JP2518223B2

JP2518223B2 - 高能率符号化装置

Info

Publication number: JP2518223B2
Application number: JP20211786A
Authority: JP
Inventors: 哲二郎近藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1986-08-28
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS6359186A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、ディジタルテレビジョン信号等の画像デ
ータの１画素当たりのビット数を圧縮する高能率符号化
装置に関する。

〔発明の概要〕

この発明では、ディジタルビデオ信号を伝送する際に
適用される高能率符号化装置において、テレビジョン画
面が多数の２次元的ブロック又は３次元的ブロックに分
割され、各ブロック内の画素の相関により狭くなったダ
イナミックレンジに適応した可変長の符号化により、ブ
ロック内の画素データのビット数が圧縮でき、また、ダ
イナミックレンジが最も狭い時には、ブロックの全画素
データの平均値情報を伝送することにより、ブロック歪
が防止される。

〔従来の技術〕

ビデオ信号の符号化方法として、伝送帯域を狭くする
目的でもって、１画素当たりの平均ビット数又はサンプ
リング周波数を小さくするいくつかの高能率符号化方法
が知られている。

本願出願人は、特願昭59-266407号明細書に記載され
ているような、２次元ブロック内に含まれる複数画素の
最大値及び最小値により規定されるダイナミックレンジ
を求め、このダイナミックレンジに適応した符号化を行
う高能率符号化装置を提案している。また、特願昭60-2
32789号明細書に記載されているように、複数フレーム
に夫々含まれる領域の画素から形成された３次元ブロッ
クに関してダイナミックレンジに適応した符号化を行う
高能率符号化装置が提案されている。更に、特願昭60-2
68817号明細書に記載されているように、量子化を行っ
た時に生じる最大歪が一定となるようなダイナミックレ
ンジに応じてビット数が変化する可変長符号化方法が提
案されている。

第11図は、先に提案されているダイナミックレンジに
適応した可変長符号化方法の説明に用いるものである。
ダイナミックレンジDR（最大値MAXと最小値MINの差）が
例えば（８ライン×８画素＝64画素）からなる２次元的
なブロック毎に算出される。また、入力画素データから
そのブロック内で最小のレベル（最小値）が除去され
る。この最小値除去後の画素データが代表レベルに変換
される。この量子化の際に生じる量子化歪の許容できる
最大値（最大歪と称する。）が所定の値Ｅとされる。

第11図Ａは、ダイナミックレンジDRが2Eの場合を示
し、中央のレベルＥが代表レベル０とされる。つまり、
（０≦DR≦2E）の時には、（MAX＋MIN）/2のレベルが代
表レベルとされ、データの伝送が必要ない（ビット長が
０である）。受信側では、ブロックの最小値MIN及びダ
イナミックレンジDRから代表レベルL0を復元値とする復
号がなされる。

第11図Ｂは、（DR＝4E＋１）の場合を示し、（L0＝
Ｅ）（L1＝3E＋１）と夫々定められる。２個の代表レベ
ルL0,L1があるので、ビット長が１となる。（2E＋１≦D
R≦4E＋１）の場合には、ビット長が１とされる。

第11図Ｃは、（DR＝8E＋３）の場合を示し、代表レベ
ルが（L0＝Ｅ）（L1＝3E＋１）（L2＝5E＋２）（L3＝7E
＋３）と夫々定められる。（4E＋２≦DR≦8E＋３）の場
合には、４個の代表レベルL0〜L3があるので、ビット長
が２とされる。

（8E＋４≦DR≦16E＋７）の場合では、８個の代表レ
ベル（L0〜L7）が用いられる。第11図Ｄは、（DR＝16E
＋７）の場合を示し、代表レベルが上述と同様のL0〜L3
に加えて、（L4＝9E＋４）（L5＝11E＋５）（L6＝13E＋
６）（L7＝15E＋）と夫々定められる。８個の代表レベ
ルの区別のために、ビット長が３とされる。

