JP2518224B2 - 高能率符号化装置 - Google Patents

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、最大値及び
最小値がブロック内の最大のレベル範囲及び最小のレベ
ル範囲に夫々含まれる画像データの平均値によって修整
され、この修整されたダイナミックレンジにより再割り
当てがなされるので、インパルス性の雑音、リンギング
等によってブロック歪が発生することが防止される。

〔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る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を代表レベルに変換される。
この量子化は、元の量子化ビット数より少ないビット数
例えば２ビットと対応する４個のレベル範囲に検出され
たダイナミックレンジDRを分割し、ブロック内の各画素
データが属するレベル範囲を検出し、このレベル範囲を
示すコード信号を発生する処理である。

第11図では、ブロックのダイナミックレンジDRが４個
のレベル範囲A0〜A3に分割されている。最小のレベル範
囲に含まれる画素データが（00）と符号化され、レベル
範囲A1に含まれる画素データが（01）と符号化され、レ
ベル範囲A2に含まれる画素データが（10）と符号化さ
れ、最大のレベル範囲に含まれる画素データが（11）と
符号化される。従って、各画素の８ビットが２ビットに
圧縮されて伝送される。

受信側では、受信されたコード信号が代表レベルL0〜
L3に復元される。この代表レベルL0L3は、レベル範囲A0
〜A3の夫々の中央のレベルである。

〔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符号化方法は、
リンキング、インパルス性の雑音によってブロック歪が
発生する問題があった。第12図はブロック歪の発生を説
明するための図である。第12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。

ビデオカメラの撮像出力には、第12図に示すように、
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MAX1とし
て検出され、最小値MIN1とで決定されるダイナミックレ
ンジDR1に適応して符号化がされる。次のブロックで
は、リンギングが収束しているために、最大値MAX2が下
がり、最小値MIN2及び最大値MAX2で定まるダイナミック
レンジDR2に適応して符号化がされる。従って、これら
の二つのブロック間で輝度レベルの差が生じ、ブロック
歪が発生する。インパルス性の雑音の場合にも同様にブ
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符
号化において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、 ダイナミックレンジDRを元の量子化ビット数より少な
い量子化ビット数と対応する複数のレベル範囲に分割し
た時の最大レベル範囲A3及び最小のレベル範囲A0に夫々
含まれる入力画像データを抽出する回路と、 最大のレベル範囲A3に含まれる入力画像データの第１
の平均値MAX′及び最小のレベル範囲A0に含まれる入力
画像データの第２の平均値MIN′を形成する回路と、 第２の平均値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、 第１の平均値MAX′及び第２の平均値MIN′から修整さ
れたダイナミックレンジDR′を算出する回路と、 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、且つ修整されたダイナミックレンジDR′に応じ
て符号化する量子化回路と、 修整された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、同一のブロックの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
有する最小レベルを除去した後のデータを元の量子化ビ
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、量子化ビット数と対応した数に分割されたレベ
ル範囲の中の最大のレベル範囲及び最小のレベル範囲に
含まれる画素データの平均値を検出し、この平均値を新
たに最大値及び最小値として符号化を行うことにより、
リンギング、インパルス雑音等によりブロック歪が発生
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、ブロック毎に最小値MIN,最大値MAX及びダイナ
ミックレンジDRを検出する。遅延回路４からの画素デー
タが比較回路５及び比較回路６に供給される。

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がシフト回路７に供給され、最大値MAXが減算回
路８に供給され、最小値MINが加算回路９に供給され
る。シフト回路７は、量子化ビット数が２ビットの時に
は、1/4の除算を行うためのもので、シフト回路７から
分割されたレベル範囲の一個のレベル範囲の値が得られ
る。このシフト回路７の出力信号が減算回路８及び加算
回路９に供給される。従って、減算回路８からは、最大
のレベル範囲の下側のしきい値が得られ、加算回路９か
らは、最小のレベル範囲の上側のしきい値が得られる。
これらの減算回路８の出力信号及び加算回路９の出力信
号が比較回路５及び６に夫々供給される。

比較回路５の出力信号がANDゲート10に供給され、比
較回路６の出力信号がANDゲート11に供給される。ANDゲ
ート10及び11には、遅延回路４からの入力データが供給
される。比較回路５の出力信号は、入力データがしきい
値より大きい時にハイレベルとなり、従って、ANDゲー
ト10の出力端子には、最大のレベル範囲に含まれる入力
データの画素データが抽出される。比較回路６の出力信
号は、入力データがしきい値より小さい時にハイレベル
となり、従って、ANDゲート11の出力端子には、最小の
レベル範囲に含まれる入力データの画素データが抽出さ
れる。

