JP2010068219A - 動画像符号化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小規模なハード構成から成る撮像装置等のシステムに用いて好適となる、符号化効率の低下を抑制しながら、かつ、符号化の状態に適応して効率的に予測方式を選択できる動画像符号化装置を提供する。
【解決手段】 符号化対象のフレーム内で、フレーム内予測画像データが選択された数、及び、フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントしておき、カウントされた値に基づいて、フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックにおいてはフレーム内予測画像データを優先的に選択する。
【選択図】 図1

Description

本発明は動画像データを符号化する動画像符号化装置に関し、特に、効率的な符号化を行うための技術に関する。
近年、映像情報に対する高画質化のニーズは高まりつつあり、テレビジョン放送も従来の720×480画素のSD(Standard−Definition)から、1920×1080画素等のHD(High−Definition)に移行しつつある。また、映像が高画質化するとそのデータ量は格段に増大するため、従来のMPEG(Moving Picture Experts Group)方式よりも一層高能率な符号化アルゴリズムの開発が望まれている。
そして、ITU−T SG16やISO/IEC JTC1/SC29/WG11では、フレーム間予測を用いた圧縮符号化方式の標準化作業が進められており、現状、最も高能率に符号化できるといわれる符号化方式として、H.264が標準化されている。H.264は、別名MPEG−4 PART10 (AVC)とも呼ばれる。このH.264符号化方式において新たに導入された技術的特徴の一つは、フレーム間予測符号化に用いる参照画像を、複数のフレーム画像の中から選択可能としたことである。つまり、符号化対象のフレームから時間的に離れたフレームでも、符号化効率の向上が見込めるのであれば、参照画像に採用することが可能となる。
一方、これまで動画像データの符号化に広く用いられてきたMPEG2方式では、参照画像は所定のフレームに限定される。MPEG2では、各フレームを、フレーム内符号化、順方向のフレーム間符号化、及び、双方向のフレーム間符号化のいずれかによって符号化し、符号化されたフレームとして、それぞれIピクチャ、Pピクチャ、及び、Bピクチャを生成する。このとき、例えばPピクチャは、直前のIピクチャ又はPピクチャを参照して生成される。すなわち、MPEG2におけるPピクチャの参照画像は、直前のIピクチャ又はPピクチャに限定されるものであった。
このように、MPEG2では参照画像に制約がある反面、符号化を実行するハード面からみると、システムに搭載するメモリを簡素化でき、またメモリの単位時間当たりの読み書き速度を特定できるので、設計者にとって都合よくシステムの設計を行えた。
それに対して、上述したH.264方式では、Pピクチャを生成する際に、複数のフレームを参照画像の候補にできるだけでなく、Bピクチャを参照画像の候補とすることも可能な仕様となっている。従って、H.264の場合、参照画像の候補を保存するメモリは多くの容量を必要とし、なおかつ、動き探索する範囲がMPEG2に比べて飛躍的に増大するので、演算処理に要する時間は多大となる。
このような膨大な演算に対する高速処理が望まれるH.264に関しては、これまでにも高速化に関する特許提案がなされている。例えば、特許文献1には、直近のフレームである第1の参照画像の候補に対する動きベクトルの大きさに応じて、第2の参照画像の候補を定めるか否かを決定する発明が記載されている。
特開2008−124765号公報
ところで、H.264の如く柔軟な参照画像の選択を許容したことによる高能率符号化を、小規模なハード構成から成る撮像装置等のシステムにおいて実現するには下記の如き問題がある。
例えば、撮像装置はリアルタイムに動画像を符号化するので、1枚のフレームの処理に使える時間はおよそ決まっている。また、実際上、システムに搭載するメモリの単位時間当たりの読み書き速度に上限がある事も考えると、時間的にかけ離れた順方向、又は、逆方向の参照画像を探索する事は出来ない。そのうえ、システムに搭載するメモリの単位時間当たりの読み書き速度が遅いシステムであれば、なおさら探索範囲を制限する必要がある。
メモリの読み書き速度を向上させるためには、参照画像の候補を保存するメモリ(フレームバッファ)を撮像装置の全体のシステムと共用するのではなく、専用メモリとして設け、大容量を確保する等の対策が考えられる。しかし、このような対策は、回路規模やコストの増加を伴うため、好ましくない。
また、探索するフレームを予め限定したり、特許文献1のように参照画像の候補に重み付けしたりすることも考えられるが、そうすると符号化効率が下がり、柔軟な参照関係を許容したことにより高能率符号化を実現するH.264の特徴を活かせなくなる。
