JP2818340B2 - モーション・ビデオ圧縮システムおよび方法 - Google Patents

モーション・ビデオ圧縮システムおよび方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、データ圧縮の分野に関
し、より詳しくは国際標準化機構（ＩＳＯ）の移動画像
専門グループ（ＭＰＥＧ）によって提唱された新しくで
きたＭＰＥＧ標準と類似のアルゴリズムと一緒に使える
ようにディジタル・モーション・ビデオ信号を圧縮する
ためのシステム及び技法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディジタル伝送ネットワーク、ディジタ
ル記憶媒体、超大規模集積（ＶＬＳＩ）デバイス、なら
びにビデオ信号及びオーディオ信号のディジタル処理に
おける技術的進歩は、ディジタル・ビデオ信号の伝送及
び記憶を広範な応用例で経済的なものにすることに収束
しつつある。ディジタル・ビデオ信号の記憶及び伝送は
多くの応用例にとって中心課題であり、かつビデオ信号
の非圧縮表示には大量の記憶域を要するので、この発展
しつつある技術にとって、ディジタル・ビデオ圧縮技術
の使用はきわめて重要である。この点に関して、過去１
０年間にディジタル・ビデオ信号の圧縮に関するいくつ
かの国際標準が出現し、現在開発中のものもさらに多
い。これらの標準は、ビデオ電話と遠隔会議、同軸ネッ
トワーク及び光ファイバ・ネットワークならびに地上放
送及び通信衛星による高品質ディジタル・テレビ放送、
ＣＤ ＲＯＭやディジタル・オーディオ・テープやウィ
ンチェスター・ディスク・ドライブ上の対話式マルチメ
ディア製品など様々な応用例における、圧縮ディジタル
・ビデオ信号の伝送及び記憶のためのアルゴリズムに適
用される。
【０００３】これらの標準のいくつか、たとえばＣＣＩ
ＴＴ（国際電信電話諮問委員会）勧告ＩＩ．１２０、Ｃ
ＣＩＴＴ勧告ＩＩ．２６１、ＩＳＯ／ＩＥＣ ＭＰＥＧ
標準などは、圧縮技術の共通コアに基づくアルゴリズム
に関係している。ＭＰＥＧアルゴリズムは、国際標準化
機構（ＩＳＯ）と国際電気標準会議（ＩＥＣ）の共同技
術委員会の移動画像専門グループ（ＭＰＥＧ）によって
開発された。ＭＰＥＧ委員会は、ビデオ信号及び関連す
るオーディオ信号の多重化された圧縮表現に関する標準
を開発してきた。この標準は、圧縮されたビット・スト
リームの構文及び複号の方法を指定しているが、エンコ
ーダに使用されるアルゴリズムの新規性と多様性につい
てはかなりの幅が残されている。
【０００４】本発明は、かかるエンコーダに関連して適
用されるので、本発明の理解を容易にするため、ＭＰＥ
Ｇビデオ圧縮アルゴリズムのいくつかの該当する側面に
ついて概観することにする。ただし、本発明は、ＭＰＥ
Ｇアルゴリズムのいくつかの特徴をもつ、他のビデオ・
コード化アルゴリズムにも適用できる。
【０００５】ＭＰＥＧビデオ圧縮アルゴリズム 始めに、テキストのページ、イメージ、会話の一節、ビ
デオ・シーケンスなどどんなデータ・オブジェクトの圧
縮も、次のような一連のステップと見なすことができる
ことを理解されたい。１）そのオブジェクトを分解して
トークンの集合体にする。２）何らかの意味で最小の長
さをもつ２進ストリングでそれらのトークンを表す。
３）それらのストリングをはっきりした順序で連結す
る。ステップ２と３は損失がなく、すなわち反転時に元
のデータが忠実に回復でき、ステップ２はエントロピー
・コーディングと呼ばれている（たとえば、Ｔ．ベルガ
ー（Berger）著^Rate Distortion Theory^、米国ニュー
ジャージー州エングルウッド・クリフス、プレンティス
＝ホール社、1977年刊；Ｒ．マックエリース（McEliec
e）著^The Theory of Information and Coding^、米国
マサチューセッツ州リーディング、アディソン＝ウェズ
リー社、1991年刊；Ｄ．Ａ．ハフマン（Huffman)の論
文"A Method for the Construction of Minimum Redund
ancy Codes"、Proc. IRE、pp,1098〜1101、1952年9月；
Ｇ．Ｇ．ラングドン（Langdon）の論文"An Introductio
n to Arithmetic Coding"、ＩＢＭ J.Res.Develop、、
Vol.28、pp.135〜149、1984年3月を参照のこと）。ステ
ップ１は、一般に損失がないこともある。大部分のビデ
オ圧縮アルゴリズムは、厳格なビット伝送速度要件のた
めに損失がある。成功を納めている損失のある圧縮アル
ゴリズムでは、冗長な重要でない情報を除去して、視覚
的に重要でないと思われる場合には比較的大きな誤差を
許容し、見る人が非常に敏感なシーケンスの諸側面を注
意深く表現する。ＭＰＥＧアルゴリズムでステップ１に
使用される技法は、予測的／補間的モーション補償型混
成ＤＣＴ／ＤＰＣＭコーディングとして記述できる。ハ
フマン・コード化は、可変調コード化とも呼ばれ（前掲
のハフマンの論文参照）、ステップ２で使用される。前
述のように、ＭＰＥＧ標準は、実際には復号器と圧縮ビ
ット・ストリームの構文の仕様であるが、ＭＰＥＧ仕様
に関する以下の説明は、わかりやすいように、主として
エンコーダの観点から行う。
【０００６】ＭＰＥＧビデオ標準は、ＩＳＯ−ＩＥＣ
ＪＴＣ１／ＳＣ２／ＷＧ１１ ＭＰＥＧ ＣＤ−１１１
７２、ＭＰＥＧ委員会草案、１９９１年に記載されてい
るように、ディジタル記憶媒体用のビデオのコード化表
現を指定している。このアルゴリズムは、非インターレ
ース式成分ビデオに対して作用するように設計されてい
