JP4089025B2 - 画像符号化装置、画像符号化方法、画像伝送システムおよび画像伝送方法 - Google Patents
画像符号化装置、画像符号化方法、画像伝送システムおよび画像伝送方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像信号を圧縮符号化する画像符号化装置および画像符号化方法、並びに、画像信号を圧縮符号化して符号化画像データとした上で伝送し、伝送した符号化画像データから画像信号を復号する画像伝送システムおよび画像伝送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像信号について、画質劣化を最小限に抑えて高圧縮率で符号化するために様々な面から圧縮符号化方法が研究開発されている。そのような方法の一つとして予測符号化がある。予測符号化は、ある画素の画素値を他の画素の画素値で予測し（この時の他の画素の画素値を参照画素値と称する）、そのような予測に係る予測誤差値、より具体的には当該画素値と参照画素値との差分を求めて、その予測誤差値を符号化するものである。
【０００３】
例えば符号化対象が静止画像である場合には、符号化の対象とされる画素と同一のフレーム内の近隣画素値等が参照画素値として用いられる。また、例えば符号化対象が動画像である場合には、符号化の対象とされる画素が属するフレームまたはフィールドに対して前フレームまたは前フィールドに属する画素の画素値等が参照画像の画素値とされる。特に、動画像に対しては、動きベクトルを求めてその動きベクトルに基づいて参照画像を決定することにより、予測誤差を小さくしてより効率よく圧縮を行うようにすることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
予測誤差値がとり得る範囲は、参照画素値として何れのものを使用する場合にも元の画素がとり得る範囲の２倍に拡がる。従って、予測誤差値を表現するためには大きなダイナミックレンジが必要とされる。このため、予測誤差値を符号化して符号化データを生成し、生成した符号化データを伝送する場合には、伝送されるデータ量が増えるという問題が生じる。
【０００５】
また、上述したような従来の予測符号化においては、符号化データ中でデータビット長が長くなる場合以外には、ハフマン符号化等の可変長符号化の特性が考慮されていなかった。
【０００６】
従って、この発明の目的は、画質劣化を最小限に抑えながら、可変長符号化の特性等も考慮して伝送される符号化データのデータ量を少なくすることが可能な画像符号化装置、画像符号化方法、画像伝送システムおよび画像伝送方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施す画像符号化装置において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、
予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを備え、
予測誤差信号値生成手段は、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化装置である。
【０００８】
請求項３の発明は、予測符号化を行って画像信号を圧縮する画像符号化方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、
予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを備え、
予測誤差信号値生成ステップは、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化方法である。
【０００９】
請求項４の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送システムにおいて、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを有する画像符号化装置と、
可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを復号する手段と、画像符号化装置における演算処理に対応する処理を行って予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号する手段とを有する画像復号化装置とを有し、
予測誤差信号値生成手段は、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送システムである。
【００１０】
請求項５の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを有する画像符号化ステップと、
可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを復号するステップと、画像符号化装置における演算処理に対応する処理を行って予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号するステップとを有する画像復号化ステップとを有し、
予測誤差信号値生成ステップは、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送方法である。
【００１１】
以上のような発明によれば、画素データを表現するためのデータビット長を越えないビット長で表現される予測誤差信号値ｙが生成される。
【００１２】
また、予測誤差信号値ｙに、ハフマン符号化等の可変長符号化を施すことにより、符号化データの量を削減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について説明する。まず、この発明を適用した画像符号化装置について、図１を参照して説明する。ブロック化部１１は画像信号を供給され、１フレームを単位として以下のような処理を行う。すなわち、１フレーム分の画像を例えば８×８等の所定のブロックに分割して、ブロック毎に画素値ｘを検出し、検出した画素値ｘをメモリ１２および予測誤差信号値生成部１４に出力する。メモリ１２は、ブロック化部１１の出力であるブロック毎の画素データを記憶し、所定時間遅延させて予測誤差信号値生成部１４に供給するフレームメモリである。
【００１４】
予測誤差信号値生成部１４は、メモリ１２から供給される所定時間遅延させられた画素値を参照画素値ｘ’として後述するような処理を行うことにより、ブロック化部１１から供給される画素値ｘに対応する予測誤差信号値ｙを計算する。そして、計算した予測誤差信号値ｙを符号化部１５に供給する。符号化部１５は、供給される予測誤差信号値ｙに基づいて、ハフマン符号化等の可変長符号化、およびＡＤＲＣ(Adaptive Dynamic Range Coding) 等の方法でブロックを単位とした符号化を行う。
【００１５】
ここで、可変長符号化は、出現確率を考慮して符号長の割り当てを決めるものである。また、ＡＤＲＣにおいては、ブロック毎の最大値と最小値とからブロック内ダイナミックレンジを決定し、決定したダイナミックレンジを予め割り当てられた例えば４ビット等のビット数で分割できるレベルに分割することにより、量子化ステップ幅を求める。
【００１６】
さらに、各画素からブロック内最小値を除去し、さらに上述の量子化ステップ幅で量子化することにより、例えば４ビット等のコードからなる符号化された画素データを得ることができる。なお、ＡＤＲＣにおいては、符号化された画素データと共に、ブロック内の画素値の最小値とダイナミックレンジとが付加情報として伝送される。フレーム化部１７は、符号化部１５の出力である符号化された画素データをフレーム毎に統合して最終的な符号化データとし、この符号化データを伝送路に出力する。
【００１７】
次に、予測誤差信号値生成部１４が行う、予測誤差信号値ｙを生成するための演算処理について詳細に説明する。以下の説明は、画素値ｘが８ビットで表現される場合、すなわち０〜２５５の範囲の値をとり得る場合を例として行う。但し、画素値ｘを他のビット長で表現する場合にも、この発明を適用することは可能である。
【００１８】
予測誤差値（ｘ−ｘ’）の範囲は、参照画素値ｘ’の範囲を用いて以下のように表現できる。
【００１９】
−ｘ’≦ｘ−ｘ’≦２５５−ｘ’ （１）
例えばｘ’＝２００の場合には５５≦ｘ−ｘ’≦−２００となる。また、例えばｘ’＝５０の場合には２０５≦ｘ−ｘ’≦−５０となる。ｘ、ｘ’が共に０〜２２５の範囲の値をとり得るので、（ｘ−ｘ’）が最大となるのはｘ＝２５５，ｘ’＝０の時で、この時（ｘ−ｘ’）＝２５５である。一方、（ｘ−ｘ’）が最小となるのはｘ＝０，ｘ’＝２５５の時で、この時（ｘ−ｘ’）＝−２５５である。従って、（ｘ−ｘ’）がとり得る全ての値を表現できるためには、−２５５〜＋２５５のダイナミックレンジが必要となる。このため、（ｘ−ｘ’）を表現するためには９ビットが必要となる。
【００２０】
このように、予測誤差値（ｘ−ｘ’）を表現するためには、元の画素データの２倍のダイナミックレンジが必要とされるので、予測誤差値（ｘ−ｘ’）自体を符号化して伝送するためには元の画素データのビット長より１ビット長いビット長が必要とされることになる。このため、伝送されるデータ量が増大するという問題がある。
【００２１】
そこで、この発明の一実施形態では、予測誤差値（ｘ−ｘ’）を以下のような方法で符号化して、分布範囲がより小さく、従ってより小さなビット長で表現できる予測誤差信号値ｙを生成する。具体的には、次のような式に従って予測誤差信号値ｙを算出する。
