JP2009153138A - 視覚的に無損失のビデオデータ圧縮 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】メモリ内への記憶及びメモリからのブロック取出し時の解凍の前にYUV(又はYCrCb)ビデオ圧縮を実行する装置及び方法。圧縮は、各々がテクスチャ推定に応じて選択される圧縮に対するluma及びchroma寄与が各サブブロックに対して異なる可能性があっても、ビデオデータを望ましい全体圧縮比Rまで圧縮する量子化器を利用して実行される。各サブブロックが圧縮中に線形又は不線形のいずれの量子化を実行するかの選択が行われる。圧縮は、圧縮されるブロックの外側のブロックからのデータを利用せずに実行され、ビデオブロックは、望ましい順序で検索及び解凍することができる。一例では、符号化器が、メモリからブロックを不連続に選択し、これが次に解凍されて符号化される。圧縮は、いくつかの異なるビデオ伝送及び記憶用途に有益に利用することができる。
【選択図】図2
Description
本出願は、全部が本明細書に引用によって組み込まれている2007年12月19日出願の米国特許仮出願出願番号第61/015、174号からの優先権を請求する。
連邦政府補助研究又は開発に関する陳述
該当せず。
コンパクトディスク上に提出される資料の引用による組込み
該当せず。
著作権保護対象資料の告示
本特許文書内の資料の一部分は、米国及び他国の著作権の下において著作権保護の対象である。著作権の所有者は、米国特許庁の利用可能な公開ファイル又は記録に現れる特許文書又は特許開示のいかなる者によるファクシミリ再生にも異存はないが、他の場合には、それがどのようなことであれ、全ての著作権の著作権を保有する。上述のことにより、著作権所有者は、米国連邦規制法第37章第1.14項に従う著作権所有者の著作権を制限なしに含む特許文書を内密に保持する著作権所有者の著作権のうちのいかなるものも放棄しない。
本発明は、一般的にビデオ処理に関し、より具体的には、符号化又は出力の前のビデオメモリ内のビデオの圧縮及び解凍に関する。
ビデオカメラシステムにおける別の技術的難問は、必要なメモリサイズに関する。殆どのビデオデバイスは、Soc(システムオンチップ)で達成されている。一般的に、外部メモリ(SDRAM等)の原価は、一般的に他のデバイスよりも高い。従って、必要なメモリサイズの低減は、全体のシステム原価を低減することを可能にする。
圧縮中は、前のピクセルに基づいて現状ピクセルを予測するように予測が行われ、次に、サブブロックサイズが決定され、サブブロックが分割される。次に、好ましくは、各サブブロック等において、量子化の種類(例えば、線形又は非線形)に関して決定が行われる。非線形量子化では、本発明の態様は、量子化パラメータ(QP)における全ての発生し得る値を検索する必要はないQP推定を可能にする。次に、上述の判断に基づいて量子化が実行され、最後に、圧縮データのサブブロックがブロックへと充填される。圧縮中には、本発明の一態様は、最初にchroma圧縮を実行し、chroma圧縮からの情報が利用可能にされ、luma圧縮中に利用される。本発明の態様は、ビデオデータの複雑性及び利用可能なビット数に応じた異なるレベルの圧縮の選択を可能にする。圧縮済みのluma及びchromaは、最終圧縮されたブロックへと組み合わされる。
量子化の種類及びレベルは、データの複雑性に応じて判断されるので、解凍を受けた圧縮データは、(元のビデオデータと正確に一致はしないが)尚も人間の閲覧者に対しては視覚的に損失がないように見えることになる。従って、本発明の装置及び方法は、低いメモリ要件及び低い帯域幅で作動しながらも、視覚的に損失がないものに並ぶ望ましい品質の出力を生成する。
