JPH058909B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は画像信号の伝送時間を短縮する、ある
いは蓄積記憶容量を削減するための画像信号符号
化装置、復号化装置、およびその方法に関する。

（従来の技術） 多値画像（例えば１画素8bit，256レベル）に
対するデータ圧縮方式には情報保存型の符号化と
情報非保存型の符号化がある。情報保存型の符号
化とは符号化の過程に量子化を含まないものをさ
し、符号化・復号化の処理によつて原画像とまつ
たく同一の画像を再生することが可能であるが、
高い圧縮率は得られない。一方情報非保存型の符
号化とは符号化の過程でなんらかの量子化処理を
含むものをさし、符号化・復号化の処理によつて
再生画像は量子化雑音を含み、画品質の劣化をと
もなうが高い圧縮率が得られる。情報非保存型の
符号化の場合には一般に量子化歪（Ｓ／Ｎ比）と
データ圧縮率（情報量）の関係で評価されるが、
良好なＳ／Ｎ比対情報量の関係を実現するひとつ
の方式として直交変換後の変換係数をベクトル量
子化する方式がある。この方式の代表的なものと
して離散コサイン変換ベクトル量子化（DCT−
VQ）が知られている。（参考文献(1)：「離散コサ
イン変換ベクトル量子化（DCT−VQ）」相澤、
原島、宮川、テレビジヨン学会誌Vol.39，No.10，
1985年，P920〜925）この方式は画像信号に離散
コサイン変換（DCT）を施してからベクトル量
子化を行うことにより、ベクトル量子化の対象と
して画像に対して共通の統計的性質を利用できる
ため汎用性の高いベクトル量子化器を設計できる
という特徴をもつている。DCT−VQ方式では画
像を縦ｎ画素、横ｎ画素のブロツク（ｎ×ｎ画
素）に分割し、このブロツク単位にDCT変換を
行ない、得られたｎ×ｎの変換係数をベクトル量
子化する。この場合例えばｎ＝８とすると１ブロ
ツク内の変換係数の数は64となり、これをひとつ
のベクトルとして64次元のベクトル量子化を行う
ことは符号化処理時間の増大、ベクトル量子化に
おける代表ベクトルを入れるコードブツクのメモ
リー容量の増大につながり、実現が難かしい。そ
こでDCT−VQ方式では８×８の変換係数を第２
図のように複数のバンドに分割し、ひとつのバン
ドに入る変換係数でひとつのベクトルを作つてい
る。（ベクトル数14）この方法によりベクトルの
次元（ベクトル内の成分数）は最高でも８となり
実現が容易となる。

（発明が解決しようとする問題点） 第２図のバンドの分け方は次の２点を考慮して
決めたものである。

(1) ベクトル内の成分の分散が大きく異なる場
合、ベクトル量子化による一様な情報割り当て
は効率が悪い。

(2) DCT変換係数の分散値の大きさは一般に低
次の係数から高次の係数へかけてほぼ等方的で
ある。

ただしこの２番面の性質が成り立つのは画像の
平坦部やブロツク内の画像に方向性（縦、横、斜
め等）をもつたエツジ成分がない場合である。ブ
ロツク内の画像が縦、横、斜め方向のエツジを含
んでいる場合には第３図に示すように、大きな値
をもつ変換係数の分布がそれぞれ次のように異な
る。（第３図の画像領域の斜線部はエツジの方向
を、変換領域の斜線部は大きな値の変換係数を含
む部分を示す） Γ 縦方向にエツジ成分がある場合には低次から
横方向に大きな変換係数が発生する（第３図
ａ）。

Γ 横方向にエツジ成分がある場合には低次から
縦方向に大きな変換係数が発生する（第３図
ｂ）。

Γ 斜め方向にエツジ成分がある場合には低次か
ら斜め方向に大きな変換係数が発生する（第３
図ｃ）。

このため方向性のあるエツジ成分を含んだ画像
ブロツクに対するDCT変換係数に第２図のバン
ドの分け方を実行すると、ベクトル内の成分の分
散値が大きく異なりベクトル量子化による一様な
情報割り当ては効率が悪くなる。またこの結果高
い圧縮率を実現する場合には復号画像のエツジ部
にぼけが生じる。本発明はこの従来技術の問題点
をDCT変換係数の値の大きさの分布に従つてな
るべくベクトル内成分の分散値が等しくなるよう
にバンドの分け方を適応的に切り替えることによ
つて解決するものである。

