JP2009020414A - 二次元符号化装置、二次元符号復号化装置、二次元符号化方法及び二次元符号復号化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素ブロックのサイズを大きくせずにコーディングレートを向上できる二次元符号化装置、二次元符号復号化装置、二次元符号化方法及び二次元符号復号化方法を提供する。
【解決手段】二次元符号化部１６では、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付けるための関連付情報に基づき、上記２値情報を画素ブロックに割り付けた２値画像を生成する。この２値画像は、空間光変調器１８により信号光とされて光記録媒体２２にホログラムとして記録される。また、二次元符号復号化部２８では、ホログラムからの回折光を受光した光検出器２６の出力信号から上記２値画像を再生し、関連付情報に基づいて２値情報を復号する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次元符号化装置、二次元符号復号化装置、二次元符号化方法及び二次元符号復号化方法に関する。

ホログラム記録・再生においては、二値のデジタルデータ「０，１」等を例えば「明，暗」としてデジタル画像化した信号光をホログラムとして記録再生することによりデジタルデータの記録再生を行っている。

このようなホログラムの記録・再生に使用されるデジタル画像としては、１画素で１ビットのデジタルデータを表現するものがあったが、デジタルデータに応じて白（明）または黒（暗）の画素の並びに偏りが生じ、空間周波数が不安定となって、再生精度が低下する場合があった。

そこで、例えば下記特許文献１に記載されているように、複数の画素を二次元的に配列した画素ブロックの内の一部の画素を明とした明暗の二次元パターンによりデジタルデータを表現するものがある。本従来例によれば、明暗の画素を適宜に分散させ、空間周波数を安定化することができる。しかし、この場合、コーディングレートすなわち表現するビット数と画素数との割合を高くするには大きな画素ブロックが必要となり、二次元パターンとデジタルデータとを関連付けるルックアップテーブル（ＬＵＴ）もサイズが大きいものが必要となる。なお、小さな画素ブロックでコーディングレートを上げるには、明画素の割合（白率）を高くする必要がある。
特開２００１−７５４６３号公報

本発明の目的は、画素ブロックのサイズを大きくせずに高いコーディングレートを実現できる二次元符号化装置、二次元符号復号化装置、二次元符号化方法及び二次元符号復号化方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の二次元符号化装置の発明は、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付ける関連付情報を格納する関連付情報格納手段と、前記２値情報を前記関連付情報に基づいて前記画素ブロックに割り付ける割付手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ｍが、ｎ／２以下の整数であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記ｍとして複数設定された０または正の整数が、相互の差が２以上となる組合せであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項記載の発明において、前記ｎは、√ｎが４以下であることを特徴とする。

請求項５記載の二次元符号復号化装置の発明は、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付ける関連付情報を格納する関連付情報格納手段と、画素ブロックを受け付け、前記関連付情報に基づいて前記受け付けた画素ブロックに対応する２値情報を発生する２値情報発生手段と、を備えることを特徴とする。

請求項６記載の二次元符号化方法の発明は、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックにより２値情報を表すことを特徴とする。

請求項７記載の二次元符号復号化方法の発明は、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付けるための関連付情報を設定し、前記関連付情報に基づいて前記受け付けた画素ブロックに対応する２値情報を発生することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、画素ブロックのサイズを大きくせずに高いコーディングレートでデジタルデータを二次元符号により符号化することができる。

請求項２の発明によれば、ｍをｎ／２より大きくする場合に比べて、デジタルデータを二次元符号により表現した２値画像の白率を低く維持することができる。

請求項３の発明によれば、複数設定されたｍの相互の差が１である場合に比べて、二次元符号である画素ブロック相互のパターンの差が大きくなり、パターンマッチングを行う際の誤判定を低減できる。

請求項４の発明によれば、√ｎを４より大きくする場合に比べて、使用するルックアップテーブルのサイズを小さくすることができる。

請求項５の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、画素ブロックのサイズを大きくせずに高いコーディングレートでデジタルデータを二次元符号により符号化した２値画像を復号化することができる。

請求項６の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、画素ブロックのサイズを大きくせずに高いコーディングレートでデジタルデータを二次元符号により符号化することができる二次元符号化方法を提供できる。

