JP3102260B2 - 動画像符号化装置 - Google Patents

動画像符号化装置

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JP3102260B2 JP8604494A JP8604494A JP3102260B2 JP 3102260 B2 JP3102260 B2 JP 3102260B2 JP 8604494 A JP8604494 A JP 8604494A JP 8604494 A JP8604494 A JP 8604494A JP 3102260 B2 JP3102260 B2 JP 3102260B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】複数の動画像信号を高能率符号化
して同時に放送或いは伝送する装置において、特にフレ
ームまたはフィールド間予測を用いる動画像符号化装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】<ディジタル多チャンネル放送> NTSCなど現在行われているアナログの放送方式に対
し、動画像をディジタル化し、そのディジタルデータ列
を衛星放送、地上波放送、CATVなどで放送すること
が検討されている。そこで、ディジタル化に高能率符号
化を用いると従来の画像1チャンネルの伝送路で、複数
の画像の伝送が可能になる。例えば、FM変調されたN
TSC信号の伝送路は27MHzの帯域幅を持ち、ディ
ジタル信号なら30Mbps程度のデータを送ることが
できる。NTSC信号を動き補償フレーム間予測などで
符号化すると10Mbps程度で十分な画質が得られる
ので、30Mbpsの伝送路なら3種類の動画像を伝送
することができる。
【0003】このような放送をVTR等で録画する場
合、ディジタル記録を行うVTRでは、符号列をそのま
ま記録し、再生時にその符号列を復号する方法が考えら
れる。その際、フレーム間予測による符号化がされてい
ると、高速サーチのために一部のフレームのみを再生す
ることはできない。そこで、ISOで標準化されている
MPEG方式などのように、数フレームに1フレームを
フレーム内で独立に符号化しておき、高速サーチではこ
の独立フレームのみを再生する。尚前記フレームはフィ
ールドと読み替えても同様で、以下フレームで代表させ
て記す。また、フレーム間予測符号化は通常巡回予測と
なるので、信号処理の誤差や伝送符号誤りによる誤差が
蓄積されるのを防ぐため、周期的にフレーム間予測を中
止し、フレーム内で独立に符号化する。これは誤差のリ
フレッシュと言われる。
【0004】<従来例符号化装置> 2種類(2チャンネル)の画像信号をディジタル放送す
るための動画像符号化装置の例を図4に示す。図4は従
来の符号化装置の一例を示すブロック図であり、符号化
器は基本的に同一のものが2系統あり、夫々の画像に対
して符号化処理が行われる。画像a入力端子1より入力
された画像aの信号は、予測信号減算器5と画像タイプ
設定器41とに与えられる。画像b入力端子11より入
力された画像bの信号は、予測信号減算器15と画像タ
イプ設定器42とに与えられる。予測信号減算器5で
は、入力信号から予測信号が減算され、得られた残差信
号が符号化器6に与えられる。
【0005】符号化器6では、DCT(離散コサイン変
換)が行われ、変換された係数は所定のステップ幅で量
子化され、さらに可変長符号化されて圧縮されたデータ
列となりバッファ43と復号化器8とに与えられる。バ
ッファ43では、前記可変長符号化で生じる符号量の変
動が吸収され、転送レートが略一定となったデータ列が
多重化器10に与えられる。復号化器8では符号化器6
の逆処理が行われ、得られた再生残差信号が予測信号加
算器7に与えられる。予測信号加算器7ではフレーム間
予測器3から与えられる予測信号と復号化器8から与え
られる再生残差信号とが加算され、得られた再生画像信
