JPH0456491A - 動画像信号圧縮・再生システム - Google Patents

動画像信号圧縮・再生システム

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JPH0456491A
JPH0456491A JP2166462A JP16646290A JPH0456491A JP H0456491 A JPH0456491 A JP H0456491A JP 2166462 A JP2166462 A JP 2166462A JP 16646290 A JP16646290 A JP 16646290A JP H0456491 A JPH0456491 A JP H0456491A
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image signal
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裕之 堅田
Yoji Noguchi
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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、デジタル動画像信号を圧縮する動画像信号圧
縮装置に関する。
[従来の技術] 動画像信号の符号化装置に用いられる圧縮装置は予測符
号化によりフレーム間の時間方向の冗長性を除去するよ
うに構成されている。この予測符号化としては、フレー
ム間の差分を取ったり、次のフレームを動き補償予測し
た後、差分を取るもの等が知られている(羽島好律(画
像符号化アルゴリズム(I))TV学会誌vo1.43
. No、9.  IU949−956 (1989)
参照)。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら上述した従来の動画像信号の符号化装置の
圧縮装置では、例えば人物の動きが少なく、背景が静止
したテレビ電話やテレビ会議に用いる場合にはフレーム
間をある程度予測することができるが、ズームイン、ズ
ームアウト、フエイドイン、フエイドアウト及びシーン
チェンジ等を含む動画像のフレーム間を予測することが
できない。
また、従来の動画像信号圧縮装置により圧縮された信号
を復号する再生装置では、圧縮画像を−船釣なディジタ
ル回路により通常の速度で順方向に再生することができ
るが、圧縮画像を逆方向に再生したり、早送りして再生
等する場合には、複雑な工夫が必要になる。(杉山賢二
(蓄積系メディアに適した前後フレーム適応予測符号化
方式)、TV学会技術報告vol、13.  h、6f
1.  IIL13−18(1989)参照)。
従って本発明の目的は、簡単な手段で通常の動画像を圧
縮することができる動画像信号圧縮装置を提供すること
にある。
[課題を解決するための手段] 上述の目的は本発明によれば、それぞれが所定の数のフ
レームからなる複数のブロックに分割されたデジタル動
画像信号を圧縮する装置であって、前のフレームのデジ
タル動画像信号とフレーム上で同一位置にある次のフレ
ームのデジタル動画像信号を前のフレームのデジタル動
画像信号の次に位置するように各デジタル動画像信号を
並び変える手段と、手段と接続されており並び変えられ
た信号の系列を時間軸方向に直交変換する変換手段と、
変換手段と接続されており直交変換された信号を圧縮し
て再量子化する再量子化手段とを備えていることで達成
される。
[作用] デジタル動画像信号は量子化されて所定の数のフレーム
からなるブロックに分割される。前のフレームのデジタ
ル動画像信号とフレーム上で同一位置にある次のフレー
ムのデジタル動画像信号か各動画像信号を並び変える手
段によって前のフレームのデジタル動画像信号の次に位
置するように各動画像信号を並び変えられる。並び変え
られた信号の系列が変換手段によって時間軸方向に直交
変換され、直交変換された信号が再量子化手段によって
圧縮されて再量子化される。
[実施例] 本発明の動画像信号圧縮装置の概念を以下説明する。
デジタル動画像の信号をNフレーム毎のブロックに区切
って符号化することを考え、符号化された信号系列の各
画素値を f、。”   (0≦i≦1−1.0≦j≦J−1゜0
≦n≦N−1,b=0.1,2.−)   ・・(1)
と表す。但し、(i、Dは、画面、即ち画面上の座標を
示し、iが横方向の座標であり、jが縦方向の座標であ
る。nは、同一ブロック内のフレーム番号であり、bは
、ブロック番号である。
従って、フレーム上の位置(i、j)上の画素は時間と
ともに、 f bo”+  fbl”+ ”’+  fb、N−1
”+  fbl、l) ”f b−1,1”+ ”’g
  fbl1.N−1”、  fh−2,0”  ”’
・・・(2) のように変化する。以下、あるブロックbと位置(i、
Dに着目し、添字i、j、bを省略する。
また、時間軸方向の変換行列要素をA kn %逆変換
行列要素をB nk、変換後の画素値をF、とすると、
次式が成立する。
F、=Σ Ak、、f、、、          ・・
・(3)n=0 (0≦に≦N−1) f、  −Σ  B、kF。
k=0 ・・・(4) (0≦n≦N−1) l Σ  A、nB、、=63.       ・・・(5
)n=0 (0≦に、A ≦N−1) Σ  BnkAk、n=δnm        ・・・
(6)k=0 (0≦n、m≦N−1) ここで、変換後の画素値F、の一部に画像の電力が集中
するものを用い、また、この画素値F。
に多くのビット数を割り当て、他の画素値F、に少ない
ビット数を割り当てることにより符号化する。例えば、
DCT(離散コサイン変換)やアダマール変換を用いた
場合、kをシーケンス番号とすると、低周波に対応する
小さなkの画素値F。
への電力集中度が高く、高周波に対応する大きなにの画
素値F、は、はとんどの場合小さな値に留まる。
更に、人間の目が高周波成分に鈍感であることを考慮し
、画素値Fkのビット数を次のようにしてデータ圧縮を
行う(矢野澄男、磯野春夫(画像情報圧縮のための視覚
情報論)、TV学会誌v043、  No、 7.  
