JPH0678281A - 動画像符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 画像の符号量と同時に画像の量子化誤差も
制御し、符号化効率の優れた動画像符号化装置を提供す
る。 【構成】 符号量計測手段２０は、バッファ１４から、
画像の符号量と、バッファ占有量の上限及び下限とを計
測する。量子化誤差計測手段２１は、量子化手段１２の
入力と出力とから、画像の量子化誤差を計測する。量子
化制御手段２２は、量子化誤差計測手段２１で計測され
た実測量子化誤差が所定の量子化誤差となるように、量
子化手段１２に与える量子化ステップ幅ｈを制御し、ま
た符号量計測手段２０からの実測符号量が所定の符号量
となるよう、前記所定の量子化誤差を更新する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マルチメディアコンピ
ュータ等に使用され、動画像の符号化を行う蓄積用等の
動画像符号化装置、特に動画像の符号化品質の向上及び
符号量の制御方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、動画像の符号化方式、特に蓄積用
動画像の符号化方式としては、例えば次のような文献に
記載された方式がよく用いられている。 文献；安田浩著「マルチメディア符号化の国際標準」
（平３−６) 丸善（株）、Ｐ．１２７−１５６ 図２は、前記文献に記載された従来の蓄積用動画像符号
化方式における画像グループの構成図である。この画像
グループは、Ｎ枚の画像を１つのグループとし、そのグ
ループがイントラフレームと呼ばれる画像内符号化画像
Ｉと、インターフレームと呼ばれる前方予測符号化画像
Ｐと、インターポレートフレームと呼ばれる双方向予測
符号化画像Ｂとで、構成されている。インターフレーム
Ｐは、該画像の前方のイントラフレームＩあるいはイン
ターフレームＰを用いて該画像を予測し、予測誤差信号
を符号化するものである。インターポレートフレームＢ
は、該画像の前方のイントラフレームＩあるいはインタ
ーフレームＰ、及び後方のイントラフレームＩあるいイ
ンターフレームＰを用いて、双方向から該画像を予測
し、予測誤差信号を符号化するものである。

【０００３】図３は、前記文献等に記載された従来の蓄
積用動画像符号化装置の一構成例を示すブロック図であ
る。この動画像符号化装置は、現画像、及び現画像を予
測するための参照画像を入力する入力端子１，２，３
と、符号化された画像データを出力する出力端子４とを
有し、その入力端子１，２，３に動き補償付き予測手段
１０が接続されている。

【０００４】動き補償付き予測手段１０は、次のような
機能を有している。即ち、イントラフレームＩの入力画
像に対して、そのまま出力する。インターフレームＰの
入力画像に対し、時間的に前のイントラフレームＩある
いはインターフレームＰを用いて、該インターフレーム
画像をＭ×Ｍのブロック単位で予測し、現画像と入力画
像の差分（予測誤差）を出力する。また、インターポレ
ートフレームＢの入力画像に対し、時間的に前方及び後
方のイントラフレームＩあるいはインターフレームＰを
用いて、双方向から該画像をＭ×Ｍのブロック単位で予
測し、予測誤差信号を出力する。この動き補償付き予測
手段１０の出力側には、直交変換手段１１、量子化手段
１２、符号化手段１３、バッファ１４、及び出力端子４
が縦続接続されている。直交変換手段１１は、動き補償
付き予測手段１０から入力された差分画素をＮ×Ｎのブ
ロックに分割し、離散余弦変換（以下、ＤＣＴという）
等の直交変換方法を用いて該画像をブロック毎に変換
し、その変換結果を量子化手段１２へ出力する機能を有
している。量子化手段１２は、与えられた量子化ステッ
プ幅ｈに基づき、直交変換手段１１で直交変換された画
像ブロックの出力を量子化し、その量子化された画像デ
ータを符号化手段１３へ出力するものである。

【０００５】符号化手段１３は、量子化手段１２で量子
化された画像データを、例えばゼロデータの個数と非ゼ
ロデータのレベルを複合したハフマン符号化法等で、可
変長符号化し、その符号化された画像データをバッファ
１４へ出力する機能を有してる。バッファ１４は、例え
ばファーストイン・ファーストアウト（以下、ＦＩＦＯ
という）メモリで構成され、符号化された画像データを
一時格納し、ＦＩＦＯの法則に従って一定のビットレー
トで出力端子４へ出力する機能を有している。バッファ
１４には、符号量計測手段１５を介して量子化制御手段
１６が接続され、その量子化制御手段１６の出力側が量
子化手段１２に接続されている。符号量計測手段１５
は、バッファ１４の占有量から、符号化された画像デー
タを所定の数ブロック単位でその符号量ｂ_r を計測し、
量子化制御手段１６へ与えるものである。量子化制御手
段１６は、符号量計測手段１５より入力される実測符号
量ｂ_r と、予め画像に応じて割当てられた割当て符号量
ｂ_a とを比較し、該実測符号量ｂ_r が割当て符号量ｂ_a
に一致するように、量子化手段１２に与える量子化ステ
ップ幅ｈを制御する機能を有している。

