JPH01198185A - 画像データ圧縮方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は画像データの高能率符号化に係り、特に、変換
符号化により高画質・高圧縮率の達成に好適な、画像デ
ータ圧縮方式に関する。

〔従来の技術〕　　゛ 従来の変換符号化では、ジエン他による「単色及びカラ
ー画像の適応符号化Ｊ　　（Ｌｃｈｅｎ、ｅｔａｌ：Ａ
ｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍｏｎｏｃｌｌ
ｒｏｍａ　ａｎｄ　　ｃｏｌｏｒｉｍａｇｅｓ、ＩＥＥ
Ｅ　Ｃ０Ｎ−２５，１１，ｐｐ１２８５−１２９２（１
９７７））に述べられているように１画像を例えば１６
Ｘ１６画素のブロックに分割し、各ブロックについて直
交変換を行なっていた。この方式では圧縮率を上げると
、復号画像においてブロック境界が目立つという難点が
あった。また、ブロックサイズは大きい程、高画質を得
ることが出来るのだが、それに伴う付加情報が膨大とな
り、結果的に大きな圧縮効果が望めないという難点もあ
った。

〔発明が解決しようとするＳ題〕

上記従来技術は、ブロックサイズの拡大に伴う付加情報
の高能率な保持について配慮がされておらず、ブロック
サイズを拡げられない、また、達号画像にブロック境界
が現われるなどの問題点があった。

本発明の目的は、付加情報の効率的な保持と、ブロック
境界をなくし高画質を得る圧縮を可能にすることにある
。

〔課題を解決するための手段〕

ブロック境界をなくすという目的は１画像をブロック吟
分割せず、画像全体に対し一度に直交変換を行なう、フ
レフレーム変換をおこなう手段によって、達成される。

高画質を得る圧縮を可能にするという目的は、まず高画
質を得ることは、フレフレーム変換によって達成され、
また圧縮を可能にすることは、各変換成分に可変ビット
長を割当てる手段と、そのビット割当てテーブルを、例
えば４分木（Ｑｕａｄ　−ｔｒｅｅ）表現による高能率
符号化によって、データ圧縮する手段を設けることによ
って、達成される。

〔作用〕

フレフレーム変換は、画像全体を一度に直交変換を行な
うように動作する。これによって得られた各変換成分に
可変ビットｉを割当てる手段は、例えば変換成分の絶対
値の対数値に比例して割当てるというように動作する。

各変換成分は１割当てられたビット数に従って圧縮符号
化される。ここで、付加情報となるビット割当てテーブ
ルは、例えばＱｕａｄ　−ｔｒｅｅ表現による高能率符
号化が行なわれ、圧縮符号化される。

以上の動作によって、復号画像にブロック境界が生じな
くなり、また、高圧縮率で高画質を得る圧縮が可能とな
る。

（実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１〜８図により説明する。

第１図は本発明による符号化処理手順を示すフローチャ
ートである。まずブロック１において、画像データは２
次元配列の輝度値列として入力される。これをｆ　（ｍ
、ｎ）とする。但しｍ、ｎ＝１、・・・、Ｎで画像サイ
ズはＮＸＮとする０画像データｆ　（ｍ、ｎ）はブロッ
ク２において直交変換をかけられる。変換は画像全体に
対して一度に行なわれる。変換した値をＦ　（ｕ、ｖ）
と書くと。

Ｆ　（ｕ、ｖ）は次式で与えられる。

・・・（１） ｕ、ｖ、＝１．・・・、Ｎ 二二で・ψは直交変換を与えるＮ次の正規直交行列であ
る。またψｔはその転置行列である・具体的には、＜Ｐ
はアダマール変換行列や、コサイン変換行列である０例
えばコサイン変換行列は次式で与えられる。

