JPS63129711A - 量子化方式 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は量子化方式、特にデジタル化された画像信号の
差分符号化伝送方式におけるデジタル量子化方式の改良
に関するものである。

［従来の技術］ テレビ信号のように近接画素間の相関が高く冗長度を多
く含む信号を能率よく符号化する方法として差分符号化
方式（以下ＤＰＣＭ方式と称する）が知られている。第
５図は例えば特公昭５５−２９６２０号公報に示された
ＤＰＣＭ装置を示すブロック図である。図において、画
像信号入力端子（１）に加えられた信号はアナログ／デ
ジタル変換器（２）によって各標本値ごとに２進デジタ
ル信号に変換されて、予測符号化回路（３）に入力され
る。予測符号化回路（３）では、予測回路（４）で作成
された予測値との差を減算回路（５）で算出され、この
差出力は量子化回路（６）によって量子化され、この量
子化出力は符号化回路（７）で各量子化レベルに対応す
る２進符号に変換され、伝送路（８）へＤＰＣＭ送信出
力として送出される。更に量子化回路（６）の出力は、
また加算回路（９）により、予測値との和が算出され、
元信号に対する局部復号信号となり予測回路（４）に入
力され、この信号から演算処理されて予測値が作成され
る。

一方、受信側では、２進符号化された信号は、復号化回
路（１０）に入力され、符号逆変換回路（１１）で、予
測符号化回路（３）における量子化回路（６）の出力と
同じ信号に変換され、加算回路（１２）　、予測回路（
１３）によりデジタル画像信号に変換され、更にデジタ
ル／アナログ変換回路（１４）でアナログ信号に変換さ
れ再生画像が得られる。

しかしながら、テレビ等画像信号では、画素間の相関関
係が高く、入力信号と予測信号との差分信号のとる値の
分布は、０を中心として正負に対称的な分布であり、特
にＯ付近の分布密度が高い。

従って、量子化回路（６）に必要な量子化レベル数が、
直接ＰＣＭ符号化する場合より、少なくでも良いため、
符号化ビットレイトを低くすることが可能となる。

すなわち、直接ＰＣＭ符号化する場合、通常１サンプル
のデータに対して８ビツトで符号化されるが、ＤＰＣＭ
方式では、３〜５ビツトで符号化が可能となる。

従って、量子化回路（６）がとる量子化レベル数は、２
　　（−８）〜２５　（−３２）で良い。

一般に、実用的な画質を得るには、種々の実験により、
符号化ビット数は４程度必要とされており、これはすな
わち２Ｍ　　（−１６）の量子化レベル数を用いること
を意味する。実際には、差信号は、正と負に対して対称
に分布することから、０を中心に、正負に７レベルの合
計１５レベルに量子化されることが多い。４ビツト、１
５レベルの量子化特性としては例えば、第４図に示すよ
うなレベル配分と２進符号化の割当てが考えられる。

入力信号は、８ビツトでθ〜２５５の２５６レベルの信
号とし、従って差信号は−２５５〜＋２５５に分布する
。

しかしながら、前述した如く差分信号の分布はＯ付近に
密集しているので同図に示されるようなθ付近の量子化
密度を高くし、正負対称となるような量子化レベルの配
分がなされている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の量子化方式は以上のように行われていたので、従
来例のような量子化特性では、最大値６０であるため、
差信号が６０をはるかに越えるような、急峻な画像の変
化に対して十分に追随できないという問題点があった。

また、量子化レベルの最大値を更に大きな値に設定した
場合には、それに伴ってゼロ近傍の量子化の密度が粗に
なり、変化のゆるやかな部分の量子化誤差が大きくなっ
てしまうという問題があった。

