JPH07288809A

JPH07288809A - ディジタル画像信号の符号化装置

Info

Publication number: JPH07288809A
Application number: JP10336194A
Authority: JP
Inventors: Yuka Oikawa; 由佳及川; Hisafumi Yanagihara; 尚史柳原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】コサイン変換により発生した係数データを量
子化する場合に、輝度とアクティビィティーとの両方で
量子化の細かさを制御し、画質の劣化を抑えて高圧縮率
を達成する。【構成】ＤＣＴ変換回路４からＡＣ係数データおよび
ＤＣ係数ＤＣＴが発生する。ＡＣ係数データを量子化回
路７で量子化し、ＶＬＣエンコーダ１１により可変長符
号化する。量子化番号コントローラ１０は、Ｙ信号のＤ
Ｃ係数データから輝度の高低を検出し、ＡＣ係数データ
の絶対値の最大値によりマクロブロックのクラス分けを
行なう。データ量見積り器９は、５マクロブロック毎に
量子化テーブル中の量子化番号を選択し、量子化番号コ
ントローラ１０に供給され、量子化番号がクラス情報に
よって調整される。輝度が高いマクロブロックに対して
は、量子化が最も粗くなされるクラスが割り当てられ画
質の劣化が目立たない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コサイン変換を使用
するディジタル画像信号の符号化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディジタルビデオ信号を例えば回転ヘッ
ドにより磁気テープに記録するディジタルＶＴＲが知ら
れている。ディジタルビデオ信号の情報量が多いので、
その伝送データ量を圧縮するための高能率符号化が採用
されることが多い。種々の高能率符号化の中でも、ＤＣ
Ｔ（Discrete Cosine Transform)の実用化が進んでい
る。

【０００３】ＤＣＴは、１フレームの画像を例えば（８
×８）のブロック構造に変換し、このＤＣＴブロックを
直交変換の一種であるコサイン変換処理するものであ
る。その結果、（８×８）の係数データが発生する。こ
のような係数データは、量子化され、そして、ランレン
グス符号、ハフマン符号等の可変長符号化の処理を受け
てから伝送される。伝送時には、再生側でのデータ処理
を容易とするために、符号化出力であるコード信号を一
定長のシンクブロックのデータエリア内に挿入し、コー
ド信号に対して同期信号、ＩＤ信号が付加されたシンク
ブロックを構成するフレーム化がなされる。

【０００４】量子化を行なう時に、復元画像の画質の劣
化を抑えながら、圧縮効率を高めるために、画像の特徴
（アクティビィティー）に応じて量子化処理がなされる
ことが考えられている。本願出願人は、アクティビィテ
ィーに応じてＤＣＴブロックをクラス分けし、クラスに
応じた量子化ステップで係数データを量子化することを
提案している。これは、アクティビィティーが高い画像
は、量子化ステップを粗くしても視覚上の歪が目立たな
いことに着目したものである。先に提案されている方法
では、アクティビィティーに応じたクラス分けとして、
ＡＣ（交流分）係数の絶対値の最大値を使用していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかるクラス分けの方
法は、視覚的には、粗く量子化を行なっても、劣化が目
立たないにもかかわらず、細かく量子化できる場合が残
っていた。その結果、圧縮の効率をより向上できる余地
があった。

【０００６】従って、この発明の目的は、先に提案され
ているＤＣＴ係数の適応量子化を改良し、より効率を向
上できるディジタル画像信号の符号化装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、ディジタル
画像信号をコサイン変換により符号化し、符号化により
発生した交流係数データを可変長符号化するようにした
ディジタル画像信号の符号化装置において、交流係数デ
ータを量子化するための量子化回路と、予め用意された
量子化テーブルを参照して、所定期間の可変長符号化出
力のデータ量を目標値以下に抑えるように、量子化回路
における量子化ステップを選択するためのデータ量見積
り回路と、符号化により発生した直流係数データおよび
交流係数データを受け取り、量子化しようとする部分的
画像の量子化の細かさを指示するクラスを決定するため
の回路と、データ量見積り回路で決定される所定期間の
量子化ステップを部分画像のクラスに応じて調整するた
めの回路とからなるディジタル画像信号の符号化装置で
ある。

