JP3014548B2

JP3014548B2 - 動画像符号化装置

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Publication number: JP3014548B2
Application number: JP22445192A
Authority: JP
Inventors: 志雄呉
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH0678282A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動画像を圧縮して符号
化する動画像符号化装置、特に該動画像の品質向上、及
び符号量の制御方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、テレビジョン（以下、ＴＶとい
う）会議／電話等に用いられる動画像の実時間圧縮方式
としては、例えば次のような文献に記載された方式が最
もよく用いられており、以下その構成を図を用いて説明
する。文献；テレビジョン学会誌、「画像情報工学と放送技
術」、４２［１１］（１９８８）大久保栄著“テレビ会
議／電話方式の国際標準化動向”Ｐ．１２１９−１２２
５図２は、前記文献に記載された従来の動画像符号化装置
の一構成例を示すブロック図である。この動画像符号化
装置は、現時刻の現画像Ｓ_iとその直前の前画像Ｓ_i-1
を入力する動き補償付き予測手段１を有している。動き
補償付き予測手段１は、現画像Ｓ_iとその前画像Ｓ_i-1
とのＭ×Ｍブロック単位での動きを検出し、該前画像Ｓ
_i-1から動きを考慮した現画像Ｓ_iの予測画像を作り、
該現画像Ｓ_iと予測画像との差分画像Ｓ１を出力する機
能を有し、その出力側に直交変換手段２を介して量子化
手段３が接続されている。直交変換手段２は、入力され
た差分画像Ｓ１をＮ×Ｎのブロックに分割し、例えば離
散余弦変換（以下、ＤＣＴという）等で該画像をブロッ
ク毎に直交変換し、画像ブロックデータＳ２を量子化手
段３へ出力する機能を有している。量子化手段３は、与
えられた量子化ステップ幅ｈに基づき、画像ブロックデ
ータＳ２を量子化し、量子化された画像データＳ３を出
力する機能を有し、その出力側に符号化手段４を介して
バッファ５が接続されている。

【０００３】符号化手段４は、量子化された画像データ
Ｓ３を、例えばゼロデータの個数と非ゼロデータのレベ
ルを複合したハフマン符号化法で可変長符号化し、符号
化された画像データＳ４をバッファ５へ出力する機能を
有している。バッファ５は、例えばファーストイン・フ
ァーストアウト（以下、ＦＩＦＯという）メモリで構成
され、符号化された画像データＳ４を一時格納し、該Ｆ
ＩＦＯの法則に従って、一定のビットレートで符号化さ
れた画像データＳ５を出力するものである。このバッフ
ァ５には、量子化制御手段６を介して量子化手段３が接
続されている。量子化制御手段６は、バッファ５の占有
量を一定時間おきに観測し、該占有量に応じて量子化手
段３に与える量子化ステップ幅ｈを決定し、符号発生量
を制御する機能を有している。

【０００４】次に、図２に示す動画像符号化装置の動作
を説明する。現時刻の現画像Ｓ_i及び現時刻の直前の前
画像Ｓ_i-1が動き補償付き予測手段１に入力されると、
該動き補償付き予測手段１では、先ず、現画像Ｓ_iとそ
の前画像Ｓ_i-1とのＭ×Ｍブロック単位（例えば、Ｍ＝
１６）での動きを、例えばブロックマッチング法によっ
て検出し、現画像ブロックの動いた分だけ離れた所にあ
る前画像Ｓ_i-1のブロックを該現画像ブロックの予測画
像ブロックとし、該現画像ブロックと予測画像ブロック
との差分画像Ｓ１を直交変換手段２へ送る。この動き補
償付き予測手段１では、現画像ブロックのみを出力する
機能も有している。直交変換手段２では、入力された差
分画像Ｓ１をＮ×Ｎのブロック（例えば、Ｎ＝８）に分
割し、それぞれのブロックに対して、例えば次式（１）
のＤＣＴ等の直交変換法を用いて直交変換し、変換され
た画像ブロックデータＳ２を量子化手段３へ送る。

【０００５】

【数１】この（１）式のＣ（ｕ），Ｃ（ｖ）は、次式（２）で表
される。

【０００６】

【数２】量子化手段３では、入力された画像ブロックデータＳ２
を、量子化制御手段６から与えられた量子化ステップ幅
ｈに従って、例えば次式（３）のように、

【数３】

【表１】符号化手段４では、ブロック単位で入力される量子化さ
れた画像データＳ３を、例えば、連続するゼロの数（以
下、ゼロラン長という）と、それに続く非ゼロランの値
（以下、レベルという）とを複合し、例えば図３及び図
４に示すようなゼロラン・レベル複合符号例で示すよう
な符号で複合化し、その符号をバッファ５へ送る。な
お、図３において、最後のビット“Ｓ”はレベル（ＬＥ
ＶＥＬ）の正負を示す。即ち、“０”は正、“１”は負
を示す。また、図３以外のラン（ＲＵＮ）及びＬＥＶＥ
Ｌの組合わせについては、６ビットのＥＳＣＡＰＥ符
号、６ビットのＲＵＮ及び８ビットのＬＥＶＥＬからな
る２０ビットにより符号化される。