【００２２】
ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜ （ｘ＜ｘ’） （２）
ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜−１ （ｘ≧ｘ’） （３）
このようにすれば、ｘがｘ’を中心としてある程度の範囲にある場合においては、予測誤差値（ｘ−ｘ’）の内の負の部分を偶数に対応させ、また、正の部分を奇数に対応させることができるので、予測誤差値（ｘ−ｘ’）自体を符号化して伝送する場合に比較して符号化画像データのビット長を小さくすることができる。従って、伝送されるデータ量を少なくすることができる。
【００２３】
但し、ｘとｘ’の関係によっては、式（２）または式（３）に従って生成される予測誤差信号値ｙが８ビットによって表現されるダイナミックレンジ（０〜２５５）に収まらない場合がある。例えば、上述の例においてｘ’＝２００の場合には５５≦ｘ−ｘ’≦−２００となるが、この範囲内においても、（ｘ−ｘ’）が例えば−１５０となる場合には、ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜−１＝２×｜−１５０｜−１＝２９９＞２５５となり、８ビットによって表現されるダイナミックレンジに収まらない。
【００２４】
そこで、式（２）または式（３）に従って生成される予測誤差信号値ｙが８ビットによって表現されるダイナミックレンジに収まらないおそれがある場合を何らかの方法で認識し、そのような場合には式（２）、式（３）とは別の演算処理を行うようにする必要がある。
【００２５】
この発明の一実施形態では、そのような場合をダイナミックレンジの上限値（ここでは２５５）および中央値（ここでは１２８）と、ｘとｘ’の大きさによって判定される以下の条件（ａ）または条件（ｂ）が成立する場合とする。
【００２６】
（ａ）ｘ’≧１２８であり、且つ、次の式（４）が成立する場合：
｜ｘ−ｘ’｜＞（２５５−ｘ’） （４）
この場合には、必ずｘ＜ｘ’である。
【００２７】
（ｂ）ｘ’＜１２８であり、且つ、次の式（５）が成立する場合：
｜ｘ−ｘ’｜＞ｘ’ （５）
この場合には、必ずｘ＞ｘ’である。
【００２８】
条件（ａ）および条件（ｂ）に該当する場合に、それぞれ次の式（６）および式（７）によって予測誤差信号値ｙが計算される。
【００２９】
条件（ａ）が成立する時：ｙ＝２５５−ｘ （６）
条件（ｂ）が成立する時：ｙ＝ｘ （７）
一方、条件（ａ）または条件（ｂ）の内の何れかが成立する場合以外においては、上述したように、式（２）または式（３）に従って予測誤差信号値ｙを計算すれば良い。このような場合が以下に示す条件（ｃ）、条件（ｄ）である。
【００３０】
（ｃ）ｘ’≧１２８である時：次の式（８）が成立する場合、
｜ｘ−ｘ’｜≦２５５−ｘ’ （８）
[1]ｘ−ｘ’≦０ならば、式（２）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３１】
[2]ｘ−ｘ’＞０ならば、式（３）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３２】
（ｄ）ｘ’＜１２８である時：次の式（９）が成立する場合、
｜ｘ−ｘ’｜≦ｘ’ （９）
[1]ｘ−ｘ’≦０ならば、式（２）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３３】
[2]ｘ−ｘ’＞０ならば、式（３）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３４】
ここで、式（８）、式（９）は、それぞれ、上述の式（４）、式（５）と相補的なものである。
【００３５】
以上のような処理を行うための具体的な手順の一例を図２のフローチャートに示す。ステップＳ１として、参照画素の画素値ｘ’≧１２８であるか否かを判定する。ｘ’≧１２８であると判定される場合は、上述の条件（ａ）または条件（ｃ）の何れかが成立する場合であり、この場合にはステップＳ２に移行する。一方、ｘ’＜１２８と判定される場合は、上述の条件（ｂ）および条件（ｄ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ３に移行する。
【００３６】
ステップＳ２は、符号化対象画素の画素値ｘ＞ｘ’であるか否かを判定する。ｘ＞ｘ’と判定される場合は上述の条件（ｃ）の[1]が成立する場合であり、この時はステップＳ４に移行する。一方、ｘ≦ｘ’であると判定される場合は上述の条件（ａ）または条件（ｃ）の[2]の何れかが成立する場合であり、この場合はステップＳ５に移行する。
【００３７】
ステップＳ４では、上述の式（２）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＞ｘ’なので、式（２）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ４では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００３８】
ｙ＝ ２×ｘ−２×ｘ’ （２）’
また、ステップＳ５では、上述の式（４）に従って条件（ａ）、（ｃ）の何れが成立するかを判定する。但し、ここではｘ＞ｘ’なので、式（４）中で｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ５では、実際には次の式（４）’が成立するか否かを判定すれば良い。
【００３９】
２×ｘ’−２５５≦ｘ＜ｘ’ （４）’
式（４）’が成立すると判定される時は条件（ｃ）の[2]に該当し、この場合にはステップＳ６に移行する。一方、式（４）’が成立しないと判定される場合には条件（ａ）に該当し、この場合にはステップＳ７に移行する。
【００４０】
ステップＳ６では、上述の式（３）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＜ｘ’なので、式（３）中で｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ’−ｘ）となる。このため、ステップＳ６では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４１】
ｙ＝ ２×ｘ’−２×ｘ−１ （３）’
また、ステップＳ７では、式（６）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。
【００４２】
一方、ステップＳ３では、次の式が成立するか否かを判定する。
【００４３】
０≦ｘ＜ｘ’ （９）
式（９）が成立する場合、すなわちｘがｘ’より小さいと判定される場合は上述の条件（ｄ）の[1]が成立する場合であり、この時はステップＳ１０に移行する。一方、式（９）が不成立の場合、すなわち、ｘ≧ｘ’であると判定される場合は上述の条件（ｂ）または条件（ｄ）の[2]の何れかが成立する場合であり、この時はステップＳ１１に移行する。
【００４４】
ステップＳ１０では、上述の式（２）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＜ｘ’なので、式（２）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ’−ｘ）となる。このため、ステップＳ１０では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４５】
ｙ＝２×ｘ’−２×ｘ （２）’’
一方、ステップＳ１１では、上述の式（５）に従って条件（ｂ）、条件（ｄ）の[2]の何れが成立するかを判定する。但し、ここではｘ≧ｘ’なので、式（５）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となることがわかる。このため、ステップＳ１１では、実際には次の式が成立するか否かを判定すれば良い。
【００４６】
ｘ’≦ｘ＜２×ｘ’ （５）’
式（５）’が成立すると判定される場合は条件（ｄ）の[1]に該当し、この場合にはステップＳ１２に移行する。一方、式（５）’が成立しないと判定される場合は条件（ｂ）に該当し、この場合にはステップＳ１３に移行する。
【００４７】
ステップＳ１２では、上述の式（３）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ≧ｘ’なので、式（３）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ１２では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４８】
ｙ＝２×ｘ−２×ｘ’−１ （３）’’
また、ステップＳ１３では、式（７）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。
【００４９】
ｘ’≧１２８であると判定される場合は、上述の条件（ａ）および（ｃ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ２に移行する。一方、ｘ’＜１２８であると判定される場合は、上述の条件（ｂ）および（ｄ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ３に移行する。以上のような手順が画素値ｘおよび参照画素値ｘ’が供給される毎に行われ、予測誤差信号値ｙが順次算出される。
