JP3631256B2 - ツリー・コード化無損失画像圧縮 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、画像、特にスパース（sparse）・バイ・レベル画像を効率的に記憶または伝送する画像／ビデオ圧縮装置および方法に関する。
発明の背景と先行技術
近年、テレビ電話やテレビ会議などへの関心が増大している。画像通信に関する問題の１つは、通常、大量の帯域幅を必要とすることである。伝送技術の飛躍的な進歩があり、帯域幅が安価になりつつあるにもかかわらず、効率的な方法で情報をコード化することにより必要な帯域幅の量を減少させる需要が相変わらず存在する。無線周波数スペクトルの帯域幅は、有限の原資なので、将来、無線マルチ・メディア通信システムにおいて、ビデオ圧縮も非常に重要になる。
データを圧縮するために、基本的に２つの異なった方法が使用できる。第１の方法は、統計的な冗長度を除去することである。これは、データのより効果的な表示を選ぶことによりなされる。データの中に除去すべき統計的な冗長度が何も無く、更なる圧縮の必要がまだあるならば、元のデータから情報の一部を除去しなければならない。
後者の技法は、損失のある圧縮と呼ばれ、オーディオとビデオのコード化にありふれたものであり、人間が知覚しにくい音響と映像の特性が除去される。大部分のビデオ圧縮技法は、データから冗長度と重要でない細部を除去する多数のフィルタリングと変換のステップからなる。
いくつかのアプリケーションにおいては、二次元ビット・マップを効率的に圧縮することが望ましい。そうしたアプリケーションは、例えば、ビット平面でコード化された画像を平面ごとに伝送するときに使用される。効率的な方法で伝送したり記憶したりできるコンパクトなビット・ストリームを得るには、ビット平面の全体またはその一部のビットマップを更に処理しなければならない。
例えば、ITU−Ｔ G4、ISO JBIGおよびクォッド・ツリー（Quadtree）コード化など、バイ・レベル画像を圧縮する多くの標準的な方法がある。
米国特許第4,261,018号も、二値白黒画像を順次に伝送する方法を記述している。この方法は、そうした二値画像を次第に細かく分割してゆき、ブロックが白また黒の素子のみからなるまでにする。更なる下位分割を遂行できないような小さなサイズのブロックに達したとき、白と黒の両方の素子を含むこれらの小さなブロックがコード化される。
上記の方法に伴う問題は、それらが最適化されず、従って、例えば、本願の同時係属国際特許出願PCT/SE96/00943に記述されたような、多数の異なったアルゴリズムより生成される多数の異なった出力パターンについて、比較的貧弱な結果しか提供しないことである。
発明の要約
本発明の１つの目的は、先行技術に関連する諸問題を克服して、バイ・レベルの画像またはマトリクスのコード化における効果と性能を増強することである。
この目的は、特にスパース二値マトリクスにおいて、１つのマトリクスが徐々に複数のサブ・マトリクスに分割される種々の二値マトリクスをコード化する方法と装置により得られる。結果のサブ・マトリクスが混合記号を含まない場合は、そのサブ・マトリクスを更に分割する必要がない。そのときは、各サブ・マトリクスについて計数された二進数の１がコード化されて伝送される。
従って、バイ・レベルの画像のために、この方法は、下記のステップを含む。
バイ・レベル画像は、最初にラベル付きバイナリ・ツリーへ変換される。このツリーは、走査され、ノード内の値は、算術コード化により効率的にエントロピ・コー ド化にされる。得られたバイナリ・ツリー内の各ノードは、ツリー内の特定領域を表示する。ノード内の値は、画像の対応する領域内の白いピクセルの数を含む。
こうして、バイ・レベル画像について、例えば、白いピクセルが二進記号１でコード化され、黒いピクセルが二進記号０でコード化され、下記のような方式が設計される。
最初に、ビット・マップ内に二進の１が計数され、その結果の数がバイナリ・ツリーのルート・ノードに配置される。
このビット・マップは、２つの部分に分割されて、２つの部分の各々の二進の１が計数される。こうして得られた２つの数の合計値は、以前のルート・ノードの数に等しい。
これら２つの数を葉としてルート・ノードに配置することにより、バイナリ・ツリーを拡張する。
このようにして各サブ画像が得られ、サブ画像は、二進の１または０で完全に充当されてから再び分割されて、上記のステップが再び遂行される。
最後に、元のビット・マップの全てのサブ画像が白または黒のピクセルのみからになると、そうした分割を表示するバイナリ・ツリーがコード化される。
そうしたコード化は、例えば、ルート・ノードの値をエントロピ・コード化し、このノードの葉をエントロピ・コード化かることにより遂行される。これは、好ましくは算術コード化により行われる。２つの葉の値は、それらのノードから知られるので、２つの葉の１つだけのノードをコード化すれば良い。算術コード器への入力は、コード化されるべき画像のタイプに適合した番号と分布関数を記述する。
ビット・マップの分割方法は、コード器とデコード器の両方により、予め定義されていることが望ましい。この場合における分割は、暗黙のうちにコード化されているので、分割に関する情報を何もデコード器へ伝送する必要がない。
