JPH09247668A

JPH09247668A - 画像信号符号化方式

Info

Publication number: JPH09247668A
Application number: JP5116496A
Authority: JP
Inventors: Akira Okumura; 晃奥村; Junji Suzuki; 純司鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】歪みの生じる従来の符号化方式よりも大きな
圧縮率が得られ、歪みが小さく、局所的に大きな歪みが
生じることなく、シンプルなアルゴリズムで、高速処理
可能な画像信号符号化方式を提供する。【解決手段】送信側では、下位ビット削除器１３によ
り入力画像信号の下位ビットを削除し、予測器１６にて
下位ビットの削除された信号から予測信号を生成する。
加算器１４にて、下位ビットの削除された信号から予測
信号を引き、残った予測誤差信号をエントロピー符号器
１５により圧縮符号化し圧縮データを作成する。受信側
では、上記圧縮データをエントロピー復号器１９により
復号化して予測誤差信号を生成し、この信号と予測器２
０で生成した予測信号を加算器１８にて加えて下位ビッ
トが削除された信号を生成する。この信号の下位ビット
に下位ビット付加器１７にてランダムな信号を加え、元
の画像信号を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像符号化装置に
関し、特に画像を高効率でしかも低歪で圧縮符号化・復
号化する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像の圧縮符号化・復号化に関しては、
従来から高効率・低歪みを目指して様々な方式が検討さ
れている。このような画像圧縮符号化技術については、
大別して、（ａ）符号化・復号化によって歪みが生ずる
方式と、（ｂ）符号化・復号化によって歪みが生じない
方式、とがある。以下、各方式について述べる。

【０００３】（ａ）歪みが生ずる方式符号化・復号化によって歪みが生ずる方式としては、既
に静止画像用にＪＰＥＧ（ＪｏｉｎｔＰｈｏｔｏｇｒ
ａｐｈｉｃＥｘｐｅｒｔｓＧｒｏｕｐ−ＩＳＯ／Ｉ
ＥＣ１０９１８“Ｄｉｇｉｔａｌｃｏｍｐｒｅｓｓ
ｉｏｎａｎｄｃｏｄｉｎｇｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏ
ｕｓ−ｔｏｎｅｓｔｉｌｌｉｍａｇｅｓ”）、動画
像用にＭＰＥＧ（ＭｏｖｉｎｇＰｉｃｔｕｒｅＥｘ
ｐｅｒｔｓＧｒｏｕｐ−ＩＳＯ／ＩＥＣ１１１７２
“Ｃｏｄｉｎｇｏｆｍｏｖｉｎｇｐｉｃｔｕｒｅ
ｓａｎｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄａｕｄｉｏｆｏ
ｒｄｉｇｉｔａｌｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉａａ
ｔｕｐｔｏａｂｏｕｔ１．５Ｍｂｉｔ／
ｓ”，ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８“Ｇｅｎｅｒｉｃｃ
ｏｄｉｎｇｏｆｍｏｖｉｎｇｐｉｃｔｕｒｅｓ
ａｎｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄａｕｄｉｏ”）等が標
準化されている。これらの方式の基本的な構成を図５に
示す。

【０００４】現在標準化されているＪＰＥＧやＭＰＥＧ
では、図５に示すように離散コサイン変換器１によって
直交変換が行われ、この離散コサイン変換係数のレベル
数を量子化器２によって制限し、その後に無歪みのエン
トロピー符号器３によって圧縮される。エントロピー符
号化にはハフマン符号化や算術符号化が使用される。こ
のようにして最終的に得られた圧縮データのビット数
は、通常、画像入力信号のビット数よりも少ないので、
圧縮データの画像伝送や蓄積に使用すれば、伝送容量や
蓄積容量を低減することができる。これが、歪みが生ず
る方式の圧縮符号化の原理である。圧縮データを元の画
像信号に戻すためには、圧縮データをエントロピー復号
器６によって復号化した後に逆量子化器５によって離散
コサイン変換係数を復元し、さらに離散コサイン逆変換
器４により画像信号を復元する。

【０００５】また、図５は、モノクロ静止画像の符号化
・復号化の場合であるが、カラー画像の場合は通常、先
ず、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の色信号から一つの
輝度成分と二つの色差成分へと変換し、次に色差成分に
関しては間引き処理が行われる。このようにして得られ
た各成分に対し図５の符号化が実行される。また、動画
像の場合には、さらに動き補償が加わることになる。

