JP3689626B2 - 画像信号の復号化方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ディスクや磁気テープ等の蓄積系記録媒体を用いて画像のデータを量子化及び逆量子化する方法及び光ディスクや磁気テープ等の蓄積系記録媒体を用いた情報記録装置及び情報再生装置、又、例えばいわゆるテレビ会議システム、動画電話システム、放送用機器に適応して好適な画像信号の復号化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばテレビ会議システムやテレビ電話システム等のような映像信号及び音声信号を遠隔地に伝送する、いわゆる信号伝送システムにおいては、伝送路を効率良く利用するため、映像信号や音声信号を符号化することにより情報の伝送効率を高めることが行われている。
【０００３】
特に、動画像データは情報量が極めて多いため、この情報を長時間記録する場合には、映像信号を高能率符号化して記録すると共に、その記録された信号を読み出したときに能率良く復号化する手段が不可欠となり、このような要求に応えるべく、映像信号の相関を利用した高能率符号化方式が提案されており、その高能率符号化方式の１つにＭＰＥＧ(Moving Picture Experts Group)方式がある。
【０００４】
このＭＰＥＧ方式は、まず、フレーム間相関を利用して、映像信号の画像フレーム間の差分を取ることにより時間軸方向の冗長度を落とし、その後、ライン相関を利用して、離散コサイン変換（ＤＣＴ）等の処理を用いて空間軸方向の冗長度を落とすことにより映像信号を能率良く符号化している。
【０００５】
フレーム間相関を利用すると、例えば図９の（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝ｔ1 、ｔ2 、ｔ3 において、フレーム画像ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３がそれぞれ発生しているとき、フレーム画像ＰＣ１とＰＣ２との画像信号の差を演算して、図９の（Ｂ）に示すように画像ＰＣ１２を生成し、また、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ２とＰＣ３との画像信号の差を演算して、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ２３を生成する。通常、時間的に隣接するフレーム画像は、それほど大きな変化がないため、２つのフレーム画像の差を演算したときの差分信号は小さな値となる。
【０００６】
すなわち、図９の（Ｂ）に示す画像ＰＣ１２においては、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ１とＰＣ２の画像信号の差として、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ１２の図中斜線で示す部分の差分信号が得られ、また、図９の（Ｂ）に示す画像ＰＣ２３においては、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ２とＰＣ３の画像信号の差として、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ２３の図中斜線で示す部分の差分信号が得られる。そこで、この差分信号を符号化すれば、符号量を圧縮することができる。
【０００７】
しかしながら、上記差分信号のみを伝送したのでは元の画像を復元することはできないため、各フレームの画像を、Ｉピクチャ(Intra-coded picture：画像内符号化又はイントラ符号化画像）、Ｐピクチャ(Predictive-coded picture ：前方予測符号化画像）、Ｂピクチャ(Bidirectionally predictive-coded picture：両方向予測符号化画像）のいずれかのピクチャとし、画像信号を圧縮符号化するようにしている。
【０００８】
即ち、例えば、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フレームＦ１からフレームＦ１７までの１７フレームの画像信号をグループオブピクチャとし、処理の１単位とする。そして、その先頭のフレームＦ１の画像信号はＩピクチャとして符号化し、第２番目のフレームＦ２はＢピクチャとして、また第３番目のフレームＦ３はＰピクチャとして、それぞれ処理する。以下、第４番目以降のフレームＦ４からフレームＦ１７は、Ｂピクチャ又はＰピクチャとして交互に処理する。
【０００９】
Ｉピクチャの画像信号としては、その１フレーム分の画像信号をそのまま伝送する。これに対して、Ｐピクチャの画像信号としては、基本的には、図１０の（Ａ）に示すように、それより時間的に先行するＩピクチャ又はＰピクチャの画像信号からの差分を符号化して伝送する。さらに、Ｂピクチャの画像信号としては、基本的には、図１０の（Ｂ）に示すように、時間的に先行するフレーム及び後行するフレームの両方の画像信号の平均値からの差分を求め、その差分を符号化して伝送する。
【００１０】
図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、このようにして、動画像信号を符号化する方法の原理を示している。尚、図１１の（Ａ）は動画像信号のフレームのデータを、図１１の（Ｂ）は伝送されるフレームデータを模式的に示している。この図１１に示すように、最初のフレームＦ１はＩピクチャ、すなわち非補間フレームとして処理されるため、そのまま伝送データＦ１Ｘ（伝送非補間フレームデータ）として伝送路に伝送される（画像内符号化）。これに対して、第２のフレームＦ２はＢピクチャ、すなわち補間フレームとして処理されるため、時間的に先行する上記フレームＦ１と、時間的に後行するフレームＦ３（フレーム間符号化の非補間フレーム）の平均値との差分が演算され、その差分が伝送データ（伝送補間フレームデータ）Ｆ２Ｘとして伝送される。
【００１１】
但し、このＢピクチャとしての処理は、さらに細かく説明すると、４種類存在する。その第１の処理は、元のフレームＦ２のデータを図中破線の矢印ＳＰ１で示すように、そのまま伝送データＦ２Ｘとして伝送するものであり（イントラ符号化）、Ｉピクチャにおける場合と同様の処理となる。第２の処理は、時間的に後行するフレームＦ３からの差分を演算し、図中破線の矢印ＳＰ２で示すように、その差分を伝送するものである（後方予測符号化）。第３の処理は、図中破線の矢印ＳＰ３で示すように、時間的に先行するフレームＦ１との差分を伝送するものである（前方予測符号化）。さらに、第４の処理は、図中破線の矢印ＳＰ４で示すように、時間的に先行するフレームＦ１と、後行するフレームＦ３の平均値との差分を生成し、これを伝送データＦ２Ｘとして伝送するものである（両方向予測符号化）。
【００１２】
この４種類の方法のうち、伝送データが最も少なくなる方法が採用される。
【００１３】
尚、差分データを伝送するときには、差分を演算する対象となるフレームの画像（予測画像）との間の動きベクトルｘ１（前方予測符号化の場合のフレームＦ１とＦ２との間の動きベクトル）、もしくは動きベクトルｘ２（後方予測符号化の場合のフレームＦ３とＦ２との間の動きベクトル）、又は動きベクトルｘ１とｘ２の両方（両方向予測の場合）が、差分データと共に伝送される。
【００１４】
また、ＰピクチャのフレームＦ３（フレーム間符号化の非補間フレーム）は、時間的に先行するフレームＦ１を予測画像として、このフレームＦ１との差分信号（破線矢印ＳＰ３で示す）と、動きベクトルｘ３が演算され、これが伝送データＦ３Ｘとして伝送される（前方予測符号化）。あるいはまた、元のフレームＦ３のデータがそのまま伝送データＦ３Ｘとして伝送（破線矢印ＳＰ１で示す）される（イントラ符号化）。このＰピクチャにおいて、いずれの方法により伝送されるかは、Ｂピクチャにおける場合と同様であり、伝送データがより少なくなる方が選択される。
【００１５】
尚、ＢピクチャのフレームＦ４とＰピクチャのフレームＦ５も上述の方法と同様に処理され、伝送データＦ４Ｘ、Ｆ５Ｘ、動きベクトルｘ４、ｘ５、ｘ６等が得られる。
【００１６】
また、図１２は、画像シーケンスをフレーム内／フレーム間符号化する方法の他の例を示した図である。この図１２では、１５枚のフレームの周期が符号化の１つの単位となっている。
【００１７】
ここで、フレーム２はフレーム内符号化されるＩピクチャであり、フレーム５、８、１１、１４は、前方向からのみ予測されて、フレーム間符号化されるＰピクチャであり、フレーム０、１、３、４、６、７、９、１０、１２、１３は、前方向及び後方向の両方向から予測されて、フレーム間符号化されるＢピクチャである。
【００１８】
このフレーム内／フレーム間符号化のときの、入力順序、符号化順序、復号化順序、及び出力（表示）順序を、図１３に示す。
【００１９】
図１４は、上述した原理に基づいて、動画像信号を符号化して伝送し、これを復号化する装置の構成例を示している。符号化装置１は、入力された映像信号を符号化し、伝送路としての記録媒体３に伝送して記録するようになされている。そして、復号化装置２は、記録媒体３に記録された信号を再生し、これを復号して出力するようになされている。
【００２０】
先ず、符号化装置１においては、入力端子１０を介して入力された映像信号ＶＤが前処理回路１１に入力され、そこで輝度信号と色信号（この例の場合、色差信号）が分離され、それぞれＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１２、１３でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器１２、１３によりＡ／Ｄ変換されてディジタル信号となった映像信号は、フレームメモリ１４に送られて記憶される。このフレームメモリ１４では、輝度信号を輝度信号フレームメモリ１５に、また、色差信号を色差信号フレームメモリ１６に、それぞれ記憶させる。
【００２１】
次に、フォーマット変換回路１７は、フレームメモリ１４に記憶されたフレームフォーマットの信号を、ブロックフォーマットの信号に変換する。即ち、図１５の（Ａ）に示すように、フレームメモリ１４に記憶された映像信号は、１ライン当りＨドットのラインがＶライン集められたフレームフォーマットのデータとされている。フォーマット変換回路１７は、この１フレームの信号を、１６ラインを単位としてＮ個のスライスに区分する。そして、各スライスは、図１５の（Ｂ）に示すように、Ｍ個のマクロブロックに分割される。各マクロブロックは、図１５の（Ｃ）に示すように、１６×１６個の画素（ドット）に対応する輝度信号により構成され、この輝度信号は、図１５の（Ｃ）に示すように、さらに８×８ドットを単位とするブロックＹ［１］からＹ［４］に区分される。そして、この１６×１６ドットの輝度信号には、８×８ドットのＣｂ信号と、８×８ドットのＣｒ信号が対応される。
【００２２】
このとき、図１５の（Ａ）に示す各スライス内の動画像信号の配列は、図１５の（Ｃ）に示すマクロブロック単位で動画像信号が連続するようになされており、このマクロブロック内では、ラスタ走査の順により微小ブロック単位で動画像信号が連続するようになされている。
【００２３】
このように、ブロックフォーマットに変換されたデータは、フォーマット変換回路１７からエンコーダ１８に供給され、エンコード（符号化）が行われる。エンコーダ１８の詳細については、図１６を参照して後述する。
【００２４】
エンコーダ１８によりエンコードされた信号は、ビットストリームとして伝送路に出力され、例えば記録媒体３に記録される。この記録媒体３より再生されたデータは、復号化装置２のデコーダ３１に供給され、デコード（復号化）される。デコーダ３１の詳細については、図１９を参照して後述する。
【００２５】
デコーダ３１によりデコードされたデータは、フォーマット変換回路３２に入力され、上記ブロックフォーマットから上記フレームフォーマットに変換される。そして、このフレームフォーマットの輝度信号は、フレームメモリ３３の輝度信号フレームメモリ３４に送られて記憶され、色差信号は色差信号フレームメモリ３５に送られて記憶される。輝度信号フレームメモリ３４と色差信号フレームメモリ３５とから読み出された輝度信号と色差信号は、Ｄ／Ａ変換器３６、３７によりそれぞれＤ／Ａ変換され、さらに後処理回路３８に供給され、この後処理回路３８で合成される。この出力映像信号は、出力端子３０から図示しない、例えばＣＲＴなどのディスプレイに出力され、表示される。
【００２６】
次に図１６を参照して、エンコーダ１８の構成について説明する。
【００２７】
先ず、入力端子４９を介して供給された符号化されるべき画像データは、前記マクロブロック単位で動きベクトル検出回路５０に入力される。動きベクトル検出回路５０は、予め設定されている所定のシーケンスに従って、各フレームの画像データを、Ｉピクチャ、Ｐピクチャ、又はＢピクチャとして処理する。ここで、シーケンシャルに入力される各フレームの画像を、Ｉ，Ｐ，Ｂのいずれのピクチャとして処理するかは、予め定められている（例えば、図１０に示したように、フレームＦ１からＦ１７より構成されるグループオブピクチャは、Ｉ，Ｂ，Ｐ，Ｂ，Ｐ，・・・Ｂ，Ｐとして処理される）。
【００２８】
上記Ｉピクチャとして処理されるフレーム（例えば、前記フレームＦ１）の画像データは、動きベクトル検出回路５０からフレームメモリ５１の前方原画像部５１ａに転送されて記憶され、Ｂピクチャとして処理されるフレーム（例えばフレームＦ２）の画像データは、原画像部（参照原画像部）５１ｂに転送されて記憶され、Ｐピクチャとして処理されるフレーム（例えばフレームＦ３）の画像データは、後方原画像部５１ｃに転送されて記憶される。
【００２９】
また、次のタイミングにおいて、さらにＢピクチャ（例えば、前記フレームＦ４）又はＰピクチャ（例えばフレームＦ５）として処理すべきフレームの画像が入力されたとき、それまで後方原画像部５１ｃに記憶されていた最初のＰピクチャ（フレームＦ３）の画像データが、前方原画像部５１ａに転送され、次のＢピクチャ（フレームＦ４）の画像データが、原画像部５１ｂに記憶（上書き）され、次のＰピクチャ（フレームＦ５）の画像データが、後方原画像部５１ｃに記憶（上書き）される。このような動作が順次繰り返される。
【００３０】
上記フレームメモリ５１に記憶された各ピクチャの信号は、読み出されて予測モード切り換え回路５２に送られる。この予測モード切り換え回路５２においては、フレーム予測モード処理、又はフィールド予測モード処理が行われる。さらにまた予測判定回路５４の制御の下に、演算部５３において、画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測の演算が行われる。これらの処理のうち、いずれの処理を行うかは、予測誤差信号（処理の対象とされている参照画像と、これに対する予測画像との差分）に対応して決定される。このため、動きベクトル検出回路５０は、この判定に用いられる予測誤差信号の絶対値和（自乗和でもよい）を生成する。
【００３１】
ここで、予測モード切り換え回路５２におけるフレーム予測モードとフィールド予測モードとについて説明する。
【００３２】
上記予測モード切り換え回路５２においてフレーム予測モードが設定された場合には、予測モード切り換え回路５２は、動きベクトル検出回路５０より供給される４個の輝度ブロックＹ［１］からＹ［４］を、そのまま後段の演算部５３に出力する。即ち、この場合においては、図１７の（Ａ）に示すように、各輝度ブロックに奇数フィールドのラインのデータと、偶数フィールドのラインのデータとが混在した状態となっている。尚、図１７の各マクロブロック中の実線は奇数フィールドのライン（第１フィールドのライン）のデータを、破線は偶数フィールドのライン（第２フィールドのライン）のデータを示し、図１７中のａ及びｂは動き補償の単位を示している。上記フレーム予測モードにおいては、４個の輝度ブロック（マクロブロック）を単位として予測が行われ、４個の輝度ブロックに対して１個の動きベクトルが対応される。
【００３３】
これに対して、予測モード切り換え回路５２においてフィールド予測モードが設定された場合には、図１７の（Ａ）に示す構成で動きベクトル検出回路５０より入力される信号を、図１７の（Ｂ）に示すように、例えば４個の輝度ブロックの内の輝度ブロックＹ［１］とＹ［２］とを奇数フィールドのラインのデータのみより構成し、他の２個の輝度ブロックＹ［３］とＹ［４］とを偶数フィールドのラインのデータのみより構成して、演算部５３に出力する。この場合においては、２個の輝度ブロックＹ［１］とＹ［２］とに対して１個の動きベクトルが対応され、他の２個の輝度ブロックＹ［３］とＹ［４］とに対して他の１個の動きベクトルが対応される。
【００３４】
図１６の構成に即して説明すると、動きベクトル検出回路５０は、フレーム予測モードにおける予測誤差の絶対値和とフィールド予測モードにおける予測誤差の絶対値和とを、予測モード切り換え回路５２に出力する。この予測モード切り換え回路５２では、フレーム予測モードとフィールド予測モードとにおける予測誤差の絶対値和を比較し、その値が小さいほうの予測モードに対応する上述したような処理を施し、これにより得られるデータを演算部５３に出力する。
【００３５】
但し、このような処理は、実際には動きベクトル検出回路５０で行われる。即ち、動きベクトル検出回路５０は、決定されたモードに対応する構成の信号を予測モード切り換え回路５２に出力し、この予測モード切り換え回路５２は、その信号を、そのまま後段の演算部５３に出力する。
【００３６】
尚、色差信号は、フレーム予測モードの場合には図１７の（Ａ）に示すように、奇数フィールドのラインのデータと偶数フィールドのラインのデータとが混在する状態で、演算部５３に供給される。また、フィールド予測モードの場合には図１７の（Ｂ）に示すように、各色差ブロックＣｂ［５］、Ｃｒ［６］の上半分（４ライン）が、輝度ブロックＹ［１］、Ｙ［２］に対応する奇数フィールドの色差信号とされ、各色差ブロックＣｂ［５］、Ｃｒ［６］の下半分（４ライン）が、輝度ブロックＹ［３］、Ｙ［４］に対応する偶数フィールドの色差信号とされる。
【００３７】
また、動きベクトル検出回路５０は、次のようにして、予測判定回路５４において、画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測のいずれの予測を行うかを決定するための予測誤差の絶対値和を生成する。
【００３８】
即ち、画像内予測の予測誤差の絶対値和として、参照画像のマクロブロックの信号Ａijの和ΣＡijの絶対値｜ΣＡij｜と、マクロブロックの信号Ａijの絶対値｜Ａij｜の和Σ｜Ａij｜との差を求める。また、前方予測の予測誤差の絶対値和として、参照画像のマクロブロックの信号Ａijと、予測画像のマクロブロックの信号Ｂijとの差（Ａij−Ｂij）の絶対値｜Ａij−Ｂij｜の和Σ｜Ａij−Ｂij｜を求める。また、後方予測と両方向予測の予測誤差の絶対値和も、前方予測における場合と同様に（その予測画像を前方予測における場合と異なる予測画像に変更して）求める。
【００３９】
これらの絶対値和は、予測判定回路５４に供給される。予測判定回路５４は、前方予測、後方予測および両方向予測の予測誤差の絶対値和のうち、最も小さいものを、インター(inter) 予測の予測誤差の絶対値和として選択する。さらに、このインター予測の予測誤差の絶対値和と、画像内予測の予測誤差の絶対値和とを比較して小さい方を選択し、この選択した絶対値和に対応するモードを予測モードとして選択する。即ち、画像内予測の予測誤差の絶対値和の方が小さければ、画像内予測モードが設定される。インター予測の予測誤差の絶対値和の方が小さければ、前方予測、後方予測、又は両方向予測モードのうち、対応する絶対値和が最も小さいモードが設定される。
【００４０】
このように、動きベクトル検出回路５０は、参照画像のマクロブロックの信号を、予測モード切り換え回路５２により選択されたフレーム予測モード又はフィールド予測モードに対応する図１７で示したような構成で、予測モード切り換え回路５２を介して演算部５３に供給すると共に、４つの予測モードのうちで予測判定回路５４により選択された予測モードに対応する予測画像と参照画像との間の動きベクトルを検出し、後述する可変長符号化回路５８と動き補償回路６４とに出力する。尚、上述したように、この動きベクトルとしては、対応する予測誤差の絶対値和が最小となるものが選択される。
【００４１】
予測判定回路５４は、動きベクトル検出回路５０が前方原画像部５１ａよりＩピクチャの画像データを読み出すときには、予測モードとして、フレーム（画像）内予測モード（動き補償を行わないモード）を設定し、演算部５３のスイッチを接点ａ側に切り換える。これにより、Ｉピクチャの画像データがＤＣＴモード切り換え回路５５に入力される。
【００４２】
このＤＣＴモード切り換え回路５５は、図１８の（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、４個の輝度ブロックのデータを、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが混在する状態（フレームＤＣＴモード）、又は奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが分離された状態（フィールドＤＣＴモード）のいずれかの状態にして、ＤＣＴ回路５６に出力する。即ち、ＤＣＴモード切り換え回路５５は、奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとを混在してＤＣＴ処理した場合の符号化効率と、奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとを分離してＤＣＴ処理した場合の符号化効率とを比較し、符号化効率の良好なモードを選択する。
【００４３】
