JP3266416B2 - 動き補償フレーム間符号化復号装置 - Google Patents

動き補償フレーム間符号化復号装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は動き補償フレーム間符号
化復号装置に関し、特に、動画像に重畳している雑音を
取り除き、高画質化を達成するための動き補償フレーム
間符号化復号装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、動画像から雑音を除去する方式
（以下、第１方式と呼ぶ）として、画像信号はフレーム
間相関が高く、一方該画像信号に重畳した雑音はフレー
ム相関が低いことを利用して、フレーム間低域通過フィ
ルタにより雑音だけを効率よく除去するようにするもの
がある。この方式によれば、画像の静止部分あるいはゆ
っくりした動き部分において、雑音を信号部分から効率
よく弁別し、該雑音を除去することができる。
【０００３】また、圧縮を前提とした動き補償フレーム
間符号化において、符号化雑音を除去することを目的と
して、雑音除去フィルタを導入する場合、一度再生画像
を作ったあとで、再びフレーム間閉ループを構成し、フ
ィルタをかける方式（以下、第２方式と呼ぶ）すなわち
ポスト処理方式が実施されていた。
【０００４】例えば、図８に示すように、動き補償フレ
ーム間符号化部にて、入力信号ｘiを符号化して量子化
雑音ｎi が重畳された予測誤差信号（εi ＋ｎi ）を
得、これを一度予測信号ｙi2に再生した後、雑音除去フ
イルタ部で雑音を除去し、最終出力信号ｙi3を得るよう
にしていた。ここに、Ｚ-1はフレーム遅延を表す遅延因
子である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の方式は、動き補正は全く行わないか、たとえ行った
としても画面単位などの単純なものであった。この結
果、動き補正が不完全なため、動画像にボケが生じるこ
ととなり、雑音除去が不完全となっていた。また、原信
号がフレーム間で大きく変化している所、すなわち激し
い動きをしている所へ前記フレーム間低域通過フィルタ
をかけると原信号が大きく損なわれ、２線ボケなどの歪
を生じることとなる。例えば、人が静止しながら手だけ
を上下に勢い良く振る映像があったような場合、これに
前記フレーム間の低域通過フィルタを適用すると、静止
している人の映像部分は雑音を効率良く除去できるが、
振られている手の映像部分は２線ボケなどの歪を生じる
こととなった。
【０００６】また、前記第２の方式は、ハードウェアの
増大をまねき、また伝送すべき情報量、すなわち予測誤
差信号εi の情報量の削減になんら寄与するものでもな
かった。
【０００７】
【０００８】本発明の目的は、ハードウェア増加につな
がらず、かつ伝送すべき情報量の削減に寄与する動き適
応型雑音除去フィルタを用いた動き補償フレーム間符号
化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は符号化側の動き補償フレーム間Ｄ
ＰＣＭループと、復号化側のフレーム間ＤＰＣＭループ
とを備えた動き補償フレーム間符号化復号装置におい
て、前記符号化側の動き補償フレーム間のＤＰＣＭルー
プ内で決定されたフィルタ計数ｋと 前記符号化側の動
き補償フレーム間ＤＰＣＭループ内の逆量子化部の出力
に前記フィルタ係数ｋを乗じる掛算器と、前記復号化側
のフレーム間ＤＰＣＭループの前段に設けられた逆量子
化部の出力に、前記フィルタ係数ｋを乗じる掛算器とを
具備した点に特徴がある。
【００１０】
【００１１】
【作用】請求項１の発明によれば、局所的に、正確な動
きベクトルを検出し、得られた動きベクトルに基づいて
動き補正を行った上で、フレーム間の低域通過フィルタ
をかける。この時、画素単位にフィルタ係数を制御する
ことにより、動きのある画像においてもボケを最小限に
とどめながら、雑音を大幅に低減し、高画質化が可能と
