JP2582549B2 - 画像デ−タの直交変換符号化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明はデータ圧縮を目的とした画像データの符号化
方法、特に詳細には直交変換を利用した画像データの符
号化方法に関するものである。

（発明の技術的背景および先行技術） 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、画像デ
ータの直交変換を利用するものがよく知られている。こ
の方法は、ディジタルの２次元画像データを適当な標本
数ずつのブロックに分け、このブロック毎に標本値から
なる数値列を直交変換し、この変換により特定の成分に
エネルギーが集中するので、エネルギーの大きな成分は
長い符号長を割当てて符号化し、他方低エネルギーの成
分は短い符号長で粗く符号化することにより、各ブロッ
ク当りの符号数を低減させるものである。各ブロック当
りの符号数を低減させるものである。上記直交変換とし
ては、フーリエ（Fourier）変換、コサイン（Cosine）
変換、アダマール（Hadamard）変換、カルーネン−レー
ベ（Karhunen−Loeve）変換、ハール（Haar）変換等が
よく用いられるが、ここでアダマール変換を例にとって
上記方法をさらに詳しく説明する。まず第２図に示すよ
うに、ディジタルの２次元画像データを所定の１次元方
向に２個ずつ区切って上記ブロックを形成するものとす
る。このブロックにおける２つの標本値ｘ（０）とｘ
（１）とを直交座標系で示すと、前述のようにそれらは
相関性が高いので、第３図に示すようにｘ（１）＝ｘ
（０）なる直線の近傍に多く分布することになる。そこ
でこの直交座標系を第３図示のように45°変換して、新
しいｙ（０）−ｙ（１）座標系を定める。この座標系に
おいてｙ（０）は変換前の原画像データの低周波成分を
示すものとなり、該ｙ（０）は、ｘ（０）、ｘ（１）よ
りもやや大きい値（約√２倍）をとるが、その一方原画
像データの高周波成分を示すｙ（１）はｙ（０）軸に近
い非常に狭い範囲にしか分布しないことになる。そこで
例えば上記ｘ（０）、ｘ（１）の符号化にそれぞれ７ビ
ットの符号長を必要としていたとすると、ｙ（０）につ
いては７ビットあるいは８ビット程度必要となるが、そ
の一方ｙ（１）は例えば４ビット程度の符号長で符号化
できることになり、結局１ブロック当りの符号長が低減
され、画像データ圧縮が実現される。

以上、２つの画像データ毎に１ブロックを構成する２
次の直交変換について説明したが、この次数を上げるに
したがって特定の成分にエネルギーが集中する傾向が強
くなり、ビット数低減の効果を高めることができる。一
般的には、直交関数行列を用いることによって上記の変
換を行なうことができ、極限的には上記直交関数行列と
して対象画像の固有関数を選べば、変換画像はその固有
値行列となり、行列の対角成分のみで元の画像を表現で
きることになる。また上記の例は画像データを１次元方
向のみにまとめてブロック化しているが、このブロック
は２次元方向に亘るいくつかの画像データで構成しても
よく、その場合には１次元直交変換の場合よりもより顕
著なビット数低減効果が得られる。

上述の２次元直交変換で得られた変換データは、各ブ
ロック内で変換に利用された直交関数のシーケンシー
（０を横切る数）順に並べられる。このシーケンシーは
空間周波数と対応が有るので、各変換データは第４図に
示すように縦横方向に周波数順に並ぶことになる。そこ
で低周波成分を担う変換データ（第４図の左上方側のデ
ータ）には比較的長い符号長を割当て（前述の１次元２
次元直交変換においてｙ（０）に長い符号長を割当てた
ことと対応する）、高周波成分を担う変換データ（第４
図の右下方側のデータ）には比較的短い符号長を割当て
るか、あるいは切り捨てる、つまりゼロビットを与える
ことにより、ブロック当りの符号長が低減される。