【０００６】次に、図３の動作を説明する。一般的に、
符号化すべき画像が図２に示す順序で入力端子１，２，
３に入力され、符号化される。現画像がイントラフレー
ムＩの場合、該画像が入力端子１より入力される。現画
像がインターフレームＰの場合、該画像が入力端子１よ
り入力され、該画像を予測するための時間的に直前のイ
ントラフレームＩあるいはインターフレームＰが入力端
子２より入力される。現画像がインターポレートフレー
ムＢの場合、現画像が入力端子１より入力され、該現画
像の時間的に直前のイントラフレームＩあるいはインタ
ーフレームＰが入力端子２より入力され、時間的に直後
のイントラフレームＩあるいはインターフレームＰが入
力端子３より入力される。

【０００７】動き補償付き予測手段１０では、入力端子
１より入力されるイントラフレームＩに対してそれをそ
のまま出力する。また、入力端子１より入力されるイン
ターフレームＰに対し、現画像のＭ×Ｍのブロックに分
割し、それぞれのブロックに対して入力端子２より入力
される前方予測画像を用いて例えばパタンマッチング法
で動きベクトルを検出し、前画像の現画像ブロックの位
置から、動きベクトル分動いた所の同サイズのブロック
を、現画像ブロックの予測画像ブロックとし、現画像ブ
ロックと該現画像ブロックの予測画像ブロックとの差分
を出力する。また、動き補償付き予測手段１０では、入
力端子１より入力されるインターポレートフレームＢに
対し、前記と同様に、Ｍ×Ｍのブロックに分割し、そし
て入力端子２より入力される前方予測画像及び入力端子
３より入力される後方予測画像から、それぞれ前記と同
様の方法で、予測画像ブロックを選出し、現画像ブロッ
クと前方予測画像ブロックとの差分ブロックと、現画像
ブロックと後方予測画像ブロックとの差分ブロックと、
現画像ブロックと前方後方両予測画像ブロックの平均と
の差分ブロックとを求め、これらの３種類の差分ブロッ
クのそれぞれの自乗和から、最も小さいものの差分ブロ
ックを、現画像ブロックの予測誤差信号として出力し、
直交変換手段１１へ送る。直交変換手段１１では、動き
補償付き予測手段１０から入力された差分画像をＮ×Ｎ
のブロック（例えば、Ｎ＝８）に分割し、それぞれのブ
ロックに対して、例えば次式（１）のＤＣＴ等の直交変
換方法を用いて直交変換し、変換された画像ブロックを
量子化手段１２へ送る。

【０００８】

【数１】 この（１）式におけるＣ（ｕ），Ｃ（ｖ）は、次式
（２）で表される。

【０００９】

【数２】 量子化手段１２では、量子化制御手段１６より与えられ
る量子化ステップ幅ｈに基づき、直交変換手段１１から
入力された画像ブロックを、例えば次式（３）に従って
量子化する。

【００１０】

【数３】 この量子化された画像データは、次の表１のジグザグの
順序に従って符号化手段１３へ送られる。

【００１１】

【表１】 符号化手段１３では、量子化手段１２からブロック単位
で入力された量子化データを、連続するゼロの数（以
下、ゼロラン長という）と、それに続く非ゼロの値（以
下、レベルという）とを複合し、例えば図４及び図５の
ようなゼロラン・レベル複合符号例に示すような符号で
複合化し、その符号化された画像データをバッファ１４
へ送る。なお、図４において、最後のビット“ｓ”はレ
ベル（ＬＥＶＥＬ）の正負を示す。即ち、“０”は正、
“１”は負を示す。また、図３以外のラン（ＲＵＮ）及
びＬＥＶＥＬの組合わせについては、６ビットのＥＳＣ
ＡＰＥ符号、６ビットのＲＵＮ及び８ビットのＬＥＶＥ
Ｌからなる２０ビットにより符号化される。バッファ１
４は、符号化手段１３から不規則なビットレートで入力
される符号化された画像データを一旦格納し、ＦＩＦＯ
の法則で、一定のビットレートで出力端子４へ出力す
る。符号量計測手段１５では、バッファ１４から、１ブ
ロック単位あるいは数ブロック単位で該バッファ１４の
符号量ｂ_r を計測し、量子化制御手段１６へ出力する。
量子化制御手段１６では、符号量計測手段１５から入力
される１ブロック単位あるいは数ブロック単位の実測符
号量ｂ_r と、画像の予測方式に応じて与えられた同ブロ
ック数の割当て符号量ｂ_a とから、量子化手段１２に与
える量子化ステップ幅ｈを次式（４），（５）より求め
る。 Ｂ（ｎ）＝Ｂ（ｎ−１）＋（ｂ_r −ｂ_a ） ・・・（４） ｈ（ｎ）＝ｆ（ｎ−１）＋Ｂ（ｎ）／ｋ ・・・（５） 但し、ｋ；定数 ここで、（５）式の定数ｋは、バッファ１４の容量及び
量子化ステップ幅ｈの取りうる範囲によって決まる。例
えば、バッファ１４の容量を１２０Ｋビットとし、量子
化ステップ幅ｈが２〜６２までとすると、ｋ＝２０００
近傍が適切である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の蓄積用動画像符号化装置では、バッファ１４の符号
量のみを制御しているので、次の画像の符号化品質がそ
れまでの画像の符号量に左右れさる。そのため、前の画
像符号量が予定より多くなると、次の画像に割当てる符
号量が少なくなり、画像の品質が下がる。逆に、前の画
像の符号量が少ないと、次の画像の符号量が増え、品質
が良くなる。このように画像の品質に上下変動を生じる
と、符号化効率が低下する。その上、従来の装置では、
画像の性質に応じて符号化の最適化を図ることが困難で
あった。本発明は、前記従来技術が持っていた課題とし
て、符号化効率が低いという点について解決し、画像の
符号量と同時に、画像の量子化誤差も制御することによ
って符号化効率の優れた動画像符号化装置を提供するも
のである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、前記課題
を解決するために、イントラフレーム、インターフレー
ム、及びインターポレートフレームの３種の符号化画像
のうち、該イントラフレームの入力画像に対してそのま
ま出力し、該インターフレーム及びインターポレートフ
レームの入力画像に対し、該画像をＭ×Ｍ（但し、Ｍ；
正の整数）のブロック単位で予測して予測画像を作り、
現画像と該予測画像との差分画像を出力する動き補償付
き予測手段と、前記動き補償付き予測手段の出力画像を
Ｎ×Ｎ（但し、Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該
ブロック毎に直交変換する直交変換手段と、与えられた
量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段の出力を量
子化する量子化手段と、前記量子化手段の出力を符号化
する符号化手段と、前記符号化手段の出力を一時格納
し、一定のビットレートで出力するバッファとを、備え
た動画像符号化装置において、次のような手段を設けて
いる。

