JP2009021736A - 画像符号化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フレーム内予測符号化の予測単位の選択を少ない計算コストで高精度に決定することによる、符号化歪の少ない高画質で、かつ高速なフレーム内予測符号化ができるようにする。
【解決手段】画面を構成する複数の画像ブロックデータを入力し、予測値との残差を符号化し符号化データを生成する画像符号化装置であって、前記画像ブロックデータに隣接する参照画像データを記憶する参照画像データ記憶部1005と、量子化パラメータに応じて予測単位を決定する予測単位決定部1001と、予測単位決定部1001において決定した予測単位により前記参照画像データを用いて予測値を算出する予測値算出部1003とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は画像符号化装置に関し、特に、複数の画像ブロックからなる1フレームのフレーム内予測符号化を高画質かつ高速に行うために用いて好適な技術に関する。
従来、CD−ROMやハードディスク等の蓄積媒体に静止画像を保存・表示するための符号化方式としてISO(国際標準化機構)により標準化されたJPEG方式が広く用いられている。一方、動画像と音声とを同様な蓄積媒体に保存・表示したり、通信路を介して放送、または双方向通信したりするための符号化方式としてISOにより標準化されたMPEG方式が広く用いられている。
動画像及び音声の符号化方式であるMPEG方式は、符号化効率の向上を目的として年々その符号化方式が改良されている。
例えば、1992年にMPEG−1が規定され、1994年にMPEG−2が規定されている。また、1999年にはMPEG−4が規定され、2003年にはMPEG−4AVC/H.264がそれぞれ国際標準として規定されている(例えば、非特許文献1参照)。
MPEG−4においては、符号化効率の向上以外にも、符号誤り訂正機能の強化や、符号化対象毎に最適な符号化を施すオブジェクト符号化の導入なども実現されている。さらには、MEPG−4シンタックス上のビジュアル層とオーディオ層とを包含するファイル形式などを規定するシステム層においては、利用者が要求する任意の時刻の動画像データまたは音声データに容易にアクセスできる仕組みを提供している。
また、MPEG−4AVC/H.264では、MPEG−4に対してさらなる符号化効率向上を目指してフレーム間予測、フレーム内予測、エントロピー符号化などにおいて多種多様な新規符号化ツールが採用されている。特に、輝度信号に対するフレーム内予測として4×4画像ブロック単位での予測方式とグラデーション画像などに有効とされる16×16画像ブロック単位での予測方式が規定されている。ここで、4×4輝度ブロックに対して9つ、16×16輝度ブロックに対して4つの予測モードが用意されている。
図7に、4×4輝度ブロックとフレーム内予測に使用する参照画像サンプルの位置関係を示す図である。符号化対象の4×4輝度ブロックは、図7において、(0,0)〜(3,3)の16サンプルで表現されている。
一方、参照画像サンプルは4×4輝度ブロックの周囲に隣接する位置する。図7において、(−1,−1)、(0,−1)、(1,−1)、(2,−1)、(3,−1)、(4,−1)、(5,−1)、(6,−1)、(7,−1)、(−1,0)、(−1,1)、(−1,2)、(−1,3)の13サンプルで表現されている。
図8〜15に、各予測モードにおいて、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を表す概念図を示す。使用される参照サンプルから符号化対象画像サンプルへの方向においては、図8に示すモード0は垂直方向への予測であり、図9に示すモード1は水平方向への予測である。
また、モード2(図示せず)は13個の参照サンプルの平均値を予測値とし、図10に示すモード3は左対角下方向への予測である。さらに、図11に示すモード4は右対角下方向への予測であり、図12に示すモード5は右垂直斜め下方向への予測である。また、図13に示すモード6は右水平斜め下方向への予測であり、図14に示すモード7は左垂直斜め下方向への予測である。そして、図15に示すモード8は右水平斜め上方向への予測である。
また、色差信号に対するフレーム内予測は8×8色差ブロックに対する4つの予測モードが用意されている。なお、輝度信号、色差信号のいずれにおいても、どの予測モードを使用してフレーム内予測符号化を行うかはユーザの判断に委ねられており、高い符号化効率を達成するために最適な予測モードを選択することが重要となっている。
従来は、すべての予測モード(9+4=13モード)に対して、処理対象ブロックで使用する予測値の算出と、処理対象ブロックから予測値を減算して得られる予測残差の算出とを行う。さらに、その予測残差の絶対値和であるSAD(Sum of Absolute Difference)など指標値の算出を行う。そして、最小の評価値を示す予測方向を選択していた。
ISO/IEC 14496−10
しかしながら、前記13個すべての予測モードに対する予測残差の絶対値和(SAD)などの指標値をリアルタイム符号化の過程で算出するためのコストは非常に多く掛かる。そのため、結果的に輝度ブロックに対する予測単位として4×4のみを特定して選択対象とするなどの妥協策が講じられており、H.264符号化方式が備える本来の高い符号化効率を活用できないという課題があった。
本発明は前述の問題点に鑑み、フレーム内予測符号化の予測単位の選択を少ない計算コストで高精度に決定することによる、符号化歪の少ない高画質で、かつ高速なフレーム内予測符号化ができるようにすることを目的としている。
本発明の画像符号化装置は、画面を構成する複数の画像ブロックデータを入力し、予測値との残差を符号化し符号化データを生成する画像符号化装置であって、前記画像ブロックデータに隣接する参照画像データを記憶する参照画像データ記憶手段と、量子化パラメータに応じて予測単位を決定する予測単位決定手段と、前記予測単位決定手段が決定した予測単位により前記参照画像データを用いて予測値を算出する予測値算出手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、フレーム内予測符号化の予測単位の選択を少ない計算コストで高精度に決定できるので、符号化歪の少ない高画質で、かつ高速なフレーム内予測符号化ができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態をMPEG−4AVC/H.264符号化方式の例で図面とともに説明する。
図2は、本実施形態の画像符号化装置の機能構成例を示すブロック図である。
