JP2006211152A - Device and method for coding image and decoding image, and programs for coding and decoding image - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地上波ディジタル放送や、DVD、インターネットでの動画像配信などのビデオ符号化方式として、MPEG−1符号化やMPEG−2符号化、motionJPEGなどの動画像の符号化方式や、JPEGやJPEG2000等の静止画像の符号化方式により符号化された動画像や静止画像を復号する復号方式等を採用する画像符号化装置、画像復号装置、画像符号化方法、画像復号方法、画像符号化用プログラム、画像復号用プログラムに関する。 The present invention relates to video encoding methods such as terrestrial digital broadcasting, DVD, and moving image distribution on the Internet, such as MPEG-1 encoding, MPEG-2 encoding, motion JPEG encoding methods, Coding apparatus, image decoding apparatus, image coding method, image decoding method, image coding employing a decoding system for decoding moving images and still images encoded by still image coding schemes such as JPEG2000 The present invention relates to a computer program and an image decoding program.
MPEG−2等の符号化方式では、ブロック単位での動き補償および離散コサイン変換(DCT)を行い、DCT係数を量子化することで、効率的な圧縮を実現している。しかしながら、低ビットレートで符号化を行った場合、各ブロックを独立にDCTするため、復号画像のブロック境界部分にブロックひずみと呼ばれる階調の不連続が生じる。また、エッジの近傍では、DCT係数の量子化に伴なう高周波成分の欠落によって、リンギングと呼ばれる高周波雑音が発生し、復号画像の品質が劣化するという問題が生じる。 In an encoding scheme such as MPEG-2, efficient compression is realized by performing motion compensation and discrete cosine transform (DCT) in units of blocks and quantizing the DCT coefficients. However, when encoding is performed at a low bit rate, each block is DCTed independently, so that a gradation discontinuity called block distortion occurs in the block boundary portion of the decoded image. Further, in the vicinity of the edge, there is a problem that high-frequency noise called ringing is generated due to the lack of high-frequency components accompanying quantization of DCT coefficients, and the quality of the decoded image is deteriorated.
このような問題に対し、低域通過フィルタを復号画像に適用することで劣化を軽減する手法が種々提案されている(非特許文献1〜4参照)。
しかしながら、これらの手法は、復号側でのみフィルタ処理を行うため、原画像が本来もつ高周波成分が失われ、復号して得られる画像の品質が劣化する場合がある。 However, since these methods perform filtering only on the decoding side, the high frequency components inherent in the original image may be lost, and the quality of the image obtained by decoding may deteriorate.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、静止画像や動画像等の原画像が本来もつ高周波成分が失われず、復号画像の品質の劣化をなるべく防止することができる画像符号化装置、画像復号装置、画像符号化方法、画像復号方法、画像符号化用プログラム、画像復号用プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an image encoding device capable of preventing deterioration in quality of a decoded image as much as possible without losing high-frequency components inherent in an original image such as a still image or a moving image. An object is to provide an image decoding apparatus, an image encoding method, an image decoding method, an image encoding program, and an image decoding program.
前記課題を解決するため、本発明の画像符号化装置では、入力画像を符号化して符号化画像を生成すると共に、その符号化画像をローカル復号して復号画像を生成し、前記符号化画像を画像復号装置へ送信する画像符号化装置であって、前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置のフィルタのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出部と、前記フィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する送信部、を有する。 In order to solve the above problems, in the image encoding device of the present invention, an input image is encoded to generate an encoded image, and the encoded image is locally decoded to generate a decoded image. An image encoding device that transmits to an image decoding device, a filter coefficient calculation unit that calculates a filter coefficient of a filter of the image decoding device based on the input image and the decoded image, and the filter coefficient as the code A transmission unit that transmits the converted image to the image decoding apparatus side.
特に、上記画像符号化装置において、前記フィルタは、2次元FIRフィルタであり、前記フィルタのフィルタ係数は、前記2次元FIRフィルタによるフィルタ処理後の出力画像と、前記入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値である。 In particular, in the image encoding device, the filter is a two-dimensional FIR filter, and the filter coefficient of the filter is a mean square between the output image after the filtering process by the two-dimensional FIR filter and the input image. This is the value that minimizes the error.
また、上記画像符号化装置において、前記入力画像は、動画像である。 In the image encoding device, the input image is a moving image.
また、本発明の画像復号装置は、画像符号化装置にて符号化された符号化画像を復号して出力画像とする画像復号装置であって、前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを受信する受信部と、前記符号化画像を復号して復号画像を生成する復号部と、前記フィルタ係数により前記復号部により生成された復号画像をフィルタ処理して出力画像とするフィルタと、を有する。 An image decoding apparatus according to the present invention is an image decoding apparatus that decodes an encoded image encoded by an image encoding apparatus to generate an output image, the input image input to the image encoding apparatus, and the A reception unit that receives the filter coefficient calculated based on the decoded image locally decoded by the image encoding device, the encoded image, and a decoding unit that decodes the encoded image and generates a decoded image; And a filter that filters the decoded image generated by the decoding unit using the filter coefficient to produce an output image.
また、本発明の画像符号化方法は、入力画像を符号化して符号化画像を生成すると共に、その符号化画像をローカル復号して復号画像を生成し、前記符号化画像を画像復号装置へ送信する際の画像符号化方法であって、前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置のフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する。 The image encoding method of the present invention generates an encoded image by encoding an input image, generates a decoded image by locally decoding the encoded image, and transmits the encoded image to an image decoding apparatus. An image encoding method for calculating a filter coefficient of a filter of the image decoding device based on the input image and the decoded image, and the filter coefficient together with the encoded image in the image decoding device To the side.
