JP2002507371A - ビデオ・イメージ帯域の調整方法及びフィルタ装置 - Google Patents

ビデオ・イメージ帯域の調整方法及びフィルタ装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ビデオ・イメージの帯域調整方法とフィルタ装置とに関する。ピクセルから構成されたイメージに対し、少なくとも、フィルタ(21)におけるプレフィルタリングと、符号器(22)における符号化と、バッファ(23)への記憶とが、後の伝送のために実行される。プレフィルタ(21)は、それぞれのイメージ・ピクセルに対して基準値を発生するように構成されている。この基準値は、ピクセルと関連付けされたピクセル・ブロックの値の関数である。プレフィルタ(21)によってそのピクセルに対しフィルタリングされた値は、元のピクセル値と発生された基準値との差と、フィルタリング・スレショルド値との関数である。イメージ信号のビット・ストリームの帯域幅を減少させるために、このフィルタ装置は、プレフィルタ(21)のスレショルド値をバッファ(23)の充填率に従って変化させるように構成された調整手段(24)を更に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】 ビデオ・イメージ帯域の調整方法及びフィルタ装置 発明の分野 本発明は、ビデオ・イメージ帯域の調整方法に関する。この方法では、後の伝 送のために、ピクセルから構成されたイメージに対し、少なくとも、プレフィル タリングと、符号化と、バッファへの記憶とがなされ、位置及び/又は時間に関 してピクセルと関連付けされたピクセル・ブロックにおけるピクセル値に依存す る基準値のプレフィルタリングが、イメージ・ピクセルに対して発生され、フィ ルタリング対象のピクセル値のプレフィルタリングは、元のピクセル値と発生さ れた基準値との差の、フィルタリング・スレショルド値に対する関係に依存する 。 本発明は、また、イメージ情報量を最適化するフィルタ装置に関する。この構 造は、プレフィルタと、符号化手段と、バッファとを備えており、これらは、後 の伝送のために、ピクセルから構成されたイメージに対し、少なくとも、プレフ ィルタリングと、符号化と、バッファへの記憶とが実行されるように構成されて いる。プレフィルタは、イメージ・ピクセルに対して、位置及び/又は時間に関 してピクセルと関連付けされたピクセル・ブロックのピクセル値の関数である基 準値を発生するように構成されている。フィルタリングされたピクセル値は、元 のピクセル値と発生された基準値との差と、フィルタリング・スレショルド値と の関数である。 発明の背景 デジタル・ビデオ・イメージを伝送する際の問題は、ビデオ符号化によって発 生されるビット・ストリームが必要とする帯域幅の変動が大きいことである。こ の変動は、モーション評価(motion estimation)を用いるビデオ符号化技術が 使われるときに、特に大きくなる。実際の実現例では、通常は、一定の帯域幅を 確保しておき、それによって、ビデオ符号化のビット・ストリーム をイメージの質を犠牲にして調整しなければならない。 ここで、米国特許第5,367,629号、ヨーロッパ特許第0 396 846号、米国特許第 4,691,233号、米国特許第4,700,266号、米国特許第4,047,221号、米国特許第5,1 34,476号及び米国特許第4,189,748号の特許文献を用いて、従来技術によるいく つかの解決策を簡単に見てみることとする。これらの特許文献は、この出願にお いて援用する。 米国特許第5,367,629号には、ビデオ・イメージ圧縮システムが開示されてお り、その前処理部分は、メジアン(median)・フィルタと適応型フィルタとから構 成されている。バッファ充填率(buffer fill rate)に基づき、この圧縮システ ムは、前処理段階における適応時間フィルタ(adaptive temporal filter)の帯 域幅と、空間及び時間内部フィルタの帯域幅と、量子化とを調整している。 ヨーロッパ特許第0 396 846号には、DCT符号化装置が開示されており、そ こでは、バッファ充填率が上昇するにつれて、DCTエンコーダの前に挿入され たデジタル・ローパス・フィルタの帯域幅が減少している。 米国特許第4,691,233号及び米国特許第4,700,266号には、バッファ充填率に従 って適応パルス・コード変調器におけるデシメーション(decimation)を調整す るという解決策が開示されている。 米国特許第4,047,221号には、符号化装置が開示されており、この装置では、 A/Dコンバータの後に結合された櫛形フィルタの減衰及び上限周波数が、バッ ファ充填率に基づいて調整されている。 米国特許第5,134,476号には、ビデオ信号符号化方法が開示されており、この 方法においては、量子化ステップ及び/又はプレフィルタリングがバッファ充填 率に従って調整されている。 米国特許第4,189,748号には、二次元変換を用いるビデオ帯域幅縮小システム が開示されており、このシステムでは、適応型フィルタが使われている。