JP5194896B2 - 符号化装置、復号装置及び符号化システム - Google Patents

符号化装置、復号装置及び符号化システム Download PDF

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Description

本発明は、符号化装置、復号装置及び符号化システムに関し、特に、Distributed Video Codingなどに用いられるSlepian−Wolf符号化システムに適用し得るものである。
近年、非特許文献1に説明されているようなDistributed Video Coding(以下、DVCと呼ぶ)という新しい符号化方式に注目が集まっている。
この方式は、符号化器で符号化するべき原画像に対してSlepian−Wolf符号化処理を行い、その符号化データと復号側で行った符号化器側の原画像の予測画像と共にSlepian−Wolf復号を行うことで画像の符号化を行う新しい符号化方式である。
図2は、非特許文献1で紹介されているDVCのフレームワークを示す説明図(ブロック図)である。
符号化器で符号化するべき原画像(Wyner−Ziv Frames;Wyner−Zivキーフレーム)を変換係数領域(DCT)に変換した後、各帯域毎に量子化(2MK level Quantizer)し、その値(qk)を2値で表し、各ビットの情報を、例えば、1フレーム分だけ集めた情報(Extract bit−planes)毎にSlepian−Wolf符号化(Turbo Encoder)を行い、その結果のうちパリティビットのみを一時保存(Buffer)し、情報ビットを捨てる(明確に図示はされていない)。
復号器側では、図2に示すようにキーフレーム(Key Frames)から予測画像を生成し(Interpolation/Extrapolation)、その予測画像を変換係数領域(DCT)に変換し、各帯域毎にSide Informationとして、Slepian−Wolf復号器(Turbo Decoder)に入力する。
また、Slepian−Wolf復号器(Turbo Decoder)は、符号化器に対して、一時保存しているパリティビットのうち一部に対して送信要求(Request bits)を行う。受信したパリティビットと上述したSide InformationからSlepian−Wolf復号(Turbo Decoder)を行う。十分な復号が行えなかった場合には、再度、符号化器側にパリティビットの一部の追加送信要求(Request bits)を行い、受信したパリティビットと上述したSide InformationからSlepian−Wolf復号(Turbo Decoder)を行う。この処理を十分な復号が行えるまで続ける。
その後、Slepian−Wolf復号(Turbo Decoder)の復号値とSide Informationから変換係数を再構築し、逆変換(IDCT)することで復号画像を得る。
図3を用いて、Slepian−Wolf符号化/復号とその周辺に関する部分を再度説明する。
図3は、Slepian−Wolf符号化から、ビットの送信までの示した符号化装置100Aと、ビットの受信からSlepian−Wolf復号をするところまでを示した復号装置100Bとを示している。
符号化装置100Aの組織符号化器101は、Slepian−Wolf符号器である。Slepian−Wolf符号器の具体例としては、情報ビットとパリティビットを別々に生成できる組織符号化器を用いる。ターボ符号化器は組織符号化器に含まれる。組織符号化器101で生成された情報ビットは捨てられるが、生成されたパリティビットはパリティビット用バッファ102に与えられ、その一部のパリティビットに関しては、パリティビット送信部203から復号装置100Bに送信され、他のパリティビットに関しては、復号装置100Bからの要求があるまで保存する。
復号装置100Bではパリティビット受信部209で受信したパリティビットをパリティビット用バッファ108に与える。パリティビット用バッファ108から、保存されているパリティビットを誤り訂正符号部107に入力する。また、情報ビット予測部112で予測した情報を誤り訂正復号部107に入力し、パリティビットと共に誤り訂正復号を行う。その結果、十分な復号ができなかった場合は、送信要求信号制御部213が送信要求信号送信部214に、符号化装置100Aに追加のパリティビット送信の要求をするよう指示し、送信要求信号送信部214は符号化装置100Aに追加パリティ送信要求信号を送信する。
符号化装置100Aの送信要求信号受信部206は、追加のパリティビット送信の要求信号を受けた場合には、送信パリティビット制御部205に指示する。送信パリティビット制御部205は、例えば、予め決められたテープルに従って、追加のパリティビットを送信するようパリティビット用バッファ102に指示し、パリティビット送信部203から復号装置100Bに送信させる。
上述した処理を、復号装置100Bにおいて、十分な復号結果が得られるまで繰り返す。
復号装置100Bの誤り訂正復号部107で行われる誤り訂正復号のアルゴリズムとしては、非特許文献2で紹介されているように、MAP(最大事後確率)復号アルゴリズムがあり、上述したターボ符号などで用いられている。この方法は、復号装置が受信したパリティビットと復号装置側で予測した予測情報ビットなどから、各情報ビットの値が0であるか1であるかの確率を計算することにより、高性能な誤り訂正復号を実現するものである。
図4は、誤り訂正復号部における従来の動作の説明図である。以下では、非特許文献2に倣って説明する。また、情報ビット、パリティビットは、送信の際に、0は−1に、1は+1に変換する例を示す。図4の例では、拘束長=3、符号化率=1/2の組織符号器(組織符号畳み込み符号器)を用いている。時刻k=n−1,n,n+1に情報ビットu{1,0,0}、パリティビットv={1,0,1}を生成するが、送信するのは、k=nのときのパリティビット=0のみである。
復号装置側における、各情報ビットの予測値がx={1.5,0.0,−0.6}であって、パリティビットy={0.0,−1.0,0.0}を受信したものとする。符号化装置側で送信されなかったパリティビットは0.0という値を使っている。