図2において、101はフレーム(画面)内予測部、102は予測方式選択部、103は直交変換部、104は量子化部、105はエントロピー符号化部、106はエントロピー復号化部である。また、107は逆量子化部、108は逆直交変換部、109は発生符号量係数部、110はループフィルタ部、111は動き補償部である。さらに、112はフレーム間動き予測部、113はフレーム間動き予測において使用される参照フレーム記憶部、114は符号量制御部である。
図1は、本実施形態の画像符号化装置のフレーム内予測部101の詳細な機能構成例を示すブロック図である。
図1において、1001は予測単位決定部、1002は予測モード決定部、1003は予測値算出部である。また、1004は入力画像ブロック記憶部、1005は参照画像データ記憶部、1006は閾値記憶部、1007は画像特徴抽出部、1008は画像属性情報入力信号である。
図3は、フレーム内予測部101における量子化パラメータに応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。以後、本実施形態における動作形態について、その符号化処理に係わる一連の動作、特に、フレーム内予測部101による予測単位と予測モードを決定し予測残差を出力するまでの予測符号化処理手順を図1、及び図3を用いて説明する。
まず、フレーム内予測部101は、外部より設定される量子化パラメータに対応した閾値を閾値記憶部1006に記憶する(ステップS101)。そして、処理を終了するか否かを判断する(ステップS102)。この判断の結果、処理を終了しない場合はステップS103に進む。
次に、予測単位決定部1001は、外部より通知される量子化パラメータと閾値記憶部1006に記憶された閾値とを比較する(ステップS103)。この比較の結果、量子化パラメータが閾値よりも大きい場合は、予測単位を16×16に決定し(ステップS104)、ステップS105に進む。一方、ステップS103の比較の結果、閾値よりも小さい場合は、予測単位を4×4に決定し(ステップS108)、ステップS109に進む。
次に、予測単位が16×16と決定された場合で、かつ予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS105)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS106)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS107)。一方、ステップS105の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、ステップS107に進む。
一方、予測単位が4×4と決定された場合で、予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS109)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS110)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を生成する(ステップS111)。一方、ステップS109の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS111)。
その後、予測残差算出部1008により入力画像ブロックデータと予測値とから予測残差データを算出する(ステップS112)。そして、ステップS102に戻る。
なお、本実施形態においては、フレーム内予測部101の予測単位決定部1001は予測単位として4×4または16×16を選択した。しかし、MPEG−4AVC/H.264Version3において追加された8×8も予測単位の選択肢として含めて予測単位を決定するフレーム内予測符号化処理においても同様に適用可能である。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態をMPEG−4AVC/H.264符号化方式の例で図面とともに説明する。なお、機能構成例においては第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図4は、フレーム内予測部101における抽出された画像特徴(例えば、文字領域)に応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。以後、本実施形態における動作形態について、その符号化処理に係わる一連の動作、特に、フレーム内予測部101による予測単位と予測モードを決定し予測残差を出力するまでの予測符号化処理手順を図1、及び図4を用いて説明する。
まず、処理が終了であるか否かを判断する(ステップS201)。この判断の結果、処理を終了しない場合はステップS202に進む。次に、フレーム内予測部101は、画像特徴抽出部1007により抽出された特徴から画像入力データが文字を含むことを確認する(ステップS202)。
次に、予測単位決定部1001は、画像入力データが文字を含むか否かを判断する(ステップS203)。この判断の結果、画像入力データが文字を含む場合は、予測単位を16×16に決定する(ステップS204)。一方、ステップS203の判断の結果、文字を含まない場合は、予測単位を4×4に決定する(ステップS208)。
予測単位が16×16と決定された場合で、かつ予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS205)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS206)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS207)。一方、ステップS205の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、ステップS207に進む。
一方、予測単位が4×4と決定された場合で、予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS209)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS210)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS211)。一方、ステップS209の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、ステップS211に進む。
その後、予測残差算出部1008により入力画像ブロックデータと予測値とから予測残差データを算出する(ステップS212)。そして、ステップS201に進む。