上述のように、各ブロックのダイナミックレンジDRに
応じてビット長が（０〜３）の可変の量子化がなされ
る。実際の画素データは、１サンプルが８ビットである
ので、ダイナミックレンジDRの理論上の最大値が255と
なる。従って、最大歪Ｅが一定で量子化した場合には、
ビット長の最大値として５ビットが必要となる。しかし
ながら、ダイナミックレンジDRが大きい所では、量子化
歪が視覚上目立たないので、最大歪Ｅを一定とせずに、
ダイナミックレンジDRに応じて最大枠Ｅが大きくされ、
ビット長の最大値が３ビット程度に抑えられる。

また、第11図に示されるように、ダイナミックレンジ
DRを分割してなる領域の中央のレベルを代表値とする量
子化と異なり、第12図に示すように最小値MIN及び最大
値MAXを夫々代表値として含むような量子化を行うこと
も可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のダイナミックレンジに適応した可変長の符号化
方法は、ダイナミックレンジDRが小さいブロックで、
（MAX＋MIN）/2を代表値として復元した時に、ブロック
歪が発生する問題があった。第13図はブロック歪の発生
を説明するための図である。第13図では、説明の簡単の
ため、１次元ブロック即ち、水平方向の所定数のサンプ
ルにより形成されたブロックについてのデータの変化が
アナログ波形として表されており、受信側の復元値が破
線で示されている。

第13図Ａに示すように、平坦であるべき波形にインパ
ルス性のノイズが含まれていると、このノイズが含まれ
るブロックでは、ノイズのピーク値が最大値MAXとして
検出され、（MAX＋MIN）/2のレベルAv′が受信側で復元
される。従って、このブロックの復元値が隣接するブロ
ックの復元値に比して輝度レベルが高くなり、ブロック
歪が発生する。

また、第13図Ｂに示すように、ビデオカメラの撮像出
力には、レベル変化が急峻なエッジ付近で小レベルのリ
ンギングが発生していることが多い。このリンギングが
含まれるブロックでは、リンギングのピーク値が最小値
MINとして検出され、リンギングが含まれるブロックの
レベルがAv′となり、ブロック歪が発生する。

上述のブロック歪の輝度レベルの差は小さいが、ある
程度の面積を持つので、視覚的に目立つ問題があった。

この発明の目的は、ダイナミックレンジに適応した可
変長符号化におけるブロック歪の発生が防止された高能
率符号化装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明では、ディジタル画像信号の２次元ブロック
又は時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の
領域からなるブロック内に含まれる複数の画素データの
最大値MAX及び複数の画素データの最小値MINを求めると
共に、最大値MAX及び最小値MINからブロック毎のダイナ
ミックレンジDRを検出するダイナミックレンジ検出回路
と、最小値MINを複数の画素データの値から減算し、最小
値除去後の入力データを形成する減算回路と、ブロックの全画素データの平均値情報を算出する回路
と、検出されたダイナミックレンジDR内で最小値除去後の
入力データを元の量子化ビット数より少なく、且つダイ
ナミックレンジDRに応じた数の量子化ビット数で符号化
し、ビット数がブロック毎に定まるコード信号DTを発生
する量子化回路と、ダイナミックレンジ情報と関連する情報及びコード信
号を伝送すると共に、ダイナミックレンジが所定値より
小なる時に平均値情報とダイナミックレンジに関連する
情報を伝送するフレーム化回路とが備えられている。

〔作用〕

テレビジョン信号は、水平方向、垂直方向並びに時間
方向に関する３次元的な相関を有しているので、定常部
では、同一のブロックに含まれる画素データのレベルの
変化幅が小さい。従って、ブロック内に画素データが共
有する最小レベルMINを除去した後のデータPDIのダイナ
ミックレンジを元の量子化ビット数より少ない量子化ビ
ット数により量子化しても、量子化歪は、殆ど生じな
い。

また、ダイナミックレンジが所定の値より小なる時即
ち、ビット長が０の時には、ブロックの全画素データの
平均値が伝送される。受信側では、ビット長が０のブロ
ックに関する復元値として平均値が用いられる。従っ
て、インパルス性の雑音，リンギングが含まれているた
めにブロック歪が発生することが防止される。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明
する。この説明は、下記の順序に従ってなされる。

a.送信側の構成 b.受信側の構成 c.ブロック及びブロック化回路 d.ダイナミックレンジ検出回路 e.量子化回路 f.変形例 a.送信側の構成第１図は、この発明の送信側（記録側）の構成を全体
として示すものである。１で示す入力端子に例えば１サ
ンプルが８ビットに量子化されたディジタルビデオ信号
（ディジタル輝度信号）が入力される。このディジタル
ビデオ信号がブロック化回路２に供給される。

