JPH04267683A - 動画データの圧縮符号化装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動画の記録・再生シス
テムなどに適用される動画データの圧縮符号化装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ゲーム用や教育用などのフレーム
構成の動画データにデータ量を圧縮するための符号化を
施しながらＣＤーＲＯＭなどの大容量の記録媒体に記録
し、再生する記録・再生システムが開発中である。

【０００３】データ圧縮のための各種符号化方式のうち
の高能率なものとして、離散コサイン変換（ＤＣＴ）な
どの直交変換と、量子化と、可変長符号化とを順次施す
ハイブリッド符号化方式が知られている。このハイブリ
ッド符号化方式の詳細については、必要に応じて、本出
願人が先に出願した「ＤＣＴーＶＱ圧縮動画データの伝
送方式」と題する特願昭６２ー９１３８５０号や、「Ｄ
ＣＴ圧縮動画データの記録・再生方式」と題する特願平
２ー１８４２４２号の明細書などを参照されたい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のハイブリッ
ド符号化方式では、画面の状態に応じたデータ量や圧縮
効率の変動などに伴って圧縮後のデータ量（発生符号量
）もフレームごとに変動する。このため、再生の際に比
較的大容量のバッファ回路とバッファリングのための複
雑な制御系が必要になるという問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる動画デー
タの圧縮符号化装置は、フレーム構成の動画データを直
交変換する直交変換部と、この直交変換部からバッファ
メモリを通して出力される変換係数を可変ステップサイ
ズのもとで量子化する量子化部と、この量子化部の出力
を可変長符号化し圧縮符号化データとして出力端子に供
給する可変長符号化部と、この可変長符号化部の出力を
受け、各フレームについて実際に発生した圧縮符号化デ
ータの符号量を計数する発生符号量計数部と、前記量子
化部と可変長符号化部とによる圧縮符号化に先行して前
記バッファメモリから１フレーム分の変換係数を読出し
て可変量子化ステップサイズのもとで量子化する先行量
子化部と、この先行量子化部の出力を可変長符号化して
出力する先行可変長符号化部と、　　この先行可変長符
号化部の出力を受け各フレームについて実際に発生した
圧縮符号化後の符号量を計数する先行発生符号量計数部
と、前記直交変換に伴って発生する変換係数の交流成分
の振幅の大きさを反映する量を交流レベルとして１フレ
ーム単位で検出する交流レベル検出部と、前記発生符号
量係計数で計数された発生符号量と外部かからの指示に
基き次のフレームからの発生符号量の目標値である目標
発生符号量を算定する目標発生符号量算定部と、この目
標発生符号量算定部の算定値と前記交流レベル検出部の
検出値とからスケーリングファクタを算定し、このスケ
ーリングファクタと前記変換係数の交流成分ごとに設定
されている量子化マトリックス係数との積から量子化ス
テップサイズを算定して前記先行量子化部に設定する先
行ステップサイズ設定部と、前記目標発生符号量算定部
の算定値、前記交流レベル検出部の検出値及び前記先行
発生符号量計数部の計数値から前記先行量子化部に設定
された量子化ステップサイズを修正し前記量子化部に設
定するステップサイズ設定部とを備えている。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係わる動画データ
の圧縮符号化装置の構成を示すブロック図であり、ＩＮ
は圧縮対象の動画データの入力端、１は離散コサイン変
換（ＤＣＴ）部、２はフレームバッファ、３は可変ステ
ップサイズの量子化部、４は可変長符号化部、５は発生
符号量計数部、６は交流レベル検出部、７は目標発生符
号量算定部、８はステップサイズ設定部、９は先行量子
化部、１０は先行可変長符号化部、１１は先行発生符号
量計数部、１２は先行ステップサイズ設定部である。

【０００７】入力端ＩＮから供給されるフレーム構成の
動画データは、離散コサイン変換部１において１フレー
ム単位で複数のブロックに分割され、各ブロックごとに
離散コサイン変換（ＤＣＴ）され、直流成分と交流成分
とを含む変換係数群に変換される。この離散コサイン変
換の詳細については、必要に応じて前述の各特許出願の
明細書などを参照されたい。離散コサイン変換部１から
出力される変換係数は、フレームバッファ２を経て量子
化部３に転送され、発生符号量などに応じて動的に変更
される可変ステップサイズのもとで量子化される。この
量子化の手法としては、上記特願昭６２ー９１３８５０
号の明細書に開示されたようなベクトル量子化の手法で
はなく、上記特願平２ー１８４２４２号の明細書に開示
されたような通常のスカラー量子化の手法が適用される
。量子化部３から出力される量子化出力は、可変長符号
化部４においし可変長符号に変換され、出力端子０ＵＴ
からＣＤーＲＯＭなどの記録装置に供給される。

