JP2002534863A - ビデオ信号符号化方法及び装置 - Google Patents

ビデオ信号符号化方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 ビデオ通信では、伝送の品質と遅延は、帯域幅を有する符号化器の所定の設定に対して、発生されるビット数を合わせることができるビットレート制御戦略に依存する。符号化器に適切な指針を与えるために、（動き情報と画像のコンテンツに対する統計値を使用する経験則により）概略の予測に基づく前分析ステップが、発生されるビット数を予測するために行われる。そして、次に、量子化ステップサイズと連続する画像のレートの調整のために設けられた判断ステップが続く。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ビデオ信号の連続する画像を符号化する方法であって、各連続する
画像を、複数の副画像に副分割するステップと、各副画像を係数へ変換するステ
ップと、前記係数を与えられたステップサイズで量子化するステップと、前記量
子化された係数を符号化するステップと、各々の連続する画像を符号化するため
のビット数に関する目標値に従ってステップサイズを制御するステップとを有す
る方法に関する。本発明は、対応する装置にも関する。本発明は特に、いわゆる
Ｈ．２６３勧告に従った低ビットレートでの実時間通信に適用される。
【０００２】 低ビットレートアプリケーション（ビデオ電話、ビデオ会議）では、Ｈ．２６
３で提案されているような画像圧縮に関するシステムが推薦されている。前記規
格に従ったビデオ符号化器は、例えば、１９９７年Ｋｌｕｗｅｒアカデミック出
版の、Ｂ．Ｆｕｒｔ他による文献”ビデオ圧縮のための動き推定アルゴリズム”
の第２章、３０頁から３５頁に記載されている。図１に記載されているようなＨ
．２６３ビデオ符号化器は、前の画像から現在の画像への動き補償予測に基づい
ており、その後に画像の要素の無相関化により画像の空間冗長度を減少し且つ幾
つかの低次の係数にエネルギーを集中する（ＤＣＴのような）直交変換、量子化
及び、このように変換されかつ量子化される予測誤差を符号化する符号化動作が
続く。少なくとも、第１の画像は参照画像であり、時間予測無し（即ち、”イン
トラモード”又は、Ｉモード）で符号化され、次々と、ｎ画像毎に１つの画像が
前記イントラモードで符号化される。他の画像形式、Ｐ形式は、Ｐ画像である。
即ち、前の画像から時間的に予測される画像である。
【０００３】 図１に示すように、連続する画像Ｐは、符号化装置の入力（入力ビデオ）に規
則的に到着する。離散コサイン変換回路１２、量子化回路１３及び、可変調符号
化器１４（それぞれＤＣＴ，Ｑ，ＶＬＣ）を含む符号化ブランチは、これらの画
像を処理し（回路１２は実際には、入力画像と、減算器２５の出力で有効な予測
画像の差を受ける）得られた符号化された可変ビットレートビットストリームを
バッファ１５へ送る。バッファの出力はＨ．２６３ビデオ符号化器の固定ビット
レートビットストリームの出力である。前記出力ビットストリームは、バッファ
調整のためのビットレート制御回路３０へも送られる。予測ブランチが設けられ
、予測ブランチは、直列に、逆量子化器２１（Ｑ−１）、逆ＤＣＴ変換回路２２
（ＤＣＴ−１）、加算器２３（再構成された前の画像ＲＰＰを送る）、時間予測
回路２４（予測画像ＰＰを減算器１５に送り、動きベクトルＭＶを可変長符号化
器１４へ送り、画像スキップ回路２６の出力で有効な現在の画像ＣＰと、加算器
２３の出力で有効な再構成された画像ＲＰＰとの間でブロック一致検索に基づく
予測を行う）及び、減算器２５を有する。
【０００４】 Ｈ．２６３規格は、４層の階層ビットストリームシンタックスを定義し、前記
階層は、画素レベル、グループオブブロックレベル（ＧＯＢ）、マクロブロック
レベル（ＭＢ）及び、ブロックレベル（８ｘ８画像要素又は、画素）であり、ブ
ロックはＤＣＴが行われる基本単位である。マクロブロックは４つの輝度ブロッ
ク（画像の１６ｘ１６領域）及び、２つの色差ブロックを含む。予測ブランチの
回路２４内で再構成された前の画像ＲＰＰに関して行われる動き推定及び補償は
、マクロブロックについて行われる。バッファ１５と量子化回路１３の間の帰還
