JP3604471B2 - サブバンド符号化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像の伝送または、記録のための画像データのサブバンド符号化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、従来３次元情報を持つ画像データの圧縮は、動き補償予測と離散コサイン変換（ＤＣＴ）を組み合わせて行われていた。すなわち、画像の水平方向と垂直方向の２次元の空間的情報量の圧縮に関しては離散コサイン変換（ＤＣＴ）を使用して、また時間的情報量の圧縮に関しては動き補償予測を使用して、それぞれの空間でデータの圧縮を行っている。
【０００３】
また、空間的情報量の圧縮には、２次元のサブバンド符号化方式を用いることも可能である。２次元情報を持った画像信号のサブバンド符号化においては、画像の水平方向、及び垂直方向に対して、それぞれ独立に帯域分割を行う。各方向に対して多段分割を行う場合は、水平方向と垂直方向について一段ずつ交互に分割する必要がある。つまり、水平方向に対して分割を行った後で、垂直方向に対して分割を行い、垂直方向の低域について水平方向の分割を行い、この分割を繰り返す。
【０００４】
一例として図９に２次元の１０帯域分割サブバンドフィルタのブロック図を示す。図示のように、各段は互いに同様な構成であり、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２９、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０、２対１サブサンプラー３１および走査変換メモリ３２を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
離散コサイン変換を用いて空間的情報量の圧縮を行うと、ブロック歪みや、モスキートノイズなど画質に関わる歪みが生じやすい。
【０００６】
また２次元のサブバンド符号化方式を用いる場合は、画像の水平方向と垂直方向をそれぞれ独立に帯域分割する。また、各方向について多段分割を行う場合は水平方向と垂直方向を交互に帯域分割する必要がある。従って図９に示すように、フィルタバンクの各フィルタと次段のフィルタとの間で、水平から垂直又は垂直から水平に走査変換するための走査変換メモリ３２が必要となり、フィルタバンクの構成が複雑となる。
【０００７】
また、両者とも動き補償予測回路が必要となるため、回路規模が大きくなってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、上記のような問題に鑑みて、回路規模が大きくならず、フィルタバンクの構成が簡単であり、ブロック歪みやモスキートノイズのないサブバンド符号化装置を提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明は、ブロック歪みやモスキートノイズなど、画質に関わる歪みを発生しにくいサブバンド符号化を採用した。また回路規模の大きくなる、動き補償回路を用いないで、３次元ブロック構成を採用することにより動画像の符号化効率を良くした。さらに、フィルタバンクの構成を簡単にするため、３次元の画像信号を走査変換する事によって、１次元の信号に変換した。
【００１０】
すなわち、請求項１にかかる発明は、所定数のフレーム画像から構成され時間軸の奥行きを持つ３次元画像を水平方向、垂直方向及び時間方向にそれぞれ一定の長さを持つ複数の３次元ブロックに分割し、前記各３次元ブロック内の全画素を水平垂直平面内、水平時間平面内および垂直時間平面内の順序で走査変換して前記画像信号を連続する１次元のデータ列に変換する走査変換手段と、前記１次元のデータ列を、１次元多段分割サブバンドフィルタにより、複数のサブバンド成分に分割する分割手段と、前記分割された複数のサブバンド成分を符号化する符号化手段とを具えたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタは、各段が、入力された１次元データを４分割されたサブバンド成分として取り出す、低域通過フィルタ、第１の帯域通過フィルタ、第２の帯域通過フィルタおよび高域通過フィルタの４つのフィルタから構成され、最終段を除く各段の低域通過フィルタから取り出された成分を次段の各フィルタに並列的に供給することを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項３にかかる発明は、請求項１または２において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタのｎ段目フィルタには連続する２ (n-1) フレーム枚の成分のみが含まれるように、前記走査変換手段における走査をするようにしたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、請求項４にかかる発明は、請求項１，２または３において、前記分割手段は、前記１次元多段分割サブバンドフィルタから取り出された全てのサブバンド成分を、画像の動きの速さに関連付けた複数のブロックにまとめて、前記画像すべてに共通に対応する成分のブロック、速い動きを持った画像に対応する成分のブロック、静止画像に対応する成分のブロック、前記速い動きを持った画像に対応する成分のブロックおよび前記静止画像に対応する成分のブロックの中間に対応する成分のブロックの順序に、前記複数のデータブロックの順序を変更する手段を有し、前記符号化手段は、前記順序変更されたそれぞれのサブバンド成分を、量子化し、ランレングス符号化し、ハフマン符号化する手段を有することを特徴とする。
【００１４】
さらに請求項５にかかる発明は、請求項１または２において、前記走査変換手段は、前記各３次元ブロック内の走査変換において、水平垂直平面内のそれぞれ異なった４画素について走査を行い、前記４画素についての走査を１つの領域として、水平時間平面の４つの領域の１６画素について走査を行い、前記１６画素についての走査を１つの領域として、垂直時間平面の４つの領域の６４画素について走査を行う手段を有することを特徴とする。
【００１５】
