JP2899432B2 - 動画データの圧縮符号化方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動画の記録・再生シス
テムなどに適用される動画データの圧縮符号化方式に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ゲーム用や教育用などのフレーム
構成の動画データにデータ量を圧縮するための符号化を
施しながらＣＤ−ＲＯＭなどの大容量の記録媒体に記録
し、再生する記録・再生システムが開発中である。

【０００３】データ圧縮のための符号化方式のうちの高
能率なものとして、離散コサイン変換（ＤＣＴ）などの
直交変換と、量子化と、可変長符号化とを順次施すハイ
ブリッド符号化方式が知られている。このハイブリッド
符号化方式の詳細については、必要に応じ本出願人が先
に出願した「ＤＣＴ−ＶＱ圧縮画像データの伝送方式」
と題する特願昭６２−３１３８５０号や、「ＤＣＴ圧縮
動画データの記録・再生方式」と題する特願平２−１８
４２４２号の明細書などを参照されたい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のハイブリッ
ド符号化方式では、画面の状態に応じたデータ量や圧縮
効率の変動などに伴って圧縮後のデータ量（発生符号
量）もフレームごとに変動する。このため、再生の際に
比較的大容量のバッファ回路とバッファリングのための
複雑な制御系が必要になるという問題がある。また、本
願発明の出願後に出願公開された特開平４−１３７９８
３号「動画像符号化方法及び装置」には、フレーム間ブ
ロック差分の変化量を基準にフレーム 内で量子化特性を
変更するようにした動画像符号化方法が開示されてい
る。この方法は、フレーム間ブロック差分を求め、この
値によって量子化ステップサイズを変更するタイミング
を決定するとともに、ブロック差分からフレーム間差分
を求め、この値によって次フレームの量子化ステップサ
イズ補正値を決定することを特徴とするものである。こ
の方法は、フレーム内において各領域の画素変化の度合
いに応じて量子化ステップサイズを変えることにより、
絵柄に応じた量子化特性をもってフレーム画質を均質化
するものであるが、フレーム間差分による符号化特性の
初期設定において実際の発生符号量が予測値から外れた
場合には、バッファ蓄積量が急激に増加してしまうた
め、画質を途端に劣化させてしまう危険を孕むものであ
り、また動画データを量子化する場合に、動画データに
含まれる交流成分の空間周波数が高くなるほど視覚特性
上からは量子化雑音に伴う画質の劣化が許容できる点に
着目したときに、交流成分の空間周波数に適応して量子
化ステップサイズを拡大する量子化手法が理に適うこと
は想像に難くないが、直交変換前の画素値に基づいてフ
レーム間差分を検出する前述の方法の場合、変換係数の
交流レベルを用いる方式に比べ、視聴者の視覚特性への
配慮に欠けるだけに、視聴者が視覚を通して感得する画
質を左右する量子化ステップサイズの決定に決定力を欠
くと言わざるを得ないといった課題を抱えるものであっ
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる動画デー
タの圧縮符号化方式は、直交変換に伴って発生する変換
係数の交流成分の振幅の大きさを反映する量を交流レベ
ルとして１フレーム単位で検出する交流レベル検出手段
と、この交流レベル検出手段において直前のフレームと
現フレームのそれぞれについて検出された交流レベルの
フレーム間差分Ｇを検出する交流レベルのフレーム間差
分検出手段と、各フレームについて実際に発生した圧縮
符号化後の符号量とその目標値である目標発生符号量と
の差分を発生符号量誤差Ｄとして検出する発生符号量誤
差検出手段と、発生符号量誤差Ｄを先頭フレームから現
フレームまで積算することにより積算発生符号量誤差Ｚ
を検出する積算発生符号量誤差検出手段と、先頭のフレ
ームについて検出された変換係数の交流レベルと目標発
生符号量との組合せから量子化ステップサイズに関する
スケーリングファクタｆの初期値を設定する初期値設定
手段と、上記発生符号量誤差Ｄ、積算発生符号量誤差Ｚ
及び交流レベルのフレーム間差分Ｇの線形和に基き直前
のフレームについて設定したスケーリングファクタｆを
調整するスケーリングファクタ調整手段と、このスケー
リングファクタ調整手段によって調整されたスケーリン
グファクタｆと前記変換係数の交流成分ごとに設定され
ている量子化マトリックス係数ｑとの積から上記量子化
時の量子化ステップサイズを算定する手段とを備えてい
る。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係わる動画データ
の圧縮符号化方式の方式概念図であり、ＩＮは圧縮対象
の動画データの入力端、１は離散コサイン変換（ＤＣ
Ｔ）部、２はフレームバッファ、３は可変量子化ステッ
プサイズの量子化部、４は可変長符号化部、５は符号量
制御部、ＯＵＴは圧縮済み符号化データの出力端であ
る。

