JP2516082B2 - デ―タ圧縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、データ圧縮装置に関し、特にカラー動画像
を圧縮して、所定の記録媒体に記録する場合等に用いて
好適なデータ圧縮装置に関する。

［従来の技術］ 画像データを磁気ディスク等の記録媒体に記録すると
き、効率的な記録を行なうため、データが圧縮される。
この圧縮のため、例えば、画像データはＮ×Ｎ（あるい
はＮ×Ｍ）画素毎のブロックに分割され、各ブロック毎
に直交変換される。直交変換されたデータは、さらに所
定の量子化ステップで量子化された後、ゼロランレング
ス符号化またはハフマン符号化される。このようにして
データを圧縮すると、効果的にデータが圧縮されるが、
画像によって符号量が異なってくる。

そこで、従来、次のようにして、符号量を一定にする
ための制御が行なわれている。

その第１の方法は、所定の量子化ステップで実際に量
子化されたデータの量を演算し、その演算結果に対応し
て、データ量が所望の値になるように、量子化ステップ
数を変更して、再度量子化をやり直す方法である。

その第２の方法は、直交変換後のデータの係数が、符
号量と所定の関係を有していることに着目したもので、
ブロック毎の係数の２乗和を演算し、２乗和の大きさに
対応して各ブロックを、例えば４つのクラスに区分し、
データ量の大きいクラスのブロックには多くのビットを
配分し、小さいクラスのブロックには少ないビットを配
分するようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記した第１の方法は、実際に量子化
したデータの符号量を演算する行程を、少なくとも２回
は繰り返さなければならないので、高速の処理が困難で
ある。

また、上記した第２の方法は、直交変換処理を実行し
なければならないばかりでなく、クラスを示す情報を付
加しなければならないので、符号量が多くなり、複雑な
処理が必要になる。

また、いずれの方法においても、複数フィールドまた
は複数フレーム間にわたる符号量の配分ができなかっ
た。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、簡
単かつ高速の処理を可能にするものである。

また、複数フィールドまたは複数フレーム間にわたっ
て符号量の配分の調整ができるようにするものである。

［課題を解決するための手段］ 請求項１に記載のデータ圧縮装置は、入力されたデー
タを所定画素毎のブロックに分割し、直交変換した後、
量子化し、さらに符号化するデータ圧縮装置において、
入力されたデータをフィルタ処理する第１の処理手段
と、第１の処理手段により処理されたデータについて、
少なくとも加算を含む演算を行なう演算手段と、演算手
段が出力するアクティビティ値を、標準量子化ステップ
および標準帯域制限値における対応する符号量予測値に
変換する標準符号量値変換手段と、データ量の目標値を
設定する目標値設定手段と、目標値設定手段により設定
された目標値と標準符号量値変換手段より出力された符
号量予測値とを比較し、その差に対応する量子化ステッ
プ値または帯域制限値を出力する設定値出力手段と、設
定値出力手段が出力する量子化ステップ値または帯域制
限値に対応してデータを量子化または帯域制限する第２
の処理手段と、標準符号量値変換手段が出力した過去の
画面のアクティビティ値、過去の画面のアクティビティ
値から予測した標準量子化ステップまたは標準帯域制限
値における前記符号量予測値、および過去の画面のアク
ティビティ値に対応して設定した量子化ステップ値また
は帯域制限値において符号化した過去の画面の符号量値
の少なくとも１つを記憶する記憶手段とを備え、標準符
号量値変換手段は、記憶手段に記憶された過去の画面の
値を利用してアクティビティ値の符号量予測値への変換
動作を行なうことを特徴とする。

請求項２に記載のデータ圧縮装置は、入力された画像
データを所定画素毎のブロックに分割し、直交変換した
後、量子化し、さらに符号化するデータ圧縮装置におい
て、入力された画像データの符号量を予測する符号量予
測手段と、前記符号量予測手段の出力に対応して前記画
像データの帯域制限値を可変して帯域を制限すると共に
量子化ステップ値を可変して量子化を行う処理手段と、
前記処理手段により処理された前記画像データを符号化
する符号化手段と、複数の前記ブロックからなる１フィ
ールドまたは１フレームに対して、複数の前記フィール
ドまたは複数の前記フレームを１セグメントとし、各セ
グメントの符号量が一定になるように、符号量予測手段
を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

