JP3231674B2 - 信号符号化方法 - Google Patents

信号符号化方法

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JP3231674B2
JP3231674B2 JP25175097A JP25175097A JP3231674B2 JP 3231674 B2 JP3231674 B2 JP 3231674B2 JP 25175097 A JP25175097 A JP 25175097A JP 25175097 A JP25175097 A JP 25175097A JP 3231674 B2 JP3231674 B2 JP 3231674B2
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T9/00Image coding
    • G06T9/008Vector quantisation
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N19/00Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/90Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using coding techniques not provided for in groups H04N19/10-H04N19/85, e.g. fractals
    • H04N19/94Vector quantisation

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオ符号器に関
し、特に、コードブックに基づくビデオ符号器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】今日、ビデオシステムはビデオデータを
通信する際にさまざまなビデオ圧縮技術を利用してい
る。これらの技術には、ビデオコードブック、エントロ
ピー符号器および量子化器の使用が含まれる。
【0003】量子化器は、比較的少数の値しか表現し得
ない信号で、多数の値を表現することができる信号を置
換する装置である。送信装置(ソース)と受信装置(デ
スティネーション)の間でデータを伝送する際に用いら
れる量子化器には基本的に2種類のもの、すなわち、ス
カラー量子化器およびベクトル量子化器がある。スカラ
ー量子化器は、単一の自由度を有する信号に作用する。
スカラー量子化器の一種としてアナログ−ディジタル変
換器がある。アナログ−ディジタル変換器は、連続的に
変換する信号すなわちアナログ信号(これは、多くの相
異なる値のうちの1つをとり得る電圧を有する)を受け
取り、この信号を、限定された個数の値しかとらないデ
ィジタル信号に変換する。例えば、4ビットのアナログ
−ディジタル変換器は、アナログ信号の値を、16個の
相異なる値のうちの1つのみをとり得るディジタル信号
によって表現することができる。
【0004】これに対して、ベクトル量子化器は、複数
の自由度を有する信号に作用する。ベクトル量子化器の
一種として、ビデオ画像圧縮を行うビデオコーデックが
ある。ベクトル量子化器は本質的に、画像を、画素(ピ
クセル)と呼ばれる多数の小さい要素に分割するという
ことができる。例えば、自動車の画像は、600×60
0ピクセルのグリッドに分割され、各ピクセルは本質的
に、この自動車の画像における点(ドット)である。こ
れらのピクセルのグループが、自動車画像のベクトルす
なわち部分画像を形成するということができる。すなわ
ち、画像からのピクセルからなるN×Nのパッチはそれ
ぞれ画像ベクトルを形成するという。こうして、画像は
画像ベクトルのグループによって表現され、画像全体を
表現するのに必要な画像ベクトルの個数は、各画像ベク
トルのサイズに依存する。
【0005】コードブック(符号帳)は、画像内に頻繁
に見られるベクトルを表現するベクトルのセットを格納
するメモリである。例えば、コードブックは、黒ピクセ
ルのN×Nパッチ、白ピクセルのN×Nパッチ、あるい
は、半数が白で半数が黒のピクセルのN×Nパッチのベ
クトルを含む。各コードブックベクトルには、一意的な
識別符号、すなわち、それが存在するメモリ内のアドレ
スが割り当てられる。例えば、白一色のピクセルのN×
Nパッチすなわちコードブックベクトルには#1という
ID符号あるいはアドレスが割り当てられ、黒一色のコ
ードブックベクトルには#2というID符号あるいはア
ドレスが割り当てられる。重要な点は、ビデオ圧縮シス