【０００７】バッファ５では、符号化手段４から不規則
なビットレートで入力される符号化された画像データＳ
４を、一旦格納し、ＦＩＦＯの法則に従って一定のビッ
トレートで符号化された画像データＳ５を出力する。量
子化制御手段６では、一定時間おきにバッファ５の占有
量を観察し、該占有量Ｂが所定のバッファ占有量の上限
Ｂ_maxあるいは下限Ｂ_minを越えないように、量子化手
段３に与える量子化ステップ幅ｈを下限ｈ_minから上限
ｈ_maxの間で、例えば次式（４）のように、バッファ占
有量Ｂに応じて量子化ステップ幅ｈを変動させて発生符
号量を制御する。

【０００８】

【数４】図５は、図２に示す動画像符号化装置の画像予測方式を
示す図である。この図５に示すように、従来の動画像符
号化装置では、全ての前方予測符号化画像Ｐにおいて前
画像を予測画像として用い、バッファ５の占有量Ｂを制
御することによって符号化の安定化を図っている。この
符号化効率の例を図６に示す。図６において、横軸のＤ
ＬＴＰは−ｌｏｇ₂αを示し、縦軸のＢＩＴ₋ＲＡＴＥ
は平均符号量を示す。図６から明らかなように、ＤＬＴ
Ｐ＝０のときに平均符号量が最小となり、このときに符
号化効率が最も良くなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の動画像符号化装置では、次のような課題があった。（ａ）符号量の制御は、バッファ５の占有量Ｂのみに
よって行われているので、最適化が図られていない。（ｂ）画像間の予測符号化をベースにしており、画像
が図５に示すように、全ての前方予測符号化画像Ｐにお
いて前画像を予測画像として用いているので、エラーか
らの回復能力が低く、またＴＶ会議等においての途中参
加、あるいは符号化画像の録画や編集も困難である。（ｃ）シーンチェンジが発生したときに、予測誤差が
急増し、符号化効率が低下する。本発明は、前記従来技術が持っていた課題として、符号
化効率が低い、さらにエラー回復能力、編集能力、シー
ンチェンジ対応能力等が低いという点について解決した
動画像符号化装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第１の発明は、動画像符号化装置に
おいて、現時刻の現画像とその直前の前画像とのＭ×Ｍ
ブロック単位（但し、Ｍ；正の整数）での動きを検出
し、該前画像から動きを考慮した現画像の予測画像を作
り、該現画像と該予測画像との差分画像を出力する機能
を有し、かつＮ枚の画像毎に一枚の画像を無条件で予測
なしで該現画像を出力する機能を有する動き補償付き予
測手段と、前記動き補償付き予測手段の出力画像をＮ×
Ｎ（但し、Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該ブロ
ック毎に直交変換して出力する直交変換手段と、与えら
れた量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段の出力
を量子化する量子化手段と、前記量子化手段の出力を符
号化する符号化手段と、前記符号化手段の出力を一時格
納し、一定のビットレートで出力するバッファと、前記
量子化手段の入力及び出力から画像の量子化誤差を計測
して出力する量子化誤差計測手段と、前記バッファから
各画像の符号量を計測すると共に該バッファの占有量の
上限と下限を計測し、それらの計測情報を出力する符号
量計測手段と、前記量子化誤差計測手段及び符号量計測
手段の出力に基づき、前記量子化誤差が所定の値となる
よう、かつ前記Ｎ枚の画像グループ単位での平均符号量
が所定の値となるように、前記量子化ステップ幅を変動
させて前記量子化手段を制御する量子化制御手段とを、
備えている。

【００１１】そして、前記量子化制御手段を、Ｎ枚の画
像をグループ化し、その先頭画像を画像内の圧縮符号化
をし、その他の画像に対して前画像を用いて予測し、圧
縮符号化を行ない、さらにグループ内のそれぞれの画像
に対してその量子化誤差が、前画像の量子化誤差のα倍
（但し、α＞１）となるように、かつグループ内のＮ枚
の画像の平均量子化誤差が所定値となるように前記量子
化手段を制御する構成にしている。