まず、時刻がk=n→k=n+1に変化したときのブランチメトリックの計算例を説明する。
例えば、k=nのときに状態a(=00)で、かつ、符号化装置側でパリティビットが0である場合のブランチメトリックの計算方法は以下の通りである。パリティビットが必ず正しく届くと仮定すると、ブランチメトリックは、(1)式により計算できる。但し、A=1、σ=1とする。また、πi=0 は、時刻kにおける入力ビットi=0の事前確率比(事前尤度比)である。
Figure 0005194896
同様に、k=nのときに状態がb(=10)、c(=01)又はd(=11)で、かつ、符号化装置側でパリティビットが0である場合のブランチメトリックはそれぞれ、(2)式〜(4)式により計算できる。
Figure 0005194896
また、パリティビットが必ず正しく届くと仮定すると、パリティビットが1である確率は0になることにより、この場合の各状態に係るブランチメトリックはそれぞれ、(5)式〜(8)式により計算できる。
Figure 0005194896
k=n→k=n+1のときに、パリティビットが0であることが保証されていることから、当然、状態がaのときに情報ビット=1が出力されることはないが、それが復号器のトレリスでも表現されていることが分かる。
次に、k=n−1→k=nのときのブランチメトリックの計算例を説明する。例えば、k=n−1のときに状態aでかつ符号化装置側からパリティビットが送られなかった場合の計算方法は次の通りである(関連する値をピンク色で示す)。パリティビットi=0、i=1の二通りに分類すると、(9)式及び(10)式のようになる。但し、(9)式及び(10)式において、ui=0 k=n−1=1、ui=1 k=n−1=−1である。(9)式から(11)式に示すブランチメトリックが得られ、(10)式から(12)式に示すブランチメトリックが得られる。
Figure 0005194896
k=n+1→k=n+2のときのブランチメトリックの計算方法は、k=n→k=n+1のときのブランチメトリックの計算方法と同じであるので、図4には結果だけ示しておく。
図4を使って、各ビットの復号値を計算する方法を説明する。
まず、前方状態メトリックαと後方状態メトリックβの計算方法の例を説明する。例えば、k=n+1のときに状態aである場合の前方状態メトリックαの値は、下線の入った数値を用いることで(13)式のように計算することができる。時刻若しくは状態が異なる他の前方状態メトリックαも同様に計算することができる。
α=0.14×0.50+0.56×0.0=0.07 …(13)
また、後方状態メトリックβの計算方法も同様で、前方状態メトリックαの計算の方向が左から右であったのに対し、後方状態メトリックβの計算は右から左へ行う点が異なっている。
次に、復号値の算出方法を説明する。
まず、k=n−1→k=nの情報ビットを復号する方法を説明する。k=n−1の各状態から、情報ビット0が入力されてk=nの状態に遷移したと仮定した場合の値は(14)式で計算され、k=n−1の各状態から、情報ビット1が入力されてk=nの状態に遷移したと仮定した場合の値は(15)式で計算される。これらの計算結果より、(16)式に従ってビットの対数尤度比を求めると1.31が得られ、0より大きいことから、情報ビットの復号値1を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
次に、k=n→k=n+1の情報ビットを復号する方法を説明する。k=nの各状態から、情報ビット0が入力されてk=n+1の状態に遷移したと仮定した場合の値は(17)式で計算され、k=nの各状態から、情報ビット1が入力されてk=n+1の状態に遷移したと仮定した場合の値は(18)式で計算される。これらの計算結果より、(19)式に従ってビットの対数尤度比を求めると−0.08が得られ、0より小さいことから、情報ビットの復号値0を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
次に、k=n+1→k=n+2の情報ビットを復号する方法を説明する。k=n+1の各状態から、情報ビット0が入力されてk=n+2の状態に遷移したと仮定した場合の値は(20)式で計算され、k=n+1の各状態から、情報ビット1が入力されてk=n+2の状態に遷移したと仮定した場合の値は(21)式で計算される。これらの計算結果より、(22)式に従ってビットの対数尤度比を求めると−0.36が得られ、0より小さいことから、情報ビットの復号値0を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
図5は、図4(c)からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示している。図5は、パリティビットを1ビット正しく受信できている場合には、4本のパスの計算を削減できることを示している。
Anne Aaron et al,"Transform−domain Wyner−Ziv Codec for Video. In",Proc, SPIE Visual Communication and Image Processing, San Jose, CA(2004) バァナード・スカラー著、「ディジタル通信(原著第2版) 基本と応用」、株式会社ピアソン・エヂュケーション発行、2006年5月初版、pp.457−467
上述したMAP復号アルゴリズムは、非常に高い誤り訂正結果を生み出すアルゴリズムとして知られている。しかしながら、計算量が多いという問題点がある。
例えば、音声情報のような比較的少ない情報では高速に処理することは可能であるが、動画像情報のように、多くの情報を処理する場合には、高速に処理することが困難となるので、より高性能なCPUが必要となったり、より消費電力が必要となったりするという問題がある。
また、MAP復号アルゴリズムは、計算結果を保存しておくメモリの量が多くなるという問題点もある。計算量が多いという問題のときと同様に、動画像情報のように、多くの情報を処理する場合には、音声と比較して多くのメモリを必要とする。そのことにより、復号装置の規模が増大してしまうという問題がある。