例えば、入力された信号を、図１８の（Ａ）に示すように、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが混在する構成とし、上下に隣接する奇数フィールドのラインの信号と偶数フィールドのラインの信号との差を演算し、さらにその絶対値の和（又は自乗和）を求める。また、入力された信号を、図１８の（Ｂ）に示すように、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが分離した構成とし、上下に隣接する奇数フィールドのライン同士の信号の差と、偶数フィールドのライン同士の信号の差をそれぞれ演算し、それぞれの絶対値の和（又は自乗和）を求める。さらに、上記求められた両者（絶対値和）を比較し、小さい値に対応するＤＣＴモードを設定する。即ち、このＤＣＴモード切り換え回路５５は、前者の方が小さければフレームＤＣＴモードを設定し、後者の方が小さければフィールドＤＣＴモードを設定する。そして、選択したＤＣＴモードに対応する構成のデータをＤＣＴ回路５６に出力すると共に、選択したＤＣＴモードを示すＤＣＴフラグを可変長符号化回路５８と動き補償回路６４とに出力する。
【００４４】
予測モード切り換え回路５２における予測モード（図１７参照）と、ＤＣＴモード切り換え回路５５におけるＤＣＴモード（図１８参照）とを比較して明らかなように、輝度ブロックに関しては、両者の各モードにおけるデータ構造は実質的に同一である。
【００４５】
予測モード切り換え回路５２においてフレーム予測モード（奇数ラインと偶数ラインとが混在するモード）が選択された場合、ＤＣＴモード切り換え回路５５においてもフレームＤＣＴモード（奇数ラインと偶数ラインとが混在するモード）が選択される可能性が高く、また予測モード切り換え回路５２においてフィールド予測モード（奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとが分離されたモード）が選択された場合、ＤＣＴモード切り換え回路５５においてフィールドＤＣＴモード（奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとが分離されたモード）が選択される可能性が高い。
【００４６】
しかしながら、必ずしも常にそのようになされるわけではなく、予測モード切り換え回路５２においては、予測誤差の絶対値和が小さくなるように予測モードが決定され、ＤＣＴモード切り換え回路５５においては、符号化効率が良好となるようにＤＣＴモードが決定される。
【００４７】
ＤＣＴモード切り換え回路５５より出力されたＩピクチャの画像データはＤＣＴ回路５６に入力されてＤＣＴ（離散コサイン変換）処理され、ＤＣＴ係数に変換される。このＤＣＴ係数は量子化回路５７に入力され、後段の送信バッファ５９のデータ蓄積量（バッファ蓄積量）に対応した量子化ステップで量子化された後、可変長符号化回路５８に入力される。
【００４８】
可変長符号化回路５８は、量子化回路５７より供給される量子化ステップ（スケール）に対応して、量子化回路５７より供給される画像データ（この場合は、Ｉピクチャのデータ）を、例えばハフマン(Huffman) 符号などの可変長符号に変換し、送信バッファ５９に出力する。また、可変長符号化回路５８には、量子化回路５７からの量子化ステップ（スケール）、予測判定回路５４からの予測モード（画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測のいずれが設定されたかを示すモード）、動きベクトル検出回路５０からの動きベクトル、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグ（フレーム予測モード又はフィールド予測モードのいずれが設定されたかを示すフラグ）、及びＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグ（フレームＤＣＴモード又はフィールドＤＣＴモードのいずれが設定されたかを示すフラグ）が入力されており、これらも可変長符号化される。
【００４９】
送信バッファ５９は、入力されたデータを一時蓄積し、蓄積量に対応するデータを量子化回路５７に出力する。送信バッファ５９は、送信バッファ５９内のデータ残量が許容上限値まで増量すると、量子化制御信号によって量子化回路５７の量子化ステップを大きくすることにより、量子化データのデータ量を低下させる。また、これとは逆に、送信バッファ５９内のデータ残量が許容下限値まで減少すると、送信バッファ５９は量子化制御信号によって量子化回路５７の量子化ステップを小さくすることにより、量子化データのデータ量を増大させる。このようにして、送信バッファ５９のオーバフロー又はアンダフローが防止される。そして、送信バッファ５９に蓄積されたデータは、所定のタイミングで読み出され、出力端子６９を介して伝送路に出力され、例えば前記記録媒体３に記録される。
【００５０】
一方、量子化回路５７より出力されたＩピクチャのデータは逆量子化回路６０に入力され、量子化回路５７より供給される量子化ステップに対応して逆量子化される。逆量子化回路６０の出力はＩＤＣＴ（逆ＤＣＴ）回路６１に入力されて逆ＤＣＴ処理される。
【００５１】
ここで、変換回路６６には、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグ及びＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグが入力されている。また、変換回路６５には予測モード切り換え回路５２からの予測フラグが入力されている。ＩＤＣＴ回路６１で逆ＤＣＴ処理されたデータは、変換回路６６、演算器６２及び変換回路６５を介すことにより、データの整合性が取られた後、フレームメモリ６３の前方予測画像部６３ａに供給され、記憶される。
【００５２】
ところで、動きベクトル検出回路５０は、シーケンシャルに入力される各フレームの画像データを、例えば、Ｉ、Ｂ、Ｐ、Ｂ、Ｐ、Ｂ・・・のピクチャとしてそれぞれ処理する場合には、最初に入力されたフレームの画像データをＩピクチャとして処理した後、次に入力されたフレームの画像をＢピクチャとして処理する前に、さらにその次に入力されたフレームの画像データをＰピクチャとして処理する。即ち、上記Ｂピクチャは後方予測を伴うため、後方予測画像としてのＰピクチャが先に用意されていないと、復号化されることができないからである。
【００５３】
そこで、動きベクトル検出回路５０は、Ｉピクチャの処理の次に、後方原画像部５１ｃに記憶されているＰピクチャの画像データの処理を開始する。そして、上述した場合と同様に、マクロブロック単位でのフレーム間差分（予測誤差）の絶対値和が、動きベクトル検出回路５０から予測モード切り換え回路５２と予測判定回路５４とに供給される。予測モード切り換え回路５２及び予測判定回路５４は、このＰピクチャのマクロブロックの予測誤差の絶対値和に対応して、フレーム／フィールド予測モード、又は画像内予測、前方予測、後方予測、もしくは両方向予測の予測モードを設定する。
【００５４】
画像内予測モードが設定されたときには、演算部５３内のスイッチを上述したように接点ａ側に切り換える。従って、上記Ｐピクチャの画像データは、Ｉピクチャの画像データと同様に、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して伝送路に伝送される。また、この画像データは、逆量子化回路６０、ＩＤＣＴ回路６１、変換回路６６、演算器６２、変換回路６５を介してフレームメモリ６３の後方予測画像部６３ｂに供給され、記憶される。
【００５５】
一方、前方予測モードのときには、演算部５３内のスイッチが接点ｂ側に切り換えられると共に、フレームメモリ６３の前方予測画像部６３ａに記憶されている画像（いまの場合、Ｉピクチャの画像）データが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より前方予測モードの設定を指令されたとき、前方予測画像部６３ａの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０が現在出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトルに対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００５６】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ａに供給される。演算器５３ａは、予測モード切り換え回路５２より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された、上記マクロブロックに対応する予測画像データを減算し、その差分（予測誤差）を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９より伝送路に伝送される。また、この差分データは、逆量子化回路６０及びＩＤＣＴ回路６１により局所的に復号化され、変換回路６６を介して演算器６２に入力される。
【００５７】
この変換回路６６には、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグとＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグとが供給されており、これによってＩＤＣＴ回路６１からの出力の整合性が取られる。
【００５８】
また、この演算器６２には、演算器５３ａに供給されている予測画像データと同一のデータが供給されている。演算器６２は、ＩＤＣＴ回路６１が出力する差分データに、動き補償回路６４が出力する予測画像データを加算する。これにより、元の（復号した）Ｐピクチャの画像データが得られる。このＰピクチャの画像データは、変換回路６５を介してフレームメモリ６３の後方予測画像部６３ｂに供給され、記憶される。
【００５９】
このように、ＩピクチャのデータとＰピクチャのデータとが前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂとにそれぞれ記憶された後、次に、動きベクトル検出回路５０はＢピクチャの処理を実行する。マクロブロック単位でのフレーム間差分の絶対値和の大きさに対応して、予測モード切り換え回路５２はフレームモード又はフィールドモードを設定し、また、予測判定回路５４は予測モードを画像内予測モード、前方予測モード、後方予測モード、又は両方向予測モードのいずれかに設定する。
【００６０】
上述したように、フレーム内予測モード又は前方予測モードのときには、演算部５３内のスイッチは接点ａ又は接点ｂに切り換えられる。このとき、Ｐピクチャにおける場合と同様の処理が行われ、データが伝送される。これに対して、後方予測モード又は両方向予測モードが設定されたときには、演算部５３内のスイッチは、接点ｃ又は接点ｄに切り換えられる。
【００６１】
演算部５３内のスイッチが接点ｃ側に切り換えられる後方予測モードのときには、後方予測画像部６３ｂに記憶されている画像（いまの場合、Ｐピクチャの画像）データが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より後方予測モードの設定を指令されたときには、後方予測画像部６３ｂの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０がいま出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトルに対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００６２】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ｂに供給される。演算器５３ｂは、予測モード切り換え回路５２より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された予測画像データを減算し、その差分を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９から伝送路に伝送される。
【００６３】
演算部５３内のスイッチが接点ｄ側に切り換えられる両方向予測モードのときには、前方予測画像部６３ａに記憶されている画像（いまの場合、Ｉピクチャの画像）データと、後方予測画像部６３ｂに記憶されている画像（いまの場合、Ｐピクチャの画像）データとが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より両方向予測モードの設定を指令されたとき、前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０がいま出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトル（この場合の動きベクトルは、前方予測画像用と後方予測画像用の２つとなる）に対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００６４】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ｃに供給される。演算器５３ｃは、動きベクトル検出回路５０より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された予測画像データの平均値を減算し、その差分を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９から伝送路に伝送される。
【００６５】
Ｂピクチャの画像は、他の画像の予測画像とされることがないため、フレームメモリ６３には記憶されない。
【００６６】
尚、フレームメモリ６３において、前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂとは、必要に応じてバンク切り換えが行われ、所定の参照画像に対して、一方又は他方に記憶されているものを、前方予測画像あるいは後方予測画像として切り換えて出力することができる。
【００６７】
以上においては、輝度ブロックを中心として説明をしたが、色差ブロックについても同様に、図１７及び図１８に示すマクロブロックを単位として処理され、伝送される。尚、色差ブロックを処理する場合の動きベクトルは、対応する輝度ブロックの動きベクトルを垂直方向と水平方向に、それぞれ１／２にしたものが用いられる。
【００６８】
次に、図１９は、図１４のデコーダ３１の構成の一例を示すブロック図である。伝送路（記録媒体３）を介して伝送された符号化された画像データは、図示せぬ受信回路で受信されたり、再生装置で再生されたりした後に、入力端子８０を介して、受信バッファ８１に一時記憶される。この後、一時記憶された画像データは復号回路９０の可変長復号化回路８２に供給される。可変長復号化回路８２は、受信バッファ８１より供給されたデータを可変長復号化し、動きベクトル、予測モード、予測フラグ及びＤＣＴフラグを動き補償回路８７に、また、量子化ステップを逆量子化回路８３に、それぞれ出力すると共に、復号された画像データを逆量子化回路８３に出力する。
【００６９】
逆量子化回路８３は、可変長復号化回路８２より供給された画像データを、上記供給された量子化ステップに従って逆量子化し、ＩＤＣＴ回路８４に出力する。逆量子化回路８３より出力されたデータ（ＤＣＴ係数）は、ＩＤＣＴ回路８４で逆ＤＣＴ処理され、変換回路８８を介して演算器８５に供給される。
【００７０】
変換回路８８には予測フラグ及びＤＣＴフラグが供給されており、変換回路８８ではこれらのフラグに基づいてＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データの整合性を取っている。
【００７１】
演算器８５に供給された画像データがＩピクチャのデータである場合には、そのデータは演算器８５より出力され、演算器８５に後に入力される画像データ（Ｐ又はＢピクチャのデータ）の予測画像データ生成のために、変換回路８９を介してフレームメモリ８６内の前方予測画像部８６ａに供給されて記憶される。また、このデータは、変換回路８９を介して出力端子９１より図１４のフォーマット変換回路３２に出力される。
【００７２】
演算器８５に供給された画像データが、その１フレーム前の画像データを予測画像データとするＰピクチャのデータであって、前方予測モードのデータである場合には、フレームメモリ８６の前方予測画像部８６ａに記憶されている、１フレーム前の画像データ（Ｉピクチャのデータ）が読み出され、動き補償回路８７で可変長復号化回路８２より出力された動きベクトルに対応する動き補償が施される。そして、演算器８５において、変換回路８８を介してＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データ（差分のデータ）と加算され、出力される。この加算されたデータ、即ち、復号されたＰピクチャのデータは、演算器８５に後に入力される画像データ（Ｂピクチャ又はＰピクチャのデータ）の予測画像データ生成のために、変換回路８９を介してフレームメモリ８６内の後方予測画像部８６ｂに供給されて記憶される。
【００７３】
Ｐピクチャのデータであっても、画像内予測モードのデータは、Ｉピクチャのデータと同様に、演算器８５において処理は行わず、そのまま変換回路８９を介して後方予測画像部８６ｂに記憶される。このＰピクチャは、次のＢピクチャの次に表示されるべき画像であるため、この時点では、まだフォーマット変換回路３２へ出力されない（上述したように、Ｂピクチャの後に入力されたＰピクチャが、Ｂピクチャより先に処理され、伝送されている）。
【００７４】
ＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データが、Ｂピクチャのデータである場合には、可変長復号化回路８２より供給された予測モードに対応して、フレームメモリ８６内の前方予測画像部８６ａに記憶されているＩピクチャの画像データ（前方予測モードの場合）、後方予測画像部８６ｂに記憶されているＰピクチャの画像データ（後方予測モードの場合）、又はその両方の画像データ（両方向予測モードの場合）が読み出され、動き補償回路８７において、可変長復号化回路８２より出力された動きベクトルに対応する動き補償が施されて、予測画像が生成される。但し、動き補償を必要としない場合（画像内予測モードの場合）には、予測画像は生成されない。
【００７５】
このようにして、動き補償回路８７で動き補償が施されたデータは、演算器８５において、変換回路８８からの出力と加算される。この加算出力は、変換回路８９を介して出力端子９１より図１４のフォーマット変換回路３２に出力される。但し、この加算出力はＢピクチャのデータであり、他の画像の予測画像生成のために利用されることがないため、フレームメモリ８６には記憶されない。
【００７６】
Ｂピクチャの画像が出力された後、後方予測画像部８６ｂに記憶されているＰピクチャの画像データが読み出され、動き補償回路８７を介して演算器８５に供給される。但し、このとき、動き補償は行われない。
【００７７】
尚、このデコーダ３１には、図１６のエンコーダ１８における予測モード切り換え回路５２とＤＣＴモード切り換え回路５５とに対応する回路が図示されていないが、これらの回路に対応する処理、即ち、奇数フィールドのラインの信号と偶数フィールドのラインの信号とが分離された構成を元の混在する構成に必要に応じて戻す処理は、動き補償回路８７が実行する。
【００７８】
また、以上においては、輝度信号の処理について説明したが、色差信号の処理も同様に行われる。但し、この場合、動きベクトルは、輝度信号用のものを、垂直方向及び水平方向に１／２にしたものが用いられる。
【００７９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の画像信号の符号化において量子化及び逆量子化を行う際には、量子化の細かさを表す値、即ち量子化幅（量子化ステップサイズ）を用いる。この量子化幅には２から６２までの偶数の値が用いられる。また、この量子化幅を表す値として、量子化特性(QUANT) がある。この量子化特性には１から３１の整数値が用いられており、上記量子化幅はこの量子化特性を２倍した値である。
【００８０】
上記量子化幅は、一般の画像を目標のデータ量に圧縮する場合に必要な値である。しかし、一般の画像より統計的な性質が大きく外れている画像を上記量子化幅を用いて圧縮すること、例えば、画素の相関が極端に低い画像、又はホワイトノイズに近い画像を、周波数領域での係数の集中を利用するＤＣＴ符号化により圧縮することは、非常に困難である。即ち、この場合には、上記量子化特性の最大値である３１を用いても、画像を目標のサイズに圧縮することはできない。
【００８１】
また、非常に高画質な画像を得ようとする場合、例えば歪みがほとんどない（ロスレスという）画像を得ようとする場合には、用いられる量子化特性は最小値である１でも大きすぎるため、画像を精確に復元することができるような量子化を行うことができない。
【００８２】
さらに、画像信号の符号化においては、圧縮されたビットストリームは目標の伝送速度に制御される場合が多い。このとき、一般的な線形量子化器においては、上記量子化特性と上記量子化特性に基づいて量子化された画像データの発生ビット量とは、反比例に近い関係をもつ（より正確には、対数に近い関係である）。
【００８３】
従って、量子化特性が小さい範囲にある場合に、量子化特性を１だけ変化させると、上記発生ビット量は大きく変化する。例えば、量子化特性を１から２に変化させた場合には、発生ビット量は約半分になる。これは、量子化特性が小さい範囲にある場合には、量子化特性の間隔が広すぎて、上記発生ビット量を細かく制御することは困難であることを示している。
【００８４】
逆に、量子化特性が大きい範囲にある場合に、量子化特性を１だけ変化させても、上記発生ビット量はほとんど変化しない。例えば、量子化特性を３０から３１に変化させた場合には、上記量子化特性が３１であるときの発生ビット量は、上記量子化特性が３０であるときの発生ビット量の５％も変化することはない。これは、量子化特性が大きい範囲にある場合には、量子化特性の間隔が不必要に狭いことを示している。
