JP3361177B2 - 符号化復号化方法および符号化復号化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、１画素あたり複数ビッ
トからなる自然画像データを、おのおののビットプレー
ン毎に符号化圧縮するとともに、符号化された画情報を
ビットプレーン毎に画像データに復号化した後に元の自
然画像データを形成する符号化復号化方法および符号化
復号化装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般に、画像データは、情報量が膨大で
あり、そのままの状態で取り扱おうとすると、例えば、
画像データを伝送するときには、伝送時間が非常に長く
なり、画像データを蓄積するときには、蓄積に必要な容
量が膨大となり、コスト的に、非常に不利なものにな
る。 【０００３】そこで、画像データを伝送したり、蓄積す
るときには、符号化圧縮してデータ量を減少し、その符
号化圧縮した状態で取り扱うようにしている。例えば、
グループ３ファクシミリ装置では、ＭＨ符号化方式また
はＭＲ符号化方式のいずれかで符号化圧縮した画情報を
形成し、伝送路上は、この画情報をやりとりしている。 【０００４】一方、近年では、伝送したり蓄積する画像
データに画質が求められている。上述したグループ３フ
ァクシミリ装置では、１ページ分の画像を主走査方向に
は８（ドット／ｍｍ）で、副走査方向には３．８５（ラ
イン／ｍｍ）の解像度で画素に分解し、おのおのの画素
を１ビットのデータであらわした画像データを用いてい
る。この場合、１画素の状態を表現できるビット数が１
ビットなので、おのおのの画素は、白か黒の２状態しか
取れない。また、主走査方向に８（ドット／ｍｍ）で副
走査方向に３．８５（ライン／ｍｍ）の解像度では、画
像データの粗さ（ドット構造）がかなり目立ち、滑らか
な画像（すなわち、高画質の画像）を表現することが困
難である。 【０００５】近年、高画質のデータとして取り扱われる
画像データは、主走査方向および副走査方向の解像度が
３００（ドット／２５．４ｍｍ）以上で、１画素当たり
のビット数が８ビット以上のものである。 【０００６】この場合、１画素の状態を２５６階調（段
階的濃度）に表現することができるので、かなり滑らか
な画像を表現することができる。このように、１画素が
８ビット以上のデータであらわされる画像データは、自
然画像データ（自然画像データ）と称される。 【０００７】このようにして、自然画像データは、解像
度が高く、かつ、１画素当たりのビット数が大きいの
で、例えば、Ａ４判の原稿画像の１ページ当たりの画像
データのデータ量は、約３．８ＭＢであり、これをその
まま直接取り扱うことは困難である。 【０００８】このような自然画像データを圧縮する高能
率の符号化方式としては、例えば、ＪＢＩＧ方式やＪＰ
ＥＧ方式の符号化方式が提案されており、それぞれ標準
化機関（ＪＢＩＧ，ＪＰＥＧ）において標準化されてい
る。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＪＢＩＧ方式やＪＰＥＧ方式の符号化方式を適用して
も、自然画像データのデータ量が非常に大きいので、符
号化圧縮して得られた画情報のデータ量もやはり大き
く、その画情報を伝送したり、蓄積するときのコストが
大きくなる。 【００１０】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、自然画像データの符号化圧縮率を大幅に向上
できる符号化復号化方法および符号化復号化装置を提供
することを目的としている。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、１画素あたり
複数ビットからなる自然画像データを、おのおののビッ
トプレーン毎に符号化圧縮するとともに、符号化された
画情報をビットプレーン毎に画像データに復号化した後