【０００６】歪みが生ずる方式では、どの程度の大きさ
の歪みまでが許容されるかということが重要となる。通
常、歪みの大きさは、量子化器における信号の刻み幅
（ステップサイズと呼ぶ）の大きさを調整することによ
って調整することができる。すなわち、量子化器のステ
ップサイズを大きくすれば歪みは大きくなり、結果的に
圧縮データのビット数が減少する。符号化アルゴリズム
の性能を、以下で定義される圧縮率で評価する。

【０００７】（圧縮率）＝（入力画像のビット数）／
（圧縮データのビット数）この場合、比較的検知されない圧縮率としては、ＪＰＥ
Ｇで１０〜２０程度、ＭＰＥＧで５０程度である。

【０００８】この歪みが生ずる方式において、歪みを低
減する（すなわち圧縮率を低下させる）ためには、量子
化器のステップサイズを小さくしていければよいが、離
散コサイン変換・逆変換（乗加算演算）が現実的に有限
精度演算であるため、その切捨て／丸め誤差によって歪
みを０とさせることは不可能である。

【０００９】（ｂ）歪みが生じない方式符号化・復号化によって歪みが生じない方式としては、
やはり先に述べたＪＰＥＧにおいて“Ｌｏｓｓｌｅｓｓ
ｍｏｄｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ”として規定さ
れている。この方式の基本構成を図６に示す。

【００１０】最初に予測器７によって符号化対象となる
画素の周辺画素を用いて予測信号が作成され、加算器８
によって符号化対象の画素から予測信号が引き去られ、
残りの予測誤差を無歪みのエントロピー符号器９に入力
し最終的な圧縮データが得られる。また、この圧縮デー
タを復号化した元の画像信号を得るためには、エントロ
ピー復号器１２によって予測誤差信号を復元し、さらに
予測器１１によって作成された予測値を加算器１０によ
って加え合わせることにより、元の画像信号が得られ
る。

【００１１】この構成によれば、符号器内では差分信号
の算出が減算のみで、復号器内では画像信号の復元が加
算のみで行われ、乗算を必要としないため、符号化・復
号化による歪みは全く生じない。この歪みが生じない方
式においては、達成される圧縮率は画像の種類によって
異なるが概略１．５〜２．５である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上、従来の技術につ
いて述べたが、印刷や医療などの分野では極めて高品質
な画像が要求される。このために、画像の伝送や蓄積を
効率的に行うために、上記（ａ）の歪みが生ずる方式を
適用すると、離散コサイン変換特有のブロック状の歪み
の発生を避けることができない。さらに、発生する歪み
がガウス分布で広がりをもつため（望月孝志：“逆ＤＣ
Ｔ有限語長演算の演算誤差解析”，電子情報通信学会論
文誌Ａ、Ｖｏｌ．Ｊ７７−Ａ，Ｎｏ．３，ｐｐ，３５７
−３６８，１９９４年３月）、画像内の輪郭部分などの
隣接する画素間の画素値が急激に変化する領域に生じる
大きな歪みを避けることや歪みの大きさを制限すること
ができない。

【００１３】一方、（ｂ）の歪みが生じない方式を適用
すれば、符号化・復号化により生ずる歪みは無いので、
歪みが生ずる方式で述べたブロック歪みや局所領域の歪
みの問題は生じない。しかしながら、既に述べたように
歪みが生じない方式によって達成される圧縮率は低いた
め、圧縮符号化を適用した場合の伝送・蓄積のコスト低
下に寄与する効果は小さい。

【００１４】本発明の目的は、歪みの生じる方式に比べ
て、大きな圧縮率が得られ、歪みの大きさが小さく、局
所的に大きな歪みが生じない、シンプルなアルゴリズム
で実現可能であり、さらに、同一のアルゴリズムで歪み
が生じない符号化・復号化の方式と歪みが生ずる符号化
・復号化の方式が実現可能な、画像信号符号化方式を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第１の発明は、例えばＮビットの階調精度
を有する画像を符号化した符号化データを伝送もしくは
蓄積し、この符号化データを復号化して復号画像を生成
し、例えば当該復号画像を画像処理によりＫ≦ＮのＫビ
ットの階調精度を有する画像に変換してから画像表示し
たりする画像伝送・蓄積システムにおいて、送信側に、
入力信号のＬ≦ＫのＬビットの下位ビットを削除する下
位ビット削除器と、前記下位ビット削除後の信号を用い
て無歪み圧縮を行い圧縮データを生成する符号器とを備
え、受信側に、送信された圧縮データを復号する復号器
と、前記復号された信号のＬビットの下位ビットに任意
の信号を付加する下位ビット付加器とを備える、ことを
特徴とする画像信号符号化方式を手段とする。従来の技
術とは、符号器において入力信号の下位ビットを削除
し、復号器において下位ビットに任意の信号を付加する
点が異なる。