テムは、画像内に現れる可能性のある多くのベクトルの
それぞれに、少なくとも1つのコードブックベクトルが
良好に一致するように、ビデオ圧縮システムは十分な数
のベクトルを含むコードブックを有することである。
【0006】画像全体を量子化する際に、ベクトル量子
化器は画像全体を一連の画像ベクトルに分割する。各画
像ベクトルごとに、ベクトル量子化器は、良好に一致す
る1つのコードブックベクトルを求め、各画像ベクトル
に対してコードブック内で見つけた最も良好に一致する
コードブックベクトルの識別符号すなわちアドレスから
なる新たな信号を生成する。
【0007】エントロピー符号化は、コンパクトなデー
タ表現を達成するために、データ源の統計的特性を利用
した無損失のデータ圧縮法である。エントロピー符号器
は、データ源あるいはそのデータ源から来るデータの何
らかの特性を利用することによって、伝送に必要な情報
ビット数を削減する方法を使用する。例えば、データ源
が頻繁に同じ画像ベクトルを送信する場合、エントロピ
ー符号化(可変長符号化(VLC(variable length cod
ing))としても知られる)は、入力データ(固定長フォ
ーマットのことが多い)を可変長の符号に変換する。V
LCの背後にある基本的な考え方は、頻繁なデータほど
短い符号で表現し、頻繁でないデータほど長い符号で表
現することによって、平均符号長を固定長表現よりも短
くすることである。
【0008】ランレングス符号化は、ビデオデータを表
現するもう1つの技術である。この技術は、多くの値が
0であり、0でない値がその中に分散しているような値
の系列を表現するのに有用である。ランレングス符号化
では、値の系列は、数のペア(対)を送信することによ
って伝送される。1番目の数は、0でない値の前の連続
する0の数を表し、2番目の数は、その0でない値を表
す。例えば、000030000002001という系
列を考える。このような系列は、(4,3),(6,
2),(2,1)というペアを送信することによって伝
送することができる。このような系列は、画像ベクトル
がスカラー量子化され、その後、多くの成分が0で表さ
れるときに生じる。多くのビデオ符号器は、ランレング
ス符号器から生成されるペアに可変長(エントロピー)
符号化を適用することによって、ランレングス符号化と
エントロピー符号化の両方を用いている。
【0009】ビデオデータを圧縮するためにコードブッ
クを利用する現在のビデオシステムでは、システムは、
コードブックインデックス(すなわち、実際のビデオブ
ロックに最も良く一致する画像ベクトルのコードブック
アドレス)、または、実際のビデオブロックのスカラー
量子化バージョンのいずれかを、いずれが少ないビット
数で済むかに応じて、送信する。その結果、復号器にお
ける画像全体の再生は、符号器で用いられるコードブッ
クのコピーを有する装置によって実現される。このよう
な装置は、各コードブックアドレスを、対応するコード
ブックベクトルで置換することによって、画像を再生す
る。しかし、コードブックエントリはもとの画像ベクト
ルに厳密には一致しないため、再生される画像は、何ら
かの残留値すなわち歪みの分だけ、もとの画像とは相違
する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】当業者に知られている
ように、システム全体の歪みは、コードブックエントリ
の数を増やすことによって、縮小することができる。し
かし、同じく知られているように、コードブックエント
リの数を増やすと、コードブックベクトルを、送信され
る実際のビデオデータブロックと比較するのに必要な計
算ステップ数が増大する。また、同じく知られているよ
うに、エントリ数の増大により、コードブックをアドレ
ス指定するのに必要なビット数が増大し、従って、レー
トが増大する。その結果、現在のシステムは、ビデオデ
ータを圧縮するのに用いることが可能なコードブックの
サイズに制限されるため、ビデオシステム設計者は、速
度のためには画像品質を犠牲にせざるを得ない。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、データ再構成
の品質を犠牲にすることなく、データを圧縮する高速な
方法および装置に関する。これを実現するため、本発明
は、各入力ベクトル、すなわち、原データブロックを、
コードブックインデックスと誤差差分の組合せとして、
または、原データブロックの圧縮バージョンとして、い
ずれが少ないビット数で済むかに応じて、表現する。
【0012】一実施例では、コードブックベクトルのセ