pp、 697−706 (1989)参照)。
(F、のビット数≧Fkのビット数) (k<k−)  ・・・(7) ここで、例えば1画素が8ビツトであって4フレーム毎
のブロックに区切り(N=4) 、第1表のようなビッ
ト配分を考えた場合、全てを8ビツトで符号化した場合
に比べて63%程度のデータ量となり、また、1画素が
8ビツトであって87レム毎のブロックに区切り(N=
8)、第2表のようなビット配分を考えた場合、全てを
8ビツトで符号化した場合に比べて34%程度のデータ
量となる。
以下、図面を参照して本発明の動画像信号圧縮装置の実
施例について説明する。
第1図は、本発明の一実施例である動画像信号の符号化
装置を示すブロック図である。
同図において、11は入力されるデジタル動画像信号を
並び変えるための並び変え手段である。この並び変え手
段11の出力側には変換手段12が接続されている。
この変換手段12の出力側には変換値再量子化手段13
が接続されており、さらにその出力側には書き込み手段
14が接続されている。これら、並び変え手段11、変
換手段12、変換値量子化手段13及び書き込み手段1
4によって動画像信号の符号化装置が構成されている。
所定の数からなる複数のブロックに分割されたデジタル
動画像の信号が並び変え手段11の入力端子を介してフ
レームの番号順に入力されており、各フレームのデータ
が画面の左上から横方向に走査されている場合、1つの
ブロックの信号系列は、ブロック番号の添字を省略する
と、次の順に並んでいる。
fO。0+ ”’+  fO”+ ”’+  fO’ 
”’−’ +  fioo、・・・fl”+  ・・・
  B  l−1,J−1、・・・  f N−%]1
1・・・  f N−1”+  ・・・、fN−、+−
1,1−1     ・・・(8)並び変え手段11は
、この1つのブロック分(Nフレーム分)の入力画像信
号を次のように並び変える。
fo 。0+  f + 。0+  ・”+  fn−
1。0+  ”’+  fOfl ”+−,L−+  
”+−,fO’−” ’ 、fll−1、j−i  、
、、  f N−11−i、 J−1・・・(9)変換
手段12は、位置(i、  j)の画素に対応する入力
画像信号の系列 f、 ’I  f、 ’l  −、f、、 ”    
 ・(10)を式(3)に従って変換し、出力系列 Fo ”  F□”  −、FN−1”     −(
11)を得る。
変換値再量子化手段13は、式(11)を入力系列とし
て、例えばDCT (前述の離散コサイン変換)等にお
いて第1表や第2表(発明の詳細な説明の最後部に記載
)に従って高周波成分に対応する画素値F、のビット数
を少なくすることにより、各値を量子化し、データ圧縮
を行う。
ここで、量子化された系列を F −”+  F−1”+ ・・・+  F −N−1
”  ・・・(12)で表すものとすると、第2図に示
すようなフォマットで書き込み手段14によって図示し
ない記憶媒体に書き込まれる。
この書き込み手段14は、圧縮された動画像信号を例え
ば、ハードディスク、フロッピーディスク、光ディスク
、ICカード等の記憶媒体へ記憶させるための手段であ
る。
第2図は、第1図に示した動画像信号の符号化装置によ
るデータのフォーマットを示す説明図である。
第3図は、第1図に示した動画像信号の符号化装置をさ
らに詳しく説明するためのブロック図である。但し、説
明を簡単化するため、書き込み手段は省略されている。
同図に示すように、入力インターフェース15がデータ
バス16と接続されており、読み出しアドレス生成器1
7がメモリ18と接続されている。このメモリ18は書
き込みアドレス生成器19と接続されておりさらにデー
タバス16と接続されている。尚、読み出しアドレス生
成器17と書き込みアドレス生成器19とメモ1月8と
が第1図の並び変え手段11に対応している。このデー
タバス16は変換器20と再量子化器21と出力インタ
ーフェース22と接続されている。変換器20は第1図
の変換手段12に対応しており、再量子化器21は第1
図の変換値再量子化手段13に対応している。このデー
タバス16は図示しない例えばマイクロプロセッサ等の
制御回路と接続されている。
入力インターフェース15は、入力データとして動画像
信号を入力し、これをデータバス16へ転送する。
メモ1月8は、例えばRAM (ランダムアクセスメモ
リ)が用いられ、動画像信号のNフレーム分のデータが
データバス]6を介して書き替え可能に格納される。
これら読み出しアドレス生成器17とメモ1月8と書き
込みアドレス生成器19とを用いて後述するプログラム
に従ってデータの並べかえを行い、並び変えられたデー
タをデータバス16へ転送する。
再量子化器21は、変換されたデータをルックアップテ
ーブル等によって再量子化しデータバス16へ転送する
出力インターフェース22は、動画像信号が圧縮された
データを、第3図には示されてない書き込み手段へ出力
する。
第4図は、第1図に示した並び変え手段のブタ並び変え
プログラムの一部を概略的に表すフロチャートである。
このプログラムは、1つのブロック(横方向の画素数1
1縦方向の画素数J、フレーム数N)についてのデータ
並び変えを実行するためのものであり、以下の如く動作
する。
ステップSllにおいて、フレーム番号nへ0を代入す
る。次のステップ312において、フレーム上の画素の
一方の座標成分jに0を代入し、ステップS13におい
て、フレーム上の画素の他方の座標成分iに0を代入す
