JPH031849B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はデイジタル画像データを通信、蓄積
する際に、データの通信効率や、蓄積効率を向上
させるための画像データ圧縮装置に関する。

〔従来の技術〕

最近のデイジタル画像処理技術の進歩に伴い、
印刷業界においても画像をデイジタルデータ化し
て、集版、レタツチ作業を行なうトータルスキヤ
ナが導入され、活躍している。ここで、画像のデ
イジタルデータを通信、蓄積する必要があり、
種々の方式が試みられているが、最良の方式は未
だ発表されていない。これは、通常のデイジタル
データに対して、画像のデイジタルデータのデー
タ量が膨大なものであるためである。一例とし
て、A4サイズの印刷画像１枚を15本／mmの解像
度で４色の成分で表現するためには、次式で示す
ように、56MByteのデータが必要となる。ここ
では、１画素を4Byte（＝8bit（1Byte）×４（色））
のデータで表わすとする。

210mm×297mm×（15本／mm）² ×4Byte／点≒56MByte …(1) このため、このA4サイズの印刷画像１枚分の
データを通信する場合、通常の公衆回線
（9600bit／sec）を利用すると、13時間も必要で
あり、たとえ、高速デイジタル回線（64Kbit／
sec）を利用しても２時間弱必要である。

また、データベースを構築するために画像デー
タを蓄積する場合でも、光デイスク（１〜
2GByte）を利用しても、前述のA4サイズの画像
データは18〜36枚分しか格納できず、画像データ
ベースの構築を行なうには画像の蓄積枚数が不足
である。

そのため、画像データの通信効率や、蓄積効率
を向上させるために画像データの圧縮に関する方
法が各種提案されている。その中でも、直交変換
を利用した画像データの圧縮が圧縮率の高さから
見て最も優れているとされている。ここで、画像
データの圧縮方法を評価するポイントは３点あ
り、画質劣化の少なさ、圧縮率の高さ、計算スピ
ードである。この観点からいろいろある直交変換
の中でも、アダマール変換と２次元離散的コサイ
ン変換の２つが良好な結果を挙げている。前者は
ハードウエア化が簡便なことから計算スピードに
おいて他を圧しており、後者は画質劣化を押えて
圧縮率を高くすることが可能である点が良いとさ
れている。

直交変換を用いた画像データの圧縮の基本的な
考え方は原画像データのデータマトリクスを直交
変換し、変換後のデータマトリクス内の各データ
に対して画像の特徴に応じた所定のビツト割当て
（LSBから所定のビツトまで有効とし、上位ビツ
トを切捨てる）を行なうことによつて、原画像の
復元に不要となる４ビツトを切捨ててから符号化
を行ない、圧縮される符号化データ列を作成す
る。この際に、いかに最適なビツト割当てを行な
うかによつて、圧縮率と画質再現性が決定される
ものである。

また、画像データの復元の際には、符号化の際
に行なつたビツト割当てに従つて符号化データ列
からマトリクスデータを再現して、マトリクスデ
ータを逆変換することによつて、原画像を復元す
る。

画像データの圧縮の際に画像データの有効なビ
ツトデータを全部残すようにビツト割当てを行な
えば、デイジタル化に伴う量子化誤差を除いて完
全に原画像データは復元されるが、これでは高い
圧縮率を得ることができない。そのため、画質の
劣化を押えつつ画像データのいずれかのビツトデ
ータを切捨ることがどうしても必要となる。この
ビツト割当てを高速に最適化することが直交変換
を利用した画像圧縮の最大のポイントである。

従来例として、日本電気株式会社製の
Medifile1000はレントゲン画像に対して２次元コ
サイン変換を利用して優れた結果を得ている。た
だし、レントゲン画像はモノクロ画像であり、か
つ解像度は印刷画像に対して低く、扱うデータ量
はカラー印刷画像に対して極めて少ない。

このように、従来は、印刷用カラー画像のよう
な大量な画像データを効率良く圧縮する装置は発
表されておらず、その発表が待たれていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明は上述した事情に対処すべくなされた
もので、印刷物のように大量のデイジタル画像デ
ータを効率良く高速に圧縮することを可能とする
ために、直交変換を利用する画像圧縮において、
最適なビツト割当てを高速に実行できる画像デー
タ圧縮装置を提供することをその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明による画像データ圧縮装置は各画素毎
に割り当てるビツト長を表わすビツト割当てパタ
ーンが複数個記憶されているビツト割当てパター
ンメモリと、直交変換後の画像データと各ビツト
割当てパターンとの差分を行なう差分回路１１−
１〜１１−ｋと、ビツト割当てパターン毎の差分
値が許容範囲内にあるかどうかを判定する比較回
路１４−１〜１４−ｋと、これらの比較結果に基
づいて最適なビツト割当てパターンを選択するビ
ツト割当てパターンセレクタ１７を具備する。