【０００８】

【作用】部分的画像の特徴に適応して量子化ステップの
幅を制御する時に、コサイン変換によって得られる係数
データの直流分から部分的画像の輝度を検出する。輝度
が高い時には、量子化ステップを粗くしてもそれによる
劣化が視覚上、目立たなくできる。このように量子化ス
テップを粗くすることで生じた余裕によって、他のデー
タの量子化をより細かくすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１は、ディジタルＶＴＲの記録側に
設けられるビデオデータの処理回路の構成を示す。図１
において、１で示す入力端子には、ディジタル化された
ビデオデータが供給される。このビデオデータがブロッ
ク化回路２に供給される。ブロック化回路２では、イン
ターレス走査の順序のビデオデータが例えば（８×８）
のＤＣＴブロックの構造のデータに変換される。すなわ
ち、時間的に連続する第１および第２フィールドの空間
的に同一位置の（４×８）のブロックを二つ組み合わせ
て（８×８）のブロックが形成される。（８×８）のブ
ロックでは、奇数番目のライン上の画素データが第１フ
ィールドに含まれるものであり、偶数番目のライン上の
画素データが第２フィールドに含まれるものである。

【００１０】ブロック化回路２の出力がシャフリング回
路３に供給される。シャフリング回路３では、ドロップ
アウト、テープの傷、ヘッドクロッグ等によって、エラ
ーが集中し、画質の劣化が目立つのを防止するように、
１フレーム内で、複数のマクロブロックを単位として、
空間的な位置を元のものと異ならせる処理、すなわち、
シャフリングがなされる。この例では、シャフリング単
位とバッファリング単位とを等しく、５マクロブロック
としている。

【００１１】シャフリング回路３の出力がＤＣＴ（コサ
イン変換）回路４および動き検出回路５に供給される。
ＤＣＴ回路４からは（８×８）の係数データ（すなわ
ち、直流分ＤＣ、交流分ＡＣの係数データ）が発生す
る。このＤＣＴ回路４は、動きブロックについては、
（８×８）のブロックに含まれる（４×８）のブロック
に関してフィールド内ＤＣＴを行うように切り替えられ
る。

【００１２】マクロブロックは、ＤＣＴブロック当りの
（８×８）の係数データを複数ブロック集めたものであ
る。例えば５２５／６０システムのコンポーネント方式
の（Ｙ：ＣＢ：ＣＲ＝４：１：１）のビデオデータの場
合には、図２Ａに示すように、１フレーム内の同一位置
の、４個のＹブロックと１個のＣＢブロックと１個のＣ
Ｒブロックとの計６ブロックが１マクロブロックを構成
する。サンプリング周波数が４ｆsc（ｆsc：カラーサブ
キャリア周波数）の場合では、１フレームの画像が（９
１０サンプル×５２５ライン）であり、その内の有効デ
ータが（７２０サンプル×４８０ライン）とされる。上
述のコンポーネント方式の場合には、１フレームの全ブ
ロック数は、（７２０×６／４）×４８０÷（８×８）
＝８１００として求められる。従って、８１００÷６＝
１３５０が１フレーム内のマクロブロックの個数であ
る。

【００１３】６２５／５０システムのコンポーネント方
式の（Ｙ：ＣＢ：ＣＲ＝４：２：０）のビデオデータの
場合には、図２Ｂに示すように、１フレーム内の同一位
置の、４個のＹブロックと１個のＣＢブロックと１個の
ＣＲブロックとの計６ブロックが１マクロブロックを構
成する。

