JPS6343483A

JPS6343483A - テレビジヨン信号の予測符号化方式

Info

Publication number: JPS6343483A
Application number: JP61188012A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Matsumoto; 修一松本; Hitoshi Murakami; 村上　仁巳
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1986-08-11
Publication date: 1988-02-24
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: GB2195062A; JPH0748859B2; DE3726601C2; DE3726601A1; GB8718941D0; GB2195062B; US4802004A

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】（発明の技術分野）本発明は、商用テレビジョンやテレビ会議のような画像
信号に対し、画面中の隣接する画素間に存在する強い相
関を利用して、高能率符号化を行う予測符号化方式に係
り、各種予測符号化方式の装置化を実現容易なものとす
ることができるテレビジョン信号の予測符号化方式に関
する。

（従来技術とその問題点）現在の標準的なテレビジョン信号は、１秒間に３０枚の
割合で送られるフレームと呼ばれる画面より成り立って
おり、更に、各フレームは、それぞれ１走査線ごとに飛
び越し走査が行われている関係から、連続する２フイー
ルドより成り立っている。又、画面を構成している要素
を“画素”と呼ぶが、ここでは、ディジタル処理を念頭
においているので、標本化されたｌサンプルを画素と呼
ぶことにする。従って、この場合には、各画素の画面内
での位置は、信号をディジタル化する為のサンプリング
周波数に依存することになる。

はじめに、従来の予測符号化方式について説明する。

第１図は、その為の各画素１〜８の位置関係を示す為の
ものである。今、標本化周波数ｆ、は、水平走査周波数
の整数倍にとっであるので、各画素は格子状に、又、飛
び越し走査の関係で、前フィールドＦＤ、中のラインは
、現フィールドＦＤ。

中の走査ラインの間に並んでいることになる。こ　。

の時、画素２は、現在の画素１と同一ライン上で左隣り
に位置する画素、画素３．４は同一フイールドＦＤ、内
の１ライン上のラインの中でそれぞれ画素１，２の真上
に位置する画素、画素５．６は１つ前のフィールドＦＤ
、の下のライン中でそれぞれ画素１，２の真下に位置し
ている。又、画素７，８ばそれぞれ現フィールドＦＤ０
より１フレーム前のフィールドＦＤ２にあって、画素１
゜２と画面中でそれぞれ同一の位置にある。

この時、すぐ近くに位置するいくつかの画素については
、その標本値の間に互いに強い相関があると考えること
ができるので、画素１の標本値ＸＩの予測値￥１をまわ
りの画素の標本値を用いて例えば、Ｘ＋　　＝３／ｄ　Ｘｚ＋Ｘ１−（３／４）Ｘ４ｆｔｌ
として作り、この予測（ａ　Ｘ　ｒ　と真の値Ｘ１との
差ＯＸ、＝Ｘ、　　−又、（２）を予測誤差とし、これを量子化して符号化を行うことに
より、所要伝送ビット数を減少せしめて、高能率符号化
を行っていた。

量子化は、一般に非線型量子化と線型量子化に分けられ
る。非線型量子化は、表１に示すように予測誤差の入力
範囲の幅（量子化ステップサイズ）が各レベル番号で異
なるもので、伝送符号には固定長符号が通常用いられる
。一方、線型量子化は、表２に示すように、量子化ステ
ップサイズが各レベル番号で全て等しく　（表２の場合
、量子化ステップを「５」とした例を示している。）、
伝送符号には、予測誤差信号の性質を反映して、内側の
レベル番号から順に短い符号が割り当てられる可変長符
号が用いられる。従って、所要伝送ビット数削減の観点
から言えば、後者の方式が優れており、高能率符号化方
式では一般に線型量子化が用いられる。

表　　　１表　　　２以上が従来から知られている予測符号化方式である。一
般的に、テレビジョン信号を、実時間性を保持したディ
ジタル処理を行う場合には、極めて高速な演算処理が要
求される。すなわち、１画素の符号化を、その１サンプ
リング周ｕｒ、＜サンプリング周波数ｆ、の逆数）内で
処理しなければ、実時間性を保持することはできない。

例えば、放送用テレビジョン信号の場合、信号帯域が４
．２ＭＨｚであり、そのサンプリング周波数ｆ、は一般
的に１０ＭＩＩｚ以上が用いられ、１画素の演算処理時
間は１００ｎｓ以下となる。さらに最近の高値品テレビ
ジョンと呼ばれるテレビジョン信号の場合には、サンプ
リング周波数ｆ１は５０Ｍ１１２程度になると予想され
、１画素の演算処理時間は２０ｎｓ程度となる。

