JPH0646395A - データ圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ディジタル磁気記録装置に記録するのに適し、
高能率で画質劣化の少ないデータ圧縮を行う。 【構成】端子１から画像データを入力し、空間フィルタ
１０で斜め高域成分を抑圧し、標本化回路２０でデータ
量を半減する。そして直交変換、量子化、可変長符号化
を行った後、フィールド毎の圧縮データ量を一定値内抑
え、最小復号化単位にヘッダを付加してＶＴＲに記録す
る。そして、ＶＴＲからの圧縮データに、一連の伸長処
理を施した後、出力端子２から出力する。 【効果】画素あたりのビット数を倍にできるので、画質
劣化を抑え、且つ高能率な画像圧縮を行うことができ
る。さらに、最小復号化単位にヘッダを付加すること
で、サーチ等の高速再生をも可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像データを効率良
く圧縮して、ディジタルＶＴＲ等の記録装置に記録す
る、画像データ圧縮装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像データに対する高能率な圧縮符号化
技術として、離散コサイン変換（以下、ＤＣＴ変換と記
す）等の直交変換に可変長符号化を組み合わせた方式が
知られている。その一例が特開平３−２１３０６１号に
記載されている。上記公報に記載されている技術では、
まず一枚のディジタル画像データを、１ブロックｎ×ｎ
（ｎは２以上の整数）画素からなる複数の画素ブロック
に分割する。各画素ブロック毎にＤＣＴ変換を行い、変
換して得られるｎ×ｎ個の周波数成分からなるＤＣＴ係
数の各成分を、一定の量子化テーブルで除算して量子化
を行う。量子化後の量子化ＤＣＴ係数をＤＣ成分につい
ては差分符号化し、ＡＣ成分については低周波成分から
高周波成分に向かって一定の順序で一次元の数列に変換
する。量子化後の量子化ＤＣＴ係数Ｆij（ｉ，ｊ＝０，
１，２，…，ｎ−１）に対し、特定の値Ｋを設定し、Ｋ
≦ｉ＋ｊなる条件を満たす量子化ＤＣＴ係数Ｆijの値を
零にすることにより、連続する零の個数を変化させて圧
縮率の調整を行う。そして、ハフマン符号化等の可変長
符号化を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
ている技術では、量子化ＤＣＴ係数Ｆijを「Ｋ≦ｉ＋
ｊ」なる条件の時に零にすることによって、高周波成分
を抑圧し圧縮率の調整を行っている。◆上記方式に代表
されるＤＣＴ変換と可変長符号化を用いた圧縮方式で、
大きな圧縮率を得ようとすると、画素ブロックごとに処
理を行う圧縮方式の欠点であるタイル状のブロック歪
や、量子化歪でモスキートノイズと呼ばれる、絵柄のエ
ッジの周りにまとわりついたノイズが大きく生じる。◆
本発明の目的は、広帯域の映像信号を、既存のディジタ
ル磁気記録再生装置（以下、ディジタルＶＴＲと記す）
に記録するための、高能率で画質劣化が少なく、さらに
サーチなどの高速再生も可能なデータ圧縮装置を提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、空間フィルタにより視覚的に目立た
ない斜め高域成分を抑圧した後、フィールド内のライン
間オフセットサンプリングをしてデータを半分に間引
く。そしてＤＣＴ変換等の直交変換、量子化及び可変長
符号化を行なう。さらに、既存のディジタルＶＴＲ等へ
の記録時には、フィールド毎の圧縮データ量を一定値内
に抑え、最小復号化単位である圧縮符号化された画素ブ
ロックの集合のデータ列の先頭に、画像上の位置情報な
どを示すヘッダを付加する。

