JP2008219147A - 動画像符号化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】テクスチャの再現性が求められる領域に対して、テクスチャの再現性が最も高い符号化モードを選択できる動画像符号化装置を提供する。
【解決手段】モード判定評価値算出部11は、処理MBに対して例えば3種類のイントラ予測モード、7種類のインター予測モードの各モードについての評価値、符号化コストを算出する。モード判定制御部12が、該処理MBについて、予め定められた閾値以上の動きおよび平坦さを検出した時、テクスチャ重視モード選択部13が選ばれる。テクスチャ重視モード選択部13は、前記評価値の一番小さいモード、つまりテクスチャの再現性が最も高い符号化モードを選択する。一方、前記動きおよび平坦さのいずれか一方または両方が前記閾値より小さい時には、従来のモード選択部54を選択する。従来のモード選択部54は、前記コストの一番小さいモードを選択する。
【選択図】図1

Description

本発明は動画像符号化装置に関し、特に画面内のマクロブロック(以下,MBと記す)単位で符号化モードの決定を行う動画像符号化装置において、符号化映像の主観品質を向上させることのできる動画像符号化装置に関する。
MB単位で符号化モードの決定を行う動画像符号化装置の一例として、図7に示されているような、予測+DCTを行う動画像符号化方式の中で高い符号化効率が得られるH.264符号化のリファレンス符号化器が知られている。このH.264符号化方式では、画面を16ライン×16画素の領域(マクロブロック、以下MB)に分割し、MBごとに符号化を行う。また、該符号化方式の予測(イントラ予測、インター予測)は、MBを複数のブロックに分割し、小ブロック単位で予測を行う。該符号化方式の規格書では、複数のMBの分割方法が規定されており、同分割方法がモードに相当する。
H.264 High Profile(高精細映像に特化したモードが規定されている)に存在するモードに関して具体的には、イントラ予測について、イントラ16×16、イントラ8×8、イントラ4×4の3種類が存在し、インター予測について、インター16×16、インター16×8、インター8×16、インター8×8、インター4×8、インター8×4、インター4×4の7種類が存在する。
該リファレンス符号化器は周知であるので詳細な説明は省略するが、該リファレンス符号化器では、イントラ(画面内)予測部51およびインター(動き)予測部52にて、それぞれ前記モード毎にイントラ符号化(画面内符号化)およびインター符号化(画面間符号化)を試み、コスト値算出部53にて、それぞれのモードの符号化コスト値を算出し、モード判定部54では該符号化コスト値が小さい方の符号化モードを選択する。
ここで、前記コスト値は、例えば下記の非特許文献1の80頁右欄〜81頁左欄に記載されている(7)式と(8)式から求めることができる。すなわち、符号化対象のMBに対して、候補となる各符号化モードについて、符号化により発生する誤差D(二乗誤差または絶対値誤差)および符号量Rに対して、目標とする割り当て符号量をRcとするとき、 R<Rcを条件として(subject to R<Rc)Dが最小となる符号化モードを符号化効率が最大の符号化モードとする。このことは、下記の式(1)に示す最小化問題として定式化することができる。
min{D},subject to R<Rc ・・・(1)
さらに、式(1)にラグランジュ乗数λを導入することで、下記の式(2)に示すコスト関数を定義する。
J=D+λ×R ・・・(2)
ここで、Jは符号化コスト値を表し、式(2)は、各符号化モードにおけるD,Rに対して、より小さいJが得られる符号化モードを選択することで、高い符号化効率が得られることを表している。
前記モード判定部54からの指示によりスイッチ部61で選択された符号化モードのイントラ符号化画像またはインター符号化画像は、加算部55で減算処理され、DCT/量子化部56でDCTおよび量子化の処理をされ、さらにエントロピー符号化部57でエントロピー符号化されて、符号化データとして出力される。
一方、前記DCT/量子化部56でDCTおよび量子化の処理を受けた画像データは、ローカルデコード部58で局部復号化され、加算器59でイントラ予測部51からのイントラ符号化画像またはインター予測部52からのインター符号化画像と加算されて、メモリ60に一旦蓄積される。
