JP3665651B2

JP3665651B2 - ディジタル画像データの量子化装置および方法

Info

Publication number: JP3665651B2
Application number: JP8579993A
Authority: JP
Inventors: 哲二郎近藤; 健治高橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JPH06276506A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタル画像信号の各画素データを量子化するための量子化装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル画像信号の各画素データを量子化することによって、ディジタル画像信号のデータ量を圧縮あるいは伸張することが知られている。例えば８ビットの１画素データをより少ないビット数の画素データへ量子化することで、データ量を圧縮することができる。より具体的には、本願出願人の提案によるＡＤＲＣ（ダイナミックレンジに適応した符号化）では、画像データをブロック構造に変換し、ブロックのダイナミックレンジに適応した量子化ステップ幅により画像データの各画素データを量子化している（特開昭６１−１４４９８９号公報参照）。
【０００３】
従来の量子化では、原データをより少ないビット数に量子化する時に、量子化で発生したデータ（量子化データと称する）と原データとの間の誤差、すなわち、量子化誤差が最小となるようにしていた。しかしながら、この従来の量子化は、背景等の静止部において時間変動による視覚上の劣化を生じる問題点を有していた。
【０００４】
そこで、本願出願人は、かかる劣化を防止するために、特願平４−３４３４０２号（特許第３１０４４４７号）に開示しているような、量子化誤差に加えて、原信号の時間変動分に対する量子化データの時間変動をも考慮し、さらに過去の周囲画素との傾きをも考慮した量子化装置を提案している。
【０００５】
この量子化装置は、量子化誤差と、原信号の時間方向の変化および量子化データのそれとの間の誤差、原信号と過去の空間的にずれた画素との時間方向の変化および量子化データのそれとの間の誤差をそれぞれ求め、各誤差に重み係数を乗じて評価値を求める。この評価値は、複数の量子化データの候補についてそれぞれ求められ、それが最小となる候補が最適な量子化データとして選択される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この先に提案されている量子化装置では、時間変動の量あるいは空間変動の量を考慮せずに、それぞれの変動にかかる重み係数を決定していたために、動き量が多い場合等では、画像の尾引きのような視覚劣化が生じる問題があった。
【０００８】
従って、この発明の目的は、原信号の時間変動の量によって、重み係数を変化させることで、動き量の大小にかかわらず画質を向上できるディジタル画像信号の量子化装置および方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ディジタル画像データの各画素データを量子化するための量子化装置において、
ディジタル画像データが供給され、第１の量子化データ候補を出力すると共に、第１の量子化データ候補を上側に１ビットシフトした量子化データ候補および第１の量子化データ候補を下側に１ビットシフトした量子化データ候補のうち少なくともいずれか一方を第２の量子化データ候補として出力する量子化手段と、第１および第２の量子化データ候補のそれぞれについて、ディジタル画像データの時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第１の値を求め、第１の値に可変の第１の重み係数が乗じられた第１の評価値を発生し、空間的にずれた位置の時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第２の値を求め、第２の値に固定の第２の重み係数が乗じられた第２の評価値を発生し、第１および第２の評価値の加算値を求める手段と、
第１および第２の量子化データ候補の内で、加算値がより小となる量子化データの候補を選択する手段とからなり、
第１の重み係数は、ディジタル画像データの時間変動量が大きいほど小となるものであるディジタル画像データの量子化装置である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、ディジタル画像データの各画素データを量子化するための量子化方法において、
ディジタル画像データが供給され、第１の量子化データ候補を出力すると共に、第１の量子化データ候補を上側に１ビットシフトした量子化データ候補および第１の量子化データ候補を下側に１ビットシフトした量子化データ候補のうち少なくともいずれか一方を第２の量子化データ候補として出力する量子化ステップと、
第１および第２の量子化データ候補のそれぞれについて、ディジタル画像データの時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第１の値を求め、第１の値に可変の第１の重み係数が乗じられた第１の評価値を発生し、空間的にずれた位置の時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第２の値を求め、第２の値に固定の第２の重み係数が乗じられた第２の評価値を発生し、第１および第２の評価値の加算値を求めるステップと、
第１および第２の量子化データ候補の内で、加算値がより小となる量子化データの候補を選択するステップとからなり、
第１の重み係数は、ディジタル画像データの時間変動量が大きいほど小となるものであるディジタル画像データの量子化方法である。
【００１２】
【作用】
動きが激しい部分のような時間方向の変動量が多い時には、空間的に同一位置の時間方向の評価値に乗じられる重み係数を小とし、視覚劣化を防止する。また、空間的に同一位置の時間方向の第１の評価値を発生してから、次に、空間的にずれた位置に関する第２の評価値を発生し、この第２の評価値に乗じられる重み係数を第１の評価値によって制御する。これにより、第１の評価値に乗じられる重み係数の値が大きい時でも、画像の劣化が防止される。
【００１３】
【実施例】
以下、この発明による量子化装置について説明する。この発明の理解を容易とするために、最初に先に提案されている量子化装置について説明する。図１は、量子化装置が使用されるシステムの概略を示す。入力画像１がブロック化回路２により多数のブロックに細分化される。各ブロックを単位として、エンコーダ３が符号化処理を行う。エンコーダ３は、例えば上述のＡＤＲＣエンコーダであり、その内部に量子化装置５を含んでいる。エンコーダ３の符号化出力が記録または通信系４に供給される。
【００１４】
この発明は、量子化装置５に関するものである。図２Ａは、従来の量子化を示している。この量子化は、次式の量子化誤差を最小とする量子化データを出力するものである。
Ｑ＝｜（Ｙｔ−Ｘｔ）｜・・・（１）
ここで、Ｘｔは、時刻ｔにおける入力信号レベルを表し、Ｙｔは、Ｘｔの量子化出力のレベルである。
【００１５】
図２Ａに示すように、二つの量子化ステップ幅のレベル領域に注目した時に、白いドットで示す入力信号が時刻ｔ−１では、上側の領域に含まれ、上側の領域のコード信号が発生し、その中央の矢印で示す値が復元される。次の時刻ｔでは、入力信号が下側の領域に含まれので、下側の領域のコード信号が発生する。さらに、時刻ｔ＋１では、入力信号が上側の領域に含まれるので、上側の領域のコード信号が発生する。
【００１６】
実際の入力信号のレベルの変化が小さいにもかかわらず、量子化特性中のレベル範囲の境界付近で入力信号のレベルが変化するために、量子化データの値の変化は、図２Ａに示すように、より大きなものとなる。入力信号のレベルが一定であるにもかかわらず、ノイズ、量子化誤差等によってレベル変化が生じていることもある。従って、背景等の静止部でこのような問題が生じると、視覚上の劣化が目立つ問題があった。
【００１７】
図２Ｂは、かかる問題を解決するために、先の出願に開示されている量子化を示している。図２Ａと同様に時間的に変化する入力信号の時間方向の変化Ａの傾きを求める。また、量子化データの時間方向の変化ＢとＣのそれぞれの傾きを求める。変化Ｂは、従来と同様に得られた量子化データ候補の変化であり、変化Ｃは、時刻ｔの量子化データよりも＋１された候補への変化である。変化ＢおよびＣの中で、変化Ｃの方が変化Ａと近いので、変化Ｃを生じさせる量子化データ候補が時刻ｔにおける正規の量子化データとして選択される。かかる時間方向の評価値Ｑは、下記の式で求められる。
Ｑ＝｜（Ｙｔ−Ｙt-1 ）−（Ｘｔ−Ｘt-1 ）｜・・・（２）
【００１８】
上述の時間方向の変化の評価は、同一位置の画素の１フレーム間の変化を見ている。これに加えて、空間的にずれた位置の時間方向の変化も調べられる。図３に示すように、画素Ｘに注目した時に、Ｘの上側の画素ｂと、Ｘの左側の画素ｄを使用して時間方向の変化を調べる。すなわち、この場合の評価値は、次式で表される。
Ｑ＝｜（Ｙｔ−ｂ´t-1 ）−（Ｘｔ−ｂt-1 ）｜・・・（３）
ｂ´t-1 は、ｂt-1 の量子化データである。
Ｑ＝｜（Ｙｔ−ｄ´t-1 ）−（Ｘｔ−ｄt-1 ）｜・・・（４）
ｄ´t-1 は、ｄt-1 の量子化データである。
【００１９】
そして、従来同様の量子化誤差（式１）をも含む上述の評価値に対して、それぞれ重み係数を乗じて、総合的な評価値Ｑを計算する。