【００１４】即ち、本発明では、前記バッファの内容に
基づき、画像の符号量を計測すると共にバッファ占有量
の上限及び下限を計測する符号量計測手段と、前記量子
化手段の入力及び出力から、画像の１ブロック数、ブロ
ックあるいは１画像全体の量子化誤差を計測する量子化
誤差計測手段と、前記量子化誤差計測手段及び符号量計
測手段の出力に基づき、前記計測された画像の量子化誤
差が所定の量子化誤差となるよう、かつ前記計測された
符号量から求めた画像のグループ平均符号量が所定の符
号量となるように、該所定の量子化誤差、及び前記量子
化手段に与える量子化ステップ幅を制御する量子化制御
手段とを、設けている。第２の発明では、第１の発明の
量子化制御手段を、入力される前記イントラフレーム及
びインターフレームに対して、その設定量子化誤差が前
のイントラフレームあるいはインターフレームの設定量
子化誤差以上となるよう、かつ入力される前記インター
ポレートフレームに対して、その設定量子化誤差が予測
に用いられる前後のイントラフレームあるいはインター
フレームの時間的に近い方の設定量子化誤差より大きく
なるように、前記量子化ステップ幅を制御する構成にし
ている。第３の発明では、第１の発明の量子化制御手段
を、入力される前記インターフレームの量子化誤差が、
前方の予測に用いられるイントラフレームあるいはイン
ターフレームの量子化誤差のα倍（但し、１≦α≦２）
となるよう、入力される前記インターポレートフレーム
の量子化誤差が、予測に用いられる前方あるいは後方の
近い方のイントラフレームあるいはインターフレームを
量子化誤差のβ倍（但し、１≦β≦２）となるように、
前記量子化ステップ幅を制御する構成にしている。

【００１５】第４の発明では、第１の発明と同様の動き
補償付き予測手段と、直交変換手段と、量子化手段と、
符号化手段と、バッファとを備えた動画像符号化装置に
おいて、次のような手段を設けている。即ち、本発明で
は、前記バッファの内容に基づき、画像の符号量を計測
すると共にバッファ占有量の上限及び下限を計測する符
号量計測手段と、前記現画像と、前記動き補償付き予測
手段から出力される該現画像の予測画像とから、画像の
統計的性質を算出する統計性質算出手段と、前記算出さ
れた画像の統計的性質に基づいて、画像グループにおけ
る平均符号量が所定の符号量となるよう、かつ画像の平
均量子化誤差が最も小さくなるように、該画像グループ
内のそれぞれの画像に割当てる最適符号量を算出する符
号量決定手段と、前記符号量計測手段及び符号量決定手
段の出力に基づき、前記量子化手段に与える量子化ステ
ップ幅を制御する量子化制御手段とを、設けている。

【００１６】第５の発明では、第４の発明の符号量決定
手段を、前記インターフレームの量子化誤差が、予測に
用いられる前方のイントラフレームあるいはインターフ
レームの量子化誤差以上となるよう、また前記インター
ポレートフレームの量子化誤差が、予測に用いられる前
方または後方のイントラフレームあるいはインターフレ
ームの量子化誤差より大きくなるように設定し、前記最
適割当て符号量を求める構成にしている。第６の発明で
は、第５の発明の符号量決定手段を、前記画像の統計的
性質を予め数種類想定し、それらに対して前記最適割当
て符号量を算出し、前記統計性質算出手段から実画像の
統計的性質の情報が入力されると、該想定画像性質によ
って算出された最適割当て符号量から該統計的性質の情
報に最も対応しているものを選出する構成にしている。
第７の発明では、第６の発明の符号量決定手段を、入力
される前記インターフレームの量子化誤差を、前方の予
測に用いられるイントラフレームあるいはインターフレ
ームの量子化誤差のα倍とを設定し、入力される前記イ
ンターポレートフレームの量子化誤差を、予測に用いら
れる前方あるいは後方の近い方のイントラフレームある
いはインターフレームの量子化誤差のβ倍と設定し、各
画像に割当てる最適符号量を算出する構成にしている。

