(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化装置において、
上記入力ディジタル情報信号をブロック化する手段と、
上記ブロック化された入力ディジタル情報信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出する検出手段と、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された入力ディジタル情報信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生する手段と、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された入力ディジタル情報信号を量子化する量子化手段と、
上記量子化手段の出力と上記選択信号とを伝送する手段と
からなることを特徴とする情報信号符号化装置。
【請求項２】
入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化装置において、
上記入力ディジタル情報信号のサンプル値同士の残差信号を生成する手段と、
上記残差信号をブロック化する手段と、
上記ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出する検出手段と、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生する手段と、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された残差信号を量子化する量子化手段と、
上記量子化手段の出力と上記選択信号とを伝送する手段と
からなることを特徴とする情報信号符号化装置。
【請求項３】
入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化方法において、
上記入力ディジタル情報信号をブロック化するステップと、
上記ブロック化された入力ディジタル情報信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出するステップと、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された入力ディジタル情報信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生するステップと、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された入力ディジタル情報信号を量子化するステップと、
上記量子化により発生した出力と上記選択信号とを伝送するステップと
からなることを特徴とする情報信号符号化方法。
【請求項４】
入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化方法において、
上記入力ディジタル情報信号のサンプル値同士の残差信号を生成するステップと、
上記残差信号をブロック化するステップと、
上記ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出するステップと、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生するステップと、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された残差信号を量子化するステップと、
上記量子化により発生した出力と上記選択信号とを伝送するステップと
からなることを特徴とする情報信号符号化方法。
【請求項５】
入力ディジタル情報信号から少なくとも第１および第２の階層データを形成し、上記第１および第２の階層データを符号化して伝送するようにした情報信号符号化装置において、
上記第１の階層データより解像度がより低い上記第２の階層データを形成する手段と、
上記第２の階層データから上記第１の階層データを予測する手段と、
上記予測されたデータと上記第１の階層データとの残差信号を形成する手段と、
上記残差信号をブロック化する手段と、
上記ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出する検出手段と、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生する手段と、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された残差信号を量子化する量子化手段と、
上記量子化手段の出力と上記選択信号とを伝送する手段と
からなることを特徴とする情報信号符号化装置。
【請求項６】
入力ディジタル情報信号から少なくとも第１および第２の階層データを形成し、上記第１および第２の階層データを符号化して伝送するようにした情報信号符号化方法において、
上記第１の階層データより解像度がより低い上記第２の階層データを形成するステップと、
上記第２の階層データから上記第１の階層データを予測するステップと、
上記予測されたデータと上記第１の階層データとの残差信号を形成するステップと、
上記残差信号をブロック化するステップと、
上記ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出するステップと、
上記最小値およびダイナミックレンジに基づいて、上記ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された上記存在範囲に対応する選択信号を発生するステップと、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性が上記選択信号によって選択され、選択された上記量子化特性で上記ブロック化された残差信号を量子化するステップと、