さらに請求項６にかかる発明は、請求項２において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタの各段の各フィルタは、出力データを１／４にサブサンプリングする手段を有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、所定数のフレーム画像から構成され時間軸の奥行きを持つ３次元画像は、３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査変換を繰り返すことによって、１次元のデータ列に変換される。なお、このとき走査変換は、この後に１次元段分割サブバンドフィルタによって周波数成分に分割されたとき、ｎ段目の分割フィルタの出力に２（ｎ−１） フレーム内の成分のみが含まれるように構成することができる。
【００１７】
１次元に変換されたデータ列は、１次元多段分割サブバンドフィルタに入力される。１次元多段分割サブバンドフィルタは、各段がその基本構成を、低域通過フィルタ、第１の帯域通過フィルタ、第２の帯域通過フィルタ、高域通過フィルタの４つのフィルタを以て構成することができる。そしてこの４つのフィルタで構成された複数の段を、各段の低域通過フィルタの出力が、次段の４つのフィルタへ並列的に供給されるように構成する。これにより多段のサブバンド分割を行った場合、例えば、絵柄によって特定のいくつかの帯域成分に出力が集中する。
【００１８】
各帯域成分は、フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である時、フィルタ出力の絶対値の大きな成分を連続してまとめて伝送し、またフレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である時、フィルタ出力の絶対値の大きな成分を連続してまとめて量子化器へ送る。ここでフレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である時とは、静止画像が入力された時のことである。一般的な静止画は、フレーム間は、同一データが連続するため相関が非常に大きく、フレーム内では、動画像に比べ解像度が高く、画素間の相関が小さくなっている。また、フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である時とは、動画像が入力された時の事であり、一般的な動画像では、フレーム間は、動きが速くなる程、相関が小さくなり、フレーム内では、動きが速くなるほど、解像度が低下して相関が大きくなる。
【００１９】
従って、絶対値の小さいデータは、量子化によって０データすなわち無効データとなる確率が大きく、並び替えられ量子化されたデータは、データ列の中で有効データと無効データが散乱せず、それぞれ連続する状態となり、ランレングス符号、ハフマン符号によって効率の良いデータ圧縮が行える。
【００２０】
以下本発明にかかるサブバンド符号化装置の一例を、図面を参照して詳細に説明する。図１に３段構成時における１次元分割フィルタの構成図を、図２に本発明のサブバンド符号化装置の概略構成図を示す。
【００２１】
この例では、３次元ブロックを４水平方向画素×４ライン×４フレームの（すなわち、１フレーム内では４水平方向画素×４垂直方向画素＝１６画素となり、この１６画素×４フレーム＝６４となる）、６４画素の立体ブロックとする（後述の図３〜図４を参照）。また１次元多段分割フィルタは、各帯域ともに４タップのディジタルフィルタで構成されており、４帯域の分割フィルタ３段構成で、合計１０帯域の帯域成分に分割するものとする。ここでは、図１に示すように、１０帯域の成分データを低域側、すなわち３段目の低域フィルタ出力より順番にＬＬＬ，ＬＬＢ１，ＬＬＢ２，ＬＬＨ，ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＨ，Ｂ１，Ｂ２，Ｈとする。
【００２２】
図２に示すように、画像信号は入力端子１０より入力され、Ａ／Ｄ変換器１１によりディジタルデータに変換される。この時一般的な画像信号は、画面の水平方向、垂直方向、および時間方向へ走査されるため、３次元の情報を持っている。このデータはＡ／Ｄ変換器１１から出力された順番に、３−１次元走査変換メモリ１２に蓄えられる。次にデータが４フレーム分だけ、３−１次元走査変換メモリ１２に蓄えられると、アドレス発生器１３により、４水平方向画素×４ライン×４フレームの６４画素を一つの３次元ブロックとして、３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査を行うように、３−１次元走査変換メモリ１２に、読み出しアドレスが与えられる。これにより１次元に変換された画像データが、３−１次元走査変換メモリ１２より読み出される。
【００２３】
３−１次元走査変換メモリ１２より読み出された１次元のデータ列は、分割フィルタバンク１４に入力される。この分割フィルタバンク１４は、図１に示すように、各段が低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６、第１の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）５、第２の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）４、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）３の４つのフィルタで基本構成されており、これを３段縦続接続して１次元多段分割フィルタを構成している。すなわち、各段の低域通過フィルタ６の出力を次段の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６、第１の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）５、第２の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）４、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）３に並列に供給するように構成されている。また、ここでは、各フィルタのＺ変換により表された伝達関数を以下のように設定した。
【００２４】
低域通過フィルタ６のＺ変換により表された伝達関数を
【００２５】
【数１】
とし、
第１の帯域通過フィルタ５のＺ変換により表された伝達関数を
【００２６】
【数２】
