JPS5885684A - テレビジヨン信号の予測符号化装置 - 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】 本発明はテレビジョン信号の予測符号化装置に関する。

予測符号化方式は伝送すべき入力信号と予測信号との差
すなわち予測誤差信号を伝送することにより伝込情轍を
低減するという動作原理に基づく方式であシ１本発明は
この予測信号を与える予測関数を多数用いてその中から
最適なものを一つ選択して用する予測符号化方式である
。

たとえば、フレーム間符号化方式では静止画あるいは、
はとんど動きを含まない準静止画に対しては大きな振巾
を−り予測誤差信号の発生頻度が低くなるため発生する
情報量が少なく、逆に動きを多く含む動画に対しては発
生情報量は増加する・すなわち、フレーム間符号化では
動きが少なｈ程符号化能率が良−が動きが多くなると能
率が低下する・そこで、動きが含まれている場合Ｖｃ４
．能率を高める試みはこれまでにもなされてきた。たと
えば、テレビジ璽ン信号に含まれる動きは平行移動的で
あると見なされる場合が多−ので、フレーム間における
被写体の位置の変化量を考慮したフレーム間予測、すな
わち「動き補償」フレーム間予測は動画に対しても高−
符号化能率を実現するのＩｃ最も有効な方式である。こ
の「動き補償」フンーム間予側方式においてはいろんな
速さ、方向をもった動きに対応する多数の予測関数をあ
らかじめ用意しておいて、実際に発生した動きの予測と
してもつとも適したものを、つまシ通常は予測誤差をも
つとも小さくするものを最適予測関数とし応的に決定す
る子側方式と６％Ａ換えることができる・ こζでこの「動き禎竿つ匹て原理を簡単に説明する。

ＷＩ１図に示すようＦＣｔ−ｔ、なる時刻に座標（Ｘ、
。

力）１ ｙ、）付近にあった１筋１フレーム時間（τ）後には（
”１　＃　ｙｘ　）に移動したとする。この時、通常の
フレーム間予測におりては１フレーム前の画素を予測信
号として用ｉるととによｊ）　ｌ　ｔ＝ｔ、十τにおけ
る（　Ｘ＠　ｅ　Ｙｏ　）付近の図形内の画素の予測に
はｔ＝ｌ、における（”ｏ　ｙ　）’ｅ　）付近の図形
内の画素が開−られΔ、したがって、第１図から明らか
なように、ｔ−１０＋τでは予測誤差が零でなりものが
（ｘｅ　ａ　Ｙｏ　）と（１１１）’１）の両地点の付
近に発生する・ と、１−１・での（ｘｓｓｙｅ）近傍の図形を用いてｔ
ＩＩＷｔ、十τにおける（ｘｔ　ｅ　７ｔ　）近傍の図
形を予測でき発生情報量が大巾に減少する。これがいわ
ゆる決定方法としては、たとえば１９７８年電子通信学
会技術研究報告ｖｏ　１　＠　７８　ｅ亀３９に掲載さ
れてｂこの論文では、種々の動きを表わすベクトルにる
ベクトルが動ベクトルと見なされる。この論文ればフレ
ーム間符号化方式のみの場合の発生情報量のおよそ１／
２にできる＃１ど大巾な情報圧縮が予測符号化方式にお
りてはもっとも良く動きを補償、すなわち予測誤差を小
さくする動ベクトルと等価である。したがって動ベクト
ルとこれに基づ＾て動き補償を行なった時の予測誤差の
画情報を少なくとも伝送することと同じである。以下最
適予測関数を動ベクトルと読み替えて説明する。

この動ベクトルを表現するのに必要な符号、すなわち動
ベクトル情報は使用する伝送路の伝送速度が低−場合に
は伝送される全情報の中のたとえば５０Ｘ以上と＾うよ
うなかなプの部分を占めることがある。しかし、伝送速
度が高く、平均して１ｍ壽当少数ビットをＩｌシ蟲てる
ζどができる場合にはこの動ベクトル情報は全伝送情報
の中のｉｔんの−Ｓｔ占めるに過ぎなりようになる。

