JP4077771B2 - データ再生装置、再生方法、データ圧縮装置及び圧縮方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データ再生装置および再生方法、データ圧縮装置および方法、データ圧縮伸長システム、ベクトル量子化装置、更にはこれらの処理を行うためのプログラムを記憶した記録媒体、並びに、圧縮されたデータを格納した記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、データ圧縮の手法が種々提案されている。その中で、圧縮データの伸長処理を非常に簡単に行うことが可能なデータ圧縮アルゴリズムの１つとして、「ベクトル量子化」（R. M. Grａy “Veｃtor quａntizａtion”, IEEE ＡSSP Mａgａzine, vol.1, no.2, pp.4-29, Ａpril 1984）という手法が良く知られている。このアルゴリズムは、古くから信号処理の分野で知られており、特に、画像信号や音声信号のデータ圧縮、あるいはパターン認識に応用されてきた。
【０００３】
このベクトル量子化では、ある大きさ（例えば２×２画素のブロック）の画素パターン（コード）を幾つか用意しておき、それぞれにユニークな番号などを与える（この集合体を「コードブック」という）。そして、例えば２次元配列の画像データ中から同じ大きさ（例えば２×２画素）のブロックを順次取り出し、それと最も似通ったパターンをコードブック中から見つけ出して、そのパターンの番号を当該ブロックに当てはめるというデータ圧縮を行う。ベクトル量子化では、１つのブロック内のデータ列が１つのベクトルに対応する。
【０００４】
このように、コード化された圧縮データの受信側あるいは伸長側では、各ブロック毎に番号に対応するパターンをコードブックの中から取り出すだけで、元の画像を再現することができる。したがって、伸長側では、コードブックさえ受け取っているか、あるいはあらかじめ保持していれば、特殊な演算は特に必要としないため、非常に簡単なハードウェアで元の画像を再生することが可能となる。
【０００５】
上述のようなベクトル量子化を実行する上で、必要となるのがコードブックである。そして、ベクトル量子化の特性上、再現される再生画像の良否は、使用するコードブックの良否と密接に関係している。したがって、例えば画像のデータ圧縮を行う際に、高い圧縮率を保持したまま高画質の再生画像を得るようにするためには、このコードブックとしていかに性能の良いものを作成するかが鍵となっている。
【０００６】
従来、コードブックの最適化の手法としては、Kohonen の自己組織化マップの手法などを始めとして幾つかの手法が知られている。これらの手法では、サンプル画像などを用いて適当な数式処理を行うことにより、コードブックの最適化を図るものである。
【０００７】
更に、上記したコードブックの最適化の手法における欠点を除去し、種々の画像に対応できる汎用性の高いコードブックを実現することを目的とした理論的なコードブック作成方法に関する提案が例えば特許文献１（特開２０００−００４１６５号公報）で為されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−００４１６５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されているコードブックの最適化の手法は、何れも、得られるコードブックが最適化の際に使用したデータに対してのみ有用なコードブックとなってしまうという問題があった。
【００１０】
すなわち、例えば、ある人の顔の画像データを用いて最適化されたコードブックは、その最適化に用いた画像に対しては最良のコードブックとなるが、他の画像に対しては必ずしも最良のコードブックになるとは限らない。したがって、例えば、そのコードブックを他の人の顔の画像データに対して用いてデータ圧縮を実施すると、圧縮データから再生した画像の画質は低下することになる。
【００１１】
更に、最適化に用いた画像と同じ人の顔という分類に含まれる画像に対しては、再生画像として比較的良好な画質が得られても、風景や文字といった異なる分類の画像に対しては、画質が劣化してしまうことが多い。つまり、コードブックに含まれているパターンが画像によって全く異なっているため、汎用性の低いコードブックになってしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、どのような分類の画像を圧縮した場合でも、再生画像の良好な画質を得るために、様々なサンプル画像を用いて最適化を行い、これにより得られるコードブックを全て登録しておくということが、考えられる。このようにすれば、実際にベクトル量子化を実施する際には、人物、風景、文字といった様々な分類の画像に合ったコードブックがあらかじめ用意されているので、その中から元画像に近いパターンを選び出すことが可能となる。
【００１３】
しかしながら、この場合は、あらかじめ用意しておくべきコード数が膨大なものとなり、これを記憶しておくためのメモリの容量が非常に大きくなってしまうという問題があった。メモリの容量が大きくなると、装置全体の規模も大きくなってしまい、小型化が困難な状況となる。また、コストもそれだけ増大する結果となってしまうため、このような手法を採用するのは現実的でない。
【００１４】