［作用］ 請求項１に記載のデータ圧縮装置においては、データ
をフィルタ処理し、さらに、例えば、絶対値加算して得
られる過去の画面のアクティビティ値から、標準量子化
ステップまたは標準帯域制限値における符号量が予測さ
れる。そして、予測結果に対応して、量子化ステップ数
または帯域制限値が調整される。

従って、簡単かつ高速の処理が可能になる。また、請
求項２に記載のデータ圧縮装置においては、複数フィー
ルドまたは複数フレームが１セグメントとされ、各セグ
メントにおける符号量が調整される。

従って、複数フィールドまたは複数フレームで完結す
るような符号化アルゴリズムにおいても、適切な符号量
の配分が可能になる。

［実施例］ 第１図は本発明のデータ圧縮装置の一実施例の構成を
示すブロック図である。

入力された画像データのうち、フレーム内予測データ
は直接、またフレーム間予測データは、動き補償および
差分データ生成器６を介して、それぞれ符号量予測器１
（符号量予測手段）に入力される。符号量予測器１は入
力されたデータから符号量を予測し、予測値に対応する
帯域制限値と量子化ステップ数を設定し、プリフィルタ
２（第２の処理手段または処理手段）と量子化器４（第
２の処理手段または処理手段）に出力する。

プリフィルタ２は符号量予測器１から供給されるデー
タを、やはり符号量予測器１により設定された帯域制限
値に対応して帯域制限し、DCT（Discrete cosine trans
fer）回路３に出力する。DCT回路３により処理されたデ
ータは、量子化器４に入力され、符号量予測器１により
設定された量子化ステップ数で量子化される。量子化さ
れたデータは、符号器５（符号化手段）に入力され、符
号化される。

バッファメモリ７（記憶手段）は符号量予測器１の出
力と符号器５の出力を記憶し、CPU8（制御手段）の制御
の下に、必要なデータを符号量予測器１に供給する。

符号量予測器１は、例えば、第２図に示すように構成
される。

入力された画像データは、フレームメモリ11に一旦記
憶される。フレームメモリ11より読み出されたデータ
は、オペレータ処理器12（第１の処理手段）によりフィ
ルタ処理された後、絶対値和算出回路13（演算手段）に
入力され、演算される。絶対値和算出回路13の出力（ア
クティビティ値）は、標準符号量値変換器14（標準符号
量値変換手段）に入力され、標準量子化ステップで、か
つ、標準帯域制限値のときの符号量予測値に変換され
る。この符号量予測値は量子化ステップ変換器15（設定
値出力手段）と帯域制限値変換器16（設定値出力手段）
に出力される。

量子化ステップ変換器15と帯域制限値変換器16には、
制御データ値送信回路17（目標値設定手段）を介してCP
U8より、設定されるべきデータ量の目標値が入力されて
いる。量子化ステップ変換器15と帯域制限値変換器16
は、標準符号量値変換器14から入力される符号量予測値
と、制御データ値送信回路17から入力される目標値とを
比較し、その誤差に対応する量子化ステップ値と帯域制
限値を、量子化器４とプリフィルタ２にそれぞれ出力す
る。

次に、その動作を説明する。

入力画像データはフレームメモリ11に入力され、そこ
に、１フレーム分の画像データが一旦記憶される。フレ
ームメモリ11に記憶されたデータは、読み出され、オペ
レータ処理器12に供給され、フィルタ処理される。

この、フィルタ処理について、第３図を参照して説明
する。

第３図（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ、ハイパスフィ
ルタ、ローパスフィルタ、またはラプラシアンの、各処
理を行なう場合の９個（３×３）の係数を表わしてい
る。 フレームメモリ11から所定の領域の３×３の画素
データが読み出され、これらのデータと、第３図に示す
３×３の係数が、対応する位置同士で乗算される。この
乗算した結果得られる９個のデータは、さらに加算され
る。次に、フレームメモリ11から読み出される領域が、
例えば右に１画素分ずらされ、そこから読み出された３
×３の画素データについて、同様の処理が実行される。
以下、同様の処理が、１フレーム分のデータ全部につい
て行なわれる。

このとき、領域を順次ずらす量を、１画素ではなく、
２画素、３画素等とすることもできる。

このようにして、フィルタ処理されたデータは、絶対
値和算出回路13に入力される。絶対値和算出回路13は、
オペレータ処理器12より上述したようにして、３×３の
画素データをフィルタ処理する毎に１個得られるデータ
の絶対値を演算し、その絶対値を１フレーム分について
加算する。この加算値（絶対値和）は標準符号量値変換
器14に入力される。