【００１７】

【作用】第１の発明によれば、以上のように動画像符号
化装置を構成したので、符号量計測手段では、バッファ
から、画像の符号量及びバッファ占有量の上限及び下限
を計測してその計測結果を量子化制御手段へ送る。量子
化誤差計測手段は、量子化手段の入力と出力から、画像
の量子化誤差を計測し、その計測結果を量子化制御手段
へ送る。量子化制御手段では、符号量計測手段からの実
測符号量が所定の符号量となるように、所定の量子化誤
差を更新する。そして、量子化制御手段は、符号量計測
手段で計測された実測量子化誤差が、前記所定の量子化
誤差となるように量子化ステップ幅を変え、量子化手段
の量子化を制御する。

【００１８】第２の発明によれば、量子化制御手段は、
入力される画像グループに応じて量子化手段に与える量
子化ステップ幅を制御する。第３の発明によれば、量子
化制御手段は、入力される画像グループの量子化誤差に
応じて、量子化手段に与える量子化ステップ幅を制御す
る。第４の発明によれば、符号量計測手段は、バッファ
から、画像の符号量及びバッファ占有量の上限及び下限
を計測し、その計測情報を量子化制御手段へ送る。統計
性質算出手段では、画像の入力及び動き補償付き予測手
段の出力より、画像の統計的性質を算出し、その情報を
符号量決定手段へ送る。符号量決定手段は、算出された
画像の統計的性質に基づき、それぞれの画像に割当てる
最適な符号量を決定し、量子化制御手段へ送る。量子化
制御手段では、符号量計測手段及び符号量決定手段の出
力に基づき、量子化ステップ幅を変え、量子化手段の量
子化を制御する。第５の発明によれば、符号量決定手段
は入力される画像グループの量子化誤差に応じて最適割
当て符号量を求める。第６の発明によれば、符号量決定
手段は、画像の統計的性質に基づき最適割当て符号量を
算出し、統計性質算出手段から実画像の統計的性質の情
報が入力されると、前記算出された最適割当て符号量か
ら該統計的性質の情報に最も対応しているものを算出
し、高速に符号量の決定を行う。第７の発明によれば、
符号量決定手段は、入力される画像グループに応じて量
子化誤差を設定し、各画像に割当てる最適符号量を算出
する。従って、前記課題を解決できるのである。

【００１９】

【実施例】第１の実施例 図１は、本発明の第１の実施例を示す蓄積用動画像符号
化装置の構成ブロック図であり、従来の蓄積用動画像符
号化装置を示す図３中の要素と共通の要素には共通の符
号が付されている。この動画像符号化装置は、従来の図
３と同一の動き補償付き予測手段１０、直交変換手段１
１、量子化手段１２、符号化手段１３、及びバッファ１
４を備えている。バッファ１４には符号量計測手段２０
が接続されると共に、量子化手段１２の入力側及び出力
側には量子化誤差計測手段２１が接続され、さらにそれ
らの符号量計測手段２０及び量子化誤差計測手段２１の
出力側に量子化制御手段２２が接続され、該量子化制御
手段２２が量子化手段１２に接続されている。

【００２０】符号量計測手段２０は、バッファ１４の内
容に基づき、画像の符号量ｂ_r を計測すると共に、該バ
ッファ１４の占有量の上限及び下限を計測し、それらの
情報を量子化制御手段２２へ与える機能を有している。
量子化誤差計測手段２１は、直交変換手段１１から量子
化手段１２へ与えられる入力Ｘ（ｉ）と、該量子化手段
１２から符号化手段１３への出力Ｙ（ｉ）とに基づき、
量子化誤差ＭＳＥを計測し、計測した量子化誤差ＭＳＥ
を量子化制御手段２２へ与えるものである。量子化制御
手段２２は、実測された量子化誤差ＭＳＥが所定の量子
化誤差となるように量子化手段１２に与える量子化ステ
ップ幅ｈを制御し、また実測された符号量ｂ_r が所定の
割当て符号量となるように、該所定の量子化誤差を更新
する機能を有している。

【００２１】次に、図１に示す動画像符号化装置の動作
を説明する。符号化対象となる画像が図２に示す順序で
入力端子１，２，３に入力されると、従来と同様に、動
き補償付き予測手段１０で差分画像等が求められ、その
差分画像等が直交変換手段１１で直交変換され、量子化
ステップ幅ｈに基づき量子化手段１２で量子化され、符
号化手段１３で符号化された後、バッファ１４へ送ら
れ、該バッファ１４から符号化された画像データが一定
のビットレートで出力端子４へ出力される。符号量計測
手段２０では、バッファ１４の内容に基づき、１画像単
位の符号量ｂ_r を計測し、量子化制御手段２２へ送ると
同時に、該バッファ１４の占有量が上限あるいは下限を
越えているか否かをチェックし、上限あるいは下限を越
えたときにその情報を量子化制御手段２２へ送る。量子
化誤差計測手段２１では、量子化手段１２の入力Ｘ
（ｉ）及び出力Ｙ（ｉ）に基づき、例えば次式（６）よ
り、量子化誤差ＭＳＥを算出し、量子化制御手段２２へ
送る。

