JP3504005B2 - データ圧縮方法 - Google Patents

データ圧縮方法

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JP3504005B2
JP3504005B2 JP01711295A JP1711295A JP3504005B2 JP 3504005 B2 JP3504005 B2 JP 3504005B2 JP 01711295 A JP01711295 A JP 01711295A JP 1711295 A JP1711295 A JP 1711295A JP 3504005 B2 JP3504005 B2 JP 3504005B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大まかにいってデータ
圧縮の分野に関するものである。もっと詳しくいえば、
本発明は、適正な一定の圧縮データサイズに維持すべき
ビデオデータの圧縮に特によく適する適応型ビットレー
ト制御（adaptive bit rate control)を用いるデータ圧
縮方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１に示すＪＰＥＧ（合同映画専門家グ
ループ）型システムの如き代表的なフィールド単位ビデ
オデータ圧縮システム１０は、ビデオ圧縮器１６にデー
タを供給する原データメモリ１２を含んでいる。圧縮デ
ータカウンタ２０は、圧縮データのサイズを決め、この
情報をビットレート制御器２４に供給する。ビットレー
ト制御器２４は、量子化増減率（quantizer scale fact
or）を決め、この情報をビデオ圧縮器１６に供給する。
ビデオ圧縮器１６からの圧縮データは、最終的に伝送媒
体３２（又は記憶媒体）に対するデータ源として用いら
れる圧縮データメモリ２８に供給される。
【０００３】原データメモリ１２は、未圧縮ビデオデー
タを収納している。ビデオ圧縮器１６は、原データメモ
リ１２からのデータを処理し、そのデータ量を減らし、
圧縮したビデオデータを圧縮データメモリ２８に記憶さ
せる。圧縮データカウンタ２０は、各フィールドの間
に、ビデオ圧縮器１６から出力された圧縮データバイト
の数をカウントする。ビットレート制御器２４は、圧縮
パラメータを調整してビデオ圧縮器１６から出力される
データ量を制御する。圧縮されたビデオデータは、伝送
媒体３２を介して他の場所に送られる。
【０００４】１６のようなＪＥＰＧ型ビデオ圧縮器で
は、図２に示す如く圧縮が変換４０、量子化４４及びエ
ントロピー符号化４８の３段階で行われる。変換段４０
では、ビデオデータは例えば離散コサイン変換又は高速
フーリエ変換などを用いて時間領域情報から周波数領域
情報に変換される。この周波数領域情報はマトリクスで
表される。量子化段４４では、変換されたデータが、量
子化マトリクス増減器５２で発生した増減された量子化
マトリクスからの値によって分割される。５６における
大きな量子化増減率は、６０における増減された量子化
マトリクス内においてより大きな値を作り出し、それに
より、量子化段４４の量子化動作においてより多くの情
報が捨てられる。原ビデオデータのサイズを圧縮された
ビデオデータのサイズで割った圧縮比は、主として５６
における量子化増減率の値によって決まる。
【０００５】ＪＰＥＧ圧縮方式の如き多くのビデオ圧縮
技術は、原ビデオ映像の複雑さに応じて量が変化する圧
縮データストリームを作り出す。しかし、多くの場合、
圧縮データストリームは、データ伝送容量が限られた媒
体によって伝送しなければならない。伝送媒体のオーバ
ーフロー（流量超過）を防ぐには、圧縮技術によって発
生するデータの量を制御しなければならない。
【０００６】大抵、ビットレートが変わるビデオ圧縮回
路の出力と一定ビットレート伝送媒体の入力との間に、
２８のようなバッファメモリが挿入されている。バッフ
ァメモリは、圧縮回路から出力されるデータ量の変化を
平滑化するの用いられる。しかし、バッファメモリのサ
イズは限られているので、バッファのオーバーフローを
