うブロック適応型ＤＰＣＭ圧縮器の概観を示す。本明細書中ではデータのブロックについて述べる時にはデータを表す記号を大括弧［］内に入れて示す。入力画像データ［Ｉ_ij］および先に再構成された画像データＩ’_ij（共通メモリバッファ１６に格納され、そこから読み出されたもの）は、第１の損失なしプロセッサ１８と、第２の損失なしプロセッサ２０と、第１の損失あり圧縮器２２と、第２の損失あり圧縮器２４とに送られる。損失なしプロセッサ１８および２０、ならびに損失あり圧縮器２２および２４は、符号器命令信号ＥＮＣ１−ＥＮＣ４を発生し、これらの信号はスイッチ２６に入れられる。スイッチ２６は圧縮構成モード信号ＣＣＭに応答して、符号器に伝送する特定の符号器命令信号を選択する。スイッチ２６はさらにこれらの符号器命令信号の内容に応答して、どの符号器命令信号を符号器２８に送るかを決定する。これにより、損失あり圧縮のために生じる量子化誤差の上限を維持するのに必要な場合は構成モード信号を選択的に消去する。符号器２８は符号器命令信号ＥＮＣｘを受取って、処理済の残留画像データを圧縮されたビットストリームへと符号化する。スイッチ２６はまた、現在使用されている処理経路を示すプロセッサ信号も発生する。このプロセッサ信号はメモリバッファ１６を能動化して、現在使用中の処理経路から再構成された画像データを格納させる。圧縮器によって作られた圧縮ビットストリームは当該技術分野で周知の方法で記憶または伝送することができる。

ブロック適応型損失なしプロセッサとブロック適応型損失あり圧縮器の動作を示す詳細なブロック図を図２および図３に示す。図１と同じ構成要素には同じ番号を付す。入力画素値Ｉ_ijはブロック形成器３０によってブロック［Ｉ_ij］の形にされる。図２のブロック１８は損失なしプロセッサをより詳細に示したブロック図である。この損失なしプロセッサ１８では、画素値ブロック［Ｉ_ij］および再構成された画素値Ｉ’_ijを受け取って予測器３２へ送り、予測画素値［Ｐ_ij］を生成する。予測器には、米国特許出願番号第０８／３３３，６６４（１９９４年１１月３日出願、発明の名称「デジタル画像プロセッサ」、発明者ブヘイブン・Ｒ・ガンディら）に記載されているようなものが適当である。

元の画素値にはメモリバッファ１６に格納するために印がつけられる。ブロック［Ｐ_ij］中の各々の予測画素値は減算器３４でブロック［Ｉ_ij］中の対応する元の画素値から減じられて、画素値差［Δ_ij］を生成する。これらの予測画素値［Ｐ_ij］と、対応する画素値差［Δ_ij］とは記号化器３６に与えられ、記号化器は差信号に応答して損失なし記号ＬＬｓｙｍｂｏｌを作る。システムが８ビットの場合はＬＬｓｙｍｂｏｌは０から２５５までの値を取り得る。この後、この損失なし記号ＬＬｓｙｍｂｏｌは同じ確率を持つ記号同士をグループに分ける分類器３８に与えられる。分類器３８はＬＬｓｙｍｂｏｌがメンバであるグループを見つけ、そのグループ内の記号を特定する。このグループはプレフィックス値と、そのグループ内の記号を表す対応するコード値とで表現される。以下の表１の第１列目はＬＬｓｙｍｂｏｌ値のグループを示し、第２列目は各グループごとのプレフィックス値を示す。第３列目はコード値中のビット数を示す。コード値は実際の記号値からグループ中の最小記号値を減じて求められる。

分類器３８によって生成されたプレフィックス値およびコード値はスイッチ２６に与えられる。最後に、ＮｘＭ画素からなるブロック中の各記号についてのプレフィックス値に応答する選択モジュール４０を用いて、ＮｘＭ画素ブロック中の最大プレフィックス値が生成される。ブロックごとのこの最大プレフィックス値（Ｒ_block と表示する）もスイッチ２６に与えられる。表２は最大プレフィックス値と、それに対応するＲ_block 値とを記載したものである。好ましい実施形態では、０から４までの値をとる５つのＲ_block がある。以上のように、損失なしプロセッサ１８はＮｘＭブロックのＲ_block 値と対応するＮｘＭブロック内の各画素ごとのプレフィックス値およびコード値とを生成し、生成したすべての値はスイッチ２６に送られる。これら３つの値によって符号器命令信号ＥＮＣ１を形成する。