【０００５】

【作用】空間フィルタにより斜め高域成分を抑圧した
後、フィールド内のラインオフセットサンプリングによ
ってデータを半分に間引くことにより、折り返し歪など
の画質劣化をほとんど生じることなくデータ量を低減で
きる。間引かれたデータを用いてＤＣＴ変換、量子化、
可変長符号化をすることで、画素あたりに割り当てるデ
ータ量（ビット数）を増すことができ、タイル状のブロ
ック歪やモスキートノイズを低減できる。◆さらに、既
存のディジタルＶＴＲに記録するにあたり、圧縮符号化
された画素ブロックの集合にヘッダを付加することで、
高速再生のように、部分的に信号を再生する場合でも、
再生した信号の位置情報を得ることができ、再生するこ
とができる。

【０００６】

【実施例】以下図面に従って本発明の実施例を説明す
る。

【０００７】図１は本発明の一実施例を示すブロック図
であり、例えば、ハイビジョン信号を圧縮して現行のテ
レビジョン信号用のディジタルＶＴＲに記録する場合に
用いるデータ圧縮回路のブロック図である。

【０００８】図１において、１は映像信号の入力端子、
２は圧縮し記録装置に記録したデータを伸長して出力す
る出力端子、１０は斜め高域周波数成分を抑圧し、サブ
サンプリングの際の折り返し歪を防止する空間フィル
タ、２０はデータをフィールド内のライン間でオフセッ
ト状になるように標本化する標本化回路、３０はＤＣＴ
変換等の直交変換を行う直交変換回路、４０は所定の量
子化テーブルを用いて量子化を行う量子化回路、５０は
ハフマン符号化等の可変長符号化を行う可変長符号化回
路、６０は復号化回路、７０は逆量子化回路、８０は逆
ＤＣＴ変換等を行う逆直交変換回路、９０はサブサンプ
リングによって間引かれた画素を近傍画素を用いて補間
する補間フィルタ、１００はディジタルＶＴＲ等の記録
装置、１１０は画像圧縮回路、１２０は画像復号回路で
ある。

【０００９】端子１から入力された映像信号は、まず空
間フィルタ１０に入力される。空間フィルタはサブサン
プリングの際の折り返し歪を防ぐためのフィルタであ
り、理想的には図２に示す周波数特性を有する。入力映
像信号の走査線の垂直空間周波数（フレームにおける）
をｆｖ（ｃｐｈ）、水平サンプリング周波数をｆｈ（Ｈ
ｚ）とすると、サブサンプリングをフィールド内のライ
ンオフセットで行うために、標本化定理に従い垂直空間
周波数帯域をｆｖ／４、水平周波数帯域をｆｈ／２に制
限する。さらに、斜め周波数成分の折り返し歪を防止す
るため、図２に示すように斜め周波数成分を制限する。

【００１０】空間フィルタ１０により、帯域を制限され
たデータは、標本化回路２０に入力される。標本化回路
２０では図３に示すフィールド内のラインオフセットサ
ンプリングを行う。図３に示すようにサンプリングは、
１つのフィールド内で、水平方向に１画素置きに、隣接
するライン間でオフセットするように行われる。上記空
間フィルタ１０と併せ、垂直解像度、水平解像度の劣化
をおさえてデータを間引くができる。また、前記のよう
にサンプリングがフィールド内で行われることより、フ
レーム内でサンプリングをする場合と違って、動画デー
タ、静止画データの区別なく、このサンプリング方式を
適用することができ、画像データの動き量を検出して、
動画、静止画の判別をする動き検出回路が不要である。

【００１１】さらに、直交変換前にサブサンプリングに
よって画素数を半分にすることにより、画素あたりのビ
ット数を倍に増加させることができ、ｎ×ｎ画素から成
る各画素ブロックに直交変換を行った場合に生じる、量
子化エラーによるブロック歪を低減することができる。

【００１２】以上のようにしてフィールド内のラインオ
フセットサンプリングを行うことにより、垂直、水平方
向の解像度の劣化を抑えて、１／２にデータを圧縮でき
る。

【００１３】標本化回路２０でフィールド内のラインオ
フセットサンプリングにより間引かれたデータは、直交
変換回路３０に入力される。直交変換回路３０ではＤＣ
Ｔ変換等の直交変換を行う。以下にＤＣＴ変換を行った
場合の例を示す。まず入力画像データを水平方向にｎド
ット、垂直方向にｎラインのｎ×ｎ画素のブロックに分
割する。一例として１ブロック８×８画素の場合を例に
とって説明する。各ブロックに対してＤＣＴ変換を行
う。変換されたＤＣＴ係数をＦ（ｕ，ｖ）、１ブロック
分の画像データをｆ（ｉ，ｊ）とすると、変換式は数１
のようになる。