上記量子化により発生した出力と上記選択信号とを伝送するステップと
からなることを特徴とする情報信号符号化方法。
【請求項７】
ブロックの最小値およびダイナミックレンジに基づいて検出された残差信号のレベルの存在範囲に対応する選択信号に応じて選択された、量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、上記所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、上記存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と上記存在範囲との差が最も小さい量子化特性によって、ブロック化された残差信号が量子化され、量子化出力と上記選択信号とが伝送される符号化方法に対する情報信号復号方法において、
上記選択信号を受け取って、逆量子化特性を選択するステップと、
上記選択された逆量子化特性によって量子化出力を代表値へ変換する逆量子化のステップと、
上記代表値に変換された残差信号をブロック分解し、元の順序へ変換するステップとからなることを特徴とする情報信号復号方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばディジタルオーディオ信号、ディジタル画像信号等のディジタル情報信号の発生データ量を低減するようにした情報信号符号化装置、符号化方法および復号方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタルオーディオ信号、ディジタル画像信号等の伝送情報量を低減するために、予測符号化が知られている。例えば１次元ＤＰＣＭは、時間方向において、入力サンプル値と予測値との差分（残差）を形成し、２次元ＤＰＣＭは、空間方向において入力サンプル値と予測値との残差を形成する。ディジタル情報信号は、時間方向、空間方向の相関を有しているので、残差が０付近に集中する。従って、残差信号を元の量子化ビット数より少ないビット数により量子化することが可能で、それによって、情報量を圧縮できる。また、残差信号の分布の集中を利用して可変長符号化を行なうことによって、さらに、情報量を圧縮できる。可変長符号化としては、ランレングス、ハフマン符号化が知られている。
【０００３】
さらに、量子化誤差を少なくするために、残差信号の０付近の値の量子化ステップを細かいものとし、残差信号のレベルが大きい場合では、量子化ステップを粗くする、非線形量子化も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
残差信号を量子化する一つの方法として、残差信号をブロック毎にまとめて、残差信号のレベルの存在する範囲を狭いものとして、量子化ビット数をより少なくすることが提案されている。このように、ブロック化された残差信号の場合では、ブロックによって、残差信号のレベルが必ずしも０に集中するとは限らず、種々のレベル分布を有するものとなる。従って、ブロック化された残差信号の存在しうるレベル範囲の全体を線形量子化により量子化する場合、量子化ビット数を少なくした時に、量子化誤差が増大する問題があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は、ブロック化された信号のレベルの分布に適応した量子化特性を選択することによって、量子化誤差をより少なくすることが可能な情報信号符号化装置、符号化方法、および復号方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化装置において、
入力ディジタル情報信号をブロック化する手段と、
ブロック化された入力ディジタル情報信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出する検出手段と、
最小値およびダイナミックレンジに基づいて、ブロック化された入力ディジタル情報信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された存在範囲に対応する選択信号を発生する手段と、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と存在範囲との差が最も小さい量子化特性が選択信号によって選択され、選択された量子化特性でブロック化された入力ディジタル情報信号を量子化する量子化手段と、
量子化手段の出力と選択信号とを伝送する手段と
からなることを特徴とする情報信号符号化装置である。
請求項２に記載の発明は、ブロック化された残差信号に対して、上述した量子化を適用する情報信号符号化装置である。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、入力ディジタル情報信号を発生データ量を少なくするように符号化する情報信号符号化方法において、
入力ディジタル情報信号をブロック化するステップと、
ブロック化された入力ディジタル情報信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出するステップと、
最小値およびダイナミックレンジに基づいて、ブロック化された入力ディジタル情報信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された存在範囲に対応する選択信号を発生するステップと、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と存在範囲との差が最も小さい量子化特性が選択信号によって選択され、選択された量子化特性でブロック化された入力ディジタル情報信号を量子化するステップと、
