JP3248652B2 - カラー画像符号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラー画像符号化装置
に関し、特に、カラー画像を高効率でしかも低歪みで圧
縮符号化・復号化する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カラー画像の圧縮符号化・復号化に関し
ては、従来から高効率・低歪みを目指して様々な方式が
検討されている。このような画像圧縮符号化技術につい
ては、大別して、（ａ）符号化・復号化によって歪みが
生ずる方式と、（ｂ）符号化・復号化によって歪みが生
じない方式とがある。以下に、各方式について述べる。

【０００３】（ａ）歪みが生ずる方式 符号化・復号化によって歪みが生ずる方式としては、既
に、静止画像用にＪＰＥＧ（Ｊoint Ｐhotographic Ｅx
perts Ｇroup−ＩＳＯ／ＩＥＣ 10918 “Ｄigital comp
ression and coding of continuous-tone still image
s”）、動画像用にＭＰＥＧ（Ｍoving Ｐicture Ｅxper
ts Ｇroup−ＩＳＯ／ＩＥＣ 11172 “Ｃoding of movin
g pictures and associated audio for digital storag
e mediaat up to about 1.5 Ｍbit/s”， ＩＳＯ／ＩＥ
Ｃ 13818 “Ｇeneric coding ofmoving pictures and a
ssociated audio）等が標準化されている。これらの方
式の基本的な構成を図４に示す。

【０００４】図４において、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ
（青）の３つの色信号からなるカラー画像入力信号は、
最初に、色成分変換器１によって、１つの輝度成分と２
つの色差成分に変換される。次に、色差成分について
は、色差成分の空間周波数の帯域が狭いことと、視覚特
性として色差成分の歪みに対して鈍感であるという理由
により、間引き器５，６によって色差成分の間引きが行
われる。色情報が重要な画像に対しては、この色差成分
の間引きは行われない場合もある。

【０００５】次に、輝度成分と色差成分に対して圧縮符
号化が適用される。現在標準化されているＪＰＥＧやＭ
ＰＥＧでは、図４に示すように、離散コサイン変換器２
によって直交変換が行われ、この離散コサイン変換係数
のレベル数を量子化器３によって制限し、その後に、無
歪みのエントロピー符号器４によって圧縮される。エン
トロピー符号化には、ハフマン符号化や算術符号化が使
用される。

【０００６】このようにして得られた輝度成分と色差成
分の圧縮データは、多重化器７によって多重化され、最
終的な圧縮データが得られる。この圧縮データのビット
数は、通常カラー画像入力信号のビット数よりも少ない
ので、圧縮データを画像伝送や蓄積に使用すれば、伝送
容量や蓄積容量を低減することができる。これが、歪み
が生ずる方式の圧縮符号化の原理である。

【０００７】圧縮データを元のＲＧＢ色信号に戻すため
には、圧縮データを分離器１４によって輝度成分と色差
成分に対応する圧縮データに分散し、各成分に対してエ
ントロピー復号器１１によって復号化した後に、逆量子
化器１０によって離散コサイン変換係数を復元し、さら
に、離散コサイン逆変換器９により輝度と色差信号を復
元する。さらに、符号化時に色差信号の間引きを行った
場合には、補間器１２によって間引かれたデータを補間
再生する。こうして得られた輝度と色差成分を色成分逆
変換器８によってＲＧＢ色信号に戻して、復号化が完了
する。

【０００８】図４は、静止画像の符号化・復号化の場合
であるが、動画像の場合には、動き補償が加わることに
なる。

【０００９】歪みが生ずる方式では、どの程度の大きさ
の歪みまでが許容されるかということが重要となる。通
常、歪みの大きさは、量子化器における信号の刻み幅
（ステップサイズと呼ぶ）の大きさを調整することによ
って調整することができる。すなわち、量子化器のステ
ップサイズを大きくすれば歪みが大きくなり、結果的に
圧縮データのビット数が減少する。符号化アルゴリズム
の性能を、以下で定義される圧縮率で評価する。