一方、前述した特許文献１では、コードブックの基本的パターンを抽出する部分において、各要素の輝度変化の方向に着目することにより、これを基本的パターンとして設定する手法が提案されている。具体的には、例えば、４×４画素のブロックからなる各画素値の集合をコードブック中の１つのベクトルとし、ブロックのエッジ部分（上下左右及び４隅の各点）の何れかを始点としてブロック内の画素値（例えば、輝度）が徐々に変化するパターンが作成されている。
【００１５】
このため、特許文献１の手法では、ブロックの８つの位置を始点とする８つの基本的パターンが作成される。
【００１６】
しかしながら、本発明者等の実験では、設定された基本的パターンだけでは、画像復元性の高い画像が得られないことが判明した。したがって、汎用性の高いコードブックは未だ実現に至っていないと言うのが実情である。
【００１７】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、種々の画像に対応できる汎用性の高いコードブックを実現することを第１の目的とする。また、本発明は、コードブックを記憶しておくためのメモリ容量を増大させることなく汎用性の高いコードブックを実現できるようにすることを第２の目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードブックを用いてデータを再生するデータ再生装置において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードブックパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードブックを用いてデータの圧縮又は再生を行うことを特徴とするデータ圧縮又は再生装置が得られる。
【００１９】
ここで、所定種類数は７５種類であり、これら７５種類のパターンは、同質のパターンを纏めることによって、更に、１４種類のコードブックパターンに分類され、当該分類された１４種類のコードブックパターンから選択されたコードブックパターンを有するコード又はコードブックが使用される。具体的には、コードブックパターンは、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなるパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つが前記コードブックに含まれていることによって特徴付けられる。
【００２０】
また、本発明のコードブックは、ａが２つ、ｂ及びｃが１つで、ａが対角の位置にあるパターン、ａが１つ、ｂが1つでｃが２つで、ｃが対角の位置にあるパターン、及び、ａ，ｂ，ｃ，ｄが１つで、ａとｂ、及び、ｃとｄとが対角の位置にあるパターンの少なくとも１つがコードブックに含まれていないことによっても特徴付けられる。
【００２１】
この場合、２×２画素の４要素コードブックパターンの各要素間の輝度値の差が、階調数の２％〜８％（階調数が８ビット、即ち、０〜２５５の値を取る場合、５〜２０）の範囲にあり、このため、各コードブックパターンは小さな輝度値の差を有している。具体的には、コードブックパターンがａとｂのみで構成されている場合、ａ−ｂで計算される輝度値の差、ａ、ｂ、及びｃで構成されている場合、ａ−ｂ、ｂ−ｃで計算される輝度値の差、更に、ａ、ｂ、ｃ、及び、ｄで構成されている場合、ａ−ｂ、ｂ−ｃ、ｃ−ｄで計算される輝度値の差が前述した階調数の２〜８％の範囲にある。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードブックを用いたデータ再生又は圧縮方法において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードブックパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードブックを用いてデータの再生を行うことを特徴とするデータ再生又は圧縮方法が得られる。
【００２３】
この場合、所定種類数は７５種類であり、これら７５種類のパターンは、同質のパターンを纏めることによって、更に、１４種類のコードブックパターンに分類され、当該分類された１４種類のコードブックパターンを含み、前記コードブックパターンには、前述した第１乃至第５のパターンの少なくとも１つが含まれていることを特徴とするデータ再生又は圧縮方法が得られる。
【００２４】
本発明の他の態様によれば、前述した第１乃至第５のパターンの少なくとも１つを含むコードブックを使用したデータ圧縮伸長システム或いはベクトル量子化装置が得られる。
【００２５】
本発明の更に別の態様によれば、前記第１乃至第５のパターンの少なくとも１つを用いてデータを処理する処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録していることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体が得られる。
【００２６】
本発明の他の態様によれば、前記第1乃至第５のパターンの少なくとも１つを用いて、圧縮されたコードを用いて圧縮されたデータを格納したＤＶＤ、ハードディスク等の記録媒体が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
発明の原理：
本発明者等は、ベクトル量子化における２×２画素の４要素コードブック（以下、単に２×２コードブックと呼ぶ）を分析した結果、４要素の輝度値には、極めて特徴的な変化が認められることを見出し、当該特徴的な輝度変化を用いたコードブックを作成する方法並びにコードブックを含むデータ処理装置を提案するものである。即ち、２×２コードブック内の相対的な輝度値を例えば、４段階に分類した場合、４×４画素の１６要素コードブック等、他のコードブックでは使用されていないコードブックパターン及び他のコードブックでは使用されているが、実際には不要なコードブックパターンが存在することを見出し、この知見に基づいて本発明はコードブックの作成方法及びこのコードブックを含むデータ処理装置を提案するものである。ここで、データ処理装置とは、データ圧縮装置、データ伸長装置、データ再生装置、ベクトル量子化装置、画像処理装置等を総称しているものとする。
