JP3656829B2 - 適応的静止画像符号化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は適応的静止画像符号化装置に関し、特に、符号化効率を改善することのできる適応的静止画像符号化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の符号化装置において、画像信号の空間領域の冗長度を除去するための直交変換方法として、ＤＣＴ（離散コサイン変換），ＤＳＴ（離散サイン変換），ＤＦＴ（離散フーリエ変換），ＨＡＡＲ（ハール変換），ＳＬＡＮＴ（スラント変換），アダマール変換，ＫＬＴ（カルーネンレーベ変換）等が既知であるが、矩形ブロックに対する最適な直交変換は、水平・垂直方向に別々に１次直交変換を適用することを前提にすると、ＳＶＤ（特異値展開）であることが知られている。該ＳＶＤは、次のような方式である。
【０００３】
今、画素の矩形ブロック内の画素値の行列を［Ａ］とすると、水平方向に関する共分散行列［ＣH］、垂直方向に関する共分散行列［ＣV］は、それぞれ次のように表現できる。
［ＣH］＝［Ａ］［Ａ］T
［ＣV］＝［Ａ］T ［Ａ］
【０００４】
次に、上記の［ＣH］と［ＣV］から、対応する直交変換（ＫＬＴ）（［ＳH］、［ＳV］）を求める。そうすると、前記画素値の行列［Ａ］は、下記の式でＳＶＤ展開される。
［ＳＶＤ］＝［ＳV］［Ａ］［ＳH］
【０００５】
この時、行列［Ａ］がＮ×Ｎの行列であれば、［ＳＶＤ］もサイズＮ×Ｎの行列となり、対角成分以外の成分は全て零となる。この変換は、ＳＶＤと呼ばれ、矩形ブロックを２個の独立な水平・垂直の直交変換で表現する場合には、最適な変換になる。すなわち、もっとも少ない係数で、矩形ブロック内の画素行列［Ａ］を表現することができる。従って、効率的な階層化を行うことが可能になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記ＳＶＤ（特異値展開）による直交変換をした場合には、符号化・伝送すべき情報として、量子化後の［ＳＶＤ］に加えて、個々のブロック全てに対して、水平・垂直方向の変換基底ベクトルである［ＳH］、［ＳV］も符号化して伝送する必要がある。これらの情報まで含めると、高い符号化効率を達成するのは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、前記した従来技術の課題を解消し、高い符号化効率を達成できる適応的静止画像符号化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、静止画像に対して、性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、水平方向または垂直方向の一方の直交変換をする複数の第１の直交変換手段と、前記直交変換された各データに対して、前記性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、前記水平方向または垂直方向の他方の直交変換をする複数の第２の直交変換手段と、該第２の直交変換手段の出力を量子化・符号化する手段と、該量子化・符号化された結果を比較し、符号化効率の最適な前記第１、第２の直交変換手段の組からの出力を選択する手段とを具備した点に特徴がある。
【０００９】
この特徴によれば、従来周知のＤＣＴ（離散コサイン変換），ＤＳＴ（離散サイン変換），ＤＦＴ（離散フーリエ変換），ＨＡＡＲ（ハール変換）等に比べて、符号化効率の良い符号化を行うことができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。まず、本発明の原理を説明する。
【００１１】
本発明では、静止画像を複数の矩形ブロックに分割する。次いで、該複数の矩形ブロックに対して、水平・垂直方向に対する共分散を計算する。すなわち、該矩形ブロック内の画素値の行列［Ａ］から、水平、垂直方向の共分散［ＣH］、［ＣV］を計算する。全ての矩形ブロックに対して共分散［ＣH］、［ＣV］を計算した後、これらを予め指定したクラス数（ｋ個）にクラスタリングする。次いで、該クラスタの中心を求める。ここでは、クラスタリング法として、k-means法を用いた。
【００１２】
