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発明の名称 画像信号符号化装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−107296
公開日 平成7年(1995)4月21日
出願番号 特願平5−250454
出願日 平成5年(1993)10月6日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 谷口 昌利 / 加藤 士郎
要約 目的
高能率符号化において、量子化、符号化した符号化データのビット数が目標ビット数を越えることがない量子化マトリクスを決定し、ビット数を効率良く制御することを目的とする。

構成
変換回路102で周波数領域に変換した変換データを、量子化回路104〜107で所定のスケール係数に対応した複数の量子化マトリクスで量子化し、符号量見積回路108〜111で可変長符号化したときのビット数を計算し、係数決定回路112で所定スケール係数とビット数の関係から目標ビット数V0を越えない量子化マトリクスを得るためのスケール係数k3を決定し、量子化マトリクス生成回路113においてスケール係数k3に対応し、整数化した量子化マトリクス1を得るに際し、切り上げ処理をし、その量子化マトリクス1を用いて量子化回路114で変換データの量子化を行い、VLC回路115で可変長符号化する。
特許請求の範囲
【請求項1】 画像データに所定の変換を行って周波数領域に変換し変換データを得る変換手段と、前記変換データを量子化マトリクス1で量子化して量子化変換データ1を得る量子化手段1と、前記量子化変換データ1を可変長符号化して符号化データ1を出力する符号化手段と、前記変換データより前記量子化マトリクス1を決定する量子化マトリクス決定手段とを有する画像信号符号化装置であって、前記量子化マトリクス決定手段が基本量子化マトリクスに対し複数の所定スケール係数を掛けて得られる複数の量子化マトリクス2を用いて、前記変換データを量子化して複数組の量子化変換データ2を得る量子化手段2と、前記複数組の量子化変換データ2を各可変長符号化して得られる各符号化データ2のビット数を得る符号量見積手段と、前記複数のスケール係数の中で少なくとも符号化データ2のビット数が目標ビット数より多く且つ最少のビット数となるスケール係数k1 と、前記符号化データのビット数が前記目標ビット数より少なく且つ最大となるスケール係数k2 とを求め、これらスケール係数を用いて前記目標ビット数を越えない前記量子化マトリクス1を得るためのスケール係数k3 を求める係数決定手段と、前記基本量子化マトリクスと前記スケール係数k3 とを用いて前記量子化マトリクス1を得る量子化マトリクス生成手段とを備え、前記量子化マトリクス生成手段が前記基本量子化マトリクスに前記スケール係数k3 を掛け、整数化して前記量子化マトリクス1の各量子化マトリクス値を得るに際し、切り上げ処理を行うことを特徴とする画像信号符号化装置。
【請求項2】 前記量子化マトリクス生成手段が基本量子化マトリクスにスケール係数k3 を掛け整数化する際に、切り上げ処理をして得られる量子化マトリクス1において、前記量子化マトリクス1を構成する各量子化マトリクス値が、前記スケール係数k2 に対応した量子化マトリクス2の各量子化マトリクス値と比較して大きい場合にのみ、前記量子化マトリクス1の各量子化マトリクス値を前記量子化マトリクス2の量子化マトリクス値に置き換え、これを新たに量子化マトリクス1とすることを特徴とする請求項1記載の画像信号符号化装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は周波数領域に変換した画像データを量子化、可変長符号化することにより伝送する画像データのビット数を低減する画像信号符号化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】画像信号の高能率符号化方式としては各種方式があるが、現在主流の1つとなりつつあるものにDCT(離散コサイン変換)符号化方式があり、カラー静止画像符号化方式の国際標準化グループであるJPEG(Joint Photographic Expert Group)において採用されている。
【0003】以下に、この方式による従来の画像信号符号化装置について図4を用いて説明する。図4は従来の画像信号符号化装置の構成を示すブロック図である。図4において、201はディジタル画像データを入力する入力端子、202はディジタル画像データを複数の画素からなるブロック単位に並べ替えるブロック化回路、203はブロック化された画像データにDCTを行って変換データを得るDCT回路、204は変換データを量子化して量子化変換データを得る量子化回路、205は量子化変換データを可変長符号化して符号化データを得るVLC(Variable Length Coding)回路、206は可変長符号を出力する出力端子である。
