JP2000324494A - 動画像符号化装置 - Google Patents

動画像符号化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力する符号のビットレートが目標ビットレ
ートを越えず、復号画像のノイズを低減する動画像符号
化装置を提供する。 【解決手段】 複数の画素データの予測誤差をブロック
単位で周波数成分に変換する手段、変換された予測誤差
を量子化テーブルを参照して量子化する量子化器、量子
化された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量子化
する逆量子化器、量子化された予測誤差を符号化して符
号を出力する符号化器、符号をバッファリングするバッ
ファと、バッファの符号占有量を調べるバッファチェッ
ク手段、符号占有量に応じて１の量子化テーブルを複数
の量子化テーブルから選択する選択手段を備え、量子化
器は選択された１の量子化テーブルを使用して量子化を
行い、逆量子化器はグループ・オブ・ピクチャに対して
定められた量子化テーブルを使用して逆量子化を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は動画像符号化装置に
関し、特に、フレーム間で符号化を行う動画像符号化装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】動画像符号化装置で動画像を圧縮する際
には、動画像復号化装置でバッファのオーバーフローや
アンダーフローが発生しないように発生符号量を制御す
る必要がある。発生符号量が少なくなった場合には、ダ
ミーデータをスタッフィングすることでアンダーフロー
を容易に回避できる。一方で、発生符号量が多くなった
場合には、量子化を粗くして再圧縮を行ったり、符号化
するべきデータを強制的にゼロにすることにより符号化
を打ち切ることにより、オーバーフローを抑える方法が
一般的に用いられる。
【０００３】また、特開平０９−２５２４７７号公報に
は、複数のマクロブロックデータを周波数順に並べ替え
てから符号化を行い、符号量が所定値以上になったとき
にそれ以降の周波数成分をゼロなどに置き換える装置が
記載されている。
【０００４】更に、特開平０６−００６７８３号公報に
は、オーバーフローが発生しそうな時に、周波数変換さ
れたデータを複数の周波数帯に分けて重みづけをして高
周波成分をカットする手法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、再圧縮を行う
と処理時間が増加し、強制的に符号化を打ち切ると画質
の劣化が目立つという欠点がある。
【０００６】特開平０９−２５２４７７号公報の手法で
は、複数のマクロブロックで同一の上限周波数が設定さ
れるため、高周波成分が多いブロックではカットされる
周波数成分が多くなり、ブロック歪みの原因になるとい
う問題点がある。
【０００７】特開平０６−００６７８３号公報の手法で
は、高周波成分に大きな値をもった孤立点が存在する場
合は、その孤立点は低い値で重み付けるので、重要な周
波数成分であってもゼロになってしまい、そのためにノ
イズが発生する場合があるという問題点がある。
【０００８】周波数成分の値に関わらず高周波領域をカ
ットしているという点では、特開平０６−２８４４０９
号公報、特開平０６−２８４４０８号公報、特開平０４
−３４３５７８号公報に記載されている技術も同じであ
る。
【０００９】本発明は、出力する符号のビットレートが
目標とするビットレートを越えないように且つ復号画像
のブロック歪み等のノイズが低減されるように動画像を
圧縮することが可能な動画像符号化装置を提供すること
を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による動画像符号
化装置は、動画像データを予測符号化する動画像符号化
装置において、複数の画素データの予測誤差をブロック
単位で周波数成分に変換する手段と、変換された予測誤
差を量子化テーブルを参照して量子化する量子化器と、
量子化された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量
