JP2599375B2

JP2599375B2 - ベクトル量子化方法

Info

Publication number: JP2599375B2
Application number: JP61302832A
Authority: JP
Inventors: 修川井; 真喜子田之上; 喜一松田; 俊隆津田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-12-20
Filing date: 1986-12-20
Publication date: 1997-04-09
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: JPS63156479A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕入力ベクトルをパターン化し、これに近似する再生ベ
クトルのパターンをトリーサーチ部を用いてサーチし、
入力ベクトルとこれと比較する再生ベクトルとの間の歪
測度が所定値以下になった時に、サーチが最終ステップ
まで達していなくても、その再生ベクトルパターンのコ
ードを入力ベクトルの近似パターンのコードとして出力
してベクトル量子化を行うものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、画像信号等を高能率で符号化するベクトル
量子化方法に関し、特に、トリーサーチ型のベクトル量
子化方法に関するものである。

〔従来の技術〕

ベクトル量子化方法には大別してフルサーチ型とトリ
ーサーチ型とが知られている。フルサーチ型は入力ベク
トルに対してＮ個の再生ベクトルの全てについて歪測度
を求め、その歪測度が最小となる再生ベクトルを検出
し、その再生ベクトルのコードをベクトル量子化出力と
するものである。

これに対して、トリーサーチ型のベクトル量子化方法
は、例えば、２本木を用いた場合に、Ｎ個の再生ベクト
ルをまず２分割してそれぞれの代表の２つのベクトルに
対する入力ベクトルの歪測度を求め、歪測度の小さい方
の再生ベクトル群を更に２分割して、それぞれの代表の
２つのベクトルについて入力ベクトルとの歪測度を更に
求めるというように、歪測度の小さい方の再生ベクトル
群を２分割することを繰り返し、最終段の２つの再生ベ
クトルの歪測度の小さい方の再生ベクトルを入力ベクト
ルの検出コードとするものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ベクトル量子化に要する時間の大部分は、歪測度を求
める演算時間に占められるものであり、前記フルサーチ
型のベクトル量子化方法では、例えば再生ベクトル総数
がＮ個の場合に、Ｎ個全ての再生ベクトルについて入力
ベクトルとの歪測度をＮ回の演算により求める。このた
め、再生歪を小さくするために再生ベクトル数を増せば
増すほど演算処理時間が長くなり、入力ベクトルに適合
する再生ベクトルを検出するまでに時間がかかるという
欠点がある。

これに対して、２分木のトリーサーチ型の方は、例え
ば再生ベクトル総数がＮ個の場合は、2xlog₂N回の演算
回数で済むことになる。従って、フルサーチ型に対して
トリーサーチ型は、高速処理が可能になる。

しかしながら、従来のトリーサーチ型のベクトル量子
化方法では、入力ベクトルに適合する再生ベクトルをト
リーの最終段に決定していた（予めサーチする深さが決
まっていた）ので、比較的変化の緩やかな入力ベクトル
に対しては歪が小さく符号化できるが、変化の大きい入
力ベクトルでは歪が大きくなり、画面の部分（比較する
ブロック毎）に歪の大きさが異なり、特に歪の大きなと
ころが目につくという問題点があった。また、サーチの
途中に入力ベクトルとの歪測度が小さい再生ベクトルが
存在しても、サーチが最終段まで行われるために、演算
時間がかかると共に、歪がかえって増大する可能性もあ
った。

本発明の目的は前記従来のトリー型のベクトル量子化
方法の有する問題点を解消し、入力ベクトルのパターン
の変化の大小に係わらず、再生画面のいかなる部分にお
いても極端に歪の大きい部分や歪の小さい部分がなく、
歪が平均的にほぼ等しく分布していると共に、ベクトル
量子化に要する時間も従来より短くて済む優れたベクト
ル量子化方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的を達成するための本発明の方法が第１図に示
される。

