JPH0276385A - 画像データ圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、画像データ圧縮装置に関する。

（従来の技術） 画像情報のデータ量は、一般に莫大であるために、その
蓄積や伝送を行なう場合には、なんらかの情報量圧縮を
行なって処理している。画像情報をデータ圧縮する際、
フーリエ変換、コサイン変換、アダマール変換などの直
交変換を用いて別次元（周波数平面）に変換した後、画
像の性質を利用してデータ量を減少させている。直交変
換後のデータをある数で割り、その振幅値を小さくする
（量子化）手法が一般的であるが、その割る数（量子化
幅）により画質と情報量が大きく変化する。従って、こ
の量子化のノーマライズの手法に種々の工夫が成されて
いる。

第１２図に示す回路はその１つであり、Ｗ、Ｈ。

Ｃｈｅｎ他（ＩＥＥＥＴｒａｎｓ、ｏｎ　Ｃｏａｍｕｎ
ｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ。

Ｃ０Ｎ−２５，ＮＯ，１１，Ｎｏｖ、１９７７）により
提案されたものである。

端子１０からの入力画像データは、コサイン変換回路１
１において、１８ＸＩ８のサブブロックに分割され、各
サブブロック内でコサイン変換（Ｄｌｓｃｒｅｔｅ　ｃ
ｏｓｉｎ　ｔｒａｎｓｕｆｏｒｍ　−Ｄ　ＣＴ　）され
る。

コサイン変換出力は、ＡＣエネルギー計算機１２に入力
され、画像データのＡＣ成分について２乗和が取られ、
ＡＣエネルギーが算出される。求められた各ブロック毎
のＡＣエネルギーをもとに、クラス分は回路１３におい
て、確率分布のヒストログラムが作られ、ＡＣエネルギ
ーの大小により各ブロックは４つに分離される。偏差マ
トリックス回路１４では、各クラス毎のブロックのＡＣ
成分毎の分散が計算され、各クラスに対するビット割当
てがビット配分回路１５により決定される。

コサイン変換されたデータは、変換データメモリ１１か
ら正規化回路１６に入力され、各周波数成分ごとに正規
化係数テーブル回路１７からの情報を用いて、正規化さ
れるが、周波数成分毎の正規化係数は係数テーブル回路
１７に発生させておくとともに、与えられたビット配分
となるように正規化因子回路１８によりあらかじめテー
ブル自体も正規化されている。

正規化されたデータは、量子化回路１９により得られた
ビット配分で量子化され、コーディング回路１１０によ
り量子化までに使用された種々のサイド情報とともにコ
ーディングされる。

（発明が解決しようとする課題） コサイン変換された後のデータをもとに、上記したよう
にＡＣエネルギー、分散といった２乗計算が量子化に先
だって行われるが、この期間は、従来の装置では変換デ
ータを変換データメモリ１１１に保持しておく必要があ
る。また構成も複雑である。

そこでこの発明は、直交変換（例えばコサイン変換）前
のデータをもとに、量子化のための種々のパラメータを
計算することにより、変換後のデータを記憶しておく大
容量のメモリを不要とするとともに、パラメータ決定の
手段も帯域通過フィルタ（Ｂ　Ｐ　Ｆ）を用いることに
より複雑な計算を不要とし、制御を単純化できる画像デ
ータ圧縮装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、アナログ画像信号をある周期でサンプリン
グし離散デジタル画像信号に変換するアナログデジタル
変換手段と、前記離散デジタル画像信号を直交変換する
直交変換手段と、前記直交変換されたデジタル画像信号
を量子化しデータ圧縮を行なう圧縮手段とを具備した画
像処理装置において、 前記直交変換前のデジタル画像信号の少なくとも直流成
分を抽出する手段と、前記直交変換前のデジタル画像信
号が供給され、そのナイキスト周波数付近の高周波成分
に対する応答が零となる帯域通過フィルタ手段と、この
帯域通過フィルタ手段の出力の絶対値和を得る手段と、
この手段より得られた絶対値和と前記直流成分の情報と
によりビット配分を決定し、前記直交変換されたデジタ
ル画像信号の量子化の量子化幅を変化させる手段とを備
えるものである。