量子化により発生した出力と選択信号とを伝送するステップと
からなることを特徴とする情報信号符号化方法である。
請求項４の発明は、ブロック化された残差信号に対して上述の量子化を適用する情報信号符号化方法である。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、入力ディジタル情報信号から少なくとも第１および第２の階層データを形成し、第１および第２の階層データを符号化して伝送するようにした情報信号符号化装置において、
第１の階層データより解像度がより低い第２の階層データを形成する手段と、
第２の階層データから第１の階層データを予測する手段と、
予測されたデータと第１の階層データとの残差信号を形成する手段と、
残差信号をブロック化する手段と、
ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出する検出手段と、
最小値およびダイナミックレンジに基づいて、ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された存在範囲に対応する選択信号を発生する手段と、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と存在範囲との差が最も小さい量子化特性が選択信号によって選択され、選択された量子化特性でブロック化された残差信号を量子化する量子化手段と、
量子化手段の出力と選択信号とを伝送する手段と
からなることを特徴とする情報信号符号化装置である。
【０００９】
請求項６に記載の発明は、入力ディジタル情報信号から少なくとも第１および第２の階層データを形成し、第１および第２の階層データを符号化して伝送するようにした情報信号符号化方法において、
第１の階層データより解像度がより低い第２の階層データを形成するステップと、
第２の階層データから第１の階層データを予測するステップと、
予測されたデータと第１の階層データとの残差信号を形成するステップと、
残差信号をブロック化するステップと、
ブロック化された残差信号のブロック毎の最小値およびダイナミックレンジを検出するステップと、
最小値およびダイナミックレンジに基づいて、ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲を検出し、検出された存在範囲に対応する選択信号を発生するステップと、
量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、存在範囲を含み、且つ、上記所定の量子化範囲と存在範囲との差が最も小さい量子化特性が選択信号によって選択され、選択された量子化特性でブロック化された残差信号を量子化するステップと、
量子化により発生した出力と選択信号とを伝送するステップと
からなることを特徴とする情報信号符号化方法である。
【００１０】
請求項７の発明は、ブロックの最小値およびダイナミックレンジに基づいて検出された残差信号のレベルの存在範囲に対応する選択信号に応じて選択された、量子化値の割り当てが所定の量子化範囲において他の量子化範囲における量子化値割り当てより密であり、所定の量子化範囲が異なる複数の量子化特性のうちで、存在範囲を含み、且つ、所定の量子化範囲と存在範囲との差が最も小さい量子化特性によって、ブロック化された残差信号が量子化され、量子化出力と選択信号とが伝送される符号化方法に対する情報信号復号方法において、
選択信号を受け取って、逆量子化特性を選択するステップと、
選択された逆量子化特性によって量子化出力を代表値へ変換する逆量子化のステップと、
代表値に変換された残差信号をブロック分解し、元の順序へ変換するステップとからなることを特徴とする情報信号復号方法である。
【００１１】
入力ディジタル情報信号と予測信号との残差信号がブロック化される。ブロック内の残差信号の最小値およびダイナミックレンジが検出される。最小値およびダイナミックレンジに基づいて、ブロックの残差信号の分布の偏りが調べられる。このレベル分布の偏りに適応した量子化特性が選択される。従って、量子化誤差を少なくすることが可能となる。量子化出力と、量子化特性の選択のための選択信号が伝送される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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。この一実施例では、ビデオ信号が所定のサンプリング周波数でサンプリングされ、各サンプルが所定の量子化ビット数へ変換されたディジタル画像信号に対して、この発明が適用される。図１は、この発明の一実施例のシステムの構成を全体的に示す。
【００１３】
図１において、１２１で示す入力端子にディジタルビデオ信号が供給される。入力信号が減算器１２３に供給され、減算器１２３の出力（残差信号）がブロック化回路１２４および予測器１２２に供給され、予測器１２２で生成された予測信号が減算器１２３に供給される。減算器１２３は、入力信号から予測信号を減算し、予測残差を発生する。この残差信号がブロック化回路１２４に供給され、ラスター走査の順序からブロックの順序のデータへ変換される。ブロック化された残差信号が符号化ユニット１２５に供給される。
【００１４】
