JP3648772B2

JP3648772B2 - 量子化装置および量子化方法

Info

Publication number: JP3648772B2
Application number: JP27710094A
Authority: JP
Inventors: 哲二郎近藤; 泰弘藤森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JPH08116544A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えばディジタル画像信号を量子化する場合に入力信号値と量子化復号値とで定義される量子化誤差最小規範に対して、さらに視覚特性を考慮した空間変動規範、および／または、時間変動規範を加味するようにした量子化装置および量子化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、各画素が８ビットで表されるディジタル画像信号が入力され、各画素を８ビットより少ないビット数で量子化（再量子化）することによって、データ量を圧縮することが行われる。従来この量子化としては、入力信号値と量子化復号値との量子化誤差が最小となるように量子化値が選択されていた。この量子化装置において、入力信号レベルの分布に極端な偏りがない場合、その量子化誤差の積算値は最小となりＳ／Ｎ（Signal/Noise）比は、最良となる。そのため、従来の量子化装置は、Ｓ／Ｎ規範に基づいて量子化値が決定されている。この規範とは、のっとるべき規則を言い、すなわちＳ／Ｎ規範とは、量子化誤差を最小とする量子化値を選択する規則を意味する。
【０００３】
ここで、Ｓ／Ｎ規範Ｑ１は式（１）で表される。Ｌ（ｉ）は入力信号値を表し、Ｌ（ｉ）＾は量子化復号値を表し、ｑ（ｉ）は量子化値を表し、ｎは量子化ビット数を表す。また、一般的な８ビット量子化の入力ディジタル画像信号に対する量子化式と復号式を式（２）、（３）に示す。
【０００４】
Ｑ１＝ＭＩＮ〔｜Ｌ（ｉ）＾−Ｌ（ｉ）｜〕（１）
ｑ（ｉ）＝Ｌ（ｉ）／（２５５／２ⁿ）（２）
Ｌ（ｉ）＾＝ｑ（ｉ）・２５５／２ⁿ （３）
【０００５】
式（１）におけるＭＩＮ〔〕は、〔〕内の値が最小値となる量子化値を選択することを意味する。入力信号値に対する各量子化値の量子化復号値の量子化誤差を比較し、Ｓ／Ｎ規範Ｑ１に基づいて量子化値が選択される。図４に３ビット量子化の例を示す。従来のＳ／Ｎ規範量子化装置は、入力信号を８階調に量子化し、各量子化区間の中央値を量子化復号値として出力する。
【０００６】
図４によると、入力信号の変化が小さくなる平坦領域において画質劣化が認められる。つまり、入力信号が領域境界レベルを挟み僅かに変動しているにも拘らず、量子化復号値においては、量子化ステップ幅に相当する信号変動に拡大されることになる。このような画質劣化は空間方向と時間方向の両者に発生し、画像のエッジ部分がザラザラと見える、すなわちエッジビジネスや時間的劣化の原因となる。このように、人間の視覚特性を考慮すると、必ずしもＳ／Ｎ規範による量子化が最適とは言えない。特に人間の視覚特性は、入力信号の空間的、あるいは時間的な信号変化に対する感度が高いと考えられるにも拘らず、従来の量子化装置は、入力信号値そのものを基準として量子化を行うため、信号変化に伴う画質劣化が目立つという欠点があった。
【０００７】
このような従来のＳ／Ｎ規範のみに基づく量子化装置の欠点を克服するため、本出願人は、上述のような人間の視覚特性を考慮した新規範Ｑ２を用いた量子化装置を先に提案している（特開平６−１６９２５７号公報参照）。新規範Ｑ２を式（４）に示す。
Ｑ２＝ＭＩＮ〔α〔Ｓ／Ｎ〕＋β〔ΔＳ〕＋γ〔ΔＴ〕〕（４）
【０００８】
ここで、〔Ｓ／Ｎ〕はＳ／Ｎ評価値を表し、〔ΔＳ〕は空間変動評価値を表し、〔ΔＴ〕は時間変動評価値を表し、さらにα、β、γはそれぞれの重みを表している。この式（４）で表される新規範Ｑ２は、複数の量子化値候補に関して、Ｓ／Ｎ評価値、空間変動評価値および時間変動評価値を重み付け加算した新規範評価値を求め、この評価値を最小とする量子化値候補を出力量子化値として選択する規則である。図５には、空間的に対応するｋフレームと（ｋ−１）フレームの画素配置図を示す。ｋフレームのＬｘ（ｋ）の値を有する画素の量子化を行う場合、新量子化規範Ｑ２で用いられる各評価値は次式で表される。
