JP2006325095A - 動画像復号装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 動きベクトルの大きさが所定の閾値より大きい場合、予測参照フレームインデックスが指し示すフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定する一方、その動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さい場合、その動きベクトルが示す画像領域の修復状況に応じて動き補償予測に用いる予測参照フレームを決定する予測参照フレーム判定部12を設け、その予測参照フレーム判定部12により決定された予測参照フレームと符号化データを用いて、動画像を再生する。
【選択図】 図1
Description
ここで、動き補償技術とは、ビデオフレーム間に存在する高い相関を利用して、マクロブロック毎に時間方向の信号の冗長度を削減する技術であり、過去に符号化済みのフレームを参照画像としてメモリに蓄積し、その参照画像の中の所定の探索範囲内で、動き補償予測対象になっている現マクロブロックと最も差分電力が小さいブロック領域を探索して、現マクロブロックの空間位置と探索結果ブロックの空間位置とのずれを動きベクトルとして符号化する技術である。
動きベクトルや変換係数の符号化は、発生確率が高いものを短い符号で表現し、発生確率が低いものを長い符号で表現することにより、圧縮効率が高まるため、予め定義されたハフマン符号などを用いて、可変長符号化による圧縮を実施するのが一般的である。
可変長符号化を用いる動画像符号化ビットストリームにおいては、受信した圧縮データ中にビット誤りが発生している場合、その圧縮データのビットが未定義な符号語に変化したり、別のハフマン符号語に変化したりする不具合が起る。
ビット誤り発生箇所で未定義な符号語に変化すると、その時点で復号破綻が生じ、それ以降のデータを正しく復号することが不可能となる。
このため、あるポイントにおいて、ビットストリームの中にビット誤りが発生しても、次のスタートコードプレフィックスを検出すれば、それ以降の復号同期を回復することができる。
このスタートコードプレフィックスに続いて、スライス内のマクロブロックを、それ以前のスライスと全く独立に復号するために必要な各種情報が多重化されたスライスヘッダ情報が挿入され、そのスライスヘッダ情報に続いて、個々のマクロブロックのデータが挿入される。
したがって、フレーム間修復を極力利用することが好ましいが、動きがある場合や、急激なシーンチェンジがある場合など、フレーム間の相関が低下している場合には、本来の絵柄と全く異なる絵柄の修復画像を生成してしまうことがある。
そこで、フレーム内修復とフレーム間修復を適応的に切り替えながらエラーコンシールメントを行う手法の提案もなされている。また、酷く誤りの多い環境が初めから想定される場合には、時間方向の誤りの伝播を防止する目的で、フレーム内に閉じて、予測参照を行わずに符号化するマクロブロックやピクチャを定期的に挿入するイントラリフレッシュという対策が符号化装置側でなされることがある。
しかし、最新のMPEG−4 AVC/H.264では、予測参照の自由度が増しており、通常復号に必要なフレームメモリを複数個備えて、必ずしも直前のフレームだけでなく、時間的に直前のフレームよりも遡ったフレームも予測参照に使用することができるようになっている。このような場合は、以下のような問題が発生する。
ただし、複数の予測参照フレームのうち、符号化装置により使用された予測参照フレームと同じ予測参照フレームを復号装置が使用する必要があるため、符号化装置が予測参照フレームインデックスrefIdxをマクロブロックの符号化データとして復号装置に送信する。
複数のフレームメモリが復号装置に存在する場合、上記のように絵が崩れた状態で復号されたフレームが予測参照フレームとして利用されることにより、数フレーム分に渡って、崩れた状態の絵がフレームメモリ内に残存することがある。
例えば、絵が崩れた状態のフレームf(t)が存在するとき、仮に、適切なイントラリフレッシュなどの処置が実施されることにより、フレームf(t)の絵の崩れの時間方向の伝播がフレームf(t+1)において抑止され、フレームf(t+1)の絵が崩れていない場合でも、フレームf(t+2)の復号処理過程において、フレームf(t+2)上のカレントマクロブロックの予測参照フレームインデックスrefIdxが指し示す予測参照フレームがフレームf(t)であって、動きベクトルがフレームf(t)上の絵の乱れた領域を示す場合、フレームf(t)を予測参照フレームとして利用することにより、絵の乱れがフレームf(t+2)に伝播する。
