JPH0681307B2 - 画像デ−タの直交変換符号化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明はデータ圧縮を目的とした画像データの符号化方
法、特に詳細には直交変換を利用した画像データの符号
化方法に関するものである。

（発明の技術的背景および先行技術） 例えばTV信号等、中間調画像を担持する画像信号は膨大
な情報量を有しているので、その伝送には広帯域の伝送
路が必要である。そこで従来より、このような画像信号
は冗長性が大きいことに着目し、この冗長性を抑圧する
ことによって画像データを圧縮する試みが種々なされて
いる。また最近では、例えば光ディスクや磁気ディスク
等に中間調画像を記録すること広く行なわれており、こ
の場合には記録媒体に効率良く画像信号を記録すること
を目的として画像データ圧縮が広く適用されている。

このような画像データ圧縮方法の一つとして、画像デー
タの直交変換を利用するものがよく知られている。この
方法は、ディジタルの２次元画像データを適当な標本数
ずつのブロックに分け、このブロック毎に標本値からな
る数値列を直交変換し、この変換により特定の成分にエ
ネルギーが集中するので、エネルギーの大きな成分は長
い符号長を割当てて符号化（量子化）し、他方低エネル
ギーの成分は短い符号長で粗く符号化することにより、
各ブロック当りの符号数を低減させるものである。上記
直交変換としては、フーリエ（Fourier）変換、コサイ
ン（Cosine）変換、アダマール（Hadamard）変換、カル
ーネンレーベ（Karhunen−Loeve）変換、ハール（Haa
r）変換等がよく用いられるが、ここでアダマール変換
を例にとって上記方法をさらに詳しく説明する。まず第
２図に示すように、ディジタルの２次元画像データを所
定の１次元方向に２個ずつ区切って上記ブロックを形成
するものとする。このブロックにおける２つの標本値ｘ
（０）とｘ（１）とを直交座標系で示すと、前述のよう
にそれらは相関性が高いので、第３図に示すようにｘ
（１）＝ｘ（０）なる直線の近傍に多く分布することに
なる。そこでこの直交座標系を第３図図示のように45°
変換して、新しいｙ（０）−ｙ（１）座標系を定める。
この座標系においてｙ（０）は変換前の原画像データの
低周波成分を示すものとなり、該ｙ（０）は、ｘ
（０）、ｘ（１）よりもやや大きい値 をとるが、その一方原画像データの高周波成分を示すｙ
（１）はｙ（０）軸に近い非常に狭い範囲にしか分布し
ないことになる。そこで例えば上記ｘ（０）、ｘ（１）
の符号化にそれぞれ７ビットの符号長を必要としていた
とすると、ｙ（０）については７ビットあるいは８ビッ
ト程度必要となるが、その一方ｙ（１）は例えば４ビッ
ト程度の符号長で符号化できることになり、結局１ブロ
ック当りの符号長が低減され、画像データ圧縮が実現さ
れる。

以上、２つの画像データ毎に１ブロックを構成する２次
の直交変換について説明したが、この次数を上げるにし
たがって特定の成分にエネルギーが集中する傾向が強く
なり、ビット数低減の効果を高めることができる。一般
的には、直交関数行列を用いることによって上記の変換
を行なうことができ、極限的には上記直交関数行列とし
て対象画像の固有関数を選べば、変換画像はその固有値
行列となり、行列の対角成分のみで元の画像を表現でき
ることになる。また上記の例は画像データを１次元方向
のみにまとめてブロック化しているが、このブロックは
２次元方向に亘るいくつかの画像データで構成してもよ
く、その場合には１次元直交変換の場合よりもより顕著
なビット数低減効果が得られる。

上述の２次元直交変換で得られた変換データは、各ブロ
ック内で変換に利用された直交関数のシーケンシー（０
を横切る数）順に並べられる。このシーケンシーは空間
周波数と対応が有るので、各変換データは第４図に示す
ように縦横方向に周波数順に並ぶことになる。そこで低
周波成分を担う変換データ（第４図の左上方側のデー
タ）には比較的長い符号長を割当て（前述の１次元２次
直交変換においてｙ（０）に長い符号長を割当てたこと
と対応する）、高周波成分を担う変換データ（第４図の
右下方側のデータ）には比較的短い符号長を割当てる
か、あるいは切り捨てることにより、ブロック当りの符
号長が低減される。

ところで従来より、上記符号長の割当ては予め定められ
たパターンに従ってなされているが、あるシーケンシー
の変換データを示すのに必要な符号長は画像毎、ブロッ
ク毎に異なるので、予め定められて割当てられた符号長
では足りなくて変換データを正確に表わせない、という
事態が生じることもある。その場合は割当て符号長で表
わせる最大値あるいは最小値を符号化データとすること
になるが、そうすると当然ながら、復号、逆変換によっ
て得られる再生画像の画質が劣化することになる。この
ような符号長不足を招かないためには、予め定める割当
て符号長をそれぞれ十分に長くしておけばよいが、そう
すると画像データを十分に圧縮できなくなる。