本発明では、符号１で示すように、ｍ分木してトリー
状に配列された複数個の再生ベクトルを、各ステップ毎
にｍ個ずつサーチし、これらを入力ベクトルと比較して
各歪測度を演算し、符号２で示すように、そのうちの歪
測度が最小のものを決定し、このサーチを最終群まで繰
り返して、入力ベクトルに最も近い再生ベクトルのコー
ドを入力ベクトルの検出コードとするリーサーチ型ベク
トル量子化方法において、符号３で示すように、入力ベ
クトルと再生ベクトルとの間の歪測度のしきい値を予め
設定しておいて歪測度がこのしきい値よりも小さくなっ
たか否かを検出し、符号４で示すように、歪速度がしき
い値よりも大きい時はサーチを継続し、符号５で示すよ
うに、歪速度がしきい値よりも小さくなった段階でサー
チを終了し、符号６で示すように、歪測度がしきい値よ
りも小さい再生ベクトルのコードを入力ベクトルの検出
コードとして出力し、再生ベクトルのサーチ開始群のコ
ードには短い符号語を割り当て、最終サーチ群に近づく
につれて長い符号語を割り当てて可変長符号化して送信
することを特徴としている。

〔作用〕

ｍ本木のトリーサーチ型ベクトル量子化では、入力ベ
クトルは各段毎に所定個に群分けされた再生ベクトル群
の代表パターンの内のｍ個と各段毎に比較され、ｍ個の
歪量が演算される。そして、このｍ個の歪量の内の最小
の歪量のものと予め設定された歪量とが比較され、最小
の歪量のものが予め設定された歪量よりも小さくなった
時点、あるいは、サーチがトリーの最終段まで達した時
にサーチが終了し、サーチ終了時の最小の歪量のパター
ンが入力ベクトルのパターンとして検出される。

〔実施例〕

以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第２図は本発明の方法を実施するためのハードウェア
の構成を示すものである。11はレジスタ、12はコードテ
ーブル、13はアドレス信号発生用のカウンタ、14,15は
減算器、16,17は絶対値又は自乗値を出力する変換部、1
8,19は累算器、20は比較回路、21はラッチ回路、22は各
部を制御する制御部、23は比較回路に歪測度のしきい値
を与えるしきい値設定回路である。コードテーブル12は
トリーサーチ用に形成された再生ベクトルと、その再生
ベクトル対応の検出コードとを格納した読み出し専用メ
モリ（ROM）等によって構成され、クロック信号（図示
せず）をカウントするカウンタ13からアドレス信号が加
えられて、例えば、バイナリ・トリーサーチ（２本木探
索）用の再生ベクトルYn₁,Yn₂が読み出される。

第１の演算ステップでは、Ｋ次元の入力ベクトルXn＝
（x₁,x₂,x₃,…x_K）がレジスタ11を介して減算器14,15に
加えられ、カウンタ13の出力のアドレス信号によってコ
ードテーブル12から前述の再生ベクトルYn₁＝（y₁₁,
y₁₂,y₁₃…y_1K）、およびYn₂＝（y₂₁,y₂₂,y₂₃…y_2K）が
読み出されて減算器14,15に加えられ、入力ベクトルXn
との減算（x_j−y_ij）が行われ、減算出力は変換部16,17
に加えられて、絶対値あるいは自乗値が出力される。変
換部16,17の出力は累算器18,19により累算され、その累
算出力は歪測度となる。

自乗歪測度Ｄ（X,Y）は、で表されるから、この自乗歪測度を用いる場合は、変換
部16,17は自乗値を出力する乗算回路によって構成され
る。

累積器18,19からの歪測度は比較回路20に加えられ、
まず大小比較回路20aにて累積器18,19からの歪測度のう
ちのどちらが歪測度が小さいかが比較される。そして、
次にしきい値比較回路20bにて歪測度の小さい方が、予
めしきい値設定回路23によって設定されたしきい値Drよ
りも大きいか小さいかが判定される。