【００８５】
以上のような問題を克服するために、量子化特性として１から３１の単純に増える数列をそのまま用いるのではなく、非線形な数列にマッピングする方法がある。ここで、量子化特性を非線形な数列にマッピングしたときの上記量子化特性を求めるための量子化情報とこの量子化情報による量子化特性との関係を表２に示す。尚、上記量子化情報はインデックスと呼ばれて、数値で表されることもある。
【００８６】
【表２】
【００８７】
この非線形な数列の量子化特性を用いることにより、上述したような量子化特性の範囲により生じる問題点を解決することはできる。しかし、上記量子化特性は非線形な数列へ変換されたテーブル（マッピング）の値であるため、符号化装置及び復号化装置においては、上記テーブルの値を記憶するための構成が必要になる。このため、符号化装置及び復号化装置を構成するハードウェア量が増大する。
【００８８】
図２０には、従来の非線形な数列の量子化特性を用いたときの逆量子化器の概略的な構成を示す。この非線形な数列の量子化特性を記憶するためにＲＯＭ（リードオンリメモリ）等を用いたテーブル部２００を用意し、このテーブル部２００から８ビットの量子化特性を読み出す。乗算器２０１において、上記量子化特性に量子化された画像データのためのｎビットの変換係数を乗算し、量子化データを逆量子化する。この逆量子化器内では上記テーブル部２００のために大規模な回路を必要とし、また上記乗算器２０１にも同様に大規模な回路が必要である。
【００８９】
即ち、従来の画像信号の符号化装置及び復号化装置においては、量子化特性として１から３１までの値、もしくは表２に示すような非線形な数列の値を用いるために、上記画像信号の符号化装置内の量子化器及び上記画像信号の復号化装置内の逆量子化器には乗算器が必要となる。この乗算器は回路規模が大きく、上記画像信号の符号化装置及び復号化装置の構成にとって大きな障害となっている。
【００９０】
そこで、本発明は上述の実情に鑑み、構成回路の規模を増大せずに、画像データの量子化及び逆量子化の際に適切な量子化特性を用いることができるような符号化／復号化に適用可能な画像信号の復号化方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００９１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像信号の復号化方法では、伝送された符号化データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、上記伝送された符号化データは、量子化情報及び切換信号を含み、上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて非線形逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【００９２】
このような画像信号の符号化方法あるいは復号化方法において、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報にｋ、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報に（ｉ／２＋ｊ）を用いることにより量子化特性を求め、この量子化特性の定数倍を量子化幅とすることが好ましい。
ここで、ｊ、ｋは正の整数であり、ｉは０又は１で表される値である。
【００９３】
また、上記量子化特性QUANT は、
QUANT ＝（ｉ／２＋ｊ）×２k ＋２(k+2) −４
に示す式で表される。
【００９４】
さらに、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は、５ビットの符号で表現され、上記量子化情報ｋ、ｊ、ｉと上記量子化特性との関係は、例えば表１に表すものとする。
【００９５】
そのうえ、上記量子化特性が２進数で表現されるときに、連続した４ビット又は５ビットに有効ビットが存在する。
【００９６】
このとき、符号化データを逆量子化する際に、符号化データを３回加算し、この加算結果を上記第１の量子化情報ｋによって定まるビット分シフトする。
【００９７】
また、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報にｍ、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報にαi を用いることにより量子化特性を求め、この量子化特性の定数倍を量子化幅とすることが好ましい。
ここで、ｍは所望の量子化特性を表すのに必要なべき数値（整数）、αi （ｉ＝１〜ｎ）は０又は１で表される値である。
【００９８】
このとき、上記量子化特性QUANT は、
QUANT ＝２(m-1) ＋α1 ×２(m-2) ＋α2 ×２(m-3) ＋・・＋αn ×２(m-n-1)
に示す式で表される。
ここで、ｎは量子化特性の精度を表す、予め定められた整数値である。
【００９９】
さらに、上記第１の量子化情報ｍの取り得る範囲を表すのに必要なビット数をＬとしたときに、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は（Ｌ＋ｎ）ビットの符号で表現され、符号化データを逆量子化する際に、符号化データをｎ回加算し、この加算結果をＬビット分シフトする。
【０１００】
また、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は５ビットの符号で表現されるものとする。
【０１０１】
このとき、符号化データを逆量子化する際には、符号化データを２回加算し、この加算結果を３ビット分シフトする。
【０１０２】
なお、上記本発明に係る画像信号の復号化方法に対応する符号化方法としては、量子化の際には、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性（QUANT)に基づいて量子化を行うことが挙げられる。
【０１０３】
また、本発明に係る画像信号の復号化方法では、伝送された画像データを可変長復号化して得られたデータを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲では、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲では、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲では、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【０１０４】
ここで、上記線形／非線形量子化切換信号がフレーム単位で切り換わることにより、線形逆量子及び非線形逆量子化がフレーム単位で行われることを特徴とする。
【０１０５】
また、本発明に係る画像信号の復号化装置では、伝送された画像データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化装置において、上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、伝送された画像データを可変長復号化する可変長復号化部と、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行う手段と、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて非線形逆量子化を行う手段とよりなり、これらの手段が上記切換信号によって選択可能とされる逆量子化部と、上記逆量子化されたデータに所定の演算を施す変換部とを有して成り、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【０１０６】
ここで、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記第１の量子化情報に基づいて上記第２の量子化情報をシフトするシフト手段と、上記テーブル部からの出力と上記シフト手段からの出力とを加算する加算手段と、上記量子化されたデータと上記加算手段の出力とを乗算する乗算手段とを有して成ることを特徴とする。
【０１０７】
また、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記テーブル部からの出力と上記第２の量子化情報とを加算する加算手段と、上記加算手段からの出力と上記量子化されたデータとを乗算する乗算手段と、上記乗算手段からの出力を上記第１の量子化情報により定められるビット分シフトするシフト手段とを有して成り、上記乗算手段は、３段の加算器から構成されることを特徴とする。
【０１０８】
さらに、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記テーブル部からの出力と上記第２の量子化情報とを加算する加算手段と、上記可変長復号化部により復号化されて画像データと共に伝送される線形／非線形量子化切換信号に従って、上記加算手段からの出力と線形量子化情報との何れかを切換選択する選択手段と、上記選択手段からの出力と上記量子化されたデータとを乗算する乗算手段と、上記線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合のみ、上記乗算手段からの出力を上記第１の量子化情報により定められるビット分だけシフトするシフト手段とを有して成り、上記乗算手段は、３段の加算器から構成されることを特徴とする。
【０１０９】
なお、上記本発明に係る画像信号の復号化方法に対応する符号化方法としては、線形量子化した際の発生ビット量を評価し、この評価結果に基づいて量子化の方法を示す線形／非線形量子化切換信号を生成し、この線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合には、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を行うことが挙げられる。
【０１１０】
また、上記本発明に係る画像信号の復号化装置に対応する符号化装置としては、入力画像信号を所定の予測画像信号を用いて符号化する符号化部と、上記符号化部で符号化された信号に所定の変換演算を施す変換部と、上記変換部からの信号に、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を施す量子化部と、上記量子化された信号を可変長符号化する可変長符号化部とを有して成ることが挙げられる。
【０１１１】
さらに、本発明に係る画像信号の復号化装置に対応する符号化装置としては、入力画像信号を所定の予測画像信号を用いて符号化する符号化部と、上記符号化部で符号化された信号に所定の変換演算を施す変換部と、線形量子化した際の発生ビット量を評価する評価部と、上記評価部の評価結果に基づいて量子化の方法を示す線形／非線形量子化切換信号を生成する切換信号生成部と、上記切換信号生成部からの線形／非線形量子化切換信号が線形量子化を示す場合には、上記変換部からの信号に線形量子化を施す第１の量子化部と、上記切換信号生成部からの線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合には、上記変換部からの信号に、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を施す第２の量子化部と、上記第１の量子化部又は第２の量子化部で量子化された信号を可変長符号化する可変長符号化部とを有して成ることが挙げられる。
【０１１２】
【作用】
量子化特性を非線形な数列の値に変換し、この非線形な数列の値への変換方法を適切に選択する。
【０１１３】
このとき、段数の少ない乗算器とシフト演算とだけで量子化及び逆量子化を行う。
【０１１４】
また、加算とシフト演算とだけで量子化及び逆量子化を行う。
【０１１５】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例について、表及び図面を参照しながら説明する。
【０１１６】
本発明の第１の実施例では、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の数列の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化又は逆量子化を行う。よって、上記第１の量子化情報にｋ、上記第２の量子化情報に（ｉ／２＋ｊ）を用いた場合には、下記の（１）式より量子化特性QUANT を求めることができる。この量子化特性を用いて、画像信号の符号化装置では符号化を行い、画像信号の復号化装置では復号化を行う。
上記（１）式中のｊ及びｋは正の整数であり、i は０又は１で表される値である。
【０１１７】
ここで、上記ＭＰＥＧ方式により符号化されたビットストリームには可変長符号化コードが含まれるので、途中から復号化する場合には、発生し得る全ての可変長符号化コードが発生しても、一意に解読できる特別のコードが必要となる。上記ビットストリーム中では、２３個以上の０が続くコードが特別のコードである。従って、その他の可変長符号化コードのどのような組合せにおいても、０が２３個以上続くことがないように、その他の可変長符号化コードを制限するために、量子化特性は量子化情報の全ビットが同時に０であることを禁止している。
【０１１８】
（１）式で表現される数列は、上記量子化情報ｋを固定化して考えれば２のべき乗を公差とする等差数列であり、上記量子化情報ｊで表現される個数をｐとすれば、その公差は２×ｐ個単位で切り換わる。
【０１１９】
次に、（１）式で表すことができる量子化特性を表３に示す。
【表３】
【０１２０】
表３では、量子化情報として、ｋが２ビット、ｊが２ビット、ｉが１ビットの合計５ビットを示しており、また、その量子化情報に対応する量子化特性の１０進数値及び２進数値を表示している。上記量子化情報の５ビットは最上位ビットから(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)とし、最初の２ビットの量子化情報ｋ(Q1 Q2) を（１）式中の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報、残りの２ビットの量子化情報ｊ(Q3 Q4) 及び１ビットの量子化情報ｉ(Q5)を（１）式中の２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報としている。
【０１２１】
また、Ｘで示される８個単位の量子化特性のグループは等差数列をなしており、上記８個単位のグループが切り換わるときに公差が変更される。表３に示す非線形な数列を用いる場合には、（１）式により量子化情報の変換を一意に定められるので、量子化幅を（１）式で表すことができる値で表現することによって、その変換表を記憶しておくためのメモリ等が不必要になる。
【０１２２】
上記量子化情報ｋ、ｊ、ｉで示す５ビットは、量子化特性の１から３１までの値を送るのに必要なビット数であるので、従来の量子化特性を求める方法と本発明による量子化特性を求める方法とを用いる画像信号の符号化装置及び復号化装置においては、互換性を保つことができる。
【０１２３】
また、表３では、上述のように量子化特性のグループをＸとして表している。それぞれのグループの初期値をαとすれば、αとＸとにより量子化特性はα＋Ｘ×２n （ｎは自然数）と表すことができる。これにより、上記８個単位のグループは先頭から０＋Ｘ、４＋２Ｘ、１２＋４Ｘ、２８＋８Ｘで表される。
【０１２４】
次に、表３に示すような非線形な数列への変換により量子化特性を再生する画像信号の復号化装置内の量子化特性再生回路の概略構成を図１に示す。
【０１２５】
上記Ｘの数列は、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)の値をシフト器１１０に入力し、量子化情報 (Q1 Q2)の値を用いてシフトすることにより、Ｘ×２n （ｎは自然数）を表現することができる。即ち、上記量子化情報(Q1 Q2) が(0 0) であるならば０ビット、(0 1) であるならば１ビット分、(1 0) であるならば２ビット分、(1 1) であるならば３ビット分、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)はシフトされる。
【０１２６】
ここで、表４に、テーブル部１１１に入力される上記量子化情報(Q1 Q2) の値と、上記テーブル部１１１で変換されて出力する値Ｓ１と、上述したように上記テーブル部１１１内で順次読み出される値Ｓ２との関係を示す。
【０１２７】
【表４】
【０１２８】
また、図２には、図１中のシフト器１１０の概略的な構成を示す。各ＡＮＤゲート１２１〜１３２に入力される上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)が、シフト量生成部１２０で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいて生成されたシフト量に応じて切り換えられ、さらに、ＯＲゲート１３３、１３６、ＥX.ＯＲゲート１３４、１３５を介すことにより、量子化情報はビット０出力端子ｂ［０］〜ビット５出力端子ｂ［５］に出力される。
【０１２９】
また、量子化情報(Q1 Q2) に従って、順次読み出される値０、４、１２、２８をテーブル部１１１中に用意し、上記読み出された値の上位３ビットと上記Ｘ×２n （ｎは自然数）の上位３ビットとを加算器１１２で加算する。さらに、その加算された値の４ビットと上記値Ｘ×２n の下位３ビットとにより７ビットの量子化特性QUANT を再生することができる。
【０１３０】
上述のような非線形の量子化特性を求めるための構成回路は、従来の表２に示す非線形の量子化特性を求めるための構成回路に比べて非常に小さい。これは、従来の非線形の量子化特性には規則性がなく、全てテーブルを参照することにより、多くのゲート数が必要となるためである。
【０１３１】
さらに、このようにして得られた量子化特性に、量子化された画像データ（量子化データ）としての変換係数を乗算することにより、逆量子化を行うわけである。この場合、上記表３から明らかなように、７ビット中の４ビットが有効ビットであるので、この量子化特性と画像信号の量子化データ（量子化データ）としての変換係数との乗算時には、３段の加算器を用いて乗算を行うことができる。
【０１３２】
次に、画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を図３に示す。テーブル部１４１に入力される量子化情報(Q1 Q2) は、表５に示す値Ｓ３に変換されて加算器１４０に送られる。
【０１３３】
【表５】
【０１３４】
この加算器１４０では、上記値Ｓ３と上記量子化情報 (Q3 Q4 Q5) とが加算され、この加算された値は信号切換器１４４に送られる。また、この信号切換器１４４には、線形量子化を行うための量子化情報(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)及び非線形量子化を行う際の量子化情報の最上位ビットとなる０が入力されている。さらに、信号切換器１４４には、線形量子化を行うか、又は非線形量子化を行うかを選択する線形／非線形量子化切換信号が入力されている。
【０１３５】
但し、ここでいう線形量子化とは、量子化情報の２進数値として表した値と量子化幅（ステップサイズ）との対応関係が線形であることをいい、非線形量子化とは、量子化情報の２進数値として表した値と量子化幅との対応関係が非線形であることをいう。
【０１３６】
この信号切換器１４４において、線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択された場合には、線形量子化を行うための量子化情報(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)が選択されて乗算器１４２に送られる。しかし、線形／非線形量子化切換信号によって非線形量子化が選択された場合には、加算器１４０からの４ビットの量子化情報と量子化情報の最上位ビットとなる０とが選択されて乗算器１４２に送られる。乗算器１４２では、入力された量子化情報にｎビットの変換係数を乗算し、この乗算された値はシフト器１４３に出力される。
【０１３７】
このシフト器１４３には、量子化情報(Q1 Q2) 及び上記線形／非線形量子化切換信号が入力されている。よって、シフト器１４３において、上記線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択された場合には、上記乗算器１４２からの出力を、そのまま再生用データとして出力される。しかし、線形／非線形量子化切換信号によって非線形量子化が選択された場合には、入力されている量子化情報(Q1 Q2) に基づいて得られる、表６に示すシフト量で、上記乗算器１４２からの出力がシフトされ、再生用データとして出力される。
【０１３８】
【表６】
【０１３９】
尚、表６において、線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択されるときの量子化情報(Q1 Q2) の値は、どのような組合せであってもシフト量には関係しないことを示す。
【０１４０】
上記量子化データを逆量子化したときのデータの再生値をＡ、量子化データとしての変換係数をCoeff 、量子化幅をＳＰとすると、再生値Ａは以下の（２）式で表すことができる。
【０１４１】
ここで、非線形量子化が選択された場合には、上記量子化特性QUANT を求める（２）式を以下のように変形する。
QUANT＝ ( (ｉ／２＋ｊ) ＋（４−４／２k ) ) ×２k ・・・（３）