ANDゲート10の出力信号が平均値形成回路12に供給さ
れ、ANDゲート11の出力信号が平均値形成回路13に供給
される。これらの平均値形成回路12及び13は、ブロック
毎に平均値を算出するもので、端子14からブロック毎の
リセット信号が平均値形成回路12及び13に供給されてい
る。平均値形成回路12からは、最大のレベル範囲に属す
る画素データの平均値MAX′が得られ、平均値形成回路1
3からは、最小のレベル範囲に属する画素データの平均
値MIN′が得られる。平均値MAX′から平均値MIN′が減
算回路15で減算され、減算回路15からダイナミックレン
ジDR′が得られる。

また、平均値MIN′が減算回路16に供給され、遅延回
路17を介された入力データから平均値MIN′が減算回路1
6において減算され、最小値除去後のデータPDIが形成さ
れる。このデータPDI及び修整されたダイナミックレン
ジDR′が量子化回路７に供給される。量子化回路18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。

修整されたダイナミックレンジDR′、平均値MIN′及
びコード信号DTがフレーム化回路19に供給される。フレ
ーム化回路19は、第２図に示すように、ダイナミックレ
ンジDR′及び平均値MIN′と１ブロックのデータからな
るシリアルデーアを形成する。１ブロックのデータは、
（２ビット×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20に取り出される。

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35からの受信データは、フレーム分解回路36に供給さ
れる。フレーム分解回路36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37に供給され、ダイナミッ
クレンジDR′が復号化回路37に供給される。また、平均
値MIN′が加算回路38に供給される。加算回路38には、
復号化回路37の出力信号が供給され、加算回路38の出力
信号がブロック分解回路39に供給される。復号化回路37
は、送信側の量子化回路18の処理と逆の処理を行う。即
ち、２ビットのコード信号が代表レベルに復号され、こ
のデータと８ビットの平均値MINとが加算回路38により
加算され、元の画素データが復号される。

加算回路38の出力信号がブロック分解回路39に供給さ
れる。ブロック分解回路39は、送信側のブロック化回路
２と逆に、ブロックの順番の複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39の出力端子40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44,45,47,48,53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。この選択回路42の出力信号がラッチ53
に供給され、ラッチ53から導出された出力端子54に最大
レベルMAXが取り出される。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18は、ダイナミックレンジDRに適応した固
定長の符号化を行う。第９図は、量子化回路18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。

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。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′と平均値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′の代わりに平均値MA
X′または量子化ステップを伝送しても良い。

また、最大のレベル範囲に含まれるデータ又は最小の
レベル範囲に含まれるデータの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いても良
い。

この発明は、固定長のダイナミックレンジに適応した
符号化に限らず可変長のダイナミックレンジに適応した
符号化に対して適用することができる。可変長の方式で
は、ダイナミックレンジDR′に応じて、量子化ビット数
（レベル範囲の分割数）が変化するので、最大のレベル
範囲及び最小のレベル範囲のしきい値を定める構成が固
定長に比して複雑となる。即ち、検出されたダイナミッ
クレンジDRから量子化ビット数を求め、この量子化ビッ
ト数から分割数を求める必要がある。この分割数を使用
してこの発明の一実施例と同様にしてしきい値が定めら
れる。

更に、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。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、リンギング，インパルス性の雑音
等を含む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12図に示すように、リンキングが含ま
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、最大値MAX1がリンギングのピークでなく
て、最大のレベル範囲に含まれる画素データの平均値MA
X′（１点鎖線で示す）に代えられ、同様に最小値MIN1
がMIN′（１点鎖線で示す）に代えられる。この平均値M
AX′及びMIN′で定まる修整されたダイナミックレンジD
R′の中で再割り当てがなされるので、復元レベルが隣
接のブロックの復元レベルと殆ど同じとなり、ブロック
歪が発生することが防止される。

つまり、第11図に示す元のダイナミックレンジDRがこ
の発明により修整されて第10図に示すように、ダイナミ
ックレンジDR′とされ、このダイナミックレンジDR′が
４個のレベル範囲A0′〜A3′に分割される。この場合、
受信側の復元レベルとして最小のレベルL0が平均値MI
N′と一致するようにされ、最大レベルL3が平均値MIX′
と一致するようにされる。

【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略線図、第11図はダイナミッ
クレンジDRに適応した固定長符号化の説明のための略線
図、第12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、5,6:比較回路、7:
シフト回路、12:フレーム化回路、18:量子化回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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、 上記ダイナミックレンジを元の量子化ビット数より少な
   いビット数と対応する複数のレベル範囲に分割した時の
   最大レベル範囲及び最小のレベル範囲に夫々含まれる入
   力画像データを抽出する手段と、 上記最大のレベル範囲に含まれる入力画像データの第１
   の平均値及び上記最小のレベル範囲に含まれる入力画像
   データの第２の平均値を形成する手段と、 上記第２の平均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、 上記第１の平均値及び上記第２の平均値から修整された
   ダイナミックレンジを算出する手段と、 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、且つ上記修整されたダイナミックレンジに応
   じて符号化する手段と、 上記修整された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手段と からなることを特徴とする高能率符号化装置。