上述のように高空間周波数に対応する変換データを切
り捨てれば、大幅な画像データ圧縮が達成されるのであ
るが、しかしこのようにデータを切り捨てたことにより
当然高周波域の画像データが欠落することになる。この
ようなデータ欠落があると、符号化データを復号、逆変
換して得た画像データから再生した画像において、擬輪
郭が生じることがある。

このような問題を解消するため従来より、上記復号、
逆変換で得られた画像データに高周波ノイズ成分（高周
波成分に対して、ある分布を持つように発生させたラン
ダムな値を加えたもの）を加えて画像を再生する試みも
なされているが、この方法においては上記ノイズ成分を
適切に決めることが難しく、逆に再生画像の画質を落と
してしまう（ザラザラした感じになる）ことが多い。

（発明の目的） 本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであ
り、高空間周波数に対応する変換データを切り捨てて
も、再生画像において前記擬輪郭を発生させることのな
い、画像データの符号化方法を提供することを目的とす
るものである。

（発明の構成） 本発明の画像データの直交変換符号化方法は、前述の
ようにディジタルの２次元画像データを複数のブロック
に分割し、各ブロック毎の画像データに対して直交変換
をかけて変換データを得、これらの変換データをそれぞ
れ固有の符号長で符号化した後、この符号化データを復
号して上記変換データを得、該変換データに上記直交変
換の逆変換をかけて画像データを再構成するようにし、 そして符号化の際に、先に述べたように高空間周波数
に対応する変換データに符号長０（ゼロ）を与えるよう
にした画像データの直交変換符号化方法において、 上記逆変換を行なう前に、符号長０（ゼロ）に対応す
る変換データに高周波ノイズ成分を加え、 この高周波ノイズ成分として、上記直交変換に利用さ
れた直交関数のシーケンシー毎の、全ブロックに亘る変
換データ特性に応じて特性を定めたものを用いるように
したことを特徴とするものである。

（作用） 以下、上記のような高周波ノイズ成分を加えることに
よる作用について、第８図を参照して説明する。ここで
は説明を簡単にするため、まず１次元方向について考え
る。

画像上のある方向に沿って画素列についてのディジタ
ル画像データが、同図（ａ）に示すようにこの方向（図
では左から右）に沿って、基本的に増大する傾向にある
とする。通常は、このようにところどころに高周波ノイ
ズ成分が入っているので、例えば量子化レベル数が十分
に大きくない場合でも、このような画像データに基づい
て再生された画像においては、画像データの値がステッ
プ状に急激に切り替わる点がはっきりせず、見た目には
スムーズに濃度が変化しているように感じられる。な
お、高周波ノイズ成分によるこのような作用に関して
は、例えば滝保夫、青木昌治、樋渡涓二編、コロナ社刊
（昭和48年発行）「画像光学」の第330〜332頁に詳しい
記載がある。

一方、上記のような画像データに直交変換をかけ、そ
の変換データを符号化する際に高空間周波数に対応する
変換データに符号長０を与えると、第８図（ａ）の高周
波ノイズ成分が破線で示すようにカットされてしまう。
その結果、この変換データを直交変換の逆変換にかけて
得た画像データは、同図（ｂ）に実線で示すようなもの
となる。この画像データは、値がステップ状に急激に切
り替わる点（図中矢印で示す点）か明瞭になっているの
で、このような画像データに基づいて再生された画像に
おいては、濃度がステップ状に急激に変化する部分が生
じることになる。

なお、ディジタル画像データの量子化レベル数が十分
に多ければ、上記逆変換にかけて得た画像データは第８
図（ｂ）の破線のようになり、ステップの変化の量が小
さくなるので濃度変換は目立たなくなるが、データ圧縮
率が下がってしまうため、量子化レベル数はそれほど多
く設定し得ないのが一般的である。