バッフ ァ充填率がスレショルドを調整するのに用いられ、そのスレショルドを下まわる 変換係数が除去される。 しかしながら、従来技術による解決策には複数の問題点がある。帯域を確保 する最も単純な方法は、ビデオ・イメージの全体を伝送しないことである。しか し、この方法によって生じるイメージ周波数の変動は、見ている者に大きな混乱 を与える。DCT(離散余弦変換)に基づくブロック・ベースのビデオ符号化に よる解決策では、帯域は、量子化を変化させることによって、すなわち、受信さ れるDCT成分の精度を低下させることによって調整されるのが通常である。し かし、その結果として、見ている者を混乱させるブロック・リミットの強調が容 易に生じてしまう。現在の解決策の1つとして、高い周波数に対応するDCT成 分及びノイズの結により生じるDCT成分を伝送しないという方法があるが、こ の方法でさえも、同じ問題点を含んでいる。 発明の簡単な説明 従って、本発明の目的は、上述の問題点を解決する方法及びその方法を実現す る装置を提供することである。利用可能な帯域幅が制限されているにもかかわら ず、イメージ周波数は、変更されない。DCTが用いられるときに、量子化を変 更することは必要なく、高周波のDCT成分の伝送を制限する必要もない。 これは、先の導入部分において説明したタイプの方法を用いて達成されるが、 この方法は、バッファ充填率に従ってプレフィルタリング・スレショルド値を変 化させることを特徴とする。 また、本発明によるフィルタ構造は、バッファ充填率に従ってプレフィルタ・ スレショルド値を変化させるように構成された調整手段を備えていることを特徴 とする。 本発明の方法及び構造は、種々の効果を奏する。本発明による解決策によって 、イメージ周波数を分割(segmentation)する又は変化させることなく、連続的 かつ迅速な帯域幅の調整が可能となる。イメージ信号のノイズも制限することが できる。 図面の簡単な説明 以下では、本発明を、添付の図面を参照しながら好適実施例によって更に詳 細に説明する。図面は、次の通りである。 図1は、イメージ信号の伝送の構成を示している。 図2は、イメージ信号のフィルタリングの構成を示している。 図3は、本発明による解決策の効果を示している。 発明の詳細な説明 本発明は、デジタル・ビデオ・イメージの転送に特に適用可能であるが、それ に限定されることはない。 図1は、典型的なビデオ・イメージ伝送の構成であり、カメラ10と、圧縮手 段11と、伝送ネットワーク12と、伸張(圧縮解除)手段13と、モニタ14 とから構成されている。本発明では、カメラ10は、通常のモノクロ又はカラー のアナログ又はデジタル・ビデオ・カメラである。信号は、カメラ10からイメ ージ信号をデジタル的に処理する圧縮手段11に供給される。カメラ10がアナ ログカメラである場合には、信号は、遅くとも圧縮手段11内において、A/D コンバータによって圧縮の前にデジタル形式に変換される。デジタル・ビデオ・ イメージは、通常、一定の間隔で矩形マトリクスによってサンプリングされたイ メージで構成されている。従って、デジタル・イメージは、ピクセルのマトリク スすなわち複数のイメージ・サンプルで構成されている。アナログ・テレビの伝 送のためには、インターリーブ式のサンプリングも用いられ、その場合には、サ ンプリング・マトリクスの奇数又は偶数の列が連続的な時刻で交互に伝送される 。サンプリング・マトリクスの解像度は、垂直方向と水平方向とにおいて常に同 一であるとは限らない。圧縮手段11は、イメージ信号によって構成されるイメ ージ情報をデジタル的に圧縮し、それによって、その情報が伝送ネットワーク1 2中を伝送されることを可能にする。ただし、伝送ネットワーク12は、その伝 送容量が制限されている可能性がある。伝送ネットワーク12は、イメージの伝 送が可能な、公知の従来技術による任意のケーブル・ネットワークや無線ネット ワークである。イメージ情報は、伝送ネットワーク12から伸張手段13に伝播 してそこでイメージが伸張されるが、信号は更にモニタ14まで伝播してイメー ジが表示される。 イメージ信号とその処理を、より詳細に検討する。カラーの表示は、各ピクセ ルの3つの数値を用いることによって可能である。これらの数値の意義及び特性 は、用いられる色空間に従って変動する。ビデオ・カメラ10は、ターゲットか ら反射された赤(R)、緑(G)及び青(B)の光量を測定し、サンプリングの際 に従来技術によるRGB色空間を用いる。伝送及び処理のためには、イメージ信 号は、別の色空間に変換されるのが普通である。表示手段すなわちモニタ14は 赤、緑及び青の光を組み合わせることによってイメージを発生するので、モニタ 14の側で、伝送過程の最後に逆変換が必要となる。 人の目は、色情報よりも明るさに対して、より高い感度を有する。その結果、 イメージ信号の伝送には、一般に、YUV色空間の変換が用いられる。