本発明はこのような問題点に鑑み、小規模なハード構成から成る撮像装置等のシステムに用いて好適となる、符号化効率の低下を抑制しながら、かつ、符号化の状態に適応して効率的に予測方式を選択できる動画像符号化装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の動画像符号化装置は、動画像データの各フレームを所定サイズの画素ブロックに分割して、画素ブロック毎に符号化処理する動画像符号化装置であって、前記画素ブロック毎にフレーム内予測を行い、フレーム内予測画像データを生成するフレーム内予測手段と、前記画素ブロック毎に、他のフレームから生成される参照画像を参照したフレーム間予測を行い、フレーム間予測画像データを生成するフレーム間予測手段と、前記画素ブロック毎に、前記フレーム内予測画像データ、及び、前記フレーム間予測画像データのうちいずれか一方を選択して出力する選択手段と、符号化対象のフレーム内で、前記フレーム内予測画像データが選択された数、及び、前記フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントするカウント手段とを備え、前記選択手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックにおいては前記フレーム内予測画像データを優先的に選択することを特徴とする。
また、本発明の他の動画像符号化装置は、動画像データの各フレームを所定サイズの画素ブロックに分割して、画素ブロック毎に符号化処理する動画像符号化装置であって、前記画素ブロック毎にフレーム内予測を行い、フレーム内予測画像データを生成するフレーム内予測手段と、前記画素ブロック毎に、他のフレームから生成される参照画像を参照したフレーム間予測を行い、フレーム間予測画像データを生成するフレーム間予測手段と、前記画素ブロック毎に、前記フレーム内予測画像データ、及び、前記フレーム間予測画像データのうちいずれか一方を選択して出力する選択手段と、符号化対象のフレーム内で、前記フレーム内予測画像データが選択された数、及び、前記フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントするカウント手段とを備え、前記選択手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックにおいては予測画像データの出力を中止するか、又は、予測画像データがゼロを示すデータを出力することを特徴とする。
本発明によれば、小規模なハード構成から成る撮像装置等のシステムに用いた場合に、符号化効率の低下を抑制しながら、かつ、符号化の状態に適応して効率的に予測方式を選択しながら符号化できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る動画像符号化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の動画像符号化装置は、フレーム内の予測方式及びフレーム間の予測方式を用いて動画像データを圧縮符号化する動画像符号化装置である。また、本実施形態の動画像符号化装置は、デジタルビデオカメラ等の撮像装置に適用できる。図2は、本発明の実施形態に係る動画像符号化装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。
まず、図2において、撮像装置1は、動画像符号化部10、撮像部20、表示処理部30、表示部40、制御部50、動画像記録部60、及び、記録媒体70を備える。表示部40及び記録媒体70は撮像装置1に接続可能な別体の装置であっても良い。
撮像部20はレンズや撮像センサー等を有し、被写体を撮像して動画像データを生成する。動画像符号化部10は、動画像データを符号化する。また、表示処理部30は、動画像データを入力して表示処理を行い、動画像データに係る映像を表示部40に表示させる。動画像記録部60は、符号化された動画像データ(符号化データ)を記録媒体70に記録するための処理を行う。記録媒体70はハードディスクやメモリカード等である。制御部50は動画像符号化部10からステータスデータを取得することによって、ステータスに応じて動画像符号化部10、及び、表示処理部30を制御する。動作制御の詳細については後述する。
次に、図1を参照して、動画像符号化部10の詳細について説明する。動画像符号化部10が、本発明の実施形態に係る動画像符号化装置となる。
動画像符号化部10は、フレーム内予測部101、フレーム間予測部102、選択器103、差分生成器104、直交変換部105、エントロピー符号化部106、局所復号部107、及び、フレームバッファ108を備える。
動画像符号化部10には動画像データが入力されるが、ここでは、フレーム毎の処理を明確にするために、符号化対象のフレームデータである原画像データが入力されるものとして記載する。一方、動画像データのうち、既に符号化されたフレームについては、参照画像(遅延フレームデータ)として記載する。
符号化対象のフレームとして入力される原画像データは、フレームを矩形領域に分割した、複数の画素群よりなる画素ブロック毎に、フレーム内予測部101、フレーム間予測部102、及び、差分生成器104に入力される。