バイ・レベル画像をコード化するこの方法は、圧縮率に関して非常に良好な結果をもたらすことが発見された。それは、白と黒の数が非常に支配的であることが知られているバイ・レベル画像、いわゆる、スパース・バイ・レベル画像のコード化のために特に適していることが発見された。
【図面の簡単な説明】
非制限的な例示の方法により添付図面を参照して、本発明は、一層詳細に説明される。
図1aから図1fは、バイ・レベル画像を表示してコード化するときに遂行される種々のステップを図示する。
図２は、バイ・レベル画像をコード化するフローチャートである。
図３は、バイ・レベル画像の伝送システムの略図である。
好ましい実施例の説明
図1aから図1fは、バイ・レベル画像を表示してコード化するときに遂行される種々のステップを示す。従って、図1aは、コード化すべき二進の１と０からなるバイ・レベルの画像101を示す。この画像を伝送または記憶するために必要な情報を極小化するために、コード化は、下記の通りに実行される。
最初に、二進画像の１（または０）が計数される。この例では、二進の１か計数され、18個であることが見出される。図1bに示されるように、この数は、バイナリ・ツリーのルート・ノード103として記憶されて配置される。
その後、元のバイナリ画像101が２つに分割される。この例では、サブ画像への分割は、水平と垂直に交互に中央で遂行される。しかしながら、画像の他の分割方法も、もちろん可能である。好ましくは、分割を遂行するための方式が予め決められ、コード化アルゴリズムを使用するコード器から目的のデコード器へ分割方式に関する情報も何も伝送する必要がないことが良い。
図1cに示すように、元の二進画像101は、その中央で水平に分割される。この得られたサブ画像内の二進の１が計数され、上部のサブ画像105に２個、下部のサブ画像107内に16個が見出される。これら２つの値は、図1dに示されるように、葉109および葉111として、それぞれルート・ノードに対して配置される。
各サブ画像は、今度は垂直分割により、２つの新しいサブ画像に分割される。サブ画像の交互の分割は、サブ画像が二進の１または二進の０のみで構成されるまで継続される。この分割の結果は、図1eに示される。
各サブ分割の後、得られた２つのサブ画像の各々の中の１の数は、分割されたサブ画像に対応するノードの葉として配置される。この例で遂行され図1eに示される分割に対応する演算から結果のバイナリ・ツリーが図1fに示される。
従って、図1fに示すようなバイナリ・ツリーは、水平分割から開始して水平と垂直の分割を交互に行なうことによりサブ画像が得られるという情報と組合わされて、図1aに示した元の画像の独自な表示となる。
上記の方法によるバイナリ・ツリーの形成の主要な長所は、記憶と伝送のコード化のために少量のデータしか必要としないことである。
コード化する必要がある情報は、第１にルート・ノードである。それからルート・ノードの２つの葉の１つだけをコード化すべきである。その理由は、他の１つは、２つの葉の和がルート・ノードに等しいという事実により暗黙的に与えられているからである。これは、１つのノードから結果の全てのペアについて事実である。
注意すべきことは、１つの葉にあり得る最大限の数は、ノードに制限されるので、特定の葉をコード化するのに必要な記号の数が比較的迅速に小さくなることである。従って、各々の葉のコード化は、非常に効率的にできる。
この情報は、エンコーダへ供給され、バイナリ・ツリーを効率的な方法でコード化する確率関係または確率モデルに関する情報と共に供給される。このコード化は、好ましいは算術エントロピ・コード器を使用して遂行される。このエントロピ・コード器は、例えば、H.263規格の付録Ｅに記述されている構文ベース算術コード化モデル（SAC）である。
図２は、このアルゴリズムを実施するための概略のフローチャートを示す。この処理は、ブロック201が開始する。転送または記憶すべき二進バイ・レベル画像は、ブロック203に入力され、その画像内の二進の１の数は、ブロック205が数える。この数は、バッファ207が記憶する。その後、この二進画像Ｌは、ブロック209が２つのサブ画像に分割する。各サブ画像内の二進の１は、ブロック215が計数し、バッファ207へ送られる。
処理は、ブロック211へ進行して、ブロック211は、全てのサブ画像が二進の１または二進の０のみからなるかどうかをチェックする。これがこの通りならば、処理は、ブロック213へ進行し、バッファに記憶されている情報がフェッチされてコード化される。
他方、二進の１と０の混合からなるサブ画像がまであるならば、これらのサブ画像は、ブロック209へ復帰される。こうして、二進の１または０のみを有するサブ画像になるまで、入力画像の反復的な分割が遂行される。
上記の諸ステップは、このアルゴリズムの一般的な思想を説明する。このアルゴリズムをソフトウェアまたはハードウェアで実施するときは、トップ・ダウン法の代わりにボトム・アップ法を使用してバイナリ・ツリーを形成するほうが良い。さらに、エンコーダへ確率推定関数を供給し、入力画像の特性を最適化すべきである。