このYU V色空間では、色差情報(U,V)に対してよりも、輝度(luminance)成分( Y)に対しての方が、伝送帯域がより多く確保されている。PAL(Phase Alte rnation Line)システムのU及びV成分は、色符号化システムのサブキャリアの 変調軸である。スケーリングされフィルタリングされた色差信号B−Y及びR− Yを用いて、U及びV軸においてPALサブキャリアが変調される。また、目は 、ゆっくりとした空間的な輝度変化に対する感度も有している。アナログ・イメ ージ信号では、垂直方向の輝度情報は、色情報の詳細数の2倍で構成される。そ の結果、スタジオ品質のデジタル・イメージ信号では、色差情報は輝度情報の解 像度の半分によって垂直方向にサンプリングされる。デジタル・イメージが圧縮 されるときには、多くの場合、色差情報の水平方向の解像度も半減する。 非常に高速の空間的な輝度変化は、通常ノイズである。高周波に対応する変調 成分は、多くのコーデックにおいて、イメージのエッジをにじませることなくノ イズを除去するプレフィルタリングと称される公知の操作によって、減少する。 強力なフィルタリングを用いても、ブロック・ベースのコーデックのDCT成分 を無視する場合よりも、目に対して明白に確認できる人工物として意識させるこ とはない。 離散余弦変換DCTは、高速フーリエ変換に類似している。DCTによると、 時間領域と周波数領域との間でデータが変換されるが、この変換は、元のデー タを回復するための対応する逆変換を有している。DCTは、イメージの圧縮に 適用される。DCT変換は、計算上は極めて重い。例えば、8×8のピクセル・ ブロックに対する二次元のDCT変換を実行するには、次の式が必要となる。ただし、この式において、fiはiのピクセル値であり、C(x)は、x=0の 場合には1/21/2であり、それ以外の場合には1である。 例えば、MPEG1及びMPEG2(Moving Picture Expert Group)などの ビデオ符号化規格では、隣接するピクセルの相関関係が、イメージをDCT変換 の対象となる8×8ピクセル・ブロックに分割することによって利用される。大 きな値を有する少数の成分がDCT変換されたブロックに残り、それ以外の成分 の値は小さなまま維持される。量子化により、これらの値の小さな成分はゼロに 設定され、それによって、低周波から高周波へのランレングス符号化が、エント ロピ符号化と組み合わされ、元の値と比較すると極めて小さなビット・ストリー ムを発生させる。MPEG規格では、運動評価を用いて現在のイメージの16× 16ピクセル・マクロブロックに対する最良の等価物(equivalents)をそれ以 前のイメージから求め、更に、移動の運動ベクトルとDCT変換の差信号とだけ を伝送することによって、イメージの間の時間的な相関関係を利用している。 DCT変換以外にも、本発明では、他の公知のビデオ符号化方法を用いること ができる。最も適切なビデオ符号化方法は、複数の方法を組み合わせることであ る。次の表1は、異なる符号化方法を示している。 次に、イメージ信号のフィルタリングをより詳細に検討する。図2には、圧縮 手段11における、カメラ10で発生されたイメージ信号の最も重要な処理ブロ ックが示されている。この構成には、デシメーション手段20と、プレフィルタ リング手段21と、符号化手段22と、バッファ23と、調整手段24とが設け られている。デシメーション手段20は、従来技術による方法に従っ てイメージ信号のサンプリングを減少させ、それによって、サンプル数を減少さ せる。プレフィルタリング手段21は、イメージのエッジをにじませることなく ノイズを除去する。この段階では、強力なフィルタリングを行っても、ブロック ・ベースのコーデックのDCT成分を減少させる場合ほどには、干渉パターンが 目立つようになることはない。符号化手段22において、プレフィルタリングが なされたイメージ信号に対し符号化がなされるが、この符号化にはDCT変換が 含まれるのが一般的である。DCT変換において用いられイメージ全体、すなわ ち8×8ピクセルのサイズであるブロックのエネルギすなわち大きな値は、少数 のDCT成分に集中され、それ以外の成分の値は小さなままに維持される。量子 化が用いられるときには、ほとんどの小さな値はゼロになり、それによって、ビ ット・ストリームの帯域幅が減少する。符号化されたイメージ信号は、符号化手 段22からバッファ23に送られ、そこから更に、例えば伝送ネットワークに送 られる。バッファ23は、デジタル・データを記憶する電子メモリ回路であるの が好ましい。デシメーション手段20、プレフィルタリング手段21及び符号化 手段22も、やはり、電子回路を用いることにより、ハードウェア又はソフトウ ェアとして実現することができる。本発明では、イメージ信号の輝度を圧縮する ことに、特に重点がある。 バッファ23は、イメージ信号データを制限された量だけしか記憶できず、し たがって、イメージ信号が十分に圧縮されていない場合には、フルに充填されて (満たされて)しまう。圧縮されていないイメージ信号のビット・ストリームは 、ほぼ150Mbps程度である。