特に、上記画像符号化方法において、前記フィルタのフィルタ係数は、前記フィルタによるフィルタ処理後の出力画像と、前記入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値である。 In particular, in the image encoding method, the filter coefficient of the filter is a value that minimizes the mean square error between the output image after the filter processing by the filter and the input image.
また、本発明の画像復号方法は、画像符号化装置にて符号化された符号化画像を復号して出力画像とする際の画像復号方法であって、前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを入力し、前記符号化画像を復号して復号画像を生成し、前記フィルタ係数により前記復号画像をフィルタ処理して出力画像とする。 The image decoding method of the present invention is an image decoding method for decoding an encoded image encoded by an image encoding device into an output image, the input image being input to the image encoding device And a filter coefficient calculated based on the decoded image locally decoded by the image encoding device and the encoded image, and the decoded image is generated by decoding the encoded image, and the filter coefficient The filtered image is filtered to obtain an output image.
また、本発明の画像符号化用プログラムは、入力画像を符号化して符号化画像を生成すると共に、その符号化画像をローカル復号して復号画像を生成し、前記符号化画像を画像復号装置へ送信する処理を、コンピュータに実行させる画像符号化用プログラムであって、前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置側におけるフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する、ことをコンピュータに実行させる。 The image encoding program of the present invention generates an encoded image by encoding an input image, generates a decoded image by locally decoding the encoded image, and transmits the encoded image to an image decoding device. An image encoding program for causing a computer to execute a process of transmitting, calculating a filter coefficient of a filter on the image decoding device side based on the input image and the decoded image, and calculating the filter coefficient as the filter coefficient Transmitting the encoded image together with the encoded image to the image decoding apparatus side.
また、本発明の画像復号用プログラムは、画像符号化装置にて符号化された符号化画像を復号して出力画像とする際の処理を、コンピュータに実行させる処理を、コンピュータに実行させる画像復号用プログラムであって、前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを入力し、前記符号化画像を復号して復号画像を生成し、前記フィルタ係数により前記復号画像をフィルタ処理して出力画像とする、ことをコンピュータに実行させる。 Also, the image decoding program of the present invention is an image decoding for causing a computer to execute a process for causing a computer to execute a process for decoding an encoded image encoded by an image encoding device into an output image. A filter coefficient calculated based on an input image input to the image encoding device and a decoded image locally decoded by the image encoding device, and the encoded image; The computer is caused to decode the encoded image to generate a decoded image, and filter the decoded image with the filter coefficient to obtain an output image.
以上説明したように、本発明の画像符号化装置、画像符号化方法および画像符号化用プログラムによれば、入力画像と復号画像とに基づいて、画像復号装置の2次元FIRフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を符号化画像と共に画像復号装置側へ送信する一方、本発明の画像復号装置、画像復号方法および画像復号用プログラムは、画像符号化装置に入力した入力画像と画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、符号化画像とを入力し、符号化画像を復号して復号画像を生成し、フィルタ係数により復号画像を2次元FIRフィルタ処理して出力画像とするようにしたため、復号側単独でフィルタ処理する従来手法に比べ、入力画像である静止画像や動画像等の原画像が本来もつ高周波成分が失われず、出力画像の品質の劣化をなるべく防止することができる。 As described above, according to the image encoding device, the image encoding method, and the image encoding program of the present invention, the filter coefficients of the two-dimensional FIR filter of the image decoding device are calculated based on the input image and the decoded image. While calculating and transmitting the filter coefficient together with the encoded image to the image decoding apparatus side, the image decoding apparatus, the image decoding method, and the image decoding program of the present invention include the input image and the image code input to the image encoding apparatus. The filter coefficient calculated based on the decoded image locally decoded by the encoding device and the encoded image are input, the encoded image is decoded to generate a decoded image, and the decoded image is converted into a two-dimensional FIR by the filter coefficient. Since the output image is processed by filtering, the original image such as a still image or moving image that is the input image is originally compared to the conventional method that performs filtering on the decoding side alone. One high-frequency component is not lost, as much as possible it is possible to prevent deterioration of the quality of the output image.
MPEG−1や、MPEG−2では、ブロック単位での動き補償およびDCTを用いているため、低ビットレートで符号化を行った場合に、復号画像にブロックひずみやリンギングといった劣化が生じる。これらの劣化を軽減するための代表的な手法として、前記非特許文献1〜4の手法が挙げられる。しかしながら、これらの手法は、復号側で低域通過処理を行うため、原画像が本来もつ高周波成分が失われる場合がある。 Since MPEG-1 and MPEG-2 use motion compensation and DCT in units of blocks, degradation such as block distortion and ringing occurs in the decoded image when encoding is performed at a low bit rate. As a typical technique for reducing such deterioration, the techniques of Non-Patent Documents 1 to 4 can be cited. However, since these methods perform low-pass processing on the decoding side, high frequency components inherent in the original image may be lost.