【００１４】

【数１】

【００１５】得られるＤＣＴ係数はＦ（ｕ，ｖ）は１ブ
ロック分の入力画像データを空間周波数に分解した成分
を示している。

【００１６】ＤＣＴ係数Ｆ（０，０）は入力画像データ
ｆ（ｉ，ｊ）の６４画素の平均値に比例した値（ＤＣ成
分）を示し、Ｆ（ｕ，ｖ）は、ｕ，ｖが大きくなるにつ
れて空間周波数の高い成分（ＡＣ成分）を示す。

【００１７】以上のようにして得られる２次元ＤＣＴ係
数に対し、量子化回路４０によって、量子化を行う。量
子化テーブルの一例を図４に示す。後述するように、フ
ィールド毎のデータを一定値内に抑える必要があり、そ
のために量子化テーブルを、スケールファクタと称する
レート制御係数倍してＤＣＴ係数をそれで割ることによ
って、視覚的に影響が小さい高周波成分に対し等価的に
粗い量子化を行う。

【００１８】続いて可変長符号化回路５０によって符号
化を行う。ＤＣ成分については例えば、いくつかのＤＣ
Ｔ係数ブロック毎に差分符号化を用いて符号化する。即
ち、現画像ブロックと１つ前の画像ブロックの量子化Ｄ
ＣＴ係数におけるＤＣ成分の差分を取り、その差分値を
例えばハフマン符号化により可変長符号化する。ＡＣ成
分については図５に示す順序でジグザグスキャンが行わ
れ１次元の数列に変換され、連続する零データの個数を
圧縮するランレングス符号化が行われる。そして、ラン
レングス符号化した連続する零データの個数と有効係数
のビット数とで２次元のハフマン符号化をおこない、圧
縮処理を終了する。

【００１９】上記可変長符号化では、生起確率の高いデ
ータには短い符号を割り当て、生起確率の低いデータに
は長い符号を割り当てることで、少ないビット数で高能
率な符号化を行うことができる。

【００２０】上記画像圧縮回路１１０により圧縮された
データは、記録装置１００に記録される。そして、記録
装置１００からの圧縮データは、画像復号回路１２０に
より画像圧縮回路１１０と逆の処理を施される。画像復
号回路１２０での伸長処理について説明する。まず復号
化回路６０によってハフマン復号化を行う。その後ＤＣ
成分については差分復号化を行い、ＡＣ成分については
ランレングス復号化を行ってジグザグスキャンの順序に
データを並べ替え、１ブロックの変換係数を得る。そし
て逆量子化回路７０で逆量子化、逆直交変換回路８０で
例えば逆ＤＣＴ変換を行い、最後に補間フィルタ９０
で、サブサンプリングによって間引かれた画素を近傍画
素を用いて補間し、伸長処理を終了する。以上の処理に
より、復元された画像データは、出力端子２から出力さ
れる。