【００１０】（圧縮率）＝（入力画像のビット数）／
（圧縮データのビット数） この場合、比較的検知されない圧縮率としては、ＪＰＥ
Ｇで１０〜２０程度、ＭＰＥＧで５０程度である。この
歪みが生ずる方式において、歪みを低減する（すなわち
圧縮率を低下させる）ためには、量子化器のステップサ
イズを小さくしていけばよいが、離散コサイン変換・逆
変換（乗加算演算）が現実的に有限精度演算であるた
め、その切捨て／丸め誤差によって歪みを０とさせるこ
とは不可能である。

【００１１】（ｂ）歪みが生じない方式 符号化・復号化によって歪みが生じない方式としては、
やはり先に述べたＪＰＥＧにおいて“Ｌossless mode o
f operation”として規定されている。この方式の基本
構成を図５に示す。ＲＧＢのカラー画像入力は、歪みが
生ずる方式で用いた色成分変換を行うことなく、直接圧
縮符号化の対象となる。ＲＧＢの各色成分は、最初に予
測器１５によって符号化対象となる画素の周辺画素を用
いて予測信号が作成され、加算器１６によって符号化対
象の画素から予測信号が引き去られ、残りの予測誤差を
無歪みのエントロピー符号器１７に入力する。ＲＧＢ各
色成分に対する圧縮データを多重化器１８で多重すれ
ば、最終的な圧縮データが得られる。

【００１２】また、この圧縮データを復号化した元のＲ
ＧＢ色信号を得るためには、分離器２２によって圧縮デ
ータをＲＧＢ各色成分に対応する圧縮データに分離した
後に、各色成分に対してエントロピー復号器２１によっ
て予測誤差信号を復元し、さらに、予測器２０によって
作成された予測値を加算器１９によって加え合わせるこ
とにより、ＲＧＢの各色信号が得られる。この構成によ
れば、符号器内では差分信号の算出が減算のみで、復号
器内では色信号の復元が加算のみで行われ、乗算を必要
としないため、符号化・復号化による歪みは全く生じな
い。この歪みが生じない方式においては、達成される圧
縮率は画像の種類によって異なるが概略１.５〜２.５で
ある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上、従来の技術につ
いて述べたが、印刷や医療などの分野では極めて高品質
なカラー画像が要求される。このために、画像の伝送や
蓄積を効率的に行うために、前記（ａ）の歪みが生ずる
方式を適用すると、ＤＣＴ特有のブロック状の歪みの発
生を避けることができない。さらに、発生する歪みがガ
ウス分布で広がりを持つため（望月孝志：“逆ＤＣＴ有
限語長演算の演算誤差解析”，電子情報通信学会論文誌
Ａ，Ｖol.Ｊ７７-Ａ，Ｎo.３, pp.３５７-３６８，１９
９４年３月）、符号化／復号化／符号化／復号化……を
繰り返していく場合には、原画像の上位ビットまで歪み
が波及することになり、大きな品質劣化が発生すること
になる。

【００１４】一方、（ｂ）の歪みが生じない方式を適用
すれば、符号化・復号化により生ずる歪みは無いので、
歪みが生ずる方式で述べたブロック歪みの問題および符
号化／復号化を繰り返した場合の累積誤差の問題のいず
れも生じない。しかしながら、既に述べたように歪みが
生じない方式によって達成される圧縮率は低いため、圧
縮符号化を適用した場合の伝送・蓄積のコスト低下に寄
与する効果は小さい。

【００１５】また、差分信号のエントロピー符号化の前
段に歪みが生ずる圧縮で行われる色信号の輝度・色差信
号変換を加えると、入力信号のエントロピーが減少し、
エントロピー符号器の圧縮効率が向上するが、前記ＲＧ
Ｂ色信号と輝度・色差信号間の変換には乗加算演算が用
いられるため、歪みが生ずる圧縮で述べたガウス分布を
持つ乗算結果の丸め／切捨て誤差が発生し、符号化／復
号化／符号化／復号化……を繰り返した場合に、大きな
累積誤差が生ずるという問題点がある。