に元の自然画像データを形成する符号化復号化方法にお
いて、符号化時、符号化対象の符号化注目画素と、その
符号化注目画素の直前位置の符号化隣接画素の画像デー
タを排他的論理和処理する処理を、処理後にあらわれる
データの偏りが最も大きくなる回数繰り返し行い、その
後のデータを所定の符号化方式でエントロピー符号化す
るとともに、それによって形成した符号データの先頭
に、上記排他的論理和処理の繰り返し回数をあらわすデ
ータを付加し、復号化時、画情報を上記所定の符号化方
式に対応して元のデータに復号化した後に、処理対象の
復号化注目画素と、その復号化注目画素の直前位置の復
号化隣接画素のデータを排他的論理和処理する処理を、
上記符号データに付加されている回数だけ繰り返し行
い、元の画像データを形成するようにしたものである。 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【作用】したがって、エントロピー符号化の前の段階
で、注目画素を隣接画素との間で排他的論理和処理する
ことで、画像データのエントロピーを減少させているの
で、エントロピー符号化を効率よく実行することがで
き、自然画像データの符号化圧縮率を向上することがで
きる。 【００１８】 【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例を詳細に説明する。 【００１９】まず、本発明の原理について説明する。 【００２０】Ｅを確立Ｐ（Ｅ）で生ずる１つの事象とす
ると、実際に事象Ｅが生じたということを知ったときに
受け取った情報量Ｉ（Ｅ）は、次式（Ｉ）で定義され
る。 【００２１】 Ｉ（Ｅ）＝ｌｏｇ（ｂ）｛１／Ｐ（Ｅ）｝ ・・・ （Ｉ） 【００２２】ここで、演算子ｌｏｇ（ｂ）は、ｂを底と
する対数をあらわす。 【００２３】この式（Ｉ）における演算子Ｌｏｇ（ｂ）
の底ｂは、情報量の単位であり、二値情報の場合には、
２になる。 【００２４】さて、情報がどのように生成されるかの機
構の数学的モデルについて考えると、最も簡単な情報源
は、情報源から生じるシンボルが互いに統計的に独立で
あるようなものであり、このような情報源は無記憶情報
源と称される。 【００２５】無記憶情報源の有する平均情報量について
考える。 【００２６】いま、シンボルｓ（ｉ）が生じたものとす
れば、上式（Ｉ）より、受け取る情報量Ｉ（ｓ（ｉ））
は、次式（ＩＩ）のようになる。 【００２７】 Ｉ（ｓ（ｉ））＝ｌｏｇ（２）｛１／Ｐ（Ｓ（ｉ））｝ ・・・ （ＩＩ） 【００２８】また、シンボルＳ（ｉ）の生じる確率は、
Ｐ（ｓ（ｉ））なので、この情報源において、１シンボ
ルが平均として有する情報量、すなわち、平均情報量Ｈ
（ｓ）は、次式（ＩＩＩ）のようになる。 【００２９】 Ｈ（ｓ）＝Σｓ｛Ｐ（ｓ（ｉ））Ｉ（ｓ（ｉ））｝ ＝Σｓ｛Ｐ（ｓ（ｉ））ｌｏｇ（２）｛１／Ｐ（Ｓ（ｉ））｝｝ ・・・ （ＩＩＩ） 【００３０】ここで、演算子Σｓは、情報源Ｓに属する
ｑ個のシンボルについての和を算出する演算子である。 【００３１】したがって、二値画像の場合、シンボルｓ
の取り得る値は０と１の２つなので、平均情報量Ｈ
（Ｓ）は、次の式（ＩＶ）のようになる。 【００３２】 Ｈ（ｓ）＝Ｐ（０）ｌｏｇ（２）｛１／Ｐ（０）｝ ＋Ｐ（１）ｌｏｇ（２）｛１／Ｐ（１）｝ ・・・（ＩＶ） 【００３３】ここで、ω＝Ｐ（０）としたときの、平均
情報量Ｈ（ω）の変化を図１のグラフに示す。このグラ
フによれば、シンボル０の発生確率が１．０または０に
近づくにつれて、平均情報量Ｈ（ω）が０に近づく。 【００３４】一般に、情報の符号化方式は、生成される
符号データのデータ量が情報源のエントロピー限界の値
に近くなるように定められているので、平均情報量Ｈ
（ω）の値が小さければ小さいほど、符号化により生成
される符号データのデータ量が小さくなる。 【００３５】すなわち、上述の例でいえば、シンボル０