【００２０】
この評価値Ｑを従来と同様に量子化した量子化データＹｔ⁰と、これを１ビット大きい方向にシフトした量子化データＹｔ^Hと、これを１ビット小さい方向にシフトした量子化データＹｔ^Lとについてそれぞれ計算し、最も評価値が小さくなる量子化データ候補を最終的な出力として選択する。
【００２１】
以上が先に提案されている量子化装置の量子化アルゴリズムである。図４は、この量子化装置の全体的な構成を示す。１１で示す入力端子には、ディジタルビデオ信号が供給される。このビデオ信号は、各画素データが８ビットのデータである。現フレームメモリ１２と前フレームメモリ１３とが直列に接続され、現フレームメモリ１２から現フレームの画素信号Ｘｔが出力され、前フレームメモリ１３から同一位置の前フレームの画素信号Ｘt-1 が出力される。
【００２２】
画素信号Ｘｔが量子化回路１４に供給される。量子化回路１４は、従来と同様に量子化を行ない、中央値Ｙｔ⁰、中央値を＋１した上側データＹｔ^H、中央値を−１した下側データＹｔ^Lを発生する。これらの量子化回路１４の出力信号が評価値発生回路１５、１６、１７にそれぞれ供給される。また、量子化回路１４の出力信号、すなわち、量子化データの候補がセレクタ１８に供給される。
【００２３】
セレクタ１８は、判定回路１９からの制御信号により制御され、その出力端子２０に量子化データが出力される。この量子化データがメモリ２１に供給される。メモリ２１からは、前フレームの量子化データＹt-1 が発生する。この前フレームの量子化データＹt-1 が評価値発生回路１５、１６、１７に供給される。
【００２４】
評価値発生回路１５は、上側データＹｔ^Hについての評価値Ｑ^Hを式５に従って発生する。すなわち、