図２には損失あり圧縮器２２のより詳細なブロック図も示している。損失あり圧縮器２２は元の画素値のブロック（［Ｉ_ij］と表示する）と、先に再構成された画素値Ｉ’_ijと、正規化係数Ｓとを受け取る。正規化係数Ｓはユーザによって特定されてもよいし、またはメモリバッファレベルおよび充足信号レートに応答するレートコントローラ（図示せず）から与えられてもよい。損失あり圧縮器２２は、量子化器選択信号Ｑ_sel と、量子化された記号データ（Ｑ_symbol）と、再構成された画素データのブロック（［Ｉ’_ij］）とを生成する。元の画素値ブロック［Ｉ_ij］と前に再構成された画素値Ｉ’_ijとが予測器４２に入れられ、予測器４２は現在の元の画素値に対応する予測画素値Ｐ_ij（上記の予測器３２によって生成される予測画素値と必ずしも同じでなくてもよい）を生成する。その後、この予測画素値を減算器４４で元の画素値から差し引いて、ＮｘＭ画素ブロック中の各画素ごとに画素値差Δ_ij（これもやはり上記の減算器３４で生成される画素値差と同じである必要はない）を生成する。画素値差の各々には乗算器４６によって正規化係数Ｓが乗じられる。こうして正規化された画素値差Ｓ［Δ_ij］は量子化選択モジュール４８によってさらに処理される。

本発明の好ましい実施形態では、量子化器選択モジュール４８によって選択される複数の量子化器は図４に示すように楕円形に分割されて配置される。各量子化器Ｑ_n は、正規化された残留データＳΔ_ijのｎｘｍブロックからなる近傍１２’の局所統計μ_k 、σ_k （ｋは残留画像データのｋ番目のブロックを示す）に基づいて一組の量子化器１０’から選択される。平均μ_k および標準偏差σ_k は正規化されたデータの各ブロックごとに計算される（ステップ１４’）。平均および標準偏差の絶対値は図４に示すようにそれぞれの最大値にクリッピングされる。これらの統計は量子化器Ｑ_n を示すのに用いられる。０番目の量子化器Ｑ₀ はｒｕｎ ｆｌａｇがオンの時に選択されるランレングス量子化器を表す。このランレングス量子化器は図４に示すように量子化器空間において矩形部分を占有する。量子化器空間の残りの部分は局所統計μおよびσの空間中で楕円形に角度をもって分割される。楕円形セグメントの各々は１つの量子化器Ｑ_n を表す。図４では各量子化器ごとの再構成レベル数を各量子化器の隣の括弧の中に示す。楕円形に分割された領域の外側の量子化器空間（Ｑ₈ で示す）は損失なしの圧縮工程を表す。もし量子化器選択モジュール４８によって量子化器Ｑ₈ が指定されれば、スイッチ２６は損失なし圧縮工程１８を選択する。楕円形に分割された量子化器空間の中から特定の量子化器Ｑ_n を選択する過程を図５に示す。まず、局所統計μ_k とσ_k とが計算される（ステップ７２）。次に、以下の式（３）が成り立つ場合に、各ブロック（ｋで示す）ごとのｉ番目の楕円形領域が選択される（ステップ７４）。式（３）のＥ_i はｉ番目の楕円ρ_biおよびρ_giのそれぞれの半径に対するμ_k およびσ_k の位置を表す。Ｅ_i は式（４）から計算される。

楕円領域を選択したら、式（５）を用いて対応する角セグメントを選択する （ステップ７６）。

量子化器Ｑ₀ の外側では、計算された角位置Φ_k と角セグメントしきい値７８（図４参照）とが比較されて特定の量子化器Ｑ_n を決定する。この量子化器Ｑ_n はデータブロック近隣の処理に用いられる。好ましい実施形態では角しきい値７８は水平軸σから±１５°である。

量子化器を楕円に分割することによって、先行技術で用いられた量子化器の円形対称分割よりもより柔軟に画像データブロックを分類することができる。またブロックの平均μおよび標準偏差σを別々に制御するため、量子化器空間のセグメント化が容易に行える。

量子化器選択は正規化されたブロックデータに対して行われるため、先に説明した正規化係数Ｓは量子化器選択過程に直接影響をおよぼす。正規化係数が１未満ならば平均および標準偏差は効果的に減じられるが、１より大きければこれらの局所統計は大きくなる。このため、正規化係数が１未満の場合は下位μ−σ量子化器が選択され、１以上の場合は上位μ−σ量子化器が選択される。内側の量子化器ほど再構成レベル数が少ないため、正規化係数が１未満では効果的なビットレートを下げ、１より大きければ効果的なビットレートは高くなる。

