JP4152724B2 - レート帰還を使用したシングルパスフィット保証データ圧縮方法 - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、データ処理に関し、より詳細には、データ圧縮に関する。本発明のいくつかの実施形態は、(テキストと図形と写真画像との任意の組合せを含む)連続階調複合文書の高速で高品質なシングルパスのフィットが保証された(guaranteed-fit)圧縮を実現する。
【0002】
【従来の技術】
モデムの進歩の多くは、より迅速で複雑なデータ処理を可能にしたコンピュータ技術の進歩と関連している。しかしながら、処理されるデータの量は、処理能力の向上に簡単に追いついてきている。例えば、解像度24ビット色(連続階調)、300ドット/インチ(dpi)で8×10インチの画像を走査すると、約20MBのデータになる。解像度が600dpiの場合には、データ量はほぼ80MBであり、画像の取り扱いおよび処理は、リソースを多く使用するタスクである。
【0003】
多くの用途において、画像を表すのに必要なデータ量を減少させるために、データ圧縮が使用される。データ圧縮は、データをより密度の高い形で再符号化することである。圧縮データを展開して(圧縮されていない)元のデータを再現することができる場合には、この圧縮は、「無損失(lossless)」と呼ばれる。これができない場合には、圧縮に損失があると言われる。原則的には無損失な圧縮が好ましいが、損失のある圧縮は、データをきわめて大幅に縮小できることがある。いくつかの画像の事例において、画像品質の低下が知覚できない程度の損失のある圧縮を使用して、データを大幅に縮小することができる。他の事例では、画像品質に許容できる妥協により、より大幅に縮小することができる。
【0004】
一部のレーザプリントの用途などの一部の用途では、フルサイズの非圧縮画像を記憶するにはメモリが不十分である。そのような用途では、圧縮画像全体が所定の記憶容量の範囲に収まるように画像を圧縮しなければならない。目標画像サイズにフィット(適合)することを保証する圧縮方式は、「フィット保証(guaranteed fit)」と呼ばれる。さらに、高速動作要件および低メモリ要件を考慮して、画像は、受け取ったとき、すなわち「シングルパス(single pass)」においても圧縮されなければならない。
【0005】
シングルパスフィット保証(single pass guaranteed-fit)の応用例には、すべての画像圧縮方式が適しているとは限らない。ウェーブレット・ベース(wavelet-based)のJPEG2000は、適合を保証することができるが、画像全体に一般に作用する(したがって、「シングルパス」とは言えない)。さらに、ウェーブレット・ベースの圧縮方式は、プロセッサを集中的に使用し、したがって性能上の不利益を強要することになる。
【0006】
ブロック・ベース(block-based)の圧縮方式は、シングルパス圧縮によく適している。ブロック・ベースの圧縮方式は、(例えば、8×8画素の)ブロックに画像を一般に分割し、ブロックを個別に圧縮する。そのような2つのブロック・ベースの圧縮方式は、一般的なJPEGおよびブロック切捨て符号化(block-truncation coding:以下、「BTC」とよぶ)である。
【0007】
一般的なJPEG圧縮方式は、ブロック・ベース(block-based)であるので、シングルパス圧縮に使用することができるが、シングルパスにおいて指定されたバッファ内で適合を保証しない。また、希にある異常な画像に対しては、圧縮ではなくむしろ展開される場合がある。
【0008】
(1979年にE. J. DelpとO. R. Mitchellによる論文「Image Compression using block truncation coding」IEEE Trans. Comm., Vol. COM-27, pp.1335-42で最初に提案された)「Block Truncation Coding」(BTC)は、(一般に、4×4の)白黒画像の小さなブロックを、それぞれ8ビットの2つの中間調レベルと、各画素に使用するレベルを示す1ビット/画素の2値マスクとにより表現する一群の符号化技術を指す。この符号化方式は、基本的には損失があるが、画像のテキスト部分と図形部分とに一般に現れるような2つのレベルだけを有するブロックの場合には、この方式は無損失になることに注意されたい。BTC符号化の総合的な調査は、P. Franti, O. Nevalainen, T. Kaukorantaによる論文「Compression of digital Images by bloc truncation coding: a survey」, Computer Journal, col.37, no.4, pp.308-32, 1994に表されている。
【0009】
ベクトル量子化(vector quantization:以下、「VQ」とよぶ)は、多数のスカラ要素がグループ化され、いくつかのベクトル再現レベルを使用して再現される一般的な信号圧縮方式を指す。VQは、A.GershoとR.M.Grayによる論文「Vector Quantization and Signal Compression」Boston, MA: Kluwer, 1992において考察されている。RGBカラー画像に関しては、Y. WuとD. C. Collによる論文「Single bit-map block truncation coding of color images」IEEE J Selected Areas in Comm., Vol.10, pp.952-959と、T. KuritaとN.Otsuによる論文「A method for bloc truncation coding for color image compression」IEEE trance. Commun., Vol.41, No.9, pp.1270-74において1993年9月に開示されているように、BTCをVQと組み合わせてBTC−VQとよばれる一群の技法を生み出すことができる。BTC−VQは、RGBカラー画像の(一般に4×4の)小さなブロックが、それぞれ24ビットの2つのRGB再現レベルと、1ビット/画素の2値マスクとによって表される。したがって、4×4ブロックには6:1の圧縮比が直ちに達成される。