なお第３図に示した画像領域と変換領域の関係
については参考文献(2)に詳しく述べられている。
（参考文献(2)“ゾーンを適応化した直交変換符号
化方式”宮原、田中、堀田、中川、テレビジヨン
学会誌Vol.39，No.10，1985，pp898−904） （実施例） 以下図面を参照して、本発明の実施例を説明す
る。第１図ａは本発明の画像信号符号化復号化方
法を実現する符号化装置の一例を示すブロツク図
であり、第１図ｂは復号化装置の一例を示すブロ
ツク図である。

以下の説明では直交変換として２次元の離散コ
サイン変換を用いているが、アダマール変換等他
の直交変換を用いることも可能である。

まず符号化装置においては、画像信号はブロツ
ク読み出し部１によつてDCT変換を行うブロツ
ク単位に読み出される。例えば１画素当り8bitの
画像信号を縦８画素、横８画素の計64画素を１ブ
ロツクとして読み出される。読み出された１ブロ
ツク分の画像信号１０はDCT変換部２で２次元
の離散コサイン変換が行なわれ、８×８個の
DCT変換係数11が計算されるる。

このDCT変換係数11はカテゴリー分析部３に
おいて大きな係数値がどこに存在するかで４つの
カテゴリーに分類され対応するカテゴリー番号12
に出力される。ここでカテゴリー１は第３図ａに
対応し、低次から横方向に大きな係数が分布する
場合、カテゴリー２は第３図ｂに対応し、低次か
ら縦方向に大きな係数が分布する場合、カテゴリ
ー３は第３図ｃに対応し、低次から斜め方向に大
きな係数が分布する場合、カテゴリー４は特に方
向性のないブロツクに対応し、低次に大きな係数
が分布する場合である。次にカテゴリー分析部３
におけるカテゴリー番号の求め方を説明する。第
４図ａ〜ｄにマスクパターン蓄積部４に蓄積され
るマスクパターンの一例を４種類示す。

カテゴリー分析部３ではマスクパターンを１〜
４までひとつづつ読み出し、マスクパターン内の
１に対応する位置の変換係数の絶対値の総和を１
の数で割つた値Ki（１に対応する位置の変換係数
の絶対値平均）を各マスクパターンｉ（ｉ＝１〜
４）に対して求め、この値の最大値に対応するマ
スクパターンの番号ｉをカテゴリー番号12として
出力する。各マスクパターン内の１の位置は各カ
テゴリーにおける大きな係数値が分布する位置に
対応するため、この分析方法を用いることにより
変換係数の値の分布によるカテゴリー分析が可能
になる。

第４図の各マスクパターンでDC成分を０とし
ているのは、DC成分はエツジの方向性に無関係
であり、カテゴリー分析に用いるKiの計算から
はずすべきだからである。

他のカテゴリー分析の方法としては変換係数に
対してあらかじめあるスレシヨルド値Ｔを設定
し、各カテゴリー毎にマスクパターンが１である
位置でかつスレシヨルド値Ｔよりも大きな絶対値
をもつ変換係数の個数を求め、もつもこの個数が
多くなるカテゴリーを選ぶこともできる。

さらにあらかじめ各カテゴリー毎に代表的な１
ブロツク分の変換係数Fk（ｉ，ｊ）（ｋはカテゴ
リー番号、（ｉ，ｊ）はブロツク内の位置を示す）
を定めてマスクパターン蓄積部４にマスクパター
ンのかわりにこの代表変換係数を蓄積させ、入力
された変換係数Ｇ（ｉ，ｊ）と各カテゴリーの代
表変換係数との距離をそれぞれ求め、この距離の
最も小さいカテゴリーを選択することもできる。
カテゴリーｋに対する距離L_kの求め方の一例を
次式に示す。

