JPH099261A - 信号圧縮装置 - Google Patents
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Abstract
短縮を図れるようにする。 【構成】原サンプル面の画素情報をブロック化するブロ
ッキング手段20と、ブロッキングされた入力データを
変換するDCT回路30と、DCT変換されたデータを
量子化する量子化器40と、量子化データを可変長符号
化するVLC回路60と、量子化データより符号長を計
測する計測回路80とを有する。エントロピー符号化し
た可変長符号量が単位入力サンプル面のデータ量よりも
多いときは、可変長符号化データに代えて入力サンプル
データそのものを圧縮データとして用いるように、計測
回路80からの出力に基づいて可変長符号化データと入
力サンプルデータとの選択が行なわれる。これによって
平均的な符号量の短縮を図れる。
Description
を利用したビットリダクションによる信号圧縮装置およ
び信号伸長装置に関し、特に可変長符号化したときの符
号量が、入力サンプルデータの符号量よりも多くなるよ
うなときは、可変長符号データの代わりに入力サンプル
データそのものを圧縮データとして使用することによ
り、平均的な伝送符号量の削減を図れるようにしたもの
である。
ョン技術では主としてエントロピー符号化と呼ばれる技
術が使われている。エントロピー符号化とは入力信号を
周波数変換等の変換を施した後、統計的に多く現れる信
号に対してより短い符号長を割り当てることによって符
号量を削減しようとするものである。
をもとに、統計的に多く出現するシンボルには短いコー
ドを割り当て、あまり出現しないシンボルには長いコー
ドを割り当てることにより、平均として符号量を減少さ
せるようにしている。
には一般に入力サンプル面(二次元の空間面)の画素情
報を単位ブロック化し、それらに対して離散余弦変換
(DCT)などの直交変換処理を施し、その後量子化し
たものを可変長符号化(エントロピー符号化)する処理
が行なわれる。
号化するに当たっては、場合によってはDCT入力の空
間面のデータ量よりも符号量が増えることがある。例え
ば、DCT化したときの複数のブロックデータ(例えば
64個の空間面データ)のうち1つが非ゼロで、残り全
てがゼロであるようなインパルス信号の場合には、入力
サンプル面つまり周波数面データは全てのDCT係数が
非ゼロになってしまう。これは後述する式(1)より明
らかである。
まり見られないが、文字をスーパーインポーズする場合
やコンピュータグラフィックス等の画像処理系ではよく
見受けられる信号である。このような画像を圧縮すると
き、可変長符号化時のゼロラン値(後述する)を稼ぐた
めには量子化ステップを大きな値にする必要があり、こ
れによって符号量が多くなってしまう。量子化ステップ
が大きくなることから量子化誤差が目立つようになり、
結果として得られる画質が劣化してしまう。
を解決したものであって、平均的な符号量の減少を図れ
るようにすると共に、画質劣化も改善できるようにした
ものである。
ため請求項1に記載したこの発明に係る信号圧縮装置で
は、原サンプル面の画素情報をブロック化して直交変換
したデータに対しエントロピー符号化を利用してデータ
圧縮を行なうようにした信号圧縮装置において、エント
ロピー符号化した可変長符号量が単位入力サンプル面の
データ量よりも多いときは、可変長符号化データに代え
て入力サンプルデータそのものを圧縮データとして用い
るようにしたことを特徴とする。
長装置では、入力ビットストリーム中に可変長符号化デ
ータと入力サンプルデータとが混在するとき、上記可変
長符号化データに対しては元の非圧縮データに変換する
処理が施され、入力サンプルデータに対してはそのまま
非圧縮データとして使用するようにしたことを特徴とす
る。
ある。エントロピー符号化した可変長符号量が単位入力
サンプル面のデータ量よりも多いときは、可変長符号化
データに代えて入力サンプルデータそのものを圧縮デー
タとして用いる。入力サンプルデータを用いることによ