この（３）式中の (ｉ／２＋ｊ) は上記加算器１４０に入力される第２の量子化情報（Q3 Q4 Q5) に対応しており、（４−４／２k ) は上記テーブル部１４１からの出力に対応しており、２k は上記シフト器１４３におけるシフト量を示している。従って、上記再生値Ａは次の（４）式で示される。
Ａ＝Coeff ×((ｉ／２＋ｊ) ＋( ４−４／２k ))×２(k+1) ・・（４）
【０１４２】
上記再生値Ａを求めるための上記シフト器１４３の構成は簡単なものであり、上記乗算器１４２は変換係数のｎビットと切換器１４４からの出力データの４ビット及び最上位ビットとを乗算することができる比較的段数の低いもので十分である。
【０１４３】
ここで、上述した第１の実施例においては、量子化特性の取り得る最大値は５６．０であり、量子化幅は１１２である。しかし、実際の画像においては、例えばホワイトノイズが入力された場合などは、さらに大きい量子化特性が必要となる。これに対しては、第２の実施例として後述する２つの方法により対処することができる。
【０１４４】
第１の方法は、量子化情報が”０００００”（２進数表現）のときには、この量子化情報は現在未使用であるため、この量子化情報が”０００００”のときに量子化特性に６４、９６、１２８などの値を割り当てて、処理を行う方法である。量子化特性が６４又は１２８に割り当てられるときは、逆量子化における乗算においてシフト器でシフトを行うのみで済むため、処理が容易である。また量子化特性が９６に割り当てられるときも、加算器が１段だけでよいので、同様に処理が容易である。
【０１４５】
第２の方法は、量子化情報が”０００００”（２進数表現）を使用するときには長いゼロ列を発生する可能性があるため、量子化情報が”１１１１１”のときに量子化特性に６４、９６、１２８などの値を割り当てて、処理を行う方法である。
【０１４６】
さらに、第３の実施例として、２８＋８Ｘで示される４番目のグループのシフト量を大きく変更する場合の量子化特性を表７に示す。
【０１４７】
【表７】
【０１４８】
表７の２８＋１６Ｘで示す４番目のグループの量子化情報は、上記量子化情報ｋにより示されるシフト量の最大値を、この量子化情報ｋの連続性を無視して意識的に大きく設けることによって求められる。これにより、量子化特性の取り得る最大値が８４．０になる。この値は、ホワイトノイズなどの特殊な入力に対しても、十分に対応することができる値である。また、この方法は、最大値まで連続した量子化特性を用意することができるため、符号化の制御を行うときにも好ましい方法である。また、この第３の実施例においても、上記第１の実施例と同様に、量子化情報が”０００００”となることを禁止する。
【０１４９】
次に、表７に示すような非線形な数列への変換により量子化特性を再生する画像信号復号化装置内の量子化特性再生回路の概略構成を図４に示す。
【０１５０】
上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)をシフト器１５０に入力し、量子化情報 (Q1 Q2)の値を用いてシフトすることにより、Ｘ×２n （ｎは自然数）を表現することができる。即ち、上記量子化情報(Q1 Q2) が(0 0) であるならば０ビット分、(0 1)であるならば１ビット分、(1 0) であるならば２ビット分、(1 1) であるならば４ビット分、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)はシフトされる。
【０１５１】
図５には、図４中のシフト器１５０の概略的な構成を示す。各ＡＮＤゲート１６１〜１７２に入力される上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)が、シフト量生成部１６０で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいて生成されたシフト量に応じて切り換えられ、さらに、ＯＲゲート１７３、１７５、１７６、ＥX.ＯＲゲート１７４を介すことにより、量子化情報はビット０出力端子ｂ［０］〜ビット６出力端子ｂ［６］に出力される。
【０１５２】
量子化情報(Q1 Q2) に従って、順次読み出される値０、４、１２、２８をテーブル部１５１中に用意し、上記読み出された値の上位４ビットと上記Ｘ×２n （ｎは自然数）の上位４ビットとを加算器１５２で加算する。さらに、その加算された値の５ビットと上記値Ｘ×２n の下位３ビットとにより８ビットの量子化特性QUANT を再生することができる。上記テーブル部１５１から順に読み出される値は、上記第１の実施例と同様の表４に示される値である。
【０１５３】
次に、画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を図６に示す。テーブル部１８１に入力される量子化情報 (Q1 Q2)は、表８に示す値Ｓ４に変換されて加算器１８０に送られる。
【０１５４】
【表８】
【０１５５】
上記加算器１８０では、上記テーブル部１８１からの値Ｓ４と上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)とが加算され、乗算器１８２でｎビットの変換係数により乗算される。この乗算された値は、シフト器１８３で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいてシフトされることにより、画像データの再生が行われる。尚、この第３の実施例における逆量子化回路の乗算器１８２からの発生ビット数と、上述した第１の実施例における逆量子化回路の乗算器１４２からの発生ビット数とは異なる。
【０１５６】
よって、第３の実施例における量子化情報ｋが０、１、又は２の値を持つときの画像データの再生値Ａは、上記（４）式により求められるが、量子化情報ｋが３の値を持つときの画像データの再生値Ａは、（５）式から求められる。
Ａ＝Coeff ×((ｉ／２＋ｊ) ＋１．７５）×２5 ・・・（５）
【０１５７】
上記再生値Ａを求めるための上記シフト器１８３の構成は簡単なものであり、上記乗算器１８２は変換係数のｎビットと加算器１８０からの出力データの５ビットとを乗算することができる比較的段数の低いもので十分である。
【０１５８】
次に、第４の実施例を説明する。本発明の画像信号の符号化方法では、下記の（６）式で表現される量子化特性QUANT により、画像信号を量子化する。
【０１５９】
ここで、ｍは所望の量子化特性を表すのに必要なべき数値（整数）、αi （ｉ＝１〜ｎ）は０又は１で表される値、ｎは量子化特性の精度を表す、予め定められた整数値である。
【０１６０】
この第４の実施例においては、（６）式の具体的な例として、べき数値ｍは０から７までの整数、量子化特性の精度ｎは２で表現される値により、信号を量子化する。上記（６）式では、べき数値ｍの代わりに、（ｍ−１）を用いているが、本質的には同じである。
【０１６１】
上記（６）式で表すことができる量子化特性を表９に示す。
【０１６２】
【表９】
【０１６３】
このように、表９に示す非線形な数列を用いる場合には、（６）式でマッピングを一意に定められるので、そのマッピングを記憶しておくメモリが不必要になる。
【０１６４】
さらに、表９の非線形な数列へのマッピングを用いる場合には、（６）式中の量子化情報を送るために、以下の符号を伝送する。先ず、量子化情報ｍを送るためには、０から７までの整数を送る必要があるので、３ビットが必要である。さらに、量子化情報α1 とα2 とを送るためには、それぞれ１ビットずつ必要なので、全体で５ビットが必要となる。この５ビットは、１から３１の値を送るのに必要なビット数なので、ちょうど対応がとれており、従来の量子化特性と本発明の量子化特性との両方を採用するシステムでのコンパチビリティがとれる。
【０１６５】
ここで、上記５ビットの量子化情報（Q1 Q2 Q3 Q4 Q5) の構成の一例を示す。最初の３ビット(Q1 Q2 Q3)を２進数を用いて量子化情報ｍを表し、次に１ビットずつ(Q4 Q5) で、量子化情報α1 、α2 を表す。
【０１６６】
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 :５ビット
Q1 Q2 Q3 :０００−１１１：量子化情報ｍ
Q4 :０ ｏｒ １ ：量子化情報α1
Q5 :０ ｏｒ １ ：量子化情報α2
【０１６７】
次に、表９の非線形な数列へのマッピングを用いる場合の逆量子化を考える。表９の非線形な数列を２進数に展開すると、同時に１が立つビットは３個しかない。このため、加算は最大２回であり、加算器（アダー）が２個で構成できる。また、１が立つビットはランダムではなく、必ず連続しているので、２段の加算器（アダー）の後で、シフト器によって所望の位置までシフトすればよい。このような本発明の逆量子化の回路を図７に示す。本発明の逆量子化装置は、２個の加算器（フルアダー）１９０、１９１とシフト器１９２とで構成されている。このシフト器１９２では、(Q1 Q2 Q3)の値によって表１０に示されるビット数だけ左にシフトを行う。このとき、ＬＳＢには、０を埋める。
【０１６８】
【表１０】
【０１６９】
ここに、具体的な例を示す。例えば、量子化幅が２０、ＤＣＴ係数が１００のときに、このＤＣＴ係数を量子化する場合を説明する。このとき、量子化特性は５となり、この値を９ビツトで符号化すると、”００００００１０１”に符号化され、伝送される。また、量子化幅２０は、本発明の方法で５ビツトに符号化すると、
２０＝１６＋４、１６＝２4 、４＝２2 なので、
ｍ＝５、α１＝０、α２＝１となり、５ビツトの符号は、”１０１０１”となる。
【０１７０】
さて、復号化側では、量子化値（量子化データ）”００００００１０１”と量子化幅”１０１０１”とを受け取ると、これらを逆量子化回路に入力する。即ち、図７においてａ0 ・・・ａ8 ＝”００００００１０１”となり、
となる。
【０１７１】
このとき、図７の逆量子化回路では、Q5＝”１”なので、最上段のａ0 ・・・ａ8 は、そのまま加算器１９０に入力されるが、Q4＝”０”なので、次段のａ0・・・ａ8 は、０が出力され、加算器１９０に入力されない。
【０１７２】
さらに、３段目のａ0 ・・・ａ8 が、この加算結果と加えられる。このため、加算結果は”０００００００１１００１”となる。この値は、シフト器１９２に入力され、Q1 Q2 Q3 ＝”１０１”に従って２ビツトシフトされ、シフト器１９２からの出力は”０００００１１００１００”となり、このように量子化値”１００”が得られる。このシフト器１９２におけるシフト量を上記表１０に示し、この具体例におけるシフト量の計算方法を次の表１１に示す。
【０１７３】
【表１１】
【０１７４】
次に、第５の実施例を説明する。
第４の実施例では、表９に示したように、２進数表示の小数点以下３位までの精度の量子化特性が定義されるが、量子化回路の受け付ける量子化特性の精度は、独立に定められる。例えば、一例として、量子化回路の受け付ける量子化特性の精度が、２進数表示の小数点以下１位までの場合、表９の量子化特性のうち、精度が高すぎる量子化特性を示す量子化情報を禁止する。このように制限した量子化特性を表１２に示す。この第５の実施例では、禁止された量子化情報を用いることは出来ない。
【０１７５】
【表１２】
【０１７６】
また、精度が高すぎる量子化特性を示す量子化情報を禁止する代わりに、それらの量子化情報が、最寄りの受け入れられる精度の量子化特性を表すように割り当てを変更する場合を第６の実施例とする。これを表１３に示す。表１３で、例えば、量子化特性０．５を表す量子化情報は、”０００ｘｘ”である。ここで、ｘは、ｄｏｎ’ｔ ｃａｒｅを表し、その位置のビットが０であっても１であっても構わないことを示す。この第６の実施例では、第５の実施例のように禁止される量子化情報はない。
【０１７７】
【表１３】
【０１７８】
ＭＰＥＧ方式の符号化されたビットストリーム(bitstream) は、可変長符号化コード（ＶＬＣ）を含むので、途中から復号化する場合には、発生し得る全ての可変長符号化コードに囲まれても、一意に解読できる特別のコードが必要である。ＭＰＥＧ方式の符号化されたビットストリームでは、２３個以上の０が続くコードが特別のコードであり、このため、その他の可変長符号化コードのどのような組合せでも、２３個以上の０が続くことがないように、その他の可変長符号化コードが制限されている。
【０１７９】
このため、０だけで構成される量子化情報は、なるべく用いられない。従って、表９、１２、１３内の量子化情報”０００００”が問題となる。これを解消するには、例えば、表９においては、”０”と”１”とを反転することで、あまり用いられないと考えられる大きな量子化特性”１１２”を禁止する。この例を表１４に示す。また、表１３の精度を２倍にして、量子化情報を反転させる場合を表１５に示す。
【０１８０】
【表１４】
【０１８１】
【表１５】
【０１８２】
次に、量子化情報を用いる際に、線形量子化と非線形量子化との切り換えが行われる場合の画像信号の符号化装置及び復号化装置について説明する。
【０１８３】
本発明実施例に係る画像信号の符号化装置の概略的な構成は、図１６に示す従来の符号化装置と同様であるが、逆量子化回路６０については、図３、図６、図７に示す概略的な構成の内の何れかの構成を持ち、量子化回路５７については、図８に示す概略的な構成を持つものである。
【０１８４】
図８の量子化回路５７には、図１６のＤＣＴ回路５６からの信号が入力され、最大係数選択回路２１０に送られる。この最大係数選択回路２１０では、最大係数を線形量子化で用いられる最大量子化幅６２で除算して得られる値と量子化レベルの最大値２５６とを比較し、上記得られる値が量子化レベルの最大値と同じ、もしくは量子化レベルの最大値より小さい値であるならば、量子化特性選択回路２１１では線形量子化のための量子化特性が選択される。このとき、量子化特性選択回路２１１からは線形量子化が選択されたことを示す量子化選択信号が信号切換スイッチ２１２及び図１６の可変長符号化回路５８に出力される。よって、信号切換スイッチ２１２は端子ａ側に切り換えられるので、量子化特性選択回路２１１からの出力は、信号切換スイッチ２１２の端子ａを介して線形量子化回路２１３に出力される。この線形量子化回路２１３では、線形の量子化特性により線形量子化が行われ、この線形量子化されたデータは可変長符号化回路５８及び逆量子化回路６０に出力される。
【０１８５】
また、上記可変長符号化回路５８には、量子化特性選択信号と共に量子化幅（スケール）も入力されるので、この可変長符号化回路５８では、上記量子化幅を用いて可変長符号化が行われる。
【０１８６】
これに対して、上記最大係数選択回路２１０での上記得られる値と量子化レベルの最大値との比較において、上記得られる値が量子化レベルの最大値より大きい値であるならば、量子化特性選択回路２１１では非線形量子化のための量子化特性が選択される。よって、量子化特性選択回路２１１からの非線形量子化が選択されたことを示す量子化選択信号が信号切換スイッチ２１２に出力され、信号切換スイッチ２１２は端子ｂ側に切り換えられる。量子化特性選択回路２１１からの出力は、信号切換スイッチ２１２の端子ｂを介して非線形量子化回路２１４に出力されて、非線形の量子化特性により非線形量子化が行われる。この非線形量子化されたデータは可変長符号化回路５８及び逆量子化回路６０に出力される。
【０１８７】
また、線形量子化が行われる場合と同様に、上記可変長符号化回路５８には、量子化特性選択信号と共に量子化幅も入力されるので、この可変長符号化回路５８では、上記量子化幅を用いて可変長符号化が行われる。
【０１８８】
ここで、上記線形／非線形量子化切換信号は、フレーム単位で切り換わるので、上記線形量子化及び非線形量子化はフレーム単位で行われる。
【０１８９】
尚、最大係数選択回路２１０では、ＭＰＥＧ方式で規定されている、使用する量子化特性を示すフラグを用いて、線形量子化を行うか、それとも非線形量子化を行うかを判別することも可能である。
【０１９０】
さらに、最大係数選択回路２１０では、ダイナミックレンジを用いて線形量子化もしくは非線形量子化の何れを行うかを判別することも可能である。
【０１９１】
また、本発明実施例に係る画像信号の復号化装置の概略的な構成は、図１９に示す従来の復号化装置と同様であるが、逆量子化回路８３については、図３、図６、図７に示す概略的な構成の内の何れかの構成を持つものである。
【０１９２】
上述の実施例は本発明の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他の様々な構成が取り得ることは勿論である。
【０１９３】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る画像信号の復号化装置では、伝送された画像データを可変長復号化する可変長復号化部と、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算により非線形の量子化特性（QUANT)を再生し、上記可変長復号化部からの量子化されたデータを上記再生された非線形の量子化特性に基づいて逆量子化する逆量子化部と、上記逆量子化されたデータに所定の演算を施す変換部とを有して成ることにより、広範囲で適切な精度の量子化特性で画像データを逆量子化することができる。
【０１９４】
従って、高画質の画像を復号化する場合には十分に小さな量子化特性を用いることができる。なお、符号化側では、大きい量子化特性が必要な画像を符号化する場合には十分に大きな量子化特性を用いることができる。
【０１９５】
また、符号化によって発生するビット量を精度良く制御するための適切な量子化特性を得ることができる。
【０１９６】
さらに、量子化特性のための非線形の数列を記憶する必要がないため、構成回路の規模が増大せず、段数の少ない乗算器とシフト演算だけで量子化及び逆量子化を行うことができるので、従来の画像信号の符号化方法、符号化装置、復号化方法及び復号化装置より乗算器の規模を半減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例を説明するための画像信号の符号化装置及び復号化装置内の量子化特性再生回路の概略的な構成を示す図である。
【図２】図１におけるシフト器１１０の概略的な構成を示す図である。
【図３】本発明に係る実施例を説明するための画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第３の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の量子化特性再生回路の概略的な構成を示す図である。
【図５】図４におけるシフト器１５０の概略的な構成を示す図である。
【図６】本発明に係る第３の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図７】本発明に係る第４の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図８】本発明に係る画像信号の符号化装置内の量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図９】高能率符号化の原理を説明する図である。
【図１０】画像データを圧縮する場合におけるピクチャのタイプを説明する図である。
【図１１】動画像信号を符号化する原理を説明する図である。
【図１２】画像信号のGOP Structure を表す図である。
【図１３】画像信号の入力順序、符号化順序、復号化順序、出力順序を説明するための図である。
【図１４】従来の画像信号の符号化装置及び復号化装置の構成例を示すブロック回路図である。
【図１５】図１４のフォーマット変換回路１７のフォーマット変換の動作を説明する図である。
【図１６】図１４のエンコーダ１８の構成例を示すブロック回路図である。
【図１７】図１６の予測モード切り換え回路５２の動作を説明する図である。
【図１８】図１６のＤＣＴモード切り換え回路５５の動作を説明する図である。
【図１９】図１４のデコーダ３１の構成例を示すブロック回路図である。
【図２０】従来の非線形量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１１０，１４３，１５０，１８３ シフト器、 １１１，１４１，１５１，１８１ テーブル部、 １１２，１４０，１５２，１８０ 加算器、 １４２，１８２ 乗算器、 １４４ 信号切換器、 １９０，１９１ 加算器、 １９２ シフト器、 ２１０ 最大係数選択回路、 ２１１ 量子化特性選択回路、 ２１２ 信号切換スイッチ、 ２１３ 線形量子化回路、 ２１４ 非線形量子化回路
【産業上の利用分野】
本発明は、光ディスクや磁気テープ等の蓄積系記録媒体を用いて画像のデータを量子化及び逆量子化する方法及び光ディスクや磁気テープ等の蓄積系記録媒体を用いた情報記録装置及び情報再生装置、又、例えばいわゆるテレビ会議システム、動画電話システム、放送用機器に適応して好適な画像信号の復号化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばテレビ会議システムやテレビ電話システム等のような映像信号及び音声信号を遠隔地に伝送する、いわゆる信号伝送システムにおいては、伝送路を効率良く利用するため、映像信号や音声信号を符号化することにより情報の伝送効率を高めることが行われている。
【０００３】
特に、動画像データは情報量が極めて多いため、この情報を長時間記録する場合には、映像信号を高能率符号化して記録すると共に、その記録された信号を読み出したときに能率良く復号化する手段が不可欠となり、このような要求に応えるべく、映像信号の相関を利用した高能率符号化方式が提案されており、その高能率符号化方式の１つにＭＰＥＧ(Moving Picture Experts Group)方式がある。
【０００４】
このＭＰＥＧ方式は、まず、フレーム間相関を利用して、映像信号の画像フレーム間の差分を取ることにより時間軸方向の冗長度を落とし、その後、ライン相関を利用して、離散コサイン変換（ＤＣＴ）等の処理を用いて空間軸方向の冗長度を落とすことにより映像信号を能率良く符号化している。
