JPH06502285A - ディジタル画像伝送におけるデータ圧縮のための適応形量子化方法 - 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】 ディジタル画像伝送におけるデータ圧縮のための適応形量子化方法 ディジタル画像または画像列を伝送するためにデータを低減する際に一般的に行 われている手法は、画像領域をより小さな領域に、いわゆるブロック（第２図） に分割することである。これらのブロックは代表的には８・８個または１６・１ ６個のビクセル（＠素）の大きさである（第３図）。画像符号化のためにブロッ クを用いたこの種の方法はいわゆる変換法であって、これらの変換法のうち最も 頻繁に利用される代表的なものは、いわゆる離散コサイン変換（Ｄ、Ｃ，Ｔ、） である。第１ａ図ないし第１ｂ図には、個別画像または画像列のためのこの形式 の符号化法のための信号の流れ図が示されている。

符号化の目的はデータの低減にあり、多くの事例ではこのデータ低減によりはじ めて、画像または画像列のディジタル伝送が可能になる。この場合、公知の方式 は、画像信号の統計的特性をデータ低減に利用したいわゆる冗長性低減である。

冗長性低減だけを単独で利用した場合には、符号化されたデータから画像情報を 完璧に再現可能である。しかし冗長性低減を用いただけでは通常、係数２〜３分 の１だけしかデータを圧縮できない。しかし画像および画像列の符号化のほとん どの適用事例においては、これよりも高い圧縮率が必要とされ、例えば高解像度 テレビジョン（高品位テレビジョン、ＨＤＴＶ）の場合には、少なくとも圧縮率 ７が必要とされる。この種の圧縮座や、例えば画像電話の場合のようにさらに高 い圧縮率を得るためには、非関連性低減（相関性以外の観点からのデータ圧縮） も用いなければならない。ところがこの場合には、元の信号情報が部分的に失わ れてしまい、画像伝送エラーが発生する。しかしながらこのような画像エラーを 見る側にはわからないようにしたり、あるいはできるかぎり僅かにしか障害を及 ぼさないようにする努力がなされている。

変換符号化においては一般的に、１つの画像ブロックの変換領域における信号値 に対して冗長性低減と非関連性低減とがいっしょに用いられている。

（Ａ、Ｎ、Ｎｅｔｒａｙａｌｉ、Ｗ、Ｇ、Ｉ（ａｓｋｅｌｌ：Ｄｉｇｉｔａｌ　 Ｐｉｃｔｕｒｅｓ。

ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ″、　Ｐｌｅ ｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ。

Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９８８） ＤＣＴの場合には、これはいわゆるＤＣＴ係数である。非関連性低減における代 表的な手順は、一方ではＤＣＴ係数のサブセット全体を単に削除することであり 、他方では残った重要な係数をいっそう粗く量子化することである。つまりそれ らの係数は、本来それらに対応づけられていたよりも粗い値のパターンで表ざれ る、パターン値は、そのｒａｍさに関する尺度数Ｑで特徴づけることができる。

Ｑが大きくなるにつれてパターンも粗くなる。いわゆる線形量子化の場合には、 この尺度数はそのまま量子化ステップ幅となり、つまり２．つの隣り合うパター ン値の間の１単位の間隔である。ＤＣＴ係数の量子化の種々異なる形式が知られ ている。いくつかの方法の場合、宿々の係数はそれぞれ異なる細かさで量子化さ れる。この場合、種々異なる細かさは、係数の視覚的重要度に関する推定から導 出される。この種の方法は例えば、Ｄ、ＭｃＬａｒｅｎ、　Ｄ、Ｔ。

Ｎｇｕｙｅｎ　： ”Ｖｉｄｅｏ　Ｂｉｔｒａｔｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｐｓｙ ｃｈｏｖｉｓｕａｌｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ”　Ｐｒｏｃ、１９９０　Ｖｉｄｅｏ 　ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＷｏｒｋｓｈｏｐ、　Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ、９ ．−１１．７．１９９０　に記載されている。別の方法において、例えばＷ、Ｔ ｅｎｇｌｅｒ、　Ｗ、Ｊａｓｓ　：”Ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏｇ ｒｅｓｓｉｖｅ　ＨＤＴＶ−ＣｏｄＩｎｇ、ａＣｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｆｏｒ　 １４０　ｖｂｉｔ／ｓ−Ｔｒａｎｓｍｌｓｓｉｏｎ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　 １９９（ｌ　Ａｕ５ｔｒ、　ＶＩｄｅｏ　Ｃｏｍｍｕｒ＋１ｃａｔｉｏｎＷｏｒ ｋｓｈｏｐ　Ｍｅｌｂｏｕｒｒ＋ｅ、　９．−１１．７．１９９０　に記載され ているように、すべての係数が同じ細かさで量子化される。

