JP3590421B2 - イントラ−ブロックdc変換係数量子化方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は映像信号を符号化するための方法に関するもので、とくに、人間の視覚特性によってイントラ−ブロック(intra−block) DC変換係数の量子化器ステップ大きさ(quantizer step size) を調節することによって伝送される映像の質を保持して伝送効率を向上させるためのイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
高精度テレビジョンおよび映像電話器システムのような多様な電気/電子活用分野において、映像信号はディジタル化された形態で伝送される。連続的な映像フレームを含む映像信号がディジタル化された形態で表現されれば、各映像フレームの各々の走査線が画素と呼ばれる一連のディジタルデータ要素からなるので、相当な量のディジタルデータが発生する。しかし、通常の伝送チャネルの利用可能な周波数帯域は制限されているので、相当の量のディジタルデータを制限されたチャネルを通じて伝送するためには、伝送されるデータの量を減らしあるいは圧縮するために映像信号符号化装置の使用が必要である。
【0003】
通常、映像信号は一つのフレーム内の画素間および隣接フレームなどの内の画素のあいだに相関関係または冗長性(redundancy)があるので、画質を激しく損傷させることなく圧縮されうる。多様な映像圧縮技法のうち、時間的圧縮技法および空間的圧縮技法を統計的符号化技法と共に用いる、いわゆる、ハイブリッド符号化技法が最も効果的であると知られている。
【0004】
大部分のハイブリッド符号化技法は、適応的インタ/イントラ−モード(inter/intra−mode) 符号化、直交変換(orthogonal transform)、変換係数の量子化および可変長さ符号化を採用する。適応的インタ/イントラ−モード符号化は、後続の直交変換のための信号を、たとえば、信号の分散に基づいて現在フレームのパルス符号化変調(PCM) データまたは差分パルス符号変調(DPCM)データから適応的に選択するプロセスである。予測方法とも呼ばれ、隣接フレーム間の冗長性を減少させる概念に基づいたインタ−モード符号化は、現在フレームと隣接した一つまたは二つのフレーム間での物体の動きを決定し、物体の動き流れによって現在フレームを予測し、現在フレームとその予測とのあいだの差分を表す差分信号を発生するプロセスである。この符号化方法は、たとえば、ステファン エリクソン(staffan Ericsson) の「フィクスド アンド アダプティブ プレディクターズ フォア ハイブリッド プレディクティブ/トランスフォーム コーディング(Fixed and Adaptive Predictors for Hybrid predicteve/Transform Coding) 」(アイイーイーイー トランザクションズ オン コミュニケーションズ(IEEE Transactions on Communications) 、COM−33、No 12、1985年12月)およびニノミヤ(Ninomiya)とオオツカ(Ohtsuka) の「ア モーション−コンペンセイティド インターフレーム コーディング スキーム フォア テレビジョンピクチャー(A Motion−Compensated Interfraame Coding Scheme for Telelevision Picture) 」(アイイーイーイー トランザクションズ オン コミニュケーションズ(IEEE Transactions on Communications)、COM−30、No 1、1982年1月)に開示されている。
【0005】
現在フレームのパルス符号変調データおよび動き補償された差分パルス符号変調データのような映像データのあいだの空間的な相関関係を用いて、そのデータ間の空間的な冗長性を減少または除去させる直交変換は、ディジタル映像データのブロックを変換係数のセットに変換させる。この技法はチェン(Chen)およびプラット(Pratt) の「シーン アダプティブ コーダ(Scene Adaptive Coder)」(アイイーイーイー トランザクションズ オン コミュニケーションズ(IEEE Transactions on Communications) 、COM−32、No 3、1984年3月)に開示されている。かかる変換係数データを量子化および可変長さ符号化することによって、伝送されるデータの量が効率的に圧縮されうる。
【0006】
具体的に、離散的コサイン変換(DCT) のような直交変換において、映像データは、たとえば、8×8画素となったブロックである同じ大きさのブロックに分割され、各ブロックは空間ドメインから周波数ドメインに変換される。よって、一つのDC変換係数と、多数(たとえば、63個)のAC変換係数がえられる。そのブロックのDC変換係数はそのブロックの画素の平均信号の大きさを反映する。イントラ−モード入力映像信号は通常、0から255までのあいだの値を有するので、イントラ−ブロックDC変換係数は11ビットと表されうる0から2040までの範囲を有し、イントラ−ブロックAC変換係数は、約−1000から1000までの値を有する。−255から255までの値を有するイントラ−モード映像信号のばあい、ACおよびDC変換係数は約−2000から2000までの値を有する。