上記の動画像符号化装置では、それぞれのモードごとに符号化歪み、発生符号量および主観画質が異なり、MBごとにモードを適切に選択することにより高い符号化効率および高い主観品質が得られる一方で、不適切なモード選択制御は符号化効率および主観品質の低下を招く。
次に、下記の特許文献1には、 MB単位の符号化でインター符号化およびイントラ符号化のいずれかを選択する動画像符号化装置において、視覚的に目立つノイズの低減を目的とし、処理MBにおける平坦度および該MBにインター符号化を行った際の量子化誤差に基づいて該MBにおける視覚的なノイズの大きさを評価し、この評価値の閾値判定に基づきインター符号化とイントラ符号化を切り替える方式が示されている。
さらに、下記の特許文献2には、MB単位の符号化で複数のイントラ予測モード、複数のインター予測モードから符号化効率を示すコスト値の比較によりモードを選択する動画像符号化装置において、平坦度を示すアクティビティが低い領域に対する符号化において適切なモード選択により主観画質劣化を抑制することを目的とし、アクティビティに基づいてコスト値を補正し、該コスト値の比較によりモードを選択する方式が示されている。
Gary J. Sullivan, Thomas Wiegand, " Rate-Distortion Optimization for Video Compression", IEEE Signal Processing Magazine, pp.74-90, Nov. 1998. 特開2006−135461号公報 特開2006−94081号公報
前記非特許文献1に示される技術は客観画質に関して高い符号化効率を得る方式であるが、主観画質を考慮していないため、モードを選択した結果が主観画質にとって不十分であるケースがある。特に、テクスチャの再現性に関して著しく不適切な場合が見られる。テクスチャの再現性が求められる例として、平坦領域の輪郭におけるエッジ成分が挙げられる。特に低レート符号化の条件下では、符号化歪に対して符号量の影響が大きく、テクスチャの再現性よりも符号量が小さいモードが優先的に選択される。結果として、当該領域におけるテクスチャの再現性が低下し、主観画質の低下を招くという課題がある。
前記特許文献1に示される方式は処理MBにおける主観画質劣化のみの考慮であるため、隣接MBを含む近傍領域における主観画質の劣化は防げない。また、インター符号化とイントラ符号化の切り替えのみを考慮しているが、各符号化におけるMBの分割ブロックサイズにより視覚的なノイズの大きさが異なるため、テクスチャ再現性の低下を抑制するためには同分割ブロックサイズまで考慮した符号化モード選択手法が求められる。
前記特許文献2に示される方式は処理MBにおけるアクティビティのみの考慮であるため、隣接MBを含む近傍領域における主観画質の劣化は防げない。また、評価尺度としてコスト値が用いられるが、該コスト値には符号化効率すなわち符号量が考慮されることになるため、テクスチャ再現性が強く求められる領域に対して、特に符号量の影響が大きい低レート符号化の条件下において、テクスチャ再現性が十分に得られない可能性が懸念される。
本発明は、前記した従来技術の課題を解消するためになされたものであり、その目的は、MB単位での符号化モード選択の際に、対象領域がテクスチャの再現性を求められる領域であるか否かを判断し、テクスチャの再現性が求められる領域であると判断された場合に、テクスチャの再現性が最も高い符号化モードを選択できるようにした動画像符号化装置を提供することにある。
前記した目的を達成するために、本発明は、マクロブロック単位で符号化モードの決定を行う動画像符号化装置において、処理マクロブロック付近における映像データの平坦さの特徴量を求める平坦さ抽出手段と、入力映像データがもつ動き情報の特徴量を求める動き情報抽出手段と、処理マクロブロックが予め定められた閾値以上の平坦かつ動きを含む領域に属するか否かを判定する手段と、該領域に属すると判定された場合に、該マクロブロックのモード選択において、エッジ成分の再現性を重視するモード選択を行うモード選択手段とを具備した点に特徴がある。
本発明によれば、テクスチャの再現性が求められる領域における原画像への忠実性が保持され、従来技術に比べて、主観画質の向上が可能になる。