（発明の目的） そこで本発明は、データ圧縮率を十分に高めることが可
能で、しかもその一方前述のような符号長不足による再
生画像の画質劣化を最少限に抑えうる、画像データの直
交変換符号化方法を提供することを目的とするものであ
る。

（発明の構成） 本発明の画像データの直交変換符号化方法は、前述のよ
うにブロック毎の画像データに直交変換をかけて変換デ
ータを得、これらの変換データをそれぞれ固有の符号長
で符号化する画像データの直交変換符号化方法におい
て、 各ブロックから同一のシーケンシーに関する変換データ
を抽出して、該変換データの絶対値の平均値をシーケン
シー毎に求め、 各シーケンシーの変換データに対する符号長を、それぞ
れ上記平均値に基づいて決定するようにしたことを特徴
とするものである。

（実施態様） 以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明を詳細に説
明する。

第１図は本発明の画像データの直交変換符号化方法を実
施する装置を概略的に示すものである。中間調画像を示
す画像データ（原画像データ）ｘは、まず前処理回路10
に通され、雑音除去のための平滑化等、データ圧縮効率
を上げるための前処理を受ける。この前処理を受けた画
像データｘは直交変換回路11に通され、まず２次元直交
変換を受ける。この２次元直交変換は例えば第５図に示
すように、上記画像データｘが示す中間調画像Ｆ内の標
本数（画素数）MXNの矩形ブロックＢ毎に行なわれる。
なおこの直交変換としては、例えば前述のアダマール変
換が用いられる。このアダマール変換は、その変換マト
リクスが＋１と−１のみからなるので、他の直交変換に
比べればより簡単な変換回路によって実行されうる。ま
た周知の通り２次元直交変換は１次元直交変換に縮退す
ることができる。つまり上記２次元のブロックＢ内のMX
N画素に関する画像データに対して縦方向に１次元直交
変換をかけ、さらに、得られたMXNの変換データに対し
て横方向に１次元直交変換をかけることによって２次元
直交変換が行なわれる。なお、縦方向、横方向の変換の
順序は逆であってもよい。

上記の２次元直交変換によって得られた変換データｙ
は、第４図に示すように各ブロック内Ｂで、上記直交変
換の基になった関数（例えばアダマール変換にあっては
Walsh関数、フーリエ変換にあっては三角関数等）のシ
ーケンシー順に縦横方向に並べられる。前述のようにこ
のシーケンシーは空間周波数と対応しているので、変換
データｙは上記ブロックＢ内で、縦横方向に空間周波数
順に（つまり画像のディテール成分の粗密の順に）並べ
られることになる。なおこの第４図では、最上行左端列
の変換データｙ（1,1）がシーケンシー０（ゼロ）に対
応するものであり、周知のようにこの変換データｙ（1,
1）はブロックＢ内の平均画像濃度を示すものとなる。

このように並べられた変換データｙは第１図図示のよう
に符号化回路12に送られ、符号化される。この符号化回
路12は、後述のようにして作成される割当てビット配分
表に従った符号長（ビット数）で、ブロックＢ内の各変
換データｙを符号化する。上記ビット配分表は例えば第
６図に示すように、前記シーケンシー毎に固有のビット
数を割当てたものであり、前述のように変換データｙは
低周波成分にエネルギーが集中しているから、このエネ
ルギーが高い低周波成分には比較的長い符号長を与え、
一方エネルギーが低い高周波成分には比較的短い符号長
を与えることにより、ブロックＢ当りの必要なビット数
が低減され、画像データ圧縮が達成される。

ここで上記のビット配分表において、各変換データｙに
対する割当てビット数が短いと、前述のように再生画像
の画質が損われるし、反対に割当てビット数が長過ぎる
と十分なデータ圧縮効果が得られない。以下、このよう
な不具合を解消する、本発明方法の特徴部分について説
明する。符号化回路12は、すべてのブロックＢから、シ
ーケンシー同一の変換データｙどうしを抽出する（第７
図に、シーケンシー０の変換データｙを抽出する様子を
示す）。このデータ抽出は、すべてのシーケンシーにつ
いて行なわれる。そして該符号化回路12は、抽出した変
換データｙの絶対値の平均値ｍを求め、該絶対値の平均
値ｍに基づいて前記符号長（ビット数）を求め、このビ
ット数を当該シーケンシーに関する符号長とする。つま
り、各ブロックＢから抽出されたシーケンシーｎの変換
データｙの平均値mnに基づいて求めた符号長を、シーケ
ンシーｎに関する符号長とする（なおmnの値は、画像毎
に求めてもよいし、予め定められたいくつかの標準画像
から求めてもよい）。このように絶対値の平均値ｍに基
づくビット数Dbは例えば、 Db＝［log₂（2m＋１）］ （ただし小数点以下は四捨五入） として求められる。同一シーケンシーの変換データｙ
は、互いに近似した値をとるものが多いので、それらの
分布は概略第８図に示すようなものとなる。なおこの第
８図中σは標準偏差であり、上記絶対値の平均値ｍは経
験的にこの標準偏差σに近い値をとる。したがって、こ
の平均値ｍの２倍の値（上記式では、ｍの値が0.5未満
の場合Db値がマイナスとなるので、それを防ぐため2mに
１を加えてある）に対して不足の無い符号長は、シーケ
ンシーｎの変換データｙの大部分に対して十分な長さの
ものとなる。以上の操作をすべてのシーケンシーに関し
て行なうことにより、前記第６図に示すようなビット配
分表が得られる。