【００５０】
以下、ｘおよびｘ’の数値例を用いて、予測誤差信号値ｙの生成について具体的に説明する。
【００５１】
（ｐ) ｘ＝１６０，ｘ’＝１４０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’＜ｘなのでステップＳ４に移行し、式（２）’に従ってｙ＝２×ｘ−２×ｘ’＝２×１６０−２×１４０＝４０と計算される（条件（ｃ）[2]に該当）。
【００５２】
（ｑ）(b) ｘ＝１６０，ｘ’＝１８０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’≧ｘなのでステップＳ５に移行する。ここで、２×ｘ’−２５５＝２×１８０−２５５＝１０５であるから、ステップＳ５における式（４）’が成立する。従って、ステップＳ６に移行し、式（３）’に従ってｙ＝２×ｘ’−２×ｘ−１＝２×１８０−２×１６０−１＝３９と計算される（条件（ｃ）[1]に該当）。
【００５３】
（ｒ）ｘ＝１６０，ｘ’＝２４０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’≧ｘなのでステップＳ５に移行する。ここで、２×ｘ’−２５５＝２×２４０−２５５＝２２５であるから、ステップＳ５における式（４）’が成立しない。従って、ステップＳ７に移行し、式（６）に従ってｙ＝２５５−ｘ＝２５５−１６０＝９５と計算される（条件（ａ）に該当）。
【００５４】
（ｓ）ｘ＝６０，ｘ’＝１００の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ＜ｘ’なのでステップＳ１０に移行する。そして、式（２）’’に従ってｙ＝２×ｘ’−２×ｘ＝２×１００−２×６０＝８０と計算される（条件（ｄ）[1]に該当）。
【００５５】
（ｔ）ｘ＝１６０，ｘ’＝１００の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ＜ｘ’なのでステップＳ１１に移行する。ここで、２×ｘ’＝２×１００＝２００なので、ステップＳ１１における式（５）’が成立する。従って、ステップＳ１２に移行して、式（３）’’に従ってｙ＝２×ｘ−２×ｘ’−１＝２×１６０−２×１００−１＝１１９と計算される（条件（ｄ）[2]に該当）。
【００５６】
（ｕ）ｘ＝１６０，ｘ’＝７０の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ’≦ｘなのでステップＳ１１に移行する。ここで、２×ｘ’＝２×７０＝１４０なので、ステップＳ１１における式（５）’が成立しない。従って、ステップＳ１３に移行して、式（７）に従ってｙ＝ｘ＝１６０と計算される（条件（ｂ）に該当）。
【００５７】
次に、復号側について説明する。図３は、この発明を適用した画像復号化装置の一例を示すブロック図である。上述したように、符号化画像データは１フレーム毎に伝送される。フレーム分解部２１は、このような１フレーム毎の符号化画像データを所定のブロック毎のデータに分解して復号化部２３に供給する。復号化部２３は、供給されるデータに施されていた可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを生成する。そして、このｙを演算部２４に供給する。
【００５８】
演算部２４は、供給される予測誤差信号値ｙと、後述するようにしてメモリ２７から供給される参照画素値ｘ’とに基づいて画素値ｘを復元する。そして、このｘをフレーム化部２８とメモリ２７とに供給する。メモリ２７は、演算部２４から供給される画素値ｘを所定時間遅延させて演算部２４に供給する。このようにして、所定時間遅延させられた画素値ｘが参照画像の画素値ｘ’として演算部２４に供給される。
【００５９】
フレーム化部２８は、演算部２４による演算結果、すなわちブロック毎の画素値を統合してフレームを単位とする信号を生成する。この信号が画像復号化装置の最終的な出力である再生された画像信号として、例えばテレビジョン受像機等の画像表示装置に供給される。
【００６０】
演算部２４は、以下のような処理を行う。すなわち、予測誤差信号値ｙの算出に係る上述した式の各々にそれぞれ対応する次の式（１０）〜式（１５）の何れかに従って、予測誤差信号値ｙと、メモリ２７から供給される既に復元された画素値ｘ（上述したように参照画像の画素値ｘ’として扱われる）とに基づいて画素値ｘが順次復元される。
【００６１】
ｘ＝（２×ｘ’＋ｙ）／２ （１０）
ｘ＝（２×ｘ’−ｙ＋１）／２ （１１）
ｘ＝２５５−ｙ （１２）
ｘ＝（２×ｘ’−ｙ）／２ （１３）
ｘ＝（２×ｘ’＋ｙ＋１）／２ （１４）
ｘ＝ｙ （１５）
ここで、式（１０）、式（１１）、式（１２）、式（１３）、式（１４）および式（１５）は、それぞれ式（２）’式（３）’式（６）、式（２）’’、式（３）’’および式（７）に対応するものである。
【００６２】
予測誤差信号値ｙの計算についての説明で用いた上述の例（ｐ）に則して、画素値ｘの復元について具体的に説明する。この場合には、上述したように予測誤差信号値ｙ＝４０と計算され、この値が符号化画像データとして伝送されて演算部２５に供給される。このｙ＝４０に対応する画素値ｘを復元する処理において参照される参照画素値ｘ’＝１４０は、ｙ＝４０に先行して伝送される予測誤差信号値に基づいて既に復元された画素値ｘとしてメモリ２７から演算部２５に供給される。
【００６３】
この場合、ｙ＝４０が偶数なので式（１１）および式（１４）を用いると画素値ｘが整数値とならず、不適当であることは明らかである。次に、図２中のステップＳ１の内容から、式（１０）または式（１２）を用いるべき場合にはｘ’≧１２８であり、また、式（１３）または式（１５）を用いるべき場合にはｘが１２８より小さくなければならない。ここでは、ｘ’＝１４０であり、ｘ’≧１２８なので式（１０）または式（１２）の何れかを用いるべきであることがわかる。そこで、式（１０）、式（１２）を用いて画素値ｘを計算するとそれぞれ次のようになる。
【００６４】
式（１０）を用いる時：ｘ＝（２×１４０＋４０）／２＝１６０
式（１２）を用いる時：ｘ＝２５５−４０＝２１５
図２中のステップＳ２の内容から、式（１０）を用いるべき場合にはｘがｘ’より大きく、また、式（１２）を用いるべき場合にはｘ≦ｘ’でなければならない。かかる観点から不合理を生じないのは、式（１０）を用いる場合のみである。以上のようにして、ｙ＝４０，ｘ’＝１４０の場合には、画素値ｘ＝１６０という復元結果を一意的に得ることができる。
【００６５】
予測誤差信号値ｙおよび参照画素値ｘ’が他の値をとる時にも、ｙ、ｘ’，および復元される画素値ｘの間で不合理が生じないことに留意すれば、画素値ｘを一意的に復元することができる。以上のような演算を行うことが可能であるように演算部２４を構成することにより、伝送される予測誤差信号値ｙから画素値ｘを正しく復元することが可能となる。
【００６６】
従って、図１等を用いて上述した符号化側の構成と、図３等を用いて上述した復号化側の構成とによって、この発明に係る画像信号伝送システムを構成できることがわかる。
【００６７】
この発明の一実施形態の効果について、具体的な数値例を用いて説明する。図４Ａは元の画素値である。図４Ｂは、各画素と前の画素値との差、すなわち予測誤差値を示すものである。この例では、予測誤差値を求める計算は、水平方向のラインを単位として行われる。すなわち、例えば１列目のラインについては、先頭の画素値２００はそのままとされ、この先頭の画素値２００が２番目の画素値ｘ＝２２０に対応する予測誤差信号値ｙを計算するための参照画素値ｘ’とされる。
【００６８】
また、２番目の画素値２２０を参照画素値として、３番目の画素値１９８に対応する予測誤差値が１９８−２２０＝−２２と計算される。同様に、３番目の画素値１９８を参照画素値として、４番目の画素値１７０に対応する予測誤差値が１７０−１９８＝−２８と計算される。２列以降のラインについても同様にして計算した予測誤差値を示した。
【００６９】
一方、図４Ｃは、この発明に係る符号化によって計算される予測誤差信号値ｙを示す。例えば１列目のラインについては、まず、先頭の画素値２００はそのままとされ、この先頭の画素値２００が２番目の画素値ｘ＝２２０に対応する予測誤差信号値ｙを計算するための参照画素値ｘ’とされる。ｙの計算について図２のフローチャートに則して具体的に説明する。すなわち、ｘ’＝２００≧１２８なので、ステップＳ１の結果としてステップＳ２に移行する。そして、ｘ＝２２０＞ｘ’＝２００なので、ステップＳ４に移行してｙ＝２×２２０−２×２００＝４０と計算される。
【００７０】
また、２番目の画素値２２０を参照画素値として、３番目の画素値１９８に対応する予測誤差信号値ｙが＝４３と計算される。同様に、３番目の画素値１９８を参照画素値として、４番目の画素値１７０に対応する予測誤差信号値ｙがｙ＝５５と計算される。２列以降のラインについても同様にして計算した予測誤差信号値を示した。
【００７１】
図４Ｂに示した予測誤差信号値の中には負の値が含まれるのに対し、図４Ｃに示した予測誤差信号値ｙは全て正の値であるから、伝送に必要なダイナミックレンジを小さくすることができる。
【００７２】