そこで、本発明の実施形態では、符号化側で原画像と復号側における復号画像との間の符号化誤差を最小にする2次元FIRフィルタ(Finite Impulse Response Filter)のフィルタ係数を設計し、そのフィルタ係数を符号化画像に動きベクトル等の符号化パラメータと共に付加して復号側へ送信する手法を提案する。本提案手法を用いることで、復号側単独でフィルタ処理する従来手法に比べ、高品質な画像を得ることが可能となる。以下に、本発明に係る画像符号化装置、画像復号装置、画像符号化方法、画像復号方法、画像符号化用プログラム、画像復号用プログラムの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、MPEG−2の動画像符号化方式を一例に説明するが、本発明は、MPEG−1やMPEG−4、H.264/AVC等の他の動画像符号化方式でも勿論良いし、JPEGやJPEG2000等の静止画の符号化方式にも勿論適用可能である。 Therefore, in the embodiment of the present invention, a filter coefficient of a two-dimensional FIR filter (Finite Impulse Response Filter) that minimizes an encoding error between an original image and a decoded image on the decoding side is designed on the encoding side. A method is proposed in which filter coefficients are added to an encoded image together with encoding parameters such as motion vectors and transmitted to the decoding side. By using the proposed method, it is possible to obtain a high-quality image as compared with the conventional method in which filtering is performed on the decoding side alone. Embodiments of an image encoding device, an image decoding device, an image encoding method, an image decoding method, an image encoding program, and an image decoding program according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. . In the present embodiment, the MPEG-2 moving image encoding method will be described as an example. However, the present invention is not limited to MPEG-1, MPEG-4, H.264, or the like. Of course, other moving image coding systems such as H.264 / AVC may be used, and of course, still picture coding systems such as JPEG and JPEG2000 are also applicable.
図1は、本発明に係る動画像符号化装置の実施の形態の構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a moving image encoding apparatus according to the present invention.
図において、動画像符号化装置100は、減算器110と、符号化部120と、復号部130と、加算器140と、フィルタ係数算出部150と、フレームメモリ160と、動き検出部170と、可変長符号化部180を有している。
In the figure, a moving
図2は、本発明に係る動画像復号装置の実施の形態の構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the embodiment of the moving picture decoding apparatus according to the present invention.
また、動画像復号装置200は、受信部210と、可変長復号部220と、復号部230と、加算器240と、2次元FIRフィルタ250と、フレームメモリ260と、を有している。
In addition, the moving
次に動作を説明する。 Next, the operation will be described.
まず、動画像符号化装置100では、本装置100に入力する動画像を、フレーム内(イントラ)符号化する場合には、減算器110を介さずに、フレーム間(インター)符号化する場合には、減算器110を介して符号化部120へ出力する。
First, in the moving
符号化部120では、DCTやウエーブレット変換等の直行変換および量子化処理の符号化処理を行い、符号化画像を生成して、可変長符号化部180と復号部130へ出力する。
The
復号部130では、符号化画像に対し符号化部120と逆の処理、すなわち逆直行変換および逆量子化処理のローカル復号処理を施し、加算器140へ出力する。
In
加算器140では、減算器110が動作しないとき、すなわち符号化部120が入力動画像をそのままフレーム内符号化した場合には、復号部130からの復号画像をそのままフィルタ係数算出部150およびフレームメモリ160へ出力する。一方、減算器110が動作したとき、すなわち符号化部120が入力動画像と、動き検出部170が検出した動きベクトルに基づくフレームメモリ160からの予測画像との間の誤差画像をフレーム間(インター)符号化した場合には、加算器140は復号部130からの復号画像と予測画像とを加算してフィルタ係数算出部150およびフレームメモリ160へ出力する。
In the
フィルタ係数算出部150では、加算器140を介し入力した復号画像と、原画像である入力動画像とに基づいて、後述するように動画像復号装置200側における2次元FIRフィルタ250のフィルタ係数演算処理を行い、原画像である入力動画像および復号装置側での復号画像における符号化誤差を最小にするフィルタ係数を求め、可変長符号化部180へ出力する。
The filter
ここで、フィルタ係数算出部150におけるフィルタ係数算出処理について説明する。
Here, the filter coefficient calculation process in the filter
まず、フィルタ係数算出部150では、加算器140から入力した復号画像と、原画像である入力動画像とに基づいてフィルタ係数演算処理を行い、原画像と復号画像との間における符号化誤差を最小にするフィルタ係数を、入力動画像の1フレームごと算出する。
First, the filter
つまり、フィルタ係数算出部150は、符号量を抑制するため、上記のように求めた符号化誤差を最小にするフィルタ係数を、次式(1)で示される浮動小数rに量子化する。
ただし、上式(1)において。nfは仮数部のビット数、neは指数部のビット数、eoは仮数部のオフセット数を表す。 However, in the above formula (1). n f represents the number of bits in the mantissa, n e represents the number of bits in the exponent, and e o represents the number of offsets in the mantissa.