符号化ユニット１２５は、後述するように、残差信号を元の量子化ビット数より少ない量子化ビット数により再量子化する際に、残差信号のレベルの存在範囲に適応した量子化特性が選択される構成を有している。符号化ユニット１２５の符号化出力（量子化出力およびセレクト信号）がエラー訂正符号エンコーダ１２６に供給され、エラー訂正符号の冗長コードが付加される。エラー訂正符号エンコーダ１２６の出力が変調部１２７に供給される。変調部１２７は、記録、伝送等に適した形態にディジタル信号を変調する。変調部１２７からの出力信号が記録ユニット１２８に供給され、記録ユニット１２８によって記録信号が情報信号記録媒体１２９に記録される。また、伝送路１３０を介してデータを伝送することも可能で、その場合では、記録ユニット１２８の代わりに伝送ユニットが使用される。情報信号記録媒体１２９は、磁気、光磁気、相変化等を利用したディスク状、あるいはテープ状の記録媒体である。半導体メモリも一種の記録媒体である。
【００１５】
記録媒体１２９からデータを再生ユニット１３１が再生し、または伝送路１３０を介して伝送されたデータが受信される。再生ユニット１３１により再生されたデータが復調部１３２により復調され、復調出力がエラー訂正符号のデコーダ１３３に供給される。このデコーダ１３３は、冗長コードを利用してエラーを訂正し、また、訂正できないで残ったエラーを目立たないように修整する。
【００１６】
エラー訂正デコーダ１３３の出力が復号化ユニット１３４に供給される。復号化ユニット１３４では、後述するように、符号化ユニット１２５と逆に、受け取ったセレクト信号によって、使用された量子化器と対応する逆量子化器を選択する処理と、選択された逆量子化器によってなされる逆量子化の処理とがなされる。復号化ユニット１３４から復号された残差信号が発生する。この復号残差信号がブロック分解回路１３５に供給される。ブロック分解回路１３５では、ブロック構造がラスター走査の順序に戻される。
【００１７】
復号残差信号が加算回路１３６に供給される。加算回路１３６により復号画像信号が形成され、出力端子１３７に取り出される。また、この復号画像信号が予測器１３８に供給され、予測信号が生成される。予測信号が加算回路１３６に供給される。
【００１８】
図２は、符号化ユニット１２５の一例を示す。ブロック化回路１２４からのブロック化された残差信号が入力端子１に供給される。図３は、残差信号の形成を概略的に示すものである。図３における一つの矩形の領域が１つの画素と対応している。ａ〜ｈのそれぞれは、局部復号された画素値を示し、Ａ〜Ｐは、符号化される前の画素値を示す。画素値Ａに対しての予測値Ａ’は、近傍の局部復号画素値を使用して予測器１２２により生成される。例えば予測値Ａ’は、Ａ’＝４ｃ−３（ｂ−ｆ）、Ａ’＝ｆ＋ｃ−ｂ等の予測式に従って形成される。画素値Ｂ、Ｃ、・・・に対する予測値も同様の予測式によって計算される。
【００１９】
減算器１２３では、画素値（例えばＡ）から予測値（例えばＡ’）が減算され、残差信号Δａが生成される。同様に、残差信号Δｂ、Δｃ、・・・が生成される。ブロック化回路１２４では、生成された残差信号がブロック構造に変換される。例えばブロック化回路１２４によって、図３Ａの太線の枠で示すように、（４×４）のブロックと対応する残差信号Δａ〜Δｐのブロックのデータが形成される。なお、ディジタルオーディオ信号を扱う場合には、時間方向の予測値が形成され、１次元の残差信号のブロックが形成される。
【００２０】
残差信号は、ブロック化することによって、集中度を高めることが可能である。１画素が８ビットのデータの場合では、１画面の全体の残差信号の発生度数の分布は、０を中心として（−２５５〜＋２５５）の範囲のものであり、残差が０の度数が最大となる。しかしながら、ブロックに分割した場合には、残差のレベル分布がもとの分布に比してより狭い範囲のものとなる。また、ブロックに分割した場合では、残差の最大の度数が必ずしも、０と一致しない。
【００２１】
これは、１画面と比較して小空間のブロック内の残差は、大きな値となるものが確率的に少なく、また、ブロック内では残差の相関が強いことに因る。また、０の値の度数が最大とならないことは、ブロック内で輝度のレベルが例えば対角線方向に除々に変化する場合等に生じる。なお、残差のレベル分布の集中度を高める方法は、ブロック化が一例であって、これ以外の方法も可能である。
【００２２】
図２に戻って、符号化ユニット１２５について説明する。入力端子１からの残差信号が最大値検出回路２、最小値検出回路３および遅延回路５に供給される。最大値検出回路２では、ブロック毎の最大値ＭＡＸが検出され、最小値検出回路３では、ブロック毎の最小値ＭＩＮが検出される。検出された最大値ＭＡＸおよび最小値ＭＩＮが減算回路４およびセレクト信号生成回路７へ供給される。
【００２３】
減算回路４では、ＭＡＸ−ＭＩＮの演算によって、そのブロックの残差信号のダイナミックレンジＤＲが検出される。このダイナミックレンジＤＲがセレクト信号生成回路７に供給される。セレクト信号生成回路７は、セレクト信号ＳＬを発生し、この信号ＳＬが分配器６に対して制御信号として供給される。分配器６に対しては、遅延回路５により位相合わせがなされた残差信号が供給される。
【００２４】
分配器６に対して、互いに量子化特性が異なる複数の量子化器８1 〜８n が接続されている。そして、セレクト信号ＳＬに応答して、分配器６が残差信号を選択的に量子化器８1 〜８n の一つに供給する。そして、その量子化器では、残差信号が量子化される。量子化器８1 〜８n の量子化特性については、後述する。一例として、各画素が８ビットで量子化されている場合、その値は、０〜＋２５５の範囲に含まれ、残差信号の値は、−２５５〜＋２５５をとりうる。ブロック化された残差信号のレベルの存在範囲は、より集中したものになるので、量子化誤差の増大を抑えながら、残差信号の量子化ビット数としては、元のビット数（８ビット）より少ないビット数を採用できる。量子化器８1 〜８n の量子化出力ｑ1 〜ｑn とセレクト信号ＳＬとがフレーミング回路９に供給される。フレーミング回路９の出力端子１０には、セレクト信号と量子化出力が所定のフレーム構造のデータとして出力される。