このような背景から、テレビジョン信号の予測符号化方
式を評価する上で、それをハードウェアとして実現でき
るか否かが重要な要素となる。

この観点から、上述した予測符号化方式について、その
ハードウェアの実現性を、第２図を用いて説明する。

第２図は、従来の予測符号化方式の送信側の構成例で、
第２図ｆａｒはブロックダイヤグラムを示し、第２図ｆ
ｂ）はその等価回路を示している。図中２１は予測部、
２２は入力画素値と予測値との差を作成する予測誤差作
成部、２３は予測誤差を量子化する予測誤差量子化部、
２４は量子化された予測誤差値と予測値とから入力画素
値を復号する画素復号部、２５はテレビジョン信号を蓄
えておく為の記憶部、２６は一画素遅延部、２７は量子
化された予測誤差値を伝送路上に送出する伝送信号符号
化部である。

本構成例は第２図（ｂｌより、フィードバック法を基本
とした方式であることが分かる。

第２図（ａ）から、１つの画素を符号化する為に要する
演算量、及び手順は以下のようになる。

（１１記憶部２５に蓄えられている既に復号済みの画素
（例えばフィールド内予測の場合はＸ２．Ｘ、。

Ｘ４）を読み出す。

演算量をＴ、とする。

（２）　　予測部２１において、予測値を作成する。

演算量をＴＰとする。

（３）予測誤差作成部２２において、入力画素と予測値
から予測誤差を作成する。

演算量をＴ、とする。

（４）予測誤差量子化部２３において、量子化代表値を
作成する。

演算量をＴｏとする。

（５°）　伝送信号符号化部２７において、量子化代表
値を、所要の伝送符号に変換する。

（５）画素復号部２４において、予測値と量子化代表値
から復号値を作成する。

演算量をＴＡとする。

（６）復号値は、次入力画素の予測の為に記憶部２５に
蓄えられる。

演算量をＴ。とする。

これらの演算のうち、（５′）を除＜（１）〜（６）の
処理が一画素標本間隔（標本化周波数ｆ、の逆数で与え
られる。）内に完了しなければ、実時間でテレビジョン
信号を符号化し、伝送することが困難となり、ハードウ
ェア実現は困難となる。従って、予測符号化方式のハー
ドウェア実現を満足する条件は次式で与えられることに
なる。

Ｔｏ＝ＴＲ＋Ｔｐ＋Ｔｓ＋Ｔｏ＋Ｔａ＋Ｔ、１≦−（３
）ｆ。

前述したように、テレビジョンの標本化周波数ｆ、は、
映像信号帯域の２倍以上でなければならず、放送用テレ
ビジョン信号を例にとると、通常１０ＭＨｚ以上の周波
数が用いられている。これにより一標本間隔は１００ｎ
ｓ以下となる。一方、前記符号化演算量に関しては、Ｔ
Ｍ　＋　Ｔｓ　＋　Ｔｏ　ｒ　ＴＡ＋Ｔｗは各種予測符
号化方式のいかんに拘わらず、固定の演算量となるのに
対して、予測値の演算量Ｔｐは予測方式に依存する。従
って、符号化装置実現条件である式（３）を満足する為
、従来技術では予測方式〇筒略化を図り、例えばフィー
ルド予測値を又＋　’　＝　Ｘ　ｚ　　　　　　　　　（４１として
作成し、Ｔ、の演算量を削減する方式が取られてきた。

しかしながら、この場合には、予測誤差が大きくなり、
符号化効率が低下してしまう問題が残る。

又、高品位テレビジョンのように映像信号帯域が放送テ
レビジョンの５倍以上となる場合には、標本化周波数が
極めて高いものとなり、’ｒ、Ｉ＋’ｒ、十’ｒ’Ｑ＋
’Ｔ”Ａ＋Ｔ、　＞　　−（５１Ｓが成り立ち、予測方式の簡易化を図っても符号化装置の
実現が困難となる。この場合に、通常考えられる対策と
して、予測符号化回路を複数個用意し、並列処理を行う
ことにより、等価的に符号化演算量の削減を図る方式が
上げられるが、ハードウェア規模が極めて大きなものと
なり、木質的な解決にはつながらない。

