JPH08289294A

JPH08289294A - 適応量子化による動画像圧縮システム

Info

Publication number: JPH08289294A
Application number: JP8074140A
Authority: JP
Inventors: Elliot Neil Linzer; エリオット・ニール・リンザー; Heidi Aarlien Peterson; ハイディ・アーリエン・ピーターソン
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1996-11-01
Also published as: DE69624399D1; EP0736843A2; EP0736843B1; US5729294A; DE69624399T2; KR100238622B1; EP0736843A3; KR960040006A

Abstract

(57)【要約】【課題】改良された適応量子化サブシステムを用いて
ビデオ・データを符号化する方法および装置を提供する
こと。【解決手段】ピクチャを複数の領域に分割し、さらに
各領域を複数の小領域に分割する。次に、各小領域内の
ピクセルの線形結合を算出する。線形結合の処理によっ
て確立された、その小領域の粗さ許容度に基づいて、各
小領域の小領域適応量子化パラメータを決定する。小領
域適応量子化パラメータの関数として各領域の領域量子
化パラメータを決定し、次にその領域量子化パラメータ
に基づいて各領域の量子化レベルを決定する。各領域の
領域量子化レベルが決定したら、それを変形符号化す
る。各領域の変形符号化表現を連結して、ピクチャ全体
の符号化表現を得た後、それを復号して表示または記憶
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、データ圧縮の分野
に関し、具体的には、ディジタル動画像信号を圧縮する
システムおよび技法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】ディジタル伝送網、ディジタル記憶媒
体、超大規模集積デバイスと、ビデオ信号および音声信
号のディジタル処理の技術的進歩は、多様な応用分野に
おけるディジタル・ビデオの伝送と記憶を経済的にする
方向に収斂しつつある。ディジタル・ビデオ信号の記憶
と伝送は、多くの応用分野の中核であり、ビデオ信号の
非圧縮表現は大量の記憶域を必要とするために、この進
歩し続ける技術分野にとってディジタル・ビデオ圧縮技
法の使用はきわめて重要である。この関連では、過去１
０年間にディジタル・ビデオ信号の圧縮に関するいくつ
かの国際標準が生まれており、さらに多くの標準が現在
作成中である。これらの標準は、テレビ電話やテレビ会
議、高品位ディジタル・テレビジョンの同軸ケーブル網
および光ファイバ網による伝送や地上波放送および直接
衛星放送、ＣＤ−ＲＯＭ、ディジタル・オーディオ・テ
ープ、およびウィンチェスタ・ディスク・ドライブに記
憶された対話型マルチメディア製品など、多様な用途に
おける圧縮ディジタル・ビデオの伝送と記憶のためのア
ルゴリズムに適用される。

【０００３】これらの標準のいくつかには、たとえばＣ
ＣＩＴＴ（国際電信電話諮問委員会）のＨ．１２０勧
告、ＣＣＩＴＴのＨ．２６１勧告、ＩＳＯ／ＩＥＣのＭ
ＰＥＧ−１、ＭＰＥＧ−２標準などの圧縮技法の共通の
中核に基づくアルゴリズムが含まれている。ＭＰＥＧ−
２標準は、国際標準化機構（ＩＳＯ）と国際電気標準会
議（ＩＥＣ）との共同技術委員会に属するムービング・
ピクチャ・エキスパート・グループ（ＭＰＥＧ）によっ
て作成された。ＭＰＥＧ委員会は、ビデオ信号とそれに
付随する音声信号の多重化圧縮表現に関する標準を開発
してきた。それらの標準では、圧縮ビット・ストリーム
の構文と、復号の方法を規定しているが、エンコーダの
設計についてはかなりの自由度が残されている。

【０００４】エンコーダが行うタスクの１つは、各画像
の様々な部分をどの程度良好に表現するか（すなわちデ
コーダによる再構成後の各部の品質）を決定することで
ある。これには通常、いくつかの符号化上の考慮点の間
で折り合いをつける必要がある。たとえば、ＭＰＥＧ−
２エンコーダでは、エンコーダが品質とビット・レート
生成との間で折り合いをつけるために使用する主要な手
段は、各マクロブロックの量子化パラメータ（ＱＰ）の
設定である。これは、シーケンス・レベルとマクロブロ
ック・レベルの両方に当てはまる。シーケンス内のＱＰ
の値をすべて上昇または低下させると、シーケンスの品
質とビット・レートがそれぞれ、向上または低下する。
１つのＭＢのＱＰを上昇または低下させると、そのマク
ロブロックに使用される品質とビット数は、それぞれ向
上または低下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ピクチャには他の領域
に比べて量子化雑音の「影響を受けやすい」領域があ
る。つまり、大きな値のＱＰを使用することによって引
き起こされるひずみが、画像の一部の領域では他の領域
よりも顕著になる。したがって、エンコーダは、量子化
ひずみによって重大な知覚上の劣化が生じないピクチャ
の領域では大きなＱＰ値を使用し、量子化雑音の影響を
受けやすいピクチャの領域ではより小さいＱＰ値を使用
しようとする。この処理は、適応量子化と呼ばれ、ＭＰ
ＥＧ標準の対象にはなっていない。その結果、２つのエ
ンコーダが適応量子化のためにまったく異なる技法を使
用することができ、それにもかかわらずそれぞれが有効
なビット・ストリームを生成することができる。しか
し、エンコーダによって生成されたビット・ストリーム
から復号されたピクチャの全体的品質は、適応量子化機
構に左右されることになる。さらに、異なる適応量子化
ごとに実現コストがまちまちになる可能性がある。

