JP2823770B2 - マルチレベル信号の符号化方法 - Google Patents

マルチレベル信号の符号化方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多値信号の効率的ディ
ジタル符号化に関し、特に、低ビット速度における高品
質音声、ビデオおよびその他の信号のディジタル符号化
に関する。ただし、本発明の説明は、ビデオ信号のよう
な画像の符号化の実施例について行う。
【０００２】
【従来の技術】高品質、低ビット速度ビデオ符号化は、
現在および将来のネットワークによる電子会議や、ＩＳ
ＤＮのようなアプリケーションに必要である。静止画像
圧縮のための非常に効率的な符号器の１つ（米国特許出
願第０７／３５０，４３５号（発明者：Ｊ．Ｄ．ジョン
ストン、Ｒ．Ｊ．サフラネク、出願日：１９８９年５月
４日）、および、Ｒ．Ｊ．サフラネク、Ｊ．Ｄ．ジョン
ストン、「依存性量子化およびポスト量子化による知覚
的に同調されたサブバンド画像符号器」、Ｐｒｏｃ．Ｉ
ＣＡＳＳＰ（１９８９年）に記載）は、符号化方式に統
計的基準とともに知覚的基準を取り入れている。しか
し、低ビット速度（例えば、３８４ｋｂｐｓ以下）にお
ける高品質完全運動ビデオ符号化は困難な問題のままで
ある。
【０００３】サブバンドディジタル符号化技術は周知で
ある。（例えば、Ｎ．Ｓ．ジェイヤント、Ｐ．ノル著
「波形のディジタル符号化：その原理と音声およびビデ
オへの応用」、プレンティス・ホール（１９８４年）参
照。）
【０００４】サブバンド符号化技術は、画像符号化に使
用されている。これは、Ｇ．カールソン、Ｍ．ヴェタリ
「ビデオの３次元サブバンド符号化」Ｐｒｏｃ．ＩＥＥ
ＥＩＣＡＳＳＰ（１９８８年）１１００〜１１０３ペー
ジに記載されている。これに記載されている技術は、い
わゆる直交ミラーフィルタを使用して時空間サブバンド
を生成するために多次元フィルタリングを使用する。直
交ミラーフィルタは、例えば、Ｊ．Ｄ．ジョンストン
「直交ミラーフィルタバンドで使用するために設計され
たフィルタ群」Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＩＣＡＳＳＰ（１
９８０年）、および前掲のジェイヤントとノルの本の第
１１章に記載されている。
【０００５】画像を符号化するもう１つの技術が、Ｄ．
チェン、Ａ．Ｃ．ボヴィク「単純な画像パターンを使用
する高速画像符号化」ＳＰＩＥ、第１１９９巻、ヴィジ
ュアル・コミュニケーションズ・アンド・イメージ・プ
ロセシングＩＶ（１９８９年）第１４６２〜１４７１ペ
ージ、に記載されている。チェンとボヴィクの論文に記
載された技術は、少数の局所パターンをサブ画像として
使用し、これらのパターンの選択が、生物学的な視覚系
の測定された性質および可視化幾何モデルに基づく。画
像を表現するためのパターン（サブ画像）の選択は、最
小平均２乗誤差計量のような一般的な誤差基準には基づ
かない。
【０００６】必要なビット速度を縮小するために使用さ
れる一般に有用な符号化技術は、ベクトル量子化として
知られている。（例えば、ジェイヤントとノルの前掲書
第９章、および、Ａ．ガーショ「ベクトル量子化の構造
について」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏ．Ｔｈｅｏ
ｒｙ、ＩＴ−２８巻、第１５７〜１６５ページ（１９８
２年３月）参照。）このような技術は、符号化される入
力シーケンスを、順序リストすなわちコードブックに格
納された「ベクトル」と比較する。（いくつかの所定の
基準に従って）最適な一致がコードブック内に有った場
合、そのベクトルの添字が入力シーケンスを表すために
選択される。一般に、コードブックを生成し、それを常
に更新するために、トレーニング動作が使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】効率的な低速符号器
は、画像シーケンスのうち知覚的に非重要な成分ととも
に、時間的および空間的相関による冗長性を除去すべき
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、音響、ビデ
オ、地球物理およびその他の信号を含むさまざまな信号
のための低ビット速度符号化を提供することによって、
ベクトル量子化技術の一般的なクラスを拡張し単純化す
る。本発明の重要な効果は、重要なアプリケーションに
対してベクトルコードブックを生成し保守するためのト
レーニングが不要であることである。
【０００９】本発明によれば、コードブックは幾何学的
パターンのセットとして選択される。各パターンは、ア
プリケーションに応じて、複数の要素を有する。入力信
号のサブセットの重要度が所定のしきい値以下になる場
合に基準すなわち「ヌル」ベクトルの使用が選択される
ようにするしきい値技術が有用である。符号ベクトルお
よび付随する絶対値情報を表現するために周知のハフマ
ン符号化技術を使用すると便利である。この場合、頻繁
に生じるベクトルは短い符号シーケンスによって表現さ
れる。こうして、可変解像度符号化が実現され、入力シ
ーケンスを表現するのに要するビット数は、特に入力が
重要部分において「疎」である場合に大幅に縮小され
る。このような疎入力の例は、背景が画像の大部分にわ
たってほぼ一定であるような画像情報である。
【００１０】さらに、本発明は、高速コードブック検索
技術を提供する。これは、完全コードブック検索で実行
するのに要するよりも非常に少ない計算で最適な（最小
２乗誤差の意味で）コードブックベクトルを識別する。
【００１１】本発明は、３次元サブバンド方式を使用す
る低ビット速度ビデオ符号化の新しいシステムおよび方
法に関して詳細に説明する。例えば、画像シーケンス
は、Ｊ．Ｄ．ジョンストン「直交ミラーフィルタバンド
で使用するために設計されたフィルタ群」プロシーディ
ングズＩＥＥＥ ＩＣＡＳＳＰ（１９８０年）に記載さ
れるような型の１０タップ１次元直交ミラーフィルタ
（ｑｍｆ）を使用して、異なる時空間周波数バンドに分
離される。最低時空間周波数成分を含むサブバンドは、
