JP2518214B2

JP2518214B2 - 高能率符号化装置

Info

Publication number: JP2518214B2
Application number: JP15684886A
Authority: JP
Inventors: 哲二郎近藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-07-03
Filing date: 1986-07-03
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS6313485A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、ディジタルテレビジョン信号等の画像デ
ータの１画素当たりのビット数を圧縮する高能率符号化
装置に関する。

〔発明の概要〕

この発明では、ディジタルビテオ信号を伝送する際に
適用される高能率符号化装置において、テレビジョン画
面が多数の２次元的ブロック又は３次元的ブロックに分
割され、各ブロック内の画素の相関により狭くなったダ
イナミックレンジに適応した符号化により、ブロック内
の画素データのビット数が圧縮でき、この圧縮されたコ
ード信号がベクトル量子化により、符号化され、ベクト
ル量子化の符号化の効率を頗る高くすることができる。

〔従来の技術〕

テレビジョン信号の符号化方法として、伝送帯域を狭
くする目的であって、１画素当たりの平均ビット数又は
サンプリング周波数を小さくするいくつかの高能率符号
化方法が知られている。

高圧縮が可能な量子化方法の一つとして、１フレーム
の画面がｍ個の画素からなるブロックに分割され、ｍ次
元ベクトル空間内の領域がｎ分割され、ｎ個の参照ブロ
ックが形成され、実際のデータのブロック毎に参照ブロ
ックの中から符号化歪が最小となるものが選択され、そ
のパターン番号がインデックスコードとして伝送され、
受信側では、コードブックを利用してインデックスコー
ドで示された代表ベクトルが復元されるベクトル量子化
が知られている。

ベクトル量子化は、インデックスコードを伝送すれば
良いので、高い圧縮率が得られる。しかし、復元時の忠
実度を保証するために、類似のパターンであっても、直
流レベル及びゲインが違う場合には、異なるパターンと
して処理するので、参照ブロックの数が例えば（ｎ＝2
¹⁰）のように多くなり、符号化の効率が悪く、また、回
路規模が極めて大きくなる問題があった。

この点を改善するために、ブロックの画素データの平
均値と振幅分布の標準偏差とにより、画素データを正規
化する方法が考えられている。しかし、画素データが８
ビットであるため、上記の正規化を施しても、符号化の
効率が充分に高くならなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明は、先に提案されているダイナミックレンジ
に適応した符号化方法をベクトル量子化方法に組み合わ
せることにより、符号化の効率を高くすると共に、回路
規模の縮減を図るものである。

即ち、本願出願人は、特願昭59−266407号明細書に記
載されているような、２次元ブロック内に含まれる複数
画素の最大値及び最小値により規定されるダイナミック
レンジを求め、このダイナミックレンジに適応した符号
化を行う高能率符号化装置を提案している。また、特願
昭60−232789号明細書に記載されているように、複数フ
レームに夫々含まれる領域の画素から形成された３次元
ブロックに関してダイナミックレンジに適応した符号化
を行う高能率符号化装置が提案されている。更に、特願
昭60−268817号明細書に記載されているように、量子化
を行った時に生じる最大歪が一定となるようなダイナミ
ックレンジに応じてビット数が変化する可変長符号化方
法が提案されている。

この発明の目的は、ベクトル量子化を行う前の段階
で、上述のダイナミックレンジに適応した符号化方法を
適用し、ダイナミックレンジに適応した符号化により、
正規化を行い、符号化の効率を高くでき、回路規模を小
さくできる高能率符号化装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、ディジタル画像信号の２次元ブロック又
は時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の領
域からなるブロック内に含まれる複数の画素データの最
大値MAX及び複数の画素データの最小値MINを求めると共
に、最大値MAX及び最小値MINから記ブロック毎のダイナ
ミックレンジDRを検出するダイナミックレンジ検出回路
と、最小値MINを複数の画素データの値から減算し、最小
値除去後の入力データを形成する減算回路と、検出されたダイナミックレンジDR内で最小値除去後の
入力データを元の量子化ビット数より少ない量子化ビッ
ト数で符号化し、コード信号を発生する量子化回路と、コード信号をベクトル量子化するベクトル量子化回路
と、ダイナミックレンジ情報と、最大値MAX、最小値MINの
内の少なくとも、２個の付加コードとベクトル量子化で
得られたコード信号を伝送するフレーム化回路とからなることを特徴とする高能率符号化装置である。

