JP3029354B2 - ディジタルビデオ信号符号化装置および復号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディジタルビデオ信号
を直交変換を用いて符号化する装置およびその復号化装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディジタルビデオ信号を符号化す
る装置として、特開平１ー２５３３８２号公報及び米国
特許出願第４，３９４，７７４号に示すものがあった。
以下、これらの公報を例にとり説明する。

【０００３】図９は特開平１ー２５３３８２号公報に示
された従来のディジタルビデオ信号符号化装置であり、
図において、１は主要運動評価回路、２は走査変換回
路、３は３次元直交変換回路、４は量子化・正規化回
路、５は符号化回路、６は速度制御メモリである。

【０００４】次に動作について説明する。主要運動評価
回路１は、先行画像に対して、映像対映像の差が最小で
あるような主要変位ベクトルを各映像に対して規定し、
走査変換回路２と符号化回路５に入力する。走査変換回
路２は、映像平面の８ラインとライン当り８個の画素か
ら２次元ブロックを構成し、そして、４つの連続する映
像の４つの２次元ブロックより３次元ブロックを構成す
る。各３次元ブロックにおいて、８画素×８ラインの４
個の２次元ブロックは主要運動評価回路１から出力され
た各映像についての変位ベクトルにより、１つの映像か
ら次の映像にわたって空間的にシフトされている。走査
変換回路２から出力された３次元ブロックは、３次元直
交変換回路３において直交変換される。量子化・正規化
回路４は、３次元直交変換回路３から出力された係数の
正規化と量子化を実行している。正規化動作は、速度制
御メモリ６の充填速度及び係数自身と関連するパラメー
タにより、係数を乗算したり、割り算したりすることに
よって、係数を加重している。量子化は浮動点で表現さ
れた各係数の正規化された値を整数値に変換する。

【０００５】量子化・正規化回路４の出力は符号化回路
５に入力され、符号化回路５は各非零値に対して、一方
ではハフマン符号として示されかつメモリに蓄積され
た、あらかじめ規定されたワードの内の１つのワード
を、他方では符号化された値のアドレスを表わす別のワ
ードを伝送している。このアドレスは零値のシーケンス
の長さを符号化することにより３次元ブロックの１次元
走査とともに規定されている。そのような符号化回路の
構成例を図１０に示す。図１０の符号化回路はその各々
が符号化すべき全ての値を受信するような並列のｍ個の
通路を備えている。これらの値は通路にしたがってメモ
リ化回路１１ａから１１ｍに入力され、この回路はそれ
自身フリップフロップとして機能する２つのメモリを備
えている。与えられた３次元ブロックに対して値はこれ
ら２つのメモリの１つに書き込まれ、一方、先行ブロッ
クの値は新しい走査に対応する順序で他のメモリで読み
とられる。図１１（ａ）と図１１（ｂ）はこの読み取り
動作の２つの走査のタイプを示している。図１１（ａ）
に示されたタイプは静止画のブロックのレートを最小化
し、一方、図１１（ｂ）に示されたタイプは動きのある
部分に適している。各メモリ化回路１１ａから１１ｍの
出力は結合回路１２ａから１２ｍに入力され、この結合
回路は米国特許出願第４，３９４，７７４号に記載され
た態様で可変長符号化を実現する符号化回路である。回
路１２ａから１２ｍの各出力は計数・選択回路１３に入
力される。この回路は各３次元ブロックに対して各走査
によりブロックを符号化するために使用されたビット数
を計数し、それから各３次元ブロックのレートを最小化
する走査を決定し、種々の符号化回路からのビットを蓄
積する分岐回路１４の出力を制御し、かつ分岐回路１４
から多重化回路１５に３次元ブロックの最良符号化に対
応するビットの転送を保証している。多重化回路１５は
選ばれた走査インデックスにこれらのビットを多重化す
る。この走査インデックスはブロックの再構成のために
復号装置に伝送しなければならない。また、この多重化
回路１５は４個の映像の各グループの開始においてこれ
らの映像を決定する主要変位ベクトルの伝送も行なう。