高品質で符号化される（一般的に、標準ＡＤＰＣＭ符号
を使用する）が、非優性サブバンドは、本発明の１つの
目的による新たな構造化コードブックを含む低ビット速
度ベクトル量子化（ＶＱ）を使用して量子化される。
【００１２】本発明によれば、知覚的に非重要なサブバ
ンド（一般的に、高い時空間周波数成分からなる）は、
符号化されないという効果がある。
【００１３】他の非優性サブバンドは、比較的低エネル
ギー内容を有するが、知覚的に重要なデータをエッジ情
報およびその他の高周波詳細の形で含む高周波サブバン
ドである。この情報は、各サブバンド内に非常に構造化
された形で現れ、各サブバンドは、その時空間周波数位
置に関してそれに付随する構造を有する。これらのサブ
バンドは、本発明のベクトル量子化技術を使用して、優
性低周波サブバンドよりもずっと低いビット速度で符号
化される。
【００１４】
【実施例】図１および２は、引用したジェイヤントとノ
ルの本の図１１．１に全体的に基づいており、それぞ
れ、本発明の使用法を説明する画像符号器および復号器
の全体構成を示す。
【００１５】同じくジェイヤントとノルの本で一般的に
扱われているのがいわゆる直交ミラーフィルタバンク技
術である。この技術は、本発明での使用にいくつかの点
で適している。すなわち、ジェイヤントとノルは、図１
１．６で、サンプルの入力シーケンスを２つの等しい幅
のサブバンドに分割するために使用される直交「ミラ
ー」フィルタリングのためのシステムを示している。
（また、Ｙ．リンデ、Ａ．ブゾ、Ｒ．Ｍ．グレイ「ベク
トル量子化器設計のアルゴリズム」ＩＥＥＥトランザク
ションズ・オン・コミュニケーションズ、ＣＯＭ−２８
巻、第８４〜９５ページ（１９８０年１月）参照。）
【００１６】図１に、本発明の幾何学的ベクトル量子化
器を効果的に使用する画像符号器を示す。対応して、図
２に、本発明の同じ技術に基づく画像復号器を示す。こ
れらのシステム要素のそれぞれについて個別に説明す
る。
【００１７】図１に、グラフィック画像の表示（例え
ば、ビデオ画像１００−ｉの順次フレーム）を示す。本
実施例の画像符号化アプリケーションで使用されるサブ
バンドフィルタリングは効果的に１０個のタップを使用
するため、入力信号の１０個の連続するフレームを格納
するのが便利である。特殊な例としては、各フレームは
２８８×３６０ピクセルを含む。今の目的では、画像
は、２５６個までの可能な強度レベルを有するマルチレ
ベル画像であるとみなされる。もちろん、本発明の技術
を使用した符号化でカラー画像も可能であるが、そのよ
うな応用の説明はここではしない。
【００１８】ビデオ情報の連続フレームが図１のサブバ
ンド分析ブロック１１０（図３に関して詳細に後述）に
送られる。そこで、時空間成分が発生され、エネルギー
測定ブロック１２０に送られる。前述のように、画像は
１１個の時空間サブバンドに分割される。これらの各バ
ンドのエネルギーが、図３の説明で詳細に示すように、
個別に決定される。
【００１９】本発明の典型的実施例では、例として使用
されるサブバンド構成は、図３のように１１個の時空間
周波数バンドからなる。サブバンドフィルタの特定の選
択を除いては、これは、Ｇ．カールソン、Ｍ．ヴィタリ
「ビデオの３次元サブバンド符号化」Ｐｒｏｃ．ＩＣＡ
ＳＳＰ（１９８８年）で使用されたのと同一の基本構造
である。ＨＰおよびＬＰという記号はそれぞれ高域通過
フィルタリングおよび低域通過フィルタリングを表し、
添字ｔ、ｈ、およびｖはそれぞれ時間、水平および垂直
フィルタリングを表す。エネルギーが、経験的に導出さ
れたしきい値以下になるサブバンドは、再構成画像シー
ケンスに重大な劣化を引き起こすことなく廃棄される。
残りのサブバンドは、これから詳細に説明するように、
予測符号器および最適スカラー量子化器を使用して符号
化される。
【００２０】多くのアプリケーション（例えば今考えて
いる画像符号化アプリケーション）は、無視し得る成分
を有する信号成分を含むことがあるため、図１のブロッ
ク１２０に示すように、各成分にエネルギーしきい値テ
ストを適用するのが有用である。図１のシステムの場
合、各時空間サブバンドのエネルギー出力は、所定のし
きい値と比較される。今考えている例におけるエネルギ
ーを計算するには次式が便利である。
【数１】 ただし、ｘk,i,jは第ｉ行第ｊ列におけるサブバンドｋ
の強度である。サブバンドのエネルギーがしきい値以下
である場合、そのサブバンドの符号化は現在のフレーム
に対しては実行されない。
【００２１】しきい値レベルは各サブバンドに対して異
なり得るが、多くの場合、すべての（またはほとんどす
べての）サブバンドで使用するのに固定しきい値を選択
するのは便利である。すなわち、例えば、マルチレベル
信号（図１の画像符号化システムにおけるピクセル）の
強度値の範囲が（−１２８，１２８）である場合、有用
なしきい値として、全成分（サブバンド）に対して２０
が選択される。
【００２２】最低時空間サブバンドは画像の基本画像構
造の多くを含むため、そのサブバンドのエネルギーレベ
ルは一般にしきい値を十分超過する。実際、今考えてい
るアプリケーションでは、この最低時空間サイドバンド
を、図１の高品質ＤＰＣＭ符号器１７０を使用して符号
化するのがよい。このような符号器は前掲のジェイヤン
トとノルの本の第６章にかなり詳細に記載されているの
で、１つの点を除いて、ここでは詳述しない。
【００２３】図１のシステムで使用されるフィルタリン
グは空間分布および時間分布の両方に関するため、純空
間的予測器または時空間予測器のいずれかに切替可能な
予測器を有する、その他の点では標準的なＤＰＣＭ符号
器が便利である。特に、本実施例の予測符号化方式は、
３次元切替予測器を使用する。この方式では、各サブバ
ンドに対して、現データ点ｘi,j,tを次式によって予測
する。
【００２４】
【数２】 ただし、
【数３】 および、
【数４】 である。
【００２５】前述のように、項ｘi,j,tは第ｉ行第ｊ列
第ｔフレームのシーンの強度を表し、ｘ’i,j,tはｘ
i,j,tの予測強度である。時空間予測器に対する最適予