る。これによりnl 1及びjが初期設定される。
次のステップS14においては、f %】をa [nl
[i+j*I]に代入する。これにより、最初の画素値
f。。0が求められる。尚、f、+1はn番目のフレー
ム上の位置(i、j)における画素値を表す。a[nl
[7]、(1=0.1、−IIJ−1)は並び変えられ
たデータを表す。lは並び変えられたデータの順番を表
す番号である。
次のステップS15においてiをi+1と歩進させた後
、ステップS16において、iが1より小さいかどうか
判別する。l’−YesJの場合、即ちiくIの場合は
、ステップSI4へ戻り前述の処理を繰り返す。これに
より1フレームの横1列分の画素のデータか並び変えら
れる。
ステップ318においてrNoJの場合、即ちi=1の
場合は、ステップS17においてjをj+1と歩進させ
る。次にステップ318において、jがJより小さいか
どうか判別する。「YesJの場合、即ちj<Jの場合
は、ステップS13へ戻り前述の処理を繰り返す。これ
により1フレ一ム分の画素のデータが並び変えられる。
ステップS18″でrNoJの場合、即ちj=Jの場合
は、ステップS19においてnをn+1と歩進させた後
、ステップS20において、nがNより小さいかどうか
判別する。rYesJの場合、即ちn<Nの場合は、ス
テップSI2へ戻り前述の処理を繰り返す。ステップS
20でrNoJの場合、即ちn=Hの場合は、1つのブ
ロックの画素のデータの並び変え処理が終了したとして
このプログラムを終了する。
第5図は、第3図に示した変換手段の変換プログラムの
一部を概略的に表すフローチャートである。この変換プ
ログラムは、並び変え手段から出力されたデータa [
nl  [A]  (n=0.1.2、・・・、N−1
、l=o、1、・・・ IIJ−1)を時間軸方向に変
換する。
ステップS21において、0をlに代入する。次にステ
ップS22において、0をkに代入する。これによりl
及びkが初期設定される。
次いでステップS23において、次式(13)N−1 Σ  Ah−*a  [n]   [l コ    −
(13)n=0 をb[k][l]へ代入する。ここでA、。は、変換行
列要素、b[:k][1]は変換されたデータである。
次のステップS24においてkをに+1と歩進させた後
、ステップS25においてkがNより小さいかどうか判
別する。rYesJの場合、即ちk〈Nの場合は、ステ
ップS23へ戻り前述の処理を繰り返す。これによりN
個のフレーム上の同一の位置における画素が変換される
ステップ325で「NO」の場合、即ちに=Hの場合は
、ステップS26でlをA+1と歩進させた後、ステッ
プS27において!よりI*Jが小さいかどうか判別す
る。rYesJの場合、即ちl〈■*Jの場合は、ステ
ップS22へ戻り前述の処理を繰り返す。ステップ32
7で「NO」の場合、即ちlがI*Jに等しい場合は、
1つのブロックの画素のデータの変換処理が終了したと
してこのプログラムを終了する。尚、DCTを用いる場
合はステップS22からステップS25までの処理には
高速アルゴリズム(第6図参照)を用いる。
第7図は、第3図に示した再量子化手段の再量子化プロ
グラムの一部を概略的に表すフローチャートである。こ
のプログラムは、変換手段の出力b [k]  [1]
  (n=0.1.2、・・・、N−1,7=0.1、
・・・ I*J−1)の再量子化を実行する。
同図に示すように、ステップS31において、0をkに
代入する。次にステップS32において、0をlに代入
する。これらにより!及びkが初期設定される。次にス
テップ333において、Q、  (b[k]  [l]
)をb[k][J]に代入する。ここでQn (X)は
、値Xを再量子化するための関数である。例えば一画素
を8ビツトとし、Nを4とすると第1表のようなビット
配分の場合は、次式(14)〜(17)のようなQ、(
X)を用いる。
Qo=X             ・・・(14)Q
1= r(26/2” )xl     −[15)Q
2 = l(2’ /28) xl    −(16)
鈷= 「(22/28) Xl   ・・・(17)但
し、[X]はXより小さい最大の整数を表わす。
次にステップS34においてlをA+1と歩進させた後
、ステップS35において、lがI*Jより小さいかど
うか判別する。「YeS」の場合、即ちl<I*Jの場
合は、ステップS33へ戻り前述の処理を繰り返す。こ
れにより、1フレ一ム分の画素のデータが再量子化され
る。
ステップ335で「NO」の場合、即ちA=I*Jの場
合は、ステップ336においてkをに+1と歩進させる
。次にステップS37において、kがNより小さいかど
うか判別する。「YeS」の場合、即ちk<Hの場合は
、ステップS32へ戻り、前述の処理を繰り返す。ステ
ップ337で「NO」の場合、即ちに=Hの場合は、1
つのブロック分の再量子化処理が終了したとしてこのプ
ログラムを終了する。
第8図は、動画像信号の再生装置を示すブロック図であ
る。
同図に示すように、データ読み取り手段23に変換値復
元手段24が接続されており、この変換値復元手段24
は逆変換手段25と接続されている。逆変換手段25は
並び変え手段26と接続されて再生装置が構成されてい
る。
第9図は、第8図に示した動画像信号の再生装置をさら
に詳しく説明するためのブロック図である。但し、説明
を簡単化するためデータ読み取り手段は省略されている
同図に示すように、入力インターフェース27と量子化
