JP2527353B2 - ベクトル量子化による画像デ―タの圧縮装置 - Google Patents

ベクトル量子化による画像デ―タの圧縮装置

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  • Transmission Systems Not Characterized By The Medium Used For Transmission (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は画像データの圧縮装置、特に詳細にはベクト
ル量子化と予測符号化とを併用して高いデータ圧縮率が
得られるようにした画像データの圧縮装置に関するもの
である。
(従来の技術) 例えばTV信号等、中間調画像を担持する画像信号は膨
大な情報量を有しているので、その伝送には広帯域の伝
送路が必要である。そこで従来より、このような画像信
号は冗長性が大きいことに着目し、この冗長性を抑圧す
ることによって画像データを圧縮する試みが種々なされ
ている。また最近では、例えば光ディスクや磁気ディス
ク等に中間調画像を記録することが広く行なわれてお
り、この場合には記録媒体に効率良く画像信号を記録す
ることを目的として画像データ圧縮が広く適用されてい
る。
このような画像データ圧縮方法の一つとして、ベクト
ル量子化を利用する方法が知られている。このベクトル
量子化による方法は、2次元画像データを相近接するK
個の画素に関するデータ毎のブロックに分割し、予めK
個のベクトル要素を規定して作成した相異なる複数のベ
クトルからなるコードブックの中で、上記ブロックの各
々内の画像データの組と最小歪にて対応するベクトルを
それぞれ選択し、この選択されたベクトルを示す情報を
各ブロックと対応させて符号化するようにしたものであ
る。
上述のようなブロック内の画像データは互いに高い相
関性を有しているので、各ブロック内の画像データを、
比較的少数だけ用意したベクトルのうちの1つを用いて
かなり正確に示すことが可能となる。したがって、画像
データの伝送あるいは記録は、実際のデータの代わりに
このベクトルを示す符号を伝送あるいは記録することに
よってなし得るから、データ圧縮が実現されるのであ
る。例えば256レベル(=8bit)の濃度スケールの中間
調画像における64画素についての画像データ量は、8×
64=512bitとなるが、この64画素を1ブロックとして該
ブロック内の各画像データを64要素からなるベクトルで
表わし、このようなベクトルを256通り用意したコード
ブックを作成するものとすれば、1ブロック当りのデー
タ量はベクトル識別のためのデータ量すなわち8bitとな
り、結局データ量を1/64に圧縮可能となる。
以上のようにして画像データを圧縮して記録あるいは
伝送した後、ベクトル識別情報が示すベクトルのベクト
ル要素を各ブロック毎の再構成データとし、この再構成
データを用いれば原画像が再現される。
(発明が解決しようとする課題) 以上述べたベクトル量子化による画像データ圧縮方法
は、例えばTV信号の伝送等において効果を上げている
が、最近では例えば医用放射線画像等、極めて高階調の
画像を前述の光ディスク等に記録するいわゆる電子画像
ファイルが注目されており、このような分野ではさらに
効率的な画像データ圧縮が望まれている。
そこで本発明は、以上述べたベクトル量子化の技術を
利用して、従来よりもさらに圧縮率を高めることができ
る画像データの圧縮装置を提供することを目的とするも
のである。
(課題を解決するための手段及び作用) 本発明による画像データの圧縮装置は、以上述べたベ
クトル量子化に予測符号化を組み合わせてデータ圧縮率
向上を図ったもので、 ベクトルを示す番号を、所定ベクトルに対するコード
ブック内の各ベクトルの歪が大きいほど大あるいは小と
なるように規定しておき、 前述のブロック毎に選択された上記番号の集合データ
を予測符号化するように構成されたことを特徴とするも
のである。
上記予測符号化は、通常はデータ圧縮のために原画像
データに対して適用されているものである。その場合の
予測符号化とは、ある画像データはその近傍の画像デー
タと高い相関性を有するから、各画像データをその近傍
の画像データから予測した際の予測誤差は0(零)近傍
に集中するという特性を利用して、実際の画像データの
代わりに、短い符号長で表わせる予測誤差値を符号化す
ることにより、全体的なデータ量を圧縮しようとするも
のである。
本発明装置では、上述のような予測符号化を原画像デ
ータに対して適用するものではなく、ベクトル量子化で
選択されたベクトルを示す番号のデータに対して適用し
ているが、このベクトル番号を前述したように規定して
おくことにより、データ圧縮を実現できるものとなって
いる。すなわち、前述のようにベクトル番号を規定して
おけば、各ベクトルどうしは、規定しているベクトルの
歪が互いに小さいほど番号が近いものとなる。一方、原
画像データはブロック内において近い画素どうしで高い
相関性を有するが、ブロック単位で考えると、この場合
も互いに近いブロックほど画像データ全体の相関性が高
くなる。したがって各ブロックについて選択されるベク
トルも、互いに近いブロックどうしにおいては相関性が
高くなり、結局はベクトルの番号の相関性が高くなるの
で、このベクトル番号を予測符号化すれば、該番号を示
すために必要な符号長が低減されるようになる。