【０００６】適応量子化を使用するビデオ・エンコーダ
は、ゴンザレス等の「Apparatus and Method for Motio
n Video encoding employing an Adaptive quantiser」
という名称の米国特許第５３０１２４２号に記述されて
いる。

【０００７】適応量子化を使用したビデオ・エンコーダ
の他の例は、１９９３年４月発行のＩＳＯ−ＩＥＣ／Ｊ
ＴＣ１／ＳＣ２９／ＷＧ１１／ＮＯ−４００「Test Mod
el 5」に記述されている。この適応量子化技法は、各マ
クロブロックのサブブロックの差異の算出に基づいてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて、本発明は
新規な適応量子化サブシステムを使用してビデオ・デー
タを符号化するシステムおよび方法を含む。好ましい実
施例では、各マクロブロックをサブブロックに分割し、
それぞれをブロック・パラメータ生成回路に送る。ブロ
ック・パラメータ生成回路は各サブブロックのブロック
適応量子化パラメータを算出し、それらのパラメータか
ら、パラメータ合体機構がマクロブロック適応量子化パ
ラメータを算出する。具体的には、ブロック・パラメー
タ生成回路が入力サブブロック内のピクセルの線形結合
を算出し、次にその線形結合からブロック適応量子化パ
ラメータを決定する。エンコーダはマクロブロック適応
量子化パラメータを使用して、マクロブロックの量子化
レベルを決定する。

【０００９】

【発明の実施の形態】

ａ．ＭＰＥＧ環境本発明はＭＰＥＧ−２エンコーダと組み合わせて適用す
ることができるため、本発明を理解しやすくするため
に、ＭＰＥＧ−２ビデオ圧縮標準のいくつかの関係点に
ついて検討する。しかし、本発明は、ＭＰＥＧ−２標準
の特徴のいくつかを共有する他のビデオ・コーディング
・アルゴリズムにも適用可能であることに留意された
い。

【００１０】まず始めに、テキストのページ、画像、音
声のセグメント、またはビデオ・シーケンスなど、どの
ようなデータ・オブジェクトの圧縮も、一連のステップ
で実行されることを理解されたい。この一連のステップ
には、１）当該オブジェクトをトークンの集合に分解す
るステップと、２）それらのトークンを、ある意味で最
小の長さを有する２進ストリングによって表現するステ
ップと、３）ストリングを明確に定義された順序で連結
するステップが含まれる。ステップ２および３には損失
がない。すなわち、逆の操作によって元のデータを忠実
に回復することができる。ステップ２はエントロピー符
号化と呼ばれる。

【００１１】ステップ１は一般に、損失がない場合とあ
る場合がある。ほとんどのビデオ圧縮アルゴリズムは、
ビット・レート要件が厳しいために損失がある。有効な
有損失圧縮アルゴリズムは冗長情報や無関係な情報をな
くして、視覚的に重大でないと思われる場合には比較的
大きな誤差を許容し、人間の目がきわめて敏感になるシ
ーケンスの局面は綿密に表現する。ＭＰＥＧ−２標準で
ステップ１のために採用している技法については、予測
／補間動き補償ハイブリッドＤＣＴ／ＤＰＣＭ符号化と
して説明することができる。ステップ２では、可変長符
号化とも呼ばれるハフマン符号化が使用される。前述の
ように、ＭＰＥＧ−２標準は実際にはデコーダと圧縮ビ
ット・ストリーム構文の仕様であるが、ＭＰＥＧ−２仕
様に関する以下の説明では、わかりやすくするために主
としてエンコーダの視点から説明する。

【００１２】ＭＰＥＧビデオ標準では、伝送のためのビ
デオの符号化表現が規定されている。これらの標準は、
インタレースまたは非インタレース・コンポーネント・
ビデオに適用されるように作成されている。各ピクチャ
は、輝度（Ｙ）、赤色差（Ｃ_r）、青色差（Ｃ_b）の３つ
の成分を有する。Ｃ_r成分とＣ_b成分のサンプル数はそれ
ぞれ、水平方向と垂直方向の両方でＹ成分の半分であ
る。

【００１３】ＭＰＥＧデータ・ストリームは、システム
情報とおそらくは他のビット・ストリームとともにシス
テム・データ・ストリームにパックされた、ビデオ・ス
トリームと音声ストリームから成り、層を成していると
みなすことができる。ＭＰＥＧデータ・ストリームのビ
デオ層内では、圧縮データがさらに層を成している。こ
の層の構成の説明は、本発明の理解の助けとなるであろ
う。