量子化の種々異なる形式により、種々異なる形式の画像エラーが生じる。しかし ＤＣＴのような変換の場合には用いる量子化方式とは無関係に、この画像エラー は通常、画像領域内のそれぞれ１つのブロック全体にわたって分布している。こ のようなエラーがよった特表千６−５０２２８５　（３） く見えないか、あるいは多かれ少なかれ視覚的に障害を及ぼすかは、一方では元 の画像内容に依存し、他方では１つのブロックにおけるエラーの平均振幅に依存 する。この平均エラー振幅は、１つのブロックに対する前述の量子化パラメータ と直接的に関連している。

Ｑを太き（設定すればするほど、１つのブロックの符号化に必要なデータレート も大きくなるが、一般的に前記の平均エラー振幅も大きくなる。

ところで個別画像および画像列符号化の進歩的な方法においては、生じたデータ レートに対する所定の限界を守らせる際に、画像エラーが視覚的にできるかぎり 僅かにしか障害を及ぼさないように、量子化パラメータＱがブロックごとに画像 内容に整合（適応化）される、この場合、１つのブロックにおける画像内容が分 析され１分析結果に依存して量子化パラメータＱが設定調整される。この分析は 、ビクセルブロックにおいて、つまり複数個の画素から成るブロックにおいて行 なわれるか、またはＤＣＴ係数から成るブロックにおいて行なわれる。複数個の 画素から成るブロックを分析する分析手法は、例えばＭｃＬａｒｅｎ　（Ｍａｃ ｌａｒｅｎ　１９９０）　およびＴｅｎｇｌｅｒ　（Ｔｅｎｇｌｅｒ　１９９０ ）の刊行物に記載されている。しかしこれらの刊行物には、そこに記載された適 応形量子化方法において生じ得る欠点については言及されていない０本発明によ る方法によりそれらの欠点が改善される。

次に、本発明を説明するにあたりそこにおいて採用されている用語内容や記述の 仕方について参照できるように、ＭｃＬａｒｅｎや％ｅｔｒａｖａｌｉ　の刊行 物に記載された分析手法の一般的な手順について簡単に説明する。

すでに知られている分析手法の場合、まず最初に１つのブロック内のすべてのビ クセルの画像信号値から、いわゆるアクティビティ量を算出する。このアクティ ビティ量の大きさは、考察するブロックのすべての画素の画像信号値の平均振幅 変動の強さに正比例している。　ＴｅｎｇｌｅｒおよびＪａｓｚの論文の場合１ 例えばアクティビティ量Ａとして局所的なｍｆｓ信号ｇＩｉ差の絶対値の和が用 いられる（Ｉ！３図）。

Ａ＝Σ　Σ　（ｌｙ　（ｍ、ｎ＋１）−ｙ　（ｍ、ｎ）ｌ＋１７　（ｍ＋　ｌ、 ｎ）−ｙ　（ｍ、ｎ）ｌ）＜１） この場合ｙ　（ｍ、ｎ）は、指標ｍ、ｎを有するビクセルの画像信号値であり、 ｍはブロック内の行指擦、ｎはブロック内の列指擦であり、さらにＭ、Ｎは例え ば８または１６であるプロ″ツクの辺の長さである。

二のようにして算出されたアクティビティ量の関数として、準備的パラメータＰ が、例えば表から得らｎｌつのブロックに対して実際に用いられる量子化パラメ ータＱは最終的にＰから、スケーリング係数ＦＱとの乗算により得られる。

Ｑ＝Ｆ、・Ｐ　（２’） Ｆ、は、レート制約条件を守る制御のためにデータバッファの占有状態から導出 される係数である（第１ｂ図）。関数Ｑｏ　（Ａ）の実例は、例えば１９９０年 のＷ。

