JP3175328B2

JP3175328B2 - 画像符号化装置

Info

Publication number: JP3175328B2
Application number: JP23454092A
Authority: JP
Inventors: 健次綱島; 聡司倉橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 2001-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH0686255A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、映像信号をディジタ
ル化し、一定の伝送レートで、記録，伝送を行う映像信
号符号化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えばIEEE Transaction on Cons
umer Electronics, Vol.34, No.3, Aug.1988, ■An Exp
erimental Digital VCR with 40mm Drum, Single Actua
tor and DCT-Based Bit-Rate Reduction■, S.M.C.Borg
ers,et.al.に示された画像信号符号化装置のブロック回
路図で、図中、３１，３２は入力映像信号を一時的に蓄
えるフレームメモリ、３３は離散コサイン変換を行うＤ
ＣＴ装置、３４はＤＣＴ装置３３の出力をあらかじめ定
められた順序に並び替えるとともに、ＤＣＴ装置３３の
出力の位置に応じて一定の係数を乗算する処理（ウエイ
ティング処理）を施すブロック走査／ウエイティング処
理ブロック、３５は適応量子化器、３６は量子化された
各係数の振幅値に応じて係数の順序を変更するとともに
順序を示すアドレスを求めるソーティング回路、３７は
ソーティング回路３６の出力を可変長符号に置き換える
可変長符号器、３８は可変長符号を蓄え一定のレートで
出力するバッファ回路、３９はバッファ回路３８の状態
を監視して、量子化のパラメータ等を決定するバッファ
制御回路である。

【０００３】次に図５の動作を説明する。入力映像信号
（輝度信号Ｙおよび色信号Ｕ,Ｖ）は一旦フレームメモ
リ３１，３２に蓄えられた後、垂直方向８画素、水平方
向８画素を単位として互いに重なり合わないデータブロ
ックとしてフレームメモリ３１，３２から読みだされ
る。ＤＣＴ装置３３では、フレームメモリ３１，３２か
ら８×８ブロックの形で読みだされたデータに２次元離
散コサイン変換を施す。離散コサイン変換に拠って得ら
れた係数データは、図６に示すような順序に並び替えら
れるとともに、ブロック内の位置によって定められてい
るウエイティングが掛けられる。

【０００４】ブロック走査／ウエイティング処理ブロッ
ク３４の出力は、適応量子化器３５で量子化される。適
応量子化器３５は、一定の値を下回る係数データをすべ
て零データとする、いわゆるスレショルド処理を含むも
のとする。量子化時に用いられる量子化ステップサイズ
およびスレショルド値は、各ブロックの性質とバッファ
制御回路３９の出力の双方を用いて決定される。例え
ば、急峻なレベル変化を含むブロックは、小さな振幅の
高精細信号を含むブロックより劣化が視覚的に目立たな
いと考えれているため、急峻なレベル変動を含むブロッ
クについてはより大きなステップサイズとスレショルド
値で量子化を行うものとする。

【０００５】また、量子化ステップサイズとスレショル
ド値は、バッファ回路３８の状態に応じてバッファ制御
回路３９から供給される制御信号によってもコントロー
ルされる。すなわち、バッファ回路３８に蓄えられたデ
ータ量が多くなった場合には、量子化ステップサイズお
よびスレショルド値を大きくし、逆にデータ量が所定の
値より小さい場合には量子化ステップサイズおよびスレ
ショルド値を小さくする。この様な制御に拠って、バッ
ファ回路がオーバーフローする事を防いでいる。適応量
子化器３５の出力は、ソーティング回路３６に於いて発
生する符号量を削減できるよう、零でない振幅値の係数
を振幅の順序に並び替えた後、処理される。