【００１６】本発明の目的は、カラー画像の圧縮におい
て、圧縮に伴って発生する歪みを入力画素値に対して±
１以内に抑えることができるカラー画像符号化装置を提
供することにある。

【００１７】本発明の他の目的は、符号化・復号化を何
回繰り返しても、２回の符号化・復号化で生ずる歪みに
対して新たに歪みが加わることがないカラー画像符号化
装置を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、圧縮率の大きさが、
従来の歪みの生じない方法に比べて大きい符号化・復号
化装置を提供することにある。

【００１９】本発明の前記ならびにその他の目的および
新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって
明らかにする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００２１】送信側に、入力となるＲ（赤）・Ｇ（緑）
・Ｂ（青）の色信号を一つの輝度成分と二つの色差成分
へ変換する色成分変換器と、色成分変換器によって得ら
れた一つの輝度成分と二つの色差成分のレベルに補正を
加えるレベル補正器と、レベル補正器の出力をＲ（赤）
・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の色信号へ変換する色成分逆変換
器と、入力の色信号と逆変換器の出力の色信号の誤差を
計算して色成分変換器の出力である輝度と色差信号を修
正する信号を作成する誤差評価器と、修正された各輝度
・色差成分を無歪み圧縮して圧縮データを生成する符号
器とを備える。

【００２２】従来の技術とは、符号器において輝度・色
差成分をＲＧＢ色信号に変換し、入力されたＲＧＢ色信
号からの歪みを評価した結果に基づいてエントロピー符
号化される前段階の輝度・色差信号の値を修正する点が
異なる。

【００２３】

【作用】前述の手段によれば、ＲＧＢ色信号から構成さ
れるカラー画像信号を圧縮符号化する場合において、輝
度と色差成分変換した後に、復号器側で輝度と色差成分
をＲＧＢ色信号に逆変換した際に、入力カラー画像と出
力カラー画像の誤差が最小になるように、符号器側で輝
度と色差の値を調整する構成としたので、ＲＧＢ色信号
と輝度・色差成分間の変換によって生ずる乗算結果の丸
め／切捨て誤差を±１以内に抑えることが可能となる。

【００２４】また、前述の手段の構成のもとに符号化と
復号化を何回繰り返しても符号化に伴う誤差が累積する
ことがなく、２回の符号化・復号化の誤差がそのまま維
持される。

【００２５】また、本発明の構成は、予測器とエントロ
ピー復号器から成る既存の復号器に対してなんら付加機
能を要求するものではないため、符号器のみの構成変更
で済み、従来の復号器をそのまま使用することができ
る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明による実施例を図面を参照して
詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明による一実施例のカラー画
像符号化装置の概略構成を示すブロック図であり、２３
は色成分変換器、２４，２６，２８，２９，３５は加算
器、２５，３６は予測器、２７はエントロピー符号器、
３０はレベル補正器、３２は誤差評価器、３３は多重化
器、３４は色成分逆変換器、３７はエントロピー復号
器、３８は分離器である。

【００２８】図１において、入力されたＲＧＢのカラー
画像信号は、色成分変換器２３によって１つの輝度成分
と２つの色差成分に変換される。この輝度成分と色差成
分の各々に対して、レベル補正器３０において＋１と０
と−１を加えた信号を作成する。従って、輝度と色差成
分それぞれに対して３つの異なるレベルを持つ信号が準
備できる。

【００２９】この輝度と色差の全ての組み合わせは、合
計３³＝２７個存在する。この２７個の組み合わせそれ
ぞれに対して色成分逆変換器３１によってＲＧＢ色信号
に変換する。誤差評価器３２においては、入力のＲＧＢ
色信号と色成分逆変換器３１の出力ＲＧＢ色信号の間の
誤差を計算し、最も誤差の少ないＲＧＢの組み合わせ、
すなわち、誤差を最小にするレベル補正された輝度と色
差の組み合わせを求める。誤差評価器３２の出力は、最
も誤差の少ない条件を満たす輝度と色差信号の補正量
（＋１または０または−１）であり、加算器２４，２
８，２９によって実際に輝度と色差成分のレベル補正が
行われる。