防ぐためビデオ圧縮回路から発生されるデータ量を更に
制御しなければならない。
【０００７】殆どのフィールド単位ビデオ圧縮システム
の場合、圧縮量は主として量子化処理により制御され
る。この処理では、変換されたビデオデータのマトリク
スが４４で量子化マトリクスによって分割される。この
分割動作で残ったデータは捨てられるので、情報が失わ
れ、原データを表すのに必要なビット数が減少する。こ
の圧縮データ量は、量子化マトリクス増減器５２で、５
６における量子化増減率を量子化マトリクス６６に乗算
することにより制御される。量子化増減率が大きくなる
と、量子化マトリクスのすべての値が大きくなり、分割
動作でより多くのデータが捨てられ、出力されるデータ
量はより少なくなる。
【０００８】大抵の応用機器において、ビデオ圧縮回路
が発生するデータ量は、伝送媒体のデータ伝送容量に極
めて接近していなければならない。最適の量子化増減率
を選んでこのデータ量を精確に制御するため、反復処理
を用いる。この反復処理では、データの各フィールドを
複数回圧縮することが必要になる。ビデオデータの各フ
ィールドに対し、一般に初期量子化増減率を選択して圧
縮を行う。発生したデータ量を所望のデータ量と比較し
て、量子化増減率を調整する。目標データ量を越える
と、量子化増減率を大きくする。その逆も同様である。
この処理を数回繰返し、最後に個々のフィールドに対す
る最適の量子化増減率を見付ける。その目的は、伝送媒
体の容量にぴったり合せることにより、伝送媒体の制約
に対し最良の画質を得ることである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、最適の量子化
増減率を得るために反復することは、圧縮データ量を精
確に制御できるものの、実時間システムには向かない。
実時間システムでは、すべてのフィールドを１フィール
ドより短い時間内に圧縮しなければならない。反復方法
を用いるとすれば、各フィールドを１フィールド時間内
に数回圧縮するか、或いは数個の圧縮回路を並列に使用
しなければならない。どちらの場合も、圧縮を実施する
のに極端な高速処理又は複数の処理器（圧縮器）を要す
るため、システムのコストが高くなる。
【００１０】本発明の課題は、ほぼ一定のデータレート
を発生し、且つ実時間ビデオに用いて好適の改良された
圧縮方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、特に
ビデオデータに役立つ１段階適応型ビットレート制御方
法を提供する。先行（前の）ビデオフィールドからのデ
ータを用いて量子化増減率を計算し、これを現在のビデ
オフィールドの圧縮に使用する。圧縮されたデータサイ
ズにおける大きな変化をシーン（場面）転換の検出に用
いる。シーン転換を検出すると、圧縮フィールドの代わ
りに圧縮データストリームの中にマーカを挿入する。伸
長（圧縮解除）時に、補間されたフィールドをシーン転
換マーカの代わりに使用する。
【００１２】本発明は、ほぼ一定レートの出力データを
供給する外に、実施が簡単であり、シーン転換の検出が
可能となる利点がある。
【００１３】用語の混乱を避けるため、以下の説明で
は、Ｆn ＝処理されている現在のフィールド（番号
ｎ）、Ｓn ＝圧縮される（た）フィールドＦn のサイ
ズ、Ｑn ＝Ｓn-1 から計算されフィールドＦn の圧縮に
用いる量子化率とする。
【００１４】 本発明による一連のビデオデータのフィ
ールドＦｎ （ｎはフィールド計数番号）を圧縮する方
法は、一面において、 （ａ）圧縮されるデータのフィールドに対する所望のデ
ータサイズＳｄｅｓｉｒｅｄを定めるステップと、 （ｂ）所望データサイズを達成するために、データのフ
ィールドＦｎ が圧縮されたときに生じるサイズＳ
ｎ−１ から量子化率Ｑｎ を計算するステップと、 （ｃ）量子化率Ｑｎ を用いてデータフィールドＦｎ を
圧縮するステップと、 （ｄ）上記一連のビデオフィールドに対する各ｎの値に
ついてステップ（ｂ）及び（ｃ）を繰返すステップと、 （ｅ）サイズＳｎ 及びＳｎ−１ の差の絶対値を最大値
