JPH01233891A - ベクトル量子化装置 - 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】 〔概　要〕 画像データの圧縮に関し、 ベクトル量子化演算の筒易化を目的とし、多値中間調画
像信号を複数画素からなるプロ・ツクに分割してベクト
ルを構成し、正規化回路により平均値分離正規化した後
、ベクトル量子化回路において入力ベクトルと予め定め
た少数個のパターンのベクトルとの距離を求め、距１ｉ
ｄｉ最小のパターンのインデックスをもってデータを表
すベクトル量子化において、正規化回路に、入力された
ブロックごとの画像信号の各要素について平均値および
平均偏差を計算する平均値・平均偏差計算手段ト、予め
定めた整数値の平均偏差と計算された平均偏差の比率を
計算する比率計算手段と、画像信号の各要素から平均値
を減算する平均値分離手段と、平均値を減算された画像
信号の各要素に平均偏差の比率を乗算する比率乗算手段
を備え、ベクトル量子化回路は、比率を乗算された画像
信号の各要素を入力として整数型演算により出力ベクト
ルのインデックスを求めるようよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は画像データの処理に係わり、特に多値中間調画
像を蓄積し、若しくは高品質で伝送するため、画素ごと
の階調情報を高能率に符号化し、データ量を圧縮する技
術に関する。

〔従来の技術〕

数値データに比べて情報量が桁違いに大きい画像データ
、特に中間調画像やカラーの画像データを蓄積し、高品
質で伝送するには、画素ごとの階調情報を高能率に符号
化する必要がある。

この課題を解決するための手段として、既にベクトル量
子化（例えば、テレビジョン学会誌Ｖｏ１．３８．Ｎｏ
、５　（１９８４）　　ｒ画像信号のベクトル量子化器
」）が提案されている。

ベクトル量子化は、画像を複数画素からなるブロックに
分割し、ブロックごとにその階調パターンを予め定めた
少数個のパターンのうちの−っで代表させ、その代表さ
れたパターンのインデックスを蓄積または伝送するもの
である。例えば、１画素が２５６階調からなる画像デー
タ中の４×４画素のブロックの階調のパターンを４，０
９６個のパターンのうちの一つで代表させ、そのパター
ンのインデックスで表す。従って、各々が２５６階調の
４×４画素のデータを１２ビツトで表すことができる。

ベクトル量子化の基本的な概念は、次のように定式化さ
れる。

Ｋ次元信号空間Ｒｋにおける大カベクトル五＝（Ｘ　＋
、　Ｘ　２．−、　　Ｘ　Ｋ　）に対し、ＲｋのＮ個の
分割Ｒ１，Ｒ２，−、ＲＮにおいて、部分空間Ｒｉの代
表点である出力ベクトルをＬｉ　＝　（ｙ　ｒｒ、　ｙ
　１２．・・・−、ｙ）とし、ｘｉのセントをＹ　＝　
（Ｌｒ、ｘ２．−、　ｘｕ　）、ｘｉのインデックスセ
ットを　１＝　（１，２，・−５Ｎ）とすると、ベクト
ル量子化Ｑは符号化Ｃと復号化りの、ｍｍ接続として表
される。ここに、アンダラインを付けたのはベクトルを
示す。

Ｑ（入）＝ｚｉ　　　（ｘｅＲｉ　　とする）Ｑ＝Ｄ　
　−Ｃ Ｃ：　ｘ−ｉ　　　　（ｄ　　（ｘ、　ｌｉ）＜　ｄ　
　（ｘ、　、、ｚｊ）とする） Ｄニド→、、Ｌｉ ただし、ｄ（ｘ＋ｚｉ）は歪測度で人出力ベクトル関係
の距離を表す。次のような測度が一般に用いられている
。

二乗全測度　ｄ　（ｘ　、　Ｌｉ） し 絶対値歪測度　ｄ（ム、ｘｉ） ＝〔、Σ　ｌｘｊ　　　ｙｉｊｌ） Ｊ＝１ 画像をベクトル量子化する場合、画像をに画素ごとのブ
ロックに分割し、ブロックごとに入力ベクトルを構成す
ればよい。得られた出力ベクトルのインデックスを蓄積
・伝送することにより、圧縮率は　Ｋ”’ｌｏｇ２　Ｎ
　（ビット／画素）となる。