【0004】以上のように構成された画像信号符号化装置について、その動作を説明する。まず、入力端子201から入力されたディジタル画像データは、ブロック化回路202において水平8画素×垂直8画素の64画素からなるブロック単位に並べ替えられた画像データとなり、DCT回路203で周波数領域に変換されてブロック単位の水平8成分×垂直8成分の計64個の変換データとなる。そして、変換データは、量子化回路204において所定の量子化マトリクスで量子化され、VLC回路205で可変長符号化(例えば、2次元ハフマン符号化)されて符号化データとなり、出力端子206より出力される。量子化マトリクスはブロック毎の64個の変換データに1対1に対応した量子化マトリクス値(量子化ステップサイズ)からなり、簡単には各変換データをそれぞれの量子化マトリクス値で除算することにより量子化が行われる。
【0005】そして、量子化マトリクスの値を大きくすれば変換データが粗く量子化されて小さくなるので符号化データのビット数は少なくなり、逆に量子化マトリクスの値を小さくすればビット数は増えるので符号量は制御できる。JPEGのDCT符号化方式においては、基本となる量子化マトリクスの各量子化マトリクス値に対し、各所定の同一係数(以下、スケール係数)を掛けることにより、実際に量子化するための量子化マトリクスの各量子化マトリクス値を変えている。例えば、スケール係数を大きくすれば、各量子化マトリクス値は同じ割合で大きくなるので、一般に量子化変換データは小さくなり符号量は減少する。一般に同じ量子化マトリクスを用いても1画面当たりの符号化データのビット数が画像によって異なるので、画像当たりの総ビット数を一定量以下とするためには符号化データのビット数が目標のビット数となる量子化マトリクスを求めることが必要である。
【0006】符号量がこの目標ビット数となる量子化マトリクスを求める技術が、特開平4−315369号公報や、特開平4−315370号公報に開示されている。この技術は、スケール係数と符号化データの総ビット数(符号量)の関係が一般的に図2に示すように下に凸の単純減少関数となることを利用したものである。
【0007】予め定めておいた複数n個(nは整数)の所定スケール係数(これをp1,p2,・・・,pn(p1<p2<・・・<pn)とする。)を基本量子化マトリクスに掛けて求めた複数組の量子化マトリクス2で量子化、符号化して得られる符号化データの1画面分のビット数(スケール係数p1,p2,・・・,pnに対応したこのビット数をS1,S2,・・・,Snとする。)を算出する。符号化データの目標ビット数をV0とするとき、前記ビット数S1,S2,・・・,Snの内【0008】
【数1】

【0009】を満足するスケール係数pi,pi+1を求める。新ためてこれらスケール係数pi,pi+1をk1,k2と定義し直し、これらに対応したビット数Si,Si+1 も新たにV1,V2と再定義すれば、目標ビット数を越えない符号量となる量子化マトリクス1に対応したスケール係数k3は、【0010】
【数2】

【0011】で求まる。これは、1次近似してV0,V1,V2,k1,k2 より求めたものである。スケール係数と符号量の関係が下に凸の単純減少関数であるため、このk3で求めた量子化マトリクスで量子化、符号化して得られる符号化データのビット数V3は必ずV0以下となるというものである。
【0012】一般にスケール係数k3は非整数で、基本量子化マトリクスにスケール係数k3を掛けて得られる量子化マトリクス3の各量子化マトリクス値は非整数となる。しかし、量子化器のハード量などの関係から量子化マトリクス3(非整数値)を四捨五入して整数化し、実際に量子化に使用する量子化マトリクスを決定している。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従来の方法では、実際に量子化する量子化マトリクスを求める際、四捨五入処理して整数化しているため、スケール係数k3を基本量子化マトリクスに掛けて求まる量子化マトリクス3(非整数値)の量子化マトリクス値より小さい量子化マトリクス値となるものを生じる場合があり、量子化、符号化すると目標のビット数を越えてしまう場合があるという問題点を有していた。