本発明の実施例は、ビデオピクセルデータを1つ又はそれよりも多くのビデオモジュールと通信するように構成されたビデオメモリ装置であり、1つ又はそれよりも多くのビデオモジュールは、(a)信号バスを通じてビデオメモリと結合され、(a)(i)量子化器を用いて、各ブロックの外側のピクセルからのピクセルデータを利用せずに、輝度及び色差YUV入力ビデオデータをピクセル当たりのビット数が低減された圧縮ビデオデータへと圧縮するように構成され、(a)(ii)圧縮ビデオデータをビデオメモリに記憶するように構成されたビデオ圧縮モジュール、及び(b)いずれかの順序で圧縮ビデオデータブロックを検索するように構成され、更に、ビデオ圧縮モジュールが受け取り、圧縮した元のビデオデータと同じフォーマットを有し、それに近似する解凍ビデオデータへとビデオメモリに記憶された圧縮ビデオデータを解凍するように構成されたビデオ解凍モジュールを含み、上記ビデオ解凍モジュールは、解凍ビデオデータを出力するように構成される。
少なくとも1つの実施例では、luma及びchroma情報は、圧縮ビデオデータブロックへと組み合わされ、圧縮されたブロックにおいて固定サイズを維持するために、このブロックには、好ましくは、埋め込みビットが組み込まれる。
本発明の少なくとも1つの実施形態では、装置における入力ビデオデータは、ビデオ又はスチールカメラ、又は他の画像生成デバイス内に一体化することができるような画像センサから受け取られる。入力ビデオデータのフォーマットは、輝度及び色差の両方の情報を含むように構成される。
本発明の態様は、YUVビデオデータブロックを圧縮及び解凍するための装置及び方法を含む。
本発明の別の態様は、各圧縮されたブロックが他の圧縮されたブロックと重複せず、各圧縮されたブロックが、他のブロックからの情報を参照せずに独立して圧縮されることである。
本発明の別の態様は、全体圧縮比Rを維持しながら、lumaとchromaとの間で最良の圧縮比を自動的に決定する処理である。一般的には、人間の目は、chromaにおける信号ノイズよりもlumaにおける信号ノイズに対して感受性が高い。従って、好ましいビット割り当て計画は、chromaにおけるビット使用を最小限に止し、lumaにおけるビット使用を最大にする。しかし、chromaが、ある一定のレベルの複雑性を有することが判明した場合、特に非常に複雑であることが判明した場合には、本発明の少なくとも1つの実施形態は、視覚歪みの出現を阻止するために、chromaが、十分なビット数を用いることを可能にする。ビット使用のこの最大化及び最小化は、luma及びchromaのテクスチャ複雑性に対して検索される情報に応じて判断される。
本発明の別の態様は、ピクセル予測を先頭ピクセルではなく一列のピクセルのうちの中央ピクセルから始め、他のピクセルは、開始ピクセルに関連して予測される。2つの予測方向が計算され、必要な処理時間を低減することができる。
本発明の別の態様は、本明細書で説明する非線形量子化における使用のための量子化パラメータ(QP)の推定である。
本明細書の以下の部分において本発明の更に別の態様を提供することとし、そこでの詳細説明は、制限を課することなく、本発明の好ましい実施形態を十分に開示することを目的とするものである。
本発明は、単に例示目的のものである添付図面を参照することにより、十分に理解されるであろう。
図2は、YUV(又はYCrCb)ビデオデータの圧縮及び解凍を実行するための本発明の実施形態10を示している。圧縮は、所定の用途に関連するあらゆる数の利点をもたらすために、例えば、バス帯域幅及びビデオメモリ要件を低減するために利用することができる。
本発明の装置及び方法は、ビデオデバイスから入力を受け取り(12)、データを処理し(14)、次に、バス18などを通じて外部ビデオメモリ20内にビデオデータを記憶する前に、そのビデオデータを圧縮する(16)。ビデオ符号化器24又は表示デバイス28は、ビデオメモリから圧縮ビデオを検索し、ビデオデータを利用する前にその圧縮ビデオを解凍する(22、26)。ビデオデータは、ビデオメモリ内での記憶の前に圧縮されるので、必要なバス帯域幅は、元のものよりも非常に低く、それと同時にビデオメモリ(例えば、SDRAM)の必要サイズも同様に低減する。
入力に関する圧縮比Rを受け取ると、圧縮方法40の実施例は、固定サイズの圧縮されたブロック42を発生させる。発生するビット数は次式で計算される。