【００１４】これらの層は、圧縮方式の動作と、圧縮ビ
ット・ストリームの構成に関係する。最上位層はビデオ
・シーケンス層で、シーケンス全体の制御情報とパラメ
ータが含まれている。次の層では、シーケンスが、ピク
チャ・グループ（ＧＯＰ）と呼ばれる数組の連続ピクチ
ャに細分されている。この層の概略図を図１に示す。復
号は、先行ＧＯＰとは本質的に無関係に、ＧＯＰのどこ
からでも開始することができる。ＧＯＰ内に含めること
ができるピクチャの数には制限がなく、すべてのＧＯＰ
に同じ数のピクチャが入っている必要もない。

【００１５】３番目の層、すなわち「ピクチャ」層は、
単一のピクチャである。ピクチャの「マクロブロック」
細分化の図を、図２に示す。各ピクチャの輝度成分は１
６×１６の領域に細分される。色差成分は１６×１６の
輝度領域と空間的に同じ場所に配置された適切な大きさ
のブロックに細分されている。４：４：４ビデオの場
合、色差成分は１６×１６であり、４：２：２ビデオの
場合は色差成分は８×１６、４：２：０ビデオの場合は
色差成分は８×８である。これらの同じ場所に配置され
た輝度領域と色差領域をすべて合わせると、「マクロブ
ロック」（ＭＢ）と呼ばれる５番目の層が構成される。
ピクチャ内のマクロブロックには、ラスタ走査順に連続
した番号が付けられている。

【００１６】ピクチャ層とＭＢ層の間には、４番目の層
である「スライス」層がある。各スライスは、いくつか
の連続したＭＢから成る。スライスの大きさは同一ピク
チャ内でも異なるピクチャ間でも一様である必要はな
い。ピクチャのスライス細分化の例を図３に示す。

【００１７】最後に、各ＭＢは４個の８×８輝度ブロッ
クと（４：４：４、４：２：２、および４：２：０ビデ
オの）８個、４個、または２個のクロミナンス・ブロッ
クから成る。各輝度ピクチャの幅（画素数すなわちピク
セル数）をＣで示し、高さをＲで示した場合（Ｃは列、
Ｒは行を表す）、１つのピクチャの幅はＣ／１６ＭＢで
高さはＲ／１６ＭＢとなる。

【００１８】シーケンス層、ＧＯＰ層、ピクチャ層、お
よびスライス層はそれに関連するヘッダを持っている。
ヘッダはバイト位置合わせされた「開始コード」で始ま
り、対応する層に含まれているデータに関係する情報が
入っている。

【００１９】ピクチャはフィールド構造またはフレーム
構造とすることができる。フレーム構造ピクチャには、
フレーム全体、すなわち２つのフィールドを再構成する
ための情報が入っている。フィールド構造ピクチャに
は、１つのフィールドを再構成するための情報が入って
いる。各輝度フレームの幅（画素数すなわちピクセル
数）をＣで示し、高さをＲで示した場合（Ｃは列、Ｒは
行を表す）、フレーム構造ピクチャにはＣ×Ｒピクセル
の情報が含まれ、フィールド構造ピクチャにはＣ×Ｒ／
２ピクセルの情報が含まれる。

【００２０】フィールド構造ピクチャ内のマクロブロッ
クには、１つのフィールドの１６×１６ピクセルのセグ
メントが含まれる。フレーム構造の非インタレース・ピ
クチャ内のマクロブロックには、非インタレース・フレ
ームの１６×１６ピクセルのセグメントが含まれる。フ
レーム構造のインタレース・ピクチャ内のマクロブロッ
クには、２つのフィールドによって構成されるフレーム
の１６×１６ピクセルのセグメントが含まれ、各マクロ
ブロックには、２つのフィールドのそれぞれの１６×８
の領域が含まれる。フレーム構造インタレース・ピクチ
ャ内のマクロブロックの図を図４に示す。図４の各
「Ｘ」または「Ｏ」は１つのピクセルを表す。Ｏは上部
フィールドのピクセルを表し、Ｘは下部フィールドのピ
クセルを表す。

【００２１】ＭＰＥＧ−２シーケンスにおける各フレー
ムは、２つの符号化フィールド・ピクチャまたは１つの
符号化フレーム・ピクチャで構成されていなければなら
ない。たとえば、２つのフレームを、１つのフィールド
構造ピクチャの後に１つのフレーム構造ピクチャが続
き、その後に１つのフィールド構造ピクチャが続いた構
成として符号化することは不当である。正当な組合せ
は、２つのフレーム構造ピクチャ、４つのフィールド構
造ピクチャ、２つのフィールド構造ピクチャの後に１つ
のフレーム構造ピクチャ、または１つのフレーム構造ピ
クチャの後に２つのフィールド構造ピクチャのいずれか
の組合せである。したがって、ＭＰＥＧ−２構文にはフ
レーム・ヘッダはないが、概念的にはＭＰＥＧ−２のフ
レーム層を考えることができる。

