JP2002010263A - 動画像符号化装置および動画像符号化方法 - Google Patents

動画像符号化装置および動画像符号化方法

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JP2002010263A
JP2002010263A JP2000184436A JP2000184436A JP2002010263A JP 2002010263 A JP2002010263 A JP 2002010263A JP 2000184436 A JP2000184436 A JP 2000184436A JP 2000184436 A JP2000184436 A JP 2000184436A JP 2002010263 A JP2002010263 A JP 2002010263A
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Ayako Nemoto
亞矢子 根本
Shinichi Hattori
伸一 服部
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シーンチェンジが発生した場合でも、バッフ
ァ破綻を起こさずにシーケンス全体の画質が低下するこ
となく、リアルタイムに符号化を行う。 【解決手段】 シーンチェンジ後の最初のピクチャがP
ピクチャであり、かつ、当該PピクチャがGOPの最初
のPピクチャであった場合の符号化モード等の変更の例
を示しており、この場合、GOP先頭のIピクチャと当
該Pピクチャとの符号化モードを交換し、かつ、符号化
モード序交換後のIピクチャが先頭になるようにGOP
構造を変更する。つまり、シーンチェンジ後の最初のP
ピクチャとIピクチャの符号化モード序を交換し、か
つ、従来であれば第(n)GOPに含まれるはずのその
P,B,Bピクチャを、その1つ前の第(n−1)GO
Pに含めるように変更する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、動画像データを
高能率に圧縮する動画像符号化装置および動画像符号化
方法に関するものであり、特にリアルタイムに符号化を
行い固定ビットレートで動画像を伝送する通信システム
等における動画像符号化装置および動画像符号化方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の様々な分野におけるディジタル化
の中で、画像圧縮技術としては国際標準規格であるMP
EG2(Moving Picture Experts Group 2)方式が広く
適用されている。MPEG2方式は、動き補償予測符号
化と離散コサイン変換(DCT:Discrete Cosine Tran
sform)符号化及び可変長符号化を組み合わせたハイブ
リッド符号化方式である。動き予測方式には3種類あ
り、フレーム内符号化を行うイントラ符号化フレーム
(以下、Iピクチャと称する)、時間的に前方向(過
去)のフレームとの間で動き予測を行いその差分をと
り、動き予測の情報と差分値とを送ることによってデー
タを圧縮する前方向予測符号化フレーム(以下、Pピク
チャと称する)及び時間的に前方向、後方向(未来)、
もしくは両方向のいずれかのフレーム間で予測を行い、
データを圧縮する両方向予測符号化フレーム(以下、B
ピクチャと称する)である。これらの動き予測方式を用
いて、Iピクチャを先頭とするGOP(Group Of Pictu
re)というピクチャ(フレーム)群で制御し、それを周
期的に繰り返し符号化を行うのが一般的である。
【0003】図5に、例えば、GOPのピクチャ枚数を
15、IピクチャとPピクチャもしくはPピクチャとP
ピクチャとの間隔を3としたときの構成例を示す。この
図のように、1GOPは1枚のIピクチャ、4枚のPピ
クチャ及び10枚のBピクチャで構成される。このと
き、Bピクチャは時間的に前方向と後方向のIまたはP
ピクチャを用いてフレーム間予測を行うため、入力ピク
チャ順から符号化ピクチャ順への並べ替えが行われる。
【0004】一方、リアルタイムに動画像の符号化を行
い、固定ビットレートでビットストリームを伝送する通
信システムにおいては、エンコーダ側の送信バッファと
デコーダ側の受信バッファが破綻を起こさないために、
エンコーダ側で画像データを符号化する際にレート制御
