JP2003523652A - 変化に基づいた適応性ブロックサイズｄｃｔ画像圧縮 - Google Patents

変化に基づいた適応性ブロックサイズｄｃｔ画像圧縮

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Abstract

(57)【要約】 離散コサイン変換係数データの適応性サイズブロックおよびサブブロックを利用する画像圧縮のシステムおよび方法が提供される。エンコーダのブロックサイズ割り当て要素は処理されるべき画素の入力ブロックのブロックまたはサブブロックを選択する。選択は画素値の変化に基づかされる。閾値より大きな変化を有するブロックは細分割され、一方閾値より小さい変化を有するブロックは細分割されない。変換要素は選択されたブロックの画素値を周波数領域に変換する。周波数領域値は量子化され、直列化され、送信の準備のため可変長符号化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 I. 発明の分野 本発明は画像処理に関する。特に、本発明はコード化された離散コサイン変換
係数データの適応性サイズブロックおよびサブブロックを利用するイメージ信号
の圧縮計画に関連する。 II．関連技術の記述 “フィルム”または“映画”投影に使用されるようなビデオ信号の送信および
受信の分野では、様々な改良が画像圧縮の技術になされている。現下のそして提
案されたビデオシステムの多くがデジタルコード化技術を使用してなされる。デ
ジタルコード化は、多重経路フェージングおよびジャミングまたは信号干渉のよ
うな、その各々が別な方法でイメージ品質を非常に低下させることができる損傷
に抵抗する通信リンクの丈夫さを提供する。その上、デジタル技術は使用信号の
暗号技術を促進し、それは政府と多くの新たに展開している商業放送応用に役立
ちまたは必要でさえあることを見出す。
【０００２】 高鮮明度ビデオは改良された画像圧縮の技術の利益を得る領域である。最初に
提案されたとき、高鮮明度ビデオの空中送信(または、電線またはファイバー光
送信さえ)過度の帯域幅を必要とするので非実用的に見えた。設計されている典
型的な無線または、他の送信システムは十分な帯域幅を容易に収容しなかった。
しかしながら、デジタルビデオ信号の圧縮が適度な帯域幅を使用して送信を可能
にするレベルに達成されるかもしれないとわかった。信号のデジタル伝送と結合
されたそのようなレベルの信号圧縮は、ビデオシステムがより望ましくて役に立
つ帯域幅を占めながら、チャンネル損傷に対してより強い免疫性を有するより少
ないパワーでの伝送を可能にするだろう。
【０００３】 ビデオ信号のために必要なレベルの品質を保存して、重要なレベルの圧縮を提
供することができる１つの圧縮技術は、コード化された離散コサイン変換(ＤＣ
Ｔ)係数データの適応性寸法のブロックとサブブロックを利用する。この技術は
以下に、適応性ブロックサイズ微分コサイン変換（Adaptive Block Size Differ
ential Cosine Ｔransform）(ＡＢＳＤＣＴ)方法と呼ばれるだろう。この技術は
本発明の譲受人に譲渡され、ここに引用文献として組み込まれる“適応性ブロッ
クサイズ画像圧縮方法およびシステム”と題する米国特許番号５,０２１,８９１
に開示される。また、ＤＣＴの技術は本発明の譲受人に譲渡され、ここに引用文
献として組み込まれる“適応性ブロックサイズ画像圧縮方法およびシステム”と
題する米国特許番号５,１０７,３４５にも開示される。さらに、微分クオドトリ
ー変換（Differential Ｑuad-tree Ｔransform）技術と組み合わせてＡＢＳＤＣ
Ｔ技術の使用については、本発明の譲受人に譲渡され、ここに引用文献として組
み込まれる“適応性ブロックサイズ画像圧縮方法およびシステム”と題する米国
特許番号５,４５２,１０４で議論される。これらの特許で開示されるシステムは
“イントラフレーム”と呼ばれるものを利用し、それはイメージデータの各フレ
ームがいかなる他のフレームの内容にも関係なしでコード化される。ＡＢＳＤＣ
Ｔの技術を使用して、達成可能なデータレートはイメージ品質の認識できる低下
なしで略１５億bpsから略５０００万bpsまで減少するかもしれない。
【０００４】 ＡＢＳＤＣＴの技術は、白黒またはカラーイメージあるいはイメージを表わす
信号の何れかを圧縮するのに使用されるかもしれない。カラー入力信号はＹＩＱ
形式であり、Ｙはサンプルの輝度、即ち明るさであり、ＩおよびＱは画素の４x
４ブロックサンプルの色光度、即ち色である。ＹＵＶまたはＲＧＢ形式などの他
の知られている形式もまた使用されるかもしれない。色に対する目の低い空間的
感度のために、ほとんどの研究が水平および垂直方向の４の要素によるカラー成
分のサブサンプルが適度であることを示した。従って、ビデオ信号は４つの輝度
成分と２つの色光度成分によって表されるかもしれない。
【０００５】 ＡＢＳＤＣＴを使用すると、ビデオ信号は一般に処理のために画素のブロック
に区分されるだろう。各ブロックについて、輝度と色光度の成分はブロックイン