(実 施 例) 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。
第1図は本発明の一実施例による画像データの圧縮装
置を概略的に示すものである。1枚の連続調画像を示す
原画像データSはまずブロック変換回路10に通され、M
×Nの隣接画素からなる矩形ブロック毎のデータxに変
換される。このブロック分けの様子を分かりやすく第2
図に示す。この第2図においてFが原画像であり、Bが
上記ブロックを示す。なお説明を容易にするため、以
下、上記のブロックBが6×6画素についてのデータか
らなるものとして話を進める。
このブロックB毎の原画像データxは、次にベクトル
量子化器11に入力される。このベクトル量子化器11は、
予めメモリ12にコードブックとして記憶されている複数
のベクトルの中から、入力された各ブロック毎の原画像
データxの組(36個のデータからなる)と最小歪にて対
応するベクトルを選択する。すなわちメモリ12には、以
下に示すようにそれぞれ36のベクトル要素(▲
(n) 1▼,▲(n) 2▼,……▲(n) 36▼)[n=1,2,…
…,256]を規定した一例として256のベクトル
(1),(2),(3)………(256)を各々示
すコードブックが記憶されている。
そしてベクトル量子化器11は原画像データxの組
(x1,x2,x3………x36)とベクトル要素(1,2,
………36)が歪最小にて対応するベクトル(m)を
求め、このベクトル(m)を規定したベクトルの識別
番号mを示す符号化データDmを出力する。上記の歪とし
ては、例えば平均2乗誤差 が用いられる(本例ではk=36である)。このような歪
が最小となるベクトル(m)を見つけるには、例えば
すべてのベクトルに関してこの歪を演算してから歪最小
となるベクトル(m)を求めてもよいし(いわゆる全
探索形ベクトル量子化)、あるいは処理時間短縮化のた
めに(歪が完全に最小とはならない場合があるが)2進
木探索形ベクトル量子化を実行してもよい。
本例においてベクトル(1)以下のベクトル
(2)、(3)……(256)は、ベクトル(1)
と歪が少ない順に並べられている。つまり例えば識別番
号mのベクトル(m)と識別番号(m+1)のベクト
ル(m+1)の歪は、ベクトル(m)と識別番号
(m+2)のベクトル(m+2)の歪より小さいもの
となっている。この歪は、例えば上記の平均2乗誤差等
で規定すればよい。
なお各ベクトル要素1,2,………36)を規定
したベクトルから成る最適のコードブックは、データ圧
縮を行なう画像と同種のトレーニング画像を予め用意し
て、このトレーニング画像に基づいて公知の手法によっ
て求めることができる。
前述のベクトル識別データDmは、本例では256のベク
トルが区別できるものであればよいから、8bitで表わせ
る。したがってこの場合、各画素の濃度スケールが256
レベル=8bit)であれば、8bit×36(画素)の画像デー
タが8bitで表わせることになるから、この段階でのデー
タ圧縮率は1/36となる。
以上述べたベクトルの選択、ベクトル識別データDmの
出力は、原画像データSが示す1枚の画像中のすべての
ブロックBについて行なわれる。このベクトル識別デー
タDmが示すベクトル識別番号の分布状態は、画像1枚に
関して例えば第3図図示のようなものとなる。つまり本
例では6×6=36画素毎に1つのベクトル識別番号が定
められる。そして前述した通り、これらのベクトル識別
番号は、互いに近いブロックBほど高い相関性を持つも
のとなる。
このようなベクトル識別番号を示すデータDmは、第1
図図示のように予測符号化回路13に入力される。このデ
ータDmは予測符号化回路13において、予測符号化処理の
一例としての、前値予測+ハフマン符号化処理を受け
る。ここで、この予測符号化処理を説明するために、第
3図図示のようなベクトル識別番号の集合データを、一
般的に第4図(a)のように示す。予測符号化回路13は
まず、上記データa11,a12,a13,……,a21,a22,a23,……,
a31,a32,a33,……に対して前値予測を行ない、第4図
(b)に示すような予測誤差Δa12,Δa13,……,Δa22,
Δa23,……,Δa32,Δa33,……を求める。なお、各ライ
ンL1,L2,L3,……の先頭のデータはそのままにしてお
く。ここで前値予測とは、ある注目データをその前に位
置するデータ値と同じであると予測し、その予測値(前
に位置するデータ値)と実際の注目データ値との差(予
測誤差)を求めるものであり、例えば Δa12=a12−a11,Δa13=a13−a12,…… Δa22=a22−a21,Δa23=a23−a22,…… とする。
予測符号化回路13はこのようにして予測誤差を求めた
後、各ラインL1,L2,L3,……の先頭の生データa11,a21,a
31,……と、予測誤差Δa12,Δa13,……,Δa22,Δa23,
……,Δa32,Δa33,……とをハフマン符号表に基づいて
符号化し、第4図(c)に示すような圧縮データ
a11′,Δa12′,Δ13′,……を求める。前述した通
り、このような予測符号化を行うことにより、コードブ
ック識別番号を示すデータDmが圧縮される。
このようにして予測符号化されたベクトル識別番号を
示すデータf(m)は、記録再生装置15において例えば
光ディスクや磁気ディスク等の記録媒体(画像ファイ
ル)に記録される。上記の通りこのデータf(m)は、