る。各画像（ピクチャ）は、ルミナンス（Ｙ）、赤色差
（Ｃr）、青色差（Ｃb）の３成分を有する。Ｃr成分と
Ｃb成分はそれぞれ水平方向と垂直方向にＹ成分の半分
の数のサンプルを有する。入力データのフォーマットに
関するこの規定以外には、圧縮の準備として原始ビデオ
・シーケンスに対して実行される前処理の量や性質に対
する制限はない。かかる前処理の方法が、本発明の一目
的である。
【０００７】ＭＰＥＧシーケンスの層状構造 ＭＰＥＧデータ・ストリームはビデオ・ストリームとオ
ーディオ・ストリームからなり、それらがシステム情報
及び多分他のビット・ストリームと共にパッキングされ
て、層状と見なすことのできるシステム・データ・スト
リームになる。ＭＰＥＧデータ・ストリームのビデオ層
内では、圧縮されたデータがさらに層化される。諸層の
構成について説明すると、本発明の理解に役立つであろ
う。ＭＰＥＧビデオ層状構造のこれら諸層を図１ないし
４に示す。具体的には、図１は画像群（ＧＯＰ）の対の
例、図２は画像のマクロブロック（ＭＢ）再分割の例、
図３は画像のスライス再分割の例、図４はマクロブロッ
クのブロック再分割を示すものである。
【０００８】諸層は、圧縮アルゴリズムの動作、ならび
に圧縮ビット・ストリームの組成に関係する。最高層は
ビデオ・シーケンス層であり、シーケンス全体の制御情
報とパラメータを含む。次の層では、シーケンスは、そ
れぞれ「画像群」（ＧＯＰ）と呼ばれる数組の連続画像
に再分割される。この層の全体図は、図１に示す。復号
はどのＧＯＰの始めから開始することもでき、前のＧＯ
Ｐとは基本的に無関係である。ＧＯＰ中の画像の数に制
限はなく、すべてのＧＯＰ中の画像の数を等しくする必
要もない。
【０００９】第３の画像層は一つの画像である。この層
の全体図を図２に示す。各画像のルミナンス成分は１６
×１６領域に再分割され、色差成分は、空間的に１６×
１６ルミナンス領域と同じ場所にある８×８領域に再分
割される。この同じ場所にあるルミナンス領域と色差領
域は、一緒になって第５の「マクロブロック」（ＭＢ）
層を構成する。１つの画像中のマクロブロックは、マク
ロブロック１から順に連続番号をつける。
【００１０】画像層とＭＢ層の間に第４の「スライス」
層がある。各スライスは、ある数の連続するＭＢからな
る。スライスは、画像内でまたは画像同士の間でサイズ
が均一である必要はない。スライスは僅か二三個のマク
ロブロックからなることもあり、図３に示すようにＭＢ
の多数の行にまたがることもある。
【００１１】最後に、各ＭＢは図４に示すように４個の
８×８ルミナンス・ブロックと２個の８×８クロミナン
ス・ブロックから構成される。画素中の各ルミナンス画
像の幅をＣで表し、高さをＲで表す（Ｃは列を表し、Ｒ
は行を表す）と、画像は幅ＣMB＝Ｃ／１６ＭＢ、高さＲ
MB＝Ｒ／１６ＭＢとなる。同様に、幅ＣB＝Ｃ／８ブロ
ック、高さＲB＝Ｒ／８ブロックである。
【００１２】シーケンス層、ＧＯＰ層、画像層、スライ
ス層には、すべて関連するヘッダがついている。ヘッダ
はバイト整列された開始コードで始まり、対応する層に
含まれるデータに関係する情報を含んでいる。
【００１３】ＧＯＰ内には、３種の画像が現れることが
できる。これらの画像タイプ間の他と区別する違いは、
使用する圧縮方法である。第１のタイプである「イント
ラモード（モード内）」画像すなわちＩ画像は、他のど
の画像とも独立に圧縮される。Ｉ画像相互間の間隔には
固定した上限はないが、ランダム・アクセス及び他の特
別な動作モードを容易にするため、しばしばシーケンス
全体に散在するであろうと予想される。各ＧＯＰはＩ画
像で始まり、そのＧＯＰ内に別のＩ画像が現れることも
ある。他の２種の画像タイプである「予測的モーション
補償型」画像（Ｐ画像）と「双方向モーション補償型」
画像（Ｂ画像）については、後でモーション補償に関す
る議論の際に述べる。
【００１４】ＧＯＰ中のＩ画像、Ｐ画像、Ｂ画像の数と
順序についてはいくつかの規則が適用される。Ｉ画像と
Ｐ画像を「アンカ」画像と総称すると、ＧＯＰは少なく
とも１個のアンカ画像を含まなければならず、複数個含
んでもよい。さらに隣接するそれぞれのアンカ画像対の
間に、Ｂ画像がなくてもまたいくつあってもよい。典型
的なＧＯＰの図を図５に示す。
【００１５】Ｉ画像におけるマクロブロック・コード化 非常に有用なイメージ圧縮技法の１つは、「変換コード
化」である（Ｎ．Ｓ．ジャーヤント（Jayant）及びＰ．
ノル（Noll）著^Digital Coding of Waveforms, Princi
ples and Applications to Speech and Video^、米国ニ
ュージャージー州エングルウッド・クリフス、プレンテ
ィス＝ホール社、1984年刊と、Ａ．Ｇ．テッシャー（Te
scher）の論文"Transform Image Coding"、Ｗ．Ｋ．プ
ラット（Pratt）編著^Image Transmission Techniques
^、pp.113〜155、米国ニューヨーク州ニューヨーク、ア
カデミック・プレス社、1979年刊を参照のこと）。ＭＰ
ＥＧ標準及び他のいくつかの圧縮標準では、離散的余弦
変換（ＤＣＴ）が好んで選ばれる変換である（Ｋ．Ｒ．
ラオ（Rao）及びＰ．イップ（Yip）著^Discrete Cosine
Transform, Algorithms, Advantages, Applications
^、米国カリフォルニア州サンジェゴ、アカデミック・
プレス、1990年刊と、Ｎ．アハマド（Ahmed）、Ｔ．ナ
タラージャン（Natarajan）、Ｋ．Ｒ．ラオ（Rao）の論
文"Discrete Cosine Transform"、ＩＥＥＥ Transactio