ターリーバに通される。例えば、離散コサイン変換(ＤＣＴ)分析のためデータの
ブロックおよび複合サブブロックを生成するため、１６ｘ１６(画素)ブロックは
各１６ｘ１６ブロック内にイメージサンプルを整理または組織化するブロックイ
ンターリーバに提出されるかもしれない。ＤＣＴ演算子は時間で抽出された信号
を同じ信号の周波数表現に変換する１つの方法である。周波数表現に変えること
によって、量子化器がイメージの周波数分布特性の利点を取るように設計される
ことができるので、ＤＣＴ技術は非常に高レベルの圧縮を許容することを示した
。好ましい実施例では、１つの１６ｘ１６ＤＣＴは最初の順序付けに適用され、
４つの８x８ＤＣＴが第２の順序付けに適用され、１６の４x４ＤＣＴは第３の順
序付けに適用され、６４の２x２ＤＣＴは第４の順序付けに適用される。
【０００６】 ＤＣＴ演算はビデオソースに固有の空間的な冗長を減少する。ＤＣＴが実行さ
れた後に、ビデオ信号エネルギーの大部分は、いくつかのＤＣＴ係数に集結され
る傾向がある。付加的な変換、微分クオドトリー変換(ＤＱＴ)は、ＤＣＴ係数中
の冗長を減少するのに使用されるかもしれない。
【０００７】 １６ｘ１６ブロックとそれぞれのサブブロックに関しては、ＤＣＴ係数値とＤ
ＱＴ値(ＤＱＴが使用されているならば)は、ブロックまたはサブブロックをコー
ド化するために必要とされるビット数を決定するために分析される。そして、コ
ード化するビットの最少数を必要とするブロックまたはサブブロックの組み合わ
せがイメージセグメントを表すために選ばれる。例えば、２つの８x８サブブロ
ック、６つの４x４サブブロック、および８つの２x２サブブロックがイメージセ
グメントを表すために選ばれるかもしれない。
【０００８】 そして、選ばれたブロックまたはサブブロックの組み合わせが１６ｘ１６ブロ
ック内に適切に整然として配列される。次に、ＤＣＴ/ＤＱＴ係数値は送信に備
えて周波数加重、量子化、およびコード化(可変長さコード化など)を受けるかも
しれない。
【０００９】 上で説明されたＡＢＳＤＣＴ技術は著しくよく働くが、それは計算機的に集中
的である。したがって、技術のコンパクトなハードウェア実現は難しいかもしれ
ない。ハードウェア実現をより効率的にする代替の技術が望まれている。計算機
的により有能な画像圧縮方法とシステムが本発明によって以下で説明された方法
による提供される。
【００１０】 発明の概要 本発明は離散コサイン変換係数データの適応性サイズブロックおよびサブブロ
ックを利用する画像圧縮システムおよび方法である。一実施例では、画素の１６
ｘ１６ブロックがエンコーダへ入力される。エンコーダは処理のための画素の入
力ブロックを区分するブロックサイズ割当て要素を含む。ブロックサイズ割当て
は入力ブロックおよび細分化されたブロックの変化に基づく。一般に、ブロック
およびサブブロック平均値が異なった予定の範囲に入ると、より小さい変化を有
する領域が細分化されないが、より大きい変化がある領域はより小さなブロック
に細分化されるだろう。このようにして、ブロックの第１の変化閾値はその平均
値に依存するその名目上の値から変更され、次にブロックの変化は閾値と比較さ
れ、そして変化が閾値よりも大きいならばブロックは細分化される。
【００１１】 ブロックサイズ割当ては画素データを周波数領域データに変換する変換要素に
提供される。変換はブロックサイズ割当てを通して選択されるブロックとサブブ
ロックにのみ実行される。次に変換データは量子化と直列化を受ける。例えば、
データの流れを生成するため、ジグザグ走査がデータを直列化するのに利用され
るかもしれない。データの流れは送信に備えて可変長符号化器によってコード化
されるかもしれない。コード化されたデータは送信チャンネルを通してデコーダ
に送られ、そこで画素データが表示に備えて再構成される。
【００１２】 本発明の特徴、目的、および利点は同一の対応参照符号を付した図面と関連し
て取られるとき、以下に示された詳細な記述からより明らかになるであろう。
【００１３】 好ましい実施例の詳細な記述 ディジタル信号のデジタル送信を容易にして対応する利益を持つために、一般
に何らかの形式の信号圧縮を採用する必要がある。結果として生じるイメージで
の高鮮明度を達成するために、またイメージの高品質が維持されることも重要で
ある。その上、コンピュータの効率はコンパクトなハードウェア実現のために望
ましく、それは多くの応用で重要である。
【００１４】 本発明は画像圧縮の実行においてイメージ品質とコンピュータの効率の両方を
考慮に入れる画像圧縮のシステムまたは装置および方法を提供する。本発明の画
像圧縮は離散コサイン変換(ＤＣＴ)技術に基づく。一般に、デジタル領域で処理
されるべきイメージは重ならないブロック、ＮｘＮサイズのアレイに分割される
画素データで構成されるだろう。二次元ＤＣＴは各ブロックで実行されるかもし
れない。二次元ＤＣＴは以下の関係によって定義される:
【数１】
【００１５】 ここに、x(m，n)はＮｘＭブロック中の画素位置 (m，n)であり、Ｘ(k，ｌ)は対
応するＤＣＴ係数である。
【００１６】 画素値が負でないので、ＤＣＴ構成要素Ｘ(０，０)はいつも正であり、通常最