【０００５】
フレーム間相関を利用すると、例えば図９の（Ａ）に示すように、時刻ｔ＝ｔ1 、ｔ2 、ｔ3 において、フレーム画像ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３がそれぞれ発生しているとき、フレーム画像ＰＣ１とＰＣ２との画像信号の差を演算して、図９の（Ｂ）に示すように画像ＰＣ１２を生成し、また、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ２とＰＣ３との画像信号の差を演算して、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ２３を生成する。通常、時間的に隣接するフレーム画像は、それほど大きな変化がないため、２つのフレーム画像の差を演算したときの差分信号は小さな値となる。
【０００６】
すなわち、図９の（Ｂ）に示す画像ＰＣ１２においては、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ１とＰＣ２の画像信号の差として、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ１２の図中斜線で示す部分の差分信号が得られ、また、図９の（Ｂ）に示す画像ＰＣ２３においては、図９の（Ａ）のフレーム画像ＰＣ２とＰＣ３の画像信号の差として、図９の（Ｂ）の画像ＰＣ２３の図中斜線で示す部分の差分信号が得られる。そこで、この差分信号を符号化すれば、符号量を圧縮することができる。
【０００７】
しかしながら、上記差分信号のみを伝送したのでは元の画像を復元することはできないため、各フレームの画像を、Ｉピクチャ(Intra-coded picture：画像内符号化又はイントラ符号化画像）、Ｐピクチャ(Predictive-coded picture ：前方予測符号化画像）、Ｂピクチャ(Bidirectionally predictive-coded picture：両方向予測符号化画像）のいずれかのピクチャとし、画像信号を圧縮符号化するようにしている。
【０００８】
即ち、例えば、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フレームＦ１からフレームＦ１７までの１７フレームの画像信号をグループオブピクチャとし、処理の１単位とする。そして、その先頭のフレームＦ１の画像信号はＩピクチャとして符号化し、第２番目のフレームＦ２はＢピクチャとして、また第３番目のフレームＦ３はＰピクチャとして、それぞれ処理する。以下、第４番目以降のフレームＦ４からフレームＦ１７は、Ｂピクチャ又はＰピクチャとして交互に処理する。
【０００９】
Ｉピクチャの画像信号としては、その１フレーム分の画像信号をそのまま伝送する。これに対して、Ｐピクチャの画像信号としては、基本的には、図１０の（Ａ）に示すように、それより時間的に先行するＩピクチャ又はＰピクチャの画像信号からの差分を符号化して伝送する。さらに、Ｂピクチャの画像信号としては、基本的には、図１０の（Ｂ）に示すように、時間的に先行するフレーム及び後行するフレームの両方の画像信号の平均値からの差分を求め、その差分を符号化して伝送する。
【００１０】
図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、このようにして、動画像信号を符号化する方法の原理を示している。尚、図１１の（Ａ）は動画像信号のフレームのデータを、図１１の（Ｂ）は伝送されるフレームデータを模式的に示している。この図１１に示すように、最初のフレームＦ１はＩピクチャ、すなわち非補間フレームとして処理されるため、そのまま伝送データＦ１Ｘ（伝送非補間フレームデータ）として伝送路に伝送される（画像内符号化）。これに対して、第２のフレームＦ２はＢピクチャ、すなわち補間フレームとして処理されるため、時間的に先行する上記フレームＦ１と、時間的に後行するフレームＦ３（フレーム間符号化の非補間フレーム）の平均値との差分が演算され、その差分が伝送データ（伝送補間フレームデータ）Ｆ２Ｘとして伝送される。
【００１１】
但し、このＢピクチャとしての処理は、さらに細かく説明すると、４種類存在する。その第１の処理は、元のフレームＦ２のデータを図中破線の矢印ＳＰ１で示すように、そのまま伝送データＦ２Ｘとして伝送するものであり（イントラ符号化）、Ｉピクチャにおける場合と同様の処理となる。第２の処理は、時間的に後行するフレームＦ３からの差分を演算し、図中破線の矢印ＳＰ２で示すように、その差分を伝送するものである（後方予測符号化）。第３の処理は、図中破線の矢印ＳＰ３で示すように、時間的に先行するフレームＦ１との差分を伝送するものである（前方予測符号化）。さらに、第４の処理は、図中破線の矢印ＳＰ４で示すように、時間的に先行するフレームＦ１と、後行するフレームＦ３の平均値との差分を生成し、これを伝送データＦ２Ｘとして伝送するものである（両方向予測符号化）。
【００１２】
この４種類の方法のうち、伝送データが最も少なくなる方法が採用される。
【００１３】
尚、差分データを伝送するときには、差分を演算する対象となるフレームの画像（予測画像）との間の動きベクトルｘ１（前方予測符号化の場合のフレームＦ１とＦ２との間の動きベクトル）、もしくは動きベクトルｘ２（後方予測符号化の場合のフレームＦ３とＦ２との間の動きベクトル）、又は動きベクトルｘ１とｘ２の両方（両方向予測の場合）が、差分データと共に伝送される。
【００１４】
また、ＰピクチャのフレームＦ３（フレーム間符号化の非補間フレーム）は、時間的に先行するフレームＦ１を予測画像として、このフレームＦ１との差分信号（破線矢印ＳＰ３で示す）と、動きベクトルｘ３が演算され、これが伝送データＦ３Ｘとして伝送される（前方予測符号化）。あるいはまた、元のフレームＦ３のデータがそのまま伝送データＦ３Ｘとして伝送（破線矢印ＳＰ１で示す）される（イントラ符号化）。このＰピクチャにおいて、いずれの方法により伝送されるかは、Ｂピクチャにおける場合と同様であり、伝送データがより少なくなる方が選択される。
【００１５】
尚、ＢピクチャのフレームＦ４とＰピクチャのフレームＦ５も上述の方法と同様に処理され、伝送データＦ４Ｘ、Ｆ５Ｘ、動きベクトルｘ４、ｘ５、ｘ６等が得られる。
【００１６】
また、図１２は、画像シーケンスをフレーム内／フレーム間符号化する方法の他の例を示した図である。この図１２では、１５枚のフレームの周期が符号化の１つの単位となっている。
【００１７】
ここで、フレーム２はフレーム内符号化されるＩピクチャであり、フレーム５、８、１１、１４は、前方向からのみ予測されて、フレーム間符号化されるＰピクチャであり、フレーム０、１、３、４、６、７、９、１０、１２、１３は、前方向及び後方向の両方向から予測されて、フレーム間符号化されるＢピクチャである。
【００１８】
このフレーム内／フレーム間符号化のときの、入力順序、符号化順序、復号化順序、及び出力（表示）順序を、図１３に示す。
【００１９】
図１４は、上述した原理に基づいて、動画像信号を符号化して伝送し、これを復号化する装置の構成例を示している。符号化装置１は、入力された映像信号を符号化し、伝送路としての記録媒体３に伝送して記録するようになされている。そして、復号化装置２は、記録媒体３に記録された信号を再生し、これを復号して出力するようになされている。
【００２０】
先ず、符号化装置１においては、入力端子１０を介して入力された映像信号ＶＤが前処理回路１１に入力され、そこで輝度信号と色信号（この例の場合、色差信号）が分離され、それぞれＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１２、１３でＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器１２、１３によりＡ／Ｄ変換されてディジタル信号となった映像信号は、フレームメモリ１４に送られて記憶される。このフレームメモリ１４では、輝度信号を輝度信号フレームメモリ１５に、また、色差信号を色差信号フレームメモリ１６に、それぞれ記憶させる。
【００２１】
次に、フォーマット変換回路１７は、フレームメモリ１４に記憶されたフレームフォーマットの信号を、ブロックフォーマットの信号に変換する。即ち、図１５の（Ａ）に示すように、フレームメモリ１４に記憶された映像信号は、１ライン当りＨドットのラインがＶライン集められたフレームフォーマットのデータとされている。フォーマット変換回路１７は、この１フレームの信号を、１６ラインを単位としてＮ個のスライスに区分する。そして、各スライスは、図１５の（Ｂ）に示すように、Ｍ個のマクロブロックに分割される。各マクロブロックは、図１５の（Ｃ）に示すように、１６×１６個の画素（ドット）に対応する輝度信号により構成され、この輝度信号は、図１５の（Ｃ）に示すように、さらに８×８ドットを単位とするブロックＹ［１］からＹ［４］に区分される。そして、この１６×１６ドットの輝度信号には、８×８ドットのＣｂ信号と、８×８ドットのＣｒ信号が対応される。
【００２２】
このとき、図１５の（Ａ）に示す各スライス内の動画像信号の配列は、図１５の（Ｃ）に示すマクロブロック単位で動画像信号が連続するようになされており、このマクロブロック内では、ラスタ走査の順により微小ブロック単位で動画像信号が連続するようになされている。
【００２３】
このように、ブロックフォーマットに変換されたデータは、フォーマット変換回路１７からエンコーダ１８に供給され、エンコード（符号化）が行われる。エンコーダ１８の詳細については、図１６を参照して後述する。
【００２４】
エンコーダ１８によりエンコードされた信号は、ビットストリームとして伝送路に出力され、例えば記録媒体３に記録される。この記録媒体３より再生されたデータは、復号化装置２のデコーダ３１に供給され、デコード（復号化）される。デコーダ３１の詳細については、図１９を参照して後述する。
【００２５】
デコーダ３１によりデコードされたデータは、フォーマット変換回路３２に入力され、上記ブロックフォーマットから上記フレームフォーマットに変換される。そして、このフレームフォーマットの輝度信号は、フレームメモリ３３の輝度信号フレームメモリ３４に送られて記憶され、色差信号は色差信号フレームメモリ３５に送られて記憶される。輝度信号フレームメモリ３４と色差信号フレームメモリ３５とから読み出された輝度信号と色差信号は、Ｄ／Ａ変換器３６、３７によりそれぞれＤ／Ａ変換され、さらに後処理回路３８に供給され、この後処理回路３８で合成される。この出力映像信号は、出力端子３０から図示しない、例えばＣＲＴなどのディスプレイに出力され、表示される。
【００２６】
次に図１６を参照して、エンコーダ１８の構成について説明する。
【００２７】
先ず、入力端子４９を介して供給された符号化されるべき画像データは、前記マクロブロック単位で動きベクトル検出回路５０に入力される。動きベクトル検出回路５０は、予め設定されている所定のシーケンスに従って、各フレームの画像データを、Ｉピクチャ、Ｐピクチャ、又はＢピクチャとして処理する。ここで、シーケンシャルに入力される各フレームの画像を、Ｉ，Ｐ，Ｂのいずれのピクチャとして処理するかは、予め定められている（例えば、図１０に示したように、フレームＦ１からＦ１７より構成されるグループオブピクチャは、Ｉ，Ｂ，Ｐ，Ｂ，Ｐ，・・・Ｂ，Ｐとして処理される）。
【００２８】
上記Ｉピクチャとして処理されるフレーム（例えば、前記フレームＦ１）の画像データは、動きベクトル検出回路５０からフレームメモリ５１の前方原画像部５１ａに転送されて記憶され、Ｂピクチャとして処理されるフレーム（例えばフレームＦ２）の画像データは、原画像部（参照原画像部）５１ｂに転送されて記憶され、Ｐピクチャとして処理されるフレーム（例えばフレームＦ３）の画像データは、後方原画像部５１ｃに転送されて記憶される。
【００２９】
また、次のタイミングにおいて、さらにＢピクチャ（例えば、前記フレームＦ４）又はＰピクチャ（例えばフレームＦ５）として処理すべきフレームの画像が入力されたとき、それまで後方原画像部５１ｃに記憶されていた最初のＰピクチャ（フレームＦ３）の画像データが、前方原画像部５１ａに転送され、次のＢピクチャ（フレームＦ４）の画像データが、原画像部５１ｂに記憶（上書き）され、次のＰピクチャ（フレームＦ５）の画像データが、後方原画像部５１ｃに記憶（上書き）される。このような動作が順次繰り返される。
【００３０】
上記フレームメモリ５１に記憶された各ピクチャの信号は、読み出されて予測モード切り換え回路５２に送られる。この予測モード切り換え回路５２においては、フレーム予測モード処理、又はフィールド予測モード処理が行われる。さらにまた予測判定回路５４の制御の下に、演算部５３において、画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測の演算が行われる。これらの処理のうち、いずれの処理を行うかは、予測誤差信号（処理の対象とされている参照画像と、これに対する予測画像との差分）に対応して決定される。このため、動きベクトル検出回路５０は、この判定に用いられる予測誤差信号の絶対値和（自乗和でもよい）を生成する。
【００３１】
ここで、予測モード切り換え回路５２におけるフレーム予測モードとフィールド予測モードとについて説明する。
【００３２】
上記予測モード切り換え回路５２においてフレーム予測モードが設定された場合には、予測モード切り換え回路５２は、動きベクトル検出回路５０より供給される４個の輝度ブロックＹ［１］からＹ［４］を、そのまま後段の演算部５３に出力する。即ち、この場合においては、図１７の（Ａ）に示すように、各輝度ブロックに奇数フィールドのラインのデータと、偶数フィールドのラインのデータとが混在した状態となっている。尚、図１７の各マクロブロック中の実線は奇数フィールドのライン（第１フィールドのライン）のデータを、破線は偶数フィールドのライン（第２フィールドのライン）のデータを示し、図１７中のａ及びｂは動き補償の単位を示している。上記フレーム予測モードにおいては、４個の輝度ブロック（マクロブロック）を単位として予測が行われ、４個の輝度ブロックに対して１個の動きベクトルが対応される。
【００３３】
これに対して、予測モード切り換え回路５２においてフィールド予測モードが設定された場合には、図１７の（Ａ）に示す構成で動きベクトル検出回路５０より入力される信号を、図１７の（Ｂ）に示すように、例えば４個の輝度ブロックの内の輝度ブロックＹ［１］とＹ［２］とを奇数フィールドのラインのデータのみより構成し、他の２個の輝度ブロックＹ［３］とＹ［４］とを偶数フィールドのラインのデータのみより構成して、演算部５３に出力する。この場合においては、２個の輝度ブロックＹ［１］とＹ［２］とに対して１個の動きベクトルが対応され、他の２個の輝度ブロックＹ［３］とＹ［４］とに対して他の１個の動きベクトルが対応される。
【００３４】
図１６の構成に即して説明すると、動きベクトル検出回路５０は、フレーム予測モードにおける予測誤差の絶対値和とフィールド予測モードにおける予測誤差の絶対値和とを、予測モード切り換え回路５２に出力する。この予測モード切り換え回路５２では、フレーム予測モードとフィールド予測モードとにおける予測誤差の絶対値和を比較し、その値が小さいほうの予測モードに対応する上述したような処理を施し、これにより得られるデータを演算部５３に出力する。
【００３５】
但し、このような処理は、実際には動きベクトル検出回路５０で行われる。即ち、動きベクトル検出回路５０は、決定されたモードに対応する構成の信号を予測モード切り換え回路５２に出力し、この予測モード切り換え回路５２は、その信号を、そのまま後段の演算部５３に出力する。
【００３６】
尚、色差信号は、フレーム予測モードの場合には図１７の（Ａ）に示すように、奇数フィールドのラインのデータと偶数フィールドのラインのデータとが混在する状態で、演算部５３に供給される。また、フィールド予測モードの場合には図１７の（Ｂ）に示すように、各色差ブロックＣｂ［５］、Ｃｒ［６］の上半分（４ライン）が、輝度ブロックＹ［１］、Ｙ［２］に対応する奇数フィールドの色差信号とされ、各色差ブロックＣｂ［５］、Ｃｒ［６］の下半分（４ライン）が、輝度ブロックＹ［３］、Ｙ［４］に対応する偶数フィールドの色差信号とされる。
【００３７】
また、動きベクトル検出回路５０は、次のようにして、予測判定回路５４において、画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測のいずれの予測を行うかを決定するための予測誤差の絶対値和を生成する。
【００３８】
即ち、画像内予測の予測誤差の絶対値和として、参照画像のマクロブロックの信号Ａijの和ΣＡijの絶対値｜ΣＡij｜と、マクロブロックの信号Ａijの絶対値｜Ａij｜の和Σ｜Ａij｜との差を求める。また、前方予測の予測誤差の絶対値和として、参照画像のマクロブロックの信号Ａijと、予測画像のマクロブロックの信号Ｂijとの差（Ａij−Ｂij）の絶対値｜Ａij−Ｂij｜の和Σ｜Ａij−Ｂij｜を求める。また、後方予測と両方向予測の予測誤差の絶対値和も、前方予測における場合と同様に（その予測画像を前方予測における場合と異なる予測画像に変更して）求める。
【００３９】
これらの絶対値和は、予測判定回路５４に供給される。予測判定回路５４は、前方予測、後方予測および両方向予測の予測誤差の絶対値和のうち、最も小さいものを、インター(inter) 予測の予測誤差の絶対値和として選択する。さらに、このインター予測の予測誤差の絶対値和と、画像内予測の予測誤差の絶対値和とを比較して小さい方を選択し、この選択した絶対値和に対応するモードを予測モードとして選択する。即ち、画像内予測の予測誤差の絶対値和の方が小さければ、画像内予測モードが設定される。インター予測の予測誤差の絶対値和の方が小さければ、前方予測、後方予測、又は両方向予測モードのうち、対応する絶対値和が最も小さいモードが設定される。
【００４０】
このように、動きベクトル検出回路５０は、参照画像のマクロブロックの信号を、予測モード切り換え回路５２により選択されたフレーム予測モード又はフィールド予測モードに対応する図１７で示したような構成で、予測モード切り換え回路５２を介して演算部５３に供給すると共に、４つの予測モードのうちで予測判定回路５４により選択された予測モードに対応する予測画像と参照画像との間の動きベクトルを検出し、後述する可変長符号化回路５８と動き補償回路６４とに出力する。尚、上述したように、この動きベクトルとしては、対応する予測誤差の絶対値和が最小となるものが選択される。
【００４１】
予測判定回路５４は、動きベクトル検出回路５０が前方原画像部５１ａよりＩピクチャの画像データを読み出すときには、予測モードとして、フレーム（画像）内予測モード（動き補償を行わないモード）を設定し、演算部５３のスイッチを接点ａ側に切り換える。これにより、Ｉピクチャの画像データがＤＣＴモード切り換え回路５５に入力される。
【００４２】
このＤＣＴモード切り換え回路５５は、図１８の（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、４個の輝度ブロックのデータを、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが混在する状態（フレームＤＣＴモード）、又は奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが分離された状態（フィールドＤＣＴモード）のいずれかの状態にして、ＤＣＴ回路５６に出力する。即ち、ＤＣＴモード切り換え回路５５は、奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとを混在してＤＣＴ処理した場合の符号化効率と、奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとを分離してＤＣＴ処理した場合の符号化効率とを比較し、符号化効率の良好なモードを選択する。
【００４３】
例えば、入力された信号を、図１８の（Ａ）に示すように、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが混在する構成とし、上下に隣接する奇数フィールドのラインの信号と偶数フィールドのラインの信号との差を演算し、さらにその絶対値の和（又は自乗和）を求める。また、入力された信号を、図１８の（Ｂ）に示すように、奇数フィールドのラインと偶数フィールドのラインとが分離した構成とし、上下に隣接する奇数フィールドのライン同士の信号の差と、偶数フィールドのライン同士の信号の差をそれぞれ演算し、それぞれの絶対値の和（又は自乗和）を求める。さらに、上記求められた両者（絶対値和）を比較し、小さい値に対応するＤＣＴモードを設定する。即ち、このＤＣＴモード切り換え回路５５は、前者の方が小さければフレームＤＣＴモードを設定し、後者の方が小さければフィールドＤＣＴモードを設定する。そして、選択したＤＣＴモードに対応する構成のデータをＤＣＴ回路５６に出力すると共に、選択したＤＣＴモードを示すＤＣＴフラグを可変長符号化回路５８と動き補償回路６４とに出力する。
【００４４】
予測モード切り換え回路５２における予測モード（図１７参照）と、ＤＣＴモード切り換え回路５５におけるＤＣＴモード（図１８参照）とを比較して明らかなように、輝度ブロックに関しては、両者の各モードにおけるデータ構造は実質的に同一である。
【００４５】
予測モード切り換え回路５２においてフレーム予測モード（奇数ラインと偶数ラインとが混在するモード）が選択された場合、ＤＣＴモード切り換え回路５５においてもフレームＤＣＴモード（奇数ラインと偶数ラインとが混在するモード）が選択される可能性が高く、また予測モード切り換え回路５２においてフィールド予測モード（奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとが分離されたモード）が選択された場合、ＤＣＴモード切り換え回路５５においてフィールドＤＣＴモード（奇数フィールドのデータと偶数フィールドのデータとが分離されたモード）が選択される可能性が高い。
