JP2021118404A - 撮像装置及びその制御方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】 HDR画像を符号化する際のフレームの種類ごとの目標符号量比率を、SDR画像の場合とは異なるようにすることで、回路規模を増加させることなく、HDR画像の画質劣化を抑制した符号化を行う。【解決手段】 撮像部を有する撮像装置であって、撮像部により撮像された符号化対象の画像を、フレームの種類ごとに設定された目標符号量に従って符号化する符号化部と、該符号化部を制御し、目標符号量を設定する制御部とを有する。そして、制御部は、符号化対象の画像がHDR画像か、SDR画像かを判定する判定部と、該判定部により、符号化対象の画像がHDR画像であると判定された場合は、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定された場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する設定部とを含む。【選択図】 図2
Description
本発明は、撮像装置及びその制御方法及びプログラムに関するものである。
近年、HDR(High Dynamic Range)に対応したカメラやディスプレイが出てきている。またカメラには映像を符号化する高能率符号化方式としてMPEG(Moving Picture Expert Group)−2、H.264/AVC(Advanced Video Coding)、HEVC(High Efficiency Video Coding)などが利用されている。これら高能率符号化方式においては出力するストリームの単位時間当たりのデータ量を一定に保つために符号量制御を行っている。MPEG−2においてはTM−5(Test Model 5)と呼ばれる符号量制御が使用されてきた。このTM−5の制御方法をH.264やHEVCに適用することも可能である。
HDR画像に対してTM−5の符号量制御を用いた場合、HDR画像と従来のSDR(Standard Dynamic Range)画像では明るさのレベルと画素値の割り付け方が異なるため色成分を正しく表現し、符号化しないとSDRと比べて色相の符号化歪がディスプレイ上で目立つという課題がある。該課題に対し、別の色空間に変換してから符号化することでSDRやHDRに依存しない処理を行うことで色相の符号化歪を目立たないようにする技術が提案されている(例えば特許文献)。
ここでSDR画像とHDR画像とで、同じ絵柄でも画素値の分布が大きく異なる例を、図3を用いて説明する。図3は水平軸に画素値、垂直軸に頻度を示したヒストグラムである。黒塗りの棒グラフがSDR画像のヒストグラムを示し、斜線の棒グラフがHDR画像のヒストグラムを示している。2つのヒストグラムの絵柄は同じである。しかし明るさと画素値の割り付けが異なるため、SDR画像の場合は図3に示した画素値レンジ301に多くの画素値が集まっているが、HDR画像の場合は図3に示した画素値レンジ302に多くの画素値が集まっている。図3に示すように同じ絵柄であってもHDR画像においてはSDR画像よりも画素値が低くなる。HDR画像の場合、SDR画像に比べて画素値が低いレンジに集まりやすいため符号化過程で生ずる予測差分値が小さくなり発生符号量がSDR画像に比べて低く出る傾向にある。よってSDR画像符号化時の符号量制御をHDR画像にそのまま適用すると、HDR画像の場合のIフレームの発生符号量が低めになり、Iフレームを参照する他の画像にも影響し、画質が劣化するという問題が発生する。また、従来技術の構成では一旦別の色空間に変換する必要があるため回路規模が増大するといった課題がある。
本発明では上記の問題に鑑みなされたものであり、HDR画像を符号化する際のフレームの種類ごとの目標符号量比率を、SDR画像の場合とは異なるようにすることで、回路規模を増加させることなく、HDR画像の画質劣化を抑制した符号化を行う技術を提供しようとするものである。
この課題を解決するため、例えば本発明の撮像装置は以下の構成を備える。すなわち、
撮像手段を有する撮像装置であって、
前記撮像手段により撮像された符号化対象の画像を、フレームの種類ごとに設定された目標符号量に従って符号化する符号化手段と、
該符号化手段を制御し、前記目標符号量を設定する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
符号化対象の画像がHDR(High Dynamic Range)画像か、SDR(Standard Dynamic Range)画像かを判定する判定手段と、
該判定手段により、符号化対象の画像がHDR画像であると判定された場合は、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定された場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する設定手段とを含むことを特徴とする。