【0007】
直交変換からえられる直交変換係数は量子化される。量子化において、小さい量子化器ステップ大きさ(または、量子化ステップ大きさ)は、多数のコードビットを必要とする多量のデータをなし、大きい量子化器ステップ大きさは、小さい数のコードビットを必要とする小量のデータをなす。多量のコードビットは小量のコードビットより映像をさらに精密に表すことができるので、伝送チャネルに付加されるデータの量と伝送された映像の質とのあいだにはトレードオフの関係があることになる。
【0008】
通常、多様な量子化器ステップ大きさの制御方法がこの分野に提案されているが、これらの方法において、量子化器ステップ大きさの制御は通常、インタ−ブロックDCおよびAC、イントラ−ブロックAC変換係数に対する量子化器ステップ大きさの制御を意味する。かかる量子化器ステップ大きさの制御は、バッファメモリに現在貯蔵されているデータの量および入力映像信号の複雑度に基づく。また、高周波数に対する人間の視覚感度が低いことを用いて、認知される映像の質を損傷させることなく、高周波数の直交変換係数に対して大きい量子化器ステップ大きさが用いられうる。同じように、直交変換係数のうち、最も低い周波数に対応するDC係数の量子化において最も小さい量子化器ステップ大きさが用いられる。
【0009】
しかし、前述した従来技法において、量子化器ステップ大きさは、インタ−ブロックACおよびDC係数とイントラ−ブロックAC係数に対してだけ適応的に調節されるイントラ−ブロックDCのばあいには、MPEG(Moving Pictures Export Group)−1標準に提示されるように、相対的に小さい、たとえば、8である固定されたステップ大きさで量子化されるかまたはMPEG−2標準でのように、たとえば、1、2、4または8の、多様なステップ大きさがピクチャー(picture) 単位で適応的に調節される。ここで、ピクチャーは映像信号のフィールドまたはフレームを意味する。すなわち、イントラ−ブロックDC係数は、たとえば、映像の明るさのような入力映像信号の複雑度に関係なく最少限ピクチャー内では一括的に量子化されて、たとえば、ブロッキング(区画)効果によって映像の質を落とすことがある。ブロッキング効果とは受信端でブロッキングの境界線が見える効果を言う。フレームが色々のブロッキング単位で符号化されるので、かかるブロッキング効果は発生し、量子化器ステップ大きさが大きくなるほど、すなわち、ブロッキングが荒く量子化されるにつれてさらに深刻になる。したがって、もしある区画が隣接した区画などよりずっと明るいかまたは暗い、イントラ−ブロックDC係数が固定された大きい量子化器ステップ大きさによって量子化されれば、その区画と隣接ブロックとのあいだの明るさの差は非常に大きくなり、結局ブロッキング効果などをもたらして画質を落とすことになる。
【0010】
前述したように、イントラ−ブロックDC係数の値は、11ビットで表現される。したがって、その11ビットイントラ−ブロックDC係数が量子化器ステップ大きさ1と量子化されれば、最大イントラ−ブロックDC係数2040を1で割っても2040であるので、11ビットが量子化された係数を表すのに必要となる。反面、イントラ−ブロックDC係数がステップ大きさ2で量子化されれば、最大イントラ−ブロックDC係数2040を2で割ると1020であるので、量子化された係数は10ビットで表現され、ステップ大きさが4であるばあい、9ビットが必要となり、ステップ大きさが8であるばあいは、2040を8で割ると255であって8ビットになる。
【0011】
結果的に、従来技術で用いた方法などは伝送するデータの量が少なければブロッキング効果が発生して伝送画質がわるくなる。よって、画質を良好にするためには伝送するのに必要なデータの量が増加して符号化効率を落とすジレンマに突き当たることになる。
【0012】
したがって、本発明の目的は人間の視覚特性によって適応的にイントラ−ブロックDC変換係数を量子化して前述したブロッキング効果を除去するか大幅に緩和させ、伝送チャネルに付加されるデータの量を増加させなくても認知される伝送映像の質を改善させる方法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
各々のブロックがインタ−モードまたはイントラモードである同一の大きさを有する複数の前記ブロックからなる入力ディジタル映像信号から伝送する符号化された映像信号を提供するディジタル化された映像信号符号器で用いるためのイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法において、前記入力ディジタル映像信号に含まれた前記複数のブロック各々をインタ−ブロックまたはイントラ−ブロックACおよびDC変換係数のセットに変換する段階と、前記インタ−ブロックまたはイントラ−ブロックACおよびDC変換係数のセットからイントラ−ブロックDC変換係数を選択する段階と、前記選択されたイントラ−ブロックDC変換係数のうち、一定の個数のイントラ−ブロックDC変換係数の値の大きさに基づいて、イントラ−ブロックDC変換係数が小さい領域ではイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを小さく決定し、イントラ−ブロックDC変換係数が大きい領域ではイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを大きく決定する段階と、前記イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを用いて前記一定の個数の各々から量子化されたイントラ−ブロックDC変換係数を発生するステップとを含むイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法が提供される。