ベクトル量子化では、画質は出力ベクトルのセットに依
存する。しかるに、階調の分布、階調の変化は画像ごと
に異なるから、予め定めた出力ベクトルセットに対して
統計的性質が大幅に異なる画像では、出力ベクトルのミ
スマツチングが生じ、画質が劣化する欠点があった。

この欠点を解決する方法として、例えばブロックごとに
ブロック内の平均値を分離し、平均偏差で階調を正規化
した後、入力ベクトルを構成する方法が採られていた。

即ち、信号源入力ベクトルを、５Ｎ＝（Ｓｌ、Ｓｌ、−
・、ＳＫ）とし、ベクトル量子化器への入力ベクトル（
以下、単に入力ベクトルと呼ぶ）を、Ｘｉ　＝　（ｘ＋
、　ｘ２．−’、　　ｘＫ　）とすると、ｘｊ　　＝　
　（Ｓｊ　　−μｌ）／σｉこの変換によって、入力ベ
クトルに対して、拘束条件 がかかり、入力ベクトル数が減少し、汎用的な出力ベク
トルセットが得やすくなる。

上記の平均値分離正規化ベクトル量子化では、入力ベク
トル基が、最小歪となる出力ベクトルＬｉにベクトル量
子化された後、次式で画信号を復元する。

ｆｆ１ｉ　＝σｒ−ｙｉｊ＋μＩ ｇｘ　＝　（Ｓｌ、Ｓ２．・・・、Ｓｒ）第５図は、従
来技術によるベクトル量子化の符号器と復号器の構成例
を示す図である。本例では、画素当たり２５６階調（８
ビ・ノド／画素）を持つ多値画像を、４×４画素プロ・
ツクごとに全探索型で１６次元のベクトル量子化を行う
場合について示している。

まず、第５図（ａｌの符号器の動作について説明する。

端子３から４×４画素ごとの画像信号Ｓｌが、ベクトル
として入力される。画像信号ＳＩは、平均値分離正規化
回路１で平均値μＩおよび平均偏差σＩが求められ、前
述の正規化　ｘｊ　＝　（Ｓｊ−μｌ）／σｌ　が行わ
れる。平均値分離正規化回路１からは、平均値μＩ、平
均偏差σＩおよび正規化信号ベクトルＸ’ｌが出力され
る。

次ぎに、正規化信号ｘｊ（ｊ・１，２．・−・、１６）
は、レジスタ２０にセットされ、レジスタ２２にセット
される出力ベクトルの各要素ｙｉｊ（ｊ・１．２．・−
・、１６）と、それぞれ減算器２３ａ、　２３ｂ、・−
９２３ｃを用いて差分が求められる。２４ａ、　２４ｂ
、−、２４ｃは二乗回路で、これらの差分の二乗が求め
られ、さらに回路２５でその総和としての二乗誤差が求
められる。回路２６は最小値検出回路であり、回路２０
で求めた入力ベクトルと種々の出力ベクトルとの二乗誤
差のうちから、以下のようにして、最小のものを選び、
そのインデックスをコードブックのアドレスカウンタ２
８よりレジスタ２７にラッチする。即ち、二乗誤差最小
の出力ベクトルを選ぶため、コードブックアドレスカウ
ンタ２８を０から全インデックスを走査するまでカウン
トアツプする。カウンタ２８をカウントアツプするごと
に、出力ベクトルのコードブック２１からは、対応する
インデックスの出力ベクトルが出力されて、レジスタ２
２にセントされ、レジスタ２０中の入力ベクトルと二乗
誤差が求められる。従って、最小値検出回路２６は、全
出力ベクトルが走査されるまで、今まで走査した出力ベ
クトルの最小歪を記憶しておき、逐次最小歪を更新し、
インデックスをレジスタ２７にラッチしていけば、全出
力ベクトルの中から最小歪を選ぶことができ、最小歪の
出力ベクトルインデックスがレジスタ２７に得られる。