１、ｊ、＝ｌ、・・・、Ｎ 以下、コサイン変換を行なったとして説明する。

ブロック３では、復号画像に対する許容歪のパラメータ
を入力する。これをＤ　（＞Ｏ）とする。

ブロック４では、このＤに従って各Ｆ　（ｕ、ｖ）に割
当てるビット数を決定する。即ち、Ｄは画像データの圧
縮率制御用のパラメータでもある。

ブロック４の説明に入る前に２点の注意を与える。まず
第１点は、（１，１）成分の変換値Ｆ（１，１）は、以
降の圧縮処理の対象としないということである。理由は
、コサイン変換ではＦ（１，１）に直流成分（原画像の
平均輝度の２倍の値）が現われるため、これにＤに依存
した圧縮を施せば、復号画像の平均輝度が、原画像の平
均輝度と一致しなくなるからである。そこでＦ（１゜１
）の符号化データＣ（１，１）は次式で与えるものとす
る。

Ｃ（１，１）＝ＮＩＮＴ（Ｆ　（１，１）／２）・・・
（３）但しＮＩＮＴは四捨五入による整数化である。

（３）式より、Ｃ（１，１）に必要なビット数は、原画
像の階調を表わすのに必要なビット数と等しいことがわ
かる。第２点は、残りのＦ（１１，Ｖ）の符号化の考え
方を与える。これは後述するブロック４の説明に必要だ
からである。但し、これは考え方であり、正確な符号化
方式は後で与える。

まず各Ｆ　（ｕ、、ｖ）を符号化するために割当てるビ
ット数を次式で与える。

Ｂ（ｕ、ｖ）＝ＩＮＴ（ｌｏｇｚ（ＩＰ（ｕ、ｖ）１／
Ｄ））・・・（４） ここでＩＮＴは切り捨てによる整数化である。

（４）式より、にビット割当てられるよう’ｔ　Ｆ　（
ｕ＊ｖ）をＦに（ｕ、ｖ）と書くと、そのレンド（値域
）は以下のようになる。

２ＬＤ＜　ｌ　Ｆｘ（ｕ、ｖ）　ｌ　＜２に＋ＩＤ　　
　　・Ｃ５）成るＦに（ｕ、ｖ）を符号化する時、１ビ
ツトを正負を定める為に用いるものとし、Ｋ−１ビツト
でｌ　Ｆｇ（ｕ、ｖ）ｌを表わすものとする。これをＣ
に（Ｕ、Ｖ）とすると、これは以下のように、定めるこ
とが出来る。尚、第２図にに一＝４として例を示す。

まず各Ｉ　Ｆｘ（ｕ、ｖ）ｌが（５）式のレンジ内に一
様に分布していると仮定し、このレンジを２ＩＣ−１個
に等分割する。そして各分割点にラベルをつけ、１　Ｆ
ｇ（ｕ、ｖ）ｌ以下で最も近い分割点を求め、そのラベ
ルをＣＩＣ（ｕ　ｅ　ｖ）とする、即ち１次式を得る。

Ｃｇ（ｕ、ｖ）＝＝ＩＮＴ（（ｌＦｇ（ｕ、、ｖ）Ｉ　
　２ＫＤ）／２Ｄ）・・・（６） 八 １Ｆｘ（ｕ、ｖ）Ｉ　＝Ｃｘ（ｕ＊ｖ）Ｘ２Ｄ＋２ＫＤ
　＝−（７）尚、（６）・　（７）両式より、与えられ
たＤは復号画像における平均量子化誤差であることがわ
かる。

こうして、各変換成分Ｆ　（ｕ、ｖ）について、その符
号化データＣ（ｕ、ｖ）と１割当てビット数Ｂ　（ｕ、
ｖ）が得られるのだが、全成分に対するＢ　（ｕ、ｖ）
の持つ情報量は膨大である。そこで、一般にビット割当
てテーブル（Ｂ　（ｕ、ｖ）、）が、その位Ｒ（ｕ、ｖ
）に関して高い自己相関性を持つことから、これを利用
してビット割当てテーブルの圧縮を行なうこととする。