請求項７の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、画素ブロックのサイズを大きくせずに高いコーディングレートでデジタルデータを二次元符号により符号化した２値画像を復号化することができる二次元符号復号化方法を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本発明にかかる二次元符号化装置及び二次元符号復号化装置を使用したホログラム記録・再生装置の一実施形態の構成例が示される。図１において、信号光をホログラムとして記録する際には、光源１０からのコヒーレント光をレンズ１２，１４によって口径の広い平行光にし、空間光変調器１８に入射させる。空間光変調器１８は、例えば液晶パネルにより構成され、例えばコンピュータ等によって構成される二次元符号化部１６が発生する２値画像を表示する。この２値画像は、ｎを正の整数、ｍを０または正の整数とし、ｎ＞ｍであるｍを複数設定して、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された、二次元符号である画素ブロックを配列して２値（０，１）のデジタルデータを表現した画像である。画素ブロックについては後述する。

空間光変調器１８を通過した光は、２値画像の各画素の値に応じて強度変調されて信号光Ｓとなる。この信号光Ｓを、フーリエ変換レンズ２０によってフーリエ変換し、光記録媒体２２に照射する。また、参照光Ｒは、上記信号光Ｓと光軸を共通にして、その外側から光記録媒体２２に照射される。これにより、光記録媒体２２中でフーリエ変換後の信号光Ｓと参照光Ｒとが干渉して、光記録媒体２２に信号光Ｓがホログラムとして記録される。

なお、上記空間光変調器１８は透過型として記載されているが、反射型とすることもできる。

また、図１の例は、参照光Ｒと信号光Ｓとが同軸光学系により光記録媒体２２に照射される、いわゆるコリニア方式であるが、光源１０からのコヒーレント光を図示しないビームスプリッタ及び適宜な反射鏡により信号光Ｓとは別の光路を通過する参照光Ｒ’として光記録媒体２２に照射する二光波方式としてもよい。

以上の工程により、光記録媒体２２中でフーリエ変換後の信号光Ｓと参照光Ｒとが干渉して、光記録媒体２２に信号光Ｓがホログラムとして記録される。

図２（ａ），（ｂ）には、空間光変調器１８に表示される画像の例が示される。図２（ａ）において、中央領域Ａには２値画像が表示され、外周領域Ｂには参照光Ｒが透過する。また、図２（ｂ）は、２値画像の一部の拡大図であり、後述する画素ブロックが配列された例が示される。

次に、図１において、ホログラムの回折光から情報を再生する際には、光源１０からのコヒーレント光を空間光変調器１８により参照光Ｒのみとし、フーリエ変換レンズ２０によってフーリエ変換し、光記録媒体２２に照射する。この場合、図２に示された空間光変調器１８の中央領域Ａを透過する信号光Ｓを遮断し、参照光Ｒのみが外周領域Ｂを透過するように制御する。これによりホログラムから発生する回折光を逆フーリエ変換レンズ２４で逆フーリエ変換し、光検出器２６により受光する。回折光を受光した光検出器２６の出力信号すなわち上記画素ブロックの画像データは、コンピュータ等により実現される二次元符号復号化部２８に入力され、ホログラムに含まれている情報を取得する。

図３には、上記二次元符号化部１６の一実施形態の構成例が示される。図３において、二次元符号化部１６は、前処理部３０及び二次元符号生成部３２を含んで構成されている。

前処理部３０は、中央処理装置（例えばＣＰＵを用いることができる）及びＣＰＵの処理動作を制御するプログラムを含んで実現され、２値のデジタルデータを受け取って、これに誤り補正ビットを付与したり、バーストエラーへの対策としてデータのビット列を分散させるインターリーブ処理等を行う。なお、本実施形態の二次元符号化装置としては、前処理部３０を省略してもよい。

二次元符号生成部３２は、二次元符号生成処理の対象である２値情報として前処理部３０から上記処理後のデジタルデータを受け取り、明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックを生成する。この二次元符号生成部３２は、関連付情報格納部３２ａとパターン割付部３２ｂとを含んで構成されている。

関連付情報格納部３２ａは、例えばＣＰＵの作業メモリとして使用されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはハードディスク装置等の磁気記憶装置その他のコンピュータが読み取り可能な記憶装置等により構成される。この関連付情報格納部３２ａは、例えばルックアップテーブルとして実現することができ、上記２値情報と画素ブロックとを関連付けるための関連付情報を格納する。