〔作用〕

テレビジョン信号は、水平方向、垂直方向並びに時間
方向に関する３次元的な相関を有しているので、定常部
では、同一のブロックに含まれる画素データのレベルの
変化幅が小さい。従って、ブロック内の画素データが共
有する最小レベルMINを除去した後のデータPDIのダイナ
ミックレンジを元の量子化ビット数より少ない量子化ビ
ット数により量子化しても、量子化歪は、殆ど生じな
い。

また、ブロック毎に最小値を除去することは、ブロッ
クの画素データ間で直流レベルの違いが除去される正規
化を意味する。このダイナミックレンジに適応した符号
化により得られたコード信号がベクトル量子化される。
ダイナミックレンジに適応した符号化が得られるコード
信号は、１画素のビット数が圧縮されており、また、直
流レベルの違いが除去されているので、ベクトル量子化
の際には、正規化処理を行う必要が無く、然も、符号化
の効率を極めて高くすることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明
する。この説明は、下記の順序に従ってなされる。

a.送信側の構成 b.受信側の構成 c.ブロック及びブロック化回路 d.ダイナミックレンジ検出回路 e.変形例 a.送信側の構成第１図は、この発明の送信側（記録側）の構成を全体
として示すものである。１で示す入力端子に例えば１サ
ンプルが８ビットに量子化されたディジタルビデオ信号
（ディジタル輝度信号）が入力される。このディジタル
ビデオ信号がブロック化回路２に供給される。

ブロック化回路２により、入力ディジタルビデオ信号
が符号化の単位である２次元ブロック毎に連続する信号
に変換される。この実施例では、１ブロックが（８ライ
ン×８画素＝64画素）の大きさとされている。ブロック
化回路２の出力信号がダイナミックレンジ検出回路３及
び減算回路４に供給される。ダイナミックレンジ検出回
路３は、ブロック毎にダイナミックレンジDR及び最小値
MINを検出する。ブロック化回路２からの画素データPD
が減算回路４に供給され、減算回路４において、最小値
MINが除去された画素データPDIが形成される。

また、検出されたダイナミックレンジDRが量子化回路
５に供給される。量子化回路５は、ダイナミックレンジ
DRに適応して、所定のビット数で画素データPDIを量子
化する。

量子化回路５は、例えばROMによって構成される。こ
のROMには、最小値除去後の画素データPDI（８ビット）
を圧縮されたビット数に変換するためのデータ変換テー
ブルが格納されている。ROMでは、ダイナミックレンジD
Rの大きさによりデータ変換テーブルが選択され、読み
出し出力として例えば４ビットのコード信号DTが取り出
される。量子化回路５では、ダイナミックレンジDRが
（2⁴＝16）分割され、この16個のレベル範囲の中で、最
小値除去後のデータPDIが含まれるレベル範囲と対応す
る４ビットのコード信号が発生される。

１ブロック内のテレビジョン信号が水平方向，垂直方
向の２次元方向並びに時間方向に関する３次元的な相関
を有しているので、定常部では、同一のブロックに含ま
れる画素データのレベルの変化幅が小さい。従って、ブ
ロック内の画素データが共有する最小レベルMINを除去
した後のデータPDIのダイナミックレンジを元の量子化
ビット数より少ない量子化ビット数により量子化して
も、量子化歪は、殆ど生じない。