符号器では、得られた平均値μｌ、平均偏差σ２、およ
び最小歪の出力ベクトルインデックスを、可変長符号器
２９で符号化して端子４より出力する。

次ぎに、第５図（ｂ）の復号器の動作について説明する
。

端子６から入力された符号化データは、可変長復号器５
０で平均値μＩ、平均偏差σｌ、および最小歪の出力ベ
クトルインデックスｉとして復号される。インデックス
ｉはレジスタ５１にラッチされ、これが出力ベクトルコ
ードブックメモリ５２にアドレスとして加えられ、対応
する出力ベクトル−Ｙｉが出力される。この出力ベクト
ルＹｉ　は、レジスタ５３にセットされ、再生回路５４
に入力される。再生回路５４には、このほかに先に求め
た平均値μｌ、平均偏差σｌも入力されており、これら
の値から復元画像信号≦１＝ｙｉｊ・σｌ＋μ２がブロ
ックごとに再生され、端子７より出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の平均値分離正規化ベクトル量子化では、汎用性の
ある出力ベクトルセットを得ることができるが、入力ベ
クトルの各成分が正規化されるため、出力ベクトルセッ
トの生成や歪計算に浮動小数点演算が必要となる欠点が
あった。

ベクトル量子化の符号化においては、入力ベクトルに対
して最小歪の出力ベクトルを探索するため、入力ベクト
ル当たり最低でも１０数回の歪計算が必要であり、実際
の使用においては画像全体で膨大な回数の浮動小数点演
算を高速に実行する必要があった。或いは、浮動小数点
形式の代わりに固定小数点形式でこれらの演算を行う場
合、そのままでは値の分布するダイナミックレンジに対
して、データのビットが有効に配分されないという問題
があった。

即ち、出力ベクトルコードブソク２１．５２に浮動小数
点形式で出力ベクトルを持つと共に、回路２３〜２４に
おける二乗誤差計算および平均値分離正規化回路１、再
生回路５４において、浮動小数点の演算が必要であった
。

本発明が解決しようとする課題は、このような従来の問
題点を解消したベクトル量子化回路を提供することにあ
る。

第１図は、本発明のベクトル量子化装置の原理ブロック
図を示す。

図において、１は正規化回路であり、２はベクトル量子
化回路である。

１１は平均値・平均偏差計算手段であり、入力されたブ
ロックごとの画像信号の各要素について平均値および平
均偏差を計算する。

１２は比率計算手段であり、予め定めた整数値の平均偏
差と計算された平均偏差の比率を計算する。

１３は平均値分離手段であり、画像信号の各要素から平
均値を減算する。

１４は比率乗算手段であり、平均値を減算された画像信
号の各要素に平均偏差の比率を乗算する。

〔作　用〕

本発明は、平均値分離正規化後、入力ベクトルの各成分
のとるダイナミックレンジが非常に小さくなるという性
質に着目し、これを整数値にスケーリングするようにし
たものである。

そのため、予め出力ベクトルとして所定の整数値の平均
偏差を持つ組を求めておき、入力されたブロックごとの
画像信号について、平均値・平均偏差計算手段１１にて
平均値および平均偏差を計算し、比率計算手段１２が前
記の所定の整数値の平均偏差と計算された平均偏差の比
率を求め、平均値分離手段１３により画像信号から平均
値を減算し、比率乗算手段１４によって平均値分離され
た画像信号に前記の比率を乗算して、ベクトル量子化回
路２への入力ベクトルとするものである。

例えば、画素当たり２５６階調を持つ画像信号（８ビッ
ト／画素）をベクトル量子化する場合について説明する
。

従来技術では平均値分離後平均偏差で正規化して入力ベ
クトルとするため、入力ベクトルの全要素に対して、 、Σ１ｘｊｌ／に＝１　　の拘束条件はかかるが、」・
１ 各要素のダイナミックレンジについては、特に規定して
いなかった。

本発明では、平均値分離後、例えば平均偏差σ０が所定
の整数値４２になるようにスケーリングして出力ベクト
ルを求めておく。これにより、９９．８％が３σ＝１２
８の範囲に入るので（標準偏差ではなく平均偏差である
から厳密にはそうはならないが、はぼこれを満足する）
、平均値分離・平均偏差正規化後の入力ベクトルのほと
んどの要素は、−１２８〜１２７の範囲に入り、入力ベ
クトルの各要素は８ビツトで表せるようになる。また、
上記範囲を越える要素については、数が非常に少ないの
で、最大レベル１２７または最小レベル−１２８で表し
ても画質に影響は与えない。