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1は、本発明を図7の符号化器に適用した場合のブロック図を示し、図2は図1中の「本発明の制御方式1」の一実施形態の構成を示すブロック図である。なお、図1において、図7と同一または同等物には同じ符号が付されている。また、以下では最良の実施形態として、本発明をH.264符号化のリファレンス符号化器に用いた場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、周知のJMエンコーダやJSVMエンコーダ等にも用いることができる。
図1、2において、本発明の制御方式1は、入力映像データがもつ動きの大きさと処理MB近傍領域の平坦さの特徴量に応じて、テクスチャの再現性を考慮したモード選択をする処理をする。
本発明の制御方式1は、モード判定評価値算出部11、モード判定制御部12、テクスチャ重視モード判定部13、切り替え部14、モード選択部15から構成されている。また、該制御方式1は、入力映像データa、処理MB近傍の符号化済みMBの符号化データおよび局所復号映像b、インター予測部52からの予測値c、イントラ予測部51からの予測値d、外部から提供される制御パラメータe、および符号化データfが入力し、MB単位のモード選択に関してテクスチャ再現性を考慮した処理の適用可否の判断および該処理に基づくモード判定を行う制御データgが出力する。前記制御パラメータeには、動き特性抽出範囲、平坦さ検出範囲、および動き、平坦さを判定するための閾値Tmv、T等が含まれている。なお、テクスチャ重視モードとは、映像の絵柄、模様等のエッジや輪郭の再現性を良好にするモードのことを意味する。
図2は、前記本発明の制御方式1の構成をより詳細に示すブロック図であり、図1と同一の符号は同一または同等物を示す。図示されているように、前記モード判定制御部12は、動きの大きさを抽出する動き情報抽出部12Aと平坦さ抽出部12Bと論理積(AND)回路16から構成されており、該AND回路16は前記動き情報抽出部12Aおよび平坦さ抽出部12Bからの出力に応じてモード選択の切替を行うための2値データgを出力する。
ここで、前記イントラ予測部51、インター予測部52、モード判定評価値算出部11,動き情報抽出部12A、平坦さ抽出部12Bの機能を説明する。
(i)イントラ予測部51、インター予測部52の機能
イントラ予測部51、インター予測部52は、図3に示されているように、入力映像a、局所符号映像bを入力とし、イントラ予測について、イントラ16×16、イントラ8×8、イントラ4×4の3種類の予測値、インター予測について、インター16×16、インター16×8、インター8×16、インター8×8、インター4×8、インター8×4、インター4×4の7種類の予測値を出力する。残差信号算出のための予測値は加算部55に送られ、評価値算出のための予測値d、cはモード判定評価値算出部11に送られる。
(ii)モード判定評価値算出部11の機能
モード判定評価値算出部11では、図4に示されているように、前記入力映像a、局所復号映像b、インター予測値c、およびイントラ予測値dが入力し、これらに基づいて、イントラ16×16評価値、8×8評価値、4×4評価値、インター16×16評価値、16×8評価値、8×16評価値、8×8評価値、8×4評価値、4×8評価値、および4×4評価値が算出され、それぞれが出力される。
(1)従来のモード選択に必要な評価値
前記(2)式のJ=D+λ×Rで求めた符号化コスト値Jを評価値とする。
(2)テクスチャ重視モード選択に必要な評価値
テクスチャ重視モード選択に必要な評価値は、次の方法1〜4のいずれかにより求めることができる。
方法1(符号化歪みの統計的な大きさをを用いる方法):処理MBにおいて、符号化に起因する符号化歪み、すなわち原画像に対する局所復号画像の差分二乗和(SSD)もしくは差分絶対値和(SAD)を評価値とする。ここで、処理MBに該当する領域における原画像の画素値をp(x、 y)、局所復号画像の画素値をr(x、 y)とする。ただし、x、yはMB内の座標を表す。評価値SSD、SADは式(3)、式(4)により求まる(図5(a)参照)。
Figure 2008219147