そのため、復号装置における計算量やメモリ容量を抑えることができる符号化装置、復号装置及び符号化システムが望まれている。
第1の本発明は、送信側が、キーフレームを送信し、該キーフレーム間のWyner−Zivフレームに関しては、組織符号化し、情報ビットを破棄してパリティビットのみを受信側に送信し、受信側が、受信したキーフレームから予測されるサイド情報を情報ビットとして利用して、受信したパリティビットとで、Wyner−Zivフレームを復号する通信システムにおける、上記送信側に設けられた符号化装置であって、上記Wyner−Zivフレームについての組織符号を生成する誤り訂正符号化器を有し、パリティビットを対向する受信側内の復号装置に送信する符号化装置において、(1)上記誤り訂正符号化器で生成された情報ビットを格納する情報ビット格納部と、(2)上記誤り訂正符号化器で生成されたパリティビットを格納するパリティビット格納部と、(3)上記復号装置側からの送信要求信号を受信する送信要求信号受信部と、(4)上記送信要求信号受信部で受信した信号の種類により、上記情報ビット格納部に格納されている1又は複数の情報ビットと、上記パリティビット格納部に格納されている1又は複数のパリティビットのどちらか、若しくは、双方を送信させるかを制御する送信ビット制御部と、(5)上記送信ビット制御部の制御により、上記情報ビット及び上記パリティビットの少なくとも一方を、上記復号装置で誤りを完全に訂正できるようにする処理を施して送信するビット送信部とを備えることを特徴とする。
第2の本発明は、送信側が、キーフレームを送信し、該キーフレーム間のWyner−Zivフレームに関しては、組織符号化し、情報ビットを破棄してパリティビットのみを受信側に送信し、受信側が、受信したキーフレームから予測されるサイド情報を情報ビットとして利用して、受信したパリティビットとで、Wyner−Zivフレームを復号する通信システムにおける、上記受信側に設けられた復号装置であって、送信側内の対向する符号化装置における上記Wyner−Zivフレームについての組織符号を生成する誤り訂正符号化器が生成したパリティビットを、正しく受信できることが保証されている復号装置において、(1)上記パリティビットに加え、上記符号化装置が送信した情報ビットも正確に受信するビット受信部と、(2)上記ビット受信部で受信した情報ビットを格納する情報ビット格納部と、(3)上記ビット受信部で受信したパリティビットを格納するパリティビット格納部と、(4)情報ビットを予測する情報ビット予測部と、(5)情報ビット予測部の出力と情報ビット格納部の出力とを組み合わせて入力情報ビットを生成する入力情報ビット生成部と、(6)上記入力情報ビットと、上記パリティビット格納部に格納されている受信したパリティビットとから、組織符号を復号する誤り訂正復号部と、(7)上記符号化装置側へ送信要求信号を送信する送信要求信号送信部と、(8)上記誤り訂正復号部からの入力により上記符号化装置へ送信させる送信要求信号の内容を制御する送信要求制御部とを備えることを特徴とする。
第3の本発明の符号化システムは、第1の本発明の符号化装置と、第2の本発明の復号装置を備えることを特徴とする。
本発明によれば、復号装置における計算量やメモリ容量を抑えることができる符号化装置、復号装置及び符号化システムを提供できる。
(A)第1の実施形態
以下、本発明に係る符号化装置、復号装置及び符号化システムの第1の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(A−1)第1の実施形態の構成
図1は、第1の実施形態に係る符号化システム10の構成を示すブロック図であり、上述した図3との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
図1において、符号化システム10は、入力情報を符号化し復号装置側へ符号化データを送信すると共に復号装置側から追加ビットの送信要求信号を受信することができる符号化装置10Aと、符号化データを受信し復号すると共に符号化装置側に追加ビットの送信要求信号を送信することができる復号装置10Bとから構成されている。
符号化装置10Aは、例えば、ターボ符号のように入力情報を情報ビットとパリティビットに分けて符号化する組織符号化器101と、組織符号化器101で生成されたパリティビットを保存するパリティビット用バッファ102と、同じく組織符号化器101で生成された情報ビットを保存する情報ビット用バッファ104と、情報ビット、パリティビットのどちらか、若しくはどちらも送信するビット送信部103と、ビット送信部103でどんなビットを送信するかを制御する送信ビット制御部105と、復号装置側から送信された送信要求信号を受信し、送信ビット制御部105へその内容を知らせる送信要求信号受信部106とを有する。
復号装置10Bは、符号化装置側から送られてきた情報ビット、パリティビットのどちらか、若しくはどちらも受信するビット受信部109と、ビット受信部109で受信したパリティビットを保存するパリティビット用バッファ108と、ビット受信部109で受信した情報ビットを保存する情報ビット用バッファ111と、情報ビットを予測する情報ビット予測部112と、情報ビット予測部112の出力と情報ビット用バッファ111の出力から、誤り訂正復号部107へ入力する入力情報ビットを生成する入力情報生成部110と、入力情報ビット生成部110で生成された入力情報ビットと、パリティビット用バッファ108で保存されているパリティビットを入力として、誤り訂正復号を行う誤り訂正復号部107と、誤り訂正復号部107の指示により、符号化装置側に追加の情報ビット若しくはパリティビット若しくはその両方の送信要求を制御する送信要求信号制御部113と、送信要求信号制御部113の指示により、送信要求信号を符号化装置側に送信する送信要求信号送信部114とを有する。