【０００９】
〔Ｓ／Ｎ〕＝｜Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌｘ（ｋ）｜（５）
〔ΔＳ〕＝〔ΔＳ₁〕＋〔ΔＳ₂〕＋〔ΔＳ₃〕＋〔ΔＳ₄〕（６）
〔ΔＴ〕＝｜（Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌｘ（ｋ−１）＾）−（Ｌｘ（ｋ）−Ｌｘ（ｋ−１））｜（７）
但し、〔ΔＳ₁〕、〔ΔＳ₂〕、〔ΔＳ₃〕、〔ΔＳ₄〕は、次式で定義される。
【００１０】
〔ΔＳ₁〕＝｜（Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌａ（ｋ）＾）−（Ｌｘ（ｋ）−Ｌａ（ｋ））｜（８）
〔ΔＳ₂〕＝｜（Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌｂ（ｋ）＾）−（Ｌｘ（ｋ）−Ｌｂ（ｋ））｜（９）
〔ΔＳ₃〕＝｜（Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌｃ（ｋ）＾）−（Ｌｘ（ｋ）−Ｌｃ（ｋ））｜（１０）
〔ΔＳ₄〕＝｜（Ｌｘ（ｋ）＾−Ｌｄ（ｋ）＾）−（Ｌｘ（ｋ）−Ｌｄ（ｋ））｜（１１）
【００１１】
Ｓ／Ｎ評価値〔Ｓ／Ｎ〕は、従来の量子化装置で評価されるのと同様の量子化誤差である。空間変動評価値〔ΔＳ〕は、空間内の量子化復号値の信号変化量（すなわち、空間内の量子化復号値の傾き）と入力信号の信号変化量（すなわち、空間内の入力信号値の傾き）との比較を行うものである。量子化復号値の信号変化量を算出する場合、既に新規範Ｑ２により決定済みの、過去の画素の量子化値を使用して比較するという処理上の制約がある。図５においては、量子化対象画素Ｌｘ（ｋ）に関し、処理済み画素は近傍４画素Ｌａ（ｋ）、Ｌｂ（ｋ）、Ｌｃ（ｋ）、Ｌｄ（ｋ）であり、これらを使用して〔ΔＳ₁〕、〔ΔＳ₂〕、〔ΔＳ₃〕、〔ΔＳ₄〕がそれぞれ求められる。
【００１２】
時間変動評価値〔ΔＴ〕は、量子化対象画素Ｌｘ（ｋ）と同一位置にある前フレームの画素Ｌｘ（ｋ−１）とに関し、入力信号のフレーム間の変化量と量子化復号値のフレーム間の信号変化量とを比較するものである。上述のように式（４）のＭＩＮ〔〕は、〔〕内の評価値を最小とする量子化値候補が最終的な量子化値として選択されることを意味する。その結果、従来の量子化装置で問題となる画質劣化が低減される。
【００１３】
その様子を図４に示す。すなわち、従来の量子化装置では、入力信号が量子化境界レベル近傍で僅かに変動している場合、量子化復号値においては量子化ステップ幅に相当する信号変動に拡大されていたが、上述の式（４）に基づく新規範量子化装置においては、この信号変動は抑圧され安定した量子化復号化値が得られる。こうして新規範量子化装置によって、意図した画質改善が達成できる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の新規範量子化装置と従来の量子化装置とを比較すると、画質劣化はかなり低減される。しかしながら、各評価値に対する重みα、β、γの組合せが適切でないと、入力信号変化の忠実性を重視するあまり、Ｓ／Ｎ規範量子化値とかけ離れた量子化値が選択される問題がある。
【００１５】
従って、この発明の目的は、新規範による量子化を行なう時に、量子化値候補を制限することによって、出力される量子化値がかけ離れたものとなることを防止できる量子化装置および量子化方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、所定の量子化ビット数の入力信号値が供給され、量子化ビット数より少ないｎビットの量子化値を出力する量子化装置において、
入力信号値の範囲を２ ⁿ で除算することによって量子化ステップを求め、量子化ステップによって入力信号値を除算することによって入力信号値をｎビットに量子化すると共に、２ⁿ個の量子化値を発生する量子化手段と、
