JP2006197573A - 重ね合わせ双直交変換のための可逆2次元プリ/ポストフィルタリング - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ディジタルメディアコーデックで使用可能な効率のよい重ね合わせ変換が、コア変換に対して千鳥配列のグリッド上で適用されるプリ/ポストフィルタリングのための可逆2次元重ね合わせ演算子を使用して実現される。2次元重ね合わせ演算子は、それぞれのブロックの点のサブセットに対するインターリーブされた段における一連の基本的変換として再構成され、計算上の効率のためにリフティングステップで実施される、分離可能に適用される1次元可逆重ね合わせ演算子に基づくものである。インターリーブされる段には、正規化2×2アダマール変換を伴う最初と最後の段の間の、回転を適用する段およびスケーリング段が含まれる。
【選択図】図11
Description
重ね合わせ変換は、データ圧縮で使用される強力な信号処理技法である(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、今日まで、線形位相を用いた効率的な重ね合わせ変換は、損失なし(可逆)データ圧縮については考案されておらず、適用もされていない。
変換符号化は、多くのオーディオ、画像およびビデオ圧縮システムで使用される圧縮技法である。圧縮されていないディジタル画像およびビデオは、通常、2次元(2D)グリッドとして構成された画像またはビデオフレーム中の場所にある画素または色のサンプルとして表され、または取り込まれる。これは、画像またはビデオの空間領域表現と呼ばれる。例えば、画像での1つの典型的な形式は、グリッドとして構成された24ビット色画素サンプルのストリームからなる。各サンプルは、特に、RGBやYIQといった色空間内のグリッド中のある画素位置における色成分を表す数である。様々な画像およびビデオシステムが、多種多様なサンプリングの色、空間および時間分解能を使用し得る。同様に、ディジタルオーディオは、通常、時間サンプリングされたオーディオ信号ストリームとして表される。例えば、1つの典型的なオーディオ形式は、規則的な時間間隔で取られたオーディオ信号の16ビット振幅サンプルのストリームからなる。
重ね合わせ変換は、従来方式のブロック変換の後に変換領域量をマージするステップとして変換領域で実施され得る。さもなければ、重ね合わせ変換は、重ね合わせの範囲内の画素に適用される前処理段によって、空間領域で実施され得る。これら2つの実施形態は、数学的に関連しており、したがって、等価である。
一般に、変換の長さNは、ある変換ブロック中の変換係数の数である。
数学的な意味で、重ね合わせ変換は、入力および出力信号ならびに中間計算結果を実数とみなすとき、反転可能な構造である。無限精度が達成され得る場合、入力データは、その重ね合わせ変換係数から完全に回復され得るはずである。しかしながら、無限精度は実際には不可能である。すなわち、データの損失なし圧縮のための要件は、整数または固定精度の演算に作用し、しかも、変換係数の整数表現が与えられたものとして、データを完全に復元する変換を設計することである。これは、数学的反転可能性より強い条件であり、そのような変換を、本明細書では、「損失なし」変換と呼ぶ。さらに、この損失なし変換は、(損失なしと損失あり両方の)データ圧縮でも効率的であることが必要とされる。その効率性は、変換されたデータのエントロピによって測定される。すなわち、エントロピが低いほど、変換されるデータは、コンテキストベースの算術符号化や適応ランレングス符号化などの標準エントロピ符号化技法によって、より一層圧縮され得る。
1.効率のよいデータ圧縮のための正規化プリ/ポストフィルタを獲得することが困難/ほぼ不可能であること、
2.そのような近似が獲得され得る場合の高度な複雑さ、および
3.そのような近似が実施されるときの複数のフィルタリング/リフティングステップによる不正確さ
である。
図4および5は、可逆重ね合わせ演算子を使用する重ね合わせ変換に基づく代表的な2次元(2D)データ符号器400および復号器500で用いられるプロセスの一般化された図である。これらの図には、2Dデータ符号器および復号器を組み込んだ圧縮システムにおけるこの可逆重ね合わせ演算子の使用および適用の一般化され、または単純化された実例が示されている。この可逆重ね合わせ演算子に基づく代替の符号器では、この代表的な符号器および復号器に示すものより多い、または少ないプロセスも2Dデータ圧縮に使用され得る。例えば、いくつかの符号器/復号器は、色変換、色形式、拡張可能符号化、損失なしの符号化、マクロブロックモードなども含み得る。圧縮システム(符号器および復号器)は、損失なしから損失ありまで変化する量子化パラメータに基づくものとすることのできる量子化に応じて、2Dデータの損失なしおよび/または損失あり圧縮を提供することができる。
2.YUV4:2:0形式色画像では、各マクロブロックは、16個の4×4Yブロック、および4個ずつの4×4クロミナンス(UおよびV)ブロックを含む。