【００２１】ところで、可変長符号化によって符号長が
不均一な圧縮データを、ＶＴＲ等の記録装置に記録する
際には、伝送レートを一定値内に抑えなければならな
い。ＶＴＲの編集を考慮した場合には、フィールドない
しはフレーム単位でデータ量が一定となるように制御す
る。以下に、フィールド毎の圧縮データ量を一定値内に
抑えて記録装置に記録する方式の一例をあげる。記録装
置としてディジタルＶＴＲであるＤ２フォーマットＶＴ
Ｒを用い、記録・再生する場合を例にとって説明する。
図６に記録装置としてディジタルＶＴＲであるＤ２フォ
ーマットＶＴＲを用いた場合の信号処理回路の一構成例
を示す。図６において、１０１、１０２、１０３はそれ
ぞれハイビジョン信号の輝度信号Ｙ、色差信号Ｐ_B、Ｐ_R
の入力端子、１０４、１０５、１０６はそれぞれハイビ
ジョン信号の輝度信号Ｙ、色差信号Ｐ_B、Ｐ_Rの出力端
子、１３０、１３１、１３２は入力アナログ信号を所定
クロックでディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１
１１は図１に示す実施例と同様な画像圧縮を行う画像圧
縮回路、１４０は並べ替え器、２００はＤ２フォーマッ
トＶＴＲ、１５０は並べ替え器１４０で行った並び替え
をもとに戻す逆並べ替え器、１２１は図１に示す実施例
と同様に、画像圧縮回路１１１で圧縮されたデータをも
とに戻す画像復号回路、１６０、１６１、１６２はディ
ジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器であ
る。

【００２２】入力端子１０１、１０２、１０３から入力
されたハイビジョン信号の輝度信号Ｙ、色差信号Ｐ_B、
Ｐ_Rは、それぞれＡ／Ｄ変換器１３０、１３１、１３２
で所定のサンプリングクロックによりディジタル信号に
変換される。ディジタル信号に変換されたハイビジョン
信号は、画像圧縮回路１１１に供給され、現行ＴＶ信号
とほぼ同等の情報量に画像圧縮される。画像圧縮回路１
１１の構成及び動作は図１に示す画像圧縮回路１１０と
同様である。画像圧縮回路１１１で圧縮符号化されたハ
イビジョン信号の輝度信号Ｙ、色差信号Ｐ_B、Ｐ_Rの３信
号は、並び替え器１４０に入力され、時分割多重して一
連の信号の形にすると共に、所定の並び替え処理が行わ
れる。並び替え処理については後述する。並べ替え器１
４０で所定の並び替え処理を施した信号は、Ｄ２フォー
マットＶＴＲ２００に入力され、Ｄ２フォーマットに従
ってテープ上に記録される。

【００２３】ここでＤ２フォーマットについて図７を用
いて説明する。テープ上に記録する際には、再生時にお
ける最小同期単位として一定のデータ量単位のシンクブ
ロックに区切って記録する。図７（１）はテープ上の記
録ヘッドの走査で記録されるトラックの構成、図７
（２）は映像部分のトラックを構成するシンクブロック
の構成を示した図である。図７（２）において、１は同
期パターン（ＳＹＮＣ）、２は記録されたデータの画面
上での位置を示すためのアドレス情報等からなる識別情
報（ＩＤ）、３は画像データである。以上のように構成
されたシンクブロックのテープ上の配置は図７（１）に
示す通りであり、記録ヘッドによりトラック上にシンク
ブロックが記録される。なお、実際のシンクブロックに
は誤り訂正符号なども含まれるが、図７では省略する。
記録時において、圧縮符号化後のデータ列を、上記再生
の最小同期単位であるシンクブロックに挿入して記録す
る。

【００２４】一般に、ディジタルＶＴＲでは、記録する
際に付加する誤り訂正符号を生成する過程で、シャフリ
ングと呼ばれる、データ及び符号の順序を入れ替える処
理を行う。このシャフリングは、データ誤りの影響を分
散させ、訂正能力を向上させたり、訂正されなかった誤
りによる画質劣化を軽減するのに有効である。本実施例
におけるＤ２フォーマットＶＴＲでも同様の処理を行っ
ている。

【００２５】ここで、上記並び替え器１４０について説
明する。前記したように、ディジタルＶＴＲでは記録時
にシャフリング処理行い、データ及び符号の順序を入れ
替えている。このため、圧縮符号化したデータをディジ
タルＶＴＲに入力する際には、注意する必要がある。す
なわち、テープ上に記録したい順序に圧縮符号化したデ
ータをディジタルＶＴＲに入力しても、上記ディジタル
ＶＴＲ内のシャフリング処理によってさらにデータの並
び替えが行われてから実際に記録されるため、記録した
い順序にはならないからである。そこで、並べ替え器１
４０で上記ディジタルＶＴＲ内のシャフリング処理に応
じた並び替え処理をを行ってから、ディジタルＶＴＲに
入力する。これにより、並び替え器１４０で処理された
圧縮符号データは、上記ディジタルＶＴＲ内のシャフリ
ング処理を経て、記録したい順序でテープ上に記録する
ことができる。