【０００６】符号化装置は符号化回路５の出力に速度制
御メモリ６を備え、このメモリは出力レートが一定であ
ることを保証し、かつそれは米国特許出願第４，３９
４，７７４号に記載された態様で実現されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のディジタルビデ
オ信号符号化装置は、以上のように構成されており、３
次元直交変換後の係数を１次元走査する際、静止部分に
対しては図１１（ａ）の走査タイプ、動いている部分に
対しては図１１（ｂ）の走査タイプを選択することによ
り、非零値から非零値までの長さが短くなるようにし、
零値のシーケンスの長さと非零値の組合せの生起確率に
偏りを生じさせ、ハフマン符号により、符号量の削減を
図っている。

【０００８】しかしながら、ほとんど静止に近い部分で
も、時間方向の高次係数のところどころに非零値が出て
くる場合が多く、特に空間内の周波数が低い場合には、
図１１（ａ）の１次元走査では長い零値シーケンスの
後、非零値が出てくることが多くなる。この場合、零値
シーケンスの長さが一定でないため、零値シーケンスの
長さと非零値の組合せは多様にあり、ひとつひとつの生
起確率は低いため、これを表わすハフマン符号長が長く
なるという問題があった。一方、これを図１１（ｂ）の
１次元走査で走査すると、非零値が連続しにくいという
問題があった。

【０００９】また、従来の構成のまま、この問題を解決
しようとすると、１次元走査の異なるタイプを増やすこ
とが必要で、走査インデックスのビット数が増えるとい
う問題があった。

【００１０】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、３次元の変換係数を、効率よく符
号化する符号化装置およびその復号化装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るディジタル
ビデオ信号符号化装置は、入力ディジタルビデオ信号を
３次元以上のブロックに構成するブロック化回路と、こ
のブロック化回路の出力に３次元以上の直交変換を施す
直交変換回路と、直交変換後の変換係数を２次元ブロッ
ク毎に１次元走査する走査回路と、この走査回路から出
力される係数のうち非零値に対して、その値とその値ま
での零値のシーケンスの長さを示す可変長符号を出力
し、かつ２次元ブロックの終わりを示す符号を２次元ブ
ロックを単位として出力する可変長符号器とを備えたも
のである。

【００１２】また、本発明に係るディジタルビデオ信号
複号化装置は、動画、静止画に関わらず、２次元ブロッ
ク毎に１次元走査された変換係数を得て、３次元ブロッ
クを復元するよう構成されるので、動画と静止画に応じ
た複数の１次元走査に対応して複数の復号器を用意する
必要がなく、回路構成が簡単になる。

【００１３】

【作用】本発明におけるディジタルビデオ信号符号化装
置は、３次元直交変換の係数を、２次元ブロック毎に走
査して可変長符号化及びＥＯＢの付加を行うようにして
いるので、非零値の分布の３次元的特性に関わらず、可
変長符号化の効率を上げることができる。

【００１４】

【実施例】実施例１．以下、本発明の一実施例を図につ
いて説明する。図１において、２１はＹ，Ｒ−Ｙ，Ｂ−
Ｙ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、２２
はＡ／Ｄ変換器２１から出力されるディジタル信号を、
それぞれ、８画素×８ライン×８フィールドの３次元ブ
ロックに構成してブロック毎に出力するブロック化回
路、２３はブロック化回路２２から出力される各ブロッ
クに３次元の直交変換を施す３次元直交変換回路、２４
は３次元直交変換回路２３から出力される３次元の変換
係数を量子化する量子化器、２５は量子化器２４から出
力される３次元の変換係数を２次元ブロック毎に１次元
走査し出力する走査回路、２６は走査回路２５から出力
される信号を可変長符号化する可変長符号器であり、上
記Ａ／Ｄ変換器２１から可変長符号器２６まではディジ
タルビデオ信号符号化装置１００を構成する。２７は以
上のように符号化された信号を入力とし可変長符号の復
号を行なう復号器、２８は復号器２７の出力を３次元ブ
ロックに構成する走査変換回路、２９は走査変換回路２
８から出力される信号を逆量子化する逆量子化器、３０
は逆量子化器２９から出力される変換係数に逆直交変換
を施す３次元逆直交変換回路、３１は３次元逆直交変換
回路３０から出力される３次元ブロックを記憶し、フィ
ールド毎に出力するメモリ、３２はメモリ３１の出力を
アナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器であり、上記復号
器２７からＤ／Ａ変換器３２までは復号化装置１０１を
構成する。