フレーム内予測部101は、入力された原画像データを用いてフレーム内予測処理を行い、フレーム内予測画像データを生成して選択器103へ出力する。
フレーム間予測部102は、入力された原画像データ、及び、後述する参照画像(遅延フレームデータ)を元にフレーム間予測処理を行い、フレーム間予測画像データを生成して選択器103へ出力する。
選択器103は、フレーム内予測部101から出力されたフレーム内予測画像データ、及び、フレーム間予測部102から出力されたフレーム間予測画像データのうち、前記ブロック単位でいずれか一方を選択する。そして、選択された一方を、被選択予測画像データとして、差分生成器104へ出力する。
差分生成器104は、前記ブロック単位で、原画像データと、選択器103から出力される被選択予測画像データとの差分をとり、差分画像データを直交変換部105へ出力する。
直交変換部105は、差分生成器104から出力された差分画像データに直交変換を行って変換係数を求めた後、変換係数に所定の量子化スケールを適用して量子化する。そして、量子化後の量子化変換係数をエントロピー符号化部106、及び、局所復号部107へ出力する。直交変換部105が実行する直交変換には、DCT(Discrete Cosine Transfer)や、アダマール変換等が一般的に用いられるが、これらに限定されない。
エントロピー符号化部106は、直交変換部105から出力された量子化変換係数にエントロピー符号化を施す。さらに、エントロピー符号化部106は、フレーム内予測部101で得られたフレーム内予測のモード情報、及び、フレーム間予測部102で得られたフレーム間予測の動き情報についても不図示のパスを介して入力して、それぞれエントロピー符号化を施す。エントロピー符号化された量子化変換係数、フレーム内予測のモード情報、及び、フレーム間予測の動き情報は、符号化データとして動画像符号化部10から出力される。
一方、局所復号部107は、直交変換部105から出力された量子化変換係数に対して逆量子化及び逆直交変換を施し、局所復号画像データを生成する。局所復号部107は、局所復号画像データをフレームバッファ108へ出力する。
フレームバッファ108は、局所復号部107から出力された局所復号画像データを複数の画像ピクチャ分記憶可能である。フレームバッファ108に保持される局所復号画像データがフレーム間予測における参照画像の候補となり、参照画像を任意に選択できるようになる。フレームバッファ108は、保持する参照画像の候補のうち必要なデータを随時遅延フレームデータとして、フレーム間予測部102へ供給する。なお、フレームバッファ108は参照画像以外のデータも記憶可能な構成であって、システムの共用メモリの一部を利用したものである。
また、動画像符号化部10は、選択器103における選択結果に基づくステータスデータを出力する構成と、符号化制御データを入力する構成とを有する。入力される符号化制御データに従って、動画像符号化部10内の選択器103の動作が制御される。
次に、フレーム内予測部101、及び、フレーム間予測部102の動作について詳細に説明する。
原画像データが入力されると、フレーム内予測部101は、所定サイズの矩形の画素ブロック(以下、ブロックと称す)を単位としたフレーム内予測処理を行う。フレーム内予測部101は、処理対象のブロック毎に適切な予測モード(予測方向、予測単位ブロックサイズ等)を決定し、対応する近隣画素からブロック内の画素の動きを予測したフレーム内予測画像データ(予測画像ブロック)を生成して出力する。
また、フレーム内予測部101は、生成したフレーム内予測画像データと、処理対象ブロックの画像との類似度を評価する指標として、例えばSAD(Sum of Absolute Difference)値を算出する。この指標の値は、後段の例えば選択器103において予測画像を選択する際の評価基準として利用することができる。
一方、フレーム間予測部102は、原画像データと参照画像とを用いて動き検出処理に基づくフレーム間予測処理を行う。図3は、フレーム間予測部102の内部構成の例を示すブロック図である。以下、図3を参照してフレーム間予測部102の動作を説明する。
フレーム間予測部102は、入力される原画像データを記憶するブロックRAM1021と、遅延フレームデータを記憶する探索範囲RAM1022と、動き検出部1023とを備える。動き検出部1023は、ブロックRAM1021から読み出された処理対象ブロックのデータと、探索範囲RAM1022から読み出された、前記処理対象ブロックに対応する探索範囲内の参照画像とから、画像の類似度を評価する。類似度は、探索範囲内において参照する位置をずらしながら順次ブロックマッチングした結果により算出される。動き検出部1023は、最も類似度が高いと評価された位置に基づいて、処理対象ブロックの動きベクトル(動き情報)を決定する。さらに、動き検出部1023は、動き検出処理によって決定した動きベクトルを用い、処理対象ブロックに対応する予測画像を生成して、フレーム間予測画像データとして出力する。
次に、選択器103の動作について詳細に説明する。