図1はこの発明の実施の形態1による動画像復号装置を示す構成図であり、図において、可変長復号部1は符号化装置から送信された動画像圧縮データ(動き補償予測を実施して圧縮符号化されたデータ)を受信すると、マクロブロック単位にシンタックス解析を実行して、その動画像圧縮データから可変長符号化された各マクロブロックの符号化データ(変換係数データ、各マクロブロックに対する量子化パラメータ、符号化モード情報、予測参照フレームインデックス、動きベクトル)を抽出して、その符号化データを復号するとともに、シンタックス解析処理過程で発生する復号破綻を検出する。
また、可変長復号部1は符号化データに含まれている動きベクトルの大きさが所定の閾値より大きい場合、その符号化データに含まれている予測参照フレームインデックスが指し示すフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定する一方、その動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さい場合、その動きベクトルが示す画像領域の修復状況に応じて動き補償予測に用いる予測参照フレームを決定する。ただし、動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さい場合でも、予測参照フレームインデックスが指し示すフレームにおいて、その動きベクトルが示す画像領域が未修復の画像領域であれば、その予測参照フレームインデックスが指し示すフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定する。
メモリ2は可変長復号部1による復号破綻の検出結果を示す復号破綻検出フラグから構成された誤りエリアマップを格納する。
なお、可変長復号部1及びメモリ2から符号化データ復号手段及び予測参照フレーム決定手段が構成されている。
動き補償部4は復号破綻検出フラグが“0”である場合、可変長復号部1から出力された符号化モード情報がフレーム間動き予測モード(インターモード)を示していれば、フレームメモリ9に格納されている複数の予測参照フレームの中から、可変長復号部1から出力された予測参照フレームインデックスが指し示す予測参照フレームを取得し、その予測参照フレームと可変長復号部1から出力された動きベクトルとを用いて動き補償予測を実施して予測画像を生成する。
加算部6は復号破綻検出フラグが“0”である場合、逆量子化・逆変換部3により復号された画像とスイッチ5から出力された予測画像又は“0”を加算し、その加算結果を復号画像としてスイッチ8に出力する。
スイッチ8は復号破綻検出フラグが“0”である場合、加算部6から出力された復号画像を選択して、その復号画像を動画像の再生結果として出力し、復号破綻検出フラグが“1”である場合、修復画像生成部7により生成された修復画像を選択して、その修復画像を動画像の再生結果として出力する。
フレームメモリ9はスイッチ8から出力された動画像を予測参照フレームとして格納する。
なお、逆量子化・逆変換部3、動き補償部4、スイッチ5、加算部6、修復画像生成部7、スイッチ8及びフレームメモリ9から画像再生手段が構成されている。
図4はこの発明の実施の形態1による動画像復号装置の可変長復号部の処理内容を示すフローチャートである。
なお、この実施の形態1では、動画像復号装置の構成要素である可変長復号部1、逆量子化・逆変換部3、動き補償部4、スイッチ5、加算部6、修復画像生成部7及びスイッチ8がハードウェアで構成されているものとして説明するが、動画像復号装置がコンピュータで構成されている場合、動画像復号装置の構成要素である可変長復号部1、逆量子化・逆変換部3、動き補償部4、スイッチ5、加算部6、修復画像生成部7及びスイッチ8の処理内容を示すプログラムを予めコンピュータのメモリに格納し、コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにしてもよい。
動画像復号装置が符号化装置から送信された動画像圧縮データを受信し、その動画像圧縮データに発生しているビット誤りに伴う画質劣化を修復しながら動画像を再生する内容について説明する。
この実施の形態1では、動画像圧縮データは、MPEG−4 AVC/H.264符号化方式などで採用されている複数の予測参照フレームを利用した動き補償予測が可能であり、マクロブロックの単位に動き補償予測と変換・量子化が組み合わされたブロックベースのハイブリッド符号化方式にしたがって符号化されたデータであるものとする。
また、動画像圧縮データは、図5に示すように、動画像の各フレーム画像が複数のスライス(従来例のビデオパケットに相当するデータ単位)に分割され、スライスが可変長符号化されたマクロブロックデータから構成されているものとする。
