JP2501027B2 - 画像伝送方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、濃淡画像を公衆電話回線等を利用して伝送
する画像伝送方式に関するものである。

［背景技術］ 所謂TV電話の画像信号のフレーム内相関を利用して標
本値と標本位置との間に、予め一定の関係を持たせてお
き、標本値を伝送するのみで標本位置をも再生できる可
変標本密度符号化方式（“可変標本密度符号化の一方
式",電子通信学会論文誌75/2 Vol.58−A No2 p97〜104
参照）が、従来あった。第５図（ａ）（ｂ）はこの可変
標本密度符号化の原理回路を示したもので、この同図
（ａ）の符号器では入力端子１から与えられた画像信号
ａは局部予測復号化回路２から供給される予測復号信号
ｂと減算され、その減算により得られた予測誤差信号ｃ
が可変標本密度符号化回路３で、第６図及び表１で示し
た量子化特性により正負符号と量子化レベルに符号化さ
れバッファメモリ４を介して符号出力ｄとなる。

第５図（ｂ）の復号器では伝送されてきた量子化レベ
ルたる圧縮符号ｄをバッファメモリ５を介して振幅予測
復号回路６、標本位置復号回路７及び標本点再生回路８
により表１による量子化特性から時間差値を復号すると
ともに補間回路９にて時間差の間の振幅差を求めるとと
もに積分して復元画像信号ｅを出力するものである。

ところでこの従来方式によって表１の５ビット量子化
特性で、１画素当たり８ビットのデータとした220×251
の標準画像を圧縮符号化した場合、１画素当たり平均2.
77ビットに圧縮でき、その時の画質は１画素当たり４ビ
ットの圧縮が行えるDPCM方式と同じである。しかしなが
ら第６図で示した量子化特性のＢの区間ではランレング
ス特性を主体として、Ａの区間より圧縮率が高くなって
いる反面、確率的には少ないがＢの区間にエッジビジネ
スと呼ばれる位置方向の誤差を生じる。これは量子化特
性で圧縮率を２ビット／画素のように高くすると顕著に
なる。なお第６図は縦軸に量子化値（以下振幅差値と称
する）を、横軸に標本間隔（以下時間差値と称する）を
とっている。