〔作用〕

この発明による画像データ圧縮装置によれば、
単純な演算の組合わせにより直交変換後の画像デ
ータマトリクスに対して最適なビツト割当てパタ
ーンを選択することができるため、高圧縮率で、
しかも画質の劣化の少ない画像データの圧縮を短
時間で行なうことができる。

〔実施例〕 以下図面を参照してこの発明による画像データ
圧縮装置の一実施例を説明する。第１図はこの実
施例の概略構成を示すブロツク図である。第２図
はこの実施例の特徴である最適なビツト割当てパ
ターンを選択する回路の構成を示すブロツク図で
ある。第３図は選択されたビツト割当てパターン
に基づいて直交変換後のデータの不要なビツトを
切捨てるとともに、ビツト割当てパターンのパタ
ーンコードを付加して符号化を行なう回路の構成
を示すブロツク図である。

第１図に示すように、この実施例はデータ正規
化回路２、直交変換回路４、ビツト割当てパター
ン選択回路６、圧縮符号化回路８からなる。画像
をＭ×Ｎの画像マトリクスで表わし、各画像を所
定ビツトのデータで表わした原画像データID
（ｘ，ｙ）が各画素（ｘ，ｙ）毎に順次データ正
規回路２に入力される。ここで、説明の簡略化の
ため第１図では原画像データはモノクロデータと
して１つしか示していないが、原画像データID
はカラー画像であれば各色成分、例えばIDr，
IDg，IDbのように赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ成分毎の明
るさを示す３つのデータとなり、第１図の各回路
は各色成分毎に処理することになる。

データ正規化回路２はＭ×Ｎマトリクスの原画
像データID（ｘ，ｙ）をｎ×ｎ画素からなるブロ
ツク毎のデータに分割（正規化）し、ブロツクデ
ータID′（ｉ，ｊ）を作成する。これは、原画像デ
ータID（ｘ，ｙ）全体に直交変換を行なうと、演
算時がかかりすぎるために、ｎ×ｎ画素のブロツ
ク毎に直交変換を行なつた方が効率が良いためで
ある。ここで、ｎ＝８〜64が適当であり、一般的
には16、または32がよく利用される。

第４図に原画像データID（ｘ，ｙ）とブロツク
データID′（ｉ，ｊ）との関係の一例を示す。第４
図はＭ＝32，Ｎ＝48，ｎ＝８の場合であり、原画
像データID（ｘ，ｙ）は24個のブロツクデータ
ID′（ｉ，ｊ）に分割される。この各ブロツクデー
タID′（ｉ，ｊ）に順次以下に示す処理を行なつ
て、各ブロツク毎にデータ圧縮を行なう。

ブロツクデータID′（ｉ，ｊ）は直交変換回路４
へ供給される。直交変換回路４はブロツクデータ
ID′（ｉ，ｊ）に直交変換を施し、直交変換データ
AD（ｉ，ｊ）を生成する。一般に、直交変換に
は離散的フーリエ変換、離散的コサイン変換、ア
ダマール変換、ハール変換、スラント変換、Ｋ−
Ｌ変換等がある。画像圧縮による画質劣化の少な
さでは、Ｋ−Ｌ変換、離散的コサイン変換が優位
であるが、演算の負荷が大きく、演算スピードを
上げるためには、アダマール変換が優位である。
ここでは、直交変換の一例としてアダマール変換
について説明する。

アダマール変換を行なう対象のデータマトリク
スをID′、変換後のデータマトリクスをADとする
と、両者の関係は次式で与えられる。

AD＝（１／ｎ）・Ｃ・ID′・C^T …(2) ここで、Ｃはアダマール行列であり、アダマー
ル行列は＋１，−１の成分から構成される対角行
列のため、アダマール行列の転置行列C^T＝Ｃで
ある。なお、逆変換は次式で表わされる。