Δｍａｘ と比較して、シーン転換があったかどうかを
決めるステップと、 （ｆ）上記シーン転換が生じたとき、シーン転換マーカ
をビデオフィールドＦｎ の代わりに入れるステップと
を含んでいる。
【００１５】本発明による一連のビデオデータフィール
ドＦn （ｎはフィールド計数番号）を圧縮する方法は、
他面において、圧縮されるデータフィールドの所望デー
タサイズＳdesired を定めるステップと、初期の量子化
率Ｑ1 を として計算するステップと、初期量子化率Ｑ1 を用いて
フィールドＦ1 を圧縮するステップと、ｎ＞１に対し、 を用いて量子化率Ｑn を計算するステップと、ｎ＞１に
対し、量子化率Ｑn を用いて各データフィールドＦn を
圧縮するステップとを含んでいる。
【００１６】本発明による一連のビデオデータフィール
ドＦn （ｎはフィールド計数番号）を圧縮する方法は、
更に他の面において、圧縮されるデータフィールドの所
望データサイズＳdesired を定めるステップと、フィー
ルドＦ1 を圧縮する初期量子化率Ｑ1 を として計算するステップと、量子化率Ｑ1 を用いてフィ
ールドＦ1 を圧縮するステップと、ｎ＞１に対し、 を用いて各データフィールドＦn に対する量子化率Ｑn
を計算するステップと、ｎ＞１に対し、量子化率Ｑn を
用いて各データフィールドＦn を圧縮するステップとを
含む。
【００１７】本発明による一連のビデオデータフィール
ドＦn （ｎはフィールド計数番号）を圧縮する方法は、
なお他の面において、圧縮されるデータフィールドの所
望データサイズＳdesired を定めるステップと、フィー
ルドＦ1 を圧縮する初期量子化率Ｑ1 を定めるステップ
と、量子化率Ｑ1 を用いてフィールドＦ1 を圧縮するス
テップと、ｎ＞１に対し、各データフィールドＦn に対
する量子化率Ｑn を定めるステップと、ｎ＞１に対し、
フィールドＦn-1 が圧縮されたときに得られた実際のデ
ータサイズＳn-1 を用いて計算された量子化率Ｑn を用
いて各データフィールドＦn を圧縮するステップとを含
む。
【００１８】
【００１９】本発明によれば、バッファメモリを大きく
すればデータ量の変動を吸収しうるので、圧縮されたデ
ータ量を精確に制御する必要がない。本発明は、前のフ
ィールドからのデータを用いて現フィールドに対する量
子化増減率を計算する。この計算は、簡単であって極め
て迅速に行われる。本発明によれば、余り複雑さを増す
ことなく、実時間システムに適合する十分な圧縮データ
量の制御が達成される。
【００２０】
【実施例】以下、図面により本発明を具体的に説明す
る。図１は、本発明を使用しうるビデオデータ圧縮シス
テムの例を示すブロック図である。本発明は、図１にお
けるビットレート制御器２４内で新しいビットレート制
御法を使用するものである。その他の点は、前述したも
のと類似である。５６における量子化増減率の値は、ビ
ットレート制御器２４によってセットされる。各フィー
ルドが圧縮されている間、圧縮データカウンタ２０は、
発生された圧縮ビデオデータのバイト数をカウントす
る。フィールドが圧縮され終えたのち、ビットレート制
御器２４は、該フィールドの量子化増減率、該増減率
（scale factor）を用いて発生された圧縮ビデオデータ
サイズ及び所望の圧縮ビデオデータサイズを使用して、
新しい量子化増減率を計算する。圧縮器は、この新しい
量子化増減率を使用して新しく増減された量子化マトリ
クスを普通の方法で作り、これを次のフィールドに使用
する。即ち、現フィールドの圧縮に用いる増減率は、先
行フィールドに要した増減率から計算されたものであ
る。この処理はすべて、２フィールドの間隔内に行われ
る。勿論、特別な圧縮法が必要なときは、量子化情報を
符号化して送信し、受信端で適正に復号できるようにし
てもよい。
【００２１】図３は、本発明に用いる圧縮処理を示すフ
ローチャートである。図３により、本発明方法をスター
ト・ステップ１００から説明する。このビットレート制
御法では、所望データサイズ変数Ｓdesired の値をステ
ップ１０４にて所望のフィールド圧縮データサイズにセ