前記クラスタ数ｋ＝３でクラスタリングした時の水平・垂直それぞれのクラスタ中心を求めると、図２の結果が得られた。この行列は、矩形ブロックの共分散を個々の矩形ブロックで求めた時の代表的な共分散行列を示しており、本発明者の研究により、その結果は、図２（ａ）〜（ｃ）の３種類に集約されることが分かった。この３種類は、同図（ａ）の対角行列成分がほぼ同一な共分散行列、同図（ｂ）の対角行列成分が右斜め下に行く程増加する共分散行列、および同図（ｃ）の対角行列成分が右斜め下に行く程減少する共分散行列である。なお、前記図２（ａ）は、ブロック内画素の値が殆ど一定である画像の共分散行列、同図（ｂ）は、画素値が増加傾向にある画像の共分散行列、および同図（ｃ）は、画素値が減少傾向にある画像の共分散行列を示している。
【００１３】
本発明は、これらの３種類の共分散行列を用いて、高い符号化効率を達成しようとするものである。なお、以下では、該３種類の共分散行列を用いて行われる直交変換を、図２の（ａ）〜（ｃ）の順に、ＳＶＣ直交変換、ＳＶＩ直交変換、ＳＶＤ直交変換と記すことにする。
【００１４】
次に、本発明の一実施形態を、図１のブロック図を参照して説明する。ＳＶＣ直交変換器１、ＳＶＩ直交変換器２、およびＳＶＤ直交変換器３は、入力画像を水平方向に、それぞれ独立にかつ並列的に直交変換をする。
【００１５】
また、ＳＶＣ直交変換器４、ＳＶＩ直交変換器５、およびＳＶＤ直交変換器６は、前記ＳＶＣ直交変換器１で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。また、ＳＶＣ直交変換器７、ＳＶＩ直交変換器８、およびＳＶＤ直交変換器９は、前記ＳＶＩ直交変換器２で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。さらに、ＳＶＣ直交変換器１０、ＳＶＩ直交変換器１１、およびＳＶＤ直交変換器１２は、前記ＳＶＤ直交変換器３で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。前記垂直方向の直交変換は、並列的に実行する。
【００１６】
次に、前記垂直方向の直交変換器４〜１２の出力は、それぞれ量子化・符号化器１３〜２１に入力し、量子化および符号化される。該量子化・符号化器１３〜２１は、予め決められた歪み（ＳＮＲ）で、例えば線型量子化し、エントロピー符号化する。
【００１７】
該量子化・符号化器１３〜２１の出力は、符号化効率比較器２２で比較される。該符号化効率比較器２２は、量子化・符号化された９個の変換結果に対して、ＳＮＲと符号量の観点から比較を行い、最適な直交変換の組み合わせを求める。つまり、水平方向、垂直方向別に、最も効率の良い直交変換をした組を選択する。そして、その出力２３として、該最適変換により得られた符号化結果と、前記選択された最適変換の組を表す符号とを出力する。
【００１８】
なお、前記の実施形態では、水平方向の直交変換を垂直方向の直交変換より先に行ったが、垂直方向の直交変換を先に行うようにしても良い。
【００１９】
図３は、本発明で得られた符号化効率と、従来のＪＰＥＧで得られた符号化効率とを比較すると、図３のような結果が得られた。図３は、線型量子化後の代表値のエントロピーで比較した結果であり、曲線ａが本発明により得られた符号化効率、曲線ｂがＪＰＥＧで得られた符号化効率を示す。
【００２０】
図３に示されているように、適応的に選択のための付加情報を入れないで、変換基底ベクトルをブロック単位で符号化すると、つまり符号化効率の計算を行うと、ＤＣＴ単独で符号化を行った場合に比べて、最大で、約０．１ビット／ｐｅｌ程度の改善効果があることが分かった。
【００２１】
これは、ブロック内の０係数の数、すなわちＥＯＢの位置で計算すると、ブロック当たり６ビット（約０．１×６４）、つまりＥＯＢの位置が６平均画素短縮されることに相当し、例えば、前記最適変換の組を付加情報として入れたとしても、約０．０５ビット／ｐｅｌの改善となる。本実施形態の直交変換は、画素値の変化が大きいＧＬＥＡＶＥＳ（木の葉のシーン）等では、特に、効果が大きいということができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来のＤＣＴ、ＤＦＴ、ＨＡＡＲ等による変換よりも、高符号化効率の静止画像符号化装置を提供することができるようになる。
【００２３】