号がフレーム間予測器3に送られる。
【0006】フレーム間予測器3では再生画像信号が1
フレーム遅延され、フレーム間予測信号となり、スイッ
チ4を介して予測信号減算器5と予測信号加算器7とに
与えられる。スイッチ4は、画像タイプ設定器41から
与えられる画像タイプ情報に従って、画像タイプが片方
向予測フレーム(Pフレーム)の時にスイッチがフレー
ム間予測器3の方に接続される。一方、画像タイプが独
立フレーム(Iフレーム)の時にはスイッチが0値の方
に接続され、予測信号が切断される。この場合、入力さ
れた画像信号がそのまま符号化器6に与えられることに
なり、フレーム内独立符号化が行われる。前記Pフレー
ムとは、フレーム間予測による符号化に際して、時間的
に前のフレームから予測信号を生成して符号化されるフ
レームを指し、前記Iフレームとは、フレーム間予測を
用いずに、フレーム内で独立に符号化されるフレームを
指す。
【0007】どのフレームを独立フレームにするかは画
像タイプ設定器41で、入力画像のフレーム同期タイミ
ングに合わせて設定され、その画像タイプ情報はスイッ
チ4に与えられると共に多重化器10で多重化され、復
号化装置に伝送される。独立フレームを設定するタイミ
ングはVTR記録時の高速サーチや誤差リフレッシュの
ため、10から30フレームに1フレームとする。この
場合、独立フレームの符号量は片方向予測フレームの5
から10倍ぐらいになるので、発生符号量がフレームに
よって大きく変動することになり、その変動を吸収する
ためバッファは大容量のものが必要になる。
【0008】また、独立画像をフレーム単位でなく、1
フレームの10分の1程度の部分とし、その部分をリフ
レッシュ毎にずらし、1秒程度で全画面がリフレッシュ
されるようにする方法もある。この場合、バッファは小
容量で済むが、VTR記録時のサーチ画像は分割された
ものとなり、見難くなる。一方、画像bのための予測信
号減算器15、符号化器16、バッファ44、復号化器
18、予測信号加算器17、フレーム間予測器13、ス
イッチ14、画像タイプ設定器42の動作は、画像aの
ための予測信号減算器5、符号化器6、バッファ43、
復号化器8、予測信号加算器7、フレーム間予測器3、
スイッチ4、画像タイプ設定器41と夫々同じである。
多重化器10では画像aのデータ列であるバッファ43
の出力と、画像bのデータ列であるバッファ44の出力
を多重化し、多重データ列がデータ出力端子20より出
力される。
【0009】<従来例復号化装置> 次に、送られてきたデータ列を再生する復号化装置につ
いて図5を基に説明する。図5は、従来の復号化装置の
一例を示すブロック図であり、図4の符号化装置に対応
した復号化装置の一例である。図5に於いて、データ入
力端子31から入力された多重データ列は、多重化分離
器33で画像aと画像bのデータ列に分離され、画像a
のデータ列はバッファ43に、画像bのデータ列はバッ
ファ44に与えられる。バッファ43では、データ列が
一定の速度で書き込まれ、復号化器8で行われる復号処
理のタイミングに合わせた速度で読み出されて、復号化
器8に与えられる。復号化器8では図4に示す符号化装
置と同様な処理が行われ、得られた再生残差信号が予測
信号加算器7に与えられる。
【0010】予測信号加算器7では、フレーム間予測器
3から与えられる予測信号が前記再生残差信号と加算さ
れ、得られた画像aの再生画像信号は、フレーム間予測
器3に与えられると共に画像a出力端子34から出力さ
れる。フレーム間予測器3では再生画像信号が1フレー
ム遅延され、フレーム間予測信号となり、スイッチ4を
介して予測信号加算器7に与えられる。スイッチ4では
多重化分離器33で分離された画像タイプ情報に従っ
て、前記フレーム間予測信号が切断される。一方、バッ
ファ44、復号化器18、予測信号加算器17、フレー
ム間予測器13の動作は、バッファ43、復号化器8、
予測信号加算器7、フレーム間予測器3と夫々同じであ
