JP2875256B2 - 画像信号の符号化方法 - Google Patents

画像信号の符号化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、静止画フアイルや動画像の伝送において、
高能率のフアイリングや伝送を実現する画像符号化方式
に関するものである。 〔従来の技術〕 従来の画像符号化装置に用いられる符号化方式のなか
で、符号化効率やS/Nの面で極めて優れた方式のひとつ
に、直交変換とブロツク符号化を組合せた方式がある。 この方式は、ブロツク内の画像信号を2次元の周波数
成分に変換した場合に、次数の低い項(平均値に相当す
る直流項)の近くに電力が集中することを利用したもの
であり、直交変換の手法としてはDCT(デイスクリート
コサイン トランスフオーム:Discrete Cosine Trans
form)がよく用いられている。 一般に、静止画の階層的符号化方式では、検索の時間
を短縮するため、前記直交変換の係数をブロツクの低次
の項から復号することにより、画像が徐々に鮮明になる
表示法をとつている。また、動画像通信でも、伝送レー
トが低い場合には、伝送フレーム数を確保するため、前
記の変換係数のうち低次の項のみを伝送することがあ
る。 このとき例えば直流項のみを復号・表示するとブロツ
ク内の信号は一定の値となるため、ブロツクの境界に段
差(いわゆるブロツク歪)を生じ、これらを除去するた
めの後置フイルタが必要となつた。この後置フイルタは
復号された画像信号を入力とする2次元の空間フイルタ
であるため、そのタツプ数が多くなり、回路規模も大き
なものとなつた。また、このフイルタの特性を前記のブ
ロツク歪の程度(表示する変換係数の次数による)によ
つて、アダプテイブに切替えるための制御も必要にな
り、回路が複雑になるという欠点があつた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明の目的は、このような後置フイルタを用いず
に、前記のブロツク歪を除去ないしは軽減することが可
能な画像符号化方式を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明では、前記変換係数
のうち未だ伝送されていない係数を変数とおき、逆直交
変換により画像信号に復元した場合に、ブロツクの境界
で滑らかに連続するような条件のもとで前記係数の値を
求めた後、復号を行なつている。このとき変数の数に等
しく境界条件が与えられた場合、連立方程式を解くこと
により、前記変数は唯一の解をもつことになる。この解
は、具体的には前記変数の次数に固有なマトリクスと、
境界条件により決まるベクトルの積により表わされる。
したがつて、前記直交変換と同様の手段により、この解
を容易に求めることが可能になる。 〔実施例〕 以下、本発明の第1の実施例について、第1図,第2
図,第3図,第4図および第5図を用いて詳細に説明す
る。 第1図は、静止画フアイルのブロツク符号化装置の構
成を示す構成図である。 はじめにカメラの画像信号を例えば光デイスクや磁気
デイスク等のフアイルへ転送する手段について説明す
る。 カメラ1の画像信号は、A/D変換器2と輝度信号
(Y)と色信号(C)の分離を行なうYC分離回路3によ
り、空間的にサンプリングされた信号Y(x,y),I(x,
y),Q(x,y)に変換され、フレームメモリ4に書き込ま
れる。この信号は第2図(a)のように、8×8画素か
らなるブロツクに分割され、ブロツク毎に、直交変換回
路5により前記のDCT等の直交変換が施される。変換後
の8×8個の係数KY(8,8)KI(8,8),KQ(8,8)は、
係数用のフレームメモリ6に転送される。このとき次式
が成立する。 ここでTは8×8のマトリクスであり、 直交変換回路5は、乗算器と加算器およびレジスタ等
で構成される。これらの係数は、制御回路7からの指令
により、演算回路8で量子化や可変長符号化等の処理が
施されて、デイスク用インターフエイス回路9を経由し
てデイスク装置10に書き込まれる。この可変長符号につ
いて以下補足説明する。 直交変換後の係数は、第2図(b)のように8×8の
マトリクスである。K(1,1)はブロツクの平均値(正
