JP2003533952A - ビデオ系列の圧縮のための符号化方法 - Google Patents

ビデオ系列の圧縮のための符号化方法

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JP2003533952A
JP2003533952A JP2001585522A JP2001585522A JP2003533952A JP 2003533952 A JP2003533952 A JP 2003533952A JP 2001585522 A JP2001585522 A JP 2001585522A JP 2001585522 A JP2001585522 A JP 2001585522A JP 2003533952 A JP2003533952 A JP 2003533952A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、フレームのグループで編成された連続するフレームを含むビデオ系列の圧縮ついての符号化方法に関する。それぞれのフレームは、所与の数の連続する解像度レベルを導出する3次元ウェーブレット変換により分解される。本方法は、SPIHTアルゴリズムに基づいており、それぞれのフレームグループの画素のオリジナルセットを、階層的ピラミッドを構築する変換係数に変換する。このピラミッドでは、3次元ウェーブレット変換から生じた近似サブバンドの画素でルートが形成され、これらルート画素により定義された画像ボリュームに対応するより高いサブバンドの画素でこれら画素のそれぞれの子が形成される空間−時間指向ツリーが、空間−時間関係を定義する。本発明によれば、サブバンドの完全な調査がプロセスの初期化ステップの間に実行され、ルート画素におけるそれぞれのサブツリーの重要性を示すレベルのセットが計算されて記憶される。プロセスのソートステップでは、かかる重要性を示すレベルのセットと現在の重要性を示すレベルnとの間の比較がnに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能にコールを置き換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 [発明の分野] 本発明は、第1に、フレームのグループで編成された連続するフレームを含む
ビデオ系列を圧縮するための符号化方法に関する。ここでは、それぞれのフレー
ムは、所与の数の連続する解像度レベルを導出する3次元ウェーブレット変換に
より分解される。本符号化方法は、「階層的ツリーにおけるセット区分(SPI
HT)」と呼ばれる階層的サブバンド符号化プロセスに基づいており、それぞれ
のフレームグループの画素のオリジナルセットからバイナリフォーマットで符号
化されたウェーブレット変換係数を導出して階層的ピラミッドを構築する。該係
数(i,j)は、3次元ウェーブレット変換から生じた最も低い周波数を底にした空
間−時間指向ツリーに編成され、より高い周波数サブバンドにおける子により完
成される。該ツリーの係数は、画素及び対応するそれぞれの重要性を示すレベル
を含む区分セットに整理される。該セットは、重要ではないセットのリスト(L
IS)、重要ではない画素のリスト(LIP)及び重要な画素のリスト(LSP
)と呼ばれる3つの整理されたリストにおける重要な情報の分類を導出する大き
さ検査により定義される。該検査は、それぞれ重要な係数が該バイナリ表現内で
符号化されるまで続く分類プロセスに従い該区分セットに画素のオリジナルセッ
トを分類するために実行される。空間−時間指向ツリーは、階層的ピラミッド内
で空間−時間関係を定義するものである。
【0002】 また、本発明は、第2に、フレームのグループで編成された連続するフレーム
を含むビデオ系列を圧縮するための符号化方法に関する。ここで、それぞれのフ
レームは、所与の数の連続する解像度レベルを導出する3次元ウェーブレット変
換により分解される。本符号化方法は、それぞれのフレームグループの画素のオ
リジナルセットからウェーブレット変換係数を導出して階層的ピラミッドを構築
する階層的サブバンド符号化プロセスに基づいている。空間−時間指向ツリーは
、3次元ウェーブレット変換から生じる近似サブバンドの画素でルートが形成さ
れ、これらのルート画素により定義される画像ボリュームに対応するより高いサ
ブバンドの画素でそれぞれのこれら画素の子が形成されており、階層的ピラミッ
ド内に空間−時間関係を定義する。サブバンドは、空間−時間ツリーにおいて形
成される親−子の依存性を考慮する順序で次々に走査される。係数の最重要ビッ