ここで、歪測度がしきい値Drよりも大きい場合につい
て説明すると、この場合は、その歪測度の小さい方の再
生ベクトルのインデックスがラッチ回路21にラッチされ
る。このラッチ回路21の出力は、２本木の選択出力を表
すことになり、コードテーブル12に加えられ、次の演算
ステップの再生ベクトルがコードテーブル12から読み出
されることになる。この再生ベクトルとレジスタ11にセ
ットされた入力ベクトルXnとが再び減算器14,15に加え
られ、前記同様に入力ベクトルXnと再生ベクトルとの減
算が行われた後に、それぞれの歪測度が求められて、こ
の歪測度が再び前記しきい値Drと比較される。そして、
歪測度が前記しきい値Drよりも大きい場合に、歪測度の
小さい方の再生ベクトルのインデックスがラッチ回路に
ラッチされる。

このような演算ステップを最終ステップに至るまで繰
り返して、最終演算ステップによるラッチ回路21からの
ラッチ出力によってコードテーブル12から検出コードが
得られ、この検出コードが入力ベクトルXnの量子化出力
としてコードテーブル12から出力される。

一方、比較回路20にて歪測度がしきい値Drよりも小さ
くなった場合は、この歪速度が再生ベクトルのインデッ
クスとしてラッチ回路21にラッチされ、最終演算ステッ
プではなくこの演算ステップにおけるラッチ回路21から
のラッチ出力によってコードテーブル12から得られる検
出コードが入力ベクトルXnの量子化出力としてコードテ
ーブル12から出力される。

また、本発明のトリーサーチ型ベクトル量子化方法に
おいては、第１の演算ステップにおいて得られたラッチ
回路21からのラッチ出力によってコードテーブル12から
得られる検出コードには短い符号語を割り当て、第２の
演算ステップにおいて得られたラッチ回路21からのラッ
チ出力によってコードテーブル12から得られる検出コー
ドにはそれより長い符号語を割り当てるというように、
演算ステップが最終演算ステップに近づくほど、ラッチ
回路21からのラッチ出力によってコードテーブル12から
得られる検出コードには長い符号語を割り当てるように
することができる。なお、この場合、可変長符号語は一
意に複合が可能でなければならない。また、実際には最
終演算ステップの段数は十分に大きいことが望ましい。

第３図は本発明のベクトル量子化方法を図式化したも
のであり、この図には２分木のツリーサーチが示されて
いる。例えば、入力ベクトルを４×４個の画素のブロッ
クにし、一方、再生ベクトルに色々なパターンの４×４
個の画素のブロックを最終演算ステップにおいて1024
（＝2¹⁰）個用意しておけば、第Ｎ演算ステップにはS^N
個の異なるブロックが存在することになる。

この場合、入力ベクトルのブロックは第１の演算ステ
ップにおいてノードA1とノードA2に属する２つの再生ベ
クトルのブロックと比較され、パターンが似ている（前
述の歪測度が小さい）方のブロックが第１の演算ステッ
プにおいて選ばれる。これがノードA1に属するブロック
であるとすると、このブロックは入力ベクトルとの近似
度が基準値（前述の歪測度のしきい値）よりも大きいが
小さいかが判定され、小さい場合には入力ベクトルのブ
ロックは第２の演算ステップにおいてノードA1の下位に
あるノードB1とノードB2に属する２つのブロックと比較
される。ノードB1に属するブロックの方が入力ベクトル
とパターンが似ているとすると、このブロックは入力ベ
クトルとの近似度が基準値よりも大きいが小さいかが判
定され、近似度が小さい場合に、第３の演算ステップに
おいて入力ベクトルのブロックはさらに下位のノードC1
とノードC2に属する２つのブロックと比較される。

以上のように入力ベクトルは各演算ステップのノード
に属する再生ベクトルのうちの２つと常に比較され、近
似度が小さい場合は次の演算ステップに進んで同様の処
理を行い、最終演算ステップにおける２つのノードJmと
ノードJm＋１に属するブロックのうちの近似度の大きい
方のブロックが入力ベクトルのブロックに対応するブロ
ックとして選ばれ、その途中の演算ステップにおいて、
入力ベクトルのブロックの近似度が所定値以上になった
場合にはそのブロックが入力ベクトルのブロックに対応
するブロックとして選ばれることになる。