ID′＝（１／ｎ）・Ｃ・AD・Ｃ …(3) アダマール行列Ｃの一例を以下に示す。例は８
×８のアダマール行列である。

変換後のデータAD（ｉ，ｇ）はビツト割当て
パターン選択回路６へ転送され、データAD（ｉ，
ｊ）に最適なビツト割当てパターンの選択が行わ
れる。

第２図にビツト割当てパターン選択回路６のブ
ロツク図を示す。ビツト割当てパターン選択回路
６は入力バツフアとしての先入れ先出しメモリ
（FIFO）10を具備する。一例として、AD（ｉ，
ｊ）が16×16のデータ配列とすると、FIFO10に
入力された直交変換データAD（ｉ，ｊ）は転送
クロツクCKに従つて、（１，１），（１，２），…，
（16，16）成分まぜの256個のデータが順次差分回
路１１−ｋ（ｋ＝１〜Ｋ）への転送される。ここ
で、差分回路１１−ｋの個数Ｋは予め用意された
ビツト割当てパターンの数Ｋだけ設けられてい
る。例えば、ビツト割当てパターンが16個あれ
ば、差分回路１１も16個必要であり、ビツト割当
てパターンが32個あれば、差分回路１１も32個必
要となる。

Ｋ個のビツト割当てパターンBPk（ｉ，ｊ）は
ビツト割当てパターンメモリ１６に記憶されてお
り、１〜Ｋ番目のビツト割当てパターンBPk
（ｉ，ｊ）がそれぞれ差分回路１１−１〜１１−
ｋに供給される。ビツト割当てパターンメモリ１
６の読出しアドレスADRはメモリコントローラ
１５により発生される。メモリコントローラ１５
には転送クロツクCKも入力されていて、FIFO10
からのデータ読出しと同期してその読出しアドレ
スADRをコントロールしてやることにより、直
交変換データの各成分とそれに対応するビツト割
当てパターン成分を同時に差分回路１１−ｋに供
給することができる。

第５図にビツト割当てパターンの一例を示す。
図示のビツト割当てパターンは８×８の直交変換
データに対するパターンであり、ここでは３種類
のパターンを示したが、通常16〜256程度のパタ
ーンを用意すると良い。ここで、空白部は０であ
る。ビツト割当てパターンを構成するマトリクス
データは、画像データを圧縮するために各画像デ
ータ（８ビツトデータ）の上位ビツトを切捨てる
際の閾値を示している。例えば、閾値が８であれ
ば８ビツト全部有効とし、６であればLSBから
６ビツトだけを有効とし（７，８ビツト目を無効
として切捨て符号化に使用しない）、０であれば
全ビツトが不要であることを意味する。具体的に
は、８とあるのは８ビツトすべてが“１”であ
り、パターンデータとしては“11111111”が格納
されていて、６とあるのはLSBから６ビツト目
までが“１”であり、パターンデータとしては
“00111111”が格納されている。ビツト割当てパ
ターンのマトリクスデータの総和は圧縮後の画像
データの全ビツト長を示し、これが少ない程圧縮
率が高いことになる。

差分回路１１−ｋはBPk（ｉ，ｊ）−AD（ｉ，
ｊ）を演算する。ここで、データAD（ｉ，ｊ）
が正負の符号付きデータである場合は、BPk
（ｉ，ｊ）−｜AD（ｉ，ｊ）｜を演算する。この差
分値は直交変換後の各画像データのデータ量（ビ
ツト長）がビツト割当てパターンの割当て量（ビ
ツト長）を越えている程度（不一致度）に相当
し、ここでは、オーバフロー値と称する。

差分回路１１−ｋから出力されるオーバーフロ
ー値はそれぞれ重み付け回路１２−ｋに供給され
る。これは、オーバーフロー値に対して画素（マ
トリクス内の位置）によつて異なる重みＷ（ｉ，
ｊ）を付けるものであり、乗算器からなる。これ
は、後述するように、各画素毎のオーバーフロー
値をマトリクス全体について集計して、各画像デ
ータマトリクス毎のオーバーフロー値を求め、ビ
ツト割当てパターンが適切か否かを判定するの
で、画像データの高周波成分（高次成分）の切捨
てをより確実に行なうためのものであり、必ずし
も設ける必要はない。アダマール変換において
は、変換後のデータはマトリクス内の左上成分
（（１，１）成分）が最も低周波（空間周波数）成
分であり、右下成分（（ｎ，ｎ）成分）になるに
つれて高周波成分になるので、オーバーフロー値
を集計する際に、低周波成分の重みを大きく、低
周波成分の重みを小さくすることにより、各画像
データマトリクスとビツト割当てパターンとの不
一致度を正確に求めることができる。

重み付け回路１２−ｋから出力される重み付け
オーバフロー値はそれぞれオーバフローカウンタ
１３−ｋに供給され、集計される。この結果、オ
ーバフローカウンタ１３−ｋは各ビツト割当てパ
ターンBPkにより与えられる割当て量と各画像
データADのデータ量の不一致度をオーバーフロ
ーカウンタ値OCkとして検出する。