【００２５】
評価値発生回路１６は、中央値Ｙｔ⁰についての評価値Ｑ⁰を式５に従って発生する。すなわち、

【００２６】
評価値発生回路１７は、下側データＹｔ^Lについての評価値Ｑ^Lを式５に従って発生する。すなわち、

【００２７】
これらの評価値Ｑ^H、Ｑ⁰およびＱ^Lが判定回路１９に供給され、これらの値の中で最小のものを判定回路１９が決定し、決定された評価値と対応する量子化データ候補がセレクタ１８によって選択される。出力端子には、量子化データＹｔが取り出される。
【００２８】
先の出願では、上述の評価値を計算する場合、重み係数α、β、γは、シュミュレーション等によって求められた最適値に固定している。しかしながら、動き量が多い場合等で、画像の尾引きのような劣化が生じる。一般的に、時間変動量が多い部分では、少々傾きが変わっても視覚的にそれを認識し難く、逆に、傾きが小さいと傾きの変化が視覚的に認識され易い視覚的特性が存在する。この発明は、視覚的特性を考慮して、重み係数αを時間変動量に適応して変化させ、それによって、動きの激しい画像でも大きな劣化が生じることを防止する。
【００２９】
図５は、この発明の一実施例を示す。一実施例は、上述のように、量子化誤差に関する評価値、時間方向の評価値、空間的にずれた位置の時間方向の評価値を求めている。
【００３０】
量子化回路１４からは、上側データＹｔ^H、中央値Ｙｔ⁰、下側データＹｔ^Lが発生し、これらのデータがセレクタ１８と減算回路３２、３３、３４とに供給される。減算回路３２、３３、３４には、メモリ２１からの前フレームの量子化データＹt-1 が供給される。減算回路３２は、Ｙｔ^H−Ｙt-1 の減算を行ない、減算回路３３は、Ｙｔ⁰−Ｙt-1 の減算を行ない、減算回路３４は、Ｙｔ^L−Ｙt-1 の減算を行なう。
【００３１】
減算回路３１は、Ｘｔ−Ｘt-1 の減算を行う。減算回路３１および３２の出力が評価値発生回路３５に供給され、前出の式（６）で表される上側データに関する評価値ＱH が形成される。同様に、評価値発生回路３６および３７によって、前出の式（７）および式（８）でそれぞれ表される中央値および下側データのそれぞれに関する評価値Ｑ0 およびＱL が形成される。但し、時間方向の評価値に対する重み係数αが可変の値とされ、評価値発生回路３５、３６および３７では、係数αを乗じる処理がされず、次のα発生回路３８、３９および４０において、可変の重み係数αが乗じられる。
【００３２】
α発生回路３８、３９、４０には、減算回路３１の出力信号が供給され、次式によって重み係数αが形成され、これが評価値発生回路３５、３６、３７の出力信号中の時間方向評価値に対して乗じられる。
α＝ｃ／（Ｘｔ−Ｘt-1 ）・・・（９）
ｃは、定数である。
【００３３】
（９）式で計算される重み係数αは、原信号の時間変動が大きい程、小になる。従って、動き量が多い時には、αが小さくなり、空間的に同一位置の時間方向の傾きに関しての忠実度が評価値に寄与する割合が小さくなる。これによって動き量が大きい時の画像の劣化を抑えることができる。然も、動き量が多い時には、時間方向の傾きの変動の忠実度が多少悪くても、視覚上の劣化として認識しにくく、重み係数αを小としても問題が少ない。勿論、動き量が少ない時では、先の出願と同様に視覚上の劣化を低減することができる。
【００３４】
α発生回路３８、３９および４０からの評価値が判定回路１９に供給され、上述したように、評価値が最小のものと対応する量子化データの候補がセレクタ１８で選択される。なお、α発生回路３８、３９および４０をそれぞれ設ける代わりに、共通のα発生回路を設けても良い。
【００３８】
また、上述の説明では、量子化データの候補として、通常の量子化データ（中央値）に対して、上側および下側データを使用したが、上側および下側データの中で、量子化誤差がより少ないデータと中央値との２個のデータを候補として使用するようにしても良い。
【００３９】
【発明の効果】
この発明は、静止部のみならず、動き部でも画像が量子化によって劣化することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用できるディジタル画像信号の伝送システムの概略的ブロック図である。
【図２】従来の量子化方法と先に提案されている量子化方法とを説明するための略線図である。
【図３】画素信号の空間的配列の説明のための略線図である。
【図４】先に提案されている量子化装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の一実施例のブロック図である。
【符号の説明】
１４量子化回路
１９判定回路
３５、３６、３７評価値発生回路
３８、３９、４０ α発生回路