量子化値にそれぞれ対応する量子化ステップの中央値である２ ⁿ 個の復号値を発生する復号手段と、
２ⁿ個の量子化値のそれぞれについて入力信号値と量子化値の復号値の差を求め、差を最小値とする量子化値を基準量子化値と決定し、基準量子化値と基準量子化値の上側および下側のそれぞれの量子化値とからなる少なくとも３個の制限された個数の量子化値を量子化値候補として選択する選択手段と、
少なくとも３個の制限された個数の量子化値候補に関して、入力信号値と量子化値候補の復号値の差であるＳ／Ｎ評価値と、入力信号の空間変動と量子化値候補の復号値の空間変動の差である空間変動評価値および／または入力信号値の時間変動と量子化値候補の復号値の時間変動の差である時間変動評価値とを重み付け加算した評価値をそれぞれ求め、評価値を最小とする量子化値候補を出力すべき量子化値として選択的に出力する判定手段と
からなることを特徴とする量子化装置である。
【００１７】
【作用】
入力信号の信号変化に対して、量子化値の変化を忠実とする量子化を行なう時に、量子化値候補の数を制限することによって、Ｓ／Ｎ規範による量子化値とかけ離れた量子化値が発生することを防止する。
【００１８】
【実施例】
以下、この発明に係る量子化装置の一実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、入力信号値とＳ／Ｎ規範量子化復号値と新規範量子化復号値との一例を示す。この図１は、縦軸に信号レベルを表し、横軸に座標を表す。座標方向に入力信号値がＬ０〜Ｌ６のように変化するとき、従来の量子化装置では、式（１）で定義されるＳ／Ｎ規範により量子化値ｑ（ｉ）が決定される。図１では、○がＳ／Ｎ規範による量子化復号値を示す。従来の量子化装置による画質劣化の典型例は、画素Ｌ１のように、その量子化復号値Ｌ（ｉ）＾では信号変化が拡大することである。このようにＳ／Ｎ規範による量子化復号値Ｌ（ｉ）＾では、入力信号値Ｌ（ｉ）が量子化境界近傍であると、入力信号の微小変化が量子化ステップ幅により拡大され、エッジビジネスや時間変動などの画質劣化が発生する。
【００１９】
一方、入力信号変化に忠実な特性を持つ新規範（式（４））に基づく量子化装置においては、図１において、◎で復号値の変化を示すように、安定した量子化復号値を得ることが可能となる。既に提案されている、新規範に基づく量子化は、ｎビットの場合の全ての量子化値候補に関して評価値を計算し、最小の評価値を与える量子化値候補を選択する処理である。この量子化では、Ｓ／Ｎ評価値のみで決定される量子化値とかけ離れた量子化値が選択されるおそれが生じる。従って、この発明は、量子化値候補の数を制限する。量子化値候補数を制限する場合、ここでは、Ｓ／Ｎ規範に基づいて決定された基準量子化値と、その上下の量子化値との３個の量子化値を候補とする。但し、このような制限に限らず、周囲の入力信号値の分布等を調べ、その結果に基づいて数を制限しても良い。
【００２０】
上述した可変重み新規範量子化の量子化値決定の一例を図２のフローチャートに示す。基本的には、設定された量子化ビット数ｎで生成可能な全ての線形量子化値ｑ（ｉ）に関し、入力信号値と量子化値の復号値の差を求め、差を最小値とする量子化値を基準量子化値と決定し、基準量子化値と基準量子化値の上側および下側のそれぞれの量子化値とからなる３個の量子化値を量子化値候補として選択し、量子化値候補のそれぞれに関して、式（４）で定義される新規範評価値を算出し、その最小値を有する量子化コードを出力値とする。この図２のフローチャートにおいては、量子化値候補と対応する、量子化値候補用のカウンタｑを用いる。まず、ステップ１の初期化において、カウンタｑに `０' が設定される。
【００２１】
次にステップ２の基準量子化値算出において、Ｓ／Ｎ規範で決定される基準量子化値が決定される。例えば図１におけるＬ１の場合では、（Ｑ＋１）であり、Ｌ２の場合では、Ｑである。そして、続く処理では、基準量子化値と、その上下の量子化値との合計３個の量子化値候補について、式（４）を使用した評価値の算出がなされる。
【００２２】