【0014】
【実施例】
図1は、ディジタル化された映像信号符号化装置のブロック図を示す。入力ディジタル映像信号は直交変換器10および前進分析器(forward analyzer)70に入力される。入力ディジタル映像信号は各々のブロックが8×8画素のインタ−モード映像信号またはイントラ−モード映像信号である同じ大きさの多数のブロックを含む。
【0015】
前進分析器70は、入力ディジタル映像信号を分析して映像信号の分散から映像信号の複雑度を決定して複雑度係数を量子化器制御器60へ伝送する。
【0016】
映像信号の画素データを空間ドメインから周波数ドメインに転換する直交変換器10は8×8画素の各々の同じ大きさのブロックに一つのDC係数および63個のAC係数を含む変換係数のセットを提供する。量子化ブロック20で量子化される係数がイントラ−モード映像信号ブロックから発生したイントラ−ブロックDC係数、イントラ−ブロックAC係数のうちの、一つまたはインタ−モード映像信号ブロックから発生されたインタ−ブロックAC/DC係数中の一つであるかを表すために、係数表示信号も量子化ブロック20へ出力される。
【0017】
たとえば、量子化器スケールである量子化器制御器60からの制御信号に応答して、量子化ブロック20は直交変換器10からのインタ−ブロックAC/DCおよびイントラ−ブロックAC係数のような直交変換係数各々に対する量子化器ステップ大きさを決定して、決定された量子化器ステップ大きさで直交変換係数を量子化する。
【0018】
イントラ−ブロックDC係数の量子化は、本発明によって行われる。量子化ブロック20から出力された量子化された変換係数は、可変長さ符号化器30へ伝送され、また、量子化ブロック20から出力されたイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさはマルチプレクサ40へ伝送される。量子化ブロック20は図2を参照して、あとで詳述される。
【0019】
量子化ブロック20からの量子化された変換係数は、可変長さ符号化器30で連続的に処理されて、当該技術分野で知られているような可変長さ符号化方法によって符号化される。
【0020】
マルチプレクサ40は可変長さ符号化器30からの可変長さ符号化された係数および量子化器制御器60からの量子化器スケールおよび量子化ブロック20からのイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさのような情報をレートバッファ50へ伝送する。
【0021】
可変長さ符号化された係数および量子化器スケール、イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさのような情報はレートバッファ(rate buffer) 50に一時貯蔵されて、伝送チャネルへ伝送される。現在レートバッファ50に貯蔵されたビット数は、量子化器制御器60へ出力され、量子化器制御器60ではレートバッファ50からの現在レートバッファ50に貯蔵されているビット数と前進分析器70からの複雑度係数に基づいて量子化器スケールが決定される。
【0022】
図2は、図1に示された、本発明による量子化ブロック20の詳細図を示す。図1に示された直交変換器10からの変換係数および係数表示信号が各々スイッチ22および量子化器選択器21へ入力される。
【0023】
量子化器選択器21は、入力係数表示信号に応答して、変換係数が量子化される量子化器をスイッチ22が選択するようにする。すなわち、イントラ−ブロックDC変換係数はイントラ−ブロックDC係数量子化器26およびイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさ制御部25へ、イントラ−ブロックAC変換係数各々はイントラ−ブロックAC係数量子化器24へ、インタ−ブロックAC/DC変換係数各々はインタ−ブロック量子化器28へ入力される。
【0024】
図1に示された量子化器制御器60からの量子化器スケールは、量子化器ステップ大きさ制御部23、27へ入力される。
【0025】
インタ−ブロック量子化器ステップ大きさ制御部27は、入力された量子化器スケールを用いて、インタ−ブロックAC/DC変換係数を量子化するためのインタ−ブロックAC/DC量子化器ステップ大きさを計算して決定する。詳述すれば、当該技術分野で知られているように、量子化器ステップ大きさは、量子化器スケールおよび同じ値を有するマトリックス要素を有するインタ−ブロック量子化マトリックスからえられる。
【0026】
イントラ−ブロックAC量子化ステップ大きさ制御部23は、インタ−ブロック量子化器ステップ大きさ制御部27と類似な方法でイントラ−ブロックAC係数を量子化するためのイントラ−ブロックAC量子化器ステップ大きさを決定する。しかし、イントラ−ブロックAC量子化マトリックスのマトリックス要素は多様な値を有するので、イントラ−ブロックAC量子化器ステップ大きさはAC変換係数によって異なりうる。