なお、本実施形態においては、フレーム内予測部101の予測単位決定部1001は予測単位として4×4または16×16を選択した。しかし、MPEG−4AVC/H.264Version3において追加された8×8も予測単位の選択肢として含めて予測単位を決定するフレーム内予測符号化処理においても同様に適用可能である。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態をMPEG−4AVC/H.264符号化方式の例で図面とともに説明する。なお、機能構成例においては第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図5は、フレーム内予測部101における画像属性情報に応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。以後、本実施形態における動作形態について、その符号化処理に係わる一連の動作、特に、フレーム内予測部101による予測単位と予測モードを決定し予測残差を出力するまでの予測符号化処理手順を図1、及び図5を用いて説明する。
まず、処理が終了であるか否かを判断する(ステップS301)。この判断の結果、処理を終了しない場合はステップS302に進む。次に、フレーム内予測部101の予測単位決定部1001は、外部より画像属性情報を入力する(ステップS302)。
次に、画像属性情報により画像入力データが文字領域を含むか否かを判断する(ステップS303)。この判断の結果、画像入力データが文字領域を含む場合は、予測単位を16×16に決定する(ステップS304)。一方、ステップS303の判断の結果、文字領域を含まない場合は予測単位を4×4に決定する(ステップS308)。
予測単位が16×16と決定された場合で、かつ予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS305)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS306)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS307)。一方、ステップS305の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、ステップS307に進む。
一方、予測単位が4×4と決定された場合で、予測モード決定部1002が備える予測モードが複数あるか否かを判断する(ステップS309)。この判断の結果、複数ある場合は、その中から最も予測精度が高いものを選択し(ステップS310)、予測値算出部1003は当該予測モードにより予測値を算出する(ステップS311)。一方、ステップS309の判断の結果、予測モード決定部1002が備える予測モードが単数の場合は、ステップS311に進む。
その後、予測残差算出部1008により入力画像ブロックデータと予測値とから予測残差データを算出する(ステップS312)。そして、ステップS301に戻る。
なお、本実施形態においては、フレーム内予測部101の予測単位決定部1001は予測単位として4×4または16×16を選択した。しかし、MPEG−4AVC/H.264Version3において追加された8×8も予測単位の選択肢として含めて予測単位を決定するフレーム内予測符号化処理においても同様に適用可能である。
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態をMPEG−4AVC/H.264符号化方式の例で図面とともに説明する。
図6は、本実施形態において、第1〜第3の実施形態の画像符号化装置を含むデジタルカメラの機能構成例を示すブロック図である。
図6において、1はシステム全体を制御するCPU部であり、2はCPUが使用するプログラムを格納したり処理された画像データを蓄積したりする主記憶部であり、3はメモリコントローラ部である。
また、4は光学系から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する撮像部であり、5は撮像部が出力するデジタル信号に所望の画像処理を行う画像処理部である。さらに、6は画像処理部5が自律的に主記憶部2にアクセスするためのDMAコントローラ部であり、7は画像処理が施された画像データを圧縮したり伸張したりする画像圧縮伸張部である。
また、8は画像圧縮伸張部7が自律的に主記憶部2にアクセスするためのDMAコントローラ部であり、9は圧縮された画像データを蓄積するためのメモリカードであり、10はメモリカード制御部である。さらに、11は表示部であり、12は表示コントローラ部であり、13は上述した機能ブロックすべてが接続されるシステムバスである。
以後、本実施形態における動作形態について、その符号化処理に係わる一連の動作を、図6を用いて説明する。
撮影時においては、撮像部4により撮影された静止画像データまたは動画像データは画像処理部5により様々な画像信号処理が施された後、画像圧縮伸張部7により当該画像データ容量が低減され、メモリカード9へ蓄積される。再生時においては、メモリカード9に蓄積された静止画像データまたは動画像データは画像圧縮伸張部7により伸張処理が施された後、表示部11により表示が行われる。
以上説明したように本実施形態に示されたデジタルカメラによれば、フレーム内予測符号化の予測単位の選択を少ない計算コストで高精度に決定できる。これにより、メモリカードに蓄積される符号化データをより少ない容量で蓄積でき、結果的に画質を犠牲にすることなくより多くの静止画像蓄積やより長時間の動画録画が可能になるデジタルカメラを提供できる。
(本発明に係る他の実施形態)
前述した本発明の実施形態における画像符号化装置を構成する各手段、並びに画像符号化方法の各工程は、コンピュータのRAMやROMなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は本発明に含まれる。
また、本発明は、例えば、システム、装置、方法、プログラムもしくは記録媒体等としての実施形態も可能であり、具体的には、複数の機器から構成されるシステムに適用してもよいし、また、一つの機器からなる装置に適用してもよい。
なお、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム(実施形態では図3〜5に示すフローチャートに対応したプログラム)を、システムまたは装置に直接、または遠隔から供給する場合も含む。そして、そのシステムまたは装置のコンピュータが前記供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。
したがって、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、前記コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。