ブロック化回路２により、入力ディジタルビデオ信号
が符号化の単位である２次元ブロック毎に連続する信号
に変換される。この実施例では、１ブロックが（８ライ
ン×８画素＝64画素）の大きさとされている。ブロック
化回路２の出力信号がダイナミックレンジ検出回路３及
び遅延回路４に供給される。ダイナミックレンジ検出回
路３は、ブロック毎にダイナミックレンジDR及び最小値
MINを検出する。遅延回路４からの画素データPDが減算
回路５及び積算回路６に供給される。減算回路５におい
て、最小値MINが除去された画素データPDIが形成され
る。積算回路６において、１ブロック内の64個の画素デ
ータの値が集計され、積算回路６の出力信号がシフト回
路８に供給される。シフト回路８は、積算回路６の出力
信号を（1/64）にするもので、シフト回路８から１ブロ
ックの全画素データの平均値Avが得られる。

また、検出されたダイナミックレンジDRが比較回路９
及び量子化回路７に供給される。比較回路９では、検出
されたダイナミックレンジDRとしきい値THとが比較され
る。しきい値THより検出されたダイナミックレンジDRが
小さい時には、そのブロックのビット長が０である。量
子化回路７は、ダイナミックレンジDRに適応して、画素
データPDIを量子化し、コード信号DTを発生する。

ダイナミックレンジ検出回路３からのダイナミックレ
ンジDRがスイッチ回路10Aの一方の入力端子に供給さ
れ、ダイナミックレンジ検出回路３からの最小値MINが
スイッチ回路10Bの一方の入力端子に供給される。スイ
ッチ回路10Aの他方の入力端子には、８ビットが全て
“0"のデータが供給され、スイッチ回路10Bの他方の入
力端子には、シフト回路８からの平均値Avが供給され
る。これらのスイッチ回路10A及び10Bは、比較回路９の
出力信号によって制御される。

比較回路９において、検出されたダイナミックレンジ
DRがしきい値THより大きい時には、第１図に示すよう
に、スイッチ回路10A,10BがダイナミックレンジDR及び
最小値MINを夫々選択する。このスイッチ回路10A,10Bの
出力信号及びコード信号DTがフレーム化回路11に供給さ
れる。フレーム化回路11は、第２図に示すように、ダイ
ナミックレンジDR及び最小値MINと１ブロックのデータ
からなるシリアルデータを形成する。１ブロックのデー
タは、（ビット長Nb×64）のビット数のものである。こ
のシリアルデータに対してエラー訂正符号の符号化が施
されると共に、同期信号が付加されて送信データが形成
される。この送信データが出力端子12に取り出される。

比較回路９において、検出されたダイナミックレンジ
DRがしきい値THより小さく、ビット長が０のブロックで
は、スイッチ回路10Aが全て“0"の８ビットのコードを
選択し、スイッチ回路10Bがシフト回路８からの平均値A
vを選択する。従って、送信されるデータは、ダイナミ
ックレンジDRに代わる全て“0"の８ビットのコード信号
と最小値MINに代わる平均値Avである。

前述のように、符号化コードDTは、ブロック毎に可変
のビット数のものであるが、付加コード中のダイナミッ
クレンジDRからそのブロックの画素データのビット数が
一義的に定まる。従って、可変長符号を採用しているに
も拘らず、伝送データ中にデータの区切りを示す冗長な
コードを挿入する必要がない利点がある。