確にはDCTの場合K(1,1)/8)に相当する直流項であ
り、右あるいは下になるほど高い空間周波数を示す高次
の項となる。一般の画像では低次の項に大きな係数が集
中し、高次の項は小さい値となることが多い。したがつ
てこの性質を利用して高次の項の量子化を粗くしたり、
係数ごとに出現頻度の高いものに短い符号、逆に長いも
のに短い符号を割り当てる可変長符号を用いることがあ
る。これにより画像を高能率に伝送したり、フアイリン
グすることが可能になる。 次にデイスク装置10から静止画フアイルを読み出す手
段について説明する。 書き込み時に可変長符号化された信号は、演算回路8
により元の直交変換係数に戻される。このときいわゆる
階層的符号化の手法により、各ブロツクの直流項k(1,
1)から復号される。これにより画像が徐々に鮮明に表
示されるようになり、検索時間等の大幅な削減が実現で
きる。 一般の場合、直流項k(1,1)が読み出されると、他
の63個の係数を0として、係数フレームメモリ11に1フ
レーム分転送される。この係数は逆直交変換回路12によ
り、画像信号に復元され、フレームメモリ13に書き込ま
れる。このフレームメモリ13から同時に読み出されるY,
I,Qの信号は、エンコーダ14によりコンポジツト信号に
変換され、さらにD/A変換器15によりアナログ信号とし
て出力されて、モニタ16に表示される。さらに、一般の
回線を用いて静止画の伝送を行なう場合には、回線イン
タフエイス17を介して効率よく圧縮された画像信号(例
えば係数の可変長符号等)が伝送される。 本実施例では、直流項k(1,1)を復号して表示する
場合に、他の63個の係数のうちk(i,j)(i,j=1,2,
3、ただしi=j=1を除く)の8係数を、隣接するブ
ロツクの直流項から計算して、ブロツクの境界で滑らか
につながるようにしている。以下その詳細について説明
する。 式(1)から、逆直交変換に関する次式が成立する。 したがつて、既知の直流項と8個の変数k(i,j)
(i,j=1,2,3)以外の56個の係数を0とおいて、Y,I,Q
を上記の8変数の線形結合により表わすことができる。
したがつて、ブロツク内の8点の値が与えられるなら
ば、上記の係数は連立方程式により求めることが可能に
なる。例えば第3図に示すように、ブロツク境界上の4
辺の中点と4偶の値がAL,AR,AT,ATL,ATR,ABL,ABR
で与えられるとき、次式が成立する。 ここで境界上の8点の値は、第4図に示すように、隣
接する8ブロツクの直流項KL,KR,KT,KB,KTL,KTR
KBL,KBRから決定する。例えば最も単純な方法として、
辺の中点は隣接する2ブロツク、4偶は、隣接する4ブ
ロツクの平均値を用いる方法がある。すなわち次の式が
成立する。 この場合、上記の8点で隣接するブロツクと滑らかに
接続することがわかる。しかしながら、平均値を用いる
と、極大もしくは極小となるブロツクでK(3,2),K
(2,3),K(3,3)等、比較的高次の項が大きな値とな
り、ブロツクの中央に急峻なピークやデイツプがあらわ
れることがある。これを防ぐためには、ブロツク境界の
8点の値を、よりきめ細かく選定するのが効果的であ
る。例えば第5図(a),(b),(c)のように、辺
の中点は周辺の12ブロツク、4偶は16ブロツクの平均値
を荷重加算して決定する手法である。このようなフイル
タリング操作により、比較的低次の係数が大きく、高次
の係数が小さくなるため、上記のピーク、デイツプの問
題は解決できる。 以上の実施例では、境界上の8点で滑らかに接続する
手法について述べたが、変数となる係数をK(2,1),K
(3,1),K(1,2),K(1,3)の4つとし、ブロツクの辺
の中点で、隣接するブロツクの平均値とする方法もあ
る。この場合、各係数は次のようになる。 このように極めて簡単な計算により4係数を求めるこ
とができ、ブロツクの4偶に若干の歪が残るものの、画
質を著しく改善することが可能になる。 以上の説明では、直流項から比較的低次の項を求める
手法について述べたが、信号の処理能力に余裕がある場
合には、比較的低次の項から、より高次の項を計算し
て、ブロツク歪を除去することもできる。例えばK(i,
j)(i,j=1,2,3)の項が既知の場合に、より高次の項