このために、本発明では、バッファ23の充 填率(fill rate)情報が調整手段24を介してプレフィルタリング手段21に フィードバックされる。プレフィルタリング手段21では、バッファ23の記憶 容量を超えてしまわない程度まで、情報がイメージ信号からフィルタリングされ ることになる。これによって、バッファ23の記憶容量が常に最適な状態で用い られていることを保証される。 ピクセルと位置及び/又は時間に関して関連付けされているピクセル・ブロッ クのピクセル値に依存する基準値が、従来技術に従って、プレフィルタリング手 段21において、イメージ・ピクセルに対して発生される。プレフィルタ リング手段21において、ピクセルにはフィルタリングされた値が更に与えられ るが、この値は、元のピクセル値と発生された基準値との間の差と、フィルタリ ングに用いられたスレショルド値との関係に依存する。これらの操作は、好まし くは、処理されるべきそれぞれのイメージ領域のピクセルに対して別々に実行さ れる。ここで、ピクセル値は、そのピクセル値自体と基準値との差がスレショル ド値を超えない限り、その元の値に維持される。そうでない場合には、元のピク セル値は、基準値と交換される。この差は、絶対的にすなわち差として、又は、 相対的にすなわち商として測定することができる。基準値は、平均値やメジアン (median)など、1つのブロック又はイメージ領域全体の平均の値であるのが一 般的である。メジアン・フィルタは非線形であり、イメージからインパルス・ノ イズを除去し、エッジなどの先鋭な不連続点を同様に維持する。ブロック・サイ ズは、好ましくは、正方形又はクロス(cross)の形状を有する1つの領域当た り3×3ピクセルである。本発明では、調整手段24が、バッファ23の充填率 に従ってプレフィルタリングのスレショルド値を変化させる。バッファ23は、 調整手段24に、バッファ23に残っている記憶空間又は用いられている記憶空 間の容量を知らせる。バッファが満たされていればいるほど、調整手段24はス レショルド値をより高く変更する。それによって、より多くのピクセルが、スレ ショルドよりも小さい量だけ基準値から取り除かれ、基準値の値を与えられる。 これによって、イメージ信号のビット・ストリームの帯域幅が狭められる。ピク セル値が例えば8ビットによって与えられる場合には、スレショルド値は、ステ ップ状に、0から28まで、すなわち、0〜256までの範囲の値を得ることに なる。ブロック・ベースのビデオ符号化が用いられると、それぞれのビデオ符号 化ブロックは、モーション評価情報を用いて別々にプレフィルタリングがなされ る。本発明によれば、例えばノイズなどのビデオ・ソース及びビデオ電子装置に よって生じる乱れが減少する。このようにして、本発明は、符号化の効率を向上 させ、低品質のすなわち低価格のカメラの使用でさえも可能にする。 図3には、異なるプレフィルタリング方法及びスレショルドに対する測定結果 が示されている。垂直軸は、プレフィルタリングがなされていない状況と比 較した帯域確保(バンド・セービング)を示している。水平軸は、符号化手段2 2のDCT量子化係数を示している。すべての場合で、3×3ピクセル・ブロッ クとメジアン・フィルタリングとが用いられたが、ただし、プラス・メジアン・ フィルタリングが別々に示されている。プラス・メジアン・フィルタリングでは 、選択されたピクセルがクロス(cross)の形状のパターンを形成し、他方で、 通常のメジアン・フィルタリングでは、選択されたピクセルは正方形の領域を形 成する。上側の曲線30は、スレショルド値が18であった場合を表している。 曲線31の場合には、スレショルド値は同様に18であったが、フィルタリング がプラス・メジアン・フィルタリングであった。曲線32は、スレショルド値が 9でありプラス・メジアン・フィルタリングが用いられた場合である。曲線33 もスレショルド値が9の場合である。曲線34及び35の対は、スレショルド値 が0の場合である。曲線34ではプラス・メジアン・フィルタリングが用いられ た。 以上で本発明を添付の図面による例を基準にして説明したが、本発明がその例 には限定されず、請求の範囲に開示された発明思想の範囲内で様々に変形しうる ことは明らかである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR, NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,L S,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL ,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR, BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,E E,ES,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU ,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M D,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL ,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK, SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,U Z,VN,YU,ZW