【0010】
BTC−VQは、8×8ブロックを使用して6:1に対応するシングルパスフィット保証圧縮を達成し、さらに大きいブロックを使ってより優れたフィット保証圧縮を達成することができる。しかしながら、BTC−VQは、連続階調の写真画像、特に6:1以上の圧縮が望まれ、より大きいブロックの使用が強制される場合には、目に見えるアーティファクト(artifacts)を生じさせる場合がある。
【0011】
Common JPEGは、連続階調の写真画像を備えた有効なブロック・ベース圧縮方式である。JPEGは、「品質因子(quality factor)」の選択によって、圧縮とその結果として得られる画像品質との間のフレキシブルなトレードオフを可能にする。通常、フィット保証は、JPEGでは、品質因子の試行錯誤の選択によって達成され、それぞれの「試行(trial)」は個別のパスである。
画像に関係なく1つのパスでフィット保証を達成するためには、十分に低い品質因子を選択しなければならない。そのような低い品質因子を使用すると、特に複合文書のテキスト部分と図形部分とにおいて、得られる画像品質が目に見えるほど低下することがある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
CaereによるOmnipage等のいくつかの光学文字認識プログラムやその他のプログラムは、2つのタイプのブロックを別々に処理することができるように事前の走査によりテキスト・ブロックと非テキスト・ブロックとに画像を分割している。しかしながら、そのような事前の走査の技法は、シングルパス条件を満たさない。したがって、今もなお、複合文書のための高品質で高速なシングルパスのフィット保証圧縮方式が必要である。
【0013】
【課題を解像度するための手段】
本発明は、圧縮の進行中の尺度(in-progress measure)の関数に応じてデータ圧縮の際の圧縮方式を調整する方法を提供する。先行データの圧縮がその目標値を超える程度まで、生じた未使用メモリが、後続データの目標メモリ・サイズを調整するために再配分される。この圧縮方式は、フィット保証の制限がある場合に再配分されたメモリをできるだけ早く消費するように調整されるという点で「貧欲的(greedy)」であることが好ましい。
【0014】
例えば、ターゲット画像に6:1の圧縮が必要な場合には、最初のブロックは、6:1圧縮を保証するように設計された圧縮モードを使って圧縮される。実際に12:1圧縮が達成された場合には、最初のブロックに「予約(reserved)」されたメモリの半分が未使用のままである。そして、この未使用メモリは、第2のブロックに再配分されるため、第2のブロックの圧縮はより弱いものでもよく、この事例では、圧縮方式は、第2のブロックに9:1圧縮を保証するように調整される。十分なメモリが節約された場合には、(圧縮しないで)未処理でブロックを送ることができることに注意されたい。
【0015】
目標ブロック・サイズへの適合を保証するモードの中で、1組の最高期待品質モードを識別することができ、この組は、最高期待品質のモードと、期待品質が最高期待品質とは大部分がわずかに異なる任意のモードとを含む。1組の最高期待品質モードから、次のブロックを圧縮するために節約されるメモリを最大にする最も高い圧縮率のモードが選択される。
【0016】
ブロックのために選択される圧縮モードは、そのブロックの内容と適合するように最良に選択されたモードのファミリから選択される。したがって、BTC−VQは、デフォルトのモード・ファミリとして働くことができるが、(テキストおよび単純な図形にしばしば存在するような)色のほとんどないブロックは、n色圧縮モードを使用してより効果的に圧縮することができる。
【0017】
本発明は、BTC−VQとn色モードとの他に、ブロック分析によりブロック内に表されている階調度が小さいことが分かったときに特に有効な補間圧縮モードのファミリを提供する。上に示したように、画像ブロックは、割り当てられた目標サイズが十分なときは圧縮せずに送ることができる。より一般的には、非圧縮伝送は、「切捨て未処理(truncated raw)」モードも含む未処理モードのファミリのうちの1つと考えることができ、カラー・データは、単純に最下位ビットを除外することによって圧縮される。圧縮される画像のタイプと使用可能な処理能力とによって、本発明に他のモード・ファミリを使用することができる。
【0018】
本発明は、速度と有効性との関係の様々な条件を満たし、様々なソース画像解像度を処理する様々な方式を提供する。例えば、速度が特に優れている場合には、乗算をすること無く300dpiの画像を6:1に圧縮することができるが、本発明の高性能の実施形態を使用して、1つのエンコーダ段に乗算をほとんど使用せずに同じ画像を12:1に容易に圧縮することができる。本発明の高解像度の実施形態は、600dpiの画像を15:1に圧縮することができる。
【0019】
これらの実施形態のうちのいずれも、提案されたエンコーダとデコーダとの複雑さは、既知の他の画像圧縮アルゴリズムよりもはるかに小さい。多くても、エンコーダのどの段にもほんの少しの乗算器しか必要なく、デコーダ内にはまったく必要ない。複合文書の場合には、テキストは常に無損失で圧縮され、画像のタイプに依存して達成される実際の圧縮比は200:1以上になる場合がある。
【0020】