【００１２】第２の発明では、第１の発明の量子化制御
手段において、現画像と前画像の量子化誤差の比αが４
^-N近傍（但し、Ｎ；グループ内の画像の枚数）になるよ
うにしている。第３の発明は、動画像符号化装置におい
て、第１の発明と同様の動き補償付き予測手段、直交変
換手段、量子化手段、符号化手段及びバッファと、前記
現画像と、前記動き補償付き予測手段から出力される該
現画像の予測画像とから、画像の統計性質を算出する統
計性質算出手段と、前記統計性質に基づき、画像グルー
プの大きさ、及び該画像グループ内の各画像への最適符
号量割当て値を算出する符号量決定手段と、前記バッフ
ァから画像の平均符号量を計測すると共に該バッファの
占有量の上限と下限を計測し、それらの計測情報を出力
する符号量計測手段と、前記符号量決定手段及び符号量
計測手段の出力に基づき、前記平均符号量が前記最適割
当て符号量と一致するように前記量子化ステップ幅を変
動させて前記量子化手段を制御する量子化制御手段と
を、備えている。

【００１３】そして、前記符号量決定手段を、Ｎ枚の画
像を１つのグループとし、先頭画像を画像内符号化し、
その後の画像を画像間予測符号化し、かつグループ内の
それぞれの画像の量子化誤差が前画像の量子化誤差のα
倍と設定し、各画像の最適割当て符号量を算出する構成
にしている。第４の発明では、第３の発明の符号量決定
手段を、画像の統計性質の変化から動画像の動きの激し
さを検出し、動きが激しいときに画像グループを小さく
し、動きが緩やかなときに画像グループを大きくし、シ
ーンチェンジのような突発的な変化があったときにそこ
から画像グループを新規形成する構成にしている。

【００１４】

【作用】第１の発明によれば、以上のように動画像符号
化装置を構成したので、量子化手段の入力データ及び出
力データが量子化誤差計測手段へ与えられると、該量子
化誤差計測手段では、量子化誤差を計測して量子化制御
手段へ送る。符号量計測手段では、バッファから各画像
の符号量を計測すると共に、該バッファの占有量の上限
及び下限を計測し、それらの計測情報を量子化制御手段
へ与える。量子化制御手段では、例えば、符号量計測手
段から与えられる実測符号量と所定の符号量（ビットレ
ート）とから、所定の量子化誤差を決定し、該所定の量
子化誤差と量子化誤差計測手段から与えられる実測量子
化誤差とから、量子化ステップ幅を変動させ、量子化手
段を制御する。即ち、この量子化制御手段は、１つの画
像グループに対してそれぞれの画像の量子化誤差が前画
像のα倍となるように量子化手段を制御する。これによ
り、画像グループ先頭の１枚の画像を画像内符号化をし
ても、圧縮率が向上する。第２の発明によれば、量子化
制御手段が、現画像と前画像の量子化誤差の比αを４^-N
近傍とすることにより、平均符号量が最小となって符号
化効率が向上する。

【００１５】第３の発明によれば、統計性質算出手段
は、現画像と、動き補償付き予測手段から出力される該
現画像の予測画像とから、該現画像の相関、分散、該現
画像と予測画像間の相関、現画像と予測画像との差分画
像の分散等といった統計性質を算出し、それらの統計性
質の情報を符号量決定手段へ与える。符号量決定手段
は、統計性質算出手段で算出された統計性質から、画像
グループの大きさ（例えば、グループ内の画像の枚数）
を決定し、該グループ内のそれぞれの画像に割当てる符
号量を決定する。即ち、この符号量決定手段は、Ｎ枚の
画像を１つの独立した単位とし、画像の統計性質に基づ
いて最適な符号量を割当てる。これにより、平均符号量
が最小となって符号化効率が向上する。符号量計測手段
は、バッファから、画像の平均符号量を計測すると共
に、該バッファの占有量の上限及び下限を計測し、それ
らの情報を量子化制御手段へ与える。量子化制御手段で
は、符号量計測手段からの実測平均符号量が、符号量決
定手段からの割当て符号量と一致するよう、さらにバッ
ファ占有量が上限及び下限を越えないよう、量子化ステ
ップ幅を変動させ、量子化手段を制御する。

【００１６】第４の発明によれば、符号量決定手段は、
画像グループの大きさや、該画像グループの新規形成を
制御する。これにより、最適なビット割当て値が決定さ
れる。従って、前記課題を解決できるのである。

【００１７】

【実施例】第１の実施例図１は、本発明の第１の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図であり、従来の動画像符号化装置を示
す図２中の要素と共通の要素には共通の符号が付されて
いる。この動画像符号化装置は、従来と異なる動き補償
付き予測手段１Ａを有し、その出力側に、従来と同様の
直交変換手段２、量子化手段３、符号化手段４、及びバ
ッファ５が縦続接続されている。動き補償付き予測手段
１Ａは、従来の動き補償付き予測手段１と同様に差分画
像Ｓ１ａを出力する機能を有する他に、Ｎ枚の画像毎
に、１枚の画像を無条件で予測なしで現画像Ｓ１ｂを出
力する機能を有している。