【００２２】

【数４】 （６）式において、Ｎは１ブロック、あるいは数ブロッ
ク、あるいは１画像とすることができる。量子化制御手
段２２では、１つの画像グループ内のイントラフレーム
Ｉ及びインターフレームＰに対して、その量子化誤差Ｍ
ＳＥが入力順に、次式（７）のように、前のイントラフ
レームＩあるいはインターフレームＰの量子化誤差ＭＳ
Ｅのα倍（α≧１）となるように、かつ、（ｉ−１）番
目とｉ番目のイントラフレームＩあるいはインターフレ
ームＰの間にあるインターポレートフレーム（時間的
に、ｉ番目のイントラフレームＩあるいはインターフレ
ームＰの直後に入るインターポレートフレーム）Ｂに対
して、（ｉ−１）番目のイントラフレームＩあるいはイ
ンターフレームＰに近いインターポレートフレームＢの
量子化誤差ＭＳＥがＭＳＥＰ（ｉ−１）のβ倍（β＞
１）、ｉ番目のイントラフレームＩあるいはインターフ
レームＰに近いインターポレートフレームＢの量子化誤
差ＭＳＥがＭＳＥＰ（ｉ）のβ倍となるように、量子化
誤差を設定し、量子化手段１２に与える量子化ステップ
幅ｈを制御する。 ＭＳＥＰ（ｉ）＝ＭＳＥＰ（ｉ−１）・α ・・・（７） 但し、α；係数 量子化ステップ幅ｈの制御方式としては、例えば次のよ
うな方法がある。量子化誤差計測手段２１から入力され
る量子化誤差ＭＳＥと、所定の量子化誤差ＭＳＥ（ｉ）
とから、量子化手段１２に与える量子化ステップ幅ｈ
（ｎ）を次式（８）のように算出する。

【００２３】

【数５】 但し、符号量計測手段２０から、バッファ１４の占有量
が上限あるいは下限を越えたという情報が入力される
と、無条件に、量子化ステップ幅を最大値ｈ_max あるい
は最小値ｈ_min にする。ここで、１グループ内のイント
ラフレームＩの数をＮ_i 、インターフレームＰの数をＮ
_P 、及びインターポレートフレームＢの数をＮ_b ＝２
（Ｎ_i ＋Ｎ_P ）とすると、グループ内の平均量子化誤差
ＭＳＥが次式（９）のように求まる。従って、それぞれ
の画像の量子化誤差ＭＳＥＰ（１），ＭＳＥＰ（ｉ），
ＭＳＥＢ（ｉ）が次式（１０）〜（１２）となる。

【００２４】

【数６】

【数７】 量子化制御手段２２では、さらに、符号量計測手段２０
から与えられた各画像の符号量ｂ_r からグループ平均符
号量ｂ_ave を算出し、該平均符号量ｂ_ave が所定の符号
量ＢＲ（＝伝送ビットレート）となるように、平均量子
化誤差ＭＳＥを次式（１３）のように更新し、そして、
更新された該平均量子化誤差ＭＳＥを用いて各画像の設
定量子化誤差ＭＳＥＰ（ｉ），ＭＳＥＢ（ｉ）を前記
（１１），（１２）式のように算出する。

【００２５】

【数８】 なお、（８）式及び（１３）式において、定数ｋ及びｒ
は制御の性質を左右するもので、この定数Ｋ及びｒを小
さくすると、制御は緩やかになるが、感度も下る。これ
に対し、定数Ｋ及びｒを大きくすると、制御は迅速かつ
敏感になるが、上下変動が激しくなる可能性がある。必
要に応じて定数Ｋ及びｒを変更することが可能である。
また、（９）式〜（１２）に式における係数α及びβ
は、符号化の効率を左右するものである。つまり、現画
像と予測画像の差分に、画像の変動分と予測画像の量子
化誤差ＭＳＥが含まれている。よって、予測の精度及び
予測誤差の大きさは、予測に用いられる画像の量子化誤
差ＭＳＥに左右される。予測用画像の量子化誤差ＭＳＥ
を小さくすれば、予測の精度が上がり、予測誤差も小さ
くなって符号化効率も良くなる。

【００２６】一方、現画像の予測誤差信号に、予測画像
の量子化誤差ＭＳＥも含まれているので、現画像の量子
化誤差ＭＳＥを予測画像の量子化誤差ＭＳＥ以下にする
には、多くの符号量が必要で、符号化効率が低減する。
よって、予測画像の量子化誤差ＭＳＥを小さくすれば、
現画像の予測誤差も小さくなり、少ない符号量でも、量
子化誤差ＭＳＥを小さく抑えることができ、高い符号化
効率が実現できる。従って、イントラフレームＩ及びイ
ンターフレームＰ等の予測に用いられる画像に対して
は、なるべく量子化誤差ＭＳＥを小さくし、かつ、入力
順に徐々に大きくし（α＞１）、インターポレートフレ
ームＢに対しては、予測に用いられる画像よりも大きい
量子化誤差ＭＳＥを割当てれば（β＞１とする）、高い
符号化効率が得られる。係数αとβの値は、画像の性質
に左右されるが、テレビジョン画像等の自然画像では、
シミュレーションにより、α＝１．０７、γ＝１．３２
近傍の値を用いることで、最も良い符号化効率が得られ
ることが確認できた。

【００２７】図６は、代表的なテレビジョン画像から、
統計的性質を抽出し、図１に示す動画像符号化装置にお
ける符号化効果をシミュレーションした結果である。こ
の図において、横軸ＤＬＴＢは−ｌｏｇ₂ βを示し、縦
軸ＢＩＴ₋ＲＡＴＥはＭＳＥ＝０．０５×画像の分散時
の平均符号量を示し、パラメータＤＬＴＰは−ｌｏｇ₂
αを示す。図６からも分かるように、ＤＬＴＰ＝−０．
１（α＝１．０７）、及びＤＬＴＢ＝−０．４（β＝
１．３２）のとき、平均符号量が最小となる。以上のよ
うに、この第１の実施例では、図２のようなイントラフ
レームＩ、インターフレームＰ及びインターポレートフ
レームＢから構成される画像グループの符号化を行う際
に、量子化誤差計測手段２１から出力されるそれぞれ画
像の量子化誤差ＭＳＥを、符号化効率が最も良くなるよ
うに量子化制御手段２２で制御するようにしたので、最
も効率の良い符号化が実現できる。