ブロックごとの画像分析に基づいて適応画像圧縮を実現するので、この創意に富む圧縮方式は、どの固定モードの圧縮方式よりも複合文書によく適応する。全体として、本発明は、JPEG−LSやJPEG等のより高価なアルゴリズムときわめて競争力の高い性能を提供し、この性能は、ソフトウェアとハードウェアにおいてずっと低いコストのシングルパスにより達成される。本発明のいくつかの実施形態は、添付図面に関する以下の説明から明らかなように、以上説明したものの他またはその代わりの利点を提供する。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、図1に示したように、圧縮システムAP1は、画像ソース98から画像データを受け取り、圧縮した画像データを画像ターゲット99に提供する。圧縮システムAP1は、やはり画像記憶バッファの形の画像ターゲット99を含むカラー・レーザ・プリンタに組み込むことができる。画像ソース98は、例えばホスト・コンピュータでありうる。ソース画像データは、圧縮システムAP1によって常にアクセス可能である必要はない。その代わりに、画像ソース・データは、圧縮システムAP1に提示するために、例えば一連のブロックとして直列化される。
【0022】
圧縮システムAP1は、圧縮器エンコーダ11と、モード・セレクタ13と、評価器15と、ベースライン・ブロック目標アロケータ17とを含む。ベースライン・ブロック目標アロケータ17は、画像の所望の目標サイズを達成するために必要な圧縮量を決定する。この決定は、(一般に、ソース画像ファイルのヘッダに示されている)ソース画像サイズと、画像ターゲット99の既知の容量とを比較することによって行われる。
【0023】
モード・セレクタ13は、エンコーダ11によって実施される特定の符号化モードを選択する。モード・セレクタ13は、各ソース画像ブロックを分析して、各ブロックの圧縮に最適なモード・ファミリを決定する。モード・ファミリは、BTC−VQモード、n色(n-color)モード、未処理(raw)モード、任意選択的に補間モードを含む。各モード・ファミリは、図1のモード・セレクタ13からエンコーダ11への矢印で示されているように、様々なレベルの圧縮を達成する複数のモードを含みうる。説明のために、圧縮レベルが概略的に示されていることに注意されたい。
【0024】
ブロック目標サイズ加算器21と圧縮ブロック・サイズ・リーダとを含む評価器15が、ブロック目標サイズを決定する。最初のブロックの目標サイズは、アロケータ17によって決定されたベースライン目標サイズである。続くブロックの場合には、目標サイズは、ベースライン目標サイズと(加算器21によって記憶された)前のブロックの目標サイズとを加えたものから、前の圧縮ブロックのサイズを引いたものである。リーダ23は、圧縮ブロック・ファイルのヘッダから、それまでに圧縮されたブロックのサイズを読み取る。
【0025】
図2に、圧縮システムAP1によって実施される圧縮方法M1をフローチャートで示す。ステップS1で、方法M1は、各ブロックに適合した場合に圧縮画像の望ましい全体目標サイズが得られるベースライン・ブロック目標サイズを決定する。一般に、全体目標サイズは、全体システムAP1によって事前に決定されるが、ソース画像サイズは、ソース画像データのヘッダから一般に読み取られる。ベースライン・ブロック目標サイズは、ソース画像ブロック・サイズを目標画像サイズで割った比率を、ソース画像ブロック・サイズに掛けたものである。換言すると、ブロックのベースライン圧縮比は、全体画像の目標圧縮比と同じである。
【0026】
例えば、ソース画像が80MBであり、圧縮画像に利用可能なメモリが10MBの場合には、目標圧縮比は8:1である。ソース画像ブロック・サイズは、一般に、8×8画素で24ビット/画素であり、これは、1536ビット、すなわち192バイトと等価である。目標ブロック・サイズは、ソース・ブロック・サイズを目標圧縮比で割ったものであり、この場合には192/8=24バイトである。
【0027】
ステップS2で、現行目標ブロック・サイズが決定される。ステップS2の最初の繰り返しの間、現行目標ブロック・サイズは、ステップS1で決定されたベースライン目標ブロック・サイズと等しい。ステップS2の次の繰り返しの間、現行目標ブロック・サイズは、ベースライン目標ブロック・サイズと、ステップS8で前のブロックに決定された「節約分(saving)」を加えたものである。
【0028】
ステップS3で、ソース画像データは、連続的に受け取られ処理される。本明細書において、「連続的に(serially)」という言葉は、データが、一度にすべて処理されるのではなくなんらかの順序で処理されることを意味し、それにより先行する画像データからのフィードバックを使用して後続の画像データの圧縮に影響を及ぼすことができる。この目的のため、処理は、画像の様々な部分が並列に処理される場合でもそれぞれの並列なストリームが直列に処理される場合は直列である。ステップS2およびステップS3は、因果的に連結されず、したがって逆の順序または並列に行うことができることに注意されたい。
【0029】
ソース画像101は、トゥルーカラー(true-color)(24ビット/画素)のRGBフォーマットである。図3に示したように、この画像は、一連のストリップ103として受け取られ、各ストリップは、一連のブロック105として受け取られ、各ブロックは、一連の画素(画素)107として受け取られる。この事例において、ステップS3とその後のステップとが、ブロックごとに適用される。したがって、ステップS3の第1の繰り返しでは、第1のソース画像ブロックを受け取る。
【0030】
より一般的には、ソース画像を他の方法で直列化することができる。例えば、最初に粗いブロックで画像を提示し、次にその粗いブロックからの偏差として符号化された細かいブロックで提示することができる。また、フラクタル画像データ(fractal image data)を受け取ることもできる。もちろん、圧縮方式は、ソース画像データ・フォーマットに対応するように選択される。
【0031】
