JP2840679B2 - 高能率符号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ディジタルテレビジョン信号等の画像デ
ータの１画素当たりのビット数を圧縮するための高能率
符号化装置に関する。

〔従来の技術〕

ビデオ信号の符号化方法として、伝送帯域を狭くする
目的でもって、１画素当たりの平均ビット数又はサンプ
リング周波数を小さくするいくつかの高能率符号化方法
が知られている。

本願出願人は、特開昭61-144989号公報に記載されて
いるような、２次元ブロック内に含まれる複数画素の最
大値及び最小値により規定されるダイナミックレンジを
求め、このダイナミックレンジに適応した符号化を行う
高能率符号化装置を提案している。また、特開昭62-926
20号公報に記載されているように、複数フレームに夫々
含まれる領域の画素から形成された３次元ブロックに関
してダイナミックレンジに適応した符号化を行う高能率
符号化装置が提案されている。更に、特開昭62-128621
号公報に記載されているように、量子化を行った時に生
じる最大歪が一定となるようなダイナミックレンジに応
じてビット数が変換する可変長符号化方法が提案されて
いる。

第７図は、先に提案されているダイナミックレンジに
適応した符号化方法（ADRCと称する）の説明に用いるも
のである。ダイナミックレンジDR（最大値MAXと最小値M
INの差）が例えば（８ライン×８画素＝64画素）からな
る２次元的なブロック毎に算出される。また、入力画素
データからそのブロック内で最小のレベル（最小値）が
除去される。この最小値除去後の画素データが代表レベ
ルに変換される。この量子化は、元の量子化ビット数よ
り少ないビット数例えば２ビットと対応する４個のレベ
ル範囲A0〜A3に検出されたダイナミックレンジDRを分割
し、ブロック内の各画素データが属するレベル範囲を検
出し、このレベル範囲を示すコード信号を発生する処理
である。

第７図では、ブロックのダイナミックレンジDRが４個
のレベル範囲A0〜A3に分割されている。最小のレベル範
囲A0に含まれる画素データが（00）と符号化され、レベ
ル範囲A1に含まれる画素データが（01）と符号化され、
レベル範囲A2に含まれる画素データが（10）と符号化さ
れ、最大のレベル範囲A3に含まれる画素データが（11）
と符号化される。従って、各画素の８ビットのデータが
２ビットに圧縮されて伝送される。

受信側では、受信されたコード信号が代表レベルL0〜
L3に復元される。この代表レベルL0〜L3は、レベル範囲
A0〜A3の夫々の中央のレベルである。

上述のダイナミックレンジに適応した符号化方法は、
リンギング、インパルス性の雑音によってブロック歪が
発生する問題があった。第８図はブロック歪の発生を説
明するための図である。第８図では、説明の簡単のた
め、１次元ブロック即ち、水平方向の所定数のサンプル
により形成されたブロックについてのデータの変化がア
ナログ波形として表されており、受信側の復元値が破線
で示されている。

ビデオカメラの撮像出力には、第８図に示すように、
レベル変化が急峻なエッジ付近で小レベルのリンギング
が発生していることが多い。このリンギングが含まれる
ブロックでは、リンギングのピーク値が最大値MAX1とし
て検出され、最小値MIN1とで決定されるダイナミックレ
ンジDR1に適応して符号化がされる。次のブロックで
は、リンギングが集束しているために、最大値が下が
り、最小値MIN1及び下がった最大値で定まるダイナミッ
クレンジに適応して符号化がされる。従って、これらの
二つのブロック間で輝度レベルの差が生じ、ブロック歪
が発生する。インパルス性の雑音の場合にも同様の理由
でブロック歪が発生する。上述のブロック歪の輝度レベ
ルの差は小さいが、ある程度の面積を持つので、視覚的
に目立つ問題があった。