このような点に鑑みて本発明者らは特願昭59−130583
号などによりライン間の予測残差をライン方向に可変標
本密度符号化するとともに、１次の予測残差と直角方向
に２次の予測残差に圧縮符号化するとともに、この２次
の予測残差符号の残差零の符号である零符号を符号数或
いは零符号ばかりのライン数でランレングス符号化によ
り圧縮符号化を図る方式を提案している。表２はこ場合
の可変標本密度符号化に用いる４ビットの量子化特性を
示し、また表３は零符号、零ラインの符号圧縮に用いる
コード表である。第７図（ａ）（ｂ）はこの方式の原理
回路を示しており、この回路では、同図（ａ）におい
て、標本の画像信号ａのデジタル値は乗算回路10により
所定値M1でM1倍され、差分回路11によりライン間の予測
残差が算出され、更に予測回路12の外側の帰還ループ内
に設けた、予測回路12と共に局部予測復号手段を構成す
る、可変標本密度圧縮回路13により１次予測と直角な方
向にライン内の２次予測で振幅及び時間軸方向に量子化
され、この量子化されたライン間予測残差のライン内の
予測残差のライン内の予測誤差の符号は零符号圧縮回路
14で、零符号のラングレングス符号化によって圧縮伝送
される。ここで予測回路12は予測係数を掛けるものであ
るが、予測係数を1.0とすると乗算を要せず、マイクロ
コンピュータによる処理に適する。予測回路12の内側の
帰還ループ内にはラインバッファ15が設けられ、ライン
間の１次予測を行う。予測回路12の外側の帰還ループ内
には上記可変標本密度圧縮回路13と可変標本密度伸張回
路16が設けられている。可変標本密度圧縮回路13はライ
ンバッファ13aと可変標本密度符号化回路13bとから構成
され、可変標本密度伸張回路16はラインバッファ16aと
可変標本密度復号化回路16bとから構成されている。そ
して可変標本密度伸張回路16は可変標本密度圧縮回路13
の出力符号を伸張するためのものであり、その伸張出力
は更に補間合成回路17により予測回路12の内側のライン
バッファ15の値と合成され、次のラインンのために予測
回路12に入力するようになっている。ここで補間合成回
路17は標本間隔が一定間隔に間引かれた場合（例えば４
画素ごとに間引いて64×64画素とした場合）に間を補間
して256×256画素の画像として復元させるためのもの
で、例えば標本が256×256画素の中でフレーム間で変化
した領域を４画素毎に間引いたものであるとき、変化部
分を粗い画像で伝送し、背景の256×256画素の細かい画
像の上に合成表示する場合に変化部分を補間するのであ
る。第７図（ｂ）の受信側においては、受信した符号化
された信号を零符号の伸張を行う零符号伸張回路18と、
ライン間の予測残差を復号するための可変標本密度復号
化回路19a及びラインバッファ19bからなる可変標本密度
伸張回路19と、送信側と同様に補間合成を行なう補間合
成回路20と、予測回路21及びラインバッファ22による復
号化ループと除算回路23とを備えて、１ライン分の画像
を復号するとともに、送信側のスケールファクタと同じ
所定値M1により除算回路23で復号画像信号のデジタル値
を除算して標本を復元させる。ここでスケールファクタ
を２のべきにとると２進レジスタのシフト演算で済むの
で１画素６ビットの画像の標本を４倍にして、１画素８
ビットの標本と同じ精度で演算することで、演算精度が
実質的に少数点以下になるので、画質を向上させること
ができる。そしてライン間、ライン内の２次の予測の為
に１次の予測に比べて予測残差が零に集中し、又ライン
毎に予測残差を原画に求めているため誤差が伝ぱんしに
くいので、画質向上や圧縮率の向上が図れ、しかも４ビ
ット量子化特性のためマイクロプロセッサによる簡単な
静止画像の圧縮が可能になった。

第８図（ａ）（ｂ）は第７図の量子化特性の振幅差値
を総て１とした場合が前値予測（DPCM）に相当すること
に鑑みて為された上記方式の他の原理回路を示すもので
あり、同図（ａ）は送信側を示し、予測回路12の外側の
帰還ループ内に前値予測（DPCM）の圧縮回路13′と伸張
回路16′とが設けられ、ライン間の１次予測を行い、予
測回路12の内側の帰還ループ内のラインバッファ15の位
置が予測回路12と同じ位置に設けられて１次予測と直角
な方向にライン内の２次予測を行う。

第８図（ｂ）の受信側では可変標本密度伸張回路27の
代わりにDPCMの伸張回路19′を設けた点において第７図
（ｂ）の回路と相違する。

しかして第７図の回路において表２の４ビット量子化
特性を使用した場合、256×256画素で、８ビット／画素
の画像の原画を３ビット／画素に圧縮したものは、第８
図の回路において第10図（表４に対応）の量子化特性を
用いて３ビット／画素相当の圧縮を行ったものに対して
画像を細かく見比べると小さなエッジビジネスを見付け
ることができるが、逆に表４を用いた第８図の回路は階
調方向の誤差は±４となって、表２を用いた第７図の回
路の場合の誤差±１に比べて大きくなっている。

ところで階調は視覚的には６ビット（64階調）あれば
一般的には良いとされており、画像に極端に明るいとこ
ろと暗いところとがある場合を除いて８ビットの上位６
ビットに主要部分がうまく量子化されていれば、表４の
量子化特性で充分であるといえる。そして８ビットでデ
ジタル化しても下位の６ビットが有効であるといえるよ
うな場合にコントラストや輝度を上げると±４以下の誤
差も増幅されるので、表２の量子化特性の方が画質が良
くなる。尚表２の量子化特性では上記第６図の場合で説
明したエッジビジネス（位置誤差）が１画素分生じた。
また表４（第10図に対応）の量子化特性では零符号圧縮
も含めて３ビット／画素以上の圧縮が出来ず、±４より
細かい階調は無視された。