も多くのエネルギーを持っている。事実上、典型的なイメージに関して、変換エ
ネルギーの大部分は構成要素Ｘ(０，０)の周りに集結される。このエネルギー圧
縮特性はＤＣＴの技術をそのような魅力的な圧縮方法にする。
【００１７】 本発明の画像圧縮技術は、一層のビットレート減少を達成するためにコントラ
スト適応性コード化を利用する。ほとんどの自然なイメージが平坦な比較的ゆる
やかな変化領域、および物体の境界および高コントラスト組織構造などの忙しい
領域で作られることが観測された。コントラスト適応性コード化計画は、忙しい
領域へより多くのビットを、それほど忙しくない領域により少ないビットを割り
当てることによりこの要素の利点を取る。
【００１８】 コントラスト適応性コード化はまたブロッキング効果を減少するために役立つ
。他のＤＣＴコード化技術の実施では、ブロッキング効果は恐らくイメージ品質
への最も重要な損傷である。その上、ブロッキング効果はイメージの忙しい領域
でより知覚可能である傾向がある。しかしながら、より小さい寸法のＤＣＴが使
用されるとき、ブロッキング効果が減少することがわかった。画素性能あたりの
ビットに悩まされるかもしれないが、２x２ＤＣＴが使用されるとき、ブロッキ
ング効果は実際には目に見えなくなる。したがって、より小さいブロックサイズ
（その結果、より多くのビット)を忙しい領域に割り当て、より大きいブロック
サイズを比較的空白の領域へ割り当てることにより、コントラスト適応性コード
化がブロッキング効果を減少させるかもしれない。
【００１９】 本発明の別の特徴はインターフレームコード化(時間と空間の処理)の代わりに
イントラフレームコード化(空間の処理) を利用するということである。イント
ラフレームコード化の適用の１つの理由がインターフレームコード化信号を処理
するために必要な受信器の高い複雑さである。インターフレームコード化はより
複雑な処理回路に加えて本質的に多重フレームバッファを必要とする。多くの応
用で、複雑さを減少することは実際の実施に必要である。
【００２０】 イントラフレームコード化を使用する第２の理由は、状況またはプログラム物
質が時間と空間のコード化計画を崩壊させかつ不十分に実行させることができる
ことにある。例えば、毎秒２４フレームの映画は、機械的なシャッターのために
調整時間が比較的短いのでこのカテゴリに入ることができる。短い調整時間は高
度な時間的エイリアシングを許容する。フレーム相関関係へのフレームの独占は
それがぴくぴく動くようになるような急速な動きのために崩壊する。
【００２１】 イントラフレームコード化を使用する付加的な理由は、５０Ｈｚと６０Ｈｚの
電源周波数の両方が含まれるとき、時間と空間のコード化計画は標準化すること
がより難しいということである。テレビは現在５０Ｈｚか６０Ｈｚのどちらかで
信号を送信する。デジタルアプローチであるイントラフレーム計画の使用は５０
Ｈｚと６０Ｈｚの運転の両方に適用することができ、またはフレームレート対空
間的な解像度のトレードオフにより毎秒２４フレームの映画でさえ適用すること
ができる。
【００２２】 画像処理目的のために、ＤＣＴ演算は重ならないブロックのアレイに分割され
る画素データに実行される。ブロックサイズがＮｘＮサイズであるとしてここに
議論されるが、様々なブロックサイズが使用されてもよいことが想定されること
に注意すべきである。例えば、ＮｘＭブロックサイズが利用され、ここにＮとＭ
の両方が整数であり、ＭがＮより大きくても小さくてもよい。他の重要な態様は
、ブロックがＮ/ixＮ/i、Ｎ/ixＮ/j、Ｎ/ixＭ/j、などのように少なくとも１つ
のサブブロックレベルに分割可能であることであり、ここにｉとｊは整数である
。さらに、ここに議論する例示的ブロックサイズはＤＣＴ係数の対応するブロッ
クとサブブロックを有する１６ｘ１６画素ブロックである。偶数または奇数の整
数、例えば９x９のような他の様々な整数が使用されることがさらに想定される
。
【００２３】 図１を参照すると、本発明の圧縮システムを取り入れる画像処理システム１０
０が示される。画像処理システム１００は受信されたビデオ信号を圧縮するエン
コーダ１０２を含む。圧縮された信号は伝送チャンネル１０４で送信され、デコ
ーダ１０６によって受信される。デコーダ１０６は受信された信号をイメージサ
ンプルに復号し、次に、サンプルは表示されるかもしれない。
【００２４】 一般に、イメージは処理のために画素のブロックに分割される。カラー信号は
ＲＧＢスペースからＹＣ１Ｃ２スペースに変換され、Ｙは輝度、即ち明るさ成分
であり、Ｃ１とＣ２は色光度、即ち色成分である。色に対する目の低い空間的な
感度のため、多くのシステムは水平および垂直方向に４つの要素によりＣ１とＣ ２ 成分をサブサンプルする。しかしながら、サブサンプルすることは必要ではな
い。４:４:４の形式として知られている十分な解像度イメージが“デジタルシネ
マ”をカバーするとして参照されるようにいくつかの応用で非常に有用または必
要のいずれかであるかもしれない。２つの可能なＹＣ１Ｃ２表現は、ＹＩＱ表現
、およびＹＵＶ表現であり、それの両方が技術でよく知られている。また、ＹＣ