このような処理によって、元の画素値と、先に再構成された画素値と、量子化器選択信号（Ｑ_sel ）とがラン選択モジュール５０に与えられ、現在の画素値ブロックを低精細度領域と分類するかどうかが決定される。ラン選択モジュール５０はｒｕｎ ｆｌａｇ信号を発生し、この信号はもしブロックが低精細度領域と判断されればオンになり、それ以外の場合はオフになる。またラン選択モジュール５０は画像平均追跡信号（ＤＣ ｔｒａｃｋ）を発生し、この信号は低精細度画像ブロックと分類されたブロックの画像の平均画像レベルの追跡に使用される。量子化器選択モジュール４８は現在処理中のブロックの正規化された画素値差Ｓ［Δ_ij］およびｒｕｎ ｆｌａｇ信号に応答して、量子化器選択信号（Ｑ_sel ）を発生し、この信号によって使用する量子化器を特定する。ラン選択モジュール５０から発生したｒｕｎ ｆｌａｇ信号がオンならば、ラン量子化器が選択される。量子化に使用される量子化器は量子化器選択信号（Ｑ_sel ）によって特定され、この信号はサブサンプルマスクモジュール５２および量子化器モジュール５４に伝えられる。サブサンプルマスクモジュール５２はあるデータブロック内の画素値の空間位置に対応して、選択された量子化器（Ｑ_sel ）についてサブサンプルマスクビットパターンを特定する。

図６に示すように、サブサンプルマスク８０は、正規化した画像の画素値差ＳΔ_ijのｎｘｍブロック８２中の対応する位置を示すｎｘｍ（例えば２ｘ２）２値ビットパターンである。サブサンプルマスク８０中のビットパターンが「１」ならば、ブロック８２中の対応する正規化された画素値差が量子化器５４で量子化され、量子化された記号Ｑ_symbolが伝送される。サブサンプルマスク８０中のビットパターン値が「０」ならば、ブロック８２中の対応する正規化された画素値差は平均量子化レベルに設定され、量子化された記号Ｑ_symbolは伝送されない。図６に示すサブサンプルマスクの例では、正規化された画像画素値差のうち半分だけが量子化後にＱ_symbol信号によって量子化器５４から伝送される。このためビットの半分が０に設定されたサブサンプルマスクを有する量子化器で量子化したデータブロックでは、圧縮率が２だけ増加する。

画像中の精細度が低い場合は、システムの設計者は画素値差の平均および標準偏差が０に近い、量子化器Ｑ₁ やＱ₂ などの０を含むサブサンプルマスクビットパターンを選択する（図４参照）。精細度が高いことを表す量子化器では、サブサンプルマスク８０中のすべてのビットは１に設定される。量子化器選択モジュール４８がラン量子化器を選択する場合（つまり画像の精細度が非常に低い場合）は、サブサンプルマスク８０中のビットはすべて０に設定される。

量子化器５４はＱ_sel とサブサンプルマスク信号とに応答して、正規化された画素値差Ｓ［Δ_ij］（これも上記の減算器３４および４４で生成された画素値差と同じでなくともよい）を適切に量子化する。量子化器５４は量子化した画素値差を示す記号（Ｑ_symbol）と、量子化した画素値差自体（Ｓ［Δ’_ij］）とを生成する。量子化した画素値差の量子化誤差が所定量を超える場合は、量子化器５４は独特なＱ_symbolを生成する。Ｑ_symbolは量子化器選択モジュール４８にフィードバックされるが、もし量子化器選択モジュール４８がこの独特なＱ_symbolを検知すると、モジュール４８は図４のＱ₈ で示す損失なし工程を表す出力Ｑ_sel を発生する。もしラン中のブロックが直流追跡用ならば、通常のＱ_symbolの代わりにＤＣ ｔｒａｃｋ記号が量子化器５４から伝送される。Ｑ_sel 信号とＱ_symbol信号とによって図１のところで説明したＥＮＣ３符号器命令信号を形成する。

量子化された画素値差（Ｓ［Δ’_ij］）は予測画素値Ｓ［Ｐ_ij］と共に加算器５６に与えられて、正規化された再構成画素値Ｓ［Ｉ’_ij］となる。この正規化された再構成画素値Ｓ［Ｉ’_ij］は乗算器５８に与えられ、ここで正規化係数の逆数１／Ｓが乗じられて再構成された画素値ブロック［Ｉ’_ij］を生成する。このブロックにはメモリバッファ１６に格納するために印がつけられる。正規化された再構成画素値Ｓ［Ｉ’_ij］は予測器６０にも与えられる。予測器６０は正規化され先に再構成された画素値ＳＩ’_ijも受取って、正規化された予測画素値Ｓ［Ｐ_ij］を作る。正規化された再構成画素値は先に再構成された画素値Ｉ’_ijと正規化係数Ｓとによって乗算器６２で作られる。