3.RGBまたはYUV4:4:4色画像では、各マクロブロックは、16ブロックずつのY、UおよびVチャネルを含む。
より一般的には、符号器400(図4)の重ね合わせ演算子440およびブロック変換450は、図6に示すようにプリフィルタリング演算610と、それに続くブロックデータ変換620に分解され得る重ね合わせ変換600の大きなクラスの一例である。図6に、そのような分解された重ね合わせ変換の一般化された例を示す。この図示の事例では、図3に示す6×4重ね合わせ変換310が、プリフィルタ演算610段とブロック変換620段に分解される。プリフィルタリング演算610およびブロック変換620は、データ点上に均一に交互配置される。この図示の6×4重ね合わせ変換600の例では、各プリフィルタは、隣接するブロックにまたがるデータ点の長さ2の変換である。復号側では、ポストフィルタ640が、ブロック境界にまたがって、逆ブロック変換630の後に適用される。同様に、一般的なK×Nの場合では、プリフィルタは、ブロック境界に隣接する各ブロックの(K−N)/2データ点に適用される。
符号器400/復号器500(図4および5)がそれに基づく損失なし重ね合わせ変換600のプリフィルタ610(図6)として使用するための効率的可逆重ね合わせ演算子は、図7に示す構造700に分解される線形位相プリフィルタとして実現され得る。また、このプリフィルタの逆(すなわち、ポストフィルタ640)も、異なる係数を伴うが、同じ構造を持つ。
2.U1、U2、V1およびV2の損失なしの実現を導出するステップ。
1つの例示的実施形態において、符号器400および復号器500は、様々な種類の変換(例えば、本明細書で説明する重ね合わせ変換や、重ね合わせフィルタリングが省かれるモードなど)を使用して複数の圧縮モードをサポートする。符号化のプロセスの間、ユーザによって内部パラメータOverlapModeが供給される。このパラメータは、符号化に使用される変換の種類を決定し、ビットストリームによって復号器に知らされる。例示的実施形態では、OverlapModeの3つの選択、すなわち、「OL_NONE」、「OL_ONE」および「OL_TWO」が可能であり、次のように機能する。
2.OL_ONEは、高域(詳細)画像に重ね合わせ変換が使用され、低域(DC)画像成分にブロック変換が使用されることを知らせる。
3.OL_TWOは、画像の高域成分と低域成分の両方に重ね合わせ変換が使用されることを知らせる。
一手法において、2次元プリ/ポストフィルタリング440(図4)のための4×4重ね合わせ演算子は、(前述の「可逆重ね合わせ演算子」という表題の項でも説明されている)図19の4点重ね合わせ演算子1900を、4×4重ね合わせ演算子サポート1520(図15)に、水平と垂直とに分離可能に適用することによって実施され得る。この4×4重ね合わせ演算子の分離可能手法の実施形態2000を図20に示す。より詳細には、この手法は、1次元4点重ね合わせ演算子を、4×4重ね合わせ演算子サポート1520の垂直列(すなわち、列a、e、i、m、列b、f、j、n、列c、g、k、o、および列d、h、l、p)に適用し、続いて1次元4点重ね合わせ演算子を水平行(すなわち、行a、b、c、d、行e、f、g、h、行i、j、k、l、および行m、n、o、p)に適用する。しかしながら、この手法2000には、前述の発明の開示の項で要約したようにいくつかの欠点がある。
前述のように、符号器/復号器の例示的実施形態は、前述の重ね合わせ演算子と、2004年12月17日に出願された、Srinivasanによる、「Reversible Transform For Lossy And Lossless 2-D Data Compression」という名称の米国特許出願第11/015707号明細書に記載されている可逆近似4×4DCTとの組み合わせである重ね合わせ変換を実施する。この例示的実施形態の図17の符号化プロセス1700および図18の復号化プロセス1800で示すように、符号器/復号器は、2×2コア変換、2×2逆コア変換、4×4コア変換および4×4逆コア変換を使用する。これらの変換の実施形態は、以下で論じる、図41〜46に示す(Cプログラミング言語の)プログラムリストで定義される。
1.図22のアダマール2×2(a,b,c,d)関数2200を適用する。
2.点bと点cを交換する。
1.点bと点cを交換する。
2.アダマール2×2(a,b,c,d)関数2200(図22)を適用する。
2.データブロックを、
4×4プリ/ポストフィルタリングを使用する重ね合わせ変換に基づく前述のコーデックは、特に、コンピュータ、画像/ビデオ記録、送信および受信装置、携帯用ビデオプレーヤ、テレビ会議などを含む、ディジタルメディア信号処理が行われる様々な装置のいずれかで実行され得る。このディジタルメディア符号化技法は、図47に示すようなコンピュータまたは他のコンピューティング環境内で、ディジタルメディア処理ソフトウェアとしてのみならず、ハードウェア回路としても実施され得る。
