JP2548122B2

JP2548122B2 - 符号化装置

Info

Publication number: JP2548122B2
Application number: JP16059985A
Authority: JP
Inventors: 達郎重里
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-07-19
Filing date: 1985-07-19
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPS6221390A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は画像や音声情報をディジタル伝送する際に用
いる符号化装置に関するものである。

従来の技術画像や音声などの情報をディジタル伝送する際に、１
標本当りの伝送するビット数を減少させる符号化法が多
数提案されており、このような符号化方法の例を以下に
示す。

第12図（ａ）は標本値を量子化し、符号化する装置を
示している。この装置に入力される標本値が8bitsで表
される場合、その標本値は０から255までの256通りの値
を取る。そこで第12図（ｂ）のような量子化特性を持つ
量子化器を用いることにより第12図（ａ）の装置の出力
は０から７までの８通りの値に変換され、これにより3b
itsに圧縮される。また標本値が128に近い値を取る確率
が大きい場合には第12図（ｃ）のような量子化特性を持
つ量子化器を用いることによってより低歪で3bitsに圧
縮することが可能となる。

次に画像情報や音声情報の標本値は隣接する標本値に
対して大きな相関を持つという性質を利用して圧縮する
方法の１つとして差分符号化法（以下DPCMと略す）があ
る。これは隣接する標本値の符号語を用いてこれから符
号化する標本値に対する予測値を求め、この予測値と標
本値との差を量子化して符号化する方法である。第13図
（ａ）は最も簡単なDPCMの例である前値予測DPCMのブロ
ック図を示している。第13図（ａ）の１は標本値を入力
する入力部分、２は減算器、３は量子化器・符号化器、
４は復号化器・逆量子化器、５は加算器、６はＤ型フリ
ップフロップ、７は符号語を出力する出力部分を示して
いる。

第13図（ａ）の入力部分１から入力された標本値は、
まずＤ型フリップフロップ６から出力される前の標本値
に対する符号語の復号値（前値予測値）を減算され、こ
れによって得られる差分値は量子化器符号化器３におい
て量子化され符号化されて出力部分７へ出力される。一
方量子化器・符号化器３から出力される符号語は復号化
器・逆量子化器によって差分値に復号され、加算器５に
おいて前値予測値を加算されて標本値に復号され、Ｄ型
フリップフロップ６へ入力される。一般に前値予測値と
の差分値は非常に小さな値となるため、差分値を符号化
して伝送することにより大きな圧縮が可能となる。

発明が解決しようとする問題点まず第12図（ａ）に示す装置に第12図（ｂ）に表すよ
うな量子器を用いた場合、量子化代表値間の幅が大きい
ため、量子化誤差の増大を招いてしまう。一方第12図
（ｂ）に表すような量子化器を用いた場合には、入力さ
れる標本値が128に近い場合は量子化誤差が小さいが、
標本値が128と大きく異なる場合には著しい量子化誤差
の増大を招いてしまう欠点がある。

次に第13図（ａ）に示したDPCMではＤ型フリップフロ
ップ６から得られる前値と入力１から得られる現時点の
標本値との差分を量子化する。ここで元の標本値が０か
らＬ−１までのＬ通りの値を取る場合、２つの標本値の
差分は０−（Ｌ−１）＝−Ｌ＋１から（Ｌ−１）−０＝
Ｌ−１までの合計2L−１通りの値を取り、差分のダイナ
ミックレンジは元の標本値のダイナミックレンジの約２
倍になる。このため、予測値からはなれた部分の量子化
代表値間の幅が非常に大きくなるため、差分が大きい場
合には非常に大きな量子化誤差を発生する。

また第13図（ｂ）にDPCMの復号化器を示す。この復号
化器は第13図（ａ）に示した符号化器の次の前値を生成
する部分と同じである。ところで第13図（ｂ）の装置で
は破線に囲まれた部分が積分器の動作をするため、伝送
路で誤りが生起するとその誤りは積分器によって次々に
フィードバックされて加算されるため、誤り伝搬が発生
する。このため、DPCMは伝送路誤りが無視できない伝送
路においては著しい劣化を招いてしまう。

本発明はかかる点に鑑み、以上のような欠点を改善す
る符号化装置を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段本発明は、画像や音声などの標本値を量子化する際
に、量子化代表値の最も集中する部分を量子化器の中央
値と呼ぶとき、ｎ個の互いに異なる中央値を有する量子
化器を備え、時刻Ｔ以前に符号化された標本値の符号語
から前記時刻Ｔの標本値を予測する予測手段と、前記ｎ
個の量子化器の中から、前記予測値に最も近い中央値を
持つ量子器を選択する量子化器選択手段と、前記量子化
器選択手段によって選択された前記量子化器で前記時刻
Ｔにおける前記標本値を量子化する量子化手段とを備え
たことを特徴とする符号化装置である。