【００１４】ＤＣＴ回路４で発生した（８×８）の係数
データの内のＤＣ（直流分）係数データが圧縮されずに
後段の回路に伝送され、残りの６３個のＡＣ係数データ
がバッファ６を介して量子化回路７に供給される。ＡＣ
係数データは、図３に示すように、ジグザク走査の順で
次数が低い交流分からこれが高いものに向かって順に伝
送される。また、このＡＣ係数データがクラス分け回路
８およびデータ量見積り器９にも供給される。バッファ
６は、見積り器９で適切な量子化番号ＱＮｏが決定され
るのに必要な時間、係数データを遅延させるとともに、
静止ブロックおよび動きブロックのそれぞれの係数デー
タを所定の順序で出力するために設けられている。見積
り器９からの量子化番号ＱＮｏは、量子化回路７に供給
されるとともに、後段に伝送される。

【００１５】上述のＤＣＴ回路４からの係数データの発
生は、フレーム内のＤＣＴ変換の場合であって、若し、
動き検出回路５によって、動きがあると検出されると、
フィールド内のＤＣＴの処理が選択される。すなわち、
時間的に連続する第１および第２フィールド内の同一位
置の（４×８）の二つのブロック毎に、ＤＣＴを行うの
がフィールド内ＤＣＴである。若し、そのブロックに関
してフィールド間で動きがあると動き検出回路５が検出
すると、この検出に応答してフレーム内ＤＣＴからフィ
ールド内ＤＣＴに変更される。動き検出回路５は、（８
×８）のブロックの画像データをアダマール変換した時
の垂直方向の係数データに基づいて静止／動きの判定を
ブロック毎に行う。動き検出としては、他にフィールド
差の絶対値に基づいて行うものでも良い。

【００１６】フィールド内ＤＣＴの場合では、第１フィ
ールドに関しての（４×８）の係数データと、第２フィ
ールドに関しての（４×８）の係数データとが発生し、
これらは、図４に示すように、上下に位置する（８×
８）の配列として扱われる。第１フィールドの係数デー
タの中には、直流成分ＤＣ１が含まれる。第２フィール
ドにも、同様に直流成分ＤＣ２が含まれる。これらの各
フィールドの係数データを別個に扱うと、フレーム内Ｄ
ＣＴとフィールド内ＤＣＴとで、以降の処理を別個にせ
ざるを得ない。その結果、ハードウエアの規模の増加等
の問題が生じる。そこで、第２フィールドの直流成分Ｄ
Ｃ２に代えて、差分直流成分ΔＤＣ２（＝ＤＣ１−ＤＣ
２）を伝送する。

【００１７】動き検出回路５からの検出信号（動きフラ
グ）Ｍがデータ量見積り器９に供給されるとともに、後
段において、記録データ中に挿入される。データ量見積
り器９では、係数データの出力順序とエリア分割の方法
とを静止／動きによって切り替えるために、動きフラグ
Ｍが使用される。

【００１８】量子化回路７では、係数データ内の交流分
が量子化される。すなわち、適切な量子化ステップでＡ
Ｃ係数データが割算され、その商が整数化される。この
量子化ステップがＱＮｏコントローラ１０からの量子化
番号ＱＮｏによって決定される。ディジタルＶＴＲの場
合では、編集等の処理が１フィールドあるいは１フレー
ム単位でなされるので、１フィールドあるいは１フレー
ム当りの発生データ量が目標値以下となる必要がある。
ＤＣＴおよび可変長符号化で発生するデータ量は、符号
化の対象の絵柄によって変化するので、１フィールドあ
るいは１フレーム期間より短いバッファリング単位の発
生データ量を目標値以下とするためのバッファリング処
理がなされる。バッファリング単位を短くするのは、バ
ッファリングのためのメモリ容量を低減するなど、バッ
ファリング回路の簡略化のためである。この例では、５
マクロブロック（＝３０ＤＣＴブロック）がバッファリ
ング単位とされている。

【００１９】また、クラス分け回路８は、後述のよう
に、マクロブロックの単位で、絵柄の細かさを調べ、そ
のマクロブロックのアクティビィティーを４段階にクラ
ス分けし、そのクラスを示す２ビットのアクティビィテ
ィーコードＡＴを発生する。検出結果がＱＮｏコントロ
ーラ１０に供給されるとともに、アクティビィティーコ
ードＡＴが後段において記録データ中に挿入される。