減算器６４では、正規化された予測画素値Ｓ［Ｐ_ij］は正規化された元の画素値Ｓ［Ｉ_ij］から差し引かれて正規化された画素値差Ｓ［Δ_ij］が生成される。乗算器６６では、元の画素値［Ｉ_ij］に正規化係数Ｓを乗じて正規化された元の画素値Ｓ［Ｉ_ij］が形成される。

スイッチ２６は構成制御信号ＣＣＭと、符号器信号ＥＮＣ１およびＥＮＣ３とを受け取り、ＣＣＭ信号に基づいて適切な符号器信号を符号器２８へ伝える。また、モード信号ＣＣＭおよびユーザによって特定される正規化係数Ｓも伝える。ＣＣＭ信号がＥＮＣ３信号を選択するように設定されており、かつ量子化器Ｑ₈ を示すＱ_sel がオーバヘッドで伝送される場合、ＥＮＣ１からのプレフィックス信号は残留信号として伝えられ、ＥＮＣ１からの符号信号はＬＬｃｏｄｅとして伝えられ、ＬＬｆｌａｇがオンにされる。スイッチ２６はＣＣＭ信号の示すモードに基づいてＲ_block またはＱ_sel のいずれかを表すオーバヘッド信号を生成する。また、損失なしプロセッサ１８からのプレフィックス記号または損失あり圧縮器２２からのＱ_symbolのいずれかを表す残留信号も発生する。スイッチ２６は符号器２８に伝えられているデータは損失なしプロセッサからのものであることを示す信号ＬＬｆｌａｇを生成する。この損失なしフラグＬＬｆｌａｇがオンで損失なし工程を示していれば、損失なしプロセッサ１８からの符号信号がＬＬｃｏｄｅ信号として符号器２８へ伝えられる。スイッチ２６はまた、イネーブル信号ＭＥによってメモリバッファ１６を可能化して、印をつけた再構成画素データをスイッチ２６を介して符号器信号を符号器２８へ送っているプロセッサまたは圧縮器から受け取らせる。

符号器２８はスイッチ２６から符号器命令信号を受取り、オーバヘッド信号と残留信号とをハフマン符号化し、定ビットパターンで損失なし符号ＬＬｃｏｄｅを符号化する。符号器２８はモード信号ＣＣＭおよび正規化係数Ｓを定ビット長コードとして独自のマーカコードの後に符号化する。残留信号の符号化に用いられる一組のハフマン符号は、オーバヘッド信号に基づいて選択される。ＬＬｃｏｄｅの各々のビット長は残留信号によって決定される。低精細度領域と指定されたデータブロックでは、ランレングス符号化を用いることができる。ランの間は、ハフマン符号を用いて直流追跡偏りが符号化される。

ＬＬｆｌａｇがオンの場合（つまり損失なし工程を用いる場合）、オーバヘッド信号中の範囲値（Ｒ_block ）は前のＲ_block 値に基づいて符号化される。以下の表３はこのような範囲値の符号化に用いられるハフマン符号のビット長を示す。１−１の枠内に横線を引いてあるのは、現在値と前の値とのこの組み合わせの確率が高く、ランレングス符号化されることを示す。

次に表４はブロックごとに選択された範囲値のプレフィックス値の符号化に用いられるハフマン符号のビット長を示す。空白の箇所はその組み合わせが発生しないことを示す。

また、ＬＬｆｌａｇがオンの場合、損失なしプロセッサ１８中の分類器３８からの符号値ＬＬｃｏｄｅは固定ビット長コードを用いて符号化される。このコードの長さは表１の３列目に示すものと同じである。

ＬＬｆｌａｇがオフの場合（つまり損失あり圧縮器が用いる場合）、オーバヘッド信号中の量子化器選択値（Ｑ_sel ）は前のＱ_sel の値に基づいて符号化される。以下の表５にはこれらの量子化器選択値の符号化に用いられるハフマン符号の長さを示す。表中、０−０の枠内に横線が引いてあるのは、量子化器選択値の現在値と前の値とのこの組み合わせの確率が高く、ランレングス符号化されることを意味する。

次に表６には、ブロックごとに選択した量子化器選択値のＱ_symbol値を符号化するのに用いられるハフマン符号のビット長を示す。表中の空白の箇所はそこの組み合わせが発生しないことを示す。

Ｑ_sel ＝８で損失なしプロセッサの選択を示す場合は、表６の値は残留信号として伝送されるＥＮＣ１からのプレフィックス値の符号化に使用されるハフマン符号長を示す。