り平均的な符号量が減少する。可変長符号化データと入
力サンプルデータとが混在するため、両者の識別を容易
にするための識別子(つまりノンコード符号)が付加さ
れてデータストリームとなされる。
入力ビットストリーム中に可変長符号化データと入力サ
ンプルデータとが混在するとき、可変長符号化データに
対しては元の非圧縮データに変換する処理が施される。
入力サンプルデータに対してはそのまま非圧縮データと
して使用する。両者の識別は上述した識別子に基づいて
行なわれる。
号伸長装置の一例を図面を参照して詳細に説明する。
下説明する例はMPEG(Moving Picture coding Expe
rts Group)などで用いられている離散余弦変換(DC
T変換)を用いたビットリダクションについて説明す
る。MPEGでは実際には動き補償技術を用いてフレー
ム間差分を求めることも行なっているが、ここでは説明
を簡単にするため所謂イントラピクチャの処理(フレー
ム内処理)について示す。
ッキング処理、DCT変換処理、量子化処理および可変
長符号化処理(VLC処理)であって、これと対応する
ように図1に示す信号圧縮装置(エンコーダ)10には
ブロッキング回路20、DCT変換回路30、量子化回
路40、可変長符号化回路60などが設けられている。
図面を参照しながらそれぞれの処理について説明する。
ブロック状の画素について行なわれる。JPEG(Join
t Photographic coding Experts Group)やMPEG内
部の処理単位は8×8画素の1ブロック単位である。そ
れに対し、対象とする入力画像は、例えば、MPEG2
のMP@MLでは1フレーム720×480画素から構
成されるため、図2のように入力画像(フレームデー
タ)をブロック(8×8画素)ごとに分割する処理が必
要となる。
回路20の一例を図3に示す。ブロッキング回路20は
2つのRAM21,22を有する。一方例えばRAM2
2が書き込み状態にあるときは、もう片方のRAM21
は読み出し状態に制御される。書き込み側は所謂ラスタ
スキャンのデータをメモリ上に格納するアドレスを受
け、読み出し側は図2のようなブロックを構成するよう
なアドレスを受ける。これらのアドレスは書き込みアド
レス発生回路23,読み出しアドレス発生回路24にて
発生される。これらの発生回路23,24は周知のよう
に適当なカウンタ回路とROMで実現できる。
RAM21が読み出し状態となるようにアドレス切り替
え用のスイッチSWa,SWbが制御され、また書き込
みパルス(イネーブルパルス)を与えるスイッチSWc
が制御される。RAM21,22からの出力もスイッチ
SWdで切り替えられる。これらの切り替えは同期して
行なわれるものであって、端子25に供給される切り替
えパルスによって制御される。
てそれぞれDCT変換が行なわれる。DCT変換は二次
元のフーリエ変換と同様に、二次元的な画素情報(空間
面情報)から二次元的な周波数成分情報(周波数面情
報)への変換である。図4(A)に示すように各画素に
二次元配列変数f(*,*)を割り当てたとき、図4
(B)のデータ(DCT係数)F(*,*)に変換する
には式(1)に示す演算を行なえばよいことが知られて
いる。
ら右方向に行くに従い水平周波数の高い成分が、上から
下方向に行くに従い垂直周波数の高い成分が現れること
になる。F(0,*)は垂直周波数がゼロ即ちDCであ
り、F(*,0)は水平周波数がゼロ即ちDCとなる。
F(0,0)は水平、垂直周波数の両方がDCとなり、
そのブロックの画素平均値となる。式(1)より分かる
ように無理数を乗じて加算するため、DCT係数は入力
画像データのビット数よりも出力ビット数が長くなる。
因みに、MPEGでは入力のダイナミックレンジ8ビッ
トに対し、出力のダイナミックレンジは12ビットにな
る。DCT変換回路の具体的なハード構成に付いては高
速アルゴリズム等がすでに発表されているので、その説
明は割愛する。
の周波数分布の特徴により、DCT変換の結果は成分に
偏りが出る。例えばDC等の低い周波数成分に振幅の大