即ち、シンタックス解析部11は、その動画像圧縮データのビット列からスライスヘッダ情報を抽出して、そのスライスヘッダ情報を復号する(ステップST1)。
なお、スライスヘッダ情報には、カレントスライスに属する先頭マクロブロックのフレーム内位置情報や、カレントスライスに含まれるマクロブロックの量子化パラメータなどが含まれている。
なお、各マクロブロックの符号化データには、変換係数データ、各マクロブロックに対する量子化パラメータ、符号化モード情報、予測参照フレームインデックス、動きベクトルが含まれている。
ここで、復号破綻とは、再び復号同期が回復するまでの間、それ以上、正常なシンタックス解析を継続することが不可能な状態になることである。
これは、通常、符号化装置から動画像圧縮データが送信された後、動画像復号装置が動画像圧縮データを受信する前に何らかの要因(例えば、無線回線による動画像圧縮データの伝送中における誤りの混入、動画像圧縮データをメディアに記録する際の誤り混入、メディアから動画像圧縮データを読み出す際の読み取りエラーなど)によって、動画像圧縮データにビット誤りが混入することにより発生する。
シンタックス解析部11により検出される復号破綻としては、例えば、以下の(1)〜(5)のようなものがある。
(2)動画像圧縮データが従う規格において、シンタックス上、復号値が固定的に定まっているデータが他の値をとる場合、復号破綻とみなされる。
(3)動画像圧縮データが従う規格において、シンタックス上、復号値の値域が、そのデータ固有、ないしは、別のデータの復号値の制約の下で定められているデータが、正常な値域を逸脱している場合、復号破綻とみなされる。
(4)復号されたデータが、それまでの復号過程に照らして明らかに矛盾を生じている場合(例えば、あるスライスの先頭のマクロブロックのフレーム内位置を復号した結果、その値が、その前までに復号されたマクロブロックのフレーム内位置と不連続になっている場合)、復号破綻とみなされる。
(5)動画像圧縮データが従う規格において、復号される同種データの個数に限界が定められているとき、その個数を超過して復号される場合(例えば、AVCで採用される整数変換は、4×4画素ブロックに対して施されるため、直交変換係数は最大でも1ブロック当り16個しか発生しないが、復号時にこの個数が16個を超過する場合)、復号破綻とみなされる。
シンタックス解析部11は、“1”または“0”の復号破綻検出フラグを逆量子化・逆変換部3、動き補償部4、加算部6、修復画像生成部7及びスイッチ8に出力する。
具体的には、下記の通りである。
予測参照フレーム判定部12は、カレントマクロブロックにおける予測参照フレームインデックスが、カレントフレームの直前のフレームである場合(refidx=0)、予測参照フレームを変更する余地がないので、シンタックス解析部11から出力された予測参照フレームインデックスrefidxをそのまま動き補償部4に出力する。
即ち、カレントマクロブロックを動きベクトルの始点にして、その動きベクトルが指す予測参照フレームの画像領域に対応する誤りエリアマップ上の位置を特定する。
図6の例では、refidx=1の予測参照フレームにおける座標(3,2)の画像領域に対応する誤りエリアマップ上の位置が特定される。
予測参照フレーム判定部12は、その位置の誤りエリアマップの誤り状態値が“1”であれば、その画像領域がビット誤りの影響を受けて、修復画像生成部7により修復された画像の領域であると判定し、その位置の誤りエリアマップの誤り状態値が“0”であれば、その画像領域がビット誤りの影響を受けておらず、修復画像生成部7により修復された画像の領域ではないと判定する。
即ち、予測参照フレーム判定部12は、シンタックス解析部11から出力される動きベクトルの大きさを所定の閾値と比較して、その動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さいか否かを判定する(ステップST24)。
そして、予測参照フレーム判定部12は、このような中間フレームが複数存在する場合、本来の予測参照フレームに時間的に最も近い中間フレームを選択して、その中間フレームを予測参照フレームに決定し、その予測参照フレームを示す予測参照フレームインデックスを動き補償部4に出力する。
なお、本来の予測参照フレームに時間的に最も近い中間フレームを選択する理由は、本来の予測参照フレームと異なるフレームから予測画像を取り出すことになるので、本来の予測参照フレームと時間的に遠い中間フレームを選択する程、むしろ望ましくない予測画像を取り出す可能性が高くなるからである。