ここではハフマン符号化およびランレングス符号化技術の利用が好ましいとしているが、本発明の精神および範囲から逸脱することがなければ算術符号化のような他の技術を用いることも可能である。符号器２８の出力は圧縮されたオーバヘッドおよび画像データからなるビットストリームとなる。

次に図７を参照してラン選択モジュール５０について詳細に説明する。画素値ブロック［Ｉ_ij］には乗算器８４で正規化係数Ｓが乗じられて、正規化されたブロック画素値Ｓ［Ｉ_ij］となる。先に再構成された画素値Ｉ’_ijは乗算器８６で正規化係数Ｓが乗じられて正規化された再構成画素値ＳＩ’_ijとなる。正規化された再構成画素値ＳＩ’_ijは予測器８８に与えられ、正規化された画素値の予測値ブロックＳ［Ｐ_ij］を生成する。この値は予測器８８へフィードバックされ、減算器９０で正規化された画素値ブロックの各画素から差し引いて、正規化された画素値差Ｓ［Δ_ij］を形成する。量子化器選択信号Ｑ_sel は遅延９２によって１ブロックの処理期間だけ遅延されて、前の量子化器選択信号を生成する。前の量子化器選択信号は直流追跡可能化器９４に与えられる。図８のステップ９６に示すように、直流追跡可能化器は前の量子化器選択信号を検査してランを示すかどうかを決定する。もし前の量子化器選択信号がランを示していなければ、ランに含まれるブロックの数を追跡し続ける内部カウンタｎｕｍ ｒｕｎｓが１に設定される（ステップ９８）。反対に前の量子化器選択信号がランを示していれば、内部カウンタは１だけ増分される（ステップ１００）。次に、内部カウンタが検査されて（ステップ１０２）、ｎｕｍ ｒｕｎｓのカウントがユーザが決めた整数（例えば４など）の倍数かどうかを判断する。この整数は直流追跡偏りの検査をする前に通過したブロック数を表現するものである。もしカウントがこの整数の倍数ならば、直流追跡フラグ（ｔｒａｃｋ ｆｌａｇ）がオンにされ（ステップ１０４）、そうでなければオフにされる（ステップ１０６）。図７に戻る。直流追跡フラグは再構成誤差計算器１０８と直流追跡偏り計算器１１０とに与えられる。直流追跡フラグは量子化器５４にも与えられる。直流追跡フラグがオンならば、再構成誤差計算器１０８および直流追跡偏り計算器１１０は可能化される。反対に直流追跡フラグがオフならば、これらの計算器は両方とも割愛される。

再構成誤差計算器１０８は標本化された画素差信号のブロックＳ［Δ_ij］を受取り、以下の式（６）によって、再構成誤差Ｒ_error を計算する。

直流追跡偏り計算器１１０はこの再構成誤差Ｒ_error を受取り、偏りβとこの偏りに対応するＤＣ ｔｒａｃｋ信号とを計算する。偏りβは次の式（７）で求められる。

式（７）では、β₀ は正の定数（例えば４など）、ＤＣ Ｔｈｒｅｓｈ［０］＝−β₀ ／２、かつＤＣ Ｔｈｒｅｓｈ［１］＝＋β₀ ／２である。上述した好ましい実施形態では、βは２つのしきい値によって決定される３つの値のうちのどれをとってもよい。この考え方を一般化するとβはＮ−１個のしきい値によって定められるＮ個の値のうちのどれをとってもよいことになる。ＤＣ ｔｒａｃｋ信号はβを表す記号であり、例えばβ＝０ならば０１、β＝−β₀ ならば００、β＝＋β₀ ならば１０である。ＤＣ ｔｒａｃｋ信号は量子化器５４に与えられる（図２参照）。ＤＣ ｔｒａｃｋフラグがオンならば、ＤＣ ｔｒａｃｋ信号は量子化器５４によってＱ_symbolとして伝送され、量子化された画素値差Ｓ［Δ’_ij］の代わりにＤＣ ｔｒａｃｋ信号に対応するβが伝送される。

加算器１１２ではβに正規化された画素値差Ｓ［Δ’_ij］が加えられて、偏りを加えた正規化画素値差となる。偏りを加えた正規化画素値差はラン分類器１１４に与えられる。ラン分類器１１４は図９に示すようにブロックをランブロックとして分類するかどうかを判断する。この分類器１１４では偏りを加えた正規化差値ブロックの平均と標準偏差とが計算される（ステップ１１６）。その後、ブロックの統計がユーザの特定したラン規準μ_run およびσ_run と比較される（ステップ１１８）。もしこの統計がランの規準と一致すれば、ｒｕｎ ｆｌａｇがオンになる（ステップ１２０）が、それ以外の場合はオフになる（図２参照）。