ns on Computers、pp.90〜93、1974年1月を参照のこ
と）。Ｉ画像の圧縮は、 １）画素ブロックのＤＣＴをとる、 ２）ＤＣＴ係数を量子化する、 ３）結果をホフマン・コード化するステップによって達
成される。ＭＰＥＧでは、ＤＣＴ操作によって、ｎ×ｎ
画素のブロックをｎ×ｎ組の変換係数に変換する。いく
つかの国際圧縮標準と同様に、ＭＰＥＧアルゴリズムで
は、８×８のＤＣＴブロック・サイズを使用する。ＤＣ
Ｔ変換それ自体は損失のない操作であり、それを実施す
るための計算装置とアルゴリズムの精度内でこれに転化
することができる。
【００１６】第２のステップであるＤＣＴ係数の量子化
は、ＭＰＥＧアルゴリズムにおける損失の主な発生源で
ある。ＤＣＴ係数の２次元アレイの諸要素をｃmnで表
す。ただし、ｍとｎは０〜７の範囲の値である。そうす
ると、切捨て及び四捨五入による補正は別として、各Ｄ
ＣＴ係数ｃmnをｗmnＱＰで割ると、量子化が達成され
る。ただし、ｗmnは「重み因子」、ＱＰは「量子化パラ
メータ」である。ＱＰは各ＤＣＴ係数に適用されること
に留意されたい。重み因子ｗmnは、視覚的に重要度の低
い係数にはより粗い量子化が適用されるようにする。こ
の重みには、Ｉ画像用とＰ画像及びＢ画像用の２組の重
みがあり得る。カスタム重みをビデオ・シーケンス層中
で伝送してもよく、デフォルト値を使用してもよい。量
子化パラメータＱＰは、ＭＰＥＧにおいて品質とビット
伝送速度のトレードオフを行う主な手段である。ある画
像中でＭＢごとにＱＰが変わり得ることに留意された
い。この特徴は適応的量子化（ＡＱ）と呼ばれ、各画像
の異なる領域を異なるステップ・サイズで量子化するこ
とができ、各画像中でまた画像相互間で視覚的品質を均
等化（かつ最適化）する試みに使用できる。ＭＰＥＧ標
準は適応的量子化を可能にするが、ＡＱを用いて視覚的
品質を改善するための規則から構成されるアルゴリズム
は、標準化の対象となっていない。ＡＱ用の１クラスの
規則が本発明の１目的である。
【００１７】量子化の後に、各ＭＢに関するＤＣＴ係数
情報が編成され、１組のハフマン・コードを使ってコー
ド化される。このステップの細部は本発明の理解には不
可欠ではなく、当技術分野で一般に理解されているの
で、ここではこれ以上は述べないことにする。この点に
ついての詳細は、前掲のハフマンの論文を参照された
い。
【００１８】モーション補償 大部分のビデオ・シーケンスは、連続する画像間で高度
の相関を示す。画像のコード化の前にこの冗長性を除去
するのに有用な方法が、「モーション補償」である。モ
ーション補償には、場面中でモーションをモデル化し指
定するための何らかの手段が必要である。ＭＰＥＧで
は、各画像をマクロブロックに区分し、各ＭＢを予測用
画像中で同じ全般的空間位置にある１６×１６個の領域
と比較する。予測用画像中の、そのＭＢと何らかの意味
で最も一致する領域を予測として使用する。ＭＢとその
予測子の空間位置の違いを、「モーション・ベクトル」
と呼ぶ。すなわち、あるＭＢに対するモーション指定及
び補償の出力が、複数のモーション・ベクトル及び１つ
のモーション補償型示差マクロブロックである。これら
のものは、圧縮された形では、一般に元のＭＢそれ自体
よりも少ないビットしか必要としない。過去に単一の予
測用画像を使って予測的にモーション補償された画像
は、Ｐ画像と呼ばれている。この種の予測は、ＭＰＥＧ
では先行予測とも呼ばれる。
【００１９】前述のように、Ｐ画像とその予測用画像の
間の時間間隔は、１画像間隔より大きいことがあり得
る。Ｐ画像間またはＩ画像とＰ画像の間にある画像に対
しては、先行予測に加えて逆行予測も使用できる（図５
参照）。かかる画像は、双方向モーション補償型画像
（Ｂ画像）と呼ばれる。Ｂ画像に対しては、先行予測と
逆行予測に加えて、補間式モーション予測も可能であ
る。この補間式予測では、以前の予測用画像からの１ブ
ロックと将来の予測用画像からの１ブロックの平均が予
測子となる。この場合、２つのモーション・ベクトルが
必要である。
【００２０】双方向モーション補償を用いると、図５に
示すような２段式モーション補償構造が得られる。各矢
印はそれぞれ、矢の付根にある画像を使った矢先にある
画像の予測を示す。各Ｐ画像は、以前のアンカ画像（状
況に応じてＩ画像またはＰ画像）を使ってモーション補
償される。各Ｂ画像は、その直前及び直後のアンカ画像
を使ってモーション補償される。ＭＰＥＧでは、アンカ
画像相互間の間隔にも、Ｉ画像相互間の間隔にも、限界
が指定されていない。実際には、これらのパラメータは
あるシーケンス全体を通して一定である必要はない。Ｉ
画像相互間の間隔をＮで表し、Ｐ画像相互間の間隔をＭ
で表すと、図５に示したシーケンスは、（Ｎ，Ｍ）＝
（９，３）となる。３種の画像タイプをコード化する
際、再構築される画像で同程度の品質レベルを得るのに
必要な圧縮データの量は異なる。厳密な比率は、そのシ
ーケンス内の空間的細部の量や、そのシーケンス内のモ
ーションの量と補償可能性など、多くのものに依存す
る。
【００２１】したがって、ＭＰＥＧ−１シーケンスは、
０個、１個または２個以上のＰ画像を間に挟んだ一連の
Ｉ画像からなることを理解されたい。様々なＩ画像及び
Ｐ画像は、その間にＢ画像を挟まないこともあり、１個
または２個以上挟むこともあり、後者の場合はアンカ画
像として機能する。
【００２２】Ｐ画像及びＢ画像におけるマクロブロック
のコード化Ｂ画像中のＭＢに適用されるモーション補償
には、先行、逆行、補間の３種のモードがあることを理
解されたい。エンコーダは、これらのモードのうち１つ
を選択しなければならない。ある種のＭＢではどのモー