合計出力ビット=(N+2M)*B/R
例えば、Rが2の場合には、発生する合計出力ビットは、YUVの元のビット数の半分になる。
変数Rによって表される圧縮比は、Y、U、及びV圧縮ブロックの圧縮比を制御する。ブロックにおいて得られる圧縮が全体圧縮比Rに従う限りは、Y、U、及びV(又はY、Cr、及びCb)を別々にいかなる望ましい比にも圧縮することができるので、Y、U、及びVが、Rによって固定された圧縮を受けると結論付けられないことに注意すべきである。従って、chromaとlumaの間の異なる圧縮比に基づいてビットを割り当てることができる。
少なくとも1つの実施例においては、ビット割り当て比は、luma及びchromaのテクスチャ複雑性の判断に基づいて選択される。図6におけるテクスチャ複雑性は、例えば、圧縮ブロックの残差平均を計算することで取得することができる。
以下の擬似コードは、lumaテクスチャ複雑性の推定を制限としてではなく例として示している。各サブブロックでは、lumaテクスチャ複雑性が分析され、複雑性が以下のように推定される。
指標x:ピクセル位置の指標
指標bp:サブブロック位置の指標
index x: index of pixel position
index bp: index of subblock position
Luma_Texture_Complexity(LTC)
この値はluma圧縮ブロックの複雑性を示す。複雑性の3つの異なるレベル、弱度、中度、強度が決定することができる。
The detection method:
For each subblock, compute Residual[x] = Current pixel[x] - predicted pixel[x];
For each subblock, find maximum of Residual[x] within subblock, say max_Residual[bp];
Compute average_residue of max_Residue[bp] over whole compression block;
If average_residue < Threshold_1:
The Whole luma_block is considered as ‘weak complex’.
If average_residue >= Threshold_2:
Compute the number of subblocks that max_Residue[bp] > Threshold_3;
If the computed number < Threshold_4;
Then, whole luma_block is considered as ‘medium complex block’.
Else, the whole luma block is considered as ‘strong complex block’.
以下の擬似コードは、chromaテクスチャ複雑性の推定を制限としてではなく例として示している。各サブブロックでは、chromaテクスチャ複雑性が分析され、複雑性が以下のように推定される。
Chroma Texture Complexity(CTC)
The detection method:
For each subblock, compute Residual[x] = Current pixel[x] - predicted pixel[x];
If any Residual[x] < Threshold_1:
If the residue value at the subblock boundary is larger than Threshold_2;
Then, the subblock is considered as ‘low_complex’.
Else, the 4*1 chroma subblock is considered as ‘high_complex’.
