JP2836636B2 - 符号化装置および符号化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ディジタルVTR等の高能率符号化に用いる
符号化装置および符号化方法に関するものである。

従来の技術 画像信号のディジタル化にともなって高能率符号化技
術が重要になってきている。高能率符号化の有効な手段
として直交変換符号化がある。直交変換とは入力される
時系列信号を直交する成分（例えば周波数成分）に変換
するもので、フーリエ変換、離散コサイン変換（以下DC
Tと略す）、アダマール変換等が有名である。特にDCTは
画像情報に適した直交変換として注目されている。

ここでDCTを用いた高能率符号化方法について説明す
る。第12図は従来のDCTを用いた高能率符号化装置の１
例である。第12図の１はこの装置の入力手段、２はブロ
ック化手段、３はDCT手段、４は適応量子化手段、５は
可変長符号化手段、６はデータバッファ手段、７は出力
手段である。

第12図の符号化器では、入力手段１から入力されるデ
ィジタル画像信号をブロック化手段２でDCT単位のブロ
ックに分割する。画像の高能率符号化では水平８画素・
垂直８画素の合計64画素の２次元DCTがよく用いられ
る。ブロック化された画像信号はDCT手段３で２次元DCT
されてDCT成分に変換される。変換されたDCT成分は適応
量子化手段４で量子化され、可変長符号化手段５で可変
長符号化され、バッファ手段６で一定レートに変換され
て出力される。

可変長符号化とは、生起確率の大きい符号語に小さな
符号長を割り当て、生起確率が小さい符号語に大きな符
号長を割り当てる符号化方式である。表１は３ビットの
データ「０」，「１」，…，「７」に対する可変長符号
化の対応表である。この例では、「０」，「１」に対し
て２ビット、「２」，「３」に対して３ビット、
「４」，「５」，「６」，「７」に対して４ビットの 符号長を割り当てている。通常DCT成分は０を中心とし
た指数分布と成るため、「０」，「１」の生起確率が
「４」，「５」，「６」，「７」に比べてかなり大き
く、符号化された後の平均ビット数が３ビットより小さ
くなる。ただし可変長符号化を用いると、画質によって
符号化後のデータレートが変化する。このため第12図の
従来例では、バッファ手段６がオーバーフローやアンダ
ーフローを起こさないようにするために、バッファ手段
６内のデータ量が増加してきた場合には、適応量子化手
段４において量子化時のまるめを大きくし、データ量が
減少してきた場合にはまるめを小さくすることによって
制御している。

発明が解決しようとする課題 次に、上記のような従来のDCTを用いた高能率符号化
の課題を以下に述べる。

（１）可変長符号化を用いているため、伝送路によって
１ビットでも誤りが発生すると符号同期が外れてそれ以
後のデータを復号できなくなる。このような誤り伝搬に
よって大きな画質劣化が引き起こされる。特にVTR等の
誤り発生確率が高い装置には適応が困難である。

（２）従来はデータ量を一定にするためにバッファ部を
用いたフィードバック制御を行なっている。しかしなが
ら実際の画像ではその情報に偏りがあり、フィードバッ
ク制御では最適な符号化が困難である。特に画像の前半
の情報量が小さく後半の情報量が大きい場合では、前半
部分に不必要にデータが割り当てられるため、後半部分
においてデータ量が不足し、大きな画質劣化を招くこと
になる。

（３）直交変換を用いた高能率符号化では入力される画
像の情報量が大きい場合には、量子化による歪が増加
し、ブロック歪が発生してしまう。

本発明はこのような従来の直交変換符号化装置の課題
を解決した符号化装置および符号化方法を提供すること
を目的とする。

課題を解決する手段 本発明は、入力信号の標本値を集めて小ブロックを構
成し、前記小ブロック毎に直交変換する直交変換手段
と、前記直交変換手段で得られる直交成分に対して量子
化を行う副数種類の量子化手段と、前記各量子化手段で
量子化した場合の符号化後の小ブロック毎のデータ量を
計算するデータ量見積り手段と、前記データ量見積り手
段で得られるデータ量を用い、ある一つの小ブロックの
前記複数の量子化手段でそれぞれ量子化したデータ量の
うち一つを選択し、これを各小ブロック毎に行い足し合
わせることにより大ブロック単位のデータ量を求め、こ
の大ブロック単位のデータ量と所定のデータ量と比較
し、前記大ブロック単位のデータ量と前記所定のデータ
量がほぼ等しくなるときの各小ブロックのデータ量に対
応する量子化手段を求める量子化手段選択手段と、前記
量子化手段選択手段で選択された量子化手段を用いて前
記直交成分を量子化するとともに、この量子化によって
得られる量子化値を可変長符号化する可変長符号化手段
と、前記可変長符号化手段で可変長符号化された符号語
と前記量子化手段のうちいずれを用いたかを表す信号と
を伝送する伝送手段とを備え、前記可変長符号化手段
は、前記小ブロック内の量子化値を水平、垂直共に１番
低い周波数成分を表す量子化値から水平、垂直共に１番
高い周波数成分を表す量子化値まで、低い周波数を表す
量子化値に対する符号語から順に並べ、しかも量子化値
が０である場合にはそれ以後連続する０の量子化値の数
と、最初に現れる非０量子化値をまとめて符号化すると
ともに、非０の最も高い周波数を表す量子化値より後の
符号語は終了信号で置き換えることを特徴とする符号化
装置である。