【００２８】第２の実施例 図７は、本発明の第２の実施例を示す蓄積用動画像符号
化装置の構成ブロック図であり、第１の実施例を示す図
１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されてい
る。この動画像符号化装置は、第１の実施例と同様の動
き補償付き予測手段１０、直交変換手段１１、量子化手
段１２、符号化手段１３、バッファ１４、及び符号量計
測手段２０を備えている。そして、動き補償付き予測手
段１０の出力側には統計性質算出手段３０が接続され、
その出力側に符号量決定手段３１が接続され、さらにそ
れらの符号量決定手段３１及び符号量計測手段２０の出
力側に量子化制御手段３２が接続されている。

【００２９】統計性質算出手段３０は、入力端子１から
の入力画像と動き補償付き予測手段１０から出力された
予測画像とに基づき、画像の統計的性質を算出し、その
統計的性質の情報を符号量決定手段３１へ与える機能を
有している。符号量決定手段３１は、画像の統計的性質
の情報に基づき、それぞれの画像に割当てる最適な符号
量を決定し、その決定結果を量子化制御手段３２へ与え
るものである。量子化制御手段３２は、符号量計測手段
２０に及び符号量決定手段３１の出力に基づき、量子化
手段１２に与える量子化ステップ幅ｈを制御する機能を
有している。

【００３０】次に、動作を説明する。符号化対象となる
画像が図２に示す順序で入力端子１，２，３に入力され
ると、第１の実施例と同様に、動き補償付き予測手段１
０、直交変換手段１１、量子化手段１２、符号化手段１
３、バッファ１４、及び符号量計測手段２０が所定の符
号化処理を行う。

【００３１】統計性質算出手段３０では、入力端子１か
らの現画像と、動き補償付き予測手段１０から出力され
た現画像の予測画像とを入力すると、現画像の分散δ_x
² 、相関係数ρ_x ，ρ_y 、現画像とインターフレーム予
測画像間の相関係数ρ_p 、現画像とインターポレートフ
レーム予測画像間の相関係数ρ_b 等の統計的性質を、次
式（１４）〜（１８）のように求め、符号量決定手段３
１へ送る。

【００３２】

【数９】

【数１０】 符号量決定手段３１では、統計性質算出手段３０で算出
された画像の統計的性質の情報（δ_x ² ，ρ_x ，ρ_y ，
ρ_p ，δ_b ）を用いて、予め論理演算あるいは実画像の
シミュレーションによって得られた該統計的性質におけ
る最適符号量配分をそれぞれの画像に割当て、その符号
量を量子化制御手段３２へ送る。最適符号量の論理演算
法としては、例えば次のような方法がある。先ず、１画
像グループ内のイントラフレームＩ及びインターフレー
ムＰに対して、その量子化誤差ＭＳＥＰ（ｉ）が入力順
に前記（７）式のように、 ＭＳＥＰ（ｉ）＝ＭＳＥＰ（ｉ−１）・α ・・・（７） α；係数 前のイントラフレームＩあるいはインターフレームＰの
量子化誤差ＭＳＥＰ（ｉ−１）のα倍（α≧１）となる
ように設定し、また（ｉ−１）番目とｉ番目のイントラ
フレームＩあるいはインターフレームＰにあるインター
ポレートフレームＢの量子化誤差ＭＳＥＢは次式（１
９）に示すように近い方のイントラフレームＩあるいは
インターフレームＰのβ倍（β＞１）となるように設定
する。 ＭＳＥＢ（ｊ）＝ＭＳＥＰ（ｉ）・β ・・・（１９） ここで、１画像グループ内のイントラフレーム数を
Ｎ_i 、インターフレーム数をＮ_p 、及びインターポレー
トフレーム数をＮ_b ＝２（Ｎ_i ＋Ｎ_p ）とすると、グル
ープ内の平均量子化誤差ＭＳＥが次式（２０）のように
求まる。従って、平均量子化誤差ＭＳＥＰ（１），ＭＳ
ＥＰ（ｉ），ＭＳＥＢ（ｊ）が前記（１０），（１１）
式及び次式（２１）のようになる。

【００３３】

【数１１】

【数１２】 グループ内の先頭のイントラフレームＩについては、符
号化による符号量と量子化誤差との関係が次式（２２）
で表される。

【００３４】

【数１３】 グループ内のインターフレームＰについては、前方の予
測用に用いられるイントラフレームＩあるいはインター
フレームＰの量子化誤差の影響を受けて、符号化による
符号量と量子化誤差との関係が次式（２３）〜（２５）
のようになる。

【数１４】 グループ内のインターポレートフレームＢについては、
前後の予測用イントラフレームＩあるいはインターフレ
ームＰの量子化誤差の影響を受けて、符号化による符号
量と量子化誤差との関係が次式（２６）〜（２８）のよ
うになる。