圧縮レベルの決定は、制限としてではなく例として下記の擬似コードによって実行することができる。
If(CTC==high)
If(LTC==low)
Chroma_Compression_Level = LOW_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = HIGH_OMRESSION_MODE
Else if(LTC==medium)
Chroma_Compression_Level = HIGH_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = MIDDLE_COMRESSION_MODE
Else (LTC==high)
Chroma_Compression_Level = LOW_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = HIGH_COMRESSION_MODE
Else if(CTC==low)
Chroma_Compression_Level = LOW_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = HIGH_COMRESSION_MODE
If(LTC==low)
Chroma_Compression_Level = MIDDLE_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = MIDDLE_COMRESSION_MODE
Else if(LTC==medium)
Chroma_Compression_Level = HIGH_COMRESSION_MODE
Luma_Compression_Level = MIDDLE_COMRESSION_MODE
Else (LTC==high)
図9は、本発明の圧縮方法の例示的な実施形態150を示している。圧縮ブロック152は、前のピクセルに基づいて現在のピクセル値を予測する予測処理154によって受け取られる。予測値が得られると、予測処理154において残差値(現在のピクセルと予測されたピクセルの間の差)が計算される。サブブロックサイズの決定処理156は、テクスチャ複雑性及び利用可能なビット分量に基づいて最適なサブブロックサイズを判断する。156においてサブブロックサイズが決定されると、残差データセットは、ブロック158において、サブブロックと呼ぶより小さいサイズのアレイに分割される。出力ビットを低減するために、各サブブロックに対して残差データの量子化処理160が適用される。従って、各サブブロックを固有のQP(量子化パラメータ)値を用いて量子化することができる。図は、線形量子化を実行し(164)、又は量子化パラメータ(QP)を推定し(162)、次に、非線形量子化を実行する(166)ように決定が為されることを示している。いずれの場合には、サブブロックの結果は充填され(168)、最終の圧縮されたブロック170を生じる。
x[n]の予測=F(x[n−1]、x[n−2]、…)
x[n]の残差=abs(x[n]−x[n]の予測)
(N、M)ピクセルが与えられると、利用することができる多くの発生し得るサブブロック構成が存在する。「サブブロックサイズ決定」モジュールは、受け取るパラメータに応じて最良のサブブロック構成を判断する。
サブブロック分割の一例は、chroma圧縮後に検索される情報に基づいている。本発明の一態様では、chroma圧縮が最初に実行され、この処理からの情報は、luma圧縮中の使用に向けて利用可能にされる。例えば、chroma圧縮に用いられた合計ビット数及びchromaテクスチャ複雑性は、information_from_chromaとして考えることができる。
図13は、「subblock_size_decision」モジュールの1つの可能な実施例250を示している。この決定モジュールは、各発生し得るサブブロック構成に対してinformation_from_chroma、R、及びQP_precisionを受け取る(252)。所定の情報に基づいて、各構成に関するコストが計算される(254、260、266)。コスト値は、発生する出力ビットの推定数として表すことができる。出力ビット数が利用可能なものよりも大きかった場合にその特定の構成が廃棄され、次の発生し得る構成において調査が実施される決定はしご(256、262)が示されている。ここでは、代替出力は、2×2サブブロック258、4×4サブブロック264と続き、分割なし(Nサブブロック)出力266までとして例示している。発生し得る構成のうちのいずれもが許容範囲になかった場合には、N個のピクセルの元の圧縮ブロックが、分割なし268のサブブロックとして用いられる(266)ことが分かるであろう。
本発明の方法は、線形量子化及び非線形量子化という2つの量子化処理をサポートするように構成されることを認めるべきである。
発生し得るQP値セットが与えられると、システムは、適合性に対してQP値の全てを調査することができる。しかし、QPの網羅的検索の計算の複雑性は効率的ではなく、高い実行コストを有する。
図14は、全ての発生し得るQP値を検索せずに、QP値を推定する複雑性が低い方法の実施形態270を示している。残差データ272は、QP推定器274によって受け取られるように示している。推定から判断されたQP値及び残差データの両方が、非線形Q処理276によって受け取られる。