接続３１により、精密な又は、粗い量子化を得ることができる。量子化の粗さは
、最初の３つの層（ブロック、マクロブロック、ＧＯＢ）に対する量子化パラメ
ータと、各ＤＣＴ係数の量子化の相対的な荒さを設定する固定の量子化マトリク
スにより定義される。符号化器の入力に設けられている画像スキップ回路２６は
、（許容できる画像品質を保ちながら）ビットレートを減らす可能な方法として
も使用され得る。スキップされた画像の数は可変で、出力バッファの充填度に依
存し、バッファ調整のために設けられた帰還接続３１は、それゆえ、量子化ステ
ップ変動だけでなく、画像スキップ（及び、第１のスイッチ４２と第２のスイッ
チ４３を動作させるかを回路４１により制御されたイントラ／インター選択）に
も依存する。
【０００５】 この帰還接続で符号化器には、ビットレート制御の問題が次のように公式化さ
れる：所定のビットレート及び入力画像が与えられ、どの符号化器の設定が選択
されるかをどのように決定するかという、指針を与える。（目標ビットレートを
維持するために）画像が周期的に捕まえられ且つ、品質は、連続する各画像の複
雑さに適応され、それゆえ画像毎に大きく変動する一定画像レートアプローチ又
は、画像は固定の量子化ステップで処理されるがしかし、符号化器が前の画像の
処理を終了したときにのみ、即ち高可変画像レートが、画像の複雑さに適応され
る一定品質アプローチのいずれかが可能である。
【０００６】 それゆえ、本発明の目的は入力画像と表示画像の間の遅延は、良く制御されね
ばならない（できる限り一定に）ということを考慮しながら、どのような場面も
できる限り規則的に回復することを保証するために、画像レートと品質のトレー
ドオフが調査される改善された符号化方法を提案することである。
【０００７】 このために、本発明は、前の画像と現在の画像の間の動き情報を符号化し且つ
前記係数を符号化するのにそれぞれ使用されるビット数の推定値に基づいた前分
析サブステップと、量子化ステップサイズと連続する画像のレートを調整するた
めの判断サブステップとを有する、前文で述べたような方法に関する。
【０００８】 本発明の特定の特徴を、図を参照し、以下に記載された実施例を参照して説明
する。
【０００９】 図１に示す符号化チェインでは、出力バッファ１５に行われる帰還制御の開始
点は、各連続する現在の画像を符号化するのに使用されるビット数を伝送チャネ
ルで利用できるビット数に固定することである。各画像の符号化動作中に、ビッ
ト発生を観測すると、伝送されるべきビットの最大量は画像のコンテンツに関連
していることがわかる。実際に、ビットは、画像レベル、ＧＯＢレベル、マクロ
ブロックレベル及び、ブロックレベルで情報を符号化するのに使用されるが、し
かし、発生されたビット数に関して最も消費する部分は、動き推定とＤＣＴ係数
の符号化に関するマクロブロックとブロックレベルであり、全体的に現在の画像
の複雑さに依存する。
【００１０】 そのような符号化チェインでは、通信の品質は発生されたビットの可変の量子
化に依存する部分に依存する。本発明に従って、符号化器の設定に従ってどのく
らいのビットが発生されるかを粗く予測する現在の画像の前分析が設けられる。
以下に詳細に説明する前記前分析は、符号化器の各可能な量子化ステップについ
て発生されるビット数を予測することが可能である（前分析ステップ）。次に判
断ステップでは、前記ビット数を望ましいビット数と比較した後に、符号化器の
設定が決定される。対応する量子化ステップが、前に設定した品質範囲と一致す
る場合には、画像はそれで符号化される（これは、量子化ステップサイズが大き
すぎることに対応して、品質が悪すぎる場合には、伝送は認められないことを意
味する）。そうでなければ、帯域幅要求に合わせるために、最も悪い認められた
量子化ステップは、最初に選択され、そして、減少した画像レートが計算され（
そして、画像スキップ回路２６で選択される）。そして、計算された設定は、画
像の符号化処理で使用される。各ＧＯＢの符号化動作の後に、バッファ調整のた
めの帰還接続により許されたビットレート制御は、予測されたビット数と望まし
いビット数の間の不一致が前記符号化動作中に現れたかどうかを検査する。そし