【００２８】
具体的に説明すると、まず、２×２コードブックにおいて、各画素を８ビット（即ち、２５６輝度）であらわすものとすると、２×２コードブックの取り得るパターンは２^４×８＝２³²、（約４２億）である。しかしながら、人間の視覚特性では、隣接する画素の輝度の差が５以内の違いを認識することはできないことを考慮すると、実際上、２×２コードブックの変化パターンは非常に少ないことが判明した。ここでは、輝度の差が５以内にある複数の画素は実質的に同一の輝度値を有しているものとする。
【００２９】
上記した変化パターンについて、図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、更に詳細に説明すると、２×２コードブックの４つの画素の位置を図１（Ａ）に示すように、ｉ、ｊ、ｋ、ｌであらわすものとし、各画素の相対的な輝度値を図１（Ｂ）に示すようにａ、ｂ、ｃ、ｄであらわすものとする。この時、これら輝度値には、ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄの関係があり、４つの要素中には、少なくとも１つのａを含むものとする。
【００３０】
更に、画素位置ｉ、ｊ、ｋ、ｌの位置における輝度値を一般化してＲ（ｉ）、Ｒ（ｊ）、Ｒ（ｋ）、Ｒ（ｌ）であらわすものとすると、これらの間には、Ｒ（ｉ）≧Ｒ（ｊ）≧Ｒ（ｋ）≧Ｒ（ｌ）の制約条件があるものと仮定しておく。
【００３１】
この制約条件の下では、図１（Ｂ）に示すように、パターン▲１▼から▲８▼までのパターンに分類でき、これを各画素に色付すると、図１（Ｂ）の色付の欄に示されたようにあらわされる。更に、上記制約条件を解除して、９０度回転した場合をも含めると、図１（Ｂ）の「場合の数」の欄に示すように、パターン▲１▼以外は複数通りのパターンが存在している。この結果、図１（Ｂ）の合計の欄に示すように、パターンマル１〜マル８に属するパターンの数はそれぞれ１、４、６、１２、４、１２、１２、２４であり、２×２コードブックは合計７５種類のコードブックパターンを含めば良いことが判る。
【００３２】
図２を参照すると、パターンマル１〜マル８に属する７５種類のコードブックパターンが示されている。尚、図２において、×４、×２は９０度回転したパターンを含めた場合におけるパターン数をあらわしている。これら７５種類のコードブックパターンを反転、回転、及び、鏡像関係を有する画像として同質のパターンを１つのグループにして分類すると、図３に示すように、第１から第１４種類の群１〜１４に分類できた。図３からも明らかな通り、第１〜第１４群（１〜１４）には、それぞれ１，４，４，４，２，８，８，４，４，４，８，８，８，８種類（合計７５種類）のパターンが属していることが判る。
【００３３】
更に、本発明を特徴付ける第１群〜第１４群に区分された２×２コードブックについて説明する。本発明に係る２×２コードブックは、前述したように、４要素の中で最も輝度値の大きなものをａとし、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂとし、そのａかつｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が同じであれば、同じアルファベットで表すという条件が設定されている。
【００３４】
この条件で、図３を参照すると、２×２コードブックのパターンがａが４つで構成されている、つまり、全てが同じ輝度値である場合がマル１であらわされた第１群のパターン１である。次に、２×２コードブックのパターンが、ａが３つ、かつｂが１つで構成されている場合が第２群のパターン２（マル２）である。同様に、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、かつｂが３つで構成されている場合が第３群のパターン３（マル３）である。更に、２×２コードブックのパターンが、ａが２つ、かつｂが２つで構成されており、かつａ同士が隣接している場合が第４群のパターン４（マル４）である。
【００３５】
続いて、２×２コードブックのパターンが、ａが２つ、かつｂが２つで構成されており、かつ、ａ同士が対角に位置している場合が第５群のパターン５（マル５）である。
【００３６】
また、２×２コードブックのパターンが、ａが２つ、かつｂが１つ、かつｃが１つで構成されており、かつａ同士が隣接している場合が第６群のパターン６（マル６）である。次に、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、かつｂが１つ、かつｃが２つで構成されており、かつｃ同士が隣接している場合が第７群のパターン７（マル７）である。更に、２×２コードブックのパターンが、ａが２つ、かつｂが１つ、かつｃが１つで構成されており、かつａ同士が対角に位置している場合が第８群のパターン８（マル８）である。続いて、２×２コードブックのパターンが、ａが1つ、かつｂが１つ、かつｃが2つで構成されており、かつｃ同士が対角に位置している場合が第９群のパターン９（マル９）である。