きなデータが集まり、高い周波数成分はゼロに近い小さ
な値となる。DC係数以外つまりAC係数は一般にラプ
ラス分布を示し、振幅の小さいものの割合が大きくな
る。この性質(出力の偏り)を利用してビットリダクシ
ョンが行なわれるが、通常このビットリダクションの前
に量子化処理が行なわれる。
める処理を言う。図5は量子化器40の具体例である。
量子化器40には除算器42が設けられ、端子40aか
らの入力データ(DCT係数:絶対値)が端子40bに
与えられた量子化ステップ値で割り算され、除算結果で
ある商と小数点以下の情報がそれぞれ丸め回路44に供
給される。
いる。除算処理や丸め処理は符号つき絶対値の方が扱い
易いため、この実現例では符号つき絶対値で扱ってい
る。したがって入力した符号データはそのまま出力さ
れ、また除算器42で割ったときに得られる小数点の絶
対値が0.5以上ならば加算器45において商の絶対値
が1だけ増やされ、0.5未満ならばそのままにして整
数値として出力される。スイッチ46はこの1若しくは
0の値を加算器45に与えるためのスイッチであり、小
数点情報に基づいて制御される。
は、図4(B)に示すDCT係数の高周波成分に相当す
る量子化レベル(量子化した結果)はゼロが頻出する。
その結果、エンコードした後の符号量は減少する。そし
て後述するように量子化のための割る数(量子化ステッ
プ)を増減して所望の符号量になるように制御される。
量子化ステップを大きくすると符号量は減少する反面、
エンコード後の出力画像の画質が劣化する。これは量子
化処理で量子化誤差を持ち、その誤差は量子化ステップ
に比例するからである。
号化される。MPEG等ではDC以外の量子化レベルに
ついてゼロランとエントロピー符号化を組み合わせた二
次元符号化で符号化(VLC)を行なっている。二次元
のDCT係数は図6に示すようにジグザグスキャンされ
て一次元に並べ変えられる。一次元データは次のように
なる。 F(0,1),F(1,0),F(2,0),F(1,
1),F(0,2),F(0,3),F(1,2),・
・・・・・・・F(5,7),F(6,7),F(7,
6),F(7,7) このジグザグスキャンによって図7のようにゼロが連続
して現れるが、連続するゼロの個数が符号化される。つ
まりゼロラン符号化が行なわれる。このゼロラン符号化
によって効率良く圧縮できる。
分は振幅の小さいものほど出現する確率が高くなるよう
な出力の偏りが生ずるためデータの符号化に当たっては
エントロピー符号化が利用される。エントロピー符号化
では振幅の小さいものに対してより短い符号語を割り当
て、振幅の大きいものに対してはより長い符号語を割り
当てる。
がエントロピー符号化される。二次元符号化のときに使
用されるVLCテーブルの一例を図8に示す。このVL
Cテーブルは自然画等の統計データを元に作られてい
る。EOBとは「この係数以降ジグザグスキャンの最後
まで非ゼロ値は出ない」ことを表す。量子化レベルが図
7のようなデータ値であるとき、ジグザグスキャンした
後のデータは次のような配列となる。 「0,0,0,1,−2,0,0,0,−1,0,1,
0,0,0,−1,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0」 これを(ラン、非ゼロ値)のシンボルで表すと、 「(3,1),(0,−2),(3,−1),(1,
1),(3,−1),(EOB)」 となる。このシンボルをVLCテーブルを利用してバイ
ナリー表示すると、 「001110 01001 001111 0110
001111 10」 となる。これをMSBビットを先頭ビットとして8ビッ
トずつ切り出しヘキサデシマル表示すると、 「3927b1f0」 となる。これがビットストリームとなる。
めの可変長符号化回路(VLC回路)60の具体例を図
9に示す。
力データ(量子化レベル)がゼロである事象が連続した
回数をカウントするもので、入力データが非ゼロ値のと
きに同期クリアされる。したがってノア回路61より出
力された入力データでカウントアップし、オア回路62