【００４６】
しかしながら、必ずしも常にそのようになされるわけではなく、予測モード切り換え回路５２においては、予測誤差の絶対値和が小さくなるように予測モードが決定され、ＤＣＴモード切り換え回路５５においては、符号化効率が良好となるようにＤＣＴモードが決定される。
【００４７】
ＤＣＴモード切り換え回路５５より出力されたＩピクチャの画像データはＤＣＴ回路５６に入力されてＤＣＴ（離散コサイン変換）処理され、ＤＣＴ係数に変換される。このＤＣＴ係数は量子化回路５７に入力され、後段の送信バッファ５９のデータ蓄積量（バッファ蓄積量）に対応した量子化ステップで量子化された後、可変長符号化回路５８に入力される。
【００４８】
可変長符号化回路５８は、量子化回路５７より供給される量子化ステップ（スケール）に対応して、量子化回路５７より供給される画像データ（この場合は、Ｉピクチャのデータ）を、例えばハフマン(Huffman) 符号などの可変長符号に変換し、送信バッファ５９に出力する。また、可変長符号化回路５８には、量子化回路５７からの量子化ステップ（スケール）、予測判定回路５４からの予測モード（画像内予測、前方予測、後方予測、又は両方向予測のいずれが設定されたかを示すモード）、動きベクトル検出回路５０からの動きベクトル、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグ（フレーム予測モード又はフィールド予測モードのいずれが設定されたかを示すフラグ）、及びＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグ（フレームＤＣＴモード又はフィールドＤＣＴモードのいずれが設定されたかを示すフラグ）が入力されており、これらも可変長符号化される。
【００４９】
送信バッファ５９は、入力されたデータを一時蓄積し、蓄積量に対応するデータを量子化回路５７に出力する。送信バッファ５９は、送信バッファ５９内のデータ残量が許容上限値まで増量すると、量子化制御信号によって量子化回路５７の量子化ステップを大きくすることにより、量子化データのデータ量を低下させる。また、これとは逆に、送信バッファ５９内のデータ残量が許容下限値まで減少すると、送信バッファ５９は量子化制御信号によって量子化回路５７の量子化ステップを小さくすることにより、量子化データのデータ量を増大させる。このようにして、送信バッファ５９のオーバフロー又はアンダフローが防止される。そして、送信バッファ５９に蓄積されたデータは、所定のタイミングで読み出され、出力端子６９を介して伝送路に出力され、例えば前記記録媒体３に記録される。
【００５０】
一方、量子化回路５７より出力されたＩピクチャのデータは逆量子化回路６０に入力され、量子化回路５７より供給される量子化ステップに対応して逆量子化される。逆量子化回路６０の出力はＩＤＣＴ（逆ＤＣＴ）回路６１に入力されて逆ＤＣＴ処理される。
【００５１】
ここで、変換回路６６には、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグ及びＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグが入力されている。また、変換回路６５には予測モード切り換え回路５２からの予測フラグが入力されている。ＩＤＣＴ回路６１で逆ＤＣＴ処理されたデータは、変換回路６６、演算器６２及び変換回路６５を介すことにより、データの整合性が取られた後、フレームメモリ６３の前方予測画像部６３ａに供給され、記憶される。
【００５２】
ところで、動きベクトル検出回路５０は、シーケンシャルに入力される各フレームの画像データを、例えば、Ｉ、Ｂ、Ｐ、Ｂ、Ｐ、Ｂ・・・のピクチャとしてそれぞれ処理する場合には、最初に入力されたフレームの画像データをＩピクチャとして処理した後、次に入力されたフレームの画像をＢピクチャとして処理する前に、さらにその次に入力されたフレームの画像データをＰピクチャとして処理する。即ち、上記Ｂピクチャは後方予測を伴うため、後方予測画像としてのＰピクチャが先に用意されていないと、復号化されることができないからである。
【００５３】
そこで、動きベクトル検出回路５０は、Ｉピクチャの処理の次に、後方原画像部５１ｃに記憶されているＰピクチャの画像データの処理を開始する。そして、上述した場合と同様に、マクロブロック単位でのフレーム間差分（予測誤差）の絶対値和が、動きベクトル検出回路５０から予測モード切り換え回路５２と予測判定回路５４とに供給される。予測モード切り換え回路５２及び予測判定回路５４は、このＰピクチャのマクロブロックの予測誤差の絶対値和に対応して、フレーム／フィールド予測モード、又は画像内予測、前方予測、後方予測、もしくは両方向予測の予測モードを設定する。
【００５４】
画像内予測モードが設定されたときには、演算部５３内のスイッチを上述したように接点ａ側に切り換える。従って、上記Ｐピクチャの画像データは、Ｉピクチャの画像データと同様に、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して伝送路に伝送される。また、この画像データは、逆量子化回路６０、ＩＤＣＴ回路６１、変換回路６６、演算器６２、変換回路６５を介してフレームメモリ６３の後方予測画像部６３ｂに供給され、記憶される。
【００５５】
一方、前方予測モードのときには、演算部５３内のスイッチが接点ｂ側に切り換えられると共に、フレームメモリ６３の前方予測画像部６３ａに記憶されている画像（いまの場合、Ｉピクチャの画像）データが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より前方予測モードの設定を指令されたとき、前方予測画像部６３ａの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０が現在出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトルに対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００５６】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ａに供給される。演算器５３ａは、予測モード切り換え回路５２より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された、上記マクロブロックに対応する予測画像データを減算し、その差分（予測誤差）を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９より伝送路に伝送される。また、この差分データは、逆量子化回路６０及びＩＤＣＴ回路６１により局所的に復号化され、変換回路６６を介して演算器６２に入力される。
【００５７】
この変換回路６６には、予測モード切り換え回路５２からの予測フラグとＤＣＴモード切り換え回路５５からのＤＣＴフラグとが供給されており、これによってＩＤＣＴ回路６１からの出力の整合性が取られる。
【００５８】
また、この演算器６２には、演算器５３ａに供給されている予測画像データと同一のデータが供給されている。演算器６２は、ＩＤＣＴ回路６１が出力する差分データに、動き補償回路６４が出力する予測画像データを加算する。これにより、元の（復号した）Ｐピクチャの画像データが得られる。このＰピクチャの画像データは、変換回路６５を介してフレームメモリ６３の後方予測画像部６３ｂに供給され、記憶される。
【００５９】
このように、ＩピクチャのデータとＰピクチャのデータとが前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂとにそれぞれ記憶された後、次に、動きベクトル検出回路５０はＢピクチャの処理を実行する。マクロブロック単位でのフレーム間差分の絶対値和の大きさに対応して、予測モード切り換え回路５２はフレームモード又はフィールドモードを設定し、また、予測判定回路５４は予測モードを画像内予測モード、前方予測モード、後方予測モード、又は両方向予測モードのいずれかに設定する。
【００６０】
上述したように、フレーム内予測モード又は前方予測モードのときには、演算部５３内のスイッチは接点ａ又は接点ｂに切り換えられる。このとき、Ｐピクチャにおける場合と同様の処理が行われ、データが伝送される。これに対して、後方予測モード又は両方向予測モードが設定されたときには、演算部５３内のスイッチは、接点ｃ又は接点ｄに切り換えられる。
【００６１】
演算部５３内のスイッチが接点ｃ側に切り換えられる後方予測モードのときには、後方予測画像部６３ｂに記憶されている画像（いまの場合、Ｐピクチャの画像）データが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より後方予測モードの設定を指令されたときには、後方予測画像部６３ｂの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０がいま出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトルに対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００６２】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ｂに供給される。演算器５３ｂは、予測モード切り換え回路５２より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された予測画像データを減算し、その差分を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９から伝送路に伝送される。
【００６３】
演算部５３内のスイッチが接点ｄ側に切り換えられる両方向予測モードのときには、前方予測画像部６３ａに記憶されている画像（いまの場合、Ｉピクチャの画像）データと、後方予測画像部６３ｂに記憶されている画像（いまの場合、Ｐピクチャの画像）データとが読み出され、動き補償回路６４により、動きベクトル検出回路５０が出力する動きベクトルに対応して動き補償される。即ち、動き補償回路６４は、予測判定回路５４より両方向予測モードの設定を指令されたとき、前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂの読み出しアドレスを、動きベクトル検出回路５０がいま出力しているマクロブロックの位置に対応する位置から動きベクトル（この場合の動きベクトルは、前方予測画像用と後方予測画像用の２つとなる）に対応する分だけずらしてデータを読み出し、予測画像データを生成する。
【００６４】
動き補償回路６４より出力された予測画像データは、演算器５３ｃに供給される。演算器５３ｃは、動きベクトル検出回路５０より供給された参照画像のマクロブロックのデータから、動き補償回路６４より供給された予測画像データの平均値を減算し、その差分を出力する。この差分データは、ＤＣＴモード切り換え回路５５、ＤＣＴ回路５６、量子化回路５７、可変長符号化回路５８、送信バッファ５９を介して出力端子６９から伝送路に伝送される。
【００６５】
Ｂピクチャの画像は、他の画像の予測画像とされることがないため、フレームメモリ６３には記憶されない。
【００６６】
尚、フレームメモリ６３において、前方予測画像部６３ａと後方予測画像部６３ｂとは、必要に応じてバンク切り換えが行われ、所定の参照画像に対して、一方又は他方に記憶されているものを、前方予測画像あるいは後方予測画像として切り換えて出力することができる。
【００６７】
以上においては、輝度ブロックを中心として説明をしたが、色差ブロックについても同様に、図１７及び図１８に示すマクロブロックを単位として処理され、伝送される。尚、色差ブロックを処理する場合の動きベクトルは、対応する輝度ブロックの動きベクトルを垂直方向と水平方向に、それぞれ１／２にしたものが用いられる。
【００６８】
次に、図１９は、図１４のデコーダ３１の構成の一例を示すブロック図である。伝送路（記録媒体３）を介して伝送された符号化された画像データは、図示せぬ受信回路で受信されたり、再生装置で再生されたりした後に、入力端子８０を介して、受信バッファ８１に一時記憶される。この後、一時記憶された画像データは復号回路９０の可変長復号化回路８２に供給される。可変長復号化回路８２は、受信バッファ８１より供給されたデータを可変長復号化し、動きベクトル、予測モード、予測フラグ及びＤＣＴフラグを動き補償回路８７に、また、量子化ステップを逆量子化回路８３に、それぞれ出力すると共に、復号された画像データを逆量子化回路８３に出力する。
【００６９】
逆量子化回路８３は、可変長復号化回路８２より供給された画像データを、上記供給された量子化ステップに従って逆量子化し、ＩＤＣＴ回路８４に出力する。逆量子化回路８３より出力されたデータ（ＤＣＴ係数）は、ＩＤＣＴ回路８４で逆ＤＣＴ処理され、変換回路８８を介して演算器８５に供給される。
【００７０】
変換回路８８には予測フラグ及びＤＣＴフラグが供給されており、変換回路８８ではこれらのフラグに基づいてＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データの整合性を取っている。
【００７１】
演算器８５に供給された画像データがＩピクチャのデータである場合には、そのデータは演算器８５より出力され、演算器８５に後に入力される画像データ（Ｐ又はＢピクチャのデータ）の予測画像データ生成のために、変換回路８９を介してフレームメモリ８６内の前方予測画像部８６ａに供給されて記憶される。また、このデータは、変換回路８９を介して出力端子９１より図１４のフォーマット変換回路３２に出力される。
【００７２】
演算器８５に供給された画像データが、その１フレーム前の画像データを予測画像データとするＰピクチャのデータであって、前方予測モードのデータである場合には、フレームメモリ８６の前方予測画像部８６ａに記憶されている、１フレーム前の画像データ（Ｉピクチャのデータ）が読み出され、動き補償回路８７で可変長復号化回路８２より出力された動きベクトルに対応する動き補償が施される。そして、演算器８５において、変換回路８８を介してＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データ（差分のデータ）と加算され、出力される。この加算されたデータ、即ち、復号されたＰピクチャのデータは、演算器８５に後に入力される画像データ（Ｂピクチャ又はＰピクチャのデータ）の予測画像データ生成のために、変換回路８９を介してフレームメモリ８６内の後方予測画像部８６ｂに供給されて記憶される。
【００７３】
Ｐピクチャのデータであっても、画像内予測モードのデータは、Ｉピクチャのデータと同様に、演算器８５において処理は行わず、そのまま変換回路８９を介して後方予測画像部８６ｂに記憶される。このＰピクチャは、次のＢピクチャの次に表示されるべき画像であるため、この時点では、まだフォーマット変換回路３２へ出力されない（上述したように、Ｂピクチャの後に入力されたＰピクチャが、Ｂピクチャより先に処理され、伝送されている）。
【００７４】
ＩＤＣＴ回路８４より供給された画像データが、Ｂピクチャのデータである場合には、可変長復号化回路８２より供給された予測モードに対応して、フレームメモリ８６内の前方予測画像部８６ａに記憶されているＩピクチャの画像データ（前方予測モードの場合）、後方予測画像部８６ｂに記憶されているＰピクチャの画像データ（後方予測モードの場合）、又はその両方の画像データ（両方向予測モードの場合）が読み出され、動き補償回路８７において、可変長復号化回路８２より出力された動きベクトルに対応する動き補償が施されて、予測画像が生成される。但し、動き補償を必要としない場合（画像内予測モードの場合）には、予測画像は生成されない。
【００７５】
このようにして、動き補償回路８７で動き補償が施されたデータは、演算器８５において、変換回路８８からの出力と加算される。この加算出力は、変換回路８９を介して出力端子９１より図１４のフォーマット変換回路３２に出力される。但し、この加算出力はＢピクチャのデータであり、他の画像の予測画像生成のために利用されることがないため、フレームメモリ８６には記憶されない。
【００７６】
Ｂピクチャの画像が出力された後、後方予測画像部８６ｂに記憶されているＰピクチャの画像データが読み出され、動き補償回路８７を介して演算器８５に供給される。但し、このとき、動き補償は行われない。
【００７７】
尚、このデコーダ３１には、図１６のエンコーダ１８における予測モード切り換え回路５２とＤＣＴモード切り換え回路５５とに対応する回路が図示されていないが、これらの回路に対応する処理、即ち、奇数フィールドのラインの信号と偶数フィールドのラインの信号とが分離された構成を元の混在する構成に必要に応じて戻す処理は、動き補償回路８７が実行する。
【００７８】
また、以上においては、輝度信号の処理について説明したが、色差信号の処理も同様に行われる。但し、この場合、動きベクトルは、輝度信号用のものを、垂直方向及び水平方向に１／２にしたものが用いられる。
【００７９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の画像信号の符号化において量子化及び逆量子化を行う際には、量子化の細かさを表す値、即ち量子化幅（量子化ステップサイズ）を用いる。この量子化幅には２から６２までの偶数の値が用いられる。また、この量子化幅を表す値として、量子化特性(QUANT) がある。この量子化特性には１から３１の整数値が用いられており、上記量子化幅はこの量子化特性を２倍した値である。
【００８０】
上記量子化幅は、一般の画像を目標のデータ量に圧縮する場合に必要な値である。しかし、一般の画像より統計的な性質が大きく外れている画像を上記量子化幅を用いて圧縮すること、例えば、画素の相関が極端に低い画像、又はホワイトノイズに近い画像を、周波数領域での係数の集中を利用するＤＣＴ符号化により圧縮することは、非常に困難である。即ち、この場合には、上記量子化特性の最大値である３１を用いても、画像を目標のサイズに圧縮することはできない。
【００８１】
また、非常に高画質な画像を得ようとする場合、例えば歪みがほとんどない（ロスレスという）画像を得ようとする場合には、用いられる量子化特性は最小値である１でも大きすぎるため、画像を精確に復元することができるような量子化を行うことができない。
【００８２】
さらに、画像信号の符号化においては、圧縮されたビットストリームは目標の伝送速度に制御される場合が多い。このとき、一般的な線形量子化器においては、上記量子化特性と上記量子化特性に基づいて量子化された画像データの発生ビット量とは、反比例に近い関係をもつ（より正確には、対数に近い関係である）。
【００８３】
従って、量子化特性が小さい範囲にある場合に、量子化特性を１だけ変化させると、上記発生ビット量は大きく変化する。例えば、量子化特性を１から２に変化させた場合には、発生ビット量は約半分になる。これは、量子化特性が小さい範囲にある場合には、量子化特性の間隔が広すぎて、上記発生ビット量を細かく制御することは困難であることを示している。
【００８４】
逆に、量子化特性が大きい範囲にある場合に、量子化特性を１だけ変化させても、上記発生ビット量はほとんど変化しない。例えば、量子化特性を３０から３１に変化させた場合には、上記量子化特性が３１であるときの発生ビット量は、上記量子化特性が３０であるときの発生ビット量の５％も変化することはない。これは、量子化特性が大きい範囲にある場合には、量子化特性の間隔が不必要に狭いことを示している。
【００８５】
以上のような問題を克服するために、量子化特性として１から３１の単純に増える数列をそのまま用いるのではなく、非線形な数列にマッピングする方法がある。ここで、量子化特性を非線形な数列にマッピングしたときの上記量子化特性を求めるための量子化情報とこの量子化情報による量子化特性との関係を表２に示す。尚、上記量子化情報はインデックスと呼ばれて、数値で表されることもある。
【００８６】
【表２】
この非線形な数列の量子化特性を用いることにより、上述したような量子化特性の範囲により生じる問題点を解決することはできる。しかし、上記量子化特性は非線形な数列へ変換されたテーブル（マッピング）の値であるため、符号化装置及び復号化装置においては、上記テーブルの値を記憶するための構成が必要になる。このため、符号化装置及び復号化装置を構成するハードウェア量が増大する。
【００８８】
図２０には、従来の非線形な数列の量子化特性を用いたときの逆量子化器の概略的な構成を示す。この非線形な数列の量子化特性を記憶するためにＲＯＭ（リードオンリメモリ）等を用いたテーブル部２００を用意し、このテーブル部２００から８ビットの量子化特性を読み出す。乗算器２０１において、上記量子化特性に量子化された画像データのためのｎビットの変換係数を乗算し、量子化データを逆量子化する。この逆量子化器内では上記テーブル部２００のために大規模な回路を必要とし、また上記乗算器２０１にも同様に大規模な回路が必要である。
【００８９】
即ち、従来の画像信号の符号化装置及び復号化装置においては、量子化特性として１から３１までの値、もしくは表２に示すような非線形な数列の値を用いるために、上記画像信号の符号化装置内の量子化器及び上記画像信号の復号化装置内の逆量子化器には乗算器が必要となる。この乗算器は回路規模が大きく、上記画像信号の符号化装置及び復号化装置の構成にとって大きな障害となっている。
【００９０】