また、入力信号の標本値を集めて小ブロックを構成
し、前記小ブロック毎に直交変換して得られる直交成分
に対して複数種類の量子化手段で量子化をし、前記量子
化毎に符号化後のデータ量を見積り、前記データ量を用
い、ある一つの小ブロック直交成分について前記複数種
類の量子化をそれぞれ行って得られたデータ量のうち一
つを選択し、これを各小ブロック毎に行って足し合わせ
ることにより大ブロック単位のデータ量を求め、この大
ブロック単位のデータ量と所定のデータ量と比較し、前
記大ブロック単位のデータ量と前記所定のデータ量がほ
ぼ等しくなるときの各小ブロックのデータ量に対応する
量子化手段を求め、求められた前記量子化手段で前記直
交成分を量子化するとともに、この量子化によって得ら
れる量子化値を可変長符号化する符号化方法であり、前
記可変長符号化する際、前記小ブロック内の量子化値を
水平、垂直共に１番低い周波数成分を表す量子化値から
水平、垂直共に１番高い周波数成分を表す量子化値ま
で、低い周波数を表す量子化値に対する符号語から順に
並べ、しかも量子化値が０である場合にはそれ以後連続
する０の量子化値の数と、最初に現れる非０量子化値を
まとめて符号化するとともに、非０の最も高い周波数を
表す量子化値より後の符号語は終了信号で置き換えるこ
とを特徴とする符号化方法である。

本発明は、この構成により、符号化後のデータ量を先
読みし、常に最適な量子化器を用いて量子化することが
可能になる。また、従来のフィードバック制御と違い、
データ量の制御が正確に行えるため、小さな範囲で一定
長になるような可変長符号化が可能になる。これによっ
てデジタルVTR等伝送路誤りが頻繁に発生するような機
器にも可変長符号化を用いることが可能になる。また、
連続する０の量子化値を短い符号語に割り当てることが
できる。

作用 本発明は、大ブロック化手段によって、入力信号の標
本値を集めて大ブロック化し、小ブロック化手段によっ
て、前記大ブロックを複数の小ブロックに分割し、直交
変換手段によって、前記小ブロック化された小ブロック
毎に直交変換し、データ量見積手段によって、前記直交
変換手段で得られる直交成分について、それに対する複
数種類の量子化器で量子化したとした場合の符号化後の
データ量を計算し、量子化手段選択手段によって、前記
データ量見積り手段で得られた各量子化器に対する符号
化後のデータ量を用いて小ブロック毎に最適な量子化器
を選択し、量子化手段によって、前記量子化手段選択手
段で選択された量子化器を用いて前記大ブロック内の直
交成分を量子化し、可変長符号化手段によって、前記量
子化手段で得られる量子化値を可変長符号化し、伝送手
段によって前記可変長符号化手段で可変長符号化された
符号語とどの量子化手段を用いたかを表す信号とを伝送
する。

実施例 以下に、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は、本発明の一実施例にかかる直交変換符号化
装置のブロック図である。第１図の８は本発明の入力手
段、９は大ブロック化手段、10は小ブロック化手段、11
は直交変換手段、12はデータバッファ手段、13はデータ
量見積り手段、14は量子化手段選択手段、15は量子化手
段、16は可変長符号化手段、17は伝送手段、18は出力手
段である。

先ず入力手段８から入力された画像信号は大ブロック
化手段９で複数の標本値からなる大ブロックに分割され
る。各大ブロックは更に小ブロック化手段10で画面上で
長方形になる小ブロックに分割される。ここで以下の説
明を簡単にするために画面上で水平方向に８画素、垂直
方向に８画素からなる64画素で構成される小ブロックを
用いて説明する。小ブロック化された標本値は直交変換
手段11で水平方向、垂直方向共に直交変換される。

第２図は直交変換手段11の説明図で、この図の19は小
ブロック化された標本値の入力手段、20は水平方向のDC
T手段、21は水平垂直並べ換え手段、22は垂直方向のDCT
手段、23は出力手段である。第１図の小ブロック化手段
10で小ブロック化された標本値は第２図の入力手段19か
ら入力され、DCT手段20で水平方向にDCTされる。水平方
向にDCTされた直交成分は、水平垂直並べ換え手段21で
垂直方向に並べ換えられる。並べ換えられた直交成分は
DCT手段22で垂直方向にDCTされて出力される。このよう
にして水平、垂直にDCTされた小ブロック毎の直交成分
は、第３図に示すように水平方向、垂直方向共に低域を
表す直交成分から順番に第１図のバッファ手段12および
データ量見積り手段13に入力される。

データ量見積り手段13では、そこで予め準備されてい
る複数個の量子化器に対する小ブロック単位での符号化
後のデータ量が計算され、その結果に基づいて量子化手
段選択手段14で小ブロック毎に量子化器が選択される。
同時にバッファ手段12に入力された直交成分は量子化器
が決定されるまで遅延させられる。ここで量子化された
直交成分と符号化後のデータ量の関係について第４図を
用いて説明する。

