JP2005217896A - Image encoding device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、2次元カラー画像信号の圧縮技術に関する。 The present invention relates to a compression technique for a two-dimensional color image signal.
単板カラー方式のイメージセンサは、撮像部の画素の上に、モザイク上のカラーフィルタが形成され、これによって色分解を行うことでカラーの映像を作り出している。赤(以下「R」という),緑(以下「G」という),青(以下「B」という)の原色フィルタを用いる場合、ベイヤ配列と呼ばれ、図1に示すように、Gが対角に2画素、R,Bが対角に1画素ずつを単位としたフィルタを2次元に配置したものが最も良く用いられる。その出力を画像符号化(画像圧縮)する場合、補間により、画素ごとにR,G,B成分をつくり出し、また、輝度成分と色差成分に変換する処理などを経て作り出されたカラー画像に対して画像圧縮を行う。
このように、輝度成分と色差成分とを圧縮する技術は、特許文献1に示されるように公知である。
しかし、画像を送信する装置を、可能な限り小さくしたい場合、このような色の信号処理を経ることなく、画像圧縮を行うことができれば、そのハードウェアを小さくすることができる。さらに、その画像圧縮の方式としてもハードウェア規模の小さい方式とすることができることが望ましい。
As described above,
However, if it is desired to reduce the size of an image transmitting apparatus as much as possible, the hardware can be reduced if image compression can be performed without undergoing such color signal processing. Furthermore, it is desirable that the image compression method can be a method with a small hardware scale.
本発明は、単板カラー方式のイメージセンサの出力に対して、色の信号処理を行うことなく直接に画像圧縮を行い、その画像符号化方式としてもハードウェア規模が小さい画像符号化装置を提供するものである。 The present invention directly compresses an image output of a single-plate color type image sensor without performing color signal processing, and provides an image coding apparatus with a small hardware scale as the image coding method. To do.
図2に、実施例として、画像符号化回路を集積化したイメージセンサのブロック図を示す。図1のようなベイヤー配列のモザイクカラーフィルタが形成された水平方向NH画素、垂直方向NV画素のイメージアレイ(5)からの信号読み出しのため垂直シフトレジスタ(21)により画素選択をし、その出力をノイズキャンセル回路(6)を経由して読み出し、nビットのA/D変換器(7)によりA/D変換を行う。その出力を、n×NH×8ビットのメモリ(8)に記憶する。これは、最小の容量として、n×NH×8ビット必要であるが、制御を容易にするためその2倍の容量をもたせるなど増やしてもよい。 FIG. 2 shows a block diagram of an image sensor in which an image encoding circuit is integrated as an embodiment. Horizontal N H pixels mosaic color filters are formed in a Bayer arrangement as shown in FIG. 1, the pixel selected by the vertical shift register for the signal read from the image array in the vertical direction N V pixels (5) (21), The output is read via the noise cancellation circuit (6), and A / D conversion is performed by the n-bit A / D converter (7). The output is stored in an n × N H × 8-bit memory (8). This, as the minimum capacity, it is necessary n × N H × 8 bits, may be increased such as impart a twice volume for ease of control.
このメモリから8×8画素のブロックのデータを読み出して、色成分毎に、画像符号化を行う。具体的には、図3左に示すようにベイヤー配列の8×8画素のブロックに対して、図3右のG成分だけを集めた2つの4×4画素のブロック(1,2)と、R成分だけを集めた1つの4×4画素のブロック(3)と、B成分だけを集めた1つの4×4画素のブロック(4)に、4×4画素RGB成分抽出回路(9)において、分割する。これらのそれぞれに対して、2次元離散コサイン変換(DCT)回路(10)により、2次元離散コサイン変換を施す。これは具体的には以下のような演算である。 Data of a block of 8 × 8 pixels is read from this memory, and image coding is performed for each color component. Specifically, as shown in the left side of FIG. 3, two 4 × 4 pixel blocks (1, 2) that collect only the G component on the right side of FIG. 3 with respect to the 8 × 8 pixel block of the Bayer array, In the 4 × 4 pixel RGB component extraction circuit (9), one 4 × 4 pixel block (3) that collects only the R component and one 4 × 4 pixel block (4) that collects only the B component. ,To divide. A two-dimensional discrete cosine transform (DCT) circuit (10) is subjected to two-dimensional discrete cosine transform for each of these. Specifically, this is the following calculation.
いま、入力としての4×4画素の値を、マトリクス表現で
として、4×4点の2次元離散コサイン変換出力(2次元離散コサイン変換係数)を、
とする。4×4点の2次元離散コサイン変換の基底行列をCとすると
と表わされる。ここで、a=cos(π/4),b=cos(π/8),c=cos(3π/8)である。
Now, the value of 4x4 pixels as input is expressed in matrix.
4 × 4 2D discrete cosine transform output (2D discrete cosine transform coefficient)
And If the basis matrix of a 4 × 4 point two-dimensional discrete cosine transform is C,
It is expressed as Here, a = cos (π / 4), b = cos (π / 8), and c = cos (3π / 8).