ション補償モードも正確な予測を与えない。そのような
場合は、ＭＢをＩ画像におけるマクロブロックと同じ方
式で、すなわちイントラモードＭＢとして処理すること
ができる。これが、可能なもう１つのＭＢモードであ
る。したがって、Ｐ画像及びＢ画像用には、様々なＭＢ
モードがある。
【００２３】各ＭＢをコード化するのに使用するＭＢモ
ード及びそのモードに関連するモーション・ベクトルに
関するサイド情報をコード化する必要がある以外は、モ
ーション補償型マクロブロックのコード化は、イントラ
モードＭＢのそれと酷似している。量子化には小さな違
いがあるが、ｗmn×ＱＰで割るモデルはやはり有効であ
る。さらに、適応的量子化（ＡＱ）を用いてもよい。
【００２４】速度制御 ＭＰＥＧアルゴリズムは、主として固定ビット伝送速度
の記憶媒体と共に使用するためのものである。しかし、
画像処理のタイプが異なり、かつコード化される場面の
空間的時間的複雑さが本来的に経時的に変動するため
に、各画像中のビット数は厳密に一定にはならない。Ｍ
ＰＥＧアルゴリズムでは、バッファをベースとする速度
制御の戦略を用いて、許されるビット伝送速度の変動に
対して有意な限界を設定する。仮想バッファの形の「ビ
デオ・バッファ検証装置」（ＶＢＶ）が考案された。そ
の唯一のタスクは、各画像のコード化に使用されるビッ
ト数に限界を設定して、全体的ビット伝送速度が目標割
振りと等しくなり、目標からの短期的逸脱が制限される
ようにすることである。この速度制御方式は次のように
説明できる。バッファとその後の仮説的復号器からなる
システムについて考える。このバッファは、一定のビッ
ト伝送速度で、記憶媒体からのビット・ストリーム中の
圧縮データで充たされる。バッファ・サイズとビット伝
送速度は、圧縮ビット・ストリーム中で伝送されるパラ
メータである。やはりビット・ストリーム中の情報から
導出される初期遅延の後に、仮説的復号器が瞬間的にバ
ッファから最初の画像に関連するすべてのデータを除去
する。その後、復号器は、シーケンスの画像速度に等し
い間隔で、バッファ中の最初期の画像に関連するすべて
のデータを除去する。ビット・ストリームがＭＰＥＧ速
度制御要件を満足するには、各画像に関するすべてのデ
ータが、復号器が必要とする瞬間にバッファ内で使用可
能となる必要がある。この要件は、各画像中で許される
ビット数に対する上限ＵVBVと下限ＬVBVに言い換えられ
る。所与の画像に対する上限と下限は、それに先行する
すべての画像中で使用されるビット数に依存する。この
要件を満足するビット・ストリームを生成するのがエン
コーダの役割である。実際の復号器が上記のように構成
され、あるいは動作するとは期待されない。仮説的復号
器とそれに関連するバッファは、圧縮画像のサイズに計
算可能な限界を設ける手段にすぎない。
【００２５】ＭＰＥＧエンコーダの１つの重要な機能
は、それが生成するビデオ・ビットストリームがそれら
の限界を確実に満足できるようにすることである。シー
ケンス中の画像をコード化するのに使用されるビット数
に対して他の制限はない。この寛容さを利用して、得ら
れる再構築された画像の視覚的品質が均等（かつ最適）
になるような形で、ビットを割り振るべきである。この
ビット割振りの問題に対する解決策が、本発明のもう１
つの目的である。
【００２６】
【問題点】したがって、ＭＰＥＧアルゴリズムについて
の以上の説明から理解できるように、ＭＰＥＧ標準の目
的は、圧縮されたビット・ストリームの構文とその復号
に使用する方法を指定することである。エンコーダ・ア
ルゴリズム及びハードウェアの設計者には、その適用業
務の特定の必要に合わせてそのシステムを調整するのに
かなりの幅が与えられる。また非常に様々な圧縮ビット
伝送速度及びイメージ・サイズが可能である。このた
め、低いビット伝送速度のビデオフォンからＶＨＳビデ
オカセット記録に匹敵する品質の全画面マルチメディア
・プレゼンテーションに至るまでの適用業務に対応でき
る。したがって、本発明で取り組むべき問題は、ＭＰＥ
Ｇ標準によるディジタル・ビデオ・シーケンスの圧縮を
実現し、上記のタイプの技法を適用し、適応的量子化及
びビット伝送速度の制御を使用して、圧縮シーケンスの
視覚的品質を最適にしながら同時にビット・ストリーム
がＭＰＥＧの固定ビット伝送速度の要件を満足できるよ
うにすることである。
【００２７】
【従来の技術】公開されている文献に、適応的量子化及
びビット伝送速度制御の問題の何らかの側面を取り上げ
た方式がいくつか現れている。たとえば、Ｗ−Ｈ．チェ
ン（Chen）とＷ．Ｋ．プラット（Pratt）の論文 "Scene
Adaptive Coder"、ＩＥＥＥ Trans. Communications、
Vol. COM-32、pp.225〜232（1984年3月）では、変換係
数用の速度制御式量子化率という考え方について論じて
いる。そこで用いられている速度制御の戦略は、イメー
ジ及びビデオ圧縮アルゴリズムで、コード化時に生じる
可変ビット伝送速度を一定ビット伝送速度のチャネルに
整合させるために一般に適用されている。こうした技術
の詳細は、前掲のテッシャーの著書に出ている。
【００２８】上記のチェンとプラットの論文はイメージ
・コーディングを扱っているものの、そこで記述されて
いる考え方はビデオ・コーディングにも適用できるはず
である。しかし、イメージ自体の性質に従って量子化率
を適応させるための機構がない。
【００２９】Ｃ．Ｔ．チェン（Chen）とＤ．Ｊ．ル＝ゴ
ール（LeGall）の論文 "A K-th Order Adaptive Transf
orm Coding Algorithm for Image Data Compression."