【００１８】また、本実施例の動画像符号化装置では、
量子化手段３の入力側及び出力側に量子化誤差計測手段
１１が接続されると共に、バッファ５に符号量計測手段
１２が接続され、該量子化誤差計測手段１１及び符号量
計測手段１２に量子化制御手段１３が接続され、該量子
化制御手段１３によって量子化手段３が制御されるよう
になっている。量子化誤差計測手段１１は、量子化手段
３の入力Ｘ（ｉ）である画像ブロックデータＳ２と、出
力Ｙ（ｉ）である量子化された画像データＳ３とから、
量子化誤差ＭＳＥを計測し、それを量子化制御手段１３
へ与える機能を有している。符号量計測手段１２は、バ
ッファ５から、各画像の符号量と該バッファ５の占有量
Ｂの上限Ｂ_max及び下限Ｂ_minを計測し、その情報を量
子化制御手段１３へ出力する機能を有している。量子化
制御手段１３は、量子化誤差計測手段１１及び符号量計
測手段１２の出力に基づき、実測量子化誤差ＭＳＥと所
定の量子化誤差とから、量子化手段３に与える量子化ス
テップ幅ｈを制御すると共に、符号量計測手段１２から
の実測符号量と所定の符号量（ビットレート）とから、
所定の量子化誤差を決定する機能を有している。図７
は、図１に示す動画像符号化装置の画像予測方式を示す
図である。Ｎフレームは、１つの画像内符号化画像Ｉ
と、複数の前方予測符号化画像Ｐとで、構成されてい
る。本実施例の動画像符号化装置では、画像を図７のよ
うに、Ｎ枚の画像（Ｉ，Ｐ）を１つの独立した単位とし
て扱い、それを符号化している。以下その符号化の動作
を説明する。

【００１９】先ず、現時刻の現画像Ｓ_i及び現時刻の直
前の前画像Ｓ_i-1が動き補償付き予測手段１Ａに入力さ
れると、該動き補償付き予測手段１Ａでは、入力画像の
カウント値がＮの整数倍となるときに現画像Ｓ_iをその
まま現画像Ｓ１ｂとして直交変換手段２へ出力し、画像
のカウント値がＮの整数倍以外の場合、従来と同様に予
測差分画像Ｓ１ａを直交変換手段２へ出力する。直交変
換手段２では、入力された差分画像Ｓ１ａまたは現画像
Ｓ１ｂを従来と同様に、ＤＣＴ等でブロック毎に直交変
換し、その画像ブロックデータＳ２を量子化手段３へ出
力する。量子化手段３では、従来と同様に、与えられた
量子化ステップ幅ｈを用い、入力された画像ブロックデ
ータＳ２を量子化し、表１のジグザグの順序で量子化さ
れた画像データＳ３を符号化手段４へ出力する。

【００２０】符号化手段４は、従来と同様に、量子化手
段３からの量子化された画像データＳ３を、ゼロラン長
とそれに続くレベルとを複合して図３及び図４のような
符号で符号化し、その符号化された画像データＳ４をバ
ッファ５へ出力する。バッファ５では、従来と同様に、
符号化された画像データＳ４を一旦格納し、ＦＩＦＯの
法則に従って一定のビットレートで符号化された画像デ
ータＳ５を出力する。量子化誤差計測手段１１では、量
子化手段３の入力Ｘ（ｉ）である画像ブロックデータＳ
２と、出力Ｙ（ｉ）である量子化された画像データＳ３
とに基づき、次式（５）に従い量子化誤差ＭＳＥを算出
し、それを量子化制御手段１３へ送る。

【００２１】

【数５】この（５）式において、Ｎは１ブロック、数ブロック、
あるいは１画像とすることができる。符号量計測手段１
２では、バッファ５の内容に基づき、１画像単位の符号
量を計測し、量子化制御手段１３へ送ると同時に、該バ
ッファ５の占有量Ｂが上限Ｂ_maxあるいは下限Ｂ_minを
越えているか否かをチェックし、その上限Ｂ_maxあるい
は下限Ｂ_minを越えたときに、量子化制御手段１３にそ
の情報を送る。量子化制御手段１３では、Ｎ枚の画像を
１つのグループ単位とし、その平均量子化誤差ＭＳＥが
所定の量子化誤差となるように、かつｉ番目の画像の量
子化誤差ＭＳＥ（ｉ）が、ＭＳＥ（ｉ＋１）＝α・ＭＳＥ（ｉ）・・・（６）但し、α；定数となるように、量子化誤差計測手段１１から与えられる
量子化誤差ＭＳＥを配分する。そのため、各画像の量子
化誤差は次式（７）〜（９）に示すように、平均量子化
誤差ＭＳＥの関数となる。