子化する逆量子化器と、前記量子化された予測誤差を符
号化して符号を出力する符号化器と、前記符号をバッフ
ァリングする出力バッファと、前記出力バッファ内の符
号占有量を調べる出力バッファチェック手段と、複数の
量子化テーブルと、前記符号占有量に応じて１の量子化
テーブルを前記複数の量子化テーブルのうちから選択す
る量子化テーブル選択手段と、を備え、前記量子化器は
前記選択された１の量子化テーブルを使用して量子化を
行い、前記逆量子化器はグループ・オブ・ピクチャに対
して定められた量子化テーブルを使用して逆量子化を行
うことを特徴とする。
【００１１】また、本発明による動画像符号化装置は、
上記の動画像符号化装置において、前記量子化テーブル
選択手段は量子化テーブルの選択をマクロブロック単位
で行うことを特徴とする。
【００１２】本発明による動画像符号化方法は、動画像
データを予測符号化する動画像符号化方法において、複
数の画素データの予測誤差をブロック単位で周波数成分
に変換するステップと、変換された予測誤差を量子化テ
ーブルを参照して量子化する量子化ステップと、量子化
された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量子化す
る逆量子化ステップと、前記量子化された予測誤差を符
号化して符号を出力する符号化ステップと、前記符号を
出力バッファでバッファリングするステップと、前記出
力バッファ内の符号占有量を調べる出力バッファチェッ
クステップと、前記符号占有量に応じて１の量子化テー
ブルを複数の量子化テーブルのうちから選択する量子化
テーブル選択ステップと、を有し、前記量子化ステップ
では前記選択された１の量子化テーブルを使用して量子
化を行い、前記逆量子化ステップではグループ・オブ・
ピクチャに対して定められた量子化テーブルを使用して
逆量子化を行うことを特徴とする。
【００１３】また、本発明による動画像符号化方法は、
上記の動画像符号化方法において、前記選択ステップを
マクロブロック毎に行うことを特徴とする。
【００１４】本発明によるコンピュータ読み取り可能な
記録媒体は、コンピュータに、動画像データを予測符号
化する動画像符号化方法であって、複数の画素データの
予測誤差をブロック単位で周波数成分に変換するステッ
プと、変換された予測誤差を量子化テーブルを参照して
量子化する量子化ステップと、量子化された予測誤差を
量子化テーブルを参照して逆量子化する逆量子化ステッ
プと、前記量子化された予測誤差を符号化して符号を出
力する符号化ステップと、前記符号を出力バッファでバ
ッファリングするステップと、前記出力バッファ内の符
号占有量を調べる出力バッファチェックステップと、前
記符号占有量に応じて１の量子化テーブルを複数の量子
化テーブルのうちから選択する量子化テーブル選択ステ
ップと、を有し、前記量子化ステップでは前記選択され
た１の量子化テーブルを使用して量子化を行い、前記逆
量子化ステップではグループ・オブ・ピクチャに対して
定められた量子化テーブルを使用して逆量子化を行う動
画像符号化方法を実行させるためのプログラムを記録し
たことを特徴とする。
【００１５】また、本発明によるコンピュータ読み取り
可能な記録媒体は、上記のコンピュータ読み取り可能な
記録媒体において、前記選択ステップをマクロブロック
毎に行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１において、バッファチェック
手段２０は、出力バッファ１９の容量と発生符号量から
現在のバッファ占有率を取得する。量子化テーブル選択
手段２１は、バッファ占有率をもとにオーバーフローの
可能性がある時に、発生符号量を減らすために量子化手
段１４で用いられる量子化テーブルを高周波数成分を粗
く量子化するものに変更する。量子化手段１４は、変更
された量子化テーブルを使用して量子化を行う。この変
更された量子化テーブルは量子化手段１４のみで参照さ
れるものであり、逆量子化手段１５では変更される前の
量子化テーブルを使用して逆量子化を行うので復号装置
の逆量子化手段の量子化テーブルを変更する必要はな
い。このように、量子化ステップが最大値をとっている
場合でも、発生符号量をチェックしながらフレーム内で
量子化テーブルを切り替えることにより、出力バッファ
