JPH0262992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は画像信号を高能率に圧縮符号化する画
像信号符号化装置に関する。 従来の画像信号符号化装置の代表的なものに
DPCM符号化装置がある。これは入力ずみの画
像信号Ｓ（これを以後参照画像信号と呼ぶ）を用
いて現在入力中の画像信号Ｘ（これを以後現画像
信号と呼ぶ）の予測信号X^を定め、その予測誤差
符号ｅをＸとX^の差分 e_D＝Ｘ−X^ (1) によつて定め、e_Dが０周辺の小さな値に集中する
傾向のあることを利用して圧縮符号化するもので
ある。(1)式によつて定めた予測誤差符号e_Dを以下
では差分予測誤差符号を呼ぶことにする。差分予
測誤差符号e_Dは予測誤差符号ｅの定め方の一例で
あることを示すため添字Ｄを付けた。Ｘに対しＳ
をたとえば第１図の３画素ａ，ｂ，ｃに選んだ場
合についてこれをもう少し詳しく説明する。第１
図で点線は主走査線を示し、これに沿つて左から
右へ画像は走査される。そして右端に到達すると
その一つ下の主走査線に沿つてその左端から走査
が続けられる。画像信号は走査順に符号化装置に
入力される。X^をＳ＝（ａ，ｂ，ｃ）によつて定
める方法は種々考えられるが、 X^＝K₁a＋K₂b＋K₃c (2) のように入力ずみの画像信号Ｓに属する画像信号
ａ，ｂ，ｃの線形結合で定めることが多い。K₁，
K₂，K₃は予測係数と呼ばれる定数で、e_Dが０周
辺の小さな値に集中するように定められる。たと
えばe_Dの２乗平均値 ＜e² _D＞_AV＝＜（Ｘ−X^）²＞_AV＝ ＜（Ｘ−K₂a−K₂b−K₃c）²＞_AV (3) を小さくするように定められる。このようにして
定められたe_Dは第２図のような０集中型の確率分
布P_D（e_D）に従う。ただし画像信号は０から７の
８値とした。このとき(1)式よりe_Dは−７から７の
15値である。e_Dはこの０集中性を用いて圧縮符号
化される。すなわち高い発生確率を有する絶対値
の小さなe_Dに対しては短い符号が、低い発生確率
を有する絶対値の大きなe_Dに対しては長い符号が
割合てられる。第３図にこの符号F_D（e_D）の符号
長L_D）の一例を示す。 e_Dの発生確率分布はより詳しく考えるとＳによ
つて異なり、各ＳごとにP_D｜ｓ）なる発生確率
分布であると考えられる。ここでP_D（eD｜ｓ）は
条件Ｓのもとでのe_Dの発生確率分布で、Ｓごとに
異なる分布である。先に説明した第２図のP_D（e_D）
はP_D（e_D｜ｓ）をＳについて平均したもの P_D（e_D）＝ 〓^S P_D（e_D｜ｓ）Ｐ（Ｓ） (4) である。ここでＰ（Ｓ）は参照画像信号Ｓの発生
確率であり、 〓^S はすべてのＳについての総和を意
味する。(4)は各ＳについてのP_D（e_D｜ｓ）をＳの
発生確率で重みを付けて平均したものがP_D（e_D）
であることを示す。具体例を上げて、P_D（e_D｜ｓ）
とP_D（e_D）の違いについて説明しよう。以下の説
明ではすべて、Ｓは第１図のａ，ｂ，c3画素から
なり、画像信号は０〜７の８値（３ビツト／画
素）とする。仮に予測係数K₁、K₂、K₃は0.7、
0.2、0.1に選んだとしよう。Ｓが S₁＝（６，６，５） (5) のとき、予測信号X^は、 X^＝0.7×６＋0.2×６＋0.1×５＝６ (6) である。ただし小数点以下は四捨五入した。以下