【０００８】発生符号量計数部５は、上記離散コサイン
変換、可変ステップサイズの量子化及び可変長符号化の
組合せによるハイブリッド符号化によって発生する１フ
レーム分の符号量と現フレームまでの符号量の積算値を
計数し、計数結果を目標発生符号量算定部７に通知する
。目標発生符号量算定部７は、発生符号量計数部５の計
数結果と、外部からの指示に基き次の１フレームについ
て発生させるべき目標発生符号量を算定し、これをステ
ップサイズ設定部８と、先行ステップサイズ設定部１２
とに通知する。

【０００９】交流レベル検出部６は、先行量子化部９に
よる先行量子化に先立ってフレームバッファ２から１フ
レーム分の離散コサイン変換係数ｋ（ｕ，ｖ）を読出し
、直流成分を除く全ての交流成分の絶対値の総和Ｐ、　
　　　Ｐ＝ΣΣｌｋ（ｕ，ｖ）ｌ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・・（１）を算定し、そのフ
レームの交流レベルとして検出する。

【００１０】量子化部３は、ステップサイズ設定部８に
よって設定される可変量子化ステップサイズのもとでフ
レームメモリ２から読出した変換係数を量子化する。こ
の量子化部３への入力をＡ、量子化ステップサイズをＱ
ｓとすれば、量子化部３からの出力Ａ’は、　　　　Ａ
’≡Ａ／Ｑｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　・・・・（２）

【００１１】離
散コサイン変換係数の量子化に際しては、量子化ステッ
プサイズＱｓを大きくするほど可変長符号化後の圧縮デ
ータの符号量（ビット総量）が減少し、データの圧縮率
が高まる。これは、量子化ステップサイズＱｓが増加す
るほど量子化部３の出力Ａ’のレベルが低下することと
、次段の可変長符号化部４では出現頻度の低い低レベル
の出力Ａ’ほど短いビット数の符号が割当てられている
ことによる。このように、量子化ステップサイズＱｓが
増大するほどデータ圧縮率が高まる反面、量子化雑音の
増大に伴って再生画面の画質が劣化する。従って、この
量子化ステップは、データ圧縮率と画質劣化の許容度と
を勘案して定める必要があるが、本発明の圧縮符号化方
式ではさらに発生符号量の制御・平滑化という点も勘案
される。

【００１２】ここで、動画データについては、視聴者の
生理的特性上、交流成分の空間周波数が高いほど量子化
雑音に伴う画質の劣化が許容できることが知られている
。本実施例によれば、上記視覚上の特性に着目し、交流
成分の空間周波数が高いほど大きな値となるように量子
化ステップサイズＱｓが設定される。このため、量子化
ステップサイズＱｓを、次式に示すように、空間高調波
の次数に依存する量子化マトリックス係数ｑと量子化ス
ケーリングファクタｆとに分解する。 　　　　　　Ｑｓ≡ｑ・ｆ／ｋ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・（３
）ただし、ｋは定数である。

【００１３】まず、量子化マトリックス係数ｑとしては
、図２に示すように、空間高調波の次数（ｕ，ｖ）だけ
に依存しかつこれらの増加につれて増加する固定的な値
が設定される。さらに、この量子化マトリックス係数ｑ
は、輝度信号（Ｙ）については図２（Ａ）に例示するよ
うに比較的小さな値が、画質の劣化の目立ちにくい色差
信号（ＲーＹ，ＢーＹ）については図２（Ｂ）に例示す
るように比較的大きな値が設定される。符号量制御部５
による量子化ステップサイズＱｓの動的な制御は、量子
化スケーリングファクタｆの動的な制御によって実現さ
れる。