１９のオーバーフローを防ぐことができる。また、高周
波数成分を強制的にゼロに置き換える従来の手法と違
い、極端なデータの変更が行われないのでノイズが発生
しにくい。
【００１７】図１を参照すると、本発明の実施形態によ
る動画像符号化装置は、画像入力手段１１と、動き検索
手段１２と、直交変換手段１３と、量子化手段１４と、
逆量子化手段１５と、逆直交変換手段１６と、動き補償
手段１７と、可変長符号化手段１８と、出力バッファ１
９と、バッファチェック手段２０と、量子化テーブル選
択手段２１と、出力手段２２と、フレームメモリ２３
と、減算器２４と、加算器２５とを備える。
【００１８】動画像符号化装置の各部分はそれぞれ次の
ように動作する。画像入力手段１１は、カメラ等から１
フレーム単位に動画像を入力する。動き検索手段１２
は、画像入力手段１１から入力される現フレームの現ブ
ロックとフレームメモリ２３から入力される参照フレー
ムのブロックのうちの現フレームの現ブロックの位置の
近傍にある複数のブロックとの相関値を求め、これらの
相関値を基に最大の相関値に対応した現フレームの現ブ
ロックの動きベクトルを求める。動き補償手段１７は、
参照フレーム中の現フレームの位置から動きベクトルだ
け離れた位置のブロックを減算器２４に出力する。減算
器２４は現フレームの現ブロックと動き補償手段１７か
ら入力したブロックとの差分をとり、差分ブロックを直
交変換手段１３に出力する。直交変換手段１３として
は、例えば、離散コサイン変換器が用いられる。直交変
換手段１３は差分ブロックの差分データを周波数成分に
変換する。量子化手段１４は、後述するように、周波数
成分を指定された量子化テーブルと量子化ステップを参
照して量子化する。可変長符号化手段１８は量子化され
た周波数成分を可変長符号化して、可変長符号を出力バ
ッファ１９に出力する。
【００１９】バッファチェック手段２０は、出力バッフ
ァ１９の状態を基に現在のバッファ内の符号占有量を取
得して、それを量子化テーブル選択手段２１に出力す
る。量子化テーブル選択手段２１は、バッファの残余容
量が少ない場合は、量子化手段１４で用いる量子化テー
ブルを高周波成分を粗く量子化するテーブルに変更する
ようにフィードバックをかける。出力手段２２は、出力
バッファ１９内の可変長符号を伝送路又は蓄積装置に出
力する。
【００２０】また、次のフレームを圧縮する際に使用さ
れる参照フレーム作成のための各部は以下のように動作
する。逆量子化手段１５は量子化手段１４が出力する量
子化された周波数成分を逆量子化する。逆直交変換手段
１６は逆量子化された周波数成分を逆直交変換して、そ
の結果を加算器２５に出力する。加算器２５は、逆直交
変換手段１６の出力と動き補償手段１７の出力との和を
とり、その和を参照フレームのデータとしてフレームメ
モリ２３に出力する。フレームメモリ２３は参照フレー
ムのデータを約１フレーム時間遅延させて出力する。逆
量子化手段１５、逆直交変換手段１６、加算器２５、フ
レームメモリ２３、動き補償手段１７は、局部復号器を
構成する。
【００２１】次に、図２のフローチャートを参照して本
実施形態の全体の動作について詳細に説明する。
【００２２】まず、現フレームの画像データが入力され
ると現フレームはマクロブロックと呼ばれる複数の矩形
ブロックに分割される（ステップＳ１１）。１マクロブ
ロック圧縮する度にバッファチェック手段２０は、現在
のバッファ内の符号占有量を調べて（ステップＳ１
２）、現在のバッファ内の符号占有量と既定のしきい値
Ａとを比較する（ステップＳ１３）。もし、バッファ内
の符号占有量がしきい値Ａよりも多かった場合は、これ
はオーバーフローのおそれがあることを意味するため、
量子化テーブル選択手段２１は、発生符号量が少なくな
るような量子化テーブルを選択し（ステップＳ１４）、
バッファ内の符号占有量がしきい値Ａより少なかった場
合は既定の量子化テーブルを選択して（ステップＳ１
８）、そのマクロブロックの圧縮処理を行う（ステップ
Ｓ１５）。この処理を１フレームのマクロブロック全て
が終わるまで繰り返し（ステップＳ１６）、それを全フ
レーム圧縮が終了するまで繰り返す（ステップＳ１
７）。
【００２３】なお、発生符号量が少なくなるような量子
化テーブルを複数用意しておいて、ステップＳ１３で、