を行う必要がある。このため、GOP単位及びピクチャ
単位で目標の情報発生量を決め、出来るだけ目標に近づ
くように量子化値を決めていくようなフィードバック制
御を行う。この量子化値の大きさによって、符号化画像
の画質が左右される。一般的に、同じ量子化値で符号化
を行った場合、フレーム内予測を行うIピクチャでは発
生する情報量が最も多く、フレーム間予測を行うPピク
チャ及びBピクチャでは、フレーム間の動きが少なく相
関関係が高いほど発生する情報量は少なくなる。
【0005】図6に、図5に示したGOP構成における
送信バッファの蓄積量の一例を示す。この図のように、
符号化画像の画質を一定に保つためには、GOPの初め
では送信バッファの蓄積量が多くなることが分かる。
【0006】このような予測符号化において、フレーム
間の相関関係がないピクチャが出現した場合、すなわち
場面が切り替わるようなシーンチェンジが起きた場合、
フレーム間予測を行っても予測誤差が大きすぎて情報発
生量が増大してしまう。そこでこのような場合、従来は
シーンチェンジが起きた後にフレーム内符号化を行うこ
とによって、情報発生量の増大を防ぎ画質の劣化を抑え
ていた。
【0007】図7は、例えば、特開平05−13712
9号公報に示された従来の強制イントラ符号化フレーム
挿入のための符号化装置のブロック図である。図7にお
いて、21はピクチャ群制御部、22はノイズ判定部、
23は符号化モード選択部、24は符号化部、25は送
信バッファである。
【0008】図8は、例えば強制イントラ符号化フレー
ム挿入が起きた場合の符号化モードの動きを示す模式図
である。
【0009】次に動作について説明する。まず、入力さ
れた画像信号がピクチャ群制御部21によって定められ
た所定の周期のGOPに分割され、各ピクチャ単位に符
号化モードが設定される。一方、ノイズ判定部22で
は、入力画像間で比較を行い予測信号の生成時に高周波
ノイズが発生するかどうかを判定する。この結果、高周
波ノイズが発生すると判定された場合、符号化モード選
択部23では予め設定されていた符号化モードに対し
て、強制イントラ符号化フレームへの変更を指示する。
指示された符号化モードに従って符号化部24では符号
化が行われ、符号化されたビットストリームが送信バッ
ファ25に入力され、固定のビットレートで伝送路へ出
力される。このとき送信バッファ25からのフィードバ
ック情報によって、符号化部24では量子化値が調整さ
れる。符号化モード選択部23で強制イントラフレーム
への変更が指示された場合は、図8に示したようにPピ
クチャがIピクチャに変更され、IピクチャからIピク
チャまでが1GOPとして符号化される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の強制イントラ符号化フレーム挿入のための符号化
装置では、ピクチャ群制御部21によって定められてい
た所定の周期のGOPに対して、シーンチェンジが発生
することによってIピクチャが任意に挿入されるため、
バッファ破綻を起こす可能性が増大し、またそれを避け
るためにレート制御を行うことによって周辺のP及びB
ピクチャに割り当てられる情報発生量が削減され、シー
ケンス全体として画質が低下するという問題点があっ
た。
【0011】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、シーンチェンジが発生した場合
でも、バッファ破綻を起こさずにシーケンス全体の画質
が低下することなく、リアルタイムに符号化を行う動画
像符号化装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、動画像をフレーム内符号化、前方向予
測符号化及び両方向予測符号化のいずれかの符号化モー
ドによって符号化する動画像符号化装置において、入力
画像のシーンチェンジを検出するシーンチェンジ検出手
段と、上記各符号化モードを所定のアルゴリズムで指示
すると共に、上記シーンチェンジが検出され、上記シー
ンチェンジ後における最初の前方向予測符号化フレーム
がフレーム内符号化モードの次にある最初の前方向予測
符号化フレーム以外の前方向予測符号化フレームである
場合は、当該前方向予測符号化フレームのピクチャタイ
プは変更せず、その前方向予測符号化フレームの符号化
を行う単位であるマクロブロックの符号化モードを全て
フレーム内符号化モードとするよう指示する符号化モー