（作用） 上記の手段により、直交変換以前の原画像データに対し
て帯域制限を加え、その絶対値和を等比的にＡＣ成分エ
ネルギーや分散といった統計データの代用にできる。帯
域制限の手法は、人間の目の視覚特性がＢＰＦ特性を持
つことを利用して視覚改善効果を得るように、直流成分
と離散画像信号のナイキスト周波数付近を零とするＢＰ
Ｆを用でいる。よって、制御パラメータの決定が簡単な
リニア信号処理形態となり、２乗演算などの複雑な処理
を不要とすることができ、制御が簡単になるとともに、
直交変換以前に制御パラメータが決定できるために、変
換後の係数を記憶するためのメモリが不要となる。また
、帯域制限が視覚特性に近くなるために視覚的に良好な
画質となる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例である。アナログ入力画像
信号は、入力端子２０を介してアナログデジタル（Ａ／
Ｄ）変換回路２１に供給され、離散デジタル信号に変換
される。この離散デジタル信号は、バッファ回路として
の画像メモリ２２に記憶される。この部分は、従来の回
路においても必要であり、第１２図では省略されている
。画像メモリ２２に記憶されたデータは、例えば８Ｘ８
ビツトといったブロック単位で読み出される。

画像メモリ２２から読み出されたブロック単位のデータ
は、ＤＣ成分抽出回路２３、直交変換回路２１０、帯域
通過フィルタ（以下ＢＰＦと記す）２５に供給される。

まず、ＤＣ成分抽出回路２３では、直流（ＤＣ）成分（
ブロック内の平均値）が抽出され、ＤＣ成分は、量子化
回路２４で量子化される。量子化されたＤＣ成分情報は
、ビット配分回路２１３に入力される。このように、ま
ずＤＣ成分を独立して扱う理由は、統計的性質がＡＣ成
分と異なることと、ＤＣ成分は充分に精度よく符号化し
なければ再生画像の劣化が大きいことによる。これらの
理由によりＤＣ成分のみを独立に行なうことは、通常行
われており、全く量子化せずにそのままのデータを転送
することもあり、この場合には量子化回路２４は省略さ
れる。

ＤＣ成分は、ＡＣ成分と異なり、欠落なくデータを転送
する必要性から完全にデータを転送し切るという前提の
もとにＡＣ成分のビット配分を決定しなければならない
。この制御は、後述するビット配分回路２１３が行なう
。

ＤＣ成分の抽出と同時に、制御パラメータが決定される
。ブロック化されたデータは、ＢＰＦ２５により帯域制
限され、その絶対値が絶対値回路２６により得られる。

画像の符号化装置の評価は、原画像と再生画像との誤差
を平均２乗誤差の形で行なうのが一般的であるが、その
意味では、第１２図の回路のように２乗誤差と同一のデ
イメンジョンを持つエネルギーあるいは分散といったパ
ラメータをもとに系を制御することが望ましい。

しかしこのための演算処理は、複雑になることは前述し
た通りである。

そこで、この実施例では、信号処理が容易な線形フィル
タであるＢＰＦ２５を用いている。

ＢＰＦ２５を用いた理由を述べると以下の通りである。

■、ＤＣ成分は別途処理するために、制御パラメータ決
定要因に含む必要はない。

■、Ａ／Ｄ変換回路２１により離散デジタル信号を作る
際には、そのサンプリング周波数の１／２であるナイキ
スト周波数以上の周波数成分は、折返し歪みが生じない
ように帯域制限されるのが一般的であり、本来離散デジ
タル信号となった場合、ナイキスト信号付近に信号成分
はなく、もし存在すればノイズである可能性が高い。従
って、ナイキスト周波数付近の成分をカットすることに
よりノイズの影響を抑圧できる。

■、ＢＰＦ２５は人間の視覚特性に近い特性を持ってお
り、中間周波数帯域において一番高い感度特性を持って
いる（第４図参照）。従って、視覚感度の高い中間周波
数に重み付けをして制御パラメータを設定することで、
視覚効果の向上が図られる。