【００１４】次に、量子化スケーリングファクタｆとし
ては、図３に例示するように、一定の交流レベルのもと
では目標発生符号量の増加に伴って減少すると共に一定
の目標発生符号量のもとでは離散コサイン変換係数の交
流レベルの増加につれて増加する値が設定される。これ
は、交流レベルの増加と共に量子化対象のデータ量が増
加し、可変長符号化後の圧縮データのビット量が増加す
るのを抑圧して平均化するためである。このように、交
流レベルの増加につれて増加する量子化ステップサイズ
Ｑｓを設定することにより、動画の絵柄が細かくなって
交流レベルが増加しても可変長符号化後の圧縮画像デー
タの総ビット量はほぼ一定の値に保持される。

【００１５】目標発生符号量算定部７は発生符号量計数
部５の計数結果と、外部からの指示に基き次の１フレー
ムについて発生させるべき目標発生符号量を以下のよう
にして算定する。

【００１６】入力端子ＩＮからは、総数Ｆ０のフレーム
が一定のフレームレート、例えば３０フレーム／秒のフ
レームレートで供給される。ハイブリッド符号化による
データ圧縮の所要時間、すなわち記録又は作成のための
総所要時間はＦ０／３０秒間となる。また、入力端子Ｉ
Ｎ　　から記録される入力フレームの一部は離散コサイ
ン変換部１において一定の間引き率で廃棄され圧縮対象
から除外されることにより、出力端子ＯＵＴに出力され
る圧縮画像データのフレームレートはＦｒ、ビットレー
トはＢｒになるものとする。

【００１７】符号化によるデータ圧縮後のフレームの総
数Ｆ１と、総ビット量Ｂｔは、それぞれ、　　　　Ｆ１
＝Ｆｒ（Ｆ０／３０）　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　・・・・（４）　　　　Ｂｔ＝Ｂｒ
（Ｆ０／３０）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・・・（５）となる。

【００１８】データのための符号化の開始と同時に符号
化済みのフレームの総数と符号化によって発生した総ビ
ット量の計数が開始され、任意のフレームについての圧
縮が終了した時点でそれぞれがＦ２とＢｃに達したとす
れば、圧縮対象の残フレーム数Ｆ３と、残発生許容ビッ
ト量Ｂｎは、 　　　　Ｆ３＝Ｆ１ーＦ２　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・（６
）　　　　Ｂｎ＝ＢｔーＢｃ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・（
７）となる。

【００１９】次の１フレームの圧縮に伴って発生するビ
ット量の許容値を目標発生符号量Ｂｍと定義すれば、　
　Ｂｍ＝Ｂｎ／Ｆ３　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・（
８）となる。上記目標発生符号量Ｂｍの算定は、発生符
号量計数部５で計数された総ビット量Ｂｃや、外部から
指示されたフレームレート、ビットレートや、上述の式
に基いて行われる。

【００２０】上述のようにして、ステップサイズ設定部
８で設定された量子化ステップサイズＱｓのもとで量子
化部３による量子化が行われ、引き続き可変長符号化部
４による可変長符号化が行われる。しかしながら、図３
の特性の不完全さなどに起因して、実際の発生符号量が
目標値からずれて発生符号量のフレーム間にわたる変動
が生じる。

【００２１】本実施例によれば、このようなフレーム間
にわたる変動を回避するため、ステップサイズ設定部８
，量子化部３及び可変長符号化部４による最終的な符号
化に先行して、先行ステップサイズ設定部１２、先行量
子化部９及び先行可変長符号化部１０による先行符号化
が行われる。この先行符号化において先行ステップサイ
ズ設定部１２が設定するステップサイズは、交流レベル
検出部６の検出値と目標発生符号量算定部７の算定値と
に基き設定される。この先行符号化に伴って実際に発生
した符号量が先行発生符号量係数部１１で係数され、ス
テップサイズ設定部８に通知される。

【００２２】ステップサイズ設定部８では、交流レベル
検出部６の検出値と目標発生符号量算定部７の算定値と
から決定されるステップサイズ、すなわち先行量子化時
に設定されたステップサイズを、先行発生符号量計数部
１１の計数値と目標発生符号量との誤差Ｅに基き修正し
、この修正済みのステップサイズを量子化部３に設定す
る。この修正方法の一例は、以下のようになものである
。