実際の１ｉｉｌｉｌ＆につ＾て測定された動ベクトル情
報のガとして平野他によゐ「動き補償フレーム間符号化
におけるブロックサイズの検討」（昭和５５年度電子通
信学会通信部門全国大会講演番号６９７）があるが、こ
れによると動ベクトル情報である動ベクトルのエントロ
ピーはたとえば複数画素から構成されるブロックの大き
さｔ−４ライン×８画素と仮定すると訃よそα１ビット
／画素となりている。この値は標本化周波数が＾止２の
場合にっｈて得られ九ものであゐので、動ベクトル情報
のみでおよそ０．８Ｍビット／秒の情報が発生すること
になる。したがって、１．５Ｍビット／秒の伝送速度に
てテレビジョン信号を伝送する場合にはこの動ベクトル
情報は５０Ｘ強を占めることになる。

このように伝送速度が低−場合にはとくに動ベクトル情
報の能率の良−符号化方法が必要である。

また動き補償を７レ一ム関符号化に適用した時に動き補
償に固有の画質劣化が目に見えることがある。従来のフ
レーム間符号化にお−て粗い量子化特性を適用すると量
子化雑音が１１ｉｒＩ７Ｊに張シつ＾て見えることがあ
る。動き補償を適用した時に動ベクトルが隣接するブロ
ックの閣で時間的、空間的に大巾に変動すると、粗す量
子化特性を用−九時に見える張シついた雑音が動ベクト
ルの変動の丸めにゆらいで見えることがある。そしてこ
れは比較的平たんな絵柄の部分にお−て目につきＡ−０
本発明の目的は動き補償を適用したフレーム間符号化に
おいて高い符号化能率を実現すると同時に動き補償に付
随する固有の画質劣化を改善できるテレビジョン信号の
予測符号化装置を提供するととにある。

すなわち本発明のテレビジョン信号の予測符号化装置は
複数個の画素からなるブロックを構成する手段と、すで
に検出された最適予測関数を用いに関して制限されるよ
うに制限条件を発生する手段と、この制限条件にしたが
って前記プロ“ツク毎に前記最適予測関数を検出する手
段と、検出されたこの最適予測関数にしたがって予測符
号化を実行する手段と、この予測符号化において発生す
る予測誤差と前記最適予ｍ関数とを少なくとも含む情報
を圧縮符号化する手段と、圧縮附号化された情報の発生
速度と伝送路へ出力する情報の出力速度とを平均的に一
致させる手段、とから構成される。

動ベクトル情報は低伝送速度において大きな割合を占め
てｂる。しかし動ベクトルの検出時に時間的あるいは空
間的に隣接するブロックの動ベクトルとの相関を常に゛
高く保つようＫする、すなわち隣接ブロックの動ベクト
ルとの差異をできるだけ小さく制限することにより短時
間的に見た時動ベクトルの分布は１個あるｂは複数個の
特定の動ベクトルの近傍に集中することになル、動ベク
トルのエントロピー値は小さくなる。動ベクトルの差分
の分布は零近傍に集中する。したがりていずれの場合に
も動ベクトル情報量は少なくできる。

第２図にこの制限の様子を示す。たとえば■。。

指定された動ベクトルの範囲でＶｃ、（Ｖ、＋Ｖ、＋Ｖ
、）しなｉｔａ合に動ベクトルＶ、が検出されるとする
とこれは指定範囲外にあるので、相関を考慮する場合に
は指定範囲内にあってもっともＶａＫ近す破線て示すΔ
Ｖ耐（Ｖａ−Ｖｃ）とこの指定範囲の境界との交点を通
る酊２図中のベクトル■が動ベクトルとして出力される
。このｒの大小により制限の強弱が定まる。なお指定範
囲はここで列示したような円形である必要はなく任意の
形状を用することができる。

第２図には動ベクトルが零でなりｈ場合、すなわち動き
がある部分についての動ベクトルの制限について示した
が、静止部分につ匹ての動ベクトル制限もＶ、　、　Ｖ
、　、　Ｖ、を零とし、斜線部分を零近傍に設定すれば
同様である。を九ｒｓ接するブロックの動ベクトルを参
照することによ）現ブロックが静止部分と動き部分のい
ずれに含まれているかは輪郭部分以外はわかるので、静
止あるｂは動き部分に対して！＋１＠の程度を各々異な
ったものにすることもできる。なお、隣接ブロックとし
ては同一フレーム内のみならず前フレーム内のブロック
を用いて各ブロックに対するベクトルの時間的変動を抑
えることもできる。