を変数とおき、ブロツクの境界上に変数と同数の点を設
定して、この点で滑らかに接続するよう上記変数を決定
することも可能である。 次に、第2の実施例について第6図を用いて説明す
る。 第6図は、動画像伝送の符号化装置の構成を示す構成
図である。(a)は符号化部、(b)は復号化部であ
る。 符号化部では動き補償フレーム間符号化を行なつてい
る。すなわち、既に伝送済のフレームの内容と、これか
ら伝送しようとするフレームの内容について、ブロツク
毎に動き量を測定し、最も相関が強くなる場合につい
て、フレーム(正確にはブロツク)間の差信号を直交変
換し、この係数と動きベクトルを符号化して伝送するも
のである。この動き量を検出するのが動き検出回路18で
あり、動きベクトルは可変遅延回路19に送出される。フ
レームメモリ20から読み出された伝送済のフレームの内
容は、動き量が補償されて、減算回路21により伝送しよ
うとするフレームの内容との差が出力される。このフレ
ーム間差は、ブロツク単位に直交変換回路22で直交変換
され、変換後の係数は量子化回路23で量子化された後、
符号化回路24により動きベクトルとともにエントロピー
符号化されて、回線インタフエイス25を介して送出され
る。 また量子化回路23の出力は、逆量子化回路26に入力さ
れ、その出力(直交変換の係数)は係数演算回路27にお
いて第1の実施例と同様に、ブロツクの境界で滑らかに
連続するよう高次の項が決定され、逆直交変換回路28に
より、フレーム間の差信号に復号される。この差信号と
補償後のフレームメモリ20の内容が、加算回路29で加算
され、新しいフレームの信号としてフレームメモリ20に
書き込まれる。 第6図(b)は、復号部の構成を示したものであり、
伝送部における伝送済フレームと同一の内容が復元され
る。 すなわち、伝送された信号は回線インタフエイス30を
介して、可変長復号回路31により動きベクトルと量子化
された直交変換係数に復元される。この係数は逆量子化
回路32を経由して、送信側と同じ係数演算回路33に入力
され、ブロツクの境界で滑らかに連続するような処理が
施される。これらの係数は逆直交変換回路34によつて、
フレーム間の差信号に変換され、可変遅延回路35により
動き補償されたフレームメモリ36の内容と加算回路37で
加算されて完全なフレームの画像信号が復号される。 一般の動画像伝送では、伝送するフレーム数を確保す
るため、直交変換回路22から出力される係数のうち、低
次の項のみ伝送される場合が少なくない。このため、フ
レーム間の差信号にブロツク歪が生じ、画質上有益な妨
害となる。しかしながら本実施例では、直交変換係数の
低次の項から高次の項を計算して、これらのブロツク歪
を除去ないしは軽減することが可能になる。 さらに、動き補償フレーム間符号化装置で、復号され
た画像信号のレベルでフレーム間の演算を行なうのでは
なく、直交変換後の係数のレベルでフレーム間演算を行
なうことが可能である。この場合にも、第1の実施例と
同様の手法により、ブロツク歪を除去することが可能で
ある。 〔発明の効果〕 以上の説明で明らかなように、本発明によればブロツ
ク符号化と直交変換を組み合わせた符号化装置におい
て、ブロツク間の境界に生じるブロツク歪を、直交変換
係数の簡単な演算により除去ないしは軽減することが可
能になり、画像信号に復号した後の後置フイルタが不要
となるため、回路を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の第1の実施例である静止画フアイルブ
ロツク符号化装置の構成を示すブロツク図、第2図はブ
ロツク符号化と直交変換係数の関係を示す概念図、第3
図,第4図,第5図は、それぞれブロツクの境界上の接
続点、隣接ブロツクの直流項、接続点の値を計算するフ
イルタの一例を示す概念図、第6図は、本発明の第2の
実施例である動き補償フレーム間符号化装置の符号化部
および復号化部の構成を示すブロツク図である。 1……カメラ、2……A/D変換器、3……YC分離回路、
4……フレームメモリ、5……直交変換回路、6……係
数フレームメモリ、7……制御回路、8……演算回路、
9……デイスク用インタフエイス、10……デイスク装
置、11……係数フレームメモリ、12……逆直交変換回