値の復元器28と逆変換器29とがデータバス30と接
続されている。量子化値の復元器28は、第8図の変換
値復元手段24に対応しており、逆変換器29は逆変換
手段25と対応している。読み出しアドレス生成器31
と書き込みアドレス生成器32とがメモリ33と接続さ
れている。これら読み出しアドレス生成器31と書き込
みアドレス生成器32とメモリ33とで第8図の並び変
え手段26に対応している。
このメモリ33と出力インターフェース34とがデータ
バス30と接続されている。このデータバス30は図示
しない制御回路と接続されている。
入力インターフェース27は、例えば読み取り手段によ
って読み取られたデータをデータバス30へ転送する。
量子化値の復元器28は、記憶データ(符号化データ)
を、ルックアップテーブル(Q、−’ (x)の関数値
をテーブル化したもの)などによって変換値に復元しデ
ータバス30へ転送する。
逆変換器29は、復元された変換値を後述するフローに
従って逆変換し逆変換されたデータをデータバス30へ
転送する。
メモリ33は、例えばRAMが用いられ、動画像信号の
Nフレーム分のデータがデータバス30を介して書き替
え可能に格納される。
これらメモリ33と書き込みアドレス生成器32と読み
出しアドレス生成器31とで後述するプログラムに従っ
てデータの並べ変えを行い、並び変えられたデータをデ
ータバス30へ転送する。
第10図は、第9図に示した動画像信号の再生装置にお
ける量子化値の復元器28のデータ復元プログラムの一
部を概略的に表すフローチャートである。このプログラ
ムは、量子化された1つのブロック分の符号b [kJ
 [lコ (k=0.1、・・・N−1、J=O11、
・・・ I*J−1)の復元を実行するためのものであ
り、以下の如く動作する。
同図に示すように、ステップ341において、ブロック
の番号kにOを代入して初期設定する。次にステップS
42において、データ番号lに0を代入して初期設定す
る。次いでステップ343においてQ、−’  (b 
 [kJ  [I!]  )  ヲb  Ck]  [
l]  i:代入する。ここでQ、” (x)は、量子
化値を復元する関数である。前述したQ、(x)に対応
する関数は次式(18)〜(21)のようになる。
Q o −’ = x             −(
18)(h −’= (28/26)x      ・
・・(19)Q2−1= (28/2’ )x    
  ・・・(20)Q3  ’= (28/22)x 
     ・・・(2I)次のステップS44において
、lを/+1へ歩進させた後、ステップS45において
、!がI*Jより小さいかどうか判別する。「YesJ
の場合、即ちl<I*Jの場合は、ステップS43へ戻
り、前述の処理を繰り返す。これにより1フレ一ム分の
データが復元される。ステップS45でrNoJの場合
、即ち7=I*Jの場合は、ステップ346でkをに+
1と歩進させた後、次のステップ347でkがNより小
さいかどうか判別する。rYesJの場合、即ちk<H
の場合は、ステップS42へ戻り、前述の処理を繰り返
す。ステップS47で「NO」の場合、即ちに=Nの場
合は、N個のブロック分の符号b[kJ[I!]の復元
処理が終了したとしてこのプログラムを終了する。
第11図は、第9図に示した動画像信号の再生装置にお
ける逆変換器29の逆変換プログラムの一部を概略的に
表すフローチャートである。このプログラムは、再量子
化値復元器の出力b[kJ[A’コの逆変換を実行する
同図に示すように、ステップ551において0をlに代
入した後、ステップS52において0をnに代入して初
期設定する。次にステップS53において次式(22) %式%(22) をa 口n]  C13に代入する。ここでBnkは、
逆変換行列要素、a[n][Il]は逆変換されたデー
タである。
次いでステップS54でnをn+1へ歩進させた後、ス
テップS55でnがNより小さいかどうか判別する。r
YesJの場合、即ちn<Nの場合は、ステップS53
へ戻り前述の処理を繰り返す。これによりフレーム上の
所定の位置におけるデータかフレームの個数分処理され
る。
ステップS55でrNojの場合、即ちn=Hの場合は
、ステップ556でlをJ+1へ歩進させた後、ステッ
プS57でlがI*Jより小さいかどうか判別する。r
YesJの場合、即ちI<I*Jの場合は、ステップS
52へ戻り前述の処理を繰り返す。ステップS57でr
NoJの場合、即ち!=■*Jの場合は、1ブロック分
の画素の逆変換処理が終了したとしてこのプログラムを
終了する。
尚、第5図に示した変換処理のプログラムと同様、DC
Tを用いるときはステップS52からステップS55ま
での処理に高速アルゴリズムを用いる。
第12図は、第9図に示した動画像信号の再生装置にお
ける並べ変え手段の並べ変えプログラムの一部を概略的
に表すフローチャートである。このプログラムは、逆変
換器からの出力データを並び変える並び変えプログラム
を実行する。
同図に示すようにステップS61においてOをnに代入
した後、ステップS52において0をjに代入する。次
に0をiに代入することでnl 1及びjが初期化され
る。次いでステップS64でa [n][i+j*I]
をn番目のフレーム上の位置(i+j)の画素の復号値
であるf。”に代入する。
次のステップS65でiをi+1に歩進させた後、ステ
ップ366でiがIより小さいかどうか判別する。rY
esjの場合、即ちi<Iの場合は、ステップS64へ