図2のステップ54では、ブロック内容が分析される。例えば、ブロック内の別個の色の数を確認して、ブロックを圧縮するためにn色モードを使用すべきかどうかを決定することができる。後に詳細に示す環境に依存して、モード選択の終りの方で、色範囲とクラスタ化と階調度との特性を調べることができる。
【0032】
ステップS5では、ブロックの圧縮モードを選択する。ステップS2で決定された現行目標ブロック・サイズに対する適合を保証できないモードは、検討から除外される。残りのモードから、1組の最高期待品質モード(highest-expected-quality)が決定される。この1組は、最高期待品質の1つのモードと、最高期待品質モードとはわずかに異なる期待品質の他の任意のモードとを含む。この組から、次のブロックの節約分を最適化するように最も強い圧縮を達成するモードが選択される。最終ブロックの改良では、節約分に関係なく最高期待品質モードが選択される。
【0033】
ステップS6で、現行画像ブロックが、ステップS5で選択された圧縮モードに従って圧縮される。図2において、ステップS6から下方に延びている矢印は、圧縮されたデータがターゲット記憶領域に向けられていることを示す。方法M1は、ステップS6が最終ブロックに実行された後で完了する。ステップS7とステップS8とは、最後を除くすべてのブロックに適用される。
【0034】
ステップS7では、ステップS6で得られた圧縮ブロックのサイズが、圧縮ブロック・サイズ・リーダ19(図1)によって決定される。決定された圧縮ブロック・サイズと現行ブロックの目標ブロック・サイズとの差が、能力の「節約分(saving)」である。ブロックの圧縮ブロック・サイズが目標ブロック・サイズと等しい場合には、節約分はゼロである。しかしながら、よくあるように、圧縮ブロック・サイズがブロックの目標ブロック・サイズより小さい場合には、その差が節約分である。ステップS8で決定された節約分は、次の画像ブロックに関するステップS2の次の繰り返しの目標サイズを決定するベースラインに加えられる。ステップS4とS5のファミリとモードの選択により、圧縮ブロック・サイズが、どのブロックの目標ブロック・サイズより大きくならないことが保証される。
【0035】
方法M1は、高速で高性能な高解像度の変形例を提供する。方法M1の「高速」の変形例を、図4にM2として図示する。この「高速」の変形例の主な目的は、エンコーダとデコーダの両方の側できわめて高速に動作し、内容に関係なくすべての文書で6:1の保証された圧縮比を達成する複合文書コーデックを生成することである。品質は、解像度300dpi以上のすべてのコンピュータ生成文書では目に見えるような損失はない。符号化操作と復号化操作のどのステップでも、乗算器は使用されない。実際に、高速な方法M2の複雑さは、既知のどの複合文書エンコーダよりもはるかに低い。
【0036】
ステップS21では、画像ブロックが受け取られ、その目標ブロック・サイズは、既に決定されている。ステップS22およびステップS23は、ブロックを圧縮モードに共同で指定する。ステップS22では、ブロックが4色以下の色を有する場合には、そのブロックはn色モード・ファミリに指定される。ブロックが4色を超える色を有する場合には、そのブロックはブロックを未処理で送信する余裕がないならば、ステップS23でBTC−VQモード・ファミリに指定される。後者の事例では、ステップS23は、高速な方法M2において1つのモード、すなわち切捨て未処理(untruncated raw)モードのみを含む「未処理」モード・ファミリにブロックを指定する。
【0037】
ステップS30では、符号化が実行される。ステップS22では、ブロックが、(テキストまたは単純な図形の場合のように)4色以下の色を有するように決定された場合には、そのブロックは、ステップS31で24ビット・カラーを有する1色、2色、または4色のモードを使って無損失にエンコードされる。圧縮をさらに促進するために、4エントリの適応色辞書(adaptive color dictionary)が使用される。辞書にない色だけを未処理のままでエンコードする必要がある。辞書にある色を辞書インデックスとして送ることができる。使用可能なバイトが、色を未処理で送るのに十分でない場合には、各色は、12ビットに量子化され、辞書を使用せずにビット・ストリームに含まれる。そして、n色ビット・ストリームが、ランレングス符号化される。
【0038】
n色モードにおいて、新しくまたは辞書から必要とされる色は、2値または4値のマスク・データと共に、明示的ヘッダと共にデコーダに送られる。3つの色が見つかった場合には、そのブロックは、ダミー辞書色と共に4色ブロックとして送られる。1つの色が見つかった場合には、ランレングス符号化が使用される。
【0039】
ステップS23では、ブロックが、(連続階調画像の一部分である場合にその可能性が高い)4つを超える数の色を有すると決定され、十分なターゲット容量(192バイト)がある場合には、ステップS33で、そのブロックを非圧縮(未処理)のままにすることができる。
【0040】
ブロックが、4つを超える色を有し、ターゲット容量が切捨て未処理伝送に不十分な場合には、ステップS34〜ステップS36で、BTC−VQ符号化がブロックに適用される。高速な方法M2では、24ビット色による4×4BTC−VQモードだけが使用される。例示された実施形態において、ステップS34では、ブロックの輝度が計算される。ステップS35では、ブロック変換符号化が輝度マップに適用される。この場合には、8×8画素ブロックが、4つの4×4画素に分割される。ステップS36では、24ビット色が符号化され、2値マスクと一緒に送られる。通常、4×4のサブブロックのマスク・データのそれぞれは、2バイトを必要とする。しかしながら、適応マスク圧縮を有効にしたときは、4×4サブブロックのために1バイトを送ることができる。図5を参照して、非圧縮マスク121と圧縮マスク122とを比較されたい。
【0041】