すなわち、再゛生画像の画質を向上させるためには、量
子化レベル数を増加させれば良いが、量子化レベル数を
増加させると、符号化ビットレイトの増大を招いてしま
う。

本発明は、前記のような問題点を解消するためになされ
たもので、低ビツトレイトで、画像の急峻な変化に対し
ても追随性を良くすることができるデジタル量子化方式
を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、前記目的を達成するためになされたものであ
る。従来は、通常差分信号をＮビットに量子化する場合
の量子化レベル数は２Ｎ−１であり、それぞれにＮビッ
ト符号コードが量子化特性値として割り当てられる。

本発明に係る量子化方式は、０を中心として正負対称に
量子化特性値を２　　１個設定し、異符号の量子化特性
値に対して共通のＮビット符号コードをそれぞれ割り当
てることによってＮビット符号コードの量子化レベルを
実質的にＮ＋１ビット符号コードを用いた場合と等価に
したものである。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明に係る量子化方式の実施例
を説明する。

ここでは簡単のため４ビツトで表現される０〜１５の入
力信号をＤＰＣＭ方式で３ビツトに符号化する場合を例
にとって説明する。入力信号に対する予測信号値とその
差分信号（−人力信号値−予測信号値）の関係は第６図
のようになる。

例えば、予測信号値が４の時、差分信号値のとりうる値
は、−４，−３，−２，−１，０，１゜２、３．４．５
．６．７．８．９．１０．１１の１６個となる。

従来の方式では、同図に示されるように量子化レベルは
７レベルにしか設定できない。

本発明による量子化方式を第１図特性図に示されるよう
な量子化レベルとコードを適用すれば、予測信号値と差
分信号値と量子化特性値との関係は第３図に示される。

第３図を比較すると負の量子化値の部分（Δ部分）が正
の量子化値の方に移動した形になっている。正の量子化
値を符号化するときは第６図の場合と同様である。負の
量子化値を符号化するときは、例えば、入力信号値が２
、予測値が６の時は、差信号が−４、量子化値が−４と
なるが、このときは、量子化値が１２として、符号化す
る。復号側では、量子化値１２と予ｎ１値６を加算して
１８という値を得るが、この場合は１６を減算すること
によって２を復号し、量子化値が−４のときと同じ結果
を得る。すなわち、符号化側では、正負どちらの量子化
値の場合も正の量子化値で符号化し、復号側ではその量
子化値と予測値を加算し、その加算結果が１５（入力信
号の最大値）を越えるときは１６（入力信号の最大値＋
１）を減算するという処理を行うことにより、正負どち
らの量子化値の場合も復号可能になる。

第３図の場合、１５通りの量子化レベルが可能になり、
第６図の場合の約２倍になる。

次に、第２の実施例を説明する。

第８図には、ＤＰＣＭ方式において、８ビット入力信号
と８ビット予測信号との差分信号を４ビツトに圧縮符号
化する際に、本発明である量子化方式を適用した量子化
特性の一例が示されている。

８ビツトの符号両信号のレベルは、Ｏ〜２５５（−２７
−１）である。従って、両信号の差分信号のレベルは、
−２５５〜＋２５５レベルに分布する。

本実施例では、４ビツトの符号で３ルベルの量子化を可
能にするものである。例えば、差信号の値が１２８〜１
５３に対して１２８と量子化し、また−１２８〜−１５
３に対して−１２８と量子化し、いずれに対しても共通
の符号（この実施例では＝１０００°）を割り当ててい
る。

そして、第２図には、本発明である量子化方式を適用し
たＤＰＣＭ装置が示されている。

図において、第５図従来例と同一部分には、同一符号を
付し、説明牽省略する。

入力信号は予測符号化回路（３）において、差分信号が
計算され、第１図のような量子化特性を用いて符号化さ
れ、伝送路（８）を介して符号化信号伝送される。

一方、伝送された符号化信号は、復号化回路（１０）中
の符号逆変換回路（１７）で、量子化特性値に復号化さ
れ、加算回路（１２）で量子化特性値と予測信号値と加
算し、適応制御回路（１５）に出力される。