上述のリンギング、インパルス性のノイズによるブロ
ック歪の発生の問題を解決するために、本願出願人は、
特開昭63-59187号公報に記載されているように、ブロッ
ク構造に変換された入力データに対し前処理を行う方式
を提案している。即ち、ダイナミックレンジをADRCの量
子化ビット数で等分した時の最大レベル範囲（第７図に
おけるA3）に含まれる入力データの平均値MAX′と、最
小のレベル範囲（第７図におけるA0）に含まれる入力デ
ータの平均値MIN′とを検出し、第９図に示すように、
これらの平均値MAX′とMIN′とを夫々復元レベルL3及び
L0とするように量子化がされる。第７図に示すように、
代表レベルL0〜L3が最大値MAX及び最小値MINを含まず、
各レベル範囲の中央値とされる量子化は、ノンエッジマ
ッチングと称され、第９図に示すように、平均値MAX′
及びMIN′を含む量子化は、エッジマッチングと称され
る。

上述のノンエッジマッチングで前処理して、エッジマ
ッチングで量子化するADRCは、第８図において、リンギ
ングが含まれているブロックでも、最大値がリンギング
のピークではなく、平均値MAX′に変えられ、同様に最
小値がMIN′に変えられる。このMAX′及びMIN′で定ま
る修整されたダイナミックレンジDR′の中でエッジマッ
チングの量子化がされるので、復元レベルが隣接ブロッ
クの復元レベルと差が少なくなり、ブロック歪の発生が
防止される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のADRCにおいて、ダイナミックレンジが大きかっ
たり、量子化ビット数が少ない時には、最大レベル範囲
或いは最小レベル範囲の幅が大きくなり、これらのレベ
ル範囲に含まれるデータの平均値（MAX′或いはMIN′）
が代表レベルL3又はL0と殆ど同じレベルとなり、前処理
の効果が少なくなる問題が生じた。

従って、この発明の目的は、リンギング、インパルス
性のノイズ等によりブロック歪が発生することを防止す
るために、前処理が効果的になされるように改良された
高能率符号化装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、ディジタル画像信号の２次元ブロック又
は時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の領
域からなるブロック内に含まれる複数の画素データの最
大値MAX及び最小値MINを求める最大値、最小値検出回路
３と、 最大値MAXから、量子化ステップ幅よりも小さい値に
設定された固定レベルΔまでの最大レベル範囲に含まれ
る入力画像データを抽出する回路５、７、10と、 最小値MINから、量子化ステップ幅よりも小さい値に
設定された固定レベルΔまでのの最小レベル範囲に含ま
れる入力画像データを抽出する回路６、８、11と、 最大レベル範囲に含まれる入力画像データの第１の平
均値MAX′及び最小レベル範囲A0に含まれる入力画像デ
ータの第２の平均値MIN′を形成する回路12、13と、 第２の平均値MIN′を複数の画素データの値から減算
し、最小値除去後の入力データPDIを形成する減算回路1
6と、 第１の平均値MAX′及び第２の平均値MIN′の差である
ダイナミックレンジDR′を算出する回路15と、 最小値除去後の入力データPDIを元の量子化ビット数
より少なく、且つダイナミックレンジDR′に応じて符号
化する量子化回路18とを備え、 上記ダイナミックレンジと関連する情報及び符号化コ
ードを伝送される。

〔作用〕

テレビジョン信号は、水平方向、垂直方向並びに時間
方向に関する３次元的な相関を有しているので、定常部
では、同一のブロックに含まれる画素データのレベルの
変化幅が小さい。従って、ブロック内の画素データが共
有する最小レベルを除去した後のデータを元の量子化ビ
ット数より少ない量子化ビット数により量子化しても、
量子化歪は、殆ど生じない。

また、最大値MAXとMAXからノイズレベルΔ低い値で規
定される最大レベル範囲及び最小値MINとMINからノイズ
レベルΔ高い値で規定される最小レベル範囲に夫々含ま
れる画素データの平均値MAX′及びMIN′を検出し、この
平均値を新たに最大値及び最小値として符号化を行うこ
とにより、リンギング、インパルス雑音等によりブロッ
ク歪が発生することが防止される。ノイズレベルΔによ
り最大レベル範囲及び最小レベル範囲を規定しているの
で、量子化ビット数が少ない時や、ダイナミックレンジ
が大きい時でも、ブロック歪の発生を確実に防止でき
る。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明
する。この発明は、下記の順序に従ってなされる。

a.送信側の構成 b.受信側の構成 c.バッファリング回路 d.変形例 a.送信側の構成 第１図は、この発明の送信側（記録側）の構成を全体
として示すものである。１で示す入力端子に例えば１サ
ンプルが８ビットに量子化されたディジタルビデオ信号
（ディジタル輝度信号）が入力される。このディジタル
ビデオ信号がブロック化回路２に供給される。