より出力された入力データでクリアされる。その結果、
ゼロランカウンタ62の出力である「ゼロラン値」と入
力データそのものとで二次元事象が構成される。
に与えられ、符号長ROM64からは二次元事象の符号
長が出力され、符号語ROM65からは二次元事象の符
号語がビット詰めして出力される。符号長データはアド
レス発生回路66に入力される。
の積算値がアドレスデータとして出力される。アドレス
発生回路66は、図示しないが適当な累算器と簡単なロ
ジックで構成されたものを使用することができる。
レスがコントロールされると共にバレルシフタ67のシ
フト量が制御される。バレルシフタ67によって直前の
符号語の最後に、現在の符号語の先頭が繋がるように符
号語ROM65からの出力符号語がシフトされる。
使用される。つまり、頭出しされた現在の符号語と、直
前の符号語が書かれたアドレスのRAMデータをフィー
ドバックしてビットごとにセレクトする。つまり、直前
の符号の占めるビット分はフィードバック系側に、それ
以外のビットは符号語ROM65側に切り替わる。こう
して、直前の符号に結合した形の現在のVLCデータが
RAM68に書き込まれる。
M68にエンコードしたビットストリームが蓄えられ、
後にRAM68の内容を順次読み出すことによって出力
ビットストリームが得られる。
画像によっては、可変長符号化された符号量が入力サン
プルデータ量よりも多くなることが予想され、その場合
には平均的な符号量が増えてしまうことを考慮して、可
変長符号化された符号量と入力サンプルデータ量との多
少をブロック単位で比較し、可変長符号化された符号量
が入力サンプルデータ量を越えるときには入力サンプル
データそのもの(圧縮されていない生のデータつまりノ
ンコーディックデータであって固定長)を伝送データと
して使用するようにしたものである。
トリームにはコーディックデータ((DCT+量子化+
VLC)処理されたブロックデータ)と固定長のノンコ
ーディックデータとが混在することになり、両者を識別
するための識別子(ノンコード符号という)がビットス
トリーム中に多重される。
トとし、ブロックのデータサンプル数を8×8=64、
入力サンプルデータは8ビットであるとする。そうした
場合、可変長符号化した後の符号長を常にモニタし、も
し、この符号長Xが、 X〉A+64×8 であるときは、ノンコード符号Aと共にノンコードデー
タ(入力サンプルデータ)(=64×8ビット)を伝送
するようにしたものである。ノンコード符号Aとしては
1ビット以上の適当なビット数を当てることができる。
うに可変長符号化回路60の前段にはVLC符号長計測
回路80が設けられる。そして、可変長符号化回路60
には時間合わせのレジスタ50を通過した量子化レベル
と、さらにブロッキング回路20のブロックデータ(ノ
ンコーディックデータ)が時間合わせのレジスタ55を
介してそれぞれ供給される。レジスタ50は計測回路8
0で符号長を測定するまで入力データを遅延させるため
のもので、レジスタ55はレジスタ50の出力データと
タイミングを合わせるために使用される。
に応じてノンコーディックデータとコーディックデータ
との切り替えとノンコード符号Aの多重処理が行なわれ
る。そのため、ノン−コード処理に対応して可変長符号
化回路60には図9のように複数のスイッチ70,71
が設けられる。端子80aには計測回路80より出力さ
れたノンコード切り替え信号が供給される。端子72に
は固定長符号が与えられる。そして、可変長符号長が長
いときには符号語ROM65からのノンコード符号Aが
スイッチ70によって選択され、符号長ROM64側で
はスイッチ71を用いてノンコード用の固定符号長に切
り替えられる。レジスタ55より出力されたノンコーデ
ィックデータがスイッチ70によって選択される。
0の具体例である。この計測回路80にもゼロランカウ
ンタ82が設けられ、ノア回路81の出力でカウントア
ップされ、オア回路83の出力でリセットされること
で、ゼロラン値が求められる。このゼロラン値と非ゼロ
値が符号長ROM84に供給されて入力データの符号長