2ビットQ非線形量子化のQP値を決定するために、4×1ブロック内の元のデータを用いる残差データ最大値が用いられる(QP推定)。表1では、サブブロック内の推定QPとmax_residualデータとの間のマッピングが分かる。
本発明のこの態様では、各サブブロックは、本発明の方法による線形量子化又は非線形量子化の選択に応じて量子化することができる。例えば、サブブロックにおける大きい残差値に応じて、QP値も大きくなりがちであり、著しい量子化ノイズが導入され、その結果、望ましくない視覚歪みが生じる。
図16は、ノイズのような視覚歪みが発生するのを阻止するために、ビデオデータの内容に応じて、非線形量子化又は線形量子化を選択する実施形態310を示している。図では、選択において利用されるように示しているパラメータ例は、サブブロック残差312及び元のピクセルデータ314として表している。しかし、最終量子化方法決定318に到るために、量子化決定316内で、この段階で利用可能なあらゆる他のパラメータを用いることができる。
18 バス
24 ビデオ符号化器
28 表示デバイス
Claims (25)
- YUVビデオデータを圧縮及び解凍するための装置であって、
ビデオピクセルデータを1つ又はそれよりも多くのビデオモジュールと通信するように構成されたビデオメモリと、
信号バスを通じて前記ビデオメモリに連結され、かつ
量子化器を用いて輝度及び色差YUV入力ビデオデータブロックをピクセル当たりのビット数が低減された圧縮ビデオデータへ圧縮し、
ブロック圧縮が、各ブロックの外側のピクセルデータを利用せずに実行され、
前記圧縮ビデオデータを前記ビデオメモリ内に記憶する、
ように構成されたビデオ圧縮モジュールと、
いずれかの順序で圧縮ビデオデータのブロックを検索するように構成され、前記ビデオメモリに記憶された該圧縮ビデオデータを前記ビデオ圧縮モジュールによって受け取られて圧縮された元のビデオデータと同じフォーマットを有し、それに近似する解凍ビデオデータへ解凍するように構成され、かつ該解凍ビデオデータを出力するように構成されたビデオ解凍モジュールと、
を含むことを特徴とする装置。 - 前記圧縮は、ブロック圧縮の程度を制御する全体圧縮比Rに従って実行されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記全体圧縮比Rは、レシオメトリックに又は得られるブロックに含まれるビット数によって表すことができることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 全体圧縮比Rを維持しながらluma及びchromaに対して同じか又は異なる圧縮レベルを選択することを更に含む請求項2に記載の装置。
- chromaが高い複雑性レベルを持たない限り、前記圧縮の前記程度は、chromaにおけるビット使用を最小にしてlumaにおけるビット使用を最大にするように選択されることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記圧縮の前に圧縮ブロックのテクスチャ複雑性を推定することを更に含む請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮されたブロック内でluma及びchromaに対して割り当てられる前記ビット数は、テクスチャ複雑性を推定することに応じて判断されることを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 前記圧縮されたブロックに対して固定サイズを維持するよう前記圧縮ビデオデータに埋め込みビットを埋め込むことを更に含む請求項1に記載の装置。
- 所定のブロックに対するluma圧縮は、その同じブロックのchroma圧縮から情報を利用することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記ブロックの中央で選択された最初の基準ピクセルで始まり、必要に応じて並列に処理することができる左右の予測方向を定めるピクセル予測を圧縮中に実行すること、
を更に含み、
前記基準ピクセルは、左右の予測方向の両方に対して同じであり続ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - ピクセル値の前記予測は、以前のピクセル値に基づいて現在のピクセル値を予測することを特徴とする請求項10に記載の装置。
- ピクセル値の前記予測の間、前記2つの方向の前記予測は独立しており、それによって左右の方向に対する予測処理は、並列に実行され、必要とされる処理時間は、半分に短縮されることになることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 所望の構成に従ってサブブロック分割することを更に含む請求項1に記載の装置。
- 発生し得るサブブロック構成の少なくとも一部分に関するサブブロックコスト値を計算し、閾値又は利用可能なビット数を超えるコストを有するサブブロック構成を廃棄することを更に含む請求項11に記載の装置。