路、13……フレームメモリ、14……エンコーダ、15……
D/A変換器、16……モニタ、17……回線インタフエイ
ス、18……動き検出回路、19……可変遅延回路、20……
フレームメモリ、21……減算回路、22……直交変換回
路、23……量子化回路、24……符号化回路、25……回線
インタフエイス、26……逆量子化回路、27……係数演算
回路、28……逆直交変換回路、29……加算回路、30……
回線インタフエイス、31……可変長復号回路、32……逆
量子化回路、33……係数演算回路、34……逆直交変換回
路、35……可変遅延回路、36……フレームメモリ、37…
…加算回路。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04N 7/24 - 7/68 H04N 1/41 - 1/419

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.画像信号を複数のブロックに分割し、各ブロック毎
    に直交変換を行う画像信号の符号化方法において、 上記各ブロックの直交変換係数を画像信号へ復号する際
    に、復号対象のブロックと他のブロックの双方の各直交
    変換係数のうち伝送された項を用いて、上記復号対象の
    ブロックの直交変換係数のうち伝送されていない項の一
    部を計算し、 上記復号対象のブロックの直交変換係数の上記伝送され
    た項と上記計算した伝送されていない項とを用いて、逆
    直交変換することを特徴とする画像信号の符号化方法。 2.画像信号を複数のブロックに分割し、各ブロック毎
    に直交変換を行う画像信号の符号化方法において、 上記各ブロックの直交変換係数を画像信号へ復号する際
    に、復号対象のブロックと他のブロックの双方の各直交
    変換係数のうち伝送された項を用いて、上記復号対象の
    ブロックの外周上の複数の点の値を求め、 上記求めた複数の点の値を用いて、上記復号対象のブロ
    ックの直交変換係数のうち伝送されていない項の一部を
    計算し、 上記復号対象のブロックの直交変換係数の上記伝送され
    た項と上記計算した伝送されていない項とを用いて、逆
    直交変換することを特徴とする画像信号の符号化方法。 3.画像信号を複数のブロックに分割し、各ブロック毎
    に直交変換を行う画像信号の符号化方法において、 上記各ブロックの直交変換係数を画像信号へ復号する際
    に、復号対象のブロックと復号対象に対し少なくとも上
    下左右に位置する4つのブロックの双方の各直交変換係
    数のうち伝送された項を用いて、上記復号対象のブロッ
    クの少なくとも4辺の中点の値を求め、 上記求めた4辺の中点の値を用いて、上記復号対象のブ
    ロックの直交変換係数のうち少なくとも4つの伝送され
    ていない項を計算し、 上記復号対象のブロックの直交変換係数の上記伝送され
    た項と上記計算した少なくとも4つの伝送されていない
    項とを用いて、逆直交変換することを特徴とする画像信
    号の符号化方法。 4.画像信号を複数のブロックに分割し、各ブロック毎
    に直交変換を行う画像信号の符号化方法において、 上記各ブロックの直交変換係数を画像信号へ復号する際
    に、復号対象のブロックと復号対象に対し隣接する8つ
    のブロックの双方の各直交変換係数のうち伝送された項
    を用いて、上記復号対象のブロックの4隅の点と4辺の
    中点の値を求め、 上記求めた4隅の点と4辺の中点の値を用いて、上記復
    号対象のブロックの直交変換係数のうち8つの伝送され
    ていない項を計算し、 上記復号対象のブロックの直交変換係数の上記伝送され
    た項と上記計算した8つの伝送されていない項とを用い
    て、逆直交変換することを特徴とする画像信号の符号化
    方法。 5.前記伝送された項が、直流項であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項に記載の画像信号の符号化方
    法。
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