オーバフローカウンタ１３−ｋのオーバフロー
カウンタ値OCkが比較回路１４−ｋにより適当
な閾値TH₁，TH₂の範囲にあるか否か判定され
る。そして、次式を満たす場合に、当該ビツト割
当てパターンによるデータ圧縮が適当であること
を示す信号CPkがビツト割当てパターンセレクタ
１７に供給される。

TH₁≦OCk≦TH₂ …(5) ここで、OCk＜TH₁であれば、圧縮後のデー
タにまだ冗長度があり、逆に、TH₂＜OCkであ
れば、圧縮のし過ぎであることを示す。なお、閾
値TH₁，TH₂は固定値でもよいし、各比較回路
１４−ｋ毎に異なる値でもよい。

ビツト割当てパターンセレクタ１７は比較回路
１４−ｋから信号CPkを受けると、該当するデー
タ圧縮が適当であるビツト割当てパターンBPk
の中で圧縮率が最大となるビツト割当てパターン
を決定し、そのパターンを示すパターンコード
PCを圧縮符号化回路８へ供給する。圧縮率最大
のビツト割当てパターンの決定に際して、各ビツ
ト割当てパターンBP１〜BPKは予めこの並び順
に圧縮率が大きくなる（または、小さくなる）よ
うに決めておけば、TH₁≦OCk≦TH₂の条件を
満たすｋの中でｋの最大値（または、最小値）を
パターンコードPCとすればよく、選択が容易で
ある。この結果、直交変換データAD（ｉ，ｊ）
と最適ビツト割当てパターンのパターンコード
PCとが圧縮符号化回路８へ供給される。

第３図は圧縮符号化回路８のブロツク図であ
る。データAD（ｉ，ｊ）と、パターンコードPC
がそれぞれ遅延回路２０とバツフア２１に転送さ
れる。データAD（ｉ，ｊ）は遅延回路２０にて
パターンコードPCのデータ長（ビツト割当てパ
ターンが256個の場合は８ビツト）に対応する時
間だけ遅延されて、データセレクタ２２に転送さ
れる。一方、パターンコードPCはバツフア２１
からデータセレクタ２２に転送されるとともに、
メモリコントローラ２３にも転送される。この結
果、データセレクタ２２は最初にパターンコード
PCを、続いてデータAD（ｉ，ｊ）を出力する。
パターンコードPCのデータ長は固定であるので、
データセレクタ２２は出力を切換えることによつ
て、パターンコードPCに連続してデータAD（ｉ，
ｊ）をシフトレジスタ２６へ転送する。シフトレ
ジスタ２６は並列入力／直列出力である。

一方、メモリコントローラ２３はパターンコー
ドPCに基づいてデータ長格納メモリ２４から該
当するデータ長パターンを読出し、転送クロツク
ジエネレータ２５にセツトする。データ長格納メ
モリ２４はビツト割当てパターンメモリ１６と同
様にビツト割当てパターンBPk（ｉ，ｊ）を格納
していて、パターンコードPCで指定されたビツ
ト割当てパターンBP_PC（ｉ，ｊ）を出力する。

転送クロツクジエネレータ２５はビツト割当て
パターンBP_PC（ｉ，ｊ）に基づいて転送クロツク
CK′を発生する。シフトレジスタ２６は転送クロ
ツクCK′が入力された時だけデータをシフトして
バツフア２７に転送を行なうため、転送クロツク
ジエネレータ２５は最初にパターンコードPCの
ビツト長分の転送クロツクCK′を発生した後、各
画素データについては、画像データAD（ｉ，ｊ）
の８ビツトのデータのうち符号化に必要なビツト
長に相当する期間だけ転送クロツクCK′を発生す
る。この結果、パターンコードPCに続いて各画
像データのうちビツト割当てパターンに応じた有
効なビツトデータのみがバツフア２７に転送さ
れ、ブロツク毎の圧縮された画像データ列CDが
生成される。