L_k＝ 〓 ｉ 〓 ｊ√｛（，）−（，）｝² 代表変換係数の求め方としては、あらかじめ複数
のテスト画像を用いてブロツク単位のDCT変換
係数をブロツク内の変換係数の数を次数としたベ
クトル（８×８のブロツクならば64次元のベクト
ル）としてトレーニングシーケンスを作り、これ
からベクトル量子化のコードブツク作成の手法を
用いてカテゴリー数分の代表ベクトルを求め、こ
れを代表変換係数とすることができる。

次にバンド分割部５においてDCT変換係数11
がカテゴリー番号12に従つて複数のバンドに分割
され各バンドに含まれる交換係数を成分とするベ
クトル13が生成される。バンドテーブル蓄積部６
には各カテゴリーに対応してそれぞれなるべく等
しい分散値をもつ変換係数がひとつのバンドの中
に含まれるようにして決められたバンドテーブル
が蓄積されている。カテゴリー１〜４に対応する
バンドテーブルの一例を第５図ａ〜ｄに示す。バ
ンドテーブル内の各数値は対応する位置の変換係
数が属するバンドの番号を表わす。バンドテーブ
ル１は横方向にバンドが分割され、バンドデーブ
ル２は縦方向に、バンドテーブル３は左上から右
下方向に、バンドテーブル４は右上から左下方向
にバンドが分割されている。これらは各カテゴリ
ーに属する変換係数の値の分布に一致している。
バンドΦはDCT変換におけるDC成分のみを含む
バンドである。

バンド分割部５ではカテゴリー番号12に従つて
対応する番号のバンドテーブルをバンドテーブル
蓄積部６から読み出し、バンド番号の順番に、バ
ンドテーブルで同一バンド番号をもつ位置に対応
するDCT変換係数11を選び出し、それらを成分
とするひとつのベクトル13としてベクトルを生成
しベクトル量子化器７へ送る。例えば第５図から
カテゴリー１バンド番号２に対応するベクトルの
次元は８である。

コードブツク蓄積部８には各カテゴリー内のさ
らに各バンド毎にそれぞれ対応してあらかじめ最
適に設計されたコードブツク蓄積されている。コ
ードブツクとはベクトル量子化における代表ベク
トル（最終的に出力されるベクトル）の集まりで
ある。例えばカテゴリー１には第５図に示すよう
にバンド０〜８に対応して９つのコードブツクが
あらかじめ用意されている。ベクトル量子化器７
ではカテゴリー番号12とバンド分割部５から入力
されるベクトルのハンド番号（バンド分割部５か
らは先に述べたようにバンドの番号順にベクトル
が送られるのでベクトル量子化器７では入力され
たベクトルのバンド番号を知ることができる。）
から対応するコードブツクをコードブツク蓄積部
８から読み出し、この中の複数の代表ベクトルの
中から最も入力ベクトルとの距離が短いものを選
び出し、その代表ベクトルにつけられた番号をベ
クトルインデツクス１４として出力する。

コードブツクの作り方としては多くのテスト画
像から選んだベクトル、あるいは各係数の分布
（例えばラプラス分布）を仮定して発生させたベ
クトルをトレーニングシーケンスとしてLBGア
ルゴリズム（参考文献(3)：「アンアルゴリズムフ
オーベクトルクオンタイザーデザイン（An
Algorithm for Uector Quantizer Design）」）
Ｙ Linde，A.Buzo，R.M.Gray，IEEE
Trans.，COM−28，１，pp.84−95，Jan.，
1980）を用いて設計することができる。また各コ
ードブツクの中の代表ベクトルの数Ｍ＝2^mはトレ
ーニングシーケンスから求めた各カテゴリー内の
各バンドに含まれる成分の分散値と達成目標の圧
縮率とから適切な値をあらかじめ決めておくこと
ができる。（参考文献(1)） カテゴリー分析部５で求められたカテゴリー番
号12とベクトル量子化器７で求めれたベクトルイ
ンデツクス１４は符号化部９で符号化され符号１
５が出力される。符号として等長符号を用いた場
合、カテゴリー数が４ならば１ブロツク毎にカテ
ゴリー番号を2bitで符号化することができる。ま
たベクトルインデツクスは各カテゴリー、各バン
ド毎に割当てbit数が異あなり、対応するコード
ブツクの代表ベクトル数をＭとして（log₂Ｍ）
bitで符号化される。