なる。また、画像圧縮のために動き補償フレーム間符号
化を行う場合、エンコーダ側とデコーダ側において、予
測誤差の量子化再生値に各々フィルタ係数を乗じること
により、ハードウェアの増加をほとんどなくして前述の
動き適応雑音除去フィルタと等価な処理が実現でき、し
かも発生情報量の削減にもつながり、コンパクトなハー
ドウェアで高圧縮ながら高画質化が実現可能となる。
【００１２】
【００１３】
【実施例】以下に、本発明を、図面を参照して、詳細に
説明する。図１は、本発明の動き適応型雑音除去フィル
タの一例の構成を示すブロック図である。
【００１４】図において、１は動き検出部であり、たと
えば８画素×８ラインサイズのブロック単位に動き検出
を行う。２は動き検出を行うために、前フレームを蓄積
しておくためのフレームメモリである。３はブロック単
位で動きの補正を行う動き補正部であり、４はフレーム
間フィルタの係数を制御するためのフィルタ係数制御部
である。５は雑音除去された出力画像を蓄積しておくた
めのフレームメモリである。またＳi(x,y)はフレームｉ
（現フレーム）内の位置（ｘ，ｙ）の入力画像における
画素である。また、６、７は掛算器、８は加算器であ
り、これらにより雑音除去フィルタが形成されている。
【００１５】前記フィルタ係数制御部４は、画素メモリ
１１、減算器１２、１３、および該減算器１２、１３の
出力であるフレーム内画素間差分値、フレーム間差分値
をフィルタ計数ｋに変換するＲＯＭ１４から構成されて
いる。該ＲＯＭ１４中に格納されている変換テーブルの
一例を、図２に示す。図は、横軸にフレーム間差分値、
縦軸にフレーム内画素間差分値を示し、それぞれは８ビ
ット表現による数値を示している。大体の傾向として
は、フレーム間差分およびフレーム内画素間差分の値が
小さい程、すなわち相関が強い程、フィルタ係数ｋは小
さくなり、逆にこれらが大きくなると、すなわち相関が
弱くなると、フィルタ係数ｋは大きくなる。 前記動き
検出部１は、雑音が重畳した入力画像画面を複数個の小
ブロックに分割し、フレームメモリ２に格納されている
１フレーム遅延した前フレームと、現フレームの間で、
ブロック単位の動き検出を行い、各ブロックにおける動
きベクトル（ＭＶx ，ＭＶy ）を求める。これと同時
に、掛算器６は、入力画像の雑音を除去すべき画素Ｓi
(x,y)の画素値にフィルタ係数１−ｋを乗じる。
【００１６】一方、すでにフィルタをかけられた前フレ
ーム（ｉ−１）はフレームメモリ５に蓄えられており、
動きベクトル（ＭＶx ，ＭＶy ）により動き補正が行わ
れた画素に掛算器（ＲＯＭ）７によりフィルタ係数ｋを
乗じ、この両者を加算器８により加え合わせ、出力画像
Ｓ´i(x,y)を得る。また、この時、前記フィルタ係数制
御部４内の減算器１３によりフレーム間差分値（Ｓi −
Ｓ´i-1 ）を得、また、画素メモリ１１および減算器１
２によりフレーム内の近傍画素との画素間差分値を得、
これらの差分値によりＲＯＭ１４において、フィルタ係
数ｋを制御する。以上のように、このフィルタによれ
ば、動き補正部３にて、画像を、ブロック単位で動き補
正すると共に、フィルタ係数制御部４にて、フレーム間
差分値およびフレーム内画素間差分値をもとに、画素毎
にフィルタ係数ｋを求め、掛算器６、７および加算器１
１によりフィルタ処理するようにしているので、入力画
像の静止部分あるいはゆっくりとした動き部分の雑音除
去だけでなく、早く動く画像部分の雑音をも、有効に除
去できるという効果がある。
【００１７】次に、本発明の一実施例を、図３を参照し
て説明する。この実施例は、前記第１実施例の動き適応
型雑音除去フィルタを、動き補償フレーム間符号化方式
に適用した、雑音除去フィルタ内蔵動き補償フレーム間
符号化方式の原理ブロック図である。
【００１８】図において、２０は入力画像の画素ｕi
(x,y) と予測値ｕi-1(ｘ−ＭＶx ，ｙ−ＭＶy ）との差
をとり予測誤差εi(x,y)を出力する減算器、２１はＤＣ
Ｔやアダマール変換などの直交変換部であり、より高い