り、画像bの再生画像信号は画像b出力端子35から出
力される。
【0011】ここで、バッファによって生じる信号遅延
について説明する。バッファの容量は発生符号量の固定
転送レートに対する最大変動分だけ用意され、発生符号
量の変動が多いとバッファ容量も多くなる。一方、符号
化及び復号化の処理は画像信号の入力に同期して行われ
るので、符号化側バッファの入力データと復号化側バッ
ファの出力データは一定時間の遅延となる。従って、夫
々のバッファは同一容量で、かつ相補的な動作となる。
【0012】即ち、一方のバッファに大量にデータが溜
まっている時は他方のバッファに溜まるデータ量は少な
くなり、両方の蓄積量の合計は片方のバッファ容量と同
一となる。これらから、遅延量は片方のバッファ容量を
転送レートで割ったものになる。例えばバッファ容量が
1Mbitで、転送レートが5Mbpsなら遅延量は
0.2秒となる。同一バッファ容量なら転送レートが低
いほど、同一転送レートならバッファ容量が多いほど遅
延は多くなる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】フレーム間予測を行う
符号化では、独立フレームの符号量は片方向予測フレー
ムの符号量の5倍から10倍と多くなる。そのため、発
生符号量はフレーム毎に大きく変動することになり、そ
の変動を吸収するために大容量のバッファが必要にな
る。そしてこのバッファにより信号の遅延が大きくな
る。符号量の変動を少なくするために、フレームの一部
分を独立符号化した場合には、VTRへ記録再生した時
の高速サーチ画像が、分割されて見難いものとなる。ま
た、符号化に際して、時間的に前のフレームからフレー
ム間予測を行う片方向予測フレーム(Pフレーム)の符
号量は、時間的に前と後のフレームからフレーム間予測
を行う双方向予測フレームの符号量に比して多く、2倍
から5倍ぐらいの発生符号量となる。そのため、独立フ
レーム(Iフレーム)と同様に、変動を吸収するために
大容量のバッファが必要になる。また、前記フレーム単
位をフィ−ルド単位としても同様の問題がある。本発明
は上記問題点に着目してなされたもので、複数の動画像
を符号化し多重化した後の全体の発生符号量の変動を低
減し、バッファ容量や信号遅延が小さい動画像符号化装
置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の動画像符号化装
置は、N(Nは2以上の整数)の動画像信号を並列的に
符号化して多重化する動画像符号化装置に於いて、夫々
の画像信号に対し、フレ−ム又はフィールド間予測符号
化、或いはフレ−ム又はフィールド内独立符号化を個別
に行うN個の符号化手段と、前記N個の符号化手段から
出力される夫々の符号列を多重化する手段と、前記多重
化手段の出力符号量を平準化するよう前記N個の符号化
手段での夫々の符号化の種類を制御する画像タイプ制御
手段とを備え、前記符号化手段でフレ−ム又はフィール
ド内独立符号化を行うフレームの開始点を、画像信号間
で時間間隔が大きくなるように制御する動画像符号化装
置である。また本発明の動画像符号化装置は、N(Nは
2以上の整数)の動画像信号を並列的に符号化して多重
化する動画像符号化装置に於いて、夫々の画像信号に対
し、双方向予測或いは片方向予測を用いて、フレームま
たはフィールド間予測符号化を個別に行うN個の符号化
手段と、前記N個の符号化手段から出力される夫々の符
号列を多重化する手段と、前記多重化手段の出力符号量
を平準化するよう前記N個の符号化手段での夫々の符号
化の種類を制御する画像タイプ制御手段とを備え、前記
符号化手段で片方向予測を用いたフレ−ム又はフィール
ド間予測符号化を行うフレームの開始点を、画像信号間
で時間間隔が大きくなるように制御する動画像符号化装
置である。
【0015】
【作用】本発明の符号化装置では、複数チャンネルの画
像信号間で、独立フレームや片方向予測フレームのタイ