処理の順序としては、最も下側の量子化値候補から評価値の算出が開始される。すなわち、ステップ３の評価値の算出、および登録において、最も下側の量子化値候補に関し、式（４）を使用して新規範評価値が算出され、算出された新規範評価値が登録される。
【００２３】
ステップ４のインクリメントでは、カウンタｑに `＋１' が加算され、ステップ５へ制御が移る。ステップ５のｑ＝Ｎでは、ステップ４（インクリメント）において加算されたカウンタｑがＮと等しいか否かが判別され、ｑ≠Ｎの場合、ステップ３（評価値の算出および登録）へ制御が戻り、ｑ＝Ｎの場合、ステップ６へ制御が移る。ここで、Ｎは、量子化値候補の個数であり、Ｎ＝３であり、（Ｎ−１）で設定される回数、ステップ３およびステップ４の処理が繰り返され、カウンタｑがＮに等しくなるとき、ループは終了する。
【００２４】
次に、ステップ６の評価値の最小値検出において、量子化値候補の内で最小の新規範評価値を生じさせるカウンタｑ（＝０，１，または２）が最終結果として選択される。最も下側の量子化値候補から評価値の算出されるので、カウンタｑの値から最終的に選択される量子化値候補が分かる。ステップ７の量子化値ｑ登録において、選択された量子化値（カウンタｑ）が登録され、このフローチャートは終了する。
【００２５】
次に、この発明の量子化装置の処理を実現する一実施例のブロック図を図３に示す。入力端子１１から供給される入力信号値Ｌ（ｉ）、例えば各画素が８ビットに量子化されたディジタル画像信号は、量子化器１２、処理部１３へ供給される。この処理部１３は、重み決定部１５、判定部１６、メモリ部１７から構成され、入力端子１１から供給された入力信号値Ｌ（ｉ）は、重み決定部１５、判定部１６、およびメモリ部１７へ供給される。量子化器１２において、供給された入力信号値Ｌ（ｉ）が８ビットより少ないｎビットへ量子化される。この量子化器１２からは、２ⁿの数の量子化値候補が発生する。
【００２６】
量子化器１２により生成された線形量子化値ｑ（ｉ）は、ｄ１として重み決定部１５、および判定部１６へ供給される。重み決定部１５は、固定あるいは可変の重みを発生し、重み決定部１５からの重みα、β、γがｄ２として判定部１６へ供給される。
【００２７】
新規範量子化においては、式（４）で定義される新規範Ｑ２が用いられるため、入力信号値Ｌ（ｉ）と決定済み量子化値ｄ０を記憶しておく必要がある。メモリ部１７からは、必要に応じて記憶データｄ０（すなわち、決定済み量子化値）が、判定部１６へ供給される。判定部１６では、上述した図２に示すフローチャートの処理が行われる。すなわち、供給された入力信号値Ｌ（ｉ）、線形量子化値ｄ１、重みｄ２、記憶データｄ０から式（４）の判定が実行され、最終的な量子化値ｑ（ｉ）が選択され、出力端子１４から取り出される。
【００２８】
この新規範量子化装置により、従来の量子化装置の画質劣化を低減し、視覚特性に合致する量子化画像を得ることができる。
【００２９】
図２中の量子化器１２において、全ての量子化値を発生するのと異なり、Ｓ／Ｎ規範に基づいて選択された基準の量子化値を生成し、この量子化値と、その上下の量子化値の３種類の量子化値候補について、判定部１６が新規範評価値をそれぞれ求め、この３個の新規範評価値の中で最小のものと対応する量子化値候補を選択的に出力する構成としても良い。
【００３０】
なお、この発明は、空間変動評価値と時間変動評価値との一方のみを使用して新規範評価値を構成するようにしても良い。例えば、ディジタルオーディオ信号のような場合には、Ｓ／Ｎ評価値と時間変動評価値とを使用した評価値を使用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によれば、視覚特性を考慮した量子化が行えることで、量子化境界レベル近傍の入力信号値の変化が拡大されることによる空間方向、あるいは時間方向の画質劣化を低減することができる。
【００３２】
また、この発明によれば、量子化値候補がＳ／Ｎ規範に基づく量子化値とかけ離れた値となることを防止することができ、新規範量子化装置の特有な画質劣化を排除することが可能となる。
【００３３】