図３は、送信機300と受信機311を有し、アルゴリズムを使用する伝送方式の略図を示す。二進バイ・レベル画像は、ブロック301で送信機300へ入力される。ブロック301で、二進画像が対応するバイナリ・ツリーに、例えば、図１および図２で説明したようなものに変換される。このバイナリ・ツリー表示は、エンコーダ303に供給される。エンコーダ303は、例えば、上述のSACエンコーダである。
この情報は、チャネル305上で送信機300から目的の受信機311に伝送される。受信機311は、使用されるコード化アルゴリズムに対応する復号化アルゴリズムを使用し、ブロック307で受信される情報を復号化する。伝送されたバイナリ・ツリーを表示する復号化された情報は、ブロック309に送られ、バイナリ・ツリーが対応する二進画像に変換される。この二進画像は、ブロック309から出力される。
この方法は、任意の次元、すなわち、二次元以上のあらゆる二進マトリクスをコード化するのに使用できる。例えば、あらゆる二進濃度階調画像をコード化するのに、この方法は使用できる。このとき、分割を拡張して、三次元を含ませることができる。
例えば、ある濃淡階調ビット平面で表示された画像において多数のピクセルで形成されたものは、ｘ軸に沿った長さと、ｙ軸に沿った高さと、ｚ軸に沿った深さを有する三次元マトリクスとみなすことができる。分割とサブ画像の生成は、上述の方法に対応した仕方で生成できる。
最初に、この三次元マトリクスは、前記軸の１つ、例えば、ｘ軸に沿って切り取られ、もう１つの軸、すなわち、ｙ軸に沿って切り取られ、第３の軸、すなわち、ｚ軸に沿って切り取られる。その後、その分割は、最初の軸に沿って切り取りに戻ることができる。
本願で説明するようなアルゴリズムは、バイ・レベル画像のコード化に非常に良好に作用して、特にスパース・バイ・レベル画像、例えば、本願の同時係属国際出願PCT/SE96/00943に記述されたアルゴリズムから結果のスパース・バイ・レベル画像のコード化に非常に良好に作用する。
このアルゴリズムは、非常に柔軟性があり、使用される確率推定用の式を変化させることにより、多数の異なったアプリケーションのために、これを微調整できる。そうしたアプリケーションには、
− ファクシミリのメッセージまたは他のバイレベル画像のコード化
− ビデオ・シーケンス内の形状と対象のコード化
がある。

Claims (12)

1. デジタル化されたバイ・レベル画像をコー ド化する方法であって、
   ａ） バイ・レベル画像内の１つのレベルに対応する記 号の数を計数するステップと、
   ｂ） バイ・レベル画像を２つのサブ画像に分割するステップと、
   ｃ） サブ画像の各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数するステップと、
   ｄ） 混合された記号からなる各サブ画像について、サブ画像からなるバイ・レベル画像が１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、ステップｂ）とステップｃ）を反復するステップと、
   ｅ） ステップａ）およびステップｃ）により得られる数をコード化するステップとを含むことを特徴とする前記方法。
2. 請求項１記載の方法であって、バイ・レベ ル画像およびサブ画像の中間に沿って、交互に垂直および水平に分割が遂行されることを特徴とする前記方法。
3. 請求項２または請求項３記載の方法であっ て、コード化は、算術コード化を使用して遂行されることを特徴とする前記方法。
4. ビット平面表示デジタル濃淡階調画像をコ ード化する方法であって、
   ａ） 各ビット平面について、ビット平面内の１つのレベルに対応する記号の数を計数するステップと、
   ｂ） ビット平面の各々を２つのサブ・ビット平面に分割するステップと、
   ｃ） サブ・ビット平面の各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数するステップと、
   ｄ） 混合された記号からなる各サブ・ビット平面について、サブ・ビット平面からなる各ビット平面が１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、ステップｂ）とステップｃ）を反復するステップと、
   ｅ） ステップａ）およびステップｃ）により得られる数をコード化するステップとを含むことを特徴とする前記方法。
5. 次元ｎ（ｎは正の整数）を有する二進マトリクスをコード化する方法であって、
   ａ） マトリクス内の１つのレベルに対応する記号の数を計数するステップと、
   ｂ） マトリクスを２つのサブ・マトリクスに分割するステップと、
   ｃ） サブ・マトリクスの各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数するステップと、
   ｄ） 混合された記号からなる各サブ・マトリクスについて、サブ・マトリクスからなるマトリクスが１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、ステップｂ）とステップｃ）を反復するステップと、