b.受信側の構成第３図は、受信（又は再生）側の構成を示す。入力端
子13からの受信データは、フレーム分解回路14に供給さ
れる。フレーム分解回路14により、コード信号DTと付加
コードDR,MINとが分離されると共に、エラー訂正処理が
なされる。コード信号DTが復号化回路15に供給され、ダ
イナミックレンジDRが復号化回路15及びゼロ検出回路16
に供給される。ゼロ検出回路16は、ダイナミックレンジ
DRとして挿入されている８ビットが全て“0"であること
を検出する。また、最小値MINが加算回路17及びスイッ
チ回路18の一方の入力端子に供給される。加算回路17に
は、復号化回路15の出力信号が供給され、加算回路17の
出力信号がスイッチ回路18の他方の入力端子に供給され
る。復号化回路15は、送信側の量子化回路７の処理と逆
の処理を行う。即ち、８ビットの最小レベル除去後のデ
ータが代表レベルに復号され、このデータと８ビットの
最小値MINとが加算回路17により加算され、元の画素デ
ータが復号される。

ゼロ検出回路16の出力信号によりスイッチ回路18が制
御される。ダイナミックレンジDRの８ビットが“0"でな
い時には、第３図に示すように、スイッチ回路18が加算
回路17の出力信号を選択する。また、ダイナミックレン
ジDRが全て“0"のビットの時には、最小値MINに代えて
平均値Avが挿入されているので、スイッチ回路18が平均
値Avを選択する。スイッチ回路18の出力信号がブロック
分解回路19に供給される。ブロック分解回路19は、送信
側のブロック化回路２と逆に、ブロックの順番の復号デ
ータをテレビジョン信号の走査と同様の順番に変換する
ための回路である。ブロック分解回路19の出力端子20に
復号されたビデオ信号が得られる。

c.ブロック及びブロック化回路第４図を参照して、符号化の単位であるブロックにつ
いて説明する。この例では、１フィールドの画面を分割
することにより、第４図に示される（８ライン×８画
素）の２次元ブロックが多数形成される。第３図におい
て、実線は、奇数フィールドのラインを示し、破線は、
偶数フィールドのラインを示す。この例と異なり、時間
的に連続するＮフレームの各フレームに属するＮ個の２
次元領域から構成された３次元ブロックに対してもこの
発明が適用できる。

ブロック化回路２について第５図，第６図及び第７図
を参照して説明する。説明の簡単のため、１フィールド
の画面が第６図に示すように、（４ライン×８画素）の
構成と仮定し、この画面が破線で示すように、垂直方向
に２分割され、水平方向に４分割され、（２ライン×２
画素）の８個のブロックが形成される場合について説明
する。

第５図において、21で示す入力端子に第７図Ａに示す
ように、（Th₀〜Th₃）の４ラインからなる入力データＡ
が供給され、22で示す入力端子に入力データＡと同期し
ているサンプリングクロックＢ（第７図Ｂ）が供給され
る。数字の（１〜８）がラインTh₀のサンプルデータを
夫々示し、数字の（11〜18）がラインTh₁のサンプルデ
ータを夫々示し、数字の（21〜28）がラインTh₂のサン
プルデータを夫々示し、数字の（31〜38）がラインTh₃
のサンプルデータを夫々示す。入力データＡがThの遅延
量の遅延回路23及び2Ts（Ts:サンプリング周期）の遅延
量の遅延回路24に供給される。また、サンプリングクロ
ックＢが1/2分周回路27に供給される。

遅延回路24の出力信号Ｃ（第７図Ｃ）がスイッチ回路
25及び26の一方の入力端子に夫々供給され、遅延回路23
の出力信号Ｄ（第７図Ｄ）がスイッチ回路25及び26の他
方の入力端子に夫々供給される。スイッチ回路25は、1/
2分周回路27の出力信号Ｅ（第７図Ｅ）により制御さ
れ、また、スイッチ回路26はパルス信号Ｅがインバータ
28により反転されたパルス信号により制御される。スイ
ッチ回路25及び26は、2Ts毎に交互に入力信号（Ｃ又は
Ｄ）を選択する。スイッチ回路25からの出力信号Ｆが第
７図Ｆに示され、スイッチ回路26からの出力信号Ｇが第
７図Ｇに示される。