Claims

ディジタル画像データの各画素データを量子化するための量子化装置において、
上記ディジタル画像データが供給され、第１の量子化データ候補を出力すると共に、上記第１の量子化データ候補を上側に１ビットシフトした量子化データ候補および上記第１の量子化データ候補を下側に１ビットシフトした量子化データ候補のうち少なくともいずれか一方を第２の量子化データ候補として出力する量子化手段と、
上記第１および第２の量子化データ候補のそれぞれについて、上記ディジタル画像データの時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第１の値を求め、上記第１の値に可変の第１の重み係数が乗じられた第１の評価値を発生し、空間的にずれた位置の時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第２の値を求め、上記第２の値に固定の第２の重み係数が乗じられた第２の評価値を発生し、上記第１および第２の評価値の加算値を求める手段と、
上記第１および第２の量子化データ候補の内で、上記加算値がより小となる量子化データの候補を選択する手段とからなり、
上記第１の重み係数は、上記ディジタル画像データの時間変動量が大きいほど小となるものであるディジタル画像データの量子化装置。
請求項１記載のディジタル画像データの量子化装置において、
さらに、空間的にずれた位置の過去の画素データを参照することによって、空間位置がずれた位置の時間方向の変化に対する忠実度に応じて小となる第３の値を求め、上記第３の値に固定の第３の重み係数が乗じられた第３の評価値を発生し、上記加算値が上記第１の評価値、第２の評価値および第３の評価値を加算したものであることを特徴とする量子化装置。
ディジタル画像データの各画素データを量子化するための量子化方法において、
上記ディジタル画像データが供給され、第１の量子化データ候補を出力すると共に、上記第１の量子化データ候補を上側に１ビットシフトした量子化データ候補および上記第１の量子化データ候補を下側に１ビットシフトした量子化データ候補のうち少なくともいずれか一方を第２の量子化データ候補として出力する量子化ステップと、
上記第１および第２の量子化データ候補のそれぞれについて、上記ディジタル画像データの時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第１の値を求め、上記第１の値に可変の第１の重み係数が乗じられた第１の評価値を発生し、空間的にずれた位置の時間方向の変化に対する忠実度が高いほど小となる第２の値を求め、上記第２の値に固定の第２の重み係数が乗じられた第２の評価値を発生し、上記第１および第２の評価値の加算値を求めるステップと、
上記第１および第２の量子化データ候補の内で、上記加算値がより小となる量子化データの候補を選択するステップとからなり、
上記第１の重み係数は、上記ディジタル画像データの時間変動量が大きいほど小となるものであるディジタル画像データの量子化方法。