Figure 2008219147
方法2(予測誤差信号の統計的な大きさを用いる方法):処理MBにおいて、原画像に対する候補となるモードの予測値の差分について、二乗平均(MSE)を評価値とする。ここで、処理MBに該当する領域における原画像の画素値をp(x、 y)、モードの予測値をq(x、 y)とする。ただし、x、yはMB内の座標を表す。評価値MSEは式(5)により求まる(図5(b)参照)。
Figure 2008219147
方法3(MBに含まれる高域周波数成分の割合についての統計的な大きさを用いる方法):処理MBにおいて、原画像および局所復号画像にそれぞれ直交変換を施し、対応する同変換係数同士の差分を求め、同差分の絶対値について変換係数毎に所定の加重係数を乗じ、その和を評価値とする。ここで、原画像に対する直交変換係数を u(x、y)、局所復号画像に対する直交変換係数を v(x、y)とする。ただし、x、yは直交変換係数の座標を表す。また、座標x、yに対する重み付け係数を w(x、y)とする。評価値Vは式(6)により求まる(図5(c)参照)。
Figure 2008219147
方法4:処理MBを、画素座標(2次元)に画素値(1次元)を加えた3次元空間とし、原画像および局所復号画像について、画素値で形成される曲面に関する近似関数を導出し、各画素における傾きについて両者の差分を求め、同差分の二乗和を評価値とする。ここで、原画像に対する近似関数について各画素における傾きの大きさをd(x、y)、局所復号画像に対する近似関数について各画素における傾きの大きさを e(x、y)とする。ただし、x、yはMB内の座標を表す。評価値Vは式(7)により求まる(図5(d)参照)。
Figure 2008219147
(iii) 動き情報抽出部12Aの機能
動き情報抽出部で12Aは、以下の何れかの方法に従って、制御パラメータeによって指示された近傍領域における動きベクトルを求める。
方法1:処理MBを含む任意の大きさの領域について、前後のフレームとのマッチング(動き補償)を行い、当該領域の動きベクトルとする。
方法2:処理MBに近接する符号化済みMBに含まれる動きベクトル情報の平均値を、処理MB近傍の領域における動ベクトルとする。
(iv)平坦さ抽出部12Bの機能
平坦さ抽出部12Bでは、以下の何れかの方法に従って近傍領域における平坦さの評価値を求める。
方法1:処理MBに近接する任意の大きさの領域に対して、原画像の画素値の分散値を求め、分散値を評価値とする。
方法2:処理MBに近接する任意の大きさの領域に対して、原画像の画素値の平均値を求め、各画素値に対する平均値からの差分の絶対値和を評価値とする。
方法3:処理MBに近接する任意の大きさの領域に属するMBについて、直交変換係数のうち低周波交流成分の絶対値の最大値を評価値とする。
方法4:処理MBに近接する領域に属するMBについて、直交変換係数のうち高周波交流成分の絶対値の最小値を評価値とする。
(v)従来のモード選択部54の機能
前記モード判定評価値算出部11から各モードの符号化コスト値Jを選択し、最も小さい符号化コスト値に対応するモードを選択する。
(vi)テクスチャ重視モード選択部13の機能
前記モード判定評価値算出部11から各モードの評価値を選択し、最も小さい評価値に対応するモードを選択する。
(vii)切り替え部14、モード選択部15の機能
切り替え部14およびモード選択部15は、AND回路16の出力が1である場合はテクスチャ再現性を重視するテクスチャ重視モード選択部13を選択し、0である場合は従来のモード選択部54を選択する。すなわち、処理マクロブロックが平坦かつ動きを含む領域に属する場合にテクスチャ重視モード選択部13を選択し、それ以外の場合に従来のモード選択部54を選択する。
次に、本実施形態の動作を、図6のフローチャートを参照して説明する。
ステップS1では、前記動き情報抽出部12Aで得られた処理MBの動きが閾値Tmv以上であるか否かが判断される。この判断が肯定であればステップS2に進み、否定であればステップS10に進む。ステップS2では、前記平坦さ抽出部12Bで得られた該処理MB近傍領域における平坦さが閾値T以下であるか否かが判断される。この判断が肯定の場合にはステップS3に進み、否定の場合にはステップS10に進む。