Ｔｅｒ＋ｇｌｅｒの刊行物ならびにＮ４図に図示されている。

生じたデータレートの大きさに対する副次的条件が過度に厳しくない場合には、 Ｗ、Ｔｅｎｇｌｅｒの論文中に記載されている適応形量子化手法によりすでに、 良好な画像品質が得られる。しかしそれにもかかわらず所定の画像内容において は、量子化により生じた画像エラーが可視的になる場合がある。このような画像 内容とは、代表的には次のような特徴を有するものである。

すなわち、１つのブロックに、アクティビティの著しく大きな領域が、つまりコ ントラストの高い精細なディテールが含まれ、かつアクティビティの著しく僅か な領域も、つまり僅かにしか変化しない画像内容も含まれている可能性のあるこ とを特徴とする画像内容である。

しかし上記の量子化パラメータの調整は、１つのブロック内のアクティビティが 相対的に同じ形状で分布しているという仮定のもとで、必要とされるデータレー トを考慮し、かつ画像エラーを回避する目的で最適化されている。アクティビテ ィが大きくなるζ：っれて画像エラーは大きくなってもよく、これは障害を及ぼ して可視的になることはない、つまりデータレートを低減するために量子化パラ メータをいっそう大きく設定調整してもよい。しかしここで想定した形式の、デ ィジタル画像または画像列の符号化法の場合、量子化による画像エラーは一般的 に、１つのブロックにわたって均一に分布している。したがってブロック全体に 対して設定調整された量子化パラメータによって、アクティビティプの著しく大 きなブロックの一部分においては障害を及ぼして可視的になることはないにして も、アクティビティの著しく僅かなブロックの一部分においては障害を及ぼして 可視的になる画像エラーが生じてしまう。

したがって本発明の課題は、上述の公知の方法による欠点を回避することにある 。この課題を解決するために、請求項１記載の特徴を有する、ディジタル画像ま たは画像列の伝送におけるデータ低減のための適応形量子化方法が提供される。

本発明によれば、量子化パラメータＱをめるために、画像領域内の１つのブロッ ク自体がさらにＬ個のいっそう小さな部分領域Ｅ　（１）に分割される（第５図 ）、これらの部分領域は、番号１：＝１．、、、Ｌで示されている。前述のよう にして１つのブロック全体に対して行なっていたように、各部分領域Ｅ（１）に 対して、水平方向と垂直方向で隣り合うビクセル間の絶対的かつ局所的なビクセ ル値偏差の和として、アクティビティ量Ａ（＋）が算出される：Ａ＝Σ　（ｌｙ 　（ｍ、ｎ＋１）−Ｙ　（ｍ、ｎ）ｌ＋ｌｙ　（ｍ＋ｌ、ｎ）−ｙ　（ｍ、ｎ） ｌ）この差分演算のためには、部分領域周縁部においてビクセル（＋画素）が必 要とされる。これらのビクセルは、部分領域外に位置しており、例えばブロック 周縁部自体に位置している。各部分領域Ｅ　（＋）に対してアクティビティ量Ａ （１）から、部分領域１におけるアクティビティに特徴的なパラメータが算出さ れる。

このブロックのすべての部分領域に関して総和をめることにより、部分領域ｌに 特徴的なパラメータＰ（１）から、このブロック全体に対する準備的パラメータ Ｐが算出される。１つのブロックに実際に用いられる量子化パラメータＱは、最 終的にＰからスケーリングにより得られる。

このようにして算出された量子化パラメータＱは実際に、種々異なるアクティブ な画像成分を有する前述のクリティカルな状況において、いっそう良好に適合化 された量子化を行なわせる特性を有する。このことが意味するのは、本発明によ る方法を用いることによリクリティカルな画像内容を有するブロックにおいて、 通常、前述の公知の方法よりも著しく細かな量子化が一設定される二とである。

本発明による方法によってもデータレートと画像エラーの間の局所的な関係が劣 化されないということは、次のようにして説明できる。すなわち１局所的なデー タレートと局所的な画像エラーに対して最適化された関数００は、ブロック全体 に対してではなく、いっそう小さな部分領域に対して用いられ、しかも有利な実 施形態においては、個々のビクセルならびにそれに隣り合うビクセルに対して用 いられる。したがって本発明による量子化パラメータの算出は、データレートお よび画像エラーに関する作用において、単に１つのブロック領域に関する平均化 としてとらえることができる。