【０００６】ソーティング回路３６の出力は、可変長符
号化器３７でデータの統計的性質を反映した可変長符号
に変換され、バッファ回路３８に書き込まれる。バッフ
ァ回路３８の状態は常にバッファ制御回路３９によって
監視されており、上述のようにバッファ回路３８の充填
度に応じて量子化のパラメータが変えられる。すなわ
ち、バッファ回路３８の充填度が高くなった場合には、
量子化ステップサイズおよびスレショルド値の双方を大
きく設定することによって発生データ量を減らし、逆に
バッファ回路３８の充填度が低くなった場合には、量子
化ステップサイズおよびスレショルド値ともに小さくす
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の例のように、可
変長符号を蓄えるバッファの状態に応じて量子化パラメ
ータを変化させる、いわゆるフィードバック制御を採用
した映像信号符号化装置では、発生データ量をフレーム
単位以下の短時間内で一定値に納めることは困難で、Ｖ
ＴＲ等フレーム単位以下で発生データ量が一定値以下に
効率よく抑えられることが要求されるような場合には、
必ずしも適切ではないという問題点があった。

【０００８】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、１フレーム以下の短い期間を
単位としても所定の値にデータ発生量を制御することの
出来る映像信号符号化装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る映
像信号符号化装置は、入力映像信号を互いに重なり合わ
ないよう分割して得たブロックを直交変換し、あらかじ
め定めた複数の量子化ステップで量子化した際にブロッ
ク毎に非零となる係数の数をカウントするとともに、各
ブロックのデータの標準偏差を求め、各ブロックの非零
係数の数と標準偏差の線形和を求めアクティビティパラ
メータとし、該アクティビティパラメータに基づき、符
号化データ量を予測し、予測結果よって量子化ステップ
を選択するように構成したものである。

【００１０】また、請求項２の発明に係る映像信号符号
化装置は、請求項１のアクティビティ算出手段で求めら
れたアクティビティに基づいて選択される量子化器を複
数個設け、それぞれの量子化器の出力を一時的に蓄える
バッファを用意するとともに、ブロック毎に複数個のバ
ッファに蓄えられたデータのいずれかを選択するデータ
選択手段とで構成したものである。

【００１１】また、請求項３の発明に係る映像信号符号
化装置は、請求項２の発明のデータ選択手段を構成する
に当たり、アクティビティの大きいブロックから順次符
号量の少ないバッファのデータを選択するようにしたも
のである。

【００１２】

【作用】請求項１の発明における映像信号符号化装置で
もちいる、各ブロック毎に量子化後に非零となる係数の
数と、標準偏差の和として求めたアクティビティパラメ
ータと、符号化データ量とは、高い相関を示すため良好
な符号化データ量予測を行うことが出来るので、適切な
量子化ステップの選択を行うことができ、短い期間内で
一定の発生データ量となるよう制御することが可能とな
る。

【００１３】また、請求項２の発明では、複数個の量子
化器それぞれに対して、異なったデータ量の出力が得ら
れるので、データ選択手段において複数の量子化データ
の中からブロック毎に選択して出力することによって複
数ブロックの合計符号量を目標符号量により近づけるこ
とが可能となる。

【００１４】また、請求項３の発明では、複数の符号化
データの選択にあたって、ブロック毎のアクティビティ
に応じて選択するブロックを決定するようにしたので、
ブロック毎の画像の性質が考慮されることになり、再生
画質の向上が期待できる。

【００１５】

【実施例】実施例１．以下、この発明の実施例１を図１
について説明する。図１において、１はブロック化回
路、２は直交変換器、３は非零係数計数回路、４は標準
偏差算出回路、５は遅延回路、６はアクティビティ算出
回路、７は量子化器選択回路、８は量子化器、９は可変
長符号化器、１０はバッファ回路、１１は映像信号入力
端子、１２は符号出力端子である。

【００１６】次にその動作を説明する。映像入力端子１
１から入力されたディジタル映像入力データはブロック
化回路１で互いに重なりあわない小ブロックに分割され
る。この小ブロックの大きさは例えば、垂直方向、水平
方向ともに８画素とする。ブロック化回路１で形成され
たブロックは直交変換器２に入力される。直交変換器２
では、各ブロック毎に、離散コサイン変換等の直交変換
を施し、変換された係数を得る。直交変換器２の出力で
ある各変換係数は、非零係数計数回路３、標準偏差算出
回路４および遅延回路５に供給される。