撮像手段を有する撮像装置であって、
前記撮像手段により撮像された符号化対象の画像を、フレームの種類ごとに設定された目標符号量に従って符号化する符号化手段と、
該符号化手段を制御し、前記目標符号量を設定する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
符号化対象の画像がHDR(High Dynamic Range)画像か、SDR(Standard Dynamic Range)画像かを判定する判定手段と、
該判定手段により、符号化対象の画像がHDR画像であると判定された場合は、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定された場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する設定手段とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、HDR画像を符号化する際のフレームの種類ごとの目標符号量比率を、SDR画像の場合とは異なるようにすることで、回路規模を増加させることなく、HDR画像の画質劣化を抑制した符号化を行うことが可能になる。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施の形態となる撮像装置における符号化部100のブロック構成図である。符号化部100は、撮像部101、画像並び替えバッファ102、加算器103、直交変換部104、量子化部105、逆量子化部106、逆直交変換部107、加算器108、ループフィルタ109、フレームメモリ110、動き検出部111、動き補償部112、イントラ予測部113、スイッチ114、二値化部115、算術符号化部116、記録処理部117、記録媒体118、符号量制御部119を有する。
図1は、第1の実施の形態となる撮像装置における符号化部100のブロック構成図である。符号化部100は、撮像部101、画像並び替えバッファ102、加算器103、直交変換部104、量子化部105、逆量子化部106、逆直交変換部107、加算器108、ループフィルタ109、フレームメモリ110、動き検出部111、動き補償部112、イントラ予測部113、スイッチ114、二値化部115、算術符号化部116、記録処理部117、記録媒体118、符号量制御部119を有する。
撮像部101は光学レンズ、絞り、フォーカス制御及びレンズ駆動部を含む光学ズームが可能なレンズ光学系とレンズ光学系からの光情報を電気信号に変換するCCD又はCMOSなどのイメージセンサを含む。そして、撮像部101は、イメージセンサ面上に結像した像の電気信号を生成し、更にデジタル信号へ変換した画像データを生成する。更に撮像部101は、生成した画像データに対してデモザイク処理、ノイズ除去処理、光学歪補正処理、変換処理、色補正処理等の現像処理を行うことで、符号化部100の入力画像を生成する。該現像処理過程の変換処理において、SDR()画像の場合にはガンマ補正が施され、HDR()画像の場合には例えばSMPTE ST2084で規格化されているPQ(Perceptual Quantization)やARIB STD−B67で開発されたHLG(Hybrid Log Gamma)の電光変換特性(EOTF:Electro-Optical Transfer Function)の逆特性(光電変換特性、OETF:Optical-Electro Transfer Function)を用いる。また、撮像部101は、符号量制御部119に、符号化対象画像がSDR画像なのかHDR画像なのかを出力する。なお、SDR画像、HDR画像の切り替えは、不図示のユーザインタフェースよるユーザの指示に従って行われる。
画像並び替えバッファ102は、撮像部101から入力した画像データをGOP(Group Of Pictures)構造に応じて並び替えるためのメモリで複数フレーム分の画像を保持可能である。加算器103は、画像並び替えバッファ102から入力した入力画像と、後述するイントラ予測部113もしくは動き補償部112で生成された予測画像との差分画像を生成する。直交変換部104は、差分画像に対して直交変換を行う。例えば離散コサイン変換(DCT変換)及び離散サイン変換(DST変換)を行う。量子化部105は、直交変換部104にて変換された変換係数に対し、主に高周波成分の量子化ステップ値を大きくすることで、情報量削減を行う。逆量子化部106は、量子化部105で量子化されたデータに対して逆量子化処理を行う。逆直交変換部107は、逆量子化されたデータに対して逆直交変換を行う。