ある画素列に関する画像データとそれに隣接する画素
列に関する画像データは、一般に高い相関度を有するか
ら、上述のように濃度がステップ状に急激に変化する部
分は、上記１次元方向と交わる方向に連なって現われ得
る。そうであると、この濃度変化が連なって現われた部
分が、あたかも何かの輪郭を示すような濃度段差の線と
なって視認されることになる。先に述べた偽輪郭は、こ
のようにして生じるものである。

それに対して、本発明方法におけるように、上記逆変
換を行なう前に符号長０に対応する変換データに高周波
ノイズ成分を加えると、この逆変換で得られる画像デー
タは、同図（ｃ）のようなものとなる。この新たに加え
られた高周波ノイズ成分は、勿論、上述のようにしてカ
ットされてしまった本来の高周波ノイズ成分と全く同じ
ものではないが、画像データの値がステップ状に急激に
切り替わる点を目立たなくする作用は同様に有するもの
であるから、この高周波ノイズ成分が加わった画像デー
タに基づいて再生される画像においては、上述の偽輪郭
の発生が防止され得る。

また、本発明方法におては、本来の高周波ノイズ成分
を示していた符号長０に対応する変換データに高周波ノ
イズ成分を加えるようにいているので、逆変換で得られ
た画像データに一様に高周波ノイズ成分を加える前述の
従来方法とは異なり、再生画像がザラザラした感じにな
ることはない。

（実施態様） 以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明を詳細に
説明する。

第１図は本発明の画像データの直交変換符号化方法を
実施する装置を概略的に示すものである。中間調画像を
示すディジタルの２次元画像データ（原画像データ）ｘ
はまず前処理回路10に通され、雑音除去のための平滑化
等、データ圧縮効率を上げるための前処理を受ける。こ
の前処理を受けた画像データｘは直交変換回路11に通さ
れ、まず２次元直交変換を受ける。この２次元画像変換
は例えば第５図に示すように、上記画像データｘが示す
中間調画像Ｆ内の標本数（画素数）Ｍ×Ｎの矩形ブロッ
クＢ毎に行なわれる。なおこの直交変換としては、例え
ば前述のアダマール変換が用いられる。このアダマール
変換は、その変換マトリクスが＋１と−１のみからなる
ので、他の直交変換に比べればより簡単な変換回路によ
って実行されうる。また周知の通り２次元直交変換は１
次元直交変換に縮退することができる。つまり上記２次
元のブロックＢ内のＭ×Ｎの画素に関する画像データに
対して縦方向に１次元直交変換をかけ、さらに、得られ
たＭ×Ｎの変換データに対して横方向に１次元直交変換
をかけることによって２次元直交変換を行ないうる。な
お縦方向、横方向の変換の順序は逆でもよい。

上記の２次元直交変換によって得られた変換データｙ
は、第４図に示すように各ブロックＢ内で、上記直交変
換の基になった関数（例えばアダマール変換にあっては
Waleh関数、フーリエ変換にあっては三角関数等）のシ
ーケンシー順に縦横方向に並べられる。前述のようにこ
のシーケンシーは空間周波数と対応しているので、変換
データｙは上記ブロックＢ内で、縦横方向に空間周波数
順に（つまり画像のディテール成分の粗密の順に）並べ
られることになる。なおこの第４図では、最上行左端列
の変換データｙ（1,1）がシーケンシー０（ゼロ）に対
応するものであり、周知のようにこの変換データｙ（1,
1）はブロックＢ内の平均画像濃度を示すものとなる。

このように並べられた変換データｙは第１図図示のよ
うに符号化回路12に送られ、符号化される。この符号化
回路12は予め定められた割当てビット配分表を例えばRO
Mに記憶しており、ブロックＢ内の各変換データｙを、
この配分表に従った符号長（ビット数）で符号化する。
上記ビット配分表は例えば第６図に示すように、前記シ
ーケンシー毎に固有のビット数を割当てたものであり、
前述のように変換データｙは低周波成分にエネルギーが
集中しているから、このエネルギーが高い低周波成分に
は比較的長い符号長を与え、一方エネルギーが低い高周
波成分には比較的短い符号長を与えることにより、ブロ
ックＢ当りの必要なビット数が低減され、画像データ圧
縮が達成される。