測器係数ａ＝｛ａ1，ａ2，ａ3｝および空間予測器に対
する最適予測器係数ｂ＝｛ｂ1，ｂ2，ｂ3｝は、各サブ
バンドに対して、あらゆるフレームで同時に標準的な方
法で従来技術に従って計算される。
【００２６】経験的に導出されるしきい値Ｔ1は、予測
が時空間的または純空間的のいずれであるかを決定す
る。範囲（−１２８，１２８）のサブバンドピクセル強
度の場合、Ｔ1の良好な値は１０である。
【００２７】誤差信号は、ラプラシアン確率密度関数に
基づくマックス量子化器（例えば、前掲のジェイヤント
とノルの本参照）を使用して符号化される。
【００２８】前述の典型的な画像シーケンスおよびビッ
ト速度の場合、すべてのサブバンドが符号化される必要
がないことが起こる。例えば、バンド１〜４およびバン
ド８のみが多くの場合に符号化される必要がある。残り
のサブバンドは非常に少ない信号エネルギーしか有しな
いため、廃棄することができる。サブバンド８は、低空
間高時間周波数バンドに対応し、対象が元の画像シーケ
ンスで運動すると対象のエッジがこのサブバンドに現れ
るという点で、運動検出器として作用する。このサブバ
ンドを低空間低時間周波数バンド１〜４とともに注意深
く符号化することによって、良好な符号化結果が得られ
る。
【００２９】図４に、考えている典型的な画像シーケン
スの場合に図３のフィルタによって実行される１１バン
ド周波数分解の出力の便利な編成を示す。適当にスケー
ルすると、各サブバンドのデータは標準的なビデオシス
テムを使用して見ることができる。図４の右半分（バン
ド１〜７）は、低時間周波数バンドに対応し、図の左半
分は、高時間周波数バンドに対応する。
【００３０】各時間バンド内で、右側最下隅は最低空間
周波数バンドに対応し、サブバンド１およびサブバンド
８とラベルされ、一方、左上隅は最高空間周波数バンド
に対応し、サブバンド７およびサブバンド１１に対応す
る。各バンドのデータは、さまざまなサブバンドのエネ
ルギーレベルと比較するために、表示目的で都合良く再
スケールすることができる。サブバンド１は、通常、他
のサブバンドと比較して高エネルギーレベルを有するよ
うに見える。これは、多くの高周波数サブバンドが符号
化される必要がないことを確証する。運動検出器として
作用するサブバンド８は、元の画像シーケンスで運動中
の画像のエッジを示す。
【００３１】バンド２〜１１のデータは高度に構造化さ
れ、各時空間周波数位置は、その周波数内容に付随する
特徴的構造を有する。例えば、高垂直低水平空間周波数
成分に対応するサブバンド２は、ほとんど水平な帯から
なり、一方、低垂直高水平空間周波数成分に対応するサ
ブバンド３はほとんど水平な帯からなる。サブバンド１
のデータは、エッジの存在位置を示す。従って、データ
が高周波数バンド内で現れるべき位置を示す。
【００３２】［ベクトル量子化］図１のシステムの残り
の部分は、情報信号（例えば、フィルタリングされ、符
号化を進めることを正当化するのに十分なエネルギーを
有するサブバンドに存在するビデオ画像信号１００−
ｉ）のベクトル量子化に関する。
【００３３】本発明によるベクトル量子化は、他のこの
ような技術と同様に、図１および特に図５に示すコード
ブック１６０を使用する。図５の例のコードブック内の
コードブックベクトルは３６個であり、本実施例のビデ
オ処理アプリケーションの場合、画像サブバンドパター
ンの対応する領域と一致するべき２次元パターンを表
す。
【００３４】図５に示す特定の符号ベクトルは本実施例
のアプリケーションで有用であるが、他のアプリケーシ
ョンは、可変長の線形配列パターンの使用から、また
は、アプリケーションに適した任意のパターンによって
利益を得ることがある。従って、音声情報信号が処理さ
れる場合、ベクトルに対してさまざまな線形パターンを
使用することが便利であるが、一方、ファクシミリ信号
に関するアプリケーションは、２次元配列に関する（お
そらく英数字パターンを含む）パターンの使用が有益で
ある。
【００３５】図５のコードブックベクトルは３×３配列
の要素として示されているが、このような制限は本発明
にとって重要ではない。すなわち、２次元配列の場合で
あっても、４×４またはその他のサイズの配列が特定の
場合（後述）には効果的である。同様に、図示したコー
ドブックは３６個のベクトルを有し、第１行の１〜６か
ら最終行の３１〜３６まで都合良く添字が付けられる
が、使用されるベクトル数は本発明にとって重要ではな
い。特定数のベクトルがアプリケーションの指定に従っ
て選択されることになる。入力マルチレベル（例えばビ
デオ）信号の構造が高度に構造化されている場合、ベク
トルはそれに従って構造化され、適当な場合には、さら
に大きな数に制限されることもある。
【００３６】しかし、ベクトルは、事前のトレーニング
または使用中の再トレーニングの必要なしに選択するこ
とができることが重要である。すなわち、ベクトルは、
任意のデータとともに使用する前に、観測される信号の
構造に基づくと否とにかかわらず、選択することができ
る。このことは、従来の（例えば、Ｙ．リンデ、Ａ．ブ
ゾ、Ｒ．Ｍ．グレイ「ベクトル量子化器設計のアルゴリ
ズム」ＩＥＥＥトランザクションズ・オン・コミュニケ
ーションズ、ＣＯＭ−２８巻、第８４〜９５ページ（１
９８０年１月）に記載）ベクトル量子化技術と対照的で
ある。
【００３７】動作時には、図１の幾何学的ベクトル量子
化器１５０への入力１４０に現れる生き残ったサブバン
ド信号（しきい値処理後）が、コードブック１６０に格
納されたベクトルと系統的に比較される。各サブバンド
からのマルチレベル信号（考えているアプリケーション
ではビデオ振幅を表す）が一度に１サブバンドごとに提
示される。
【００３８】本発明による入力マルチレベル信号および
格納ベクトルの処理の一部は、図５のベクトルの２値領
域に絶対値を割り当てることを含む。説明のため、図５
の符号ベクトルは、２つの絶対値の要素を有し、一方
は、図５の添字４の一般的ベクトルにおいて５１のよう
な非ハッチング領域に対応し、他方は、そのベクトルに
おいて５２のようなハッチング領域に対応する。（添字
４を有するベクトルで、領域５１は、今のアプリケーシ