ｂＣｒとして知られているＹＵＶ表現の変形を使うことも可能である。
【００２５】 好ましい実施例では、Ｙ、ＣｂおよびＣｒ成分のそれぞれはサブサンプリング
なしで処理される。したがって、画素の１６ｘ１６ブロックの入力はエンコーダ
１０２に供給される。エンコーダ１０２はブロックサイズ割当て要素１０８を含
み、それはビデオ圧縮に備えてブロックサイズ割当てを実行する。ブロックサイ
ズ割当て要素１０８はブロックにおけるイメージの知覚特性に基づいて１６ｘ１
６ブロックのブロック分解を決定する。ブロックサイズ割当ては１６ｘ１６ブロ
ック内の活動に依存してクオドトリーの様式で各１６ｘ１６ブロックをより小さ
なブロックに細分化する。ブロックサイズ割当て要素１０８はＰＱＲデータと呼
ばれる長さが１〜２１ビットであることができるクオドトリーデータを発生する
。したがって、１６ｘ１６ブロックが分割されるべきであることをブロックサイ
ズ割当てが決定するならば、ＰＱＲデータのＲビットが設定され、４つの分割さ
れた８x８ブロックに対応するＰデータの４つの付加的なビットにより続けられ
る。８x８ブロックのどれかが細分化されるべきであることをブロックサイズ割
当てが決定するなら、細分化された各８x８ブロックのＱデータの４つの付加的
なビットが加えられる。
【００２６】 図２を参照すると、ブロックサイズ割当て要素１０８の作動の詳細を示すフロ
ーチャートが提供される。アルゴリズムはブロックを細分化する決定におけるメ
ートル法としてブロックの変化を使用する。画素の１６ｘ１６ブロックが読まれ
るステップ２０２で始まっている。ステップ２０４では、１６x１６ブロックの
変化、v１６が計算される。変化は以下の通り計算される:
【数２】
【００２７】 ここにＮ=１６、およびｘｉ，ｊはＮｘＮブロック中のｉ番目の行、ｊ番目の列
にある画素である。ステップ２０６で、ブロックの平均値が２つの予定の値の間
にあるならば、最初の変化の閾値Ｔ１６が新しい閾値Ｔ'１６を提供するように
変更され、そのときブロック変化は新しい閾値Ｔ'１６に対して比較される。
【００２８】 変化v１６が閾値Ｔ１６ほど大きくないならば、ステップ２０８で、１６ｘ１
６ブロックの始めのアドレスが書かれ、ＰＱＲデータのＲビットは１６ｘ１６ブ
ロックが細分化されないことを示すために０に設定される。アルゴリズムは画素
の次の１６ｘ１６ブロックを読む。変化のv１６が閾値Ｔ１６よりも大きいなら
ば、ステップ２１０で、ＰＱＲデータのＲビットは１６ｘ１６ブロックが４つの
８x８ブロックに細分化されるべきであることを示すために１に設定される。
【００２９】 ４つの８x８ブロック、ｉ=１:４がステップ２１２に示されるようにさらなる
細分化のために引き続いて考慮される。各８x８ブロックについて、変化v８ｉが
ステップ２１４で計算される。ステップ２１６において、ブロックの平均値が２
つの予定された値の間にあるなら最初の変化の閾値Ｔ８は新しい閾値Ｔ'８を提
供するように変更され、そのときブロック変化はこの新しい閾値と比較される。
【００３０】 変化のv８ｉが閾値Ｔ８ほど大きくないならば、ステップ２１８で８x８ブロッ
クの始めのアドレスが書かれ、対応するＱビット、Ｑｉが０に設定される。そし
て次の８x８ブロックが処理される。変化v８ｉが閾値Ｔ８よりも大きいなら、ス
テップ２２０において、対応するＱビット、Ｑｉは、８x８ブロックが４つの４x
４ブロックに細分化されるべきであることを示すため１に設定される。
【００３１】 ４つの４x４ブロック、ｊｉ＝１:４はステップ２２２に示されるようにさらな
る細分化のために引き続いて考慮される。各４x４ブロックについて、変化v４ｉ ｊ はステップ２２４で計算される。ステップ２２６で、ブロックの平均値が２つ
の予定された値の間にあるならば、最初の変化の閾値Ｔ４は新しい閾値Ｔ'４を
提供するように変更され、次にブロック変化はこの新しい閾値と比較される。
【００３２】 変化のv４ｉｊが閾値Ｔ４ほど大きくないならばステップ２２８で、４x４ブロ
ックのアドレスが書かれ、対応するＰビット、Ｐｉｊは０に設定される。そして
、次の４x４ブロックが処理される。変化v４ｉｊが閾値Ｔ４より大きいならば、
４x４ブロックが４つの２x２ブロックに細分化されるべきであることを示すため
に、ステップ２３０で対応するＰビット、Ｐｉｊは１に設定される。さらに、４
つの２x２ブロックのアドレスが書かれる。
【００３３】 閾値のＴ１６、Ｔ８、およびＴ４は予定された定数であってもよい。これはハ
ードな決定として知られている。代わりに、適応性の、即ちソフトな決定が実行
されてもよい。ソフトな決定は２Ｎx２Ｎブロックの平均画素値に依存して変化
の閾値を変え、ここにＮは８、４、または２である。したがって平均画素値の関
数は閾値として使用されてもよい。
【００３４】 図の目的のため以下の例を考える。Ｙ成分の予定された変化の閾値がそれぞれ
１６ｘ１６、８x８、および４x４ブロックについて５０、１１００、および８８
０であるとしよう。言い換えれば、Ｔ１６=５０、Ｔ８=１１００、およびＴ４=
８８０である。平均値の範囲が８０と１００であるとしよう。１６ｘ１６ブロッ