フィルタ係数算出部150は、このようにして量子化したフィルタ係数を、可変長符号化部180へ出力して、符号化画像や、動きベクトル等の符号化パラメータと共に、復号装置200へ送信する。
The filter
そして、フレームメモリ160では、加算器140からの復号画像を、参照画像として記憶する。
The
動き検出部170は、入力動画像が入力してフレーム間符号化が行われる度に、その入力動画像と、フレームメモリ160に格納された参照画像とに基づき、動き補償予測を行って、入力動画像と誤差の少ない予測画像を求めてフレームメモリ160から減算器110へ出力させると共に、その際の動きベクトルを検出して、可変長符号化部180へ出力する。
The
可変長符号化部180では、符号化部120からの符号化画像や、フィルタ係数算出部150からのフィルタ係数、動き検出部170からの動きベクトル等の符号化パラメータを、ハフマン符号化や算術符号化等により可変長符号化して送信部190へ出力する。
In the variable
送信部190では、可変長符号化部180にて可変長符号化された動画像ビットストリームを、図2に示す動画像復号装置200へ送信する。
The
次に、図2に示す動画像復号装置200における動作について説明する。
Next, the operation in the
動画像復号装置200では、受信部210が図1に示す動画像符号化装置100からの動画像ビットストリームを受信して、可変長復号部220へ出力する。
In the moving
可変長復号部220では、可変長符号化部180とは逆の可変長復号処理を行い、符号化画像と、動きベクトルと、フィルタ係数とを、それぞれ、復号部230、フレ−ムメモリ260、2次元FIRフィルタ250へ出力する。
The variable
復号部230では、符号化画像を逆量子化および逆直行変換して復号画像を生成して、加算器240へ出力する。
The
フレームメモリ260では、復号部230にて復号された復号画像がフレーム間符号化された符号化画像である場合には、可変長復号部220からの動きベクトルに基づき、予測画像を生成して、加算器240へ出力する。なお、復号部230にて復号された復号画像がフレーム内符号化された符号化画像である場合には、予測符号化されていないので、予測画像を出力しない。
In the
加算器240では、復号部230からの復号画像と、復号部230にて復号された復号画像がフレーム間符号化された符号化画像である場合にはフレームメモリ260からの予測画像とを加算して画像を復元し、2次元FIRフィルタ250へ出力すると共に、フレームメモリ260へ出力して参照画像として記憶させる。なお、復号部230にて復号された復号画像が、フレーム内符号化された符号化画像である場合には、予測符号化されていないので、復号部230からの復号画像をそのまま2次元FIRフィルタ250へ出力する。
The
2次元FIRフィルタ250では、動画像符号化装置100におけるフィルタ係数算出部150から送信されたフィルタ係数により構成される2次元FIRフィルタを、加算器240からの復号画像に対し、例えば、1フレームごとに施し、原画像と復号画像との間における符号化誤差を最小にして、出力画像とする。
In the two-
このように、本実施の形態によれば、原画像である動画像符号化装置100側の入力動画像と、動画像復号装置200側の復号画像との間における符号化誤差を最小に設計したフィルタ係数を設計し、画像復号装置200の2次元FIRフィルタ250にてこのフィルタを復号画像に適用することで、復号側単独でフィルタ係数を設計しフィルタ処理する従来手法と比べ、高品質な画像を得ることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the encoding error between the input moving image on the moving
次に、本実施の形態における2次元FIRフィルタ250について説明する。
Next, the two-
図3に、本実施の形態における2次元FIRフィルタ250の一例を示す。
FIG. 3 shows an example of the two-
この2次元FIRフィルタ250は、例えば、5×5タップの2次元FIRフィルタであり、そのタップ数は、下記のようにK1=2,K2=2と設定したものである。
The two-
そして、本実施の形態では、動画像符号化装置100側のフィルタ係数算出部150にて、動画像復号装置200側の復号画像に適用する2次元FIRフィルタ250からの出力画像と、動画像符号化装置100側における入力動画像である原画像との間の平均二乗誤差が最小となるように2次元FIRフィルタ250を設計する。以下で、その設計法について説明する。
In this embodiment, the filter
図3に示すような、復号画像に適用する2次元FIRフィルタ250の出力画像y^(n1,n2)は、次式により定義される。
ただし、u(n1,n2)(n1∈{0,・・・,N1−1},n2∈{0,・・・,N2−1})は、符号化部120および復号部130、または符号化部120および復号部230によって得られるN1×N2画素の復号画像である。f(k1,k2)(k1∈{−k1,・・・,k1},k2∈{−k2,・・・,k2})は、フィルタ係数である。
However, u (n 1 , n 2 ) (n 1 ε {0,..., N 1 −1}, n 2 ε {0,..., N 2 −1}) is encoded by the
また、2次元FIRフィルタの出力画像y^(n1,n2)と、原画像y(n1,n2)との間の平均二乗誤差E(K1,K2)は、以下の式(3)ように定義される。
本実施の形態で用いる2次元FIRフィルタ250のフィルタ係数f(k1,k2)は、上記式(3)で定義された2次元FIRフィルタ250からの出力画像y^(n1,n2)と、原画像y(n1,n2)との間の平均二乗誤差E(K1,K2)を最小とするため、次式(4)の条件を満たすように算出される。
ここで、フィルタ係数f(k1,k2)を、ベクトルfを用いて次式(5)のように定義する。
ただし、
上記式(2)を、上記式(3)に代入し、上記式(5)に示したfを用いることにより、上記式(4)の条件を満たすフィルタ係数は、次式(7)で表される。本実施の形態のフィルタ係数算出部150では、次式(7)を満足するフィルタ係数f(k1,k2)であるベクトルfを算出して、動画像復号装置200の2次元FIRフィルタ250へ設定するのである。
上式(7)において、ベクトルrは、以下に示す復号画像と原画像との相関関数のベクトルを表している。
ただし、
また、式(7)で示される行列Rは、以下に示す復号画像の自己共分散行列を表す。
ただし、
また、上式(11)において、R(i1,i2)は、以下のように定義する。
その結果、上記式(9)、(12)から、本発明の実施の形態において用いられる2次元FIRフィルタ250は、符号化部120および復号部130、あるいは符号化部120および復号部230で処理された復号画像u(n1,n2)と、動画像符号化装置100における入力画像である原画像y(n1,n2)とから設計できることがわかる。
As a result, from the above equations (9) and (12), the two-
このような復号画像u(n1,n2)と、原画像y(n1,n2)と間の符号化誤差を最小にする2次元FIRフィルタ250を用いることで、本実施の形態は、高品質な出力画像を得ることが可能となる。
By using the two-
次に、本実施の形態の有効性を確認するために、実際の画像を用いて実験を行った結果を簡単に示す。 Next, in order to confirm the effectiveness of the present embodiment, the results of experiments using actual images will be briefly described.