ョンでは３個の垂直に配置されたピクセルに対応し、一
方、領域５２は、２個の垂直行のピクセルに対応し、そ
れぞれこの行は３ピクセルを有する。）
【００３９】これらの要素（ここではピクセル）に割り
当てられた絶対値は、特定のサブバンドの画像内で対応
する現在の３×３領域内のピクセルの絶対値に基づく。
特に、特定のベクトル（例えば、添字４のベクトル）の
領域５１および５２の絶対値は、次式を計算することに
よって形成される。
【数５】
【数６】
【００４０】この計算は、３×３入力マルチレベル信号
の各セットに対して行われ、それらはともに１サブバン
ドのフレーム全体をカバーする。もちろん、和の正確な
範囲は、特定のベクトルの構造によって指定される。Ｍ
1に対する範囲は図５のベクトルの領域５１（影のつい
ていない領域）にうまく対応しており、Ｍ2は図５のベ
クトルの影の領域５２に対応している。Ｍ1およびＭ
2は、ベクトル４に対応する各領域５１および５２内の
マルチレベル信号（ピクセル）の平均強度であることに
注意すべきである。他のベクトルは、異なる特定領域５
１および５２を有する。しかし、この平均化は単に、コ
ードブックベクトル領域に対応する領域に付随するピク
セル強度を表す絶対値を提供するのみである。適当な場
合には、他の特定の代表値（例えば、領域の最大値）を
使用することができる。
【００４１】入力３×３セットを配列ｂ1と表し、各要
素に対して上記のように絶対値を計算した現ベクトルを
ｂ1’と表すと便利である。
【００４２】もちろん、入力中の特定の３×３領域の比
較は、コードブック内の全ベクトルとの比較であり、対
応するｂ1’配列のセットがそれぞれに対して計算され
る。誤差計量は、平均２乗誤差計量が便利であり、次式
が各ｂ1およびｂ1’に対して計算され、最小誤差に対応
するベクトルが最良一致として選択される。
【数７】 数７中の減算は、もちろん、行および列をそれぞれ識別
するｉおよびｊの値における行列減算である。
【００４３】前述のように、この比較は、本実施例のア
プリケーションの場合、関連する高次サブバンド（すな
わち、上記の例では２、３、４および８）のそれぞれに
おけるすべての３×３配列に対して実行される。
【００４４】最良一致であるとして選択された各ベクト
ルに対して、ベクトル添字（後述のハフマン符号化後）
が、絶対値Ｍ1およびＭ2とともに図１のマルチプレクサ
１９０に送られる。マルチプレクサ１９０では、この情
報が、ＤＰＣＭ符号器１７０からのＤＰＣＭ情報と結合
される。
【００４５】マルチレベル信号の入力セットを符号化す
るのに要する情報（例えば、説明中のビデオ情報）の量
をさらに縮小するためには、多重化操作の前に添字およ
び絶対値情報をさらに処理すると便利である。この縮小
が可能であるのは、単一の絶対値のみを有するヌルベク
トルがかなり頻繁に生じることが多いためである。すな
わち、ビデオ情報では、いくつかの空間サブバンドの背
景、および、多くの運動内容（すなわち、時間成分）
が、多くの時間、重要情報に寄与しない。このような場
合、「ヌルベクトル」（例えば、図５の添字２１のベク
トル）が高周波数に選択される。
【００４６】さらに、絶対値Ｍ1およびＭ2は多くの場合
ほとんど異ならない。従って、絶対値がある所定のしき
い値以下しか変動しない場合に同一のヌルベクトルを送
信すると便利である。特に、｜Ｍ1−Ｍ2｜＞しきい値、
の場合、標準の比較によって選択されたベクトルが送信
され、｜Ｍ1−Ｍ2｜≦しきい値、の場合、ヌル文字のみ
が、しきい値以下しか異ならない絶対値とともに送信さ
れる。（このような場合に、２つのほとんど等しい絶対
値の平均、またはその他の代表値に等しい絶対値を選択
することも便利である。）
【００４７】入力マルチレベル信号に対する上記の絶対
値変動の場合、しきい値として５を選択すると便利であ
るが、ビット速度および振幅変動制限に適合するように
他の特定値を選択することも可能である。
【００４８】ヌルベクトルは比較的高い周波数で生じる
ため、その添字を少ないビット数で符号化することが非
常に効果的である。このためには、周知のハフマン符号
化技術が有用である。この操作は図１ではブロック１８
０によって示されている。ハフマン符号化の実現の詳細
は、例えば前掲のジェイヤントとノルの本に詳細に記載
されている。他の特定の非一様符号長技術もまた周知で
あり、特定の場合に使用可能である。
【００４９】図２に、図１の符号器に対応する復号器を
示す。チャネル１９５から受信される符号化信号は、ま
ず装置２００で、ＤＰＣＭ符号化サブバンド１情報と、
高サブバンドのベクトル量子化情報を分離するために、
図１のマルチプレクサ１９０と逆の方法で多重化解除さ
れる。周知のハフマン復号器２１０は、ベクトル添字の
復号を実行し、その添字および対応する絶対値情報をベ
クトル量子化器復号器２３０に送る。ベクトル量子化器
復号器２３０は、サブバンド統合装置２５０へ送るため
にコードブック２２０から選択されるベクトルを識別す
るように標準的な方法で動作する。サブバンド統合装置
２５０は、図１のフィルタ１１０の逆の動作を行う周知
の形のものである。統合装置２５０の出力は、図１の回
路に最初に供給された情報の再構成フレームである。
【００５０】上記では、マルチレベル濃度階調入力信号
に関して説明したが、カラー成分信号の適当な組合せ
は、上記のようにして個別に処理することも可能であ
り、また、本発明の原理を適用する前に、周知のカラー
成分結合技術を使用することによってさらに効率的に処
理することも可能である。
【００５１】［高速コードブック検索］上記のように、
コードブックベクトルは、例えば、（ｉ）特定の３×３
入力ブロックを幾何学的コードブックのベクトルと比較
するステップ、（ｉｉ）各比較に対して誤差計量を決定
するステップ、および（ｉｉｉ）最小誤差計量を有する
幾何学的コードブックベクトルを選択するステップ、に
よって符号化のために選択される（Ｍ１およびＭ２に対
する式（数５および数６）および付随する記載参照）。
コードブック内で最良のベクトルを発見するこの技術
は、３×３入力ブロックと、コードブックの各ベクトル