また、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、かつｂが２つ、かつｃが１つで構成されており、かつｂ同士が対角に位置している場合が第１０群のパターン１０（マル１０）である。次に、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、かつｂ同士が隣接している場合が第１１群のパターン１１（マル１１）である。更に、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、かつａとｄが対角に位置する場合が第１２群のパターン１２（マル１２）である。また、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、かつａとｃが対角に位置する場合が第１３群のパターン１３（マル１３）である。次に、２×２コードブックのパターンが、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、かつａとｂが対角に位置する場合が第１４群のパターン１４（マル１４）である。
【００３７】
第１、２、３、４、５、及び、１０群のパターンは、従来からベクトル量子化のコードブックにおいて使用されているが、第６、７、８、９、１１、１２、１３、及び、１４群のパターン（マル６），（マル７），（マル８），（マル９），（マル１１），（マル１２），（マル１３），（マル１４）群のパターンは従来のベクトル量子化では用いられていない未使用の新規なパターンであることが判明した。
【００３８】
本発明者等は、図４（ａ）に示した４枚のＸＧＡサイズの画像について、２×２の画素ブロック単位に分割してそれぞれの画素ブロックが図３に示された１４種類のパターンのどれに分類されるかを試みた。その結果、図４（ｂ）に示すような割合で、これら１４種類のパターンが使用されることが判明した。図４（ｂ）に示された割合を各々の群のパターン数で割り算し、その結果を百分率であらわした図４（ｃ）からも明らかな通り、画像は第１〜第４群のパターン（マル１〜マル４）だけで殆ど（９５％）構成されており、第８、第９、及び第１４群のパターン（マル８，マル９，マル１４）は０.１％未満である。したがって、前述した新規なパターンのうち、第８、９、及び、１４群のパターン（マル８），（マル９），（マル１４）は画像には使用される確率の非常に低いパターンであるこどが判明した。このように、第８、第９、及び第１４群のパターン（マル８，９，１４）のパターンは画像では殆ど使用されないパターンであるから、コードブックには含まれなくても再生画像の画質に実質的な影響を与えないことも判った。
【００３９】
一方、従来未使用で新規なパターンのうち、前述した第８、９.、及び、１４群のパターン（マル８），（マル９），（マル１４）を除く、第６、７、１１、１２、１３のパターン（マル６），（マル７），（マル１１），（マル１２），（マル１３）群のパターンは、図４（ｃ）からも明らかな通り、第７、６、１２、１１、１３群のパターンの順に画像として重要なパターンであることが判る。
【００４０】
上記した知見に基づき、本発明は、第６、７、１２、１１、１３群のパターンをコードブックに含むことによって汎用性の高いコードブックを作成でき、ベクトル量子化を用いることにより復元された画像の画質が向上することを見出した。
【００４１】
実際に、本発明では、図４（ｃ）に示されたパターンの発生割合を考慮して、４０９６サイズのコードブックを作成した。
【００４２】
一方、２×２コードブックパターンの各要素間の輝度値の差、つまりａとｂのみで構成されている場合、ａ−ｂで計算される輝度値の差、またａとｂとｃのみで構成されている場合ａ−ｂまたはｂ−ｃで計算される輝度値、またａとｂとｃとｄで構成されている場合ａ−ｂまたはｂ−ｃまたはｃ−ｄで計算される輝度値の差、が階調数の２％〜８％（階調数が８ｂitつまり、０〜２５５の値を取る場合、５〜２０）という従来のコードブックには含まれていなかった、輝度値の差が小さなパターンのコードブックを加えてやることにより、従来では達成できなかった画像復元性を実現できることをも見出した。
【００４３】
更に、第６、７、１１、１２、１３群までのパターンについて詳述すると、２×２コードブックにおける画素の輝度値を前述したように、ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄであらわし、上記した条件のもとで、輝度値が同じであれば、同じアルファベットで表すという条件を与えた時、第６群のパターン（マル６）はａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接しているパターンである。このパターンは従来のコードブックでは使用されていないから、本発明のコードブックは図３に示された第６群のパターンを含むことによって特徴付けることができる。
【００４４】
同様に、従来使用されているコードブックパターンと比較した場合、本発明に係る第７群のパターン（マル７）も従来のコードブックパターンには含まれていないから、第７群のパターン（マル７）によっても本発明を特徴付けることができる。即ち、本発明は、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接しているパターンをコードブックに含むを特徴としている。
【００４５】
また、本発明では、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、かつ、ｂ同士が隣接している第１１群のパターン（マル１１）を含むことを特徴とする。
【００４６】