ド指示手段と、上記指示に従い入力画像を符号化する符
号化手段と、上記符号化された入力画像を送信のため蓄
える送信バッファと、を有することを特徴とする。
【0013】また、次の発明では、動画像をフレーム内
符号化、前方向予測符号化及び両方向予測符号化のいず
れかの符号化モードによって符号化する動画像符号化装
置において、入力画像のシーンチェンジを検出するシー
ンチェンジ検出手段と、上記各符号化モードを所定のア
ルゴリズムで指示すると共に、上記シーンチェンジが検
出され、上記シーンチェンジ後における最初の前方向予
測符号化フレームがフレーム内符号化モードの次にある
最初の前方向予測符号化フレームである場合は、当該フ
レーム内符号化モードと当該前方向予測符号化フレーム
の符号化モードを変更するよう指示する符号化モード指
示手段と、上記指示に従い入力画像を符号化する符号化
手段と、上記符号化された入力画像を送信のため蓄える
送信バッファと、とを有することを特徴とする。
【0014】また、特に、入力画像は、所定の周期で繰
り返し、符号化の際の先頭をフレーム内符号化フレーム
としたフレーム群であるGOPからなっており、上記符
号化モード指示手段は、上記シーンチェンジ後における
最初の前方向予測符号化フレームがフレーム内符号化モ
ードの次にある最初の前方向予測符号化フレームである
場合は、当該フレーム内符号化モードと当該前方向予測
符号化フレームの符号化モードを変更する際、当該前方
向予測符号化フレームを一つ前のGOPに含めるよう指
示する、ことを特徴とする。
【0015】さらに、シーンチェンジが行われた場合
は、上記送信バッファでバッファ破綻を起こさないよう
に上記符号化手段の符号化レートを制御するレート制御
手段を有することを特徴とする。
【0016】また、次の発明では、動画像をフレーム内
符号化、前方向予測符号化及び両方向予測符号化のいず
れかの符号化モードによって符号化する際の動画像符号
化方法において、上記各符号化モードを所定のアルゴリ
ズムで指示すると共に、シーンチェンジが検出され、上
記シーンチェンジ後における最初の前方向予測符号化フ
レームがフレーム内符号化モードの次にある最初の前方
向予測符号化フレーム以外の前方向予測符号化フレーム
である場合は、当該前方向予測符号化フレームのピクチ
ャタイプは変更せず、その前方向予測符号化フレームの
符号化を行う単位であるマクロブロックの符号化モード
を全てフレーム内符号化モードとするよう指示して、こ
の指示に従い入力画像を符号化する、ことを特徴とす
る。
【0017】また、次の発明では、動画像をフレーム内
符号化、前方向予測符号化及び両方向予測符号化のいず
れかの符号化モードによって符号化する際の動画像符号
化方法において、上記各符号化モードを所定のアルゴリ
ズムで指示すると共に、シーンチェンジが検出され、上
記シーンチェンジ後における最初の前方向予測符号化フ
レームがフレーム内符号化モードの次にある最初の前方
向予測符号化フレームである場合は、当該フレーム内符
号化モードと当該前方向予測符号化フレームの符号化モ
ードを変更するよう指示して、この指示に従い入力画像
を符号化する、ことを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1は、この発明
の実施の形態1における動画像符号化装置を示すブロッ
ク図である。図1において、11は入力画像の表示順フ
レーム間画素差分値からシーンチェンジを検出するシー
ンチェンジ検出手段、12は各符号化モードを所定のア
ルゴリズム及び周期で符号化するよう制御するピクチャ
群制御手段、13は入力画像を表示順から符号化順へ変
更するフレーム並べ替え手段、14はIピクチャ、Pピ
クチャもしくはBピクチャのいずれかを指示する符号化
モード指示手段、15は指示された符号化モードに従っ
て符号化を行う符号化手段、16は符号化されたビット
ストリームデータを蓄積する送信バッファ、17は送信
バッファが破綻しないよう制御を行うレート制御手段で
ある。
【0019】次に動作について説明する。まず、シーン
チェンジ検出手段11により入力画像の表示順フレーム
間画素差分値からシーンチェンジが検出される。
【0020】次に入力画像は、ピクチャ群制御手段12
によって予め定められた所定のアルゴリズム及び周期に
従って、フレーム並べ替え手段13により表示順から符