この発明の一実施形態におけるより具体的な一例として、この発明をＭＰＥＧ(Moving Picture coding Expert Group による動画符号化方式）に沿った画像圧縮符号化を行う画像符号化装置に適用した場合について図５を参照して説明する。例えば８×８のマクロブロックを単位とする画像データが予測誤差信号値生成部５２に供給される。予測誤差信号値生成部５２は、動き補償予測部６０から供給されるマクロブロック画像データを参照画素データとして、供給されるマクロブロック単位の画像データに基づいて、上述したような処理を行うことにより、予測誤差信号値ｙを生成する。
【００７３】
そして、予測誤差信号値ｙが符号化部５３に供給される。符号化部５３は、予測誤差信号値ｙに、マクロブロックを単位としてＤＣＴ（離散コサイン変換）を施して空間周波数領域に変換する。このようにして得られた８×８ＤＣＴ係数が量子化部５４に供給される。量子化部５４は、供給されるデータをターゲットビットや視覚特性に応じて量子化する。量子化された画像データは、低周波成分から順にスキャンニングされて１次元情報に変換されて伝送データとして出力されると共に、逆量子化部５５に供給される。
【００７４】
逆量子化部５５は、供給されるデータに量子化部５４による量子化に対応する逆量子化を施し、逆量子化によって得られるデータを復号化部５６に供給する。復号化部５６は、供給されるデータに符号化部５３によるＤＣＴに対応する逆ＤＣＴ処理を施すことによって予測誤差信号値ｙを復元し、復元した予測誤差信号値ｙを加算器５７に供給する。加算器５７は、この予測誤差信号値ｙと、動き補償予測部６０から供給されるマクロブロック画像データとを加算して元の画素データを復元し、復元した元の画素データを動き補償予測部６０に供給する。
【００７５】
動き補償予測部６０は、加算器５７から供給される復元された元の画素データを参照データとして動き予測を行い、マクロブロック画像データを生成する。マクロブロック画像データは、予測符号化生成部５２と、加算器５７とに供給され、各々の構成要素の動作において参照画素データとして使用される。以上のような構成により、この発明をＭＰＥＧ符号化装置に対して適用することが可能である。
【００７６】
なお、この発明は、ＭＰＥＧ符号化／復号化装置のみならず、他の圧縮符号化方式を行う画像圧縮符号化／復号化装置に適用することができる。
【００７７】
また、上述したこの発明の一実施形態では、予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようになされる。これに対し、予測誤差信号値ｙが全て負の値をとるようにしても良い。このような予測誤差信号値ｙの生成は、予測誤差信号値ｙの算出において、上述の各式（式（２）’、式（３）’、式（６）、式（２）’’、式（３）’’および式（７））の右辺を全て（−１）倍して得られる各式に従って予測誤差信号生成部１４による演算処理を行う等の方法によって実現することができる。
【００７８】
さらに、所定量の画素データを単位として予測誤差の分布の偏りを検出し、検出結果に応じて、予測誤差信号値ｙがより少ないビット数で表現できるように、予測誤差信号値ｙの正／負を、所定量の画素データに対する処理毎に切替えるようにしても良い。このようにすれば、かかる所定量の画素データにくらべて大きなデータ量からなる画像データを全体として伝送する際に、伝送されるデータの量をより少なくすることができる。
【００７９】
また、上述したこの発明の一実施形態は、元の画素データのビット数が一定の場合に伝送されるデータの量を削減するものである。これに対し、伝送されるデータの量を変えずに、この発明の適用によって削減されるデータ量に相当する分だけ例えば元の画素データのビット数を増やす等、データフォーマット等に変更を加えて画質の向上に寄与することも可能である。実際上は、伝送されるデータの量、復号される画像に要求される画質、および符号化／復号化に係る構成に加わる負荷等を考慮して、適切な符号化方法および画素データ等に係るデータフォーマット等を用いるようにすれば良い。
【００８０】
【発明の効果】
上述したように、この発明は、予測符号化を含む圧縮符号化を行う画像符号化装置において、符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’とに基づいて、ｘ’と各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを生成し、生成した予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施すことによって符号化データを生成するようにしたものである。
【００８１】
また、この発明は、上述したような画像符号化装置によって生成した符号化データを伝送し、伝送した符号化データから、画像符号化装置においてなされる可変長符号化および演算処理に対応する処理を行うことによって画像信号を復号する画像信号伝送システムである。
【００８２】
画像符号化装置においてなされる上述したような演算処理によって生成される予測誤差信号値ｙは、画素データを表現するためのビット長以下のビット長で表現することができる。従って、例えば符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差を符号化することによって予測誤差信号値を生成する等の従来の符号化に比較して、符号化画像データのデータ量を小さくすることができる。
【００８３】
また、予測誤差信号値ｙにハフマン符号化等の可変長符号化を施して符号化データを生成するようにしたので、伝送される符号化データのデータ量をさらに削減することができる。
【００８４】
一方、伝送される符号化データのデータ量を変えずに、または、この発明の適用によるデータ量の削減幅をある程度小さくして、その分だけ例えば元の画素データのビット数を増やす等、データフォーマット等に変更を加えて画質の向上に寄与することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の全体的な構成について説明するためのブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態における予測誤差信号値の生成について説明するための略線図である。
【図３】この発明の一実施形態中の復号側の構成について説明するためのブロック図である。
【図４】この発明の一実施形態における処理の一例における数値例である。
【図５】この発明をＭＰＥＧ符号化器に適用する場合の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１４・・・予測誤差信号値生成部、１５・・・符号化部、２３・・・復号化部、２４・・・演算部
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像信号を圧縮符号化する画像符号化装置および画像符号化方法、並びに、画像信号を圧縮符号化して符号化画像データとした上で伝送し、伝送した符号化画像データから画像信号を復号する画像伝送システムおよび画像伝送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像信号について、画質劣化を最小限に抑えて高圧縮率で符号化するために様々な面から圧縮符号化方法が研究開発されている。そのような方法の一つとして予測符号化がある。予測符号化は、ある画素の画素値を他の画素の画素値で予測し（この時の他の画素の画素値を参照画素値と称する）、そのような予測に係る予測誤差値、より具体的には当該画素値と参照画素値との差分を求めて、その予測誤差値を符号化するものである。
【０００３】
例えば符号化対象が静止画像である場合には、符号化の対象とされる画素と同一のフレーム内の近隣画素値等が参照画素値として用いられる。また、例えば符号化対象が動画像である場合には、符号化の対象とされる画素が属するフレームまたはフィールドに対して前フレームまたは前フィールドに属する画素の画素値等が参照画像の画素値とされる。特に、動画像に対しては、動きベクトルを求めてその動きベクトルに基づいて参照画像を決定することにより、予測誤差を小さくしてより効率よく圧縮を行うようにすることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
予測誤差値がとり得る範囲は、参照画素値として何れのものを使用する場合にも元の画素がとり得る範囲の２倍に拡がる。従って、予測誤差値を表現するためには大きなダイナミックレンジが必要とされる。このため、予測誤差値を符号化して符号化データを生成し、生成した符号化データを伝送する場合には、伝送されるデータ量が増えるという問題が生じる。
【０００５】
また、上述したような従来の予測符号化においては、符号化データ中でデータビット長が長くなる場合以外には、ハフマン符号化等の可変長符号化の特性が考慮されていなかった。
【０００６】
従って、この発明の目的は、画質劣化を最小限に抑えながら、可変長符号化の特性等も考慮して伝送される符号化データのデータ量を少なくすることが可能な画像符号化装置、画像符号化方法、画像伝送システムおよび画像伝送方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施す画像符号化装置において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、
予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを備え、
予測誤差信号値生成手段は、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化装置である。