ＳＰＩＥ、Vol.1153、Applications of Digital Image
Processing XII、Vol.1153、pp.7〜18（１９８９年）に
は、各ブロック中のｋ番目に大きなＤＣＴ係数の絶対値
に基づいて量子化率を選択する適応的方式が記載されて
いる。
【００３０】Ｈ．ローシュラー（Lohscheller）の論文
"A Subjectively Adapted Image Communication Syste
m"、ＩＥＥＥ Trans. Communications、Vol. COM-32、p
p.1316〜1322（1984年12月）には、ブロックを分類する
ための技法が提唱されている。
【００３１】Ｋ．Ｎ．ガン（NGAN）、Ｋ．Ｓ．レオン
（Leong）、Ｈ．シン（Singh）の論文"A HVS-Weighed C
osine Transform Coding Scheme with Adaptive Quanti
zation"、ＳＰＩＥ、Vol.1001、Visual Communications
and Image Processing、Vol.1001、pp.702〜708（1988
年）では、速度制御用バッファと、各ブロックのＤＣ項
の、ラスタ走査順でその最隣接ブロックに対するコント
ラストとを併せ用いて量子化率を適応させる、適応的量
子化変換イメージ・コード化方式が提唱されている。
【００３２】Ｈ．ヘールツェヴィンマー（Hoelzewimme
r）の論文 "Rate Control in Variable Transmission R
ate Image Codes"、ＳＰＩＥ、Vol.1153、Applications
of Digital Image Processing XII、Vol.1153、pp.77
〜89（1989年）には、ビット伝送速度／品質同時制御装
置が論じられている。２つのパラメータを使って、再構
築誤差とビット伝送速度、量子化ステップ・サイズと空
間解像度が制御される。空間定義域重み付き平均二乗誤
差測定値を使ってそれらのパラメータが制御される。
【００３３】本発明者等の同時係属の米国特許出版第７
０５２３４号は、適応的量子化の問題を対象としてい
る。そこで開示されている技法が、本発明でサブシステ
ムの１つとして、すなわち適応的量子化速度制御式（Ａ
Ｑ／ＲＣ）画像コーダとして使用できる。
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術のシス
テム及びアルゴリズムとは異なり、本発明の一目的は、
ＩＳＯ／ＩＥＣ ＭＰＥＧビデオ圧縮標準など、固定ビ
ット伝送速度型圧縮データ・ストリームを発生させるよ
うに意図されたビデオ圧縮アルゴリズムに特に適用さ
れ、かつモーション補償が使用される、ビデオ・シーケ
ンス中の圧縮画像間にビットを割り振るためのシステム
及び技術を提供することにある。
【００３５】本発明の他の目的は、ビデオ・シーケンス
中の１画像の異なる諸領域中の変換係数を、その画像に
固定したビット数が最適に割り振られるように、適応的
量子化するためのシステム及び技法を提供し、かつ使用
される実際のビット数がその画像に割り振られた数に近
くなるようにするビット伝送速度誤差フィードバック技
法を提供することである。原理的には、このシステム
は、可変ビット伝送速度コーダにも固定ビット伝送速度
コーダにも同様に使用できる。
【００３６】本発明の目的は、コード化の前に、ディジ
タル・モーション・ビデオ・シーケンスの適応的前処理
を行うためのシステム及び技法を提供することである。
この前処理の性質は、そのシーケンスの最近の画像にお
ける目標ビット伝送速度を満たすのに必要な量子化の厳
密さに依存する。
【００３７】本発明の他の目的は、上記３種のシステム
の調和のとれた共同動作を実現して、ＭＰＥＧ標準に適
合する改良されたエンコーダ・システムを形成するため
の技法を提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】本発明は、入りディジタ
ル・モーション・シーケンスを様々な所で適応的に前処
理し、シーケンス中の画像にビットを割り振り、ビデオ
・シーケンス中のある画像の異なる諸領域中の変換係数
を、その画像に割り振られたビット数が与えられている
として最適の視覚的品質をもたらすように適応的に量子
化する働きをする、共同して動作する３つの構成要素ま
たはサブシステムを含む、提案されたＩＳＯ／ＩＥＣ
ＭＰＥＧ標準と共に使用するのに適したエンコーダを実
施するためのシステム及び方法に関するものである。
【００３９】より具体的には、１つの構成要素は、必要
な量子化の全体的粗さに応じてビデオ・シーケンスに１
組の前処理動作のうちの１つを適用する、適応的前処理
サブシステムを実施するものである。前処理動作はコー
ド化の前に適用され、前処理の性質は、最近の諸画像に
おける目標ビット伝送速度を満たすのに必要な量子化の
厳密さに依存する。
【００４０】もう１つの構成要素は、画像ビット割振り
方法を実行するためのサブシステムを実施するものであ
る。この方法は、固定ビット伝送速度型圧縮データ・ス
トリームを発生させることを意図し、モーションの補償
を使用する、ビデオ圧縮アルゴリズムに適用できる。こ
うしたアルゴリズムの一例は、ＭＰＥＧビデオ圧縮標準
である。ビデオ・シーケンス中の連続する諸画像にビッ
トを割り振るこの方法は、画像間での視覚的品質を均等
にし、かつＭＰＥＧビデオ・バッファ検証装置（ＶＢ
Ｖ）のビット伝送速度制限に適合する。
【００４１】第３の構成要素は、ビデオ・シーケンス中
のある画像の異なる諸領域における変換係数の適応的量
子化を行うためのアルゴリズム、及び使用されるビット
の実際の数がその画像に割り振られた数に近くなるよう