つまり、ステップS1とS2が共に肯定であれば、図2における、前記動き情報抽出部12Aおよび平坦さ抽出部12Bからの出力は共に1であり、AND回路16からは1が出力されて、切り替え部14、モード選択部15は、前記テクスチャ重視モード選択部13を選択する。一方、ステップS1とS2のうちのいずれか一方が否定であれば、AND回路16からは0が出力されて、切り替え部14、モード選択部15は、従来のモード選択部54を選択する。
次に、ステップS3以下の本発明方法のモード選択、つまり前記テクスチャ重視モード選択部13の動作を説明する。ステップS3では、評価値の最小値Vminが論理上の最大値、例えばVmin=1010と置かれる。ステップS4では、モードXの評価値Vをモード判定評価値算出部11から取得する。ステップS5では、V≦Vminが成立するか否かの判断がなされる。この判断が肯定の場合にはステップS6に進んで評価値Vmin=Vと置かれる。一方、否定の場合には、ステップS6をスキップしてステップS7に進む。ステップS7では、未評価のモード、つまり図4のイントラ16×16評価〜インター4×4評価の中に未評価のモードが残っているどうかの判断が行われる。残っている場合にはステップS8に進んで、次のモードXが選択される。次いで、ステップS4に戻って、次のモードXの評価値が取得される。以下、前記と同様の動作がなされ、ステップS7の判断が否定になると、ステップS9に進む。ステップS9では、Vminに該当するモードXminが選択され、前記テクスチャ重視モード選択部13から出力される。
次に、ステップS10以下の従来方法のモード選択、つまり前記従来のモード選択部54の動作を説明する。ステップS10では、符号化コスト値の最小値Jminが論理上の最大値、例えばJmin=1010と置かれる。ステップS11ではモードXのコスト値Jを取得する。ステップS12では、J≦Jminが成立するか否かの判断がなされる。この判断が肯定の場合にはステップS13に進んで評価値Jmin=Jと置かれる。一方、否定の場合には、ステップS13をスキップしてステップS14に進む。ステップS14では、ステップS7と同様に、未評価のモードが残っているどうかの判断が行われる。残っている場合にはステップS15に進んで、次のモードXが選択される。次いで、ステップS11に戻って、次のモードXの評価値が取得される。以下、前記と同様の動作がなされ、ステップS14の判断が否定になると、ステップS16に進む。ステップS16では、Jminに該当するモードXminが選択され、前記従来のモード選択部54から出力される。
以上のようにして、テクスチャ重視モード選択部13または従来のモード選択部54から出力されたモード選択信号hはスイッチ部61の動作を制御する。スイッチ部61は該モード選択信号hにより指示されたモードを、図3に示される10個のモードから選択して出力する。
本発明者は、下記の実施条件で、画像データの性能評価を行った。
(a)実施条件
(1)動きの検出
動きの検出方法として、符号化処理を行っている処理フレームにおける画面全体の動き(グローバル動き)を検出し、その動きの大きさについて閾値判定を行う。グローバル動きの検出については、直前フレームと処理フレームの間でマッチングを行い、差分二乗和の平均が最も小さい動きベクトルをグローバル動きベクトルとした。
(2)平坦さの検出
平坦さの検出方法として、モード選択処理を行う処理MBに対して近傍の符号化済みMBにおける画素値の分散を求め、分散値について閾値判定を行った。
上記の(1)および(2)を同時に満たすとき、当該MBのモード判定において、前記式(3)により求まる値が最小であるモードを選択した。一方、(1)および(2)がどちらか一方でも満たされない時、従来方法でモードを選択した。
(b)結果
符号化実験は、JM10.1をベースに本発明を実装し、計算機シミュレーションを行った。評価用映像としてITE HDTVテストシーケンスより“Yaching”を用い、符号化レートは8Mbps、10Mbps、13Mbpsに設定した。該符号化実験による符号化結果に対して主観評価実験を行った結果、従来方法に対して主観画質が改善することを確認した。なお、主観評価実験は、ITU-R BT.500-11に準拠した一重刺激法で行った。