クの計算された変化が６０であると仮定する。６０とその平均値９０はＴ１６よ
り大きいので、１６ｘ１６ブロックが４つの８x８サブブロックに細分化される
。８x８ブロックの計算された変化が１１８０、９３５、９８０、および１２１
０であると仮定する。２つの８x８ブロックがＴ８を超える変化を有するので、
これらの２つのブロックが合計８つの４x４サブブロックを生成するようにさら
に細分化される。最終的に、８つの４x４ブロックの変化が対応する平均値９０
、１２０、１１０、１１５を有して６２０、６３０、６７０、６１０、５９０、
５２５、９３０、および６９０であると仮定する。最初の４x４ブロックの平均
値が範囲(８０、１００)内に入るので、その閾値は８８０未満であるＴ'４=２０
０に下げられるだろう。そこで、この４x４ブロックは７番目の４x４ブロックと
同様に細分化されるだろう。結果として起こるブロックサイズ割当ては図３ａに
示される。対応するクオドトリーの分解は図３ｂに示される。さらに、このブロ
ックサイズ割当てによって発生したＰＱＲデータは図３ｃに示される。
【００３５】 同様の手順がカラー成分Ｃ１とＣ２のためのブロックサイズ割当てに使用され
ることに注意すべきである。カラー成分は水平、垂直または両方に１０進法化さ
れてもよい。
【００３６】 さらに、ブロックサイズ割当ては、最も大きいブロック(現在の例では１６ｘ
１６)が最初に評価されるトップダウンアプローチとして記述されたが、ボトム
アップアプローチが代わりに使用されるてもよいことに注意すべきである。ボト
ムアップアプローチは最初に最も小さいブロック(現在の例では２x２)を評価す
るだろう。
【００３７】 図１に戻って、画像処理システム１１０の残りが説明されるだろう。選択され
たブロックのアドレスと共にＰＱＲデータはＤＣＴ要素１１０に提供される。Ｄ
ＣＴ要素１１０は、選択されたブロックにおける適切なサイズの離散コサイン変
換を実行するためにＰＱＲデータを使用する。選択されたブロックだけがＤＣＴ
処理を受ける必要がある。
【００３８】 画像処理システム１００は、ＤＣＴのＤＣ係数中の冗長を減らすために選択的
にＤＱＴ要素１１２を含んでもよい。ＤＣ係数はそれぞれのＤＣＴブロックの先
頭の左隅で遭遇される。一般に、ＡＣ係数と比べてＤＣ係数は大きい。サイズの
不一致は効率的な可変長コーダを設計することを難しくする。従って、ＤＣ係数
中の冗長を減らすことは有利である。
【００３９】 ＤＱＴ要素１１２は一度に２x２を取られた、ＤＣ係数における２-Ｄ ＤＣＴ
を実行する。４x４ブロック中で２x２ブロックから始まって、２-Ｄ ＤＣＴは４
つのＤＣ係数に実行される。この２x２ＤＣＴは４つのＤＣ係数の微分クオドト
リー変換、即ちＤＱＴと呼ばれる。次に、８x８ブロックで３つの隣接している
ＤＣ係数と共にＤＱＴのＤＣ係数は次のレベルのＤＱＴを計算するために使用さ
れる。最終的に、１６ｘ１６ブロック中の４つの８x８ブロックのＤＣ係数は、
ＤＱＴを計算するために使用される。かくして１６ｘ１６ブロックにおいて、１
つの真のＤＣ係数があり、残りはＤＣＴおよびＤＱＴに対応するＡＣ係数とであ
る。
【００４０】 変換係数(ＤＣＴとＤＱＴの両方)は量子化のための量子化器１１４に提供され
る。好ましい実施例では、ＤＣＴ係数は周波数加重マスク(ＦＷＭ)と量子化スケ
ールファクターを使用して量子化される。ＦＷＭは入力ＤＣＴ係数のブロックと
同じ次元の周波数加重の表である。周波数加重は異なったＤＣＴ係数に異なった
加重を適用する。加重は、人間の視覚システムがより敏感である周波数内容を持
っている入力サンプルを強調して、視覚システムがより敏感でない周波数内容を
持っているサンプルを反-強調するように設計される。加重はまた見る距離など
の要因に基づいて設計されるかもしれない。
【００４１】 加重は実証的なデータに基づいて選択される。８x８ＤＣＴ係数の加重マスク
を設計する方法が、ここに引用文献として組み込まれる、国際標準化協会１９９
４、ＩＳＯ/ＩＥＣ ＪＣＴ１ ＣＤ１０９１８“Digital compression and encod
ing of continuous-tone still images-part1: Requirements and guidelines”
に記述される。一般に、輝度成分のためのものと色光度成分のためのものと２つ
のＦＷＭが設計される。ブロックサイズ２x２、４x４のためのＦＷＭ表は１０進
法化によっておよび８x８ブロックのそれの補間法によって１６ｘ１６を得られ
る。スケールファクターは品質および量子化係数のビットレートを制御する。
【００４２】 したがって、各ＤＣＴ係数が以下の関係にしたがって量子化される：
【数３】
【００４３】 ここにＤＣＴ(i、j)は入力ＤＣＴ係数であり、ｆｗｍ(i、j)は周波数加重マスク
であり、ｑはスケールファクターであり、そしてＤＣＴｑ(i、j)は量子化係数で
ある。ＤＣＴ係数のサインに依存して、中括弧内部の最初の項が切り上がりまた
は切り下がることに注意すべきである。ＤＱＴ係数はまた適当な加重マスクを使
用して量子化される。しかしながら、多重表またはマスクがそれぞれのＹ、Ｃｂ
、およびＣｒ成分に使用されかつ適用されることができる。