ブロック化回路２により、入力ディジタルビデオ信号
が符号化の単位である２次元ブロック毎に連続する信号
に変換される。この実施例では、１ブロックが第２図に
示すように、（８ライン×８画素＝64画素）の大きさと
されている。ブロック化回路２の出力信号が最大値、最
小値検出回路３及び遅延回路４に供給される。最大値、
最小値検出回路３は、ブロック毎に最小値MIN、最大値M
AXを検出する。遅延回路４は、最大値及び最小値が検出
されるのに要する時間、入力データを遅延させる。遅延
回路４からの画素データが比較回路５及び比較回路６に
供給される。

最大値、最小値検出回路３からの最大値MAXが減算回
路７に供給され、最小値MINが加算回路８に供給され
る。これらの減算回路７及び加算回路８には、ノイズレ
ベルに相当する値Δが端子９から供給される。この値Δ
は、例えば４ビットの固定長でノンエッジマッチングの
量子化を行った時の量子化ステップ幅（DR/16）より小
である。この例では、Δが固定値とされているが、入力
データのノイズレベルを検出し、ノイズレベルに応じて
変化させても良い。減算回路７からは、（MAX−Δ）の
しきい値が得られ、加算回路８からは、（MIN＋Δ）の
しきい値が得られる。これらの減算回路７及び加算回路
８のしきい値が比較回路５及び６に夫々供給される。

比較回路５の出力信号がANDゲート10に供給され、比
較回路６の出力信号がANDゲート11に供給される。ANDゲ
ート10及び11には、遅延回路４からの入力データが供給
される。比較回路５の出力信号は、入力データがしきい
値より大きい時にハイレベルとなり、従って、ANDゲー
ト10の出力端子には、（MAX〜MAX−Δ）の最大レベル範
囲に含まれる入力データの画素データが抽出される。比
較回路６の出力信号は、入力データがしきい値より小さ
い時にハイレベルとなり、従って、ANDゲート11の出力
端子には、（MIN〜MIN＋Δ）の最小レベル範囲に含まれ
る入力データの画素データが抽出される。

ANDゲート10の出力信号が平均化回路12に供給され、A
NDゲート11の出力信号が平均化回路13に供給される。こ
れらの平均化回路12及び13は、ブロック毎に平均値を算
出するもので、端子14からブロック周期のリセット信号
が平均化回路12及び13に供給されている。平均化回路12
からは、（MAX〜MAX−Δ）の最大レベル範囲に属する画
素データの平均値MAX′が得られ、平均化回路13から
は、（MIN〜MIN＋Δ）の最小レベル範囲に属する画素デ
ータの平均値MIN′が得られる。平均値MAX′から平均値
MIN′が減算回路15で減算され、減算回路15からダイナ
ミックレンジDR′が得られる。

また、平均値MIN′が減算回路16に供給され、遅延回
路17を介された入力データから平均値MIN′が減算回路1
6において減算され、最小値除去後のデータPD1が形成さ
れる。このデータPD1及び修整されたダイナミックレン
ジDR′が量子化回路18に供給される。この実施例では、
割り当てビット数ｎが０ビット（コード信号を伝送しな
い）、１ビット、２ビット、３ビット、４ビットの何れ
かとされる可変長のADRCで、エッジマッチングの量子化
がなされる。割り当てビット数ｎは、ブロック毎にビッ
ト数決定回路19で決定され、ビット数ｎのデータが量子
化回路18に供給される。