戻り、前述の処理を繰り返す。これによってフレーム上
の1列分の画素が並び変えられる。ステップS66で「
NO」の場合、即ちiIの場合は、ステップS67てj
をj+1と歩進させた後、ステップS68でjがJより
小さいかどうか判別する。rYesJの場合、即ちj<
Jの場合は、ステップS63へ戻り、前述の処理を繰り
返す。ステップ368でrNojの場合、即ちj=Jの
場合は、ステップS69でnをn+1と歩進させた後、
ステップS70でnがNより小さいかどうか判別する。
rYesJの場合、即ちn<Hの場合は、ステップ36
2へ戻り、前述の処理を繰り返す。
ステップ370で「NO」の場合、即ちn=Hの場合は
、1ブロック分のデータの並び変えが終了したとしてこ
のプログラムを終了する。
これらにより符号化された動画像信号の再生が行われる
以下、第8図に示した動画像信号の再生装置による通常
速度での再生、倍速度での再生、高速サチ再生、全フレ
ーム再生、半数フレーム再生及び1フレーム再生モード
におけるデータの処理について説明する。
「通常速度の再生」 第8図に示すように、データ読み取り手段23は、前述
の動画像信号の符号化装置により圧縮された記憶データ
を通常の速度で順方向に再生する場合には各ブロックを
順番に読み出し、逆方向に再生する場合には各ブロック
を逆の順番で読み出す。
従って、データ読み取り手段23により通常速度で順方
向に読み出された1ブロック分のデータは、式(12)
に示すような系列となる。
変換値復元手段24は、式(12)に示す系列から元の
ビット数の変換値を復元する。即ち、動画像信号の符号
化装置の変換値再量子化手段13が8ビツトの信号を4
ビツトの信号に量子化した場合には、変換値復元手段2
4は、この4ビツトの信号を元の8ビツトの信号に復元
する。
逆変換手段25は、動画像信号の符号化装置の変換手段
12により変換された信号系列を逆変換する。
この場合、入力信号系列が圧縮時に量子化された値であ
るので、人間の視覚上では問題にならないか、完全に逆
変換することができない。そこで、本実施例では、逆変
換手段25が逆変換した1画素分の出力系列を次のよう
に表す。
(1li−、II、・・・+f−N−1”  ・・・(
23)並び変え手段26は、次の1ブロック分の入力系
列 (−oO°+  f−1”0+  ”’+  f−N−
1。0”’  fQ”1  f=l  ”+  ”’+
  f−N−4”+  ”’+  f−01−1,1−
1、f、 l−トド1.・・・ f −N、 l−1,
J〜1・・・(24) を、順方向の再生の場合には、次式 %式% の系列に並び変えて出力する。逆方向の再生の場合には
、次式 %式% の系列に並び変えて出力する。
「倍速度再生」 データ読み取り手段23と変換値復元手段24とは、通
常速度の再生と同様であり、逆変換手段25が偶数フレ
ーム又は奇数フレームのみを逆変換する。
ここで、Nを偶数とし、偶数フレームを逆変換する場合
、逆変換手段25が逆変換した1画素分の出力系列は、 f  o ”、  f−2”、 ”’、  f −N−
2”  ”’(27)となる。
他方、Nが奇数である場合には、1ブロツク毎に偶数フ
レーム f−o+1.f−2+ノ+”’+f−N−3”+f−8
1ノ               川(28)と奇数
フレーム f O”+  f−2”+  +++、f−N−4” 
 f−8・・・(29) を切り替えて出力する。
並び変え手段26は、順方向で再生する場合には式(2
5)により並び変え、逆方向で再生する場合には式(2
6)により並び変える。
「高速サーチ再生」 データ読み取り手段23は、再生速度に応じて幾つかの
ブロックを飛び越してデータを読み出す。
例えば、2ブロック飛び越しながら順方向に再生する場
合には、b1b+3、b+6、・・・番目のブロックを
読み出す。
変換値復元手段24は、このように読み出された系列を
式(12)の系列に復元し、逆変換手段25は、1ブロ
ツク当たり1フレームのみを逆変換する。
ここで、m(0≦m≦N−1)番目のフレームのみを逆
変換する場合、逆変換手段25により逆変換された系列
は、 f−00、、、f−I+  、、、  f−1−1,J
−1・・・(30) となり、並び変え手段26はこの系列をそのまま出力す
る。
以上、動画像信号の符号化装置と再生装置とについての
概略を説明したが、次に、1ブロック分のデータを逆変
換する場合について詳細に説明する。
「全フレーム再生」 画素値F、(0≦に≦N−1)から全フレームを再生す
るには式(4)によりf、、(n=Q、・・・N−1)
を再生するばよいが、DFT (離散フーリエ変換) 
、DCT (離散コサイン変換)及びDST(離散サイ
ン変換)についてはそれぞれ、FFT(高速フーリエ変
換) 、FCT (高速コサイン変換)及びFST (
高速サイン変換)と呼ばれる高速アルゴリズムが開発さ
れているので、式(4)より高速で処理することができ
る。
第6図及び第13図はそれぞれ、N=8の場合のFCT
SFFTの動作を示し、斜線は、乗算を表す。ここで、 W  = e x p  (−br j/8)    
    −(31Js、 =s i n (πn/16
)   (++=1.2.3.4) =132)c、=
cos (πn/16)   (n=1.2.3.4)
・・・(33)であり、また、記号(=)は、減算を表
す。
「半数フレーム再生」 例えば偶数フレームを再生する場合には、第14図に示
すように、式(4)によりf。(n=o、2゜・・・、