【００４４】 量子化係数はジグザグ走査シリアライザ１１６に供給される。シリアライザ１
１６は量子化係数の直列化された流れを生成すためにジグザグな様式で量子化係
数のブロックを走査する。ジグザグ以外のパターンはもちろん、多くの異なった
ジグザグ走査のパターンがまた選択されてもよい。好ましい技術はジグザグ走査
のために８x８ブロックサイズを採用するが、他のサイズも採用され得る。
【００４５】 ジグザグ走査シリアライザ１１６が量子化器１１４の前または後のいずれに置
かれてもよいことに注意すべきである。最終的な結果は同じである。
【００４６】 どの場合でも、量子化係数の流れは可変長コーダ１１８に供給される。可変長
コーダ１１８はハフマン（Huffman）コード化によって生じるゼロのランレング
スコード化を使用させるかもしれない。この技術は前述の米国特許番号５，０２
１，８９１、５，１０７，３４５、および５，４５２，１０４に詳述され、ここ
にまとめられる。ランレングスコーダは量子化係数を取り、非ゼロ係数からゼロ
を分離するだろう。ゼロ値がランレングス値として参照され、ハフマンコード化
される。非ゼロ値は別々にハフマンコード化される。
【００４７】 量子化係数の変更されたハフマンコード化はまた可能であり、好ましい実施例
で使用される。ここで、ジグザグ走査の後に、ランレングスコーダは各８x８ブ
ロック中でランレングス/サイズ対を決定するだろう。そしてこれらのランレン
グス/サイズ対はハフマンコード化される。
【００４８】 ハフマンコードはイメージの測定か理論上の統計値のどちらかから設計される
。ほとんどの自然なイメージが空白または比較的ゆっくり変化する領域、および
対象物の境界および高コントラスト組織構造などの忙しい領域で作られるのが観
測された。ＤＣＴなどの周波数領域変換を有するハフマンコーダは、より多くの
ビットを忙しい領域に、より少ないビットを空白の領域に割当てることによって
これらの特徴を利用する。一般に、ハフマンコーダはランレングスおよび非ゼロ
値をコード化するのにルックアップ表を利用する。多重表は、望まれているよう
に１つまたは２つが採用され得るが、本発明では一般に、３つの表が参照されて
使用される。
【００４９】 エンコーダ１０２によって発生される圧縮されたイメージ信号は、伝送チャン
ネル１０４を通してデコーダ１０６に送信される。また、ブロックサイズ割当て
情報を含むＰＱＲデータはまたデコーダ１０６に提供される。デコーダ１０６は
可変長デコーダ１２０を含み、それはランレングス値および非ゼロ値を復号する
。
【００５０】 可変長デコーダ１２０の出力は採用された走査計画に従って係数を順序付ける
逆ジグザグ走査シリアライザ１２２に供給される。逆ジグザグ走査シリアライザ
１２２は、合成係数ブロックに係数の適切な順序付けを援助するためにＰＱＲデ
ータを受け取る。
【００５１】 合成ブロックは、周波数加重マスクの使用による処理を元に戻すために逆量子
化器１２４に供給される。
【００５２】 微分クオドトリー変換が適用されたならば、係数ブロックはＩＤＣＴ要素１２
８に続けられるＩＤＱＴ要素１２６に供給される。別の方法では、係数ブロック
は直接ＩＤＣＴ要素１２８に供給される。ＩＤＱＴ要素１２６とＩＤＣＴ要素１
２８は画素データのブロックを生成するため係数を逆変換する。画素データは次
に、ＲＧＢ形式に補間され変換されなければならなく、またさらに表示のために
格納されなくてはならないかもしれない。
【００５３】 従って、画素変化に基づくブロックサイズ割当てを実行する画像圧縮のための
システムと方法が提示された。変化に基づいたブロックサイズ割当てはいくつか
の利点を提供する。ブロックサイズが決定された後に離散コサイン変換が実行さ
れるので、効率的な計算が達成される。計算上集中的な変換は選択されたブロッ
クに実行されることのみが必要である。さらに、画素値の変化が計算するのに数
学的に簡単であるので、ブロック選択の過程は効率的である。変化に基づくブロ
ックサイズ割当ての別の利点は知覚的に基づくということである。画素変化はブ
ロックの活動の基準であり、縁、組織構造などの存在の指示を提供する。それは
画素値の平均などの測定よりもはるかに良いブロックの細部を捕らえる傾向があ
る。したがって、本発明の変化に基づいた計画はより多くの縁のある領域に小さ
なブロックを割り当て、より平坦な領域により大きいブロックを割当てる。その
結果、再構成されたイメージに傑出している品質が達成され得る。
【００５４】 しかし別の重要な利点は、ブロックサイズ割当てが量子化の前に作られるので
、より大きい柔軟性がビットレートと品質の制御に与えられるということである
。変化の閾値が局部的平均に適合されるので、小さなブロックは比較的暗い領域
でさえ割り当てられる。これはまさしく顕著な可視閾値を超えているすべての領
域に詳細を保存する。量子化スケールファクターが低い値からＭＰＥＧのような
方法と異なった高い値に変えられるとき、さらに、変化に基づく画像圧縮はイメ
ージ品質の僅かな低下を提供する。これはデジタルシネマの領域などの応用には
特に決定的である。