可変長ADRCは、ダイナミックレンジDR′が小さいブロ
ックでは、割り当てビット数ｎを少なくし、ダイナミッ
クレンジDR′が大きいブロックでは、割り当てビット数
ｎを多くすることで、効率の良い符号化を行うことがで
きる。即ち、割り当てビット数ｎを決定する際のしきい
値をT1〜T4（T1＜T2＜T3＜T4）とすると、（DR′＜T1）
のブロックは、コード信号が伝送されず、平均値MIN′
及びDR′のみが伝送され、（T1≦DR′＜T2）のブロック
は、（ｎ＝１）とされ、（T2≦DR′＜T3）のブロック
は、（ｎ＝２）とされ、（T3≦DR′＜T4）のブロック
は、（ｎ＝３）とされ、（DR′≧T4）のブロックは、
（ｎ＝４）とされる。

かかる可変長ADRCでは、しきい値T1〜T4を変えること
で、発生情報量を制御すること（所謂バッファリング）
ができる。従って、１フィールド或いは１フレーム当た
りの発生情報量を所定値にすることが要求される伝送路
例えばディジタルVTRに対しても、可変長ADRCを適用で
きる。

第１図において、20は、発生情報量を所定値にするた
めのしきい値T1〜T4を決定するバッファリング回路を示
す。バッファリング回路20では、後述のように、しきい
値の組（T1、T2、T3、T4）が複数例えば32組用意されて
おり、これらのしきい値の組がパラメータコードPi（ｉ
＝0,1,2,・・,31）により区別される。パラメータコー
ドPiの番号ｉが大きくなるに従って、発生情報量が単調
に減少するように、設定されている。但し、発生情報量
が減少するに従って復元画像の画質が劣化する。

バッファリング回路20からのしきい値T1〜T4が比較回
路21に供給され、遅延回路22を介されたダイナミックレ
ンジDR′が比較回路21に供給される。遅延回路22は、バ
ッファリング回路20でしきい値の組が決定されるのに要
する時間、DR′を遅延させる。比較回路21では、ブロッ
クのダイナミックレンジDR′と各しきい値とが夫々比較
され、比較出力がビット数決定回路19に供給され、その
ブロックの割り当てビット数ｎが決定される。量子化回
路18では、ダイナミックレンジDR′とビット数ｎとを用
いて遅延回路23を介された最小値除去後のデータPDIが
エッジマッチングの量子化によりコード信号DTに変換さ
れる。量子化回路18は、例えばROMで構成されている。

遅延回路22及び24を夫々介して修整されたダイナミッ
クレンジDR′、平均値MIN′がフレーム化回路25に供給
され、また、コード信号DT及びしきい値の組を示すパラ
メータコードPiがフレーム化回路25に供給される。フレ
ーム化回路25の出力端子26には、シリアルデータに変換
された伝送データが取り出される。フレーム化回路25で
は、必要に応じてエラー訂正符号の符号化が施されると
共に、同期信号が付加される。

b.受信側の構成 第３図は、受信（又は再生）側の構成を示す。入力端
子31からの受信データは、フレーム分解回路32に供給さ
れる。フレーム分解回路32により、コード信号DTと付加
コードDR′、MIN′、Piとが分離されると共に、エラー
訂正処理がなされる。

コード信号DTが復号化回路33に供給され、パラメータ
コードPi及びダイナミックレンジDR′が復号化回路33に
供給される。また、平均値MIN′が加算回路34に供給さ
れる。加算回路34には、復号化回路33の出力信号が供給
され、加算回路34の出力信号がブロック分解回路35に供
給される。復号化回路33は、送信側の量子化回路18の処
理と逆の処理を行う。即ち、パラメータコードPiで規定
されるビット数ｎとダイナミックレンジDR′とからコー
ド信号DTが代表レベルに復号され、このデータと８ビッ
トの平均値MIN′とが加算回路34により加算され、元の
画素データが復号される。

加算回路34の出力信号がブロック分解回路35に供給さ
れる。ブロック分解回路35は、送信側のブロック化回路
２と逆に、ブロックの順番の復元データをテレビジョン
信号の走査と同様の順番に変換するための回路である。
ブロック分解回路35の出力端子36に復号されたビデオ信
号が得られる。

c.バッファリング回路 第４図は、バッファリング回路20の一例を示す。バッ
ファリング回路20には、度数分布表及び累積度数分布表
を作成するために、41で示すメモリ（RAM）が設けら
れ、このメモリ41に対してマルチプレクサ42を介してア
ドレスが供給される。マルチプレクサ42の一方の入力と
して入力端子43からダイナミックレンジDR′が供給さ
れ、その他方の入力としてアドレス発生回路50からのア
ドレスが供給される。メモリ41には、加算回路44の出力
信号が入力され、メモリ41の出力データとマルチプレク
サ45の出力とが加算回路44で加算される。