【0014】本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、画像データを符号化して得られる符号化データのビット数が目標値を越えることがない画像信号符号化装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために本発明の画像信号符号化装置は、画像データに所定の変換を行って周波数領域に変換し変換データを得る変換手段と、前記変換データを量子化マトリクス1で量子化して量子化変換データ1を得る量子化手段1と、前記量子化変換データ1を可変長符号化して符号化データ1を出力する符号化手段と、前記変換データより前記量子化マトリクス1を決定する量子化マトリクス決定手段とを有し、前記量子化マトリクス決定手段が基本量子化マトリクスに対し複数の所定スケール係数を掛けて得られる複数の量子化マトリクス2を用いて、前記変換データを量子化して複数組の量子化変換データ2を得る量子化手段2と、前記複数組の量子化変換データ2を各可変長符号化して得られる各符号化データ2のビット数を得る符号量見積手段と、前記符号量見積手段で見積もったスケール係数とデータ量の関係から目標ビット数を越えない前記量子化マトリクス1を得るためのスケール係数k3 を求める係数決定手段と、前記基本量子化マトリクスと前記スケール係数k3 とを用いて前記量子化マトリクス1を得る量子化マトリクス生成手段とを備えたものである。
【0016】
【作用】以上の構成によって、本発明の画像信号符号化装置では目標ビット数に近いがこれを越えない量子化マトリクスを与えるスケール係数k3 を基本量子化マトリクスに掛けて得られる量子化マトリクス3を、整数化して量子化マトリクス1を得るに際し、切り上げ処理をしているので、得られた量子化マトリクス1の各量子化マトリクス値が整数化する前の量子化マトリクス3の各量子化マトリクス値より小さくなることがないので、この量子化マトリクス1を用いて得られる符号化データのビット数は目標ビット数を越えることがない。
【0017】
【実施例】(実施例1)以下、本発明の一実施例について、図面を用いて説明する。
【0018】図1は本発明の第1の実施例における画像信号符号化装置の構成を示すブロック図である。図1において、101は画像データの入力端子、102は入力画像データを各種変換を行って周波数領域の変換データに変換する変換回路(図4に示す従来例のブロック化回路202、DCT回路203をまとめたものに相当)、103はタイミング調整用の遅延回路、104,105,106,107は変換データをそれぞれ所定の量子化マトリクス2(図1では、4組)で量子化して量子化変換データ2を得る量子化回路、108,109,110,111は4組の量子化変換データ2をそれぞれ可変長符号化を行った場合に得られる符号化データ2の1画面分のビット数(符号量)をそれぞれ計算する符号量見積回路、112は符号化データの1画面当たりのビット数が目標ビット数V0 を越えない量子化マトリクス1を得るためのスケール係数k3を決定する係数決定回路、113はスケール係数k3 と基本量子化マトリクスQbから量子化マトリクス1を生成する量子化マトリクス生成回路、114は量子化マトリクス1で変換データを量子化して量子化変換データ1を得る量子化回路、115は量子化回路114からの量子化変換データ1を可変長符号化して符号化データ1を得るVLC回路、116は符号化データ1の出力端子である。117は量子化マトリクス生成回路113においてスケール係数k3 と基本量子化マトリクスQbを乗算して量子化マトリクス3を得る乗算器、118は量子化マトリクス3(非整数値)の各量子化マトリクス値を切り上げ処理する切り上げ回路である。
【0019】以上のように構成された画像信号符号化装置について、その動作を図1、図2を用いて説明する。入力端子101から入力された画像データは、変換回路102において周波数領域の変換データに変換される。変換データは実際に量子化する量子化マトリクス1を決定するため量子化回路104,105,106,107においてそれぞれ所定のスケール係数(p1,p2,p3,p4で従来例に同じで、n=4の場合に相当する。)を基本量子化マトリクスQbに掛けて得られる4組の量子化マトリクス2を用いて量子化が行われて4種類の量子化変換データ2となり、それぞれ符号量見積回路108,109,110,111においてそれぞれ可変長符号化したときの符号化データの1画面分のビット数4種類(S1,S2,S3,S4)が算出される。ただし、これら符号量見積回路において実際に可変長符号化を行う必要はない。算出した符号化データ量(S1,S2,S3,S4)から、係数決定回路112は(数1)を満足するi(本実施例n=4なので、i=1,2,3)を求め、少なくとも符号化データの1画面分のビット数が、目標ビット数V0 より多く且つ最少のビット数Si(以下、V1と称する)となるスケール係数pi(以下、k1と称する)と、目標ビット数より少なく且つ最大のビット数Si+1(以下、V2と称する)になるスケール係数pi+1(以下、k2と称する)とを求め、これらスケール係数k1,k2及びビット数V0,V1,V2より目標ビット数V0を越えない量子化マトリクスを与えるスケール係数k3を(数2)により求め出力する。
【0020】ここまでの動作は従来技術と同じであるが、以下に示すように実際に量子化する量子化マトリクス1を量子化マトリクス3より得る過程が異なる。