尚第９図は表５に対応する量子化特性を示しており、
この量子化特性を第７図回路で用いた場合４ビット／画
素の圧縮が行える。

上述の可変標本化密度符号化の一方式では、第11図
（ａ）及び第12図（ａ）に示すように、可変標本化密度
符号化回路によってアナログの画像信号ａから表１の量
子化レベルで示したような圧縮符号ｄに直接符号化し、
第５図における局部予測復号回路２或いは振幅予測復号
回路６、標本位置予測復号回路７及び標本点再生回路８
で圧縮符号ｄからアナログの復元画像信号ｅを再生する
場合に、量子化特性として最適な時間差値と振幅差値の
組み合わせで量子化レベルを選ぶことができる。特に時
間差値を細かく選ぶことにより、第12図（ａ）に示した
如く量子化誤差R2を小さくすることができる。このよう
に時間差値と振幅差値の分解能を小さくするために第５
図（ａ）の符号器及び第５図（ｂ）の復号器（ｂ）の画
像信号ａ及び復元画像信号ｅがアナログの動画像信号で
ある場合には、可変標本化密度符号化回路にアナログ信
号の量子化特性波形の発生回路を設けて、第11図（ａ）
に示すようにアナログ画像信号イと量子化特性波形ロと
を比較して交点ハでトリガ信号を発生させる交点検出回
路を設け、トリガ信号が発生した時点で時間差値Ｘ及び
振幅差値Ｙをホールドし量子化レベルに符号化するコン
パレータ符号化装置を設けることで実現できる。尚第11
図（ａ）のニは復号された画像信号を示す。

しかし画像信号ａ及び復元画像信号ｅがアナログの動
画画像信号であるため、フレームメモリのディジタル画
像を符号化する場合には、一旦D/A変換器で滑らかに補
間されたアナログ信号に直して可変標本化密度符号化
し、復号時も可変標本化密度符号化の量子化レベルを滑
らかに補間されたアナログ信号にした後A/D変換器でデ
ィジタル化してメモリに書き込む必要が生じる。

このようなアナログの量子化特性波形の発生回路、交
点検出回路等は送信側、受信側の温度差や部品特性の経
時変化等のばらつきで狂い易く、常に調整を要するので
コストが高くつくという欠点がある。送信側のD/A変換
器、受信側のA/D変換器はディジタル信号のままで、符
号化復号化する場合には不要になり、送信側、受信側の
差異も無くなる。

画像信号をメモリに記憶したディジタル信号の状態で
符号化するためには、高速度高分解能のA/D変換器、D/A
変換器を使用して時間差値の最小の分解能（表１では0.
04）の標本間隔及び振幅差値の時間差値の最小の分解能
（表１では0.66）にディジタル化して、画素数が多く各
画素のビット数が大きい多量の高速フレームメモリに記
憶することになり、極めて高価につくという問題があっ
た。

尚 時間差値Ｘを第11図（ｂ）に示すようにナイキス
トの標本化定理による標本化周期Ｔにとり、各標本周期
の量子化レベルＺを１個とすると、図示のような現画像
信号のエッジが標本間に存在するとき、量子化誤差R₁が
大きくなり、復号された画像信号を基準に次に伝送すべ
き量子化レベルを同様に求めようとしても時間差値Ｘと
現画像信号イとの誤差が大きい状態が解消されないで、
次々と尾を引いて目につくようなことがあるつまりエッ
ジビジネスという現象が発生する。

〔発明の目的〕

本発明は上述の点に鑑みな為されたものでその目的と
するところは可変標本密度符号化で、エッジビジネスが
起こりにくく、しかも高い圧縮率と、高画質が得られる
画像伝送方式を提供するにある。

〔発明の開示〕

本発明は、予測誤差信号の標本の量子化値と標本間隔
との組み合わせに対応した一定の関係で符号化する可変
標本密度符号化過程を持つ画像伝送方式において、同一
の標本間隔に複数の異なる量子化値が対応するように１
次予測と直角方向にライン内の２次予測で振幅及び時間
軸方向に量子化して符号化するものである。