加算器108は、逆直交変換部107で生成された差分画像と後述するスイッチ114から出力される予測画像を加算し、局所復号画像(ローカルデコード画像)を生成する。生成したローカルデコード画像は、イントラ予測部113及びループフィルタ109に出力する。ループフィルタ109は、ローカルデコード画像の予測の処理単位PUブロック単位もしくは、変換・量子化の処理単位TUブロック単位でフィルタ処理を施し、ブロックノイズを除去し、参照画像として使用されるローカルデコード画像の品質を向上させている。フィルタ処理後のローカルデコード画像はフレームメモリ110に記憶される。このフレームメモリ110は、ローカルデコード画像を記憶しているメモリである。記憶されているローカルデコード画像は、フレーム間予測時に参照画像として使用される。
動き検出部111は、フレーム間予測を行う際に、原画像と参照画像の差分を小さくするために、ブロック毎に動きベクトルを算出する。そして、動き検出部111は、算出された動きベクトルを、動き補償部112及び二値化部115に出力する。動き補償部112は、動きベクトル及び参照画像を入力し、予測画像を生成する。生成した予測画像はスイッチ114に出力される。
イントラ予測部113は、フレーム内予測を行う。加算器108の出力であるローカルデコード画像と入力画像を入力し、フレーム内予測を行い予測画像を生成する。そして、イントラ予測部113は、予測画像をスイッチ114に出力し、予測モードなどの情報を二値化部115に出力する。
スイッチ114は、フレーム内予測時は、イントラ予測部113からの出力である予測画像を選択し、フレーム間予測時は、動き補償部112からの予測画像を選択し、選択した予測画像を加算器103に出力する。前述した通り、加算器103は、入力画像と予測画像の差分をとり差分画像を生成する。
二値化部115は、変換係数を始め、動きベクトル、予測モード等符号化過程で生じる符号化パラメータを入力とし、二値化処理を行い二値データを生成し算術符号化部116に出力する。
算術符号化部116は、二値化部115で生成された二値データを入力とし算術符号化処理を行い、圧縮処理を行う。二値化部115と算術符号化部116による符号化を合わせてエントロピー符号化と呼ぶ。記録処理部117は算術符号化部116で生成された算術符号データを記録媒体118に記録する。記録媒体118は、不揮発性メモリで構成される記録メディアであり、代表的には例えばSDカードである。
符号量制御部119は、記録媒体118に記録される符号化後のストリームがユーザ操作などにより設定されたビットレートに収まるように符号量を制御する(量子化マトリクスを決定する)。算術符号化部116から発生した符号量をフィードバックしながら1フレーム毎に目標符号量を算出し、量子化部105に対して1フレームの目標符号量を設定することでビットレートを制御する。符号量制御の方式としては例えば前述したMPEG−2で用いられているTM−5方式による符号量制御を行う。また撮像部101からは入力される画像がSDR画像なのかHDR画像なのかを示す情報が入力される。
続いて実施形態における符号量制御部119の制御フローについて図1の構成、並びに、図2のフローチャートに従って説明する。
S201にて、符号量制御部119は、撮像部101からの入力画像がHDR画像であるか否か判断する。そして、符号量制御部119は、入力画像がHDR画像であると判断した場合には処理をS203に、入力画像がHDR画像ではない(SDR画像である)と判断した場合は処理をS202に進める。
符号量制御部119は、入力画像がSDR画像である場合、I、P、B各フレームの目標符号量Ti、Tp、Tbを、TM−5方式の下記式(1)から(3)により求める。式(1)のTiはIフレームの目標符号量を示しており、式(2)のTpはPフレームの目標符号量を、式(3)のTbはBフレームの目標符号量を示している。なお、max{}は、最大となる値を返す関数である。
S202においては、符号量制御部119は、SDR画像を符号化する際に適した値に予め設定されているKpとKbの値を用いるので、I、P、Bフレームについては、その符号量比率を変更しない符号化を行うことになる。
なお、RはGOP内で割り当てることができる残りビット数、Np,NbはGOP中の残り(未符号化)P、Bフレーム数を示す。Si,Sp,Sbは直前のフレームタイプ毎の発生符号量、Qi,Qp,Qbは直前の同フレームタイプの量子化パラメータ平均値、Xi,Xp,Xbはフレームの複雑度(Complexity)を示し、式(4)から(6)で求まる。bit_rateは目標符号量[bits/sec]を示し、picture_rateは、符号化対象の画像における1秒あたりのフレーム数を示す。
一方、入力画像がHDR画像である場合は、符号量制御部119は、S203にて、KpとKbの値を変更し、I、P、Bフレームの目標符号量比率を変更する。
入力画像がHDR画像の場合、画像の中に明るい画素領域が少ない場合は、画素値としてはSDR画像に比べて低い画素値に偏る傾向にあり、図1の加算器103において原画像と予測画像の差分画像の振幅がSDR画像に比べて小さくなる傾向にある。その結果、算術符号化部116で生成されるストリームの発生符号量も、SDR画像のストリームの発生符号量に比べて低くなる。