とし、
第２の帯域通過フィルタ４のＺ変換により表された伝達関数を
【００２７】
【数３】
とし、
高域帯域通過フィルタ３のＺ変換により表された伝達関数を
【００２８】
【数４】
とする。これによって１０帯域分の成分出力が得られるようになっている。また、各フィルタの出力は、４：１サブサンプラ７によって４：１のサブサンプリングが行われる。
【００２９】
このとき入力画像のうち、速い動きを持った画像（フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である）に対応する成分は、ＬＬＢ２，ＬＢ１，Ｂ１に大きな出力が集中する。そして静止した画像（フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である）に対応する成分は、ＬＬＨ，ＬＢ２，Ｂ２に大きな出力が集中する。
【００３０】
フィルタ出力成分が前記のような特性を持つため、これらの大きな出力が集中した帯域成分をまとめる。そしてここでは、速い動きをもった画像の視覚を重視して成分の並び替えを行う。すなわち、一次元多段分割フィルタより出力された各帯域成分を、すべて共通に対応する成分ＬＬＬ、速い動きを持った画像（フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である）に対応する成分ＬＬＢ２，ＬＢ１，Ｂ１、静止した画像（フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である）に対応する成分ＬＬＨ，ＬＢ２，Ｂ２、両者の中間に対応する成分ＬＬＢ１，ＬＨ，Ｈの順番に並び替える。この並び替えはマルチプレクサ８において行う。
【００３１】
前記のごとく並び替えられマルチプレクサ８から取り出された各帯域成分は、量子化器１６によって量子化される。ここで入力画像によって大きな出力が集中した成分以外の成分については、量子化器１６によって大部分が０データとなる。また、ＬＬＬとＬＬＢ２及びＬＢ１の帯域成分データについては、前後の３次元ブロックの同一成分のデータ間における相関が大きくなっている。従って直接量子化は行わず、ＤＰＣＭ１５によって前の３次元ブロックの同一成分の出力値との差分値を伝送することとする。ただしこのとき８ブロック間隔ごとに真値を伝送する。
【００３２】
量子化器１６およびＤＰＣＭ１５により出力されたデータはランレングス符号化器１７によってランレングス符号化される。ランレングス符号化とは、有効データと０データの個数のデータを一組のペアデータとする符号化である。従って０データの個数が多くなれば、０データ自身は伝送しないため、データの圧縮効率が上がる。ＬＬＬとＬＬＢ２及びＬＢ１の帯域成分データは相関の大きなデータ間で差分値をとって量子化されているため、０データの個数が多く得られる。従ってここで圧縮率が上がることとなる。
【００３３】
ランレングス符号化されたペアデータは、ハフマン符号化器１８によってハフマン符号化される。ハフマン符号化とは、全体のデータの中で出現確率の高いデータから順番に短い符号長の符号を割り当てていくもので、出現確率の低いデータについては、長い符号長の符号が割り当てられる。これにより全体のデータの内、短い符号長のデータが多くを占めることとなるため、全体では符号量が小さくなりデータ圧縮が行える。
【００３４】
ハフマン符号化されたデータは、伝送線路記録機器等１９に合わせ変調された後、伝送又は記録される。復号時には、ハフマン復号化器２０、ランレングス復号化器２１、逆量子化器２２、逆ＤＰＣＭ２３、合成フィルタバンク２４、１−３次元走査変換メモリ２５、アドレス発生器２６、Ｄ／Ａ変換器２７、によって、上記とほぼ逆の処理がそれぞれ行われ、映像信号が、出力端子２８より出力される。
【００３５】
ここで３−１次元走査変換メモリ１２における３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査の一例を図面を参照して詳細に説明する。図３〜図４に３次元ブロックの走査の一例を示す。
【００３６】
図３は、画像信号の水平方向、垂直方向、時間方向にそれぞれ４画素の長さを持つ３次元ブロック内の走査の一例を示す。１つのブロック内の画素数は４水平方向画素×４ライン×４フレームの６４画素である。円内の数字で０番の画素から順番に６３番の画素まで走査してゆく。
【００３７】
図４の（Ａ）は、分割フィルタバンク１４の一次元多段分割フィルタの１段目の分割フィルタ出力に関する走査の一例を示す。まず水平垂直平面内で正方形の隣接４画素を一つのブロックとし、各画素を１度だけ通るように走査する。この例では、左下の画素からまず右方向に走査し、次に上方向に走査し、最後に左方向に走査を行い４画素に対してコの字型の走査を行う。結果、同一フレーム内の４画素（例：図３の０〜３）によって１段目の分割フィルタの成分出力が得られる。
【００３８】
図４の（Ｂ）は、分割フィルタバンク１４の１次元多段分割フィルタの２段目のフィルタ出力に関する走査であり、前記の４画素で構成されたブロックを１個のデータとして、水平時間平面内の隣接したデータ４個に対して、各データを１度だけ通るように走査する。この例では、まず水平方向に走査し、次に時間方向に走査し、最後に水平方向に走査を行う。すなわち各４画素で構成されたデータ４個に対してコの字型の走査を行う。結果、２フレーム内の１６画素（例：図３の０〜１５）で構成されたブロックより２段目の分割フィルタの成分出力が得られる。
【００３９】
図４の（Ｃ）は、分割フィルタバンク１４の１次元多段分割フィルタの３段目のフィルタ出力に関する走査であり、前記の１６画素で構成されたブロックを１個のデータとして、垂直時間平面内の隣接したデータ４個に対して、各データを１度だけ通るように走査する。この例では、まず垂直方向に走査すると同時に時間軸方向にも走査し、次に垂直方向に走査し、最後に垂直方向に走査すると同時に時間軸方向にも走査を行う。結果、４フレーム内の６４画素（例：図３の０〜６３）で構成されたブロックより３段目の分割フィルタの成分出力が得られる。以上、図３および図４で示された３次元ブロックと分割フィルタの成分出力の関係を図５に示す。
【００４０】
以上のようにして、分割フィルタバンク１４から取り出された１０帯域の成分出力（ＬＬＬ〜Ｈ：図１参照）の並べ替えによる、圧縮率の向上について、図６〜図８に示す表１〜表３を参照して詳細に説明する。