【０００８】
請求項３の発明は、予測符号化を行って画像信号を圧縮する画像符号化方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、
予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを備え、
予測誤差信号値生成ステップは、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化方法である。
【０００９】
請求項４の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送システムにおいて、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを有する画像符号化装置と、
可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを復号する手段と、画像符号化装置における演算処理に対応する処理を行って予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号する手段とを有する画像復号化装置とを有し、
予測誤差信号値生成手段は、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送システムである。
【００１０】
請求項５の発明は、画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを有する画像符号化ステップと、
可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを復号するステップと、画像符号化装置における演算処理に対応する処理を行って予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号するステップとを有する画像復号化ステップとを有し、
予測誤差信号値生成ステップは、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜がダイナミックレンジの上限値と参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
参照画素値ｘ’がダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’以下であり、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
符号化対象の画素値ｘが参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送方法である。
【００１１】
以上のような発明によれば、画素データを表現するためのデータビット長を越えないビット長で表現される予測誤差信号値ｙが生成される。
【００１２】
また、予測誤差信号値ｙに、ハフマン符号化等の可変長符号化を施すことにより、符号化データの量を削減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について説明する。まず、この発明を適用した画像符号化装置について、図１を参照して説明する。ブロック化部１１は画像信号を供給され、１フレームを単位として以下のような処理を行う。すなわち、１フレーム分の画像を例えば８×８等の所定のブロックに分割して、ブロック毎に画素値ｘを検出し、検出した画素値ｘをメモリ１２および予測誤差信号値生成部１４に出力する。メモリ１２は、ブロック化部１１の出力であるブロック毎の画素データを記憶し、所定時間遅延させて予測誤差信号値生成部１４に供給するフレームメモリである。
【００１４】
予測誤差信号値生成部１４は、メモリ１２から供給される所定時間遅延させられた画素値を参照画素値ｘ’として後述するような処理を行うことにより、ブロック化部１１から供給される画素値ｘに対応する予測誤差信号値ｙを計算する。そして、計算した予測誤差信号値ｙを符号化部１５に供給する。符号化部１５は、供給される予測誤差信号値ｙに基づいて、ハフマン符号化等の可変長符号化、およびＡＤＲＣ(Adaptive Dynamic Range Coding) 等の方法でブロックを単位とした符号化を行う。
【００１５】
ここで、可変長符号化は、出現確率を考慮して符号長の割り当てを決めるものである。また、ＡＤＲＣにおいては、ブロック毎の最大値と最小値とからブロック内ダイナミックレンジを決定し、決定したダイナミックレンジを予め割り当てられた例えば４ビット等のビット数で分割できるレベルに分割することにより、量子化ステップ幅を求める。
【００１６】
さらに、各画素からブロック内最小値を除去し、さらに上述の量子化ステップ幅で量子化することにより、例えば４ビット等のコードからなる符号化された画素データを得ることができる。なお、ＡＤＲＣにおいては、符号化された画素データと共に、ブロック内の画素値の最小値とダイナミックレンジとが付加情報として伝送される。フレーム化部１７は、符号化部１５の出力である符号化された画素データをフレーム毎に統合して最終的な符号化データとし、この符号化データを伝送路に出力する。
【００１７】
次に、予測誤差信号値生成部１４が行う、予測誤差信号値ｙを生成するための演算処理について詳細に説明する。以下の説明は、画素値ｘが８ビットで表現される場合、すなわち０〜２５５の範囲の値をとり得る場合を例として行う。但し、画素値ｘを他のビット長で表現する場合にも、この発明を適用することは可能である。
【００１８】
予測誤差値（ｘ−ｘ’）の範囲は、参照画素値ｘ’の範囲を用いて以下のように表現できる。
【００１９】
−ｘ’≦ｘ−ｘ’≦２５５−ｘ’ （１）
例えばｘ’＝２００の場合には５５≦ｘ−ｘ’≦−２００となる。また、例えばｘ’＝５０の場合には２０５≦ｘ−ｘ’≦−５０となる。ｘ、ｘ’が共に０〜２２５の範囲の値をとり得るので、（ｘ−ｘ’）が最大となるのはｘ＝２５５，ｘ’＝０の時で、この時（ｘ−ｘ’）＝２５５である。一方、（ｘ−ｘ’）が最小となるのはｘ＝０，ｘ’＝２５５の時で、この時（ｘ−ｘ’）＝−２５５である。従って、（ｘ−ｘ’）がとり得る全ての値を表現できるためには、−２５５〜＋２５５のダイナミックレンジが必要となる。このため、（ｘ−ｘ’）を表現するためには９ビットが必要となる。
【００２０】
このように、予測誤差値（ｘ−ｘ’）を表現するためには、元の画素データの２倍のダイナミックレンジが必要とされるので、予測誤差値（ｘ−ｘ’）自体を符号化して伝送するためには元の画素データのビット長より１ビット長いビット長が必要とされることになる。このため、伝送されるデータ量が増大するという問題がある。
【００２１】
そこで、この発明の一実施形態では、予測誤差値（ｘ−ｘ’）を以下のような方法で符号化して、分布範囲がより小さく、従ってより小さなビット長で表現できる予測誤差信号値ｙを生成する。具体的には、次のような式に従って予測誤差信号値ｙを算出する。
【００２２】
ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜ （ｘ＜ｘ’） （２）
ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜−１ （ｘ≧ｘ’） （３）
このようにすれば、ｘがｘ’を中心としてある程度の範囲にある場合においては、予測誤差値（ｘ−ｘ’）の内の負の部分を偶数に対応させ、また、正の部分を奇数に対応させることができるので、予測誤差値（ｘ−ｘ’）自体を符号化して伝送する場合に比較して符号化画像データのビット長を小さくすることができる。従って、伝送されるデータ量を少なくすることができる。
【００２３】
但し、ｘとｘ’の関係によっては、式（２）または式（３）に従って生成される予測誤差信号値ｙが８ビットによって表現されるダイナミックレンジ（０〜２５５）に収まらない場合がある。例えば、上述の例においてｘ’＝２００の場合には５５≦ｘ−ｘ’≦−２００となるが、この範囲内においても、（ｘ−ｘ’）が例えば−１５０となる場合には、ｙ＝２×｜ｘ−ｘ’｜−１＝２×｜−１５０｜−１＝２９９＞２５５となり、８ビットによって表現されるダイナミックレンジに収まらない。
【００２４】
そこで、式（２）または式（３）に従って生成される予測誤差信号値ｙが８ビットによって表現されるダイナミックレンジに収まらないおそれがある場合を何らかの方法で認識し、そのような場合には式（２）、式（３）とは別の演算処理を行うようにする必要がある。
【００２５】
この発明の一実施形態では、そのような場合をダイナミックレンジの上限値（ここでは２５５）および中央値（ここでは１２８）と、ｘとｘ’の大きさによって判定される以下の条件（ａ）または条件（ｂ）が成立する場合とする。
【００２６】
（ａ）ｘ’≧１２８であり、且つ、次の式（４）が成立する場合：
｜ｘ−ｘ’｜＞（２５５−ｘ’） （４）
この場合には、必ずｘ＜ｘ’である。
【００２７】
（ｂ）ｘ’＜１２８であり、且つ、次の式（５）が成立する場合：
｜ｘ−ｘ’｜＞ｘ’ （５）
この場合には、必ずｘ＞ｘ’である。
【００２８】
条件（ａ）および条件（ｂ）に該当する場合に、それぞれ次の式（６）および式（７）によって予測誤差信号値ｙが計算される。
【００２９】
条件（ａ）が成立する時：ｙ＝２５５−ｘ （６）
条件（ｂ）が成立する時：ｙ＝ｘ （７）