作用本発明は前記したように時刻Ｔ以前に符号化した標本
値の符号語から時刻Ｔにおける標本値を予測して、それ
に適した量子化器を用いて量子化するため、第12図
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような固定された量子化
特性を持つ符号化器を用いた場合に対して量子化誤差が
非常に小さくなる。

また本発明は第13図に示すDPCMのように予測値と時刻
Ｔの標本値との差分を量子化するのではなく、時刻Ｔの
標本値をそのまま量子化するため、量子化しなければな
らないダイナミックレンジはDPCMの約1/2となり量子化
誤差が小さくなる。

更に本発明はDPCMのように差分を符号化して伝送する
のではないため復号化器に積分器を含まない。このた
め、伝送路において誤りが生起した場合においても誤り
はほとんど伝搬しない。

実施例第１図に本発明のブロック図を示す。第１図（ａ）の
８は標本値が入力される入力部分、９は量子化器・符号
化器、10は前値の復号値を記憶しておくＤ型フリップフ
ロップ、11はＤ型フリップフロップの出力によって量子
化器および逆量子化器を切り替える量子化器選択器、12
は復号化器・逆量子化器、13は符号語を出力する出力部
分である。

第１図（ａ）は前値予測を用いた場合における本発明
の説明図である。以後簡単のため本発明の実施例はすべ
て前値予測を用いて説明する。さてＤ型フリップフロッ
プ10に記憶された前値の復号値によって量子化器選択器
11が現時刻の標本値に適した量子化器・逆量子化器を選
択する。

この量子化器選択の様子を示したのが第２図である。
第２図（ａ），（ｂ）のように、前値の位置に量子化特
性の中央値（量子化代表値が最も集中している部分の中
心の量子化値）が存在する量子化器を選択するようにす
る。

次に入力部分８から入力された現時刻の標本値は、量
子化器・符号化器９において選択された量子化器で量子
化され符号化され、出力部分13へ出力される。またこれ
によって得られる符号語は復号化器・逆量子化器12にお
いて選択された復号化器で復号され逆量子化されてＤ型
フリップフロップ10へ出力される。以上の操作により常
に最適な量子化器で量子化することが可能となる。

また第１図（ｂ）は、第１図（ａ）に示した符号化器
に対する復号化器のブロック図である。この復号化器の
動作は符号化器における前値の復号部分と同じであり、
第13図（ｂ）のような積分器を含まない。このため伝送
路における誤りがほとんど伝搬しない。

次に以下に具体的な実施例を説明する。

〔第１実施例〕第３図は１標本値当り8bitsで表される情報を１標本
値当り4bitsに符号化する装置である。第３図の14は8bi
tsの標本値を入力する入力部分、15は量子化器・符号化
器、16はＤ型フリップフロップ、17は復号化器・逆量子
化器、18は圧縮された4bitsの符号語を出力する出力部
分である。

入力部分14から入力される標本値8bitsとＤ型フリッ
プフロップ16の出力である前値の復号値8bitsは量子化
器・符号化器15に入力される。量子化器・符号化器15は
ROM（ROM1）で構成されており、この合計16bitsの入力
で表されるアドレスで指定される部分に、前値の位値に
中央値を持つ量子化器で標本値を量子化して符号化した
結果得られる符号語4bitsを記憶している。そこでROM1
の出力4bitsを出力部分18へ出力すると同時に、復号化
器・逆量子化器17へＤ型フリップフロップ16の出力8bit
sとともに入力される。復号化器・逆量子化器17もROM
（ROM2）で構成されており、この合計12bitsの入力で表
されるアドレスで指定される部分に、前値の位置に中央
値を持つ量子化器と逆特性である逆量子化器で符号語を
逆量子化した結果得られる8bitsを記憶している。ROM2
によって得られた標本値の復号器はＤ型フリップフロッ
プ16へ入力され、次に入力される標本値に対する前値と
なる。