本発明の第１の伝送手段では、水平、垂直の最も低い
周波数成分（第４図の水平０、垂直０の量子化値で、以
下原点と呼ぶ）を１つの頂点とし、全ての０でない量子
化値を含む最小の長方形に囲まれる部分（第４図の実線
で囲まれた部分）だけを伝送する。ただし原点は常に伝
送するものとする。従ってこのブロックの伝送領域（第
４図の長方形）は、水平方向、垂直方向それぞれ最も高
い０でない周波数成分を表す量子化値の位置で決定され
る。同時に伝送する量子化値の数はこの伝送領域の面積
で決定されるため、水平方向の最高周波数の位置と垂直
方向の最高周波数の位置の積によって簡単に計算でき
る。また本実施例では伝送領域の情報は、第４図のよう
に水平方向の座標３ビットと垂直方向の座標３ビットの
合計６ビットで表現できる。従って各小ブロックの符号
化後のデータ量は伝送領域に含まれる可変長符号語と、
伝送領域の情報の和となる。

ここで本発明の第１の可変長符号化の方法について説
明する。ここでは量子化値が０の時に符号長が１ビット
となる可変長符号を用いる。つまりある量子化値Riに対
して符号長Niは Ri＝０のときNi＝１ となる。このため１小ブロック分の全ての量子化値に対
して（Ni−１）の和を求めたものに、伝送する量子化値
の数と長方形の頂点の座標６ビットを加算することによ
って、伝送するデータ量が求められる。従ってデータ量
の計算において、符号長の和の計算と伝送領域の計算を
独立に実行できるため、回路の簡単化と高速化が可能に
なる。また水平、垂直共に最も低い周波数を表す量子化
値に対しては、固定長の符号化を割り当てることも可能
である。

このようにして求められた小ブロック単位の各量子化
値に対するデータ量は量子化手段選択手段14に入力され
る。そこで大ブロックで予め決められている伝送データ
量を超えないように量子化器を小ブロック単位で決定す
る。そしてこれに基づき量子化器15で量子化され、可変
長符号化手段16で可変長符号化されて伝送手段17に出力
される。同時に選択された量子化器に対する各小ブロッ
クの伝送領域（６ビット）も同時に伝送される。

以上のようにして本発明では、量子化の前にデータ量
を見積ることによって、常に最適な量子化器を選択する
ことが可能になる。また従来のフィードバック制御と違
い、データ量の制御が正確に行えるため、小さな範囲で
一定長になるような可変長符号化が可能になる。これに
よってディジタルVTR等伝送路誤りが頻繁に発生するよ
うな機器にも可変長符号化を用いることが可能になる。
さらに上記の実施例では２次元DCTを用いて説明してい
るが、その他さまざまな直交変換が適応可能であり、時
間軸方向まで含めた３次元直交変換も利用できる。３次
元直交変換の１番簡単な例では、空間的に同じ位置にあ
るフィールド間の２つの２次元直交変換された直交成分
に対して、フィールド間で和と差を求める方法がある。
この場合には和の成分を小さな量子化幅をもつ量子化器
で量子化し、差の成分を大きな量子化幅をもつ量子化器
で量子化することによって、視覚上の歪を抑えながらデ
ータ量を圧縮することが可能になる。また上記の伝送領
域については、和の成分と差の成分を独立に求めること
によって差の成分に発生する０の量子化値をより効率よ
く除去することが可能になる。

次に第２の可変長符号化を用いた実施例について説明
する。先ず可変長符号化の割り当てを表２に示す。

表２のＸは任意の１ビットの数が割り当てられる、例
えば符号長が５ビットの符号語の１例を表３に示す。

表２の可変長符号化では符号長Niは量子化値の絶対値
の桁数Kiに対して、 Ni＝２×Ki＋１ で表される。従って符号長は、量子化値の桁数を求める
ことによって容易に計算できる。これにより伝送する小
ブロックの総データ量Ｄは、伝送する量子化値の数Ｍと
長方形の頂点の座標６ビットとを併せて、 Ｄ＝２×ΣKi＋Ｍ＋６ で表されるため簡単に求めることができる。また表２の
可変長符号において±128−255の部分を11111111×××
×××××に変更することも可能である。

次に第３の可変長符号化の実施例を表４に示す。この
実施例では表２の可変長符号化と同様に符号語の前半部
分だけでその符号長を判断することが可能である。この
ような可変長符号を用いることによって、伝送路で誤り
が発生しても符号長を表す前半部分が誤らない限り語同
期が外れないという特長である。

また可変長復号時には簡単に符号長を検出できるた
め、簡単な回路で高速に復号することが可能になる。

次に第４の可変長符号化の方法について説明する。直
交変換された成分はそのほとんどが０の量子化値にな
る。このため０の量子化値が連続して発生する確率が高
い。そこで０の量子化値の連続する長さをランレングス
符号化することによってデータ量を圧縮することが可能
になる。さらに連続する０の量子化値の長さと、それに
続く最初の非０の量子化値をまとめて１つの符号語に符
号化することによってより効率よく圧縮することが可能
になる。これを２次元ランレングス符号化と呼ぶ。ここ
で２次元ランレングス符号化をより効率良く行うための
伝送手段について説明する。