ＢＰＦ２５は、２次元フィルタとすることが望ましいが
、実験の結果、水平と垂直成分のみを抽出することでも
充分な特性が得られる。

第２図にはこの実施例に用いたＢ　Ｐ　−Ｆ　２５の一
例を示している。

２画素遅延回路３１と減算器３２とは、水平方向ＢＰＦ
を構成しており、２画素前と現画素信号ｘ（ｋ、Ｉ）と
の差分を得ている。また、２画素遅延回路３３と減算器
３４とは、垂直方向ＢＰＦを構成しており、２画素前と
現画素信号ｘ（ｋ、Ｉ）との差分を得ている。水平及び
垂直方向ＢＰＦの出力は、絶対値回路２６において独立
に絶対値が計算された後加算される。

水平ＢＰＦ出力信号Ｂ　Ｐ　Ｆ　１１（ｋ、ｌ）、及び
垂直ＢＰＦ出力信号Ｂ　Ｐ　Ｆ　Ｖ（ｋ、Ｉ）は、以下
の式で示すことができ、その周波数応答振幅は第３図に
ようになる。

Ｂ　Ｐ　Ｆ’Ｈ（ｋ、Ｉ）＝　　（１／２）　　ｉ　ｘ
　（ｋ、ｌ）　　−ｘ　（ｋ、１−２）　　ＩＢ　Ｐ　
Ｆ　Ｖ（ｋ、Ｉ）＝　　（１／２）ｌｘ　（ｋ、ｌ）−
ｘ　（ｋ−２，１）１以上のように得らえたＢＰＦ信号
出力の絶対値は、積分回路２１５に入力され、２８類の
積分値として求められる。１つは、全画面の積分値であ
り、もう１つはブロック毎の積分である。ここで。

全画面積分値をＳとして、ブロックごとの積分値にブロ
ック番号ｋを付しＳｋと呼ぶことにする。

画像データを正規化するための係数は、正規化係数テー
ブル回路２８に蓄えられている。第５図には、実験的に
求めた正規化係数テーブルの例を示している。

第５図において、左上が低周波、右下が高周波成分に対
する正規化係数である。高周波成分を大きな数値で正規
化するのは、すでに述べたように視覚度特性が高域にお
いて低いことを利用し、この部分での情報圧縮効率を上
げるためである。

この正規化係数テーブル回路２８の出力は、そのまま正
規化に用いられるのではなく、正規化因子回路２７から
の正規化因子αが掛算器２９で乗じ゛られて用いられる
。正規化因子αは、ＢＰＦ出力の全画面積分値Ｓから求
められる。

第６図は、いくつかのトレーニング画像により実験的に
求めた正規化因子αと全画面積分値Ｓとの関係を示して
いる。αとＳの関係は、はぼ直線の関係にあり、簡単に
正規化因子を求めることができる。この処理により、最
終的に所定の情報量に符号化したとき、最適条件に近く
なり、再生画の大幅な画質向上が達成される。

次に、予め定めておくもう１つの重要なパラメータは、
ビット配分である。この配分を行なう回路が、ビット配
分回路２１３である。ＢＰＦ２５の出力が大きいという
ことは、視覚的に目立つ帯域の情報が多いということで
あり、そのブロックについてはビット配分を大きくする
ことが再生画の画質を向上する上で非常に有効である。

ビット配分の決定は、以下のように容易に決定すること
ができる。

最終的に目的とする符号化量をＴＯとし、ＤＣ成分に既
に割り当てられているデータ量をＴＤＣとすればＡＣ成
分全体に割当てられる符号化ｆｆｉ　Ｔ　ＡＣは、 ＴＡＣ−ＴＯ−ＴＤＣ で与えられる。ＢＰＦ出力と再生画像の原画像との誤差
の関係が直線的であると仮定すれば、各ブロックのビッ
ト割当て比Ｒｋ　　（ｋはブロック番号）は、 Ｒｋ　−Ｓｋ　／Ｓ となる。ＳとＳｋには次の関係があるので、となる。従
って、各ブロックに割当てるビット数Ｂｋを Ｂｋ−ＴＡＣ−Ｒｋ とすれば、全ブロックのビット数の合計は、となり・、
所定のデータ量に納めることが可能となる。実験的には
、ＢＰＦ２５の出力と再生画像誤差との関係は直線とは
ならず、緩やかな曲線となったが、視覚的には全く劣化
が認められれず、処理を容易にするためにはこの直線的
近似が有効である。