の発生確率が１．０または０に近くなるように、情報源
を操作することで、符号化により生成される符号データ
のデータ量を削減することができる。言い換えると、デ
ータ全体に占めるデータ０またはデータ１の割合が、ど
ちらかが大きくなるように偏らせるように、情報源を操
作すると、符号化データのデータ量を削減することがで
きる。また、この操作は、復号化時に元のデータを形成
できるようにするため、可逆的な処理であることが望ま
しい。 【００３６】さて、本発明で符号化対象とする自然画像
データは、局所的に観察すると、その濃度変化が滑らか
である。すなわち、おのおのの画素についてみると、隣
接画素間での濃度の変動が小さい。 【００３７】また、自然画像データを、自然画像データ
の各画素を構成する複数のビットの同一ビット毎に切り
出したデータのまとまりを、ビットプレーンといい、お
のおののビットプレーンは、二値データであらわされ
る。例えば、自然画像データを二値画画像の符号化方式
であるＪＢＩＧ方式で符号化するとき、元の自然画像デ
ータをビットプレーンに分割し、ビットプレーン単位に
符号化圧縮して、ビットプレーン毎に符号化データを形
成するようにしている。 【００３８】以上のことから、例えば、図２に示すよう
に、処理対象の注目画素Ｘと、この注目画素Ｘの直前位
置に隣接する隣接画素Ａとの間の排他的論理和を形成す
ると、元の自然画像データの平均情報量を削減できるこ
とが期待され、その結果、符号データのデータ量を削減
することができる。また、この排他的論理和処理は、可
逆的処理なので、復号化時に逆操作の処理（すなわち、
排他的論理和処理）を適用することで、元のデータを生
成することができる。 【００３９】図３は、本発明の一実施例にかかる画像符
号化装置の一例を示している。 【００４０】同図において、画像入力部１は、原稿画像
を所定の解像度で画素に分解し、おのおのの画素のデー
タを８ビットの画像データＰＡに変換するものであり、
この画像データＰＡは、ビットプレーン展開部２に加え
られている。 【００４１】ビットプレーン展開部２は、入力した画像
データＰＡをビットプレーンに分解するものであり、お
のおののビットプレーンの画像データを、ビットプレー
ン単位に画像メモリ３に保存する。 【００４２】排他的論理和演算部４は、ワークメモリ５
をワークエリアとして用い、画像メモリ３に保存されて
いるビットプレーン毎の画像データに対し、おのおのの
画素位置の画像データについて、その画素位置の主走査
方向の直前位置に隣接する隣接画素の画像データと排他
的論理和を形成するものであり、その処理結果は、画像
データＰＢとして、ランレングス符号化処理部６に加え
られている。また、排他的論理和演算部４は、各主走査
ラインの最初の画素については、隣接画素として、仮想
的な白画素を適用する。 【００４３】ランレングス符号化処理部６は、各ビット
プレーン毎に入力した画像データＰＢに対して、所定の
ランレングス符号化処理を適用し、符号化圧縮するもの
であり、その結果得られた符号化画像データＣＤａは、
次段装置に出力される。ここで、ランレングス符号化処
理としては、例えば、ＭＨ符号化処理を適用することが
できる。 【００４４】また、このランレングス符号化処理部６が
形成する符号化画像データＣＤａのデータ形式の一例を
図４（ａ）に示す。 【００４５】この場合、１ページ分の符号化画像データ
ＣＤａは、その符号化画像データＣＤａの属性情報など
をあらわすヘッダ情報と、８つのビットプレーンのおの
おのについて形成される符号化データをまとめたもので
ある。 【００４６】なお、ヘッダ情報に含まれる属性情報とし
ては、ファイル名、コメント情報、主走査方向のサイ
ズ、副走査方向のサイズ、主走査方向の解像度、副走査
方向の解像度、および、１画素当たりのビット数などが
ある。 【００４７】図５は、本発明の一実施例にかかる復号化
装置の一例を示している。 【００４８】同図において、図３に示した符号化装置で