第５図は本発明の第２の伝送手段の実施例を示してい
る。本実施例では直交変換された成分を小ブロック内の
水平、垂直共に１番低い周波数成分を表す量子化値から
順に第５図の番号の順番にしたがって符号化して伝送
し、非０の最も高い周波数を表す量子化値から後の符号
語は、終了信号を表す符号語で置き換える。これによっ
て０の生起確率が高い高域部分を後半に集中することが
できるため連続する０の長さをより長くすることができ
る。また上記の終了信号を使わない方法もある。

次に第６図は本発明の第３の伝送手段の実施例を示し
ている。第６図は大ブロックが３つの小ブロックから構
成されている場合の実施例である。それぞれの小ブロッ
クは第５図に示したように左上が低域を表す直交成分、
右下が高域を表す直交成分を表している。第６図の数字
はその位置の直交成分の伝送順番を示しており、大ブロ
ック単位で低域成分から順番に伝送する。このような伝
送順番によって、大ブロック単位で高域成分を後半に集
中できる。従ってより０の連続を長くすることが可能に
なる。第７図は第１および第３の伝送手段の具体例であ
る。上記のような伝送手段では、符号化後のデータ量が
大きすぎて全ての符号語を伝送できなくなった場合に
は、伝送順番が後ろである高域成分が伝送できなくな
る。しかしながら一般に高域成分の歪は視覚上劣化がわ
かりにくいため、画質劣化を最小限にとどめることが可
能になる。また伝送路で誤りが発生し語同期が外れて後
半の符号語が復号できない場合でも、その影響が高域に
集中するため視覚上の劣化を小さくすることができる。
またこれらの伝送順番は、上記の第１の伝送手段にも適
応可能である。第４図は第１の伝送手段に第３の伝送順
番を適用した一例である。第４図では大ブロック単位で
低域成分から順番に伝送し、しかも第１の伝送手段で説
明したように伝送領域を表す四角形に囲まれた部分のみ
を伝送している。更に実際の伝送順番は、第５図、第６
図以外のさまざまな順番が可能である。

次に本発明の大ブロック化手段９について説明する。
まず第１の大ブロック化手段は、大ブロックをフィール
ド内のデータだけで構成するものである。これによっ
て、フィールド内の小さなメモリだけで大ブロックを構
成することが可能になる。

第２の大ブロック化手段は、第１とは逆に大ブロック
を連続する複数のフィールド間の信号で構成する。これ
によって、画像のフィールド間の冗長を利用した圧縮が
可能になるため、より高い圧縮率が実現可能になる。

第３の大ブロック化手段は大ブロックを画面上で隣接
する信号から構成する。これにより小ブロック間の冗長
を利用した圧縮が可能になる。特に上記の第３の伝送手
段のように大ブロック単位で符号化伝送する場合に効率
をあげることができる。

第４の大ブロック化手段は大ブロックを画面上のさま
ざまな位置の信号を小ブロック単位でシャフリングする
ようにして集めて構成する。これによって画面上の情報
量が分散されるため、各大ブロックに含まれる情報量は
だいたい等しくなる。従って画面上で場所によって情報
量に偏りがある場合にも効率よく圧縮することができ
る。また圧縮後のデータレートも平均化されるため、大
ブロック単位で同じデータ量に制御することが容易にで
きる。

第５の大ブロック化手段は、入力信号が輝度信号と色
信号、例えば色差信号で構成されている場合に、全ての
大ブロックが輝度信号と色差信号をほぼ同一の割合で混
在した形で構成する。一般に輝度信号と色差信号の情報
量には偏りがある。そこでこのように各大ブロックが輝
度信号と色差信号を同じ割合で含むことによって第４の
大ブロック化手段と同様に情報量を平均化することが可
能になる。また入力信号がR,G,B信号である場合にも、
全ての大ブロックがR,G,B信号をほぼ同一の割合で混在
した形で構成することによって、情報量を平均化するこ
とが可能になる。

次に本発明の小ブロック化手段10について説明する。
第１の小ブロック化手段は、小ブロックをフィールド内
の信号だけで構成するものである。この方法によって小
ブロックおよび大ブロックをフィールド内の小さなメモ
リだけで構成できるため、回路規模を小さくできる。ま
た動きの激しい動画ではフィールド内処理によって、歪
を抑えることが可能になる。

第２の小ブロック化手段は、小ブロックを連続する複
数フィールド間の信号で構成する。小ブロックを複数フ
ィールドに含まれる信号で構成することによって、フィ
ールド間の冗長を除去する圧縮が可能になる。特に動き
の小さい動画で効果が大きい。

第３の小ブロック化手段は、小ブロックを１フィール
ドまたは１フレーム内の信号だけで構成するか、連続す
る複数フィールド間の信号で構成するかを小ブロック毎
に適応的に切り替える。これによって動きの激しい小ブ
ロックはフィールド内で、動きの小さい小ブロックは２
フィールド以上で構成することによって、動画でも静止
画でも歪の小さい圧縮が可能になる。

次に本発明の量子化手段15について説明する。第１の
量子化手段は複数の量子化器がそれぞれ異なる量子化幅
を持つ。これによって各量子化器に対する符号化後のデ
ータ量を変えることが可能になる。従って量子化器を制
御することによって符号化後のデータ量を制御すること
が可能になる。