さらに各カテゴリー番号、各ベクトルインデツ
クスの発生頻度にかたよりがある場合にはハフマ
ン符号等の不等長符号を用いることにより、符号
量を削減することができる。

次に第１図ｂのブロツク図に従つて復号化装置
の説明を行う。上記符号化装置から受け取とつた
符号１５は復号化部２０で復号されカテゴリー番
号31とベクトルインデツクス３２が出力される。
これはそれぞれ第１図ａのカテゴリー番号12、ベ
クトルインデツクス１４と同一のものである。次
にベクトル逆量子化器２１では復号されたカテゴ
リー番号31と逆量子化を行うべきベクトルのバン
ド番号（各ブロツク毎にバンド番号の順番にベク
トルが符号化されて送られてくるので、バンド番
号はベクトル逆量子化器２１の中で発生できる）
とから対応するコードブツクをコードブツク蓄積
部から読み出し、このコードブツクの中の代表ベ
クトルの中から復号されベクトルインデツクスで
示される代表ベクトルを復号ベクトル３３として
出力する。復号化装置のコードブツク蓄積部２２
の中のコードブツクは符号化装置におけるコード
ブツク蓄積部８の中のコードブツクと同一であ
る。

ブロツク合成部２３ではカテゴリー番号31に従
つてバンドテーブル蓄積部２４から対応するカテ
ゴリーのバンドテーブルを読み出し、入力される
復号ベクトルをバンド番号の順にバンドテーブル
で示されるブロツク内の対応する位置に配置して
いく。１ブロツク内の全ベクトルの復号と配置が
終つた時点で１ブロツク分の復号変換係数34がブ
ロツク合成部２３から出力される。

復号化装置のバンドテーブル蓄積部２４に蓄積
されるハンドテーブルは符号化装置におけるバン
ドテーブル蓄積部６に蓄積されるバンドテーブル
と同一のものである。逆DCT変換部では１ブロ
ツク単位に復号変換係数を逆DCT変換し、１ブ
ロツク分の復号画像３５を順次出力する。ブロツ
ク単位の復号画像信号３５は最後にブロツク書込
み部２６を通して画像蓄積装置やプリンター等の
画像出力装置に出力される。

以上の説明においてはカテゴリーの数は４個と
して説明したがもつと増やすことも、逆に２つ程
度に減らすこともできる。ブロツクサイズも８×
８として説明したが別のサイズを用いてもさしつ
かえない。本実施例ではベクトル量子化は単に入
力ベクトルと近い代表ベクトルをみつけるだけで
あつたが、各カテゴリーの各バンド毎にベクトル
成分の平均的な分散値から正規化係数を求めこの
正規化係数でベクトル各成分を割つてからベクト
ル量子化し、復号化装置では逆ベクトル量子化し
た後にベクトル各成分に正規化係数をかけて復号
ベクトルを求めることもできる。（参考文献(1)）
ただしこの場合には正規化係数を各カテゴリーの
各バンド毎に付加情報として符号化する必要があ
る。

さらに本実施例では各カテゴリー内の各バンド
毎に使用するコードブツク内の代表ベクトルの数
Ｍ＝2^m（ｍはベクトルに対するbit配分数を示す）
はあらかじめ一定に定めていたが、圧縮する画像
によつて、また目標の圧縮率によつて適応的に切
り替えることもできる。

この方法としてはあらかじめ各カテゴリー、各
バンド毎に代表ベクトル数を変えて複数のコード
ブツクを用意しておき、圧縮する画像を各カテゴ
リー、各バンド毎に分割した場合のバンド内の各
ベクトル成分の平均分散値と目標圧縮率からどの
コードブツクを用いるかを適応的に切り変えるも
ので、これについては参考文献(1)に「最適bit配
分」として詳細に述べられている。この方法を用
いた場合には各カテゴリー、各バンド毎に用いた
コードブツク内の代表ベクトルの数（あるいはこ
の数を表現するbit数）を付加情報として符号化
する必要がある。