パターン割付部３２ｂは、例えばＣＰＵ及びＣＰＵの処理動作を制御するプログラムを含んで実現され、前処理部３０から受け取った２値情報に対して、上記関連付情報に基づいて画素ブロックを割り付け、空間光変調器１８に出力する。

なお、上記前処理部３０及びパターン割付部３２ｂは、専用のハードウェア（例えばＡＳＩＣ等）で構成してもよい。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）には、画素ブロックの例が示される。上述したように、画素ブロックは、二次元配列したｎ画素中のｍ画素を明とした画像パターンである。本例では、ｎ＝９画素を３行３列に並べた画素ブロックとなっている。また、斜線を付した画素が暗画素を示し、斜線がない画素が明画素を示している。

図４（ａ）は、９画素中１画素が明（白）となった画素ブロック（ｎ＝９、ｍ＝１）の例であり、パターンの数は_ｎＣ_ｍ＝_９Ｃ_１＝９通りである。また、図４（ｂ）は、９画素中２画素が明（白）となった画素ブロック（ｎ＝９、ｍ＝２）であり、パターンの数は_９Ｃ_２＝３６通りである。また、図４（ｃ）は、９画素中３画素が明（白）となった画素ブロック（ｎ＝９、ｍ＝３）であり、パターンの数は_９Ｃ_３＝８４通りである。また、図４（ｄ）は、９画素中４画素が明（白）となった画素ブロック（ｎ＝９、ｍ＝４）であり、パターンの数は_９Ｃ_４＝１２６通りである。このように、ｎ画素（９画素）中の明となっている画素の数ｍを複数設定する。なお、ｎ画素全てを暗（黒）とする画像パターン（ｍ＝０）を本実施形態の画素ブロックとして使用してもよい。

本実施形態では、Ｎビットの２値情報のそれぞれに、上記各画素ブロックが関連付けられる。この際、明となる画素の数ｍが複数設定されるので、ｍを単一の数とする場合に比べて、ｍの値を小さくすることができる。例えばＮ＝６ビットの場合、２^６＝６４個の２値情報を各画素ブロックに関連付けるが、ｎ＝９のときにｍ＝１，２及び３とすれば画素ブロックの数が１２９となり、６ビットの全ての２値情報を画素ブロックに関連付けることができる。このときのｍの最大値は３であるが、ｍ＝３の画素ブロックに関連付けられる２値情報の数は（６４−_９Ｃ_１−_９Ｃ_２＝）１９個とすることができる。一方、ｍを単一の数とする場合には、６４個の２値情報を関連付けるために、ｍ＝３（_９Ｃ_３＝８４通り）が必要であり、ｍ＝３の画素ブロックに関連付けられる２値情報の数は６４個となる。このため、ｍを単一の数とした方が２値情報を関連付ける画素ブロックの明となる画素数が多くなり、２値画像の白率（全画素中の明画素の割合）が高くなる。一般に、白率が高くなると画像に直流成分（０次成分）が多くなり、ホログラム記録の密度を高くすることが困難になる。

また、本実施形態のように、ｍの値を複数設定する場合には、画素数の少ない小さな画素ブロックで高い符号化率を実現することができる。例えば、ｎ＝９画素の画素ブロックの場合、８ビットの２値情報を関連付けることができる。すなわち、ｍ＝０，１，２，３，４のそれぞれのパターンの数の合計が２５６通りであるので、２^８＝２５６個の２値情報を一つずつ関連付けることができる。このときの符号化率（コーディングレート＝Ｎビット／ｎ画素）は０．８９と高い。一方、ｍを単一の数としたときに符号化率を０．８９とするためには、例えばｎ＝２５、ｍ＝１１（_１１Ｃ_２５＝４４５７４００）とし、２２ビット（２^２２＝４１９４３０４）を２５画素で表現するなど、画素ブロックサイズを大きくする必要がある。このため、関連付情報格納部３２ａを構成するルックアップテーブルの大きさも大きくする必要があり、二次元符号化部１６の処理速度が低下する。このように、本発明によれば、小さな画素ブロックサイズで高い符号化率を実現できるため、関連付情報格納部３２ａを構成するルックアップテーブルの大きさを大きくする必要がない。このｎの値としては、大きなルックアップテーブルを不要とするために、√ｎが４以下となるように設定するのが好適である。