号化順へフレームの並べ替えが行われる。例えば、Iピ
クチャとPピクチャもしくはPピクチャとPピクチャと
の間隔を3フレームとした場合は、Iピクチャ及びPピ
クチャは1フレーム遅延され、Bピクチャは4フレーム
遅延される。
【0021】次に画像信号は、符号化モード指示手段1
4によって指示された符号化モードに従って、符号化手
段15において符号化が行われる。符号化されたビット
ストリームは送信バッファ16に蓄積され、固定のビッ
トレートで伝送路へ出力される。このとき、送信バッフ
ァ16の状態によって、バッファが破綻しないようレー
ト制御手段17によってフィードバック制御が行われ、
その制御情報が符号化手段15に通知され、量子化ステ
ップや量子化値等の符号化レートの決定に用いられる。
【0022】図2に、本実施の形態1におけるシーンチ
ェンジ検出手段11によりシーンチェンジが検出された
場合の符号化モード等の変更の一例を示す。符号化モー
ド指示手段14は、シーンチェンジ後の最初のIピクチ
ャもしくはPピクチャが、Pピクチャである場合は、そ
のPピクチャフレーム内の全てのマクロブロック(M
B)をイントラMBモードにて符号化を行うよう符号化
手段15に対して指示を出す。
【0023】よって、符号化手段15は、従来のGOP
構造は変更せず、シーンチェンジ後のPピクチャはピク
チャタイプの変更はせずに、そのPピクチャの全てのマ
クロブロック(MB)をイントラMBモードとして符号
化するようにする。
【0024】このとき、レート制御手段17は、当該G
OPの目標情報発生量を増加させ、その増加分を後ろに
続く1または複数のGOPにかけて減少させるよう、符
号化手段15における符号化レートを制御を行う。
【0025】図3に、本実施の形態1におけるシーンチ
ェンジ検出手段11によりシーンチェンジが検出された
場合の符号化モード等の変更の他の例を示す。図3に示
す場合は、シーンチェンジ後の最初のピクチャがPピク
チャであり、かつ、当該PピクチャがGOPの最初のP
ピクチャであった場合の符号化モード等の変更の例を示
している。この場合、図3に示すように、符号化モード
指示手段14は、GOP先頭のIピクチャと当該Pピク
チャとの符号化モードを交換するよう符号化手段15に
対して指示を出し、かつ、符号化モード交換後のIピク
チャが先頭になるようにGOP構造を変更し、さらには
送信バッファ16でバッファ破綻が発生しないようレー
ト制御手段17にて符号化手段15の符号化レートの制
御を行う。つまり、図3に示すように、シーンチェンジ
後の最初のPピクチャとIピクチャの符号化モードを交
換し、かつ、従来であれば、第(n)GOPに含まれる
はずのそのP,B,Bピクチャを、その1つ前の第(n
−1)GOPに含めるように変更している。
【0026】尚、図2および図3に示す符号化モード等
の変更の場合とも、符号化モード指示手段14の指示に
よる符号化モード等の変更のみで、送信バッファ15で
バッファ破綻が生じない場合には、レート制御手段17
自体、またはレート制御手段17による符号化レートの
制御は不要となり、省略するように、あるいは制御慰し
ないようにしても良い。
【0027】図4に、図3に示すように符号化制御した
場合の送信バッファの蓄積量の例を示す。図3に示すよ
うに、シーンチェンジ後の最初のPピクチャとIピクチ
ャの符号化モードを交換し、かつ、従来であれば、第
(n)GOPに含まれるはずのそのI,B,Bピクチャ
がP,B,Bピクチャとなり、その1つ前の第(n−
1)GOPに含まれるようになるので、第(n)GOP
に含まれるシーンチェンジ後の最初のIピクチャを符号
化する際には、送信バッファの蓄積量が下限値近くまで
下がっていることになり、シーンチェンジ後の最初のP
ピクチャをIピクチャに変更しても、バッファ破綻を起
こさず、かつ、シーケンス全体の画質が低下することな
く、リアルタイムに符号化を行うことができることがわ
かる。
【0028】以上のように、本実施の形態1によれば、
シーンチェンジを検出した場合には、図2に示すよう
に、シーンチェンジ後のPピクチャの全てのマクロブロ
ック(MB)をイントラMBモードに変更し、当該GO
Pの目標情報発生量を増加させ、後ろに続く数GOP期
間で増加分を元に戻すようレート制御を行うようにして
いるので、当該GOP内の他のPピクチャ及びBピクチ
ャに割り当てられる情報発生量が極端に減少し画質が低