ミングがなるべく離れるように制御することにより、平
均符号量より多くの符号が発生する独立フレームや片方
向予測フレームが前記複数の画像信号で同時には起り難
くなるので、複数画像信号を多重化した結果の符号量の
変動は一つの画像信号のものと同等であり、平均レート
に対する変動の割合が少なくなる。このため、多重化後
のバッファの容量はひとつの画像信号のものと同等で済
み、バッファによる信号遅延も少なくなる。
【0016】
【実施例】<符号化装置の第1実施例> 図1は本発明に係わる動画像符号化装置の第1実施例の
ブロック図を示す。図1に示す符号化装置は、画像タイ
プの設定方法及びバッファが、図4の従来例とは異な
り、符号化処理の基本的な動作は同じである。従来例と
の構成上の主たる相違点は、図4の画像タイプ設定器4
1、42の代わりに同期検出器2、12と画像タイプ制
御器9とが設けられており、バッファ43、44の代わ
りにバッファ19が設けられている点である。
【0017】<符号化処理> 図1に於いて、画像a入力端子1より入力された画像a
の信号は、予測信号減算器5と同期検出器2に与えられ
る。予測信号減算器5では、フレーム間予測器3から与
えられる予測信号が前記入力信号から減算され、得られ
た残差信号が符号化器6に与えられる。符号化器6で
は、前記DCTが行われ、変換された係数は所定のステ
ップ幅で量子化され、さらに可変長符号化されて圧縮さ
れたデータ列となり多重化器10と復号化器8とに与え
られる。画像b入力端子11より入力された画像bの信
号は、予測信号減算器15と同期検出器12とに与えら
れる。
【0018】ここで、画像bのための予測信号減算器1
5、符号化器16の動作は画像aのための予測信号減算
器5、符号化器6の動作と同じである。多重化器10で
は画像aのデータ列である符号化器6の出力と、画像b
のデータ列である符号化器16の出力とが多重化され、
多重データ列がバッファ19に与えられる。バッファ1
9では、可変長符号化で生じる符号量の変動が吸収さ
れ、一定のレートとなったデータ列がデータ出力端子2
0より出力される。また、復号化器8、18、予測信号
加算器7、17、フレーム間予測器3、13、スイッチ
4、14の動作は図4の従来例と同じである。
【0019】<画像タイプ制御> 次に、スイッチ4、14を制御する画像タイプ制御情報
の生成について説明する。同期検出器2では画像aの信
号のフレーム同期のタイミング即ちフレームの先頭のタ
イミングが検出され、同期検出器12で画像bの画像信
号のフレーム同期のタイミングが検出されて、共に画像
タイプ制御器9に与えられる。画像タイプ制御器9で
は、まず画像aのフレーム同期から画像aに対して独立
フレームとするタイミングが10乃至30フレームに1
フレームの割合で設定される。
【0020】次に画像aの独立フレームのフレーム同期
のタイミングの中間となるタイミングを求め、それに最
も近くなる画像bのフレームを画像bのフレーム同期か
ら求め、その直後の画像bのフレームを独立フレームと
する。このようにして求められた画像aと画像bの夫々
の画像タイプ情報は、スイッチ4、14に与えられると
共に多重化器10で多重化され、復号化装置に伝送され
る。この場合の画像タイプと発生符号量の様子を図6に
示す。図6は第1実施例の符号化装置に於ける画像タイ
プと符号量の様子を示す図である。同図でIは独立フレ
ーム、Pは片方向予測フレームを表す。
【0021】図6に於いて、1画像信号(1チャンネ
ル)当たりの符号量変動は、従来例と同じであるが、2
チャンネルが多重化された状態での変動は、独立フレー
ムによる符号量変動のタイミングがずれているので、1
チャンネル当たりの2倍にはならず、1チャンネルの場
合と同等となる。つまり、平均レートに対する変動の割
合は半減することになる。
【0022】従って、バッファ19の容量は図4のバッ
ファ43、44の合計ではなく、その一方と同程度のも
ので良いことになる。転送レートは2倍となっているの