【００３０】以上に述べた方法で補正された輝度と色差
信号は、予測器２５によって差分信号が計算され、この
差分信号はエントロピー符号器２７によって圧縮符号化
される。輝度と色差の圧縮データは、多重化器３３によ
って多重化され、最終的な圧縮データが作成される。こ
の圧縮データは伝送や蓄積に利用される。

【００３１】この圧縮データからの元のＲＧＢカラー画
像を作成するためには、圧縮データを分離器３８によっ
て輝度と色差に対応する圧縮データに分離し、それぞれ
がエントロピー復号器３７によって復号化される。エン
トロピー復号器３７の出力は予測器３６の出力である予
測値が加えられ、輝度と色差成分が復号化される。その
後に、輝度と色差成分の復号値は色成分逆変換器３４に
よってＲＧＢ色信号に変換され、最終的にＲＧＢ色信号
が得られる。

【００３２】以下、実際の画像を用いて、本実施例に基
づく構成で圧縮符号化をした場合の効果について説明す
る。使用した画像は、画素数が２０４８×２０４８、Ｒ
ＧＢの各色信号は８ビット精度の２つの画像（画像Ａと
画像Ｂ）である。表１は、符号化と復号化を１回行った
場合の、従来の歪みが生ずる方式、歪みが生じない方
式、本実施例の各々に対する圧縮率を示している。

【００３３】

【表１】

【００３４】図２は、従来の歪みが生ずる方式（ａ）
と、本実施例においてレベル補正器３０、色成分逆変換
器３１、誤差評価器３２、加算器２４，２８，２９によ
る輝度と色差のレベルの補正を行わない方式（ｂ）と、
本実施例の各々により画像Ａを符号化した場合（ｃ）の
歪みの大きさの分布を示している。従来の歪みが生じな
い方式（ａ）では、当然のことながら歪みは０である。

【００３５】この図２からわかるように、本実施例を使
用することにより、圧縮率では従来の歪みが生じない方
式（ａ）よりも圧縮率が向上し、従来の歪みが生ずる方
式に比べて、圧縮符号化によって生ずる歪みが±１以内
という限定的な範囲に抑えることが可能できる。

【００３６】図３は、本実施例におけるレベル補正器３
０、色成分逆変換器３１、誤差評価器３２、加算器２
４，２８，２９による輝度と色差のレベルの補正を行う
場合と行わない場合に対して、符号化／復号化を８回ま
で繰り返した場合の信号対歪み比（ＳＮＲ）を示してい
る。この図３からわかるように、本実施例に従って輝度
と色差成分に対するレベル補正を行うことにより、符号
化／復号化／符号化／復号化……を何回繰り返しても、
２回の符号化／復号化後のＳＮＲの値が維持される。

【００３７】なお、前記の実施例では、レベル補正器３
０において輝度成分と色差成分の各々に対して、＋１と
０と−１を加えた信号を作成する場合を例に説明した
が、補正量として加える値の範囲は前記の場合に限らな
い。一般的に、補正量として加える値は、輝度・色差成
分のそれぞれに対して異なる有限の範囲が適用可能であ
る。例えば、輝度成分のみに対し＋１と０と−１を加
え、色差成分にはなにも加えない信号を作成することに
より、評価すべき組み合わせの数を前記実施例の３³＝
２７個から３個に減じて、レベル補正に要する演算量を
低減する手法も適用できる。

【００３８】また、前記実施例では、既定の範囲の補正
量を用いて誤差の評価を行う構成となっているが、歪み
を最小とする輝度・色差成分の補正量を複数あらかじめ
参照テーブルとして登録しておき、登録された補正量の
みに対して歪みを評価することにより処理量を低減し、
かつ、前記実施例と全く同じ機能を有する構成が適用可
能である。例えば、全ＲＧＢ色信号をあらかじめ本実施
例で符号化し、歪みを最小とする輝度・色差信号の補正
量を、入力ＲＧＢ色信号と、その入力ＲＧＢ色信号を色
成分変換器により輝度・色差成分に変換し、さらに、色
成分逆変換器３１により逆変換したＲＧＢ色成分との誤
差をインデックスとして登録した参照テーブルを作成す
る。