の計算も同様である。Ｘは０から７の８値 ０Ｘ７ (7) である。 これと(1)式より −X^e_D７−X^ である。 Ｘと同様X^も０から７の８値ゆえ ０X^７ (9) である。(8)式と(9)式より −７e_D７ (10) である。e_Dは−７から７の15通りの値をとり得
る。しかしX^の値がわかれば(8)式よりe_Dの値は−
X^から７−X^の８通りに制限される。たとえばＳ
＝S₁のとき(6)式よりX^＝６ゆえ −６e_D１ (11) である。同様にして参照画像信号Ｓが S₂＝（０，１，２）S₃＝（４，４，４），S₄＝
（３，４，５）のときの予測信号X^及び予測誤差
符号e_Dの範囲の求めた値を第１表に示す。S₁のと
きと同じく予測係数K₁，K₂，K₃は0.7，0.2，0.1
とした第１表のX₀からX₇及びＭについては後で
説明する。Ｓ＝S₁〜S₄についてP_D（（e_D｜ｓ）の一
例を第４図〜第７図に示す。P_D（e_D）（第２図参
照）とP_D（e_D｜ｓ）（第４図〜第７図参照）とでは
形が大部分異なる。以下でP_D（e_D）とP_D（e_D｜ｓ）
を比較する。まず最大値を与えるe_Dを比較してみ
よう。P_D（e_D）とP_D（e_D｜ｓ）はともにe_D＝０で最
大である。この点については両者は同じである。
次にe_Dの発生する範囲（第１図参照）を比較して
みよう。P_D（e_D）ではe_Dは−７から７の15通りの
値をとり得る。これに対しP_D（e_D｜ｓ）ではe_Dは
−X^−X^＋７の８通り（(8)式参照）の値のみとり
得る。次に左右対称性について比較してみよう。
P_D（e_D）は一般にe_D＝０中心として左右対称であ
る。すなわち、 P_D（e_D）＝P_D（−e_D） (12) である。これに対しP_D（e_D｜ｓ）では一般に(12)式
は成立しない。すなわち P_D（e_D｜ｓ）≠P_D（−e_D｜ｓ） （13）

【表】 である。（13）式についてＳ＝S₁〜S₄に対し詳し
く説明しよう。簡単のためｅ＝±１について特に
詳しく説明する。 Ｓ＝S₁のとき： ａ，ｂはX^＝６に等しい。これからはＸがX^よ
り大きくなる傾向が強いか、小さくなる傾向が強
いかわからない。Ｃ＝５はX^＝６より小さい。こ
れからＸはX^より小さくなる傾向があると考えら
れる。それゆえｅは＋１より−１になる確率が高
いであろう。すなわち P_D（−１｜S₁）＞P_D（＋１｜S₁） （14） であろう。 Ｓ＝S₂のとき： X^＝０であるからe_D＝０〜７でe_D＝−１になり
得ない。e_Dが大きくなるほどP_D（e_D｜s₂）は小さ
くなろう。すなわち P_D（０｜S₂）＞P_D（１｜S₂）＞P_D（２｜S₂）＞……＞
P_D（７｜S₂）（15） であろう。 Ｓ＝S₃のとき： ａ，ｂ，ｃはすべてX^＝４に等しい。これから
ＸがX^より大きくなる傾向と小さくなる傾向は等
しいであろうと考えられる。すなわち P_D（＋１｜S₃）＝P_D（−１｜S₃） （16） であろう。 Ｓ＝S₄のとき： ａのみX^＝３に等しく、ｂ，ｃはX^より大き
い。これからＸはX^より大きくなる傾向が強いと
考えられる。それゆえe_Dは−１より＋１になる確
率が高いであろう。すなわち P_D（＋１｜S₄）＝P_D（−１｜S₄） （17） であろう。 P_D（e_D｜Ｓ）はこのようにＳによつていろいろ
な形に変化するが、P_D（e_D｜Ｓ）をＳについて平
均化（(4)式参照）した）P_D（e_D）は第１図のごと
く左右対照な０集中型の分布になる。 従来のDPCM符号化ではe_Dは発生確率分布P_D
（e_D）に従うと考え、第３図のような符号長L_D