このように本発明は２個のROMと８つのＤ型フリップ
フロップで簡単に装置化できる。またこの実施例の装置
では前値に対して常に最適な量子化器を選択できる。

第４図は本実施例の誤り伝搬特性を示したものであ
る。第４図ではｔ＝２の時刻に伝送路誤りによって170
レベルの大きさの誤りが生起している。この時DPCMはｔ
＝３以後においても誤りが伝搬して大きな劣化を招いて
いるのに対して、本実施例ではｔ＝３以後では誤りの影
響が非常に小さくなっている。このように本実施例は、
伝送路誤りが無視できないような伝送路においても利用
できる。

〔第２実施例〕第２実施例では第１実施例のROMの記憶容量を1/2にす
る装置について述べる。

第１実施例の装置では標本値が8bitsで表されるた
め、その大きさは０から255までの256通りを取る。ここ
で第１実施例の装置において、中央値がｉ（０ｉ12
7）である量子化器と中央値が255−ｉである量子化器の
量子化特性が（０＋255）/2＝127.5に対して対称である
場合は、中央値が255−ｉである量子化器を中央値がｉ
である量子化器で代用できる。これにより、量子化器の
数が1/2になるためROMの記憶容量を1/2にすることがで
きる。

さて、中央値が255−ｉである量子化器を中央値がｉ
である量子化器で代用するためには、前値の大きさが12
7.5を超えた場合には、前値および入力される標本値を1
27.5に対して対称の数に変換しなければならない。ある
数Ｊと127.5に対して対称な点Ｘは次式で表される。

∴Ｘ＝255−Ｊ＝255＋（255Ｊ＋１）（は排他的論理和）＝256＋255Ｊ ≡255Ｊ（∵8bits表現のため）（２）ここで255＝（11111111）_２であるため、ＸはＪの各b
itを反転することにより求められる。

第５図に第２実施例の装置を示す。第５図の19は標本
値を入力する入力部分、20〜24は排他的論理和器、25は
量子化器・符号化器（ROM1）、26はＤ型フリップフロッ
プ、27は復号化器・逆量子化器、28は符号語を出力する
出力部分を示す。

この装置の動作は基本的には第３図の装置と同じであ
る。ただしＤ型フリップフロップ26の出力である前値が
127.5より大きい場合（最上位桁が１の場合）は、排他
的論理和器20および21によって、入力部分19から入力さ
れる標本値とＤ型フリップフロップから出力される前値
の下７桁を反転する。これにより量子化器・符号化器25
には、標本値および前値の127.5について対称な値が入
力される。従って量子化器・符号化器25の出力を排他的
論理和器23で反転することにより正しい符号語が得ら
れ、これを出力部分28に出力する。また復号化器・逆量
子化器27には、排他的論理和器21および24から反転され
た前値および符号語が入力され、これにより127.5に対
して対称な標本値が復号される。この値を排他的論理和
器22で反転することにより元の標本値に対する復号値が
得られ、これをＤ型フリップフロップ26に入力する。

以上がこの装置の動作であるが、第２実施例によって
ROMの記憶容量を（2⁸⁺⁸×４＋2⁸⁺⁴×８）＝288kbitsか
ら（2⁷⁺⁸×４＋2⁷⁺⁴×８）＝144kbitsに減少させること
ができる。

〔第３実施例〕第１実施例および第２実施例では前値（または反転し
た前値）に等しい中央値を持つ量子化値が必ず存在した
が、ここでは量子化器の数が少なく、必ずしも前値と等
しい中央値を持つ量子化器が存在しない例について説明
する。

第６図に本実施例のブロック図を示す。第６図（ａ）
の29は標本値を入力する入力部分、30は加算器、31は量
子化器・符号化器、32は量子化特性中央値発生器、33は
量子化器選択器、34はＤ型フリップフロップ、35および
36は減算器、37は復号化器・逆量子化器、38は符号語を
出力する出力部分を示している。

Ｄ型フリップフロップ34から出力される前値は量子化
器選択器33に入力され、どの量子化器を用いるかが決定
される。次に量子化特性中央値発生器32から出力される
中央値は減算器35において前値を減算される。これによ
り中央値に対する補正値が求められ、この値は加算器30
において入力29から入力される標本値に加算される。こ
の補正後の標本値は量子化器・符号化器31において符号
化され、出力部分38へ出力される。また同時にこれによ
り得られる符号語は復号化器・逆量子化器37で復号さ
れ、減算器36において逆補正されてＤ型フリップフロッ
プ34へ入力される。

この装置を用いることにより、量子化器の数を大幅に
減少させることが可能となる。また第６図（ｂ）は本実
施例の復号化器のブロック図で、この装置の動作は符号
化器の次の前値を求める部分と同じである。