次ぎに、以上のようにして求めた出力ベクトルセ・７ト
を用いてベクトル量子化する場合は、ブロックごとの画
像信号から平均値分離した後に求めた平均偏差σｌと出
力ベクトルセントの平均偏差σ０との比率σ０／σｌを
求め、この比率を平均個分　離後の画像信号に乗する。

この操作により作成された入力ベクトルは、平均偏差σ
０を持ち、各要素は８ビツトのダイナミックレンジをフ
ルに分布するようになる。

このため、整数型演算で歪計算を行っても、十分な精度
が得られる。入力ベクトルの各要素は、ｘｊ’＝　（Ｓ
ｊ−μＩ）・σ０／σＩ　と表すことができる。

本発明では、ブロック単位の符号化情報は、平均値μＩ
、平均偏差の比率σ０／σｌ、および出力ベクトルのイ
ンデックスｉとなる。

ブロック単位の符号化情報から再生画像信号堂ｊを復号
するには、出力ベクトルｉの各要素ｙｉｊから、下記の
操作によって求めることができる。

５ｊ＝ｙｉｊ／（σ０／σＩ）十μｌ 〔実施例〕 以下第２図〜第４図に示す実施例により、本発明をさら
に具体的に説明する。

第２図は、本発明の一実施例の構成を示す図である。

第２図（ａ）は、ベクトル量子化の符号器を示し、（ｂ
ｌは復号器を示す。

第２図において、第５図に示した従来技術によるものと
構成が異なるのは、１゛の正規化回路と、５４゛　の再
生回路である。

正規化回路ｌ゛は、従来技術では平均偏差σＩを出力す
るのに対し予め定めた整数値の平均偏差と入力ベクトル
の平均偏差の比率σ０／σｌを出力することと、従来技
術では平均値分離したベクトル要素ｘ　１．　ｘ　２．
−・−１ｘＨを出力するのに対し平均値分離した後比率
σ０／σＩを乗算したＸＩＺｘ２゛、・・・　ｘＨ“を
出力する。

再生回路５４°は、従来技術では平均偏差σｌを入力し
ているのに対し、前記の比率σ０／σｌを入力する。

本実施例のベクトル量子化装置の他の構成要素は従来技
術のそれと同様であるが、異なるところは、■出力ベク
トルコードブック２１’、　５２°が整数値を要素とす
る出力ベクトルを格納すること、■二乗歪を計算する回
路２３ａ’、　２３ｂ’、　２３ｃ’、　２４ａ’。

２４ｂ’、　２４ｃ’が整数型演算回路であることであ
る。

上記のごとく、本実施例の構成は正規化回路ｌ゛と再生
回路５４゛を除いて同様であるので、動作説明は省略し
、正規化回路ｌ°および再生回路５４′について説明す
る。

第３図は、本実施例の正規化回路の構成を示す図である
。以下、その動作を説明する。

（１１端子３から入力されたブロックごとの画像信号５
ｊ（ｊ・１，２．−・−９１６）をパイプラインレジス
タ１０１に格納する。

（２）パイプラインレジスタ１０１から読み出した画像
信号Ｓｊから平均値計算回路１１１において平均値を求
める。

（３）次ぎに、再度パイプラインレジスタ１０１から画
像信号Ｓｊを読み出し、減算器１３１において、画像信
号Ｓｊから平均値を差し引き、求めた値Ｓｊ′をパイプ
ラインレジスタ１３２に一時格納する。