【００４１】
１０帯域の成分出力を通常行われるように、低域側から順番に並べると以下のようになる。ここでアンダーラインの付いた成分は、大きな出力が集中している成分を表している。
【００４２】
速い動きを持った画像の場合
静止した画像の場合
次に１０帯域の成分出力を並び替えると以下のようになる。ここで同様にアンダーラインの付いた成分は、大きな出力が集中している成分を表している。
【００４３】
速い動きを持った画像の場合
静止した画像の場合
ここでアンダーラインの付いた成分以外は、量子化器１６によって０データとなる確率が大きい。このため並び替えられた１０帯域のデータを１つのデータ列として扱うと０データが連続する確率が大きくなる。
【００４４】
次に速い動きを持った画像で、上記の場合について、ランレングス符号化を行う場合の１例を述べる。このときアンダーラインの付いた成分以外は、すべて量子化器１６によって０データになったと仮定する。成分出力の並び替え前と並び替え後についてランレングス符号化による、ペアデータを求めると以下のようになる。
【００４５】
並び替え前
並び替え後
並び替え前後のぺアデータを比較すると、ペアデータの数自体には変化はないが、３組のペアデータにおいて、０データの数が違ってきている（増加している）。次にそれぞれのペアデータを、ハフマン符号化した場合の符号長を、表１〜表３より比較すると以下のようになる。符号長を比較する場合、同一のペアデータについては、符号長は変化しないので、０データの数に変化があったものについてのみ、符号長の差を求める。
【００４６】
（１，ＬＬＢ２）の符号長は、（０，ＬＬＢ２）より２〜６ｂｉｔ 長い
（１，ＬＢ１） の符号長は、（０，ＬＢ１） より２〜６ｂｉｔ 長い
（８，Ｂ１） の符号長は、（０，Ｂ１） より６〜１０ｂｉｔ 長い
従って、成分出力を量子化、ランレングス符号化を経て、ハフマン符号化すると、成分出力を並び替えした方が１０〜２２ｂｉｔ短く符号化できることとなる。
【００４７】
同様に静止した画像で、上記の場合について、ランレングス符号化を行う場合の１例を述べる。このときアンダーラインの付いた成分以外は、すべて量子化器１６によって０データになったと仮定する。成分出力の並び替え前と並び替え後についてランレングス符号化による、ペアデータを求めると以下のようになる。
【００４８】
並び替え前
並び替え後
並び替え前後のペアデータを比較すると、データの数自体には変化はないが、３組のペアデータにおいて、０データの数が違ってきている。次にそれぞれのペアデータを、ハフマン符号化した場合の符号長を、表１〜表３より比較すると以下のようになる。符号長を比較する場合、同一のペアデータについては、符号長は変化しないので、０データの数に変化があったものについてのみ、符号長の差を求める。
【００４９】
（２，ＬＬＨ） の符号長は、（５，ＬＬＨ） より１〜３ｂｉｔ 短い
（４，ＬＢ２） の符号長は、（０，ＬＢ２） より４〜８ｂｉｔ 長い
（４，Ｂ２）の符号長は、（０，Ｂ２）より４〜８ｂｉｔ 長い
従って、成分出力を量子化、ランレングス符号化を経て、ハフマン符号化すると、成分出力を並び替えした方が５〜１５ｂｉｔ短く符号化できることとなる。
【００５０】
以上の理由により、１０帯域の成分出力を並べ替えることにより、ハフマン符号化時、４水平方向画素×４ライン×４フレームのブロック内での符号長を短縮することができ、圧縮効率を向上させることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明においては、走査変換を行うことにより、時間軸方向を含んで符号化している。従って画像の静止画部分と動画部分それぞれにおいて適した符号化を選択して行う必要が無くなる。例えば、動き検出を行い、動き部分に対してフレーム間処理や、フレーム間差分による符号化を行う必要が無くなる。また入力画像が持つフレーム内相関とフレーム間相関の性質が符号化データに現れるので、これを利用し並べ替え処理を行うことにより効率的な符号化が行える。また４分割フィルタを用いて１／４のサブサンプリングを行うことにより符号化データの増加を妨げ効率的な符号化装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分割フィルタバンクのブロック図である。
【図２】本発明にかかるサブバンド符号化装置の一例を示すブロック図である。
【図３】４水平方向画素×４ライン×４フレームの３次元ブロック内の走査の一例を示す図である。
【図４】分割フィルタバンクの１次元多段分割サブバンドフィルタの各段に対応する分割フィルタ出力に関する走査の一例を示す図である。
【図５】４水平方向画素×４ライン×４フレームの３次元ブロックと分割フィルタ出力の関係の一例を示す図である。
【図６】符号長一覧を表す表１からなる図である。
【図７】０データの数の差による符号長の差を表す表２からなる図である。
【図８】０データの数の差による符号長の差を表す表３からなる図である。
【図９】従来技術での２次元の１０帯域分割サブバンドフィルタのブロック図である。
【符号の説明】
１，１０，３３ 入力端子
２ 分割フィルタ
３，２９ 高域通過フィルタ
４ 第２の帯域通過フィルタ
５ 第１の帯域通過フィルタ
６，３０ 低域通過フィルタ
７ ４対１サブサンプラ
８ マルチプレクサ
９，２８ 出力端子
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ ３−１次元走査変換メモリ
１３，２６ アドレス発生器
１４ 分割フィルタバンク
１５ ＤＰＣＭ
１６ 量子化器
１７ ランレングス符号化器
１８ ハフマン符号化器
１９ 伝送線路記録機器等
２０ ハフマン復号化器
２１ ランレングス復号化器
２２ 逆量子化器
２３ 逆ＤＰＣＭ
２４ 合成フィルタバンク
２５ １−３次元走査変換メモリ
２７ Ｄ／Ａ変換器
３１ ２対１サブサンプラ
３２ 走査変換メモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像の伝送または、記録のための画像データのサブバンド符号化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、従来３次元情報を持つ画像データの圧縮は、動き補償予測と離散コサイン変換（ＤＣＴ）を組み合わせて行われていた。すなわち、画像の水平方向と垂直方向の２次元の空間的情報量の圧縮に関しては離散コサイン変換（ＤＣＴ）を使用して、また時間的情報量の圧縮に関しては動き補償予測を使用して、それぞれの空間でデータの圧縮を行っている。