第２の量子化手段は、高域を表す直交成分に対して大
きな量子化幅を割り当て、低域を表す量子化成分ほど小
さな量子化幅を割り当てる。これによって量子化の歪を
高域部分に集中することが可能になるため、視覚上の画
質劣化や直交変換によるブロック歪を改善できる。また
第１の量子化手段において、量子化幅の大きい量子化器
ほど高域の量子化幅と低域の量子化幅の差を大きくする
ことによって、より効率のよい圧縮が可能になる。

第３の量子化手段では、量子化時に、０以外の値に量
子化された量子化値の量子化誤差の小ブロック毎の平均
値を計算し、量子化値といっしょに伝送する。

直交変換の量子化誤差は小ブロック単位で偏りがある
ことが多い。このため量子化誤差を小ブロック毎に計算
し、復号時に補正することによって量子化歪を改善する
ことが可能になる。

またこの時に伝送される量子化誤差信号は、１小ブロ
ックに対して数ビットで表せるため、データ量の増加は
きわめて小さい。

第４の量子化手段では、フレームまたはフィールド方
向に同一位置にある小ブロックをフレームまたはフィー
ルド毎に異なる量子化特性の量子化器で量子化する。

これによって同じ直流成分に対してフレームまたはフ
ィールド毎に伝送される量子化値が異なることを利用し
て、最適な量子化代表値を設定することができる。

従って動きの小さい動画では量子化誤差を低減するこ
とが可能になる。

次に本発明の量子化手段選択手段14について説明す
る。

第１の量子化手段選択手段14は、上記のようなデータ
量見積り手段13に基づいて小ブロック毎に全ての量子化
器に対する符号化後のデータ量を求める。

そして、大ブロック単位で伝送できるデータ量になる
ように、小ブロック単位で量子化器を選択する。具体的
には、データ量見積り手段13で得られる小ブロック毎の
データ量を用い、ある一つの小ブロックの複数の量子化
器でそれぞれ量子化したデータ量のうち一つを選択し、
これを各小ブロック毎に行い足し合わせることにより大
ブロック単位のデータ量を求め、この大ブロック単位の
データ量と伝送できるデータ量と比較し、大ブロック単
位のデータ量と伝送できるデータ量がほぼ等しくなると
きの各小ブロックのデータ量に対応する量子化器を求め
る。こうすることによって、符号化後オーバーフロー
や、伝送すべきデータが足りなくなることが防がれる。

第２の量子化手段選択手段14は、量子化手段の候補
が、ｍ個存在する場合には、まずｍ個の量子化器のう
ち、符号化後のデータ量が、約m/2番目になるところの
量子化器のデータ量見積りを行う。

そして、その値が伝送できるデータ量より大きい場合
には、量子化手段の候補を前記データ量見積りを行なっ
た量子化器より小さいデータ量になる量子化器だけにす
る。

逆に伝送できるデータ量より小さい場合には、量子化
手段の候補を前記量子化器より大きいデータ量になる量
子化器だけにする。

このようにして１回のデータ量見積り毎に量子化候補
を約1/2に減らしながらデータ量見積りを繰り返し、最
適な量子化器を選択する。

この方法によれば量子化手段の候補が７である場合に
は３回のデータ量見積りで最適な量子化器が選択でき
る。

このように第２の量子化手段選択手段14ではデータ量
見積りに必要な計算量を大幅に減少させることが可能に
なる。

第３の量子化手段選択手段14は、大ブロックに含まれ
る小ブロックを前からｊ番目までの前半部分とそれ以後
の後半部分の２つに分割し、それら２つの部分に対して
符号化後のデータ量が一番近い２つの量子化手段を選択
し、伝送時には前半または後半部分に用いた量子化手段
とｊの値の情報とを符号化して伝送する。第１の量子化
手段選択手段14では、各小ブロック毎に量子化器を自由
に選択できる。このため大ブロック単位では量子化器の
組合せが非常に多く、全ての組合せについてデータ量を
計算するには、大きな計算量が必要になる。

そこで第３の量子化手段選択手段14では、上記のよう
に１つの大ブロック内では２種類の量子化器だけを用い
る。この限定により大ブロック内の量子化器の組合せが
大幅に減るため、計算量を削減できる。また２種類の量
子化器も、大ブロック内の前半の小ブロックと後半の小
ブロックに分割して割り当てる。このため、どちらの量
子化器を用いたかという情報は、大ブロック内の前半と
後半の分かれ目の位置（つまりｊ）を伝送するだけでよ
いため、データ量の増加が小さい。

第４の量子化手段選択手段14は、符号化後のデータ量
が１番近い量子化幅の異なる２種類の量子化器に対し、
各小ブロック毎に直交成分の絶対値の最大値を検出し、
その最大値が大きい小ブロックに対しては量子化幅の大
きい量子化器を選択し、小さい小ブロックには量子化幅
の小さい量子化器を選択し、伝送時にはどちらか一方の
量子化器を表す情報と各小ブロックがどちらの量子化器
を選択したかという情報とを符号化して同時に伝送す
る。一般にダイナミックレンジの大きい画像では視覚上
劣化がわかりにくく、ダイナミックレンジが小さい画像
では劣化が検知され易い。このため上記のように量子化
幅の絶対値の最大値（ダイナミックレンジ）の大きな小
ブロックに、量子化値の大きい量子化器を割り当てるこ
とによって、視覚上の劣化を抑えながら大きな圧縮が可
能になる。