本発明の制御方式が適用されたリファレンスエンコーダの構成を示すブロック図である。 本発明の制御方式の一実施形態の構成を示すブロック図である。 イントラ予測部およびインター予測部の機能を示す説明図である。 モード判定評価値算出部の機能を示す説明図である。 モード判定評価値算出部の機能の説明図である。 テクスチャ重視モード選択部および従来のモード選択部機能を示すフローチャートである。 従来のリファレンスエンコーダの構成を示すブロック図である。
符号の説明
1・・・本発明の制御方式、11・・・モード判定評価値算出部、12・・・モード判定制御部、12A・・・動き情報抽出部、12B・・・平坦さ抽出部、13・・・テクスチャ重視モード選択部、51・・・イントラ予測部、52・・・インター予測部。

Claims (8)

  1. マクロブロック単位で符号化モードの決定を行う動画像符号化装置において、
    処理マクロブロック付近における映像データの平坦さの特徴量を求める平坦さ抽出手段と、
    入力映像データがもつ動き情報の特徴量を求める動き情報抽出手段と、
    処理マクロブロックが予め定められた閾値以上の平坦かつ動きを含む領域に属するか否かを判定する手段と、
    該領域に属すると判定された場合に、該マクロブロックのモード選択において、エッジ成分の再現性を重視するモード選択を行うモード選択手段とを具備したことを特徴とする動画像符号化装置。
  2. 請求項1に記載の動画像符号化装置において、
    前記平坦さ抽出手段は、平坦さを判定するための特徴量として、処理マクロブロックの近傍領域における画素値の分布に関する特徴量、または該近傍領域における画素値に対して高域周波数成分の占める割合に関する特徴量を用いることを特徴とする動画像符号化装置。
  3. 請求項2に記載の動画像符号化装置において、
    前記処理マクロブロックの近傍領域における画素値の分布に関する特徴量として、該処理マクロブロックの近傍領域における画素値の分散値、または該近傍領域における画素値の平均値と該近傍領域に属する画素の画素値との差分絶対値和が用いられることを特徴とする動画像符号化装置。
  4. 請求項2に記載の動画像符号化装置において、
    前記近傍領域における画素値に対して高域周波数成分の占める割合に関する特徴量として、直交変換係数に含まれる低周波交流成分の絶対値の最大値、または該直交変換係数の高周波交流成分の絶対値の最小値が用いられることを特徴とする動画像符号化装置。
  5. 請求項1に記載の動画像符号化装置において、
    前記動きを判定するための特徴量として、処理マクロブロックを含む任意の領域に対する動き補償により得られる動きベクトルの大きさ、または処理マクロブロックに近接する任意の符号化済み領域に対して、該領域に属するマクロブロックに含まれるベクトルの大きさが用いられることを特徴とする動画像符号化装置。
  6. 請求項1に記載の動画像符号化装置において、
    前記エッジ成分の再現性を重視するモード選択を行うモード選択手段は、該エッジ成分の再現性に関するモード選択の評価値として、符号化歪みを表す、原画像に対する局所復号画像の誤差信号の統計的な大きさ、または予測誤差信号の統計的な大きさを用い、該評価値が最小のモードを選択することを特徴とする動画像符号化装置。
  7. 請求項1に記載の動画像符号化装置において、
    前記エッジ成分の再現性を重視するモード選択を行うモード選択手段は、該エッジ成分の再現性に関するモード選択の評価値として、当該マクロブロックに含まれる高域周波数成分の割合について、原画像、局所復号画像それぞれにおける計算値の差分に関する統計的な大きさを用い、該評価値が最小のモードを選択することを特徴とする動画像符号化装置。
  8. 請求項1に記載の動画像符号化装置において、
    前記エッジ成分の再現性を重視するモード選択を行うモード選択手段は、該エッジ成分の再現性に関するモード選択の評価値として、当該マクロブロックを2次元画素座標に画素値を加えた3次元空間とし、画素値に関する3次元空間における近似関数を導出し、該関数に基づき各画素において算出される傾きについて、原画像、局所復号画像それぞれにおける計算値の差分に関する統計的な大きさを用い、該評価値が最小のモードを選択することを特徴とする動画像符号化装置。
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