【0021】量子化マトリクス生成回路113では乗算器117において、スケール係数k3と基本量子化マトリクスQbのマトリクス値とが乗算されて量子化マトリクス3(非整数値)が得られ、切り上げ回路118において四捨五入ではなく切り上げ処理がなされて整数化された量子化マトリクス1が得られる。そして、遅延回路103によりタイミング調整のなされた変換データ1は量子化回路114において量子化マトリクス1を用いて量子化され、VLC回路115で可変長符号化されて、出力端子116より符号化データ1が出力される。
【0022】以上のように本実施例によれば、量子化マトリクス生成回路113においてスケール係数k3 を基本量子化マトリクスQbに掛けて得られる量子化マトリクス3(非整数)をさらに整数化して量子化マトリクス1を得るに際し、切り上げ処理をしており、各量子化マトリクス値が量子化マトリクス3の量子化マトリクス値より小さくなることがないので、目標ビット数を越えることがない。
【0023】図3は本発明の第2の実施例を示す画像信号符号化装置のブロック図である。本実施例は第1の実施例とほぼ同じであり、異なるのは量子化マトリクス生成回路113の内部構成である。すなわち、図3の量子化マトリクス生成回路113において、117はスケール係数k3 を基本量子化マトリクスQbに掛ける乗算器、118は乗算器117の出力である量子化マトリクス3(非整数値)を切り上げ処理し、量子化マトリクス1を得る切り上げ回路、119はスケール係数k2 を基本量子化マトリクスQbに掛ける乗算器、120は乗算器119の出力である量子化マトリクスの各量子化マトリクス値(非整数値)を四捨五入(または、切り上げなどの他の丸め処理)し、量子化マトリクス2を得る丸め回路、121は量子化マトリクス1と量子化マトリクス2の各量子化マトリクス値の大きさを1つ1つ比較する比較回路、122は比較回路121での結果によって制御され、量子化マトリクス1、量子化マトリクス2のどちらかを各量子化マトリクス単位で選択するスイッチである。
【0024】以上のように構成された画像信号符号化装置について、その動作を図3を用いて説明する。量子化マトリクス生成回路113以外の回路についての動作は第1の実施例と同じなので省略する。
【0025】量子化マトリクス生成回路113では、乗算器117においてスケール係数k3 と基本量子化マトリクスQbのマトリクス値とが乗算されて量子化マトリクス3が得られ、切り上げ回路118において四捨五入ではなく切り上げ処理がなされて整数化された量子化マトリクス1を得る。一方、乗算器119において、スケール係数k2 と基本量子化マトリクスQbのマトリクス値を乗算し、丸め回路120において四捨五入等の丸め処理により整数化されてスケール係数k2 に対応した量子化マトリクス2(符号量見積用に用いた量子化マトリクス2の1つに等しい)が得られる。比較回路121は量子化マトリクス1、量子化マトリクス2の量子化マトリクス値の比較結果が出力され、スイッチ122において量子化マトリクス1と量子化マトリクス2の各対応する量子化マトリクス値2つの内小さい方を改めて量子化マトリクス1の量子化マトリクス値として出力する。
【0026】第1の実施例においては量子化マトリクス3の各量子化マトリクス値に対してすべて切り上げ処理していたため、符号量が目標値を下回る量子化マトリクス(スケール係数k2 に対応するもの)の量子化マトリクス値より大きくなるものが生じ、結果として符号量がスケール係数k2 に対応した量子化マトリクスで量子化、符号化した場合の符号量V2 よりさらに小さくなり、信号劣化が大きくなってしまう場合があった。
【0027】本発明の第2の実施例によれば、得られる量子化マトリクス1の各量子化マトリクス値が、スケール係数k2 に対応した量子化マトリクス2のマトリクス値より大きくなることがないので、目標のビット数を越えることなく、より目標ビット数に近い符号量で効率良く符号化でき、第1の実施例より画質が向上するものである。
【0028】なお本発明は、画像信号以外の信号にも用いることができる。また実施例では各種変換とした周波数領域への変換には、DCT,LOT(Lapped Orthogonal Transform),MDCT(Modified DCT),アダマール変換などの直交変換,ウェーブレット変換などのサブバンド符号化を用いることができる。また、ほぼ目標値となる量子化マトリクス1を求める際に従来例と同じ一次近似を用いたが、これに限定されるものではないことは明かである。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、実際の量子化に用いる量子化マトリクスを基本量子化マトリクスにスケール係数を掛け、整数化して得るに際し、切り上げ処理をしているので、目標データ量を越えることなく量子化、符号化ができ、ビット数の有効利用、画質の向上を行うことができる。




 

 


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