検出された酸ベクトルの時間的、空間的な変化があると
ｈうことは通常はテレビジョン信号に雑音が混入してｂ
ることに起因する。そして前記二宮の論文におｉて用す
られる動ベクトル検出のための評価関数はブロック当夛
の誤差電力あるいはその近似形であるので雑音によって
検出結果が左右される部分はほとんどの場合には平九ん
な絵柄の部分に集中する。なぜなら平たんでない部分に
ついて真め動ベクトルからはずれたベクトルすなわち真
の最適予測点からはずれた点で予測する時予測誤差電力
ははずれに対して指数関数的に増加する。この時は雑音
電力が少々大きくても検出結果には影響しない、平ｉｔ
んな部分では予測−差電力が小さめためこＯはずれに対
する増加はほとんどない、つまシ、平たん部分にお込で
は雑音電力によって検出結果が左右されることが多−反
面検出された動ベクトルもそれほど厳密な意味での最適
予測を与えるわけで畦ない。したがって検出きれる動ベ
クトルのと９得る値に少し制限を加えても予測誤差直方
を増加させることは＃ｌとんどなくかつこの制限によシ
動ベクトルの情報量は減少すめ高い符号化能率が冥現で
きる。さらに動き補償を適用した時の固有の画質劣化を
改善できる。すえる劣化は動ベクトルの時間的、空間的
な変動に起因するものであるので、この変動を制限する
ことによシゆれは少なくできる。とぐに平行移動的な動
きの場合には、動いている部分に関しては全ての隣接ブ
ロックに対して同一の動ベクトルが検出されるはずであ
る。また静止部分についても同じである。したがって隣
接ブロックの動ベクトルを用いて現ブロックの動ベクト
ルの￥＠ｌシ得る値に制限を加えできるだけ動ベクトル
を揃えるとゆれ動いて見える画質劣化はほとんど見えな
くなる。

このように本発明を動き補償フレーム間符号化方式に適
用することＫよ）符号化能率は向上し、しかも符号化さ
れたｌｌｌ１ｅの品質も同上する。

つぎに本発明にかかる実施例について図面を参照しなが
ら詳しく説明する。１４３図に予測符号化装置の一構成
例を示す。

入力テレビジョン信号はアナログ／ディジタル１ 変換器１０によシアナログからディジタル信号に変換さ
れる。このディジタル化されたテレビジ誓ン信号は走査
変換回路１１へ供給される。走査変換回路１１は通常の
走査に従って入力されるテレビジョン信号から、複数−
走査線にまたがる複数画素からなる２次元ブロックを構
成する。一走査線上に構成される１次元ブロックを用い
る場合には走査変換回路１１は不要である。

走査変換回路１１の出力である走査変換されたテレビジ
ョン信号は線１１１２．１１１４を介して遅延回路１２
と動ベクトル出力回路１４へとそれぞれ供給される。遅
延回路工２は動ベクトルの検出に要する時間だけ遅延さ
せて予測される現ブロックと検出された動ベクトルの時
間位相を一致させるために設けられてお〕、この出力は
減算回路１２へ供給される。減算回路１２は遅延回路１
２の出力と可変遅延回路１６から供給される予測信号と
の間で減算を行な込、その差すなわち予測誤差を出力す
る。この予測誤差は童子化回路１７によシ量子化された
後、加算回路１８と符号圧縮回路２０へ供給される。加
算回路１′８は量子化回路１７から供給される量子化さ
れた予測誤差と可変テレビジョン信号のおよそ１フレ一
ム時間だけ遅延できるフレームメモリ１９に供給される
。フレームメモ１７１９の出力は可変遅延回路１６と動
ベクトル出力回路１４へそれぞれ線１９１６．１９１４
’を介して供給される。動ベクトル出力回路１４は線１
１１４を介して供給される走査変換されたテレビジ１ノ
信号と、線１９１４を介して供給されるフレームメモリ
１９出力を用論て、線１５１４を介して基準ベクトル発
生回路１５から供給される基準ベクトルに従って動ベク
トルを出力する。動ベクトル出力回路１４と基準ベクト
ル発生回路１ｂの動作につｂては後述する。動ベクトル
出力回路１４から出力される動ベクトルは線１４００に
より出力されるが、分岐して線１４１５，１４１６．１
４２０により基準ベクトル発生回路１５．可変遅延回路
１６．符号圧縮回路２０へ供給される。基準ベクトル発
生回路１５は隣接するブロックに対する動ベクトルを用
いて第２図には説明したように、たとえば、決定し線１
５１４を介して動ベクトル出力回路１４・へ供給する。