【００１７】非零係数計数回路３では、予め定めた複数
の量子化ステップで量子化した際に非零となる係数の数
をそれぞれの量子化ステップに対して、カウントして記
憶しておく。また、標準偏差算出回路４では、ブロック
毎にデータの標準偏差を算出するものとする。非零係数
計数回路３と標準偏差算出回路４の出力はともにアクテ
ィビティ算出回路６に与えられる。アクティビティ算出
回路６では、非零係数のカウント値Ｎに予め定めた定数
aを乗算した値と標準偏差Ｓに予め定めた別の定数ｂを
乗算した値の和を算出し、アクティビティactとする。
すなわち、アクティビティactは、 act ＝ aＮ＋bＳによって算出する。こうして算出したアクティビティは
符号化発生データ量と高い相関を示すことがシミュレー
ションによって確認されている。したがって、複数の画
像データを用いて、各量子化ステップ毎にアクティビテ
ィ値と符号化後の発生データ量の関係を調べておけば、
高い精度で入力画像のブロック毎のアクティビティから
発生データ量を予測することが出来る。そこで、アクテ
ィビティ算出回路６で算出されたアクティビティは量子
化器選択回路７に与えられ、目標とするデータ発生量を
達成出来る量子化器の選択に用いられる。

【００１８】ここで、発生データ量の予測はブロック毎
に行われるので、発生データ量の制御は１フレーム以下
の短い単位で行うことが可能で、例えば数ブロックとい
う短い単位での設定も可能である。例えば１００ブロッ
ク単位で符号化データ量を一定にしようとした場合に
は、対象とする１００ブロックについて各ブロックのア
クティビティを予め設定された全ての量子化ステップに
関して求め、量子化ステップ毎のデータ発生量を予測
し、所定のデータ量以下となる量子化ステップの組合せ
の内、データ発生量が最大になるものを選択する。

【００１９】直交変換器２の出力は、上記のように発生
データ量予測のために非零係数計数回路３および標準偏
差算出回路４に与えられるとともに、遅延回路５にも入
力される。遅延回路５は上述の過程で発生データ量を予
測したのち、量子化ステップを決定するまでの時間遅れ
を補償するもので、量子化ステップが決まるまでの時間
分だけ量子化器８に入力されるデータを遅延する。上記
の１００ブロック単位で制御を行う例では少なくとも１
００ブロック分の遅延が必要となる。遅延回路５の出力
は、量子化器選択回路７で選択された量子化器８で量子
化された後、可変長符号化器９で可変長符号に置き換え
られる。可変長符号器９の出力は一旦、バッファ１０に
蓄積された後、一定のレートで読みだされ、伝送すべき
符号として、出力端子１２から出力される。

【００２０】なお、上記実施例１では、一つの入力信号
を対象として説明したが、たとえば、輝度信号と二つの
色信号から一つの映像信号が構成されている場合には、
それぞれの信号に対して図１の構成を適用してもよい
し、また、輝度信号と色信号を時間軸上で多重して、図
１の構成の入力信号としてもよい。

【００２１】上記の構成を例えばディジタルＶＴＲに適
用した場合には、図１中の映像信号出力端子から出力さ
れるデータを誤り訂正符号等のデータを付加したのち、
テープに磁気記録される。図２にディジタルＶＴＲの信
号処理全体のブロック回路図を示す。図２において、４
１は入力映像信号（輝度信号Ｙおよび色信号Ｕ，Ｖ）を
ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、４２は高能率
符号化エンコーダ、４３は誤り訂正エンコーダ、４４は
変調器、４５は信号を磁気テープ上に記録および再生を
行なう磁気記録再生システム、４６は復調器、４７は復
調された信号に含まれる時間軸変動成分を取り除くため
の時間軸補正装置、４８は誤り訂正デコーダ、４９は高
能率符号化デコーダ、５０はディジタル信号をアナログ
再生信号に変換するＤ／Ａ変換器である。

【００２２】図１に示した実施例１の映像信号符号化装
置は、図２中の高能率符号化エンコーダ４２に相当して
いる。高能率符号化エンコーダ４２の出力は、誤り訂正
エンコーダ４３において誤り訂正符号が付加された後、
変調器４４で記録信号のビットストリームに変換され、
磁気テープ上に記録される。ディジタルＶＴＲでは一般
に、１画面（１フレーム）の信号が図３に示すように複
数本のトラックに記録される。一本のトラックにはあら
かじめ与えられた量のデータが記録されことになるが、
実施例１の映像信号符号化装置を用いれば１フレーム以
下の単位で符号量が一定になるように制御が行われ、例
えば、１トラックに記録される映像の領域が固定され
る。