にするビット伝送速度誤差フィードバック技法とを実施
するためのサブシステムを実施するものである。
【００４２】この３つの共同で動作する構成要素または
サブシステムは、互いに整合的に動作し、かつ同じタス
クを実行するために、他のいずれかのサブシステムを修
正する必要なくそれぞれが個別に修正できる。適応的量
子化サブシステムはそれだけでも使用でき、また各サブ
システムを他のエンコーダ実施態様と共に使用すること
もできる。
【００４３】
【実施例】準備として、先に指摘した通り、ＩＳＯ／Ｉ
ＥＣ ＭＰＥＧ標準の重要な特徴は、圧縮ビット・スト
リームの構造とそれを獲得する方法だけを詳細に指定す
ることである。したがって、すべての標準の構文と整合
性があるビット・ストリームを発生するが、複雑さは異
なっており、その結果所与のビット伝送速度で様々な視
覚的品質レベルをもたらす、様々なエンコーダを使用す
ることが可能である。ＭＰＥＧ仕様は、主として圧縮デ
ータ・ストリームの平均ビット伝送速度が固定している
状況に適用されるが、それだけに限られたものではな
い。ＭＰＥＧ仕様は、「固定ビット伝送速度」という語
の厳密な定義を含んでいる。しかし、平均速度は一定で
なければならないとはいえ、あるＭＰＥＧビデオ・シー
ケンス中の各画像に割り振られるビット数がどの画像で
も同じである必要はない。さらに、ある画像内でのビッ
トの割振りは均一である必要はない。低いビット伝送速
度で高品質のシーケンスを生成するエンコーダを設計す
る際の難題の１つは、全ビットを画像間及び画像内で割
り振る技法を開発することである。
【００４４】また、ＭＰＥＧ標準にとって重要なもう１
つのコード化の特徴、すなわち適応的量子化（ＡＱ）も
念頭に入れておく必要がある。この技法を用いると、各
画像の様々な領域を、様々な忠実度でコード化すること
ができ、これをイメージ及びモーション・ビデオの圧縮
に使って、各画像中及び画像間で視覚的品質を均等（か
つ最適）にすることができる。ＭＰＥＧ標準を用いる
と、適応的量子化が可能であるが、ＡＱを使って視覚的
品質を向上させるための規則からなるアルゴリズムはこ
の標準で規定されていない。
【００４５】ＭＰＥＧエンコーダまたは類似のエンコー
ダで適用できるもう１つの広いクラスの技法は、前処理
と総称される。サンプル相互の基本的な空間関係を変更
しない、ディジタル・ビデオのいかなる前処理も、圧縮
シーケンスの視覚的品質を向上させる目的でＭＰＥＧ互
換のエンコーダに組み込むことができる。その例として
は、線形前濾波や非線形前濾波がある。
【００４６】本発明に話題を移すと、図６に、本発明に
よる上記の技法を実施するため、３つの構成要素サブシ
ステムを組み込んだ、ＭＰＥＧエンコーダの構成図を示
す。図を見るとわかるように、まず、シーケンス中のｋ
番目の画像を表す画像データＦkが、サブシステムの１
つである「ＱＰ適応的前処理装置」３に入り、そこで必
要に応じて前処理が行われる。前処理の性質は、データ
・シーケンスのコード化の過程で予め「適応的量子化速
度制御式（ＡＱ／ＲＣ）画像コーダ１から前処理装置３
に送られた、すでにコード化済みの画像の量子化レベル
（ＱＰprev）によって制御される。前処理装置３から出
力された、必要に応じて前処理された画像データＦ
kは、次のサブシステムであるＡＱ／ＲＣ画像コーダ１
に入り、そこでモーション推定及びＭＢ分類が行われ
る。ＡＱ／ＲＣ画像コーダ１内のこれらの操作の結果の
一部は、もう１つのサブシステムである「画像ビット割
振りサブシステム」２に送られ、画像データＦkの目標
ビット数（Ａk、Ｓk、Ｃk）がＡＱ／ＲＣ画像コーダ１
に戻される。次いで、下記で詳しく述べるようにコード
化が進行する。最終的に画像データＦkの圧縮データＣ
ＤkがＡＱ／ＲＣ画像コーダ１から出力される。さら
に、画像データＦkのコード化に必要なビット数に関す
るデータ（Ｂk）と再構築誤差（Ｅ1）が画像ビット割振
りサブシステム２に送られ、以前の量子化レベルＱＰ
prev（平均値Ｑavgのこともある）が、将来のフレーム
処理用に、前処理装置３に送られる。
【００４７】この３つのサブシステムの動作についての
説明であるが、最初に画像ビット割振りサブシステム２
について説明し、続いてＡＱ／ＲＣ画像コーダ・サブシ
ステム１の機能について説明し、その後でＱＰ適応的前
処理装置サブシステム３について述べる。ＭＰＥＧビデ
オ圧縮アルゴリズムに対する本発明の関係を完全に理解
するには、前掲のＭＰＥＧ ＣＤ−１１１７２及びＩＳ
Ｏ−ＩＥＣ ＪＴＣ１／ＳＣ２／ＷＧ１１ ＭＰＥＧ９
１／７４、ＭＰＥＧ Video Report 草案（1991年）また
はＤ．ル＝ゴールの論文"ＭＰＥＧ:A Video Compressio
n Standrd forMultimedia Applications"、Communicati
ons of the ACM、Vol,34(1991年4月）を参照すると助け
になろう。
【００４８】画像間ビット割振り ビデオ圧縮アルゴリズムは、モーション補償を利用し
て、ビデオ・シーケンス中の各画像を表すのに必要なデ
ータの量を削減する。固定ビット伝送速度型圧縮アルゴ
リズムは全体の平均ビット伝送速度を指定の目標付近に
維持しなければならないが、個々の画像に割り当てられ
るビット数にはある程度の幅があることが多い。各画像
に全く同数のビットを割り当てると、圧縮されたシーケ
ンスの品質が経時的に変動するという、見るものにとっ
て目障りな現象が発生する。画像ビット割振りサブシス
テム２は、ビデオ・シーケンス中の圧縮画像間でビット
を割り振る手段に関するものである。これは、固定ビッ
ト伝送速度の圧縮ビット・ストリームを発生させること
を目的とし、モーション補償が利用される、ビデオ圧縮
アルゴリズム、たとえばＩＳＯ／ＩＥＣ ＭＰＥＧビデ
オ圧縮標準に特に適用される。