【０００３】
また、空間的情報量の圧縮には、２次元のサブバンド符号化方式を用いることも可能である。２次元情報を持った画像信号のサブバンド符号化においては、画像の水平方向、及び垂直方向に対して、それぞれ独立に帯域分割を行う。各方向に対して多段分割を行う場合は、水平方向と垂直方向について一段ずつ交互に分割する必要がある。つまり、水平方向に対して分割を行った後で、垂直方向に対して分割を行い、垂直方向の低域について水平方向の分割を行い、この分割を繰り返す。
【０００４】
一例として図９に２次元の１０帯域分割サブバンドフィルタのブロック図を示す。図示のように、各段は互いに同様な構成であり、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２９、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０、２対１サブサンプラー３１および走査変換メモリ３２を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
離散コサイン変換を用いて空間的情報量の圧縮を行うと、ブロック歪みや、モスキートノイズなど画質に関わる歪みが生じやすい。
【０００６】
また２次元のサブバンド符号化方式を用いる場合は、画像の水平方向と垂直方向をそれぞれ独立に帯域分割する。また、各方向について多段分割を行う場合は水平方向と垂直方向を交互に帯域分割する必要がある。従って図９に示すように、フィルタバンクの各フィルタと次段のフィルタとの間で、水平から垂直又は垂直から水平に走査変換するための走査変換メモリ３２が必要となり、フィルタバンクの構成が複雑となる。
【０００７】
また、両者とも動き補償予測回路が必要となるため、回路規模が大きくなってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、上記のような問題に鑑みて、回路規模が大きくならず、フィルタバンクの構成が簡単であり、ブロック歪みやモスキートノイズのないサブバンド符号化装置を提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明は、ブロック歪みやモスキートノイズなど、画質に関わる歪みを発生しにくいサブバンド符号化を採用した。また回路規模の大きくなる、動き補償回路を用いないで、３次元ブロック構成を採用することにより動画像の符号化効率を良くした。さらに、フィルタバンクの構成を簡単にするため、３次元の画像信号を走査変換する事によって、１次元の信号に変換した。
【００１０】
すなわち、請求項１にかかる発明は、所定数のフレーム画像から構成され時間軸の奥行きを持つ３次元画像を水平方向、垂直方向及び時間方向にそれぞれ一定の長さを持つ複数の３次元ブロックに分割し、前記各３次元ブロック内の全画素を水平垂直平面内、水平時間平面内および垂直時間平面内の順序で走査変換して前記画像信号を連続する１次元のデータ列に変換する走査変換手段と、前記１次元のデータ列を、１次元多段分割サブバンドフィルタにより、複数のサブバンド成分に分割する分割手段と、前記分割された複数のサブバンド成分を符号化する符号化手段とを具えたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタは、各段が、入力された１次元データを４分割されたサブバンド成分として取り出す、低域通過フィルタ、第１の帯域通過フィルタ、第２の帯域通過フィルタおよび高域通過フィルタの４つのフィルタから構成され、最終段を除く各段の低域通過フィルタから取り出された成分を次段の各フィルタに並列的に供給することを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項３にかかる発明は、請求項１または２において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタのｎ段目フィルタには連続する２ (n-1) フレーム枚の成分のみが含まれるように、前記走査変換手段における走査をするようにしたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、請求項４にかかる発明は、請求項１，２または３において、前記分割手段は、前記１次元多段分割サブバンドフィルタから取り出された全てのサブバンド成分を、画像の動きの速さに関連付けた複数のブロックにまとめて、前記画像すべてに共通に対応する成分のブロック、速い動きを持った画像に対応する成分のブロック、静止画像に対応する成分のブロック、前記速い動きを持った画像に対応する成分のブロックおよび前記静止画像に対応する成分のブロックの中間に対応する成分のブロックの順序に、前記複数のデータブロックの順序を変更する手段を有し、前記符号化手段は、前記順序変更されたそれぞれのサブバンド成分を、量子化し、ランレングス符号化し、ハフマン符号化する手段を有することを特徴とする。
【００１４】
さらに請求項５にかかる発明は、請求項１または２において、前記走査変換手段は、前記各３次元ブロック内の走査変換において、水平垂直平面内のそれぞれ異なった４画素について走査を行い、前記４画素についての走査を１つの領域として、水平時間平面の４つの領域の１６画素について走査を行い、前記１６画素についての走査を１つの領域として、垂直時間平面の４つの領域の６４画素について走査を行う手段を有することを特徴とする。
【００１５】
さらに請求項６にかかる発明は、請求項２において、前記１次元多段分割サブバンドフィルタの各段の各フィルタは、出力データを１／４にサブサンプリングする手段を有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、所定数のフレーム画像から構成され時間軸の奥行きを持つ３次元画像は、３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査変換を繰り返すことによって、１次元のデータ列に変換される。なお、このとき走査変換は、この後に１次元段分割サブバンドフィルタによって周波数成分に分割されたとき、ｎ段目の分割フィルタの出力に２（ｎ−１） フレーム内の成分のみが含まれるように構成することができる。