【００３９】そして、実際の符号化処理においては、入
力ＲＧＢ色信号と、その入力ＲＧＢ色信号を色成分変換
器により輝度・色差成分に変換し、さらに、色成分逆変
換器により逆変換したＲＧＢ色成分との誤差を求め、そ
の誤差に対して登録されている複数の補正量を参照テー
ブルより求め、その補正量を前記実施例において、レベ
ル補正器３０で発生した補正量として用いることにより
処理量低減が実現される。

【００４０】一般的に、補正量として加える値をあらか
じめ参照テーブルに登録しておき、入力ＲＧＢ色信号お
よびその輝度・色差信号から計算される誤差などを用い
て参照テーブルに登録されている複数の補正量を呼び出
し、その補正量を前記実施例においてレベル補正器３０
で発生した補正量とし、誤差の評価を行う構成が適用可
能である。

【００４１】以上、本発明を、前記実施例に基づき具体
的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００４３】（１）ＲＧＢ色信号と輝度・色差成分間の
変換によって生ずる乗算結果の丸め／切捨て誤差を±１
以内に抑えることができる。

【００４４】（２）符号化と復号化を何回繰り返しても
符号化に伴う誤差が累積することがなく、２回の符号化
・復号化の誤差がそのまま維持される。

【００４５】（３）符号器のみの構成変更で済み、従来
の復号器をそのまま使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明による一実施例のカラー画像
符号化装置の概略構成を示すブロック図である。

【図２】 従来の歪みが生ずる圧縮符号器・復号器、本
実施例においてレベル補正を行わない場合、本実施例に
おいてレベル補正を行う場合の歪みの大きさの分布を表
す図である。

【図３】 本実施例においてレベル補正を行う場合と行
わない場合の符号化／復号化の繰り返し回数とＳＮＲの
値の関係を表す図である。

【図４】 従来の歪みが生ずる圧縮符号器・復号器の概
略構成を示すブロック図である。

【図５】 従来の歪みが生じない圧縮符号器・復号器の
概略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，２３…色成分変換器、２…離散コサイン変換器、３
…量子化器、４，１７，２７…エントロピー符号器、
５，６…間引き器、７，１８，３３…多重化器、８，３
１，３４…色成分逆変換器、９…離散コサイン逆変換
器、１０…逆量子化器、１１，２１，３７…エントロピ
ー復号器、１２，１３…補間器、１４，２２，３８…分
離器、１５，２０，２５，３６…予測器、１６，１９，
２４，２６，２８，２９，３５…加算器、３０…レベル
補正器、３２…誤差評価器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−214260（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−135568（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−274139（ＪＰ，Ａ) 奥村晃 鈴木純司，カラー画像の準可 逆圧縮と特性評価，電子情報通信学会技 術研究報告ＳＰ，日本，1994年 ９月 ６日，ＳＰ94−46，ｐｐ．79−86 奥村晃 鈴木純司，カラー静止画像の 準可逆圧縮と特性評価，電子情報通信学 会論文誌Ｂ１，日本，1995年 ７月25 日，Ｖｏｌ．Ｊ78−Ｂ−１ Ｎｏ．７, ｐｐ．279−290 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 11/04,9/67,1/41

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信側に、入力となるＲ（赤）・Ｇ
   （緑）・Ｂ（青）の色信号を一つの輝度成分と二つの色
   差成分へ変換する色成分変換器と、色成分変換器によっ
   て得られた一つの輝度成分と二つの色差成分のレベルに
   補正を加えるレベル補正器と、レベル補正器の出力をＲ
   （赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の色信号へ変換する色成分
   逆変換器と、入力の色信号と逆変換器の出力の色信号の
   誤差を計算して色成分変換器の出力である輝度と色差信
   号を修正する信号を作成する誤差評価器と、修正された
   各輝度・色差成分を無歪み圧縮して圧縮データを生成す
   る符号器とを備えることを特徴とするカラー画像符号化
   装置。