【００３５】

【数１５】 ｆ（ρ_x ，ρ_y ）は、横方向及び縦方向の相関係数がρ
_x 及びρ_y となる正規分布を有する確率過程の直交変換
（例えば、ＤＣＴ）後の各周波数の分散の相乗平均を示
し、相関係数ρ_x ，ρ_y より求まる。

【００３６】次に、グループ内の画像の平均符号量ｂ_r
が所定の符号量（伝送ビットレート）となるよう、か
つ、平均量子化誤差ＭＳＥが最も小さくなるように、前
記（１１）式、及び（２１）〜（２８）式を次式（２
９）に代入し、係数αとβを求める。

【００３７】

【数１６】 そして、求めた係数α，βを上の式に代入し、符号量ｂ
_rp（ｉ），ｂ_rb（ｊ）を求める。この符号量ｂ_rp（ｉ）
及びｂ_ｒｂ（ｊ）は、統計的性質を持った画像の最適割
当て符号量となる。従って、符号量決定手段３１及び符
号量計測手段２０の出力に基づき、量子化制御手段３２
によって量子化手段１２に与える量子化ステップ幅ｈを
制御すれば、効率のよい符号化が行える。この第２の実
施例において、代表的なテレビジョン画像から、統計性
質算出手段３０で統計的性質を求め、平均量子化誤差Ｍ
ＳＥが画像の分散の０．０５倍時の係数α及びβを変動
させた場合の平均符号量を、前記論理演算により算出す
れば、第１の実施例と同様に、図６のようなシミュレー
ション結果が得られる。

【００３８】図６からもわかるように、第１の実施例と
同様に、ＤＬＴＰ＝−０．１（α＝１．０７）、及びＤ
ＬＴＢ＝−０．４（β＝１．３２）のとき、平均符号量
が最小となる。つまり、係数α＝１．０７、β＝１．３
２のとき、符号量の割当てが最適となる。この最適時の
平均符号量を所定の符号量となるように係数αとβを求
めれば、その時の各画像の符号量が最適となる。一例と
して最適状態における各画像の符号量を図８に示す。図
８において、横軸は画像グループを示し、０番目の画像
はイントラフレームＩ、１番目〜４番目の画像はインタ
ーフレームＰ、５番目〜１０番目の画像はインターポレ
ートフレームＢである。縦軸は割当て符号量である。以
上のように、この第２の実施例では、図２のようなイン
トラフレームＩ、インターフレームＰ及びインターポレ
ートフレームＢから構成される画像グループの符号化を
行う際に、符号量決定手段３１により、それぞれの画像
の量子化誤差及び割当て符号量を符号化効率が最も良く
なるように算出し、その算出結果に基づき量子化制御手
段３２で量子化ステップ幅ｈを制御しているので、最も
効率のよい符号化が実現ができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１〜第３
の発明によれば、量子化誤差計測手段によって画像の量
子化誤差を計測し、量子化制御手段により、画像の符号
量と同時に画像の量子化誤差も制御して量子化ステップ
幅を変動させ、量子化手段を制御するようにしたので、
イントラフレーム、インターフレーム及びインターポレ
ートフレームより構成される画像グループ等に対し、そ
れぞれの画像の量子化誤差が、符号化効率が最も良くな
るように制御され、効率の良い符号化が可能となる。第
４〜第７の発明によれば、統計性質算出手段によって画
像の統計的性質を算出し、その算出された統計的性質に
基づいて符号量決定手段によってそれぞれの画像に割当
てる最適符号量を決定し、それらの決定結果等に基づ
き、量子化制御手段によって画像の符号量と同時に画像
の量子化誤差も制御して量子化ステップ幅を変えるよう
にしたので、イントラフレーム、インターフレーム及び
インターポレートフレームから構成される画像グループ
の符号化等に際し、それぞれの画像の量子化誤差及び割
当て符号量が、符号化効率が最も良くなるように算出さ
れ、効率の良い符号化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図である。

【図２】動画像符号化における画像グループの構成例を
示す図である。

【図３】従来の動画像符号化装置の構成ブロック図であ
る。

【図４】図３のゼロラン・レベル複合符号の例を示す図
である。

【図５】図３のゼロラン・レベル複合符号の例を示す図
である。

【図６】図１のシミュレーション結果を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例を示す動画像符号化装置
の構成ブロック図である。

【図８】図７の画像の最適割当て符号量の例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０ 動き補償付き予測手段 １１ 直交変換手段 １２ 量子化手段 １３ 符号化手段 １４ バッファ ２０ 符号量計測手段 ２１ 量子化誤差計測手段 ２２，３２ 量子化制御手段 ３０ 統計性質算出手段 ３１ 符号量決定手段