【００２３】図３に例示するように、交流レベルの検出
値と目標発生符号量との交点（図中の白丸印）からスケ
ーリングファクタｆとして５を設定し、先行量子化部９
と先行可変長符号化部１０とによる先行量子化と先行可
変長符号化とを行ったところ先行発生符号量計数部１１
の計数値が図中の黒丸印で示すように誤差Ｅだけ目標値
を上回ったものとする。このような誤差Ｅの発生は、交
流レベルとスケーリングファクタｆとの相関の弱さに起
因するものと見做され、スケーリングファクタ５の特性
線と計数値との交点（三角印の点）を与える値（調整値
）に交流レベルの検出値が調整される。そして、この調
整値と目標発生符号量との交点に最も近いスケーリング
ファクタ６が最終的な量子化に際し設定される。

【００２４】以上、量子化部と可変長符号化部とを最終
符号化用と先行符号化用との２系統設置し、現フレーム
についての最終的な符号化と後続のフレームについての
先行符号化とを同時進行的に行わせることにより、処理
時間の短縮を図ることができる。しかしながら、処理時
間の短縮よりもハードウェア量の低減が優先される場合
には、量子化部や可変長符号化部などを最終符号化用と
先行符号化用とで共用して時分割多重的に動作させる構
成とすることもできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係わる動画データの圧縮符号化
装置は、上述したような構成であるから、フレーム間に
わたる発生符号量が平均化され、再生装置側の低コスト
化が可能になるという効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる動画データの圧縮符
号化装置の構成を示すブロック図である。

【図２】輝度信号に対する量子化マトリックス係数（Ａ
）と色差信号に対する量子化マトリックス係数（Ｂ）の
一例を示す概念図である。

【図３】１フレームの交流レベルと目標発生符号量から
スケーリングファクタを設定するために用いられる特性
図の一例を示す概念図である。

【符号の説明】

ＩＮ　　　　圧縮符号化対象の動画データの入力端１　
　　　　　離散コサイン変換（ＤＣＴ）部２　　　　　
　バッファメモリ ３　　　　　　量子化部 ４　　　　　　可変長符号化部 ５　　　　　　発生符号量計数部 ６　　　　　　交流レベル検出部 ７　　　　　　目標発生符号量算定部 ８　　　　　　ステップサイズ設定部 ９　　　　　　先行量子化部 ９　　　　　　生産発生符号量誤差検出部１０　　　　
先行可変長符号化部 １１　　　　先行発生符号量算定部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フレーム構成の動画データを直交変換する
   直交変換部と、この直交変換部からバッファメモリを通
   して出力される変換係数を可変ステップサイズのもとで
   量子化する量子化部と、この量子化部の出力を可変長符
   号化し圧縮符号化データとして出力端子に供給する可変
   長符号化部と、この可変長符号化部の出力を受け、各フ
   レームについて実際に発生した圧縮符号化データの符号
   量を計数する発生符号量計数部と、前記量子化部と可変
   長符号化部とによる圧縮符号化に先行して前記バッファ
   メモリから１フレーム分の変換係数を読出して可変量子
   化ステップサイズのもとで量子化する先行量子化部と、
   この先行量子化部の出力を可変長符号化して出力する先
   行可変長符号化部と、この先行可変長符号化部の出力を
   受け各フレームについて実際に発生した圧縮符号化後の
   符号量を計数する先行発生符号量計数部と、前記直交変
   換に伴って発生する変換係数の交流成分の振幅の大きさ
   を反映する量を交流レベルとして１フレーム単位で検出
   する交流レベル検出部と、前記発生符号量係計数で計数
   された発生符号量と外部かからの指示に基き次のフレー
   ムからの発生符号量の目標値である目標発生符号量を算
   定する目標発生符号量算定部と、この目標発生符号量算
   定部の算定値と前記交流レベル検出部の検出値とからス
   ケーリングファクタを算定し、このスケーリングファク
   タと前記変換係数の交流成分ごとに設定されている量子
   化マトリックス係数との積から量子化ステップサイズを
   算定して前記先行量子化部に設定する先行ステップサイ
   ズ設定部と、前記目標発生符号量算定部の算定値、前記
   交流レベル検出部の検出値及び前記先行発生符号量計数
   部の計数値から前記先行量子化部に設定された量子化ス
   テップサイズを修正し前記量子化部に設定するステップ
   サイズ設定部とを備えたことを特徴とする動画データの
   圧縮符号化装置。
2. 【請求項２】前記交流レベル検出部は、前記直交変換に
   伴って発生する変換係数の交流成分のレベルの絶対値の
   総和を前記交流レベルとして検出することを特徴とする
   請求項１記載の動画データの圧縮符号化装置。