【００２６】次に、再生信号処理について説明する。通
常再生時には、図７（１）に示したテープ上のトラック
を再生ヘッドが記録時に記録ヘッドが走査したのと同じ
奇跡を走査するため、シンクブロックはそのまま読みだ
され再生される。再生された信号は、Ｄ２フォーマット
ＶＴＲ２００から逆並び替え器１５０に入力され、記録
時に並び替え器１４０で行った並び替えを元に戻し、圧
縮符号化された輝度信号Ｙ、色差信号Ｐ_B、Ｐ_Rの形で出
力する。そして画像復号回路１２１によって、図１の実
施例に示した画像復号回路１２０と同様の伸長処理を施
し元のハイビジョン信号に復元し、Ｄ／Ａ変換器１６
０、１６１、１６２で所定のクロックによりディジタル
信号をアナログ信号に変換して、出力端子１０４、１０
５、１０６から出力する。

【００２７】ここで、フィールド毎の圧縮データを、記
録可能な一定値内に抑えてディジタルＶＴＲ（例とし
て、上記Ｄ２フォーマットＶＴＲ）に記録する方式の一
例を示す。図７（１）に示したように、１フィールド分
のデータは、６つのトラックに分割して記録される。さ
らに１つのトラックでは、データを２０４個の前記シン
クブロックに区切って記録する。図８は記録時に、フィ
ールド毎のデータ量を一定値内に抑えて、最小復号化単
位のデータ列を、シンクブロックに挿入する方法の一例
を示した図である。上記最小復号化単位は、本実施例に
おいては、ＤＣ成分の差分符号化されたデータ列と、Ａ
Ｃ成分のランレングス符号化されたデータ列を合わせた
データ列である。最小復号化単位をシンクブロックに挿
入して記録する。

【００２８】図８(１）に示すように、１シンクブロッ
ク内のＳＹＮＣ、ＩＤの記録領域以外の画像データの記
録領域に、その許容データ量になるまで、最小復号化単
位を次々に挿入する。このとき、各シンクブロックに最
初に挿入する最小復号化単位の先頭に、ヘッダとして一
定ビット数を割り当て、その最小復号化単位の画像位置
を示す情報を付加する。１つの最小復号化単位が、複数
のシンクブロックにまたがってしまう場合も生じるが、
シンクブロック内に空き領域を作らず順々に、可能な限
り詰め込んでいく。最小復号化単位が、複数のシンクブ
ロックにまたがる場合には、複数のシンクブロックにま
たがる最小復号化単位の直後に挿入される最小復号化単
位にヘッダを付加する。図８（２）に示す実施例では、
シンクブロックＢに示すように、最小復号化単位Ｂ３の
先頭に、ヘッダＨ２を付加する。

【００２９】上記と同様な処理を、１フィールド内の６
トラックのそれぞれにつき、２０４個のシンクブロック
に対して行う。上記のようにして、記録領域を最大限に
利用した記録が可能になる。

【００３０】通常再生の場合、図９（１）に示すように
記録ヘッドの軌跡と再生ヘッドの軌跡が一致するため全
てのデータを読みだして画像を復元することができる。
高速再生の場合には、図９（２）に示すように再生ヘッ
ドが複数のトラックを横切って走査するため読み出せる
部分（図９（２）中、斜線部分が読み出せる部分）と読
みだせない部分が発生する。読みだされたシンクブロッ
クでは、付加したヘッダによりデータの画面上の位置を
示すアドレス情報などを得ることができ、シンクブロッ
ク内のデータを復元することができる。最小復号化単位
が複数のシンクブロックにまたがる場合で、図８（２）
中のシンクブロックＡが読みだされず、シンクブロック
Ｂだけが読みだされた場合でも、ヘッダＨ２により画像
位置がわかり、シンクブロック内のデータを復元するこ
とができる。ところで上記の場合、シンクブロックＢ中
の最小復号化単位Ｂ２のデータは無効になってしまうの
で、Ｂ３のＤＣ成分の差分符号化データ列を得ることは
できない。そこで上記の場合には、Ｂ３を最初の最小復
号化単位として、Ｂ３のＤＣ成分をそのまま符号化す
る。