下するのを防ぐことができる。また、このとき、もし送
信バッファが破綻しそうになった場合には、ピクチャタ
イプがPピクチャであるので符号化停止(not coded M
B)を作り出すことができるため、送信バッファの破綻
を防ぎ、ビットストリームの伝送が途切れることなく行
われるようにすることができる。
【0029】また、本実施の形態1によれば、シーンチ
ェンジ後のPピクチャがGOPの最初のPピクチャだっ
た場合は、送信バッファ16の蓄積量が多い状態である
ため、図3に示すように、GOP先頭のIピクチャと当
該Pピクチャとの符号化モード序を交換し、かつ、上述
のようにGOP構造を変更することによって、バッファ
の破綻を防ぎ、さらに画質を低下させないようにするこ
とができる。
【0030】尚、以上の実施の形態1では、入力画像の
表示順フレーム間画素差分値からシーンチェンジを検出
するようにして説明したが、本発明では、表示順に前後
するフレームの各フレームの平均値及び分散値を用い
て、同様にシーンチェンジを検出するようにしても良
い。
【0031】また、以上の実施の形態1の説明では、シ
ーンチェンジを検出した場合、GOP構造およびシーン
チェンジ後のPピクチャをピクチャタイプを変更せずP
ピクチャのままとし、符号化を行う単位であるマクロブ
ロック(MB)の符号化モードを全てイントラMBモー
ドで符号化とするように説明したが、本発明では、これ
に限らず、シーンチェンジを検出した場合に、GOP構
造を変更せずに、シーンチェンジ後のPピクチャをIピ
クチャに変更して、1GOP期間内で2ピクチャをイン
トラ符号化フレームモードで符号化するようにしてもよ
い。この場合でも、当該GOPの目標情報発生量を増加
させ、その増加分を後ろに続く数GOP期間かけて減少
させるようレート制御手段17が符号化手段15の符号
化レートの制御を行なうことにより、シーンチェンジに
よる情報発生量の増大を防ぎ画質の劣化を抑えることが
できる。
【0032】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、シー
ンチェンジが発生した場合でも、バッファ破綻を起こさ
ずにシーケンス全体の画質が低下することなく、リアル
タイムに符号化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す動画像符号化
装置のブロック図である。
【図2】 この発明の実施の形態1における符号化モー
ド等の変更の一例を示す模式図である。
【図3】 この発明の実施の形態1における符号化モー
ド等の変更の他の例を示す模式図である。
【図4】 この発明の実施の形態1における送信バッフ
ァの動きを示す模式図である。
【図5】 従来の一般的なGOPの構成例である。
【図6】 従来の一般的なGOP構造における送信バッ
ファの動きを示す模式図である。
【図7】 従来の強制イントラ符号化フレームを挿入す
る符号化装置のブロック図である。
【図8】 従来の強制イントラ符号化フレーム挿入が起
きた場合の符号化モードの動きを示す模式図である。
【符号の説明】
11 シーンチェンジ検出手段 12 ピクチャ群制御手段 13 フレーム並べ替え手段 14 符号化モード指示手段 15 符号化手段 16 送信バッファ 17 レート制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5C059 KK01 LA00 MA00 MA04 MA05 MA14 PP05 PP06 PP07 TA46 TB03 TC14 TC18 UA02 UA34 5J064 BA01 BC01 BC14 BC25 BD02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 動画像をフレーム内符号化、前方向予測
    符号化及び両方向予測符号化のいずれかの符号化モード
    によって符号化する動画像符号化装置において、 入力画像のシーンチェンジを検出するシーンチェンジ検
    出手段と、 上記各符号化モードを所定のアルゴリズムで指示すると
    共に、上記シーンチェンジが検出され、上記シーンチェ
    ンジ後における最初の前方向予測符号化フレームがフレ
    ーム内符号化モードの次にある最初の前方向予測符号化
    フレーム以外の前方向予測符号化フレームである場合
    は、当該前方向予測符号化フレームのピクチャタイプは