【００１６】この第１の発明による画像信号符号化方式
において、前記下位ビット付加器により付加される任意
の信号が、ランダムな信号である、とするのが、後処理
等がなされる場合に発生する疑似輪郭など視覚的に目立
つ歪みを抑える点で好適である。

【００１７】また、本発明の第２の発明は、上記第１の
発明による画像信号符号化方式の前記送信側において、
受信側で復号される信号と同一信号を生成するため内部
復号化を行う手段として下位ビット付加器を有し、当該
下位ビット付加器と、受信側の下位ビット付加器が同期
して同一な任意の信号を付加する手段を有する、ことを
特徴とする画像信号符号化方式を手段とする。

【００１８】この第２の発明による画像信号符号化方式
において、前記下位ビット付加器により付加される任意
の信号が、ランダムな信号である、とするのが、後処理
等がなされる場合に発生する疑似輪郭など視覚的に目立
つ歪みを抑える点で好適である。

【００１９】本発明では、画像信号に加わる歪みが下位
ビットのみに及ぶため、符号化時にこの下位ビットを削
除することにより、従来の歪みが生じない方式よりも発
生歪みを抑えるとともに、画像信号の画素間に存在する
高い相関性を利用することにより、高い圧縮率を得る。

【００２０】また、削除するビット数を０にすることに
より、歪みが生じない符号化を実行し、削除するビット
数を１以上にすると歪みが生じる符号化を実現可能なア
ルゴリズムとする。すなわち、同一の符号器、復号器を
用いて歪みが生じない方式と歪みが生じる方式を選択可
能とする。

【００２１】また、従来の歪みが生じる方式よりもアル
ゴリズムをシンプルなものとして、ハードウェア規模の
小型化と高速な処理を実現する。

【００２２】また、下位ビットにランダム信号を加える
ことにより、特定の階調範囲を強調する階調変換処理や
画像を拡大縮小する解像度変換などの種々の画像処理を
行う場合に通常発生しやすい疑似輪郭などの視覚的に有
害な歪みの発生を抑える。

【００２３】また、歪みが生じる下位ビットを削除する
ことで、原画像のデータ語長と画像出力装置の画像のデ
ータ語長が異なるため画像処理による語長変換を行うシ
ステムに対しても、従来の歪みが生ずる方式よりも出力
画像に生ずる歪みを低く抑える。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を、
図を用いて詳しく説明する。

【００２５】〔実施形態例１〕図１は、本発明の第１の
実施形態例の構成を示すブロック図である。これは、図
２に示した従来の歪みが生じない方式において、送信側
に下位ビット削除器１３を、受信側に下位ビット付加器
１７を加えたものである。

【００２６】本実施形態例において、入力画像信号から
伝送・蓄積に用いる圧縮データを作成するには先ず、入
力された画像信号の下位ビットが、下位ビット削除器１
３によって削除される。次に予測器１６において、下位
ビットが削除された周辺画素の信号を用いて予測信号が
生成される。加算器１４において、下位ビットが削除さ
れた信号から予測信号が引き去られる。引き去られて残
った予測誤差信号はエントロピー符号器１５により圧縮
符号化されて最終的な圧縮データが作成される。この様
にして作成した圧縮データは伝送や蓄積に利用される。
削除するビット数を変化させることにより画質と圧縮率
の調整を行う。つまり、削除する下位のビット数を多く
すると圧縮率が高くなり、画像に加わる歪みは大きくな
る。

【００２７】この圧縮データを復号化した元の画像信号
を作成するためには、圧縮データをエントロピー復号器
１９によって復号化して予測誤差信号を生成し、この予
測誤差信号と予測器２０により生成した予測信号を加算
器１８において加え合わせて下位ビットが削除された信
号を生成し、さらに下位ビット付加器１７により下位ビ
ットにランダムな信号を加えることにより元の画像信号
が得られる。