本発明による方法の利点は、その規則性にある。これは僅かな回数の簡単なＪｌ ｉ［の繰り返しにより構成されている。このことに付随する簡単な制御構成ゆえ に、集積回路を用いて実現するのに極めて良好に適している０例えば、部分領域 に対応づけられた演算を同時に平行して実施できる。

本発明による方法の別の利点は次の点にある。すなわちこの方法を、例えばＬ　 Ｔｅｒ＋ｇｌｅｒの論文に記載されている；うな既存の符号化手法に、所要の変 更によっても方法全体を実買的に複雑にすることな（、容易に導入できる。例え ば、Ｗ、　Ｔｅｎｇｌｅｒの論文中に記載された方法においてブロックに関連づ けられた、式（１）に定義されているような絶対的かつ局所的な偏差の和Ａを、 適応形量子化に対するアクティビティ量として用いるだけでなく、符号化手法の 種々異なるモード間の切換基準としても用いる。この場合、算出された複数個の パラメータＡのうちの１つを、上記の切換基準に用いるだけでなく、適応形量子 化のためのアクティビティ量としても同時に用いる。したがって上記のパラメー タを付加的にめる必要はない。

請求項２以下には本発明の実施形態が示されている。

第１ａ図は、適応形量子化による変換符号化法の信号の流れを示す図であり、こ の場合、量子化パラメータは画像ブロック分析により得られる。

第１ｂ図は、ブロックごとの変換を含む画像符号化のための差分パルス符号変調 法の信号の流れを示す図である。

第２図は、１つの画像を複数個のブロックに分割する様子を示す図である。

第３図は、複数個の画素（ｅｐ）から１つのブロックが構成されている様子を示 す図であり、矢印によって隣り合う画素間における差分演算が示されている。

第４図は、関数Ｑ０の代表的な特性経過をアクティビティ量Ａの関数として示す 図である。

第５図は、１つの画像ブロックをいっそう小さい部分備ｍＥ［ｌ）に分割する様 子を示す図である。

第６図は、１つの画像ブロックを、個々の画素およびそれらの最も近い隣接画素 から成るいっそう小さい部分領域Ｅ　（１）へ分割する様子を示す図である。

次に、有利な実施例および図面を参照して本発明を説明する。

画像または画像列のエレメントを伝送するために、伝送すべきディジタル画像は まずはじめに複数個のブロック（第２図）に分割される。第３図に示されている ように、各ブロックは複数個の画素ｅｐ（ビクセル）から成る。この方法を実施 するために、各ブロックはいっそう小さな部分領域Ｅ　（１）に分割される。こ こにおいて１・＝１．、、、、Ｌである。この場合、各部分領域Ｅ（１）は通常 、複数個の隣り合う′＃ｉ素を囲んでいる（Ｉ！５図）１本発明の有利な実施形 態の場合、各部分子ＩＩ域Ｅ　（＋）は１つの画素と、この画素ｌ二直接隣り合 う次の行ないし次の列の両方の画素により構成されている（第６図）、。

第７図には、二の方法の信号の流れ図が示されている。まずはじめに各ブロック のすべての部分領域Ｅ（１）に対して、式（３）で定義されたアクティビティ量 Ａを算出する。このアクティビティ量Ａ（１）はいずれの部分領域Ｅ（１）に対 しも、部分領域Ｅ（１）におけるすべての画素の画像信号差の絶対値の和である 。この定義ゆえに、該当する部分領域Ｅ（１）内の画像信号が均質であれば、上 記のアクティビティ量は０である。これに対して、ある部分領域Ｅ　（＋）内に おける画像信号値が著しく変化すれば、この部分領域に対するアクティビティ量 Ａ（１）は０がら著しく異なるものになり、この部分領域Ｅ（１）内の画像信号 値の変化が大きくなるにつれて、アクティビティ量も大きくなる。次に、各部分 領域Ｅ（１）に対して、その領域に対して算出されたアクティビティ量Ａ（１） を用いてパラメータＰ　（１）を算出する。このパラメータはアクティビティ量 Ａ（１）の関数Ｑ０である。