バッファ内の符号占有量を複数のしきい値と比較し、バ
ッファ内の符号占有量が上回る最大のしきい値によりそ
れらの量子化テーブルの１つを選択するようにしてもよ
い。こうすることにより、段階的に発生符号量を制御す
ることが可能となり、急激な画質の変化の発生を押さえ
られる。
【００２４】次に具体例を用いて説明する。
【００２５】特にここでは圧縮方式として、ＭＰＥＧ(M
oving Picture Experts Group)１を採用する場合につい
て図３を参照して説明する。図３はＭＰＥＧ１のビデオ
シーケンスの構成を示した図である。フレームは、Ｉフ
レーム、Ｐフレーム、Ｂフレームに分類される。それぞ
れのフレームの符号系列は、ピクチャスタートコードか
ら始まり、ピクチャの圧縮符号がそれに続くものであ
る。また、あるＩフレームからその次のＩフレームの前
のフレームまでの間のフレーム群をＧＯＰ(GroupOf Pic
tures、グループ・オブ・ピクチャ)といい、あるＩフレ
ームからその次のＩフレームの間にはＰフレームとＢフ
レームが一定の周期で挿入され、ＧＯＰの先頭にはグル
ープスタートコードが付加される。各ＧＯＰの先頭には
シーケンスヘッダをつけることが可能で、シーケンスヘ
ッダでは量子化テーブルが定義できる。つまり量子化テ
ーブルを変更するためには新たなテーブルをシーケンス
ヘッダに記述しなければならず、こうすることにより量
子化テーブルをＧＯＰ単位に変更することが可能であ
る。
【００２６】図１の直交変換手段１３で直交変換された
８×８画素のブロックの周波数成分は図４に示すような
周波数分布を呈する。これらの周波数成分を量子化ステ
ップと量子化テーブルを用いて量子化する。量子化ステ
ップは１から３１の範囲で変化し、量子化テーブルは８
×８のマトリックスからなるテーブルで、その一例を図
５に示した。量子化手段１４による量子化処理は、量子
化ステップを２倍した値と量子化テーブル中の各周波数
毎の値を乗じたもので周波数成分の値を除算することに
よって行われる。一例として、図４に示した左上端の値
を量子化ステップ１０で量子化すると、量子化処理の結
果は、８０００／（１０×２×１６）＝２５となる。こ
の処理を６４点全てに対して行うと図６のような結果が
得られる。その結果を、可変長符号化手段１８により、
図７に示したジグザグスキャン順に可変長符号化する。
可変長符号化ではゼロの連続長(run-length)とそれに続
くゼロでない有意係数との組み合わに、その組み合わせ
の発生頻度に対応した可変長符号を割り当てる。
【００２７】ここで、圧縮中にバッファ内の符号占有量
が既定のしきい値Ａ（例えばバッファ容量の８割）を越
えてしまったとすると、出力バッファ１９がオーバーフ
ローする可能性があるため、発生符号量を抑えなくては
ならない。現在の量子化ステップが最大値の３１である
場合には、これ以上粗い量子化を行うには量子化テーブ
ルを変更する以外に方法がない。そこで人間の視覚特性
上、ノイズを認識しにくい高周波数成分を多く削る量子
化テーブルを使用することで発生符号量を抑えてオーバ
ーフローを回避することができる。
【００２８】図８に高周波数成分を粗く量子化する量子
化テーブルの一例を示した。このテーブルを用いて図４
の周波数成分を量子化ステップ３１で量子化すると図９
のような結果が得られる。参考に、量子化テーブルを変
更しないで量子化ステップ３１で量子化を行った結果を
図１０に示す。図９、１０を比較すると、ゼロの連続数
が増加し、ジグザグスキャン中の最終有意係数の位置の
繰り上がりにより、量子化テーブルを変更するとテーブ
ル変更前より発生符号量が抑えられることがわかる。
【００２９】逆量子化手段１５では、量子化後の周波数
成分に対し変更前のＧＯＰに対して定められた既定のテ
ーブルを使用して逆量子化を行う。従って、画像復号装
置でも変更前のＧＯＰに対して定められた既定のテーブ
ルを使用して逆量子化すればよいので、シーケンスヘッ
ダにマクロブロック毎の量子化テーブルを書き込む必要
はない。
【００３０】なお、上記の実施形態による動画像符号化
装置の各手段により実行される方法は、コンピュータに
当該方法を実行させるためのプログラムを記録したＣＤ
−ＲＯＭなどの記録媒体からコンピュータが当該プログ