（e_D）を有する符号F_D（e_D）を用いてe_Dを符号化し
ている。符号F_D（e_D）ではP_D（e_D）＝P_D（−e_D）（(12)
式参照）に対応してほとんどのe_Dに対し L_D（e_D）＝L_D（−e_D） （18） が成立する。（第３図ではe_D＝６に対してのみ成
立しない）また符号F_D（e_D）では、 ｜e′D｜e_D｜ならば P_D（e′_D）P_D（e_D） （19） に対応して ｜e′D｜e_D｜ならば L_D（e′_D）L_D（e_D） （20） である。またe_D＝−７〜７に対応してF_D（e_D）は
15通りの符号を有する。ところがすでに詳しく説
明したようにe_Dの条件付発生確率P_D（e_D｜ｓ）は
Ｓによつて大分異なる。それゆえ符号F_D（e_D）は
P_D（e_D）にマツチするが、P_D（e_D｜ｓ）にマツチし
ない。たとえば、一般にP_D（e_D｜ｓ）≠P_D（−e_D｜
ｓ）（（13）式参照）であるのにL_D（e_D）＝L_D（−e_D）
（（18）式参照）であるのは、おかしい。各Ｓごと
に考えてみれば、e_Dは８通りの値（(8)式参照）し
かとらないのに、常にe_D＝−７〜７の15通りの符
号F_D（e_D）を用意するのは無駄である。このよう
にどんなＳに対応するe_Dに対しても一律に符号F_D
（e_D）で符号化するのは効率がよくない。従来の
DPCM符号化ではe_Dの発生確率分布はP_D（e_D）で
あるとしてe_Dを符号化しており、Ｓによつてe_Dの
発生確率分布が大きく変化することを全く考慮に
入れていない。それゆえＳによつて第３図で与え
られる符号の長さL_D（e_D）が適切でない場合がし
ばしばあり、圧縮率の低い欠点がある。従来の
DPCM符号化装置では予測誤差符号ｅとして差
分予測誤差符号e_D（(1)式参照）を用いるが、これ
と異なるｅの定め方もある。たとえば予測誤差符
号ｅとして各ＳにおけるＸの発生しやすさの順位
を示す予測順位誤差符号e_Jを用いる（昭和55年、
電子通信学会通信部門全国大会、S7−７、水野
他”中間調画像信号のエントロピー符号化”）こ
とができる。これはあるＳにおけるＸの条件付発
生確率Ｐ（Ｘ｜Ｓ）の大きさが Ｐ（X₀｜Ｓ）Ｐ（X₁｜Ｓ）Ｐ（X₂｜Ｓ）……Ｐ
（X₇｜Ｓ）（21） のとき、予測誤差符号ｅを次に示す予測順位誤差
符号e_Jとするものである。 Ｘ＝X_i→e_J＝ｉ（ｉ＝０〜７） （22） ただし（X_i＞X_J）Ｐ（X_i｜Ｓ）＝Ｐ（X_j｜Ｓ）の
ときｉ＜ｊとする。e_Jは予測誤差符号ｅの定め方
の一例であることを示すために添字Ｊを付けた。
予測誤差符号e_Jは０から７の８通りの値をとり、
その各Ｓにおける条件付発生確率P_J（e_J｜Ｓ）は
（21），（22）式より P_J（Ｏ｜Ｓ）P_J（１｜Ｓ）P_J（２｜Ｓ）……P_J
（７｜Ｓ）（23） であり、e_Jについて単調減少である。予測誤差符
号e_Dの条件付発生確率P_D（e_D｜ｓ）がＳ＝S₁〜S₄
に関し第４図〜第７図に示すごとくのとき、これ
に対応するP_J（e_J｜ｓ）は第８図から第１１図に
示すごとくになる。また（21）式のX₀〜X₇は第
１表に示すごとくになる。P_J（e_J｜ｓ）は常にe_Jに
ついて単調減少であるので、すべて右下りの形を
した分布になる。それゆえP_J（e_J｜ｓ）をＳにつ
いて平均して得られるP_J（e_J） P_J（e_J）＝ 〓^S Ｐ（Ｓ）P_J（e_J｜ｓ） （24） もやはり右下りの分布になり、P_J（e_J）とP_J（e_J｜