加算回路44の出力がレジスタ46に供給され、レジスタ
46の出力がマルチプレクサ45及び比較回路47に供給され
る。マルチプレクサ45には、レジスタ46の出力の他に０
及び＋１が供給されている。発生情報量の演算動作がさ
れると、レジスタ46の出力に例えば１フレーム期間に発
生する情報量Aiが求められる。

比較回路47では、発生情報量Aiと端子48からの目標値
Ｑとが比較され、比較回路47の出力信号がパラメータコ
ード発生回路49及びレジスタ51に供給される。パラメー
タコード発生回路49からのパラメータコードPiがアドレ
ス発生回路50及びレジスタ51に供給される。レジスタ51
に取り込まれたパラメータコードPiが前述ようにフレー
ム化回路25に供給されると共に、ROM52に供給される。R
OM52は、アドレスとして入力されたパラメータコードPi
と対応するしきい値の組（T1i、T2i、T3i、T4i）を発生
する。このしきい値は、前述のように、比較回路21に供
給される。

第５図は、バッファリング回路20の動作を示すフロー
チャートである。最初のステップ61で、メモリ41、レジ
スタ46がゼロクリアされる。メモリ41のゼロクリアのた
めに、マルチプレクサ42がアドレス発生回路50で発生し
たアドレスを選択し、加算回路44の出力が常に０とされ
る。アドレスは、（0,1,2,・・・・,255）と変化し、メ
モリ41の全てのアドレスに０データが書き込まれる。

次のステップ62で、メモリ41にバッファリングのされ
る単位期間である１フレームのダイナミックレンジDR′
の度数分布表が作成される。マルチプレクサ42は、端子
43からのダイナミックレンジDR′を選択し、マルチプレ
クサ45が＋１を選択する。従って、１フレーム期間が終
了した時、ダイナミックレンジDR′と対応するメモリ41
の各アドレスに、各DR′の発生度数が記憶される。この
メモリ41の度数分布表は、第６図Ａに示すように、DR′
を横軸とし、度数を縦軸とするものである。

次に、度数分布表が累積度数分布表に変換される（ス
テップ63）。マルチプレクサ42がアドレス発生回路50か
らのアドレスを選択し、マルチプレクサ45がレジスタ46
の出力を選択する。アドレスが255から０に向かって順
次ディクレメントする。メモリ41の読み出し出力が加算
回路44に供給され、加算回路44でレジスタ46の内容と加
算される。加算回路44の出力がメモリ41の読み出しアド
レスと同一のアドレスに書き込まれると共に、レジスタ
46の内容が加算回路44の出力に更新される。メモリ41の
アドレスが255とされる初期状態では、レジスタ46がゼ
ロクリアされている。メモリ41の全アドレスに関して、
順次度数が累積がされた時に、メモリ41には、第６図Ｂ
に示す累積度数分布表が作成される。

この累積度数分布表に対してしきい値の組（T1i、T2
i、T3i、T4i）が適用された時の発生情報量Aiが演算さ
れる（ステップ64）。発生情報量Aiの演算時には、マル
チプレクサ42がアドレス発生回路50の出力を選択し、マ
ルチプレクサ45がレジスタ46の出力を選択する。パラメ
ータコード発生回路49は、P0らP31に向かって順次変化
するパラメータコードを発生する。パラメータコードPi
がアドレス発生回路50に供給され、（T1i、T2i、T3i、T
4i）の各しきい値と対応するアドレスが順次発生する。
各しきい値と対応するアドレスから読み出された値が加
算回路44とレジスタ46とで累算される。この累積値がパ
ラメータコードPiで指定されるしきい値の組が適用され
た時の発生情報量Aiである。つまり、第６図Ｂに示す累
積度数分布表において、しきい値T1、T2、T3、T4と夫々
対応するアドレスから読み出された値A1、A2、A3、A4の
合計値（A1＋A2＋A3＋A4）に対して、ブロック内の画素
数（64）を乗じた値は、発生情報量（ビット数）であ
る。但し、画素数は、一定であるため、第４図に示され
るバッファリング回路20では、64を乗算する回路が省略
されている。