この関係は、式（１）にも示されている。有利にはこの間数Ｑ０は、アクティビ ティ量の可能な多値を所属のパラメータに対応づける表によって実現される。

関数Ｑ０は、適切に選定され有利には単調に上昇する、アクティビティ量Ａの凸 関数であり、この関数は有利には、アクティビティＡの値が大きくなるにつれこ の関数の上昇が僅かになるように選定される。ｊ！４図にはアクティビティ量Ａ の関数として、この間数Ｑ。の代表的な経過特性が示されている。関数Ｑ０の最 適な選定は、伝送すべき画像内容の特性と、伝送特性および画像品質を考慮した この方法の利用者の優先選択性とに依存する。関数Ｑ。の経過特性の可能な有利 な選定ニツイテは、例えば１９９０年のＷ、　Ｔｅｎｇｌｅｒの刊行物に示され ている。

この方法の次のステップにおいて、すべての部分領域Ｅ（１）のパラメータＰ　 （１）の和をめることにより、隣り合うブロックのアクティビティに特徴的なパ ラメータＰが得られる。そしてこのパラメータＰから各ブロックに対して直接、 所属の量子化パラメータにより得られる。

したがってパラメータＱは公知の方法と全（同じようにパラメータＰから算出さ れるが、パラメータＰを算出する際にＬ個の部分領域に関する和をめることから 、このスケーリングにおいてして除算する必要がある。このことは式（４）中で 考慮されている。

ここで述べた方法の著しい利点とは、この方法を用いることにより従来技術にお いて慣用の方式で、複数個の画像ブロックの分析により各画像ブロックに対して 量子化パラメータがめられることである。この理由から、分析手法のインターフ ェースは他の符号化方式に対しても変えられない。したがってこの方法は、何の 問題もな（公知の符号化方式（第１ａ図、第１ｂ図）と関連させて利用できる。

他方、ここで述べた方法を用いることにより、画像ブロックの画像内容を、従来 技術で公知の方法の場合よりも著しく詳細に分析できる。したがってここで述べ た方法によりめられた量子化パラメータＱは、公知の方法よりもいっそう良好に 、１つの画像プロ、ツク内の画像信号の実際のアクティビティに整合対応する。

つまり本発明による方法により、各画像ブロックをそれに適したデータレートで 伝送できる。そしてこのことは例えば、伝送すべき画像ブロックが著しくアクテ ィブな画像領域と著しく非アクティブな画像領域から成る場合にも当てはまる。

ＦＩＧ　ｌｂ １　２　３　４−−−→ｎ Ｏアクティビティ量Ａ 国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．ディジタル面像伝送におけるデータ圧縮のための適応形量子化方法において 、 ａ）伝送すべき画像領域を複数個のブロックに分割するステップと、 ｂ）各ブロックを１＝１，．．．，しである部分領域Ｅ（１）に分節するステッ プと、 ｃ）各部分領域Ｅ（１）に対してアクティビティ量Ａ（１）を求めるステップと 、 ｄ）各部分領域Ｅ（１）に対して前記アクティビティ量Ａ（１）から関数Ｑｏを 用いて式 Ｐ（１）＝Ｑ。（Ａ（１）） によりパラメータＰ（１）を求めるステップと、ｅ）各ブロックのすべの部分領 域Ｅ（１）にわたり和を求めることにより、各ブロックを特徴づけるパラメータ Ｐ＝ΣＰ（１） を算出するステップと、 ｆ）各ブロックに対して前記パラメータＰからスケーリング係数Ｆｏを用いて量 子化パラメータＱ＝Ｆｏ／Ｌ・Ｐ を算出するステップと、 ｇ）伝送すべき画像領域をブロックごとに変換し、ここにおいて各ブロックに対 しそれぞれのブロックに属する量子化パラメータＱの値に依存して量子化される 変換係鋏を求めるステップとを有することを特徴とする、 ディジタル画像伝送におけるデータ圧縮のための適応形量子化方法。
2. ２．前記アクティビティ量は式 Ａ＝Σ（ｌｙ（ｍ，ｎ＋１）−ｙ（ｍ，ｎ）Ｉ＋Ｉｙ（ｍ＋１，ｎ）−ｙ（ｍ， ｎ）Ｉ）により得られ、ここにおいてｍないしｎは、１つの画像ブロックの１つ の部分領域内における画素の指標を表わし、ｙは画像信号を表す、請求項１記載 の方法。
3. ３．伝送すべき画像領域を変換するために離散コサイン変換を用いる、請求項１ または２記載の方法。
4. ４．ブロックの部分領域はそれぞれ、１つの画素と、次の行ないし次の列の、該 画素に最も近い隣り合う画素とから成る、請求項１〜３のいずれか１項記載の方 法。