【００２８】下位ビットに加える信号として任意の信号
を用いても圧縮は実現可能であるが、後処理として画像
の階調強調や拡大処理を行った場合に画像内のグラデー
ション部分で発生する疑似輪郭など視覚的に目立つ歪み
を抑えるためには、一様乱数などのランダム信号を加え
ることが望ましい。

【００２９】本実施形態例において、エントロピー符号
器に入力される予測誤差信号を生成するには、１画素当
たり４回の加減算と１回の乗除算が必要である（予測器
１６において３回の加減算と１回の乗除算が、加算器１
４において１回の加減算が必要）。また、従来の歪みが
生ずる方式であるＪＰＥＧではエントロピー符号器に入
力される信号を生成するには、離散コサイン変換の高速
変換アルゴリズムであるＣｈｅｎの方法（Ｗｅｎ−Ｈｓ
ｉｎｇＣｈｅｎ，Ｃ．ＨａｒｒｉｓｏｎＳｍｉｔｈ
ａｎｄＳ．Ｃ．Ｆｒａｌｉｃｋ，“ＡＦａｓｔ
ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＡｌｇｏｒｉｔｈｍ
ｆｏｒｔｈｅＤｉｓｃｒｅｔｅＣｏｓｉｎｅＴ
ｒａｎｓｆｏｒｍ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｃｏｍｍ
ｕｎ．，ＣＯＭ−２５，９，ｐｐ．１００４−１００
９，Ｓｅｐｔ．１９７７．）を用いた場合、１画素当た
り６．５回の加減算と５回の乗除算が必要である（離散
コサイン変換器１において６．５回の加算と４回の乗
算、量子化器２において１回の乗除算が必要）。従っ
て、従来の歪みが生ずる方式と比較して、本実施形態例
はシンプルなアルゴリズムで構成可能である。

【００３０】〔実施形態例２〕図２は、本発明の第２の
実施形態例の構成を示すブロック図である。これは、従
来の歪みが生じない方式であり内部復号器を有する予測
符号化方式の構成に対して、下位ビット削除器２２、下
位ビット付加器２４、下位ビット付加器２８を加えたも
のである。

【００３１】本実施形態例において、入力画像信号から
伝送・蓄積に用いる圧縮データを作成するには先ず、加
算器２１により、入力画像信号から予測器２６で生成さ
れた予測信号を引き去り予測誤差信号を生成し、下位ビ
ット削除器２２によりその予測誤差信号の下位ビットを
削除する。下位ビットが削除された予測誤差信号は一方
で、エントロピー符号器２３により圧縮符号化されて最
終的な圧縮データが作成される。他方、この予測誤差信
号は内部復号器において、下位ビット付加器２４により
下位のビットにランダムな信号が加えられ、次に加算器
２５において、予測器２６により生成した予測信号と加
え合わせられ、内部復号信号が生成される。この内部復
号信号は復号器で生成される復号信号と同一の信号であ
り、内部復号器の予測器２６において予測信号を生成す
るために用いられる。

【００３２】この圧縮データを復号化した元の画像信号
を作成するためには、圧縮データをエントロピー復号器
２９によって復号化して予測誤差信号を生成し、この予
測誤差信号の下位ビットに下位ビット付加器２８により
生成したランダムな信号を加える。ただし、この下位ビ
ット付加器２８で加える信号と符号器の下位ビット符号
器２４で加える信号は一致する必要があるため、両者は
同期して同一のランダム信号を生成するため、同一の乱
数の初期値を有するなどの、何らかの手段を備えるもの
とする。次に、下位ビットを付加した予測誤差信号と予
測器３０により生成した予測信号を加算器２７において
加え合わせることにより、最終的に元の画像信号が得ら
れる。

【００３３】下位ビットに加える信号として任意の信号
を用いても本実施形態例による圧縮は実現可能である
が、後処理として画像の階調強調や拡大処理を行った場
合に画像内のグラデーション部分で発生する疑似輪郭な
ど視覚的に目立つ歪みを抑えるためには、一様乱数など
のランダム信号を加えることが望ましい。