更に、本発明では、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、かつａとｄが対角に位置する第１２群のパターン（マル１２）を含むことによっても特徴付けることができる。
【００４７】
次に、２×２の４要素のコードブックパターンに、従来の技術には含まれていなかった、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、かつ、ａとｃが対角に位置する第１３群のパターン（マル１３）を含むことによって本発明を特徴付けることもできる。
【００４８】
ここでは、上記した第６、７、１１、１２、及び、１３群のパターンをそれぞれ第１乃至第５のパターンと呼ぶものとし、本発明はこれら第1〜第５のパターンによって特徴付けることができる。
【００４９】
実施形態：
次に、図５及び図６を参照して、本発明の一実施形態に係るデータ処理システム、ここでは、画像処理システムを説明する。ここで、画像処理システムは図５に示されたベクトル量子化圧縮装置５０と図６に示されたベクトル量子化伸長装置６０（ここでは、画像再生装置）とを含んでいる。図５に示されたベクトル量子化圧縮装置５０は画像入力部５１、画像メモリ５２、読出部５３、ブロック化部５４、コードブックデータメモリ５５、類似度演算部５６、コード決定部５７、及び、コード番号出力部５８とにより構成されている。
【００５０】
ここで、画像入力データは画像入力部５１から画像メモリ５２に格納された後、読出部５３の制御の下にブロック化部５４に送出される。ブロック化部５４では画像メモリ５２に格納された２次元配列の画像データから、同じ大きさのブロック（例えば、２×２画素の大きさ）を有するブロックを順次取り出し、類似度演算部５６に入力ベクトルとして出力する。
【００５１】
類似度演算部５６はコードブックデータメモリ５５に接続されており、当該コードブックデータメモリ５５には、前述した手法で作成されたコードブックが格納されている。図示されたコードブックデータメモリ５５には、図３を参照して説明した全てのパターンが１４種類のパターンに分類してテンプレートベクトルとして格納されている。類似度演算部５６は入力ベクトルとテンプレートベクトルとの間の距離を計算し、最も距離が近い、即ち、最も良く似たテンプレートベクトルを検索する。ここで、ベクトル間の距離としては、ユークリッド距離、各要素の差分絶対値の和である差分絶対値距離（マンハッタン距離）が用いられる。
【００５２】
検索されたテンプレートベクトルはコード決定部５７に出力され、コード決定部５７は当該コードブックに割り当てられたインデックスを決定して、コード番号出力部５８を介して出力する。
【００５３】
このように、コードブックに割り当てられた番号をブロック毎に出力することにより、データを圧縮できる。換言すれば、図５に示された実施形態では、前述したコードブックを用いて、ベクトル量子化（ＶＱ）の演算が実行される。すなわち、まず、類似度演算部５６により、上記元画像データとコードデータとを用いて、ブロック毎に両者の類似度を算出する。ここで、類似度とは、元画像データから抽出されるブロック内の各画素値から成るベクトルデータと、コードベクトルのブロック内の各画素値から成るベクトルデータとをある関数に入力し、どのくらい似ているかを数値化したものである。この関数の代表的なものとしては、２つの入力ベクトルデータのマンハッタン距離（差分絶対値距離）やユークリッド距離を求める関数が挙げられる。
【００５４】
更に、図５に示されたコード決定部５７は、各ブロック毎に、上記のコードベクトルの中から、類似度が最も大きい（マンハッタン距離あるいはユークリッド距離が最も小さい）コードベクトルを夫々決定する。そして決定したコードベクトルに対応するコードを当該ブロックに当てはめて、圧縮データとして出力している。
【００５５】
また、図５に示されたベクトル量子化圧縮装置５０で圧縮されたデータは図６に示されたベクトル量子化伸長装置６０により再生、復元することができる。図６に示されたベクトル量子化伸長装置６０はコード番号入力部６１、コードメモリ６２、読出部６３、再生画像生成部６４、ブロックシフト部６５、コードブック記憶部６６、及び、画像メモリ６７とを備えている。尚、図６に示されたベクトル量子化伸長装置６０は図５に示されたベクトル量子化圧縮装置５０とオンラインで接続されていなくても良く、この場合、コード番号入力部６１には、ベクトル量化圧縮装置５０を用いてコードブックの番号に変換されたデータを格納した記録媒体、例えば、ＤＶＤ等がセットされることになる。
【００５６】
コードブックの番号に変換されたデータはコード番号入力部６１からコードメモリ６２に送出され、読出部６３の制御の下に、コードブックの番号は順次コードブックのコードに変換され、再生画像生成部６４に出力される。再生画像生成部６４で得られたコードはブロックシフト部６５においてコードブック記憶部６６からのコードブックのパターンに変換された後、再生画像として画像メモリ６７に格納される。画像メモリ６７に格納された再生画像は表示装置に表示される。
【００５７】
尚、図５及び図６に示された装置は、コンピュータによって構成することも可能であり、この場合、図示された機能は記録媒体に格納されたプログラムによって実行されることになる。
【００５８】
図７を参照すると、本実施形態の手法により作成したサイズ４０９６のコードブックを使用して、１０種類の画像に対してベクトル量子化（ＶＱ）処理を行った後、それを同じコードブックを用いて復元した各画像のＰＳＮＲ（Peak signal to noise ratio）特性を示す図である。
【００５９】