上述したように、本実施形態においては、正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックを２値情報に関連付けることにより、所望のデジタルデータを２値画像として表現するが、ｍの値はｎ／２以下とするのが好適である。これにより、２値画像の白率が高くなることを回避できる。

図５には、関連付情報格納部３２ａに格納された関連付情報の例が示される。図５では、Ｎ＝８ビットの２値情報のそれぞれにｎ＝９画素（３行３列）の画素ブロックを関連付けたルックアップテーブルとなっている。

上記関連付情報に基づき、二次元符号化部１６が所望の２値情報に画素ブロックを割り付けることにより生成した２値画像は、例えば図２（ｂ）に示されるように、画素ブロックを配列した画像となる。

図６には、上記二次元符号復号化部２８の一実施形態の構成例が示される。図６において、二次元符号復号化部２８は、サンプリング部３４、輝度レベル抽出部３６、復号部３８及び後処理部４０を含んで構成されている。

サンプリング部３４は、適宜なサンプリング回路により構成され、光検出器２６の出力信号（画素ブロックの画像データ）の輝度値をサンプリングする。この際、画像の歪み等のノイズの影響を低減するために、画素ブロックよりも高解像度でオーバーサンプリングするのが好適である。

輝度レベル抽出部３６は、例えばＣＰＵ及びＣＰＵの処理動作を制御するプログラムを含んで実現され、上記サンプリング部３４の出力信号から、画素ブロックの各画素の輝度値を抽出する。これにより、画素ブロックの各画素の明暗を決定し、画素ブロックが配列された２値画像を再生する。この場合、２値画像中に予め埋め込まれていたマーカーを使用して画像の歪みを補正するのが好適である。

復号部３８は、輝度レベル抽出部３６から上記２値画像を受け取り、２値画像を構成する画素ブロックから２値情報を復号する。この復号部３８は、関連付情報格納部３８ａと２値情報発生部３８ｂとを含んで構成されている。

関連付情報格納部３８ａは、図５に示された関連付情報格納部３２ａと同様の構成であり、２値情報と画素ブロックとを関連付けるための関連付情報を格納する。なお、二次元符号生成部３２と復号部３８とが関連付情報格納部３２ａと関連付情報格納部３８ａのいずれかを共通に使用する構成としてもよい。この場合、いずれか一方が不要となる。

２値情報発生部３８ｂは、例えばＣＰＵ及びＣＰＵの処理動作を制御するプログラムを含んで実現され、上記関連付情報に基づいて画素ブロックに対応する２値情報を発生する。この場合、輝度レベル抽出部３６から受け取った２値画像中の画素ブロックと、関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックとのパターンマッチングを行い、一致した画素ブロックに関連付けられた２値情報を関連付情報格納部３８から読み出して出力する。

後処理部４０は、例えばＣＰＵ及びＣＰＵの処理動作を制御するプログラムを含んで実現され、分散されたビット列を元の並びに戻してデインターリーブ処理を行い、誤り補正を行って元のデジタルデータを再生する。なお、前処理部３０を省略する場合には後処理部４０も省略する。

また、上記輝度レベル抽出部３６、２値情報発生部３８ｂ及び後処理部４０は、専用のハードウェア（例えばＡＳＩＣ等）で構成してもよい。

ここで、画素ブロックのうち明となる画素数ｍとして複数設定された０または正の整数は、相互の差が２以上となる組合せであることが好適である。これにより、画素ブロック相互のパターンの差が大きくなり、２値情報発生部３８ｂにおいてパターンマッチングを行う際の誤判定を低減できる。

また、上記２値情報発生部３８ｂがパターンマッチング処理を行う際には、輝度レベル抽出部３６で抽出した各画素ブロックの輝度の最大値及び最小値に基づいて関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックの輝度レベルを補正するのが好適である。

すなわち、輝度レベル抽出部３６で抽出した各画素ブロックの輝度の最大値を明画素の輝度とし、最小値を暗画素の輝度として関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックの輝度レベルを補正する。

