JPH0133076B2 - - Google Patents

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JPH0133076B2
JPH0133076B2 JP57008825A JP882582A JPH0133076B2 JP H0133076 B2 JPH0133076 B2 JP H0133076B2 JP 57008825 A JP57008825 A JP 57008825A JP 882582 A JP882582 A JP 882582A JP H0133076 B2 JPH0133076 B2 JP H0133076B2
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Shuichi Matsumoto
Yoshinori Hatori
Hitoshi Murakami
Hideo Yamamoto
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Kokusai Denshin Denwa KK
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  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、商用テレビジヨンやテレビ電話のよ
うな画像信号に対し画面中の隣接する画素間に存
在する強い相関を利用して高能率符号化を行なう
予測符号化方式に関するものである。
現在の標準的なテレビジヨンは、１秒間に30枚
送られるフレームと呼ばれる画面より成り立つて
おり、さらに各フレームは、それぞれ１走査線ご
とに飛び越し走査が行なわれている関係から、連
続する２フイールドより成り立つている。また、
画面を構成している要素を“画素”と呼ぶが、こ
こではデイジタル処理を念頭においているので、
標本化された１サンプルを画素と呼ぶことにす
る。従つて、この場合には各画素の画面内での位
置は、信号をデイジタル化する為のサンプリング
周波数に依存することになる。
次に、従来からあるフイールド内予測符号化、
フイールド間予測符号化、及びフレーム間予測符
号化と呼ばれる符号化方式の例についてそれぞれ
説明する。
第１図は、その為の各画素の位置関係を示す為
のものである。今、標本化周波数は水平走査周波
数の整数倍にとつてあるので、各画素は格子状
に、また飛び越し走査の関係で前フイールド中の
ラインは現フイールド中の走査ラインの上下の間
に並んでいることになり、また前々フイールドの
ラインと現フイールドのラインは同じ位置にくる
ことになる。第１図において、画素２は現在の画
素１と同一ライン上左隣りに位置する画素、画素
９，１０は同一フイールド内の２ライン上のライ
ン中でそれぞれ画素１，２の直上に位置する画
素、画素５は同一フイールド内の１ライン上のラ
イン中で画素１の真上に位置する画素、画素１
２，１３は一つ前のフイールドの下のライン中で
それぞれ画素１，２の真下に位置する画素、画素
２３，２６は２つ前のフイールドのそれぞれ画素
１，５と同じ位置に対応する画素である。
この時、すぐ近くに位置するいくつかの画素に
ついてはその標本値の間に互いに強い相関がある
と考えられるので、従来のフイールド内予測符号
化（特願昭51−19600号（特開昭52−102617号）
参照）では、第１図中の画素１の標本値X1の予
測値1をまわりの画素の標本値を用いて、 1＝3/4X2＋X9−3/4X10 (1) として作り、この予測値1と真の値X1との差 Ox＝X1−1 (2) を予測誤差とし、これを量子化して符号化を行な
うことにより、所要伝送ビツト数を少なくて済ま
せるように高能率符号化を行なうことが出来る。
これが従来からあるフイールド内予測符号化方式
である。なお、本説明では、画素２，９，１０の
値を用いて予測値を作成する例を示したが、同一
フイールド中の他の画素を用いて予測値1を作
るフイールド内予測符号化方式も可能である。
また、従来のフイールド間予測符号化（特願昭
51−19599（特開昭52−102616号）参照）は、第１
図中の画素２と１つ前のフイルードの下のライン
中で、画素１，２の真下にそれぞれ位置している
画素１２，１３の標本値を用い、画素１の予測値
Ｘ1を 1＝3/4X2＋X12−３／4X13 (3) として作り、フイールド内予測符号化と同様に予
測値と真の値との差を差分量子化することにより