【００２５】
上述したように予測符号化により発生した残差信号は、図４Ａに示すように、そのブロックによってさまざまな偏りを持っている。図４Ａにおいて、ａで示す残差信号は、負側に偏っており、ｂで示す残差信号は、最大度数が０の値と一致したものであり、ｃで示す残差信号は、正側に偏っている。図４Ｂに示すブロックの残差信号の例は、（ＭＩＮ＝０、ＭＡＸ＝＋２５５、ＤＲ＝２５５）である。すなわち、正側に偏ったレベル分布を有する残差信号である。また、図４Ｃに示すブロックの残差信号の例は、（ＭＩＮ＝−２５５、ＭＡＸ＝０、ＤＲ＝２５５）である。すなわち、負側に偏ったレベル分布を有する残差信号である。
【００２６】
一般的には、コードのビット数がｎの場合、２n または２n −１の個数の範囲にＭＡＸおよびＭＩＮの間が分割される。量子化時では、分割された範囲に属する残差信号に同一のコードが割り当てられる。そのコードは、復元されると、範囲の中央の代表値へ変換される。図５Ａは、従来の線形量子化の特性を示している。ここでは、ｎ＝３とされ、ＭＡＸおよびＭＩＮの間が７個の範囲に分割されている。縦軸（出力レベル）において、×は、逆量子化によって復元される代表値を示している。従来の線形量子化は、７個のレベル範囲に関して、量子化歪みが均一となるものである。
【００２７】
しかしながら、図４Ｂに示す残差信号の場合では、実際に残差信号が存在しているのは、正の範囲であるので、正および負側にそれぞれ３個の量子化値を割当てる、従来の線形量子化の場合、負側への量子化値の割当てが無駄になる。また、図４Ｃに示す残差信号の場合では、正側への量子化値の割当てが無駄になる。そこで、この発明の一実施例では、残差信号の分布の偏りを考慮した非線形量子化を可能とする。例えば残差信号の存在範囲が正側に偏っている時には、図５Ｂに示すように、正側に５個の量子化値を割当て、負側に１個の量子化値を割り当てるような非線形量子化を行う。逆に、残差信号の存在範囲が負側に偏っている時には、負側により多くの量子化値を割当てるような非線形量子化を行う。
【００２８】
分配器６に接続された複数の量子化器８1 〜８n は、上述したように、残差信号の存在範囲を考慮した量子化特性をそれぞれ有する。必要に応じて量子化器８1 〜８n のひとつが従来同様の線形量子化特性を有するものとされ、それ以外が非線形量子化特性を有している。セレクト信号生成回路７は、ダイナミックレンジＤＲおよび最小値ＭＩＮから残差信号の存在範囲が０を中心とするものか、あるいは正負の一方に偏っているものかを調べることができる。より具体的には、最小値ＭＩＮ、ダイナミックレンジＤＲをそれぞれしきい値と比較し、偏りと存在範囲の情報を含む複数ビットのセレクト信号ＳＬが形成される。セレクト信号ＳＬによって分配器６が制御され、そのブロックの残差信号が適切な量子化特性を有する量子化器に対して供給される。
【００２９】
図６は、ダイナミックレンジＤＲおよび最小値ＭＩＮに基づいて選択される量子化特性の他の例を示す。図６の縦軸は、ダイナミックレンジＤＲ（０〜＋５１１）を示し、横軸が最小値ＭＩＮ（−２５５〜＋２５５）を示す。残差信号は、ＤＲ＝＋５１１とＭＩＮ＝＋２５５とを結ぶ斜め線より下側に存在しうる。図６において、ダイナミックレンジＤＲを２等分する線と、最小値ＭＩＮを４等分する線を描くことによって、存在しうる残差信号を６個の量子化特性Ｑ１〜Ｑ６と図示しない従来同様の線形量子化特性によって量子化することができる。
【００３０】
量子化特性Ｑ１は、正側に偏った分布を有する残差信号を量子化する。量子化特性Ｑ２は、やや正側に偏った分布を有する残差信号を量子化する。量子化特性Ｑ３およびＱ４は、やや負側に偏った分布を有する残差信号を量子化する。量子化特性Ｑ５およびＱ６は、０および負側に偏った分布を有する残差信号を量子化する。また、これらの量子化特性Ｑ１〜Ｑ６において、量子化ビット数を共通とする必要はなく、量子化特性Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 、Ｑ5 の量子化ビット数をｎ1 とし、それ以外の量子化特性Ｑ4 、Ｑ6 のビット数をｎ2 と異ならせるようにしても良い。この場合、例えばｎ2 ＞ｎ1 とされる。なお、残差信号の存在範囲が複数の範囲にまたがるような場合では、従来同様の線形量子化処理がなされる。
【００３１】
残差信号の存在範囲をカバーし、且つ互いに異なる複数の量子化特性を設定することができるならば、図６に示すもの以外の量子化特性を設定しても良い。例えば残差信号の０を含む範囲を量子化する特性を別個に設けても良い。
【００３２】
図７を参照して、図２の復号化ユニット１３４の一例について説明する。エラー訂正デコーダ１３３からの再生、あるいは受信データが復号化ユニット１３４の入力端子２１に供給される。フレーム分解回路２２によって、セレクト信号ＳＬと量子化出力ｑ（ｑ1 〜ｑn のうちの一つ）とが分離される。分離されたセレクト信号ＳＬがレジスタ２３に保持され、分離された量子化出力が分配器２４に供給される。
【００３３】
分配器２４に対して逆量子化器２５1 〜２５n が接続されている。符号化ユニット１２５の分配器６と同様にセレクト信号ＳＬにより分配器２４が制御され、フレーム分解回路２２からの量子化出力が対応する逆量子化器に供給される。逆量子化器２５1 〜２５n は、符号化ユニット１２５の量子化器８1 〜８n とは逆に、量子化値を代表値へ変換する。復元された代表値が出力端子２６に取り出される。出力端子２６に取り出された復号残差信号がブロック分解回路１２５に供給される（図１参照）。
【００３４】
次に、この発明を階層符号化に対して適用した他の実施例について説明する。ここで説明する階層符号化装置は、階層間で予測を行ない、また、階層間データに対し単純な算術式を用いることで、符号化対象画素数の増加を防止することができるものである。