【００２３】ディジタルＶＴＲでは、スピードサーチ等
の特殊再生モードが導入される。例えば、フォワードス
ピードサーチ（順方向高速再生）時には、テープ上を走
査するヘッドの軌跡が通常再生時とは異なり、図３中に
破線で示したような軌跡となる。このときヘッドがトラ
ックを横切るたびに各トラックからとびとびのデータが
読みだされる。読みだされたデータは画面上の位置との
対応関係に従って再生映像信号の一部として用いられ
る。読みだされたデータと画面上の位置関係は一般には
ヘッドとテープの位置関係によって特定されるが、この
発明に係る符号化装置によれば、各トラックに記録され
た信号と画面上の位置の対応が明確となるので、読み出
された信号を画面上のどの位置に挿入するかを決定でき
る。さらに１トラック以下の単位で符号量制御を行え
ば、より明確に読み出された信号と画面上の位置関係を
特定できる。このように特殊再生を容易にするためには
短い時間間隔で発生符号量を一定にすることが望まれ
る。

【００２４】実施例２．図４は、この発明の実施例２の
ブロック回路図で、図１と同一符号はそれぞれ同一、ま
たは相当部分を示しており、１３は第一の量子化器、１
４は第二の量子化器、１５は第一の可変長符号器、１６
は第二の可変長符号器、１７は第一のバッファ回路、１
８は第二のバッファ回路、１９は第一のバッファ回路１
７と第二のバッファ回路１８のいずれかの出力を選択す
るデータ選択回路、２０は第一，第二のバッファ回路１
７，１８に蓄えられたブロック毎のデータ量を監視し、
ブロック毎に第一のバッファ回路１７または第二のバッ
ファ回路１８の出力をデータ選択回路１９で選択するた
めの信号を生成するブロック選択信号発生回路である。
図４において、第一の量子化器１３，第二の量子化器１
４および第一の可変長符号器１５，第二の可変長符号器
１６、また、第一のバッファ回路１７，第二のバッファ
回路１８のいずれもそれぞれ同等の装置が用いられる。

【００２５】次に、実施例２の動作を説明する。入力映
像信号は、図１に示す実施例１と同様に、ブロック化、
直交変換が行われ、各ブロックについて非零係数の個
数、標準偏差からアクティビティを求める。この時、量
子化器選択回路７ではアクティビティから目標とするデ
ータ発生量を上回るデータのうち最小の値となる第一の
量子化ステップを決定し、当該量子化ステップで量子化
するよう第一の量子化器１３に信号をおくるとともに、
目標とするデータ発生量を下回るデータ量のうち最大の
値となる第二の量子化ステップを求め、第二の量子化ス
テップで量子化するよう第二の量子化器１４に信号を送
る。ここで、データ量制御を行う単位、たとえば、上記
の例では連続する１００ブロックに対しては同一の量子
化ステップを用いるものと仮定する。

【００２６】第一の量子化器１３の出力は第一の可変長
符号器１５で可変長符号化されたのち、第一のバッファ
回路１７に蓄えられ、第二の量子化器１４の出力は第二
の可変長符号器１６で量子化された後、第二のバッファ
回路１８に蓄えられる。このとき、予測が大きく外れな
い限り、第一のバッファ回路１７に蓄えられたデータ量
は、目標データ量を越えており、第二のバッファ回路１
８に蓄えられたデータ量は目標データ量を下回っている
はずである。そこで、ブロック選択信号発生回路２０で
は、第一のバッファ回路１７と第二のバッファ回路１８
に蓄えられたデータ量をブロック毎に監視し、データ制
御の単位で目標データ量以下でもっとも目標データ量に
近くなるように、ブロック毎に第一のバッファ回路１７
または第二のバッファ回路１８に蓄えられたデータを選
択すべくデータ選択回路１９に対し制御信号をおくる。
この時選択方法としてはさまざまな方法が考えられる
が、例えば以下に示すようにすればよい。