ここで本発明の他の実施例について説明する。第８図
は本発明の符号化部分のブロック図で、この図の24は入
力手段、25は前置フィルタ、26は第１の実施例で説明し
た本発明の直交変換符号化手段、27は出力手段である。
第８図の実施例では、入力手段24から入力される信号を
まず前置フィルタ25を用いて帯域制限する。帯域制限さ
れた信号は直交変換符号化手段26によって前述の実施例
と同様にして符号化され、出力手段27へ出力される。こ
のように直交変換符号化の前に前置フィルタを用いて帯
域を制限することによって、圧縮によるブロック歪など
の画質劣化を改善することが可能になる。

第９図は本発明の復号化部分のブロック図で、この図
の28は入力手段、29は前述の実施例で説明した本発明の
直交変換符号化装置に対する復号化手段、30は後置フィ
ルタ、31は出力手段である。第９図の実施例では、まず
入力手段28から入力された符号語を直交変換復号手段29
で復号する。復号された信号は後置フィルタ30を介して
出力手段31へ出力される。このように復号化された信号
に対して後置フィルタで帯域制限することによって、圧
縮によるブロック歪などの画質劣化を改善することが可
能になる。また符号化時に前置フィルタを用いている場
合には、その逆特性のフィルタを後置フィルタとして用
いることによって、符号化時に制限された帯域を再現す
ることが可能になる。

次に前置フィルタ手段25について説明する。第１の前
置フィルタ手段は、入力信号の垂直または水平または斜
めの高域成分を圧縮する。上記した本発明の伝送手段で
は、垂直または水平または斜めの高域成分を表す量子化
値が０になると大幅な圧縮が可能になる。同時に広域成
分の歪は視覚上検知されにくい。このためこのような前
置フィルタを用いることによって、画質劣化を抑えつつ
データ量を削減することが可能になる。

第２の前置フィルタ手段は、入力信号を水平垂直共に
低域、水平が高域で垂直が低域、水平が低域で垂直が高
域、水平垂直共に高域の４つの帯域に分割し、それぞれ
の帯域を独立に線形圧縮してから全ての帯域を加算す
る。この前置フィルタの実施例を第10図を用いて説明す
る。第10図の32はこのフィルタの入力手段、33は垂直低
域通過フィルタ（以後LPFという）、34、35は水平LPF、
36、37、38は減算器、39、40、41は線形圧縮手段、42は
加算器、43は出力手段である。

入力手段32から入力された信号は垂直LPF33で垂直方
向の低域成分に変換される。垂直LPF33の出力は減算器3
6で入力から減算される。これによって垂直LPF33の出力
が入力信号の垂直方向に低域成分を表し、減算器36の出
力信号の垂直方向の高域成分を表すことになる。同様に
これら２つの出力に対して水平LPF34、35および減算器3
7、38を用いて、更に水平方向に帯域を分割することが
できる。第11図は２次元帯域分割の説明図である。第10
図の水平LPF34の出力が第11図のLLで表される部分を示
し、第10図の減算器37の出力が第11図のLHで表される部
分を示し、第10図の水平LPF35の出力が第11図のHLで表
される部分を示し、第10図の減算器38の出力が第11図の
HHで表される部分を示している。

このように２次元上で４つの帯域に分割された帯域は
LL成分を除いて第10図の圧縮手段39、40、41で線形圧縮
される。各周波数毎に圧縮された成分は、加算器42で加
算されて１つの信号に戻されて出力手段43から出力され
る。このように帯域を２次元上で帯域分割してから圧縮
することによって、人間の視覚特性に合わせた帯域制限
が可能になる。特に視覚上劣化が検知されにくいHH成分
を大きく圧縮することによってデータ量を効率よく削減
することが可能になる。またこの前置フィルタでは線形
圧縮を用いているため、復号化時に後置フィルタによっ
て比較的簡単に帯域を復元することが可能である。

第３の前置フィルタ手段は、上記第２の前置フィルタ
手段において、各帯域の圧縮に非線形圧縮を用いるもの
である。人間の視覚は高域成分の大きな振幅の歪に対し
て鈍感である。このため非線形圧縮によって、大きな振
幅を持つ成分ほど大きな圧縮をする。これによって歪を
高域成分の大きな振幅を持つ成分に集中させることがで
きる。

第４の前置フィルタ手段は、上記第２または第３の前
置フィルタ手段において、帯域分割後に各帯域ごとに閾
値をもうけ、その閾値より小さい値を０に丸める。人間
の視覚では高域成分の小さな振幅が雑音として認識され
るため、その成分が除去されても影響が小さい。そこで
閾値より小さな成分を除去することによって、不要な情
報量を減少させることができる。

