JPH04369987A - 高能率符号化装置 - 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、ディジタル画像データ
の高能率符号化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】このような高能率符号化装置の一方式と
して、ディジタル画像、特にディジタル動画像をフレー
ム内、あるいはフィールド内などの一定範囲内でサブブ
ロックに分割し、夫々のブロックに適応的に情報量を割
り当てて符号化する方式が提案されている。図６にこの
ような従来の高能率符号化装置の一例を示す。

【０００３】同図において、入力画像はディジタル動画
像であり、フレーム単位あるいはフィールド単位で入力
される。ブロック化部１１は入力画像を４画素×４画素
、あるいは８画素×８画素などのサブブロックに分割し
、画像データをブロック単位のデータに並べ替え、ブロ
ックごとの画像データを出力する。直交変換部１２は、
ブロック化部１１からの各ブロックの画像データに対し
てＤＣＴ（離散コサイン変換）、アダマール変換などの
直交変換を行い、各ブロックごとに直交変換係数（以下
、変換係数という）を出力する。

【０００４】ブロックのクラス分け部１３は、ブロック
ごとの画像データの分散やダイナミックレンジなどに基
づいてブロックをいくつかのクラスに分類し、分類した
クラスごとに、ブロックに平均ビット数を割り当てる。 例えば、分散の小さなクラスに属するブロックには少な
い平均ビット数を割り当て、分散の大きなクラスに属す
るブロックにはより多い平均ビット数を割り当てる。こ
のようなビット数の割り当てによって、全体として小さ
な符号量で画像データを符号化することが可能となる。

【０００５】そして、係数へのビット割り当て部１４は
、各変換係数の一定範囲内での分散の値を利用し、次式
に基づいて各変換係数にビット数を割り当てる。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、Ｋはクラスの数、Ｍは１ブロック
内の画素数、ｋはクラスの分類番号、ｂａｖｒ（ｋ）は
ｋ番目のクラスに割り当てられた平均ビット数、ｍは変
換係数の番号、ｂ（ｋ，ｍ）はｋ番目のクラスのｍ番目
の変換係数に割り当てられるビット数、ｖａｒ（ｍ）は
ｍ番目の変換係数の分散である。従って、各変換係数に
は、各クラスのブロックに対して割り当てられた平均ビ
ット数を満足するように、ビット数が割り当てられる。

【０００８】量子化部１５は、ビット割り当て部１４に
より割り当てられたビット数で、各変換係数を量子化す
る。符号化部１６は量子化された変換係数に誤り訂正の
ための処理などを行い、最終的な符号化データを出力す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】一般に、この種の高能
率符号化装置においては、画像を符号化する際の画像の
歪みを少なくすることが望まれている。

【００１０】しかしながら、上述の如き従来の符号化装
置では、同じクラスに分類されたブロックには、すべて
同一の平均ビット数が割り当てられ、そのとき各変換係
数へのビット割り当ては、一定範囲内での各変換係数の
統計的性質（分散やダイナミックレンジなど）に基づい
て行われる。従って、ビット割り当ては平均的なものに
なりがちである。

【００１１】例えば、４画素×４画素のブロックに、総
ビット数４１が割り当てられ、各変換係数には図７に示
すようにビット数が割り当てられたとする。同図におい
て、左上角のマスが変換係数のＤＣ成分に対応し、各数
字が各変換係数に割り当てられたビット数を表す。ここ
で、このブロックの画像には垂直方向のエッジ画像が含
まれているとすると、そのようなブロックの変換係数に
は図８のようなビット割り当てとする方が望ましく、図
７のビット割り当てで量子化すると、エッジを表す変換
係数の高域部がカットされてしまうため、復元画像には
大きな歪みが生じてしまう。このようなエッジに対する
歪みは、視覚的に目立つので実用上極めて重大な問題で
ある。