【００４９】理想としては、画像ビット割振りシステム
は、コード化されたシーケンスの目で感じる視覚的品質
が、画像ごとに均一であり、固定ビット伝送速度の諸規
則によって課されるビット割振りの制限の下で所与のビ
ット伝送速度で達成できる最適値に等しくなるようなビ
ット数を、各画像に割り振ることが望ましい。一般に、
そのようなシステムでは、最初の画像またはフレームを
コード化する前にシーケンス全体の内容を知っている必
要があろう。また、所与のビット割振りを用いてコード
化したときに得られる再構築された画像の視覚的品質に
ついて予め知っている必要があろう。最初の要件は、記
憶域及び遅延が大きくなる可能性があるので、非現実的
である。第２の要件は、コード化された画像と元の画像
が共に得られるときでも、コード化された視覚データの
目に見える視覚的品質の数学的に扱いやすいモデルがわ
かっていないので、現在の所は非常に難しい。
【００５０】本発明の画像ビット割振りサブシステム
は、最近の各タイプの画像をコード化する際の困難さの
度合を追跡することにより、この問題に対する現実的な
解決策を提供するものである。この度合は、コード化困
難度と称し、画像の空間的複雑さと、モーション補償で
画像の内容を予測できる度合とに依存する。３つのタイ
プの画像に、３つのタイプの相対的なコード化困難度に
応じた量のビットが割り振られる。さらに各画像で計算
される３つの割振り（各画像タイプごとに１つずつ）
は、ある画像群（ＧＯＰ）全体がそれらの割振りを使っ
てコード化された場合に、必要なビット数が目標ビット
伝送速度に等しくなるようなものである。
【００５１】図６を参照すると、画像ビット割振りサブ
システム２は、画像ｋに対するデータＦkがＡＱ／ＲＣ
画像コーダ１で分析され、その画像のコード化困難度が
ＡＱ／ＲＣ画像コーダ１から画像ビット割振りサブシス
テム２に渡された後、但しその画像のコード化前に、画
像ｋにどれだけのビットを割振るべきかを決定する。画
像ビット割振りシステム２はまた、ＡＱ／ＲＣ画像コー
ダ１が既に画像ビット割振りサブシステム２に渡したと
仮定される、前にコード化済みの画像に関係する情報を
使用する。具体的には、この情報は、各タイプの最近の
画像のコード化に使用されるビット数Ｂk（変換係数ビ
ットとサイド・ビットに分かれる）と、最近の２つのア
ンカ画像の再構築誤差Ｅrとなる。特定の画像に割振る
べきビット数を指定する際、まず、固定した数のすぐ将
来の連続する画像、すなわち、まだコード化されていな
いシーケンス中の１組の画像を選択し考慮することが必
要である。それには、固定数のＩ画像（ｎI）、Ｐ画像
（ｎP）、Ｂ画像（ｎB）が含まれる。このステップで考
慮すべく選択されたこの１組中の画像の数と組成が、そ
のシーケンス中の画像間で実行される画像ビット割振り
手順で使用されるものと同じであれば好都合であるが、
必ずしもそうである必要はない。必要なことは、得られ
る画像ビット割振りの経時的平均が目標平均画像ビット
割振りに等しいことである。
【００５２】これから説明する割振り操作は、選択され
た１組の画像に関する割振りの考察から始める。もちろ
ん、最終結果は、各画像タイプごとに１つずつの３通り
の画像ビット割振りであり、コード化しようとする画像
のタイプに対応する画像タイプに対する画像ビット割振
りのみが使用される。したがって、このプロセスは、目
標ビット伝送速度に整合する平均ビット割振りと等しい
１組の画像についての全ビット割振りＢsetを計算する
ことから始まる。 Ｂset＝（ｎI＋ｎP＋ｎB）×Ｂavg 上式で、Ｂavgは、目標ビット伝送速度と整合する平均
画像ビット割振りである。本節の記述全体を通して例と
して使用する好ましい実施例では、この１組の画像に割
り振られるビット、及び各画像に割り振られるビット
は、サイド・ビット（Ｓ）と係数ビット（Ｃ）の２つの
クラスに分かれる。ここで、Ｓはコード化変換係数デー
タ以外のすべてのコード化データを含むものと見なす。
全ビット割振りＢsetからその１組の画像（Ｓset）中の
サイド情報をコード化するのに必要なビット数の推定値
を差し引くことにより、その１組の画像に対する変換係
数ビット割振りＣsetが得られる。その場合、コード化
しようとする画像の変換係数のコード化に割り振られる
ビット数は、Ｃsetの部分となり、その部分の大きさ
は、その画像に関連するコード化困難度の推定値に依存
する。次に、コード化困難度情報を使って割振りを計算
する技法の例について詳しく説明する。
【００５３】変換係数とサイド情報割振り サイド・ビットは、画像ヘッダ情報とすべてのサイド情
報、たとえばモーション補償モード情報、モーション・
ベクトル、適応的量子化データを含むように割り当てら
れる。係数情報は、画素データ自体（Ｉ画像の場合）ま
たは画素差分データ（Ｐ画像とＢ画像の場合）の変換係
数のコード化に使用されるビットのみに含まれる。Ｉ画
像、Ｐ画像、Ｂ画像に対するビット割振りをそれぞれＡ
I、ＡP、ＡBとすると、ＡI＝ＳI＋ＣI、ＡP＝ＳP＋
ＣP、ＡB＝ＳB＋ＣB（ただし、ＳとＣはそれぞれサイド
・ビットと係数ビットを示す）。好ましい実施例では、
次にコード化される画像に対するサイド情報ビット割振
りは、シーケンス中の同じタイプの最近の画像中のサイ
ド情報のコード化に必要な実際のビット数に等しく決定
される。サイド・ビット情報割振りを計算する別の方法
は、そのシーケンス中の同じタイプの過去のいくつかま
たはすべての画像のコード化に必要な実際のビット数の
平均を使用するものである。また、この手順でサイド情
報の割振りを無視し、変換係数ビットの割振りのみに基
づいて画像ビット割振りを計算することも可能である。
この後者の手法は、下記の議論の状況中で、すべてのサ
イド割振り変数ＳXを０に等しいと仮定することによっ