前記適応制御回路（１５）では、該加算回路（１２）か
らの入力が−２５５〜＋２５５の場合は、そのまま復号
化信号として、出力し、＋２５６以上の場合には２５６
を減算した結果（−２５６以下の場合には２５６を加算
した結果）を出力する。

今、例えば元信号値を＋７０．予測値を＋２００と仮定
すると差信号（−元信号値一子測値）は−１３０となり
、量子化レベルは−１２８’　となり、１０００“に符
号化される。復号化回路（１０）では、この符号“１０
００″は＋１２８に復号化され加算回路（１２）の出力
は２００＋１２８−３２８となり、適応制御回路（１５
）において２５６が減算され、７２が出力される。この
結果はすなわち“−１２８”に復号化されて加算回路（
１２）で２００＋　（−１２８）−７２と演算されるこ
とと等価となる。

逆に元信号値が＋２００で予測値が＋７０の場合には、
差信号は＋１３０となり、量子化レベルは＋１２８’が
割り当てられる。復号化回路（１０）では加算回路（１
２）の出力が＋７０＋１２８−１９８となり、２５５以
下であるため適応制御回路（１５）からも１９８で出力
され元信号＋２００との誤差が２として復号化されるこ
とになる。

この一連の動作をフローチャートで示すと第９図、第１
０図のようになる。第９図は予測符号化回路部の動作を
示したものである。予測符号化回路では、まず画像信号
が入力され（ステップｌＸ−１）、その画像信号はＡ／
Ｄ変換器によりデジタル信号りに変換される（ステップ
ｌＸ−２）。

次にそのデジタル信号りと予測値Ｐの差信号５（−Ｄ−
Ｐ）を算出しくステップｌＸ−３）、Ｓの値を判別する
（ステップｌＸ−４）。Ｓの値がＳ≧０の場合は対応す
る量子化値Ｑに量子化され（ステップｌＸ−５）、Ｓ＜
Ｑの場合は対応する量子化値に量子化される（ステップ
ｌＸ−６）。

例えば第１図のような量子化特性のとき、５−−６５の
場合はＱ−１９１に量子化される。最後にその量子化値
に対応する符号化コードに変換を行う（ステップｌＸ−
７）。また、量子化値Ｑを用いて符号値Ｒ（−Ｐ＋Ｑ）
が算出され（ステップｌＸ−８）、その符号値Ｒにより
予測値Ｐが算出される（ステップｌＸ−９）。第１０図
は符号化回路部の動作を示すフローチャート図である。

符号化回路では、まず予測符号化回路から送られた符号
化コードが入力され（ステップＸ−１）、その符号化コ
ードに対応する量子化値Ｑに変換される（ステップＸ−
２）。次に量子化値Ｑと予測値Ｐにより復号値Ｒ（−Ｐ
＋Ｑ）を算出しくステップＸ−３）　、Ｈの判別を行う
（ステップＸ−４）。

Ｒの値がＲ≧２６５の場合はＲの値から２５６を減算す
る（ステップＸ−５）。最後にＲをＤ／Ａ変換器により
アナログ信号に変換する（ステップ（Ｘ−６）。またＲ
により予測値Ｐの算出を行う（ステップＸ−７）。

第７図は、テレビジョン学会で指定されている標準画像
の１つである「花を持つ女性」を第１図の量子化特性と
第３図の量子化特性で符号化復号化の計算機シミュレー
ションを行った時の各画素の原画と復号画像の誤差の平
均２乗誤差（以下、Ｍ　Ｓ　Ｅ　−Ｍｅａｎ　Ｓ　ｑｕ
ａｒｅ　Ｅ　ｒｒｏｒと称する）及び最大誤差を示した
ものである。なお、予測値は符号化すべき標本値の１周
期前の復号値を用いる前値予測方式により求めた例であ
る。ＭＳＥは標本値の符号化前の値と復号後の値の差の
２乗を合計したものを前標本値数で割ったものであり、
最大誤差は標本値の符号化前の値と復号後の値の差の絶
対値の最大のものである。