まず、復号画像に生じる劣化の軽減に関する提案手法の有効性を確認する。次に、同一ビットレートにおいて、上記非特許文献4と、本実施の形態の方法により得られる画像の品質を比較する。
First, the effectiveness of the proposed method for reducing degradation that occurs in a decoded image is confirmed. Next, at the same bit rate, the quality of the image obtained by the method of this embodiment is compared with that of
復号画像における劣化の軽減、つまり、復号画像に発生するブロックひずみ、およびリンギングの軽減に関する本実施の形態の方法の有効性を確認するため、実験を行った結果を示す。 The results of experiments are shown in order to confirm the effectiveness of the method of the present embodiment regarding the reduction of deterioration in the decoded image, that is, the block distortion generated in the decoded image and the reduction of ringing.
実験対象画像には、ITE標準動画像である、Crowded Crosswalk (720×480画素、90フレーム)を用いる。この画像の輝度成分に対して、本実施の形態の方法を適用する。 As an experiment target image, Crowded Crosswalk (720 × 480 pixels, 90 frames), which is an ITE standard moving image, is used. The method of the present embodiment is applied to the luminance component of this image.
ただし、本実施の形態の方法において、上記式(1)におけるフィルタ係数を量子化する際のパラメータは、nf=8、ne=7、eo=0とする。 However, in the method of the present embodiment, the parameters for quantizing the filter coefficients in the above equation (1) are n f = 8, n e = 7, and e o = 0.
図4に、本実施の形態における符号化条件の一例を示す。 FIG. 4 shows an example of the encoding condition in the present embodiment.
図4に示すように、本実施の形態における符号化条件は、符号化方式は、MPEG−2 TM5(ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 Test Model Editing Committee,“MPEG−2 video test model5,” ISO/IECJTC1/SC29/WG11 Doc.N0400, 1993.)であり、GOP構造は、M=3,N=15である。また、動きベクトル探索範囲は、片方向予測のPピクチャで±31×±31、1フレーム間の両方向予測Bピクチャで±15×±15、2フレーム間の両方向予測Bピクチャで±31×±31、動きベクトル探索精度は半画素精度、量子化スケールは非線形、フレームレートは30fpsである。また、符号化レートは、2Mbpsで行なう。
As shown in FIG. 4, the encoding condition in this embodiment is MPEG-2 TM5 (ISO / IEC JTC1 / SC29 / WG11 Test Model Editing Committee, “MPEG-2
実験の結果、ブロックひずみや、リンギングが発生して劣化が発生している復号画像に対して、本実施の形態の方法で用いる2次元FIRフィルタ250を適用した結果、符号化によって発生するブロックひずみ、およびリンギングが軽減することが立証された。
As a result of the experiment, block distortion generated by encoding as a result of applying the two-
次に、本実施の形態の方法の有効性を示すため、同一ビットレートにおいて本実施の形態の方法と、非特許文献4の手法により得られる出力画像の品質に関する比較実験を行った結果を説明する。
Next, in order to show the effectiveness of the method of the present embodiment, the results of comparison experiments regarding the quality of the output image obtained by the method of the present embodiment and the method of
実験対象画像には、ITE標準動画像であるCrowded Crosswalk、Flower Basket(720×480画素、各90フレーム)を用いる。これらの画像の輝度成分に対して本実施の形態の方法および非特許文献4の手法を適用する。
As the experiment target image, an ITE standard moving image, such as Crowded Crosswalk and Flower Basket (720 × 480 pixels, 90 frames each) is used. The method of the present embodiment and the method of
なお、符号化は、図4に示す符号化条件に基づいて行い、本実施の形態の方法のパラメータも前述の値を用いる。 Note that encoding is performed based on the encoding conditions shown in FIG. 4, and the above-described values are also used for the parameters of the method of the present embodiment.
また、非特許文献4の手法において、方向性をもつ低域通過フィルタの個数Rおよび低域通過フィルタ選択のために用いるプロトタイプZN(q),ZF(q)は、非特許文献4と同様に、R=4、ZN(q)=6、ZF(q)=0.4375qとする(qは、量子化スケールの値である。)。
In the method of
本実施の形態の方法、および非特許文献4の手法により得られた画像のPSNRおよびビットレートを図5、図6に示す。なお、PSNRの値は、次式(13)により算出する。
ただし、上式(13)においてbmaxは原画像の最大輝度値であり、MSEは、N1×N2画素の原画像の輝度値b(n1,n2)および出力画像の輝度値b^(n1,n2)を用いて、以下式(14)のように定義される。
図5(a),(b)は、それぞれ、2〜6Mbps、11〜15MbpsのビットレートにおけるCrowded Crosswalk画像における各復号画像のPSNRを示す図である。 FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the PSNR of each decoded image in the Crowded Crosswalk image at a bit rate of 2 to 6 Mbps and 11 to 15 Mbps, respectively.