ットが生成されてコードブックに格納される。コードブ
ックベクトルは、一意的な識別符号によって検索可能か
つ識別可能である。原データは、入力ベクトルのセット
として編成される。各入力ベクトルごとに、その入力ベ
クトルに良好に一致するコードブックベクトルが選択さ
れ、その選択された良好に一致するコードブックベクト
ルと、入力ベクトルの誤差差分(距離)が計算される。
その後、各入力ベクトルは、良好に一致するコードブッ
クベクトルの識別符号と計算された誤差差分との組合せ
として、または、原データの圧縮バージョンとして、そ
れぞれを表現するのに必要なビット数に応じて、表現さ
れる。
【0013】別の実施例では、圧縮フォーマットで、ま
たは、コードブックインデックスおよび原データと一致
コードブックベクトルの誤差差分の組合せとして、ビデ
オデータを表現するための自由度が、コードブック、ス
カラー量子化器、およびエントロピー符号器を用いるビ
デオシステムによって提供される。いずれの実施例で
も、本発明の装置および方法は、品質を犠牲にすること
なく現在のシステムで高い圧縮率が達成可能なようにデ
ータを圧縮する、自由度の高い手段を提供する。こうし
て、本発明は、従来技術の制限を大幅に克服する。
【0014】実施例において、本発明によって圧縮され
る入力ベクトルは、原画像データブロックからなること
も、あるいは、さまざまな方法で前処理されたデータブ
ロックからなることが可能である。例えば、入力ベクト
ルは、空間領域から、例えば周知の離散コサイン変換
(DCT)のような従来の変換を用いて生成される周波
数領域へと変換されたブロックからなることが可能であ
る。さらに、入力信号がビデオ信号からなる場合、入力
ベクトルは、「ブロック内符号化された」ブロックデー
タ(すなわち、現在の画像ブロックのみを表すデータ)
ではなく、「ブロック間符号化された」ブロックデータ
(すなわち、現在の画像データブロックと、対応する前
の画像データブロックの差を表すデータ)からなること
が可能であり、これは従来の動き予測法によって「動き
補償された」ものであってもなくてもよい。これらの技
術はいずれも当業者に周知である。
【0015】
【発明の実施の形態】図1に、本発明による自由度の高
いデータ圧縮器の一実施例(以下「圧縮器10」とい
う。)を示す。図示のように、圧縮器10は、スカラー
量子化器19および加算器13に接続された入力12
と、加算器13およびスイッチ15に接続された出力1
4とを有するコードブック11を有する。スカラー量子
化器19はランレングス符号器6に接続され、ランレン
グス符号器6はエントロピー符号器16に接続される。
加算器13はスカラー量子化器17に接続され、スカラ
ー量子化器17はランレングス符号器5に接続される。
ランレングス符号器5はエントロピー符号器18に接続
される。エントロピー符号器16および18はスイッチ
15に接続される。既に説明したように、コードブック
11は、与えられたコードブックベクトルのセットを有
し、各コードブックベクトルは、コードブックの一意的
なアドレスすなわちインデックスに格納される。
【0016】動作時には、圧縮器10は、圧縮器10を
通る入力ベクトルの経路に依存して、2つの形式のうち
の1つで、与えられた原データブロックすなわち入力ベ
クトルを表現する。すなわち、図1に示すように、入力
データが経路30または31のいずれを通るかに依存し
て、入力ベクトルは次の2つの圧縮形式のうちの1つを
とる。 (1)入力ベクトルの圧縮バージョン (2)コードブックインデックスと残差すなわち誤差差
分ベクトルの組合せ
【0017】経路30を通る場合、入力ベクトルは、入
力ポート12を通りコードブック11に入力される。入
力ベクトルに良好に一致するデータベクトルがコードブ
ック11で特定され、この特定された良好に一致するデ
ータベクトルが、その一意的なコードブックアドレスと
ともに取得される。取得されたコードブックアドレス
は、ライン21を通ってスイッチ15に出力され、対応
する一致コードブックベクトルはライン22をとって加
算器13に出力される。また、原データベクトルは、コ
ードブック11を迂回して加算器13に送られ、そこ
で、原データベクトルと一致データベクトルの差が計算
され、誤差差分ベクトルが求められる。誤差差分ベクト
ルすなわち残差は、加算器13からスカラー量子化器1
7に出力される。スカラー量子化器17は量子化された
残差をランレングス符号器5に出力する。ランレングス
符号器5は、符号化され圧縮された残差をエントロピー
符号器18に出力する。エントロピー符号器18は、符
号化され圧縮された残差をスイッチ15に出力する。そ