- 前記入力ビデオデータは、画像センサから受け取られることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ビデオ又はスチールカメラ内に統合されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記入力ビデオデータは、形式Y、Cr、及びCbで輝度及び色差YUV情報を有するフォーマットを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮及び前記解凍は、ビデオデータを符号化する時にバス帯域幅及びビデオメモリ要件を低減するよう実行されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ビデオ符号化の前にビデオデータを圧縮及び解凍し、解凍の前に圧縮ビデオデータをネットワーク上で送信し、又は解凍の前にビデオデータを媒体デバイスに記憶するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記ビデオ圧縮は、非線形量子化を利用して実行され、量子化ステップサイズの異なる精度が、該非線形量子化を実行する時に利用される、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - YUVビデオデータを符号化するためのビデオ符号化装置であって、
ビデオピクセルデータを1つ又はそれよりも多くのビデオモジュールと通信するように構成された信号バスを用いて構成されたビデオメモリと、
前記信号バスを通じて前記ビデオメモリに連結され、かつ
各ブロックの外側のピクセルからピクセルデータを利用せずに、量子化器を用いて輝度及び色差YUV入力ビデオデータをピクセル当たりのビット数が低減された圧縮ビデオデータへと圧縮し、
前記圧縮ビデオデータを前記ビデオメモリ内に記憶する、
ように構成されたビデオ圧縮モジュールと、
前記ビデオメモリに記憶された前記圧縮ビデオデータを検索し、それを前記ビデオ圧縮モジュールによって受け取られて圧縮された元のビデオデータと同じフォーマットを有し、それに近似する解凍ビデオデータへ解凍するように構成されたビデオ解凍モジュールと、
どのビデオデータブロックが前記ビデオ解凍モジュールによって検索されるかを不連続に選択し、かつ該解凍モジュールから出力される前記解凍ビデオデータを符号化するように構成された符号化モジュールと、
を含むことを特徴とする装置。 - YUVビデオデータを圧縮及び解凍する方法であって、
ビデオデータの各ブロックに対するluma及び/又はchromaのビット数が低減された圧縮ビデオデータブロックへ量子化器を用いて入力ビデオデータを圧縮比Rまで圧縮し、該入力ビデオデータの該圧縮が、圧縮される該ブロックの外側のピクセルからデータを利用せずに実行され、
前記圧縮ビデオデータをビデオメモリ内に記憶し、
前記ビデオメモリからいずれかの所望の順序で検索された前記ビデオデータブロックのあらゆるものに対して前記圧縮ビデオデータを解凍し、解凍ビデオデータ出力を発生させることを含む方法。 - 前記メモリからビデオデータブロックを不連続に選択し、かつ前記解凍ビデオデータを受け取ることに応答して前記ビデオデータを符号化することを更に含む請求項22に記載の方法。
- YUVビデオデータを圧縮及び解凍する方法であって、
ビデオデータの各ブロックに対してluma及び/又はchromaのビット数が低減された圧縮ビデオデータブロックへ量子化器を用いて入力ビデオデータを圧縮比Rまで圧縮し、
前記圧縮が、圧縮される前記ブロックの外側のピクセルからデータを利用せずに前記ビデオデータに対して実行され、
前記圧縮が実行される所定のブロック内の各サブブロックに対して線形又は非線形のいずれかの量子化を選択し、
前記圧縮ビデオデータをビデオメモリ内に記憶し、
前記ビデオメモリからいずれかの所望の順序で検索された前記ビデオデータブロックのあらゆるものに対して前記圧縮ビデオデータを解凍し、解凍ビデオデータ出力を発生させることを含む方法。 - YUVビデオデータを圧縮及び解凍する方法であって、
ビデオデータの各ブロックに対してluma及び/又はchromaのビット数が低減された圧縮ビデオデータブロックへ量子化器を用いて入力ビデオデータを圧縮比Rまで圧縮し、
前記圧縮が、圧縮される前記ブロックの外側からピクセルデータを利用せずに前記ビデオデータブロックに対して実行され、
lumaテクスチャ複雑性及びchromaテクスチャ複雑性を推定し、
全体圧縮比Rを維持しながらluma及びchromaに対して個々の圧縮レベルを選択し、
ブロック特性に応じて前記圧縮が実行される所定のブロック内の各サブブロックに対して線形又は非線形のいずれかの量子化を選択し、該圧縮中に、前記luma圧縮の処理が、その同じブロックに対する前記chroma圧縮の処理から情報を利用し、
前記圧縮ビデオデータをビデオメモリ内に記憶し、
前記ビデオメモリから前記ビデオデータのブロックをいずれかの所望の順序で、かつ前記圧縮ビデオデータを前記記憶することに続くいずれかの時点で検索し、
検索されたブロックに対して前記圧縮ビデオデータを解凍し、解凍ビデオデータ出力を発生させることを含む方法。
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