図5において、○は、本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理前の復号画像のPSNR、△は、前記非特許文献4によるフィルタ処理による復号画像のPSNR、□は本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の復号画像のPSNRを示している。
In FIG. 5, ◯ is the PSNR of the decoded image before the filter processing by the two-
図5より、2〜6Mbps、11〜15Mbpsのビットレート共に、□で示す本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の復号画像が、最もPSNRが向上しているのがわかる。
From FIG. 5, it can be seen that the PSNR is most improved in the decoded image after filtering by the two-
図6(a),(b)は、それぞれ、2〜6Mbps、11〜15MbpsのビットレートにおけるFlower Basket画像における各復号画像のPSNRを示す図である。 FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating the PSNR of each decoded image in the Flower Basket image at a bit rate of 2 to 6 Mbps and 11 to 15 Mbps, respectively.
図5と同様に、図6において、○は、本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理前の復号画像のPSNR、△は、前記非特許文献4によるフィルタ処理による復号画像のPSNR、□は本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の復号画像のPSNRを示している。
As in FIG. 5, in FIG. 6, ◯ is the PSNR of the decoded image before the filter processing by the two-
図6より、図5と同様に、2〜6Mbps、11〜15Mbpsのビットレート共に、□で示す本実施の形態の2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の復号画像が、最もPSNRが向上しているのがわかる。
From FIG. 6, as in FIG. 5, both the bit rates of 2 to 6 Mbps and 11 to 15 Mbps have the highest PSNR in the decoded image after filtering by the two-
よって、図5、図6より、Crowded CrosswalkおよびFlower Basketどちらの画像においても、本実施の形態の方法は、非特許文献4の手法と比較して、同一ビットレートで高品質な画像が得られていることが確認できる。
Therefore, from FIGS. 5 and 6, the method of the present embodiment can obtain a high-quality image at the same bit rate in both the Crowded Crosswalk and the Flower Basket images as compared with the method of
さらに、図5(b)および図6(b)から、特に2〜6Mbpsの場合より11〜15Mbpsの場合の高ビットレートにおいて、本実施の形態の方法は、非特許文献4の手法よりもPSNRが高い値を示していることがわかる。
Furthermore, from FIG. 5B and FIG. 6B, the method of the present embodiment is more effective than the method of
これは、非特許文献4の手法は、復号側でR+1種類の方向性をもつフィルタから1つを選択して1つのビットストリームに適用にするのに用いるのに対し、本実施の形態の方法は、フレーム(画像)ごとに符号化誤差を最小にする2次元FIRフィルタ250を用いるため、高ビットレートにおいて、より高品質な画像が得られたものだからである。
This is because the method of
以上より、本実施の形態の方法は、復号画像に発生した劣化を軽減し、復号画像および非特許文献4の手法に比べ、同一ビットレートにおいて高品質な画像を得ることができるものである。
As described above, the method according to the present embodiment can reduce degradation that has occurred in a decoded image, and can obtain a high-quality image at the same bit rate as compared with the decoded image and the technique of
このように、本実施の形態では、復号画像に生じるブロックひずみや、リンギングを軽減するため、符号化側で原画像と復号画像との間の符号化誤差を最小にするフィルタを設計し、そのフィルタ係数を符号化画像と、動きベクトル等の符号化パラメータと共に多重化して動画像復号装置200側へ送信し、動画像復号装置200では、2次元FIRフィルタ250がそのフィルタ係数により復号画像をフィルタ処理するようにしたため、復号側単独でフィルタ係数を設定してフィルタ処理する従来手法に比べ、入力動画像である原画像が本来もつ高周波成分が失われず、出力画像の品質の劣化をなるべく防止することができる。
Thus, in this embodiment, in order to reduce block distortion and ringing that occur in the decoded image, a filter that minimizes the encoding error between the original image and the decoded image is designed on the encoding side. The filter coefficient is multiplexed with an encoded image and an encoding parameter such as a motion vector and transmitted to the moving
また、本実施の形態の方法を複数の画像に適用し、実験を行った結果、本実施の形態の方法は、符号化によって発生した劣化を軽減することが確認できた。さらに、同一ビットレートにおいて、本実施の形態の方法は従来手法に比べ高品質な画像を得ることが確認された。 In addition, as a result of applying the method of the present embodiment to a plurality of images and performing experiments, it has been confirmed that the method of the present embodiment can reduce deterioration caused by encoding. Furthermore, it was confirmed that the method of the present embodiment can obtain a higher quality image than the conventional method at the same bit rate.
なお、本実施の形態では、実験において本実施の形態の方法で用いるフィルタ係数は16bitの浮動小数の値に量子化して実験をしているが、本発明では、これに限らず、仮数部および指数部のビット数を適切な値を設定することで、付加するビット数を削減するようにしても勿論よい。 In the present embodiment, the filter coefficient used in the method of the present embodiment in the experiment is quantized to a 16-bit floating-point value, but the present invention is not limited to this. Of course, the number of bits to be added may be reduced by setting an appropriate value for the number of bits in the exponent part.