スイッチ回路25の出力信号Ｆがスイッチ回路29の第１
の入力端子及び4Tsの遅延量を有する遅延回路30に供給
される。スイッチ回路26の出力信号Ｇが2Tsの遅延量を
有する遅延回路31に供給される。遅延回路30の出力信号
Ｈ（第７図Ｈ）がスイッチ回路29の第３の入力端子に供
給される。遅延回路31の出力信号Ｉ（第７図Ｉ）がスイ
ッチ回路29の第２の入力端子及び4Tsの遅延量を有する
遅延回路32に供給される。遅延回路32の出力信号Ｊ（第
７図Ｊ）がスイッチ回路29の第４の入力端子に供給され
る。

1/2分周回路33には、1/2分周回路27の出力信号が供給
され、出力信号Ｋ（第７図Ｋ）が形成される。この信号
Ｋによってスイッチ回路29が制御され、4Ts毎に第1,第
2,第３及び第４の入力端子が順次選択される。従って、
スイッチ回路29から出力端子34に取り出される信号Ｌ
は、第６図Ｌに示すものとなる。つまり、データのフィ
ールド毎の順序がブロック毎の順序（例えば１→２→11
→12）に変換される。勿論、１フィールドの実際の画素
数は、第６図に示される例と異なってはるかに多いが、
上述と同様の走査変換によって、第４図に示すブロック
毎の順序に変換される。

d.ダイナミックレンジ検出回路第８図は、ダイナミックレンジ検出回路３の一例の構
成を示す。41で示される入力端子には、ブロック化回路
２から前述のように、１ブロック毎に符号化が必要な領
域の画像データが順次供給される。この入力端子41から
の画素データは、選択回路42及び選択回路43に供給され
る。一方の選択回路42は、入力ディジタルビデオ信号の
画素データとラッチ44の出力データとの間で、よりレベ
ルの大きい方を選択して出力する。他方の選択回路43
は、入力ディジタルビデオ信号の画素データとラッチ45
の出力データとの間で、よりレベルの小さい方を選択し
て出力する。

選択回路42の出力データが減算回路46に供給されると
共に、ラッチ44に取り込まれる。選択回路43の出力デー
タが減算回路46及びラッチ48に供給されると共に、ラッ
チ45に取り込まれる。ラッチ44及び45には、ラッチパル
スが制御部49から供給される。制御部49には、入力ディ
ジタルビデオ信号と同期するサンプリングクロック，同
期信号等のタイミング信号が端子50から供給される。制
御部49は、ラッチ44,45及びラッチ47,48にラッチパルス
を所定のタイミングで供給する。

各ブロックの最初で、ラッチ44及び45の内容が初期設
定される。ラッチ44には、全て‘0'のデータが初期設定
され、ラッチ45には、全て‘1'のデータが初期設定され
る。順次供給される同一のブロックの画素データの中
で、最大レベルがラッチ44に貯えられる。また、順次供
給される同一のブロックの画素データの中で、最小レベ
ルがラッチ45に貯えられる。

最大レベル及び最小レベルの検出が１ブロックに関し
て終了すると、選択回路42の出力に当該ブロックの最大
レベルが生じる。一方、選択回路43の出力に当該ブロッ
クの最小レベルが生じる。１ブロックに関しての検出が
終了すると、ラッチ44及び45が再び初期設定される。

減算回路46の出力には、選択回路42からの最大レベル
MAX及び選択回路43からの最小レベルMINを減算してなる
各ブロックのダイナミックレンジDRが得られる。これら
のダイナミックレンジDR及び最小レベルMINが制御ブロ
ック49からのラッチパルスにより、ラッチ47及び48に夫
々ラッチされる。ラッチ47の出力端子51に各ブロックの
ダイナミックレンジDRが得られ、ラッチ48の出力端子52
に各ブロックの最小値MINが得られる。

e.量子化回路量子化回路６は、ダイナミックレンジDRに適応した可
変長の符号化を行う。第９図は、量子化回路６の一例を
示す。第９図において、55で示すROMには、最小値除去
後の画素データPDI（８ビット）を圧縮されたビット数
に変換するためのデータ変換テーブルが格納されてい
る。ROM55に対して、入力端子56からのダイナミックレ
ンジDRと入力端子57からの画素データPDIとがアドレス
信号として供給される。