第５の前置フィルタ手段は、上記の前置フィルタ手段
の周波数特性を、既に直交変換符号化したデータの量子
化情報によって制御するものである。直交変換符号化で
量子化幅の大きな量子化器が選択されている場合には、
入力の情報量が大きく、圧縮による歪が大きいことを表
している。逆に量子化幅の小さな量子化器が選択されて
いる場合には、入力の情報が小さく、圧縮による歪が小
さいことを表している。そこで過去に選択されている量
子化幅が大きい場合には、前置フィルタによる帯域制限
を強めて入力情報量を削減する。逆に過去に選択されて
いる量子化幅が小さい場合には、前置フィルタによる帯
域制限を少なく前置フィルタによる歪を減らすことがで
きる。これによって入力情報量の小さい画像ではより忠
実に符号化し、入力情報量の大きい画像では前置フィル
タによって視覚上の劣化を抑えることが可能になる。

次に後置フィルタ手段30について説明する。第１の後
置フィルタ手段は、入力信号の垂直または水平または斜
めの高域成分を圧縮または伸張する。直交変換符号化で
は量子化歪の影響が小ブロック間にブロック歪として現
れる。そこで後置フィルタによってブロック境界の高域
成分を圧縮することによってブロック歪を改善すること
が可能になる。また符号化時に前置フィルタで帯域制限
している場合には、逆に高域成分を伸張することによっ
て制限された帯域を再現することも可能になる。

第２の後置フィルタ手段は、フィールド間またはフレ
ーム間にわたる信号を用いてフィルタリングする。これ
によってフィールド間やフレーム間の差分信号を抑圧す
るフィルタを構成できる。これによって動きの小さい動
画では圧縮による歪を大幅に削減することが可能にな
る。

第３の後置フィルタ手段は、入力信号を水平垂直共に
低域、水平が高域で垂直が低域、水平が低域で垂直が高
域、水平垂直共に高域の４つの帯域に分割し、それぞれ
の帯域を独立に線形圧縮または伸張してから全ての帯域
を加算する。この後置フィルタの構成は第10図の前置フ
ィルタと同じ回路で実現できる。このように帯域を分割
してから圧縮することによってより視覚特性に合わせた
圧縮歪の除去が可能になる。また上記第２の前置フィル
タ手段を用いている場合には、その逆特性で各帯域を伸
張することによって制限された帯域を再現することも可
能になる。

第４の後置フィルタ手段は、上記第３の後置フィルタ
手段において、各帯域の伸張に非線形伸張を用いるもの
である。第３の後置フィルタのように高域成分を線形伸
張すると、ブロック歪も増幅する場合がある。そこで小
さい高域成分に対しては伸張せずに、大きい広域成分だ
けを伸張する非線形伸張を行なう。

一般にブロック歪の振幅成分は小さいため、この方法
によってブロック歪を増幅させずに帯域を復元すること
が可能になる。

第５の後置フィルタ手段は、上記第２、第３または第
４の後置フィルタ手段において、帯域分割後に各帯域ご
とに閾値をもうけ、その閾値より小さい値を０に丸め
る。人間の視覚では高域成分の小さな振幅が雑音として
認識されるため、その成分が除去されても影響が小さ
い。そこで閾値より小さな成分を除去することによっ
て、不要な情報を減少させることができる。また同時に
ブロック歪の除去も可能になる。

第６の後置フィルタ手段は、上記の後置フィルタ手段
の周波数特性を、伝送されたデータの量子化情報によっ
て制御するものである。直交変換符号化で量子化幅の大
きな量子化器が選択されている場合には、量子化歪が大
きいことになる。このため後置フィルタによる帯域制限
などを高めることによって、量子化歪の影響を削減する
ことが可能になる。逆に量子化幅の小さな量子化器が選
択されている場合には圧縮による歪が小さいことを表し
ている。そこで帯域制限を小さくして後置フィルタによ
る歪を減らすことができる。また符号化時に上記第５の
前置フィルタを用いている場合には、選択された量子化
器によってどのような前置フィルタを用いたかを推定で
きる。そこで後置フィルタによって前置フィルタと逆特
性のフィルタを用いることによって、制限された帯域を
復元することが可能になる。