【００３１】上記処理により、記録領域を最大限に利用
した記録が可能となり、高速再生時においても、データ
の位置を判別することができ、良好な復元画像を得るこ
とができる。上記処理において、全ての最小復号化単位
にヘッダを付加しても、上記と同様な効果を得ることが
できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、画像データを圧縮する
際に、まず、空間フィルタを用いて視覚的に劣化が目立
たない斜め高域周波数成分を抑圧した後、フィールド内
のラインオフセット方式によるサブサンプリングを行っ
て、水平、垂直方向の解像度劣化をおさえてデータ量を
半減させることができる。また、サンプリングがフィー
ルド内で行われるため、その後の処理もフィールド単位
で完結するので、動画と静止画の区別をして処理を行う
必要が無く、動き検出手段が不要である。

【００３３】その後、直交変換、量子化、可変長符号化
を行うことで、画質劣化を抑え且つ高能率なデータ圧縮
を行うことができる。さらに、ＶＴＲにデータを記録す
る際に、フィールド毎の圧縮データ量を一定値内に抑
え、最小復号化単位にヘッダを付加することで、記録領
域を最大限に利用できると共に、サーチなどの高速再生
をも可能する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の空間フィルタの周波数特性を示す図で
ある。

【図３】本発明の標本化回路のサンプリング方式を示す
図である。

【図４】本発明の量子化回路で用いる量子化マトリクス
の一例を示す図である。

【図５】本発明の可変長符号化回路におけるスキャン方
式の一例を示す図である。

【図６】記録装置としてＤ２フォーマットＶＴＲを用い
た場合の本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図７】Ｄ２フォーマットＶＴＲの記録フォーマットを
説明する図である。

【図８】最小復号化単位をシンクブロックに挿入する方
法の一例を示した図である。

【図９】通常再生時と高速再生時のヘッド軌跡を説明す
る図である。

【符号の説明】

１０…空間フィルタ ２０…標本化回路 ３０…直交変換回路 ４０…量子化回路 ５０…可変長符号化回路 ６０…復号化回路 ７０…逆量子化回路 ８０…逆直交変換回路 ９０…補間フィルタ １００…記録装置 １１０…画像圧縮回路 １２０…画像復号回路

フロントページの続き (72)発明者 吉澤 和彦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者 中 一隆 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者 江藤 良純 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 近藤 和弘 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】映像信号の複数の画素データをひとかたま
   りとして、シンクブロック単位に記録するディジタルＶ
   ＴＲに、上記映像信号よりも広帯域の映像信号を圧縮し
   て記録するためのデータ圧縮装置において、 上記入力された広帯域の映像信号の画像データの空間周
   波数帯域を制限するフィルタ回路と、 上記フィルタ回路により、帯域制限された映像信号のフ
   ィールド画像データをライン間でオフセットするように
   サンプリングする標本化回路と、 上記オフセット上にサンプリングされた画像データのｎ
   ×ｎ（ｎは２以上の整数）画素から成るブロックに対し
   直交変換をする直交変換回路と、 上記直交変換回路により変換された画像データを量子化
   する量子化回路と、 上記量子化された画像データを、フィールド毎ないしは
   複数フィールド毎のデータ量を一定値内に抑えて可変長
   符号化する可変長符号化回路と、 上記可変長符号化された画像データの位置情報が、上記
   シンクブロックに少なくとも１つ入るようにヘッダ情報
   を付加する手段と、 を有することを特徴とするデータ圧縮装置。