絶対値和算出回路13が出力する絶対値和（アクティビ
ティ値）は、第４図に示すように、符号量にほぼ対応し
ている。すなわち、所定のアクティビティ値が与えられ
たとき、その画像データの符号量は、第４図にハッチン
グを施した部分の範囲で表わされる。標準符号量値変換
器14は、例えばROMにより構成され、第４図に実線で示
すように、所定のアクティビティ値に対応する符号量の
平均値が記憶されている。そこで、標準符号量値変換器
14は、絶対値和算出回路13より入力されるアクティビテ
ィ値を、対応する符号量予測値に変換し、量子化ステッ
プ変換器15と帯域制限値変換器16に出力する。

標準符号量値変換器14における動作を数式を用いてさ
らに詳述すると、次のようになる。

標準符号量値変換器14には、いろいろな絵柄を持つ多
数の画像のデータを、予め設定してある標準帯域制限値
（Ａ＝Ｏ）で帯域制限し、かつ、標準量子化ステップ
（Ｆ＝50）で量子化した場合に得られる符号量を計算し
たものが、統計的に、アクティビティ値と符号量が１対
１に対応するようにデフォルトデータとして、記憶され
ている。

そして、過去のデータがまだ存在しない第１番目のフ
レームまたはフィールドのデータを符号化する場合、次
のような演算が行なわれる。

BID（50,0）＝ACT×ｋ ここでBID（50,0）は、標準量子化ステップ（Ｆ＝5
0）、かつ、標準帯域制限値（Ａ＝Ｏ）における符号量
の予測値、ACTはアクティビティ値、ｋは定数である。
すなわち、絶対値和算出回路13より入力されるアクティ
ビティ値に定数ｋを乗算して符号量予測値BID（50,0）
を出力する。

また、過去のデータが存在する第２番目以降のフレー
ムまたはフィールドのデータを符号化する場合、次のよ
うな演算が行なわれる。

BID（50,0）＝ACT×（BID^-1（F,A）/TGT）×（BID^-1（5
0,0）/ACT^-1） ここで、BID^-1（50,0）は、過去（この実施例の場合前
回）の標準量子化ステップかつ標準帯域制限値における
符号量予測値、BID^-1（F,A）は、過去（前回）の実際に
使われた量子化ステップ（Ｆ）かつ帯域制限値（Ａ）に
おける符号量値、ACT^-1は過去（前回）のアクティビテ
ィ値、TGTは目標符号量を、それぞれ表わしている。

過去の符号量予測値BID^-1（50,0）とアクティビティ
値ACT^-1は、標準符号量値変換器14よりバッファメモリ
７に出力され、記憶されている。また、過去の符号量値
BID^-1（F,A）は、符号器５よりバツファメモリ７に出力
され、記憶されている。バッファメモリ７に記憶された
値がバッファメモリ７より標準符号量値変換器14に供給
されている。

TGTは制御データ値送信回路17より標準符号量値変換
器14に供給されている。

上式のうち、BID^-1（F,A）/TGTは、実際の符号量と目
標符号量の誤差の傾向を、また、BID^-1（50,0）/ACT^-1
は、第４図にハッチングを施した部分における傾きのう
ち、予測する時点から見て最も相関の強い１回前の傾き
を、それぞれ次の符号化のためにフィードバックし、誤
差が小さくなるようにするものである。

制御データ値送信回路17は、予め設定されたデータ量
の目標値を量子化ステップ変換器15と帯域制限値変換器
16に出力している。量子化ステップ変換器15と帯域制限
値変換器16も、例えば、ROMにより構成され、所定の符
号量を得るのに適切な量子化ステップ数と帯域制限値と
を対応してそれぞれ記憶している。従って、量子化ステ
ップ変換器15と帯域制限値変換器16は、符号量値変換器
14より入力された符号量予測値と、制御データ値送信回
路17より入力された目標値とを比較し、その誤差に対応
して、設定されている目標値を得るのに適切な量子化ス
テップ数と帯域制限値とを読み出し、量子化器４とプリ
フィルタ２に出力する。