（発明の目的と特徴）本発明は、以上の従来技術の欠点に鑑みなされたもので
、符号化効率の低下及びハードウェア規模の増大をなく
して、符号化に要する演算量を大幅に削減でき、結果的
に符号化装置実現を容易とする予測符号化方式を提供す
ることを目的とする。

また、その特徴は、ある人力画素を符号化する際に、既
に符号化されている画素の情報から該入力画素の予測値
を得るとともに、該予測値の大きさに応じて前記入力画
素の量子化代表値を決定し、該量子化代表値と前記予測
値の差分をそのまま符号化することにある。

（発明の構成と作用）以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図に本発明の一実施例を示す。第３図（ａ）はブロ
ック図、第３図（ｂ）は基本部分の等価回路である。な
お、説明では、量子化ステップサイズが「３」である例
について述べる。図中、３１は入力画素値を量子化する
量子化部、３２．３７．３８．４０は一画素遅延部、３
３は予測値を量子化ステップサイズで割った余りの情報
から最終的な入力画素の量子化値を得る量子化信号選択
部、３４はテレビジョン信号を蓄えておく為の記憶部、
３５は予測部、３６は予測値の余りを計算する余り作成
部、３９は復号値と予測値との差を求める予測誤差作成
部、４１は予測誤差値を伝送路上に送出する伝送信号符
号化部である。また、信号１００は、余り作成部３６が
量子化信号選択部３３を制御するための制御信号、信号
１０２は、最終的な入力画素の量子化代表値を示す。

先ず、画素の標本値は、１画素ごとに逐次量子化部３１
へ入力される。この量子化部３１は、量子化ステップサ
イズを「３」とした場合、第４図に示すような、３つの
量子化特性を有し、その特性ごとに１つの量子化代表値
を出力する。すなわち、第４図において、入力レベルが
「４」である標本値が入力されたとすると、Ｑｏその量
子化代表値として「３」を出力し、Ｑ、は「４」を出力
し、Ｑ２は「５」を出力する。この３つの量子化代表値
は、後述するように、入力画素の最終的な量子化代表値
１０２の候補である。

このような量子化部３１は、３つの量子化器を並設する
か、演算手法によって構成することが出来る。

この後は、基本的に次の手順により、符号化が行われる
。

■　記憶部３４に蓄えられている既に復号済みの画素（
例えばフィールド内予測の場合はＸＺＩＸ３１Ｘ４．）
を読み出す。

■　予測部３５において、予測値を作成する。

■　余り作成部３６において予測値を量子化ステップサ
イズ（Δ）で割った余りの数（ＭＯＤ）を求める。但し
、ＭＯＤ＝０〜（Δ−１）なので、Δ＝３であるこの場
合は、０．１．２となる。

■　余り作成部３６はＭＯＤ＝０の時はＱｏの量子化代
表値が、ＭＯＤ＝１の時は、Ｑ、の量子化代表値が、Ｍ
ＯＤ＝２の時は、Ｑ２の量子化代表値が、それぞれ量子
化信号選択部３３の出力信号１０２となるように、量子
化信号選択部３３へ情報１００を送り制御する。

■　予測誤差作成部３９において、量子化出力値１０２
と予測値１０３との差により量子化予測誤差値１０４を
作成する。

■°量子化予測誤差値１０４を伝送信号符号化部４１に
おいて所要の伝送符号に変換する。

■　量子化出力値１０２は、次入力画素の予測の為に記
憶部３４に蓄えられる。

なお、−画素遅延部３２．３７．３８および４０は、木
方式をハードウェアとして実現する際に、１画素の符号
化を１標本間隔１／ｆ５内で行うのではなく、いわゆる
パイプライン方式による演算処理を行わせるための遅延
手段である。すなわち、これら遅延部３２．３７．３８
．４０の存在により、１画素の符号化演ｌγが、■量子
化部３１の演算、■予測部３５．余り作成部３６１世子
化信号選択部、および記憶部３４の演算、■予測誤差作
成部３９の演算、■伝送信号符号化部の演算とに独立せ
しめることが可能となり、それぞれの演算処理を１標本
間隔１／ｆ、内で終了すればよいこととなり、演算精度
を向上させることができるほか、比較的演算処理の遅い
素子によっても、等価的に高速演ゴγを可能とし、ハー
ドウェアの実現を容易にする。演算時間については後に
詳述する。

次に、本符号化方式が前記従来方式と同じ復号画像を得
て、符号化損失がないことを証明する。

まず、従来方式の復号値について解析する。

今、入力画素値をＸ、とし、Ｘ、に対する予測値を臭、
とする。又、従来方式で用いられる線形量子化器の量子
化ステップサイズをΔとし、予測誤差信号の里子化代表
値をＱ　（Ｘ；−２，）で与える。