ラムを読み込んで実行することにより実現することもで
きる。
【００３１】また、上記の実施形態による動画像符号化
装置は、コンピュータを当該装置の各手段として機能さ
せるためのプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭなどの記
録媒体からコンピュータが当該プログラムを読み込んで
実行することにより実現することもできる。
【００３２】この際、通常は、コンピュータのＣＰＵ
は、オペレーティングシステムにより、当該プログラム
を当該記録媒体から主メモリに一旦転送した後に、主メ
モリから当該プログラムを読み込んで実行する。
【００３３】また、上記プログラムは、インタプリタ形
式の命令を記述したテキスト形式のファイルと、このフ
ァイルを読み込んで実行命令に変換するインタプリタよ
り生成されることもある。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば以下
の効果が奏される。
【００３５】第一の効果は、出力バッファのオーバーフ
ローを回避した圧縮ができることにある。その理由は、
量子化テーブルを変更することで粗い量子化が行え、発
生符号量を抑えることが出来るからである。
【００３６】第二の効果は、量子化ステップを変更出来
ない場合でも発生符号量の調整が出来ることにある。そ
の理由は、マクロブロックごとに量子化テーブルを変更
することで発生符号量を調整できるからである。
【００３７】第三の効果は、視覚上ノイズが発生しにく
い圧縮が行えることにある。その理由は、量子化テーブ
ルの変更により周波数分布が少ない高周波数成分を徐々
に削るため、周波数分布の変化を最小限にとどめること
が出来るからである。また、量子化テーブル変更時にシ
ーケンスヘッダを書き込まないため、ヘッダ書き込みに
必要な符号量（１１２０ビット）を画像データに割り当
てることが出来るからである。
【００３８】第四の効果は高速な圧縮が行えることにあ
る。その理由は、シーケンスヘッダに量子化テーブルを
書き込まずに、ＧＯＰの途中からでもマクロブロック単
位に動的にテーブルを変更することができるので、発生
符号量が抑えられない場合に、過去のデータをＧＯＰ単
位で再圧縮する必要がないからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による動画像符号化装置の構
成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による動画像符号化装置の動
作を示すフローチャートである。
【図３】ＭＰＥＧ１の伝送信号フォーマットを示す図で
ある。
【図４】直交変換された８×８画素のブロックの周波数
成分の分布を示す図である。
【図５】量子化テーブルの一例を示す図である。
【図６】図４の周波数成分を図５に示す量子化テーブル
を用いて量子化ステップを１０として量子化した後の周
波数成分の分布を示す図である。
【図７】周波数成分のジグザグスキャンの順序を示す図
である。
【図８】本発明の実施形態による高周波数成分を粗く量
子化する量子化テーブルの位置を示す図である。
【図９】図４の周波数成分を図８に示す量子化テーブル
を用いて量子化ステップを３１として量子化した後の周
波数成分の分布を示す図である。
【図１０】図４の周波数成分を図５に示す量子化テーブ
ルを用いて量子化ステップを３１として量子化した後の
周波数成分の分布を示す図である。
【符号の説明】
１１ 画像入力手段 １２ 動き検出手段 １３ 直交変換手段 １４ 量子化手段 １５ 逆量子化手段 １６ 逆直交変換手段 １７ 動き補償手段 １８ 可変長符号化手段 １９ 出力バッファ ２０ バッファチェック手段 ２１ 量子化テーブル選択手段 ２２ 出力手段 ２３ フレームメモリ ２４ 減算器 ２５ 加算器

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 動画像データを予測符号化する動画像符
    号化装置において、 複数の画素データの予測誤差をブロック単位で周波数成
    分に変換する手段と、 変換された予測誤差を量子化テーブルを参照して量子化
    する量子化器と、 量子化された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量