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ビデオ・イメージ帯域の調整方法であって、ピクセルで構成されたイメー ジは、後の伝送のために、プレフィルタリング、符号化、及びバッファ(23) への記憶処理が少なくともなされ、位置及び/又は時間に関してピクセルと関連 付けされたピクセル・ブロックにおけるピクセル値に依存する基準値のプレフィ ルタリングが、イメージ・ピクセルに対して発生され、フィルタリングされるピ クセル値のプレフィルタリングは、元のピクセル値と発生された基準値との差の フィルタリング・スレショルド値に対する関係に依存しており、該調整方法は、 前記バッファ(23)の充填率に応じてプレフィルタリング・スレショルド値 を変化させること を特徴とする調整方法。 2.請求項1記載の方法において、前記元のピクセル値は、該ピクセル値と前 記基準値との差が前記スレショルド値を超える場合にのみ維持され、それ以外の 場合には、前記元のピクセル値は前記基準値と交換され、前記バッファ(23) が充填されていればいるほど、より大きなスレショルド値が用いられることを特 徴とする方法。 3.請求項1記載の方法において、前記バッファ(23)の充填率が所定の値 よりも小さいときには、前記スレショルド値は固定された所定の値に維持される ことを特徴とする方法。 4.請求項1記載の方法において、メジアン・フィルタリング又はそれに類似 するフィルタリングがプレフィルタリングとして用いられることを特徴とする方 法。 5.請求項1記載の方法において、フィルタリングは前記イメージの輝度成分 に対してのみ実行されることを特徴とする方法。 6.請求項1記載の方法において、ブロック・ベースのビデオ符号化が用いら れるときには、それぞれのビデオ符号化ブロックは、モーション評価情報を用い ることにより、別々にプレフィルタリングされることを特徴とする方法。 7.イメージ情報の量を最適化するフィルタ装置であって、プレフィルタ(2 1)と、符号化手段(22)と、バッファ(23)とを備えており、これらの要 素は、ピクセルから構成されたイメージに対して、後の伝送のために、少なくと も、プレフィルタリングと、符号化と、前記バッファ(23)への記憶とを実行 するように構成され、前記プレフィルタ(21)は、イメージ・ピクセルに対し て、位置及び/又は時間に関してピクセルと関連付けされたピクセル・ブロック のピクセル値の関数である基準値を発生するように構成され、フィルタリングさ れたピクセル値は、元のピクセル値及び発生された基準値の差とフィルタリング ・スレショルド値との関数であるフィルタ装置において、前記プレフィルタのス レショルド値を前記バッファ(23)の充填率に従って変化させるように構成さ れている調整手段(24)を備えていること を特徴とするフィルタ装置。 8.請求項7記載のフィルタ装置において、前記プレフィルタ(21)は、前 記元のピクセル値を、該ピクセル値と前記基準値との差が前記スレショルド値を 超える場合にのみ維持するように構成され、それ以外の場合には、前記プレフィ ルタ(21)は、前記元のピクセル値を前記基準値と交換するように構成されて おり、前記バッファ(23)が充填されていればいるほど、前記調整手段は、よ り大きなスレショルド値を発生するように構成されていることを特徴とするフィ ルタ装置。 9.請求項7記載のフィルタ装置において、前記バッファ(23)の充填率が 所定の値よりも小さいときには、前記調整手段(24)は前記スレショルド値を 固定された所定の値に維持するように構成されていることを特徴とするフィルタ 装置。 10.請求項7記載のフィルタ装置において、前記プレフィルタ(21)はメ ジアン・フィルタリング又はそれに類似するフィルタリングを用いるように構成 されていることを特徴とするフィルタ装置。 11.請求項7記載のフィルタ装置において、前記イメージの輝度成分に対し てのみフィルタリングを実行するように構成されていることを特徴とするフィル タ装置。 12.請求項7記載のフィルタ装置において、前記符号化手段(22)がブロ ック・ベースのビデオ符号化を用いるように構成されているときには、前記プレ フィルタ(21)は、モーション評価情報を用いることにより、前記ビデオ符号 化に対応するそれぞれのブロックを別々にフィルタリングするように構成されて いることを特徴とするフィルタ装置。
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