   ｅ） ステップａ）およびステップｃ）により得られる数をコード化するステップとを含むことを特徴とする前記方法。
6. デジタル化された数の出力ストリームをコ ード化する手段を含むデジタル化バイ・レベル画像をコ ード化する装置であって、
   バイ・レベル画像内の１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
   バイ・レベル画像を２つのサブ画像に分割する手段と、
   サブ画像の各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
   分割する手段と計数する手段に接続され、混合された記 号からなる各サブ画像について、サブ画像からなるバイ ・レベル画像が１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、分割および計数を反復するように配置された制御手段と、
   コード化する手段に１つのレベルのサブ画像に対応する数を送る手段とを含むことを特徴とする前記装置。
7. 請求項６記載の装置であって、バイ・レベ ル画像およびサブ画像の中間に沿って、交互に垂直および水平に分割を遂行するように分割する手段が配置されていることを特徴とする前記装置。
8. 請求項６または請求項７記載の装置であっ て、コード化する手段は、算術エンコーダであることを特徴とする前記装置。
9. ビット平面表示デジタル化濃淡階調画像をコード化する装置であって、
   各ビット平面についてビット平面内の１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
   各ビット平面を２つのサブ・ビット平面に分割する手段と、
   サブ・ビット平面の各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
   分割する手段と計数する手段に接続され、混合された記 号からなる各サブ・ビット平面について、サブ・ビット平面からなるビット平面が１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、各ビット平面を２つのサブ・ビット平面に分割することおよびサブ・ビット平面の各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数することを反復するように配置された制御手段と、
   計数する手段に接続され得られた数をコード化する手段とを含むことを特徴とする前記装置。
10. 次元ｎ（ｎは正の整数）を有する二進マトリクスをコード化する装置であって、
    二進マトリクス内の１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と
    二進マトリクスを２つのサブ・マトリクスに分割する手段と、
    サブ・マトリクスの各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
    分割する手段と計数する手段に接続され、混合された記 号からなる各サブ・マトリクスについて、サブ・マトリクスからなるマトリクスが１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、二進マトリクスを２つのサブ・マトリクスに分割すること、およびサブ・マトリクスの各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数することを反復するように配置された制御手段と、
    計数する手段に接続され得られた数をコード化する手段 とを含むことを特徴とする前記装置。
11. 送信機と受信機を含み、次元ｎ（ｎは正の整数）を有する二進マトリクスを伝送するシステムであって、
    送信機において二進マトリクスの１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
    送信機において二進マトリクスを２つのサブ・マトリクスに分割する手段と、
    送信機においてサブ・マトリクスの各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数する手段と、
    送信機において分割する手段と計数する手段に接続され、混合された記号からなる各サブ・マトリクスについて、サブ・マトリクスからなる二進マトリクスが１つのレベルに対応する記号のみからなるまで、二進マトリクスを２つのサブ・マトリクスに分割すること、およびサブ・マトリクスの各々における１つのレベルに対応する記号の数を計数することを反復するように配置された制御手段と、
    送信機において計数する手段に接続され得られた数をコ ード化する手段と、
    受信機においてコード化された数を復号する対応手段とを含むことを特徴とする前記装置。
12. 請求項11記載のシステムであって、使用されるコード化する手段は、算術エンコーダであることを特徴とする前記システム。

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