ステップS32とステップS33とステップS36からの圧縮データは、現行ブロックに関する限り方法M2の終了を表す。しかしながら、そのブロックが5つ以上の色を有する場合には、次のブロックの未処理の伝送の余裕があるかどうかを決定するために、圧縮度は、ステップS23の次の繰り返しにおいて使用されるようにフィードバックされる。n色モードと4×4BTC−VQモードとが6:1圧縮を達成するので、フィードバックは、未処理モードが使用されているかどうか決定するためにのみ利用される。
【0042】
図4に示した方法M2のステップと図2に示した方法M1のステップとの対応性に注意されたい。ステップS21は、画像ブロックを受け取るステップS3に対応する。ステップS22は、ステップS4に対応する。ステップS23とステップS30への線とは、ステップS5に対応する。ステップS30は、ステップS6に対応する。ステップ40は、ステップS7およびステップS8にほぼ対応する。
【0043】
高速エンコーダの複雑さの大きな部分は、BTC−VQに起因する。したがって、速度を最適化することが重要である。高速の変形例において、BTC−VQエンコーダは、各4×4サブブロック用の2レベル・ベクトル量子化器(VQ)であり、画素用の(R、G、B)のトリプレット(3つ組)がトレーニング・セットとして働く。最適な方策は、Y. Unde, A. BuzoおよびR.M.Grayによる論文「An algorithm for vector quantizer design」IEEE Trans. Commun., Vol.COM-28, No.1, pp.84-95によって1980年1月に教示され、符号化規則の最適化と復号化規則の最適化との間の収束するまで繰り返すLBG−VQ設計手順を使用するものであるが、この方式の複雑さは、高速の変形例M2を目標とするものに対しては高すぎる。したがって、以下のように、準最適であるが高速の設計手順が使用される。
【0044】
一次元空間と、S.P.Lloydによる論文「Least Squares Quantization in PCM」IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. IT-28, pp.127-35に1982年3月に記載されているLloydの設計手順の単一繰り返しとに対して、3次元RGBベクトルがマッピングされる。この設計手順は、L無限歪み測定により合成スカラ・トレーニング・セット上で使用される。特に、3次元空間から1次元空間へのマッピングは、近似的輝度変換(R+2G+B)/4によって、または、単にサブブロック内で最大散布度を有するR、G、あるいはBの色の選択によって達成される。最大散布度を有する色を探索すると、通常、符号化が輝度変換よりも遅くなるが、歪みも少なくなる。
【0045】
各4×4ブロックの一次元空間において、最小値mと最大値Mとが決定される。中間値=(M+m+1)/2とし、M1>中間値になるようなM1をブロック内の最小値とし、m1<中間値になるようなm1をブロック内の最大値とする。再構成点は、(RGB(M1)+RGB(M)+1)/2および(RGB(m1)+RGB(m)+1)/2の値として計算される。ここで、RGB(x)は、xの値に対応する元のRGB値を示す。分類のしきい値は、中間値である。この実施態様は、きわめて単純であり、4×4ブロック全体で3つのパスしか必要としない。
【0046】
図6に示した「高性能(high-performance)」な変形例の方法M3は、より高い処理能力を利用して高速の変形例M2よりも高い圧縮を達成する。方法M3は、内容に関係なくすべての文書について最大12:1の圧縮比を保証するフレキシブルな複合文書の符号器または復号器(CODEC)を使用するが、符号化と復号化の複雑さのレベルを、既知のほとんどのアルゴリズムよりも低く維持する。この比較的に高い圧縮比を達成するために、可能な場合は必ず、ほとんどすべてのステップでレート帰還を使用してバイトを節約する。
【0047】
品質は、コンピュータ生成文書と高品質走査文書との両方に対して、解像度300dpi以上では、目に見える損失はない。方法M3は、(方法M2よりも)走査ノイズに対してある程度強い。さらに、所望の最小圧縮比が、パラメータとしてエンコーダに供給される。12:1の制限は、単に注意を促すものであり、完全に品質考慮要素に基づく。実際に、エンコーダを12:1よりも大きい所望の最小圧縮比で動作させることは可能であり、12:1を超えると品質の劣化はなだらかである。
【0048】
方法M3は、ステップS50で画像ブロックを受け取ることから開始し、その目標サイズが、変形例M2の前の繰り返しにおいて決定される。方法M3によって、現行ブロックは、n色モードS51と、補間モードS52と、未処理モードS53と、BTC−VQモードS54とに従って符号化される。
【0049】
ステップS61のモード選択は、現在使用可能なバイトによってn色モードで送ることができる最大色数m≦8を決定することから開始する。この数は、mの色を12ビット色のm色モードで送るのに必要なバイト数に基づいて得られる。現在使用可能なバイトの数は、目標圧縮比とステップS55からのレート帰還との関数である。
【0050】
実際には、ステップS61は、分類方式を選択する。この分類方式は、ステップS62では、圧縮にn色モードS51を使用するかどうかを決定するために使用される。8つのn色レベル(n=1〜8)が、12ビット色または24ビット色のどちらかと共に使用され、適応される色辞書は、ほとんどのn色モードに使用される。
【0051】
ステップS62で、色カウント・ルーチンが、厳密な24ビットの色マッチングを使用してブロック内にmまたはそれより少ない数の異なる色があるかどうかを調べる。特に、画素が、順次に走査され、前に現れた色の画素と色が厳密に等しいことを見つけるか、または新しい色を作成するために使用される。現行ブロック内の色の数が、(例えば、テキストや単純な図形等を示す)m以下の場合には、得られた色は、n色モードで送られる。色辞書を最初に調べて、その中に既に異なる色がないかどうかを確認する。しかしながら、最終的には、現在使用可能なバイトにより、24ビット色が辞書と一緒にまたは12ビット色が色辞書なしに送られる。(連続調画像ブロックの場合に可能性が高いように)色数がmより大きい場合には、方法M3は、ステップS63に進む。