第５図に示すように第１図の量子化特性で処理すると第
４図の量子化特性で処理する場合と比較してＭＳＥ、最
大誤差共に約２５２６の改善がなされる。

なお、上記実施例では第１図に示す符号化コードを用い
ているが、割り当てるコードは互いに入れかわってもよ
く、また量子化レベルの配分も別の値であってもよく、
また量子化レベル数も３１まで設定せず、２９や２７等
のより小さな値にすることも可能である。

また、上記実施例では、符号化ビット数が４ビツトのの
場合について説明したが符号化ビット数は他のビット数
でもよく、一般にＭビットの入力信号と予測信号との差
分値をＮビットで量子化すＮ＋１− る場合に最大（２１）個の量子化レベルを設定すること
ができる。

その場合は発生し得る差分値＋２Ｍ−１〜−（２Ｍ−１
）の範囲に対して、２Ｎ＋１−１　（−２に＋１）子の
０を中心とする正負に対称な量子化値を大きい順に、Ｘ
　　　Ｘ　　　、Ｘ、２．・・・・・・。

ｋ’　　　ｋ−１ ｘ　　　ｘ　　　ｏ、−ｘ　　　−ｘ　　　・・・’　
　　”ｋ−１’２Ｍ　　　ｌ’　　　　　　　　１　″
　　　　２′−Ｘ　　（但し、ｘｌ、ｘ２．・・・Ｘｋ
は自然数、かる量子化レベルを差分信号値の範囲を、（
２Ｍ−１）〜Ｘ（Ｘ−１）〜Ｘ　　　、　　（Ｘｋ−１
−に’　　　　　ｋ　　　　　　　　ｋ−１゛１）〜Ｘ
　　　・・・、　　（Ｘ　　−１）〜Ｘ２．　（Ｘ２に
−２Ｍ　　　　　　　　３ −１）〜Ｘ　　、　　（Ｘ　　−１）〜−（Ｘｌ−１）
。