の結果、経路30は、宛先(図示せず)に出力するため
に、符号化され圧縮された残差と、コードブックインデ
ックスとを提供する。
【0018】経路31を通る場合、入力ベクトルは、ス
カラー量子化器19、ランレングス符号器6およびエン
トロピー符号器16に送信され、エントロピー符号器1
6は、入力ベクトルの符号化され圧縮されたバージョン
をスイッチ15に出力する。スイッチ15は、符号化さ
れ圧縮された残差とコードブックインデックスの組合せ
として、または、入力ベクトルの符号化され圧縮された
バージョンとしてのいずれによって入力ベクトルを表現
するかの選択をすることができる。一実施例では、この
選択は、符号化された残差とコードブックインデックス
の組合せを送信するのに要するビット数を、経路31を
通って与えられる入力ベクトルの圧縮バージョンのみを
送信するのに要するビット数と比較してなされる。その
結果、圧縮器10は、データ品質を損なうことなく、圧
縮の速さおよび効率を動的に最適化する自由度の高い手
段を提供する。
【0019】図2に、本発明によるデータ圧縮の動的最
適化を提供する方法の一実施例(以下「データ圧縮方法
40」という。)を示す。図示のように、データ圧縮方
法40は、ステップ41で、コードブックベクトルのセ
ットを生成する。ここで、各コードブックベクトルは一
意的な識別符号によって識別される。次に、ステップ4
2で、原データすなわち入力データは入力ベクトルのセ
ットとして編成される。次に、ステップ43で、入力ベ
クトルに良好に一致するコードブックベクトルがコード
ブック内で検索される。次に、ステップ44で、一致す
るコードブックベクトルを入力ベクトルから差し引き、
それらの誤差差分ベクトルすなわち残差ベクトルを求め
る。ステップ45で、残差ベクトル、一致コードブック
ベクトルを識別する一意的な識別符号、および入力ベク
トルはすべてスイッチに送られる。
【0020】次に、ステップ46で、スイッチは、一意
的な識別符号と残差ベクトルの組合せ、または、入力ベ
クトルの圧縮バージョンのいずれかを、それぞれを送信
するのに要するビット数に応じて、出力する。具体的に
は、スイッチは、入力ベクトルの圧縮バージョンとして
入力ベクトルを出力するのが、識別インデックスと残差
ベクトルの組合せとして入力ベクトルを表現するよりも
効率的である、すなわち、少ないビット数で済む場合に
は、入力ベクトルの圧縮バージョンを出力する。こうし
て、システムの品質を犠牲にすることなく、圧縮効率を
最適化する手段が提供される。
【0021】別の実施例では、本発明の装置および方法
は、ビデオ通信システムにおいてビデオデータの自由度
の高いデータ圧縮を提供する。しかし、以上の説明は、
本発明の実施例であって、説明中の具体例への言及は、
本発明を限定するものと解釈されるべきではなく、単
に、本発明の一般的原理を説明する目的でなされたもの
である。
【0022】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、デ
ータの再生品質を犠牲にすることなく、現在のシステム
で高い圧縮率が達成可能なようにデータを圧縮する、自
由度の高い手段を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による、システム品質をほとんど犠牲に
することなく高度な圧縮を実現する、自由度の高いデー
タ圧縮器の実施例の図である。
【図2】本発明によるデータ圧縮の動的最適化を実現す
る方法の一実施例の流れ図である。
【符号の説明】
5 ランレングス符号器 6 ランレングス符号器 10 圧縮器 11 コードブック 12 入力 13 加算器 14 出力 15 スイッチ 16 エントロピー符号器 17 スカラー量子化器 18 エントロピー符号器 19 スカラー量子化器 40 データ圧縮方法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New J ersey 07974−0636U.S.A. (72)発明者 ジョナサン デビッド ローゼンバーグ アメリカ合衆国、07751 ニュージャー ジー、モーガンビル、タングルウッド プレイス 137 (56)参考文献 特開 昭62−145987(JP,A) 特開 昭63−146518(JP,A) 特開 昭63−198478(JP,A) 特開 平4−219074(JP,A) 特開 昭64−881(JP,A) 特開 昭58−102314(JP,A) 特開 昭60−24768(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 7/30 H04N 7/30