トのプログレッシブな転送を考慮して、最重要ビットのうちの少なくとも1つが
画素のセットの状態を記述し、最重要ビットのうちの少なくとも別な1つが1つ
の画素の状態を記述するようなやり方で、空間−時間ツリーのそれぞれの係数(i
,j)にフラグ「オフ/オン」が付加される。
【0003】 [発明の背景] マルチメディアアプリケーションの拡張は、ビデオ圧縮スキームの最も重要な
機能のうちのスケーラビリティの1つを作成している。スケーラビリティにより
、異なる必要条件及び符号化能力により受信機の方向に埋め込まれるビットスト
リームにおける複数レベルの品質レベル又は空間解像度/フレームレートを発生
する。MPEG−4のような現在の標準は、追加の高コストレイヤを通して、予
測的なDCTベースのフレームワークにおける実現されたスケーラビリティを有
している。
【0004】 近年、静止画像符号化技法の拡張として、Set Partitioning In Hierarchical
Trees algorithm(SPIHT)のような空間−時間ツリーの階層的符号化に従う3次
元ウェーブレット分解に基づいたより効率的な解法が提案されている(オリジナ
ルのSPIHTアルゴリズムは、たとえば、A.Said及びW.A.Pearlmanによる“A
new, fast, and efficient image codec based on set partitioning in hierar
chical tree” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Techno
logy, vol.6, no3, June1996, pp.243-250に記載されている。また、このアルゴ
リズムの3次元の場合への拡張は、たとえば、B.J.Kim及びW.A.Pearlmanによる
“An embedded wavelet video coder using three-dimensional set partitioni
ng in hierarchical trees(SPIHT)”Proceeding of Data Compression Conferen
ce, March25-27, 1997, Snowbird, Utah USA, pp.251-260に記載されている)。
【0005】 3次元ウェーブレット分解により、自然の空間解像度及びフレームレートスケ
ーラビリティが提供され、階層的ツリーにおいて得られた係数の詳細な走査、御
酔いビットプレーン符号化により、高圧縮比を有する所望の品質スケーラビリテ
ィが実現される。
【0006】 SPIHTアルゴリズムは、キーとなる概念に基づいている。減少する大きさ
に従う係数の部分的なソート。自然画像に固有な自己相似を利用することによる
ウェーブレット分解のスケールにわたる重要な情報が存在しないことの予測。こ
れは、ウェーブレット分解の最も低いスケールで係数が重要ではない場合に、他
のスケールでの同じ領域に対応する係数が重要ではない高い確率を有することを
意味する。
【0007】 基本的に、SPITHは、異なる解像度での同じ画像領域に対応する画素のセ
ットを、空間−時間分解ツリーに見ることができる最大の重要性を示すレベルか
ら0までの「重要性を示すレベル」と呼ばれる値と比較することからなる繰返し
アルゴリズムである。
【0008】 所与のレベル又はビットプレーンについて、2つのパスが実行される。ゼロツ
リー又はサブツリーを探し、重要な係数及び重要ではない係数をソートするため
のソートパス。重要な係数の予測ビットを送出するリファインメントパス。SP
IHTアルゴリズムは、分解の最も高いレベルから最も低いレベルまでウェーブ
レット係数を検査する。これは、第1に、解像度を増加して最も小さなスケール
サブバンドに配置される重要な詳細に対応する係数を考慮し、第2に、ファイン
詳細に対応する最も小さな係数を検査するものである。
【0009】 これは、アルゴリズムの「階層的な」指定を調整する。ビットは、表現される
詳細の減少する重要性により送出され、したがって、プログレッシブビットスト
リームが形成される。
【0010】 空間(又は3次元の場合では空間−時間)指向ツリーと呼ばれるツリー構造で
は、ウェーブレット係数の階層的ピラミッド内の空間(又は空間−時間)関係を
定義する。ツリーのルートは、最も低い解像度(「ルート」サブバンド)で近似
サブバンドの画素により形成される。ルート画素により定義される画像領域に対
応する(3次元の場合では、画像ボリュームに対応する)より高いサブバンドの