高能率符号化を行なう方式である。なお、フイー
ルド間符号化においてもフイールド内符号化と同
様に他の前フイールド中の画素を用いたフイール
ド間符号化方式も可能である。
フレーム間予測符号化は、第１図中の画素５と
２つの前のフイールドの画素１，５と同位置にそ
れぞれ対応している画素２３，２６の標本値を用
い画素１の予測値1を 1＝−X5＋X23＋X26 (4) として作り、フイールド内予測符号化と同様に予
測値と真の値との差を差分量子化することにより
高能率符号化を行なう方式である。なお、フレー
ム開符号化においても、フイールド内符号化と同
様に他の前々フイールド中の画素を用いたフレー
ム間符号化方式も可能である。
以上の各符号化方式のうち、フレーム間予測符
号化は、静止している画素に対しては、画素値
X1、X5と画素値X23、X26が画面中近い位置の標
本値に対応するので、互いに相関が高く従つて高
い符号化効率をあげることが出来るが、反面動い
ている画面に対しては、１フレーム期間（1/30
秒）に画面が動いた分だけ点１，５と点２３，２
６は離れた画面中の位置に対応する分だけ相関が
低くなり、従つて動画面に対しては符号化効率を
低下させることになる。
一方、フイールド間予測符号化は、静止してい
る画面に対しては、画素値X1、X2と画素値X12、
X13が画面中の近い位置の標本値に対応するの
で、互いに相関が高く、このため高い符号化効率
を上げることができるが、フレーム間予測符号化
に用いられる画素値X5、X23、X26とX1の相関ほ
ど高くないため、フレーム間予測符号化ほど高い
符号化効率は実現出来ない。動いている画面に対
しては、１フイールド期間（1/60秒）に動いた分
だけ点１，２と１２，１３は離れた画面中の位置
に対応する。従つて、その分だけ相関は低くな
り、符号化効率を低下させることになるが、フレ
ーム間予測符号化ほど符号化効率は低下しない。
また、フイールド内予測符号化は、静止画時に
おいてはフイールド間、フレーム間の各符号化ほ
ど高い符号化効率を上げられない反面、動画像に
対してはテレビカメラの蓄積効果により画面の解
像度が低下し、従つてその分画素相関が高くなる
ことにより符号化効果の上昇を期待することが出
来るという特性を持つている。
以上のような特徴を持つたフイールド内、フイ
ールド間及びフレーム間予測符号化であるが、フ
レーム間予測符号化においては動画時の符号化効
率の低下の為、フイールド間符号化においては静
止画及び動画時の符号化効率の不足の為、フイー
ルド内符号化においては静止画時の符号化効率の
低下の為、いずれも平均して高い符号化効率を示
す符号化装置を実現することが不可能であつた。
以上の点にかんがみ、従来の技術では、次に説
明するような２つの手法が提案されている。
その１つは、静止している画面に対しては、主
としてフレーム間予測符号化あるいはフイールド
間予測符号化を行い、動いている画面に対しては
主としてフイールド内予測符号化あるいはフイー
ルド間予測符号化を行ない安定した符号化効率を
実現するようにした方式である（特願昭56−
13327号（特開57−126811号）参照）。すなわち、
この方式はフレーム間、フイールド間フイールド
内の各予測部より得られる予測値を小さなものか
ら順に並べて中央の大きさに相当する二番目の予
測値を選択し予測符号化を行なう方式である。こ
の方式では、選択された予測値から得られる予測
効率は、選択されなかつた他の２つのものと比べ
て、一番高いが順序としては二番目のものとな
る。従つて、３つの予測関数のうち局所的に少な
くとも２つの予測関数から高い予測効率が得られ
れば、同方式によつてそのどちらかが選択される
ことになり、高い予測効率が期待できる。また、
予測値の選択情報を受信側に特別伝送する必要が
なく、送信側と受信側で同一なアルゴリズムが実
現できるため、各画素ごとにきめ細かな適応制御
が可能となる。しかし、この方式では、静止画時
においてはフレーム間予測符号化方式に比べて符
号化効率は低下し、また動きのゆるやかな画像に
対しては、フレーム間、フイールド間、フイール
ド内の各予測符号化方式から得られる符号化効率
は低くなり結局本方式では高い符号化効率は得ら
れないという欠点がある。
これに対して、もう１つの手法は、画面に対す
るフレーム間予測の符号化効率を改善するため、
画像の局所的な動きをフレーム間で検出するもの
である。すなわち、テレビジヨン画面のフイール
ドを適当なｍ×ｎ個の画素を含むブロツクに分割