ベクトル量子化と予測符号化により原画像データSに対
して大幅な圧縮がなされているから、光ディスク等の記
録媒体には、大量の画像が記録されうるようになる。
画像再生に際して上記データf(m)は記録媒体から
読み出され、復号器17において前記ベクトル識別番号を
示すデータDmに復号される。この復号処理は具体的に
は、まず第4図(C)に示す圧縮データを、前記ハフマ
ン符号化処理を行なう際に使用したハフマン符号表を用
いて復号化することにより第4図(b)に示す各ライン
の先頭生データと予測誤差を求め、さらにそれらから上
記前値予測を行なった際の予測式を用いて第4図(a)
に示す伸長データa11,a12,a13,……,a21,a22,a23,……
を、 として求める処理である。復号器17は、こうして復号さ
れたコードブック識別データDm(データa11,a12,a13,…
…,a21,a22,a23,……の集合)を出力する。
画像データを間接的に示す上記ベクトル識別データDm
は、復号器18において再構成データx′に変換される。
すなわち復号器18は、入力されたベクトル識別データDm
が示すベクトルをメモリ12に記憶されているコードブッ
クから読み出し、そのベクトルに規定されているベクト
ル要素(1,2,……36)のそれぞれを、1つの
ブロックBに関する再構成データx′として出力する。
この再構成データx′は、合成回路19に送られ、そこ
でブロックB単位のデータから画像1枚単位のデータに
変換される。この変換を受けた後の画像データS′は、
原画像データSに対しては僅かな歪を有するだけで、ほ
ぼ等しいものとなっており、最終的に画像再生装置20に
送られる。この画像再生装置20においては、上記画像デ
ータS′に基づいて、原画像データSが担持していた原
画像とほぼ同等の画像が再生される。
なお、以上説明した実施例においては、ベクトル
(1)との歪が小さい順に並べたベクトルに対して順次
2、3、4……256なるベクトル識別番号を設定してい
るが、ある所定のベクトルに256なる識別番号を与え
て(256)とし、該ベクトル(256)との歪が小さい
順に並べた各ベクトルに対して順次255、254、253……
3、2、1なるベクトル識別番号を設定するようにして
もよい。また各ベクトルに識別番号を与えて並べる上
で規準となる所定のベクトルは、コードブックに規定さ
れていないベクトルとしても構わない。
さらに、上記の実施例ではベクトル量子化に際して2
次元画像データを、隣接するM×N画素からなる矩形範
囲についてのデータ毎にブロック分けしているが、この
ブロック分けのために抽出する画素範囲の形状は矩形に
限らず、例えば第5および6図に示すような形状として
もよい。これらの図において、マス目1つが1画素を示
し、実線で囲まれた部分がブロック分けのために抽出さ
れる画素範囲を示している。これら第5および6図に示
したように、ブロック分けの範囲が互いに入り組むよう
にすると、矩形範囲の画素を抽出してブロック分けする
場合に比べて、再構成画像においてブロック歪(ブロッ
ク境界部において濃度段差が生じること)が目立ち難く
なるという効果が得られる。
(発明の効果) 以上詳細に説明した通り本発明の画像データの圧縮装
置によれば、従来のベクトル量子化による画像データ圧
縮装置に比べてより一層のデータ圧縮が達成されるの
で、特に高階調の医用画像等を記録する場合には記録媒
体に記録できる画像量が大幅に高められ、また画像の伝
送に適用された場合には、データ伝送路の大幅な縮小や
伝送時間短縮の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例装置の概略構成を示すブロッ
ク図、 第2図は本発明に係る画像データのブロック分けを説明
する説明図、 第3図は本発明に係るベクトル識別データの例を示す概
略図、 第4図は本発明に係るベクトル識別データの予測符号化
を説明する説明図、 第5および6図はそれぞれ、本発明における画像データ
のブロック分けの別の例を示す説明図である。 10……ブロック変換回路、11……ベクトル量子化器 12……メモリ(コードブック) 13……予測符号化回路、15……記録再生装置 17、18……復号器、19……合成回路 20……画像再生装置、B……ブロック Dm……ベクトル識別データ f(m)……予測符号化されたベクトル識別データ x……原画像データ、x′……再構成データ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2次元画像データを相近接するK個の画素
    に関するデータ毎のブロックに分割し、 予めK個のベクトル要素を規定して作成した相異なる複
    数のベクトルからなるコードブックの中で、前記ブロッ
    クの各々内の画像データの組に対し最小歪にて対応する
    ベクトルを選択し、 この選択されたベクトルを示す番号を各ブロックと対応
    させて符号化するベクトル量子化による画像データの圧
    縮装置において、 前記番号を、所定ベクトルに対するコードブック内の各
    ベクトルの歪が大きいほど大あるいは小となるように規
    定しておき、 各ブロック毎に選択された前記番号の集合データを予測
    符号化するように構成されたことを特徴とするベクトル
    量子化による画像データの圧縮装置。
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