て、もし必要なら、符号化器の設定は、２つの連続するＧＯＢ間の量子化ステッ
プを変更（認められた変更はプラス又は、マイナスのみ）することにより変更さ
れる。
【００１１】 発生されたビットは２つの部分に分割される。第１の部分はヘッダに対応し、
第２の部分は現在の画像の実際のコンテンツに対応する。第１の部分の計算は簡
単であるが、第２の部分の計算は複雑である。
【００１２】 画像のコンテンツを送信するために、（ａ）現在の画像と前の画像の間の動き
の情報及び、（ｂ）現在のマクロブロックと前の画像の対応するマクロブロック
の間の色差及び輝度の変化の、２種類の情報が必要である。
【００１３】 動き情報に関連する第１の前分析サブステップは、動きベクトルを符号化する
のに必要なビット数の概略の予測に基づいている。更に詳細には、完全な画像の
平均動きと全ての動きデータを符号化するのに要するビット数を連結する経験則
が確立されることがわかる。この経験則は以下の式（１）の形式で表すことがで
きる。
【００１４】
【数１】 ここで、Ｎ＝非零の動きベクトルを有するマクロブロック数； Ｍｅａｎ＿ｍｖ＝（動きベクトルの和）／（画像当りのマクロブロック数）； ＰＮＢ＝（全体の画像の平均動きに関連する）画像の動き情報を符号化するのに
使用される推定されたビット数である。この経験則は、単純で迅速であるという
優位点を有する。
【００１５】 ＤＣＴ係数を符号化するビット数に関連する第２の前分析サブステップは、マ
クロブロックレベルで行われる予測に基づいている。各量子化ステップに対して
、使用されるビット数の統計値対現在の輝度データと参照マクロブロックの間の
絶対値の差の和は、（＝ＳＡＤは、現在のマクロブロックと前の再構成された画
像中の移動したマクロブロックの間の相関の測定値であり、
【００１６】
【数２】 ここで、ｘ、ｙ＝移動軸、Ｎ＝一般的には８又は１６のブロックサイズであり、
関係（２）に従って、）行われ、そして、ＳＡＤに関してビット数は線形な変化
を有しないことがわかる。これは、頻繁に起こる係数に対しては可変長符号化モ
ードで、そして、他に対しては固定長の符号化モードである、Ｈ．２６３規格の
ＤＣＴ係数の符号化モードによっている。これは、各量子化ステップに対して、
小ＳＡＤに対する領域、中間のＳＡＤに対する領域、大きなＳＡＤに対する領域
の３つの異なる領域がなぜ観測されるのかを説明する。
【００１７】 これは、ＳＡＤ領域によって、異なる予測を行うことを導く。量子化ステップ
（１から３１）の全体の範囲で動作する３つの領域について妥協がなされる。３
次の多項式近似則は、各量子化ステップに対して、ＳＡＤ＜５００、５００＜Ｓ
ＡＤ＜１０００，１０００＜ＳＡＤ＜１５００に対して計算される。ＳＡＤ＞１
５００に対しては固定値が選択される。正確さと計算の複雑さの間の前記妥協は
、むしろ良いようである。
【００１８】 実際に、符号化の丁度先頭で、全体の画像の動き推定がなされる。各マクロブ
ロックのＳＡＤは既知であり、どの量子化ステップが目標ビット数に最も近い予
測を当てるかを決定するために、予測されたビット数は各量子化ステップに対し
て計算される。計算された量子化ステップが最小の品質に関して高すぎる場合に
は、量子化ステップは最大に設定することが許される。ライン上で送られたビッ
ト数を知った後、次の画像を捕捉するための時間が計算される。
【００１９】 図２に示す本発明に従った符号化器では、単一の参照番号２０１の前分析ステ
ップには、判断サブステップ２０２が続く。基準”符号化器２０３”は、バッフ
ァ１５とビットレート制御回路３０を除き、図１の全ての要素の結合を示す。
【００２０】 図１の基本機構に関して、図２は上述の前分析が符号化チェインの中でどのレ
ベルかを示し、そして、図３は、図２の機構が（即ち、本発明に従ったビットレ
ート制御が）どのように動作するかを示す。前記調整は、ここでは、計算ステッ
プ、テストステップ、又は、ここで説明する同様なステップを制御するソフトウ
ェア命令の組を実行することにより行われることを示さねばならない。
【００２１】 第１のステップ３１は、帯域幅ＢＷ、出力バッファＦＯＢの充填度、及び、以
下の形式の式（３）に従った目標フレームレートＴＦＲを考慮して、入力画像に