このとき、4×4点の2次元離散コサイン変換は、次式で表される。
ここで、Ctは、Cの転置行列である。式(1)の4×4点の入力マトリクスとして、図2のR,G,B各成分の4×4点の画素ブロックの値を、順次与えて式(4)により、2次元離散コサイン変換を順次行う。
At this time, the 4 × 4 point two-dimensional discrete cosine transform is expressed by the following equation.
Here, C t is a transposed matrix of C. As the 4 × 4 point input matrix of Equation (1), the values of the 4 × 4 point pixel blocks of the R, G, B components in FIG. 2 are sequentially given, and the two-dimensional discrete cosine transform is performed according to Equation (4). Are performed sequentially.
その出力に対して、量子化回路(11)において、量子化を行う。量子化は、式(2)として得られた係数を、量子化係数マトリクスQ(14)と、符号量制御用係数qとの積で割り、小数点以下を丸めたものである。量子化係数マトリクスとしては、2のべき乗の値を選ぶとハードウェアが簡単になり、例えば、次式のような値を用いる。
量子化後は、4ブロック分を記憶するバッファメモリ(12)に格納する。ここから量子化された2次元DCT係数を順次読み出して、交流(以下「AC」という)係数に対して、ジグザグ走査回路(13)において、その読み出しの順序を、ゼロのラン長を長く取るため、4つの4×4点のブロックをまとめて、図4に示すように行う。
The output is quantized in the quantization circuit (11). Quantization is obtained by dividing the coefficient obtained as Equation (2) by the product of the quantization coefficient matrix Q (14) and the code amount control coefficient q, and rounding off the decimal part. As the quantization coefficient matrix, when a power value of 2 is selected, the hardware becomes simple. For example, a value such as the following equation is used.
After quantization, the data is stored in a buffer memory (12) that stores four blocks. To sequentially read the quantized two-dimensional DCT coefficients from this, and to make the run order of zero longer in the zigzag scanning circuit (13) with respect to the alternating current (hereinafter referred to as “AC”) coefficient. Four 4 × 4 point blocks are put together as shown in FIG.
ジグザグ走査は、2次元離散コサイン変換の結果である空間周波数の低いほうの係数を4つ(A01,B01,C01,D01)選択し、その後順次、空間周波数の高い係数(…A02,B02,C02,D02…C33,D33)を選択する。このように並び替えを行うと、隣接画像の相関性からゼロのラン長を長く取れる可能性が高まる。この選択は空間周波数の高いほうから行うことも可能である。なお、A00,B00,C00,D00は直流(DC)成分である。 In zigzag scanning, four coefficients (A01, B01, C01, D01) having a lower spatial frequency as a result of the two-dimensional discrete cosine transform are selected, and then coefficients having a higher spatial frequency (... A02, B02, C02) are sequentially selected. , D02... C33, D33). If rearrangement is performed in this way, the possibility that a long run length of zero can be increased due to the correlation between adjacent images increases. This selection can also be made from the higher spatial frequency. A00, B00, C00, and D00 are direct current (DC) components.
4つの4×4点のブロックは、RGGBそれぞれについて隣り合うブロック4つをまとめることを基本的な選択とするが、1つの4×4点のブロック内にRGGBの4つのブロックがあることから、これらのブロックをまとめてもよい。また、これらの混合すなわちGについては隣り合うブロック2つをまとめ、RBについてはそれぞれについて隣り合うブロック4つをまとめてもよい。 Four 4 × 4 point blocks are basically selected to group four adjacent blocks for each RGGB, but there are four RGGB blocks in one 4 × 4 point block. These blocks may be collected. Further, for these mixtures, that is, G, two adjacent blocks may be combined, and for RB, four adjacent blocks may be combined.