また、本実施の形態では、動画像符号化装置100のフィルタ係数算出部150では、1フレームごとにフィルタ係数を検出するように説明したが、本発明では、これに限らず、GOP毎等の所定フレーム数毎に、あるいはシーンが切り替わる毎等の任意のフレーム毎に、フィルタ係数を算出して、所定フレーム数毎あるいは任意のフレーム毎に復号側へ送信するようにしても勿論よい。このように、所定フレーム数毎あるいは任意のフレーム毎にフィルタ係数を算出して復号側へ送信するようにすれば、フィルタ係数の算出および送信する回数が減るので、処理負荷や送信データ量を削減することが可能となる。
Further, in the present embodiment, the filter
また、本実施の形態では、動画像符号化装置100では、図1に示すように、ローカル復号した復号画像を2次元FIRフィルタによるフィルタ処理しないように説明したが、本発明では、図7の動画像符号化装置300に示すように、ローカル復号した復号画像を2次元FIRフィルタ155によりフィルタ処理して参照画像としてフレームメモリ160へ格納するようにしても勿論よい。この場合、動画像復号装置400は、図8に示すように、2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の復号を参照画像としてフレームメモリ260へ格納することになる。このようにすれば、2次元FIRフィルタ155,250によりフィルタ処理された参照画像を用いて動き補償予測が実行できるため、処理負荷が増えるものの、動き補償予測がより正確となり、符号化画像や符号化パラメータ等の復号側への伝送量を減少させることが可能となる。
Further, in the present embodiment, the moving
また、本実施の形態では、動画像符号化装置100におけるフィルタ係数算出部150を、加算器140の後段に設けて、原画像である入力動画像と復号画像との平均2乗誤差が最小になるようにフィルタ係数を算出するように説明したが、本発明では、これに限らず、フィルタ係数算出部150を、符号化部120におけるDCTの後であって量子化処理の前に設けるようにしても勿論良い。この場合、そのDCT係数との比較対象画像は、復号部130における逆DCTの後であって逆量子化処理前の逆DCT係数となるので、DCT係数と逆DCT係数との間の平均2乗誤差が最小になるようにフィルタ係数を算出することにより符号化誤差のうち量子化誤差による符号化誤差を小さくしたフィルタ係数の設定が可能となる。
Further, in the present embodiment, filter
また、本実施の形態では、動画像復号装置200側で復号画像をフィルタリング処理するフィルタとして、巡回型フィルタである2次元FIRフィルタ250を一例に説明したが、本発明では、これに限らず、非巡回型フィルタであるIIR(Infinite Impulse Response)フィルタを利用しても良いし、またフィルタの型は、非対称型でも、対称型でもどちらでも良い。
Further, in the present embodiment, the two-
また、本実施の形態では、動画像符号化装置100側で2次元FIRフィルタ250のフィルタ係数を求める際、前述のような演算式により2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の出力画像と入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値を求めているが、本発明ではこれに限らず、フラクタル理論や、カオス理論、さらには遺伝的アルゴリズム(GA)等の手法により、2次元FIRフィルタ250によるフィルタ処理後の出力画像と入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値を求めるようにしても勿論よい。
Further, in the present embodiment, when the filter coefficient of the two-
また、本実施の形態では、1フレーム毎、あるいは所定のフレーム毎に符号化誤差を最小にする2次元FIRフィルタ250のフィルタ係数を算出するように説明したが、本発明では、これに限らず、16×16のマクロブロックや、8×8のブロック、さらには、任意の大きさのブロック毎に、2次元FIRフィルタ250のフィルタ係数を算出するようにしても勿論良い。
In the present embodiment, the filter coefficient of the two-
また、本実施の形態では、動画像符号化装置100および動画像復号装置200をそれぞれ図1および図2に示すようにハードウエア(回路)的に構成して説明したが、本発明では、これに限らず、例えば、ソフトウエア的、つまり、動画像符号化装置100および動画像復号装置200と同様の機能を実行させるための動画像符号化用プログラムおよび動画像復号用プログラムを、CD等の記録媒体やネットワークを介しコンピュータ内のメモリやハードディスクに格納しておき、コンピュータ内のCPUがそのプログラムを読み出して実行するようにしても勿論よい。
Also, in the present embodiment, the moving
本発明の動画像符号化装置、動画像符号化方法および動画像符号化用プログラムによれば、入力動画像と復号画像とに基づいて、動画像復号装置の2次元FIRフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を符号化画像と共に動画像復号装置側へ送信する一方、本発明の動画像復号装置、動画像復号方法および動画像復号用プログラムによれば、動画像符号化装置に入力した入力動画像と動画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、符号化画像とを入力し、符号化画像を復号して復号画像を生成し、フィルタ係数により復号画像を2次元FIRフィルタ処理して出力画像とするようにしたため、復号側単独でフィルタ処理する従来手法に比べ、入力動画像である原画像が本来もつ高周波成分が失われず、出力画像の品質の劣化をなるべく防止することができる、という有利な効果を奏し、地上波ディジタル放送や、DVD、インターネットでの動画像配信などにおけるMPEG−1符号化やMPEG−2、MPEG−4、H.261、H.263、H.264/AVC符号化等の各種符号化方式や復号方式に有用である。 According to the moving image encoding device, the moving image encoding method, and the moving image encoding program of the present invention, the filter coefficient of the two-dimensional FIR filter of the moving image decoding device is calculated based on the input moving image and the decoded image. Then, the filter coefficient is transmitted to the moving image decoding apparatus side together with the encoded image. On the other hand, according to the moving image decoding apparatus, the moving image decoding method and the moving image decoding program of the present invention, the filter coefficient is input to the moving image encoding apparatus. The filter coefficient calculated based on the input moving image and the decoded image locally decoded by the moving image encoding device and the encoded image are input, the encoded image is decoded to generate a decoded image, and the filter Since the decoded image is subjected to the two-dimensional FIR filter processing by the coefficient to be the output image, the high frequency inherent in the original image which is the input moving image is compared with the conventional method in which the decoding side performs the filtering process alone. There is an advantageous effect that the quality of the output image can be prevented from being deteriorated as much as possible without losing components, and MPEG-1 encoding or MPEG- in terrestrial digital broadcasting, moving image distribution on the DVD or the Internet, etc. 2, MPEG-4, H.264. 261, H.H. 263, H.M. It is useful for various encoding methods and decoding methods such as H.264 / AVC encoding.