【0052】
ステップS63は、8×8ブロック内のR成分とG成分とB成分とのmax[Rmax−Rmin ’,Gmax−Gmin',Bmax−Bmin']により
与えられる最大の色の範囲が、大きい(しきい値THCより大きい)か小さい(THC以下)かどうかを決定する。計算した色の範囲が、しきい値より小さい場合には、ステップS54で、ブロックが、BTC−VQを使って圧縮される。方法M3では、4×4と、8×4と、8×8とのBTC−VQモードが、12ビット色または24ビット色のいずれかで使用され、適応マスク圧縮が使用される。色範囲がしきい値以下の場合には、方法M3は、ステップS64に進む。
【0053】
ステップS64で、色クラスタ化ルーチンが、色をm以下の色のクラスタにクラスタ化できるかどうかを判定する。色クラスタ化ルーチンは、シングルパス・クラスタ化技法を使用し、画素が順次に走査され、画素が、十分に近い場合には前のクラスタのうちの1つのクラスタに含まれ、それまでに作成したすべてのクラスと大きく異なる場合には、新しいクラスタを作成するために使用される。m個以下のクラスタが得られた場合には、ブロックは、代表的な色がそれぞれのクラスタの平均または中間点であるn色モードで表される。色の符号化のために、別個の色の事例と同じように、24ビット色が辞書と共にまたは12ビット色が辞書なしで、使用可能なバイトの数に基づいて使用される。このクラスタ化ステップが、アルゴリズムにおける走査ノイズに対する頑強性を実現することに注意されたい。必要なクラスタの数が、mよりも大きい場合には、方法M3は、ステップS65に進む。
【0054】
ステップS65では、水平方向および垂直方向の階調度の最大値が、しきい値TGRに対して比較される。最大色階調度が、このしきい値よりも小さい場合には、ブロックは、ステップS52で、補間モードを使って圧縮される。
【0055】
ステップS52では、補間モードは、平均化によってファクター4×4だけダウンサンプリングし、12ビット色または24ビット色を使ってビット・ストリーム内の4つのダウンサンプリング画素を送ることによってブロックを符号化する。補間モードは、複雑なビジネス・グラフィックスの階調度および画像内で滑らかに変化する色によく適している。
【0056】
ステップS52で、最大色階調度が、しきい値TGRと等しいかまたはそれより大きい場合には、方法M3は、ステップS66に進む。ステップS66は、少なくとも8ビット切捨て未処理モードのために現行ブロックを未処理で送る余裕があるかどうかを判定する。十分な余裕がある場合には、ブロックを送るために、使用可能な目標ブロック・サイズによって対応することができる、24ビット未処理モードと12ビット切捨て未処理モードと8ビット切捨て未処理モードのうちから選択した最も深いモードが使用される。この事例では、12ビットおよび8ビットの切捨て未処理モードが提供され、したがって、しきい値は、方法M2の対応するステップのものよりも小さい。(バウンディングボックス・モード(bounding-box mode)は使用されない。)
【0057】
ステップS66のしきい値は、図6においてステップS66までの破線矢印で示されているように、現行の目標ブロック・サイズに依存する。最も切捨て未処理モードの余裕がある場合には、方法M3は、ステップS53に進む。そうでない場合には、ステップS54で、BTC−VQモードが選択される。モード・タイプの1つが選択された後に、図6においてステップS51とステップS52とステップS53とステップS54とに破線により示されているように、選択された特定モードは現行目標ブロック・サイズの関数である。
【0058】
ステップS54でモードのBTCファミリにおいて、どの支援ブロック・サイズ(4×4、4×8、8×4、または8×8)を使用するかの判断が、部分的には、使用可能なバイトの数によって、また部分的には、それぞれ4×4、4×8、8×4、または8×8の支援ブロックの(以前に定義された)最大色範囲によって行われる。この意図は、使用可能なバイトの数を超えることなくできるだけ小さな色範囲の支援ブロックを選択することである。選択された支援ブロック・サイズにより、必要な数の色が、それぞれ24ビットまたは12ビットで送られる。さらに、少なくとも1対の色が、互いに近いことが判明した場合には、マスクの適応損失圧縮が有効にされる。
【0059】
BTC−VQモードでの色量子化レベルの決定は、高速な近似VQ設計手順によって達成される。VQ設計が、符号化プロセスでの最も複雑な障害になっているものの1つであるので、複雑さと性能の様々なトレードオフによって、VQ設計の3つの異なるアルゴリズムが、「最良」と「標準」と「高速」とで実施される。最良符号化方法では、2乗平均誤差歪み測定(mean-squared-error distortion major)によるY.Linde,A.BuzoおよびR.M.Grayの論文「An algorithm for vector quantizer design」IEEE Trans.Commun.,Vol.COM-28,no.1,pp.84-95の1980年1月のLBG設計手順の単一繰り返しをRGB3ビットバイトに使用する。標準符号化方法は、2乗平均誤差歪み測定によるS.P.Lloydの論文「Least Squares Quantization in PCM」IEEE Trans.Inform.Theory,Vol.IT-28,pp.1217-35の1982年3月のLloydのスカラ量子化器設計手順の単一繰り返しを、最大範囲を有するR色成分、G色成分、またはB色成分に使用する。高速符号化方法は、L=(R+2G+B)/4として計算された画素の近似的輝度値に、2乗平均誤差歪み測定によるLloydのスカラ量子化器設計手順の単一繰り返しを使用する。さらに、高速な方法において、様々な決定機構において最初に現れた範囲計算はすべて、近似的輝度値である(Lmax−Lmin)に基づく。最良と標準と高速との方法は、同じ名前を有するプリンタでのプリント品質の設定値と類似している。