次に図１０を参照して、圧縮されたビットストリームの伸長器（一般的に１２４で示す）について説明する。復号器１２６はメモリまたは伝送路から圧縮されたビットストリームを受取って復号し、符号器２８によって行われた符号化技術（例えばハフマン符号化など）の逆を行うことにより圧縮構成モード信号ＣＣＭと、正規化係数Ｓと、オーバヘッド信号と、残留信号と、ＬＬｆｌａｇ信号と、ＬＬｃｏｄｅ信号とを生成する。復号器１２６で生成されたこれらの信号は記号再構成モジュール１２８に送られ、ここでモード信号ＣＣＭに基づいて損失あり（Ｑ_symbol）記号または損失なし（ＬＬ_symbol）記号のいずれかが再構成される。損失なし記号を作るためには、分類器３８と逆の工程を行う。損失あり記号は復号器１２６から与えられる残留信号にすぎない。記号再構成モジュール１２８からの記号は画素再構成モジュール１３０に与えられ、このモジュール１３０は損失なし記号について記号化器３６と逆の工程を行うことにより画像の画素値差 ［Δ_ij］を再構成する。損失あり記号については、正規化された画素値差Ｓ［Δ’_ij］は記号値でアドレス指定されるルックアップテーブルによって再構成される。こうして再構成された画像の画素値差は、加算器１３４で予測器１３２で作られた予測画素値に加えられ、復号された画像信号Ｓ［Ｉ’_ij］（損失あり圧縮の場合）または［Ｉ’_ij］（損失なし圧縮の場合）を作る。予測器３２は機能的には圧縮器中の予測器３２および６０と同等のものである。最後に、乗算器１３６において、損失あり圧縮器からの復号された画像信号に正規化係数の逆数１／Ｓが乗じられる。

ここで説明したブロック適応型ＤＰＣＭ圧縮システムは、汎用デジタルコンピュータまたはカスタムメードのデジタル処理ハードウェアもしくはファームウェアにおいて実現することができる。付録ＡとしてＶａｘ ＶＭＳおよびＳｕｎ Ｕｎｉｘオペレーティングシステムでの動作用にＣ言語で書かれたプログラムを添付する。

以上のように好ましい実施形態によって本発明を説明してきたが、当業者であれば本発明の範囲を逸脱することなく変形および修正が可能であると理解できると考える。例えば、損失なしプロセッサ１８および符号器２８は損失なし圧縮用の独立型システムとして用いてもよい。同様に、損失あり圧縮器２２および符号器２８を損失あり圧縮用の独立型システムとして用いてもよい。

本発明に従う損失なし圧縮経路および損失あり圧縮経路を有するＤＰＣＭ圧縮システムを示すブロック図である。 図１のＤＰＣＭ圧縮システムの好ましい実施形態を示す詳細なブロック図である。 図２に続く図であり、図２とともに図１のＤＰＣＭ圧縮システムの好ましい実施形態を示す詳細なブロック図である。 損失あり圧縮経路中で用いられる楕円形に分割された量子化空間を示す概略図である。 本発明の損失あり圧縮経路中で用いられる量子化器選択工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に従う損失あり圧縮経路中で用いられるブロック構造および対応するサブサンプルマスクを示す概略図である。 図２のラン選択および直流追跡モジュールを示すブロック図である。 図７のモジュールによって実行される直流追跡可能化ロジックを示すフローチャートである。 図２のラン分類器によって実行されるロジックを示すフローチャートである。 本発明に従うＤＰＣＭ伸長器を示すブロック図である。 先行技術の損失あり圧縮技術で用いられる円形に分割された量子化空間を示す概略図である。

符号の説明

１０ 円形に分割された量子化器の組、１０’ 楕円形に分割された量子化器の組、１２ 残留データブロック近隣、１２’ 正規化された残留データブロック近隣、１６ メモリバッファ、１８ 第１損失なしプロセッサ、２０ 第２損失なしプロセッサ、２２ 第１損失あり圧縮器、２４ 第２損失あり圧縮器、 ２６ スイッチ、 ２８ 符号器、３０ ブロック形成器、３２，４２，６０，８８，１３２ 予測器、３４，４４，６４，９０ 減算器、３６ 記号化器、３８ 分類器、４０ 範囲選択モジュール、４６，５８，６２，６６，８４，８６，１３６ 乗算器、４８ 量子化器選択モジュール、５０ ラン選択モジュール、５２ サブサンプル用マスクモジュール、５４ 量子化器モジュール、５６，１１２，１３４ 加算器、７８ 角セグメントしきい値、８０ サブサンプル用マスク、８２ 正規化された画像の画素値差ブロック、９２ 遅延、９４ 直流トラック可能化器、１０８ 誤差計算器、１１０ 直流追跡偏り計算器、１１４ ラン分類器、１２４ 伸長器、１２６ 復号器、１２８ 記号再構成モジュール、１３０ 画素再構成モジュール。