前述の可逆重ね合わせ演算子の様々な変更および拡張が行われ得る。前述の説明は1次元データでのものであるが、同じ手順は、複数のデータ次元に分離可能に、または分離不能に適用され得る。
1110 可逆直交回転
1120 可逆単位行列式スケーリング
Claims (20)
- 2次元ディジタルメディアデータを重ね合わせ変換として処理する方法であって、
可逆2次元重ね合わせ演算子を、千鳥配列のグリッドベース上の前記ディジタルメディアデータの2次元ブロックの第1のセットに適用するステップと、
可逆2次元ブロック変換を、整列されたグリッドベース上の前記ディジタルメディアデータの2次元ブロックの第2のセットに適用するステップと
を含み、前記千鳥配列のグリッドベースは前記整列されたグリッドベースに対して空間的にずらされており、前記可逆2次元重ね合わせ演算子および前記可逆2次元ブロック変換を一緒に適用する前記ステップは、前記2次元ディジタルメディアデータの前記重ね合わせ変換をもたらすことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の前記重ね合わせ変換としての前記処理を一部使用することによって前記2次元ディジタルメディアデータを符号化し、復号化する方法であって、復号化において前記可逆2次元重ね合わせ演算子を適用する前記ステップと前記可逆2次元ブロック変換を適用する前記ステップは、前記2次元ディジタルメディアデータの符号化において適用される前記重ね合わせ演算子およびブロック変換から反転され、その逆の順序であり、復号化における重ね合わせ変換としての前記処理は、前記2次元ディジタルメディアデータを符号化し、復号化する際に実行される他のどんな処理とも別の、符号化における重ね合わせ変換としての前記処理の損失なしの逆であることを特徴とする方法。
- 前記可逆2次元重ね合わせ演算子を適用する前記ステップは、前記千鳥配列のグリッドベース上の2次元ブロックの前記第1のセット中のブロックについて、
前記ブロックへの1次元可逆重ね合わせ演算子の水平と垂直に分離可能な適用の演算をインターリーブする複数の段において一連の演算を適用するステップであって、それぞれの段における前記演算は、前記ブロック中の点の独立のサブグループへのリフティングステップとして実施される基本的変換のセットとして構成されるステップ
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 最初と最後の段において演算を適用する前記ステップは、前記ブロックの4点サブセットに正規化2×2アダマール演算子を適用するステップを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 4×4点サイズブロックの場合には、前記4点サブセットは、
前記ブロックの隅のところの4点のグループと、
前記ブロックの中央にある4点のグループと、
前記ブロックの水平端の中央にある4点のグループと、
前記ブロックの垂直端の中央にある4点のグループと
を含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記最初と最後の段の間の段において演算を適用する前記ステップは、前記ブロック中の点のサブセットに回転変換を適用するステップを含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 4×4点サイズブロックの場合には、回転変換を適用する前記ステップは、
前記ブロックの2×2低域、低域サブセット中の点を通過するステップと、
前記ブロックの2×2高域、高域サブセットの点に2×2回転変換を適用するステップと、
前記ブロックの2×2高域、低域サブセットおよび2×2低域、高域サブセットの独立の2点サブグループに2点回転変換を適用するステップと
を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 前記最初と最後の段の間の別の段において演算を適用する前記ステップは、前記ブロック中の点のサブセットにスケーリング演算を適用するステップを含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記別の段において前記ブロック中の点のサブセットにスケーリング演算を適用する前記ステップおよび前記最初と最後の段において前記2×2アダマール演算子を適用する前記ステップは、前記ブロックへの前記1次元可逆重ね合わせ演算子の水平と垂直に分離可能な適用に関する少なくともいくつかの演算を省略し、そのような少なくともいくつかの演算は、前記最初と最後の段の前記2×2アダマール演算子の演算と相殺される前記別の段のスケーリング演算であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記別の段において前記ブロック中の点のサブセットにスケーリング演算を適用する前記ステップは、前記ブロックへの前記1次元可逆重ね合わせ演算子の水平と垂直に分離可能な適用に関する、少なくともいくつかの相殺可能なスケーリング演算を省略することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 4×4点サイズブロックの場合には、スケーリング演算を適用する前記ステップは、