【００２２】ＧＯＰ内には、３つの「タイプ」のピクチ
ャを含むことができる。ピクチャのタイプを区別する特
徴は、使用されている圧縮方法である。第１のタイプの
モード内ピクチャすなわちＩピクチャは、他のピクチャ
とは独立して圧縮されている。Ｉピクチャ間の距離には
一定した上限はないが、ランダム・アクセスおよびその
他の特別な動作モードを容易にするために、シーケンス
全体にわたって点在すると予想される。予測動き補償ピ
クチャ（Ｐピクチャ）は、そのピクチャ内と、前に表示
されたＩピクチャまたはＰピクチャからの最も最近に再
構成された２つのフィールド内の圧縮データから再構成
される。双方向動き補償ピクチャ（Ｂピクチャ）は、そ
のピクチャ内と、前に表示されたＩピクチャまたはＰピ
クチャからの２つの再構成フィールド内および将来表示
されるＩピクチャまたはＰピクチャからの２つの再構成
フィールド内の圧縮データから再構成される。再構成さ
れたＩピクチャまたはＰピクチャを使用して他のピクチ
ャを再構成することができるため、これらのピクチャは
アンカー・ピクチャと呼ばれる。本明細書では、次のア
ンカー・ピクチャがＩピクチャである場合にアンカー・
ピクチャをターミナル・ピクチャと呼ぶ。

【００２３】１つのきわめて有用な画像圧縮技法は、変
換符号化である。ＭＰＥＧおよびその他のいくつかの圧
縮標準では、離散コサイン変換（ＤＣＴ）を変換方式と
して選択している。Ｉピクチャの圧縮は、１）ピクセル
のブロックのＤＣＴを行うステップと、２）ＤＣＴ係数
を量子化するステップと、３）その結果をハフマン符号
化するステップとによって行われる。ＭＰＥＧでは、Ｄ
ＣＴ操作によって、８×８ピクセルの１ブロックを１組
の８×８の変換係数に変換する。ＤＣＴ変換自体は無損
失の操作であり、実行に使用している計算装置とアルゴ
リズムの精度内に変換することができる。

【００２４】２番目のステップであるＤＣＴ係数の量子
化は、ＭＰＥＧ標準における有損失性のおもな発生源で
ある。ＤＣＴ係数の２次元配列の要素をＣ_mnで示し、ｍ
およびｎが０ないし７の値をとることができるとする
と、切り捨て修正や丸め修正は別にして、各ＤＣＴ係数
Ｃ_mnをＷ_mn×ＱＰで割ることで量子化を行うことができ
る。このＷ_mnは重み係数であり、ＱＰはマクロブロック
量子化係数である。重み係数Ｗ_mnによって、視覚的によ
り重要でない係数にはより粗い量子化を適用することが
できる。

【００２５】以下の量子化では、各ＭＢのＤＣＴ係数情
報が１組のハフマン・コードを使用して構成され、符号
化される。このステップの詳細は本発明の理解にとって
は重要ではなく、当技術分野で一般に理解されているた
め、本明細書では詳細を述べない。

【００２６】ほとんどのビデオ・シーケンスは連続した
ピクチャ間で強い相互関係を示している。ピクチャを符
号化する前にこの冗長性を取り除く有用な方法が「動き
補償」である。

【００２７】以下に、動き補償について説明する。マク
ロブロックごとに１つまたは複数の動きベクトルをビッ
ト・ストリームに符号化する。これらの動きベクトルに
よって、デコーダはアンカー・ピクチャ内のデータから
予測マクロブロックと呼ぶマクロブロックを再構成する
ことができる。エンコーダは、符号化するマクロブロッ
クから予測マクロブロックを差し引いて、差分マクロブ
ロックを形成する。エンコーダは、内部マクロブロック
を圧縮するために使用する手段と本質的に同様の手段を
使用して、差分マクロブロックを圧縮する。

【００２８】Ｐピクチャでは、動き補償を使用して、現
行ピクチャよりも先の時点に出現するアンカー・ピクチ
ャから予測マクロブロックを構成する。Ｂピクチャで
は、動き補償を使用して、現行ピクチャよりも先の時点
と後の時点に出現するアンカー・ピクチャから予測マク
ロブロックを構成する。

【００２９】ＭＰＥＧ−２圧縮方法は、固定ビット・レ
ート伝送媒体または記憶媒体でも可変ビット・レート伝
送媒体または記憶媒体でも使用することができる。可変
ビット・レート伝送の場合、エンコーダは各マクロブロ
ック（または各ピクチャ）で使用するビット数を決定す
る自由度が比較的高いが、完全に自由というわけではな
い。伝送媒体または記憶媒体のピーク・ビット・レート
とデコーダ・バッファのサイズとによって制約を受け
る。

【００３０】ＭＰＥＧ−２を固定ビット・レート伝送ま
たは記憶媒体と可変ビット・レート伝送または記憶媒体
のどちらで使用する場合も、エンコーダはすべてのマク
ロブロックまたはすべてのピクチャで同じビット数を使
用する必要はない。エンコーダは、この自由を、デコー
ダへの入力の前に配置されたバッファを使用することで
得る。記憶または伝送媒体がデコーダのバッファをいっ
ぱいにしても、デコーダはそのバッファを本質的に任意
の高速で空にすることができる。