が算出される。符号長を示すデータはブロック長積算回
路85に積算され、その値が判定基準Xと比較器86で
比較され、その比較結果がノンコード切り替え信号とな
る。
ータとが混在したビットストリームよりデータをデコー
ドするための処理系が図11以降に示されている。図1
1はこの発明に適用できる信号伸長装置(デコーダ)1
00の具体例である。
ストリーム上に認めた場合は一般のデコードの処理をせ
ずにそのままサンプルデータとして出力することによ
り、さきのビットストリームをデコードすることができ
る。
ストリームは可変長復号化回路(VLD回路)110で
解読され、通常のデータ(コーディックデータ)である
ときは逆量子化器120を経て、離散余弦逆変換回路
(IDCT回路)140に入って空間面のブロックデー
タに変換される。
るときはFIFO構成のレジスタ145で上述した通常
処理の時間合わせのために所定時間遅延された後セレク
タ119に送られる。
出されたときはセレクタ119がノンコード側に切り替
えられてノンコードで伝送されたブロックデータがデブ
ロッキング回路150に送られる。ノンコード符号Aが
検出されないときはセレクタ119が通常処理系に切り
替えられて通常処理系の結果がデブロッキング回路15
0に導びかれる。
再現される。先の例でいえば、 「3927b1f0」 の入力に対してジグザグスキャンした後のデータ 「0,0,0,1,−2,0,0,0,−1,0,1,
0,0,0,−1,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0」 が出力される。
す。入力データはRAM111に蓄えられる。1符号語
ずつデコードしていくため、今までデコードした総符号
長より、現在デコードすべき符号語のアドレスをアドレ
ス発生回路115によって求め、そのアドレス値がRA
M111に与えられる。次に今までデコードした総符号
長より現在デコードすべき符号語の先頭位置がアドレス
発生回路115で分かるので、これを求めてバレルシフ
タ112に与え、現在デコードすべき符号語の頭出しが
行なわれる。頭出しされた符号語は2つのROM11
3,114に供給される。一方のROM113は符号語
から符号長を出力する逆符号長ROMであり、もう一方
のROM114は符号語から二次元事象であるゼロラン
値と非ゼロ値を出力する逆符号語ROMである。
の符号長を求めて、アドレス発生回路115に与える。
アドレス発生回路115では次の符号語のRAM111
上のアドレスとバレルシフタ112へのシフト量が算出
される。逆符号語ROM114により求められたゼロラ
ン値はゼロランカウンタ116にロードされ、このカウ
ンタ116がデクリメントして0になるまでセレクタ1
18を”0”側に倒して、ゼロラン値の個数に相当する
ゼロを出力する。
レクタ118が”1”側となって逆符号語ROM114
から出力される非ゼロ値がセレクトされて出力される。
ゼロランカウンタ116が動作している間はアドレス回
路115は動作しないようにゼロランカウンタ116の
出力で制御される。
ンコード符号Aの存在が確認されると、それ以降のデー
タブロックは全て固定長のデータであると判断し、スイ
ッチ121が切り替えられてアドレス発生回路115に
は固定符号長(固定値)が送られる。これと同時に、ス
イッチ118がバレルシフタ112側に切り替えられて
バレルシフタ出力がそのまま出力される。つまりノンコ
ーディックデータが選択される。
毎にクリアされるようにし、一度ノンコードであると判
断したら、当該ブロックが終了するまでノンコード処理
をが継続される。
理である。VLD回路110からの出力に量子化ステッ
プを乗ずることによって逆量子化出力を得ることができ
る。図13は逆量子化回路120の具体例であって乗算
器122のみで構成される。端子124よりデコードさ
れた量子化データ(絶対値データ)が供給され、端子1
26よりの量子化ステップを乗算することによって逆量
子化データが求められる。
あり、この逆処理により周波数面の情報であったブロッ
クデータから空間面のブロックデータが得られる。ID