【００５５】 高い需要のあるデジタルビデオで、海賊行為が重大な脅威がある。デジタル透
かし（watermarking）は著作権侵害および歳入の損失を阻止する重要な要求であ
る。透かしが知覚的に重要なメージの領域で行われるとき、変化に基づいたブロ
ックサイズ割当ては透かしを入れるための自然な候補である。
【００５６】 好ましい実施例の前の記述は、技術に熟練したどんな人も本発明を作るか、ま
たは使用することを可能にするために提供される。これらの実施例に対する様々
な変更は容易に技術に熟練した者に明らかになるだろう、そして、ここに定義さ
れる一般的な原則は他の実施例に発明的な才能の使用なしで適用されるかもしれ
ない。したがって、本発明はここに示された実施例に限定されることを意図させ
ず、ここに開示された原理と新規な特徴とに一致した最も広い範囲に従うべきで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の変化に基づいたブロックサイズ割当てシステムおよび方法を取り入れ
る画像処理システムのブロックダイアグラムである。
【図２】 変化に基づいたブロックサイズ割当てに含まれる処理ステップを示すフローチ
ャートである。
【図３ａ】 例示的ブロックサイズ割当てを示す。
【図３ｂ】 対応するクオドトリー分解を示す。
【図３ｃ】 対応するＰＱＲデータを示す。
【符号の説明】
１０２…エンコーダ １０６…デコーダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 マーリット、マイケル・ジェイ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92121 サン・ディエゴ、シー・ミスト・ コート 5127 Ｆターム(参考） 5C059 KK02 MA23 MC11 MC38 ME02 PP15 PP16 TA12 TB08 TC02 TD05 TD12 UA02 5J064 AA02 BA09 BA16 BC16 BC26 BD01

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力ブロックの圧縮に使用されるイメージ画素の入力ブロッ
    クのためのブロックサイズ割当てを決定する方法であって、 画素データのブロックを読み、 画素データの前記ブロックおよび画素データの前記ブロックの細分化されたブ
    ロックの画素値の変化に基づいてブロックサイズ割当てを生成し、 前記ブロックサイズ割当てに情報を含んでいるデータ構造を提供する、 ステップを含む方法。
  2. 【請求項２】 前記生成するステップが、 画素データの前記ブロックの画素値の変化を決定し、 前記変化を閾値と比較し、 前記比較ステップの結果に基づいて前記ブロックを細分化する判定をし、 前記判定が前記ブロックを細分化することであるならば、予定の評価基準が満
    たされるまで、各細分化されたブロックについて決定、比較、および判定をする
    ステップを繰り返し、 さらに細分化されない各ブロックを前記ブロックサイズ割当てとして選定する
    、ステップを含む請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記変化が前記閾値よりも大きいならば、判定をする前記ス
    テップが細分化されるべきブロックを取りに行く請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記閾値が予め設定される請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記閾値が評価されているブロックの平均画素値の関数であ
    る請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記閾値が細分割の各レベルに関して変わる請求項２の方法
    。
  7. 【請求項７】 決定、比較、および判定をするステップをもはや繰り返さな
    いための前記評価基準が画素データの予め選択された最小のブロックサイズに基
    づかされた請求項２の方法。
  8. 【請求項８】 画素データのブロックを圧縮するための画像圧縮システムで
    あって、 画素データの前記ブロックおよび画素データの前記ブロックの細分化されたブ
    ロックの画素値の変化に基づいて圧縮されるべき前記ブロックのブロックまたは
    細分化されたブロックを選択するブロックサイズ割当て手段、 前記選択されたブロックまたは細分化されたブロックの画素データを周波数領
    域データに変換する変換手段、 前記周波数領域データを量子化する量子化器手段、 前記量子化されたデータを直列化された流れのデータに走査するシリアライザ
    手段、 送信の準備のため前記直列化された流れを符号化する可変長コード化手段、 を含むシステム。
  9. 【請求項９】 前記ブロックサイズ割当て手段は画素データの前記ブロック
    の画素値の変化を決定し、前記変化を閾値と比較し、前記比較の結果に基づいて
    前記ブロックを細分化する判定をし、前記判定が前記ブロックを細分化すること