【００３１】エンコーダは各マクロブロックまたは各ピ
クチャについて同じビット数を使用する必要はないが、
生成することができるビット数には制約がある。ＭＰＥ
Ｇ−２標準ではこれらの制約の詳細が規定されている。
たとえば、固定ビット・レートの場合、エンコーダの長
期間の平均ビット・レートはチャネルのビット・レート
からわずかしか変動できない。さもないと、デコーダ・
バッファがオーバーフローまたはアンダーフローするこ
とになる。

【００３２】前述のように、ＭＰＥＧ−２においてエン
コーダが品質とビット・レート生成の間で折り合いをつ
けるための主要な手段は、各マクロブロックにＱＰを設
定することである。これは、シーケンス・レベルでもマ
クロブロック・レベルでも当てはまる。シーケンス内の
すべてのＱＰ値を上昇または低下させると、そのシーケ
ンスの品質とビット・レートがそれぞれ、向上または低
下する。１つのＭＢについてＱＰを上昇または低下させ
ると、そのマクロブロックに使用される品質とビット数
がそれぞれ向上または低下する。

【００３３】ピクチャの一部の領域は、他の領域に比べ
て量子化雑音の「影響を受けやすい」。すなわち、大き
い値のＱＰを使用することによって生ずるひずみが画像
の一部の領域で他の領域よりも顕著になる。したがっ
て、エンコーダは、大きなＱＰ値を使用しても重大な知
覚上の劣化が生じないピクチャの領域では大きなＱＰ値
を使用して、量子化ひずみの影響を受けやすいピクチャ
の領域ではより小さい値を使用しようとする。この処理
は適応量子化と呼ばれ、ＭＰＥＧ標準の対象にはなって
いない。その結果、２つのエンコーダが適応量子化のた
めにまったく異なる装置または方法を使用することがで
き、それにもかかわらずそれぞれが有効なビット・スト
リームを生成することができる。しかし、エンコーダに
よって生成されたビット・ストリームから復号されたピ
クチャの全体的品質は、適応量子化機構に左右されるこ
とになる。さらに、異なる適応量子化ごとに実現コスト
がまちまちになる可能性がある。

【００３４】ｂ．実施例まず、図１５を参照しながら本発明の原理による符号化
方法の概要を説明する。

【００３５】ステップ１５０２で、ディジタル化ピクチ
ャがエンコーダに入力される。ステップ１５０４で、エ
ンコーダはそのピクチャを複数の領域に分割し、次にス
テップ１５０６で各領域を複数の小領域に分割する。ス
テップ１５０８で、エンコーダは各小領域内のピクセル
の線形結合を算出する。ステップ１５１０で、エンコー
ダは、各小領域について線形結合の関数として小領域適
応量子化パラメータを決定する。この関数によって、各
小領域の粗さ許容度が確立される。

【００３６】ステップ１５１２で、エンコーダは適応量
子化の関数として各領域の領域量子化パラメータを決定
し、次にステップ１５１４で領域量子化パラメータに基
づいて各領域の量子化レベルを決定する。

【００３７】領域の領域量子化レベルが決定すると、そ
れがステップ１５１６で変換符号化される。静止画像の
場合、ピクセル・データ自体が変換符号化される。動画
像圧縮を使用して符号化された動画像の場合、動画像圧
縮差分信号が変換符号化される。

【００３８】ステップ１５１８で、各領域の変換符号化
表現が連結されてピクチャ全体の符号化表現が得られ
る。ピクチャ全体の符号化表現は、ステップ１５２０で
復号されてから、ステップ１５２２で表示または記憶さ
れる。

【００３９】エンコーダが行うタスクの１つは、各ＭＢ
のＱＰを設定することである。ＱＰを設定するための従
来の装置を図５に示す。適応量子化機構１０１が各マク
ロブロックについて信号Ｑ１を発生する。この信号によ
って、マクロブロックの量子化雑音に対する敏感度を記
述する。レート制御機構１０２が、目標ビット・レート
を実現する（または一定の最大ビット・レートを超えな
い）ために使用しなければならない全体的な量子化レベ
ルを記述する信号Ｑ２を発生する。最終量子化スケール
決定機構１０３が、この２つの数値を結合して、各マク
ロブロックで使用するＱＰの値を生成する。

【００４０】図６に図示する最終量子化スケール決定機
構は、２つの入力信号Ｑ１およびＱ２を有する。この２
つの信号は乗算器２０１に送られ、乗算器２０１はＱ１
とＱ２の積に等しい出力ｄを出力する。丸め機構２０２
が、ｄに最も近い、ＱＰの正当な値である出力ＱＰを出
力する。