図８はその１０種類の評価画像を示している。１０種類の評価画像のうち、画像１〜３は文字を含んだ画像、４〜１０は文字を含まない自然画像である。参考のために、図７には、１０種類の画像を用いてKohonen の自己組織化マップの手法によりコードブックを個別に最適化し、それぞれ最適化されたコードブックを使って各画像にＶＱ処理をした後で、ＶＱ時に使用したのと同じそれぞれのコードブックを使って復元した各画像のＰＳＮＲ特性も示した。
【００６０】
図７の結果から明らかなように、本実施形態の手法により作成した単一のコードブックを用いた場合に得られるＰＳＮＲ特性は、Kohonen のアルゴリズムにより作成した１０種類のコードブックを用いた場合に得られるＰＳＮＲ特性を、文字を含む画像の場合、圧倒的に凌駕するものとなり、また、自然画像においては、ほぼ同程度の特性を実現している。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、たった１つのコードブックでも、それぞれの画像に対してKohonen のアルゴリズムで最適に作成した場合のＰＳＮＲ特性を凌駕するか、または、ほぼ同程度の特性が得られており、極めて汎用性の高いコードブックを作成できていることが確認された。
【００６２】
以上のように、本実施形態によれば、１つのコードブックだけで種々の画像に対応することが可能な汎用性の高いコードブックを得ることができる。
【００６３】
また、従来の技術（特開２０００−００４１６５）として、汎用性の高いコードブックの作成を目的とした発明が行われている。図９には、この従来の技術に基づいて作成されたサイズ4096のコードブックを使用してVQ処理を行った場合と、本実施形態で作成したコードブックを使用して１０種類の画像に対してVQ処理を行った場合の各画像のPSNR特性が示されている。
【００６４】
図９からも明らかなように、本実施形態の手法により作成した１つのコードブックを用いた場合に得られるＰＳＮＲ特性は、従来の技術により作成したコードブックを用いた場合に得られるＰＳＮＲ特性を、すべての画像に対して凌駕するものとなっており、極めて汎用性の高いコードブックを作成できていることが確認される。
【００６５】
図１０を参照すると、従来の手法により作成されたサイズ４０９６のコードブックを用いてＶＱ処理を行った場合のＰＳＮＲとほぼ同程度の画質を実現するには、本実施形態の手法により作成するコードブックのサイズは１０２４、つまり、７５％のコードブックサイズ削減が可能であることが示されている。このことは、コードブックを記憶しておくためのメモリ容量の削減を可能とすること示している。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば、２×２のコードブックにおいて、すべての取り得るパターンを考慮した上で、従来の技術には含まれていなかった、画像を構成するには重要な基本パターンを加えているので、画像種類に適応したコードブック作成を可能とし、その圧縮データから再生される画像の画質を向上させることができる。すなわち、本実施形態によれば、種々の画像について、高品位の再生画像を得ることが可能な汎用性の高いコードブックを実現することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、１つのコードブックだけで種々の画像に対応することが可能な汎用性の高いコードブックを得ることができる。また、本実施形態によれば、コードブックを記憶しておくためのメモリ容量の削減が可能となる。更に、本発明では、２×２のコードブックにおいて、従来の技術には含まれていなかった、基本パターンを加えているので、画像種類に適応したコードブック作成を可能とし、その圧縮データから再生される画像の画質を向上させることができる。すなわち、本実施形態によれば、種々の画像について、高品位の再生画像を得ることが可能な汎用性の高いコードブックを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は２×２コードブックの位置を示す図であり、（Ｂ）は２×２コードブックの位置と輝度との関係を示す図である。
【図２】２×２コードブックのパターンの種類を説明する図である。
【図３】図２に示されたパターンを更に分類した結果を示す図である。
【図４】（ａ）は実験で使用された４枚の画像を示し、（ｂ）、及び（ｃ）は（ａ）に示した画像を２×２の画素ブロックに分割し、それぞれの画素ブロックがマル数字で示されたパターンの各群に分類される割合を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る画像処理システムを構成するベクトル量子化装置（データ圧縮装置）の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明に係るデータ再生装置を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明に係るコードブックを使用した場合のＰＳＮＲ特性を従来のアルゴリズムを使用したコードブックを使用した場合のＰＳＮＲ特性と比較して説明するグラフである。
【図８】図７に使用された評価画像を示す図である。
【図９】本発明に係るコードブックを使用した場合のＰＳＮＲ特性を従来の他のコードブックを使用した場合のＰＳＮＲ特性と比較して説明するグラフである。
【図１０】同等の特性を得るのに必要な本発明に係るコードブックサイズと従来のコードブックサイズとを説明するグラフである。
【符号の説明】
５０ ベクトル量子化圧縮装置
５１ 画像入力装置