−Ｘ　〜−（Ｘ　　−１）、−Ｘ２〜−（Ｘ３−１）、
・・・−Ｘ　　〜−（Ｘ　　−１）−Ｘｋ−１〜−（ｋ
−１ｋ− ２Ｍ−１）毎に設け、 前記量子化特性値０には１つのＮビット符号コードを割
り当て、異符号の量子化特性値Ｘ１．−Ｘ、に対してＸ
　　−（−Ｘ、）−２Ｍを満たす量コ　　　　　　　　
　　ｌ　　　　　　　　量子化特性値Ｘ、、−Ｘｊには
同一のＮビット符号コードを割り当てる量子化特性を設
定すれば良い。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように、従来の１つの符号に１
つの量子化値を割り当てる量子化方式に対し、１つの符
号に２つの量子化値を割り当てることにより量子化レベ
ル数を約２倍に拡張することが可能になり、より効率的
な量子化を行うことができ、例えば画像の急峻な変化に
対しても追随性が良くなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の量子化特性例の説明
図、第２図は本発明にかかる量子化方式を用いた伝送装
置の構成図、第３図は差分信号値と量子化特性値との関
係図、第４図は従来の量子化方式の量子化特性例を示す
図、第５図は従来の量子化方式を用いた伝送装置の構成
図、第６図は従来の量子化方式の差分信号値と量子化特
性例との関係図、第７図は本発明の実施例と従来例との
誤差比較の説明図、第８図は第２実施例の量子化特性図
、第９図は本発明を適用した符号化回路の動作を示す第
１０図は本発明を適用した復号化回路の動作を示すフロ
ーチャート図である。 図において、（１）は画像信号入力端子、（２）はアナ
ログ／デジタル変換回路、（３）は予測符号化回路、（
４）は予測回路、（５）は減算回路、（６）は量子化回
路、（７）は符号化回路、（８）は伝送路、（９）は加
算回路、（１０）は復号化回路、（１１）は符号逆変換
回路、（１２）は加算回路、（１３）は予測回路、（１
４）はデジタル／アナログ変換回路、（１５）は適応制
御回路、（１６）は量子化レベルが増えた量子化回路、
（１７）は量子化レベルが増えた符号逆変換回路、（１
８）は画像信号出力端子である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　弁理士　大　岩　増　雄 （他　２名） 第１図 （入力信号１＋ｆ８ビゾト） 第３図 、！令侶８（正）　　　　　　　　　１分信号（負）第
４図 １１６図 第８図 第９図 ［０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）画像信号等のデジタル入力信号を差分符号化方式
   により圧縮符号化し伝送する方式に用いられ、 Ｍビット（Ｍは自然数）のデジタル入力信号とＭビット
   の予測信号との差分信号をＮビット（Ｎは自然数）に圧
   縮符号化する量子化方式において、発生しうる差分値＋
   ２＾Ｍ−１〜−（２＾Ｍ−１）の範囲に対して、２＾Ｎ
   ＾＋＾１−（＝２ｋ＋１）個の０を中心とする正負に対
   称な量子化特性値を大きい順に、Ｘ＿ｋ、Ｘ＿ｋ＿−＿
   １、Ｘ＿ｋ＿−＿２、……、Ｘ＿２、Ｘ＿１、０、−Ｘ
   ＿１、−Ｘ＿２、…、−Ｘ＿ｋ＿−＿１、−Ｘ＿ｋ（但
   し、Ｘ＿１、Ｘ＿２、…Ｘ＿ｋは自然数、かつ、Ｘ＿ｋ
   ≦２＾Ｍ−２）を設け、それぞれに対応する量子化レベ
   ルを差分信号値の範囲を、（２＾Ｍ−１）〜Ｘ＿ｋ、（
   Ｘ＿ｋ−１）〜Ｘ＿ｋ＿−＿１、（Ｘ＿ｋ＿−＿１−１
   ）〜Ｘ＿ｋ＿−＿２、、（Ｘ＿３−１）〜Ｘ＿２、（Ｘ
   ＿２−１）〜Ｘ＿１、（Ｘ−＿１）〜−（Ｘ＿１−１）
   、−Ｘ＿１〜−（Ｘ＿２−１）、−Ｘ＿２〜−（Ｘ＿３
   −１）、…−Ｘ＿ｋ＿−＿１〜−（Ｘ＿ｋ＿−＿１）、
   −Ｘ＿ｋ＿−＿１〜−（２＾Ｍ−１）毎に設け、 前記量子化特性値０には１つのＮビット符号コードを割
   り当て、異符号の量子化特性値Ｘ＿ｉ、−Ｘ＿ｊに対し
   てＸ＿ｉ−（−Ｘ＿ｊ）＝２＾Ｍを満たす量子化特性値
   Ｘ＿ｉ、−Ｘ＿ｊには同一のＮビット符号コードを割り
   当て、該符号コードを伝送し、復号化時には、前記伝送
   された符号化コードを対応する量子化特性値に復号化す
   る過程においては、量子化特性値Ｘ＿ｉ、−Ｘ＿ｊの２
   つを持つ符号化コードに対しては正（または負）の量子
   化特性値を選択し、予測信号と該選択された量子化特性
   値とを加算し、該加算結果が２＾Ｍ−１以下（又は−（
   ２＾Ｍ−１）以上）の場合には、そのまま加算結果を復
   号化信号とし、加算結果が２＾Ｍ以上（又は−２＾Ｍ以
   下）の場合には、該加算結果から２＾Ｍを減算（又は加
   算）することによって適正な量子化特性を復号化したこ
   とと等価になるように適応処理を行い、 Ｎビット符号で実質的に最大（２＾Ｎ＾＋＾１−１）個
   の量子化レベルを設定したことを特徴とする量子化方式
   。