圧縮を行うときに用いられる。２２は量子化部、２３は
逆量子化部である。２４はフィルタ係数制御部４からの
フィルタ計数ｋと、前記予測誤差εi(x,y)に量子化操作
により雑音が重畳された予測誤差再生値とを掛算し、該
雑音を除去する掛算器、２５は逆直交変換部、２６は加
算器である。また、２７は局部復号画像を蓄積しておく
ためのフレームメモリ、２８は動きベクトル（ＭＶx ，
ＭＶy ）を検出するための動き検出部、２９は動き補正
部である。なお、４は図１の同符号のものと同一または
同等の構成を有するフィルタ係数制御部である。
【００１９】以上の構成により、雑音除去フィルタ内蔵
動き補償フレーム間符号化方式の送信側、すなわちエン
コーダ側の動き補償フレーム間ＤＰＣＭループ（ＤＰＣ
Ｍ：Differeycial Puls Coded Modulation ）が構成さ
れている。
【００２０】次に、受信側、すなわち、デコーダ側の構
成を説明する。３１は送信側から送られてきた量子化さ
れた予測誤差εi(x,y)と雑音ｎi を逆量子化する逆量子
化部、３２は掛算器、３３は逆直交変換部、３４は加算
器、３５はフレームメモリ、３６は動き補正部である。
前記加算器３４、フレームメモリ３５および動き補正部
３６は、復号化側のフレーム間ＤＰＣＭループを構成し
ている。
【００２１】この実施例の構成上の特徴は、動き補償フ
レーム間符号化方式の送信側に、フィルタ制御部４と掛
算器２４を設け、また受信側にフィルタ制御部４と掛算
器３２を設けた点であり、他の構成は従来の公知の構成
である。
【００２２】次に、本実施例の動作を説明する。送信(
エンコーダ) 側において、動き検出部２８は符号化すべ
き現フレームｉ上の画素ｕi (x,y) と、フレームメモリ
２７に格納されている前フレーム（ｉ−１）の再生画像
との間で動き検出を行い、動きベクトル（ＭＶx ，ＭＶ
y ）を求める。動き補正部２９は、この動きベクトルを
もとにして、動き補正を行い、予測値ｕi-1(ｘ−ＭＶx
，ｙ−ＭＶy ）を作り出す。
【００２３】減算器２０は、画素ｕi (x,y) と予測値ｕ
i-1(ｘ−ＭＶx ，ｙ−ＭＶy ）との差分値( 予測誤差)
εi(x,y)を求める。量子化部２２は、該εi(x,y)を量子
化した後、動きベクトルと共に受信側へ送る。
【００２４】受信側では、予測誤差の再生値ε'i(x,y)
に対して、フィルタ制御部４と掛算器３２からなる動き
適応型雑音除去フィルタを適用し、雑音の除去を行う。
次いで、加算器３４、フレームメモリ３５および動き補
正部３６により、予測誤差の再生値ε'i(x,y) を通常の
画像信号に再生し出力する。この再生画像が、ｕ'i(x,
y) である。
【００２５】次に、前記図３の実施例の構成を簡単化し
てモデル図で表すと、図４のようになる。ここで、ｘi
は入力信号、ｙi1は予測信号、εi は予測誤差信号、ｎ
i は量子化雑音信号であり、ｙi3は最終的な出力信号で
ある。また、ｋはフィルタ係数であり、Ｚ-1はフレーム
遅延を表す遅延因子である。
【００２６】次に、図８の従来のモデル図と図４のモデ
ル図とを参照することにより、両者の動作が等価である
ことを証明する。
【００２７】まず、図８のモデル図において、入力信号
ｘi からみた伝達関数を求める。予測信号ｙi1、予測誤
差信号εi に着目すると、それぞれ次の式が成立する。
【００２８】 ｙi1＝Ｚ-1（ｙi1＋ｘi −ｙi1＋ｎi ）＝Ｚ-1（ｘi ＋ｎi ）…(1) εi ＝ｘi −ｙi ＝（１−Ｚ-1）ｘi −Ｚ-1ｎi …(2) また、ｙi2、ｙi3に関して、次の(3) 、(4) 式が成立す
る。 ｙi2＝（εi ＋ｎi ）／（１−Ｚ-1）…(3) ｙi3＝ｋＺ-1ｙi3＋（１−ｋ）（εi ＋ｎi ）／（１−Ｚ-1）…(4) ここで、(2) 式を(3) 式に代入すると、ｙi2＝ｘi ＋ｎ
i になるから、(4) 式から、最終の出力信号ｙi3を求め
ると、次のようになる。 ｙi3＝（１−ｋ）／（１−ｋＺ-1）・（ｘi ＋ｎi ）…(5) 次に、図４のモデル図において、入力信号ｘi からｙi3