対して認められた目標ビット数Ｔｂを計算するために設けられる。
【００２２】
【数３】 第２のステップは、帯域幅、品質及び、フレームレートと矛盾のない、小量子
化器（又は、量子化）ステップで実際の画像を符号化するのに有益な、予測ビッ
ト数Ｐｎを計算するために設けられた、計算動作３２１を有する。これらの数Ｔ ｂ とＰｎは比較される（テスト動作３２２）。ＰｎがＴｂよりも大きい場合（出
力Ｙ）には、図２の符号化ステップは、前記量子化ステップで行われ、一方Ｐｎ がＴｂよりも小さい場合（出力Ｙ）には、量子化ステップに１が加えられ、動作
３２１が繰り返され、そして、変更されたＰｎの値で、テスト動作３２２が繰り
返される。
【００２３】 ＰｎがＴｂよりも大きい場合には、品質テスト３３が行われる。量子化器が所
定の品質閾値よりも小さい場合（Ｑｎ−１＜Ｑｍａｘ）には、フレームレートＦ
Ｒは目標フレームレートと等しく（接続３３１）、一方、そうでない場合には、
最小の認められた品質に対する予測されたビット数に従って、新たな小さなフレ
ームレートが計算される（接続３３２）。そして、両方とも、符号化ステップ３
４１は、各ブロックのグループ（ＧＯＢ）の符号化のために行われる。
【００２４】 最後のステップは、符号化予測が実際の符号化（サブステップ３４３）に従っ
て（テスト前ＯＫ？）いるなら、各新たなＧＯＢ（テスト３４２新ＧＯＢ？）を
検査するために設けられる。ｙｅｓであるならば、次の符号化ステップは同じ量
子化器で継続し（サブステップ３４３）、そうでないならば、ドリフトを減少す
るために、計算された量子化器へ１を加算又は減算（サブステップ３４５、新Ｑ
ＵＡＮＴ＝＋／−）を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｈ．２６３規格に従った基本的なビデオ圧縮機構を示す図である。
【図２】 本発明に従った符号化器の一般的な構造を示す図である。
【図３】 図２の構造がどのように働くかを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バラオ，エリック オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5C059 KK23 MA23 MC11 ME01 NN01 NN27 PP16 SS07 TA46 TB08 TC12 TC38 TD06 UA02 5J064 AA01 AA02 BA09 BA16 BB03 BC01 BC26 BD02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ビデオ信号の連続する画像を符号化する方法であって、 −各連続する画像を、複数の副画像に副分割するステップと、 −各副画像を係数へ変換するステップと、 −前記係数を与えられたステップサイズで量子化するステップと、 −前記量子化された係数を符号化するステップと、 −前の画像と現在の画像の間の動き情報を符号化し且つ前記係数を符号化するの
    にそれぞれ使用されるビット数の推定値に基づいた前分析サブステップと、量子
    化ステップサイズと連続する画像のレートを調整するための判断サブステップと
    を有する、各々の連続する画像を符号化するためのビット数に関する目標値に従
    ってステップサイズを制御するステップとを有する方法。
  2. 【請求項２】 ビデオ信号の連続する画像を符号化する装置であって、 −各連続する画像を、複数の副画像に分割する手段と、 −各副画像を係数へ変換する画像変換器と、与えられたステップサイズで係数を
    量子化する量子化器を含む、連続的に前記副画像又は副画像のグループを符号化
    する符号化器と、 −前の画像と現在の画像の間の動き情報を符号化し且つ前記係数を符号化するの
    にそれぞれ使用されるビット数を推定する前分析段階と、量子化ステップサイズ
    と連続する画像のレートを調整するための判断段階とをも有する、与えられた画
    像を符号化するためのビット数に関する目標値に従って量子化ステップサイズを
    制御する制御手段とを有する装置。
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