このトリーにおける再生ベクトルの総ブロック数（総
ノード数）は２＋2²＋…＋2¹⁰個であり、入力ベクトル
のブロックに最も近いブロックを検索するには多くとも
２×10回の演算で済むことになる。即ち、最終演算ステ
ップにノードが1024個あれば10ビットでそれを表すこと
ができ、16画素を10ビットで、つまり１画素１ビット以
下でも符号化を行えることになる。

しかも、演算ステップが上位のものほどそこのノード
に属するブロックに対応する符号語を短くしておけば、
入力ベクトルのブロックに最も近いブロックが上位の演
算ステップでサーチされた場合にはその符号語の伝送情
報量が少なくなり、伝送コストが低下する。

なお、本発明の方法は、画像をそのまま符号化して伝
送する方法（第４図）や、前の画像と今回の画像とのフ
レーム差だけを符号化しておくる予測誤差信号伝送方法
（第５図）のどちらの方法にも適用できるものである。
なお、第５図における復号器と可変長符号には、第２図
の再生ベクトルからの出力である量子化信号が入力され
る。また、しきい値である歪測度を制御することによ
り、発生情報量を制御することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、トリーサーチ型ベク
トル量子化方法において、入力ベクトルと、これと比較
する再生ベクトルとの間の歪測度にしきい値を設け、入
力ベクトルと再生ベクトルとの歪測度値がこのしきい値
以下になったところで、サーチを終了し、歪測度がしき
い値以下になった再生ベクトルのコードを検出コードと
したことにより、再生画面上に極端に歪の大きい部分
や小さい部分が発生せず、画面上のいかなる部分も平均
的に歪がほぼ等しくなり、視覚的に見やすい画面を提供
することができる、早い段階で入力ベクトルに近似す
る再生ベクトルを見つけることができるので、サーチ時
間が短縮できる、という効果がある。

また、入力ベクトルと再生ベクトルとの比較を行う演
算ステップの、上位のステップのものほどそのステップ
のノードに属する再生ベクトルの符号語を短くすること
により、伝送情報量が少なくなって伝送コストが下がる
という効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を説明するための原理ブロック
図、第２図は本発明の方法を実現するためのハードウェ
アの構成の一例を示す構成図、第３図は本発明の方法の
２本木ツリーの構成を示す図、第４図は画像をそのまま
符号化して伝送する方法に本発明を適用した図、第５図
は前の画像と今回の画像とのフレーム差だけを符号化し
ておくる予測誤差信号伝送方法に本発明を適用した例で
ある。 11……レジスタ、12……コードテーブル、 13……カウンタ、14,15……減算器、 16,17……変換部、18,19……累算器、 20……比較回路、21……ラッチ回路、 22……制御部、23……しきい値設定回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田喜一川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者津田俊隆川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭61−201522（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−130926（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−262378（ＪＰ，Ａ) 古井貞▲ひろ▼「ディジタル音声処理」（1985−９−25）東海大学出版会, Ｐ125〜129

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｍ分木してトリー状に配列された複数個の
再生ベクトルを、各ステップ毎にｍ個ずつサーチし、こ
れらを入力ベクトルと比較して各歪測度を演算し
（１）、そのうちの歪測度が最小のものを決定し
（２）、このサーチを最終群まで繰り返して、入力ベク
トルに最も近い再生ベクトルのコードを入力ベクトルの
検出コードとするトリーサーチ型ベクトル量子化方法に
おいて、入力ベクトルと再生ベクトルとの間の歪測度のしきい値
を予め設定しておき、前記歪測度がこのしきい値よりも小さくなったか否かを
検出し（３）、歪測度が前記しきい値よりも大きい時はサーチを継続し
（４）、歪測度が前記しきい値よりも小さくなった段階でサーチ
を終了し（５）、歪測度が前記しきい値よりも小さい再生ベクトルのコー
ドを入力ベクトルの検出コードとして出力し（６）、前記再生ベクトルのサーチ開始群のコードには短い符号
語を割り当て、最終サーチ群に近づくにつれて長い符号
語を割り当てて可変長符号化して送信することを特徴と
するベクトル量子化方法。