〔作用〕

本発明によれば、画像信号及び復元画像信号がディジ
タルの画像信号を前提するものであり、第12図（ｂ）に
示すように、時間差値の標本間隔が長くなったにものか
かわらず、同一標本間隔に複数の異なる量子化値を対応
するように符号化することで、量子化誤差R3を第12図
（ａ）の時間差値が小さな時の量子化誤差R2のように少
なくできる。また符号化された時間差値は本発明の場合
の方が、第12図（ｂ）に示すように良くなっているにも
かかわらず、第12図（ａ）での時間差値2.0で見積もれ
る量子化誤差Raより遥に小さいのである。

しかも、人間の視覚の特性によって、画像の輝度変化
が大きな輪郭部或いはエッジ部では、量子化誤差が大き
くなっても目立たないので、量子化特性の振幅差値は後
述の表６、表７に示すように、８、16、32、64、128と
振幅差値が大きくなるにつれて振幅の間隔が大きくでき
る。このことは、輝度が大きく変換する部分では表１の
ように時間差値を0.40といったように小さくしなくとも
表６のように1.0に粗くしても良いことを示している。

而して本発明では、時間差値の最小の分解能が１以上
の標本間隔で、振幅差値の最小の分解能が１以上となる
ものであり、低速度低分解能のA/D変換器、D/A変換器及
び少量の低速フレームメモリで良く、低コストで実現で
きる。

尚単に時間差値を粗くしただけで同一の標本間隔に単
一の量子化値のみを対応するように符号化する場合に
は、振幅差が小さく時間差が小さな量子化特性の三角形
の内側に入る細かな変化を捉えることができない。この
場合に本発明と同程度の画質を得るためには、時間差値
の最小の分解能を１以下の小さな値に標本間隔する必要
があり、上述したような高速なA/D変換器、D/A変換器と
大容量のフレームメモリを必要とする。

実施例 本実施例は基本的には第７図（ａ）（ｂ）回路と同様
に２次元圧縮を行うもので、第１図（ａ）（ｂ）は第７
図（ａ）（ｂ）に対応する本実施例の要部の回路を示し
ている。尚第７図（ａ）（ｂ）と共通部分は省略してあ
る。第７図（ａ）の可変標本密度符号化回路13bに相当
する実施例回路は図示するように量子化回路24と、量子
化特性を書き込んだ量子化特性テーブル25とから構成さ
れ、また可変標本密度復号化回路16bは量子化回路24か
らの時間差値と振幅差値より予測誤差復号信号を補間復
元する補間回路26により構成されている。タイミング回
路27はラインバッファ13a,16aに書き込みと読み出しの
タイミングを定めるためのものである。メモリ内の量子
化テーブル25は第２図に示す５ビット量子化特性や、第
３図（表５に対応）や第４図（表６に対応）のような４
ビット量子化特性を記憶するもので、第７図（ａ）
（ｂ）に用いる量子化特性を書き替えればよい。

一方第７図（ｂ）の可変標本密度符号化回路16bに相
当する実施例回路は図示するように符号変換回路28と、
量子化特性テーブル29と、補間回路30とで構成され、符
号変換回路28で量子化特性により符号から時間差値と振
幅差値とが変換され補間回路30により予測誤差複合信号
が復元されラインバッファ19bを介して出力される。タ
イミング回路31は上記時間差値よりラインバッファ19b
の書き込み、読み出しのタイミングを定めるものであ
る。

しかして撮像装置（図示せず）にて撮像して得られた
映像信号をデジタル化して得られた１画素６ビットの標
本の画像信号ａのデジタル値は第７図（ａ）の乗算回路
10により例えば４倍されて８ビットにされる。もち論１
画素８ビットの標本は１倍のままである。そして差分回
路11によりライン間の予測残差が算出され、更に第７図
（ａ）に示す予測回路12の外側の帰還ループ内に設けた
上記可変標本密度圧縮回路13内のラインバッファ13aに
１ライン分記憶される。そして可変標本密度符号化回路
13bにより１次予測と直角な方向にライン内の２次予測
で振幅及び時間軸方向に量子化され、この量子化された
ライン間予測残差のライン内の予測誤差の符号は零符
号、零ライン符号圧縮回路14で、零符号のラングレング
ス符号化によって圧縮されて圧縮符号ｂとなり伝送され
る。