【０００７】入力端ＩＮから供給されるフレーム構成の
動画データは、ＤＣＴ部１において１フレーム単位で複
数のブロックに分割され、各ブロックごとに離散コサイ
ン変換され、直流成分と交流成分を含む係数群に変換さ
れる。この離散コサイン変換の詳細については、必要に
応じて前述の各特許出願の明細書等を参照されたい。Ｄ
ＣＴ部１から出力される変換係数は、フレームバッファ
２を経て量子化部３に転送され、発生符号量などに応じ
て動的に変更される可変量子化ステップサイズのもとで
量子化される。この量子化の手法としては、上記特願昭
６２−９１３８５０号の明細書に開示されたようなベク
トル量子化の手法ではなく、上記特願平２−１８４２４
２号の明細書に開示されたような通常のスカラー量子化
の手法が適用される。量子化部３から出力される量子化
出力は、可変長符号化部４において可変長符号に変換さ
れ、出力端子ＯＵＴからＣＤ−ＲＯＭなどの記録装置に
供給される。

【０００８】符号量制御部５は、上記ＤＣＴ、量子化及
び可変長符号化の組合せによるハイブリッド符号化によ
って発生する１フレーム分の符号量を全てのフレームに
ついて同一値に設定される目標発生符号量の近傍に保つ
ように、量子化部３に設定する可変量子化ステップサイ
ズを、交流成分、目標符号量、発生符号量などに基き動
的に制御する。

【０００９】量子化部３への入力をＡ、量子化部３から
の出力をＡ’とすれば、量子化ステップサイズＱｓは次
式で定義される。 Ａ’≡Ａ／Ｑｓ ・・・・（１） ＤＣＴ係数の量子化に際しては、量子化ステップサイズ
Ｑｓを大きくするほど可変長符号化後の圧縮データの符
号量（ビット総量）が減少し、データの圧縮率が高ま
る。これは、量子化ステップサイズＱｓが増加するほど
量子化部３の出力Ａ’のレベルが低下することと、次段
の可変長符号化部４では出現頻度の低い低レベルの出力
Ａ’ほど短いビット数の符号が割当てられていることに
よる。このように、量子化ステップサイズＱｓが増大す
るほどデータ圧縮率が高まる反面、量子化雑音の増大に
伴って再生画面の画質が劣化する。従って、この量子化
ステップは、データ圧縮率と画質劣化の許容度とを勘案
して定める必要があるが、本発明の圧縮符号化方式では
さらに符号量の平滑化という点も勘案される。

【００１０】ところで、動画データについては、視聴者
の生理的特性上、交流成分の空間周波数が高くなるほど
量子化雑音に伴う画質の劣化が許容できることが知られ
ている。本実施例によれば、上記視覚上の特性に着目
し、交流成分の空間周波数が高くなるにつれて大きな値
となるように量子化ステップサイズＱｓが設定される。
このため、量子化ステップサイズＱｓを、次式に示すよ
うに、空間高調波の次数に依存する量子化マトリックス
係数ｑと量子化スケーリングファクタｆとに分解する。 Ｑｓ≡ｑ・ｆ／ｋ ・・・・（２） ただし、ｋは定数である。