【0027】
インタ−ブロック量子化器ステップ大きさ制御部27およびイントラ−ブロックAC量子化器ステップ大きさ制御部23からの量子化器ステップ大きさは、各々インタ−ブロック量子化器28およびイントラ−ブロックAC係数量子化器24へ入力される。その量子化器28、24でスイッチ22から入力された変換係数の値は相応する量子化器ステップ大きさに分けられて最も近い整数に四捨五入されて量子化された変換係数がえられる。
【0028】
本発明によって、イントラ−ブロックDC変換係数は、ウェーバの法則(Weber’law)による人間視覚特性を用いてイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさ制御部25で決定される多様な量子化器ステップ大きさで量子化される。
【0029】
図3には、人間の視覚特性が示されている。ウェーバの法則によると、人間の視覚システムはある領域が周囲の領域よりある程度以上明るいかまたは暗ければその領域を区別して認識することができる(ウィリアム ケー プラット(William K.Pratt) の「デジタル イメージ プロセシング(Digital Image Processing)」、ジョン ウィリー アンド サンズ(John Wiley & Sons) (第2版、1991年)を参考)。言い替えれば、図3に示したように、もし周辺領域Aの平均明るさがfであり、中の領域Bの平均明るさがf+Δfであれば、中の領域Bは|Δf|/fの値が0.02以上である時だけ人間の視覚により区別されて認識される。すなわち、ある領域が認識されるためには、その領域が周辺領域より少なくとも2%以上明るいか暗くなければならない。結果的に、fが小さいかまたは平均明るさが低い所ではある物体が周辺より少しでも明るいかまたは暗くても認識し易い反面、fが大きいか平均明るさが高ければ物体は周辺領域よりずっと明るいか暗くなければ人間の視覚により認識されえない。
【0030】
前述した人間の視覚特性を用いて、本発明はブロックの平均明るさを表すイントラ−ブロックDC係数をイントラ−ブロックDC係数の値によって変化する量子化器ステップ大きさを用いて量子化する。その領域の平均明るさが低く暗い領域、すなわち、イントラ−ブロックDC係数が小さい領域では量子化器ステップ大きさが小さく設定されて、人間のより敏感な認識度に符合する精密な量子化が行われる。同じように、平均明るさが高く明るい領域、すなわち、イントラ−ブロックDC係数が大きい明るい領域では量子化器ステップが大きい値と設定されて、人間の認識度が多少鈍感な明るい領域での符号化効率を高めることになる。
【0031】
イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさは、ユニット単位で決定される。ユニットには、ブロック、マクロブロックおよびGOB(group of blocks)の三つがある。ブロックは前述したような8×8画素からなったブロックとすることができる。これらのブロック四つは、GOB に含まれた多数のマクロブロックの各々を構成する。いかなるユニットもイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさの決定に用いられうる。一般に、映像はマクロブロック内で大幅に変化しないので、マクロブロックがイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさの決定のためのユニットとして選択されば、映像の質を損傷させることなく映像を量子化しうる。
【0032】
図2をさらに参照すれば、本発明によるイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさ制御部25は、スイッチ22から入力されたイントラ−ブロックDC変換係数に基づいて量子化器ステップ大きさを決定する。換言すれば、イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさは、マクロブロック内の最大イントラ−ブロックDC係数が1から255までの値を有するばあい、1と設定されて、人間視覚システムが敏感で明るさの小さい変化まで感知される相対的に暗いマクロブロック内で非常に精密な量子化が行われうる。同じように、もしマクロブロック内の最大イントラ−ブロックDC係数が256から510までの値であるばあいは2と、もし511から1020までの値を量子化器スケールが有するばあいは4と、1021から2040までの値であるばあいは8と量子化器ステップ大きさが設定される。
【0033】
前記四つの量子化器ステップ大きさを表すためには、2ビットで表現されうるイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさは、イントラ−ブロックDC係数量子化器26へ入力されて、イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを決定するのに用いられたマクロブロック内の各々のイントラ−ブロックDC係数は入力された量子化器ステップ大きさに分けられ、最も隣接した整数に四捨五入されて、量子化されたイントラ−ブロックDC変換係数が提供される。かかる量子化器ステップ大きさを用いて0から2040までの値をイントラ−ブロックDC係数からえられる量子化されたイントラ−ブロックDC係数を表すために8ビットだけが必要となる。