【００４１】図７は本発明の応用に適した従来の適応量
子化サブシステムの概要を示す。この適応量子化サブシ
ステムには２つの入力信号と１つの出力信号がある。入
力信号は輝度マクロブロック・ペル値ｍとパラメータ・
セットｐである。出力信号は知覚量子化係数Ｑ１であ
る。輝度マクロブロック・ペル値はブロック形成機構３
０１に送られる。ブロック形成機構はＫブロックのピク
セルを形成する。これを信号ａ１、ａ２、．．．ａｋと
して示す。これらの各信号には輝度マクロブロック・ペ
ル値のサブセット（適正であるとは限らない）が含まれ
ている。ピクセル・ブロックａ１、ａ２、．．．ａｋは
１組のブロック・パラメータ生成回路３０２＿１、３０
２＿２、．．３０２＿ｋに送られる。各ＭＢについて、
１つのブロック・パラメータ生成回路が１ブロックのペ
ルを受け取って１つの数値を生成する。これらの数値は
図７に示す信号ｂ１、ｂ２、．．．ｂｋである。ブロッ
ク・パラメータ生成回路３０２＿１、３０２＿２、．．
３０２＿ｋが、それぞれｂ１、ｂ２、．．．ｂｋを生成
する。信号ｂ１、ｂ２、．．．ｂｋとパラメータ・セッ
トｐは、パラメータ合体機構３０３に送られる。パラメ
ータ合体機構は知覚量子化係数Ｑ１を生成する。

【００４２】ブロック形成機構の実施例の動作につい
て、図８を参照しながら説明する。この実施例では、ブ
ロック形成機構は８個のサブブロックを形成する。図８
には、ＭＢ内の輝度ピクセルの２つの表現が示されてい
る。各表現では、ピクセルが数字で表されている。
「１」というラベルの付いたピクセルはサブブロックａ
１に属し、「２」というラベルの付いたピクセルはサブ
ブロックａ２に属し、以下同様である。サブブロックは
重なり合っていることに留意されたい。

【００４３】この特定のブロック形成機構は、フレーム
構造インタレース・ピクチャ・マクロブロックに有用で
ある。フィールド構造ピクチャまたは非インタレース・
ピクチャの場合、サブブロックａ１、ａ２、ａ３、およ
びａ４のみを使用した方がよいことが多い。この実施例
では８×８ピクセルのサブブロック・サイズを使用して
いるが、他のブロック・サイズも可能である。

【００４４】図９に本発明の実施例による改良されたブ
ロック・パラメータ生成回路を示す。ピクセル・サブブ
ロックａが線形変換機構４０１（これについては以下で
図１０を参照しながら詳述する）に入力され、線形変換
機構は各入力サブブロックａのピクセル値の線形結合
（ｃ１、ｃ２、．．．ｃｍ）を生成する。線形結合ｃ
１、ｃ２、．．．ｃｍは係数累算機構４０２（これにつ
いては以下で図１１を参照しながら詳述する）に送ら
れ、係数累算機構はｃ１、ｃ２，．．．ｃｍからブロッ
ク適応量子化パラメータｂを算出する。

【００４５】図１０は線形変換機構４０１の詳細図であ
る。この機構は、メモリ５０１＿１、５０１＿
２、．．．５０１＿ｍを有する。各メモリには、入力ブ
ロックａ内の各ピクセルの１つの変換係数が格納されて
いる。線形変換機構にはｍ個の累算器５０２＿１、５０
２＿２．．５０２＿ｍがある。メモリと累算器の数ｍ
は、たとえばサブブロック内のピクセル数（この実施例
では６４個）と等しい数を選定することができる。各累
算器はサブブロックが読み込まれる前にゼロに初期設定
されている。

【００４６】サブブロックの第１の要素が読み込まれる
と、メモリ５０１＿１、５０１＿２、．．．がそれぞ
れ、乗算器５０３＿１、５０３＿２、．．．５０３＿ｍ
を使用して入力ブロック内の第１のピクセルによって乗
ずる、信号ｅ１、ｅ２、．．．ｅｍとして図示されてい
る第１の変換係数を送る。この乗算の結果は信号ｆ１、
ｆ２、．．．ｆｍである。これらの信号は、それぞれ加
算器５０４＿１、５０４＿２，．．．５０４＿ｍによっ
て、累算器５０２＿１、５０２＿２、．．．５０２＿ｍ
の内容に加算され、その結果がそれぞれの累算器に書き
戻される。サブブロックの第２の要素が読み込まれる
と、メモリ機構５０１＿１、５０１＿２、．．．はそれ
ぞれのメモリから、入力サブブロック内の第２のピクセ
ルで乗ずる第２の変換係数を送る。この各積がそれぞれ
累算器５０２＿１、５０２＿２，．．．５０２ｍの内容
に加算され、その結果がそれぞれの累算器に書き戻され
る。このプロセスはブロック全体が読み込まれるまで続
けられる。その後、累算器は出力信号ｃ１、ｃ
２、．．．ｃｍを保持する。