【００１２】本発明は上述の問題点に鑑み成されたもの
であり、画像の歪みが極めて少ない高能率符号化装置を
提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の高能率符号化装
置は、ディジタル画像を一定範囲内でサブブロックに分
割し、夫々のブロックについて画像データを直交変換し
て変換係数を求め、ブロックごとの画像データの統計的
性質に基づいてブロックをクラスに分類し、該分類した
クラスの夫々についてブロックごとの変換係数に所定の
ビット数を割り当てて変換係数を量子化し符号化する高
能率符号化装置であって、分類したクラスの夫々につい
てブロックごとの変換係数に割り当てるビット数のパタ
ーンを各クラス内のブロックの持つ性質に応じて複数作
成するパターン作成手段と、該作成した複数のパターン
の中からブロックごとに所定の条件に基づいて一つを選
択するパターン選択手段とを備えており、該選択したパ
ターンに基づいて変換係数を量子化することを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】本発明の高能率符号化装置によれば、パターン
作成手段は、分類したクラスの夫々についてブロックご
との変換係数に割り当てるビット数のパターンを各クラ
ス内のブロックの持つ性質に応じて複数作成し、パター
ン選択手段は、該作成した複数のパターンの中からブロ
ックごとに所定の条件に基づいて一つを選択するので、
量子化後の歪みを最小とするパターンをパターン選択部
が選択するように所定の条件を設定すれば、各クラスの
ブロックごとに、その画像の性質に応じたビット数の割
り当てパターンで変換係数を量子化することができる。 その結果、同じクラスに分類されたブロックの画像を、
エッジの有無、あるいはテクスチャーなどを反映して符
号化することができ、復元画像の歪みを極めて小さく抑
えることが可能となる。

【００１５】次に示す本発明の実施例から、本発明のこ
のような作用がより明らかにされ、更に本発明の他の作
用が明らかにされよう。

【００１６】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を用いて説
明する。図１に本発明の一実施例である高能率符号化装
置を示す。

【００１７】同図において、入力画像はディジタル動画
像であり、フレーム単位あるいはフィールド単位で入力
される。ブロック化部１は入力画像を４画素×４画素、
あるいは８画素×８画素などのサブブロックに分割し、
画像データをブロック単位のデータに並べ替え、ブロッ
クごとの画像データを出力する。直交変換部２は、ブロ
ック化部１からの各ブロックの画像データに対してＤＣ
Ｔ（離散コサイン変換）、アダマール変換などの直交変
換を行い、各ブロックごとに変換係数を出力する。

【００１８】ブロックのクラス分け部３は、ブロックご
との画像データの分散やダイナミックレンジなどに基づ
いてブロックをいくつかのクラスに分類し、分類したク
ラスごとに、ブロックに平均ビット数を割り当てる。例
えば、分散の小さなクラスに属するブロックには少ない
平均ビット数を割り当て、分散の大きなクラスに属する
ブロックにはより多い平均ビット数を割り当てる。この
ようなビット数の割り当てによって、全体として小さな
符号量で画像データを符号化することが可能となる。

【００１９】以上の処理の結果、ｉ番目のブロック（ｉ
＝１，２，・・・　，Ｉ）がＣ（ｉ）というクラスに分
類されたとする。尚、クラスの総数をＫとすると、Ｃ（
ｉ）は１からＫまでの整数となる。

【００２０】パタ−ン作成手段の一例を構成するパター
ン作成部４は、本実施例の符号化装置で特に重要な部分
であり、各ブロックの変換係数に割り当てるビット数の
パターンを作成する。すなわち、パターン作成部４は、
１つのブロックに属する変換係数の大きさの組を１つの
ベクトルと見なし、同一のクラスのブロックについて、
変換係数の大きさをベクトル量子化する。例えばｋ番目
のクラスのコードワードの数をＶ（ｋ）としてＬＢＧア
ルゴリズム（斉藤隆弘：「画像符号化アルゴリズムＩＩ
Ｉ　」、テレビジョン学会誌、Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１
１，ｐｐ．１２７６−１２８４（１９８９））を用いて
コードワードを作成する。次に作成したコードワードか
ら、変換係数に割り当てるビット数を求める。すなわち
、ｋ番目のクラスのｖ番目のコードワードをｇ（ｋ，ｖ
，ｍ）とするとき、それに対して割り当てるビット数ｂ
（ｋ，ｖ，ｍ）を次式に従って求める。