すると、画像の動きは、このブロツク内で局所的
に見ればほぼ互いに平行な移動とみなせる。従つ
て、第２図に示すように、１フレーム当り右にａ
画素だけ移動する画像の動きを考えると、画素
Zijの予測値Z^ijをZ^＝yi-a,jとすることにより、従来
の方式におけるZ^ij＝yijとする通常のフレーム間
予測符号化より予測効率をよくすることができ
る。しかし、この手法では局所的な画像の動きを
示す情報を、予測誤差情報とは別にブロツクごと
に受信側に伝送する必要があるため、ブロツクサ
イズの縮小化を図り複雑な画像の動きにも追随さ
せようとすると、伝送レートに占める動き情報の
割合いは高くなつてしまい、等価的に符号化効率
が低下する。また、複雑な動きや激しい動きの画
像に対しては、正しい動き検出が行なえず、視覚
的に目立つブロツク状の画質劣化を生じてしまう
という欠点がある。
本発明は、以上の点にかんがみ、フレーム間予
測符号化に動き検出機能を設け、なおかつきめ細
かなテレビジヨン信号の適応予測符号化を行なう
ことにより、静止画から動きが激しい画像まで安
定した符号化効率を得るとともに画品質の改善を
図ることのできる適応符号化方式を提供するもの
である。
以下、図面により本発明を詳細に説明する。
本発明では、まず第３図に示すように、現フイ
ールドF0の複数画素よりなる符号化すべきブロ
ツクBXとその現フイールドF0の１フレーム前に
位置する前々フイールドF2に、走査線上では前
記符号化すべきブロツクBXと空間的に対応する
位置にブロツクBXと同じ形状の基準ブロツクBS
を設定する。次に、前々フイールドF2内で基準
ブロツクBSを少なくとも一画素単位で上下左右
に移動して得られる各参照ブロツクBr1，Br2…
BrNと前記基準ブロツクBSの中から、前記符号化
すべきブロツクBX中の各画素と輝度の最もよく
似た最近似ブロツクBMを、たとえばフレーム間
差信号の絶対値和をブロツク中で計算することに
より、求める。この和の値が最小となるブロツク
が最近似ブロツクBMとなる。
予測は、符号化すべきブロツクBX中の各画素
に対して行なわれ、最近似ブロツクBMが基準ブ
ロツクBSならばフレーム間予測を行ない、参照
ブロツクBr1，Br2…BrNのいずれかが最近似ブロ
ツクBMである場合には、フレーム間予測部、フ
イールド間予測部、フイールド内予測部から得ら
れる各予測値の大小比較を行ない中央の値に相当
する予測値を選択する。
フレーム間予測定値は、最近似ブロツクBM中
の画素及び現フイールドF0の画素を用いて作成
される。例えば、第３図に示すブロツクBXの最
近似ブロツクBMが参照ブロツクBr1であるとし、
ブロツクBX中の画素X1を予測することを考える。
この時、画素X1のフレーム間予測値F1は、現フ
イールF0の画素X1の一ライン上に位置する画素
X2と最近似ブロツクBM中で画素X1と相対的に同
じ位置に対応する画素Z1及び画素Z1の一ライン上
に位置する画素Z2を用いて F1＝−X2＋Z1＋Z2 (5) として作成される。
なお、最近似ブロツクBM中の画素Z1をそのま
まフレーム間予測値F1として用いることも可能
である。
フイールド内予測値N1とフイールド間予測値
ＸK1は、画素X1と同一フイールド中の隣接する
画素又は現フイールドF0の直前フイールドF1の
画素を用いて、前述した従来の方法と同じように
して作成される。今、最近似ブロツクBMが参照
ブロツクBr1である場合には、画素X1の予測値に
は、フレーム間予測値F1、フイールド間予測値
ＸK1、フイールド内予測値N1の大小比較を行な
い中央の値に相当するものが選ばれる。例えば、
ＸF1＜K1＜N1であれば、フイールド間予測値
がX1の予測値として選ばれることになる。
一般に、テレビジヨン信号の適応予測符号化に
おいては、画像信号の特徴量に基づいて用いる予
測値を決定する方法と、表面的にはこの特徴量に
依存せず結果的に画像信号の局所定な性質に適し
た予測値を選択する方法が挙げられる。
前者の方式では、画像信号の特徴量が正確に検
出できると非常に高い符号化効率が実現できる。
これに対して、後者の方式では、画像信号の特徴
量がどのような場合でも、安定した符号化効率が
実現できるが、正しい特徴量検出が行なえた場合
の前者方式から得られる符号化効率ほど高いもの
は期待できない。
従つて、この両者をうまく組み合わせ、正しい
特徴量検出が行なえた場合には前者方式を用い、
そうでない場合には後者の方式を用いることによ