圧縮方式には元情報を完全に復元で、きる可逆圧縮と、
復号誤差を許す非可逆圧縮がある。ビット割当てテーブ
ルを可逆圧縮する方式として、得られたビット割当てテ
ーブル１−０のビットプレーンに分割（例えば割当てビ
ット数がＯ〜８ビットだとすれば、３枚のビットプレー
ンとなる。）シ。

各ビットプレーンをランレングス符号化等の可逆圧縮を
施す方式が考えられる。また１画像モデルを設定し、フ
ルフレーム変換したときのビット割当てテーブルを既知
のものとして、これと、圧縮を行なう画像のビット割当
てテーブルとの誤差を求め、この誤差テーブルを上記の
方式や、以下に示す方式等で圧縮する事も考えられる。

本実施例では、ビット割当てテーブルの高い圧縮を実現
する為に、非可逆圧縮を用いた例について説明する。ま
た、ビット割当てテーブルの表現にはいろいろな方法が
あるが（２次元配列表現もその１つである）、ここでは
Ｑｕａｄ−ｔｒｅｅ表現を用いることとする。

ところで、ビット割当てテーブルの圧縮に復号誤差を許
すということは、Ｂ　（ｕ、ｖ）の値が元の値と異なる
のを許すということである。これにより。

本来与えられたビット数以外の値で符号化されるＦ　（
ｕ、ｖ）が存在してしまう。このＦ（ｕ、ｖ）がもたら
す量子化誤差は、（６）・（７）両式から明らかなよう
に、１ビット違っただけでも最大で２Ｂ（”？　’）Ｄ
をとる。これはＢ　（ｕ、ｖ）が大きい程、大となり。

復号画像に大きな歪を与える結果となる。

この最大量子化誤差をＤのオーダーにおさえ、しかも効
果的な圧縮を得るために、ビット割当てテーブルの作成
をＱｕａｄ　−ｔｒｅｅ表現と同時に行なう方式をとる
。以下にその方式を述べるが、これは先に述べたＦ　（
ｕ、ｖ）の符号化の考え方に基づいている。

第１図のブロック４における処理手順を第３図に示す、
まずブロック３１において復号誤差のパラメータを入力
する。これＲとする。Ｒは先に述べた最大量子化誤差の
パラメータなので、その値はせいぜいＤの数倍とする０
次にブロック３２においてノードの設定を行なう。初期
設定としてＱｕａｄ　−ｔｒｅｅのルートノード（根元
）を、２次元配列された全Ｉ　Ｆ　（ｕ、Ｖ）　ｌのつ
くる領域に設定する。

これをＳとする０次にブロック３３においてＳが分岐ノ
ードか葉ノードかの判定を行なう。この判定は以下の様
になる。

として、次の判定式を与える。

Ｍｌ−２ＫＬＤ＜Ｒ・・・（８） かつ２に”　Ｄ　−Ｍ　２　＜　Ｒ＋　２　Ｄ　　　　
　　　・・・（９）この判定式はＳの定める領域内の全
Ｉ　Ｆ　（ｕ、Ｖ）　Ｉに対し、Ｋ２ビット（サインビ
ットも含む）割当てるかどうかを判定するものである。

即ち、Ｋ２ビットを割当てられるＩ　１”　（ｕ、Ｖ）
　ｌのレンジは、［２に２Ｄ、２にＩ　Ｄ）であるが、
このレンジを［２に”Ｄ−Ｒ−２０，２に２０＋Ｒ）に
拡げ、その中にＳ内の全Ｉ　Ｆ　（ｕ、ｖ）　ｌがおさ
まるかどうかを判定している。ここで、（８）式と（９
）式の右辺の値が異なっているのは、第６図（ａ）の例
からもわかるように、レンジの両端における最大量子化
誤差が等しくなるようにするためである。また、このよ
うにレンジを拡げることによって得られる効果は、例え
ば広い領域のＳに対し、普通のレンジではおさまらなく
て、拡げられたレンジではおさまるようなＩ　Ｆ　（ｕ
、Ｖ）　Ｉが、Ｓの４隅に１つずつ存在した場合を想定
すれば十分であろう。