ROM55では、ダイナミックレンジDRによりデータ変換
テーブルが選択され、出力端子58にコード信号DTが取り
出される。このコード信号DTのビット数が例えば０ビッ
ト〜３ビットの範囲で変化する。従って、ROM55から出
力されたコード信号の中で有効なビット数が変化する。
このような可変長符号化は、特願昭60-268817号明細書
に記載されている。

１ブロック内のテレビジョン信号が水平方向，垂直方
向の２次元方向並びに時間方向に関する３次元的な相関
を有しているので、定常部では、同一のブロックに含ま
れる画素データのレベルの変化幅が小さい。従って、ブ
ロック内の画素データが共有する最小レベルMINを除去
した後のデータDTIのダイナミックレンジを元の量子化
ビット数より小さい量子化ビット数により量子化して
も、量子化歪は、殆ど生じない。量子化ビット数を少な
くすることにより、データの伝送帯域幅を元のものより
狭くすることができる。

f.変形例以上の説明では、コード信号DTとダイナミックレンジ
DRと最小値MINとを送信している。しかし、付加コード
としてダイナミックレンジDRの代わりに最大値MAX、量
子化ステップまたは最大歪を伝送しても良い。

また、１ブロックのデータをフレームメモリ、ライン
遅延回路、サンプル遅延回路を組み合わせた回路によ
り、同時に取り出すようにしても良い。

更に、平均値情報としては、ブロック内の最も数が多
いレベル又はブロック内の画素データを大きい順に並べ
た時の中間の値を使用しても良い。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、ダイナミックレンジが狭いブロッ
クにおけるブロック歪の発生を防止することができる。
第10図Ａに示すように、インパルス性の雑音が含まれて
いるブロック（簡単のため１次元ブロックで表されてい
る）でも、ブロックの全画素の平均値Avがスイッチ回路
10Bで選択されて伝送される。受信側では、この平均値A
vが復元され、このブロックの復元値が隣接するブロッ
クに比して大レベルとなることが防止される。また、第
10図Ｂに示すように、リンギングが含まれるブロックで
も、同様に平均値Avが受信側で復元され、ブロック歪が
発生することが防止される。

また、この発明に依れば、ダイナミックレンジが小さ
いブロックでは、実際のデータに近い輝度レベルが復元
されるので、復元画像のS/Nを改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図はデ
ータの構成を示す略線図、第３図は受信側の構成を示す
ブロック図、第４図は符号化の処理の単位であるブロッ
クの説明に用いる略線図、第５図、第６図及び第７図は
夫々ブロック化回路の説明のための略線図、ブロック化
回路の一例のブロック図及び動作説明のためのタイムチ
ャート、第８図はダイナミックレンジ検出回路のブロッ
ク図、第９図は量子化回路の一例のブロック図、第10図
はこの発明の説明に用いる波形図、第11図は可変長符号
化の説明のための略線図、第12図は量子化の他の例の説
明のための略線図、第13図はブロック歪の発生の説明に
用いる波形図である。図面における主要な符号の説明 1:ディジタルビデオ信号の入力端子、2:ブロック化回
路、3:ダイナミックレンジ検出回路、6:積算回路、7:量
子化回路、8:シフト回路、10A,10B:スイッチ回路、11:
フレーム化回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル画像信号の２次元ブロック又は
時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の領域
からなるブロック内に含まれる複数の画素データの最大
値及び上記複数の画素データの最小値を求めると共に、
上記最大値及び上記最小値から上記ブロック毎のダイナ
ミックレンジを検出する手段と、上記最小値を上記複数の画素データの値から減算し、最
小値除去後の入力データを形成する手段と、上記ブロックの全画素データの平均値情報を算出する手
段と、上記検出されたダイナミックレンジ内で上記最小値除去
後の入力データを元の量子化ビット数より少なく、且つ
上記検出されたダイナミックレンジに応じた数の量子化
ビット数で符号化し、ビット数がブロック毎に定まるコ
ード信号を発生する手段と、上記ダイナミックレンジと関連する情報及び上記コード
信号を伝送すると共に、上記ダイナミックレンジが所定
値より小なる時に上記平均値情報と上記ダイナミックレ
ンジに関連する情報を伝送する手段とからなることを特徴とする高能率符号化装置。