を見た伝達関数を求める。まず、予測信号ｙi1、予測誤
差信号εi に着目すると、それぞれ次の式(6) 、(8) が
成立する。 ｙi1＝Ｚ-1｛ｙi ＋（１−ｋ）（ｘi −ｙi ＋ｎi ）…(6) これをｙi1で整理すると、次のようになる。 ｙi1＝（１−ｋ）Ｚ-1／（１−ｋＺ-1）・（ｘi ＋ｎi ）…(7) εi ＝ｘi −ｙi1 ＝｛（１−Ｚ-1）ｘi −（１−ｋ）Ｚ-1ｎi ｝／（１−ｋＺ-1）…(8) また、最終出力ｙi3に着目すると、次の式が成立する。 ｙi3＝Ｚ-1ｙi3＋（１−ｋ）（εi ＋ｎi ） すなわち、ｙi3＝（１−ｋ）／（１−Ｚ-1）・（εi ＋ｎi ）…(9) ここで、(8) 式を(9) 式に代入すると、次の式が成立す
る。 ｙi3＝（１−ｋ）／（１−Ｚ-1）・｛（１−Ｚ-1）ｘi −（１−ｋ）Ｚ-1ｎi ｝／（１−ｋＺ-1）＋ｎi ｝ ＝（１−ｋ）／（１−ｋＺ-1）・（ｘi ＋ｎi ）…(10) したがって、図８のモデル図における(5) 式と、図４の
モデル図における(10) 式とは一致し、両者は等価であ
ることがわかる。換言すれば、この第２実施例によれ
ば、送信及び受信における符号化処理にフィルタ制御部
４を内蔵させることで、ハードウェアの増加をほとんど
みることなく、動き補償フレーム間符号化方式を実現す
ることができる。
【００２９】次に、本実施例の送信側から受信側に出力
される信号、すなわち予測誤差εiは、(8）式で表され
ている。そこで、この予測誤差εi に関して、図８のモ
デル図の(2) 式と、(8）式とを比較する。そうすると、
差分値（１−Ｚ-1）ｘi と、帰還量子化雑音−Ｚ-1ｎi
について、下記の関係、Ｈ(z) 、ｋＨ(z) があることが
わかる。
【００３０】差分値（１−Ｚ-1）ｘi に関しては、(8）
式は(2) 式の、１／（１−ｋＺ-1）倍である。また、帰
還量子化雑音−Ｚ-1ｎi に関しては、(8）式は(2) 式
の、（１−ｋ）／（１−ｋＺ-1）倍である。すなわち、
下記のように表される。
【００３１】Ｈ(z) ＝１／（１−ｋＺ-1） ｋＨ(z) ＝（１−ｋ）／（１−ｋＺ-1） 前記のＨ(z) 、ｋＨ(z) は、高域抑圧型のフィルタを表
している。換言すれば、フレーム間相関が低く、高周波
成分を多く含んでいる動き補償フレーム間差分値および
帰還量子化雑音は、このフィルタにより小さくなり、送
信側から受信側に出力される情報量の圧縮につながるこ
ととなる。
【００３２】
【発明の効果】図５に示されているような動き補償離散
コサイン変換フレーム間符号化方式(動き補償ＤＣＴ)
を用いて、本発明の効果を検証する。図において、４１
は動き補償ＤＣＴの符号化側、４２は動き補償ＤＣＴの
復号化側、４３は従来技術である単純フレーム間雑音除
去フィルタ部、４４は本発明の第１実施例で説明した動
き適応雑音除去フィルタ部である。また、４５、４６、
４７は、それぞれ、従来装置と本発明の装置を適宜実現
するためのスイッチング部である。
【００３３】該スイッチング部４５、４６、４７によ
り、Ａが選択された場合には、符号化に際して発生する
雑音に対し、雑音除去を行わない場合が実現される。Ｂ
が選択された場合には、符号化に際して発生する雑音に
対し、動きを考慮せず単純フレーム間雑音除去フィルタ
を入れる場合、すなわち従来技術が実現される。また、
Ｃが選択された場合には、符号化に際して発生する雑音
に対し、図１のフィルタを適用する場合が実現される。
さらに、Ｄが選択された場合には、符号化に際して発生
する雑音に対し、請求項１を適用する場合が実現され
る。
【００３４】次に、動き補償ＤＣＴ符号化における符号
化パラメータ及び用いるテストデータを図６に示す。具
体的なテストデータとしては、「フラワガーデン」、
「モーバイルアンドカレンダ」を用いた。なお、これら
の具体的な画像は、周知ではあるが、例えば、テレビジ
ョン学会誌「画像情報工学と放送技術」、１９９３年、