直流(以下「DC」という)係数に対しては、前置差分回路(16)により、1つ前のブロックとの差分を求めてから、その差分値に対して1次元ハフマン符号により可変長符号化を行う。AC係数については、ジグザグ走査の結果、ゼロでないAC係数(以下「NZAC係数」という)、及び0の続く長さを表すゼロラン長(以下「ZRL」という)を求める。ZRLについては、図5に示す符号化テーブル(Table 1)を用い、図2の1次元ハフマン符号化回路(15)で符号化する。ZRLは最長で63であるので、符号化テーブルが簡単になる。差分DC係数及びNZAC係数については、図6に示す符号化テーブルを用いる。これらは、マルチプレクサ(17)で、差分DC係数かNZAC係数が選択され、図2の1次元ハフマン符号化回路(18)で符号化する。それらの出力は、マルチプレクサ(19)で順次選択し、FIFO(first in first out)メモリ(20)をバッファとして記憶され、ビットレートを一定にしてシリアル信号として出力される。FIFOメモリに記憶されている符号量を判断し、その情報を符号量制御信号として、量子化回路にフィードバックして、メモリがあふれを起こす可能性があれば、量子化係数を大きく、メモリのバッファ量が少なければ量子化係数を小さくすることで、出力のビットレートを一定に保つ。 For a direct current (hereinafter referred to as “DC”) coefficient, a difference from the previous block is obtained by a pre-difference circuit (16), and then a variable length code is obtained for the difference value by a one-dimensional Huffman code. To do. As for the AC coefficient, as a result of zigzag scanning, a non-zero AC coefficient (hereinafter referred to as “NZAC coefficient”) and a zero-run length (hereinafter referred to as “ZRL”) representing a length following zero are obtained. ZRL is encoded by the one-dimensional Huffman encoding circuit (15) in FIG. 2 using the encoding table (Table 1) shown in FIG. Since ZRL is 63 at the longest, the encoding table is simplified. For the differential DC coefficient and the NZAC coefficient, the encoding table shown in FIG. 6 is used. These are selected by the multiplexer (17), the differential DC coefficient or the NZAC coefficient, and encoded by the one-dimensional Huffman encoding circuit (18) of FIG. These outputs are sequentially selected by a multiplexer (19), and a FIFO (first in first out) memory (20) is stored as a buffer, and is output as a serial signal with a constant bit rate. If the amount of code stored in the FIFO memory is determined and the information is fed back to the quantization circuit as a code amount control signal and the memory may overflow, the quantization coefficient is increased and the memory buffer If the amount is small, the output bit rate is kept constant by reducing the quantization coefficient.
なお、図5、図6におけるAdditional bitは、それぞれのグループナンバのコードが選択された場合に、実際のNZAC係数や、ZRLに対して追加するビット長を示している。たとえば、NZAC係数が4であったとすると、グループナンバは3である。このグループでは、−7から−4,4から7までの8値を取るので3ビットで表せる。したがって、この場合のAddtional bitは3ビットである。たとえば、−7から7までを000,001,……と順番に割り当てたとすると、4は、5番目にあたるので、101である。グループナンバコードは、110であるので、NZAC係数が4であった場合の最終的な符号は、110101となる。 In FIG. 5 and FIG. 6, “Additional bit” indicates the actual NZAC coefficient and the bit length to be added to ZRL when the code of each group number is selected. For example, if the NZAC coefficient is 4, the group number is 3. In this group, eight values from -7 to -4 and from 4 to 7 are taken and can be represented by 3 bits. Therefore, the additional bit in this case is 3 bits. For example, if -7 to 7 are assigned in order as 000, 001,..., 4 is 101 because it is the fifth. Since the group number code is 110, the final code when the NZAC coefficient is 4 is 110101.
ここまでの説明では量子化後ジグザグ走査を行い、得られた係数の列に対しゼロラン長圧縮を行うものとしたが、ゼロラン長圧縮の前にDCT係数の差分を演算し、その差分に対してゼロラン長圧縮を行うものであってもよい。また、画像の性質すなわちDCT係数の相関度などにより、これら2通りの処理を自動的に選択するように構成することも考えられる。 In the above description, zigzag scanning after quantization is performed, and zero run length compression is performed on the obtained sequence of coefficients. However, the DCT coefficient difference is calculated before zero run length compression, and the difference is calculated. Zero run length compression may be performed. It is also conceivable that the two processes are automatically selected depending on the nature of the image, that is, the degree of correlation of the DCT coefficient.
以上のような画像符号化方式によって、ベイヤー配列のカラーフィルタをもつCCDイメージセンサ(640×480画素)の出力に対して符号化を行い、その性能を確認した。ある画像の例で、本方法とJPEG方式(標準画像圧縮方式の1つ)を比較した結果、圧縮率10において、本方法では、PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)が44dBであったのに対して、JPEG方式では34dBと悪く、大きな改善が得られている。 Using the image encoding method as described above, the output of a CCD image sensor (640 × 480 pixels) having a Bayer array color filter was encoded, and its performance was confirmed. As a result of comparing the present method with the JPEG method (one of the standard image compression methods) in an example of an image, the PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) was 44 dB in this method at a compression rate of 10. On the other hand, the JPEG method is as bad as 34 dB, and a great improvement is obtained.
5 イメージアレイ
6 ノイズキャンセル回路
7 nビットA/D変換器
8 n×NH×8ビットのメモリ
9 4×4画素RGB成分抽出回路
10 2次元離散コサイン変換(DCT)回路
11 量子化回路
12 バッファメモリ
13 ジグザグ走査回路
15 1次元ハフマン符号化回路(Table 1による符号化)
16 前置差分回路
17,19 マルチプレクサ(MUX)
18 1次元ハフマン符号化回路(Table 2による符号化)
20 FIFO(first in first out)メモリ
21 垂直シフトレジスタ
5
16
18 One-dimensional Huffman coding circuit (coding according to Table 2)
20 FIFO (first in first out)
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