Claims (14)

1. ｎｘｍ画素値ブロックに対して作用してデジタル画像を圧縮する、一組の量子化器を用いる損失あり圧縮器を有するタイプの改良されたブロック適応型差分パルスコード変調（ＤＰＣＭ）システムであって、
   前記改良点は前記デジタル画像信号中の精細度の低い領域を検知し、前記精細度の低い領域が検知されると前記量子化器の組を割愛し、前記低精細度領域についてランレングス信号を生成するラン選択手段を含むことを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載の改良されたブロック適応型ＤＰＣＭシステムにおいて、
   前記ラン選択手段は、
   ａ．前に再構成された画素値と前に予測された画素値とに応答して予測画素値を生成する予測器手段と、
   ｂ．前記各予測値をブロック中の対応する画素値から差し引いて画素値差を生成する減算器と、
   ｃ．前記追跡フラグと前記画素値差のブロックとに応答して、前記画素値差のブロック中の前記画素値差の合計を求めることにより再構成誤差を計算する手段と、
   ｄ．前記再構成誤差と前記追跡フラグとに応答して、オペレータが設定したオフセットの組から１つのオフセットを選択する手段と、
   ｅ．前記選択したオフセットを前記ブロック中の前記画素値差に加えて、オフセット画素値差および前記直流追跡信号を生成する手段と、
   ｆ．前記オフセット画素値差に応答して、前記ブロックをランブロックとして分類するかどうかを判断する手段と、
   ｇ．前のブロックについて選択された量子化器に基づいてブロックを直流追跡するかどうかを判断し、前記ブロックをいつ直流追跡するかを示す前記追跡フラグを生成する手段とを含むことを特徴とするシステム。
3. ｎｘｍ画素値ブロックに対して作用してデジタル画像を圧縮する、一組の量子化器を用いる損失あり圧縮器を有するタイプの改良されたブロック適応型差分パルスコード変調（ＤＰＣＭ）システムであって、
   前記改良点は前記量子化器が量子化器選択空間中で楕円形に分割されることを含むことを特徴とするシステム。
4. ｎｘｍ個の画素値ブロックに対して作用してデジタル画像信号を圧縮する、１ブロックの画素値差を形成する手段と、一組の量子化器と、前記一組の量子化器から１つの量子化器を選択して前記ブロック内の前記画素値差を量子化する手段と、前記量子化された差信号を符号化する手段と、前記符号化された量子化差信号を伝送する手段とを用いる損失あり圧縮器を有するタイプの改良されたブロック適応型差分パルスコード変調（ＤＰＣＭ）システムであって、
   前記改良点は、
   ａ．量子化器の選択に応答して、前記選択された量子化器に対応する２値マスクを形成するサブサンプルマスク手段と、
   ｂ．前記２値マスクを用いて、前記対応するマスク値が１の場合は前記量子化された画素値差の選択的な量子化、符号化、および伝送を行い、前記対応するマスク値が０の場合は前記量子化された差信号をユーザが規定した一定の値に設定し、何も伝送しないことを含むことを特徴とするシステム。
5. 請求項４に記載のブロック適応型ＤＰＣＭシステムにおいて、
   前記ユーザが規定した値は０であることを特徴とするシステム。
6. ブロック適応型差分パルスコード変調（ＤＰＣＭ）システムにおいて、画素値を有するデジタル画像信号を圧縮する損失なしＤＰＣＭプロセッサであって、
   ａ．画素値と前に再構成された画素値とを受け取って予測画素値を生成する予測器と、
   ｂ．前記予測画素値を前記画素値から差し引いて画素値差を生成する減算器と、
   ｃ．前記予測画素値と前記対応する画素値差とに応答して、前記画素値差に対応する損失なし記号値を生成する記号化器と、
   ｄ．前記損失なし記号値に応答して、対応するプレフィックス信号とコード信号とを発生する分類器と、
   ｅ．プレフィックス信号のブロックを受け取り、該ブロックについての範囲値を生成する範囲選択モジュールと、
   ｆ．前記プレフィックス値と、前記コード値と、前記範囲値とに応答して、前記デジタル画像を表す圧縮されたビットストリームを生成する符号器とを備えることを特徴とするプロセッサ。
7. 請求項６に記載の損失なしプロセッサにおいて、
   前記符号器はハフマン符号器を含むことを特徴とするプロセッサ。
8. ブロック適応型差分パルスコード変調（ＤＰＣＭ）システムにおいて、画素値を有するデジタル画像信号を圧縮する損失ありＤＰＣＭ圧縮器であって、
   ａ．画素値と前に再構成された画素値とを受け取って予測画素値を生成する予測器と、
   ｂ．前記予測画素値を前記画素値から差し引いて画素値差を生成する減算器と、
   ｃ．画素値のブロックと、再構成された画素値と、量子化器選択信号とを受け取って、前記画素値ブロックについてのオフセットを表す直流追跡信号と、前記画素値ブロックを直流追跡するべきかどうかを表す追跡フラグと、前記画素値ブロックをランブロックとして分類するべきかどうかを示すランフラグとを発生するラン選択手段と、