ットする。それから、量子化増減率の初期値Ｑ1 を１０
８で計算し、この値を１１２で圧縮器に記憶させる。ス
テップ１１６で、全フィールドを圧縮し終わったことが
決まると、前フィールドの量子化増減率変数の値Ｑを現
在の値Ｑ′に合せ、圧縮データサイズＳを１１８で圧縮
データカウンタから取出す。これらの値を用いて、１２
２で新しい量子化増減率Ｑn を計算し、この値を１２８
で圧縮器に記憶させ、次のフィールドの圧縮に使用す
る。現フィールド１３０で圧縮データメモリ２８に記憶
させるか、或いは他の方法で処理する。この処理を無限
に繰返す。
【００２２】全フィールドを圧縮し終わると、前の量子
化増減率及び得られた圧縮データサイズを用いて新しい
量子化増減率を計算する。この計算に用いるアルゴリズ
ムは、非常に計算が容易であるにも拘らず、圧縮データ
サイズを良く制御することができる。このアルゴリズム
は、多くの種々異なるビデオフィールドについて量子化
増減率及び得られる圧縮データサイズ間の関係を観察す
ることにより、実験的に導き出された。
【００２３】最初のデータフィールドを圧縮するのに用
いる初期量子化増減率は、実験的に割出される。好適な
具体構成では、初期量子化増減率に対する式は、次式
（１）で示される。 ただし、Ｑ′は最初のデータフィールドの圧縮に用いる
初期量子化増減率であり、Ｓdesired は所望の圧縮デー
タサイズである。所望により、又は初期フィールドに対
する良い率が知られるときは、他の初期量子化率を選択
してもよい。
【００２４】後に続く量子化増減率に関する一般式は、
式（２）で示される。 ただし、Ｑ′は新しい量子化増減率、Ｓdesired は所望
圧縮データサイズ、Ｑは前の量子化増減率、Ｓは得られ
た圧縮データサイズである。
【００２５】実際問題として、量子化増減率の変化は制
限するのが望ましい。例えば、平坦な黒いビデオ映像は
殆ど何の情報も含まないので、当然圧縮データサイズは
極めて小さくなる。一連の平坦な黒い映像を圧縮する場
合、Ｓdesired はＳより大きいので、Ｑ′の値は極めて
小さくなる。これは、伝送媒体の帯域幅を浪費するのみ
ならず、シーンが複雑な映像に変化する場合、極端に大
きな圧縮データサイズが得られることになる。したがっ
て、式（１）及び（２）は、実際問題として、式（３）
及び（４）に示すように、Ｑ′が最低値（floor value)
をもつように修正すべきである。 ただし、Ｃは定数である。Ｃの値は、Ｓdesired の値に
よって決まる。Ｑ′が小さ過ぎることのないように、我
々は式（１）を用いてＣに対する（かなり任意な）値を
展開することができる。式（５）に示す式が広範囲の映
像に適することが判明した。
【００２６】即ち、一連のビデオフィールドＦn （ｎは
フィールド番号）に対し、現データフィールドＦn の圧
縮に用いられる量子化増減率Ｑn は、ほぼＳdesired の
データサイズを得るために次のように計算される。 また、Ｓn-1 は、量子化率Ｑn-1 を用いるビデオデータ
の前フィールドＦn-1の圧縮後に得た実際のサイズであ
る。最初のフィールドＦ1 は、次の如き量子化率Ｑ1 を
用いて圧縮される。
【００２７】上式は、次のように一般化される。
【００２８】１つの過圧縮又は圧縮不足のビデオフィー
ルドが目障りの場合、後述の如きフィールド反復などの
補正手段を取ってこの問題を軽減できる。
【００２９】本発明は、先行フィールドからの圧縮結果
を用いて、現フィールドの量子化率を計算するものであ
る。一般的に連続するビデオデータは複雑さが類似して
いるので、所望のデータ量が達成される。しかし、連続
ビデオデータフィールドは、「シーン転換」の際極めて
違ったものになる可能性がある。現フィールドのビデオ
映像の複雑さが先行フィールドより高い場合、作られる
圧縮データの量は所望量より高くなるであろう。逆に、
現フィールドのビデオ映像の複雑さが前のフィールドよ
り低い場合、圧縮データ量は所望量より低くなるであろ
う。どちらの場合も、このフィールドの圧縮結果を量子
化増減率の計算に用いるので、次のフィールドについて