あるいは、上記輝度の最大値に所定の係数を掛けた値を明画素の輝度とし、最小値に所定の係数を掛けた値を暗画素の輝度として関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックの輝度レベルを補正してもよい。

図７（ａ），（ｂ）には、輝度レベル抽出部３６で抽出した各画素ブロックの輝度の最大値及び最小値に、それぞれ所定の係数を掛けた値により関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックの輝度レベルを補正したときに、再現されたデジタルデータのビットエラーレートの例が示される。なお、本例は、８ビットのデジタルデータに図５に示された９画素の画素ブロックを関連付けて生成した２値画像からデジタルデータを再生したときの結果である。また、上記ビットエラーレートは、２値情報発生部３８ｂが行うパターンマッチング処理の誤判定率を表している。

図７（ａ）において、横軸が上記輝度の最大値に掛ける係数αであり、縦軸がビットエラーレートである。図７（ａ）によれば、係数αが０．６のときにビットエラーレートが最小となっていることがわかる。

図７（ｂ）において、横軸が上記輝度の最小値に掛ける係数βであり、縦軸がビットエラーレートである。図７（ｂ）によれば、係数βが１．２のときにビットエラーレートが最小となっていることがわかる。

従って、図７（ａ）、（ｂ）に示された例においては、α＝０．６、β＝１．２として、関連付情報格納部３８ａに格納されている画素ブロックの明画素及び暗画素の輝度レベルにそれぞれ掛けて補正することにより、２値情報発生部３８ｂが行うパターンマッチング処理の誤判定率を低くすることができる。なお、上記α及びβの値については、二次元符号化装置及び二次元符号復号化装置毎に適宜決定するのが好適である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明にかかる二次元符号化装置及び二次元符号復号化装置を使用したホログラム記録・再生装置の一実施形態の構成例を示す図である。 空間光変調器に表示される画像の例を示す図である。 二次元符号化部の一実施形態の構成例を示す図である。 画素ブロックの例を示す図である。 関連付情報の例を示す図である。 二次元符号復号化部の一実施形態の構成例を示す図である。 関連付情報格納部に格納されている画素ブロックの輝度レベルを補正したときに、再現されたデジタルデータのビットエラーレートの例を示す図である。

符号の説明

１０ 光源、１２，１４ レンズ、１６ 二次元符号化部、１８ 空間光変調器、２０ フーリエ変換レンズ、２２ 光記録媒体、２４ 逆フーリエ変換レンズ、２６ 光検出器、２８ 二次元符号復号化部、３０ 前処理部、３２ 二次元符号生成部、３２ａ 関連付情報格納部、３２ｂ パターン割付部、３４ サンプリング部、３６ 輝度レベル抽出部、３８ 復号部、３８ａ 関連付情報格納部、３８ｂ ２値情報発生部、４０ 後処理部。

Claims (7)

1. 正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付ける関連付情報を格納する関連付情報格納手段と、
   前記２値情報を前記関連付情報に基づいて前記画素ブロックに割り付ける割付手段と、
   を備えることを特徴とする二次元符号化装置。
2. 請求項１記載の二次元符号化装置において、前記ｍは、ｎ／２以下の整数であることを特徴とする二次元符号化装置。
3. 請求項１または請求項２記載の二次元符号化装置において、前記ｍとして複数設定された０または正の整数は、相互の差が２以上となる組合せであることを特徴とする二次元符号化装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項記載の二次元符号化装置において、前記ｎは、√ｎが４以下であることを特徴とする二次元符号化装置。
5. 正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付ける関連付情報を格納する関連付情報格納手段と、
   画素ブロックを受け付け、前記関連付情報に基づいて前記受け付けた画素ブロックに対応する２値情報を発生する２値情報発生手段と、
   を備えることを特徴とする二次元符号復号化装置。
6. 正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、
   ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックにより２値情報を表すことを特徴とする二次元符号化方法。
7. 正の整数ｎよりも小さい０または正の整数ｍを複数設定し、
   ｎ画素中ｍ画素を明とする明暗の二次元パターンで構成された画素ブロックと２値情報とを関連付けるための関連付情報を設定し、
   前記関連付情報に基づいて前記受け付けた画素ブロックに対応する２値情報を発生することを特徴とする二次元符号復号化方法。

Images