との比較を含む。小さいコードブック（例えば図５）の
場合、この完全コードブック検索は実用になる。しか
し、コードブックが大きい場合、または、コードブック
検索速度が重要である場合、高速検索技術が所望され
る。
【００５２】本発明は、与えられた入力ブロックに対し
て最適に一致する幾何学的コードブックベクトルを決定
する高速コードブック検索技術を提供する。この高速検
索技術によって、上記の完全方式によって選択される最
適一致コードブックベクトルと同一の選択が非常に少な
い計算で可能となる。例えば、３×３入力ブロックおよ
び２５６個の独立のベクトルのコードブックを仮定する
と、本発明のこの高速検索技術は、完全検索方式によっ
て要求される２５６回の比較ではなく、たった９回のコ
ードブックベクトル比較で最適一致符号ベクトルを決定
することができる。
【００５３】高速コードブック検索方式の第１ステップ
は、入力ブロック内のピクセルの強度値の識別情報、お
よび、強度に基づくピクセル順序の決定を要求する。例
えば、ピクセルはピクセル強度（または濃度レベル）の
昇順に従って整列される（すなわち、白に最も近い強度
レベルを有するブロックのピクセルから始まって、黒に
最も近い強度を有するピクセルで終わる）。
【００５４】例えば、図６（ａ）で、符号化される入力
ブロック内の各ピクセルは、ブロック内の位置に従って
１〜９と表される。図６（ｂ）に示すように、このブロ
ックの各ピクセル１〜９は、付随する強度ｘｎを有す
る。ただし、ｎはブロック内でピクセル位置を指定する
添字である（すなわち、ｘn，１≦ｎ≦９）。図６
（ｃ）の入力ブロックの例では、ピクセルは、増大する
ピクセル強度に基づく次の順序を有する。 ｘ1，ｘ2，ｘ4，ｘ6，ｘ8，ｘ7，ｘ5，ｘ3，ｘ9 ただし、ピクセル１、２、４、６、および８は白（すな
わち、ｘ1＝ｘ2＝ｘ4＝ｘ6＝ｘ8＝０）であり、ピクセ
ル７、５、３、および９はそれぞれだんだん濃くなる濃
度レベルを有する（すなわち、０＜ｘ7＜ｘ5＜ｘ3＜
ｘ9）。
【００５５】次に、一連の論理分割構造体が定義され
る。論理分割構造体は、ピクセル強度順序を反映する１
個以上のピクセルの群にピクセルを分割する。各分割構
造体は、本発明の高速検索方式に従って考慮される可能
な幾何学的コードブックベクトルを表す。これらの可能
なコードブックベクトルのうちから、誤差計量に従って
入力ブロックを最適に表現するベクトルが選択される。
【００５６】例えば、各分割構造体は２群のピクセルを
定義する。一方は明ピクセル群であって群強度Ｍ1を有
し、他方は暗ピクセル群であって群強度Ｍ2を有する。
群強度は、群内のピクセルの強度の平均として決定され
る。
【００５７】上記のピクセル強度順序を有する図６
（ｃ）の入力ブロックの例の場合、第１の分割構造体
は、ピクセル強度ｘ1を、上記の整列された残りのピク
セル強度から論理的に分離することによって定義され
る。すなわち、 ｘ1 ｜ ｘ2，ｘ4，ｘ6，ｘ8，ｘ7，ｘ5，ｘ3，ｘ9 である（図７（ａ）参照）。この場合、ピクセル１（強
度ｘ1を有する）は、明群として作用し（Ｍ1＝ｘ1）、
残りのピクセル（この分割構造体の残りの強度に対応す
る）は暗群として作用する（Ｍ2＝（ｘ2＋ｘ4＋ｘ6＋ｘ
8＋ｘ7＋ｘ5＋ｘ3＋ｘ9）／８）。数５および数６の誤
差計量が第１分割構造体に適用され、この分割構造体と
入力ブロックの間の距離スコアが計算される。
【００５８】次の分割構造体は、明群に、上記のピクセ
ル強度の順序によって決定される次に暗いピクセルを組
み込むことによって決定される。すなわち、 ｘ1，ｘ2 ｜ ｘ4，ｘ6，ｘ8，ｘ7，ｘ5，ｘ3，ｘ9 である（図７（ｂ）参照）。この分割構造体の群強度お
よび距離スコアが上記のように決定される。
【００５９】この方式は、図７（ｃ）〜（ｉ）に示すピ
クセル強度順序の他の可能な分割構造体を定義しながら
反復される。図７（ｉ）の分割構造体は、上記のヌルベ
クトルを表す。図７（ｅ）は、図６（ｃ）の入力ブロッ
クに最も良く一致する分割構造体である。この構造体が
（付随する強度とともに）、高速方式によって、入力ブ
ロックを最も良く表現するコードブックベクトルとして
選択される。
【００６０】図７（ｅ）の分割構造体は、明強度群のピ
クセルが入力ブロックの白ピクセルに対応し、暗強度群
のピクセルが入力ブロックの変動する濃度レベルのピク
セルに対応するようなものである。図７（ｅ）のベクト
ルは、完全コードブック検索方式によって選択されるも
のと同一である。しかし、これはずっと少ないコードブ
ック比較で決定されている。正確なコードブックベクト
ルが識別されると、その添字が、例えばテーブル参照に
よって決定される。
【００６１】図５のコードブックの例に関しては、２つ
の絶対値のみで説明したが、本発明の原理は、ベクトル
の要素に対して３絶対値以上のコードブックにも直ちに
適用可能である。
【００６２】［３絶対値幾何学的ベクトル量子化］例え
ば、３個の絶対値および４×４の３値パターンを含む方
式は、上記の２個の絶対値および３×３ブロックの方式
に、同様のビット速度を与えることができる。これは、
上記の高速検索手順を有する２絶対値方式の反復適用に
よっても実現可能である。３絶対値ベクトル量子化方式
の例を以下で説明する。
【００６３】図８（ａ）は、元の４×４入力ブロックを
構成する１６個のピクセルを表す。これらのピクセル
は、上記のように、値の増大に従って、最も負のものか
ら最も正のものへと、次のように整列される。 ｘ3，ｘ6，ｘ9，ｘ5，ｘ2，ｘ13，ｘ1，ｘ7，ｘ10，ｘ
12，ｘ15，ｘ16，ｘ4，ｘ11，ｘ8，ｘ14
【００６４】１つの絶対値を例えば０に拘束した高速検
索２絶対値方式の反復使用によって、最適一致（平均２
乗誤差の意味で）が次の形で見出される。 ただし、元のブロックは正負両方のピクセル値を含む。
量Ｍ-およびＭ+は、それぞれ正および負のピクセル群に
付随する絶対値Ｒ+およびＲ-を表す。Ｒ0は、拘束値０
を割り当てられたピクセル群を表す。
【００６５】高速検索２絶対値技術は、Ｒ-，Ｍ-および
Ｒ+，Ｍ+を決定するために２度使用される。高速検索２