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれ一意的な識別符号によって識別
    されるコードブックベクトルのセットを用いて入力ベク
    トルのセットからなる信号を符号化する方法において、 a.前記コードブックベクトルのセットから、与えられ
    た入力ベクトルに良好に一致するコードブックベクトル
    を選択するステップと、 b.前記与えられた入力ベクトルと前記ステップaで選
    択された良好に一致するコードブックベクトルの差を計
    算するステップと、 c.前記与えられた入力ベクトルが、前記選択された良
    好に一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号
    と、前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好
    に一致するコードブックベクトルの差との組合せを表す
    信号として符号化される場合の第1ビット数を求めるス
    テップと、 d.前記与えられた入力ベクトルが、前記コードブック
    ベクトルのセットを用いずに符号化される場合の第2ビ
    ット数を求めるステップと、 e.前記第1ビット数が前記第2ビット数を超えない場
    合、前記与えられた入力ベクトルを、前記選択された良
    好に一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号
    と、前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好
    に一致するコードブックベクトルの差との組合せを表す
    信号として符号化するステップと、 f.前記第1ビット数が前記第2ビット数を超える場
    合、前記与えられた入力ベクトルを、前記コードブック
    ベクトルのセットを用いずに符号化するステップとから
    なることを特徴とする信号符号化方法。
  2. 【請求項2】 前記信号はビデオ信号であることを特徴
    とする請求項1の方法。
  3. 【請求項3】 各入力ベクトルは8×8のデータベクト
    ルであることを特徴とする請求項2の方法。
  4. 【請求項4】 各コードブックベクトルは8×8のデー
    タベクトルであることを特徴とする請求項3の方法。
  5. 【請求項5】 各識別符号は8ビット符号であることを
    特徴とする請求項4の方法。
  6. 【請求項6】 前記コードブックベクトルはコードブッ
    クに格納されることを特徴とする請求項5の方法。
  7. 【請求項7】 前記与えられた入力ベクトルと前記選択
    された良好に一致するコードブックベクトルの差は、与
    えられた誤差差分ベクトルであることを特徴とする請求
    項6の方法。
  8. 【請求項8】 前記与えられた入力ベクトルと前記選択
    された良好に一致するコードブックベクトルの差をスカ
    ラー量子化し、ランレングス符号化し、エントロピー符
    号化するステップをさらに有することを特徴とする請求
    項1の方法。
  9. 【請求項9】 前記入力ベクトルをスカラー量子化し、
    ランレングス符号化し、エントロピー符号化するステッ
    プをさらに有することを特徴とする請求項1の方法。
  10. 【請求項10】 前記ステップdおよびeはスイッチに
    より実行されることを特徴とする請求項1の方法。
  11. 【請求項11】 入力ベクトルのセットからなる信号を
    圧縮する符号化装置において、 それぞれ一意的な識別符号によって識別されるコードブ
    ックベクトルのセットからなるコードブックと、 前記コードブックベクトルのセットから、与えられた入
    力ベクトルに良好に一致するコードブックベクトルを選
    択するプロセッサと、 前記与えられた入力ベクトルと前記プロセッサで選択さ
    れた良好に一致するコードブックベクトルの差を計算す
    る減算器と、 前記与えられた入力ベクトルが、前記選択された良好に
    一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号と、
    前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好に一
    致するコードブックベクトルの差との組合せを表す信号
    として符号化される場合の第1ビット数を求める手段