画素は、この画素の子を形成する。
【0011】 SPIHTアルゴリズムの3次元の場合では、いずれかのサブバンドのそれぞ
れの画素は、8個の子の画素を有している。それぞれの画素は唯一の親を有して
いる。このルールでは、1つの例外が存在する。ルートのケースでは、8個のう
ちの1つの画素は子を有さない。以下の表記では、親−子関係を記載しており、
これらの依存性の例示が図1において与えられている(3次元の場合)。
【0012】 表記は、以下のようである。TF=時間フレーム、TAS=時間近似サブバン
ド、CFTS=空間−時間近似サブバンドにおける係数(又はルート係数)、T
DS.LRL=分解の最後の解像度レベルでの時間詳細サブバンド、及びTDS
.HR=より高い解像度での時間詳細サブバンド。 O(x,y,z):ノード(x,y,z)の直接の子の座標セット D(x,y,z):ノード(x,y,z)の全ての子孫の座標セット H(x,y,z):全ての空間−時間指向ツリーの座標セット(最も高いピラミッド
レベル:空間−時間近似サブバンド) L(x,y,z):D(x,y,z)−O(x,y,z) SPIHTアルゴリズムは、3つのリストを利用する。LIS(重要でないセ
ットのリスト)、LIP(重要でない画素のリスト)、及びLSP(重要な画素
のリスト)である。全てのこれらのリストでは、座標(x,y,z)によりそれぞれの
エントリが識別される。
【0013】 LIP及びLISでは、(x,y,z)は唯一の係数を表し、LISでは、(x,y,z)は
、空間−時間ツリーのサブツリーである係数D(x,y,z)又はO(x,y,z)のセットを
表す。これらの間を区別するために、D(x,y,z)を表す場合、LISエントリは
タイプAであり、L(x,y,z)を表す場合、LISはタイプBである。
【0014】 第1のパス(ソートパス)の間、LIPの全ての画素は検査され、重要性を示
す画素はリストLSPに移動される。同様に、重要性がある画素はリストLIS
から取り除かれ、LISの最後で配置されるサブセットに分割され、順次検査さ
れる。LSPは、「リファイン」されるべき重要性を示す画素のリストを含んで
おり、係数のn番目ビットの係数は、レベルnに関して重要である場合に送出さ
れる。
【0015】 SPIHTアプローチは、高い圧縮レートに関連する品質のスケーラビリティ
を提供するために設計される。しかし、時間的又は空間的な解像度におけるスケ
ーラビリティは、変更なしにこの符号化手法では得ることができない。ビデオ符
号化システムの全体的な圧縮レートを改善するために、ゼロツリー符号化モジュ
ールに対して算術的エンコーダを追加することが一般に提案されている。
【0016】 算術符号化を有効にするために、現在の画素に関するある効果を有する場合が
ある全ての情報、及び特に近傍画素に関する情報を取得することが重要である。
この情報は、その文脈により表される。ゼロツリーについて走査する場合に実行
される詳細なサーチは、サブバンド内の冗長度を利用せず、算術符号化について
の関連する文脈の判定をより困難なものにする。
【0017】 論理条件のセットにより実行されるリストLIS、LIP、LSPの操作は、
画素の操作の順を予測することをより困難なものにする。同じ3次元の子のツリ
ーに属するが、異なる空間‐時間サブバンドから到来する画素が符号化され、リ
ストに順次置かれ、他のサブバンドの画素を混合するための作用を有する。した
がって、同じサブバンドの画素間の幾何学的な相互依存性が失われる。さらに、
空間−時間サブバンドは、時間又は空間フィルタリングから生じるので、フレー
ムは、詳細の指向を与える優先付けされた軸に沿ってフィルタリングされる。こ
の指向の依存性は、SPIHTアルゴリズムが適用される場合に失われる。これ
は、走査では幾何学的な順序を考慮しないためである。
【0018】 00401216.7号(PHFR000044)の出願人による2000年5月3日に提出された欧州特
許出願では、3次元のSPIHTからの空間−時間ウェーブレット係数を符号化
するための新たな手法が提案されている。この手法は、この符号化スキームにお
いて空間又は時間解像度のスケーラビリティの取得を可能にする一方で、良好な
文脈選択を可能にしている。
【0019】 かかる特許出願によれば、提案されているアルゴリズムは、空間−時間ツリー
において形成される親−子関係を考慮した順序で順次サブバンドを走査する。空
間−時間ツリーのそれぞれの係数にフラグオフ/オンが付加される。これにより
、係数の最重要ビットのプログレッシブな転送の観点で、3つの仮想的な振幅に