り、さらに高い符号化効率が実現できることにな
る。
本発明では、この特徴量として画面の動きに注
目し、静止画と判定された場合にはフレーム間予
測値を採用し、それ以外の場合には画面の動き量
を考慮したフレーム間予測値並びにフイールド間
予測値とフイールド内予測値とで大小関係比較か
ら符号化効率が最悪とならない予測値を採用する
ことにより、安定した高い符号化効率が実現でき
る。さらに、ブロツクごとの動き情報の他に、特
別な予測値選択情報を伝送する必要がないため、
きめ細かな適応制御が可能であり、画品質の改善
を図ることが可能である。
第４図は本発明の実施例であつて、１は信号入
力端子、２はブロツク化部、３はブロツクメモ
リ、４は動き検出部、５はフレームメモリ、６は
フイールド内予測部、７はフイール間予測部、８
はフレーム間予測部、９は中央値選択部、１０は
予測モード切換部、１１は減算器、１２は量子化
器、１３は加算器、１４はバツフアメモリ、１５
は信号出力端子である。
デイジタル化されたテレビジヨン信号は、まず
信号入力端子１より入力される。ブロツク化部２
では、この入力端子から（ｍ×ｎ）個の画素より
なるブロツクをつくり、最近似ブロツクが検出さ
れるまでブロツクメモリ３に記憶される。動き検
出部４では、ブロツクメモリ３の出力とフレーム
メモリ５に記憶されている１フレーム前の前々フ
イールドの画素値とをもとにして最近似ブロツク
を検出する。フイールド内予測部６とフイールド
間予測部７では、フレームメモリ５に記憶されて
いる現フイールドと前フイールドの画素値をもと
にして、ブロツクメモリ３に記憶されている画素
値に対する予測値をそれぞれ作成する。フレーム
間予測部８では、動き検出部４で検出された最近
似ブロツクの位置情報をもとにして、フレームメ
モリ５に記憶されている前々フイールドの最近似
ブロツク中の画素値及び現フイールドの画素値を
読み出し、ブロツクメモリ３に記憶されている画
素値に対する予測値を作成する。中央値選択部９
では、フイールド内予測部６、フイールド間予測
部７、フレーム間予測部８から得られたフイール
ド内、フイールド間、フレーム間の各予測値の大
小関係を比較し、中央の値に相当する予測値を選
択する。予測モード切換部１０では、動き検出部
４で検出された最近似ブロツクの位置情報をもと
にして、同情報が基準ブロツクを示しているとき
はフレーム間予測部８から得られる予測値を、参
照ブロツクを示しているときは中央値予測部９か
ら得られる予測値をそれぞれ選択し、ブロツクメ
モリ３から得られる各画素値から減算器１１によ
つて減算され、その結果が量子化器１２で量子化
される。量子化出力は、加算器１３において予測
モード切換部１０からの予測値と加算することに
より局部復号化され、フレームメモリ５に記憶さ
れる。また、同時にバツフアメモリ１４を経て信
号出力端子１５に導かれ、図示しない符号器によ
り所望の符号形式に符号化される。
第５図は、第４図の動き検出部４の具体例であ
つて、Ａ１は演算回路、Ａ２はブロツクメモリ、
Ａ３はアドレス指定回路、Ａ４は比較回路、Ａ５
はメモリであり、１００，１０１，１０２は第４
図と同一な導線部である。この具体例において、
まず、ブロツクメモリ３から送られてきた現フイ
ールドのブロツク中の画素a11，a12，…anoは、
ブロツクメモリＡ２に記憶されている前々フイー
ルドのブロツク中の画素b11，b12，…bnoとによ
つて演算回路Ａ１でフレーム間ブロツク内差分値
の絶対値和の計算が行なわれる。アドレス指定回
路Ａ３では、ブロツクメモリＡ２に記憶されるブ
ロツクのアドレスをフレームメモリ５に対して指
定をし、演算回路Ａ１で計算が終ると、別のアド
レス指定を行なう。比較回路Ａ４とメモリＡ５に
よつて、フレーム間ブロツク内差分値の絶対値和
が最小となる時のアドレス指定量が得られ、この
情報がメモリＡ５に記憶される。
第６図は、第４図の中央値選択部９の具体例で
あつて、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３はレベル比較器、Ｂ
４，Ｂ５，Ｂ６はデコーダ、Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９，
Ｂ１３はOR回路、Ｂ１０，Ｂ１１，Ｂ１２はゲ
ート回路、１０４，１０５は第４図と同一な導線
部である。まず、フイールド内予測部６、フイー
ルド間予測部７、フレーム間予測部８から送られ
てきた３つの予測値は、レベル比較器Ｂ１，Ｂ