N−2)を再生する。この場合、FFT及びFSTでは
、半数フレームのf、を計算するので、計算量は全フレ
ームの場合より約半分で済む。
尚、第6図に示すように、FCTによる逆変換では、計
算量が半分にならないが、次のような近似的な手法によ
り計算量が半分になる。
例えばNを偶数とし、偶数フレームをU。、奇数フレー
ムをV、で表すと、 N=2M               ・・・(34
)uo=f2.、  (0≦n≦M−1)   ・(3
5)v、 = f 2nl  (0≦n≦M−1)  
 ・(36)となる。この場合、f、(0≦n≦M−1
)に対する2M点DCTと、偶数フレームun)奇数フ
レームV。に対するM点DCTは、次式で表すことがで
きる。
2M−1 F、=2Σ f nc o s  (π(2n+1)k
/(2・2M))11:0           ・・
・(37)(0≦に62M−1) トI U、=2Σ u、 c o s (yr (2n+I)
k/2M)n“0           ・・・(38
)(0≦に5M−1) トI V、=2Σ v、 c o s (π(2n+l)k/
2M)“”0           ・・・(39)(
0≦に5M−1) また、Fkは、次のように変形することができる。
Fk=2C*  c o s  (πに/4M)+2D
m  s i n  (πに/4M)(0≦に≦2M−
L)       ・・・(40)ここで、 C8=2Σ  c、cos  (π(!n÷1) k/
2M)n“0           ・・・(41)(
0≦に52M−1) D、=2Σ d、、s i n (π(2n+l)k/
2M)n=o          ・・・(42)(0
≦に52M−1) Cn ” (u、+vo)/2       ・・・(
43)(0≦n≦M−1) d、= (un−v、)/2      −144)(
0≦n≦M−1)である。更に、式 (40)において、kを2M−ki:置き換えて式(3
o)を変形すると、 F2w−*=−2C* s i n (πに/4M)十
2D、cos(πに/4M)   −(45)(0≦に
5M−1) となり、式(40)及び(45)により次の2式が得ら
れる。
C,=(1/2)  Fkco s  (πに/4M)
(1/2)  F 2M−−8i n (πに/4M)
 ・・・(46)(0≦に5M−1) co= (1/2)  F、            
・(47)ここで、F 2y−h (0≦k 5M  
1 ) It高周波成分に対応するので、自然画像では
値が小さいと見なすことができる。また、5in(πに
/4M)は0より太きく1/21′2より小さいので、
式(46)は、第2項を無視して Ck=(1/2)Fkcos(πに/4M)   ”・
(4g)で表すことができる。Ckは、式(41)及び
(43)より2フレ一ム間の平均値のM点DCTであり
、そこて、このC,を半数フレームの再生値とする。
ところで、N点の乗算回数は、(1/ 2) N lo
g 2Nであり、したがって、N (N=2M)点のD
CT(前述の逆離散コサイン変換)を用いる全フレーム
再生の乗算回数と、M点のDCT (逆離散コサイン変
換)とM回の乗算を用いる半数フレーム再生の乗算回数
との比は、 (1/2) Mlog  2M : (1/2) lo
g 2 M+M・・・(49) であることがわかる。したがって、M=4の場合にその
比は3:2、M=8の場合に8:5となり、Mが大きく
なるにつれて2:1に近づく。
「1フレーム再生」 m(0≦m≦N−1)番目のフレームを再生する場合に
は、式(4)を直接用いてfffiを再生すればよく、
この場合の乗算回数はN回である。
本発明において取り扱う動画像信号は、必ずしも実画像
でなくてもよく、フレーム内で2次元変換したものや、
Nフレーム分のブロック内でフレーム間差分をとったの
ちに2次元変換したものでよい。尚、このような場合に
は、時間軸方向も含めて3次元変換していることになる
2次元符号化としてDCT等を用いると、入力画像信号
の画素f、ljの添字iSjがそれぞれ1フレーム内の
縦方向、横方向の空間周波数を表しており、したがって
、符号化の際にlX jが大きいほど少ないビット数を
割り当てることができる。
尚、実際には、時間軸方向の変換を行った後に量子化を
行い、この場合には、あるブロック内の変換後の値をF
%jで表し、ビット数を次のように割り当てる。
(F、’Iのビット数)≧(F、’ +のビット数)(
d(i、j、k)<d(i−、j−、k”))・・・(
50) ここで、d (i、j、k)は、点(0,0,O)と点
(i、j、k)との間の距離を表す関数であり、公知の
ものを用いることができる(田村秀行監修 コンピュー
タ画像処理入門 総研出版pp、73−74参照)。
前述の実施例では、空間2次元変換された動画像信号を
取り扱う場合について説明したか、次に、空間2次元変
換と、時間軸方向変換とを合わせた3次元変換を用いた
符号化について説明する。
第15図の3次元符号化の動作説明図に示すように、動
画像信号のデータを横り画素×縦M画素×Nフレームに
分割して符号化する。
分割された各ブロックの番号を(x、y、b)の3つの
数字で表し、また、1ブロツク内のn番目のフレームの
位置座標(i、j)の画素値をfxyb、、1    
          ・・・(51)(0≦n≦N−1
,O≦i≦L−1゜ 0≦j≦M−1)と表す。
更に、ブロック内の時間方向の変換行列要素を八〇、4