【００２２】

【数６】即ち、量子化制御手段１３では、Ｎ枚の画像グループ単
位内のｉ番目の画像に対して、量子化誤差ＭＳＥ（ｉ）
が（９）式となるように、量子化手段３に与える量子化
ステップ幅ｈを制御する。（６）〜（９）式において、
定数αとしてα＝４^-N近傍の値を用いることで、高い圧
縮効率が得られる。量子化制御手段１３における量子化
ステップ幅ｈの制御方式としては、例えば、量子化誤差
計測手段１１から入力される量子化誤差ＭＳＥと、所定
の量子化誤差ＭＳＥ（ｉ）とから、量子化ステップ幅ｈ
（ｎ）を次式（１０）のように算出する。

【００２３】

【数７】ここで、量子化制御手段１３では、符号量計測手段１２
から、バッファ５の占有量Ｂが上限Ｂ_maxあるいは下限
Ｂ_minを越えたという情報が入力されると、量子化ステ
ップ幅ｈを無条件に最大値ｈ_maxあるいは最小値ｈ_min
にする。また、量子化制御手段１３では、符号量計測手
段１２より与えられた各画像の符号量に対し、Ｎ枚の画
像グループ単位での平均を取り、該平均値ｂ_aveが所定
の符号量ＢＲとなるように、前記Ｎ枚の画像グループ単
位の平均量子化誤差ＭＳＥを次式（１１）のように更新
していく。

【００２４】

【数８】なお、（１０）式及び（１１）式おいて、定数β及びγ
は制御の性質を左右する。そのため、定数β及びγを小
さくすると、制御が緩やかになるが、感度も下がる。こ
れに対し、定数β及びγを大きくすると、制御が迅速か
つ敏感になるが、上下変動が激しくなる可能性がある。
また、（６）〜（９）式における定数αは、画像の性質
及び画像グループ単位内の画像の枚数Ｎに左右される
が、人物、風景等のＴＶ画像において、α＝４^-N近傍が
最適である。図８は、ＴＶ会議、ＴＶ電話等に用いられ
るテスト画像から、統計的性質を抽出し、グループの大
きさＮ＝２０とし、平均量子化誤差ＭＳＥが画像の分散
の５％と設定したときの図１の符号化効率例を示すシミ
ュレーション結果である。この図８は、従来の図６と同
様に、横軸のＤＬＴＰが−ｌｏｇ₂αを示し、縦軸のＢ
ＩＴ₋ＲＡＴＥが平均符号量を示す。図８から明らかな
ように、この画像の前記設定の場合、ＤＬＴＰ＝−０．
１（α＝４^-N）のときに平均符号量が最小となり、符号
化効率が最も良くなる。従来の図６と比較すると、本実
施例の方式の方が最適時の平均符号量が少なく、符号化
効率が良いことがわかる。このように、図１の量子化制
御手段１３により、最適時の平均符号量が所定の符号量
となるように、平均量子化誤差ＭＳＥを制御すれば、常
に符号化効率の高い動画像符号化が実現できる。以上の
ように、この第１の実施例では、次のような利点（ａ）
〜（ｃ）を有している。（ａ）本実施例では、画像を図７のように、Ｎ枚の画
像（Ｉ，Ｐ）を１つの独立した単位としたので、動画像
符号化装置のエラー回復が速くなり、遅くともＮ枚の画
像後は回復する。（ｂ）符号化画像の録画や編集等も、Ｎ枚の画像グル
ープ単位で行える。さらに、ＴＶ会議等に用いる場合
に、ユーザの途中参加が容易にできる。即ち、途中から
受信しても、遅くともＮ枚の画像後には、画像内のみを
符号化した画像が受信できるので、そこからは正しい画
像が再生できる。さらに、シーンチェンジへも迅速に対
応できる。（ｃ）１つの画像グループに対して、それぞれの画像
の量子化誤差ＭＳＥが前画像のα倍（α＞１）となるよ
うにしたので、画像グループ先頭の１枚の画像を画像内
符号化をしても、従来より、高い圧縮率が得られる。

【００２５】第２の実施例図９は、本発明の第２の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図であり、第１の実施例を示す図１中の
要素と共通の要素には共通の符号が付されている。この
動画像符号化装置では、図１と同様の動き補償付き予測
手段１Ａ、直交変換手段２、量子化手段３、符号化手段
４、及びバッファ５を備えている。動き補償付き予測手
段１Ａの入力側及び出力側には、統計性質算出手段２１
が接続され、その出力側に符号量決定手段２２が接続さ
れている。統計性質算出手段２１は、現画像Ｓ_iと、動
き補償付き予測手段１Ａから出力される該現画像Ｓ_iの
予測画像Ｓ１ｃとから、該現画像Ｓ_iの相関、分散、該
現画像Ｓ_iと予測画像Ｓ１ｃの相関、及び差分画像Ｓ１
ａの分散等の統計性質を算出し、その統計性質情報を符
号量決定手段２２へ与える機能を有している。符号量決
定手段２２は、統計性質算出手段２１で算出された画像
の統計性質の情報から、画像グループの大きさ（グルー
プ内の画像の枚数）を決定し、該画像グループ内のそれ
ぞれの画像に割当てる符号量を決定する機能を有してい
る。