【００３５】
図８を参照してこの階層符号化方法について説明する。図８は、一例として第１階層を最下位階層（原画）とし、第４階層を最上位階層とする４階層からなる階層間の模式図を示している。例えば、上位階層データ生成法として、空間的に対応する４画素の下位階層データの平均値を採用する場合、伝送画素数が増加しないようにできる。
【００３６】
すなわち、上位階層データをＭ、下位階層画素値をｘ0 、ｘ1 、ｘ2 、ｘ3 とすると、
Ｍ＝１／４・（ｘ0 ＋ｘ1 ＋ｘ2 ＋ｘ3 ）
によりデータＭが形成される。そして、データＭと、４個のデータの内の例えばｘ3 以外の３個のデータを伝送する。受信あるいは再生側では、
ｘ3 ＝４・Ｍ−（ｘ0 ＋ｘ1 ＋ｘ2 ）
という単純な算術式により非伝送画素ｘ3 を容易に復元することができる。図８において、斜線の矩形は、非伝送画素を示している。
【００３７】
図９は、上述した平均化を使用する例えば５階層の階層符号化の構成を示す。第１階層が入力画像の解像度レベルであるとする。この第１階層のブロックサイズは、（１×１）である。第２階層データは、第１階層データの４画素平均により生成される。この例では、第１階層データＸ1 （０）〜Ｘ1 （３）の平均値により、第２階層データＸ2 （０）が生成される。Ｘ2 （０）に隣接する第２階層データＸ2 （１）〜Ｘ2 （３）も同様に第１階層データの４画素平均により生成される。この第２階層のブロックサイズは、（１／２×１／２）である。
【００３８】
さらに、第３階層データは、空間的に対応する第２階層データの４画素平均により生成される。この第３階層のブロックサイズは、（１／４×１／４）である。また、第４階層のデータも同様に第３階層のデータから生成される。この第４階層のブロックサイズは、（１／８×１／８）である。最後に、最上位階層である第５階層データＸ5 （０）が第４階層データＸ4 （０）〜Ｘ4 （３）の平均値により生成される。この第５階層のブロックサイズは、（１／１６×１／１６）である。
【００３９】
上述した符号化対象画素数の増加を防止した階層構造データに対し、上位階層データにクラス分類適応予測を適用することで、下位階層データを予測し、下位階層データとその予測値との差分（すなわち、残差信号）を生成することで伝送データ量の削減を図ることができる。図１０は、そのような符号化ユニットを示す。入力端子４１を介して第１階層データｄ０が入力画像データｄ０として平均化回路４２および減算器４６へ供給される。第１階層データが元の解像度の画像データである。
【００４０】
入力画素データｄ０は、平均化回路４２において、１／４平均処理が実行され、階層データｄ１が生成される。この階層データｄ１は、図９に示す第２階層データに対応する。生成された階層データｄ１は、平均化回路４３および減算器４７へ供給される。
【００４１】
階層データｄ１に対して、平均化回路４３では、平均化回路４２と同様な処理が施され、階層データｄ２が生成される。この階層データｄ２は、第３階層データに対応する。生成された階層データｄ２は、平均化回路４４および減算器４８へ供給される。また、平均化回路４４でも同様に階層データｄ２に対して１／４平均処理がなされ、階層データｄ３が生成される。この階層データｄ３は、第４階層データに対応する。生成された階層データｄ３は、平均化回路４５および減算器４９へ供給される。さらに、平均化回路４５でも同様に階層データｄ３に対して１／４平均処理がなされ、階層データｄ４が生成される。この階層データｄ４は、第５階層データに対応する。生成された階層データｄ４は、量子化器５４へ供給される。
【００４２】
そして、これら５つの階層データについて階層間で予測が行われる。先ず、第５階層においてなされる圧縮のための量子化処理は、量子化器５４によりなされる。この量子化器５４の出力データｄ２１が可変長符号のエンコーダ７１に供給されると共に、逆量子化器５８へも供給される。エンコーダ７１の出力が出力端子７６に第５階層のデータとして取り出される。符号化データｄ２１が供給された逆量子化器５８の出力データｄ１６がクラス分類適応予測回路６２へ供給される。
【００４３】
クラス分類適応予測回路６２では、データｄ１６を使用して予測処理がなされ、第４階層データの予測値ｄ１２が生成され、この予測値ｄ１２が減算器４９へ供給される。この減算器４９では、平均化回路４４から供給される階層データｄ３と予測値ｄ１２との差分値が求められ、その差分値ｄ８が量子化器５３へ供給される。
【００４４】
差分値ｄ８が供給された量子化器５３では、量子化器５４と同様に量子化ビット数を低減するように、再量子化がなされる。この量子化器５３の出力データが演算器６６および逆量子化器５７へ供給される。この演算器６６では、４画素から１画素を間引く処理が行われる。演算器６６から出力されるデータｄ２０が可変長符号のエンコーダ７０で符号化され、エンコーダ７０の出力が出力端子７５に第４階層の出力データとして取り出される。
【００４５】
クラス分類適応予測回路６２により予測された第４階層データｄ１２と、逆量子化器５７の出力データ（復号残差信号）ｄ１５がクラス分類適応予測回路６１へ供給される。クラス分類適応予測回路６１では、データｄ１２に対してデータｄ１５を加算することによって、第４階層のローカル復号データを形成し、このローカル復号データを使用して予測処理がなされ、第３階層データの予測値ｄ１１が生成され、予測値ｄ１１が減算器４８へ供給される。この減算器４８では、平均化回路４３から供給されるデータｄ２と予測値ｄ１１との差分値が求められ、その差分値ｄ７が量子化器５２へ供給される。
【００４６】