、逆行列要素をBonkとし、横方向の変換行列要素を
A1.1、逆行列要素をB’Bとする。
縦方向の変換行列要素をA200、逆行列要素をB21
mとし、3次元変換後の値をFk、。とすると、次式が
成立する。
N−I  L−I  M−1 F0□ =Σ  Σ  Σ A 0knA’ 、、A2
 ff1i f 6゜n・OI:Oj:O ・・・(52) (0≦に≦N−1,0≦l≦L−1,0≦m≦M−1) N−I  L−I  M−1 f mii  =Σ Σ Σ  B 0nkB’  +
lB24mFkl。
k=o  (1=Om=0 (0≦n≦N−1,O≦i≦L−1,0≦j≦M−1) 尚、上記の式(52)及び(53)では、記述を簡単に
するために、ブロック番号を表す添字が省略されている
第16図は、本発明の他の実施例として3次元符号化装
置を示し、第17図は3次元再生装置を示す。
第16図に示すように、L画素毎に横方向変換する横方
向変換手段35が、1フレ一ム分のデータを並び変える
並び変え手段36とに接続されている。
この並び変え手段36は、M画素毎に縦方向に変換する
縦方向変換手段37と接続されている。この縦方向変換
手段37は、Nフレーム分のデータを並び変える並び変
え手段38と接続されており、この並び変え手段38は
変換手段39と接続されている。変換手段39は変換値
再量子化手段40と接続されており、この変換値再量子
化手段40は書き込み手段41と接続されて3次元符号
化装置が構成されている。
各フレームごとに横方向に走査された動画像信号が入力
されると、横方向変換手段35は、この入力系列 f−or 、  fo++ 、 ・”、  f−、t−
+、+    −(54)をL画素ごとに横方向に変換
し、出力系列g n0+ +  gna+ + ・・・
、gnい、1   ・・・(55)を得る。但し、 gn、、=Σ A ’ # l f −z      
   −(55)である。
次いで、並び変え手段36は、式(55)の入力系列を
、各フレームごとにデータを縦方向に走査した形に並び
変える。
縦方向変換手段37は、並び変え手段36により並び変
えられた系列 g  neo  +   gnfl  +   ”’+
   gnI  M−!           °−(
57)をM画素毎に縦方向に変換し、系列 h neo +  h nj 1+ ・++、  h 
r*、 y−+     ’・−(58)を出力する。
但し、 hn、m=Σ A2 t+gn*+         
・−(59)j・0 である。したがって、この時点のデータは、第18図に
示すように並んでいる。
縦方向変換手段37に接続された並び変え手段38は、
式(58)のNフレーム分のデータを、空間座標が同一
の画素を示し、フレーム類に並ぶように並び変え、 h1〕#。、h+□、・・・、  hN−(,1ffi
     ・・・(60)のような系列を出力する。
変換手段39は、式(60)の入力系列を時間方向に変
換し、 Fo#ffi、  Flt−、−、FN−+、*−−(
611なる系列を出力する。但し、 Fk、□ =Σ Ao k、、h、1゜       
 ・・・(62)n・0 である。これで、式(62)の3次元変換が完了したこ
とになる。
変換値再量子化手段40は、式(50)でF、 i i
をFklmに置き換えたものに従って変換値を第19図
に示すように値F−0#m +  F −1fm l 
”’+  F−kjm +・・・+  F = N−1
□              ・・・(63)に量子
化し、量子化された値は、書き込み手段41によって図
示しない記憶媒体に記憶される。
次に、第17図を参照して3次元後号化装置を説明する
同図に示すように、データ読み取り手段42が変換値復
元手段43と接続されており、この変換値復元手段43
が時間方向逆変換手段44と接続されている。時間方向
逆変換手段44は、Nフレーム分のデータを並び変える
並び変え手段45と接続されており、この並び変え手段
45は、M画素毎に縦方向に逆変換する縦方向逆変換手
段46と接続されている。
この縦方向逆変換手段46は、1フレ一ム分のデータを
並び変える並び変え手段47と接続されており、並び変
え手段47は、L画素毎に横方向の逆変換を行う横方向
逆変換手段と接続されている。
これらの各手段42〜48は、第8図に示すデータ読み
取り手段21、変換値復元手段22及び時間方向逆変換
手段23と同様の動作を行う。
すなわち、データ読み取り手段42は、通常速度で順方
向に再生する場合には各ブロックをその順番で読み出し
、逆方向に再生する場合には各ブロックを逆の順番で読
み出し、また、高速サーチ再生では、ブロックを飛び越
してデータを読み出す。
同様に、変換値復元手段43は変換値を復元し、時間方
向逆変換手段44は時間方向の逆変換を行う。
この場合、時間方向逆変換手段44の1画素分の出力を h −01m +  h−1jm + ”’+  h−
N−1,fm  ・・・(64)で表す。
並び変え手段45は、第16図の並び変え手段38と逆
の並び変えを行ってNフレーム分のデータを並び変える
。従って、出力されるデータのフォーマットは、第18
図に示すようなフォーマットになる。
縦方向逆変換手段46は、入力系列 h−noo l  Fl−nol + ”’+  h−
njm + ”’  h・、 L−1,M−1・・・(
65) をM画素毎に縦方向に逆変換して系列 g    neo  +   g    not  +
   ”’+   g    nl+  r  …l 