絶対値技術の第１の使用は、入力ブロックの非正値ピク
セルに基づいてＲ-およびＭ-を決定する。入力ブロック
のすべての正値ピクセルはこのために無視される（すな
わち、入力ブロックは非正値ピクセルのみからなるかの
ように扱われる）。上記のように、高速検索２絶対値技
術は、最小誤差計量を生じるピクセルの群および付随す
る絶対値を考慮することによってＲ-，Ｍ-を決定する反
復手順である。
【００６６】第１反復で、非正ピクセルのセットのう
ち、絶対値最小の負ピクセルが０にセットされる。高速
検索２絶対値技術がこのピクセルに対して実行され、誤
差計量を生じる。各付加的反復は、次に絶対値の小さい
負ピクセルを０にセットし、高速検索２絶対値技術を使
用して誤差計量を生じることによってなされる。最小誤
差計量を生じる反復は、非正ピクセルの最適分割を与え
る。
【００６７】高速検索２絶対値技術の第２の使用は第１
と同様であり、Ｒ+，Ｍ+を決定するために非負値ピクセ
ルを使用する。
【００６８】図８（ｂ）は、図８（ａ）の入力ブロック
に高速検索２絶対値技術を適用した２つの結果を示して
いる。この結果によれば、入力ブロックのピクセル３、
６、および９は負ピクセル群Ｒ-を形成し、平均絶対値
Ｍ-＝−３８を有する。ピクセル８および１４は正ピク
セル群Ｒ+を形成し、平均絶対値Ｍ+＝２２を有する。
【００６９】図９に、元の入力ブロックのピクセルの絶
対値を昇順に示す。２個のＲ+ピクセルが「＋」記号で
表され、３個のＲ−ピクセルは「−」記号で表される。
すべての他の元のピクセルは、技術によって群化され
る。１１個のＲ0ピクセルは絶対値０を有する。
【００７０】元のブロックが負ピクセル値のみを含む場
合、最適一致は次の形式のものである。
【００７０】この場合、１つの群の符号化されたベクト
ルが０に制限され、ピクセル群Ｒ--およびＲ-（および
それぞれの絶対値Ｍ--およびＭ-）が決定される必要が
ある。この場合も、高速検索２絶対値技術が使用され
る。ピクセルは、絶対値の昇順に整列される。高速検索
２絶対値技術は、入力ブロックの最も正のピクセルの値
を０に制限することによって開始される。
【００７１】上記の反復分割方式が、入力ブロックの残
りに対して実行され、誤差が最小となる分割が注意され
る。次に、入力ブロックの２つの最も正のピクセルが０
に制限され、反復高速検索方式が再びブロックの残りに
対して実行され、誤差が最小の分割を生じる。このプロ
セスが反復され、そのたびごとに誤差が最小となる分割
を決定する前に１つのピクセルを０に制限する。
【００７２】この反復の結果、識別された分割に付随す
る誤差は、分割のうちで最小誤差を有する分割を決定す
るために比較される。この最小誤差分割は、０に制限さ
れたピクセルの与えられた集合（Ｒ0）、ならびに、与
えられたＲ--およびＲ-に（それぞれの絶対値Ｍ--およ
びＭ-とともに）対応する。この分割および絶対値は、
入力ブロックを表現する「最適一致」コードブックベク
トルである。
【００７３】元のブロックが正のピクセル値のみを含む
場合、最適一致は次の形式で発見される。 この場合は、直前に説明したものと同様であるが、負で
はなく正であるＲ+，Ｍ+およびＲ++，Ｍ++に対する解を
要求する点が異なる。
【００７４】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、音
響、ビデオ、地球物理およびその他の信号を含むさまざ
まな信号のための低ビット速度符号化を提供することに
よって、ベクトル量子化技術の一般的なクラスを拡張し
単純化する。本発明の重要な効果は、重要なアプリケー
ションに対してベクトルコードブックを生成し保守する
ためのトレーニングが不要であることである。可変解像
度符号化が実現され、入力シーケンスを表現するのに要
するビット数は、特に入力が重要部分において「疎」で
ある場合に大幅に縮小される。さらに、本発明は、高速
コードブック検索技術を提供する。これは、完全コード
ブック検索で実行するのに要するよりも非常に少ない計
算で最適な（最小２乗誤差の意味で）コードブックベク
トルを識別する。本発明によれば、知覚的に非重要なサ
ブバンド（一般的に、高い時空間周波数成分からなる）
は、符号化されないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用するディジタル画像符号器の全ブ
ロック図である。
【図２】本発明を使用するディジタル画像復号器の全ブ
ロック図である。
【図３】本発明の１つの目的による一般的なサブバンド
フィルタ配置の図である。
【図４】図２のフィルタに対するサブバンドの便利なラ
ベル付けの図である。
【図５】図１〜３のシステムで使用されるサブバンド信
号を含む情報を符号化する際に使用される幾何ベクトル
の一般的なコードブックの図である。
【図６】ブロック内のピクセルの順序、ブロック内のピ
クセルの絶対値、および符号化される入力ブロックの例
の図である。
【図７】図６（ｃ）の入力ブロックに対する分割構造の
例の図である。
【図８】元の４×４入力ブロックを構成する１６ピクセ
ルの図である。
【図９】元の４Ｘ４入力ブロックを構成する１６ピクセ
ルの図である。
【図１０】図８および図９の入力ブロックに対する高速
検索２絶対値技術の２つの適用の結果の図である。
【符号の説明】
１１０ サブバンド分析ブロック １２０ エネルギー測定ブロック １５０ 幾何学的ベクトル量子化器 １６０ コードブック １７０ 高品質ＤＰＣＭ符号器 １９０ マルチプレクサ １９５ チャネル ２１０ ハフマン復号器 ２２０ コードブック ２３０ ベクトル量子化器復号器 ２５０ サブバンド統合装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナッジホリー サンペス ジェイアント アメリカ合衆国 07933 ニュージャー ジー ジレット、プレストン ドライヴ 135 (72)発明者 クリスティーン アイ．ポディルチャク アメリカ合衆国 08807 ニュージャー ジー ブリッジウォーター、ビューモン ト ウェイ 182 (56)参考文献 特開 昭64−34066（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−46403（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−225626（ＪＰ，Ａ) 米国特許5136374（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開450937（ＥＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H03M 7/30 G06T 9/00 H04N 7/30