形成される符号化画像データＣＤａと同じデータ形式の
符号化画像データＣＤｂは、ランレングス復号化処理部
１１に加えられる。 【００４９】ランレングス復号化処理部１１は、符号化
画像データＣＤｂのおのおののビットプレーン符号化デ
ータについて、所定のランレングス復号化処理を適用し
て、各ビットプレーン毎に元の画像データを形成するも
のであり、その画像データＰＣは、排他的論理和演算部
１２に加えられている。 【００５０】排他的論理和演算部１２は、ワークメモリ
１３をワークエリアとして用い、ランレングス復号化処
理部１１から出力される画像データＰＣの各ビットプレ
ーン毎の画像データに対し、おのおのの画素位置の画像
データについて、その画素位置の主走査方向の直前位置
に隣接する隣接画素の画像データと排他的論理和を形成
するものであり、その処理結果は、各ビットプレーン毎
に画像メモリ１４に保存される。また、排他的論理和演
算部１２は、各主走査ラインの最初の画素については、
隣接画素として、仮想的な白画素を適用する。 【００５１】データ出力部１５は、画像メモリ１４に保
存されている各ビットプレーン毎の画像データを、おの
おのの画素位置に対応して１ビットずつ取り出し、それ
らの画像データをビット順序に８ビットに揃えて、各画
素が８ビットの画像データＰＤを形成するものであり、
その画像データＰＤは、次段装置に出力される。 【００５２】本発明者の実験によれば、本実施例の符号
化装置により、符号化画像データＣＤａの符号化効率が
数％向上した。 【００５３】また、本実施例では、エントロピー符号化
方式として周知のランレングス符号化方式（例えば、Ｍ
Ｈ符号化方式）を適用しているが、この代わりに周知の
算術符号化方式（例えば、ＱＭコーダ符号化方式（ＪＢ
ＩＧ方式））を適用することもできる。 【００５４】ただし、本実施例では、主走査方向に隣接
する画素間で、排他的論理和処理を適用したため、処理
後の画像データは、主走査方向についての白黒画素の変
化点の数が減少するものの、画素間の相関性が失われ
る。 【００５５】したがって、排他的論理和処理後の画像デ
ータをランレングス符号化によって符号化すると符号化
データのデータ量が減少することが期待されるが、画素
間の相関性を利用する算術符号化では、符号化データの
データ量の減少をあまり期待することができない。 【００５６】そのために、上述した実施例では、エント
ロピー符号化方式として周知のランレングス符号化方式
を適用している。 【００５７】また、上述した実施例では、元の画像デー
タに対して、主走査方向に隣接する画素間での排他的論
理和処理の適用回数を１回に設定しているが、この回数
を複数回にすることもできる。 【００５８】その場合、排他的論理和処理の適用回数を
変更しながら、最も変化点の少ない状態になる適用回数
を発見するようにすることが好ましい。また、その場合
の符号化画像データのデータ形式としては、図４（ａ）
のものを適用するが、おのおののビットプレーン符号化
データには、同図（ｂ）に示すように、各ビットプレー
ンに適用した排他的論理和処理の適用回数をあらわす情
報を付加する。 【００５９】この符号化画像データを復号化するときに
は、おのおののビットプレーンについて、符号化データ
の先頭に付加されている排他的論理和処理の適用回数に
相当する回数だけ、ランレングス復号化処理後のデータ
について、排他的論理和処理を繰り返し適用すればよ
い。 【００６０】さて、１画素あたり８ビットの画像データ
は、その主走査方向をＸ方向、副走査方向をＹ方向、お
よび、ビット深さ方向をＺ方向と規定すると、図６に示
すようなデータ空間を構成する。 【００６１】上述した実施例では、おのおののビットプ
レーンＰＬ１，ＰＬ２，・・・，ＰＬ８について、主走
査方向に隣接する画素間で排他的論理和処理したが、図
７に示すように、ビット方向に隣接する画素間で排他的