【００４７】係数累算機構を図１１に詳細に示す。入力
信号ｃ１、ｃ２、．．．ｃｍがそれぞれ絶対値機構６０
１＿１、６０１＿２、．．．６０２＿ｍに送られ、絶対
値機構は信号ｇ１、ｇ２、．．．ｇｍを生成し、ｇｉは
すべてのｉについてｃｉの絶対値に等しい。信号ｇ１、
ｇ２，．．．ｇｍは次に一連のスケーラ６０２＿１、６
０２＿２、．．．６０２＿ｍに送られる。これらのスケ
ーラはそれぞれｈ１、ｈ２、．．．ｈｍを算出する。ｈ
ｉはすべてのｉについてｇｉとＳｉの積に等しく、Ｓｉ
は定数スケーラである。信号ｈ１、ｈ２、．．．ｈｍは
加算器６０３で合計され、その結果が出力ｂである。

【００４８】本発明の実施例による改良されたパラメー
タ合体機構を、図１２に詳細に示す。このパラメータ合
体機構への入力信号はｂ１、ｂ２、．．．ｂｋおよびｐ
１、ｐ２、ｐ３、ｐ４である。このパラメータ合体機構
の実施例では、ｐ１、ｐ２、ｐ３、およびｐ４が図６の
パラメータ・セットｐを構成する。パラメータｐ１とｂ
１，ｂ２，．．．ｂｋは最小値回路７０１に送られる。
最小値回路はｐ１およびｂ１、ｂ２，．．．ｂｋの最小
値に等しい出力ｒ０を出力する。次に信号ｒ０に乗算器
７０２でパラメータｐ２を乗じ、その結果はｒ１＝ｐ２
×ｒ０となる。最大値回路７０３が、ｒ１とｐ３のいず
れか大きい方であるｒ２を算出する。加算器７０４はＱ
１＝ｒ２＋ｐ４を算出する。Ｑ１はマクロブロック適応
量子化パラメータである。

【００４９】本発明の他の実施例による代替パラメータ
合体機構を図１３に示す。このパラメータ合体機構への
入力信号は、ｂ１、ｂ２、．．．ｂｋと、ｐ５およびｐ
６である。この実施例のパラメータ合体機構では、ｐ５
およびｐ６が図６のパラメータ・セットｐを構成する。
信号ｂ１、ｂ２、．．．ｂｋは最小値回路８０１に送ら
れ、ｂ１、ｂ２、．．．ｂｋの最小値に等しい出力信号
ｔ１が生成される。この信号ｔ１は平方積機構８０２に
送られ、平方積機構は出力ｔ２＝ｔ１×ｔ１を生成す
る。乗算器８０３がｔ３をｔ３＝ｔ２×ｐ６として算出
する。加算器８０４がｔ４をｔ４＝ｔ３＋ｐ５として算
出する。乗算器８０５がｔ５をｔ５＝ｐ５×ｐ６として
算出する。（各ＭＢのｐ５とｐ６が同じ場合は、各ＭＢ
についてｔ５を計算し直す必要はないことに留意された
い。）加算器８０６がｔ６をｔ６＝ｔ５＋ｔ２として算
出する。除算回路８０７がＱ１をＱ１＝ｔ４／ｔ６とし
て算出する。

【００５０】上記の適応量子化サブシステムの動作は、
パラメータ・セットｐ、乗数Ｓ１、Ｓ２、．．．Ｓｍ、
および図１０のメモリ５０１＿１、５０１＿２、．．５
０１＿ｍの内容によって決まる。次に、メモリの内容を
どのように設定することができるかという例を２つ示
す。第１の例は、偏差（ＤＦＭ）方式であり、第２の例
はアダマール（ＨＡＤ）方式である。図７のブロック形
成機構３０１によって生成される１ブロックのピクセル
内の要素数をｎで示す。ＤＦＭ法とＨＡＤ法のいずれの
場合も、線形変換機構（図１０）の出力信号数ｍはｎと
等しい。

【００５１】ＤＦＭ法では、メモリ素子ｉ内のｊ番目の
変換係数はｉがｊと等しくない場合は−１／ｎに等し
く、ｊがｉと等しい場合には１−（１／ｎ）に等しい。

【００５２】ＨＡＤ法では、線形変換機構がピクセルの
入力ブロックに対してアダマール変換を計算する。アダ
マール変換は従来からの方法であり、たとえばＣ．ゴン
ザレスとＰ．ウィンツによる「Digital Imaga Processi
ng」１９８７年第２版の第３．５．２節で述べられてい
る。（前述のブロック形成機構の実施例の場合のよう
に）ｎ＝６４の場合、ＨＡＤ法の描画表現を図１４に示
す。図１４には、「＋」記号と「−」記号の２次元配列
がある。配列の各行は図１０のメモリを表し、各列はメ
モリ内の項目番号を表す。メモリ素子ｉ内のｊ番目の番
号は、図１０のマトリックスのｉ番目の行内のｊ番目の
記号が「＋」の場合は＋１であり、図１０のマトリック
スのｉ番目の行のｊ番目の記号が「−」の場合には−１
である。

【００５３】上記のシステムおよび方法は、コンピュー
タ・システムにおいてハードウェア論理回路でもプログ
ラム・コードでも実施可能であることを理解されたい。

【００５４】以上、本発明について好ましい実施例を用
いて説明したが、当業者なら様々な変更および改良を思
いつくであろう。したがって、好ましい実施例は例示的
なものであり、限定的なものではないことを理解された
い。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され
る。