    であるならば、予定の評価基準が満たされるまで、各細分化されたブロックにつ
    いて変化の決定、閾値との比較、および細分化の判定を繰り返し、さらに細分化
    されない各ブロックを前記ブロックサイズ割当てとして選定する、請求項８のシ
    ステム。
  10. 【請求項１０】 前記変化が前記閾値よりも大きいならば、細分化する前記
    判定が細分化されるべきブロックを取りに行く請求項９のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記閾値が予め設定される請求項１０のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記閾値が評価されるブロックの平均画素値の関数である
    請求項１０のシステム。
  13. 【請求項１３】 前記閾値が細分割の各レベルに関して変わる請求項９のシ
    ステム。
  14. 【請求項１４】 もはや細分割されないための前記予め設定された評価基準
    が達成されている画素データの予め選択された最小のブロックサイズに基づいて
    いる請求項９のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記変換手段が離散コサイン変換を実行する請求項８のシ
    ステム。
  16. 【請求項１６】 前記変換手段が微分クオドトリー変換によって引き続けら
    れる離散コサイン変換を実行する請求項８のシステム。
  17. 【請求項１７】 前記シリアライザ手段がジグザグスキャナを含む請求項８
    のシステム。
  18. 【請求項１８】 前記のジグザグスキャナがジグザグな走査のために８x８
    ブロックサイズを採用する請求項１７のシステム。
  19. 【請求項１９】 前記可変長コード化手段がハフマンコーダを含む請求項８
    のシステム。
  20. 【請求項２０】 前記ハフマンコーダがランレングスと非ゼロ値を符号化す
    る多重ルックアップ表を採用する請求項１９のシステム。
  21. 【請求項２１】 ３つのルックアップ表がある請求項２０のシステム。
  22. 【請求項２２】 イメージの画素データのブロックを圧縮する方法であって
    、 画素データのブロックを読み、 画素データの前記ブロックおよび画素データの前記ブロックの細分化されたブ
    ロックの画素値の変化に基づいてブロックサイズ割当てを生成し、 前記ブロックサイズ割当てに情報を含むデータ構造を提供し、 前記データ構造により指示されるような選択されたブロックの前記画素データ
    を周波数領域表現に変換し、 前記周波数領域データを量子化し、 量子化されたデータを直列化された流れに走査し、 送信に備えてデータの前記直列化された流れをコード化する方法。
  23. 【請求項２３】 前記生成するステップが、 画素データの前記ブロックの画素値の変化を決定し、 前記変化を閾値と比較し、 前記比較ステップの結果に基づいて前記ブロックを細分化する判定をし、 前記判定が前記ブロックを細分化することであるならば、予定の評価基準が満
    たされるまで、各細分化されたブロックについて決定、比較、および判定をする
    ステップを繰り返し、 さらに細分化されない各ブロックを前記ブロックサイズ割当てとして選定する
    、ステップを含む請求項２２の方法。
  24. 【請求項２４】 前記変化が前記閾値よりも大きいならば、判定をする前記
    ステップが細分化されるべきブロックを取りに行く請求項２３の方法。
  25. 【請求項２５】 前記閾値が予め設定される請求項２４の方法。
  26. 【請求項２６】 前記閾値が評価されているブロックの平均画素値の関数で
    ある請求項２４の方法。
  27. 【請求項２７】 前記閾値が細分割の各レベルに関して変わる請求項２３の
    方法。
  28. 【請求項２８】 決定、比較、および判定をするステップをもはや繰り返さ
    ないための前記評価基準が画素データの予め選択された最小のブロックサイズに
    基づかされた請求項２３の方法。
  29. 【請求項２９】 離散コサイン変換が変換の前記ステップの間に実行される
    請求項２２の方法。
  30. 【請求項３０】 離散コサイン変換が変換の前記ステップの間に微分クオド
    トリー変換により引き続かれて実行される請求項２２の方法。
  31. 【請求項３１】 ジグザグ走査が走査の前記ステップの間に実行される請求
    項２２の方法。
  32. 【請求項３２】 前記ジグザグ走査が８x８ブロックサイズを使用して実行
    される請求項３１の方法。
  33. 【請求項３３】 ハフマンコード化がコード化の前記ステップの間に実行さ
    れる請求項２２の方法。
  34. 【請求項３４】 前記ハフマンコード化がランレングスと非ゼロ値をコード
    化する多重ルックアップ表を採用する請求項３３のシステム。
  35. 【請求項３５】 ３つのルックアップ表がある請求項３４のシステム。
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