ｓ）の形は似かよつたものになる。ただし（24）
式で 〓^S はＳについての総和を意味する。したがつ
て確率分布P_J（e_J）にマツチするよう符号F_J（e_J）
を設計し、各Ｓにおけるe_J（P_J（e_J｜ｓ）の発生確
率分布に従う）をその符号F_J（e_J）によつて一律
に符号化しても効率はよい。以上の理由により予
測誤差符号ｅとして予測順位誤差符号e_Jを用いる
と従来のDPCM符号化装置より効率がよい。し
かし、e_Jを発生するためには各Ｓ、各Ｘごとにe_J
をデータとして記憶しておく予測符号化ROMが
必要である。参照画像信号が第１図の３画素ａ，
ｂ，ｃ画像信号のレベル数が８値のとき、予測誤
差符号発生ROMは９ビツトのＳと３ビツトのＸ
合せて12ビツトをアドレス信号として入力し３ビ
ツトのe_Jをデータ信号として出力する。この予測
誤差符号発生ROMは画像信号レベル数及び参照
画像信号数が増加するほど大きな容量になる。た
とえば画像信号レベル数が256値（8bit／画素）、
参照画像信号数が５のとき、アドレスは８×６＝
48ビツトであり、データは８ビツトである。この
ような大容量のROMは現在の技術レベルは莫大
な物理的サイズになる。予測誤差符号ｅとして予
測順位誤差符号e_Jを用いればDPCM符号化装置よ
り効率よく符号化できるが、このように大容量の
予測誤差符号発生ROMが必要になる欠点があ
る。 本発明の目的は、大容量のROMを用いないで
DPCM符号化装置より高い圧縮率を有する画像
信号符号化装置を提供することにある。 本発明によれば、すでに入力ずみの画像信号Ｓ
を用いて現在入力中の多値画像信号Ｘの予測信号
X^を発生する手段と、X^にもとづきＸのとり得る
信号値を発生確率が大きいと考えられる順に並べ
その中における実際のＸの順位を示す符号ｅを発
生する手段と、ｅを圧縮符号化する手段を有する
画像信号符号化装置が得られる。 更に本発明によれば、すでに入力ずみの画像信
号Ｓを用いて現在入力中の多値画像信号Ｘの予測
信号X^を発生する手段と、ＸとＳの距離を計算し
その距離にもとづきＸはX^より大きくなるか小さ
くなるかその傾向を示すモード信号Ｍを発生する
手段と、X^とＭにもとづきＸのとり得る信号値を
発生確率が大きいと考えられる順に並べその中に
おける実際のＸの順位を示す符号ｅを発生する手
段と、ｅを圧縮符号化する手段を有する画像信号
符号化装置が得られる。 本発明によれば効率よく画像信号を符号化する
ことができる。 以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。 画像信号は０から７（３ビツト／画素）で参照
画像信号Ｓが第１図の３画素ａ，ｂ，ｃからなる
場合を例に上げて説明する。まず第１の発明につ
いて説明する。第１２図は第１の発明における第
１の実施例に対する符号化装置のブロツク図の一
例である。第１２図において画像信号（３ビツ
ト／画素）は３（ｌ＋２）ビツトのシフトレジス
タ１に順次入力される。ここでｌは一主走線当り
の画素数であり、シフトレジスタ１には１ライン
＋２画素の画像信号が貯えられる。シフトレジス
タ１には現在入力されたばかりの画素がＸ、その
直前に入力されたものがａ、（ｌ−１）画素前に
入力されたものがｃ、ｌ画素すなわち１ライン前
に入力されたものがｂである。予測信号発生器２
はシフトレジスタ１より参照画像信号Ｓ＝（ａ，
ｂ，ｃ）を入力し、たとえば(2)式のようにａ，