で、バッファによる遅延時間は半減することになる。
尚、多重化する画像信号数(チャンネル数)が2より大
きい場合は、画像タイプ制御器9でチャンネル数に応じ
た独立画像の配置が行われる。
【0023】例えばNチャンネルの画像を多重化する場
合には、1チャンネル目は前記手法と同様に独立フレー
ムが設定される。次に、1チャンネル目の独立フレーム
の1周期TiをN分割した時間、即ちTi/N毎の各分
割点が2チャンネル目以降のチャンネルに割り振られ
る。2チャンネル目以降の各チャンネルでは、割振られ
た分割点に最も近いフレームが独立フレームとされる。
従って、例えば画像aのIフレームの開始時Taから略
Ti/N経過後には、独立符号化が行われる符号化器が
異なったものとなる。チャンネル数が3以上の場合、多
重化後の転送レートに対する発生符号量の変動は2チャ
ンネルの場合より少なくなり、本手法がより有効にな
る。
【0024】<復号化装置> 図3は、復号化装置の一実施例を示すブロック図であ
り、図1の符号化装置に対応した復号化装置の一例を示
している。図3に於いて、図5の従来例と異なるのはバ
ッファであり、基本的な復号化処理動作は同じである。
構成上の主たる相違点は、図5のバッファ43、44の
代わりに、多重化分離器33に接続されたバッファ32
が設けられている点である。データ入力端子31から入
力された多重データ列はバッファ32を介して多重化分
離器33に与えられる。
【0025】多重化分離器33では、画像aと画像bの
データ列が分離され、画像aのデータ列は復号化器8
に、画像bのデータ列は復号化器18に与えられる。復
号化器8、18、予測信号加算器7、17、フレーム間
予測器3、13、スイッチ4、14の動作は従来例と同
じで、予測信号加算器7で得られた画像aの再生画像信
号が画像a出力端子34から、予測信号加算器17で得
られた画像bの再生画像信号が画像b出力端子35から
出力される。
【0026】<符号化装置の第2実施例> 図2は本発明に係わる動画像符号化装置の第2実施例の
ブロック図を示す。これはフレーム間予測方式として、
MPEG方式で使用されるような双方向予測フレーム
(Bフレーム)を含む予測が行われる場合のものであ
る。この場合には、片方向予測フレーム(Pフレーム)
の符号量はBフレームに対して2から5倍となるので、
第1の実施例と同様に発生符号量が変動する。なお、こ
の実施例では独立フレームは設定されない。
【0027】<符号化処理> 画像a入力端子1より入力された画像信号aは、画像メ
モリ21と同期検出器2とに与えられ、画像b入力端子
11より入力された画像信号bは、画像メモリ23と同
期検出器12とに与えられる。画像メモリ21、23で
は画像タイプ制御器から与えられる画像タイプ制御情報
(PフレームかBフレームかの情報)に従って、画像信
号のフレーム順が入れ替えられる。ここで、Pフレーム
は遅延なく出力され、BフレームはPフレームの間隔の
分だけ遅延されてから出力される。
【0028】これはBフレームのフレーム間予測を行う
ためには、前後のPフレームの再生画像が必要となるた
めである。画像メモリ21の出力は予測信号減算器5
に、画像メモリ23の出力は予測信号減算器15に与え
られる。予測信号減算器5、15、符号化器6、16、
多重化器10、バッファ19、復号化器8、18の動作
は図1の第1の実施例と同じである。フレーム間予測器
22、24では、図1のフレーム間予測器3、13とは
異なり、画像タイプ制御情報に応じて予測処理方法が変
えられる。即ち、Pフレームでは直ぐ前のPフレームが
予測に使われ、Bフレームでは前と後の双方のPフレー
ムが使われる。
【0029】<画像タイプ制御> 一方、同期検出器2で画像aの画像信号のフレーム同期
のタイミングが検出され、同期検出器12で画像bの画
像信号のフレーム同期のタイミングが検出されて、画像
タイプ制御器25に与えられる。画像タイプ制御器25