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マルチレベル信号のセットを符号化する
    方法において、 信号パラメータの値に従ってマルチレベル信号を整列さ
    せるステップと、 マルチレベル信号の順列を複数の要素に１回以上分割す
    るステップと、 前記要素内の信号の信号パラメータ値に基づいて、該要
    素の絶対値を決定する絶対値決定ステップと、 分割要素をマルチレベル信号のセットと比較して、分割
    要素絶対値およびマルチレベル信号パラメータ値に基づ
    く差計量を決定するステップと、 差計量基準を満足する分割要素を、前記マルチレベル信
    号のセットを表現するベクトルとして選択する選択ステ
    ップとからなることを特徴とする、マルチレベル信号の
    セットを符号化する方法。
  2. 【請求項２】 前記信号パラメータは、信号強度からな
    ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 分割要素の絶対値は、該要素のマルチレ
    ベル信号に対する平均信号パラメータ値に基づいて決定
    されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記信号パラメータ値は、信号強度値か
    らなることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記絶対値決定ステップは、分割の各要
    素に対する絶対値を決定するステップからなることを特
    徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記差計量は、平均２乗差からなること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記差計量基準は、最小差計量であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記選択ステップは、選択されるベクト
    ルを表すコードブック添字を決定するステップからなる
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 決定されたコードブック添字を受信機へ
    通信するステップをさらに有することを特徴とする請求
    項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記マルチレベル信号のセットは、画
    像ピクセルのセットからなることを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 信号レベルは、ピクセルの濃度レベル
    を反映することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 マルチレベル信号のセットを符号化す
    る方法において、 各ベクトルが要素の幾何学的配列からなり、各ベクトル
    の１個以上の要素は所定の絶対値を有し、各ベクトルの
    その他の１個以上の要素は前記マルチレベル信号のレベ
    ルに基づいて決定される絶対値を有するような、ベクト
    ルのセットを用意するステップと、 マルチレベル信号を各ベクトルと比較して、マルチレベ
    ル信号のレベルおよびベクトル要素の絶対値に基づいて
    各ベクトルに対する差計量を求めるステップと、 差計量基準を満足するベクトルを用いてマルチレベル信
    号のセットを表現する表現ステップとからなることを特
    徴とする、マルチレベル信号のセットを符号化する方
    法。
  13. 【請求項１３】 前記差計量基準は、最小差計量である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記表現ステップは、差計量基準を満
    足するベクトルを表すコードブック添字を決定するステ
    ップからなり、さらに、決定されたコードブック添字を
    受信機へ通信するステップを有することを特徴とする請
    求項１２に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記ベクトルのセットを用意するステ
    ップにおいて、前記所定の絶対値を有する１個以上の要
    素は、マルチレベル信号のレベルに基づいて選択される
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 正レベルを有する少なくとも１つの信
    号および負レベルを有する少なくとも１つの信号からな
    るマルチレベル信号のセットを符号化する方法におい
    て、 ａ．信号レベルに従って前記セットのマルチレベル信号
    を整列させるステップと、 ｂ．複数回、整列非正マルチレベル信号を複数のグルー
    プに分割するステップと、 ｃ．整列非正マルチレベル信号の分割に対して、 １．信号の第１セットおよび第２セットを含む信号の第
    １ベクトルを、 ｉ．第１ベクトルの第１セットの信号は、所定の絶対値
    を有し、前記分割内の非正マルチレベル信号の第１グル
    ープに対応し、 ｉｉ．第１ベクトルの第２セットの信号は、前記分割内
    の非正マルチレベル信号の第２グループ内の信号のレベ
    ルに基づいた絶対値を有するように形成するステップ