そして受信側においては、受信した圧縮符号ｄを零符
号、零ライン符号伸張回路18により符号伸張を行った
後、ライン間の予測残差を復号するため可変標本密度復
号化回路19aにより１ライン分のライン間の予測残差が
復号されてラインバッファ19bに記憶され、送信側と同
様に第７図（ｂ）に示す補間合成を行なう補間合成回路
20と、予測回路21及びラインバッファ22による復号化ル
ープとで積分され更に除算回路23により送信側のスケー
ルファクタと同じ所定値M1にて除算して元のビット長の
画像或いはフレーム間差分の標本を復元させる。

さて本発明方式では第２図乃至第４図に示した量子化
特性を用いることを特徴としており、これら量子化特性
は振幅差値が一定値α_pn以下の場合に標本化回路（図示
せず）により一定間隔τP_n+1を加えて、時間差値Στp
_n+1（ｎ回繰り返しの場合）に対する予測残差、つまり
予測誤差入力信号をラインバッファ13aで記憶して出力
される予測誤差信号ｃを量子化回路24で振幅差値（量子
化値）に量子化する時に表６、表７に示したように振幅
差値が上記一定値αp_nよりも大なる値、同じ値、小さな
値のいずれも選択できるように時間差値と振幅差値との
組み合わせで決まる符号に符号化するもので、従来量子
化レベルでは重複を生じることがあるものである。

第２図は一定値αｐ＝８で、一定間隔τｐ＝１で、時
間差値は１乃至４を取る場合を示す。

特に第３図（表６）の場合には一定値αｐ＝８、一定
間隔τｐ＝１で、時間差値は１又は２であるから時間差
値が１で、標本の振幅（予測誤差信号ｃの値）がαｐよ
り小さいときは標本化回路（図示せず）により「１」を
時間差値１に加えて時間差値を２として、その時間差値
２に対する予測残差に対応する予測誤差信号ｃを量子化
回路24で振幅差値に量子化するのである。ここで標本の
振幅の値が16以上とすると、その時間差値２における標
本の振幅の値以下で且つ上記一定値αｐ＝８以上の振幅
差値の内最大、つまり振幅差値16に対応する符号Ａを出
力し、標本の振幅の値が一定値αｐ＝８以上で且つ16未
満の場合には、その時間差値２における標本の振幅の値
以下で且つ上記一定値αｐ＝８以上の振幅差値の内最
大、つまり振幅差値８に対応する符号９を出力する。

ここで振幅差値16、８は重複しているが時間差値が異
なるので、別の符号となる。

更に時間差値１で一定値αｐ以下の信号は時間差値２
では更に低い振幅差値になる可能性が高く、これが従来
の第７図や、表１の量子化特性に現れているが、急峻な
エッジや人物の顔などの凹凸に対しては時間差値２に対
応して一定値αｐと同じ振幅差値８や、αｐ以上の振幅
差値16を設けることで、２ビット／画乗に圧縮率を高め
ても、表４、表５による３ビット／画素・４ビット／画
素と同等若しくはそれ以上といえる画質が得られた。

また第４図（表７）の量子化特性の場合には一定値α
ｐ＝16、一定間隔τｐ＝１で、時間差値は１または２で
あるから時間差値が１で、振幅差値がαｐより小さいと
きは時間差値を２とし、この時間差値２に対する予測残
差に対応する予測誤差信号ｃを量子化回路24で振幅差値
に量子化するのである。この場合1.5ビット／画素の圧
縮率が実現できた。そして一定値αｐが16になった分だ
け振幅・方向の誤差が増すが256×256画素の画像を64×
64或いは128×128画素といった粗い画像とする場合のよ
うに予測残差の分布が零に集中しないで広がる場合に有
効である。

尚上記圧縮率は上述の量子化特性による符号圧縮と、
零符号、零ライン符号圧縮回路14による符号圧縮との２
段階の符号圧縮を経た符号の量を、１画素当たりのビッ
ト数に換算したものを言う。