組織符号化器101で生成されたパリティビットは、画像の圧縮符号化された情報として意味を持っており、符号化装置10A及び復号装置10B間のパリティビットの授受において、誤りが混入されると、復号精度が著しく低下する。そのため、ビット送信部103及びビット受信部109が完全な誤り訂正機能を備え、ビット送信部103が送信するパリティビット(及び情報ビット)に対して、ビット受信部109が誤りを訂正できるための処理を施して送信する。
(A−2)第1の実施形態の動作
次に、第1の実施形態に係る符号化システム10の動作、従って、符号化装置10A及び復号装置10Bの動作を、図6のフローチャートをも参照しながら説明する。
符号化するべきデータが組織符号化器101に入力されると、組織符号化器101は符号化を行い、組織符号を生成する(ステップS101)。ここで、組織符号化器101は、情報ビットとパリティビットとが明確に区別できる組織符号を生成するものであり、例えば、畳み込み符号器、ターボ符号器などを適用できる。
組織符号化器101で生成された情報ビットは、情報ビット用バッファ104に与えられて保存されると共に(ステップS102)、組織符号化器101で生成されたパリティビットは、パリティビット用バッファ102に与えられて保存される(ステップS103)。
送信ビット制御部105は、予め決められたテーブルなどに基づき、パリティビット、情報ビットのどちらか、若しくはどちらも送信するように、パリティビット用バッファ102、情報ビット用バッファ104及びビット送信部103に指示を出し(ステップS104)、これにより、ビット送信部103によって所望のビットが送信される(ステップS105)。ここで、テーブルとは、例えば、通常パリティビットのパンクチャリングに使用されるパンクチャリングテーブルのようなものを指す。テーブルは、例えば、16ビットに1ビットの割合で、パリティビットを復号装置側に送信するという制御を可能とするテーブルである。例えば、このようなテーブルを情報ビットの送信用にも持ち、例えば、パリティビットは16ビットに1ビットの割合で、情報ビットは32ビットに1ビットの割合で送るというようなことをすることで上述した指示を実現する。
符号化装置側から送信されたビットは、通信路などを通じて、復号装置10Bで受信される。具体的には、ビット受信部109によって受信される(ステップS106)。ビット受信部109で受信された情報ビットは、情報ビット用バッファ111に与えられて保存されると共に(ステップS107)、受信されたパリティビットは、パリティビット用バッファ108に与えられて保存される(ステップS108)。
次に、符号化装置側が送信しようとしている情報ビット(今から送信すべき情報ビット)を情報ビット予測部112で予測する(ステップS109)。例えば、既に復号されたデータなどを用いて、今、符号化装置側で送信すべきデータ(情報ビット若しくは情報ビット列)を予測する。例えば、動画像では、前フレーム画像や、前後フレームの画像から補間をするなどして作成した予測画像を用い、その予測画像から情報ビットを予測する。また例えば、音声では、自己相関を捉えて短期間周期を検出すると共に、エンベローブを捉え、これら得られた過去の波形情報から、次の所定期間の音声波形を予測する。
次に、情報ビット予測部112で予測された情報ビットと、情報ビット用バッファ111に保存された情報ビットとから、誤り訂正復号部107に入力する入力情報ビットを入力情報ビット生成部110が生成する(ステップS110)。例えば、入力情報ビット生成部110は、保存された情報ビットを予測情報ビットの同じ位置に上書きすることで入力情報ビットを生成する。
そして、入力情報ビット生成部110で生成された入力情報ビットと、パリティビット用バッファ108に保存されているパリティビットとが、誤り訂正復号部107に入力され、誤り訂正復号処理がなされる(ステップS111)。そして、十分な復号結果が得られたか否かが判断される(ステップS112)。例えば、MAP復号アルゴリズムなどを用い、各ビット毎に0か1かの確率を求めることで復号する。また例えば、ターボ符号の場合には、その結果を異なる畳み込み符号の復号器への事前確率として入力するということを相互の復号器が繰り返して行う繰り返し復号などをすることで、復号結果を得る。
十分な復号結果が得られたと判断した場合は、処理を終了するか否かを判断する(ステップS113)。処理終了の場合には、処理を完了する。継続して処理を行う場合には、誤り訂正復号部107は、その旨を送信要求信号制御部113へ伝え、送信要求信号制御部113は、送信要求信号送信部114へ、次のデータ(例えば、次のビットプレーンのデータ、次のフレームのデータなど)を送信要求する信号を出力するように指示し、その指示に従い、送信要求信号送信部114はネットワークなどを通じて、符号化装置10Aに送信要求を行う(ステップS114)。この送信要求によっては、符号化装置10Aは、上述したステップS101から、次のデータの処理を行うことになる。
一方、十分な復号結果が得られなかったと判断した場合には、誤り訂正復号部107は、その旨を送信要求信号制御部113へ伝え、送信要求信号制御部113は、送信要求信号送信部114へ追加のデータ(例えば、同じビットプレーンの追加データ、同じフレームの追加データなど)を送信要求する信号を出力するよう指示し、その指示に従い、送信要求信号送信部114は、ネットワークなどを通じて、符号化装置10Aに送信要求を行う(ステップS115)。この送信要求によっては、符号化装置10Aは、上述したステップS104以降の追加データに対する処理を行う。追加データの送信要求は、ステップS112の判断で、誤り訂正復号部107で十分な復号結果が得られたと判断されるまで繰り返される。十分な復号結果が得られたか否かの判断としては、例えば、MAP復号アルゴリズムによる復号時に得られる対数尤度比などが一定値以上になっているときは十分な復号値であると判断することなどで実現できる。
復号装置側からの送信要求信号を受信した符号化装置10Aの送信要求信号受信部106は、受信した送信要求信号により送信を要求しているデータ(例えば、次のビットプレーンのデータ、次のフレームのデータ、同じビットプレーンの追加データ、同じフレームの追加データなど)を識別する(ステップS116)。