【００１１】量子化マトリックス係数ｑとしては、図２
に示すように、空間高調波の次数（ｕ，ｖ）の増加につ
れて増加する固定的な値が設定される。さらに、この量
子化マトリックス係数ｑは、輝度信号（Ｙ）については
図２（Ａ）に例示するように比較的小さな値が、画質の
劣化の目立ちにくい色差信号（Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙ）につい
ては図２（Ｂ）に例示するように比較的大きな値が設定
される。符号量制御部５による量子化ステップサイズＱ
ｓの動的な制御は、量子化スケーリングファクタｆの動
的な制御によって実現される。

【００１２】この符号量制御部５は、交流レベル検出部
６、フレーム間差分検出部７ａ、１フレーム遅延部７
ｂ、発生符号量計数部８ａ、発生符号量誤差検出部８
ｂ、積算発生符号量誤差検出部９、初期値設定部１０、
調整係数算定部１１、スケーリングファクタ調整部１２
ａ及び量子化ステップサイズ設定部１２ｂから構成され
ている。

【００１３】上記符号量制御部５内の交流成分検出部６
は、フレームバッファ２から１フレーム分の変換係数を
読出して全ての交流成分の絶対値の総和を算定し、その
フレームの交流成分として検出する。フレーム間差分検
出部７ａは、交流成分検出部６から直接供給される現フ
レームの交流成分Ｇ（ｎ）を１フレーム遅延部７ｂを介
して供給される直前のフレームの交流成分Ｇ（ｎ−１）
から減算することにより、交流成分のフレーム間差分Ｇ
を算定し、調整係数算定部１１に供給する。

【００１４】発生符号量計数部８ａは、各フレームにつ
いて実際に発生した符号量（圧縮符号化後のデータのビ
ット総量）を計数し、発生符号量誤差検出部８ｂへと出
力する。発生符号量誤差検出部８ｂは、計数部８ａから
受けた実際の発生符号量Ｂからその目標値として予め設
定されている目標符号量Ｍを減算し、この減算値（Ｂ−
Ｍ）を発生符号量誤差Ｄとして出力する。積算発生符号
量誤差検出部９は、発生符号量誤差Ｄを符号化開始の先
頭フレームから前フレームまで積算し、これを積算発生
符号量誤差Ｚとして出力する。

【００１５】調整係数算定部１１は、発生符号量誤差検
出部８ｂ、積算発生符号量誤差検出部９及びフレーム間
差分検出部７ａのそれぞれから発生符号量誤差Ｄ、積算
発生符号量誤差Ｚ及び交流レベルのフレーム間差分Ｇを
受取り、これらの値から直前のフレームについて設定し
たスケーリングファクタを現フレーム用に調整するため
の調整係数α、 α≡Ｄ／ｋ１＋Ｚ／ｋ２＋Ｇ／ｋ３ ・・・・（３） ｋ１，ｋ２，ｋ３は定数を算定する。

【００１６】スケーリングファクタ調整部１２ａは、直
前のフレームについて設定したスケーリングファクタｆ
を（１＋α）倍することにより、現フレームについて設
定するスケーリングファクタｆ’、 ｆ’≡（１＋α）ｆ ・・・・（４） を算定し、これを量子化ステップサイズ設定部１２ｂに
わたす。

【００１７】量子化ステップサイズ設定部１２ｂは、ス
ケーリングファクタ調整部１２ａから受けたスケーリン
グファクタｆ’と図２に例示したような量子化マトリッ
クス係数ｑとから（２）式に従って量子化ステップサイ
ズＱｓを発生し、これを量子化部３に設定する。

【００１８】初期値設定部１０は、交流レベル検出部６
において先頭のフレームについて検出された変換係数の
交流レベルと、目標発生符号量Ｍとの組合せからスケー
リングファクタｆの初期値を設定し、スケーリングファ
クタ調整部１２ａに渡す。