差分値ｄ７が供給された量子化器５２の出力データが演算器６５および逆量子化器５６へ供給される。この演算器６５では、４画素から１画素を間引く処理が行われる。演算器６５から出力される第３階層データｄ１９が可変長符号のエンコーダ６９に供給され、エンコーダ６９の出力が出力端子７４に第３階層のデータとして取り出される。
【００４７】
クラス分類適応予測回路６１により予測された第３階層データｄ１１と、量子化器５２から符号化データが供給された逆量子化器５６の出力データｄ１４がクラス分類適応予測回路６０へ供給される。クラス分類適応予測回路６０では、データｄ１１に対してデータｄ１４を加算することによって、第３階層のローカル復号データを形成し、このローカル復号データを使用して予測処理がなされ、第２階層データの予測値ｄ１０が生成され、予測値ｄ１０が減算器４７へ供給される。この減算器４７では、平均化回路４２から供給されるデータｄ１と予測値ｄ１０との差分値が求められ、その差分値ｄ６が量子化器５１へ供給される。
【００４８】
量子化器５１の出力データは、演算器６４および逆量子化器５５へ供給される。この演算器６４では、４画素から１画素を間引く処理が行われる。演算器６４から出力される第２階層データｄ１８が可変長符号のエンコーダ６８に供給され、エンコーダ６８の出力が出力端子７３に第２階層のデータとして取り出される。
【００４９】
クラス分類適応予測回路６０により予測された第２階層データｄ１０と、量子化器５１から符号化データが供給された逆量子化器５５の出力データｄ１３がクラス分類適応予測回路５９へ供給される。クラス分類適応予測回路５９では、データｄ１０に対してデータｄ１３を加算することによって、第２階層のローカル復号データを形成し、このローカル復号データを使用して予測処理がなされ、第１階層データの予測値ｄ９が生成され、予測値ｄ９が減算器４６へ供給される。この減算器４６では、入力端子４１から供給される入力画素データｄ０と予測値ｄ９との差分値が求められ、その差分値ｄ５が量子化器５０へ供給される。
【００５０】
差分値ｄ５が供給された量子化器５０の出力データは、演算器６３へ供給される。この演算器６３では、４画素から１画素を間引く処理が行われる。演算器６３から出力される第１階層データｄ１７が可変長符号のエンコーダ６７に供給され、エンコーダ６７の出力が出力端子７２に第１階層のデータとして取り出される。
【００５１】
クラス分類適応予測回路５９、６０、６１、６２のそれぞれは、予測しようとする下位階層の画素をその空間的に近傍の複数の画素（上位階層に含まれる）のレベル分布に基づいて予測するものである。図１２は、クラス分類適応予測回路の一例を示す。入力端子１４１からのローカル復号データが周辺コード値形成部１４２に供給される。周辺コード値形成部１４２は、予測しようとする下位階層の画素の近傍に位置する複数のデータｘ1 、ｘ2 、・・・・、ｘn を同時化する。周辺コード値がクラス分類部１４３および遅延部１４５に供給される。クラス分類部１４３は、周辺コード値ｘ1 〜ｘn のレベル分布のパターンと対応したクラスコードを出力する。クラスコードとしては、周辺コード値それ自体を使用しても良いが、クラス数が膨大となるので、周辺コードのそれぞれのビット数をＡＤＲＣ等により例えば１ビットに圧縮したものが使用される。クラス分類部１４３から発生したクラスコードが予測係数メモリ１４４に対してアドレス信号として供給される。
【００５２】
予測係数メモリ１４４には、予め学習により獲得された予測係数ｗ1 〜ｗn がアドレス毎に格納されている。すなわち、教師信号（例えば第４階層のデータ）と、入力信号（第４階層のデータから平均化処理で形成された第５階層のデータ）とを使用し、入力信号の複数のデータと係数との線形１次結合により予測値を求め、この予測値と教師信号の真値との誤差の自乗和を最小とするような係数がクラス毎に最小自乗法により求められる。クラスコードに対応して予測係数メモリ１４４から読出された予測係数ｗ１〜ｗn と遅延部１４５からの周辺コード値ｘ1 〜ｘn とが予測演算部１４６に供給される。
【００５３】
予測演算部１４６では、下記の線形１次結合式によって、予測値ｙが計算される。
ｙ＝ｗ1 ｘ1 ＋ｗ2 ｘ2 ＋・・・・・＋ｗn ｘn 
予測演算部１４６により求められた予測値ｙが出力端子１４７に取り出される。なお、クラス分類のために使用される周辺コード値と、予測演算のために使用される周辺コード値とが異なったものでも良い。
【００５４】
上述した一実施例における符号化ユニット１２５（図２参照）と同様の構成が階層符号化のエンコーダ側にも設けられている。つまり、符号化ユニット１２５と同様に、残差信号の存在範囲に適応して量子化特性を制御するようにした構成を量子化器５０、５１、５２、５３、５４がそれぞれ有する。
【００５５】
次に、上述のエンコーダと対応する階層符号化のデコーダ側の構成例を図１１に示す。エンコーダ側で生成された各階層データは、ｄ３０〜ｄ３４として入力端子８１、８２、８３、８４、８５にそれぞれ供給される。そして、可変長符号のデコーダ８６、８７、８８、８９、９０にて可変長符号の復号がなされる。これらのデコーダに対して、逆量子化器９１、９２、９３、９４、９５がそれぞれ接続される。
【００５６】
先ず、第５階層入力データｄ３４は、逆量子化器９５において、エンコーダで施された量子化に対応する復号処理が行われ、画像データｄ３９となり、クラス分類適応予測回路１０７および演算器１０３へ供給される。また画像データｄ３９は、第５階層の画像出力として、出力端子１１２から取り出される。
【００５７】