（８）・（９）両式を満たしたＳは次にブロック３４に
おいて値に２を持つ葉ノードに設定される。そうでなけ
れば、ブロック３５においてＳは４分割されて、各々の
領域について再びブロック３２に戻る。全ノードが葉ノ
ードになったらこの処理は終了し、Ｑｕａｄ　−ｔｒｅ
ｅ表現されたビット割当てテーブルが完成する。

第１図のブロック図では、　Ｑｕａｄ−ｔｒｅｅの符号
化を行なう、これには分岐ノードと葉ノードを識別する
ための１ビツトを付加し、　ｄｅａｐｔｈ−ｆｉｒｓｔ
構造で順序付けして１次元データ列として記述すればよ
い。

以上の例として第４図を挙げる。ここで同図（ａ）は領
域イメージで表現されたピッ１−割当てテーブルで、同
図（ｂ）はＱｕＢｄ　−ｔ、ｒｅａ表現、同・図（ｃ）
は符号化した結果である。各数字は割当てビット数（Ｋ
２）を表わし、Ｅｏは分岐ノード、Ｅｌは葉ノードを表
わす１ビット符号である。

Ｑｕａｄ　−ｔｒｅｅにおける最下位層のノードには分
岐ノードは存在しないので、この符号は省略される。

また、各に２を表わすには一様にＬ１ビット与える。こ
こでＬｌは直交変換の性質から１次式で与えられる。

Ｌ　１　＝　Ｉ　ＮＴ　　（ｌｏｇＬ　＋　１　）　　
　　　　　　　　−（１０）ここでＬは原画像の階調を
表わすのに必要なビット数である。

ブロック６では、ビットテーブルの復号を行なう。復号
の内容を第５図に示す、まずブロック５１において符号
データから１ビット読む１分岐ノードであればブロック
５２においてその位置（Ｑｕａｄ　−ｔｒｅｅの何層口
の左から何番目カリを設定しブロック５１に戻る１葉ノ
ードであれば最下位層かどうか判定し、最下位層でなけ
ればブロック５３においてさらにＬ１ビット読み、その
位置と割当てビット数を設定する。最下位層ならばブロ
ック５４においてブロック５３と同様の動作を４回繰り
返す、ブロック５３・５４を抜けたら全データを読み終
えたかを判定し、残っていればブロック５１に戻る。終
了していればこの時点でＱｕａｄｔｒｅｅの復号が完了
する。これを領域イメージに変換すれば、２次元配列さ
れた（Ｂ　（ｕｓ　ｖ）　）を得る。以上の例として、
第４図を（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に参照されたい。

ブロック７では、コサイン変換値Ｆ　（ｕ、ｖ）の符号
化を行なう、これには前述の（６）式をそのまま使うこ
とが出来る。但し、この時点ではＢ　（ｕ、ｖ）に復号
誤差が生じているので、より正確な式は以下の様になる
。

第６図にＢ　（ｕ、ｖ）＝４として、この符号化の概念
図を与える。同図（ａ）は４ビツト割当てられるような
ＩＦ（ｕ、Ｖ）ｌのレンジと、ＩＦ（ｕ、Ｖ）１とＣ（
ｕ、ｖ）の関係を示した。同図（ｂ）は符号化された一
次元データ列のイメージである。ここでＳｏは正、Ｓｌ
は負を表わす１ビット符号（サインビット）である。

以上で、画像データは、コサイン変換され、変換成分の
符号化データ列と、全成分のビット割当てテーブルの符
号化データ列となり、第１図ブロツク８においてこれら
のデータを出力し、圧縮を終了する。