この量子化回路５からのコード信号DTがベクトル量子
化回路６に供給される。ベクトル量子化回路６では、量
子化回路５からの（８×８＝64画素、１画素が４ビッ
ト）のコード信号DTと例えば（2¹⁰＝1024）個の参照ブ
ロックとの間でパターン比較がされ、最も符号化歪が小
となる参照ブロックと対応する10ビットのインデックス
コードDVが生成される。パターン比較としては、例えば
入力ブロックと参照ブロックとの間で対応する画素同士
の間の距離を求め、この距離が最小の参照ブロックを探
す方法を使用できる。

ダイナミックレンジDR,最小値MIN,インデックスコー
ドDVがフレーム化回路７に供給される。フレーム化回路
７は、ダイナミックレンジDR,最小値MIN,インデックス
コードDVをシリアルデータに変換すると共に、インデッ
クスコードDV及び上述の付加コードに誤り訂正符号化の
処理を施し、また同期信号を付加する。フレーム化回路
７の出力端子８に送信データが得られ、この送信データ
がディジタル回線等の伝送路に送出される。

b.受信側の構成第２図は、受信（又は再生）側の構成を示す。入力端
子11からの受信データは、フレーム分解回路12に供給さ
れる。フレーム分解回路12により、インデックスコード
DVと付加コードDR,MINとが分離されると共に、エラー訂
正処理がなされる。インデックスコードDVが代表ベクト
ル発生回路13に供給され、コードブックを参照してイン
デックスコードDVと対応する１画素４ビットのブロック
データ（代表ベクトル）が復号される。この代表ベクト
ルが復号化回路14に供給される。

復号化回路14には、ダイナミックレンジDRが供給され
る。復号化回路14は、送信側の量子化回路５の処理と逆
の処理を行う。即ち、４ビットのコード信号が代表レベ
ルに復号され、このデータと８ビットの最小値MINとが
加算回路15により加算され、元の画素データが復号され
る。加算回路15の出力データがブロック分解回路16に供
給される。ブロック分解回路16は、送信側のブロック化
回路２と逆に、ブロックの順番の復号データをテレビジ
ョン信号の走査と同様の順番に変換するための回路であ
る。ブロック分解回路16の出力端子17に復号されたテレ
ビジョン信号が得られる。

c.ブロック及びブロック化回路第３図を参照して、符号化の単位であるブロックにつ
いて説明する。この例では、１フィールドの画面を分割
することにより、第３図に示される（８ライン×８画
素）の２次元ブロックが多数形成される。第３図におい
て、実線は、奇数フィールドのラインを示し、破線は、
偶数フィールドのラインを示す。この例と異なり、時間
的に連続するＮフレームの各フレームに属するＮ個の２
次元領域から構成された３次元ブロックに対してもこの
発明が適用できる。

ブロック化回路２について第４図，第５図及び第６図
を参照して説明する。説明の簡単のため、１フィールド
の画面が第５図に示すように、（４ライン×８画素）の
構成と仮定し、この画面が破線で示すように、垂直方向
に２分割され、水平方向に４分割され、（２ライン×２
画素）の８個のブロックが形成される場合について説明
する。

第４図において、21で示す入力端子に第６図Ａに示す
ように、（Th₀〜Th₃）の４ラインからなる入力データＡ
が供給され、22で示す入力端子に入力データＡと同期し
ているサンプリングクロックＢ（第６図Ｂ）が供給され
る。数字の（１〜８）がラインTh₀のサンプルデータを
夫々示し、数字の（11〜18）がラインTh₁のサンプルデ
ータを夫々示し、数字の（21〜28）がラインTh₂のサン
プルデータを夫々示し、数字の（31〜38）がラインTh₃
のサンプルデータを夫々示す。入力データＡがThの遅延
量の遅延回路23及び2Ts（Ts:サンプリング周期）の遅延
量の遅延回路24に供給される。また、サンプリングクロ
ックＢが1/2分周回路27に供給される。