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像内符号化画像であるイントラフレー
   ム、前方予測符号化画像であるインターフレーム、及び
   双方向予測符号化画像であるインターポレートフレーム
   の３種の符号化画像のうち、該イントラフレームの入力
   画像に対してそのまま出力し、該インターフレーム及び
   インターポレートフレームの入力画像に対し、該画像を
   Ｍ×Ｍ（但し、Ｍ；正の整数）のブロック単位で予測し
   て予測画像を作り、現画像と該予測画像との差分画像を
   出力する動き補償付き予測手段と、 前記動き補償付き予測手段の出力画像をＮ×Ｎ（但し、
   Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該ブロック毎に直
   交変換する直交変換手段と、 与えられた量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段
   の出力を量子化する量子化手段と、 前記量子化手段の出力を符号化する符号化手段と、 前記符号化手段の出力を一時格納し、一定のビットレー
   トで出力するバッファとを、 備えた動画像符号化装置において、 前記バッファの内容に基づき、画像の符号量を計測する
   と共にバッファ占有量の上限及び下限を計測する符号量
   計測手段と、 前記量子化手段の入力及び出力から、画像の１ブロッ
   ク、数ブロックあるいは１画像全体の量子化誤差を計測
   する量子化誤差計測手段と、 前記量子化誤差計測手段及び符号量計測手段の出力に基
   づき、前記計測された画像の量子化誤差が所定の量子化
   誤差となるよう、かつ前記計測された符号量から求めた
   画像のグループ平均符号量が所定の符号量となるよう
   に、該所定の量子化誤差、及び前記量子化手段に与える
   量子化ステップ幅を制御する量子化制御手段とを、 設けたことを特徴とする動画像符号化装置。
2. 【請求項２】 前記量子化制御手段は、入力される前記
   イントラフレーム及びインターフレームに対して、その
   設定量子化誤差が前のイントラフレームあるいはインタ
   ーフレームの設定量子化誤差以上となるよう、かつ入力
   される前記インターポレートフレームに対して、その設
   定量子化誤差が予測に用いられる前後のイントラフレー
   ムあるいはインターフレームの時間的に近い方の設定量
   子化誤差より大きくなるように、前記量子化ステップ幅
   を制御する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の
   動画像符号化装置。
3. 【請求項３】 前記量子化制御手段は、入力される前記
   インターフレームの量子化誤差が、前方の予測に用いら
   れるイントラフレームあるいはインターフレームの量子
   化誤差のα倍（但し、１≦α≦２）となるよう、入力さ
   れる前記インターポレートフレームの量子化誤差が、予
   測に用いられる前方あるいは後方の近い方のイントラフ
   レームあるいはインターフレームを量子化誤差のβ倍
   （但し、１≦β≦２）となるように、前記量子化ステッ
   プ幅を制御する構成にしたことを特徴とする請求項１項
   記載の動画像符号化装置。
4. 【請求項４】 画像内符号化画像であるイントラフレー
   ム、前方予測符号化画像であるインターフレーム、及び
   双方向予測符号化画像であるインターポレートフレーム
   の３種の符号化画像のうち、該イントラフレームの入力
   画像に対してそのまま出力し、該インターフレーム及び
   インターポレートフレームの入力画像に対し、該画像を
   Ｍ×Ｍ（但し、Ｍ；正の整数）のブロック単位で予測し
   て予測画像を作り、現画像と該予測画像との差分画像を
   出力する動き補償付き予測手段と、 前記動き補償付き予測手段の出力画像をＮ×Ｎ（但し、
   Ｎ；正の整数）のブロックに分割し、該ブロック毎に直
   交変換する直交変換手段と、 与えられた量子化ステップ幅を用いて前記直交変換手段
   の出力を量子化する量子化手段と、 前記量子化手段の出力を符号化する符号化手段と、 前記符号化手段の出力を一時格納し、一定のビットレー
   トで出力するバッファとを、 備えた動画像符号化装置において、 前記バッファの内容に基づき、画像の符号量を計測する
   と共にバッファ占有量の上限及び下限を計測する符号量
   計測手段と、 前記現画像と、前記動き補償付き予測手段から出力され
   る該現画像の予測画像とから、画像の統計的性質を算出
   する統計性質算出手段と、 前記算出された画像の統計的性質に基づいて、画像グル
   ープにおける平均符号量が所定の符号量となるよう、か
   つ画像の平均量子化誤差が最も小さくなるように、該画
   像グループ内のそれぞれの画像に割当てる最適符号量を
   算出する符号量決定手段と、 前記符号量計測手段及び符号量決定手段の出力に基づ
   き、前記量子化手段に与える量子化ステップ幅を制御す
   る量子化制御手段とを、 設けたことを特徴とする動画像符号化装置。
5. 【請求項５】 前記符号量決定手段は、前記インターフ
   レームの量子化誤差が、予測に用いられる前方のイント
   ラフレームあるいはインターフレームの量子化誤差以上
   となるよう、また前記インターポレートフレームの量子
   化誤差が、予測に用いられる前方または後方のイントラ
   フレームあるいはインターフレームの量子化誤差より大
   きくなるように設定し、前記最適割当て符号量を求める
   構成にしたことを特徴とする請求項４項記載の動画像符
   号化装置。
6. 【請求項６】 前記符号量決定手段は、前記画像の統計
   的性質を予め数種類想定し、それらに対して前記最適割
   当て符号量を算出し、前記統計性質算出手段から実画像
   の統計的性質の情報が入力されると、該想定画像性質に
   よって算出された最適割当て符号量から該統計的性質の
   情報に最も対応しているものを選出する構成にしたこと
   を特徴とする請求項５記載の動画像符号化装置。
7. 【請求項７】 前記符号量決定手段は、入力される前記
   インターフレームの量子化誤差を、前方の予測に用いら
   れるイントラフレームあるいはインターフレームの量子
   化誤差のα倍と設定し、入力される前記インターポレー
   トフレームの量子化誤差を、予測に用いられる前方ある
   いは後方の近い方のイントラフレームあるいはインター
   フレームの量子化誤差のβ倍と設定し、各画像に割当て
   る最適符号量を算出する構成にしたことを特徴とする請
   求項６記載の動画像符号化装置。