【００１５】次に動作について説明する。入力された
Ｙ，Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙ信号は、Ａ／Ｄ変換器２１でディジ
タル信号に変換され、ブロック化回路２２において、そ
れぞれ、１フィールド当り水平方向に８画素、垂直方向
に８画素を集めてブロック化し、さらにこの２次元ブロ
ックを８フィールド分集めて、８画素×８ライン×８フ
ィールドの３次元ブロックが構成される。ブロック化回
路２２から出力される各ブロックは、３次元直交変換回
路２３において、直交変換が施される。直交変換として
は例えば離散コサイン変換（ＤＣＴ）を用いる。ＤＣＴ
やアダマール変換などの直交変換は、画像ブロックを周
波数領域に変換し、各周波数帯における電力に相当する
係数値を与えることが知られている。３次元直交変換回
路２３から出力される変換係数は、量子化器２４におい
て量子化される。量子化された係数は走査回路２５にお
いて２次元ブロック毎に図２のようにジグザグに走査さ
れ、可変長符号器２６において、この２次元ブロックを
単位として、各非零値に対して、その値とそのアドレス
を示すハフマン符号を伝送する。このアドレスはその非
零値までの零値のシーケンスの長さで与えられる。

【００１６】図３は量子化器２４から出力される３次元
の変換係数の一例を示している。図において、ｉは水平
方向、ｊは垂直方向、ｋはフィールド方向を示す。ブロ
ックが静止画に近い場合、フィールド方向の高次係数は
ほぼ０となる。ただし、完全な静止画であっても、ノイ
ズやＡ／Ｄ変換器２１の精度の問題などにより、フィー
ルド方向の高次係数もところどころ非零となることが多
い。とくに、フィールド単位でブロックを構成した場
合、第１フィールドと第２フィールドの垂直位置がずれ
るため、完全な静止画であっても、ｋ＝１，３，５，７
の成分は必ずしも０とならない。特にｋ＝７の係数は比
較的大きな値を持つ。図３は８画素×８ライン×８フィ
ールドの静止画に近いブロックを３次元ＤＣＴした場合
の変換係数の例である。

【００１７】このような変換係数が走査回路２５で図の
ように走査され、可変長符号器２６で２次元ブロックを
単位として、各非零値に対して、その値とその値までの
零値の数の組がハフマン符号で伝送される。すなわち、
まずｋ＝０の２次元ブロックについて、（１２０，
０），（１０，０），（１３，０），（９，０），
（２，０），（５，０），（１，２），（７，０），
（３，０），（１，２）を示すハフマン符号が順に伝送
され、そしてブロックの終わりを示すＥＯＢ（Ｅｎｄ
ｏｆ Ｂｌｏｃｋ）に対応するハフマン符号が伝送され
る。次にｋ＝１の２次元ブロックについて、（３，
０），（１，０），（２，１），ＥＯＢに対応するハフ
マン符号が順に伝送される。ｋ＝２からｋ＝６の２次元
ブロックは係数がすべて０なので、いずれもＥＯＢを示
すハフマン符号のみが伝送される。最後にｋ＝７の２次
元ブロックについて、（３，０），（１，１），（１，
２），ＥＯＢを示すハフマン符号が伝送される。