【００２０】量子化回路７の出力が可変長符号化回路１
１に供給され、ランレングス符号化、ハフマン符号化等
がなされる。例えば係数データのゼロの連続数であるラ
ンレングスと係数データの値とをＲＯＭ内に格納された
ハフマンテーブルに与え、可変長コード（符号化出力）
を発生する２次元ハフマン符号化が採用される。可変長
符号化回路１１からのコード信号が後段に供給される。

【００２１】見積り器９と関連して、可変長符号化回路
１１で参照されるのと同一のハフマンテーブル１２が設
けられている。このハフマンテーブル１２は、可変長符
号化した時の出力コードのビット数データを発生する。
見積り器９で最適な量子化ステップの組が判定され、そ
の判定出力がＱＮｏコントローラ１０に供給される。Ｑ
Ｎｏコントローラ１０は、量子化回路７がこの量子化ス
テップの組で係数データを量子化するように制御する。
これとともに、量子化ステップの組を識別するための量
子化番号ＱＮｏが後段に伝送される。

【００２２】図示せずも、上述の処理で発生したデータ
（ＤＣ係数ＤＣＴ、可変長符号化出力、量子化番号ＱＮ
ｏ、動きフラグＭ、アクティビィティーコードＡＴ）が
後段のフレーム化回路において、エラー訂正符号化の処
理と記録データのフレーム構造への変換の処理がなされ
る。フレーム化回路からは、シンクブロック構成のデー
タが現れる。記録データは、チャンネル符号化回路、記
録アンプを介して２個の回転ヘッドに供給され、磁気テ
ープ上に記録される。

【００２３】量子化回路７では、ＡＣ係数データが量子
化ステップで割算され、その商が整数に丸められる。Ａ
Ｃ係数データの絶対値をＣとし、量子化ステップの値を
Ｄとすると、丸め後の値Ｑ(C) は、次式で表される。Ｑ(C) ＝ INT〔｛Ｃ＋（Ｄ／２）｝／Ｄ〕

【００２４】次にクラス分け回路８によりなされるアク
ティビィティー検出とそれに基づくクラス分けについて
説明する。この例では、ＤＣ係数データとＡＣ係数デー
タの絶対値とを使用してクラス分けを行なう。アクティ
ビィティー検出は、各マクロブロックの絵柄の細かさを
検出することである。視覚上、細かい絵柄（アクティビ
ィティーが高い）のマクロブロックは、多少、量子化ス
テップが粗くても、歪みが目立たない。一方、平坦な絵
柄（アクティビィティーが低い）のブロックは、粗く量
子化すると、歪みが目立ち易い。従って、マクロブロッ
ク単位でもって、アクティビィティーが高いマクロブロ
ックに対する量子化は、粗いものとし、アクティビィテ
ィー低いマクロブロックに対する量子化は、細かいもの
とすることは、有効である。

【００２５】さらに、輝度の高いブロックの場合には、
量子化が粗くても、視覚的に劣化が目立たない。そこ
で、この一実施例では、輝度が高いかどうかを決定する
ために、ＹブロックのＤＣＴ係数のＤＣ成分を使用す
る。このＹ信号のＤＣ成分の値が大きい時には、輝度が
高いと判断する。これら輝度およびアクティビィティー
に基づくクラス分けの一例を図５に示す。

【００２６】クラス０からクラス３の４種類のクラスが
用意される。クラス０が最も細かく係数データが量子化
されるクラスであり、クラス１、２、３の順に量子化が
粗くなる。従って、クラス３の量子化が最も粗いもので
ある。図５に示すように、クラス分けは、まずＹ信号の
ＤＣ係数に基づいてなされる。この例では、ＤＣ係数
は、９ビットであり、０〜５１１の値をとりうる。しき
い値として、４００を設定し、ＤＣ係数が４００より大
きい時には、一律にクラス３と決定する。すなわち、Ｙ
信号のＤＣ係数が大きいことは、輝度が高いことを意味
するので、この場合に対して量子化ステップが最も粗い
クラス３が割り当てられる。なお、クラス３のみは、量
子化の前処理としてスケーリングによって、例えば全て
の係数データの値が１／２とされる。