ｂ，ｃの線形演算でＸの予測信号X^を作成し出力
する。予測誤差符号発生器３は、予測信号発生器
２よりX^を入力し、X^にもとづきＸのとり得る信
号値を発生確率が大きいと考えられる順に並べ、
その中における実際のＸの順位を示す符号ｅを出
力する。ｅは圧縮符号器４によつて符号Ｆ(e)に圧
縮符号化される。第１２図のブロツク図の各部を
図面を用いてさらに詳しく説明しよう。 第１２図の予測信号発生器２の構成は種々考え
られるがその一例を第１３図と第１４図に示す。
第１３図の予測信号発生器は(2)式に対応した線形
予測信号発生器である。第１３図では乗算器５，
６，７によつてａ，ｂ，ｃに予測係数K₁，K₂，
K₃が乗ぜられ、その乗算結果の総和が加算器８
によつて計算され、X^として出力される。第１４
図の予測信号発生器は、各参照画像信号Ｓ＝（ａ，
ｂ，ｃ）ごとに予測信号X^をROMに記載してお
く方法を用いる。第１３図のようにａ，ｂ，ｃの
線形演算でX^を定める方法は簡便であるのでよく
用いられるが、その結果得られるX^は各Ｓごとに
考えると必ずしも最適のものではない。以下その
理由を考えてみよう。予測係数K₁，K₂，K₃はた
とえば(3)式による２乗平均予測誤差が最小になる
ように定められる。(3)式は詳しくは次のように考
えることができる。 ＜e² _D＞＝A_V＝＜（Ｘ−X^）²＞A_V＝ 〓^S 〓^X Ｐ（Ｘ，Ｓ）（Ｘ−X^）²＝X^ 〓^S Ｐ（Ｓ）Ｐ（Ｘ｜Ｓ）（Ｘ−X^）² ＝ 〓^S Ｐ（Ｓ）｛ Ｘ^S Ｐ（Ｘ｜Ｓ）（Ｘ−X^）²｝＝ 〓^S Ｐ（Ｓ）｛ 〓^X Ｐ（Ｘ｜Ｓ）（Ｘ−K₁a−K₂b−K₃c）²｝ （25） ここでＰ（Ｓ）は参照画像信号Ｓの発生確率、
Ｐ（X₁｜Ｓ）は参照画像信号がＳのとき現画像信
号がＸになる条件付確率である。また 〓^S は参照画
像信号Ｓについての総和を意味し、 〓^X は注目画像
信号Ｘ（０〜７）についての総和を意味する。(3)
式すなわち（25）式ではすべてのＳに渡つての平
均２乗予測誤差を考えている。ところで各Ｓごと
の平均２乗予測誤差＜e² _S＞A_Vはこれとは異なり、 ＜e² _DS＞A_V＝＜（X_S−X^_S）²A_V＝ 〓^X Ｐ(X|S)(X-X^)²＝ 〓^X Ｐ(X|S)（Ｘ−K_1sａ−K_2sｂ−K_3sｃ）² （26） で与えられる。（26）式でe_D、Ｘ，X^，K₁，K₂，
K₃に付けられた添字Ｓは特に参照画像信号がＳ
のときのｅ，Ｘ，X^，K₁，K₂，K₃であることを
示す。＜e² _S＞A_Vが最小になるように各Ｓごとに予
測係数K_1s，K_2s，K_3sを定めれば、すべてのＳに
ついての平均２乗予測誤差は、 ＜e² _D＞A_V＝ 〓^S Ｐ（Ｓ）＜e² _S＞_AV （27） で与えられる。明らかに（27）式の＜e² _D＞_AVは
（25）式の＜e² _D＞_AVより小さくなる。しかし（25）
式では予測係数K₁，K₂，K₃がＳにかかわらず一
定であつたが、（27）式では各Ｓごとに異なる予
測係数K_1S，K_2S，K_3Sを与える必要がある。すな
わち各Ｓごとに予測係数K₁，K₂，K₃を記憶して
おく必要がある。これは結局各Ｓごとに予測信号
X^を記憶して用意しておくことと同じである。そ
して多くの場合、（26）式の＜e² _DS＞_AVを最小にす
るX^_Sは各Ｓにおいて最も高い確率で発生するＸ
と同じである。第１４図にこの方法による予測信
号発生器の構成を示す。第１４図でROM９は参
照画像信号Ｓ＝（ａ，ｂ，ｃ）をアドレス信号