整理されたリストLIS、LIP及びLSPが構築される。これらのフラッグは
、フラグのうちの少なくとも1つが画素のセットの状態を記述し、少なくとも別
の1つが1つの画素の状態を記述している。
【0020】 この技法を使用することにより、3次元ウェーブレット変換の初期のサブバン
ド構造が保持され、それぞれの係数に付加されるフラグは、この係数が属するリ
ストLIS、LIP又はLSPを示す。しかし、かかる変更されたSPIHTを
使用する場合、殆どの計算時間が画素のセットの重要性を示すレベルの判定のた
めに費やされる。全ての空間−時間ツリー又はサブツリーは、重要性を示す所与
のレベルに対して相対的に重要ではないレベルと同数回検査され、同じコストが
かかる動作がそれぞれのレベルについて繰り返される。
【0021】 [発明の概要] 本発明の目的は、低減された計算時間による、よりコストが低い符号化方法を
提供することにある。 この目的のために、本発明は、発明の詳細な説明の導入部分において定義され
たような方法に関し、添付Aにおいて示されるアルゴリズムに従い、さらに特徴
付けられる。
【0022】 (a)最も高いサブバンドにおける画素により開始し、最も低いサブバンドに
属する画素により終了し、プロセスの初期化ステップの間にサブバンドの完全な
調査が実行される。ルート画素におけるツリーのそれぞれのサブツリーのセット
の重要性を示すレベルSSLは、以下の手順に従い計算されて記憶される。 係数(i,j)が子を有さない場合はSSL(i,j)=−1であり、それ以外の場合は
SSL(i,j)=max{PSL(k,l),SSL(k,l)}である。ここで、
【外3】 であり、係数(i,j)に対応する子であり、PSLはPSL(i,j)=floor(log2 x(
i,j))により与えられる画素の重要性を示すレベルである。 (b)プロセスの記憶ステップでは、SSL(i,j)と現在の重要性を示すレベ
ルnとの間の比較により、nに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能に
コールが置き換わる。 SSL(i,j)<nである場合に、ルートが(i,j)であるサブツリーはnに対して
相対的に重要ではなく、それ以外の場合にサブツリーは重要である。
【0023】 本発明の別の実施の形態では、本発明は、発明の詳細な説明の導入部分におい
て定義されたような方法に関し、添付Bにおいて示されるアルゴリズムに従い、
さらに特徴付けられる。 (a)最も高いサブバンドにおける画素により開始し、最も低いサブバンドに
属する画素により終了し、プロセスの初期化ステップの間にサブバンドの完全な
調査が実行される。ルート画素におけるツリーのそれぞれのサブツリーのセット
の重要性を示すレベルSSLは、以下の手順に従い計算される。対応するセット
の重要性を示すレベルSSLの値をそれぞれの係数について記憶するためにフラ
グが使用される。 係数(i,j)が子を有さない場合はSSL(i,j)=−1であり、それ以外の場合は
SSL(i,j)=max{PSL(k,l),SSL(k,l)}である。ここで、
【外4】 であり、係数(i,j)に対応する子であり、PSLはPSL(i,j)=floor(log2 x(
i,j))により与えられる画素の重要性を示すレベルである。 (b)プロセスの記憶ステップでは、SSL(i,j)と現在の重要性を示すレベ
ルnとの間の比較により、nに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能に
コールが置き換わる。 SSL(i,j)<nである場合に、ルートが(i,j)であるサブツリーはnに対して
相対的に重要ではなく、それ以外の場合にサブツリーは重要である。
【0024】 その実現に関わらず、この改善された方法は、ゼロツリーの判定に基づいたい
ずれかの符号化アルゴリズムに適用してもよく、アルゴリズムのメインループの
計算時間を大幅に低減することができる。メモリサイズの増加があるが、比較的
小さい。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付図面を参照して詳細に示される。
【0026】 SPIHTアルゴリズムによれば、及びリストLIS、LIP及びLSPの走
査がサブバンド走査及びフラグ解釈により取って変わる上記の欧州特許出願にお
いて記載された符号化方法によれば、初期化の間にサブバンドの完全な調査が実
行され、最大の重要性を示すレベルを判定する。この完全な調査を利用すること