【００２７】ＤＣ係数が０〜４００の範囲にあるとき
は、そのＤＣＴブロックのＡＣ係数の絶対値の最大値、
すなわち、アクティビィティーに基づいてクラスが決定
される。例えばＹ信号のＤＣＴブロックに関して、ＡＣ
係数の絶対値の最大値が１２〜２３の範囲に存在する時
には、そのＤＣＴブロックがクラス１と決定される。他
の例として、ＣＲ信号のＤＣＴブロックに関して、ＡＣ
係数の絶対値の最大値が０〜１１の範囲に存在する時に
は、そのＤＣＴブロックがクラス１と決定される。図５
から分かるように、Ｙ信号は、ＣＲ、ＣＢと比較して、
クラスがより小さい番号のものとされ、また、視覚上よ
り目立つＣＲ信号の方がＣＢ信号に比して量子化がより
細かいものとされる。

【００２８】なお、ＤＣ係数によるクラス分けの方法と
しては、上述のものに限らず、二つのしきい値を使用し
て３種類の範囲に分割することもできる。また、ＡＣ係
数の絶対値の最大値の代わりに、ＡＣ係数のｎ乗値、Ａ
Ｃ係数の最大値および最小値の差を使用しても良い。さ
らに、しきい値より大きい係数の個数を使用してクラス
を決定しても良い。よりさらに、アクティビィティー検
出のために用いる係数データを高域のものに限定するよ
うにしても良い。

【００２９】データ量見積り器９は、バッファリング単
位（５マクロブロック）の発生データ量を目標値以下と
することができ、且つなるべく小さい値の量子化ステッ
プを決定する。この見積り器９では、５マクロブロック
毎に量子化番号を決定する。また、ブロック内のエリア
を例えば８分割し、各エリアに応じた量子化を行う。エ
リアを考慮した量子化について説明する。

【００３０】図６Ａは、静止ブロックに関しての係数デ
ータのエリア分割の一例を示す。各係数データに対して
付された０〜７の各数字がエリア番号を表す。このエリ
ア番号が大きくなるにつれて、係数データが高域側のも
のになるように、エリア番号が規定される。エリア分割
を行うのは、係数データを量子化する時に、高域の係数
データほど、量子化を粗くしても、復元画像の質の劣化
が少ない点に基づいている。また、図３および図６を参
照すると分かるように、係数データの走査（出力）順序
に従ってエリア番号が昇順で変化する。

【００３１】図６Ｂは、動きブロックに関しての係数デ
ータのエリア分割の一例である。動きブロックの場合に
は、上述したように、フィールド内ＤＣＴがなされる。
第１フィールドで発生したＤＣＴ係数が図６Ｂの上側の
ようにエリア分割され、第２フィールドで発生したＤＣ
Ｔ係数が図６Ｂの下側のようにエリア分割される。輝度
信号と色信号との間でエリア分割を同一とし、色信号を
輝度信号よりも高域側のエリア番号にシフトするように
しても良い。

【００３２】図７は、量子化テーブルの一例を示す。図
７では、０〜１５の量子化番号ＱＮｏで識別される１６
種類の量子化ステップの組が用意されている。各組は、
０〜７の各エリア番号に対応する量子化ステップからな
る。この量子化テーブルは、量子化番号ＱＮｏが増加す
るに伴って、量子化ステップが小さくなる変化を有して
いる。言い換えると、量子化番号ＱＮｏが増加すると、
量子化が細かいものへ変化する。全ての量子化ステップ
が２のべき乗で表現されているので、これらの量子化ス
テップで係数データを割算する回路として簡単なものを
使用できる。