さらに、この発明によれば、元の量子化ビット数より少ないビット数でも良好な画像を得ることができ、例えばディジタル入力信号の圧縮を良好に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る量子化復号波形の一例を示す略線図である。
【図２】この発明に係る可変重みの新規範量子化装置の判定部の一実施例を示すフローチャートである。
【図３】この発明に係る新規範量子化装置の一実施例を示すブロック図である。
【図４】入力信号に対して３ビット量子化が行われた一例を示す略線図である。
【図５】画素の配置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１２量子化器
１３新規範処理部
１５規範重み決定部
１６判定部
１７メモリ部

Claims

所定の量子化ビット数の入力信号値が供給され、上記量子化ビット数より少ないｎビットの量子化値を出力する量子化装置において、
入力信号値の範囲を２ ⁿ で除算することによって量子化ステップを求め、上記量子化ステップによって上記入力信号値を除算することによって入力信号値をｎビットに量子化すると共に、２ⁿ個の量子化値を発生する量子化手段と、
上記量子化値にそれぞれ対応する上記量子化ステップの中央値である２ ⁿ 個の復号値を発生する復号手段と、
上記２ⁿ個の量子化値のそれぞれについて上記入力信号値と上記量子化値の復号値の差を求め、上記差を最小値とする上記量子化値を基準量子化値と決定し、上記基準量子化値と上記基準量子化値の上側および下側のそれぞれの量子化値とからなる少なくとも３個の制限された個数の量子化値を量子化値候補として選択する選択手段と、
上記少なくとも３個の制限された個数の量子化値候補に関して、上記入力信号値と上記量子化値候補の復号値の差であるＳ／Ｎ評価値と、上記入力信号の空間変動と上記量子化値候補の復号値の空間変動の差である空間変動評価値および／または上記入力信号値の時間変動と上記量子化値候補の復号値の時間変動の差である時間変動評価値とを重み付け加算した評価値をそれぞれ求め、上記評価値を最小とする上記量子化値候補を出力すべき量子化値として選択的に出力する判定手段と
からなることを特徴とする量子化装置。
請求項１に記載の量子化装置において、
入力信号がディジタルビデオ信号であって、上記空間変動評価値が同一フィールドまたは同一フレーム内の入力信号の空間変動と復号値の空間変動との差であることを特徴とする量子化装置。
請求項１に記載の量子化装置において、
入力信号がディジタルビデオ信号であって、上記時間変動評価値が現フレームの入力信号値および復号値と前フレームの入力信号値と復号値とを用いて求められることを特徴とする量子化装置。
所定の量子化ビット数の入力信号値が供給され、上記量子化ビット数と異なるｎビットの量子化値を出力する量子化方法において、
入力信号値の範囲を２ ⁿ で除算することによって量子化ステップを求め、上記量子化ス
テップによって上記入力信号値を除算することによって入力信号値をｎビットに量子化すると共に、２ⁿ個の量子化値を発生する量子化ステップと、
上記量子化値にそれぞれ対応する上記量子化ステップの中央値である２ ⁿ 個の復号値を発生する復号ステップと、
上記２ⁿ個の量子化値のそれぞれについて上記入力信号値と上記量子化値の復号値の差を求め、上記差を最小値とする上記量子化値を基準量子化値と決定し、上記基準量子化値と上記基準量子化値の上側および下側のそれぞれの量子化値とからなる少なくとも３個の制限された個数の量子化値を量子化値候補として選択する選択ステップと、
上記少なくとも３個の制限された個数の量子化値候補に関して、上記入力信号値と上記量子化値候補の復号値の差であるＳ／Ｎ評価値と、上記入力信号値の空間変動と上記量子化値候補の復号値の空間変動の差である空間変動評価値および／または上記入力信号値の時間変動と上記量子化値候補の復号値の時間変動の差である時間変動評価値とを重み付け加算した評価値をそれぞれ求め、上記評価値を最小とする上記量子化値候補を出力すべき量子化値として選択的に出力するステップと
からなることを特徴とする量子化方法。