    変更せず、その前方向予測符号化フレームの符号化を行
    う単位であるマクロブロックの符号化モードを全てフレ
    ーム内符号化モードとするよう指示する符号化モード指
    示手段と、 上記指示に従い入力画像を符号化する符号化手段と、 上記符号化された入力画像を送信のため蓄える送信バッ
    ファと、 を有することを特徴とする動画像符号化装置。
  2. 【請求項2】 動画像をフレーム内符号化、前方向予測
    符号化及び両方向予測符号化のいずれかの符号化モード
    によって符号化する動画像符号化装置において、 入力画像のシーンチェンジを検出するシーンチェンジ検
    出手段と、 上記各符号化モードを所定のアルゴリズムで指示すると
    共に、上記シーンチェンジが検出され、上記シーンチェ
    ンジ後における最初の前方向予測符号化フレームがフレ
    ーム内符号化モードの次にある最初の前方向予測符号化
    フレームである場合は、当該フレーム内符号化モードと
    当該前方向予測符号化フレームの符号化モードを変更す
    るよう指示する符号化モード指示手段と、 上記指示に従い入力画像を符号化する符号化手段と、 上記符号化された入力画像を送信のため蓄える送信バッ
    ファと、 を有することを特徴とする動画像符号化装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の動画像符号化装置におい
    て、 入力画像は、所定の周期で繰り返し、符号化の際の先頭
    をフレーム内符号化フレームとしたフレーム群であるG
    OPからなっており、 上記符号化モード指示手段は、 上記シーンチェンジ後における最初の前方向予測符号化
    フレームがフレーム内符号化モードの次にある最初の前
    方向予測符号化フレームである場合は、当該フレーム内
    符号化モードと当該前方向予測符号化フレームの符号化
    モードを変更する際、当該前方向予測符号化フレームを
    一つ前のGOPに含めるよう指示する、ことを特徴とす
    る動画像符号化装置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜請求項3のいずれかの一つの
    請求項の動画像符号化装置において、 さらに、 シーンチェンジが行われた場合は、上記送信バッファで
    バッファ破綻を起こさないように上記符号化手段の符号
    化レートを制御するレート制御手段を有することを特徴
    とする動画像符号化装置。
  5. 【請求項5】 動画像をフレーム内符号化、前方向予測
    符号化及び両方向予測符号化のいずれかの符号化モード
    によって符号化する際の動画像符号化方法において、 上記各符号化モードを所定のアルゴリズムで指示すると
    共に、シーンチェンジが検出され、上記シーンチェンジ
    後における最初の前方向予測符号化フレームがフレーム
    内符号化モードの次にある最初の前方向予測符号化フレ
    ーム以外の前方向予測符号化フレームである場合は、当
    該前方向予測符号化フレームのピクチャタイプは変更せ
    ず、その前方向予測符号化フレームの符号化を行う単位
    であるマクロブロックの符号化モードを全てフレーム内
    符号化モードとするよう指示して、この指示に従い入力
    画像を符号化する、 ことを特徴とする動画像符号化方法。
  6. 【請求項6】 動画像をフレーム内符号化、前方向予測
    符号化及び両方向予測符号化のいずれかの符号化モード
    によって符号化する際の動画像符号化方法において、 上記各符号化モードを所定のアルゴリズムで指示すると
    共に、シーンチェンジが検出され、上記シーンチェンジ
    後における最初の前方向予測符号化フレームがフレーム
    内符号化モードの次にある最初の前方向予測符号化フレ
    ームである場合は、当該フレーム内符号化モードと当該
    前方向予測符号化フレームの符号化モードを変更するよ
    う指示して、この指示に従い入力画像を符号化する、 ことを特徴とする動画像符号化方法。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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