符号化データから復号画像を得る手順を第７図のフロー
チャートに示す。ブロック７１では符号化データを入力
し、ブロック７２ではビットテーブルを復号する。ブロ
ック７３では変換成分を復号する。ここではサインビッ
トから正負を判定し。

変換成分の絶対値は前述の（７）式から得る。ブロック
７４ではフルフレームの逆直交換を施す。逆コサイン変
換は次式で与えられる。

ｔａ＠　ｎ＝＝１＊−ｔＮ　　　　　　　　　　”・（
１２）り７５において出力される。

第８図は本発明の基づく符号化装置のブロック構成図で
ある。画像入力袋ｈゞｆ８１から入力された２次元配列
の輝度値を持つ画像データは、コサイン変換器８２で直
交変換をかけられ、バッファ８３に一旦格納される。ビ
ット割当てテーブル符号化器８４では第４図の手順で符
号化を行なう。

出力光は２つあり、１つは通信路あるいは蓄積手段８８
で、もう１つはビット割当てテーブル復号器８５である
。バッファ８６には復号した２次元配列のピッチ割当て
テーブルが格納される。量子化器８７では第６図の要領
で変換成分の符号化データが作成され１通信路あるいは
蓄積手段８８に出力される。復号にあたっては、まずビ
ット割当てテーブルを復号器８９で復号し、バッファ９
０に格納する。変換成分は逆量子化器９１を通して得ら
れ、バッファ９２に格納される。逆コサイン変換器９３
によって復号画像の輝度値が得られ、画像出力装置９４
に出力される。

〔発明の効果〕

本発明による圧縮効果を定量的に表わす。

画像サイズがＮＸＮ画素で、各画素がＬピット階調であ
る場合、フルフレーム変換と変換成分へのビット割当て
によって、１画素当りＣ（＜Ｌ）ビットで表現されたと
する。このときの圧縮率は。

Ｃ／Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（ｉ）で
ある、ところが、ここに付加情報としてビット割当てテ
ーブルが必要となる。これは前述したように１画素当り
ｌｏｇｚＬ＋１ビットであり、結局全体の圧縮率は、 （Ｃ＋ｌｏｇｚＬ＋１）／Ｌ　　　　　　・・・（ｉｔ
）となる０本発明によれば、この付加情報を圧縮する。

圧縮率を１／にとすれば、全体の圧縮率は、（Ｃ＋　（
ｌ　ｏｇｚＬ＋１）／Ｋ）／Ｌ　　・・’（ｉｎ）とな
る。具体的には、Ｌ＝８．Ｃ＝０．５　　とすると一般
にに＝２０が可能となり、（…）で４５７８０であった
ものが、（ｉｉｉ）の本発明により７７８０を達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のフローチャート、第２図は
コサイン変換値の一様量子化器の一例を示す図、第３図
はＱｕａｄ　−ｔｒｅｅ表現のビット割当てテーブル作
成手順を示すフローチャート、第４図はビット割当てテ
ーブルの表現と符号化の一例を示す図、第５図はビット
割当てテーブルの復号±順を示すフローチャート、第６
図はコサイン変換値の量子化器の一例と符号化の一例を
示す図、第７図は復号画像を求める手順を示すフローチ
ャート、第８図は本発明による符号化装置のブロック昇
１図 ／〜２　処理内球 芽２図 芽　３囚 ４〜−３３々工！内ネ ｄＡｒ４匁壜内港

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変換符号化を用いた画像データ圧縮方式において、
   直交変換を画像全体に対し一度に行い、該変換成分の量
   子化において各変換成分に可変ビット数を割当て、割当
   てたビット数をデータ圧縮することを特徴とする画像デ
   ータ圧縮方式。 ２、上記データ圧縮する処理は圧縮すべきデータを木構
   造に表現する処理からなる第１項画像データ圧縮方式。