100,300 動画像符号化装置
110 減算器
120 符号化部
130 復号部
140 加算器
150 フィルタ係数算出部
160 フレームメモリ
170 動き検出部
180 可変長符号化部
190 送信部
200,400 動画像復号装置
210 受信部
220 可変長復号部
230 復号部
240 加算器
155,250 2次元FIRフィルタ
260 フレームメモリ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,300
Claims (9)
前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置のフィルタのフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出部と、
前記フィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する送信部、
を有することを特徴とする画像符号化装置。 An image encoding device that encodes an input image to generate an encoded image, locally decodes the encoded image to generate a decoded image, and transmits the encoded image to an image decoding device,
A filter coefficient calculation unit that calculates a filter coefficient of a filter of the image decoding device based on the input image and the decoded image;
A transmission unit that transmits the filter coefficient together with the encoded image to the image decoding device;
An image encoding apparatus comprising:
前記フィルタは、2次元FIRフィルタであり、
前記フィルタのフィルタ係数は、前記2次元FIRフィルタによるフィルタ処理後の出力画像と、前記入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値である、
ことを特徴とする画像符号化装置。 The image encoding device according to claim 1,
The filter is a two-dimensional FIR filter;
The filter coefficient of the filter is a value that minimizes the mean square error between the output image after filtering by the two-dimensional FIR filter and the input image.
An image encoding apparatus characterized by that.
前記入力画像は、動画像であることを特徴とする画像符号化装置。 The image encoding device according to claim 1,
The image coding apparatus, wherein the input image is a moving image.
前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを受信する受信部と、
前記符号化画像を復号して復号画像を生成する復号部と、
前記フィルタ係数により前記復号部により生成された復号画像をフィルタ処理して出力画像とするフィルタと、
を有することを特徴とする画像復号装置。 An image decoding device that decodes an encoded image encoded by an image encoding device to produce an output image,
A reception unit that receives an input image input to the image encoding device, a filter coefficient calculated based on a decoded image locally decoded by the image encoding device, and the encoded image;
A decoding unit that decodes the encoded image to generate a decoded image;
A filter that filters the decoded image generated by the decoding unit according to the filter coefficient into an output image;
An image decoding apparatus comprising:
前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置のフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する、
ことを特徴とする画像符号化方法。 An image encoding method for generating an encoded image by encoding an input image, generating a decoded image by locally decoding the encoded image, and transmitting the encoded image to an image decoding device,
Calculating a filter coefficient of a filter of the image decoding device based on the input image and the decoded image, and transmitting the filter coefficient to the image decoding device side together with the encoded image;
An image encoding method characterized by the above.
前記フィルタのフィルタ係数は、前記フィルタによるフィルタ処理後の出力画像と、前記入力画像との間の平均二乗誤差が最小となる値である、
ことを特徴とする画像符号化方法。 The image encoding method according to claim 5, comprising:
The filter coefficient of the filter is a value that minimizes the mean square error between the output image after filtering by the filter and the input image.
An image encoding method characterized by the above.
前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを入力し、前記符号化画像を復号して復号画像を生成し、前記フィルタ係数により前記復号画像をフィルタ処理して出力画像とする、
ことを特徴とする画像復号方法。 An image decoding method for decoding an encoded image encoded by an image encoding device into an output image,
A filter coefficient calculated based on an input image input to the image encoding device and a decoded image locally decoded by the image encoding device and the encoded image are input, and the encoded image is decoded. A decoded image is generated, and the decoded image is filtered by the filter coefficient to obtain an output image.
An image decoding method characterized by the above.
前記入力画像と前記復号画像とに基づいて、前記画像復号装置側におけるフィルタのフィルタ係数を算出して、そのフィルタ係数を前記符号化画像と共に前記画像復号装置側へ送信する、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とする画像符号化用プログラム。 Image coding for generating a coded image by coding an input image, generating a decoded image by locally decoding the coded image and transmitting the coded image to an image decoding apparatus. A program for
Based on the input image and the decoded image, the filter coefficient of the filter on the image decoding device side is calculated, and the filter coefficient is transmitted to the image decoding device side together with the encoded image.
An image encoding program which causes a computer to execute the above.
前記画像符号化装置に入力した入力画像と前記画像符号化装置にてローカル復号された復号画像とに基づき算出されたフィルタ係数と、前記符号化画像とを入力し、前記符号化画像を復号して復号画像を生成し、前記フィルタ係数により前記復号画像をフィルタ処理して出力画像とする、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とする画像復号用プログラム。
An image decoding program for causing a computer to execute a process for causing a computer to execute a process for decoding an encoded image encoded by an image encoding device into an output image,
A filter coefficient calculated based on an input image input to the image encoding device and a decoded image locally decoded by the image encoding device and the encoded image are input, and the encoded image is decoded. A decoded image is generated, and the decoded image is filtered by the filter coefficient to obtain an output image.
An image decoding program that causes a computer to execute the above.
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