    と、 前記与えられた入力ベクトルが、前記コードブックベク
    トルのセットを用いずに符号化される場合の第2ビット
    数を求める手段と、 前記第1ビット数が前記第2ビット数を超えない場合、
    前記与えられた入力ベクトルを、前記選択された良好に
    一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号と、
    前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好に一
    致するコードブックベクトルの差との組合せを表す信号
    として符号化する手段と、 前記第1ビット数が前記第2ビット数を超える場合、前
    記与えられた入力ベクトルを、前記コードブックベクト
    ルのセットを用いずに符号化する手段とからなることを
    特徴とする圧縮符号化装置。
  12. 【請求項12】 前記信号はビデオ信号であることを特
    徴とする請求項11の装置。
  13. 【請求項13】 各入力ベクトルは8×8のデータベク
    トルであることを特徴とする請求項12の装置。
  14. 【請求項14】 各コードブックベクトルは8×8のデ
    ータベクトルであることを特徴とする請求項13の装
    置。
  15. 【請求項15】 各識別符号は8ビット符号であること
    を特徴とする請求項14の装置。
  16. 【請求項16】 前記与えられた入力ベクトルと前記選
    択された良好に一致するコードブックベクトルの差は、
    与えられた誤差差分ベクトルであることを特徴とする請
    求項15の装置。
  17. 【請求項17】 前記減算器で計算された、前記与えら
    れた入力ベクトルと前記選択された良好に一致するコー
    ドブックベクトルの差を圧縮する第1スカラー量子化
    器、ランレングス符号器および第1エントロピー符号器
    をさらに有することを特徴とする請求項11の装置。
  18. 【請求項18】 前記入力ベクトルを圧縮する第2スカ
    ラー量子化器、ランレングス符号器および第2エントロ
    ピー符号器をさらに有することを特徴とする請求項11
    の装置。
  19. 【請求項19】 前記与えられた入力ベクトルと前記選
    択された良好に一致するコードブックベクトルの差を計
    算する加算器をさらに有することを特徴とする請求項1
    1の装置。
  20. 【請求項20】 ビデオデータを圧縮するビデオシステ
    ムにおいて、 それぞれ一意的な識別符号によって識別されるコードブ
    ックベクトルのセットからなるコードブックと、 前記ビデオデータを入力ベクトルのセットとして編成
    し、前記コードブックベクトルのセットから、与えられ
    た入力ベクトルに良好に一致するコードブックベクトル
    を選択するプロセッサと、 前記与えられた入力ベクトルと前記プロセッサで選択さ
    れた良好に一致するコードブックベクトルの差を計算す
    る減算器と、 前記与えられた入力ベクトルが、前記選択された良好に
    一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号と、
    前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好に一
    致するコードブックベクトルの差との組合せを表す信号
    として符号化される場合の第1ビット数を求める手段
    と、 前記与えられた入力ベクトルが、前記コードブックベク
    トルのセットを用いずに符号化される場合の第2ビット
    数を求める手段と、 前記第1ビット数が前記第2ビット数を超えない場合、
    前記与えられた入力ベクトルを、前記選択された良好に
    一致するコードブックベクトルの一意的な識別符号と、
    前記与えられた入力ベクトルと前記選択された良好に一
    致するコードブックベクトルの差との組合せを表す信号
    として符号化する手段と、 前記第1ビット数が前記第2ビット数を超える場合、前
    記与えられた入力ベクトルを、前記コードブックベクト
    ルのセットを用いずに符号化する手段とからなることを
    特徴とするビデオシステム。
JP25175097A 1996-09-18 1997-09-17 信号符号化方法 Expired - Fee Related JP3231674B2 (ja)

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