【0060】
方法M3の変形例は、処理能力を高速にするために補間モードS52を省略しており、その結果、画像品質にわずかな劣化が生じる可能性がある。この変形例において、ステップS64において色クラスタの数が多いとき、変形例の方法は、階調度しきい値ステップS65を省略して、未処理のための余裕(room-for-raw)ステップS66に直接に進む。この変形例は、ブロック内の水平方向と垂直方向との階調度の最大値を計算する複雑さが高くなるのを防ぐ。しかしながら、補間モードを含めると、滑らかな画像領域に関してより高い圧縮率でより良い再現が行われる。
【0061】
方法M3は、12:1よりも高い比率の圧縮を実現するが、品質および/または処理時間が犠牲になる。例えば、方法M3は、600+dpiの文書に、アーティファクトのなしに15:1の最低の所望圧縮比で実行することができるが、1画像当たりの圧縮/復号化時間が長くなりすぎる(スループットに悪影響を及ぼす)。
【0062】
高解像度のデジタル化文書は、大量の記憶容量を必要とする。例えば、単色のレターサイズのページは、600dpiでほぼ100MBの記憶容量を必要とし、1200dpiでほぼ400MBの記憶容量を必要とする。この解像度で、ハードコピー・ビジネスにおいて価格と性能の点で競争力を維持するためには、きわめて低い複雑さで高い圧縮率を達成する複合文書エンコーダを設計することが絶対必要になる。
【0063】
本発明の高解像度の実施形態(図示せず)は、解像度600dpi以上の複合文書に関して、アーティファクトをプリントすることなくきわめて低い複雑さで最大15:1の圧縮を達成する。この高解像度の方法は、高性能な方法M3よりも低い複雑さで、高速な方法M2よりもかなり高い圧縮比を達成する。トレードオフは、低解像度文書に関する性能にある。
【0064】
高解像度の方法は、方法M2および方法M3と全く同じ符号化モードを使用するが、要素の処理単位のサイズは、方法M2および方法M3よりも大きい。高解像度の方法は、8×8ブロックに対して12×12ブロックを使用する。BTC−VQモードにおいて、支援ブロックは、サイズ6×6、6×12、12×6、または12×12のものが可能である。
【0065】
n色モードにおいて、唯一の違いは、図7に示したマスク・データのために送られるバイト数にある。1色モードは、マスク・データを必要としない。2色モードは、合計144画素に18バイトのマスク・データを必要とする。ビットは、走査順にMSB(最上位のビット)からLSB(最下位のビット)にバイト内に入れられる。3色モードはマスク・データ用に29バイトを必要とし、各バイトは5つの記号の情報を走査順に含む。4色モードは、マスク・データ用に36バイトを必要とし、1画素当たり1バイトの方式でMSBからLSBまで走査順に2ビットが入れられる。5色モードおよび6色モードは、マスク・データ用に48バイトを必要とし、各バイトは、3つの記号を走査順に含む。最後に、7色モードおよび8色モードは、マスク・データ用に54バイトを必要とし、各画素に3ビットを備える。
【0066】
未処理モードと切捨て未処理モードでは、画素の数が多いため、送らなければならないバイト数が増える。ヘッダとは別に、8bppモードと、12bppモードと、24bppモードとで、144バイトと、216バイトと、432バイトとがそれぞれ送られる。
【0067】
補間モードでは、画素の数が多くなるので、補間モードで送らなければならないバイトの数は当然に変化する。ダウンサンプリング画像は、現在3□3であり、したがって、12ビット/画素モードで14バイト(使用されていない最終バイトの上側のニブルを備える27ニブル)、24ビット/画素モードでは27バイトをヘッダとは別に必要とする。
【0068】
代替の実施形態では、ハードウェア実装の容易さにより、主流のフィット保証のために8ライン・バッファに対して4ライン・バッファを使用する圧縮アルゴリズムの必要性が高い。これは、ビット・ストリーム・シンタックスの変更を最小にして、フィット保証構造の範囲内で容易に対応することができる。基本ブロック・サイズは、単純に8×8から4×16に変更され、4つの4×4サブブロックが、その中に並んで配列される。画素走査パターンは、各4×4サブブロック内の行列の順序であり、サブブロックを左から右に一度で横切る。この場合には、ほとんどのモードを何も修正せずに使用することができる。4×16フィット保証用に許容されるBTCモードは、4×4と4×8と4×16とであり、これは、画素走査順序を考慮して、8×8フィット保証用の4×4と8×4と8×8とのBTCモードにそれぞれ類似するであろう。8×8フィット保証の4×8BTCモードは、このシナリオでは実用的でなく、使用不能とすることができる。他のモードはすべて、一切修正なしにそのまま使用することができる。
【0069】
次のブロックの圧縮モードの選択に各ブロックの圧縮の結果を用いることによって、この圧縮方式は最適化される。しかしながら、これは、性能を制限することがあり、性能を高めるためにブロックが並列に処理される場合は適切でない。したがって、本発明は、直前のブロックよりも前のブロックに達成された圧縮の関数になるように、所定の任意のブロックと関連付けられた圧縮方式を提供する。ブロックのストリップが、並列に処理される場合には、それぞれの並列の「ストリップ(strip)」が、方法M1を個別に実施することができる。代わりに、並列のプロセスが、モデル選択を最適化する情報を互いに提供することができる。つまり、1つのストリップの節約分を別のストリップのために役立てることができる。
【0070】