【００３４】以下、実際の画像を用いて、本実施形態例
に基づく構成で圧縮符号化を行った場合の効果について
説明する。使用した画像は、画素数が２０４８×２０４
８、信号は１２ビット精度の画像（画像Ａ）である。

【００３５】図３は、従来の歪みが生ずる方式、本実施
形態例１、本実施形態例２の各々に対する圧縮率とＳＮ
Ｒの関係を示している。この結果に示されるように、本
実施形態例により符号化することにより、歪みの生じる
方式に比べて歪みの大きさが小さく、また歪みの生じな
い方式に比べて大きな圧縮率を実現することが可能にな
っている。また本実施形態例においてＳＮＲが∞（無限
大）の場合は削除する下位ビットを０とした場合であ
り、このときの圧縮率は従来の歪みが生じない方式によ
る圧縮率と一致する。

【００３６】図４は画像データをＣＲＴモニタを用いて
表示するために、１２ビット精度の画像を８ビット精度
へと、正規化処理、階調変換、語長短縮の３つの画像処
理を実行して変換した後の画像に対して求めたＳＮＲと
圧縮率の関係を示している。これにより、画像処理によ
る語長変換が必要なこのような画像表示システムにおい
ても、本実施形態例は従来の歪みが生ずる方式より出力
画像に生ずる歪みを低く抑えることが可能になってい
る。

【００３７】以上、本発明を、前記実施形態例に基づき
具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態例に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能であることは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上で示したように、本発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００３９】（１）従来の歪が生ずる方式よりも発明歪
みを押さえ、大きな圧縮率を得ることができる。

【００４０】（２）同一の符号器、復号器を用いて符号
化パラメータの変更のみで、歪みが生ずる方式と歪みが
生じない方式のいずれかを選択して実行することが可能
である。

【００４１】（３）従来の歪みが生ずる方式よりもアル
ゴリズムがシンプルであるため、ハードウェア規模を小
型化し、高速な処理が実現できる。

【００４２】（４）階調変換や解像度変換などの画像強
調処理を行っても、疑似輪郭などの視覚的に有害な歪み
が発生しにくい。

【００４３】（５）原画像の階調数を減少させて画像出
力装置に出力する画像表示システムにおいて、従来の歪
が生ずる方式よりも出力画像に生ずる歪みを低く押さえ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態例の構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の第２の実施形態例の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】従来の歪みが生ずる圧縮符号器・復号器、本発
明の第１および第２の実施形態例における圧縮率と符号
化画像に対するＳＮＲの値の関係を表す図である。

【図４】従来の歪みが生ずる圧縮符号器・復号器、本発
明の第１および第２の実施形態例における圧縮率と符号
化画像を画像処理してビット精度を低くした画像に対す
るＳＮＲの値の関係を表す図である。

【図５】従来の歪みが生ずる圧縮符号器・復号器のブロ
ック図である。

【図６】従来の歪みが生じない圧縮符号器・復号器のブ
ロック図である。

【符号の説明】

１３，２２…下位ビット削除器１４，１８，２１，２５，２７…加算器１５，２３…エントロピー符号器１６，２０，２６，３０…予測器１７，２４，２８…下位ビット付加器１９，２９…エントロピー復号器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像を符号化して符号化データを伝送も
しくは蓄積し、この符号化データを復号化して復号画像
を生成する画像伝送・蓄積システムにおいて、送信側に、入力画像信号の下位ビットを削除する下位ビ
ット削除器と、前記下位ビット削除後の信号を用いて無
歪み圧縮を行い圧縮データを生成する符号器とを備え、受信側に、送信された圧縮データを復号する復号器と、
前記復号された信号の前記削除されたと同数の下位ビッ
トに任意の信号を付加する下位ビット付加器とを備え
る、ことを特徴とする画像信号符号化方式。
【請求項２】前記下位ビット付加器により付加される
任意の信号が、ランダムな信号である、ことを特徴とする請求項１記載の画像信号符号化方式。
【請求項３】前記送信側において、受信側で復号され
る信号と同一信号を生成するため内部復号化を行う手段
として下位ビット付加器を有し、当該下位ビット付加器と、受信側の下位ビット付加器が
同期して同一な任意の信号を付加する手段を有する、ことを特徴とする請求項１記載の画像信号符号化方式。
【請求項４】前記下位ビット付加器により付加される
任意の信号が、ランダムな信号である、ことを特徴とする請求項３記載の画像信号符号化方式。