CT処理は(2)式に示す演算で実現できる。
からフレームデータに戻す処理であって、この処理によ
って再生画像データが得られる。
PEG等の符号化にすぐ使えるわけではない。というの
は上述したノン−コード符号がビットストリーム上に定
義されていないからである。これを勝手に定義するのは
互換性の点で認められない。したがって上述した処理に
よって得られるビットストリームは新フォーマットのビ
ットストリームである。
圧縮するか圧縮しないかを判断したが、その判断単位と
してはマクロブロック単位、スライス単位、ピクチャ単
位などを利用できる。
て述べていたが、MPEG等でいうところのインター処
理(フレーム間処理)にも適用できる。
リダクションについて述べたが、音声等、他の信号に関
するビットリダクションにも適用できる。
てDCTを用いた、いわゆる変換符号化によるビットリ
ダクションについて述べたが、エントロピー符号化を用
いたものならば全てに適用可能である。
縮装置側)ではブロッキング処理が含まれているが、必
要に応じてブロッキング処理やデブロッキング処理を省
くことも可能である。
トロピー符号化を利用したビットリダクションによる信
号圧縮・伸長処理において、符号量がある値を越える部
分については、入力データそのものを伝送するようにし
たため、平均的な符号長を削減でき、伝送効率を改善で
きる特徴を有する。したがってこの発明は画像などの圧
縮・伸長装置に適用して極めて好適である。
図である。
ある。
図である。
ある。
す系統図である。
る。
Claims (8)
- 【請求項1】 原サンプル面の画素情報をブロック化し
て直交変換したデータに対しエントロピー符号化を利用
してデータ圧縮を行なうようにした信号圧縮装置におい
て、 エントロピー符号化した可変長符号量が単位入力サンプ
ル面のデータ量よりも多いときは、可変長符号化データ
に代えて入力サンプルデータそのものを圧縮データとし
て用いるようにしたことを特徴とする信号圧縮装置。 - 【請求項2】 原サンプル面の画素情報を直交変換する
直交変換手段と、 直交変換されたデータを量子化する量子化手段と、 量子化レベルを可変長符号化する可変長符号化手段と、 上記量子化レベルより符号長を計測する計測手段とを有
し、 この計測手段からの出力に基づいて可変長符号化データ
と入力サンプルデータとの選択が行なわれるようにした
ことを特徴とする請求項1記載の信号圧縮装置。 - 【請求項3】 上記直交変換手段としては、離散余弦変
換手段が使用されたことを特徴とする請求項1記載の信
号圧縮装置。 - 【請求項4】 可変長符号化データと入力サンプルデー
タとを識別するための識別子がノンコード符号として圧
縮処理後のビットストリーム上に多重されたことを特徴
とする請求項1記載の信号圧縮装置。 - 【請求項5】 上記可変長符号化データの符号量が、入
力サンプルデータに上記識別子を加えたときの符号量よ
りも大きいときに上記入力サンプルデータが選択される
ようになされたことを特徴とする請求項1記載の信号圧
縮装置。 - 【請求項6】 上記符号長は、DCTブロック単位、マ
クロブロック単位、スライス単位、ピクチャー単位の符
号長などであることを特徴とする請求項1記載の信号圧
縮装置。 - 【請求項7】 入力ビットストリーム中に可変長符号化
データと入力サンプルデータとが混在するとき、 上記可変長符号化データに対しては元の非圧縮データに
変換する処理が施され、入力サンプルデータに対しては
そのまま非圧縮データとして使用するようにしたことを
特徴とする信号伸長装置。 - 【請求項8】 入力ビットストリームが供給され、可変
長復号化処理が行なわれる可変長復号化手段と、 復号化されたデータを逆量子化する逆量子化手段と、 逆量子化されたデータをサンプル面データに変換する逆
変換手段と、 可変長符号化データと入力サンプルデータとの識別子を
検出する識別子検出手段とで構成された請求項7記載の
信号伸長装置。
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