また以上述べた正規化処理、適応的なベクトル
へのbit配分をさらに適切に行うために、各カテ
ゴリー毎にそれに含まれるブロツクをさらにブロ
ツク内AC成分の二乗和に従つて複数（例えば４
つ）のクラスに分け、このクラス毎に正規化係
数、bit配分を切り替える方式も可能である。こ
の場合にはブロツク毎にカテゴリー番号に加えて
クラス番号を付加情報として符号化する必要があ
る。このクラス分けの詳細については次の参考文
献(4)に述べられている。（参考文献(4)：「アダプテ
イブコーテイングオブモノクロームアンドカラー
イメーシズ（Adaptive coding of monochrome
and color imagers）」，アイ・イー・イー・イ
ー・トランザクシヨンズ オン コミユニケーシ
ヨンズ（IEEE TRANSACTIONS ON
COMMUNICATIONS）誌、1977年11月号、
1285〜1292頁） 最後にDCT変換係数の中のDC成分（バンド
Φ）は他のバンドとは別に一様量子化することも
できる。（例えば8bitの一様量子化） 以上の説明においては画像信号として特に規定
はしていないが、多値の白黒画像、RGBの各カ
ラー成分画像、Ｙ，Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙ等の輝度、色
素信号はすべてこの画像信号の中に含まれる。

さらにテレビジヨン信号等の動画像におけるフ
レーム間差分信号においても適用でき、十分な効
果を得ることができる。フレーム間差分信号につ
いては文献(5)に詳細に述べられている。（参考文
献(5)「テレビジヨンバンドウイドスコムプレツシ
ヨントランスミツシヨンバイモーシヨンコムペン
セイテイドインターフレームコーデイング
（Televicion Bandwith Compression
Transmission by Motion−compensated Inter
−frame Coding）」，ア イ・イー・イー・イ
ー・コミユニケーシヨンマガジン（IEEE
Communication Magagine）誌、1982年11月号
24〜30頁） （発明の効果） 以上述べたように本発明の画像信号の符号化方
法および符号化復号化装置を用いることにより、
直交変換係数をブロツク毎にその変換係数の大き
さの分布に従つて複数のカテゴリーに分割し、カ
テゴリー毎に異なるバンド分けを実現し、効率の
よいベクトル量子化が可能となる。