プリフィルタ２は、例えば、第５図に示すように、帯
域制限値（カットオフ周波数）が基準値の15/16から1/1
6の範囲で/16ずつ順次変化する15種類の特性のフィルタ
を有し、帯域制限値変換器16から入力される帯域制限値
に対応する特性のフィルタを選択する。この選択された
フィルタにより帯域制限されたデータがDCT回路３に供
給される。

あるいはまた、プリフィルタ２は、第６図に示すよう
に構成することもできる。

この実施例の場合、プリフィルタ２は、フィルタ21
と、乗算器22、23と、加算器24により構成されている。
フィルタ21は、第７図に示すように、基準値の1/2の帯
域制限値を有している。

入力データはフィルタ21により帯域制限された後、乗
算器22に入力され、第１表に示すように、入力データの
レベル０乃至16に対応して、0/16乃至16/16の各係数が
乗算される。また、フィルタ21を経ない入力データは、
乗算器23に入力され、そのレベルに対応して、16/16乃
至0/16の各係数が乗算される。乗算器22と23の出力が加
算器24で加算され、DCT回路３に出力される。

このようにしても、第５図に示した場合と同様の動作
を実行させることができる。

DCT回路３は、入力されたデータをブロック毎に区分
し、直交変換する。直交変換されたデータは、量子化器
４に入力される。

量子化器４は、入力されたデータを、量子化ステップ
変換器15により設定された量子化ステップ数で量子化
し、符号器５に出力する。量子化ステップ数が大きい
程、符号量は小さくなる。符号器５は量子化されたデー
タを、ランレングス符号化、またはハフマン符号化す
る。あるいはまた、ランレングス符号化とハフマン符号
化の両方を行なう。

以上においては、入力された画像データをそのまま符
号量予測器１に入力し、処理するようにしたが、動き補
償および差分データ生成器６において動き補償を行なっ
た後、基準の画像データとフレーム間予測画像データと
の差分を生成し、この差分データを符号量予測器１に入
力するようにすることもできる。

このときCPU8は、第８図に示すように、複数フレーム
またはフィールドを１セグメントとして、各回路、手段
に処理させる。この実施例の場合、フレーム内で符号化
した１個のフレーム（イントラ）と、イントラとの差分
データに対して動き補償した３個のフレーム（第１乃至
第３インタ）よりなる４フレームが１セグメントとされ
ている。

例えば、第９図に示すように、このセグメント全体の
符号量を150Kbitsとする場合、過去のセグメントにおけ
る動きベクトル情報等の付加情報の符号量が30Kbitsで
あるとき、CPU8は各回路、手段を制御し、今回のセグメ
ントの付加情報も同程度の符号量であると予想して、15
0Kbitsから30Kbitsを差し引いた120Kbitsを各フレーム
のデータの符号量に割当てさせる。

そして、CPU8は、絶対値和算出回路13が出力する第１
乃至第３インタとイントラのアクティビティ値の比を演
算し、120Kbitsをその比に対応して配分する。例えば、
これらの比が、1:1:1:3であるとき、第１乃至第３イン
タに対して20Kbitsを、イントラに対して60Kbitsを、そ
れぞれ対応させる。これらの値が制御データ値送信回路
17に出力され、これにより、第１乃至第３インタは20Kb
itsを目標符号量としてそれぞれ符号化される。

また、CPU8は、バッファメモリ７を介して符号器５に
より実際に行なわれた符号量を監視する。そして、目標
値と実際の符号量の誤差を蓄積し、最後に符号化される
イントラに関しては、残りの符号量を目標符号量として
制御データ値送信回路17に出力する。例えば、第１乃至
第３インタの実際の符号量が、それぞれ25Kbits,20Kbit
s,25Kbitsであるとき、イントラの目標符号量は50Kbits
とされる。

あるいはまた、第10図に示すように、アクティビティ
値の比に所定の重み付けを行なって、目標符号量を設定
するようにしてもよい。例えば、アクティビティ値の比
が、1:1:1:3であるとき、インタに対しては一律に0.5倍
し、イントラに対しては一律に1.5倍すると、第１乃至
第３インタに10Kbitsが、イントラに90Kbitsが、それぞ
れ配分される。

以上においては、４フレームを１セグメントとした
が、複数のブロックで１グループを構成し、複数のグル
ープで１セグメントを構成するようにしてもよい。この
場合、１セグメントは１フィールド若しくは１フレーム
内であってもよいし、複数フィールド若しくは複数フレ
ームにわたってもよい。