なお、本発明は、ＣＴや、Ｘ線等の医療画像等の静止画像の符号化に用いると好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】 本実施形態の直交変換に使用される共分散行列の具体例を示す図である。
【図３】 本発明とＪＰＥＧを用いた場合の符号化効率を比較する図である。
【符号の説明】
１，４，７，１０・・・ＳＶＣ直交変換器、２，５，８，１１・・・ＳＶＩ直交変換器、３，６，９，１２・・・ＳＶＤ直交変換器、１３〜２１・・・量子化・符号化器、２２・・・符号化効率比較器、２３・・・出力。
【発明の属する技術分野】
本発明は適応的静止画像符号化装置に関し、特に、符号化効率を改善することのできる適応的静止画像符号化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の符号化装置において、画像信号の空間領域の冗長度を除去するための直交変換方法として、ＤＣＴ（離散コサイン変換），ＤＳＴ（離散サイン変換），ＤＦＴ（離散フーリエ変換），ＨＡＡＲ（ハール変換），ＳＬＡＮＴ（スラント変換），アダマール変換，ＫＬＴ（カルーネンレーベ変換）等が既知であるが、矩形ブロックに対する最適な直交変換は、水平・垂直方向に別々に１次直交変換を適用することを前提にすると、ＳＶＤ（特異値展開）であることが知られている。該ＳＶＤは、次のような方式である。
【０００３】
今、画素の矩形ブロック内の画素値の行列を［Ａ］とすると、水平方向に関する共分散行列［ＣH］、垂直方向に関する共分散行列［ＣV］は、それぞれ次のように表現できる。
［ＣH］＝［Ａ］［Ａ］T
［ＣV］＝［Ａ］T ［Ａ］
【０００４】
次に、上記の［ＣH］と［ＣV］から、対応する直交変換（ＫＬＴ）（［ＳH］、［ＳV］）を求める。そうすると、前記画素値の行列［Ａ］は、下記の式でＳＶＤ展開される。
［ＳＶＤ］＝［ＳV］［Ａ］［ＳH］
【０００５】
この時、行列［Ａ］がＮ×Ｎの行列であれば、［ＳＶＤ］もサイズＮ×Ｎの行列となり、対角成分以外の成分は全て零となる。この変換は、ＳＶＤと呼ばれ、矩形ブロックを２個の独立な水平・垂直の直交変換で表現する場合には、最適な変換になる。すなわち、もっとも少ない係数で、矩形ブロック内の画素行列［Ａ］を表現することができる。従って、効率的な階層化を行うことが可能になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記ＳＶＤ（特異値展開）による直交変換をした場合には、符号化・伝送すべき情報として、量子化後の［ＳＶＤ］に加えて、個々のブロック全てに対して、水平・垂直方向の変換基底ベクトルである［ＳH］、［ＳV］も符号化して伝送する必要がある。これらの情報まで含めると、高い符号化効率を達成するのは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、前記した従来技術の課題を解消し、高い符号化効率を達成できる適応的静止画像符号化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、静止画像に対して、性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、水平方向または垂直方向の一方の直交変換をする複数の第１の直交変換手段と、前記直交変換された各データに対して、前記性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、前記水平方向または垂直方向の他方の直交変換をする複数の第２の直交変換手段と、該第２の直交変換手段の出力を量子化・符号化する手段と、該量子化・符号化された結果を比較し、符号化効率の最適な前記第１、第２の直交変換手段の組からの出力を選択する手段とを具備した点に特徴がある。
【０００９】
この特徴によれば、従来周知のＤＣＴ（離散コサイン変換），ＤＳＴ（離散サイン変換），ＤＦＴ（離散フーリエ変換），ＨＡＡＲ（ハール変換）等に比べて、符号化効率の良い符号化を行うことができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。まず、本発明の原理を説明する。
【００１１】
本発明では、静止画像を複数の矩形ブロックに分割する。次いで、該複数の矩形ブロックに対して、水平・垂直方向に対する共分散を計算する。すなわち、該矩形ブロック内の画素値の行列［Ａ］から、水平、垂直方向の共分散［ＣH］、［ＣV］を計算する。全ての矩形ブロックに対して共分散［ＣH］、［ＣV］を計算した後、これらを予め指定したクラス数（ｋ個）にクラスタリングする。次いで、該クラスタの中心を求める。ここでは、クラスタリング法として、k-means法を用いた。