【0034】
また、イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさは、イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさ制御部25から図1に示されたマルチプレクサ40へ出力されて、受信機が受信されたデータを適切に復号化しうるようにする。すなわち、イントラ−ブロックDC変換係数は伝送されたイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを用いて伝送された量子化されたイントラ−ブロックDC係数から復号化器で計算されうる。
【0035】
インタ−ブロック量子化器28、イントラ−ブロックAC係数量子化器24およびイントラ−ブロックDC係数量子化器26からの量子化された変換係数は、図1に示された可変長さ符号化器30へ出力される。
【0036】
イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさは、前述したこととは異なる方式、たとえば、1、2、4、8以外の他の量子化器ステップ大きさを用いるか、本発明の実施例とは異なる範囲のDC変換係数で量子化器ステップ大きさを決定する方式でえられることを特記しなければならない。
【0037】
【発明の効果】
本発明のイントラ−モード映像信号は、符号化するための方法によって人間の視覚特性が敏感な領域では精密な量子化を行い、多少敏感でない領域では荒い量子化を行うため、全般的な映像の質が向上されうる。また、本発明によって量子化された係数を表すのに8ビットだけが必要であるので、符号化効率が増大し、よって、量子化されたイントラ−ブロックDC係数を表現するのに最大11ビットが必要な従来のシステムに比べて伝送ラインを通じた伝送データの量が減少されうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】映像信号符号化装置の概略図である。
【図2】図1に示された本発明による量子化ブロックの詳細ブロック図である。
【図3】映像の明るさに反応する人間視覚特性を示す図面である。
【符号の説明】
10 直交変換器
20 量子化ブロック
21 量子化器選択器
22 スイッチ
23 イントラ−ブロックAC量子化器ステップ大きさ制御部
24 イントラ−ブロックAC係数量子化器
25 イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさ制御部
26 イントラ−ブロックDC係数量子化器
27 インタ−ブロック量子化器ステップ大きさ制御部
28 インタ−ブロック量子化器
30 可変長さ符号化器
40 マルチプレクサ
50 レートバッファ
60 量子化器制御器
70 前進分析器
Claims (3)
- 各々のブロックがインタ−モードまたはイントラ−モードである同一の大きさを有する複数の前記ブロックからなる入力ディジタル映像信号から伝送する符号化された映像信号を提供するディジタル化された映像信号符号器で用いるためのイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法において、
前記入力ディジタル映像信号に含まれた前記複数のブロック各々をインタ−ブロックまたはイントラ−ブロックACおよびDC変換係数のセットに変換する段階と、
前記インタ−ブロックまたはイントラ−ブロックACおよびDC変換係数のセットからイントラ−ブロックDC変換係数を選択する段階と、
前記選択されたイントラ−ブロックDC変換係数のうち、一定の個数のイントラ−ブロックDC変換係数の値の大きさに基づいて、イントラ−ブロックDC変換係数が小さい領域ではイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを小さく決定し、イントラ−ブロックDC変換係数が大きい領域ではイントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを大きく決定する段階と、
前記イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさを用いて前記一定の個数のイントラ−ブロックDC変換係数各々から量子化されたイントラ−ブロックDC変換係数を発生する段階とを含むイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法。 - 前記一定の個数が4個である請求項1記載のイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法。
- 前記イントラ−ブロックDC量子化器ステップ大きさが前記一定の個数のイントラ−ブロックDC変換係数に含まれたイントラ−ブロックDC変換係数の最大値が1ないし255である場合は1と、256ないし510である場合は2と、511ないし1020である場合は4とし、1021ないし2040である場合は8と決定される請求項2記載のイントラ−ブロックDC変換係数量子化方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR93-10125 | 1993-06-04 | ||
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