以上のように各パラメータが決定された後、ＡＣ成分の
処理が行われる。画像メモリ２２から画像データが再度
読み出され、直交変換回路２１０で直交変換される。近
年、画像の直交変換には、最も理想的な変換であるＫａ
ｒｈｎｎｃｎ−Ｌｏｅｖｅ変換に最も近く、演算の容易
なコサイン変換を用いるのが一般的であるが、この発明
の効果は直交変換の種類に係わらす６効である。

直交変換された画像データは、正規化回路２１１におい
て正規化係数テーブル回路２８と正規化因子回路２７か
らの出力で得られた正規化係数により正規化される。

正規化されたデータは、量子化回路２１２において量子
化される。量子化には、大きく分けて直線量子化と非直
線量子化の２種類かある。直線量子化の場合は、正規化
されたデータ値そのままを用いることが可能で、処理は
容易であるが非線形量子化を行なった方が統計的に再生
画像誤差を小さくすることが可能である。この実施例の
場合、その種類を限定する必要はなくどちらを用いても
構わない。予め、各ブロックごとに定められたビット数
にデータ量を調整することもこの部分で行われる。視覚
的に感度の小さい高周波部からデータをカットして所定
のデータ量に納める手法を用いるのが一般的である。

以上のように量子化されたＤＣ成分、ＡＣ成分及び再生
時に必要となる正規化因子αとが、コーディング回路２
１４に入力され符号化され、符号データとして出力され
る。

第７図は上記の実施例の制御シーケンスと従来のものを
比較して示す説明図である。第７図（ａ）は、この発明
の実施例の場合であり、先ずＤＣ成分の量子化処理と平
行して制御パラメータが計算され、それらが終了した時
点で直交変換処理が行われる。そして直交変換処理され
たデータは、パイプライン的に量子化処理される。同図
（ｂ）は、第１２図に示した従来の装置の場合であり、
直交変換処理を行ないながら制御パラメータも同時に計
算されるが、演算が複雑なために計算時間は、本発明の
装置より長い。直交変換されたデータは、変換データメ
モリ１１１に記憶される。制御パラメータが決定された
後、変換データメモリ１１１に記憶されたデータが読み
出され、量子化される。

従来の装置の場合、本発明の装置に比べて変換データメ
モリ１１１が必要となる問題があるが、これは処理シー
ケンスを同図（Ｃ）のようにすることにより省略できる
。即ち、制御パラメータ演算時に直交変換データは捨て
られ、パラメータ決定後に再度直交変換を行なう手法で
あるが、同じ直交変換を行なう手間が必要となりその分
だけ処理時間も長くなる。

第８図は、この発明の他の実施例である。この゛実施例
は、正規化係数テーブル回路２８に対して、テーブル切
換え手段を設けた例である。ＢＰＦ出力の水平と垂直の
比を見ることにより、一方が極端に大きい場合、その方
向の周波数成分かより多く符号化されるように量子化テ
ーブルを切換えるようにしている。

画像メモリ２２からの各ブロック毎の画像データは、Ｄ
Ｃ成分が処理されるのと平行して、水平Ｈ１垂直Ｖ−Ｂ
ＰＦ９１，９２により水平、垂直方向の中間帯域成分が
抽出され、独立に絶対値積分回路９３．９４により絶対
値積分される。この２つの絶対積分値は、加算器９５に
より加算され、その加算出力は、先の実施例と同様に正
規化因子回路２７に供給され、因子ａを得るために情報
となる。また加算出力は、ビット配分回路２１３に入力
されビット配分の制御のために用いられる。

一方、２つの絶対値積分値は、テーブル切換え回路９６
に導かれ、テーブル切換え制御のために用いられる。

例えば、１ブロツク内の画像データが、第９図に示すよ
うな一方向性のエツジ画像であったとする。この時、Ｈ
−ＢＰＦ９１の出力の絶対値積分値は、１０２４テあり
、Ｖ−ＢＰＦ９２（７）それはＯである。第９図の画像
データに対する直交変換（コサイン変換）後のデータは
、第１０図に示すように、一方向にのみしか存在しなく
なる。従って、第５図に示したように、同心円的に分散
した正規化テーブルでは、水平方向の高域成分が充分に
量子化されずに再生画像のエツジ部にリンギング状の画
質劣化が生じる。