【００１２】
前記クラスタ数ｋ＝３でクラスタリングした時の水平・垂直それぞれのクラスタ中心を求めると、図２の結果が得られた。この行列は、矩形ブロックの共分散を個々の矩形ブロックで求めた時の代表的な共分散行列を示しており、本発明者の研究により、その結果は、図２（ａ）〜（ｃ）の３種類に集約されることが分かった。この３種類は、同図（ａ）の対角行列成分がほぼ同一な共分散行列、同図（ｂ）の対角行列成分が右斜め下に行く程増加する共分散行列、および同図（ｃ）の対角行列成分が右斜め下に行く程減少する共分散行列である。なお、前記図２（ａ）は、ブロック内画素の値が殆ど一定である画像の共分散行列、同図（ｂ）は、画素値が増加傾向にある画像の共分散行列、および同図（ｃ）は、画素値が減少傾向にある画像の共分散行列を示している。
【００１３】
本発明は、これらの３種類の共分散行列を用いて、高い符号化効率を達成しようとするものである。なお、以下では、該３種類の共分散行列を用いて行われる直交変換を、図２の（ａ）〜（ｃ）の順に、ＳＶＣ直交変換、ＳＶＩ直交変換、ＳＶＤ直交変換と記すことにする。
【００１４】
次に、本発明の一実施形態を、図１のブロック図を参照して説明する。ＳＶＣ直交変換器１、ＳＶＩ直交変換器２、およびＳＶＤ直交変換器３は、入力画像を水平方向に、それぞれ独立にかつ並列的に直交変換をする。
【００１５】
また、ＳＶＣ直交変換器４、ＳＶＩ直交変換器５、およびＳＶＤ直交変換器６は、前記ＳＶＣ直交変換器１で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。また、ＳＶＣ直交変換器７、ＳＶＩ直交変換器８、およびＳＶＤ直交変換器９は、前記ＳＶＩ直交変換器２で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。さらに、ＳＶＣ直交変換器１０、ＳＶＩ直交変換器１１、およびＳＶＤ直交変換器１２は、前記ＳＶＤ直交変換器３で水平方向に直交変換されたデータを垂直方向に、それぞれ独立に直交変換する。前記垂直方向の直交変換は、並列的に実行する。
【００１６】
次に、前記垂直方向の直交変換器４〜１２の出力は、それぞれ量子化・符号化器１３〜２１に入力し、量子化および符号化される。該量子化・符号化器１３〜２１は、予め決められた歪み（ＳＮＲ）で、例えば線型量子化し、エントロピー符号化する。
【００１７】
該量子化・符号化器１３〜２１の出力は、符号化効率比較器２２で比較される。該符号化効率比較器２２は、量子化・符号化された９個の変換結果に対して、ＳＮＲと符号量の観点から比較を行い、最適な直交変換の組み合わせを求める。つまり、水平方向、垂直方向別に、最も効率の良い直交変換をした組を選択する。そして、その出力２３として、該最適変換により得られた符号化結果と、前記選択された最適変換の組を表す符号とを出力する。
【００１８】
なお、前記の実施形態では、水平方向の直交変換を垂直方向の直交変換より先に行ったが、垂直方向の直交変換を先に行うようにしても良い。
【００１９】
図３は、本発明で得られた符号化効率と、従来のＪＰＥＧで得られた符号化効率とを比較すると、図３のような結果が得られた。図３は、線型量子化後の代表値のエントロピーで比較した結果であり、曲線ａが本発明により得られた符号化効率、曲線ｂがＪＰＥＧで得られた符号化効率を示す。
【００２０】
図３に示されているように、適応的に選択のための付加情報を入れないで、変換基底ベクトルをブロック単位で符号化すると、つまり符号化効率の計算を行うと、ＤＣＴ単独で符号化を行った場合に比べて、最大で、約０．１ビット／ｐｅｌ程度の改善効果があることが分かった。
【００２１】
これは、ブロック内の０係数の数、すなわちＥＯＢの位置で計算すると、ブロック当たり６ビット（約０．１×６４）、つまりＥＯＢの位置が６平均画素短縮されることに相当し、例えば、前記最適変換の組を付加情報として入れたとしても、約０．０５ビット／ｐｅｌの改善となる。本実施形態の直交変換は、画素値の変化が大きいＧＬＥＡＶＥＳ（木の葉のシーン）等では、特に、効果が大きいということができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来のＤＣＴ、ＤＦＴ、ＨＡＡＲ等による変換よりも、高符号化効率の静止画像符号化装置を提供することができるようになる。