【００１７】
１次元に変換されたデータ列は、１次元多段分割サブバンドフィルタに入力される。１次元多段分割サブバンドフィルタは、各段がその基本構成を、低域通過フィルタ、第１の帯域通過フィルタ、第２の帯域通過フィルタ、高域通過フィルタの４つのフィルタを以て構成することができる。そしてこの４つのフィルタで構成された複数の段を、各段の低域通過フィルタの出力が、次段の４つのフィルタへ並列的に供給されるように構成する。これにより多段のサブバンド分割を行った場合、例えば、絵柄によって特定のいくつかの帯域成分に出力が集中する。
【００１８】
各帯域成分は、フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である時、フィルタ出力の絶対値の大きな成分を連続してまとめて伝送し、またフレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である時、フィルタ出力の絶対値の大きな成分を連続してまとめて量子化器へ送る。ここでフレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である時とは、静止画像が入力された時のことである。一般的な静止画は、フレーム間は、同一データが連続するため相関が非常に大きく、フレーム内では、動画像に比べ解像度が高く、画素間の相関が小さくなっている。また、フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である時とは、動画像が入力された時の事であり、一般的な動画像では、フレーム間は、動きが速くなる程、相関が小さくなり、フレーム内では、動きが速くなるほど、解像度が低下して相関が大きくなる。
【００１９】
従って、絶対値の小さいデータは、量子化によって０データすなわち無効データとなる確率が大きく、並び替えられ量子化されたデータは、データ列の中で有効データと無効データが散乱せず、それぞれ連続する状態となり、ランレングス符号、ハフマン符号によって効率の良いデータ圧縮が行える。
【００２０】
以下本発明にかかるサブバンド符号化装置の一例を、図面を参照して詳細に説明する。図１に３段構成時における１次元分割フィルタの構成図を、図２に本発明のサブバンド符号化装置の概略構成図を示す。
【００２１】
この例では、３次元ブロックを４水平方向画素×４ライン×４フレームの（すなわち、１フレーム内では４水平方向画素×４垂直方向画素＝１６画素となり、この１６画素×４フレーム＝６４となる）、６４画素の立体ブロックとする（後述の図３〜図４を参照）。また１次元多段分割フィルタは、各帯域ともに４タップのディジタルフィルタで構成されており、４帯域の分割フィルタ３段構成で、合計１０帯域の帯域成分に分割するものとする。ここでは、図１に示すように、１０帯域の成分データを低域側、すなわち３段目の低域フィルタ出力より順番にＬＬＬ，ＬＬＢ１，ＬＬＢ２，ＬＬＨ，ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＨ，Ｂ１，Ｂ２，Ｈとする。
【００２２】
図２に示すように、画像信号は入力端子１０より入力され、Ａ／Ｄ変換器１１によりディジタルデータに変換される。この時一般的な画像信号は、画面の水平方向、垂直方向、および時間方向へ走査されるため、３次元の情報を持っている。このデータはＡ／Ｄ変換器１１から出力された順番に、３−１次元走査変換メモリ１２に蓄えられる。次にデータが４フレーム分だけ、３−１次元走査変換メモリ１２に蓄えられると、アドレス発生器１３により、４水平方向画素×４ライン×４フレームの６４画素を一つの３次元ブロックとして、３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査を行うように、３−１次元走査変換メモリ１２に、読み出しアドレスが与えられる。これにより１次元に変換された画像データが、３−１次元走査変換メモリ１２より読み出される。
【００２３】
３−１次元走査変換メモリ１２より読み出された１次元のデータ列は、分割フィルタバンク１４に入力される。この分割フィルタバンク１４は、図１に示すように、各段が低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６、第１の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）５、第２の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）４、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）３の４つのフィルタで基本構成されており、これを３段縦続接続して１次元多段分割フィルタを構成している。すなわち、各段の低域通過フィルタ６の出力を次段の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６、第１の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ１）５、第２の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ２）４、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）３に並列に供給するように構成されている。また、ここでは、各フィルタのＺ変換により表された伝達関数を以下のように設定した。
【００２４】
低域通過フィルタ６のＺ変換により表された伝達関数を
【００２５】
【数１】
第１の帯域通過フィルタ５のＺ変換により表された伝達関数を
【００２６】
【数２】
第２の帯域通過フィルタ４のＺ変換により表された伝達関数を
【００２７】
【数３】
高域帯域通過フィルタ３のＺ変換により表された伝達関数を
【００２８】
【数４】
【００２９】
このとき入力画像のうち、速い動きを持った画像（フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である）に対応する成分は、ＬＬＢ２，ＬＢ１，Ｂ１に大きな出力が集中する。そして静止した画像（フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である）に対応する成分は、ＬＬＨ，ＬＢ２，Ｂ２に大きな出力が集中する。