圧縮されたデータ列CDの構造を第６図に示す。
第６図に示すように、先頭にパターンコードPC
が書かれており、PCのビツト長は固定である。

例えば、用意されたビツト割当てパターンが
256種類であれば、パターンコードPCは８ビツト
長となる。パターンコードPCの後には画像デー
タAD（ｉ，ｊ）が続く。ここで、画像データ全
体のデータ長は可変であり、パターンコードPC
と一対一に対応したデータ長であり、予め決めら
れている。一例として、第５図に示したパターン
２ではビツト長（各データのビツト長の総和）は
37ビツトである。パターンコードPCの直後には
画像データAD（ｉ，ｊ）の（１，１）成分が書
かれている。前述のパターン２の例では、８ビツ
ト長に相当する。次に、（１，２）成分が４ビツ
ト長で書かれている。以下同様に、画像データ
AD（ｉ，ｊ）のうち、ビツト割当てパターンに
より指定された有効なビツト長の成分を連続して
書込むことにより、画像データの圧縮符号化が達
成される。パターン２のビツト割当てパターンの
際には、パターンコードがPCが８ビツト長、デ
ータ配列が37ビツト長で、合計で45ビツト長に原
画像のブロツクデータがデータ圧縮されたことに
なる。これは、原画像の全長データ長が８×８×
８ビツト＝512ビツトであつたから、37／512＝
7.2％にデータ圧縮されたことを意味する。

以上の各ブロツク毎の処理を（Ｍ×Ｎ）／n²回
繰返し実施することにより、全ての原画像データ
は圧縮されたデータに変換されることになる。

逆に、圧縮されたデータ列を復元するために
は、先頭のパターンコードPCに従つて、ビツト
割当てパターンを呼出して、後に続くデータ列を
ビツト割当てパターンのデータ長に従つて画像デ
ータマトリクスに配分してから逆変換することに
よつて、ブロツク毎の原画像データが求まる。こ
の作業を同様に（Ｍ×Ｎ）／n²回繰返せばよい。

このように、この実施例によれば、各ビツト割
当てパターンにおける現画像データのオーバフロ
ー分を演算することにより、これを基に圧縮率を
最大にでき、しかも必要なデータを消失すること
のない最適なビツト割当てパターンを短時間で選
択できる。

なお、アダマール変換では変換後のデータ配列
において（１，１）成分以外は正負の符号を有す
るために、原画像データADとしては符号ビツト
を１ビツト付加したデータを用いてもよい。

以上、この発明の一実施例について説明を行な
つてきたが、この発明は上述した実施例に限定さ
れることなく、種々変形が可能である。例えば、
不要なビツトを切捨てるのにシフトレジスタを用
いたが、変換データの全ビツトデータに並列に作
動するゲートを用いてもよい。また、直交変換と
してはアダマール変換に限定されず、他の種類で
もよい。さらに、上述の機能をプログラムしたマ
イクロコンピユータによりソフトウエア的に実現
してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、単純な
演算の組合わせだけで、直交変換後のデータ配列
に対して最適なビツト割当てを高速に行なうこと
ができる画像データ圧縮装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による画像データ圧縮装置の
一実施例の概略構成を示すブロツク図、第２図は
ビツト割当てパターン選択回路のブロツク図、第
３図は圧縮符号化回路のブロツク図、第４図は画
像データの正規化の一例を示す図、第５図はビツ
ト割当てパターンの一例を示す図、第６図は圧縮
後のデータ構造を示す図である。 ２……データ正規化回路、４……直交変換回
路、６……ビツト割当てパターン選択回路、８…
…圧縮符号化回路、１１−１〜１１−ｋ……差分
回路、１２−１〜１２−ｋ……重み付け回路、１
３−１〜１３−ｋ……オーバフローカウンタ、１
４−１〜１４−ｋ……比較回路、１６……ビツト
割当てパターンメモリ、１７……ビツト割当てパ
ターンセレクタ、２０……遅延回路、２２……デ
ータセレクタ、２４……データ長格納メモリ、２
６……シフトレジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直交変換を利用した画像データ圧縮装置にお
   いて、 各画素毎に割り当てるビツト長を表わすビツト
   割り当てパターンが複数個登録されている記憶手
   段と、 直交変換後の画像データのデータ量と前記各ビ
   ツト割り当てパターンの割り当て量との差分を行
   なう演算手段と、 前記ビツト割り当てパターン毎の差分値が許容
   範囲内にあるかどうかを判定する比較手段と、 前記比較手段により前記差分値が前記許容範囲
   内にあると判定されたビツト割り当てパターンの
   中から最適なビツト割り当てパターンを選択する
   選択手段と を具備する画像データ圧縮装置。 ２ 前記比較手段は各ビツト割り当てパターンに
   固有の許容範囲を具備することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の画像データ圧縮装置。 ３ 前記演算手段は各画素毎に直交変換後の画像
   データと前記各ビツト割り当てパターンとの差分
   を行なう差分手段と、各画素毎の差分値に対して
   マトリクス内の位置に応じた重み係数を乗じる重
   み付け手段と、重み付け手段の出力を全マトリク
   スについて集計する手段とを具備することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の画像データ
   圧縮装置。