（９ビツト）として入力し、該当するアドレスの
メモリの内容を予測信号X^（３ビツト）として出
力する。第１４図の予測信号発生器はROMを必
要とするが、以上詳しく説明したように第１３図
の予測信号発生器より予測適中率が高い。以上で
第１２図の予測信号発生器２に関する説明を終了
する。 次に第１２図の予測誤差符号発生器３の説明に
入る。第１５図から第１７図に第１２図の予測誤
差符号発生器３の一例を示す。 まず第１５図の予測誤差符号発生器について説
明する。第１５図でROM１０は、アドレス信号
（６ビツト）として０から７の８値の現画像信号
Ｘ（３ビツト）と予測信号X^（３ビツト）を入力
し、データ信号（３ビツト）として０から７の８
値の予測誤差符号e_A（３ビツト）を出力する。e_A
は予測誤差符号ｅの定め方の一例であることを示
すため添字Ａを付けた。ROM１０の内容の一例
を第２表に示す。Ｘ（３ビツト）はアドレスの上
３ビツトを、X^はアドレスの下３ビツトを指定す
る。各X^ごとにＸのとり得る値を発生しやすいと
考えられる順に順位付けする時、その順位を示す
符号がe_Aである。第２表ではＸは絶対値｜Ｘ−X^
｜が小さいほど発生しやすく、｜Ｘ−X^｜が等し
い場合にはX^より大きいＸが小さいものがより発
生しやすいと考える。 次に第１６図の予測誤差符号発生器について説
明する。第１６図は第１５図はほとんど同じであ
る。ただROM１１の内容がROM１０と少し異
なる。第３表にROM１１の内容の一例を示す。
Ｘ（３ビツト）はアドレスの上３ビツトをX^（３ビ
ツト）はアドレスの下３ビツトを指定する。第３
表では第２表と同じくＸは絶対値｜Ｘ−X^｜が小
さいほぼ発生しやすいと考えるが、｜Ｘ−X^｜が
等しい場合には第２表とは逆にX^より小さいＸの
方が発生しやすいと考える。このようにＸの発生
しやすさを考えるとき、Ｘの発生しやすさの順位
を示す信号がe_Bである。e_Bは予測誤差符号ｅの定
め方の一例であることを示すため添字Ｂを付け
た。 次に第１７図の予測誤差符号発生器について説
明する。第１７図でROM１２のアドレスが７ビ
ツトである点が、第１５図、第１６図と異なる。
これはX^を４ビツトで表現しているためである。

【表】

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ すでに入力ずみの画像信号Ｓを用いて現在入
   力中の多値画像信号Ｘの予測信号X^を発生する手
   段と、前記予測信号X^のみにもとづき前記画像信
   号Ｘのとり得る信号値を｜Ｘ−X^｜が小さい順に
   並べその中における実際の前記画像信号Ｘの順位
   を示す符号ｅを発生する手段と、前記符号ｅを圧
   縮符号化する手段を有することを特徴とする画像
   信号符号化装置。 ２ すでに入力ずみの画像信号Ｓを用いて現在入
   力中の多値画像信号Ｘの予測信号X^を発生する手
   段と、画像信号Ｘと画像信号Ｓの距離を計算しそ
   の距離にもとづき画像信号Ｓは予測信号X^より大
   きくなるか小さくなるかその傾向を示すモード信
   号Ｍを発生する手段と、画像信号Ｘのとり得る信
   号値を｜Ｘ−X^｜が小さい順に並べ｜Ｘ−X^｜が
   等しいときにはモード信号Ｍにもとづき、発生し
   やすいほうを先に並べその中における実際の画像
   Ｘの順位を示す符号ｅを発生する手段と、符号ｅ
   を圧縮符号化する手段を有することを特徴とする
   画像信号符号化装置。