JP2005510937A - 信号処理方法、及び対応する符合化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は可変長符合化アルゴリズムにおいて用いる新規符号語群を定義する方法、及びそのような符号を用いたデータ符合化方法、に関する。そのような符合化方法は少なくとも、当該データに変換を形成する工程と可変長符合化アルゴリズムによって取得された係数を符合化する工程とを有する。該アルゴリズムにおいて用いられる符号は2進ハフマン符号分布と同様な長さ分布によって構築されて、特定の工程：(a)該符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、（D及びKが整数で各々、ゼロの列の最大長及び１の列の最大長、l_maxが最大符号語長、及びn _lmaxが当該ハフマン符号における長さl_maxの符号語の数を表す場合）初期化パラメータD=l_max、K=n _lmax/2、及び現時のl=l_cur=ｌ_maxで、生成する工程；(b) l_maxから始まる長さl_cur毎に、n’ _lcur≠n _lcurの場合、符号語l_kをプリフィックスとして用いて該符号語に長さD’=l_cur−Kの最大サイズ基本分岐をアンカする工程；及び(c)l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを所望する分布よりも超過している最小長符号語を選択することによって見出す工程；の実施によって構築される。

Description

本発明は、一般に、データ圧縮の分野、特に、データの、該データを表現するのに使用される、量を削減する、ディジタル信号処理方法に関するものである。

本発明は更に、該信号処理方法を組み入れた、ディジタル信号を符合化する、方法、及び、対応する符合化装置、に関するものである。

従来の可変長符号を記載したものがある（例えば、特許文献１参照。）。該可変長符号は映像符合化のような多くの分野において、生起確率が等しくないシンボルをディジタル符合化するよう、用いられている、すなわち、高い生起確率を有する語には短い２進符号語が割り当てられる一方、低い生起確率を有する語には長い符号語が割り当てられる。これらの符号はしかしながら、反転、削除、挿入などのようなエラーの影響を非常に受けやすい難点を来していて、その結果、同期性を喪失し（それ自体がエラー状態に帰着し）、そしてそれはエラーが復号ビットストリームにおよぶことにつながる。多くの語は実際に、伝送が続くにつれて、誤って復号化されることが考えられる。

復号器がどの程度速く、同期性をエラー状態から修復するかが誤差幅、すなわち、再同期化までに復号されるシンボルの平均数：

であり、Iは符号語指数群で、

はC_kであるエラー・シンボルの確率で、N_kは、損傷シンボルがC_kの場合、同期化までに復号化されるシンボルの平均数である。ソース統計によく整合した符号については、符号語C_kは、l_kがC_kの長さの場合、

によって近似化され得て、C_kであるエラー・シンボルの確率は、lが該符号の平均長の場合、

によって近似化され得る。その場合、E_sの式は：

となる。該式によれば、最確シンボルは比較的にE_sへの影響が大きくて、それゆえに、それらの寄与度を最小化するものである。この目的で、可変長符号の族Fを、I_i及びO_iが１及び0のi長の列を表して、D及びKが任意の整数で、K≦Dである場合、以下（式（３））：

に定義する（そのような、（D,K）=(4,3)の、高速な同期符号における木構造の例を図１に示し、黒丸が符号語に相当して白丸がエラー状態に相当する。）。D及びKが十分大きいものであるとみなすと、最確（MP）符号語、すなわち、最短符号語、は族Fの部分集合C_MP：

に属する。これらの符号語においては、いくつかのタイプのエラー・ポジション（１つの有効な符号語、２つの有効符号語の連結、エラー状態、又は、有効符号語とエラー状態との連結への、元の符号語の変換）が考えられる。エラー符号語C_kから結果として生じるエラー状態ES_kからの修復が、エラー状態に続く符号語C_hによっても、変わってくることを考えると、その場合、（l_k＋l_h＜D及びC_h≠l_h）のようなエラー状態毎に、結果として生じる近似誤差幅E_sが（D及びKが十分大きいものであるとみなすと）有界であって、同期化が常に、C_hを復号化した後に修復されることを表し得る。
米国特許第４３１６２２２号明細書

しかしながら、この修復特性にもかかわらず、そのような構造は決して最適な平均長のものではなくて、更に、考えられる全ての圧縮を実現しないので、それは如何なる特定のソースにも形成し得るものではない。

本発明の目的は、したがって、符号語群を定義する操作がこれらの制限を回避する、処理方法を企図することにある。

この目的で、本発明は、比較的頻繁に生起するディジタル信号値が比較的短い符号長によって表されて生起する頻度が比較的低い当概値が比較的長い符号長によって表されるような可変長符合化工程によって符号語群を形成するディジタル信号処理方法に関し、該可変長符合化工程は、該符号語群を生成する定義副工程を有し、使用する当該符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
(a)D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数：l _max＝最大符号語長；K=１の列の最大長を表す任意の整数；n _{l max}＝ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；の場合、当該符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxによって、生成する工程；
(b) n’ _lcur≠n_lcurの場合、l_maxから始まる長さl_cur毎に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
(c) l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
の実施によって構成される。