フレーム内予測部101から出力されるフレーム内予測画像データ、及び、フレーム間予測部102から出力されるフレーム間予測画像データが選択器103に入力される。選択器103は、予め定められた評価方法に従って、各予測画像データの評価値を算出する。そして、フレーム内予測画像データとフレーム間予測画像データのうち、符号化効率が高くなると判定される一方を選択した上で、その選択結果を記憶し、選択された一方を被選択予測画像データ(出力画像データ)として差分生成器104へ出力する。
図4は、選択器103の内部構成の例を示すブロック図である。選択器103は、選択部1031、予測符号選択カウント部1032、及び、選択結果記憶部1033を備える。フレーム内予測部101より入力されるフレーム内予測画像データ、及び、フレーム間予測部102より入力されるフレーム間予測画像データは、選択部1031へと入力される。選択部1031は入力された画像の評価値を比較して、より類似度が高い予測画像を選択して差分生成器104に出力画像データを出力する。予測符号選択カウント部1032は、選択部1031におけるブロック毎の選択結果をカウントし、その選択結果をカウントした数値を選択結果記憶部1033に記憶する。このとき、予測符号選択カウント部1032は、各符号化対象のフレーム内で、フレーム内予測画像データが選択された数、及び、フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントする。また、選択結果記憶部1033に記憶された情報は、ステータスデータとして、制御部50へ供給される。
制御部50は取得したステータスデータによって符号化状態を監視する。そして、制御部50は必要に応じて符号化制御データを送信し、その後の選択部1031の選択動作を制御する。具体例として、制御部50は、ステータスデータよって示されるカウント値に基づき、各符号化対象のフレームにおいて、フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、符号化制御データを送信する。そして、そのフレームにおける後続のブロックでは、フレーム内予測画像データを優先的に選択するように制御する。選択部1031は符号化制御データを受けて、フレーム内予測符号化データの評価値を補正(重み付け)するなどして、同じフレーム内の残りのブロックにおいては、フレーム内予測符号化データを優先的に選択する。なお、フレーム内予測符号化データを優先的に選択するとしたが、強制的に選択するように構成しても良い。
また、その他の例として、制御部50は、ステータスデータよって示されるカウント値に基づき、各符号化対象のフレームにおいて、フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、符号化制御データを送出する。そして、そのフレームにおける後続のブロックでは、予測画像データを利用せずに、原画像のみを差分生成器104に入力するように制御しても良い。この場合、符号化制御データを受けた選択部1031は、同じフレーム内の残りのブロックにおいては、予測画像データの出力を中止するか、或いは、予測画像データがゼロを示すデータを出力する。
いずれの例に場合についても、結果として、フレームバッファ108や探索範囲RAM1022へのアクセス過多を防止することができ、メモリバスのデータ量を大幅に削減する事が可能となる。これにより、動画像符号化部10によるリアルタイムな符号化を維持することに役立ち、また、符号化処理による遅延を防止することができる。よって、撮像装置全体を円滑に動作させることができる。
さらに、制御部50は、ステータスデータよって示されるカウント値に基づき、各符号化対象のフレームにおいて、フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、さらなる符号化制御データを発行するようにしても良い。例えば、同じフレーム内の残りのブロックに関して、直交変換部105で設定される量子化スケールを大きく(粗く)するための符号化制御データを送信する。或いは、局所復号部107で行われる参照画像のブロック境界の平滑化処理(デブロッキングフィルタ)の強度を高めるための符号化制御データを送信する。そして、直交変換部105や、局所復号部107に、符号化制御データに従った動作を行わせることによって、さらに演算処理の効率化が実現できる。
以上説明したように、本実施形態に係る動画像符号化装置は、ブロック毎の予測画像データのカウント値に従って、予測方式を選択できる。よって、動画像符号化装置を撮像装置等の小規模なハード構成から成るシステムに用いた場合であっても、符号化効率の低下を抑制しながら、かつ、符号化の状態に適応して効率的に予測方式を選択しながら動画像データを符号化できる。特に、フレーム内予測符号化データ、及び、フレーム間予測符号化データの選択結果に従うことによって、フレーム間予測符号化による符号化効率の良さを活かしながら、必要な場合にフレーム間予測を行わないモードに切り替えることができる。