そこで、本発明は上述の実情に鑑み、構成回路の規模を増大せずに、画像データの量子化及び逆量子化の際に適切な量子化特性を用いることができるような符号化／復号化に適用可能な画像信号の復号化方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００９１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像信号の復号化方法では、伝送された符号化データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、上記伝送された符号化データは、量子化情報及び切換信号を含み、上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて非線形逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【００９２】
このような画像信号の符号化方法あるいは復号化方法において、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報にｋ、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報に（ｉ／２＋ｊ）を用いることにより量子化特性を求め、この量子化特性の定数倍を量子化幅とすることが好ましい。
ここで、ｊ、ｋは正の整数であり、ｉは０又は１で表される値である。
【００９３】
また、上記量子化特性QUANT は、
QUANT ＝（ｉ／２＋ｊ）×２k ＋２(k+2) −４
に示す式で表される。
【００９４】
さらに、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は、５ビットの符号で表現され、上記量子化情報ｋ、ｊ、ｉと上記量子化特性との関係は、例えば表１に表すものとする。
【００９５】
そのうえ、上記量子化特性が２進数で表現されるときに、連続した４ビット又は５ビットに有効ビットが存在する。
【００９６】
このとき、符号化データを逆量子化する際に、符号化データを３回加算し、この加算結果を上記第１の量子化情報ｋによって定まるビット分シフトする。
【００９７】
また、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報にｍ、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報にαi を用いることにより量子化特性を求め、この量子化特性の定数倍を量子化幅とすることが好ましい。
ここで、ｍは所望の量子化特性を表すのに必要なべき数値（整数）、αi （ｉ＝１〜ｎ）は０又は１で表される値である。
【００９８】
このとき、上記量子化特性QUANT は、
QUANT ＝２(m-1) ＋α1 ×２(m-2) ＋α2 ×２(m-3) ＋・・＋αn ×２(m-n-1)
に示す式で表される。
ここで、ｎは量子化特性の精度を表す、予め定められた整数値である。
【００９９】
さらに、上記第１の量子化情報ｍの取り得る範囲を表すのに必要なビット数をＬとしたときに、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は（Ｌ＋ｎ）ビットの符号で表現され、符号化データを逆量子化する際に、符号化データをｎ回加算し、この加算結果をＬビット分シフトする。
【０１００】
また、上記第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成る上記量子化情報は５ビットの符号で表現されるものとする。
【０１０１】
このとき、符号化データを逆量子化する際には、符号化データを２回加算し、この加算結果を３ビット分シフトする。
【０１０２】
なお、上記本発明に係る画像信号の復号化方法に対応する符号化方法としては、量子化の際には、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性（QUANT)に基づいて量子化を行うことが挙げられる。
【０１０３】
また、本発明に係る画像信号の復号化方法では、伝送された画像データを可変長復号化して得られたデータを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲では、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲では、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲では、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【０１０４】
ここで、上記線形／非線形量子化切換信号がフレーム単位で切り換わることにより、線形逆量子及び非線形逆量子化がフレーム単位で行われることを特徴とする。
【０１０５】
また、本発明に係る画像信号の復号化装置では、伝送された画像データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化装置において、上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、伝送された画像データを可変長復号化する可変長復号化部と、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行う手段と、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（QUANT）に基づいて非線形逆量子化を行う手段とよりなり、これらの手段が上記切換信号によって選択可能とされる逆量子化部と、上記逆量子化されたデータに所定の演算を施す変換部とを有して成り、上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とすることにより上述した課題を解決する。
【０１０６】
ここで、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記第１の量子化情報に基づいて上記第２の量子化情報をシフトするシフト手段と、上記テーブル部からの出力と上記シフト手段からの出力とを加算する加算手段と、上記量子化されたデータと上記加算手段の出力とを乗算する乗算手段とを有して成ることを特徴とする。
【０１０７】
また、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記テーブル部からの出力と上記第２の量子化情報とを加算する加算手段と、上記加算手段からの出力と上記量子化されたデータとを乗算する乗算手段と、上記乗算手段からの出力を上記第１の量子化情報により定められるビット分シフトするシフト手段とを有して成り、上記乗算手段は、３段の加算器から構成されることを特徴とする。
【０１０８】
さらに、上記逆量子化部は、上記第１の量子化情報を変換するテーブル部と、上記テーブル部からの出力と上記第２の量子化情報とを加算する加算手段と、上記可変長復号化部により復号化されて画像データと共に伝送される線形／非線形量子化切換信号に従って、上記加算手段からの出力と線形量子化情報との何れかを切換選択する選択手段と、上記選択手段からの出力と上記量子化されたデータとを乗算する乗算手段と、上記線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合のみ、上記乗算手段からの出力を上記第１の量子化情報により定められるビット分だけシフトするシフト手段とを有して成り、上記乗算手段は、３段の加算器から構成されることを特徴とする。
【０１０９】
なお、上記本発明に係る画像信号の復号化方法に対応する符号化方法としては、線形量子化した際の発生ビット量を評価し、この評価結果に基づいて量子化の方法を示す線形／非線形量子化切換信号を生成し、この線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合には、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を行うことが挙げられる。
【０１１０】
また、上記本発明に係る画像信号の復号化装置に対応する符号化装置としては、入力画像信号を所定の予測画像信号を用いて符号化する符号化部と、上記符号化部で符号化された信号に所定の変換演算を施す変換部と、上記変換部からの信号に、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を施す量子化部と、上記量子化された信号を可変長符号化する可変長符号化部とを有して成ることが挙げられる。
【０１１１】
さらに、本発明に係る画像信号の復号化装置に対応する符号化装置としては、入力画像信号を所定の予測画像信号を用いて符号化する符号化部と、上記符号化部で符号化された信号に所定の変換演算を施す変換部と、線形量子化した際の発生ビット量を評価する評価部と、上記評価部の評価結果に基づいて量子化の方法を示す線形／非線形量子化切換信号を生成する切換信号生成部と、上記切換信号生成部からの線形／非線形量子化切換信号が線形量子化を示す場合には、上記変換部からの信号に線形量子化を施す第１の量子化部と、上記切換信号生成部からの線形／非線形量子化切換信号が非線形量子化を示す場合には、上記変換部からの信号に、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化を施す第２の量子化部と、上記第１の量子化部又は第２の量子化部で量子化された信号を可変長符号化する可変長符号化部とを有して成ることが挙げられる。
【０１１２】
【作用】
量子化特性を非線形な数列の値に変換し、この非線形な数列の値への変換方法を適切に選択する。
【０１１３】
このとき、段数の少ない乗算器とシフト演算とだけで量子化及び逆量子化を行う。
【０１１４】
また、加算とシフト演算とだけで量子化及び逆量子化を行う。
【０１１５】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例について、表及び図面を参照しながら説明する。
【０１１６】
本発明の第１の実施例では、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表される非線形の数列の量子化特性(QUANT) に基づいて量子化又は逆量子化を行う。よって、上記第１の量子化情報にｋ、上記第２の量子化情報に（ｉ／２＋ｊ）を用いた場合には、下記の（１）式より量子化特性QUANT を求めることができる。この量子化特性を用いて、画像信号の符号化装置では符号化を行い、画像信号の復号化装置では復号化を行う。
【０１１７】
ここで、上記ＭＰＥＧ方式により符号化されたビットストリームには可変長符号化コードが含まれるので、途中から復号化する場合には、発生し得る全ての可変長符号化コードが発生しても、一意に解読できる特別のコードが必要となる。上記ビットストリーム中では、２３個以上の０が続くコードが特別のコードである。従って、その他の可変長符号化コードのどのような組合せにおいても、０が２３個以上続くことがないように、その他の可変長符号化コードを制限するために、量子化特性は量子化情報の全ビットが同時に０であることを禁止している。
【０１１８】
（１）式で表現される数列は、上記量子化情報ｋを固定化して考えれば２のべき乗を公差とする等差数列であり、上記量子化情報ｊで表現される個数をｐとすれば、その公差は２×ｐ個単位で切り換わる。
【０１１９】
次に、（１）式で表すことができる量子化特性を表３に示す。
【表３】
表３では、量子化情報として、ｋが２ビット、ｊが２ビット、ｉが１ビットの合計５ビットを示しており、また、その量子化情報に対応する量子化特性の１０進数値及び２進数値を表示している。上記量子化情報の５ビットは最上位ビットから(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)とし、最初の２ビットの量子化情報ｋ(Q1 Q2) を（１）式中の２のべき乗の指数を表現するための値である第１の量子化情報、残りの２ビットの量子化情報ｊ(Q3 Q4) 及び１ビットの量子化情報ｉ(Q5)を（１）式中の２のべき乗値に乗算される係数に相当する値である第２の量子化情報としている。
【０１２１】
また、Ｘで示される８個単位の量子化特性のグループは等差数列をなしており、上記８個単位のグループが切り換わるときに公差が変更される。表３に示す非線形な数列を用いる場合には、（１）式により量子化情報の変換を一意に定められるので、量子化幅を（１）式で表すことができる値で表現することによって、その変換表を記憶しておくためのメモリ等が不必要になる。
【０１２２】
上記量子化情報ｋ、ｊ、ｉで示す５ビットは、量子化特性の１から３１までの値を送るのに必要なビット数であるので、従来の量子化特性を求める方法と本発明による量子化特性を求める方法とを用いる画像信号の符号化装置及び復号化装置においては、互換性を保つことができる。
【０１２３】
また、表３では、上述のように量子化特性のグループをＸとして表している。それぞれのグループの初期値をαとすれば、αとＸとにより量子化特性はα＋Ｘ×２n （ｎは自然数）と表すことができる。これにより、上記８個単位のグループは先頭から０＋Ｘ、４＋２Ｘ、１２＋４Ｘ、２８＋８Ｘで表される。
【０１２４】
次に、表３に示すような非線形な数列への変換により量子化特性を再生する画像信号の復号化装置内の量子化特性再生回路の概略構成を図１に示す。
【０１２５】
上記Ｘの数列は、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)の値をシフト器１１０に入力し、量子化情報 (Q1 Q2)の値を用いてシフトすることにより、Ｘ×２n （ｎは自然数）を表現することができる。即ち、上記量子化情報(Q1 Q2) が(0 0) であるならば０ビット、(0 1) であるならば１ビット分、(1 0) であるならば２ビット分、(1 1) であるならば３ビット分、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)はシフトされる。
【０１２６】
ここで、表４に、テーブル部１１１に入力される上記量子化情報(Q1 Q2) の値と、上記テーブル部１１１で変換されて出力する値Ｓ１と、上述したように上記テーブル部１１１内で順次読み出される値Ｓ２との関係を示す。
【０１２７】
【表４】
また、図２には、図１中のシフト器１１０の概略的な構成を示す。各ＡＮＤゲート１２１〜１３２に入力される上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)が、シフト量生成部１２０で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいて生成されたシフト量に応じて切り換えられ、さらに、ＯＲゲート１３３、１３６、ＥX.ＯＲゲート１３４、１３５を介すことにより、量子化情報はビット０出力端子ｂ［０］〜ビット５出力端子ｂ［５］に出力される。
【０１２９】
また、量子化情報(Q1 Q2) に従って、順次読み出される値０、４、１２、２８をテーブル部１１１中に用意し、上記読み出された値の上位３ビットと上記Ｘ×２n （ｎは自然数）の上位３ビットとを加算器１１２で加算する。さらに、その加算された値の４ビットと上記値Ｘ×２n の下位３ビットとにより７ビットの量子化特性QUANT を再生することができる。
【０１３０】
上述のような非線形の量子化特性を求めるための構成回路は、従来の表２に示す非線形の量子化特性を求めるための構成回路に比べて非常に小さい。これは、従来の非線形の量子化特性には規則性がなく、全てテーブルを参照することにより、多くのゲート数が必要となるためである。
【０１３１】
さらに、このようにして得られた量子化特性に、量子化された画像データ（量子化データ）としての変換係数を乗算することにより、逆量子化を行うわけである。この場合、上記表３から明らかなように、７ビット中の４ビットが有効ビットであるので、この量子化特性と画像信号の量子化データ（量子化データ）としての変換係数との乗算時には、３段の加算器を用いて乗算を行うことができる。
【０１３２】
次に、画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を図３に示す。テーブル部１４１に入力される量子化情報(Q1 Q2) は、表５に示す値Ｓ３に変換されて加算器１４０に送られる。
【０１３３】
【表５】
この加算器１４０では、上記値Ｓ３と上記量子化情報 (Q3 Q4 Q5) とが加算され、この加算された値は信号切換器１４４に送られる。また、この信号切換器１４４には、線形量子化を行うための量子化情報(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)及び非線形量子化を行う際の量子化情報の最上位ビットとなる０が入力されている。さらに、信号切換器１４４には、線形量子化を行うか、又は非線形量子化を行うかを選択する線形／非線形量子化切換信号が入力されている。
【０１３５】
但し、ここでいう線形量子化とは、量子化情報の２進数値として表した値と量子化幅（ステップサイズ）との対応関係が線形であることをいい、非線形量子化とは、量子化情報の２進数値として表した値と量子化幅との対応関係が非線形であることをいう。
【０１３６】
この信号切換器１４４において、線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択された場合には、線形量子化を行うための量子化情報(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5)が選択されて乗算器１４２に送られる。しかし、線形／非線形量子化切換信号によって非線形量子化が選択された場合には、加算器１４０からの４ビットの量子化情報と量子化情報の最上位ビットとなる０とが選択されて乗算器１４２に送られる。乗算器１４２では、入力された量子化情報にｎビットの変換係数を乗算し、この乗算された値はシフト器１４３に出力される。
【０１３７】
このシフト器１４３には、量子化情報(Q1 Q2) 及び上記線形／非線形量子化切換信号が入力されている。よって、シフト器１４３において、上記線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択された場合には、上記乗算器１４２からの出力を、そのまま再生用データとして出力される。しかし、線形／非線形量子化切換信号によって非線形量子化が選択された場合には、入力されている量子化情報(Q1 Q2) に基づいて得られる、表６に示すシフト量で、上記乗算器１４２からの出力がシフトされ、再生用データとして出力される。
【０１３８】
【表６】
尚、表６において、線形／非線形量子化切換信号によって線形量子化が選択されるときの量子化情報(Q1 Q2) の値は、どのような組合せであってもシフト量には関係しないことを示す。
【０１４０】
上記量子化データを逆量子化したときのデータの再生値をＡ、量子化データとしての変換係数をCoeff 、量子化幅をＳＰとすると、再生値Ａは以下の（２）式で表すことができる。
ここで、非線形量子化が選択された場合には、上記量子化特性QUANT を求める（２）式を以下のように変形する。
QUANT＝ ( (ｉ／２＋ｊ) ＋（４−４／２k ) ) ×２k ・・・（３）
この（３）式中の (ｉ／２＋ｊ) は上記加算器１４０に入力される第２の量子化情報（Q3 Q4 Q5) に対応しており、（４−４／２k ) は上記テーブル部１４１からの出力に対応しており、２k は上記シフト器１４３におけるシフト量を示している。従って、上記再生値Ａは次の（４）式で示される。
Ａ＝Coeff ×((ｉ／２＋ｊ) ＋( ４−４／２k ))×２(k+1) ・・（４）
【０１４２】
上記再生値Ａを求めるための上記シフト器１４３の構成は簡単なものであり、上記乗算器１４２は変換係数のｎビットと切換器１４４からの出力データの４ビット及び最上位ビットとを乗算することができる比較的段数の低いもので十分である。
【０１４３】
ここで、上述した第１の実施例においては、量子化特性の取り得る最大値は５６．０であり、量子化幅は１１２である。しかし、実際の画像においては、例えばホワイトノイズが入力された場合などは、さらに大きい量子化特性が必要となる。これに対しては、第２の実施例として後述する２つの方法により対処することができる。
【０１４４】
第１の方法は、量子化情報が”０００００”（２進数表現）のときには、この量子化情報は現在未使用であるため、この量子化情報が”０００００”のときに量子化特性に６４、９６、１２８などの値を割り当てて、処理を行う方法である。量子化特性が６４又は１２８に割り当てられるときは、逆量子化における乗算においてシフト器でシフトを行うのみで済むため、処理が容易である。また量子化特性が９６に割り当てられるときも、加算器が１段だけでよいので、同様に処理が容易である。
【０１４５】
第２の方法は、量子化情報が”０００００”（２進数表現）を使用するときには長いゼロ列を発生する可能性があるため、量子化情報が”１１１１１”のときに量子化特性に６４、９６、１２８などの値を割り当てて、処理を行う方法である。
【０１４６】
さらに、第３の実施例として、２８＋８Ｘで示される４番目のグループのシフト量を大きく変更する場合の量子化特性を表７に示す。
【０１４７】
【表７】
表７の２８＋１６Ｘで示す４番目のグループの量子化情報は、上記量子化情報ｋにより示されるシフト量の最大値を、この量子化情報ｋの連続性を無視して意識的に大きく設けることによって求められる。これにより、量子化特性の取り得る最大値が８４．０になる。この値は、ホワイトノイズなどの特殊な入力に対しても、十分に対応することができる値である。また、この方法は、最大値まで連続した量子化特性を用意することができるため、符号化の制御を行うときにも好ましい方法である。また、この第３の実施例においても、上記第１の実施例と同様に、量子化情報が”０００００”となることを禁止する。
【０１４９】
次に、表７に示すような非線形な数列への変換により量子化特性を再生する画像信号復号化装置内の量子化特性再生回路の概略構成を図４に示す。
【０１５０】