可変遅延回路１６においてはフレームメモリ１９の出力
信号が−たん記憶され、動ベクトルが供給されると対応
する番地より予測信号が読み出される。可変遅延回路１
６は基本的にはランダム・アクセス・メモリ（Ｂ、ＡＭ
）を用いた読み出しと書き込みが互いに独立に害行でき
るメる動ベクトル情報は符号圧縮回路２０において１圧
縮符号化され、その結果は不規細な情報の発生状態を平
滑化して一定の伝送路速度で出力するための速度整合用
バッファメモリ１００へ供給され、伝送路１０００へ出
力される。

ここで動ベクトル出力回路工４と基準ベクトル発生回路
１５の構成について詳しく説明する。第４図に動ベクト
ル出力回路１・４の一構成例を示す。

動ベクトル出力回路１４は基本的には動ベクトル検出回
路１４０とこれに続く減算回路１４１．制限回路１４２
．加算回路１４３からなる動ベクトルのリミッタ回路か
ら構成される。つま９線１５１４を介して供給される基
準ベクトルＶＣと動ベクトル検出回路１４０から供給さ
れる動ベクトルの間で差異を調べ、差異が太き偽と制限
を加え、差異が小さｂと制限は加えないよう−にする回
路動作゛を実行する。

動ベクトル噴出回路１４０としては前記二宮による論文
に記載された動ベクトル検出回路が適用できる。

減算回路１４１で両者の差をとり制限回路１４２で差を
制限し加算回路１４３にてこの差と層重ベクトルの和を
とる。この差に対する制限回路１４２の特性ガをつぎに
述べる。もっとも簡単な例としてはこの差の水平、！！
ｉ直各直外成分＾である閾値を設定し、これを越えるも
のについてのみ一定値を与える方法がある。たとえば差
Δ■のいずれかの成分の値をΔＶ、閾ｆｆＬを１．この
時の制限回路１４２の出力をΔｖ弓する時、ゴ≦Δｖ≦
ｒぞあればΔＶＩ＝ＩＩΔＶとし、ΔＶ＜−ｒあるいは
Δ■〉γの場合には制限動作が働いて各々Δ■′ね−ｒ
。

ΔＶ′＝ｒとする。また他の方法としては差の水平、垂
直各成分をΔ−９ΔＶ、と表わす時ΔＶ−１７２ （（ΔＶｘ）　　＋（ΔＶｙ）、）　　　としてΔ■が
ｒを越える時にΔＶＸ、ΔＶ、の大きさ、す表わち差ベ
クトルΔＶｔ−，＃Ｅ２図に示した方法を用すて定める
ことができる。な訃ｒの値としてはおよそ１〜３程度が
適当である。

このように基準ベクトルからのずれを制限され九動ベク
トルが動ベクトル出力回路１４の出力をなる。基準ベク
トルとしてはｌフレーム遅延した動ベクトルあるいは隣
接ブロックに対する動ベクトルの平均値を用匹るなど種
々考えられる。もしｌフレーム遅延した動ベクトルを用
いるならば基準ベクトル発生回路１５は動ベクトルの１
フレーム遅延が可能なメモリある匹はシフトレジスタで
実現できる。隣接ブロックの動ベクトルの平均値たとえ
ば前述のＶ　Ｃｘ　（Ｖ、＋　Ｖｌ÷焉）／３を用−る
場合にはシフトレジスタの途中にタップを所要数設けて
おりて平均値を基準ベクトルとして出力するようにすれ
ばよく構成は容易である。すなわち。