が提案され、ルート画素におけるそれぞれのサブツリーの重要性を示すレベルを
計算して記憶する。
【0027】 第1引用文献において定義されている親−子関係に基づいて、引用された欧州
特許出願において提供されるようなフラグが使用され、以下のやり方で、SSL
と呼ばれる重要性を示すレベルのセットに対応する値を記憶する。
【0028】 最も高いサブバンドにおける画素により開始し、最も低いサブバンドに属する
画素により終了する(この順序は、親−子関係を考慮している)。処理は、以下
のようなものである。 係数(i,j)が子を有さない場合はSSL(i,j)=−1であり、それ以外の場合は
SSL(i,j)=max{PSL(k,l),SSL(k,l)}である。ここで、
【外5】 であり、係数(i,j)に対応する子である。PSLはPSL(i,j)=floor(log2 x(
i,j))により与えられる画素の重要性を示すレベルである。 floor(.)は、括弧()間の表示よりも小さい最も近い整数値を示す。それぞれの係
数において記憶されるSSLの計算の例は、2次元の場合について図2において
示されている。
【0029】 オリジナルのSPIHTアルゴリズムのコアのループ、又は欧州特許出願にお
いて記載されている符号化方法では、SSL(i,j)と現在の重要性を示すレベル
nとの間の比較により、nに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能にコ
ールが置き換わる。 SSL(i,j)<nである場合に、ルートが(i,j)であるサブツリーは、nに対し
て相対的に重要ではなく、それ以外の場合にサブツリーは重要である。
【0030】 図示されているように、添付A及び添付Bにおけるアルゴリズムは、オリジナ
ルSPIHT及びフラグベースの方法のそれぞれにおける変更例を示している。
しかし、SSLのかかる判定及び記憶は、これら2つのアルゴリズムに限定され
ないが、ウェーブレット係数を有効に符号化するためのサブツリーの依存性を使
用して、方法の広いクラスに適用することができる。
【0031】 本方法は、セットの重要性の判定が簡単な比較に基づいているために、SPI
HTアルゴリズム及びフラグベースの方法のメインループの計算時間を大幅に低
減することができる。SSLの判定が使用されて最大の重要性を示すレベルを計
算するために、初期化の間に費やされる計算時間は増加しない。SSL記憶のた
めに要求されるメモリサイズにおける増加が見られるが、比較的小さい。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【図面の簡単な説明】
【図1】 3次元の場合での、空間−時間ツリーにおける親−子関係の例を示す図である
【図2】 2次元の場合での、重要性を示すレベルのセットの計算の例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5C059 MA24 MA31 PP01 SS06 UA02 UA15 5J064 AA00 BA10 BA16 BC29 【要約の続き】 ルを置き換える。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フレームのグループで編成された連続するフレームを含むビ
    デオ系列を圧縮するための符号化方法であって、 それぞれのフレームは、所与の数の連続する解像度レベルを導出する3次元ウ
    ェーブレット変換により分解され、前記符号化方法は、「階層的ツリーにおける
    セット区分(SPIHT)」と呼ばれる階層的サブバンド符号化プロセスに基づ
    いており、それぞれのフレームグループの画素のオリジナルセットからバイナリ
    フォーマットで符号化されたウェーブレット変換係数を導出して階層的ピラミッ
    ドを構築し、前記係数(i,j)は、3次元ウェーブレット変換から生じた最も低い
    周波数を底にした空間−時間指向ツリーに編成され、より高い周波数サブバンド
    における子により完成され、前記ツリーの前記係数は、画素及び対応するそれぞ
    れの重要性を示すレベルを含む区分セットに整理され、前記セットは、重要では
    ないセットのリスト(LIS)、重要ではない画素のリスト(LIP)及び重要
    な画素のリスト(LSP)と呼ばれる3つの整理されたリストにおける重要な情
    報の分類を導出する大きさ検査により定義され、前記検査は、それぞれ重要な係
    数が前記バイナリ表現内で符号化されるまで続く分類プロセスに従い前記区分セ
    ットに画素の前記オリジナルセットを分類するために実行され、前記空間−時間