出力される圧縮データ量は、所望サイズに近くなるであ
ろう。
【００３０】多くのビデオ機器において、シーン転換を
自動的に検知することが望ましい。実際の圧縮データ量
が予想される圧縮データ量より大きく外れたとき、これ
を図４に示すようにシーン転換の検出に利用できる。図
４は図３の変形例であり、圧縮フィールドのサイズがこ
の図のステップ１３８で検査される。フィールド毎に、
実際の圧縮データ量を予想される圧縮データ量と比較す
る。予想サイズは、前に圧縮されたフィールドのサイズ
である。即ち、現フィールドのサイズＳn が前フィール
ドのサイズＳn-1 より非常に大きいか又は小さくて、サ
イズにおける差の絶対値が或る閾値Δmax より大きい場
合、ビデオの複雑さが突然変わり、シーン転換があった
と見なすことができる。この閾Δmax を越す場合、処理
がステップ１４４に進み、シーン転換があったことを示
すマーカを圧縮フィールドの代わりに圧縮データメモリ
２８に記憶させる。閾Δmax を越さないとき、制御はス
テップ１３０に回され、圧縮フィールドが上記メモリ２
８に記憶される。
【００３１】図４のステップ１３８において、得られた
圧縮データのサイズを前のデータフィールドのサイズ
と、Ｓn からＳn-1 を減算することにより比較し、その
結果の絶対値を最大差値Δmax と比較する。その差がΔ
max より大きければ、シーン転換があってフィールドＦ
n-1 に対する量子化率は適当な圧縮を行うのに適しな
い、と推定することができる。補正処理は、図５に示す
ように圧縮データの復号時に行われる。
【００３２】図５を参照して、上述のようにして発生さ
れた圧縮データの復号処理を説明する。この構成では、
圧縮データはステップ２００でシーン転換マーカが存在
するかどうかが調べられる。存在しなければ、データは
ステップ２１０で平常どおり伸長（圧縮解除）され、伸
長データ出力が発生される。ステップ２００でシーン転
換マーカが発見された場合、ステップ２２０で代用デー
タフィールドが発生され、出力として供給される。
【００３３】代用データフィールドは、幾つかの方法で
発生できる。１つの具体構成では、伸長されたビデオの
先行（前）フィールドをステップ２２０で繰返す。他の
具体構成では、フィールド補間を用いて代用フィールド
を発生する。フィールド補間により、「偶数」フィール
ドから「奇数」フィールドを作ることができ、その逆も
同様である。フィールド補間はまた、低速再生における
映像の飛び跳ねを減らすのに使用でき、情勢によっては
垂直解像度を倍増させるのにも使用できる。本発明で
は、次式による補間を行う垂直平均化フィルタを使用す
ることができる。
【００３４】これらの式は、実際のビデオフィールドに
存在する２ピクセル間の空間的に中間にある合成的ピク
セルを計算するものである。式（１１）は空間的に高い
ラインを、式（１２）は空間的に低いラインを計算す
る。代用フィールドの発生には、フィールドの削除を含
め、他の技法を用いることができるであろう。
【００３５】本発明は、種々の方法で実施することがで
き、例えば、上述した処理をすべて行うプログラムされ
たプロセッサを使用してもよい。或いは、使用する圧縮
データの個々のサイズに対応する量子化率を記憶するル
ックアップ（参照）ＲＯＭを用いるハードウェアで実施
してもよい。勿論、２つの乗算器と１つの割算器を用い
るハードウェアによる実施も考えられる。
【００３６】本発明は、ハードウェア及びソフトウェア
両方の組合せを用いて実施するのがよい。量子化率の増
減及び量子化を含め、圧縮処理のすべてを特定用途向け
集積回路を用いて実施するのがよい。量子化増減率の計
算は、マイクロプロセッサの如きプログラムされたプロ
セッサで行うのが良い。バッファメモリは、ハードウェ
アで実現される。勿論、代わりに、量子化増減率の計算
を特殊目的乗算器及び割算器を用いて、或いは先に示唆
したような参照表を用いて、ハードウェアで行ってもよ
い。本発明を熟慮すれば、当業者には他の変形が考えら
れるであろう。当業者にはまた、広範囲の定数ｋ及びＣ