なおシーケンシーｎの変換データｙのうち特に値が大き
いもの、小さいものは、上記のビット数Dbでは正確に符
号化され得ないことになるが、符号化の際にクリップし
た変換データｙに対しては適宜符号長を所定長拡張する
等して、この不具合を解消することもできる。

なお特にこのような符号長拡張を行なわない場合にあっ
ては、重要な画像情報を含む低周波域の変換データｙが
クリップして符号化されることは避けたいので、シーケ
ンシーが所定値以下の変換データｙについては上記方法
で符号長を決定せず、予め決められた十分に余裕の有る
符号長で符号化するようにしてもよい。

以上のようにして定められたビット配分表に従って符号
化された画像データｆ（ｙ）は、第１図図示のように記
録再生装置13において例えば光ディスクや磁気ディスク
等の記録媒体（画像ファイル）に記録される。上記の通
りこの画像データｆ（ｙ）は原画像データｘに対して大
幅な圧縮がなされているから、光ディスク等の記録媒体
には、大量の画像が記録されうるようになる。画像再生
に際してこの画像データｆ（ｙ）は記録媒体から読み出
され、復号回路14において前記変換データｙに復号され
る。こうして復号された変換データｙは逆変換回路15に
送られて、前記２次元直交変換との逆変換を受ける。そ
れにより原画像データｘが復元され、この原画像データ
ｘが画像再生装置16に送られ、該データｘが担持する画
像が再生される。

なお周知の通り、低空間周波数に対応するシーケンシー
（第６図の左上方のシーケンシー）の変換データｙ、特
にシーケンシー０（ゼロ）の変換データｙ（1,1）は原
画像を再生する上で特に重要なものであるから、これら
の変換データｙが符号化の際にクリップすることは極力
回避したい。そこで、上記のように変換データｙに対す
る符号長を該データｙの絶対値の平均値に基づいて決定
する処理は、所定値以上の空間周波数に対応するシーケ
ンシーに関してのみ行ない、上記所定値未満の低空間周
波数に対応するシーケンシーに関しては、変換データｙ
に対する符号長を、各シーケンシーでとりうる該データ
ｙの最大値を表わすのに必要な長さに設定するようにし
てもよい。なお各シーケンシーでとりうる変換データｙ
の最大値は、実験的、経験的に求めることもできるし、
画素値のダイナミックレンジとブロックの大きさから求
めることもできる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の画像データの直交変換
符号化方法においては直交変換データを符号化する際
に、各データに関する符号長を、不要に長過ぎずその一
方大きく不足するようなことのない、最適な長さに設定
することが可能となっている。したがって本発明方法に
よれば、復号、逆変換して得られた再生画像の画質が符
号長不足のために劣化してしまうことを防止した上で、
符号化データの量を極限まで少なくして、データ圧縮率
を大いに高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施態様方法を実施する装置の概略
構成を示すブロック図、 第２図および第３図は本発明に係る直交変換を説明する
説明図、 第４、５、６、７および８図は、本発明方法を説明する
説明図である。 11…直交変換回路、12…符号化回路 Ｂ…画像データのブロック、ｘ…原画像データ ｙ…変換データ ｆ（ｙ）…符号化された画像データ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２次元画像データに対して、所定の直交関
   数に基づいてブロック毎に直交変換をかけた後、 この変換を受け前記ブロック内で前記直交関数のシーケ
   ンシー順に並べられた変換データをそれぞれ固有の符号
   長で符号化する画像データの直交変換符号化方法におい
   て、 各ブロックから同一のシーケンシーに関する前記変換デ
   ータを抽出して、該変換データの絶対値の平均値をシー
   ケンシー毎に求め、 各シーケンシーの変換データに対する前記符号長を、そ
   れぞれ前記平均値に基づいて決定することを特徴とする
   画像データの直交変換符号化方法。
2. 【請求項２】前記平均値に基づいて前記符号長を決定す
   る処理を、所定値以上の空間周波数に対応するシーケン
   シーにおいて行ない、 所定値未満の空間周波数に対応するシーケンシーにおい
   ては前記符号長を、各シーケンシーでとりうる最大の変
   換データ値を表わすのに必要な長さとすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の画像データの直交変換
   符号化方法。
3. 【請求項３】前記符号長を、前記平均値の２倍の値に対
   してほぼ不足の無いものとすることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の画像データの直交変
   換符号化方法。