本発明の別の目的は該処理方法を組み入れた、ディジタル信号符合化方法を企図することにある。

この目的で、本発明はディジタル信号を符合化する方法に関し、該方法は少なくとも、該ディジタル信号に対して直交変換を形成して複数の係数を生成する工程、該係数を量子化する工程、及び該量子化係数を、当該比較的頻繁に生起する値が比較的短い符号長によって表されて当該生起する頻度が比較的低い値が比較的長い符号長によって表される可変長符合化工程によって、符合化する工程を有し、該可変長符合化工程が、該ディジタル信号に相当する符号語群を生成する定義副工程を有し、使用する当該符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
(a)D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；l _max＝最大符号語長；K=１の列の最大長を表す任意の整数；n _{l max}＝ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；の場合、当該符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxによって、生成する工程；
(b) n’ _lcur≠n_lcurの場合、l_maxから始まるl_curと呼ばれる長さ毎に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
(c) l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
の実施によって構成される。

本発明の更に別の目的は該符合化方法に対応する、符合化装置を企図することにある。

この目的で、本発明はディジタル信号を符合化する装置に関し、該装置は少なくとも、複数係数を生成する、該入力ディジタル信号に形成された、直交変換モジュール、該複数係数を量子化する該直交変換モジュールに結合された、量子化器、及び、可変長符合化アルゴリズムによって該複数量子化係数を符合化してデータ・ビットの符合化ストリームを生成する、該量子化器に結合された、可変長符号器を有し、比較的頻繁に生起する値が比較的短い符号長によって表されて当該生起する頻度が比較的低い値が比較的長い符号長によって表される、当該係数符合化操作は、該ディジタル信号に相当する符号語群を生成する定義副工程を有し、使用する当該符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
(a)D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；l _max＝最大符号語長；K=１の列の最大長を表す任意の整数；n _{l max}＝ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；の場合、当該符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxによって、生成する工程；
(b) n’ _lcur≠n_lcurの場合、l_maxから始まる長さl_cur毎に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
(c) l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
の実施によって構成される。

ハフマン符号並みの最適な距離分布を保つとともに、誤差幅を著しく改良する、新規の、汎用可変長符号木構造に関して企図された原理は、上記引用文献において提唱された解決策を同じぐらいうまいが、ずっと小さい複雑度で、行い、それによって本発明による当該アルゴリズムを、例えば、H.263映像符号器に用いられる符号のような、短符号及び比較的長い符号の両方に形成することを可能にする。

次に本発明を添付図面によって、更に詳細に説明する。

従来技術による、可変長符号の族Fについての、当該構造に関する上記の制約は、当該符号が（図１において点線で示した）同様な深さDのKの基本分岐の繰り返しであることから来るものなので、本発明の主たる着想は違った分岐のサイズが変わり得る符号を構築することにある。n_iが長さiの符号語の相当数を、l_maxが最大符号語長を、表して、（構造上）n_lmaxが偶数の場合、L=(n_i）_{i=1,2,…,lmax}が2進ハフマン符号長分布であると仮定する。図２の流れ図において示すアルゴリズムは、以下の主要工程：
同期化木を、（当初、初期化パラメータD=ｌ_max、K=n_ｌmax/2、で、現時のl=l_cur＝l_maxで）基本分岐毎に深さを減少させて、n_’lmax＝n_lmax（図２の上部）であることを保証するよう、生成する工程；
l_maxから始まる長さl_cur毎に、かつ、n’_lcur≠n’_lcurの場合に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて該符号語に深さD’=l_cur−Kの最大サイズ基本分岐をアンカする工程；及び
l_kがプリフィックスとして用い得ない（l_curが小さすぎるか、l_kを用いることによって現時の長さ分布を修復できないほど減耗させるか、の何れかの）場合、適切なプリフックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程（図２においては、l_freeが、ループL1中で事前に定義した第１指標{i│n_i−n’_i│＜0}を、図２に示すように、表す右のループL₂）；
を実施した後はLと同一になる、L’=(n’_i)_{i=1,2,…,lmax}の長さ分布を有する符号を生成する。

本発明は更に、入力ディジタル信号を表現するデータの量を削減する上記処理方法を組み入れた、ディジタル信号符合化方法に関し、該方法は、比較的頻繁に生起するディジタル信号値が比較的短い符号長によって表されて生起する頻度が低い当概値が比較的長い符号長によって表されるような、可変長符合化工程によって符号語群を生成することを可能にし、該可変長符合化工程は、該符号語群を生成する定義副工程を有し、使用する当該符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
(a)D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；l _max＝最大符号語長；K=１の列の最大長を表す任意の整数；n _{l max}＝ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；の場合、当該符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxによって、生成する工程；
(b) n’ _lcur≠n_lcurの場合、l_maxから始まる長さl_cur毎に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
(c) l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
の実施によって構成される。