が本発明の機能を果たすために期待でき、それらの与え
られた定数の値は単に、広範囲のビデオ入力にわたって
十分適正に機能するものと実験的に決定された値を示す
ものであることが認められるであろう。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、ほぼ一定レートのデー
タを出力し、実時間ビデオに用いて好適である。また、
実施が簡単であり、シーン転換の検出が容易で、これを
データ圧縮に組入れることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いうるビデオデータを圧縮システム
を示すブロック図である。
【図２】本発明を用いうるＪＰＥＧ型ビデオデータ圧縮
器を示すブロック図である。
【図３】本発明で用いる圧縮処理を示すフローチャート
である。
【図４】本発明によるシーン転換の検出を含む圧縮処理
を示す部分的フローチャートである。
【図５】本発明による伸長処理を示すフローチャートで
ある。
【符号の説明】
１０４ Ｓdesired を定めるステップ １０８ 初期量子化率Ｑ1 を計算するステップ １２２ 量子化率Ｑn を計算するステップ １２８，１３０ データフィールドＦn を圧縮するステ
ップ １３８ シーン転換があったかどうかを決めるステップ ２００ シーン転換マーカがあるかどうかを決めるステ
ップ ２１０ 圧縮データを伸長するステップ ２２０ 代用フィールドを発生するステップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−341085（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−260458（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 7/24 - 7/68

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一連のビデオデータのフィールドＦｎ
    （ｎはフィールド計数番号）を圧縮する方法であって、 （ａ）圧縮されるデータのフィールドに対する所望のデ
    ータサイズＳｄｅｓｉｒｅｄを定めるステップと、 （ｂ）上記所望データサイズを達成するためにデータフ
    ィールドＦｎ に対する量子化率Ｑｎ を計算するステッ
    プであって、先行フィールドＦｎ−１が圧縮されたとき
    に得られる実際のデータサイズＳｎ−１ から上記量子
    化率Ｑｎ を計算するステップと、 （ｃ）上記量子化率Ｑｎ を用いてデータフィールドＦ
    ｎ を圧縮するステップと、 （ｄ）上記一連のビデオフィールドに対する各ｎの値に
    ついてステップ（ｂ）及び（ｃ）を繰返すステップと、 （ｅ）サイズＳｎ 及びＳｎ−１ の差の絶対値を最大値
    Δｍａｘ と比較して、シーン転換があったかどうかを
    決めるステップと、 （ｆ）上記シーン転換が生じたとき、シーン転換マーカ
    をビデオフィールドＦｎ の代わりに入れるステップと
    を含むデータ圧縮方法。
  2. 【請求項２】 フィールドＦ１ を圧縮するのに用いる
    初期量子化率を Ｑ１＝（ｋ／Ｓdesired）2 ただし、ｋは定数 として計算する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 ｎ＞１に対する上記量子化率Ｑｎ をス
    テップ（ｂ）において Ｑｎ＝Ｑn − 1・（Ｓn − 1／Ｓdesired）2 により計算する請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 ｎ＞１に対する上記量子化率Ｑｎ を Ｑｎ＝ＭＡＸ〔Ｑn − 1・（Ｓn − 1／Ｓdesired）2 ，Ｃ〕 ただし、Ｃは定数 によって計算する請求項２の方法。
  5. 【請求項５】 Ｃ＝０.５・（３５０００／Ｓdesired）2 である請求項４の方法。
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