同じビットプレーンの追加データ、同じフレームの追加データ等の追加データと判断した場合には、送信要求信号受信部106は、その旨を送信ビット制御部105へ送信する(ステップS117)。このとき、送信ビット制御部105は受信した送信要求信号の種類に基づき、パリティビツト用バッファ102や情報ビット用バッファ104に指示を出し、ビツト送信部103から復号側で必要なデータを送信するよう指示し(ステップS104)、ビット送信部103ではそれらのデータを送信する(ステップS105)。
次のビットプレーンのデータや、次のフレームのデータ等の新データと判断した場合には、ステップS101に戻り、次のビットプレーンや次のフレームの符号化処理を開始する。
以上のような処理を、符号化システム10は、終了命令(ステップS113で判断)があるまで繰り返し実行する。
以下、復号装置10Bの誤り訂正復号部107の動作を詳細に説明する。
復号装置10Bの誤り訂正復号部107で行われる誤り訂正復号のアルゴリズムとして、MAP復号アルゴリズムが適用可能であり、上述した畳み込み符号や、ターボ符号などに適用できる。このMAP復号アルゴリズムを適用した場合、復号装置で受信したパリティビットと、情報ビット(DVCの枠組みにおいて復号装置側で予測した予測情報ビット)と、各情報ビットの事前確率などから、各情報ビットの値が0であるか1であるかの確率を計算することで、高性能な誤り訂正復号を実現できる。
図7は、第1の実施形態に係る誤り訂正復号部107における動作の説明図であり、具体的な計算例を示している。図7は、従来技術の説明で用いた図4に対応する図面である。
この例では、図7(a)に示すように、拘束長=3、符号化率=1/2の組織符号畳み込み符号器を用いている。時刻k=n−1、n、n+1に情報ビットu{1,0,0}、パリティビットv={1,0,1}を生成するが、送信するのは、k=nのときの情報ビット0のみである。
復号装置側では、図7(b)に示すように、それぞれの情報ビットの予測値としてx={1.5,0.0,−0.6}を得ていたが、時刻k=nにおける受信した情報ビットの値が0であるので、予測値を更新して、x={1.5,−1.0,−0.6}にしたとする。
また、受信されたパリティビットがy={0.0,0.0,0.0}であるとする。ここでは、符号化装置側から送信されなかったパリティビットには0.0という値を使うことにしている。
まず、k=n→k=n+1のときのブランチメトリックの計算例を説明する。
例えば、k=nのときに、状態a(=00)、状態b(=10)、状態c(=01)若しくは状態d(=11)で、かつ、符号化装置側における情報ビットが0(i=0)である場合のブランチメトリックは、それぞれ、(23)式〜(26)式によって計算される。但し、A=1、σ=1とする。また、πi=0 は、時刻kにおける入力ビットi=0の事前確率比(事前尤度比)である。
Figure 0005194896
また、パリティビットが必ず正しく届くと仮定すると、パリティビットが1である確率は0になることにより、この場合の各状態に係るブランチメトリックはそれぞれ、(27)式〜(30)式により計算できる。
図7を、従来技術に係る図4と比較すると、時刻k=nの状態から延びている破線部分のプランチメトリックの値が0.0になっていることが分かる。k=n→k=n+1のときに、情報ビットが0であることが保証されていることから、当然情報ビット=1が出力されることはないが、それが復号装置のトレリスでも表現されていることが分かる。
次に、k=n−1→k=nのときのブランチメトリックの計算例を説明する。
例えば、k=n−1のときに状態aで、かつ、符号化装置側からパリティビットが送られなかった場合の計算方法は、i=0、i=1の二通りに分類すると、(31)式、(32)式のようになる。但し、ui=0 k=n−1=−1、ui=1 k=n−1=+1である。(31)式から(33)式が得られ、(32)式から(34)式が得られる。但し、Ak=n−1=1、σ=1とする。
Figure 0005194896
k=n+1→k=n+2のときのブランチメトリックの計算方法は、k=n−1→k=nのときのブランチメトリックの計算方法と同じであるので、図7にはその結果だけ示しておく。
図7を使って、各ビットの復号値の算出方法を説明する。
まず、k=n−1→k=nの情報ビットを復号する方法を説明する。k=n−1の各状態から、情報ビット0が入力されてk=nの状態に遷移したと仮定した場合の値は(35)式で計算され、k=n−1の各状態から、情報ビット1が入力されてk=nの状態に遷移したと仮定した場合の値は(36)式で計算される。これらの計算結果より、(37)式に従ってビットの対数尤度比を求めると1.31が得られ、0より大きいことから、情報ビットの復号値1を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
次に、k=n→k=n+1の情報ビットを復号する方法を説明する。k=nの各状態から、情報ビット0が入力されてk=n+1の状態に遷移したと仮定した場合の値は(38)式で計算され、k=nの各状態から、情報ビット1が入力されてk=n+1の状態に遷移したと仮定した場合の値は(39)式で計算される。これらの計算結果より、(40)式に従ってビットの対数尤度比を求めると−∞が得られ、0より小さいことから、情報ビットの復号値0を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
次に、k=n+1→k=n+2の情報ビットを復号する方法を説明する。k=n+1の各状態から、情報ビット0が入力されてk=n+2の状態に遷移したと仮定した場合の値は(41)式で計算され、k=n+1の各状態から、情報ビット1が入力されてk=n+2の状態に遷移したと仮定した場合の値は(42)式で計算される。これらの計算結果より、(43)式に従ってビットの対数尤度比を求めると−0.36が得られ、0より小さいことから、情報ビットの復号値0を得ることができ、正しく復号できていることが分かる。
Figure 0005194896