フレーム間予測符号化されたブロックの数が多い場合は、その予測符号化を行うためにメモリバスをすでに大幅に利用している。メモリバスの帯域を撮像装置の全体のシステムと共用している場合、動画像撮影以外の動作に支障をきたす事が予想される。このような場合にも、本実施形態の動画像符号化装置を使うことによって、フレーム間予測符号化を行うことなく符号化データの出力を継続することが可能となる。
本発明の実施形態に係る動画像符号化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る動画像符号化装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。 フレーム間予測部の内部構成の例を示すブロック図である。 選択器の内部構成の例を示すブロック図である。
符号の説明
10 動画像符号化部
20 撮像部
30 表示処理部
40 表示部
50 制御部
60 動画像記録部
70 記録媒体
101 フレーム内予測部
102 フレーム間予測部
103 選択器
104 差分生成器
105 直交変換部
106 エントロピー符号化部
107 局所復号部
108 フレームバッファ
1021 ブロックRAM
1022 探索範囲RAM
1023 動き検出部
1031 選択部
1032 予測符号選択カウント部
1033 選択結果記憶部

Claims (6)

  1. 動画像データの各フレームを所定サイズの画素ブロックに分割して、画素ブロック毎に符号化処理する動画像符号化装置であって、
    前記画素ブロック毎にフレーム内予測を行い、フレーム内予測画像データを生成するフレーム内予測手段と、
    前記画素ブロック毎に、他のフレームから生成される参照画像を参照したフレーム間予測を行い、フレーム間予測画像データを生成するフレーム間予測手段と、
    前記画素ブロック毎に、前記フレーム内予測画像データ、及び、前記フレーム間予測画像データのうちいずれか一方を選択して出力する選択手段と、
    符号化対象のフレーム内で、前記フレーム内予測画像データが選択された数、及び、前記フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントするカウント手段とを備え、
    前記選択手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックにおいては前記フレーム内予測画像データを優先的に選択することを特徴とする動画像符号化装置。
  2. 前記参照画像を生成するための局所復号手段をさらに備え、
    前記局所復号手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記参照画像を平滑化するためのデブロッキングフィルタの強度を高めることを特徴とする請求項1記載の動画像符号化装置。
  3. 原画像データと、前記選択手段から出力された予測画像データとの差分画像データを直交変換、及び、量子化する変換手段をさらに備え、
    前記変換手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックを量子化するための量子化スケールを大きくすることを特徴とする請求項1記載の動画像符号化装置。
  4. 動画像データの各フレームを所定サイズの画素ブロックに分割して、画素ブロック毎に符号化処理する動画像符号化装置であって、
    前記画素ブロック毎にフレーム内予測を行い、フレーム内予測画像データを生成するフレーム内予測手段と、
    前記画素ブロック毎に、他のフレームから生成される参照画像を参照したフレーム間予測を行い、フレーム間予測画像データを生成するフレーム間予測手段と、
    前記画素ブロック毎に、前記フレーム内予測画像データ、及び、前記フレーム間予測画像データのうちいずれか一方を選択して出力する選択手段と、
    符号化対象のフレーム内で、前記フレーム内予測画像データが選択された数、及び、前記フレーム間予測画像データが選択された数のうち少なくとも一方をカウントするカウント手段とを備え、
    前記選択手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックにおいては予測画像データの出力を中止するか、又は、予測画像データがゼロを示すデータを出力することを特徴とする動画像符号化装置。
  5. 前記参照画像を生成するための局所復号手段をさらに備え、
    前記局所復号手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記参照画像を平滑化するためのデブロッキングフィルタの強度を高めることを特徴とする請求項4記載の動画像符号化装置。
  6. 原画像データと、前記選択手段から出力された予測画像データとの差分画像データを直交変換、及び、量子化する変換手段をさらに備え、
    前記変換手段は、前記カウント手段によってカウントされた値に基づいて、前記フレーム間予測画像データが選択された数が所定の閾値を超えた場合に、前記符号化対象のフレームにおける残りの画素ブロックを量子化するための量子化スケールを大きくすることを特徴とする請求項4記載の動画像符号化装置。
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