第３実施例の具体的な装置の一例を第７図に示す。第
７図の39は標本値を入力する入力部分、40は加算器、41
は量子化器・符号化器、42はインバーター、43はＤ型フ
リップフロップ、44は復号化器・逆量子化器、45は減算
器、46は符号語を出力する出力部分を示す。

ここでまず前値とそれに対してどの量子化器が選択さ
れるかを第８図に示す。第８図は前値とそれによって選
択される量子化器の中央値を表したもので、第８図より
前値の上４桁によって量子化器が決定できる。また第９
図は前値の下４桁と、そのうちの下３桁を反転した値を
示している。第９図より前値の下４桁のうち下３桁を反
転させた値は、第８図の中央値から前値を減算した結果
（補正値）に等しい。

次に第７図の装置の動作を説明する。まず第７図のＤ
型フリップフロップ43から出力される前値の上４桁は量
子化器・符号化器41および復号化器・逆量子化器44に入
力されて量子化器を決定する。また前値の下４桁のうち
下３桁はインバーター42で反転されて補正値に変換さ
れ、加算器40において、入力部分39から入力される標本
値に加算される。加算器40の出力は量子化器・符号化器
41において量子化され符号化されて出力部分46へ出力さ
れる。これによって得られた符号語は復号化器・逆量子
化器44において復号され、更に減算器45によって補正値
を減算されて標本値に復号されてＤ型フリップフロップ
43に入力される。

第７図の装置のROMの記憶容量は（2⁸⁺⁴×４＋2⁴⁺⁴×８）＝18kbitsであり、第１実施例
の場合に比較してかなり小さく、第２実施例の手法を用
いることにより更に9kbitsに減らせることが可能であ
る。

ところで第７図の装置では加算器40において標本値に
−８〜７の値を持つ補正値を加算するため、その結果加
算器40の出力は−８〜262の値を取る。このため加算器4
0では加算の結果が０未満の場合は０に、256以上の場合
は255に制限する必要がある。

〔第４実施例〕第３実施例では第７図の加算器40で補正後の標本値を
０〜255の値に制限しているが、量子化器の数が少なく
補正値が大きくなるとこの制限による歪が無視できなく
なる。そこで補正後の標本値を制限しない手法について
述べる。

第10図は第４実施例の符号化例を示している。この例
の符号化装置は４種類の量子化器を持ち、その補正値
｛（中央値）−（前値）｝の大きさが−32から31までの
間であるとする。この時補正後の標本値は−32から286
までの値を取るため、第３実施例の量子化器では量子化
できない。そこで本実施例の量子化器では−32から286
までの範囲に対して符号語数（＝16）を超える数の量子
化代表値を定め、第10図に示す量子化特性のように小さ
い順に1,2,…,21とインデックスを付ける。そして量子
化時にそのうちの16個の量子化代表値を前値によって選
択し、それによって量子化し符号化する。

ここで第10図を用いて実際の符号化について説明す
る。

この例は前値が150、標本値が178の場合である。まず
前値150によって量子化器とその中央値159が選択され
る。この時、補正値は159−150＝９となり、標本値178
は178＋９＝187に補正される。この値によって量子化器
は15というインデックスを選ぶ。ところで前値によって
この時用いられる16個のインデックスのうち１番小さい
インデックスが選ばれ、それを最低値と呼ぶ。この場合
最低値は４であるので、符号語としては15から最低値４
を引いた結果の11を用いて出力する。また量子化によっ
て選ばれた16個のインデックス以外のインデックスが選
ばれて符号語が16以上または０未満の値になった場合に
は、それぞれリミッターによって15と０に置き換える。

次に第４実施例の具体的な装置の一例を第11図に示
す。第11図の47は標本値を入力する入力部分、48は加算
器、49は量子化器・符号化器、50は減算器、51はリミッ
ター、52はインバーター、53は最低値発生器、54はＤ形
フリップフロップ、55は減算器、56は復号化器・逆量子
化器、57は加算器、58は符号語を出力する出力部分であ
る。

第11図のＤ型フリップフロップ54から出力される前値
は最低値発生器53へ入力され量子化器の最低値が得られ
る。同時に前値の上位２桁は量子化器・符号化器49およ
び復号化器・逆量子化器56へ入力され量子化器を決定
し、下位６桁は下位５桁をインバーター52で反転して補
正値となり加算器48において入力部分47から入力される
標本値に加算される。補正された標本値は量子化器・符
号化器49において量子化され符号化されて、更に減算器
50で最低値を減算され、リミッター51で０から15までの
符号語に制限されて出力部分58へ出力される。またこの
符号語は加算器57で最低値を加算され、復号化器・逆量
子化器56で復号され、減算器55で補正値を減算されて標
本値に復号され、Ｄ型フリップフロップ54へ入力され
る。