クラス分類適応予測回路１０７では、第４階層の画像データに対してクラス分類適応予測が施され、第４階層データの予測値ｄ４７が生成される。逆量子化器９４からのデータｄ３８（すなわち、差分値）と予測値ｄ４７とが加算器９９で加算される。加算器９９から画像データｄ４３が演算器１０３へ供給され、演算器１０３では、非伝送画素の値を求めるために、上述した演算が実行され、逆量子化器９５から供給された画像データｄ３９と画像データｄ４３から第４階層の全画素値が復元される。この演算器１０３において、復元された全画素値は、画像データｄ５１として、クラス分類適応予測回路１０６および演算器１０２へ供給される。また画像データｄ５１は、第４階層の出力として、出力端子１１１から取り出される。
【００５８】
クラス分類適応予測回路１０６では、第３階層の画像データに対してクラス分類適応予測が施され、第３階層データの予測値ｄ４６が生成される。逆量子化器９３からのデータｄ３７と予測値ｄ４６とが加算器９８で加算される。加算器９８から画像データｄ４２が演算器１０２へ供給され、演算器１０２により非伝送画素の値が求められ、演算器１０３から供給された画像データｄ５１と画像データｄ４２から第３階層の全画素値が復元される。この演算器１０２において、復元された全画素値は、画像データｄ５０として、クラス分類適応予測回路１０５および演算器１０１へ供給される。また画像データｄ５０は、第３階層の出力として、出力端子１１０から取り出される。
【００５９】
また、クラス分類適応予測回路１０５では、第２階層の画像データに対してクラス分類適応予測が施され、第２階層データの予測値ｄ４５が生成される。逆量子化器９２からのデータｄ３６と予測値ｄ４５とが加算器９７で加算される。加算器９７から画像データｄ４１が演算器１０１へ供給され、演算器１０１により非伝送画素の値が求められ、演算器１０２から供給された画像データｄ５０と画像データｄ４１から第２階層の全画素値が復元される。この演算器１０１において、復元された全画素値は、画像データｄ４９として、クラス分類適応予測回路１０４および演算器１００へ供給される。また画像データｄ４９は、第２階層の出力として、出力端子１０９から取り出される。
【００６０】
さらに、クラス分類適応予測回路１０４では、第１階層の画像データに対してクラス分類適応予測が施され、第１階層データの予測値ｄ４４が生成される。逆量子化器９１からのデータｄ３５と予測値ｄ４４とが加算器９６で加算される。加算器９６から画像データｄ４０が演算器１００へ供給され、演算器１００により非伝送画素の値が求められ、演算器１０１から供給された画像データｄ４９と画像データｄ４０から第１階層の全画素値が復元される。この演算器１００において、復元された全画素値は、画像データｄ４８として、第１階層の出力として、出力端子１０８から取り出される。こうして、符号化対象画素数の増加を防止した階層符号化において、クラス分類適応予測を導入することで符号化効率の向上を図ることが可能となる。
【００６１】
上述した一実施例の復号化ユニット１３４と同様の構成を逆量子化器９１、９２、９３、９４、９５がそれぞれ有する。従って、上述した階層符号化に対してこの発明を適用した他の実施例によっても、上述した一実施例と同様に、ブロック化された残差信号を量子化歪みの増加を抑えつつ量子化することができる。
【００６２】
この発明は、上述した予測符号化以外の予測符号化で発生した残差信号の量子化に対しても適用できる。また、この発明は、残差信号に限らず画像信号の量子化に対しても適用できる。さらに、この発明は、量子化ステップ幅を制御することによって、発生データ量を制御するバッファリングの構成を有するシステムに対しても適用することができる。
【００６３】
【発明の効果】
この発明に依れば、ブロック化により存在範囲が狭いものとされたデータを量子化する場合、存在範囲に適応した量子化特性を選択するので、量子化歪みを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用できる記録／再生、あるいは伝送システムの一例のブロック図である。
【図２】この発明の一実施例のブロック図である。
【図３】この発明の一実施例中の残差信号の生成と、そのブロック化の説明に用いる略線図である。
【図４】この発明の一実施例中の残差信号の説明に用いる略線図である。
【図５】この発明の一実施例中の量子化特性の説明に用いる略線図である。
【図６】量子化特性の他の例の説明に用いる略線図である。
【図７】この発明の一実施例における復号化ユニットのブロック図である。
【図８】階層符号化の一例の説明に用いる略線図である。
【図９】階層符号化の一例の説明に用いる略線図である。
【図１０】階層符号化に対してこの発明を適用した他の実施例のエンコード側の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】この発明の他の実施例のデコード側の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】この発明の他の実施例中のクラス分類適応予測回路の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２・・・最大値検出回路，３・・・最小値検出回路，６・・・分配器、７・・・セレクト信号生成回路、８1 〜８n ・・・量子化器
【図１】
0003968799.tif 000002
【図２】
0003968799.tif 000003
【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
0003968799.tif 000009
【図９】
0003968799.tif 000010
【図１０】
0003968799.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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