以上に、特定の符号化形態および符号化特性により本発明を説明してきたが、他の形態および特性を使用することができる。例示された実施形態において、圧縮はブロック・ベースである。代わりに、本発明は、階層的なフォーマットまたは非画素ベースのフォーマットで表されるデータを提供する。例示された実施形態において、データは画像データであるが、実際には、本発明はデータの意味とは無関係に適用される。この基本的な手法は、多くのタイプのビデオと音声と図形とのデータに使用することができる。例示されたシステムは、プリンタに組み込まれるように設計されることが望ましいが、本発明は画像や他のデータが制限のあるスペースに記憶されたり制限のある帯域幅で送られたりするときにはいつでも工業的適用性を有する。例示された実施形態に対する以上その他の変形例および修正は本発明によって提供され、その範囲は特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によれる圧縮システムの概略図である。
【図2】図1のシステムの状況で実行される本発明の一般化した方法の流れ図である。
【図3】画像の走査順序を示す画像の様々なレベルの詳細の概略図である。
【図4】図2の方法の「高速」な実施態様のフローチャートである。
【図5】図2の方法の高速で高品質の実施態様で使用される適応マスク圧縮におけるマスクの使用を示す概略図である。
【図6】図2の方法の「高性能」な実施態様のフローチャートである。
【図7】図2の方法の「高解像度」の実施態様において使用される適応マスク圧縮におけるマスクの使用を示す概略図である。
【符号の説明】
11 エンコーダ
13 モード・セレクタ
15 評価器
23 圧縮ブロック・サイズ・リーダ
Claims (9)
- 圧縮処理の圧縮比の関数に応じて、一連の入力データの該圧縮の方式を調整するシングルパス圧縮方法であって、
a)先頭ブロックと中間ブロックと最終ブロックとを含む一連のブロックへとソース画像を変換するステップであって、該一連のブロックのそれぞれが1以上の色を含むものである、変換するステップと、
b)前記ソース画像のデータについての目標圧縮比に基づいて、ベースライン目標ブロック・サイズを決定するステップと、
c)前記先頭ブロックの現行目標ブロック・サイズが、前記ベースライン目標ブロック・サイズであり、前記中間ブロックと前記最終ブロックとの現行目標ブロック・サイズが、前記現行ベースライン目標ブロック・サイズと前記一連のブロック内のそれまでのブロックに関連して累積された節約分とを加えたものに等しくなるように、各ブロックについて順番に現行目標ブロック・サイズを決定するステップと、
d)各ブロックについて順番に、結果として得られた圧縮ブロックが、ステップcで決定された当該対応する目標ブロック・サイズに適合するように、前記各ブロック内の色の数に基づいて圧縮モードを選択するステップと、
e)各ブロックについて順番に、ステップdにおいて選択された前記圧縮モードを使用して前記ブロックを圧縮し、対応する圧縮ブロックを出力するステップと
を含んでなる、圧縮処理方法。 - f)前記先頭ブロックと前記中間ブロックとについて順番に、ステップeにおいて得られた前記圧縮ブロックのサイズの関数として部分的に前記累積された節約分を決定するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記ステップfが、前記ステップeによって結果として得た前記圧縮ブロックのサイズを決定し、前記サイズの関数として前記節約分を決定するステップを含む請求項2に記載の方法。
- 前記ステップdが、前記ブロックの前記内容を分析し、該分析の結果の関数として前記圧縮モードを選択するステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記関数が、目標ブロック・サイズに関して、再配分されたメモリをできるだけ早く消費するように調整する処理を行う請求項1に記載の方法。
- そのそれぞれが1以上の色を含む一連のソース画像ブロックを順次に圧縮するために、それぞれの所定の最大圧縮ブロック・サイズを備える複数の圧縮モードを実現するエンコーダと、
前記エンコーダに結合され、前記ソース画像ブロックのうちの所与の1つのブロックを圧縮する前記圧縮モードのうちの少なくとも1つの圧縮モードを選択するモード・セレクタであって、現行ソース画像ブロックの目標ブロック・サイズに適合するように前記ソース画像ブロック内の色の数に基づいて前記圧縮モードのうちの1つを選択するモード・セレクタと、
前記ソース画像のそれぞれの前記目標ブロック・サイズを決定する評価器と、
前記ソース画像についての目標圧縮比に基づいてベースライン目標ブロック・サイズを決定するためのアロケータであって、前記ソース画像ブロックの前記現行目標ブロック・サイズが、前記ベースライン目標ブロック・サイズであり、前記ソース画像ブロックに後続する一連のブロックの現行目標ブロック・サイズが、前記現行ベースライン目標ブロック・サイズと前記一連のブロック内のそれまでのブロックに関連して累積された節約分とを加えたものに等しくなるように、各ブロックについて順番に現行目標ブロック・サイズを決定するものである、アロケータと
を含んでなるシングルパス画像圧縮システム。 - 前記評価器が、それぞれのソース画像ブロックの圧縮で得られる圧縮ブロックの前記ブロック・サイズを決定するブロック・サイズ・リーダを含み、前記評価器が、前記圧縮ブロックの前記サイズの関数として前記目標ブロック・サイズを決定する請求項6に記載のシステム。
- 前記モード・セレクタが、前記ソース画像ブロックのいくつかのn色圧縮モードをn色モード・ファミリに割り当て、他のソース画像ブロックをBTC−VQ圧縮モードのBTC−VQモード・ファミリに割り当てる請求項6に記載のシステム。
- 前記モード・セレクタが、前記ソース画像ブロックのいくつかを、非圧縮未処理モードを含むモードの未処理モード・ファミリに割り当てる請求項6に記載のシステム。
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