また、以上においては、オペレータ処理器12の出力の
絶対値和を演算するようにしたが、各出力の２乗値の和
（２乗和）、あるいは、２乗値の和の平均値（２乗平均
値）を演算するようにしてもよい。

さらに、以上においては、帯域制限値と量子化ステッ
プ数の両方を制御するようにしたが、いずれか一方とす
ることもできる。

［発明の効果］ 以上のように、請求項１に記載のデータ圧縮装置によ
れば、過去の画面のアクティビティ値を利用して符号量
を予測するようにしたので、高速かつ簡単に、予測の統
計的なバラツキを抑制しながら動画像の符号量を予測す
ることができる。

また、請求項２に記載のデータ圧縮装置によれば、セ
グメント単位でデータを処理するようにしたので、複数
フレームまたは複数フィールドで構成されるセグメント
の符号量を一定値に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のデータ圧縮装置の一実施例の構成を示
すブロック図、第２図は第１図の実施例における符号量
予測器の一実施例の構成を示すブロック図、第３図
（ａ）乃至（ｃ）は第２図の実施例におけるフィルタ処
理の動作を説明する図、第４図は第２図の実施例におけ
る標準符号量値変換器の特性を説明する図、第５図は第
１図のプリフィルタの特性を説明する図、第６図は第１
図のプリフィルタの一実施例の構成を示すブロック図、
第７図は第６のフィルタの特性を説明する図、第８図乃
至第10図は、フレーム間予測データの処理を説明する図
である。 １……符号量予測器、２……プリフィルタ、３……DCT
回路、４……量子化器、５……符号器、６……動き補償
および差分データ生成器、７……バッファメモリ、８…
…CPU、11……フレームメモリ、12……オペレータ処理
器、13……絶対値和算出回路、14……標準符号量値変換
器、15……量子化ステップ変換器、16……帯域制限値変
換器、17……制御データ値送信回路、21……フィルタ、
22,23……乗算器、24……加算器。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力されたデータを所定画素毎のブロック
   に分割し、直交変換した後、量子化し、さらに符号化す
   るデータ圧縮装置において、 入力されたデータをフィルタ処理する第１の処理手段
   と、 前記第１の処理手段により処理されたデータについて、
   少なくとも加算を含む演算を行う演算手段と、 前記演算手段が出力するアクティビティ値を、標準量子
   化ステップおよび標準帯域制限値における対応する符号
   量予測値に変換する標準符号量値変換手段と、 データ量の目標値を設定する目標値設定手段と、 前記目標値設定手段により設定された前記目標値と前記
   標準符号量値変換手段より出力された前記符号量予測値
   とを比較し、その差に対応する量子化ステップ値または
   帯域制限値を出力する設定値出力手段と、 前記設定値出力手段が出力する前記量子化ステップ値ま
   たは帯域制限値に対応して前記データを量子化または帯
   域制限する第２の処理手段と、 前記標準符号量値変換手段が出力した過去の画面の前記
   アクティビティ値、過去の画面の前記アクティビティ値
   から予測した前記標準量子化ステップまたは標準帯域制
   限値における前記符号量予測値、および過去の画面の前
   記アクティビティ値に対応して設定した前記量子化ステ
   ップ値または帯域制限値において符号化した過去の画面
   の前記符号量値の少なくとも１つを記憶する記憶手段と
   を備え、 前記標準符号量値変換手段は、前記記憶手段に記憶され
   た過去の画面の値を利用して前記アクティビティ値の前
   記符号量予測値への変換動作を行うことを特徴とするデ
   ータ圧縮装置。
2. 【請求項２】入力された画像データを所定画素毎のブロ
   ックに分割し、直交変換した後、量子化し、さらに符号
   化するデータ圧縮装置において、 入力された前記画像データの符号量を予測する符号量予
   測手段と、 前記符号量予測手段の出力に対応して前記画像データの
   帯域制限値を可変して帯域を制限すると共に量子化ステ
   ップ値を可変して量子化を行う処理手段と、 前記処理手段により処理された前記画像データを符号化
   する符号化手段と、 複数の前記ブロックからなる１フィールドまたは１フレ
   ームに対して、複数の前記フィールドまたは複数の前記
   フレームを１セグメントとし、各セグメントの符号量が
   一定になるように、前記符号量予測手段を制御する制御
   手段とを備えることを特徴とするデータ圧縮装置。