発明の効果 上記のようにして本発明では、量子化の前にデータ量
を見積ることによって、常に最適な量子化器を選択する
ことが可能になる。また従来のフィードバック制御と違
い、データ量の制御が正確に行えるため、小さな範囲で
一定長になるような可変長符号化が可能になる。これに
よってディジタルVTR等伝送路誤りが頻繁に発生するよ
うな機器にも可変長符号化を用いることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の直交変換符号化装置の一実施例のブロ
ック図、第２図は同実施例における２次元直交変換手段
のブロック図、第３図は同実施例における２次元直交変
換された直交成分の説明用構成図、第４図は同実施例の
第１の伝送手段の説明用構成図、第５図は別実施例の第
２の伝送手段の説明用構成図、第６図は別実施例の第３
の伝送手段の説明用構成図、第７図は同実施例の第１、
第３の伝送手段の具体例を示す構成図、第８図は別実施
例の前置フィルタのブロック図、第９図は別実施例の後
置フィルタのブロック図、第10図は別実施例の前置フィ
ルタの回路図、第11図は同実施例の前置フィルタの帯域
分割の説明用構成図、第12図は従来直交変換符号化装置
のブロック図である。 ８……入力手段、９……大ブロック化手段、10……小ブ
ロック化手段、11……直交変換手段、12……バッファ手
段、13……データ見積り手段、14……量子化手段選択手
段、15……量子化手段、16……可変長符号化手段、17…
…伝送手段、18……出力手段。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号の標本値を集めて小ブロックを構
   成し、前記小ブロック毎に直交変換する直交変換手段
   と、 前記直交変換手段で得られる直交成分に対して量子化を
   行う複数種類の量子化手段と、 前記各量子化手段で量子化した場合の符号化後の小ブロ
   ック毎のデータ量を計算するデータ量見積り手段と、 前記データ量見積り手段で得られるデータ量を用い、あ
   る一つの小ブロックの前記複数の量子化手段でそれぞれ
   量子化したデータ量のうち一つを選択し、これを各小ブ
   ロック毎に行い足し合わせることにより大ブロック単位
   のデータ量を求め、この大ブロック単位のデータ量と所
   定のデータ量と比較し、前記大ブロック単位のデータ量
   と前記所定のデータ量がほぼ等しくなるときの各小ブロ
   ックのデータ量に対応する量子化手段を求める量子化手
   段選択手段と、 前記量子化手段選択手段で選択された量子化手段を用い
   て前記直交成分を量子化するとともに、この量子化によ
   って得られる量子化値を可変長符号化する可変長符号化
   手段と、 前記可変長符号化手段で可変長符号化された符号語と前
   記量子化手段のうちいずれを用いたかを表す信号とを伝
   送する伝送手段とを備え、 前記可変長符号化手段は、前記小ブロック内の量子化値
   を水平、垂直共に１番低い周波数成分を表す量子化値か
   ら水平、垂直共に１番高い周波数成分を表す量子化値ま
   で、低い周波数を表す量子化値に対する符号語から順に
   並べ、しかも量子化値が０である場合にはそれ以後連続
   する０の量子化値の数と、最初に現れる非０量子化値を
   まとめて符号化するとともに、非０の最も高い周波数を
   表す量子化値より後の符号語は終了信号で置き換えるこ
   とを特徴とする符号化装置。
2. 【請求項２】大ブロックは、TV信号において、フィール
   ド内の信号だけまたは連続する複数フィールド間の信号
   で構成することを特徴とする請求項１記載の符号化装
   置。
3. 【請求項３】大ブロックは、画面上で隣接する信号から
   構成することを特徴とする請求項１記載の符号化装置。
4. 【請求項４】大ブロックは、画面上の様々な位置の信号
   から構成することを特徴とする請求項１記載の符号化装
   置。
5. 【請求項５】大ブロックは、入力信号が輝度信号と色差
   信号またはＲ、Ｇ、Ｂで構成されている場合に、輝度信
   号と色差信号またはＲ、Ｇ、Ｂがほぼ同一の割合で混在
   した形で構成することを特徴とする請求項１記載の符号
   化装置。
6. 【請求項６】小ブロックは、TV信号において、フィール
   ド内の信号だけまたは連続する複数フィールド間の信号
   で構成することを特徴とする請求項１記載の符号化装
   置。
7. 【請求項７】小ブロックは、フィールド間の画像の動き
   が大きい場合には１フィールド内の信号だけで構成し、
   動きが小さい場合には小ブロックを連続する複数フィー
   ルド間の信号で構成することを特徴とする請求項１記載
   の符号化装置。
8. 【請求項８】直交変換手段は、水平方向、垂直方向、時
   間軸方向を含めた３次元直交変換であることを特徴とす
   る請求項１記載の符号化装置。
9. 【請求項９】量子化手段が、高域を表す直交成分に対し
   て大きな量子化幅を割り当て、低域を表す量子化成分ほ
   ど小さな量子化幅を割り当てることを特徴とする請求項
   １記載の符号化装置。
10. 【請求項１０】データ量見積り手段が、ある量子化手段
    に対する符号化後のデータ量を、可変長符号化によって
    生成される符号語の符号長を加算していくことによって
    計算することを特徴とする請求項１記載の符号化装置。
11. 【請求項１１】入力信号の標本値を集めて小ブロックを
    構成し、 前記小ブロック毎に直交変換して得られる直交成分に対
    して複数種類の量子化手段で量子化をし、 前記量子化毎に符号化後のデータ量を見積り、 前記データ量を用い、ある一つの小ブロック直交成分に
    ついて前記複数種類の量子化をそれぞれ行って得られた
    データ量のうち一つを選択し、これを各小ブロック毎に
    行って足し合わせることにより大ブロック単位のデータ
    量を求め、この大ブロック単位のデータ量と所定のデー
    タ量と比較し、前記大ブロック単位のデータ量と前記所
    定のデータ量がほぼ等しくなるときの各小ブロックのデ
    ータ量に対応する量子化手段を求め、 求められた前記量子化手段で前記直交成分を量子化する
    とともに、この量子化によって得られる量子化値を可変
    長符号化する符号化方法であり、 前記可変長符号化する際、前記小ブロック内の量子化値
    を水平、垂直共に１番低い周波数成分を表す量子化値か
    ら水平、垂直共に１番高い周波数成分を表す量子化値ま
    で、低い周波数を表す量子化値に対する符号語から順に
    並べ、 しかも量子化値が０である場合にはそれ以後連続する０
    の量子化値の数と、最初に現れる非０量子化値をまとめ
    て符号化するとともに、非０の最も高い周波数を表す量
    子化値より後の符号語は終了信号で置き換えることを特
    徴とする符号化方法。