このような問題を改善するためには、例えばＨ−ＢＰＦ
９１の出力がＶ−ＨＰＦ９２の出力に比べて充分大きい
ときには、例えば第１１図に示すように水平方向°成分
をより多く通過させるような正規化テーブルを用いれば
よく、エツジに現れていたリンギング状の画質劣化を大
幅に改善して画質の向上を得ることができる。逆にＶ−
ＢＰＦ９２の出力の方が充分に大きい場合には、垂直成
分をより多く通過させるような正規化テーブルを用いれ
ばよいが、これは第１１図に示した正規化テーブルの行
と列を入替えたものであり、図では省略する。

この実施例では、Ｈ−ＢＰＦ９１とＶ−ＢＰＦ９２の出
力の比で、Ｈ−ＢＰＦ出力が充分大きい場合、Ｖ−ＢＰ
Ｆ出力か充分大きい場合、その他（両画力差があまりな
い場合）の３種類に各ブロックを分類し、テーブル切換
え回路９６の内部に係数を記憶しておき、直交変換後の
画像データを正規化する際、テーブルを切換えるように
している。どのブロックでどのテーブルを使ったかとい
う情報は、量子化された画像データ、正規化因子等とと
もにコーディング回路９７においてコーディングされ符
号化出力データとして出力される。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、直交変換画像デ
ータを量子化、符号化する際の制御パラメータを、原画
像データの帯域通過フィルタ出力から得るので、制御パ
ラメータの決定を複雑な演算なしで容易に行なえる。ま
た制御シーケンス時間を短縮するとともに、直交変換後
のデータメモリを不要とすることができる。また制御パ
ラメータの抽出とともに直交変換との係数分布方向を予
想して適応的に正規化テーブルを切換えることにより、
画像エツジ部に生じていた画質劣化を大幅に改善するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路図、第２図は第
１図の帯域通過フィルタの構成説明図、第３図は第１図
の帯域通過フィルタの周波数応答特性図、第４図は人間
の目の視覚感度特性図、第５図は第１図の正規化テーブ
ルの例を示す図、第６図は第１図の正規化因子回路の正
規因子を決定するためのグラフを示す図、第７図はこの
発明の装置と従来の装置との制御シーケンスを説明する
ために示した説明図、第８図はこの発明の他の実施例を
示す回路図、第９図はエツジ画像のデータ例を示す図、
第１０図は第９図のエツジ画像をコサイン変換した後の
データを示す図、第１１図は水平方向成分を通過しやす
くする正規化テーブルの例を示す図、第１２図は従来の
画像データ圧縮装置を示す図である。 ２１・・・アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換回路、２２
・・・画像メモリ、２３・・・ＤＣ成分抽出回路、２４
・・・量子化回路、２５・・・帯域通過フィルタ、２６
・・・絶対値回路、２７・・・正規化回路、２８・・・
正規化係数回路、２９・・・掛算器、２１０・・・直交
変換回路、２１１・・・正規化回路、２１２・・・量子
化回路、２１３・・・ビット配分回路、２１４・・・コ
ーディング回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 つミ７．７ｊ　用シ反（欠（１４２〕し一／づ々乏−）
第４図 第５図　　　　　　山′ｚ′Ｉ汲 第８− 第９− 第１０口 第」１０ 手続補正書 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 特願昭６３−２２８０５７号 ２、発明の名称 画像データ圧縮装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）　　株式会社　東芝 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アナログ画像信号をある周期でサンプリングし離散デジ
   タル画像信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
   前記離散デジタル画像信号を直交変換する直交変換手段
   と、前記直交変換されたデジタル画像信号を量子化しデ
   ータ圧縮を行なう圧縮手段とを具備した画像処理装置に
   おいて、前記直交変換前のデジタル画像信号の少なくと
   も直流成分を抽出する手段と、 前記直交変換前のデジタル画像信号が供給され、そのナ
   イキスト周波数付近の高周波成分に対する応答が零とな
   る帯域通過フィルタ手段と、 この帯域通過フィルタ手段の出力の絶対値和を得る手段
   と、 この手段より得られた絶対値和と前記直流成分の情報と
   によりビット配分を決定し、前記直交変換されたデジタ
   ル画像信号の量子化の量子化幅を変化させる手段とを具
   備することを特徴とする画像データ圧縮装置。