２，Ｂ３に入力され、それぞれの大小関係を比較
し、中央値に相当する予測値の情報はデコーダＢ
４，Ｂ５，Ｂ６及びOR回路Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９に
よつてゲート回路Ｂ１０，Ｂ１１，Ｂ１２に送ら
れ、OR回路Ｂ１３によつて中央値に相当する予
測値が得られる。
第７図は、第４図の予測モード切換部１０の具
体例であつて、Ｃ１は検出器、Ｃ２はスイツチ、
１０３，１０５，１０６，１０７は第４図と同一
な導線部である。まず、動き検出部４から送られ
てきた最近似ブロツクの位置情報が基準ブロツク
と参照ブロツクのうちいずれのものかを検出し、
スイツチＣ２を制御する。スイツチＣ２は、ブロ
ツクメモリ３より出力される画素値のすべてが符
号化されるまで切り換えは行なわれない。
以上説明したように、本発明はフレーム間予測
符号化に動き検出機能を設け、さらにフイールド
内、フイールド間の各予測値と合わせてきめ細か
な適応予測を行なうことにより、予測効率が高く
かつ画品質の優れた符号化を実現できるので、テ
レビジヨン信号の高品質、高圧縮の符号化方式に
適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のフレーム間予測符号化、フイー
ルド間予測符号化、フイールド内予測符号化の原
理を説明するための各画素の位置関係を示す図、
第２図は画像が１フレーム時間に移動した場合の
フレーム間予測に有効な従来の方式を説明するた
めの図、第３図は本発明の動画像に対するフレー
ム間動き検出の原理及び予測方式を説明するため
の図、第４図は本発明の実施例を示すブロツク
図、第５図は第４図の実施例に用いられた動き検
出部の構成例を示すブロツク図、第６図は第４図
の実施例に用いられた中央値選択部の構成例を示
すブロツク図、第７図は第４図の実施例に用いら
れた予測モード切換部の構成例を示すブロツク図
である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 入力されるテレビジヨン信号を常時少なくと
    も１フレーム分蓄積しておくだけの容量を有する
    記憶部と、前記テレビジヨン信号から複数の画素
    を含む符号化すべきブロツクを作成するブロツク
    化部と、該ブロツクが属する現フイールドの直前
    のフレームに前記ブロツクと空間的に対応する位
    置に前記直前フレーム中で前記ブロツクと同じ形
    状の基準ブロツクを設定し該基準ブロツクを少な
    くとも一画素単位で移動して得られる各参照ブロ
    ツクと該基準ブロツクに含まれる画素を前記記憶
    部より読み出し前記現フイールドの該ブロツクに
    含まれる各画素の輝度が最も近似した最近似ブロ
    ツクを前記各参照ブロツクと基準ブロツクの中か
    ら１つ選択する動き検出部と、前記現フイールド
    中にある画素を用い前記符号化すべきブロツクに
    含まれる各画素の予測値を作成するフイールド内
    予測部と、前記現フイールド及び直前のフイール
    ド中にある画素を用い前記符号化すべきブロツク
    に含まれる各画素の予測値を作成するフイールド
    間予測部と、前記現フイールドと直前のフイール
    ド及び前記動き検出部より選択された前記符号化
    すべきブロツクの最近似ブロツクに含まれる画素
    とを用い前記符号化すべきブロツクに含まれる各
    画素の予測値を作成するフレーム間予測部と、前
    記３つの予測部から得られる予測値の大小関係を
    比較してその内中央の値をとる予測値を選択する
    中央値選択部と、前記動き検出部から得られる前
    記符号化すべきブロツクの前記最近似ブロツクが
    基準ブロツクである場合にはフレーム間予測部か
    ら得られる予測値を前記最近似ブロツクが参照ブ
    ロツクである場合には前記中央値選択部から得ら
    れる予測値を前記符号化すべきブロツクに含まれ
    る各画素の予測値として採用する予測モード切換
    え部と、前記予測モード切換部から得られる前記
    予測値を用いて前記ブロツク化部で定められる前
    記符号化すべきブロツクを予測符号化する符号化
    部とを備えたテレビジヨン信号の適応予測符号化
    方式。
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