    と、 ２．第１ベクトルの信号を、整列非正マルチレベル信号
    と比較して、第１差計量を求めるステップと、 ｄ．第１差計量基準を満足する第１差計量を有する第１
    ベクトルを決定するステップと、 ｅ．複数回、非負マルチレベル信号を複数のグループに
    分割するステップと、 ｆ．整列非負マルチレベル信号の分割に対して、 １．信号の第１セットおよび第２セットを含む信号の第
    ２ベクトルを、 ｉ．第２ベクトルの第１セットの信号は、所定の絶対値
    を有し、前記分割内の非負マルチレベル信号の第１グル
    ープに対応し、 ｉｉ．第２ベクトルの第２セットの信号は、前記分割内
    の非負マルチレベル信号の第２グループ内の信号のレベ
    ルに基づいた絶対値を有するように形成するステップ
    と、 ２．第２ベクトルの信号を、整列非負マルチレベル信号
    と比較して、第２差計量を求めるステップと、 ｇ．第２差計量基準を満足する第２差計量を有する第２
    ベクトルを決定するステップと、 ｈ．決定された第１ベクトルと第２ベクトルを結合し
    て、前記マルチレベル信号のセットを符号化する際に用
    いる信号のベクトルを決定するステップとからなること
    を特徴とする、マルチレベル信号のセットを符号化する
    方法。
  17. 【請求項１７】 前記第１差計量基準および前記第２差
    計量基準は、最小差計量であることを特徴とする請求項
    １６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 非正信号レベルのみを有するマルチレ
    ベル信号のセットを符号化する方法において、 ａ．信号レベルに従って前記セットのマルチレベル信号
    を整列させるステップと、 ｂ．複数回、信号のベクトルを、 １．整列したマルチレベル信号を、最も絶対値の小さい
    負のマルチレベル信号のうちの少なくとも１つからなる
    第１グループの信号と、１個以上の残りのマルチレベル
    信号からなる第２グループとに分割するステップと、 ２．前記第１グループの１個以上の信号に対応して、前
    記ベクトルの１個以上の第１信号に所定の絶対値を割り
    当てるステップと、 ３．複数回、前記第２グループのマルチレベル信号を第
    １および第２のサブグループに分割するステップと、 ４．前記第２グループのマルチレベル信号の分割に対し
    て、 ｉ．第１サブグループのマルチレベル信号に基づいて前
    記ベクトルの１個以上の第２信号に絶対値を割り当てる
    ステップと、 ｉｉ．第２サブグループのマルチレベル信号に基づいて
    前記ベクトルの１個以上の第３信号に絶対値を割り当て
    るステップと、 ｉｉｉ．前記ベクトルの第２信号および第３信号を、整
    列非正マルチレベル信号と比較して、第１差計量を求め
    るステップと、 ５．第１差計量基準を満足する第１差計量を有する、前
    記ベクトルの第２信号および第３信号を決定するステッ
    プと、 ６．前記ベクトルの信号を、整列マルチレベル信号と比
    較して、ベクトル信号の絶対値およびマルチレベル信号
    のレベルに基づく第２差計量を求めるステップと、 により形成するステップと、 ｃ．第２差計量基準を満足する差計量を有するベクトル
    を、前記マルチレベル信号のセットを符号化する際に用
    いる信号のベクトルとして決定するステップとからなる
    ことを特徴とする、マルチレベル信号のセットを符号化
    する方法。
  19. 【請求項１９】 前記第１差計量基準および前記第２差
    計量基準は、最小差計量であることを特徴とする請求項
    １８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 非負信号レベルのみを有するマルチレ
    ベル信号のセットを符号化する方法において、 ａ．信号レベルに従って前記セットのマルチレベル信号
    を整列させるステップと、 ｂ．複数回、信号のベクトルを、 １．整列したマルチレベル信号を、最も絶対値の小さい
    正のマルチレベル信号のうちの少なくとも１つからなる
    第１グループの信号と、１個以上の残りのマルチレベル
    信号からなる第２グループとに分割するステップと、 ２．前記第１グループの１個以上の信号に対応して、前
    記ベクトルの１個以上の第１信号に所定の絶対値を割り
    当てるステップと、 ３．複数回、前記第２グループのマルチレベル信号を第
    １および第２のサブグループに分割するステップと、 ４．前記第２グループのマルチレベル信号の分割に対し
    て、 ｉ．第１サブグループのマルチレベル信号に基づいて前
    記ベクトルの１個以上の第２信号に絶対値を割り当てる
    ステップと、 ｉｉ．第２サブグループのマルチレベル信号に基づいて
    前記ベクトルの１個以上の第３信号に絶対値を割り当て
    るステップと、 ｉｉｉ．前記ベクトルの第２信号および第３信号を、整
    列非負マルチレベル信号と比較して、第１差計量を求め
    るステップと、 ５．第１差計量基準を満足する第１差計量を有する、前
    記ベクトルの第２信号および第３信号を決定するステッ
    プと、 ６．前記ベクトルの信号を、整列マルチレベル信号と比
    較して、ベクトル信号の絶対値およびマルチレベル信号
    のレベルに基づく第２差計量を求めるステップと、 により形成するステップと、 ｃ．第２差計量基準を満足する差計量を有するベクトル
    を、前記マルチレベル信号のセットを符号化する際に用
    いる信号のベクトルとして決定するステップとからなる
    ことを特徴とする、マルチレベル信号のセットを符号化
    する方法。
  21. 【請求項２１】 前記第１差計量基準および前記第２差
    計量基準は、最小差計量であることを特徴とする請求項
    ２０に記載の方法。
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