では、まず画像aのフレーム同期から画像aに対してP
フレームとするタイミングが2から4フレームに1フレ
ームの割合で設定される。次に画像aのPフレームのタ
イミングの中間となるタイミングが検出され、それに最
も近くなる画像bのフレームが画像bのフレーム同期か
ら求められ、それが画像bのPフレームのタイミングと
される。
【0030】このようにして求められた画像aの画像タ
イプ情報は画像メモリ21とフレーム間予測器22とに
与えられ、画像bの画像タイプ情報は画像メモリ23と
フレーム間予測器24とに与えられると共に、これらの
画像タイプ情報は多重化器10で多重化され、復号化装
置に伝送される。この場合の画像タイプと発生符号量の
様子を図7に示す。図7は、第2実施例の符号化装置に
於ける画像タイプと符号量の様子を示す図である。
【0031】図7に示すように、Pフレームによる符号
量変動のタイミングが、画像aと画像bとでずれている
ので、第1の実施例と同様に、多重化後のバッファ19
の容量は1画像信号(1チャンネル)分で良く、画像信
号の遅延は半減することになる。図7に例示するよう
に、本発明の動画像符号化装置では、或る画像のPフレ
ームの周期をTpとし、画像のチャネル数をNとする
時、例えば画像aのフレームの開始時Taから略Tp
/N経過後には、片方向予測符号化が行われる符号化器
が異なったものとなる。
【0032】
【発明の効果】本発明では、複数チャンネル間で独立フ
レームや、片方向予測フレームのタイミングの間隔を大
きくするように制御することで、平均より多くの符号量
が発生する独立フレームや片方向予測フレームが複数の
チャンネルで同時には起こり難くなり、発生符号量の複
数チャンネルの総計は変動が少なくなる。このため、多
重化手段の後に設けるバッファの容量は、多重化する前
の1チャンネル分程度で済み、小さくできる。また、転
送レートは多重化により大きくなっているので、バッフ
ァで生じる信号遅延が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の符号化装置の第1実施例を示すブロッ
ク図である。
【図2】本発明の符号化装置の第2実施例を示すブロッ
ク図である。
【図3】復号化装置の一実施例を示すブロック図であ
る。
【図4】従来の符号化装置の一例を示すブロック図であ
る。
【図5】従来の復号化装置の一例を示すブロック図であ
る。
【図6】第1実施例の符号化装置に於ける画像タイプと
符号量の様子を示す図である。
【図7】第2実施例の符号化装置に於ける画像タイプと
符号量の様子を示す図である。
【符号の説明】
10 多重化手段(多重化器) 30、40、60、70 符号化手段 50、80 画像タイプ制御手段(画像タイプ制御
器)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】N(Nは2以上の整数)の動画像信号を並
    列的に符号化して多重化する動画像符号化装置に於い
    て、前記動画像信号の夫々に対し、 双方向予測或いは片方向
    予測を用いて、フレーム又はフィールド間予測符号化を
    個別に行うN個の符号化手段と、 前記N個の符号化手段から出力される夫々の符号列を多
    重化する手段と、 前記多重化手段の出力符号量を平準化するよう前記N個
    の符号化手段での夫々の符号化の種類を制御する画像タ
    イプ制御手段とを備え、前記画像タイプ制御手段は、前記N個の各符号化手段で
    片方向予測を用いたフレ−ム又はフィールド間予測符号
    化を行う前記各動画像信号におけるフレ−ム又はフィー
    ルドが、前記N個の各符号化手段間で互いに重なり合う
    時間が少なくなるように、前記N個の符号化手段での夫
    々の符号化の種類を 制御することを特徴とする動画像符
    号化装置。
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