【００１８】このように伝送すると、２次元空間周波数
内で水平、垂直の低域周波数に電力が集中するという画
像の性質を利用して、符号量を減少させることができ
る。ここで、２次元ブロック毎にＥＯＢを送っているの
で、従来の符号化装置の図１１（ａ）のように３次元ブ
ロックのまま符号化を行なうと、ｋ＝０の２次元ブロッ
クからｋ＝１の２次元ブロックに移るところで、零値の
シーケンスの長さが長くなり、長いハフマン符号になる
という問題が解決される。このとき、従来の構成に比べ
ＥＯＢの数が８倍に増えるが、ハフマン符号は生起確率
が高いほど短い符号を割り当てるので、ＥＯＢを示すハ
フマン符号を短くすることができ、ＥＯＢの符号量は増
加しない。また、２次元ブロック内の変換係数がすべて
０でＥＯＢだけを伝送する場合には、複数のＥＯＢが連
続するので、連続するＥＯＢに対しては何個のＥＯＢが
連続したかを示す別の符号を用意し、複数のＥＯＢを１
つの符号で伝送するよう構成してもよい。

【００１９】図４は量子化器２４から出力される３次元
の変換係数の他の例を示している。図において、ｉは水
平方向、ｊは垂直方向、ｋはフィールド方向を示す。ブ
ロックが動画である場合、フィールド方向の高次係数も
非零となりやすい。図４は８画素×８ライン×８フィー
ルドの動きのあるブロックを３次元ＤＣＴした場合の変
換係数の例である。

【００２０】このような変換係数が量子化器２４から出
力された場合も、走査回路２５で２次元ブロック毎に走
査され、可変長符号器２６は２次元ブロックを単位とし
て可変長符号化を行なう。すなわち、まずｋ＝０の２次
元ブロックについて、（１３３，０），（９，０），
（１０，０），（７，０），（２，０），（３，０），
（１，０），（２，２），（１，１），（１，１），Ｅ
ＯＢを示すハフマン符号を順に出力する。次にｋ＝１の
２次元ブロックについて、（１１，０），（３，０），
（７，０），（５，０），（１，０），（１，１），
（２，１），ＥＯＢを示すハフマン符号を順に出力す
る。さらに、ｋ＝２の２次元ブロックについて（５，
０），（１，０），（２，０），（１，２），（１，
１），（１，０），ＥＯＢ、ｋ＝３の２次元ブロックに
ついて（２，０），（１，１），（１，０），（１，
１），（１，１），ＥＯＢ、ｋ＝４の２次元ブロックに
ついて（１，０），（１，１），（１，２），（１，
２），（１，０），ＥＯＢ、ｋ＝５の２次元ブロックに
ついて（１，０），（１，１），（１，１），ＥＯＢ、
ｋ＝６の２次元ブロックについて（２，０），（１，
１），（１，２），（１，２），ＥＯＢ、ｋ＝７の２次
元ブロックについて（５，０），（２，０），（３，
０），（１，２），（１，１），（１，１），ＥＯＢに
対応するハフマン符号を順に出力する。

【００２１】このように動画の場合も、２次元空間周波
数内で水平、垂直の低域周波数に電力が集中するという
画像の性質を利用して、２次元ブロック単位の可変長符
号化で符号量を減少させることができる。

【００２２】以上が符号化装置１００の動作である。図
５は実際にこの符号化装置にハイビジョンのＹ信号を入
力した時に、可変長符号器２６において出現する、非零
値と零値のシーケンスの長さの組の生起確率を示してい
る。一方、図８は同じ信号を従来の符号化装置に入力し
た時に出現する、非零値と零値のシーケンスの長さの組
の生起確率を示している。図５と図８を比較すると、本
発明の符号化装置では、２次元ブロック毎に１次元走査
する走査回路を用いたことにより、生起確率が（０、
０）付近に集中する度合が強くなり、ハフマン符号によ
る符号量低減効果が大きくなることが分かる。実際、本
発明による符号化装置では、従来のものに比べ、符号量
が約４％減少する。