そこで、符号化対象画像がHDR画像である場合、本第1の実施形態の符号量制御部119は、S203において、上記式(1)から(3)で使用するKp、Kbの値を変更し、I、P、Bフレームの目標符号量比率を変更する。より具体的には、符号量制御部119は、SDR画像の場合のI、P、B目標符号量比率と比較して、Iフレームの目標符号量比率を大きくなるようにKp、Kbを設定し、Iフレームの発生符号量が低下してしまうことを防ぐ。Kp,Kbの値は、予め不揮発性メモリに保持するものとする。
このようにI、P、Bフレームの目標符号量比率を制御することでHDR画像を入力した場合でも回路規模を増加させることなく画質劣化を抑制した符号量制御が可能となる。なお、上記実施形態では、1GOPに含まれるフレームの種類として、Iフレーム、Pフレーム、Bフレームとしたが、IフレームとPフレームの2種類としても良い。
[第2の実施形態]
第2の実施形態を説明する。図4は、本第2の実施形態が適用する、撮像装置における符号化部400のブロック構成図である。図4において、参照符号401〜419は、図1の参照符号101〜119それぞれに対応するものであるので、その説明は省略する。図1に示した符号化部100の場合、撮像部101から符号量制御部119への入力があったが、図4に示す符号化部400では撮像部401に加え画像並び替えバッファ402から符号量制御部419への入力も加わっている点が異なる。
第2の実施形態を説明する。図4は、本第2の実施形態が適用する、撮像装置における符号化部400のブロック構成図である。図4において、参照符号401〜419は、図1の参照符号101〜119それぞれに対応するものであるので、その説明は省略する。図1に示した符号化部100の場合、撮像部101から符号量制御部119への入力があったが、図4に示す符号化部400では撮像部401に加え画像並び替えバッファ402から符号量制御部419への入力も加わっている点が異なる。
画像並び替えバッファ402は、撮像部401から入力した画像データをGOP(Group Of Pictures)構造に応じて並び替えるためのメモリで、複数フレーム分の画像を保持可能な容量を有する。
複数フレーム分のメモリを有するため撮像部401から画像を入力した際に入力画像1フレーム分をスキャンし、解析することが可能である。そのため、符号量制御部419は、例えば入力画像の画素値を解析し、最頻値や平均値などを算出することが可能である。
続いて本第2の実施形態における符号量制御部419の処理を、図5のフローチャートを参照して説明する。
S501にて、符号量制御部419は、撮像部401からの入力画像がHDR画像かどうかを判断する。符号量制御部419は、入力画像がHDR画像であると判定した場合は処理をS502に、HDR画像でないと判定した場合(SDR画像であると判定した場合)は、処理をS503に進める。
S502にて、符号量制御部419は、画像並び替えバッファ402を参照して、入力画像の画素値を解析し、画素値に偏りがあるかどうかを判断する。例えば入力された画像のヒストグラムを求め、画素値の最頻値や平均値が所定の閾値以下である場合は、画素値が偏っていると判断する。図3で示したHDR画像のヒストグラムでは、1画素10bitで画素値は0から1023まで取り得て、最頻値は634で平均値は440である。例えば最頻値の閾値を800、平均値の閾値を500などと設定しており、図3で示したHDR画像の画素値における最頻値が634、平均値が440であるとする。この場合、いずれも閾値よりも低い画素値であるので偏っていると判断する。この例では偏りの指標値として最頻値と平均値を用いたが、画像の画素値の偏りを示せる情報であれば、特にこれに限定されず、他の指標を採用しても良い。
S502にて、符号量制御部419は、画像並び替えバッファ402を参照して、入力画像の画素値を解析し、画素値に偏りがあるかどうかを判断する。例えば入力された画像のヒストグラムを求め、画素値の最頻値や平均値が所定の閾値以下である場合は、画素値が偏っていると判断する。図3で示したHDR画像のヒストグラムでは、1画素10bitで画素値は0から1023まで取り得て、最頻値は634で平均値は440である。例えば最頻値の閾値を800、平均値の閾値を500などと設定しており、図3で示したHDR画像の画素値における最頻値が634、平均値が440であるとする。この場合、いずれも閾値よりも低い画素値であるので偏っていると判断する。この例では偏りの指標値として最頻値と平均値を用いたが、画像の画素値の偏りを示せる情報であれば、特にこれに限定されず、他の指標を採用しても良い。
さて、符号量制御部419は画像に偏りがあると判定した場合は、処理をS504に進める。そして、このS504にて、符号量制御部419は、第1の実施形態で示した目標符号量Ti、Tp、Tbを求める式(1)から(3)で用いるKpとKbの値を変更し、SDR画像と比較し、I、P、Bフレームの符号量比率でのIフレームの符号量比率を高くなるように設定する。