図8は、図7(c)からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示している。情報ビットを1ビット正しく受信できる場合には、図8のように、8本のパスの計算を削減でき、また、4つの状態に関連する前方状態メトリックαや後方状態メトリックβの値を保存しなくても良い。
(A−3)第1の実施形態の効果
以上のように、第1の実施形態によれば、復号結果の精度を向上させるのに、符号化装置から復号装置へパリティビットを送信するだけでなく、情報ビットも適宜を送信するようにし、ある時刻の状態を復号装置側で特定できるようにしたので、その状態以外の状態に係るパスがなくなり、そのために必要な計算量を削減できる。すなわち、MAP復号アルゴリズムの計算量を削減できる。例えば、図5及び図8を比較することから分かるように、情報ビットを1ビット送信することにより、パリティビットを1ビット送信したときよりも4本のパスの計算を削減できる。
また、パリティビットを1ビット送信したときにはないが、情報ビットを1ビット送信したときには、ある時間の状態が限定されるので、その限定された状態でのみ前方状態メトリックαや後方状態メトリックβを保存しておく必要がなくなり、復号装置のメモリの削減が可能となる。図7及び図8の例では、情報ビットを1ビット送信することにより、4つの状態で、前方状態メトリックαや後方状態メトリックβを保存しなくて済むようになった。
(B)第2の実施形態
次に、本発明に係る符号化装置、復号装置及び符号化システムの第2の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
図9は、第2の実施形態に係る符号化システム20の構成を示すブロック図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一符号を付して示している。
図9において、第2の実施形態に係る符号化システム20は、符号化装置20Aと復号装置20Bとから構成されている。復号装置20Bは、第1の実施形態の復号装置10Bと全く同一である。
第2の実施形態の符号化装置20Aは、送信ビット制御部105aのみが第1の実施形態の符号化装置10Aと異なり、その他の構成要素は、第1の実施形態のものと同様である。送信ビット制御部105aの機能については、以下の動作説明で明らかにする。
次に、第2の実施形態に係る符号化システム20の動作、従って、符号化装置20A及び復号装置20B(10B)の動作を、図10のフローチャートをも参照しながら説明する。なお、図10において、第1の実施形態に係る図6との同一、対応ステップには同一符号を付して示している。
第2の実施形態の場合、第1の実施形態におけるステップS104がステップS104aに置き換わっている。
送信ビット制御部105aは、置き換えられた送信ビット制御部105aにおいて以下のように動作する。すなわち、送信ビット制御部105aは、予め決められたテーブルなどに基づき、パリティビット、情報ビットのどちらか、若しくはどちらも送信するよう、パリティビット用バッファ102、情報ビット用バッファ104及びビット送信部103に指示を出す。第2の実施形態でも、テーブルとは、例えば、通常パリティビットのパンクチャリングに使用されるパンクチャリングテーブルのようなものを指し、例えば、8ビットの1ビットの割合で、パリティビットを復号装置側に送信するという制御を可能とするテーブルである。第2の実施形態における送信ビット制御部105aの特徴は、復号装置側が、主にメモリ削減効果を要求するか、計算量削減効果を要求しているかに応じて、テーブルを切り替えることにある。
まず、復号装置側が主にメモリ削減効果を要求している場合の例を説明する。
符号化装置20Aが、例えば、2ビットの情報ビット毎にその一方の1ビットを送信することにより(言い換えると、情報ビットの送信機会を多くすることにより)、復号装置20Bにおけるメモリ削減効果を実現できる。情報ビットの送信機会を多くした場合の復号装置20Bの誤り訂正復号部107の動作を、図11を用いて詳細に説明する。
復号装置10Bの誤り訂正復号部107で行われる誤り訂正復号のアルゴリズムとして、MAP復号アルゴリズムが適用されているとする。図11の例では、図11(a)に示すように、拘束長=3、符号化率=1/2の組織符号畳み込み符号器を用いている。時刻k=n−1、n、n+1、n+2、n+3に情報ビットu={1,0,0,0,0}、パリティビットv={1,0,1,0,0}を生成するが、送信するのは、k=nのときの情報ビット=0及びk=n+2のときの情報ビット=0のみである。
復号装置側ではそれぞれ情報ビットの予測値を得るが、受信した情報ビットはk=nのときの値=0、k=n+2のときの値=0であることを考慮し、予測値を更新して、x={1.5,−1.0,−0.6,−1.0,−0.6}とする。パリティビットとして、y={0.0,0.0,0.0,0.0,0.0}を受信したものとする。符号化装置側から送信されなかったパリティビットは0.0という値を使っている。
k=n−1→k=n、k=n→k=n+1及びk=n+1→k=n+2のときのブランチメトリックの計算方法は第1の実施形態のブランチメトリックの計算方法と同じである。また、k=n+2→k=n+3のときのブランチメトリックの計算方法はk=n→k=n+1のときのブランチメトリックの計算方法と同じであり、k=n+3→k=n+4のときのブランチメトリックの計算方法はk=n+1→k=n+2のときのブランチメトリックの計算方法と同じである。そこで、計算方法の説明は省略するが、計算結果は図11に示すようになる。
図12は、図11(c)からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示している。情報ビットを2ビット(1ビット毎に)正しく受信できる場合には、図12に示すように、18本のパスの計算を削減できるだけでなく、8つの状態に関連する前方状態メトリックαや後方状態メトリックβの値を保存しなくても良いのでメモリ量を削減できる。
次に、復号装置側が主に計算量削減効果を要求している場合の例を説明する。
符号化装置側が、例えば、2ビット(但し3ビット以上でも良い)の情報ビットを連続して送信することで計算量の大きな削減効果を実現できる。複数の情報ビットを連続して送信する場合の復号装置10Bの誤り訂正復号部107の動作を、図13を用いて詳細に説明する。