第５図に示すように遅延回路１５０から必要な遅延量に
相当する点にタップをと）平均値回路１５１によ）たと
えば動きの水平、垂直の各成分毎に整数値型の平均値計
算を行なう。前記の動ベクトルの１フレーム遅延の場合
には遅延回路１５０の１フレーム遅延の点にタップをと
）、このタップ出力を線１５１４よシ出力すればよい。

この時平均値回路１５１は不要である。

つぎに本発明にかかる復号化装置について説明する。第
５図に復号化装置の一構成例を示す。

伝送路１００Ｇによシ伝送されてきた圧側された符号情
報は−たん速度整合用のバッファメモリ２００に供給さ
れる。バッファメモリ２００から出力される情報は少な
くとも動ベクトル情報と予測誤差情報とを含んでいる。

符号伸長回路３０はこれらの圧縮された符号を伸長し、
動ベクトルとそれに対する予測誤差の両者に分離する。

予測誤差は線３０３１を介して加算回路３１に、動ベク
トルは線３０３２を介して可変遅延回路３２にそれぞれ
供給される。可変遅延回路３２は動ベクトルに従りて予
測信号を発生し、加算回路３１は予Ｉｌ信号と予測誤差
から加算によシ復号信号を発生する。復号信号は走査逆
変換回路３４とフレームメモリ３３へ供給される。走査
逆変換回路３４の機能は符号化装置における走査変換回
路１１の逆、すなわち走差変換されたテレビジ、ン信号
から通常の走査に夏すことである。この出力信号社デ（
ジタル／アナログ（Ｄ／Ａ　’）変換器３５によシアナ
ｐグ信号に戻された後、通常のＴＶモニタによシ表示さ
れる。可変遅延回路３２とフレームメモリ３３拡符号化
装置における可変遅延回路１４とフレームメモリ１９と
それぞれ同一のものが使用できる。

つぎに本発明にかかる実施例の変形例につｂて説明する
。

第４図に示した動ベクトル出力回路１４は他の構成も考
えられる。すなわち先の実施例において説明した勤ベク
トルの制限方法は動ベクトル検出回路１４０で検出した
動ベクトルに対しあとで基準ベクトルを参照して制限を
加えるものであうたがこの変形例で述べるように動ベク
トル検出回路１４Ｇにおける動ベクトル検出時点におい
て制限を加えることも可能である。

すなわち第７図に示す動ベクトル出力回路１４社、動ベ
クトルの検出手順を制御するシーケンサ１４８、シーク
／す１４８から供給される動ベクトル探索用の試行ベク
トルに対してプロ、り毎の評価関数の値を出力する誤差
発生回路１４５、誤差発生回路から出力される評価関数
の値すなわち評価値を受けて他の試行ベクトルに対する
評価値との大小比較の結果よシ小さな評価値に対応する
試行ベクトルを出力とする選択回路１４Ｇ、シーケンサ
１４８によシ指示される各ブロックの区切シを示すタイ
ミングパルスに従って選択回路１４６の出力試行ベクト
ルを動ベクトルとして出力するレジスタ１４７から構成
されている。線１５１４を介して供給される基準ベクト
ルはシーケンサ１４８で発生する試行ベクトルに制限を
与える。つまシ基準ベクトルからたとえば閾値１以内に
ある試行ベクトルについての評価値のみ選択回路１４６
０入力とする。

この選択回路１４６への指示は・線１４８４を介して行
な・われる。誤差発生回路１４５と選択回路１４６への
試行ベクトルの供給はそれぞれ線１４８５．１４８６を
介して行なわれる。またレジスタ１４７における動ベク
トルを’ｋｙ卜するタイミングパルスは線１４８７を介
して供給される。

シーケンサ１４８・における選択回路１４６に対する指
示信号の発生方法について説明する。第８図にシーケン
サ１４８の構成例を示す。

タイオング信号発生器４８Ｇからは試行ベクトルを順次
発生させるためのリクエスト信号とプロ。

夕の区切りを示すタイミング・パルスがそれぞれ［４８
０Ｆ’　、　１４８７を介して出力される。試行ベクト
ル発生器４８１ではこのリクエスト信号に従りてあらか
じめ定められた順序で試行ベクトルを発生し１１１１４
８５．１４８６を介してそれぞれ誤差発生回路１４５、
選択回路１４６へ供給すると同時に線４８１２によシ減
算器４８２へも供給する。減算器４８２ではこの試行ベ
クトルと娘１５１４を介して供給される基準ベクトルの
差をとシその差を比較器４８３へ供給する。比較器４８
３ではあらかじめ定められた閾。