    指向ツリーは、前記階層的ピラミッド内で前記空間−時間関係を定義し、 前記方法は、添付Aにおいて示されるアルゴリズムに従い、 (a)最も高いサブバンドにおける画素により開始し、最も低いサブバンドに
    属する画素により終了し、プロセスの初期化ステップの間にサブバンドの完全な
    調査が実行され、ルート画素における前記ツリーのそれぞれのサブツリーのセッ
    トの重要性を示すレベルSSLは、以下の手順に従い計算されて記憶され、 係数(i,j)が子を有さない場合はSSL(i,j)=−1であり、それ以外の場合は
    SSL(i,j)=max{PSL(k,l),SSL(k,l)}であり、ここで、 【外1】 であり、係数(i,j)に対応する子であり、PSLはPSL(i,j)=floor(log2 x(
    i,j))により与えられる画素の重要性を示すレベルであり、 (b)プロセスの記憶ステップでは、SSL(i,j)と現在の重要性を示すレベ
    ルnとの間の比較により、nに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能に
    コールが置き換わり、 SSL(i,j)<nである場合に、ルートが(i,j)であるサブツリーはnに対して
    相対的に重要ではなく、それ以外の場合にサブツリーは重要である、ことをさら
    に特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 フレームのグループで編成された連続するフレームを含むビ
    デオ系列を圧縮するための符号化方法であって、 それぞれのフレームは、所与の数の連続する解像度レベルを導出する3次元ウ
    ェーブレット変換により分解され、前記符号化方法は、それぞれのフレームグル
    ープの画素のオリジナルセットからウェーブレット変換係数を導出して階層的ピ
    ラミッドを構築する階層的サブバンド符号化プロセスに基づいており、3次元ウ
    ェーブレット変換から生じる近似サブバンドの画素でルートが形成され、これら
    のルート画素により定義される画像ボリュームに対応するより高いサブバンドの
    画素でそれぞれのこれら画素の子が形成される空間−時間指向ツリーが、前記階
    層的ピラミッド内に空間−時間関係を定義し、前記サブバンドは、前記空間−時
    間ツリーにおいて形成される親−子の依存性を考慮する順序で次々に走査され、
    係数の最重要ビットのプログレッシブな転送を考慮して、フラグのうちの少なく
    とも1つが画素のセットの状態を記述し、フラグのうちの少なくとも別な1つが
    1つの画素の状態を記述するようなやり方で前記空間−時間ツリーのそれぞれの
    係数(i,j)にフラグ「オフ/オン」が付加され、 前記方法は、添付Bにおいて示されているアルゴリズムに従い、 (a)最も高いサブバンドにおける画素により開始し、最も低いサブバンドに
    属する画素により終了し、プロセスの初期化ステップの間にサブバンドの完全な
    調査が実行され、ルート画素における前記ツリーのそれぞれのサブツリーのセッ
    トの重要性を示すレベルSSLは、以下の手順に従い計算され、対応するセット
    の重要性を示すレベルSSLの値をそれぞれの係数について記憶するためにフラ
    グが使用され、 係数(i,j)が子を有さない場合はSSL(i,j)=−1であり、それ以外の場合は
    SSL(i,j)=max{PSL(k,l),SSL(k,l)}であり、ここで、 【外2】 であり、係数(i,j)に対応する子であり、PSLはPSL(i,j)=floor(log2 x(
    i,j))により与えられる画素の重要性を示すレベルであり、 (b)プロセスの記憶ステップでは、SSL(i,j)と現在の重要性を示すレベ
    ルnとの間の比較により、nに対する相対的なツリーの重要性を計算する機能に
    コールが置き換わり、 SSL(i,j)<nである場合に、ルートが(i,j)であるサブツリーはnに対して
    相対的に重要ではなく、それ以外の場合にサブツリーは重要である、ことをさら
    に特徴とする方法。
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EP00401366.0 2000-05-18
EP00401366 2000-05-18
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