【００２１】

【数２】

【００２２】ただし、Ｋはクラスの数、Ｖ（ｋ）はｋ番
目のクラスのコードワード数、Ｍは１ブロック内の画素
数（１ブロックが４画素×４画素の構成なら、Ｍ＝１６
）を夫々表す。また、ｋはブロックの分類番号、ｖはコ
ードワードの番号、ｂａｖｒ（ｋ）はｋ番目のクラスの
ブロックに割り当てられた平均ビット数、ｍは変換係数
の番号である。尚、ａはビット割り当てと、量子化歪み
の関係を表すパラメータであり、予め与えておくものと
する。

【００２３】このパターン作成部４の処理を、ｋ番目の
クラスを例に、図２に示すフローチャートを用いて具体
的に説明する。パターン作成部４はまずｉ，ｊを初期化
し（ステップ２１）、次にＣ（ｉ）＝ｋか否かを調べて
ｉ番目のブロックがｋ番目のクラスに含まれるか否かを
判定する（ステップ２２）。そして、イエスのときはス
テップ２３に進んで、そのブロックの変換係数の大きさ
の組をＬＢＧアルゴリズムへのｊ番目の入力ベクトルと
する。そしてｊに１を加え（ステップ２４）、またｉに
１を加えて（ステップ２５）、ｉがＩ以下か否かを判定
し（ステップ２６）、イエスのときは、ステップ２２に
戻り、以上の処理を繰り返す。尚、ステップ２２の判定
結果がノーのときは、ステップ２５に進んでｉに１を加
え、ステップ２６でｉがＩ以下なら、ステップ２２に戻
る。このようなステップ２１〜２６の処理により、ステ
ップ２７のＬＢＧアルゴリズムへの入力ベクトルが得ら
れる。

【００２４】パターン作成部４はステップ２７で、ＬＢ
Ｇアルゴリズムを用いて入力ベクトルからＶ（ｋ）個の
コードワードを作成する。次にステップ２８で、作成さ
れたコードワードと、ｋ番目のクラスに割り当てられた
平均ビット長から、数２式に基づいてビット割り当てパ
ターンを求める。

【００２５】ここで割り当てるビット数は例えば０から
８までの整数であるので、かかるビット割り当て方法と
しては、特願平３−３９４３号の明細書に開示されてい
るような方法を用いるのが好ましい。即ち、特願平３−
３９４３号によれば、直交変換符号化において、総ビッ
ト数がＢであり各変換係数のビット割り当てｂ（ｉ）（
ｉ＝０，１，…，Ｎ−１）が次式に示すＡの関数として
一様に量子化されるように、

【００２６】

【数３】 　　ｂ（ｉ）＝Ｑ（ｆ（ｉ））＝Ｑ（Ａ＋（ｌｎσ（ｉ
）２　）／ａ）（ただし、ｆ（ｉ）はｂ（ｉ）に整数で
あるとの制限を付けない場合のビット割り当て関数、σ
（ｉ）２　は各係数の分散、Ｑ（ｆ（ｉ））はｆ（ｉ）
を一様に量子化する関数、ａは所定の設定値）なる式に
よって決めるに当たり、

【００２７】

【数４】

【００２８】となるＡを求めた後、数３式に従ってｂ（
ｉ）を求める。このように総ビット数をＡの関数として
表わすので、Ａの値を変えることによってビット数を簡
単に制御することができる。

【００２９】以上のような処理の結果、各クラスに対し
て複数のビット割り当てパターンが作成される。尚、こ
の実施例では上述のように画像データを符号化するとき
にビット割り当てパターンを求めるようにしたが、予め
代表的な画像を用いてビット割り当てパターンを求めて
おき、その結果を適当な記憶装置に記憶させておいて、
画像データを実際に符号化するときはその割り当てパタ
ーンを用いるようにしてもよい。