【００２７】まず、第一のバッファ回路１７に蓄えられ
た総データ量を求める。このデータ量は一般に目標デー
タ量を超えているはずである。そこで、第一のバッファ
回路１７に蓄えらたデータの内、アクティビティが大き
いブロックから順次、第二のバッファ回路１８に蓄えら
れたデータに置き換えてゆき、合計データ量が目標デー
タ量より小さくなるブロックの組合せを求める。データ
選択回路１９はこの組合せにしたがって第一のバッファ
回路１７の内容と第二のバッファ回路１８の内容とをブ
ロック毎に選択して出力する。このように、符号化済み
のデータを選択することによって出力データ列を形成す
るので、データを確実に一定量に抑えるべく制御を行う
ことが出来る。加えて、アクティビティの大きいブロッ
ク程画面上での劣化が目立たないと考えられるため、上
述のようにアクティビティの大きいブロックから、順次
データ量の削減を図ることは画質面からも望ましいと考
えられる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば直交変
換後の変換係数のブロック毎の標準偏差と予め定めた複
数個の量子化器で量子化した際に生じる非零の係数の数
を線形結合することによって求めたアクティビティに基
づきデータ発生量を予測して量子化ステップサイズを定
めるように構成したので、１フレーム以下の短い期間を
対象としても一定の発生データ量に制御することが出来
る。

【００２９】さらに、予測によって定めた複数個の量子
化器で量子化、可変長符号化したのち、各ブロックのア
クティビティにしたがってデータを選択して出力するよ
うに構成することによって発生データ量を精度良く制御
できるとともに、再生画質も考慮したブロック毎の発生
データ量の割当を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の画像符号化装置のブロッ
ク回路図である。

【図２】ディジタルＶＴＲの構成の一例を示すブロック
回路図である。

【図３】ディジタルＶＴＲのテープ上のトラックパター
ンを示す図である。

【図４】この発明の実施例２の画像符号化装置のブロッ
ク回路図である。

【図５】従来の画像符号化装置のブロック回路図であ
る。

【図６】１ブロック内のデータを走査する場合の走査順
序を示す図である。

【符号の説明】

１ブロック化回路２直交変換器３非零係数計数回路４標準偏差算出回路６アクティビティ算出回路７量子化器選択回路８量子化器９可変長符号器１３量子化器１４量子化器１５可変長符号器１６可変長符号器１９データ選択回路２０ブロック選択信号発生回路

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−124690（ＪＰ，Ａ) 特開平４−2276（ＪＰ，Ａ) 特開平３−291058（ＪＰ，Ａ) 特開平５−316358（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 7/24 - 7/68 H04N 1/41 - 1/419

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】映像信号をディジタル化して１画面を互
いに重なりあわない複数のブロックに分割し、直交変換
を施したのち、符号化を行う画像符号化装置において、
各ブロックの標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
あらかじめ定めた複数個の量子化器で量子化した際、各
ブロックで発生する非零の係数を計数する非零係数計数
手段と、前記標準偏差算出手段で求めた標準偏差と前記
非零係数計数手段で計数した１ブロック当りの非零係数
の個数との線形結合をアクティビティとして算出するア
クティビティ算出手段と、アクティビティに応じて量子
化器を選択する量子化器選択手段と、当該量子化器選択
手段によって選択される複数の量子化器と、選択された
量子化器の出力を可変長符号に置き換える可変長符号器
を設けたことを特徴とする画像符号化装置。
【請求項２】請求項１に記載の画像符号化装置におい
て、量子化器とその出力を符号化する可変長符号化器お
よび可変長符号化器の出力を蓄えるバッファをそれぞれ
複数個設けるとともに、ブロック毎に複数個のバッファ
の内いずれの内容を選択するかを決定するブロック選択
信号発生手段と、ブロック選択信号発生手段の出力信号
に応じて前記複数のバッファのデータを選択して出力す
るデータ選択手段とを設けたことを特徴とする画像符号
化装置。
【請求項３】請求項２に記載の画像符号化装置におい
て、アクティビティの大きなブロックから順次符号量の
少ないバッファのデータを選択することによって符号量
を目標値以下に制御する手段を備えたことを特徴とする
画像符号化装置。