５２ 画像メモリ
５３ 読出部
５４ ブロック化部
５５ コードブックデータメモリ
５６ 類似度演算部
５７ コード決定部
５８ コード番号出力部
６０ ベクトル量子化伸長装置
６１ コード番号入力部
６２ コードメモリ
６３ 読出部
６４ 再生画像生成部
６５ ブロックシフト部
６６ コードブック記憶部
６７ 画像メモリ

Claims (19)

1. ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードを用いてデータを再生するデータ再生装置において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードを用いてデータの再生を行うことを特徴とするデータ再生装置。
2. 請求項１において、前記所定種類数は７５種類であり、これら７５種類のパターンは、同質のパターンを纏めることによって、更に、１４種類のコードパターンに分類され、当該分類された１４種類のコードパターンから選択されたコードパターンを有するコードを用いてデータの再生を行うことを特徴とするデータ再生装置。
3. ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードを用いてデータを再生するデータ再生装置において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわしたコードパターンとして、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなるパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つを有していることを特徴とするデータ再生装置。
4. 請求項３において、ａが２つ、ｂ及びｃが１つで、ａが対角の位置にあるパターン、ａが１つ、ｂが1つでｃが２つで、ｃが対角の位置にあるパターン、及び、ａ，ｂ，ｃ，ｄが１つで、ａとｂ、及び、ｃとｄとが対角の位置にあるパターンの少なくとも１つがコードに含まれていないことを特徴とするデータ再生装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記２×２画素の４要素コードパターンの各要素間の輝度値の差が、階調数の２％〜８％（階調数が８ビット、即ち、０〜２５５の値を取る場合、５〜２０）の範囲にあり、このため、各コードパターンは小さな輝度値の差を有していることを特徴とするデータ再生装置。
6. 請求項５において、前記コードパターンがａとｂのみで構成されている場合、ａ−ｂで計算される輝度値の差、ａ、ｂ、及びｃで構成されている場合、ａ−ｂ、ｂ−ｃで計算される輝度値の差、更に、ａ、ｂ、ｃ、及び、ｄで構成されている場合、ａ−ｂ、ｂ−ｃ、ｃ−ｄで計算される輝度値の差が前述した階調数の範囲にあることを特徴とするデータ再生装置。
7. ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードを用いてデータを再生するデータ再生方法において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードを用いてデータの再生を行うことを特徴とするデータ再生方法。
8. ベクトル量子化で使用される２×２の４要素コードを用いてデータを再生するデータ再生方法において、前記４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわしたコードパターンとして、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなるパターンのうち、少なくとも１つを有していることを特徴とするデータ再生方法。
9. 請求項７又は８において、ベクトル量子化で用いられる２×２画素の４要素コードパターンの各要素間の輝度値の差が、階調数の２％〜８％（階調数が８ビット、即ち、０〜２５５の値を取る場合、５〜２０）の範囲にあり、このため、各コードパターンは小さな輝度値の差を有していることを特徴とするデータ再生方法。
10. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、コードベクトルに対応するコードを出力するデータ圧縮装置において、２×２画素の４要素のコードのおける４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードを用いてデータの圧縮を行うことを特徴とするデータ圧縮装置。
11. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、コードベクトルに対応するコードを出力するデータ圧縮装置において、２×２画素の４要素のコードのおける４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわしたコードパターンとして、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなるパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つを有していることを特徴とするデータ圧縮装置。
12. 請求項１０又は１１において、前記２×２画素の４要素コードパターンの各要素間の輝度値の差が、階調数の２％〜８％（階調数が８ビット、即ち、０〜２５５の値を取る場合、５〜２０）の範囲にあり、このため、各コードパターンは小さな輝度値の差を有していることを特徴とするデータ圧縮装置。
13. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、コードベクトルに対応するコードを出力するデータ圧縮装置において、２×２画素の４要素のコードにおける４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわし、更に、２×２の４要素のコードパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られる所定種類数のパターンから選択されたパターンを有するコードを用いてデータの圧縮を行うことを特徴とするデータ圧縮方法。
14. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、コードベクトルに対応するコードを出力するデータ圧縮装置において、２×２画素の４要素のコードにおける４要素の輝度値を４つに区分し、前記４要素の中で最も輝度値の大きなものをａ、そのａよりも輝度値が小さいが、他の３要素の中で輝度値が最も大きなものをｂ、そのａ及びｂよりも輝度値が小さいが、他の２要素の中で輝度値が大きなものをｃとし、そのどれにもあてはまらない要素をｄとし、輝度値が実質的に同じであれば、同じアルファベットであらわしたコードパターンとして、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなるパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つを有していることを特徴とするデータ圧縮方法。
15. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、データ圧縮時には、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、それに対応するコードを出力するとともに、データ伸長時には、上記コードの中から上記コードに対応するコードベクトルを探し出して、それを該当するブロック位置に割り当てることによって元データを再現するデータ圧縮伸長システムにおいて、ベクトル量子化で用いられる２×２画素の４要素コードパターンとして、
    ２×２画素の４要素のコードのおける４要素の輝度値を４つに区分したとき、前記４要素の中の輝度値をａ＞ｂ＞ｃ＞ｄの条件を満たし、且つ、２×２の４要素のコードパターンに、少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られ、
    ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、
    ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなる５つのパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つが含まれており、当該コードパターンを用いて、データの圧縮及び伸長が行われることを特徴とするデータ圧縮伸長システム。
16. 少なくとも１つ以上のデータを有するデータ列をブロック化してベクトルとし、データ圧縮時には、あらかじめ用意されたコードの中から、圧縮対象より抽出されるベクトルに類似したコードベクトルを探し出して、それに対応するコードを出力するとともに、データ伸長時には、上記コードの中から上記コードに対応するコードベクトルを探し出して、それを該当するブロック位置に割り当てることによって元データを再現するベクトル量子化装置において、ベクトル量子化で用いられる２×２画素の４要素コードパターンとして、
    当該２×２画素の４要素のコードのおける４要素の輝度値をａ＞ｂ＞ｃ＞ｄの条件を満たすように４つに区分し、且つ、４要素には少なくとも１つのａが含まれることを条件として、分類することによって得られ、
    更に、ａが２つ、ｂが１つ、ｃが１つで構成されており、更に、ａ同士が隣接している第１のパターン、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが２つで構成されており、更に、ｃ同士が隣接している第２のパターン、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｄが対角に位置する第３のパターン、
    ａが１つ、ｂが２つ、ｃが１つで構成されており、更に、ｂ同士が隣接している第４のパターン、及び、
    ａが１つ、ｂが１つ、ｃが１つ、ｄが１つで構成されており、更に、ａとｃが対角に位置する第５のパターンからなる５つのパターンのうち、前記第１〜第５のパターンの少なくとも１つが含まれていることを特徴とするベクトル量子化装置。
17. 請求項３、８、１１、１４、１６のいずれかにおいて、前記第１乃至第５のパターンの少なくとも１つを用いてデータを処理する処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録していることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
18. 請求項１１又は１４に記載された前記第1乃至第５のパターンの少なくとも１つを用いて、圧縮されたコードを用いて圧縮されたデータを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
19. 請求項１８に記載された記録媒体を前記第１乃至第５のパターンの少なくとも１つを用いて再生することを特徴とするデータ再生装置。

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