【００１９】このように、圧縮符号化対象の先頭のフレ
ームについては、初期値設定部１０において図３のテー
ブルから決定されたスケーリングファクタに基く量子化
ステップサイズのもとで量子化が行われる。後続のフレ
ームについては、発生符号量誤差Ｄ、積算発生符号量誤
差Ｚ及び交流レベルのフレーム間差分Ｇから（３）式に
従って調整係数αを算定し、この調整係数αによって調
整した新たなスケーリングファクタに基く量子化ステッ
プサイズのもとで量子化が行われる。図４は、図１の実
施例による圧縮符号化方式の実験結果を示す。横軸はフ
レーム番号、縦軸は各フレームで実際に発生した発生符
号量（Ｋビット）の計数値である。この実験例では、量
子化に関して図２と図３のテーブルが使用され、目標発
生符号量が１００Ｋビットに設定され、（３）式の定数
ｋ１，ｋ２，ｋ３は同順に１００００，４０００，５０
００に設定されている。また、動画データとして原テレ
ビジョン信号を１／３にフレーム間引きしたものが使用
されると共に、交流レベルは全ての交流成分の絶対値の
和が使用されている。 図５は、図４の実験において交流
成分のフレーム間差分Ｇの変化の様子を示している。原
テレビジョン信号を１／３にフレーム間引きしているた
め、圧縮符号化対象の隣接フレームとしては原フレーム
間隔の３倍の間隔で配列されることになり、相当程度大
きな差分Ｇが発生している。このように大きな交流成分
のフレーム間差分Ｇの発生から暗示される符号量や圧縮
効率の変動にもかかわらず、図４に示すような良好な平
滑化が実現されている。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発生符号量誤差と積算発生符号量誤差と交流レベルのフ
レーム間差分の３つのパラメータを用い、量子化特性を
フレーム単位で制御するようにしたから、フレーム間ブ
ロック差分の変化量を基準としてフレーム内で量子化特
性を変更する従来の方式のように、フレーム間差分によ
る符号化特性の初期設定で実際の発生符号量が予測と外
れた場合に、バッファ蓄積量が急激に増加し、画質が急
に劣化するといったことはなく、バッファ蓄積量を一定
に制御できるため、連続するフレームに対して安定した
画質で再生でき、また動画データについては、視聴者の
視覚特性上、交流成分の空間周波数が高くなるほど量子
化雑音に伴う画質の劣化が許容できるため、直交変換前
の画素値に基づいてフレーム間差分を検出する方法と異
なり、交流成分の空間周波数が高くなるにつれて量子化
ステップサイズを大きな値とすることで、視聴者が視覚
を通して感得する画質を左右する量子化ステップサイズ
を最も適切に決定することができ、常に最適な量子化特
性による圧縮符号化が行われることで、フレーム間にわ
たる発生符号量を平均化し、再生装置の低コスト化を図
ることができる等の優 れた効果を奏する。

【００２１】また、本発明は、発生符号量誤差Ｄと積算
発生符号量誤差Ｚと交流レベルのフレーム間差分Ｇの線
形和に基き直前のフレームについて設定したスケーリン
グファクタｆを調整するようにし、直前のフレームにつ
いて設定したスケーリングファクタｆを（１＋α）倍す
ることにより現フレームについて設定するスケーリング
ファクタ調整用の調整係数αを、定数ｋ１，ｋ２，ｋ３
を用い、Ｄ／ｋ１＋Ｚ／ｋ２＋Ｇ／ｋ３として算定する
ようにしたから、発生符号量誤差と積算発生符号量誤差
と交流レベルのフレーム間差分の３つのパラメータを、
量子化ステップサイズの決定に及ぼす影響度を策定した
上で適切に複合することができ、これにより大きな交流
成分のフレーム間差分が発生しても、そのことから暗示
される符号量や圧縮効率の変動にかかわらず、良好な平
滑化を実現することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる動画データの圧縮符
号化方式の方式概念を示す概念図である。