第11図の装置により量子化器の数が少ない場合におい
ても歪の少ない符号化が可能となる。また第２実施例の
手法によりROMの記憶容量を1/2にすることも可能であ
る。

以上４つの実施例を用いて説明したが、本発明はDPCM
に用いられている２次元、３次元予測や適応予測など前
値予測以外のさまざまな予測方法についても適用できる
ことは明らかであり、また任意の符号長の符号に符号化
することが可能である。

発明の効果本発明は過去の符号語から現時点の標本値を予測し、
最適な量子化特性を持つ量子化器を用いて符号化するた
め、固定された量子化特性を持つ符号化器に比較して量
子化誤差が非常に小さくなり、また、高い圧縮率にて符
号化が可能となる。

また本発明はDPCMのように予測値と標本値との差分を
符号化するのではなく、標本値をそのまま符号化するた
め、量子化しなければならないダイナミックレンジはDP
CMの約1/2となり量子化誤差が小さくなる。

同時に本発明の復号化器はDPCMのように積分器を含ま
ないため、誤り伝搬がほとんど無く、伝送路誤りが無視
できない伝送路にも利用できる。

更に本発明は復号化器と符号化器の回路を共用できる
など装置化が容易であり、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブロック図、第２図は本発明の量子化
の説明図、第３図は第１実施例の回路図、第４図は本発
明の誤り伝搬特性線図、第５図は第２実施例の回路図、
第６図は第３実施例のブロック図、第７図は第３実施例
の回路図、第８図は第３実施例の量子化器選択手段を説
明する符号パターン図、第９図は第３実施例の補正手段
の説明図、第10図は第４実施例の量子化の説明図、第11
図は第４実施例の回路図、第12図は従来例の説明図、第
13図はDPCMを説明するブロック図である。９……量子化器・符号化器、10……Ｄ型フリップフロッ
プ、11……量子化器選択器、12……復号化器・逆量子化
器、20……排他的論理和、30……加算器、32……量子化
特性中央値発生器、35……減算器、42……インバータ
ー、51……リミッター、53……最低値発生器。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−183542（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−54518（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−10924（ＪＰ，Ｂ２) 吹抜敬彦「画像のディジタル信号処理」（昭58−７−15）Ｐ．83〜85 電子通信学会誌、Ｖｏｌ．53．Ｎｏ. ３．Ｐ．337

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像や音声などの標本値を量子化する際
に、量子化代表値の最も集中する部分を量子化器の中央
値と呼ぶとき、ｎ個の互いに異なる中央値を有する量子
化器を備え、時刻Ｔ以前に符号化された標本値の符号語から時刻Ｔの
標本値を予測する予測手段と、前記ｎ個の量子化器の中から、前記予測値に最も近い中
央値を持つ量子器を選択する量子化器選択手段と、前記量子化器選択手段によって選択された前記量子化器
で前記時刻Ｔにおける前記標本値を量子化する量子化手
段とを備えたことを特徴とする符号化装置。
【請求項２】量子化手段が予測値と量子化器の中央値と
の差を用いて時刻Ｔと標本値を補正してから量子化する
補正手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の符号化装置。
【請求項３】量子化選択手段が予測値を２進数表示した
場合の上位Ｎ（Ｎ＝log₂n）桁が直接どの量子化器を選
択するかを表すという特徴を有し、また補正手段が前記
予測値の上位Ｎ桁を除いた下位桁によって補正すべき量
が一意的に決定されるという特徴を有した特許請求の範
囲第１項または第２項記載の符号化装置。
【請求項４】量子化手段が、補正された標本値を量子化
する際に、量子化器が符号語数を越える数の量子化代表
値に対応するインデックスを有し、予測値を用いて前記
インデックスの中から符号語数と同じ数の前記インデッ
クスを選択し、前記補正された標本値を量子化すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項何れかに記
載の符号化装置。
【請求項５】標本値の平均値に対して、任意の量子化器
の中央値と点対称となる値を中央値として持つ量子化器
の量子化特性が、前記標本値の平均値に対して点対称の
関係にあるとき、対称な関係にある量子化器の一方の量
子化器をもう一方の量子化器で代用することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項〜第４項何れかに記載の符号化
装置。