遅延回路24の出力信号Ｃ（第６図Ｃ）がスイッチ回路
25及び26の一方の入力端子に夫々供給され、遅延回路23
の出力信号Ｄ（第６図Ｄ）がスイッチ回路25及び26の他
方の入力端子に夫々供給される。スイッチ回路25は、1/
2分周回路27の出力信号Ｅ（第６図Ｅ）により制御さ
れ、また、スイッチ回路26はパルス信号Ｅがインバータ
28により反転されたパルス信号により制御される。スイ
ッチ回路25及び26は、2Ts毎に交互に入力信号（Ｃ又は
Ｄ）を選択する。スイッチ回路25からの出力信号Ｆが第
６図Ｆに示され、スイッチ回路26からの出力信号Ｇが第
６図Ｇに示される。

スイッチ回路25の出力信号Ｆがスイッチ回路29の第１
の入力端子及び4Tsの遅延量を有する遅延回路30に供給
される。スイッチ回路26の出力信号Ｇが2Tsの遅延量を
有する遅延回路31に供給される。遅延回路30の出力信号
Ｈ（第６図Ｈ）がスイッチ回路29の第３の入力端子に供
給される。遅延回路31の出力信号Ｉ（第６図Ｉ）がスイ
ッチ回路29の第２の入力端子及び4Tsの遅延量を有する
遅延回路32供給される。遅延回路32の出力信号Ｊ（第６
図Ｊ）がスイッチ回路29の第４の入力端子に供給され
る。

1/2分周回路33には、1/2分周回路27の出力信号が供給
され、出力信号Ｋ（第６図Ｋ）が形成される。この信号
Ｋによってスイッチ回路29が制御され、4Ts毎に第1,第
2,第３及び第４の入力端子が順次選択される。従って、
スイッチ回路29から出力端子34に取り出される信号Ｌ
は、第６図Ｌに示すものとなる。つまり、データのフィ
ールド毎の順序がブロック毎の順序（例えば１→２→11
→12）に変換される。勿論、１フィールドの実際の画素
数は、第５図に示される例と異なってはるかに多いが、
上述と同様の走査変換によって、第３図に示すブロック
毎の順序に変換される。

d.ダイナミックレンジ検出回路第７図は、ダイナミックレンジ検出回路３の一例の構
成を示す。41で示される入力端子には、ブロック化回路
２から前述のように、１ブロック毎に符号化が必要な領
域の画像データが順次供給される。この入力端子41から
の画素データは、選択回路42及び選択回路43に供給され
る。一方の選択回路42は、入力ディジタルビデオ信号の
画素データとラッチ44の出力データとの間で、よりレベ
ルの大きい方を選択して出力する。他方の選択回路43
は、入力ディジタルビデオ信号の画素データとラッチ45
の出力データとの間で、よりレベルの小さい方を選択し
て出力する。

選択回路42の出力データが減算回路46に供給されると
共に、ラッチ44に取り込まれる。選択回路43の出力デー
タが減算回路46及びラッチ48に供給されると共に、ラッ
チ45に取り込まれる。ラッチ44及び45には、ラッチパル
スが制御部49から供給される。制御部49には、入力ディ
ジタルビデオ信号と同期するサンプリングクロック，同
期信号等のタイミング信号が端子50から供給される。制
御部49は、ラッチ44,45及びラッチ47,48にラッチパルス
を所定のタイミングで供給する。

各ブロックの最初で、ラッチ44及び45の内容が初期設
定される。ラッチ44には、全て‘0'のデータが初期設定
され、ラッチ45には、全て‘1'のデータが初期設定され
る。順次供給される同一のブロックの画素データの中
で、最大レベルがラッチ44に貯えられる。また、順次供
給される同一のブロックの画素データの中で、最小レベ
ルがラッチ45に貯えられる。

最大レベル及び最小レベルの検出が１ブロックに関し
て終了すると、選択回路42の出力に当該ブロックの最大
レベルが生じる。一方、選択回路43の出力に当該ブロッ
クの最小レベルが生じる。１ブロックに関しての検出が
終了すると、ラッチ44及び45が再び初期設定される。