そして、動き補償部4は、その予測参照フレームと可変長復号部1から出力された動きベクトルとを用いて、動き補償予測を実施して予測画像(符号化装置により生成された予測画像と同じ予測画像であり、動き補償予測結果である予測誤差画像信号に相当する)を生成する。
なお、シンタックス解析部11から出力された符号化モード情報がフレーム内符号化モード(イントラモード)を示している場合、予測画像の生成処理を実施しない。
一方、その符号化モード情報がフレーム内符号化モード(イントラモード)を示している場合、“0”を加算部6に出力する。
加算部6は、可変長復号部1のシンタックス解析部11から“0”の復号破綻検出フラグを受けると、逆量子化・逆変換部3により復号された画像と、スイッチ5から出力された予測画像又は“0”を加算し、その加算結果を復号画像としてスイッチ8に出力する(ステップST4)。
このように、この実施の形態1では、イントラモードの場合、予測参照フレームを全く利用せずにフレーム内符号化されるモードとしているため(MPEG−4 AVC/H.264の復号装置の場合、この構成はあてはまらない。MPEG−4 AVC/H.264では、イントラモードは、同一フレーム上の近傍画素データを用いて空間予測を行うため、予測参照フレームが自身のフレームとなり、その予測誤差が符号化される。)、スイッチ5の出力が“0”になり、逆量子化・逆変換部3により復号される画像がそのまま復号画像となる。
スイッチ8から出力される動画像は、以降のフレームの予測参照フレームとして用いられるため、フレームメモリ9に格納される。
なお、誤りエリアマップは、例えば、図6の「0」「1」の分布情報に相当し、フレームメモリ9に格納される全ての予測参照フレームの分だけ用意される。例えば、図7の再生画像に対する誤りエリアマップは、図8のように表すことができる。
以上で、カレントマクロブロックにおいて、復号破綻が検出されない場合の復号処理が完了する。スライス内に含まれる全てのマクロブロックについて、この処理フローを完了すると(ステップST6)、カレントスライスの処理を終了する。
再同期コードは、その前までのビットがいなかる状態であっても、そのビット位置からは正常復号が可能になるポイントを指示するユニークなコードを意味し、例えば、図5におけるスライスヘッダ先頭のスタートコードプレフィックスなどが該当する。
ただし、復号破綻が検出された後、その再同期コードが見つかるまでの間のマクロブロックの符号化データは読み捨てられるので、その読み捨てにより失われた範囲の画像を修復する必要がある。
シンタックス解析部11は、カレントスライスが画面内のどの位置のマクロブロックで終了するかを識別すると、カレントスライスの中で、修復が必要な画像領域の終端を認識し、その画像領域の終端を示す画像修復終了位置情報を修復画像生成部7に出力する(ステップST8)。
修復画像生成部7における画像修復処理は、修復対象のマクロブロックに対して、その時間的あるいは空間的な近傍にある画像情報ないしは符号化データから、類似な画像を修復画像として生成する処理である。例えば、以下のような処理方法が考えられる。
(1)フレームメモリ9に格納されている予測参照フレームから、修復対象のマクロブロックと空間的に同一の位置にある画像を修復画像としてコピーする。
(2)フレームメモリ9に格納されている予測参照フレームから、修復対象のマクロブロックと空間的に同一の位置から所定の動きベクトル分だけシフトさせた箇所の画像を修復画像としてコピーする。
なお、本来の動きベクトルが復号破綻のために失われており、本来の動きベクトルを使用することができない場合、例えば、以下の(ア)(イ)(ウ)のような方法で代替の動きベクトルを求める。
(ア)修復対象のマクロブロックの真上に位置するマクロブロックの動きベクトルを代替の動きベクトルとして使用する。
(イ)修復対象のマクロブロックの周辺のマクロブロックの動きベクトルを保持しておいて、それらの動きベクトルを用いて、動き補償予測を実施する際に使用する動きベクトル予測値を計算して使用する。
(ウ)カレントスライスが、例えばMPEG−4ビジュアル規格やMPEG−4 AVC/H.264規格に定めるデータパーティショニングシンタックスを用いて、重要度の高いデータと低いデータに区分されて符号化されている場合、重要度の高いデータの正常復号が確認できたときは、重要度の高いデータとして符号化されている動きベクトルを使用する。
(1)同一フレーム内の周辺マクロブロックのDC係数やAC係数(一部または全部)を保持しておき、それらのDC係数やAC係数を用いて修復画像を生成する。