【００３０】図１において、パタ−ン選択手段の一例を
構成するパターン選択部５は、本実施例の符号化装置に
おいて特に重要であり、各ブロックの変換係数に最適な
ビット割り当てパターンを選択し、決定する。本実施例
のパターン選択部５は、量子化歪みを最小にするという
条件によってビット割り当てパターンを選択する。パタ
ーン選択部５が行う処理について、図３に示すフローチ
ャートを用いて説明する。

【００３１】パターン選択部５はまず、ｉを初期化し（
ステップ３１）、次にｉ番目のブロックが属するクラス
を求め、ｋに代入する（ステップ３２）。そしてパター
ン番号ｖを初期化した後（ステップ３３）、ｖ番目のパ
ターンによる量子化歪みｄ（ｖ）を計算する（ステップ
３４）。ｖに１を加えた後（ステップ３５）、ｖがＶ（
ｋ）以下か否かを判定し（ステップ３６）、イエスなら
ステップ３４に戻り、ｖがＶ（ｋ）を越えるまでステッ
プ３４〜ステップ３６を繰り返す。

【００３２】ｖがＶ（ｋ）を越えると、パターン選択部
５はステップ３７に進み、ｄ（ｖ）を最小にするｖ、す
なわちｖｍｉｎｉ（ｉ）を求める。そして、ｉに１を加
えた後（ステップ３８）、ｉがＩ以下か否かを判定し（
ステップ３９）、イエスならステップ３２に戻り、ｉが
Ｉを越えるまでステップ３２〜ステップ３９を繰り返す
。その結果、各ブロックに対する最適なビット割り当て
パターンの番号ｖｍｉｎｉ（ｉ）が決定される。

【００３３】尚、上記ステップ３４においてｄ（ｖ）を
計算する際、実際に量子化を行って２乗誤差の和を求め
、それをｄ（ｖ）とすればよい。すなわち各変換係数の
量子化誤差の２乗をｅ（ｖ，ｍ）として次式によりｄ（
ｖ）を計算する。

【００３４】

【数５】

【００３５】また、このように量子化誤差の２乗を実際
に計算する代りに、近似的にｄ（ｖ）を求めることもで
きる。その場合のパターン選択部５の処理について図４
に示すフローチャートを用いて説明する。尚、ｋ番目の
クラスに属するｉ番目のブロックをｖ番目のビット割り
当てパターンで量子化するものとする。パターン選択部
５はまずｍ，ｄ（ｖ）を初期化（ステップ４１）し、次
にｂｉｔ＝ｂ（ｋ，ｖ，ｍ）とする（ステップ４２）。 ただし、ｍは変換係数の番号である。

【００３６】次に、ステップ４３において、量子化時に
オーバーロード歪みが生じない入力の範囲を示す値ｏｖ
を次式により計算する。

【００３７】

【数６】ｏｖ＝Δ（ｍ）×２ｂｉｔ−１　ただし、ここ
で量子化を行う量子化器は図５のような特性を持つもの
とする。同図において、ｘは量子化器の入力、Ｑ（ｘ）
は出力である。また、数６式中のΔ（ｍ）はｍ番目の変
換係数を量子化する際の量子化ステップサイズであり、
予め与えておくか、あるいは画像ごとに分散などを計算
して決定する。

【００３８】パターン選択部５は次に、変換係数の大き
さＦ（ｍ，ｉ）とｏｖとを比較し（ステップ４４）、ｏ
ｖの方が小さいときはステップ４５に、そうでないとき
はステップ４６に進む。そしてステップ４５では、次式
のオーバーロード歪みの２乗を計算し、

【００３９】

【数７】（Ｆ（ｍ，ｉ）−ｏｖ）２　 ｄ（ｖ）に加算する。そして、ｍに１を加え（ステップ
４６）、ｍがＭ以下か否かを判定し（ステップ４７）、
イエスのときはステップ４２に戻り、ｍがＭを越えるま
でステップ４２〜ステップ４７を繰り返す。