【００３０】
フィルタ出力成分が前記のような特性を持つため、これらの大きな出力が集中した帯域成分をまとめる。そしてここでは、速い動きをもった画像の視覚を重視して成分の並び替えを行う。すなわち、一次元多段分割フィルタより出力された各帯域成分を、すべて共通に対応する成分ＬＬＬ、速い動きを持った画像（フレーム内相関が大であり、かつフレーム間相関が小である）に対応する成分ＬＬＢ２，ＬＢ１，Ｂ１、静止した画像（フレーム内相関が小であり、かつフレーム間相関が大である）に対応する成分ＬＬＨ，ＬＢ２，Ｂ２、両者の中間に対応する成分ＬＬＢ１，ＬＨ，Ｈの順番に並び替える。この並び替えはマルチプレクサ８において行う。
【００３１】
前記のごとく並び替えられマルチプレクサ８から取り出された各帯域成分は、量子化器１６によって量子化される。ここで入力画像によって大きな出力が集中した成分以外の成分については、量子化器１６によって大部分が０データとなる。また、ＬＬＬとＬＬＢ２及びＬＢ１の帯域成分データについては、前後の３次元ブロックの同一成分のデータ間における相関が大きくなっている。従って直接量子化は行わず、ＤＰＣＭ１５によって前の３次元ブロックの同一成分の出力値との差分値を伝送することとする。ただしこのとき８ブロック間隔ごとに真値を伝送する。
【００３２】
量子化器１６およびＤＰＣＭ１５により出力されたデータはランレングス符号化器１７によってランレングス符号化される。ランレングス符号化とは、有効データと０データの個数のデータを一組のペアデータとする符号化である。従って０データの個数が多くなれば、０データ自身は伝送しないため、データの圧縮効率が上がる。ＬＬＬとＬＬＢ２及びＬＢ１の帯域成分データは相関の大きなデータ間で差分値をとって量子化されているため、０データの個数が多く得られる。従ってここで圧縮率が上がることとなる。
【００３３】
ランレングス符号化されたペアデータは、ハフマン符号化器１８によってハフマン符号化される。ハフマン符号化とは、全体のデータの中で出現確率の高いデータから順番に短い符号長の符号を割り当てていくもので、出現確率の低いデータについては、長い符号長の符号が割り当てられる。これにより全体のデータの内、短い符号長のデータが多くを占めることとなるため、全体では符号量が小さくなりデータ圧縮が行える。
【００３４】
ハフマン符号化されたデータは、伝送線路記録機器等１９に合わせ変調された後、伝送又は記録される。復号時には、ハフマン復号化器２０、ランレングス復号化器２１、逆量子化器２２、逆ＤＰＣＭ２３、合成フィルタバンク２４、１−３次元走査変換メモリ２５、アドレス発生器２６、Ｄ／Ａ変換器２７、によって、上記とほぼ逆の処理がそれぞれ行われ、映像信号が、出力端子２８より出力される。
【００３５】
ここで３−１次元走査変換メモリ１２における３次元ブロック内の全画素を連続したデータ列として取り出す走査の一例を図面を参照して詳細に説明する。図３〜図４に３次元ブロックの走査の一例を示す。
【００３６】
図３は、画像信号の水平方向、垂直方向、時間方向にそれぞれ４画素の長さを持つ３次元ブロック内の走査の一例を示す。１つのブロック内の画素数は４水平方向画素×４ライン×４フレームの６４画素である。円内の数字で０番の画素から順番に６３番の画素まで走査してゆく。
【００３７】
図４の（Ａ）は、分割フィルタバンク１４の一次元多段分割フィルタの１段目の分割フィルタ出力に関する走査の一例を示す。まず水平垂直平面内で正方形の隣接４画素を一つのブロックとし、各画素を１度だけ通るように走査する。この例では、左下の画素からまず右方向に走査し、次に上方向に走査し、最後に左方向に走査を行い４画素に対してコの字型の走査を行う。結果、同一フレーム内の４画素（例：図３の０〜３）によって１段目の分割フィルタの成分出力が得られる。
【００３８】
図４の（Ｂ）は、分割フィルタバンク１４の１次元多段分割フィルタの２段目のフィルタ出力に関する走査であり、前記の４画素で構成されたブロックを１個のデータとして、水平時間平面内の隣接したデータ４個に対して、各データを１度だけ通るように走査する。この例では、まず水平方向に走査し、次に時間方向に走査し、最後に水平方向に走査を行う。すなわち各４画素で構成されたデータ４個に対してコの字型の走査を行う。結果、２フレーム内の１６画素（例：図３の０〜１５）で構成されたブロックより２段目の分割フィルタの成分出力が得られる。
【００３９】
図４の（Ｃ）は、分割フィルタバンク１４の１次元多段分割フィルタの３段目のフィルタ出力に関する走査であり、前記の１６画素で構成されたブロックを１個のデータとして、垂直時間平面内の隣接したデータ４個に対して、各データを１度だけ通るように走査する。この例では、まず垂直方向に走査すると同時に時間軸方向にも走査し、次に垂直方向に走査し、最後に垂直方向に走査すると同時に時間軸方向にも走査を行う。結果、４フレーム内の６４画素（例：図３の０〜６３）で構成されたブロックより３段目の分割フィルタの成分出力が得られる。以上、図３および図４で示された３次元ブロックと分割フィルタの成分出力の関係を図５に示す。
【００４０】
以上のようにして、分割フィルタバンク１４から取り出された１０帯域の成分出力（ＬＬＬ〜Ｈ：図１参照）の並べ替えによる、圧縮率の向上について、図６〜図８に示す表１〜表３を参照して詳細に説明する。
【００４１】
１０帯域の成分出力を通常行われるように、低域側から順番に並べると以下のようになる。ここでアンダーラインの付いた成分は、大きな出力が集中している成分を表している。
【００４２】
速い動きを持った画像の場合
【００４３】
速い動きを持った画像の場合
【００４４】
次に速い動きを持った画像で、上記の場合について、ランレングス符号化を行う場合の１例を述べる。このときアンダーラインの付いた成分以外は、すべて量子化器１６によって０データになったと仮定する。成分出力の並び替え前と並び替え後についてランレングス符号化による、ペアデータを求めると以下のようになる。
【００４５】
並び替え前
【００４６】
（１，ＬＬＢ２）の符号長は、（０，ＬＬＢ２）より２〜６ｂｉｔ 長い
（１，ＬＢ１） の符号長は、（０，ＬＢ１） より２〜６ｂｉｔ 長い
（８，Ｂ１） の符号長は、（０，Ｂ１） より６〜１０ｂｉｔ 長い