【００３３】さらに、この量子化テーブルでは、クラス
０、１、２、３と対応して、量子化番号の０〜１５が調
整されている。クラス０とクラス１の間、並びにクラス
１とクラス２の間では、量子化ステップが大きくなる方
向へ、量子化番号の３の差が存在する。また、クラス２
とクラス３の間には、量子化ステップが小さくなる方向
へ、量子化番号の２の差が存在する。クラス３の量子化
ステップが最も大きくなるはずであるが、上述のよう
に、初期的スケーリングがされているために、逆転関係
が生じている。

【００３４】図１におけるデータ量見積り器９において
は、まず、５マクロブロックのデータ量を検出する時
に、暫定的にクラス１として、図７の量子化テーブルを
参照しながら発生データ量を量子化番号ごとに検出す
る。１６通りの量子化番号の中で、最適な量子化番号が
選択される。すなわち、発生データ量が目標値より多く
ならないで、且つ量子化が最も細かくなされる量子化番
号が選択される。この量子化番号が量子化番号コントロ
ーラ１０に供給される。

【００３５】量子化番号コントローラ１０には、クラス
分け回路８において、上述のように、輝度およびＡＣ係
数の絶対値に基づき決定されたクラス情報が供給され
る。クラス情報としては、アクティビィティーコードＡ
Ｔを使用できる。５マクロブロック毎に量子化番号が選
択されているので、この量子化番号を固定として、クラ
スに応じた量子化ステップの調整がなされる。この調整
は、図７の量子化テーブルを使用してなされる。

【００３６】以上の実施例は、ディジタルビデオ信号を
磁気テープに記録するディジタルＶＴＲの例である。し
かしながら、テープ以外のディスク等の媒体を使用する
場合にも、この発明を適用できる。

【００３７】

【発明の効果】この発明によれば、コサイン変換で発生
した係数データを量子化する時に、部分的画像の輝度お
よびアクティビィティーの両者からそのクラスを決定す
るので、画質の劣化が生じることなく、高圧縮率を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明をディジタルＶＴＲの記録データ処理
回路に適用した一実施例のブロック図である。

【図２】マクロブロックの説明に用いる略線図である。

【図３】ＤＣＴ係数データの出力順序の一例を示す略線
図である。

【図４】フィールド内ＤＣＴの処理を示す略線図であ
る。

【図５】この発明の一実施例におけるクラス分けの説明
に用いる略線図である。

【図６】エリア規定の一例の略線図である。

【図７】量子化テーブルの一例の略線図である。

【符号の説明】

４ＤＣＴ回路５動き検出回路７量子化回路８クラス分け回路９見積り器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０３Ｍ 7/40 8842−5ＪＨ０４Ｎ 1/41 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル画像信号をコサイン変換によ
り符号化し、符号化により発生した交流係数データを可
変長符号化するようにしたディジタル画像信号の符号化
装置において、上記交流係数データを量子化するための量子化手段と、予め用意された量子化テーブルを参照して、所定期間の
上記可変長符号化出力のデータ量を目標値以下に抑える
ように、上記量子化手段における量子化ステップを選択
するためのデータ量見積り手段と、上記符号化により発生した直流係数データおよび上記交
流係数データを受け取り、量子化しようとする部分的画
像の量子化の細かさを指示するクラスを決定するための
手段と、上記データ量見積り手段で決定される上記所定期間の量
子化ステップを上記部分画像の上記クラスに応じて調整
するための手段とからなるディジタル画像信号の符号化
装置。
【請求項２】請求項１に記載のディジタル画像信号の
符号化装置において、上記クラスを決定するための手段は、直流係数データが
しきい値より大きい時には、量子化ステップを最大に設
定するものにクラスが固定され、上記直流係数データが
上記しきい値より小さい時には、交流係数データの絶対
値に基づいてクラスを決定することを特徴とするディジ
タル画像信号の符号化装置。
【請求項３】請求項１に記載のディジタル画像信号の
符号化装置において、上記データ量見積り手段は、複数のブロック毎に可変長
符号化出力のデータ量を目標値以下に抑えることができ
る量子化ステップを選択し、上記クラスを決定するための手段は、上記ブロック毎に
上記クラスを決定することを特徴とするディジタル画像
信号の符号化装置。