論理和処理することも考えられる。ただし、ビット１の
画素については、隣接する画素がないので、おのおのの
画素が白画素（データ０）のビット０のビットプレーン
を仮想的に設け、ビット０のビットプレーンとの間で排
他的論理和処理を形成する。 【００６２】本発明者の実験によると、このようにし
て、ビット方向に隣接する画素間で排他的論理和処理を
適用し、その後の画像データを算術符号化すると、符号
化効率が十数％向上する。 【００６３】図８は、かかる実施例の符号化処理装置の
一例を示している。なお、同図において、図３と同一部
分および相当する部分には、同一符号を付して、その説
明を省略する。 【００６４】同図において、排他的論理和演算部２１
は、ワークメモリ２２をワークエリアとして用い、画像
メモリ３に保存されているビットプレーン毎の画像デー
タに対し、おのおのの画素位置の画像データについて、
上述したように、その画素位置のビット方向に隣接する
隣接画素の画像データと排他的論理和を形成するもので
あり、その処理結果は、ＱＭコーダ符号化処理部２３に
出力されている。 【００６５】ＱＭコーダ符号化処理部２３は、排他的論
理和演算部２１から各ビットプレーン毎に入力した画像
データに対して、所定のＱＭコーダ符号化処理を適用
し、符号化圧縮するものであり、その結果得られた符号
化画像データＣＤｃは、次段装置に出力される。 【００６６】図９は、図８に示した装置で符号化された
符号画像データを元の画像データに復号化する復号化装
置の一例を示している。なお、同図において、図５と同
一部分および相当する部分には、同一符号を付してい
る。 【００６７】同図において、図８に示した符号化装置で
形成される符号化画像データＣＤｃと同じデータ形式の
符号化画像データＣＤｄは、ＱＭコーダ復号化処理部３
１に加えられる。 【００６８】ＱＭコーダ復号化処理部３１は、符号化画
像データＣＤｄのおのおののビットプレーン符号化デー
タについて、所定のＱＭコーダ復号化処理を適用して、
各ビットプレーン毎に元の画像データを形成するもので
あり、その画像データＰＤは、排他的論理和演算部３２
に加えられている。 【００６９】排他的論理和演算部３２は、ワークメモリ
３３をワークエリアとして用い、ＱＭコーダ復号化処理
部３１から出力される画像データＰＤの各ビットプレー
ン毎の画像データに対し、おのおのの画素位置の画像デ
ータについて、上述したように、その画素位置のビット
方向に隣接する隣接画素の画像データと排他的論理和を
形成するものであり、その処理結果は、各ビットプレー
ン毎に画像メモリ１４に保存される。 【００７０】ここで、この実施例における符号化画像デ
ータのデータ形式は、基本的には、図４（ａ）のものを
適用するが、おのおののビットプレーン符号化データに
は、同図（ｃ）に示すように、各ビットプレーンに適用
したＱＭコーダ符号化のパラメータなどを含むフォーマ
ット情報を付加する。 【００７１】なお、この実施例では、エントロピー符号
化方式として、算術符号化方式の１つであるＱＭコーダ
符号化方式を適用しているが、それ以外の算術符号化方
式、あるいは、ランレングス符号化方式を適用すること
ができる。 【００７２】また、上述した各実施例では、各ビットプ
レーン毎の画像データに対し、おのおのの画素位置の画
像データについて、その画素位置の主走査方向の直前位
置に隣接する隣接画素の画像データと排他的論理和を形
成したり、あるいは、各ビットプレーン毎の画像データ
に対し、おのおのの画素位置の画像データについて、そ
の画素位置のビット方向に隣接する隣接画素の画像デー
タと排他的論理和を形成した後に、エントロピー符号化
しているが、これらの２種類の排他的論理和処理を組み
合わせると、より符号化効率を向上することができる。 【００７３】すなわち、その場合、まず、各ビットプレ
ーン毎の画像データに対し、おのおのの画素位置の画像
データについて、その画素位置の主走査方向の直前位置