この例でも、拘束長=3、符号化率=1/2の組織符号畳み込み符号器を用いる。時刻k=n−1、n、n+1、n+2、n+3に情報ビットu={1,0,0,0,0}、パリティビットv={1,0,1,0,0}を生成するが、送信するのは、k=nのときの情報ビット=0及びk=n+1のときの情報ビット=0のみである。
復号装置側ではそれぞれ情報ビットの予測値を得るが、受信した情報ビットはk=nのときの値=0と、k=n+1のときの値=0とであることを考慮し、予測値を更新して、x={1.5,−1.0,−1.0,−0.6,−0.6}とする。パリティビットとしてy={0.0,0.0,0.0,0.0,0.0}を受信したものとする、符号化装置側から送信されなかったパリティビットは0.0という値を使っている。
ブランチメトリックの計算例は、第1の実施形態及び第2の実施形態(図11)と同様であるので省略する。
図14は、図13からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示している。情報ビットを2ビット連続正しく受信できる場合には、図14に示すように、20本のパスの計算を削減できるだけでなく、7つの状態に関連する前方状態メトリックαや後方状態メトリックβの値を保存しなくても良いのでメモリ量を削減できる。
第2の実施形態によっても、第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。
さらに、第2の実施形態によれば、情報ビットの送信方法を変更することにより、復号装置側が主にメモリ削減効果を要求するか、計算量削滅効果を要求しているかに対応することが可能である。
具体的には、復号装置側が主にメモリ削減効果を要求する場合には、情報ビットを1ビット毎に送信することで、8つの状態に関連する前方状態メトリックαや後方状態メトリックβの値を保存しなくても良く、メモリ量を削減できると共に、情報ビットを連続で送信した場合よりも、1つの状態で情報を保存するメモリ量も削減できる。
また、復号装置側か主に計算量削減効果を要求する場合には、情報ビットを連続で送信することで、20本のパスの計算を削減できると共に、上述した1ビット毎に送信した場合に比べて、2本のパスの計算を削減できる。また、この場合は、畳み込み符号器のシフトレジスタの数(拘束長=3)−1=2ビット連続で送信していることにより、k=n+2のときに状態を一つに特定できているので、誤り訂正能力の一段の向上も期待できる。
(C)他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。
第1の実施形態及び第2の実施形態では、復号方法として、MAP復号アルゴリズムを用いた場合を説明したが、この復号方法に限定されるものではない。例えば、log−MAPアルゴリズム、max−log−MAPアルゴリズムなど、各時刻において複数の状態を持ち、それぞれの状態をつなぐ計算パスを持つような復号アルゴリズム全てに対して、本発明を適用することができる。
また、第1の実施形態及び第2の実施形態では、拘束長=3、符号化率=1/2の組織符号畳み込み符号器を用いた例を示したが、これ以外の畳み込み符号器でも利用可能であることは勿論である。
第2の実施形態では、情報ビットを2ビット連続して送信する場合と、情報ビットを1ビット毎(送信間隔1ビット)に送信する場合とを示したが、情報ビットを3ビット以上連続して送信するようにしても良く、送信間隔を2ビット以上にしても良く、第2の実施形態と同様に、メモリ削減効果若しくは計算量削滅効果を発揮させることができる。
第2の実施形態では、畳み込み符号器の例としてフィードバックを伴わない畳み込み符号器を用いたが、フィードバックを伴う畳み込み符号器にも適用可能であり、その場合は、情報ビットとパリティビットをペアで送信することにより、第2の実施形態と同様な効果が得られる。
第2の実施形態においては、復号装置側の要求が前もって符号化装置側で分かっている場合を示したが、この例に限定されたものではない。例えば、復号装置側からの要求を随時受け付け、変更するように符号化装置側が動作することで、柔軟なシステムを構築することができる。例えば、復号装置がパソコン上に構築されているような場合、空きメモリ容量に応じたり、ユーザからの表示速度の向上要求などに応じたりして、復号装置が符号化装置に、メモリ削減効果若しくは計算量削滅効果を発揮させる要求を送信するようにしても良い。
第1の実施形態に係る符号化システムの構成を示すブロック図である。 Distributed Video Codingのフレームワークを示す説明図である。 Slepian−Wolf符号化/復号とその周辺に関する部分の従来構成を示すブロック図である。 図3の誤り訂正復号部における従来の動作の説明図である。 図4(c)のトレリス図からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示す説明図である。 第1の実施形態に係る符号化システムの動作を示すフローチャートである。 第1の実施形態に係る誤り訂正復号部における動作の説明図である。 図7(c)のトレリス図からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示す説明図である。 第2の実施形態に係る符号化システムの構成を示すブロック図である。 第2の実施形態に係る符号化システムの動作を示すフローチャートである。 第2の実施形態に係る誤り訂正復号部における、計算量削減効果を発揮できる動作の説明図である。 図11(c)のトレリス図からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示す説明図である。 第2の実施形態に係る誤り訂正復号部における、メモリ削減効果を発揮できる動作の説明図である。 図13(c)のトレリス図からブランチメトリック=0のパスを削除した結果を示す説明図である。
符号の説明