【００２６】また、バッファ５には符号量計測手段２３
が接続され、その出力側に量子化制御手段２４が接続さ
れている。符号量計測手段２３は、バッファ５から、画
像の平均符号量を計測すると共に、該バッファ５の占有
量Ｂの上限Ｂ_max及び下限Ｂ_minを計測し、それらの情
報を量子化制御手段２４へ与える機能を有している。量
子化制御手段２４は、画像の符号量が、与えられた符号
量となるよう、かつバッファ占有量Ｂが上限Ｂ_max及び
下限Ｂ_minを越えないよう、量子化手段３に与える量子
化ステップ幅ｈを制御する機能を有している。

【００２７】次に、動作を説明する。現時刻の現画像Ｓ
_i及び現時刻の前画像Ｓ_i-1が動き補償付き予測手段１
Ａに入力されると、該動き補償付き予測手段１Ａ、直交
変換手段２、量子化手段３、符号化手段４、及びバッフ
ァ５が、第１の実施例とほぼ同様に動作する。統計性質
算出手段２１では、入力された現画像Ｓ_iと、動き補償
付き予測手段１Ａより入力された該現画像Ｓ_iの予測画
像Ｓ１ｃとから、該現画像Ｓ_iの分散δ_x ²、該現画像
Ｓ_iの相関係数ρ_x，ρ_y、該現画像Ｓ_iと予測画像Ｓ
１ｃ間の相関係数ρ_p、及び該現画像Ｓ_iと予測画像Ｓ
１ｃとの差分の分散δ_s ²を、次の（１２）〜（１６）
式から求める。

【００２８】

【数９】

【数１０】これらの式において、Ｘ（ｋ，ｌ）は現画像、Ｘ
_p（ｋ，ｌ）は予測画像である。Ｘは現画像Ｓ_iの平均
値、Ｘ _pは予測画像Ｘ_p（ｋ，ｌ）の平均値であり、こ
れらは（１３）式より求まる。これらの統計性質（δ_x
²，ρ_x，ρ_y，ρ_p，δ_s ²）の情報は、符号量決定
手段２２へ送られる。

【００２９】符号量決定手段２２では、先ず、与えられ
た現画像Ｓ_iの分散δ_x ²と、該現画像Ｓ_iと予測画像
Ｘ_p（ｋ，ｌ）の差分画像Ｓ１ａの分散δ_x ²とから、
画像グループの大きさＮを決定する。この画像グループ
の大きさＮは、例えば次式（１７）のように決定され
る。

【００３０】

【数１１】また、符号量決定手段２２は、δ_s ²／δ_x ²≧１／ｋ
（例えば、ｋ≦３）のとき、即ち画像のシーンチェンジ
あるいは激しい動きがあったときに、そこから強制的に
新規グループとなるように指示を出す。そして、画像の
統計性質の情報ρ_x，ρ_y，ρ_p、及びグループ情報Ｎ
に対応する予め論理演算あるいは実画像シミュレーショ
ンによって得られた最適の符号量をそれぞれの画像に割
当て、その符号量を量子化制御手段２４へ送る。最適符
号量の論理演算法としては、例えば次のような方法があ
る。先ず、グループ内のｉ番目画像の量子化誤差ＭＳＥ
（ｉ）を次式（１８）のように設定すると、グループ内
の平均量子化誤差ＭＳＥが次式（１９）となる。

【００３１】

【数１２】そのため、ｉ番目の量子化誤差ＭＳＥは、前記（９）式
のように、ＭＳＥ（ｉ）＝Ｎ・（１−α）・αⁱ・ＭＳＥ／（１−α^N）・・・（９）平均量子化誤差ＭＳＥの関数となる。そして、グループ
内先頭の画像に対して、該画像内の符号化を行ない、符
号量と量子化誤差の関係を次式（２０）より求める。

【００３２】

【数１３】この（２０）式のｆ（ρ_x，ρ_y）は、横方向及び縦方
向の相関係数がρ_x及びρ_yとなる。正規分布を有する
確立過程のＤＣＴ等による直交変換後の各周波数の分散
の相乗平均を示し、現画像Ｓ_iの相関係数ρ_x，ρ_yよ
り求まる。グループ内のその他の画像については、予測
符号化を行ない、符号量と量子化誤差との関係を次の
（２１），（２２）式より求める。