また画質の評価は量子化特性の異なる復元画像を互い
に比べて観察者が主観的に評価したものであり、また原
画の画像には人物の全身が入るものを使用し、人物の顔
の特徴が圧縮でどのくらい劣化するかを見た。尚またメ
モリで量子化するときには振幅差値が一定値α_pn以下の
場合一定間隔τ_pnを加えた位置の信号を取り込んで量子
化を行えば良い。

〔発明の効果〕 本発明は、標本の画像信号に対するライン間の予測残
差を算出し、その予測残差に対して可変標本密度符号化
手段により一次予測と直角な方向にライン内の２次予測
で振幅と時間軸方向に量子化して可変標本密度符号化す
る画像伝送方式において、可変標本密度符号化後に局部
復号化した復元画像標本に対して時間差値rp_n離れた位
置の原標本に対する予測残差を量子化する際に、この予
測残差の量子化値が一定値αp_n以上の場合、時間差値τ
p_nでの予測残差の値より小さく上記一定値αp_n以上の量
子化値の内最大の量子化値に対応する符号を伝送し、上
記予測残差の量子化値が上記一定値αp_nより小さい場合
には、上記局部符号化した復元画像標本に対して時間差
値τp_nより大きな時間差値τp_n+1離れた位置の原標本に
対応する予測残差を量子化し、この予測残差の量子化値
が一定値αｐ以上の場合、時間差値τp_n+1での予測残差
の値以下で上記一定値αｐ以上の量子化値の内最大の量
子化値に対応する符号を伝送するというように、逐次量
子化特性として関係付けられた時間差値での複数の量子
化値の組み合わせ中から予測残差よりより小さな最大の
量子化値に対応する符号を伝送するので、時間差値の最
小の分解能が１以上の標本間隔で、量子化値の最小の分
解能が１以上となるものであり、低速度低分解能のA/D
変換器、D/A変換器及び少量の低速のフレームメモリを
使用することができ、低いコストで実現できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明方式に用いる実施例の送信
側、受信側の夫々の要部回路構成図、第２図、第３図、
第４図は同上の実施例に用いる各量子化特性の説明図、
第５図は従来方式による回路構成図、第６図は同上に用
いる量子化特性の説明図、第７図（ａ）（ｂ）は本発明
方式の基本となる可変標本密度符号化による受信側、送
信側の夫々の回路構成図、第８図（ａ）（ｂ）はDPCMを
用いた受信側、送信側の夫々の回路構成図、第９図、第
10図は第７図、第８図回路に用いる量子化特性の説明
図、第11図は従来例の説明図、第12図は従来例と本発明
の比較説明図であり、α_pnは一定値、τ_pn+1は一定間
隔、13は可変標本密度圧縮回路、13bは可変標本密度符
号化回路、24は量子化回路である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】標本の画像信号に対するライン間の予測残
   差を算出し、その予測残差に対して可変標本密度符号化
   手段により一次予測と直角な方向にライン内の２次予測
   で振幅と時間軸方向に量子化して可変標本密度符号化す
   る画像伝送方式において、可変標本密度符号化後に局部
   復号化した復元画像標本に対して時間差値rp_n離れた位
   置の原標本に対する予測残差を量子化する際に、この予
   測残差の量子化値が一定値αp_n以上の場合、時間差値τ
   p_nでの予測残差の値より小さく上記一定値αp_n以上の量
   子化値の内最大の量子化値に対応する符号を伝送し、上
   記予測残差の量子化値が上記一定値αp_nより小さい場合
   には、上記局部符号化した復元画像標本に対して時間差
   値τp_nより大きな時間差値τp_n+1離れた位置の原標本に
   対応する予測残差を量子化し、この予測残差の量子化値
   が一定値αｐ以上の場合、時間差値τp_n+1での予測残差
   の値以下で上記一定値αｐ以上の量子化値の内最大の量
   子化値に対応する符号を伝送するというように、逐次量
   子化特性として関係付けられた時間差値での複数の量子
   化値の組み合わせ中から予測残差よりより小さな最大の
   量子化値に対応する符号を伝送することを特徴とする画
   像伝送方式。