これにより強い方向性をもつた画像に対しても
エツジ部分のぼけの発生を軽減し、かつ圧縮効率
の高い圧縮伸張処理を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の符号化装置の一実施例を示
すブロツク図、第１図ｂは復号化装置の一実施例
を示すブロツク図、第２図は従来の方式のバンド
分けを示す図、第３図ａ，ｂ，ｃは画像領域と変
換領域の関数を示す図、第４図ａ〜ｄはカテゴリ
ー分析に用いるマスクパターンの一例を示す図、
第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄはバンドテーブルの一例を
示す図である。 図において、１……ブロツク読み出し部、２…
…DCT変換部、３……カテゴリー分析部、４…
…マスクパターン蓄積部、５……バンド分割部、
６，２４……バンドテーブル蓄積部、７……ベク
トル量子化器、８，２２……コードブツク蓄積
部、９……符号化部、２０……復号化部、２１…
…ベクトル逆量子化器、２３……ブロツク合成
部、２５……逆DCT変換部、２６……ブロツク
書込み部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送信側では複数の画素からなるブロツク単位
   で画像信号を読み出し、該ブロツク単位に直交変
   換を施して複数の変換係数を求め、該ブロツク内
   の複数の変換係数の大きさの分布に従つて該ブロ
   ツク単位に複数のカテゴリーのいずれかに分類し
   てカテゴリー番号を発生し、該カテゴリー番号
   と、各カテゴリー毎に異なるあらかじめ定められ
   たブロツク内のバンド分割テーブルとに従つて該
   ブロツク内の変換係数を複数のバンドに分割して
   複数のベクトルを発生し、該カテゴリー番号と、
   各カテゴリー各バンド毎にあらかじめ定められた
   コードブツクとに従つて該複数のベクトルをベク
   トル量子化して複数のベクトルインデツクスを発
   生し、該カテゴリー番号と該複数のベクトルイン
   デツクスを符号化して符号を発生し、受信側では
   該符号を入力して該カテゴリー番号と該複数のベ
   クトルインデツクスを復号し、復号された該カテ
   ゴリー番号と、各カテゴリー各バンド毎にあらか
   じめ定められた該コードブツクとに従つて復号さ
   れた該複数のベクトルインデツクスを逆ベクトル
   量子化して複数の復号ベクトルを発生し、復号さ
   れた該カテゴリー番号と、各カテゴリー毎に異な
   るあらかじめ定められたブロツク内の該バンド分
   割テーブルとに従つて該複数の復号ベクトルを配
   置して複数の復号変換係数から成るブロツクを合
   成し、該ブロツク内の複数の復号変換係数を逆直
   交変換して該ブロツクの復号画像信号を発生し、
   該復号画像信号をブロツク単位に出力する画像信
   号符号化復号化方法。 ２ 複数の画素からなるブロツク単位で画像信号
   ろ読み出す手段と、該ブロツク単位に直交変換を
   施して複数の変換係数を求める手段と、該ブロツ
   ク内の複数の変換係数の大きさの分布に従つて該
   ブロツク単位に複数のカテゴリーのいずれかに分
   類してカテゴリー番号を発生する手段と、該カテ
   ゴリー番号と、各カテゴリー毎に異なるあらかじ
   め定められたブロツク内のバンド分割テーブルと
   に従つて該ブロツク内の変換係数を複数のバンド
   に分割して複数のベクトルを発生する手段と、該
   カテゴリー番号と、各カテゴリー各バンド毎にあ
   らかじめ定められたコードブツクとに従つて該複
   数のベクトルをベクトル量子化して複数のベクト
   ルインデツクスを発生する手段と、該カテゴリー
   番号と該複数のベクトルインデツクスを符号化す
   る手段を有することを特徴とする画像信号符号化
   装置。 ３ 複数の画素からなるブロツク単位で画像信号
   を読み出し、該ブロツク単位に直交変換を施して
   複数の変換係数を求め、該ブロツク内の複数の変
   換係数の大きさの分布に従つて該ブロツク単位に
   複数のカテゴリーのいずれかに分類してカテゴリ
   ー番号を発生し、該カテゴリー番号と、各カテゴ
   リー毎に異なるあらかじめ定められたブロツク内
   のバンド分割テーブルとに従つて該ブロツク内の
   変換係数を複数のバンドに分割して複数のベクト
   ルを発生し、該カテゴリー番号と、各カテゴリー
   各バンド毎にあらかじめ定められたコードブツク
   とに従つて該複数のベクトルをベクトル量子化し
   て複数のベクトルインデツクスを発生し、該カテ
   ゴリー番号と該複数のベクトルインデツクスを符
   号化して符号を発生する画像信号符号化装置から
   符号を入力し、該符号から該カテゴリー番号と該
   複数のベクトルインデツクスを復号する手段と、
   復号された該カテゴリー番号と、各カテゴリー各
   バンド毎にあらかじめ定められた該コードブツク
   とに従つて復号された該複数のベクトルインデツ
   クスを逆ベクトル量子化して複数の復号ベクトル
   を発生する手段と、復号された該カテゴリー番号
   と、各カテゴリー毎に異なるあらかじめ定められ
   たブロツク内の該バンド分割テーブルとに従つて
   該複数の復号ベクトルを配置して複数の復号変換
   係数から成るブロツクを合成する手段と、該ブロ
   ツク内の複数の復号変換係数を逆直交変換して該
   ブロツクの復号画像信号を発生する手段と、該復
   号画像信号をブロツク単位に出力する手段を有す
   ることを特徴とする画像信号復号化装置。