【００２３】復号器２７からＤ／Ａ変換器３２までの復
号化装置１０１は、上記のＡ／Ｄ変換器２１から可変長
符号器２６までの符号化装置１００と全く逆の動作をす
る。まず復号器２７は上記のように符号化されたデータ
を受け取り、２次元ブロックに相当する６４個のデータ
を復元する。すなわち、入力された各ハフマン符号が示
す非零値とその値までの零値の長さをもとに、零値を含
むデータ列を復元し、ＥＯＢを示すハフマン符号を受け
取ると、復元されたデータ列の長さが６４になるまで０
を挿入し、そのデータ列を出力する。例えば、入力され
たハフマン符号が順に、（１２０，０），（１０，
０），（１３，０），（９，０），（２，０），（５，
０），（１，２），（７，０），（３，０），（１，
２），ＥＯＢを示しているとすると、１２０，１０，１
３，９，２，５，０，０，１，７，３，０，０，１，
０，０，０，．．．，０という６４個のデータを出力す
る。

【００２４】走査変換回路２８は復号器２７から出力さ
れる６４個のデータ列を、図２に示した走査回路２５の
走査順にしたがって、もとの８画素×８ラインの２次元
ブロックに戻し、かつ、８個の２次元ブロックを集めて
８画素×８ライン×８フィールドの３次元ブロックとし
て出力する。走査変換回路２８から出力される３次元の
変換係数は、逆量子化器２９において逆量子化され，３
次元逆直交変換回路３０において逆直交変換が施され
る。

【００２５】メモリ３１は、３次元逆直交変換回路３０
から出力される３次元ブロックを記憶し、フィールド毎
に出力する。メモリ３１の出力はＤ／Ａ変換器３２にお
いてアナログ信号に変換されて出力される。

【００２６】図６は上記の符号化装置１００と復号化装
置１０１を用いたＮＴＳＣコンポジット信号の磁気記録
再生装置の一例を示している。入力されたＮＴＳＣコン
ポジット信号はＮＴＳＣデコーダ４０においてＹ、Ｒ−
Ｙ、Ｂ−Ｙ信号に変換され、符号化装置１００において
上述のように圧縮して、符号化される。符号化装置１０
０の出力は、誤り訂正符号化回路４１において誤り訂正
符号が付加され、変調器４２においてディジタル変調さ
れて、記録ヘッド４３で磁気テープ４４に記録される。
磁気テープ４４に記録された画像信号は、再生ヘッド４
５で検出され、復調器４６でディジタル復調される。デ
ィジタル復調された再生信号は、誤り訂正復号化回路４
７において誤り訂正された後、復号化装置１０１におい
て上述のように復号され、ＮＴＳＣエンコーダ４８にお
いてＮＴＳＣ信号に変換される。

【００２７】実施例２．なお、上記実施例においては、
図２のような２次元ブロックの１次元走査を用いたが、
画像の２次元周波数特性によって異なる１次元走査を用
いてもよい。特に、２次元ブロックがフィールド単位で
構成されている場合、水平よりも垂直方向の周波数に電
力が分散する傾向が強いので、図７のように垂直方向の
走査を優先する１次元走査が適している。また、多様な
画像に対応するため、複数の１次元走査を用意し、ブロ
ック毎に使用する１次元走査を切り換えるように構成し
てもよい。

【００２８】実施例３．上記実施例においては、フィー
ルド内で水平８画素、垂直８ラインを集めて８画素×８
ラインの２次元ブロックを構成し、この２次元ブロック
を８フィールド分集めて８画素×８ライン×８フィール
ドの３次元ブロックを構成したが、３次元ブロックはフ
レーム単位で構成してもよい。すなわち、フレーム内で
水平８画素、垂直８ラインを集めて８画素×８ラインの
２次元ブロックを構成し、この２次元ブロックを８フレ
ーム分集めて８画素×８ライン×８フレームの３次元ブ
ロックを構成する場合も同様の効果が得られる。