【図２】輝度信号に対する量子化マトリックス係数
（Ａ）と色差信号に対する量子化マトリックス係数
（Ｂ）の一例を示す概念図である。

【図３】先頭フレームの交流レベルと目標発生符号量か
らスケーリングファクタｆの初期値を設定するための予
測テーブルの一例を示す概念図である。

【図４】図１の実施例における発生符号量の変動の様子
を示す実験結果である。

【図５】図１の実施例における交流成分のフレーム間差
分Ｇの変動の様子を示す実験結果である。

【符号の説明】

ＩＮ 圧縮符号化対象の動画データの入力端 １ 離散コサイン変換（ＤＣＴ）部 ３ 量子化部 ４ 可変長符号化部 ５ 符号量制御部 ６ 交流レベル検出部 ７ａ フレーム間差分検出部 ８ａ 発生符号量計数部 ８ｂ 発生符号量誤差検出部 ９ 積算発生符号量誤差検出部 １０ 初期値設定部 １１ 調整係数算定部 １２ａ スケーリングファクタ調整部 １２ｂ 量子化ステップサイズ設定部 ＯＵＴ 圧縮符号化済みの動画データの出力端

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレーム構成の動画データに直交変換、
   量子化及び可変長符号化を順次行うことによりデータ量
   を圧縮する動画データの圧縮符号化方式において、前記
   直交変換に伴って発生する変換係数の交流成分の振幅の
   大きさを反映する量を交流レベルとして１フレーム単位
   で検出する交流レベル検出手段と、この交流レベル検出
   手段において直前のフレームと現フレームのそれぞれに
   ついて検出された交流レベルのフレーム間差分Ｇを検出
   する交流レベルのフレーム間差分検出手段と、各フレー
   ムについて実際に発生した圧縮符号化後の符号量とその
   目標値である目標発生符号量との差分を発生符号量誤差
   Ｄとして検出する発生符号量誤差検出手段と、前記発生
   符号量誤差Ｄを先頭フレームから現フレームまで積算す
   ることにより積算発生符号量誤差Ｚを検出する積算発生
   符号量誤差検出手段と、先頭のフレームについて検出さ
   れた前記変換係数の交流レベルと前記目標発生符号量と
   の組合せから量子化ステップサイズに関するスケーリン
   グファクタｆの初期値を設定する初期値設定手段と、前
   記発生符号量誤差Ｄ、積算発生符号量誤差Ｚ及び交流レ
   ベルのフレーム間差分Ｇの線形和に基き直前のフレーム
   について設定したスケーリングファクタｆを調整するス
   ケーリングファクタ調整手段と、このスケーリングファ
   クタ調整手段によって調整されたスケーリングファクタ
   ｆと前記変換係数の交流成分ごとに設定されている量子
   化マトリックス係数ｑとの積から前記量子化時の量子化
   ステップサイズを算定する手段とを備えたことを特徴と
   する動画データの圧縮符号化方式。
2. 【請求項２】 前記スケーリングファクタ調整手段は、
   前記発生符号量誤差Ｄ、積算発生符号量誤差Ｚ及び交流
   レベルのフレーム間差分Ｇに基き、直前のフレームにつ
   いて設定したスケーリングファクタｆを（１＋α）倍す
   ることにより現フレームについて設定するスケーリング
   ファクタ調整用の調整係数αを α＝Ｄ／ｋ１＋Ｚ／ｋ２＋Ｇ／ｋ３ ｋ１，ｋ２，ｋ３は定数 に従って算定する調整係数算定手段を備えたことを特徴
   とする請求項１記載の動画データの圧縮符号化方式。
3. 【請求項３】 前記交流レベル検出手段は、前記直交変
   換に伴って発生する変換係数の交流成分のレベルの絶対
   値の総和を前記交流レベルとして検出することを特徴と
   する請求項１又は２記載の動画データの圧縮符号化方
   式。