    子化する逆量子化器と、 前記量子化された予測誤差を符号化して符号を出力する
    符号化器と、 前記符号をバッファリングする出力バッファと、 前記出力バッファ内の符号占有量を調べる出力バッファ
    チェック手段と、 複数の量子化テーブルと、 前記符号占有量に応じて１の量子化テーブルを前記複数
    の量子化テーブルのうちから選択する量子化テーブル選
    択手段と、 を備え、 前記量子化器は前記選択された１の量子化テーブルを使
    用して量子化を行い、 前記逆量子化器はグループ・オブ・ピクチャに対して定
    められた量子化テーブルを使用して逆量子化を行うこと
    を特徴とする動画像符号化装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の動画像符号化装置にお
    いて、前記量子化テーブル選択手段は量子化テーブルの
    選択をマクロブロック単位で行うことを特徴とする動画
    像符号化装置。
  3. 【請求項３】 動画像データを予測符号化する動画像符
    号化方法において、 複数の画素データの予測誤差をブロック単位で周波数成
    分に変換するステップと、 変換された予測誤差を量子化テーブルを参照して量子化
    する量子化ステップと、 量子化された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量
    子化する逆量子化ステップと、 前記量子化された予測誤差を符号化して符号を出力する
    符号化ステップと、 前記符号を出力バッファでバッファリングするステップ
    と、 前記出力バッファ内の符号占有量を調べる出力バッファ
    チェックステップと、 前記符号占有量に応じて１の量子化テーブルを複数の量
    子化テーブルのうちから選択する量子化テーブル選択ス
    テップと、 を有し、 前記量子化ステップでは前記選択された１の量子化テー
    ブルを使用して量子化を行い、 前記逆量子化ステップではグループ・オブ・ピクチャに
    対して定められた量子化テーブルを使用して逆量子化を
    行うことを特徴とする動画像符号化方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の動画像符号化方法にお
    いて、前記選択ステップをマクロブロック毎に行うこと
    を特徴とする動画像符号化方法。
  5. 【請求項５】 コンピュータに、動画像データを予測符
    号化する動画像符号化方法であって、 複数の画素データの予測誤差をブロック単位で周波数成
    分に変換するステップと、 変換された予測誤差を量子化テーブルを参照して量子化
    する量子化ステップと、 量子化された予測誤差を量子化テーブルを参照して逆量
    子化する逆量子化ステップと、 前記量子化された予測誤差を符号化して符号を出力する
    符号化ステップと、 前記符号を出力バッファでバッファリングするステップ
    と、 前記出力バッファ内の符号占有量を調べる出力バッファ
    チェックステップと、 前記符号占有量に応じて１の量子化テーブルを複数の量
    子化テーブルのうちから選択する量子化テーブル選択ス
    テップと、 を有し、 前記量子化ステップでは前記選択された１の量子化テー
    ブルを使用して量子化を行い、 前記逆量子化ステップではグループ・オブ・ピクチャに
    対して定められた量子化テーブルを使用して逆量子化を
    行う動画像符号化方法を実行させるためのプログラムを
    記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な
    記録媒体。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のコンピュータ読み取り
    可能な記録媒体において、前記選択ステップはマクロブ
    ロック毎に行われることを特徴とするコンピュータ読み
    取り可能な記録媒体。
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