一方、条件（ａ）または条件（ｂ）の内の何れかが成立する場合以外においては、上述したように、式（２）または式（３）に従って予測誤差信号値ｙを計算すれば良い。このような場合が以下に示す条件（ｃ）、条件（ｄ）である。
【００３０】
（ｃ）ｘ’≧１２８である時：次の式（８）が成立する場合、
｜ｘ−ｘ’｜≦２５５−ｘ’ （８）
[1]ｘ−ｘ’≦０ならば、式（２）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３１】
[2]ｘ−ｘ’＞０ならば、式（３）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３２】
（ｄ）ｘ’＜１２８である時：次の式（９）が成立する場合、
｜ｘ−ｘ’｜≦ｘ’ （９）
[1]ｘ−ｘ’≦０ならば、式（２）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３３】
[2]ｘ−ｘ’＞０ならば、式（３）に従って予測誤差信号値ｙを得る。
【００３４】
ここで、式（８）、式（９）は、それぞれ、上述の式（４）、式（５）と相補的なものである。
【００３５】
以上のような処理を行うための具体的な手順の一例を図２のフローチャートに示す。ステップＳ１として、参照画素の画素値ｘ’≧１２８であるか否かを判定する。ｘ’≧１２８であると判定される場合は、上述の条件（ａ）または条件（ｃ）の何れかが成立する場合であり、この場合にはステップＳ２に移行する。一方、ｘ’＜１２８と判定される場合は、上述の条件（ｂ）および条件（ｄ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ３に移行する。
【００３６】
ステップＳ２は、符号化対象画素の画素値ｘ＞ｘ’であるか否かを判定する。ｘ＞ｘ’と判定される場合は上述の条件（ｃ）の[1]が成立する場合であり、この時はステップＳ４に移行する。一方、ｘ≦ｘ’であると判定される場合は上述の条件（ａ）または条件（ｃ）の[2]の何れかが成立する場合であり、この場合はステップＳ５に移行する。
【００３７】
ステップＳ４では、上述の式（２）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＞ｘ’なので、式（２）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ４では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００３８】
ｙ＝ ２×ｘ−２×ｘ’ （２）’
また、ステップＳ５では、上述の式（４）に従って条件（ａ）、（ｃ）の何れが成立するかを判定する。但し、ここではｘ＞ｘ’なので、式（４）中で｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ５では、実際には次の式（４）’が成立するか否かを判定すれば良い。
【００３９】
２×ｘ’−２５５≦ｘ＜ｘ’ （４）’
式（４）’が成立すると判定される時は条件（ｃ）の[2]に該当し、この場合にはステップＳ６に移行する。一方、式（４）’が成立しないと判定される場合には条件（ａ）に該当し、この場合にはステップＳ７に移行する。
【００４０】
ステップＳ６では、上述の式（３）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＜ｘ’なので、式（３）中で｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ’−ｘ）となる。このため、ステップＳ６では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４１】
ｙ＝ ２×ｘ’−２×ｘ−１ （３）’
また、ステップＳ７では、式（６）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。
【００４２】
一方、ステップＳ３では、次の式が成立するか否かを判定する。
【００４３】
０≦ｘ＜ｘ’ （９）
式（９）が成立する場合、すなわちｘがｘ’より小さいと判定される場合は上述の条件（ｄ）の[1]が成立する場合であり、この時はステップＳ１０に移行する。一方、式（９）が不成立の場合、すなわち、ｘ≧ｘ’であると判定される場合は上述の条件（ｂ）または条件（ｄ）の[2]の何れかが成立する場合であり、この時はステップＳ１１に移行する。
【００４４】
ステップＳ１０では、上述の式（２）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ＜ｘ’なので、式（２）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ’−ｘ）となる。このため、ステップＳ１０では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４５】
ｙ＝２×ｘ’−２×ｘ （２）’’
一方、ステップＳ１１では、上述の式（５）に従って条件（ｂ）、条件（ｄ）の[2]の何れが成立するかを判定する。但し、ここではｘ≧ｘ’なので、式（５）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となることがわかる。このため、ステップＳ１１では、実際には次の式が成立するか否かを判定すれば良い。
【００４６】
ｘ’≦ｘ＜２×ｘ’ （５）’
式（５）’が成立すると判定される場合は条件（ｄ）の[1]に該当し、この場合にはステップＳ１２に移行する。一方、式（５）’が成立しないと判定される場合は条件（ｂ）に該当し、この場合にはステップＳ１３に移行する。
【００４７】
ステップＳ１２では、上述の式（３）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。但し、ここではｘ≧ｘ’なので、式（３）中の｜ｘ−ｘ’｜＝（ｘ−ｘ’）となる。このため、ステップＳ１２では、実際には次の式に従う計算をすれば良い。
【００４８】
ｙ＝２×ｘ−２×ｘ’−１ （３）’’
また、ステップＳ１３では、式（７）に従って予測誤差信号値ｙを生成する。
【００４９】
ｘ’≧１２８であると判定される場合は、上述の条件（ａ）および（ｃ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ２に移行する。一方、ｘ’＜１２８であると判定される場合は、上述の条件（ｂ）および（ｄ）の何れかが成立する場合であり、この時にはステップＳ３に移行する。以上のような手順が画素値ｘおよび参照画素値ｘ’が供給される毎に行われ、予測誤差信号値ｙが順次算出される。
【００５０】
以下、ｘおよびｘ’の数値例を用いて、予測誤差信号値ｙの生成について具体的に説明する。
【００５１】
（ｐ) ｘ＝１６０，ｘ’＝１４０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’＜ｘなのでステップＳ４に移行し、式（２）’に従ってｙ＝２×ｘ−２×ｘ’＝２×１６０−２×１４０＝４０と計算される（条件（ｃ）[2]に該当）。
【００５２】
（ｑ）(b) ｘ＝１６０，ｘ’＝１８０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’≧ｘなのでステップＳ５に移行する。ここで、２×ｘ’−２５５＝２×１８０−２５５＝１０５であるから、ステップＳ５における式（４）’が成立する。従って、ステップＳ６に移行し、式（３）’に従ってｙ＝２×ｘ’−２×ｘ−１＝２×１８０−２×１６０−１＝３９と計算される（条件（ｃ）[1]に該当）。
【００５３】
（ｒ）ｘ＝１６０，ｘ’＝２４０の場合には、ｘ’≧１２８で、且つ、ｘ’≧ｘなのでステップＳ５に移行する。ここで、２×ｘ’−２５５＝２×２４０−２５５＝２２５であるから、ステップＳ５における式（４）’が成立しない。従って、ステップＳ７に移行し、式（６）に従ってｙ＝２５５−ｘ＝２５５−１６０＝９５と計算される（条件（ａ）に該当）。
【００５４】
（ｓ）ｘ＝６０，ｘ’＝１００の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ＜ｘ’なのでステップＳ１０に移行する。そして、式（２）’’に従ってｙ＝２×ｘ’−２×ｘ＝２×１００−２×６０＝８０と計算される（条件（ｄ）[1]に該当）。
【００５５】
（ｔ）ｘ＝１６０，ｘ’＝１００の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ＜ｘ’なのでステップＳ１１に移行する。ここで、２×ｘ’＝２×１００＝２００なので、ステップＳ１１における式（５）’が成立する。従って、ステップＳ１２に移行して、式（３）’’に従ってｙ＝２×ｘ−２×ｘ’−１＝２×１６０−２×１００−１＝１１９と計算される（条件（ｄ）[2]に該当）。
【００５６】
（ｕ）ｘ＝１６０，ｘ’＝７０の場合には、ｘ’＜１２８であり、且つ、ｘ’≦ｘなのでステップＳ１１に移行する。ここで、２×ｘ’＝２×７０＝１４０なので、ステップＳ１１における式（５）’が成立しない。従って、ステップＳ１３に移行して、式（７）に従ってｙ＝ｘ＝１６０と計算される（条件（ｂ）に該当）。
【００５７】
次に、復号側について説明する。図３は、この発明を適用した画像復号化装置の一例を示すブロック図である。上述したように、符号化画像データは１フレーム毎に伝送される。フレーム分解部２１は、このような１フレーム毎の符号化画像データを所定のブロック毎のデータに分解して復号化部２３に供給する。復号化部２３は、供給されるデータに施されていた可変長符号化に対応する復号化を行って予測誤差信号値ｙを生成する。そして、このｙを演算部２４に供給する。