前記ブロックの2×2高域、低域サブセットおよび2×2低域、高域サブセット中の点を通過するステップと、
前記ブロックの2×2高域、高域サブセット、および前記ブロックの2×2低域、低域サブセットにスケーリング演算を適用するステップと
を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 前記ブロックの前記2×2高域、高域サブセットおよび前記低域、低域サブセットにスケーリング演算を適用する前記ステップは、
前記ブロックの中心の周りに対称的に位置する前記2つのサブセットからの点の対に2点スケーリング演算を適用するステップ
を含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - ディジタルメディアプロセッサ上で実行可能な、前記プロセッサに2次元ディジタルメディアデータに対して請求項3に記載の方法を実行させるソフトウェアプログラムを保持していることを特徴とする少なくとも1つのプログラム保持媒体。
- ディジタルメディアプロセッサ上で実行可能な、前記プロセッサに2次元ディジタルメディアデータに対して請求項8に記載の方法を実行させるソフトウェアプログラムを保持していることを特徴とする少なくとも1つのプログラム保持媒体。
- 重ね合わせ変換を使用して処理される2次元ディジタルメディアデータを格納するデータ格納バッファと、
可逆2次元重ね合わせ演算子を、千鳥配列のグリッドベース上の前記ディジタルメディアデータの2次元ブロックの第1のセットに適用し、
可逆2次元ブロック変換を、整列されたグリッドベース上の前記ディジタルメディアデータの2次元ブロックの第2のセットに適用するようにプログラムされたプロセッサであって、前記千鳥配列のグリッドベースは前記整列されたグリッドベースに対して空間的にずらされており、前記可逆2次元重ね合わせ演算子および前記可逆2次元ブロック変換を一緒に適用することは、前記2次元ディジタルメディアデータの前記重ね合わせ変換をもたらす
プロセッサと
を備えることを特徴とする2次元ディジタルメディアプロセッサ。 - 前記可逆2次元重ね合わせ演算子を適用するときに、前記千鳥配列のグリッドベース上の2次元ブロックの前記第1のセット中のブロックについて、さらに、
前記ブロックへの1次元可逆重ね合わせ演算子の水平と垂直に分離可能な適用の演算をインターリーブする複数の段において一連の演算を適用するようにプログラムされたプロセッサであって、それぞれの段における前記演算は、前記ブロック中の点の独立のサブグループへのリフティングステップとして実施される基本的変換のセットとして構成される
プロセッサであることを特徴とする請求項15に記載の2次元ディジタルメディアプロセッサ。 - 複数の段において前記一連の演算を適用するときに、さらに、
最初と最後の段において前記ブロックの4点サブセットに正規化2×2アダマール演算子を適用し、
前記最初と最後の段の間の段において前記ブロック中の点のサブセットに回転変換を適用し、
前記最初と最後の段の間の前記段においてスケーリング演算を適用する
ようにプログラムされることを特徴とする請求項16に記載の2次元ディジタルメディアプロセッサ。 - 前記ディジタルメディアデータの4×4点サイズブロックの場合には、前記4点サブセットは、
前記ブロックの隅のところの4点のグループと、
前記ブロックの中央にある4点のグループと、
前記ブロックの水平端の中央にある4点のグループと、
前記ブロックの垂直端の中央にある4点のグループと
を含むことを特徴とする請求項17に記載の2次元ディジタルメディアプロセッサ。 - 前記ディジタルメディアデータの4×4点サイズブロックの場合に、回転変換を適用するときに、さらに、
前記ブロックの2×2低域、低域サブセット中の点を通過し、
前記ブロックの2×2高域、高域サブセットの点に2×2回転変換を適用し、
前記ブロックの2×2高域、低域サブセットおよび2×2低域、高域サブセットの独立の2点サブグループに2点回転変換を適用する
ようにプログラムされることを特徴とする請求項17に記載の2次元ディジタルメディアプロセッサ。 - 4×4点サイズブロックの場合に、前記スケーリング演算を適用するときに、さらに、
前記ブロックの2×2高域、低域サブセットおよび2×2低域、高域サブセット中の点を通過し、
前記ブロックの中心の周りに対称的に位置する、前記ブロックの2×2高域、高域サブセットおよび前記ブロックの2×2低域、低域サブセットである2つのサブセットからの点の対に2点スケーリング演算を適用する
ようにプログラムされることを特徴とする請求項17に記載の2次元ディジタルメディアプロセッサ。
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