10…符号化システム、10A…符号化装置、10B…復号装置、101…組織符号化器、102…パリティビット用バッファ、103…ビット送信部、104…情報ビット用バッファ、105…送信ビット制御部、106…送信要求信号受信部、107…誤り訂正復号部、108…パリティビット用バッファ、109…ビット受信部、110…入力情報生成部、111…情報ビット用バッファ、112…情報ビット予測部、113…送信要求信号制御部、114…送信要求信号送信部。

Claims (13)

  1. 送信側が、キーフレームを送信し、該キーフレーム間のWyner−Zivフレームに関しては、組織符号化し、情報ビットを破棄してパリティビットのみを受信側に送信し、受信側が、受信したキーフレームから予測されるサイド情報を情報ビットとして利用して、受信したパリティビットとで、非キーフレームを復号する通信システムにおける、上記送信側に設けられた符号化装置であって、上記Wyner−Zivフレームについての組織符号を生成する誤り訂正符号化器を有し、パリティビットを対向する受信側内の復号装置に送信する符号化装置において、
    上記誤り訂正符号化器で生成された情報ビットを格納する情報ビット格納部と、
    上記誤り訂正符号化器で生成されたパリティビットを格納するパリティビット格納部と、
    上記復号装置側からの送信要求信号を受信する送信要求信号受信部と、
    上記送信要求信号受信部で受信した信号の種類により、上記情報ビット格納部に格納されている1又は複数の情報ビットと、上記パリティビット格納部に格納されている1又は複数のパリティビットのどちらか、若しくは、双方を送信させるかを制御する送信ビット制御部と、
    上記送信ビット制御部の制御により、上記情報ビット及び上記パリティビットの少なくとも一方を、上記復号装置で誤りを完全に訂正できるようにする処理を施して送信するビット送信部と
    を備えることを特徴とする符号化装置。
  2. 上記送信ビット制御部による制御は、上記復号装置側の要求に基づいて変更可能であることを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  3. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットを連続送信することを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  4. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットを間欠送信することを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  5. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットの連続送信と、情報ビットの間欠送信との間で変更可能であることを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  6. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットとパリティビットのペアで連続送信することを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  7. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットとパリティビットのペアで間欠送信することを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  8. 上記送信ビット制御部は、上記復号装置側の要求に基づいて、情報ビットとパリティビットのペアでの連続送信と、情報ビットとパリティビットのペアでの間欠送信との間で変更可能であることを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
  9. 上記送信ビット制御部は、情報ビットの連続送信では、畳み込み符号の拘束長−1ビット以上連続して送信させるように制御することを特徴とする請求項3、5、6又は8に記載の符号化装置。
  10. 送信側が、キーフレームを送信し、該キーフレーム間のWyner−Zivフレームに関しては、組織符号化し、情報ビットを破棄してパリティビットのみを受信側に送信し、受信側が、受信したキーフレームから予測されるサイド情報を情報ビットとして利用して、受信したパリティビットとで、Wyner−Zivフレームを復号する通信システムにおける、上記受信側に設けられた復号装置であって、送信側内の対向する符号化装置における上記Wyner−Zivフレームについての組織符号を生成する誤り訂正符号化器が生成したパリティビットを、正しく受信できることが保証されている復号装置において、
    上記パリティビットに加え、上記符号化装置が送信した情報ビットも正確に受信するビット受信部と、
    上記ビット受信部で受信した情報ビットを格納する情報ビット格納部と、
    上記ビット受信部で受信したパリティビットを格納するパリティビット格納部と、
    情報ビットを予測する情報ビット予測部と、
    情報ビット予測部の出力と情報ビット格納部の出力とを組み合わせて入力情報ビットを生成する入力情報ビット生成部と、
    上記入力情報ビットと、上記パリティビット格納部に格納されている受信したパリティビットとから、組織符号を復号する誤り訂正復号部と、
    上記符号化装置側へ送信要求信号を送信する送信要求信号送信部と、
    上記誤り訂正復号部からの入力により上記符号化装置へ送信させる送信要求信号の内容を制御する送信要求制御部と
    を備えることを特徴とする復号装置。
  11. 上記ビット受信部は、完全な誤り訂正を実行できるものであることを特徴とする請求項10に記載の復号装置。
  12. 請求項1〜9のいずれかに記載の符号化装置と、請求項10又は11に記載の復号装置を備えることを特徴とする符号化システム。
  13. りのない通信路を通じて送受信を行うことを特徴とする請求項12に記載の符号化システム。
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