【００３３】

【数１４】そして、画像グループ内のＮ枚の画像の平均符号量が所
定の符号量（＝伝送ビットレート）となるように、次の
（２３）式を求める。

【００３４】

【数１５】前記（２０）〜（２２）式をこの（２３）式に代入すれ
ば、該（２３）式は平均量子化誤差ＭＳＥと定数αの関
数となる。そこで、平均量子化誤差ＭＳＥが最も小さく
なるように定数αを定め、該定数αを（２０）式及び
（２１）式に代入すれば、各画像の最適ビット割当て値
ｂ_γ（ｉ）が求まる。前記論理演算結果は、第１の実施
例と同様に図８のようになる。この図８と従来の図６と
を比較すると、第１の実施例と同様に、この第２の実施
例の方が最適時の平均符号量が少なく、符号化効率が良
いことがわかる。図１０は、図９における最適時の各画
像への割当て符号量の例を示す図である。この図から明
らかなように、最適時の平均符号量が所定の符号量とな
るように平均量子化誤差ＭＳＥを変動させれば、必要と
なる各画像への最適割当て符号量が求まる。

【００３５】一方、符号量計測手段２３では、数画像ブ
ロック単位の平均符号量を計測し、その計測結果を量子
化制御手段２４へ送ると同時に、バッファ５の占有量Ｂ
が上限Ｂ_maxあるいは下限Ｂ_minを越えているか否かを
チェックし、上限Ｂ_maxあるいは下限Ｂ_minを越えたと
き、その情報を量子化制御手段２４へ送る。量子化制御
手段２４では、符号量計測手段２３より入力される実測
符号量Ｂが、符号量決定手段２２より与えられた割当て
符号量ｂ_γ（ｉ）となるように、量子化手段３に与える
量子化ステップ幅ｈを例えば次式（２４）のように制御
する。

【００３６】

【数１６】ここで、正の定数βは、制御の特性に影響を与えるの
で、符号量計測手段２３の計測画像ブロックによって求
める必要がある。一般的に、定数βを大きくすると、制
御が迅速かつ敏速になるが、過制御の可能性が生じる。
これに対し、定数βを小さくすると、制御は緩やかにな
るが、収束も遅くなる。また、符号量計測手段２３よ
り、バッファ占有量Ｂが上限Ｂ_maxあるいは下限Ｂ_min
を越えたという情報が与えられると、量子化制御手段２
４は強制的に量子化ステップ幅ｈを最大値ｈ_maxあるい
は最小値ｈ_minとする。以上のように、この第２の実施
例では、第１の実施例の利点（ａ），（ｂ）と同一の利
点を有している。さらに、統計性質算出手段２１で求め
た画像の統計性質に基づき、符号量決定手段２２で最適
な符号量を割当てるようにしているので、画像グループ
先頭の１枚の画像を画像内符号化をしても、従来より高
い圧縮率が得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、Ｎ枚の画像を１つの独立した単位として符号
化を行なうので、符号化効率が向上すると共に、エラー
回復が速くなり、遅くともＮ枚の画像後は回復するで、
エラー回復能力が向上し、符号化画像の録画や編集等も
Ｎ枚の画像グループ単位で行なえる。さらに、ＴＶ会議
等に用いる場合に、ユーザの途中参加が容易にできる。
つまり、途中から受信しても、遅くともＮ枚の画像後に
は該画像内のみを符号化した画像が受信できるので、そ
こからは正しい画像が再生でき、編集能力が向上する。
しかも、シーンチェンジへも迅速に対応できるので、シ
ーンチェンジ対応能力が向上する。その上、１つの画像
グループに対してそれぞれの画像の量子化誤差が前画像
のα倍となるようにしたので、画像グループ先頭の１枚
の画像を該画像内符号化をしても、従来より高い圧縮率
が得られ、符号化効率が向上する。第２の発明によれ
ば、現画像と前画像の量子化誤差の比αを４^-N近傍とし
たので、高い圧縮効率が得られる。第３の発明によれ
ば、Ｎ枚の画像を１つの独立した単位として符号化を行
なうようにしたので、第１の発明とほぼ同様に、符号化
効率が高く、エラー回復能力、編集能力、及びシーンチ
ェンジ対応能力が向上する。その上、画像の統計性質に
基づいて最適な符号量を割当てるようにしているので、
画像グループ先頭の１枚の画像を該画像内符号化をして
も、従来より高い圧縮率が得られ、符号化効率が向上す
る。

【００３８】第４の発明によれば、画像の統計性質の変
化に基づき画像グループの大きさを変えたり、あるいは
シーンチェンジのような突発的な変化があった場合に、
そこから強制的に新規グループとなるようにしたので、
最適な符号量を割当てることができ、それによって符号
化効率の向上や、シーチェンジ対応能力等が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図である。