【００４０】尚、この処理で用いる量子化器は図５に示
した特性のｍｉｄ−ｒｉｚｅ型の量子化器としたが、ｍ
ｉｄ−ｔｒｅａｄ型のものを用いても同様の処理を行う
ことができる。また、ｄ（ｖ）は、各変換係数から生じ
た歪みを同一の重みで足し合わせる数５式により求めた
が、人間の視覚特性を考慮した次式によってｄ（ｖ）を
計算してもよい。

【００４１】

【数８】

【００４２】尚、ｗ（ｍ）は各変換係数の視覚に対する
重要度を表す重みであり、視覚実験によって求める。

【００４３】以上のようにして、各ブロックの変換係数
の量子化のために最適なビット割り当てパタ−ンを選択
する処理が終了する。

【００４４】図１において、量子化部６は、例えば図５
に示したような量子化特性を持ち、パターン選択部５が
選択したビット割り当てパターンに従うビット数で各変
換係数を量子化する。符号化部７は量子化部６によって
量子化された変換係数に更に誤り訂正のための処理を行
い、最終的な符号化データを出力する。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明の高能
率符号化装置によれば、パターン作成手段は、分類した
クラスの夫々についてブロックごとの変換係数に割り当
てるビット数のパターンを各クラス内のブロックの持つ
性質に応じて複数作成し、パターン選択手段は、該作成
した複数のパターンの中からブロックごとに所定の条件
に基づいて一つを選択するので、量子化後の歪みを最小
とするパターンをパターン選択部が選択するように所定
の条件を設定すれば、各クラスのブロックごとに、その
画像の性質に応じたビット数の割り当てパターンで変換
係数を量子化することができる。その結果、同じクラス
に分類されたブロックの画像を、エッジの有無、あるい
はテクスチャーなどを反映して符号化することができ、
復元画像の歪みを極めて小さく抑えることが可能となる
。

【００４６】また、ブロックが情報量に基づいてクラス
分けされた後、夫々のクラス内で複数のパターンを用い
るので、情報量制御はブロックのクラス分けの段階で終
了する。従って情報量を簡単に制御することが可能とな
る。

【００４７】以上の結果本発明により、画像の歪みが極
めて少ない高能率符号化装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である高能率符号化装置の概
略的構成を示すブロック図である。

【図２】図１の高能率符号化装置に係るパターン作成部
による処理を示すフローチャートである。

【図３】図１の高能率符号化装置に係るパターン選択部
による処理を示すフローチャートである。

【図４】図１の高能率符号化装置に係るパターン選択部
の他の例による処理を示すフローチャートである。

【図５】図１の高能率符号化装置に係る量子化器の特性
図である。

【図６】従来の高能率符号化装置の一例を示すブロック
図である。

【図７】一つのブロックの各変換係数に割り当てられた
ビット数の一例を示す説明図である。

【図８】一つのブロックの各変換係数に割り当てられた
ビット数の他の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　ブロック化部 ２　　直交変換部 ３　　ブロックのクラス分け部 ４　　パターン作成部 ５　　パターン選択部 ６　　量子化部 ７　　符号化部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ディジタル画像を一定範囲内でサブブ
   ロックに分割し、夫々のブロックについて画像データを
   直交変換して変換係数を求め、前記ブロックごとの前記
   画像データの統計的性質に基づいて前記ブロックをクラ
   スに分類し、該分類したクラスの夫々について前記ブロ
   ックごとの前記変換係数に所定のビット数を割り当てて
   前記変換係数を量子化し符号化する高能率符号化装置で
   あって、前記分類したクラスの夫々について前記ブロッ
   クごとの前記変換係数に割り当てるビット数のパターン
   を各クラス内のブロックの持つ性質に応じて複数作成す
   るパターン作成手段と、該作成した複数のパターンの中
   から前記ブロックごとに所定の条件に基づいて一つを選
   択するパターン選択手段とを備えており、該選択したパ
   ターンに基づいて前記変換係数を量子化することを特徴
   とする高能率符号化装置。