（４）同時に平均偏差計算回路１１２において、平均値
を差し引いた信号Ｓｊ゛から平均偏差を求める。

平均偏差は、 （５）除算器１２１により、予め定めた整数値の平均差
σ０と、求めた平均偏差σｌとの比率σ０／σＩを求め
る。

（６）パイプラインレジスタ１３２から平均値を差し引
いた信号Ｓｊ“を読み出し、求めた平均偏差の比率σ０
／σｌを乗じて、入力ベクトルの各要素ｘｊ゛を求める
。

本正規化回路ｌ°の出力は、平均値σｌ、平均偏差の比
率　σｏ　／　ｄ　Ｉおよび入力ベクトルの各要素ｘｊ
’（ｊ＝１．２．−．１６）となる。

第４図は、本実施例における再生回路のベクトル−要素
分の構成を示す図である。以下、その動作を説明する。

（１１除算器５３１において、出力ベクトルの要素ｙ　
ｉｊ’を平均偏差比率σ０／σｅで割られる。

（２）加算器５３２において、除算器５３１の除算結果
に平均値μｌが加算され、再生画像信号　≦゛　＝ｙｉ
ｊ’／（σ０／σｌ）十μ！　を出力される。

実施例では出力ベクトルコードプラク中の全てのベクト
ルとの歪測度を求めて最小歪測度の出力ベクトルを探索
する全探索型のベクトル量子化回路について説明したが
、出力ベクトルセットを木構造に構成し入力ベクトルと
の歪測度の小さい節点を逐次辿って探索する木探索型に
ついても、本発明を適用して歪計算を整数型で行えるこ
とは勿論である。

また、入力ベクトルと出力ベクトルの歪測度として二乗
誤差を用いる場合について説明したが、各要素ごとの差
分絶対値の総和や、要素ごとの差分絶対値の最大値など
を用いることもできる。また、正規化回路においては平
均偏差を求め、平均偏差の比率を求めたが、これを標準
偏差を求め標準偏差の比率を求めるように改めてもよい
。

さらに、本発明は画像信号の平均値分離正規化後のベク
トル量子化に限らず、画像信号の予測誤差（例えば、電
子通信学会論文誌（Ｂ）　、Ｊ７０−８，３．１９８７
年３「画像の予測誤差ベクトル量子化法」）にも同様に
適用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、正規化された入力ベ
クトルのベクトル量子化に必要な多量のベクトル間歪計
算を整数型でおこなうことが可能となり、回路を簡単化
でき、高速処理が可能となり、データ処理効率の向上に
寄与する効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、 第２図は本発明の一実施例の構成を示す図、第３図は本
発明の一実施例における正規化回路の構成を示す図、 第４図は本発明の一実施例における再生回路の構成を示
す図、 第５図は従来例によるベクトル量子化装置の構成を示す
図である。 図面において、 １．１”は正規化回路、２はベクトル量子化回路、３．
４．６．７は端子、２０．２２．５３はレジスタ、２１
、２１°、　５２．５２’は出力ベクトルコードブソク
、２３ａ、　２３ａ’、２３ｂ、　２３ｂ’、２３ｃ、
　２３ｃ’　は減算器、２４ａ、　２４ａ’、２４ｂ、
　２４ｂ’、２４ｃ、　２４ｃ’　は二乗回路、２５、
２５’　は加算器、　　　２６は最小値検出回路、２７
、５１はランチ回路、　　２８はアドレスカウンタ、２
９は可変長符号器、　　　５０は可変長復号器、５４、
５４’　は再生回路、 １０１、１３２はパイプラインレジスタ、１１１は平均
値計算回路、 １１２は平均偏差計算回路、 １２１、５３１は除算器、　　　１４１は乗算器、５３
２は加算器、 をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 多値中間調画像信号を複数画素からなるブロックに分割
   してベクトルを構成し、正規化回路１により平均値分離
   正規化した後、ベクトル量子化回路２において入力ベク
   トルと予め定めた少数個のパターンのベクトルとの距離
   を求め、距離最小のパターンのインデックスをもってデ
   ータを表すベクトル量子化において、 正規化回路１に、 入力されたブロックごとの画像信号の各要素について平
   均値および平均偏差を計算する平均値・平均偏差計算手
   段（１１）と、 予め定めた整数値の平均偏差と計算された平均偏差の比
   率を計算する比率計算手段（１２）と、画像信号の各要
   素から平均値を減算する平均値分離手段（１３）と、 平均値を減算された画像信号の各要素に平均偏差の比率
   を乗算する比率乗算手段（１４）を備え、ベクトル量子
   化回路（２）は、比率を乗算された画像信号の各要素を
   入力として整数型演算により出力ベクトルのインデック
   スを求めるようよう構成したことを特徴とするベクトル
   量子化装置。