 g・・・(66) を出力し、並び変え手段47は、第16図の並び変え手
段36と逆の並び変えを行って1フレ一ム分のデータを
並び変え、次のような系列 ・・・(67) を出力する。
最後に、横方向逆変換手段48は、この系列をL画素毎
に横方向に逆変換し、再生画像の系列f−noO+  
f−nlO+ ”’+  f −n+1 + ”’+ 
 f −・・・(6B) を得る。
尚、この3次元変換において逆再生、倍速再生性、高速
サーチ再生する場合にも同様に時間方向逆変換手段44
及び並び変え手段45において第1の実施例と同様な処
理を行う。
尚、本発明の動画像信号圧縮装置は、デジタルVTR(
ビデオチープレコータ)のデジタル動画像信号の圧縮に
用いてもよい。
[発明の効果コ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、所定の数
のフレームからなる複数のブロックに分割されたデジタ
ル動画像信号を圧縮する装置であって、前のフレームの
デジタル動画像信号とフレーム上で同一位置にある次の
フレームのデジタル動画像信号を前のフレームのデジタ
ル動画像信号の次に位置するように各デジタル動画像信
号を並び変える手段と、この手段と接続されており並び
変えられた信号の系列を時間軸方向に直交変換する変換
手段と、変換手段と接続されており直交変換された信号
を圧縮して再量子化するので、動き補償をする手段を用
いることなく簡単な手段で動画像信号が符号化される。
第1表 第2表
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である動画像信号の符号化装
置を示すブロック図、第2図は第1図に示した動画像信
号の符号化装置によるデータのフォーマットを示す説明
図、第3図は第1図に示した動画像信号の符号化装置を
さらに詳しく説明するためのブロック図、第4図は第3
図に示した並び変え手段のデータ並び変えプログラムの
一部を概略的に表すフローチャート、第5図は第3図に
示した変換手段の変換プログラムの一部を概略的に表す
フローチャート、第6図は高速コサイン逆変換の動作を
示す説明図、第7図は第3図に示した再量子化手段の再
量子化プログラムの一部を概略的に表すフローチャート
、第8図は動画像信号の再生装置を示すブロック図、第
9図は第8図に示した動画像信号の再生装置をさらに詳
しく説明するためのブロック図、第10図は第9図に示
した動画像信号の再生装置における量子化値の復元器の
データ復元プログラムの一部を概略的に表すフローチャ
ート、第11図は第9図に示した動画像信号の再生装置
における逆変換器の逆変換プログラムの一部を概略的に
表すフローチャート、第12図は第9図に示した動画像
信号の再生装置における並べ変え手段の並べ変えプログ
ラムの一部を概略的に表すフローチャート、第13図は
高速フーリエ逆変換の動作を示す説明図、第14図は高
速フーリエ逆変換により偶数フレームを再生する動作を
示す説明図、第15図は3次元符号化の動作を示す説明
図、第16図は本発明の第2の実施例である3次元符号
化装置を示すブロック図、第17図は3次元再生装置を
示すブロック図、第18図は第16図に示した縦方向変
換手段の出力を示す説明図、第19図は第16図に示し
た量子化手段の出力を示す説明図である。 11.26.36.38.45.47・・・・・・並び
変え手段、12.39・・・・・・変換手段、13.4
0・・・・・・変換値再量子化手段、14.41・・・
・・・書き込み手段、23.42・・・・・・データ読
み取り手段、24.43・・・・・・変換値復元手段、
25.44・・・・・・時間方向逆変換手段、35・・
・・・・横方向変換手段、37・・・・・・縦方向変換
手段、46・・・・・・縦方向逆変換手段、48・・・
・・・横方向逆変換手段。 第4図 第15図 第16図 第17図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. それぞれが所定の数のフレームからなる複数のブロック
    に分割されたデジタル動画像信号を圧縮する装置であっ
    て、前のフレームのデジタル動画像信号とフレーム上で
    同一位置にある次のフレームのデジタル動画像信号を前
    記前のフレームのデジタル動画像信号の次に位置するよ
    うに各デジタル動画像信号を並び変える手段と、該手段
    と接続されており並び変えられた信号の系列を時間軸方
    向に直交変換する変換手段と、該変換手段と接続されて
    おり直交変換された信号を圧縮して再量子化する再量子
    化手段とを備えていることを特徴とする動画像信号圧縮
    装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5376971A (en) * 1992-09-30 1994-12-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Picture encoding apparatus and picture decoding apparatus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EFFICIENT TRANSMISSION OF PICTORIAL INFORMATION=1975 *

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