この時、Ｘ、の復号値Ｙ８は次式で与えられる。

Ｘｔ＝２１＋Ｑ　（Ｘｉ−Ｌ）　　　　　（６）又、Ｑ
　（ｘ４　５＜４）＝ｒｎ１　Δ（ｍ、：整数）（７）
が成立する為、Ｘ、は、ｘｆ＝９６＋ｍ、Δ　　　　　　　　　（８）となる。

一方式（８）において臭□を、２ｉ”ｎｉ　Δ十ε□ （ε□は２．をΔで割った余りを示し、εｉ＝０〜（Δ
−１）、ｎｉは整数）（９）で示すと、Ｙ、は次式とな
る。

Ｘｉ　＝（ｍｔ＋ｎｉ）　　Δ＋ε８　（ε、＝０〜Δ
−１）＝　ｘ　＝　＋　ｑ　＝　　　　　　　　　　Ｑ
ｏｌ但し、ｑ、は量子化誤差を示し１ｑｉｌ≦〔會〕（
ここで、〔〕は小数点以下切捨てを意味する。）これに
対して、本符号化方式の復号値Ｘｉ’　は入力画素を直
接量子化することにより得られ、量子化特性は、予測値
脅、を量子化ステップサイズΔで割った余りε、により
決まり、もし、ならば、Ｙ、″　＝ｎ、゛　Δ＋εｉ　　（ｎｉ”は整数）とな
る。

式（１０）、ＱυよりＸｉ　　Ｘｚ’　＝　（ｍｔ　”ｎｔ−ｎｉ’）Δ＝ｑ
ｉ−（Ｉｉ’　　（Ｌｉｅとなり、一方一Δ＋１≦（ｍｔ　＋Ｈ，−ｎ、＋）Δ≦Δ−１０着が
成立する。これを満足するｍｉ＋ｎ１−ｎｉ’　は唯一
〇の時だけである為、次式が成立する。

ｎｉ’　　”ｍｉ＋ｎｉ　　　　　　　　αａこれより
、弐０υからＹ、＋　　＝（ｎｎｉ”ｎｔ）　　Δ＋ε
。

となり、Ｘｉ　とＸｉ’　は全く等しくなり、本符号方
式と従来方式とは等価であることが示された。

次に本符号化方式のハードウェア実現が、どの程度従来
方式に比べて容易になるかを演算量（時間）から検証す
る。

この第３図（ａ）に示すように本符号化方式では、４つ
の一画素遅延部３２．３７．３８．４０が含まれており
、各遅延部間の演算量が一標本化間隔（１／ｆ、）内で
完了すれば、実時間符号化伝送が行え、符号化装置の実
現が可能となる。これら演算量を具体的に求める。

まず入力画像信号から見て最初の遅延部３２までの演算
は、量子化部３１のみとなり、これに要する演算量は従
来方式における量子化部の演算量と同じＴｏとなる。

遅延部３２から遅延部３７．３８までの演算は、量子化
信号選択部３３．記憶部３４．予測部３５及び余り作成
部３６となり、これに要する演［ｔ　（Ｔ、）は、量子
化信号選択部３３での演算（演算量をＴｏとする）。

記憶部３４からの書込み（Ｔ、１）と読み出しくＴｌｌ
）。

予測部３５での演算（Ｔ、）及び余り作成部３６（演算
量をＴ、とする）となり、 ’ｒ”＋　　＝Ｔｏｓ　＋　Ｔｗ　＋　ＴＲ＋　ＴＰ　
＋　Ｔｎ　　　　　ＯＥＪとなる。

また、遅延部３７．３８から遅延部４８までの演算は、
予測誤差作成部３９のみとなり、これに要する演算量は
Ｔ、となる。

遅延部４０から出力画像信号までの演算量は伝送信号符
号化部４１のみとなり、これに要する演算量をＴＴとす
る。

これら演算量のいずれもが、−標本化間隔内で完了する
ことが本符号化方式における実時間符号化伝送の為の必
要条件となる。これを式で示すと、次式で与えられる。

Ｍａｘ　（Ｔ、ｌ　　Ｔｌｌ　　Ｔｓ＋　　Ｔｒ　　ｌ
　　≦　１／ｆ、　　　Ｑ６１現在のｒｃ素子の演算処
理速度をみると、演算量Ｔ１が最も大きくなることより
、上式はＴ＋　＝Ｔｏｘ＋Ｔｈ＋ＴＭ＋ＴＰ＋ＴＭ≦１
／【、　　αηとなる。更に、予測値の余りを作成する
余り作成部３６は、量子化部１１と同様にＲＯＭ　（Ｒ
ｅａｄ　ＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）で実現出来ることによ
り、Ｔ、＝Ｔｏとなる。従って、本符号化方式の最終的
なハードウェア実現の為の条件は次式で与えられる。