その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、OSに供給するスクリプトデータ等の形態であってもよい。
プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどがある。さらに、MO、CD−ROM、CD−R、CD−RW、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM、DVD(DVD−ROM、DVD−R)などもある。
その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続する方法がある。そして、前記ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。
また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるWWWサーバも、本発明に含まれるものである。
また、その他の方法として、本発明のプログラムを暗号化してCD−ROM等の記録媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせる。そして、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。
また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOSなどが、実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。
さらに、その他の方法として、まず記録媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。そして、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。
本発明の第1の実施形態の画像符号化装置のフレーム内予測部の詳細な機能構成例を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態の画像符号化装置の機能構成例を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態において、フレーム内予測部における量子化パラメータに応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第2の実施形態において、フレーム内予測部における抽出された画像特徴に応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施形態において、フレーム内予測部における画像属性情報に応じたフレーム内予測符号化の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第4の実施形態において、画像符号化装置を含むデジタルカメラの機能構成例を示すブロック図である。 4×4輝度ブロックとフレーム内予測に使用する参照画像サンプルの位置関係を示す図である。 予測モード0における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード1における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード3における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード4における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード5における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード6における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード7における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。 予測モード8における、符号化対象16個の各サンプルとそれに対する予測値を算出するために使用される参照サンプルとの位置関係を示す図である。
符号の説明
1001 予測単位決定部
1002 予測モード決定部
1003 予測値算出部
1004 入力画像ブロック記憶部
1005 参照画像データ記憶部
1006 閾値記憶部
1007 画像特徴抽出部
1008 予測残差抽出部

Claims (7)

  1. 画面を構成する複数の画像ブロックデータを入力し、予測値との残差を符号化し符号化データを生成する画像符号化装置であって、
    前記画像ブロックデータに隣接する参照画像データを記憶する参照画像データ記憶手段と、
    量子化パラメータに応じて予測単位を決定する予測単位決定手段と、
    前記予測単位決定手段が決定した予測単位により前記参照画像データを用いて予測値を算出する予測値算出手段とを有することを特徴とする画像符号化装置。
  2. 前記量子化パラメータに対応した閾値を記憶する閾値記憶手段をさらに有し、
    前記予測単位決定手段は、前記量子化パラメータ及び閾値に応じて予測単位を決定することを特徴とする請求項1に記載の画像符号化装置。
  3. 前記予測単位決定手段が決定した予測単位における予測モードを決定する予測モード決定手段をさらに有し、
    前記予測値算出手段は、前記予測単位決定手段が決定した予測単位における予測モードにより前記参照画像データを用いて予測値を算出することを特徴とする請求項1に記載の画像符号化装置。
  4. 前記画像ブロックデータに対して画像の特徴を抽出する画像特徴抽出手段をさらに有し、
    前記予測単位決定手段は、前記画像の特徴に応じて予測単位を決定することを特徴とする請求項1に記載の画像符号化装置。
  5. 前記画像特徴抽出手段は、文字領域を抽出し、
    前記予測単位決定手段は、前記文字領域であるか否かに応じて予測単位を決定することを特徴とする請求項4に記載の画像符号化装置。
  6. 前記予測単位決定手段は、前記画像ブロックデータに対する画像属性情報に応じて予測単位を決定することを特徴とする請求項1に記載の画像符号化装置。
  7. 前記画像属性情報として画像ブロックデータの文字領域を特定する情報を入力する入力手段をさらに有し、
    前記予測単位決定手段は、前記文字領域であるか否かに応じて予測単位を決定することを特徴とする請求項6に記載の画像符号化装置。
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