【００５５】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。

【００５６】（１）ディジタル・ピクチャを符号化する
方法であって、ピクチャを複数の領域に分割するステッ
プと、各領域を複数の小領域に分割するステップと、各
小領域内のピクセルの線形結合を決定するステップと、
各小領域の粗さ許容度を確立する線形結合の関数とし
て、各小領域の小領域適応量子化パラメータを決定する
ステップと、小領域適応量子化パラメータの関数とし
て、各領域の領域量子化パラメータを決定するステップ
と、領域量子化パラメータに基づいて各領域の量子化レ
ベルを決定するステップと、量子化レベルを使用して各
領域の変換符号化を行うステップと、各領域の変換符号
化表現を連結して、ピクチャ全体の符号化表現を得るス
テップとを含む方法。（２）ピクチャ全体の符号化表現をデコーダに送るステ
ップと、ピクチャ全体を復号された形で表示装置上に表
示するステップとをさらに含む、上記（１）に記載の方
法。（３）線形結合が、各小領域内のピクセル値に対してア
ダマール変換を行うことによって算出されることを特徴
とする、上記（１）に記載の方法。（４）ピクチャを複数の領域に分割する手段と、各領域
を複数の小領域に分割する手段と、各小領域内のピクセ
ルの線形結合を算出する手段と、各小領域の粗さ許容度
を確立する線形結合の関数として、各小領域の小領域適
応量子化パラメータを決定する手段と、小領域適応量子
化パラメータの関数として、各領域の領域量子化パラメ
ータを決定する手段と、領域量子化パラメータに基づい
て各領域の量子化レベルを決定する手段と、量子化レベ
ルを使用して各領域の変換符号化を行う手段と、各領域
の変換符号化表現を連結してピクチャ全体の符号化表現
を得る手段とを備える、ディジタル・ピクチャを符号化
するエンコーダ。

【図面の簡単な説明】

【図１】１対のピクチャ・グループ（ＧＯＰ）の例を示
す図である。

【図２】（４：２：０形式の場合の）ピクチャのマクロ
ブロック（ＭＢ）細分化の例を示す図である。

【図３】ピクチャのスライス細分化の例を示す図であ
る。

【図４】フレーム構造インタレース・ピクチャにおける
マクロブロック形式を示す図である。

【図５】従来の量子化スケール生成サブシステムを示す
ブロック図である。

【図６】従来の最終量子化スケール決定機構を示すブロ
ック図である。

【図７】従来の適応量子化サブシステムを示す図であ
る。

【図８】マクロブロックの区分化を示す図である。

【図９】本発明の実施例によるブロック・パラメータ生
成器を示すブロック図である。

【図１０】図９の線形変換機構の詳細図である。

【図１１】図９の係数累算機構の詳細図である。

【図１２】本発明の実施例によるパラメータ合体機構を
示す図である。

【図１３】本発明の他の実施例による代替パラメータ合
体機構を示す図である。

【図１４】アダマール変換を描画表現した図である。

【図１５】本発明の原理によるコーディング方法の概要
を示す図である。

【符号の説明】

６０３加算器７０２乗算器７０４加算器８０２平方積機構８０７除算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハイディ・アーリエン・ピーターソンアメリカ合衆国10012 ニューヨーク州ニューヨークモット・ストリート 284 アパートメント５エイチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル・ピクチャを符号化する方法で
あって、ピクチャを複数の領域に分割するステップと、各領域を複数の小領域に分割するステップと、各小領域内のピクセルの線形結合を決定するステップ
と、各小領域の粗さ許容度を確立する線形結合の関数とし
て、各小領域の小領域適応量子化パラメータを決定する
ステップと、小領域適応量子化パラメータの関数として、各領域の領
域量子化パラメータを決定するステップと、領域量子化パラメータに基づいて各領域の量子化レベル
を決定するステップと、量子化レベルを使用して各領域の変換符号化を行うステ
ップと、各領域の変換符号化表現を連結して、ピクチャ全体の符
号化表現を得るステップとを含む方法。
【請求項２】ピクチャ全体の符号化表現をデコーダに送
るステップと、ピクチャ全体を復号された形で表示装置上に表示するス
テップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】線形結合が、各小領域内のピクセル値に対
してアダマール変換を行うことによって算出されること
を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】ピクチャを複数の領域に分割する手段と、各領域を複数の小領域に分割する手段と、各小領域内のピクセルの線形結合を算出する手段と、各小領域の粗さ許容度を確立する線形結合の関数とし
て、各小領域の小領域適応量子化パラメータを決定する
手段と、小領域適応量子化パラメータの関数として、各領域の領
域量子化パラメータを決定する手段と、領域量子化パラメータに基づいて各領域の量子化レベル
を決定する手段と、量子化レベルを使用して各領域の変換符号化を行う手段
と、各領域の変換符号化表現を連結してピクチャ全体の符号
化表現を得る手段とを備える、ディジタル・ピクチャを
符号化するエンコーダ。