【００５８】
演算部２４は、供給される予測誤差信号値ｙと、後述するようにしてメモリ２７から供給される参照画素値ｘ’とに基づいて画素値ｘを復元する。そして、このｘをフレーム化部２８とメモリ２７とに供給する。メモリ２７は、演算部２４から供給される画素値ｘを所定時間遅延させて演算部２４に供給する。このようにして、所定時間遅延させられた画素値ｘが参照画像の画素値ｘ’として演算部２４に供給される。
【００５９】
フレーム化部２８は、演算部２４による演算結果、すなわちブロック毎の画素値を統合してフレームを単位とする信号を生成する。この信号が画像復号化装置の最終的な出力である再生された画像信号として、例えばテレビジョン受像機等の画像表示装置に供給される。
【００６０】
演算部２４は、以下のような処理を行う。すなわち、予測誤差信号値ｙの算出に係る上述した式の各々にそれぞれ対応する次の式（１０）〜式（１５）の何れかに従って、予測誤差信号値ｙと、メモリ２７から供給される既に復元された画素値ｘ（上述したように参照画像の画素値ｘ’として扱われる）とに基づいて画素値ｘが順次復元される。
【００６１】
ｘ＝（２×ｘ’＋ｙ）／２ （１０）
ｘ＝（２×ｘ’−ｙ＋１）／２ （１１）
ｘ＝２５５−ｙ （１２）
ｘ＝（２×ｘ’−ｙ）／２ （１３）
ｘ＝（２×ｘ’＋ｙ＋１）／２ （１４）
ｘ＝ｙ （１５）
ここで、式（１０）、式（１１）、式（１２）、式（１３）、式（１４）および式（１５）は、それぞれ式（２）’式（３）’式（６）、式（２）’’、式（３）’’および式（７）に対応するものである。
【００６２】
予測誤差信号値ｙの計算についての説明で用いた上述の例（ｐ）に則して、画素値ｘの復元について具体的に説明する。この場合には、上述したように予測誤差信号値ｙ＝４０と計算され、この値が符号化画像データとして伝送されて演算部２５に供給される。このｙ＝４０に対応する画素値ｘを復元する処理において参照される参照画素値ｘ’＝１４０は、ｙ＝４０に先行して伝送される予測誤差信号値に基づいて既に復元された画素値ｘとしてメモリ２７から演算部２５に供給される。
【００６３】
この場合、ｙ＝４０が偶数なので式（１１）および式（１４）を用いると画素値ｘが整数値とならず、不適当であることは明らかである。次に、図２中のステップＳ１の内容から、式（１０）または式（１２）を用いるべき場合にはｘ’≧１２８であり、また、式（１３）または式（１５）を用いるべき場合にはｘが１２８より小さくなければならない。ここでは、ｘ’＝１４０であり、ｘ’≧１２８なので式（１０）または式（１２）の何れかを用いるべきであることがわかる。そこで、式（１０）、式（１２）を用いて画素値ｘを計算するとそれぞれ次のようになる。
【００６４】
式（１０）を用いる時：ｘ＝（２×１４０＋４０）／２＝１６０
式（１２）を用いる時：ｘ＝２５５−４０＝２１５
図２中のステップＳ２の内容から、式（１０）を用いるべき場合にはｘがｘ’より大きく、また、式（１２）を用いるべき場合にはｘ≦ｘ’でなければならない。かかる観点から不合理を生じないのは、式（１０）を用いる場合のみである。以上のようにして、ｙ＝４０，ｘ’＝１４０の場合には、画素値ｘ＝１６０という復元結果を一意的に得ることができる。
【００６５】
予測誤差信号値ｙおよび参照画素値ｘ’が他の値をとる時にも、ｙ、ｘ’，および復元される画素値ｘの間で不合理が生じないことに留意すれば、画素値ｘを一意的に復元することができる。以上のような演算を行うことが可能であるように演算部２４を構成することにより、伝送される予測誤差信号値ｙから画素値ｘを正しく復元することが可能となる。
【００６６】
従って、図１等を用いて上述した符号化側の構成と、図３等を用いて上述した復号化側の構成とによって、この発明に係る画像信号伝送システムを構成できることがわかる。
【００６７】
この発明の一実施形態の効果について、具体的な数値例を用いて説明する。図４Ａは元の画素値である。図４Ｂは、各画素と前の画素値との差、すなわち予測誤差値を示すものである。この例では、予測誤差値を求める計算は、水平方向のラインを単位として行われる。すなわち、例えば１列目のラインについては、先頭の画素値２００はそのままとされ、この先頭の画素値２００が２番目の画素値ｘ＝２２０に対応する予測誤差信号値ｙを計算するための参照画素値ｘ’とされる。
【００６８】
また、２番目の画素値２２０を参照画素値として、３番目の画素値１９８に対応する予測誤差値が１９８−２２０＝−２２と計算される。同様に、３番目の画素値１９８を参照画素値として、４番目の画素値１７０に対応する予測誤差値が１７０−１９８＝−２８と計算される。２列以降のラインについても同様にして計算した予測誤差値を示した。
【００６９】
一方、図４Ｃは、この発明に係る符号化によって計算される予測誤差信号値ｙを示す。例えば１列目のラインについては、まず、先頭の画素値２００はそのままとされ、この先頭の画素値２００が２番目の画素値ｘ＝２２０に対応する予測誤差信号値ｙを計算するための参照画素値ｘ’とされる。ｙの計算について図２のフローチャートに則して具体的に説明する。すなわち、ｘ’＝２００≧１２８なので、ステップＳ１の結果としてステップＳ２に移行する。そして、ｘ＝２２０＞ｘ’＝２００なので、ステップＳ４に移行してｙ＝２×２２０−２×２００＝４０と計算される。
【００７０】
また、２番目の画素値２２０を参照画素値として、３番目の画素値１９８に対応する予測誤差信号値ｙが＝４３と計算される。同様に、３番目の画素値１９８を参照画素値として、４番目の画素値１７０に対応する予測誤差信号値ｙがｙ＝５５と計算される。２列以降のラインについても同様にして計算した予測誤差信号値を示した。
【００７１】
図４Ｂに示した予測誤差信号値の中には負の値が含まれるのに対し、図４Ｃに示した予測誤差信号値ｙは全て正の値であるから、伝送に必要なダイナミックレンジを小さくすることができる。
【００７２】
この発明の一実施形態におけるより具体的な一例として、この発明をＭＰＥＧ(Moving Picture coding Expert Group による動画符号化方式）に沿った画像圧縮符号化を行う画像符号化装置に適用した場合について図５を参照して説明する。例えば８×８のマクロブロックを単位とする画像データが予測誤差信号値生成部５２に供給される。予測誤差信号値生成部５２は、動き補償予測部６０から供給されるマクロブロック画像データを参照画素データとして、供給されるマクロブロック単位の画像データに基づいて、上述したような処理を行うことにより、予測誤差信号値ｙを生成する。
【００７３】
そして、予測誤差信号値ｙが符号化部５３に供給される。符号化部５３は、予測誤差信号値ｙに、マクロブロックを単位としてＤＣＴ（離散コサイン変換）を施して空間周波数領域に変換する。このようにして得られた８×８ＤＣＴ係数が量子化部５４に供給される。量子化部５４は、供給されるデータをターゲットビットや視覚特性に応じて量子化する。量子化された画像データは、低周波成分から順にスキャンニングされて１次元情報に変換されて伝送データとして出力されると共に、逆量子化部５５に供給される。
【００７４】
逆量子化部５５は、供給されるデータに量子化部５４による量子化に対応する逆量子化を施し、逆量子化によって得られるデータを復号化部５６に供給する。復号化部５６は、供給されるデータに符号化部５３によるＤＣＴに対応する逆ＤＣＴ処理を施すことによって予測誤差信号値ｙを復元し、復元した予測誤差信号値ｙを加算器５７に供給する。加算器５７は、この予測誤差信号値ｙと、動き補償予測部６０から供給されるマクロブロック画像データとを加算して元の画素データを復元し、復元した元の画素データを動き補償予測部６０に供給する。
【００７５】
動き補償予測部６０は、加算器５７から供給される復元された元の画素データを参照データとして動き予測を行い、マクロブロック画像データを生成する。マクロブロック画像データは、予測符号化生成部５２と、加算器５７とに供給され、各々の構成要素の動作において参照画素データとして使用される。以上のような構成により、この発明をＭＰＥＧ符号化装置に対して適用することが可能である。
【００７６】
なお、この発明は、ＭＰＥＧ符号化／復号化装置のみならず、他の圧縮符号化方式を行う画像圧縮符号化／復号化装置に適用することができる。
【００７７】
また、上述したこの発明の一実施形態では、予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようになされる。これに対し、予測誤差信号値ｙが全て負の値をとるようにしても良い。このような予測誤差信号値ｙの生成は、予測誤差信号値ｙの算出において、上述の各式（式（２）’、式（３）’、式（６）、式（２）’’、式（３）’’および式（７））の右辺を全て（−１）倍して得られる各式に従って予測誤差信号生成部１４による演算処理を行う等の方法によって実現することができる。
【００７８】
さらに、所定量の画素データを単位として予測誤差の分布の偏りを検出し、検出結果に応じて、予測誤差信号値ｙがより少ないビット数で表現できるように、予測誤差信号値ｙの正／負を、所定量の画素データに対する処理毎に切替えるようにしても良い。このようにすれば、かかる所定量の画素データにくらべて大きなデータ量からなる画像データを全体として伝送する際に、伝送されるデータの量をより少なくすることができる。
【００７９】