ＮＯ．９、ＶＯＬ．４７の第１２２５（７１）頁に掲載
されている。
【００３５】このような条件のもとで行われた、再生画
像の主観評価結果と発生ビットレートを示したのが、図
７である。図示されている通り、従来方式Ａ、Ｂにおい
ては、雑音はほとんど除去されない。
【００３６】しかしながら、前記雑音除去方式Ｃによれ
ば、特に目立つエッジ部分の雑音が大きく軽減されてい
ることがわかる。また、請求項１の方式Ｄを適用するこ
とにより、ほとんどハードウェアの増加なしで、前記雑
音除去方式Ｃと同じ画質が得られ、また発生情報量の削
減も達成されており、本発明が効果的であることが理解
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のフィルタの構成を示すブロック図で
ある。
【図２】 フィルタ係数制御部における変換テーブルの
一例を示す図である。
【図３】 本発明の第１実施例の構成を示すブロック図
である。
【図４】 図３の主要部のモデル図である。
【図５】 本発明の効果を検証するために使用した装置
の概略のブロック図である。
【図６】 前記検証に使用したテストデータおよび符号
化パラメータの説明図である。
【図７】 評価比較結果の説明図である。
【図８】 従来の動き補償フレーム間符号化方式に、雑
音除去フィルタを適用した場合のモデル図である。
【符号の説明】
１…動き検出部、２…フレームメモリ、３…動き補正
部、４…フィルタ係数制御部、５…フレームメモリ、
６、７…掛算器、８…加算器、１１…画素メモリ、１
２、１３…減算器、１４…ＲＯＭ、２０…減算器、２２
…量子化部、２３…逆量子化部、２４…掛算器、２６…
加算器、２７…フレームメモリ、２８…動き検出部、２
９…動き補正部、３１…逆量子化部、３２…掛算器、３
４…加算器、３５…フレームメモリ、３６…動き補正
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−121375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−193179（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−96480（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/14 - 5/217 H04N 7/24 - 7/68

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 符号化側の動き補償フレーム間ＤＰＣＭ
    ループと、復号化側のフレーム間ＤＰＣＭループとを備
    えた動き補償フレーム間符号化装置において、前記符号化側の動き補償フレーム間のＤＰＣＭループ内
    で決定されたフィルタ係数ｋと、 前記符号化側の動き補
    償フレーム間ＤＰＣＭループ内の逆量子化部の出力に前
    記フィルタ係数ｋを乗じる掛算器と、 前記復号化側のフレーム間ＤＰＣＭループの前段に設け
    られた逆量子化部の出力に、前記フィルタ係数ｋを乗じ
    る掛算器とを具備したことを特徴とする動き補償フレー
    ム間符号化復号装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の動き補償フレーム間符号化装
    置において、 前記フィルタ係数ｋは、前記符号化側の動き補償フレー
    ム間のＤＰＣＭループ内で、フレーム内の近傍画素との
    画素間差分の絶対値と、動きフレーム間差分の絶対値と
    に基づいて決定されるようにしたことを特徴とする動き
    補償フレーム間符号化復号装置。
JP10176494A 1994-04-18 1994-04-18 動き補償フレーム間符号化復号装置 Expired - Fee Related JP3266416B2 (ja)

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