値（たとえば前述のｒ）よシもその差の水平、ｆｌ直の
各成分の絶対値が太き論か苔かを比較判定しもし大きけ
ればこれは前述の指定範Ｈ８の外にある動ベクトルであ
るので採用しなＡことを示すスキップ信号を発生し線１
４８４を介して選択回路１４６に供給する０選択回路１
４６ではこのスキップ信号が発生した試行ベクトルに対
する選択動作は行なわず、事実上この時の試行ベクトル
を無視する。

以上のように動ベクトル検出を行なえば多くの試行ベク
トル中で指定範囲内にあるものについてのみ評価値の計
算、比較を行ない動ベクトルを検出することができる。

なお比較器４８３に＄−ける比較１判定では水平、―直
の両成分を分離しないでｚ　　ｘ／ｚ 前述のようにΔＶ−（（ΔＶｘ）　　＋（ΔＶｙ）’）
　　　のように−緒属して判定に供することができるこ
とは勿論である０本図においてもｒの鉦は１〜３程度が
適当である。

以上述べたように本発明は動き補償を適用したフレーム
間符号化装置における動ベクトル検出機能に対して簡単
な動ベクトル制限機能を追加することによ〕動き情報の
低減による符号化能率の向上および同時に符号化された
テレビジ冒ン信号の画品質が大巾に向上するなど本発明
を実施する効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は動き補償の原理を説明する図、第２図は動ベク
トルの制限についての原理を説明する図。 １ｇ３図は本発明の予測符号化装置の構成列を示す図、
第４図は第３図の動ベクトル出力回路１４を、第５図は
嬉３図の基準ベクトル発生回路１５をそれぞれ詳細に示
す図、第６図は本発明に係る予測後彎化装置を説明する
図、菖７■＃嬉８図は−ずれも本発明の変形実施例を説
明する図で％第７図は動ベクトル出力回路１４を、館８
ＷＪは第７図中のシーケンサ１４８をそれぞれ詳細に説
明する図、である。 図中、１０はアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ　）変換器
、１１は走査変換回路、１２は遅延回路、１３は減算回
路、１４は動ベクトル出力回路％　１５は基準ベクトル
発生回路、１６は可変遅延回路、１７は量子化回路、１
８は加算回路、１９はフレームメそり、２０は符号圧縮
回路、１００はバッファメモリ、　　１０００は伝送路
、１４０は動ベクトル検出回路、１４１は減算回路、１
・４２は制限回路、１４３は加算回路、１５０は遅延回
路、１５１は平均値回路、２００はバッファメモリ、３
０は符号伸長回路、３１は加算回路、３２は可変遅延回
路、３３はフレームメモリ、３４は走査逆変換回路、３
５はディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器、１４５は
誤差発生回路、１４６は選択回路、１４７はレジスタ、
１４８はシーケンサ、４８０はタインング信号発生器、
４８１は試行ベクトル発生器、４８２は減算器、４８３
は比較器、である。 オ　　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の予測関数を用−１その中から予測誤差を小さく
   する最適予測関数を１個選択し、この最適予測ｇｉ数に
   従って予測符号比を実行するテレビジョン信号の予測符
   号化におりて、複数１１の画素からなるブロックを構成
   する手澁、過去に検出され九最適予副関数を用い現ブロ
   ックの最適予測関数の検出にお匹て演出結果が時間的、
   空間的のいずれか一方あるいは双方に関して制限される
   ように制限条件を発生する手段、該制限手段にしたがっ
   て前記最適予測関数を前記ブロック毎に検出する手段、
   検出された該最適予測関数に従って予測符号化を実行す
   る手段、該予測符号化におｉて発生する予測誤差と前記
   最適予測関数とを少なくとも含む情報を圧縮符号化する
   手段、圧縮符号化された情報の発生速度と伝送路へ出力
   する情報の出力速度とを平均的に一致させる手段、とを
   具備することｔ−特徴とするテレビジョン信号の予測符
   号化装置・