また、上述したこの発明の一実施形態は、元の画素データのビット数が一定の場合に伝送されるデータの量を削減するものである。これに対し、伝送されるデータの量を変えずに、この発明の適用によって削減されるデータ量に相当する分だけ例えば元の画素データのビット数を増やす等、データフォーマット等に変更を加えて画質の向上に寄与することも可能である。実際上は、伝送されるデータの量、復号される画像に要求される画質、および符号化／復号化に係る構成に加わる負荷等を考慮して、適切な符号化方法および画素データ等に係るデータフォーマット等を用いるようにすれば良い。
【００８０】
【発明の効果】
上述したように、この発明は、予測符号化を含む圧縮符号化を行う画像符号化装置において、符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’とに基づいて、ｘ’と各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを生成し、生成した予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施すことによって符号化データを生成するようにしたものである。
【００８１】
また、この発明は、上述したような画像符号化装置によって生成した符号化データを伝送し、伝送した符号化データから、画像符号化装置においてなされる可変長符号化および演算処理に対応する処理を行うことによって画像信号を復号する画像信号伝送システムである。
【００８２】
画像符号化装置においてなされる上述したような演算処理によって生成される予測誤差信号値ｙは、画素データを表現するためのビット長以下のビット長で表現することができる。従って、例えば符号化対象の画素値ｘと参照画素値ｘ’との差を符号化することによって予測誤差信号値を生成する等の従来の符号化に比較して、符号化画像データのデータ量を小さくすることができる。
【００８３】
また、予測誤差信号値ｙにハフマン符号化等の可変長符号化を施して符号化データを生成するようにしたので、伝送される符号化データのデータ量をさらに削減することができる。
【００８４】
一方、伝送される符号化データのデータ量を変えずに、または、この発明の適用によるデータ量の削減幅をある程度小さくして、その分だけ例えば元の画素データのビット数を増やす等、データフォーマット等に変更を加えて画質の向上に寄与することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の全体的な構成について説明するためのブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態における予測誤差信号値の生成について説明するための略線図である。
【図３】この発明の一実施形態中の復号側の構成について説明するためのブロック図である。
【図４】この発明の一実施形態における処理の一例における数値例である。
【図５】この発明をＭＰＥＧ符号化器に適用する場合の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１４・・・予測誤差信号値生成部、１５・・・符号化部、２３・・・復号化部、２４・・・演算部
Claims (5)
- 画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施す画像符号化装置において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における上記符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、上記参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、
上記予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを備え、
上記予測誤差信号値生成手段は、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化装置。 - 請求項１において、
上記可変長符号化手段は、
ハフマン符号化を行うことを特徴とする画像符号化装置。 - 予測符号化を行って画像信号を圧縮する画像符号化方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における上記符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、上記参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、
上記予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを備え、
上記予測誤差信号値生成ステップは、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場 合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像符号化方法。 - 画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送システムにおいて、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における上記符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、上記参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成手段と、上記予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化手段とを有する画像符号化装置と、
上記可変長符号化に対応する復号化を行って上記予測誤差信号値ｙを復号する手段と、上記画像符号化装置における上記演算処理に対応する処理を行って上記予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号する手段とを有する画像復号化装置とを有し、
上記予測誤差信号値生成手段は、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記 参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送システム。 - 画像信号に予測符号化を含む圧縮符号化を施して符号化画像データを生成してこの符号化画像データを伝送し、伝送された符号化画像データから画像信号を復号する画像信号伝送方法において、
符号化対象のフレーム又はフィールド内の画素の画素値ｘと、その画素に時間又は空間方向に隣接する画素、或いは、当該符号化対象のフレーム又はフィールドに対して動き補償されたフレーム又はフィールド内における上記符号化対象の画素に時間方向に隣接する画素の値としての参照画素値ｘ’とに基づいて、上記参照画素値ｘ’と、各画素データを表現するためのデータビット長に対応するダイナミックレンジの中央の値との大小関係に応じた演算処理を行うことにより、符号化対象の画素値ｘに対応して予測誤差信号値ｙを算出する予測誤差信号値生成ステップと、上記予測誤差信号値ｙに可変長符号化を施す可変長符号化ステップとを有する画像符号化ステップと、
上記可変長符号化に対応する復号化を行って上記予測誤差信号値ｙを復号するステップと、上記画像符号化装置における上記演算処理に対応する処理を行って上記予測誤差信号値ｙから符号化対象の画素値ｘを復号するステップとを有する画像復号化ステップとを有し、
上記予測誤差信号値生成ステップは、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値以上である場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記ダイナミックレンジの上限値と上記参照画素値ｘ’との差より大きい（または小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝２５５−ｘと算出し、
上記参照画素値ｘ’が上記ダイナミックレンジの中央の値より小さい場合に、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’以下であり、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’以下である（またはより小さい）場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２−１と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘが上記参照画素値ｘ’より大きい（または以上）である場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝｜ｘ−ｘ’｜×２と算出し、
上記符号化対象の画素値ｘと上記参照画素値ｘ’との差の絶対値｜ｘ−ｘ’｜が上記参照画素値ｘ’より大きい場合に、予測誤差信号値ｙをｙ＝ｘと算出し、
予測誤差信号値ｙが全て正の値をとるようにした、または、算出された予測誤差信号値の符号を反転し全て負の値をとるようにしたことを特徴とする画像信号伝送方法。
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