【００２９】実施例４．また、上記の実施例において
は、非零値とその値までの零値のシーケンスの長さをハ
フマン符号で符号化しているが、算術符号など他の可変
長符号を用いてもよい。

【００３０】実施例５．また、上記実施例においては、
直交変換を３次元ＤＣＴとしたが、直交変換はＤＣＴに
限定されるものではなく、また３次元に限らず、例えば
複数の信号を第４の次元として一緒にブロッキングする
場合など、３次元以上のブロックにおける直交変換にも
適用できる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、３次元
以上の直交変換で得られた変換係数を２次元ブロック毎
に１次元走査し、２次元ブロック単位で、各非零値毎に
その値とその非零値までの零値のシーケンスの長さの組
合せを可変長符号化するので、非零値の分布の３次元的
特性に関わらず、可変長符号化の効率を上げ、符号量低
減効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるディジタルビデオ信号
符号化復号化装置を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例における走査回路の動作を示
す概念図である。

【図３】本発明の一実施例における可変長符号器の動作
を説明するための３次元変換係数の１例を示す図であ
る。

【図４】本発明の一実施例における可変長符号器の動作
を説明するための３次元変換係数の他の例を示す図であ
る。

【図５】本発明の一実施例における可変長符号器の内部
データを示す図である。

【図６】本発明の一実施例によるディジタルビデオ信号
符号化復号化装置を用いたＮＴＳＣ信号の磁気記録再生
装置を示すブロック図である。

【図７】本発明の他の実施例における走査回路の動作を
示す概念図である。

【図８】従来のディジタルビデオ信号符号化装置の内部
データを示す図である。

【図９】従来のディジタルビデオ信号符号化装置を示す
ブロック図である。

【図１０】従来のディジタルビデオ信号符号化装置にお
ける符号化回路の構成を示すブロック図である。

【図１１】従来のディジタルビデオ信号符号化装置にお
ける１次元走査を示す概念図である。

【符号の説明】

２２ ブロック化回路 ２３ ３次元直交変換回路 ２５ 走査回路 ２６ 可変長符号器 ２７ 復号器 ２８ 走査変換回路 ３０ ３次元逆直交変換回路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力ディジタルビデオ信号を３次元以上
   のブロックに構成するブロック化回路と、このブロック
   化回路の出力に３次元以上の直交変換を施す直交変換回
   路と、直交変換後の変換係数を２次元ブロック毎に１次
   元走査する走査回路と、この走査回路から出力される係
   数のうち非零値に対して、その値とその値までの零値の
   シーケンスの長さを示す可変長符号を出力し、かつ２次
   元ブロックの終わりを示す符号を２次元ブロックを単位
   として出力する可変長符号器とを備えたディジタルビデ
   オ信号符号化装置。
2. 【請求項２】 ディジタルビデオ信号を３次元以上のブ
   ロックに構成し、３次元以上の直交変換を施し、その変
   換係数を２次元ブロック毎に１次元走査し、走査された
   係数のうち非零値に対して、その値とその値までの零値
   のシーケンスの長さを示す可変長符号を出力し、かつ２
   次元ブロックの終わりを示す符号を２次元ブロツクを単
   位として出力することにより符号化されたデータの復号
   化装置であって、入力された可変長符号から非零値とそ
   の値までの零値のシーケンスの長さを得、かつ２次元ブ
   ロックの終わりを検出する復号器と、この復号器の出力
   から零値を含むデータ列を復元して２次元ブロックを再
   構成し、かつ２次元ブロックを複数合わせて３次元以上
   のブロックを復元する走査変換回路と、復元された３次
   元以上のブロックに対し逆直交変換を施す逆直交変換回
   路とを備えたことを特徴とする復号化装置。