(2)カレントスライスが、例えばMPEG−4ビジュアル規格やMPEG−4 AVC/H.264規格に定めるデータパーティショニングシンタックスを用いて、重要度の高いデータと低いデータに区分されて符号化されている場合、重要度の高いデータの正常復号が確認できたときは、重要度の高いデータとして符号化されているDC係数を使用して修復画像を生成する。あるいは、その際に、周辺マクロブロックのAC係数も保持しておき、そのAC係数も加味して修復画像を生成する。
スイッチ8から出力される動画像は、以降のフレームの予測参照フレームとして用いられるため、フレームメモリ9に格納される。
なお、誤りエリアマップは、例えば、図6の「0」「1」の分布情報に相当し、フレームメモリ9に格納される全ての予測参照フレームの分だけ用意される。例えば、図7の再生画像に対する誤りエリアマップは、図8のように表すことができる。
以上の方法で、修復が必要な画像領域内のすべてのマクロブロックの修復画像を生成し終えたら(ステップST11)、カレントスライスの処理を終了する。
その際、予測参照フレーム判定部12から出力される予測参照フレームインデックスが指し示すフレームとカレントフレーム間の時間差だけでなく、カレントフレームの中で、カレントマクロブロックの近傍に存在する動きベクトルや、符号化モード情報や、予測誤差の大きさなどを考慮して、動きベクトルを調整するようにしてもよい。
予測参照フレーム判定部12から出力される予測参照フレームインデックスが、シンタックス解析部11から出力される本来の予測参照フレームインデックスと異なる場合は、上記のようにして、利用する動きベクトルを調整すれば、さらに、予測画像の精度を高めることができる。
Claims (6)
- 動き補償予測を実施して圧縮符号化された動画像圧縮データから符号化データを抽出して、その符号化データを復号する符号化データ復号手段と、上記符号化データ復号手段により復号された符号化データに含まれている動きベクトルが示す画像領域の修復状況に応じて動き補償予測に用いる予測参照フレームを決定する予測参照フレーム決定手段と、上記予測参照フレーム決定手段により決定された予測参照フレームと上記符号化データ復号手段により復号された符号化データを用いて、動画像を再生する画像再生手段とを備えた動画像復号装置。
- 予測参照フレーム決定手段は、符号化データ復号手段により復号された符号化データに含まれている動きベクトルの大きさが所定の閾値より大きい場合、その符号化データに含まれている予測参照フレームインデックスが指し示すフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定する一方、その動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さい場合、その動きベクトルが示す画像領域の修復状況に応じて動き補償予測に用いる予測参照フレームを決定することを特徴とする請求項1記載の動画像復号装置。
- 予測参照フレーム決定手段は、符号化データ復号手段により復号された符号化データに含まれている動きベクトルの大きさが所定の閾値より小さい場合でも、予測参照フレームインデックスが指し示すフレームにおいて、その動きベクトルが示す画像領域が未修復の画像領域であれば、その予測参照フレームインデックスが指し示すフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定することを特徴とする請求項2記載の動画像復号装置。
- 予測参照フレーム決定手段は、予測参照フレームインデックスが指し示すフレームにおいて、動きベクトルが示す画像領域が修復済の画像領域であれば、その予測参照フレームインデックスが指し示すフレームとカレントフレームの間に存在するフレームの中で、その動きベクトルが示す画像領域が未修復のフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定することを特徴とする請求項3記載の動画像復号装置。
- 予測参照フレーム決定手段は、動きベクトルが示す画像領域が未修復のフレームが複数存在する場合、それらのフレームの中で、予測参照フレームインデックスが示すフレームに時間的に最も近いフレームを動き補償予測に用いる予測参照フレームに決定することを特徴とする請求項4記載の動画像復号装置。
- 画像再生手段は、符号化データ復号手段により符号化データが正常に復号されないマクロブロックが存在する場合、そのマクロブロックの修復画像を生成することを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の動画像復号装置。
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