Ｔ　ｏ　ｓ　＋　Ｔ　Ｈ＋　Ｔ　Ｈ＋　Ｔ　ｐ　＋　Ｔ
　Ｏ≦１／ｆ３　　α湧式（３）と式α匂により、本符
号化方式と、従来方式とのハードウェア実現性に関する
比較が行える。

すなわち、両方式の演算量の差Ｔを求めると、Ｔ　＝　
Ｔｏ　　’ｒ’＋　＝　Ｔｓ　＋　ＴＡＴｏｓ　　　Ｑ
９１となる。

これを代表的な高速ＩＣであるＦＡＳＴ−ＴＴＬ−ｉｃ
での各種演算素子の演算時間で具体的に求めると、となる為、従来方式に比べて、本符号化方式が２９ｎｓ
演算量が少ないと言える。

換言すれば、例えば従来方式においてハードウェア実現
の為、予測方式を式（４）で示したフィールド内予測方
式（ｘ、’）に簡略化せざるを得ない場合でも、本符号
化方式では式（１）で示した簡略化しないフィールド内
予測方式（Ｘ、）が実現出来ることになる。

更に、代表的な標本化周波数であるｆｓ　＝１３．５Ｍ
１ｌｚの場合では、従来方式はＸＩ’の予測方式でもハ
ードウェア実現が不可能であるのに対して、本符号化方
式ではＸｌの予測方式でもハードウェアの実現が可能と
なる。

次に、本発明の符号化方式に対向して配置される復号化
方式について節単に説明する。

復号化手段については、符号化手段に比べて演算量が少
ない。従って、従来方式による復号化手段によっても、
本発明の符号化手段に対向する手段を実現することがで
きる。但し、前述のように高品位テレビジョンのように
極めて高速演算を求められる場合には、符号化手段で述
べたように、一画素遅延手段を利用して、演算処理を分
割することが有効な手法となる。

第５図は、このための具体例を示すもので、図中、５１
は伝送信号復号化部、５２は一画素遅延部、５３は基本
的に加算手段で実現できる画素復号部、５４はすでに復
号化し出力した画素のうち予測値作成のために必要な画
素を記憶する記憶部、５５は復号化画素の予測値を作成
する予測部である。

受信信号は、伝送信号復号化部５１で復号化され、符号
化手段の差分値に相当する信号となる。この信号は１標
本間隔の期間だけ、−画素遅延部５２に記憶されるとと
もに、この記憶期間中に、予測部５５によりその画素の
予測値を求める演算が行われる。さらに、次の１標本間
隔において、これらの差分値と予測値が、画素復号部５
３において加算され、出力画素信号を得る。この画素信
号は、予測値作成のため必要期間中、記憶部５４に記憶
される。

（発明の効果）以上詳説したように、本発明によれば、入力画素の標本
値を量子化する際に、その画素の予測値の大きさを考慮
して量子化特性を変更することによって、予測値と量子
化値との差分値を小ならしめることができ、差分値の量
子化操作を不要として、高能率な信号の伝送が可能とな
る。また、本発明の構成によっては、１標本間隔内で演
算すべき処理を複数の標本間隔に分散することが可能と
なり、高速演算を必要とする装置の実現を容易にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の予測符号化方式を説明するための画素配
置略図、第２図（ａｌ　（ｂ）は従来の予測符号化方式
の構成例を示すブロック図とその等価回路、第３図（ａ
）　（ｂｌは本発明の実施例を示すブロック図とその等
価回路、第４図は本発明における量子化動作を説明する
ための略図、第５図は本発明による符号化出力を復号す
るための復号手段の１例を示すブロック図である。

Claims

【特許請求の範囲】

既に符号化された画素の情報から、符号化すべき画素の
予測値を得て、該予測値の大きさに応じて前記符号化す
べき画素の量子化代表値を決定し、該量子化代表値と該
予測値の差分値を改めて量子化することなしに符号化し
て伝送することを特徴とするテレビジョン信号の予測符
号化方式。