減算回路46の出力には、選択回路42からの最大レベル
MAX及び選択回路43からの最小レベルMINを減算してなる
各ブロックのダイナミックレンジDRが得られる。これら
のダイナミックレンジDR及び最小レベルMINが制御ブロ
ック49からのラッチパルスにより、ラッチ47及び48に夫
々ラッチされる。ラッチ47の出力端子51に各ブロックの
ダイナミックレンジDRが得られ、ラッチ48の出力端子52
に各ブロックの最小値MINが得られる。

e.変形例この発明は、ダイナミックレンジに適応した符号化方
式として、固定長の符号化方式に限らず、可変長の符号
化方式に対しても適用できる。可変長の符号化方式で
は、ブロック毎のダイナミックレンジDRが所定の量子化
歪と対応する量子化ステップでもって分割され、即ち、
ダイナミックレンジDRがダイナミックレンジDRに適応し
た個数のレベル範囲に分割され、最小値除去後のデータ
が属するレベル範囲と対応するコード信号が形成され
る。

この一実施例では、第８図から明らかなように、ダイ
ナミックレンジを分割してなる各領域の中央値L0,L1,L
2,L3・・・を復号時の値として利用している。この符号
化方法は、量子化歪を小さくできる。

一方、最小レベルMIN及び最小レベルMAXの夫々のレベ
ルを有する画素データが１ブロック内に必ず存在してい
る。従って、誤差が０のコード信号を多くするには、第
９図に示すように、ダイナミックレンジDRを（2^m−１）
（但し、ｍは、量子化ビット数）に分割し、最小レベル
MINを代表最小レベルL0とし、最大レベルMAXを代表最大
レベルL3としても良い。第８図及び第９図の例は、簡単
のため、量子化ビット数が２ビットの場合を示してい
る。

以上の説明では、インデックスコードDVとダイナミッ
クレンジDRと最小値MINとを送信している。しかし、付
加コードとしてダイナミックレンジDRの代わりに最大値
MAX、量子化ステップまたは最大歪を伝送しても良い。

また、１ブロックのデータをフレームメモリ、ライン
遅延回路、サンプル遅延回路を組み合わせた回路によ
り、同時に取り出すようにしても良い。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、ベクトル量子化により、伝送する
データの量は、元のデータに比して充分に減少でき、伝
送帯域を狭くすることができる。特に、この発明では、
ベクトル量子化の前にダイナミックレンジDRに適応した
符号化により、ブロック内の画素の正規化がされると共
に、１画素のビット数が圧縮されるので、小さい回路規
模で、また、符号化の効率が良い高能率符号化装置が実
現できる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図は受
信側の構成を示すブロック図、第３図は符号化の処理の
単位であるブロックの説明に用いる略線図、第４図、第
５図及び第６図は夫々ブロック化回路の説明のための略
線図、ブロック化回路の一例のブロック図及びブロック
化回路の一例の動作説明のためのタイムチャート、第７
図はダイナミックレンジ検出回路のブロック図、第８図
は量子化の一例の説明のための略線図、第９図は量子化
の他の例の説明のための略線図である。図面における主要な符号の説明 1:ディジタルビデオ信号の入力端子、2:ブロック化回
路、3:ダイナミックレンジ検出回路、5:量子化回路、6:
ベクトル量子化回路、7:フレーム化回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル画像信号の２次元ブロック又は
時間的に連続するＮフレームの夫々に属するＮ個の領域
からなるブロック内に含まれる複数の画素データの最大
値及び上記複数の画素データの最小値を求めると共に、
上記最大値及び上記最小値から上記ブロック毎のダイナ
ミックレンジを検出する手段と、上記最小値を上記複数の画素データの値から減算し、最
小値除去後の入力データを形成する手段と、上記検出されたダイナミックレンジ内で上記最小値除去
後の入力データを元の量子化ビット数より少ない量子化
ビット数で符号化し、コード信号を発生する手段と、上記コード信号をベクトル量子化する手段と、ダイナミックレンジ情報と、上記最大値、上記最小値の
内の少なくとも、２個の付加コードと上記ベクトル量子
化で得られたコード信号を伝送する手段とからなることを特徴とする高能率符号化装置。