【図２】従来の動画像符号化装置の構成ブロック図であ
る。

【図３】図２のゼロラン・レベル複合符号の例を示す図
である。

【図４】図２のゼロラン・レベル複合符号の例を示す図
である。

【図５】図２の画像予測方式を示す図である。

【図６】図２における符号化方式の符号化効率の例を示
す図である。

【図７】図１の画像予測方式を示す図である。

【図８】図１おける符号化方式の符号化効率の例を示す
図である。

【図９】本発明の第２の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図である。

【図１０】図９の最適割当て符号量の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１Ａ動き補償付き予測手段２直交変換手段３量子化手段４符号化手段５バッファ１１量子化誤差計測手段１２符号量計測手段１３量子化制御手段２１統計性質算出手段２２符号量決定手段２３符号量計測手段２４量子化制御手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】現時刻の現画像とその直前の前画像との
Ｍ×Ｍブロック単位（但し、Ｍ；正の整数）での動きを
検出し、該前画像から動きを考慮した現画像の予測画像
を作り、該現画像と該予測画像との差分画像を出力する
機能を有し、かつＮ枚の画像毎に一枚の画像を無条件で
予測なしで該現画像を出力する機能を有する動き補償付
き予測手段と、前記動き補償付き予測手段の出力画像をＮ×Ｎ（但し、
Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該ブロック毎に直
交変換して出力する直交変換手段と、与えられた量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段
の出力を量子化する量子化手段と、前記量子化手段の出力を符号化する符号化手段と、前記符号化手段の出力を一時格納し、一定のビットレー
トで出力するバッファと、前記量子化手段の入力及び出力から画像の量子化誤差を
計測して出力する量子化誤差計測手段と、前記バッファから各画像の符号量を計測すると共に該バ
ッファの占有量の上限と下限を計測し、それらの計測情
報を出力する符号量計測手段と、前記量子化誤差計測手段及び符号量計測手段の出力に基
づき、前記量子化誤差が所定の値となるよう、かつ前記
Ｎ枚の画像グループ単位での平均符号量が所定の値とな
るように、前記量子化ステップ幅を変動させて前記量子
化手段を制御する量子化制御手段とを備え、前記量子化制御手段は、Ｎ枚の画像をグループ化し、そ
の先頭画像を画像内の圧縮符号化をし、その他の画像に
対して前画像を用いて予測し、圧縮符号化を行ない、さ
らにグループ内のそれぞれの画像に対してその量子化誤
差が、前画像の量子化誤差のα倍（但し、α＞１）とな
るように、かつグループ内のＮ枚の画像の平均量子化誤
差が所定値となるように前記量子化手段を制御する構成
にしたことを特徴とする動画像符号化装置。
【請求項２】前記量子化制御手段において、現画像と
前画像の量子化誤差の比αが４ ^-N 近傍（但し、Ｎ；グル
ープ内の画像の枚数）とすることを特徴とする請求項１
記載の動画像符号化装置。
【請求項３】現時刻の現画像とその直前の前画像との
Ｍ×Ｍブロック単位（但し、Ｍ；正の整数）での動きを
検出し、該前画像から動きを考慮した現画像の予測画像
を作り、該現画像と該予測画像との差分画像を出力する
機能を有し、かつＮ枚の画像毎に一枚の画像を無条件で
予測なしで該現画像を出力する機能を有する動き補償付
き予測手段と、前記動き補償付き予測手段の出力画像をＮ×Ｎ（但し、
Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該ブロック毎に直
交変換して出力する直交変換手段と、与えられた量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段
の出力を量子化する量子化手段と、前記量子化手段の出力を符号化する符号化手段と、前記符号化手段の出力を一時格納し、一定のビットレー
トで出力するバッファと、前記現画像と、前記動き補償付き予測手段から出力され
る該現画像の予測画像とから、画像の統計性質を算出す
る統計性質算出手段と、前記統計性質に基づき、画像グループの大きさ、及び該
画像グループ内の各画像への最適符号量割当て値を算出
する符号量決定手段と、前記バッファから画像の平均符号量を計測すると共に該
バッファの占有量の上限と下限を計測し、それらの計測
情報を出力する符号量計測手段と、前記符号量決定手段及び符号量計測手段の出力に基づ
き、前記平均符号量が前記最適割当て符号量と一致する
ように前記量子化ステップ幅を変動させて前記量子化手
段を制御する量子化制御手段とを備え、前記符号量決定手段は、Ｎ枚の画像を１つのグループと
し、先頭画像を画像内符号化し、その後の画像を画像間
予測符号化し、かつグループ内のそれぞれの画像の量子
化誤差が前画像の量子化誤差のα倍と設定し、各画像の
最適割当て符号量を算出する構成にしたことを特徴とす
る動画像符号化装置。
【請求項４】前記符号量決定手段は、画像の統計性質
の変化から動画像の動きの激しさを検出し、動きが激し
いときに画像グループを小さくし、動きが緩やかなとき
に画像グループを大きくし、シーンチェンジのような突
発的な変化があったときにそこから画像グループを新規
形成する構成にしたことを特徴とする請求項３記載の動
画像符号化装置。