ここで上記符号化回路12においては、第４図に示すよ
うに、所定空間周波数よりも低周波数側の領域Ｚに変換
データｙのみについて１ビット以上の符号長を与えて符
号化し、それ以外の高周波領域の変換データｙには０ビ
ットを与える。このようにすることにより、所定周波数
を上回る極めて高周波の成分を示す変換データｙ（それ
らは原画像Ｆを表わす上でさほど意味を持たないデータ
である）がすべて切り捨てられ、データ圧縮効果がより
一層高められる。このような操作は、いわゆるゾーンサ
ンプリングと称されているものである。

また符号化回路12は、すべてのブロックＢの０ビット
配分領域（第４図の斜線を付さない領域）から、シーケ
ンシー同一の変換データｙどうしを注出する（第７図
に、その様子を分かりやすく示す）。このデータ抽出
は、上記０ビット配分領域のすべてのシーケンシーにつ
いて行なわれ、抽出された変換データｙは演算回路20に
送られる。この演算回路20は、各シーケンシー毎に抽出
された変換データｙの標準偏差σと平均値ｍが求める。

この演算はすべてのシーケンシーについて行なわれ
る。つまりシーケンシーSn（ｎは自然数）に関しては、
それぞれ標準偏差σｎと平均値mnが求められる。

以上のようにして符号化されたデータは、ブロックＢ
に関する符号化データｆ（ｙ）として符号化回路12から
出力される。この符号化された画像データｆ（ｙ）は第
１図に示すように、記録再生装置13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。前述の通りこの画像データｆ（ｙ）は原画
像データｘ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るよ
うになる。画像再生に際してこの画像データｆ（ｙ）は
記録媒体から読み出され、復号回路14において前記変換
データｙに復号される。この際復号回路14は、前述のよ
うに０ビットが与えられたデータに関しては一律の所定
値を与え、それを変換データｙとする。したがってこれ
らの変換データｙは、原画像のデータをそれぞれ正しく
担持していることにはならず、該変換データｙをそのま
ま後述のように逆変換して画像を再生すれば、先に述べ
たように擬輪郭が生じやすい。

以下、このような不具合の発生を防止する点について
説明する。前記演算回路20で求められた各シーケンシー
毎の標準偏差σと平均値ｍは、第１図図示のように画像
データｆ（ｙ）とともに記録再生装置13に送られ、記録
される。そして画像再生時、これらσとｍの値が記録再
生装置13において読み出され、ノイズ発生回路21に送ら
れる。該ノイズ発生回路21は、上記σとｍの値をそれぞ
れ標準偏差、平均値とする正規ノイズをα倍（例えば0.
5倍）したものを高周波成分に乗せてなる高周波ノイス
Ｒを各シーケンシー毎に発生させ、それらを信号合成回
路22に送る。この信号合成回路22は復号回路14から出力
される復号変換データｙを受け、前記第４図の領域Ｚ内
の変換データｙはそのまま出力するが、それ以外の変換
データｙには上記高周波ノイズＲを加えて出力する。こ
の際、シーケンシーｎの変換データｙには、この際、シ
ーケンシーｎの変換データｙには、該シーケンシーｎの
変換データｙについての標準偏差σｎおよび平均値mnに
基づく高周波ノイズRnが加えられる。

なお上記の正規ノイズは、各シーケンシーｎにおける
変換データｙの標準偏差σｎおよび平均値mnを持つ正規
分布を仮定し、そのような正規分布を有するように発生
させたランダムな値の集合である。