に隣接する隣接画素の画像データと排他的論理和を形成
し、その後の各ビットプレーン毎の画像データに対し、
おのおのの画素位置の画像データについて、その画素位
置のビット方向に隣接する隣接画素の画像データと排他
的論理和を形成した後に、エントロピー符号化する。 【００７４】また、上述した実施例では、１画素あたり
８ビットの白黒画像データである自然画像データを符号
化する場合に、本発明を適用しているが、カラー画像デ
ータについても、本発明を同様にして適用することがで
きる。 【００７５】その場合、各色成分について、上述した実
施例で適用した符号化方式を独立して適用する。したが
って、上述した実施例で形成される符号化画像データ
が、各色成分について１つずつ形成される。 【００７６】なお、符号化画像データのデータ形式は、
上述した実施例のものに限ることはなく、適宜なものを
適用することができる。また、１画素当たりのビット数
が８ビット以外の場合でも、本発明を同様にして適用す
ることができる。 【００７７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
エントロピー符号化の前の段階で、注目画素を隣接画素
との間で排他的論理和処理することで、画像データのエ
ントロピーを減少させているので、エントロピー符号化
を効率よく実行することができ、自然画像データの符号
化圧縮率を向上することができるという効果を得る。 【００７８】

【図面の簡単な説明】 【図１】シンボルの出現確率と平均情報量の関係を示し
たグラフ図。 【図２】本発明の一実施例にかかる排他的論理和処理を
説明するための概略図。 【図３】本発明の一実施例にかかる符号化装置を示した
ブロック図。 【図４】本発明により形成される符号化画像データのデ
ータ形式を説明するための概略図。 【図５】本発明の一実施例にかかる復号化装置を示した
ブロック図。 【図６】画像データ空間を説明するための概略図。 【図７】本発明の他の実施例にかかる排他的論理和処理
を説明するための概略図。 【図８】本発明の他の実施例にかかる符号化装置を示し
たブロック図。 【図９】本発明の他の実施例にかかる復号化装置を示し
たブロック図。 【符号の説明】 ２ ビットプレーン展開部 ３，１４ 画像メモリ ４，１２，２１，３２ 排他的論理和演算部 ６ ランレングス符号化処理部 １１ ランレングス復号化処理部 ２３ ＱＭコーダ符号化処理部 ３１ ＱＭコーダ復号化処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 1/41 - 1/419 H04N 7/24 - 7/68

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 １画素あたり複数ビットからなる自然画
   像データを、おのおののビットプレーン毎に符号化圧縮
   するとともに、符号化された画情報をビットプレーン毎
   に画像データに復号化した後に元の自然画像データを形
   成する符号化復号化方法において、 符号化時、符号化対象の符号化注目画素と、その符号化
   注目画素の直前位置の符号化隣接画素の画像データを排
   他的論理和処理する処理を、処理後にあらわれるデータ
   の偏りが最も大きくなる回数繰り返し行い、その後のデ
   ータを所定の符号化方式でエントロピー符号化するとと
   もに、それによって形成した符号データの先頭に、上記
   排他的論理和処理の繰り返し回数をあらわすデータを付
   加し、 復号化時、画情報を上記所定の符号化方式に対応して元
   のデータに復号化した後に、処理対象の復号化注目画素
   と、その復号化注目画素の直前位置の復号化隣接画素の
   データを排他的論理和処理する処理を、上記符号データ
   に付加されている回数だけ繰り返し行い、元の画像デー
   タを形成することを特徴とする符号化復号化方法。