この発生情報量Aiが目標値Ｑと比較される（ステップ
65）。（Ai≦Ｑ）が成立する時に発生する比較回路47の
出力がパラメータコード発生回路49及びレジスタ51に供
給され、パラメータコードPiのインクリメントが停止さ
れると共に、そのパラメータコードPiがレジスタ51に取
り込まれる。レジスタ51からのパラメータコードPiとRO
M52で発生したしきい値の組とが出力される（ステップ6
6）。

比較回路47における判定のステップ65で、（Ai≦Ｑ）
が成立しない時には、パラメータコードPiが次のものPi
＋１に変更され、Pi＋１に対応するアドレスがアドレス
発生回路50から発生する。上述と同様に発生情報量Ai＋
１が演算され、比較回路47で目標値Ｑと比較される。
（Ai≦Ｑ）が成立するまで、上述の動作が繰り返され
る。

d.変形例 以上の説明では、コード信号DTとダイナミックレンジ
DR′と平均値MIN′とを送信している。しかし、付加コ
ードとしてダイナミックレンジDR′の代わりに平均値MA
X′または量子化ステップ幅を伝送しても良い。

この発明は、可変長のADRCに限らず、固定長（例えば
量子化ビット数が常に４ビットである）のADRCに対して
も適用できる。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、リンギング、インパルス性のノイ
ズ等を含むブロックにおけるブロック歪の発生を防止で
きる。この発明では、ノイズレベルΔにより（MAX〜MAX
−Δ）の範囲の入力データの平均値MAX′が形成され、
また、（MIN〜MIN＋Δ）の範囲の入力データの平均値MI
N′が形成されるので、量子化ビット数が少ない時や、
ダイナミックレンジDRが大きい時でも、ブロック歪の発
生を効果的に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図はブ
ロックの一例の略線図、第３図は受信側の構成の一例を
示すブロック図、第４図はバッファリング回路の一例の
ブロック図、第５図及び第６図はバッファリング回路の
説明に用いるフローチャート及び略線図、第７図、第８
図及び第９図は量子化動作及びブロック歪の発生の説明
に用いる略線図である。 図面における主要な符号の説明 1:入力端子、3:最大値、最小値検出回路、7:減算回路、
8:加算回路、9:ノイズレベルに相当する値Δの入力端
子、12、13:平均化回路、18:量子化回路、20:バッファ
リング回路、25:フレーム化回路、26:出力端子。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ディジタル画像信号の２次元ブロック又は
   時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の領域
   からなるブロック内に含まれる複数の画素データの最大
   値及び最小値を求める手段と、 上記最大値から、量子化ステップ幅よりも小さい値に設
   定された固定レベルまでの最大レベル範囲に含まれる入
   力画像データを抽出する手段と、 上記最小値から、量子化ステップ幅よりも小さい値に設
   定された固定レベルまでの最小レベル範囲に含まれる入
   力画像データを抽出する手段と、 上記最大レベル範囲に含まれる入力画像データの第１の
   平均値及び上記最小レベル範囲に含まれる入力画像デー
   タの第２の平均値を形成する手段と、 上記第２の平均値を上記複数の画素データの値から減算
   し、最小値除去後の入力データを形成する手段と、 上記第１の平均値及び上記第２の平均値の差であるダイ
   ナミックレンジを算出する手段と、 上記最小値除去後の入力データを元の量子化ビット数よ
   り少なく、且つ上記ダイナミックレンジに応じて符号化
   する手段とを備え、 上記ダイナミックレンジに関連する情報及び上記符号化
   コードを伝送するようにしたことを特徴とする高能率符
   号化装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 上記固定レベルは、入力画像のノイズレベルに応じて設
   定されることを特徴とする高能率符号化装置。