【００２３】
なお、本発明は、ＣＴや、Ｘ線等の医療画像等の静止画像の符号化に用いると好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】 本実施形態の直交変換に使用される共分散行列の具体例を示す図である。
【図３】 本発明とＪＰＥＧを用いた場合の符号化効率を比較する図である。
【符号の説明】
１，４，７，１０・・・ＳＶＣ直交変換器、２，５，８，１１・・・ＳＶＩ直交変換器、３，６，９，１２・・・ＳＶＤ直交変換器、１３〜２１・・・量子化・符号化器、２２・・・符号化効率比較器、２３・・・出力。
Claims (3)
- 静止画像に対して、性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、水平方向または垂直方向の一方の直交変換をする複数の第１の直交変換手段と、
前記直交変換された各データに対して、前記性質が異なる複数種類の共分散行列を用いて、前記水平方向または垂直方向の他方の直交変換をする複数の第２の直交変換手段と、
該第２の直交変換手段の出力を量子化・符号化する手段と、
該量子化・符号化された結果を比較し、符号化効率の最適な前記第１、第２の直交変換手段の組からの出力を選択する手段とを具備したことを特徴とする適応的静止画像符号化装置。 - 請求項１に記載の適応的静止画像符号化装置において、
前記性質が異なる複数種類の共分散行列は、対角行列成分がほぼ同一な共分散行列、対角行列成分が右斜め下に行く程増加する共分散行列、および対角行列成分が右斜め下に行く程減少する共分散行列の３種類であることを特徴とする適応的静止画像符号化装置。 - 請求項１または２に記載の適応的静止画像符号化装置において、
符号化結果情報として、前記最適な直交変換により得られた符号化結果と、該最適な直交変換の組を表す符号とを出力することを特徴とする適応的静止画像符号化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001001296A JP3656829B2 (ja) | 2001-01-09 | 2001-01-09 | 適応的静止画像符号化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001001296A JP3656829B2 (ja) | 2001-01-09 | 2001-01-09 | 適応的静止画像符号化装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002209112A JP2002209112A (ja) | 2002-07-26 |
| JP3656829B2 true JP3656829B2 (ja) | 2005-06-08 |
Family
ID=18869952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001001296A Expired - Fee Related JP3656829B2 (ja) | 2001-01-09 | 2001-01-09 | 適応的静止画像符号化装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| JP4719880B2 (ja) * | 2005-11-02 | 2011-07-06 | 国立大学法人山口大学 | アナログ符号化システム |
| WO2007148425A1 (ja) * | 2006-06-19 | 2007-12-27 | Fujitsu Limited | 画像圧縮装置、画像復元装置、及びプログラム |
| JP4640382B2 (ja) * | 2007-06-25 | 2011-03-02 | ブラザー工業株式会社 | データファイル圧縮装置、プログラム及びデータファイル圧縮方法 |
-
2001
- 2001-01-09 JP JP2001001296A patent/JP3656829B2/ja not_active Expired - Fee Related
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