このようにして高周波ノイズＲが加えられた変換デー
タｙ、および該ノイズＲが加えられない変換データｙは
ともに逆変換回路15に送られて、前記２次元直交変換に
対する逆変換を受ける。それにより原画像データｘが復
元され、この原画像データｘが画像再生装置16に送ら
れ、該データｘが担持する画像が再生される。ここで本
方法においては、０ビット割当てにより本来一律化され
てしまうところの変換データｙに高周波ノイズＲを加え
たことにより、原画像データｘから再生される画像に前
述の擬輪郭が生じることが防止される。しかも本実施態
様においては、復号された変換データｙに加える高周波
ノイズＲを、符号化前の変換データｙの特性に基づいて
定めるようにしているので、該ノイズＲを適切な値に設
定することができ、再生画像の画質が前述のようにザラ
ザラした感じになることを防止できる。

なお高周波ノイズＲは、上記のように変換データｙの
標準偏差σおよび平均値ｍに基づいて生成する他、変換
データｙのその他の特性値に基づいて定めてもよい。ま
た、以上２次元直交変換に適用された実施態様を説明し
たが、本発明方法は１次元直交変換を行う場合にも同様
に適用可能である。

（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直交変
換符号化方法においては、変換データに直交変換の逆変
換をかける前に、符号長０（ゼロ）に対応する変換デー
タに高周波ノイズ成分を加えるようにしたので、再生画
像に偽輪郭が生じることを防止できる。すなわち、従来
は、画像の高周波成分を担うような変換データは、０ビ
ット割当てのために一律化され（つまり高周波成分がカ
ットされ）たままになり、そのたえに偽輪郭が生じてい
たものであるが、本発明方法ではそれらの変換データに
疑似的なデータ成分として高周波ノイズ成分を加え、そ
してこの高周波ノイズ成分として、直交変換に利用され
た直交関数のシーケンシー毎の、全ブロックに亘る変換
データ特性に応じて特性を定めたものを用いることによ
り、このような変換データの一律化が回避され、偽輪郭
の発生が防止される。

なお、人間の目の特性には、フラットに近い（低周波
の）画像濃度変化に敏感な一方、変化の多い（高周波
の）画像濃度変化には鈍感なところがあるので、画像の
高周波成分を担う上記のような変換データに疑似的な高
周波ノイズ成分を加えても、それによる濃度変化は視認
され難い。

このように本発明方法によれば、高周波数領域の変換
データを切り捨てても、再生画像における擬輪郭の発生
を効果的に防止できるので、再生画像の画質を高め保っ
た上で画像データ圧縮率を大いに高めることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施態様方法を実施する装置の概略
構成を示すブロック図、 第２図および第３図は本発明に係る直交変換を説明する
説明図、 第４、５、６および７図は本発明方法を説明する説明
図、 第８図は本発明方法の作用効果を説明する説明図であ
る。 11…直交変換回路、12…符号化回路 20…演算回路、21…ノイズ発生回路 22…信号合成回路、Ｒ…高周波ノイズ ｘ…原画像データ、ｙ…変換データ ｆ（ｙ）…符号化された画像データ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディジタルの２次元画像データを複数のブ
   ロックに分割し、各ブロック毎の画像データに対して直
   交変換をかけて変換データを得、これらの変換データを
   それぞれ固有の符号長で符号化した後、この符号化デー
   タを復号して前記変換データを得、該変換データに前記
   直交変換の逆変換をかけて前記画像データを再構成する
   ようにした画像データの直交変換符号化方法において、 前記符号化の際に、高空間周波数に対応する変換データ
   には符号長０（ゼロ）を与え、 前記逆変換を行なう前に、前記符号長０（ゼロ）に対応
   する変換データに高周波ノイズ成分を加え、 この高周波ノイズ成分として、前記直交変換に利用され
   た直交関数のシーケンシー毎の、全ブロックに亘る変換
   データ特性に応じて特性を定めたものを用いることを特
   徴とする画像データの直交変換符号化方法。