従って、成分出力を量子化、ランレングス符号化を経て、ハフマン符号化すると、成分出力を並び替えした方が１０〜２２ｂｉｔ短く符号化できることとなる。
【００４７】
同様に静止した画像で、上記の場合について、ランレングス符号化を行う場合の１例を述べる。このときアンダーラインの付いた成分以外は、すべて量子化器１６によって０データになったと仮定する。成分出力の並び替え前と並び替え後についてランレングス符号化による、ペアデータを求めると以下のようになる。
【００４８】
並び替え前
【００４９】
（２，ＬＬＨ） の符号長は、（５，ＬＬＨ） より１〜３ｂｉｔ 短い
（４，ＬＢ２） の符号長は、（０，ＬＢ２） より４〜８ｂｉｔ 長い
（４，Ｂ２）の符号長は、（０，Ｂ２）より４〜８ｂｉｔ 長い
従って、成分出力を量子化、ランレングス符号化を経て、ハフマン符号化すると、成分出力を並び替えした方が５〜１５ｂｉｔ短く符号化できることとなる。
【００５０】
以上の理由により、１０帯域の成分出力を並べ替えることにより、ハフマン符号化時、４水平方向画素×４ライン×４フレームのブロック内での符号長を短縮することができ、圧縮効率を向上させることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明においては、走査変換を行うことにより、時間軸方向を含んで符号化している。従って画像の静止画部分と動画部分それぞれにおいて適した符号化を選択して行う必要が無くなる。例えば、動き検出を行い、動き部分に対してフレーム間処理や、フレーム間差分による符号化を行う必要が無くなる。また入力画像が持つフレーム内相関とフレーム間相関の性質が符号化データに現れるので、これを利用し並べ替え処理を行うことにより効率的な符号化が行える。また４分割フィルタを用いて１／４のサブサンプリングを行うことにより符号化データの増加を妨げ効率的な符号化装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】分割フィルタバンクのブロック図である。
【図２】本発明にかかるサブバンド符号化装置の一例を示すブロック図である。
【図３】４水平方向画素×４ライン×４フレームの３次元ブロック内の走査の一例を示す図である。
【図４】分割フィルタバンクの１次元多段分割サブバンドフィルタの各段に対応する分割フィルタ出力に関する走査の一例を示す図である。
【図５】４水平方向画素×４ライン×４フレームの３次元ブロックと分割フィルタ出力の関係の一例を示す図である。
【図６】符号長一覧を表す表１からなる図である。
【図７】０データの数の差による符号長の差を表す表２からなる図である。
【図８】０データの数の差による符号長の差を表す表３からなる図である。
【図９】従来技術での２次元の１０帯域分割サブバンドフィルタのブロック図である。
【符号の説明】
１，１０，３３ 入力端子
２ 分割フィルタ
３，２９ 高域通過フィルタ
４ 第２の帯域通過フィルタ
５ 第１の帯域通過フィルタ
６，３０ 低域通過フィルタ
７ ４対１サブサンプラ
８ マルチプレクサ
９，２８ 出力端子
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ ３−１次元走査変換メモリ
１３，２６ アドレス発生器
１４ 分割フィルタバンク
１５ ＤＰＣＭ
１６ 量子化器
１７ ランレングス符号化器
１８ ハフマン符号化器
１９ 伝送線路記録機器等
２０ ハフマン復号化器
２１ ランレングス復号化器
２２ 逆量子化器
２３ 逆ＤＰＣＭ
２４ 合成フィルタバンク
２５ １−３次元走査変換メモリ
２７ Ｄ／Ａ変換器
３１ ２対１サブサンプラ
３２ 走査変換メモリ
Claims (6)
- 所定数のフレーム画像から構成され時間軸の奥行きを持つ３次元画像を水平方向、垂直方向及び時間方向にそれぞれ一定の長さを持つ複数の３次元ブロックに分割し、前記各３次元ブロック内の全画素を水平垂直平面内、水平時間平面内および垂直時間平面内の順序で走査変換して前記画像信号を連続する１次元のデータ列に変換する走査変換手段と、前記１次元のデータ列を、１次元多段分割サブバンドフィルタにより、複数のサブバンド成分に分割する分割手段と、前記分割された複数のサブバンド成分を符号化する符号化手段とを具えたサブバンド符号化装置。
- 請求項１において、
前記１次元多段分割サブバンドフィルタは、各段が、入力された１次元データを４分割されたサブバンド成分として取り出す、低域通過フィルタ、第１の帯域通過フィルタ、第２の帯域通過フィルタおよび高域通過フィルタの４つのフィルタから構成され、最終段を除く各段の低域通過フィルタから取り出された成分を次段の各フィルタに並列的に供給するサブバンド符号化装置。 - 請求項１または２において、
前記１次元多段分割サブバンドフィルタのｎ段目フィルタには連続する２ (n-1) フレーム枚の成分のみが含まれるように、前記走査変換手段における走査をするようにしたことを特徴とするサブバンド符号化装置。 - 請求項１，２または３において、
前記分割手段は、前記１次元多段分割サブバンドフィルタから取り出された全てのサブバンド成分を、画像の動きの速さに関連付けた複数のブロックにまとめて、前記画像すべてに共通に対応する成分のブロック、速い動きを持った画像に対応する成分のブロック、静止画像に対応する成分のブロック、前記速い動きを持った画像に対応する成分のブロックおよび前記静止画像に対応する成分のブロックの中間に対応する成分のブロックの順序に、前記複数のデータブロックの順序を変更する手段を有し、
前記符号化手段は、前記順序変更されたそれぞれのサブバンド成分を、量子化し、ランレングス符号化し、ハフマン符号化する手段を有するサブバンド符号化装置。 - 請求項１または２において、
前記走査変換手段は、前記各３次元ブロック内の走査変換において、水平垂直平面内のそれぞれ異なった４画素について走査を行い、前記４画素についての走査を１つの領域として、水平時間平面の４つの領域の１６画素について走査を行い、前記１６画素についての走査を１つの領域として、垂直時間平面の４つの領域の６４画素について走査を行う手段を有するサブバンド符号化装置。 - 請求項２において、
前記１次元多段分割サブバンドフィルタの各段の各フィルタは、出力データを１／４にサブサンプリングする手段を有するサブバンド符号化装置。
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