本発明は更に、対応する符合化装置に関する。本発明を実施する場合に取得された結果を図３に、Y.Takishima 他による、「Error states and synchronization recovery for variable length codes, IEEE Transactions on Communications,vol.42,No2/3/4,February/March/April 1994,pp.783-792」と題する文献において提唱されたような、２つの参照符号、すなわち、動きベクトル用符号（該文献の表VIII）及び英文字アルファベット、について、示す。Esの値が何れの場合にもお互いに非常に似かよっているように見える、図３の表において見られるように、企図された符号は上記文献において取得されたものと同じぐらいうまく機能するが、本発明による当該アルゴリズムは限られた数の繰り返しを得ることを可能にするので、（上記のアルゴリズムが多くの数の分岐上で操作を行う、当該文献に対して）ずっと小さい複雑度によって取得される。

企図されたアルゴリズムは、高速な同期化構造が（アルゴリズムの）３つの繰り返しのみで取得される比較的短い符号について、又は、例えば、H.263映像コデックにおいて用いられる206シンボルの可変長符号のような、比較的長い符号に対して、手作業で形成し得るほど簡単であり、誤差幅は、本発明を用いる場合、同様な平均長に対して、元のものよりもずっと少ない（そしてそれは、当該復号器が、当該現時の場合より前の1シンボルと本発明による当該符号とを、符合化レートに対する犠牲を払うことなく、統計的に再同期化することを意味する。）

高速な同期化符号の木構造の例を表す図である。 本発明による、同期最適化アルゴリズムの流れ図である。 本発明による解決策と従来技術による解決策との比較を示す表である。

Claims (3)

1. ディジタル信号を処理する、該ディジタル信号を表現するのに用いられるデータの量を削減して、かつ、可変長符合化工程によって符号語群を、比較的頻繁に生起するディジタル信号の値が比較的短い符号長によって表されて、かつ、生起する頻度が比較的低い値が比較的長い符号長によって表される、ように形成する、方法であって、前記可変長符合化工程が前記符号語群を生成する定義副工程を有し、用いられる符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
   前記符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、
   D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；
   l _max＝最大符号語長；
   K=１の列の最大長を表す任意の整数；
   n _{l max}＝前記ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；
   の場合、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxで、生成する工程；
   l_maxから始まる長さl_cur毎に、n’ _lcur≠n_lcurの場合に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
   l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
   の実施によって構成されることを特徴とする方法。
2. ディジタル信号を符合化する方法であって、少なくとも、
   該ディジタル信号に、複数係数を生成する、直交変換を形成する工程；
   該係数を量子化する工程；及び
   該量子化係数を、比較的頻繁に生起する値が比較的短い符号長によって表されて、かつ、生起する頻度が比較的低い値が比較的長い符号長によって表される、可変長符合化工程によって、符合化する工程；
   を有し、該可変長符合化工程が前記ディジタル信号に相当する符号語群を生成する定義副工程を有し、用いられる符号は、n_i が長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
   前記符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、
   D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；
   l _max＝最大符号語長；
   K=１の列の最大長を表す任意の整数；
   n _{l max}＝前記ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；
   の場合、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxで、生成する工程；
   l_maxから始まるl_curと呼ばれる長さ毎に、n’ _lcur≠n_lcurの場合に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
   l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
   の実施によって構成されることを特徴とする方法。
3. ディジタル信号を符合化する装置であって、少なくとも、
   複数係数を生成する、該入力ディジタル信号に形成された、直交変換モジュール；
   前記複数係数を量子化する該変換モジュールに結合された量子化器；及び
   可変長符合化アルゴリズムによって前記複数係数を符合化してデータ・ビットの符合化ストリームを生成する該量子化器に結合された可変長符号器；
   を有し、比較的頻繁に生起する値が比較的短い符号長によって表されて、かつ、生起する頻度が比較的低い値が比較的長い符号長によって表される、該係数符合化操作が、前記ディジタル信号に相当する符号語群を生成する定義副工程を有し、用いられる符号は、n_iが長さiの符号語の数の場合、2進ハフマン符号分布L＝(n_i）〔i＝1,2,…l_max〕と同様な長さ分布L’＝（n’_i）〔i＝1,2,…l_max〕によって構築されて、以下の：
   前記符号の同期化木構造を、該木の基本分岐毎に深さを減少させて、
   D=ゼロの列の最大長を表す任意の整数；
   l _max＝最大符号語長；
   K=１の列の最大長を表す任意の整数；
   n _{l max}＝前記ハフマン符号における長さl _maxの符号語の数；
   の場合、初期化パラメータD＝l_max、K＝n _lmax/2、及び現時のl＝l_cur＝l_maxで、生成する工程；
   l_maxから始まる長さl_cur毎に、n’ _lcur≠n_lcurの場合に、符号語l_kをプリフィックスとして用いて、該符号語l_kに深さD’＝ l_cur−Kの最大サイズの基本分岐をアンカする工程；及び
   l_kをプリフィックスとして用い得ない場合、適切なプリフィックスを、所望される分布を超過している最小長符号語を選択することによって、見出す工程；
   の実施によって構成されることを特徴とする装置。

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