   ｄ．前記画素値差と前記ランフラグとに応答して、対応する画素値差ブロックを形成し、かつ前記ブロックについての前記量子化器選択信号を発生する量子化器選択手段と、
   ｅ．前記量子化器選択信号に応答して２値マスクを生成するサブサンプルマスクと、
   ｆ．前記量子化器選択信号と、前記２値マスクと、前記直流追跡フラグと、前記直流追跡信号と、第２の差信号とに応答して、前記ブロック中の各画素ごとの量子化された画素値差と対応する記号値とを生成する量子化器モジュールと、
   ｇ．現在の画素線と前の画素線とから再構成された画素値に応答して、第２の予測画素値を生成する第２の予測器と、
   ｈ．前記第２の予測画素値と前記対応する量子化された画素値差との和を求めて、前記再構成された画素値を生成する手段と、
   ｉ．前記第２の予測画素値を前記画素値から差し引いて前記第２の画素値差を生成する手段と、
   ｊ．前記量子化器選択信号と、前記量子化された画素値差に対応する前記記号値とに応答して、前記デジタル画像を表す圧縮されたビットストリームを生成する符号器とを備えることを特徴とする圧縮器。
9. 請求項８に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器であって、
   ａ．前記損失あり圧縮器のビットレートを制御するように変えることができる正規化係数Ｓで、前記画素値と、前記画素値差と、前記前の画素線から再構成された画素値とを正規化することにより、前記正規化係数が１より大きい場合は前記損失あり圧縮器の前記ビットレートが高くなり、１未満の場合は低くなる手段と、
   ｂ．正規化係数１／Ｓで前記現在の画素線から再構成された画素値を正規化して、正規化されていない再構成画素値を生成する手段とをさらに備える圧縮器。
10. 請求項８に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器であって、
    ａ．前記デジタル画像信号中の精細度の低い領域を検知するための手段と、
    ｂ．前記精細度の低い領域については前記符号器にランレングス符号化を用いるように命令する符号器命令信号を発生する手段とをさらに備える圧縮器。
11. 請求項１０に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器において、前記量子化器モジュール中の前記量子化器の組は量子化器選択空間中で楕円形に分割されることを特徴とするシステム。
12. 請求項８に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器において、
    前記ラン選択手段は、
    ａ．前に再構成された画素値と前の予測画素値とに応答して予測画素値を生成する予測器手段と、
    ｂ．前記各予測画素値をブロック中の対応する前の画素値の各々から差し引いて画素値差を生成する減算器と、
    ｃ．前記追跡フラグと前記画素値差のブロックとに応答して、前記画素値差ブロック中の前記画素値差の和を計算することにより再構成誤差を計算する手段と、
    ｄ．前記再構成誤差と前記追跡フラグとに応答して、オペレータによって規定される一組のオフセットの中から１つのオフセットを選択する手段と、
    ｅ．前記選択したオフセットを前記ブロック中の前記画素値差に加えて、オフセット画素値差と前記直流追跡信号とを生成する手段と、
    ｆ．前記オフセット画素値差に応答して、ブロックをランブロックとして分類するべきかどうかを判断する手段と、
    ｇ．前のブロックについて選択された量子化器に基づいてブロックを直流追跡するべきかどうかを判断し、前記ブロックをいつ直流追跡するかを示す前記追跡フラグを生成する手段とを含むことを特徴とする圧縮器。
13. 請求項８に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器において、
    前記ラン選択手段は、
    ａ．量子化器の選択に応答して、前記選択された量子化器に対応する２値マスクを生成するサブサンプルマスク手段と、
    ｂ．前記２値マスクを用いて、前記対応するマスク値が１の場合は前記量子化された画素値差を選択的に量子化、符号化、および伝送し、前記対応するマスク値が０の場合は前記量子化された差信号をユーザによって規定される一定の値に設定して伝送は行わない手段とを含むことを特徴とする圧縮器。
14. 請求項１３に記載の損失ありＤＰＣＭ圧縮器において、
    前記ユーザによって規定される値は０であることを特徴とするシステム。

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