一方、画素値に偏りがないと判断した場合、符号量制御部419は、処理をS503に進みる。このS503bにて、符号量制御部419は、予め設定されているKp、Kbの値を用いて各フレームの目標符号量を算出する。なお、HDR画像でも明るい画素値が多い場合は、高い画素値も出現するため偏りが少なくなるためS503に進むこともある。
偏りを判断する別の方法として、撮像部401において、SDR画像用のガンマ補正を行ったSDR画像と、HDR画像用のガンマ補正を行ったHDR画像をそれぞれ生成し、2画像を画像並び替えバッファ402に入力してもよい。そして、S502にて、符号量制御部419は、HDR画像、SDR画像それぞれの最頻値や平均値を比較し画素値の偏りを判断しても良い。例えばHDR画像の最頻値及び平均値が、SDR画像の最頻値から閾値200、平均値から閾値100離れている場合、符号量制御部419はHDR画像には偏りがあると判断する、とする。図3で示したヒストグラムの画像では、HDR画像の最頻値634、平均値440に対し、SDR画像の最頻値940、平均値580であり共に閾値よりも離れているためHDR画像はSDR画像に対して低い画素値で偏っていると判断する。
このようにI、P、Bフレームの目標符号量比率を制御することでHDR画像を入力した場合でも回路規模を増加させることなく画質劣化を抑制した符号量制御が可能となる。
(その他の実施例)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
100,400…符号化部、101,401…撮像部、102,402…画像並び替えバッファ、103,108,403,408…加算器、104,404…直交変換部、105,405…量子化部、106,406…逆量子化部、107,407…逆直交変換部、109,409…ループフィルタ、110,410…フレームメモリ、111,411…動き検出部、112,412…動き補償部、113,413…イントラ予測部、114,414…スイッチ、115,415…二値化部、116,416…算術符号化部、117,417…記録処理部、118,418…記録媒体、119,419…符号量制御部
Claims (5)
- 撮像手段を有する撮像装置であって、
前記撮像手段により撮像された符号化対象の画像を、フレームの種類ごとに設定された目標符号量に従って符号化する符号化手段と、
該符号化手段を制御し、前記目標符号量を設定する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
符号化対象の画像がHDR(High Dynamic Range)画像か、SDR(Standard Dynamic Range)画像かを判定する判定手段と、
該判定手段により、符号化対象の画像がHDR画像であると判定された場合は、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定された場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する設定手段とを含む
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記制御手段は、符号化対象の画像を解析し、所定の閾値と比較することで、画素値に偏りがあるか否かを判定する第2の判定手段を更に含み、
前記設定手段は、前記判定手段により符号化対象の画像がHDR画像であると判定され、且つ、前記第2の判定手段により画素値に偏りがあると判定された場合に、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定した場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記フレームの種類には、Iフレーム、Pフレーム、Bフレームが含まれることを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 撮像手段を有する撮像装置の制御方法であって、
前記撮像手段により撮像された符号化対象の画像を、フレームの種類ごとに設定された目標符号量に従って符号化する符号化工程と、
該符号化工程を制御し、前記目標符号量を設定する制御工程とを有し、
前記制御工程は、
符号化対象の画像がHDR(High Dynamic Range)画像か、SDR(Standard Dynamic Range)画像かを判定する判定工程と、
該判定工程により、符号化対象の画像がHDR画像であると判定された場合は、Iフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率を、SDR画像であると判定された場合のIフレームの他の種類のフレームに対する目標符号量の比率よりも高く設定する設定工程とを含む
ことを特徴とする撮像装置の制御方法。 - コンピュータに読み込ませ実行させることで、前記コンピュータに、請求項4に記載の制御方法の各工程を実行させるためのプログラム。
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