上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)をシフト器１５０に入力し、量子化情報 (Q1 Q2)の値を用いてシフトすることにより、Ｘ×２n （ｎは自然数）を表現することができる。即ち、上記量子化情報(Q1 Q2) が(0 0) であるならば０ビット分、(0 1)であるならば１ビット分、(1 0) であるならば２ビット分、(1 1) であるならば４ビット分、上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)はシフトされる。
【０１５１】
図５には、図４中のシフト器１５０の概略的な構成を示す。各ＡＮＤゲート１６１〜１７２に入力される上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)が、シフト量生成部１６０で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいて生成されたシフト量に応じて切り換えられ、さらに、ＯＲゲート１７３、１７５、１７６、ＥX.ＯＲゲート１７４を介すことにより、量子化情報はビット０出力端子ｂ［０］〜ビット６出力端子ｂ［６］に出力される。
【０１５２】
量子化情報(Q1 Q2) に従って、順次読み出される値０、４、１２、２８をテーブル部１５１中に用意し、上記読み出された値の上位４ビットと上記Ｘ×２n （ｎは自然数）の上位４ビットとを加算器１５２で加算する。さらに、その加算された値の５ビットと上記値Ｘ×２n の下位３ビットとにより８ビットの量子化特性QUANT を再生することができる。上記テーブル部１５１から順に読み出される値は、上記第１の実施例と同様の表４に示される値である。
【０１５３】
次に、画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を図６に示す。テーブル部１８１に入力される量子化情報 (Q1 Q2)は、表８に示す値Ｓ４に変換されて加算器１８０に送られる。
【０１５４】
【表８】
上記加算器１８０では、上記テーブル部１８１からの値Ｓ４と上記量子化情報(Q3 Q4 Q5)とが加算され、乗算器１８２でｎビットの変換係数により乗算される。この乗算された値は、シフト器１８３で上記量子化情報(Q1 Q2) に基づいてシフトされることにより、画像データの再生が行われる。尚、この第３の実施例における逆量子化回路の乗算器１８２からの発生ビット数と、上述した第１の実施例における逆量子化回路の乗算器１４２からの発生ビット数とは異なる。
【０１５６】
よって、第３の実施例における量子化情報ｋが０、１、又は２の値を持つときの画像データの再生値Ａは、上記（４）式により求められるが、量子化情報ｋが３の値を持つときの画像データの再生値Ａは、（５）式から求められる。
Ａ＝Coeff ×((ｉ／２＋ｊ) ＋１．７５）×２5 ・・・（５）
【０１５７】
上記再生値Ａを求めるための上記シフト器１８３の構成は簡単なものであり、上記乗算器１８２は変換係数のｎビットと加算器１８０からの出力データの５ビットとを乗算することができる比較的段数の低いもので十分である。
【０１５８】
次に、第４の実施例を説明する。本発明の画像信号の符号化方法では、下記の（６）式で表現される量子化特性QUANT により、画像信号を量子化する。
【０１５９】
【０１６０】
この第４の実施例においては、（６）式の具体的な例として、べき数値ｍは０から７までの整数、量子化特性の精度ｎは２で表現される値により、信号を量子化する。上記（６）式では、べき数値ｍの代わりに、（ｍ−１）を用いているが、本質的には同じである。
【０１６１】
上記（６）式で表すことができる量子化特性を表９に示す。
【０１６２】
【表９】
このように、表９に示す非線形な数列を用いる場合には、（６）式でマッピングを一意に定められるので、そのマッピングを記憶しておくメモリが不必要になる。
【０１６４】
さらに、表９の非線形な数列へのマッピングを用いる場合には、（６）式中の量子化情報を送るために、以下の符号を伝送する。先ず、量子化情報ｍを送るためには、０から７までの整数を送る必要があるので、３ビットが必要である。さらに、量子化情報α1 とα2 とを送るためには、それぞれ１ビットずつ必要なので、全体で５ビットが必要となる。この５ビットは、１から３１の値を送るのに必要なビット数なので、ちょうど対応がとれており、従来の量子化特性と本発明の量子化特性との両方を採用するシステムでのコンパチビリティがとれる。
【０１６５】
ここで、上記５ビットの量子化情報（Q1 Q2 Q3 Q4 Q5) の構成の一例を示す。最初の３ビット(Q1 Q2 Q3)を２進数を用いて量子化情報ｍを表し、次に１ビットずつ(Q4 Q5) で、量子化情報α1 、α2 を表す。
【０１６６】
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 :５ビット
Q1 Q2 Q3 :０００−１１１：量子化情報ｍ
Q4 :０ ｏｒ １ ：量子化情報α1
Q5 :０ ｏｒ １ ：量子化情報α2
【０１６７】
次に、表９の非線形な数列へのマッピングを用いる場合の逆量子化を考える。表９の非線形な数列を２進数に展開すると、同時に１が立つビットは３個しかない。このため、加算は最大２回であり、加算器（アダー）が２個で構成できる。また、１が立つビットはランダムではなく、必ず連続しているので、２段の加算器（アダー）の後で、シフト器によって所望の位置までシフトすればよい。このような本発明の逆量子化の回路を図７に示す。本発明の逆量子化装置は、２個の加算器（フルアダー）１９０、１９１とシフト器１９２とで構成されている。このシフト器１９２では、(Q1 Q2 Q3)の値によって表１０に示されるビット数だけ左にシフトを行う。このとき、ＬＳＢには、０を埋める。
【０１６８】
【表１０】
ここに、具体的な例を示す。例えば、量子化幅が２０、ＤＣＴ係数が１００のときに、このＤＣＴ係数を量子化する場合を説明する。このとき、量子化特性は５となり、この値を９ビツトで符号化すると、”００００００１０１”に符号化され、伝送される。また、量子化幅２０は、本発明の方法で５ビツトに符号化すると、
２０＝１６＋４、１６＝２4 、４＝２2 なので、
ｍ＝５、α１＝０、α２＝１となり、５ビツトの符号は、”１０１０１”となる。
【０１７０】
さて、復号化側では、量子化値（量子化データ）”００００００１０１”と量子化幅”１０１０１”とを受け取ると、これらを逆量子化回路に入力する。即ち、図７においてａ0 ・・・ａ8 ＝”００００００１０１”となり、
【０１７１】
このとき、図７の逆量子化回路では、Q5＝”１”なので、最上段のａ0 ・・・ａ8 は、そのまま加算器１９０に入力されるが、Q4＝”０”なので、次段のａ0・・・ａ8 は、０が出力され、加算器１９０に入力されない。
【０１７２】
さらに、３段目のａ0 ・・・ａ8 が、この加算結果と加えられる。このため、加算結果は”０００００００１１００１”となる。この値は、シフト器１９２に入力され、Q1 Q2 Q3 ＝”１０１”に従って２ビツトシフトされ、シフト器１９２からの出力は”０００００１１００１００”となり、このように量子化値”１００”が得られる。このシフト器１９２におけるシフト量を上記表１０に示し、この具体例におけるシフト量の計算方法を次の表１１に示す。
【０１７３】
【表１１】
次に、第５の実施例を説明する。
第４の実施例では、表９に示したように、２進数表示の小数点以下３位までの精度の量子化特性が定義されるが、量子化回路の受け付ける量子化特性の精度は、独立に定められる。例えば、一例として、量子化回路の受け付ける量子化特性の精度が、２進数表示の小数点以下１位までの場合、表９の量子化特性のうち、精度が高すぎる量子化特性を示す量子化情報を禁止する。このように制限した量子化特性を表１２に示す。この第５の実施例では、禁止された量子化情報を用いることは出来ない。
【０１７５】
【表１２】
また、精度が高すぎる量子化特性を示す量子化情報を禁止する代わりに、それらの量子化情報が、最寄りの受け入れられる精度の量子化特性を表すように割り当てを変更する場合を第６の実施例とする。これを表１３に示す。表１３で、例えば、量子化特性０．５を表す量子化情報は、”０００ｘｘ”である。ここで、ｘは、ｄｏｎ’ｔ ｃａｒｅを表し、その位置のビットが０であっても１であっても構わないことを示す。この第６の実施例では、第５の実施例のように禁止される量子化情報はない。
【０１７７】
【表１３】
ＭＰＥＧ方式の符号化されたビットストリーム(bitstream) は、可変長符号化コード（ＶＬＣ）を含むので、途中から復号化する場合には、発生し得る全ての可変長符号化コードに囲まれても、一意に解読できる特別のコードが必要である。ＭＰＥＧ方式の符号化されたビットストリームでは、２３個以上の０が続くコードが特別のコードであり、このため、その他の可変長符号化コードのどのような組合せでも、２３個以上の０が続くことがないように、その他の可変長符号化コードが制限されている。
【０１７９】
このため、０だけで構成される量子化情報は、なるべく用いられない。従って、表９、１２、１３内の量子化情報”０００００”が問題となる。これを解消するには、例えば、表９においては、”０”と”１”とを反転することで、あまり用いられないと考えられる大きな量子化特性”１１２”を禁止する。この例を表１４に示す。また、表１３の精度を２倍にして、量子化情報を反転させる場合を表１５に示す。
【０１８０】
【表１４】
【表１５】
次に、量子化情報を用いる際に、線形量子化と非線形量子化との切り換えが行われる場合の画像信号の符号化装置及び復号化装置について説明する。
【０１８３】
本発明実施例に係る画像信号の符号化装置の概略的な構成は、図１６に示す従来の符号化装置と同様であるが、逆量子化回路６０については、図３、図６、図７に示す概略的な構成の内の何れかの構成を持ち、量子化回路５７については、図８に示す概略的な構成を持つものである。
【０１８４】
図８の量子化回路５７には、図１６のＤＣＴ回路５６からの信号が入力され、最大係数選択回路２１０に送られる。この最大係数選択回路２１０では、最大係数を線形量子化で用いられる最大量子化幅６２で除算して得られる値と量子化レベルの最大値２５６とを比較し、上記得られる値が量子化レベルの最大値と同じ、もしくは量子化レベルの最大値より小さい値であるならば、量子化特性選択回路２１１では線形量子化のための量子化特性が選択される。このとき、量子化特性選択回路２１１からは線形量子化が選択されたことを示す量子化選択信号が信号切換スイッチ２１２及び図１６の可変長符号化回路５８に出力される。よって、信号切換スイッチ２１２は端子ａ側に切り換えられるので、量子化特性選択回路２１１からの出力は、信号切換スイッチ２１２の端子ａを介して線形量子化回路２１３に出力される。この線形量子化回路２１３では、線形の量子化特性により線形量子化が行われ、この線形量子化されたデータは可変長符号化回路５８及び逆量子化回路６０に出力される。
【０１８５】
また、上記可変長符号化回路５８には、量子化特性選択信号と共に量子化幅（スケール）も入力されるので、この可変長符号化回路５８では、上記量子化幅を用いて可変長符号化が行われる。
【０１８６】
これに対して、上記最大係数選択回路２１０での上記得られる値と量子化レベルの最大値との比較において、上記得られる値が量子化レベルの最大値より大きい値であるならば、量子化特性選択回路２１１では非線形量子化のための量子化特性が選択される。よって、量子化特性選択回路２１１からの非線形量子化が選択されたことを示す量子化選択信号が信号切換スイッチ２１２に出力され、信号切換スイッチ２１２は端子ｂ側に切り換えられる。量子化特性選択回路２１１からの出力は、信号切換スイッチ２１２の端子ｂを介して非線形量子化回路２１４に出力されて、非線形の量子化特性により非線形量子化が行われる。この非線形量子化されたデータは可変長符号化回路５８及び逆量子化回路６０に出力される。
【０１８７】
また、線形量子化が行われる場合と同様に、上記可変長符号化回路５８には、量子化特性選択信号と共に量子化幅も入力されるので、この可変長符号化回路５８では、上記量子化幅を用いて可変長符号化が行われる。
【０１８８】
ここで、上記線形／非線形量子化切換信号は、フレーム単位で切り換わるので、上記線形量子化及び非線形量子化はフレーム単位で行われる。
【０１８９】
尚、最大係数選択回路２１０では、ＭＰＥＧ方式で規定されている、使用する量子化特性を示すフラグを用いて、線形量子化を行うか、それとも非線形量子化を行うかを判別することも可能である。
【０１９０】
さらに、最大係数選択回路２１０では、ダイナミックレンジを用いて線形量子化もしくは非線形量子化の何れを行うかを判別することも可能である。
【０１９１】
また、本発明実施例に係る画像信号の復号化装置の概略的な構成は、図１９に示す従来の復号化装置と同様であるが、逆量子化回路８３については、図３、図６、図７に示す概略的な構成の内の何れかの構成を持つものである。
【０１９２】
上述の実施例は本発明の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他の様々な構成が取り得ることは勿論である。
【０１９３】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る画像信号の復号化装置では、伝送された画像データを可変長復号化する可変長復号化部と、量子化情報の内の２のべき乗の指数を表現するための値を第１の量子化情報、２のべき乗値に乗算される係数に相当する値を第２の量子化情報として、２のべき乗値と上記係数との乗算により非線形の量子化特性（QUANT)を再生し、上記可変長復号化部からの量子化されたデータを上記再生された非線形の量子化特性に基づいて逆量子化する逆量子化部と、上記逆量子化されたデータに所定の演算を施す変換部とを有して成ることにより、広範囲で適切な精度の量子化特性で画像データを逆量子化することができる。
【０１９４】
従って、高画質の画像を復号化する場合には十分に小さな量子化特性を用いることができる。なお、符号化側では、大きい量子化特性が必要な画像を符号化する場合には十分に大きな量子化特性を用いることができる。
【０１９５】
また、符号化によって発生するビット量を精度良く制御するための適切な量子化特性を得ることができる。
【０１９６】
さらに、量子化特性のための非線形の数列を記憶する必要がないため、構成回路の規模が増大せず、段数の少ない乗算器とシフト演算だけで量子化及び逆量子化を行うことができるので、従来の画像信号の符号化方法、符号化装置、復号化方法及び復号化装置より乗算器の規模を半減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例を説明するための画像信号の符号化装置及び復号化装置内の量子化特性再生回路の概略的な構成を示す図である。
【図２】図１におけるシフト器１１０の概略的な構成を示す図である。
【図３】本発明に係る実施例を説明するための画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第３の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の量子化特性再生回路の概略的な構成を示す図である。
【図５】図４におけるシフト器１５０の概略的な構成を示す図である。
【図６】本発明に係る第３の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図７】本発明に係る第４の実施例の画像信号の符号化装置及び復号化装置内の逆量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図８】本発明に係る画像信号の符号化装置内の量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【図９】高能率符号化の原理を説明する図である。
【図１０】画像データを圧縮する場合におけるピクチャのタイプを説明する図である。
【図１１】動画像信号を符号化する原理を説明する図である。
【図１２】画像信号のGOP Structure を表す図である。
【図１３】画像信号の入力順序、符号化順序、復号化順序、出力順序を説明するための図である。
【図１４】従来の画像信号の符号化装置及び復号化装置の構成例を示すブロック回路図である。
【図１５】図１４のフォーマット変換回路１７のフォーマット変換の動作を説明する図である。
【図１６】図１４のエンコーダ１８の構成例を示すブロック回路図である。
【図１７】図１６の予測モード切り換え回路５２の動作を説明する図である。
【図１８】図１６のＤＣＴモード切り換え回路５５の動作を説明する図である。
【図１９】図１４のデコーダ３１の構成例を示すブロック回路図である。
【図２０】従来の非線形量子化回路の概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１１０，１４３，１５０，１８３ シフト器、 １１１，１４１，１５１，１８１ テーブル部、 １１２，１４０，１５２，１８０ 加算器、 １４２，１８２ 乗算器、 １４４ 信号切換器、 １９０，１９１ 加算器、 １９２ シフト器、 ２１０ 最大係数選択回路、 ２１１ 量子化特性選択回路、 ２１２ 信号切換スイッチ、 ２１３ 線形量子化回路、 ２１４ 非線形量子化回路
Claims (6)
- 伝送された符号化データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、
上記伝送された符号化データは、量子化情報及び切換信号を含み、
上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（ QUANT ）に基づいて非線形逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、
上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、
上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とする
ことを特徴とする画像信号の復号化方法。 - 上記第１の量子化情報にｋ、上記第２の量子化情報にｉ、ｊを用いることにより、（ｉ／２＋ｊ）を上記係数として求め、上記乗算値の定数倍を量子化幅とすることを特徴とする請求項１記載の画像信号の復号化方法。
ここで、ｊ、ｋは正の整数であり、ｉは０又は１で表される値である。 - 上記量子化特性（ QUANT ）は、
QUANT ＝（ｉ／２＋ｊ）×２ ｋ ＋２ （ｋ＋２） −４
に示す式で表されることを特徴とする請求項２記載の画像信号の復号化方法。 - 上記量子化情報ｋ、ｉ、ｊと上記量子化特性との関係を、次の表１に表すものとすることを特徴とする請求項３記載の画像信号の復号化方法。
- 伝送された画像データを可変長復号化して得られたデータを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化方法において、
上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、
上記逆量子化の際には、５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて逆量子化を行うか、または５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（ QUANT ）に基づいて逆量子化を行うかを上記切換信号によって選択可能とし、
上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、
上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲では、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲では、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲では、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とする
ことを特徴とする画像信号の復号化方法。 - 伝送された画像データを逆量子化し、上記逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ変換を行って復号化して、画像データを復元する画像信号の復号化装置において、
上記画像データと共に量子化情報及び切換信号が伝送され、
伝送された画像データを可変長復号化する可変長復号化部と、
５ビットの符号で表現される上記量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる線形の量子化特性に基づいて線形逆量子化を行う手段と、５ビットの符号で表現される上記 量子化情報に対応する３２種類の量子化幅からなる非線形の量子化特性（ QUANT ）に基づいて非線形逆量子化を行う手段とよりなり、これらの手段が上記切換信号によって選択可能とされる逆量子化部と、
上記逆量子化されたデータに所定の演算を施す変換部とを有して成り、
上記量子化情報は、第１の量子化情報及び第２の量子化情報より成り、上記第１の量子化情報は２のべき乗の指数を表現するための値として定義され、上記第２の量子化情報は２のべき乗値に乗算される係数に相当する値として定義されると共に、上記非線形の量子化特性は、上記２のべき乗値と上記係数との乗算値を用いて表され、
上記非線形の量子化特性は、量子化幅が小さい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも狭い量子化幅の変化とし、量子化幅が中央付近の範囲にある場合には、上記線形の量子化特性と同じ量子化幅の変化とし、量子化幅が大きい範囲にある場合には、上記線形の量子化特性よりも広い量子化幅の変化とする
ことを特徴とする画像信号の復号化装置。
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