て実施できる。
【００５４】次に、ある画像に関するコード化困難度を
計算する手段の例について述べるが、当面はその説明に
ついて、各タイプの最近の画像に対するコード化困難度
が一度計算されると、それが画像ビット割振りサブシス
テム２に記憶され、下記の手順を用いて現画像に対する
変換係数割振りが計算されることを理解されたい。最初
に、その１組の画像に対するサイド情報割振りが（Ｓ
set＝ｎIＳI＋ｎPＳP＋ｎBＳB）で推定される。この量
をその１組に割り振られた全ビット数から差し引くと、
その１組の画像の変換係数割振りが得られる。 Ｃset＝Ｂset−Ｓset
【００５５】そうすると、ＣI、ＣP、ＣBが下記の方程
式の一義的な解であることがわかる。
【数１】
【００５６】この１組の式のうち最初の（Ｃsetに関す
る）方程式は、このセット平均全体が正しいことを保証
する。Ｅ^rは過去及び将来の再構築されたアンカ画像の
平均絶対誤差の平均であり、重み項ｗPとｗBは、Ｐ画像
割振りとＢ画像割振りの相互の重要さを軽減させる働き
をする。好ましい実施例では、ｗP＝１．０、ｗB＝０．
５の値を使用する。これらの重みとは別に、上記１組の
式のうち後の（ＣPとＣBに関する）２つの方程式は、Ｐ
画像及びＢ画像に、それらの困難度が（再構築された）
予測画像中の平均絶対誤差を上回る度合に比例してビッ
トを割り振る。
【００５７】異なる画像タイプのコード化困難度に基づ
く他のビット割振り規則も可能である。上記に例示した
方法は、ＤPとＤBによるモーション補償が成功するよう
に、３つのコード化困難度ＤI、ＤP、ＤBによってシー
ケンスの空間的複雑さと、Ｃsetに関する最初の方程式
の要件による目標ビット伝送速度と、ＥrとＥ^rによる
最近にコード化された画像の品質とを表すので、貴重で
ある。
【００５８】ときには、上記のビット割振り戦略の結
果、ＵVBVを上回る割振りまたはＬVBVを下回る割振りが
もたらされることがある。それが起こる頻度は、ＶＢＶ
バッファの大きさとそのシーケンスの性質に依存する。
典型的なシナリオは、ＶＢＶバッファが比較的小さく
（たとえば、平均画像６以下）、モーション補償が大成
功を収めたときである。そのような状況では、この割振
り戦略は、あるセットに関するほぼすべての変換ビット
をＩ画像に与えようと試み、その結果個々の画像に対し
てＶＢＶバッファ・サイズより大きな割振りがもたらさ
れる。好ましい実施例では、それが起こったとき、Ｉ画
像の割振りが、対応するＶＢＶ限界内に入るようにクリ
ップされ、Ｉ画像から取られたビットがＰ画像に再割振
りされる。この後者のステップは重要である。というの
は、明示的な再割振りが行われない場合、平均ビット伝
送速度が低下するからである。その結果、最終的に、通
常はＬVBVがＢ画像の割振りを上回り始めたときに、Ｖ
ＢＶオーバーフローの問題が生じる。その結果、Ｂ画像
への暗示的再割振りが行われるが、これは一般に不良な
全体的画質をもたらす。明示的Ｐ画像再割振り技法のも
う１つの利点は、静止場面では極めて高い画質により速
く収束することである。Ｐ画像またはＢ画像の割振りが
ＶＢＶ限界の外側になった場合は、ビットの再割振りは
行われない。
【００５９】この割振り戦略は、割振りを計算する際
に、単にｎB＝０にセットし、ＣBを設定する方程式は無
視することによって、Ｂ画像のない場合にも適用できる
ことに留意されたい。同様に、Ｐ画像の存在しない場合
にも適用できる。さらに、係数情報とサイド情報の違い
は、コード化困難度の推定値を用いてある画像に対する
すべてのビットを割り振ることによって無視できる。そ
のような場合、コード化困難度推定値は、コード化サイ
ド情報の困難度を直接考慮に入れることができ、またサ
イド情報を完全に無視することもできる。
【００６０】２つのテスト・シーケンス、すなわちＭＰ
ＥＧ標準の開発で使用された「花園」シーケンスと「卓
球」シーケンスを使って、本発明の諸技法の有効性を検
査した。具体的には、この説明全体を通して「花園」シ
ーケンスの最初の６０フレームと「卓球」シーケンスの
最初の６０フレームと「卓球」シーケンスの６１番目の
フレームの３０回の反復（静止場面をシミュレートする
ため）からなるビデオ・シーケンスを用いて、これらの
方法を説明する。これらのシーケンスは、３５２×２４
０画素のＹＵＶテスト・シーケンスである。コード化は
毎秒１．１５Ｍビットの速度で行い、Ｉ画像の間隔Ｎ＝
１５、アンカ画像の間隔Ｍ＝３であった。図７に、この
シーケンス全体のコード化困難度を示し、図８に各画像
について計算したビット割振りを示す。
【００６１】シーケンス中の各画像について示した３つ
のビット割振りは、その画像のコード化直前のものであ
るが、それらの割振りのうちの１つだけが実際に使用さ
れることに留意されたい。図９及び図１０に、この割振
り方法から得られる目標ビット伝送速度を、シーケンス
に対する実際のビット伝送速度と共に示す。
【００６２】場面変更時（フレーム６１）の安定性と、
Ｐ画像及びＢ画像に関する実際のビット伝送速度のゼロ
近くへの収束が、静止セグメント（フレーム１２１〜１
５１）で注目される。図１１にこのシーケンスのコード
化に使用される量子化率（ＱＰ）を示す。また、Ｉ画像
とＰ画像は、一般にＢ画像より細かいステップ・サイズ
でコード化されることに留意されたい。
【００６３】ＡＱ／ＲＣ画像コーダ 次にＡＱ／ＲＣ画像コーダ１に話題を移すと、このサブ
システムは、各画像のコード化に使用されるビット数が
所定の目標に近くなるように保証しながら、視覚的品質
の向上を得るための、あるビデオ・シーケンスの連続す
る画像の適応的量子化（ＡＱ）のための手順に関するも
のである。この手順は、Ｉ画像、Ｐ画像およびＢ画像に
関して実行される。これらの手順は、領域分類戦略を使
って、ある画像を構成する空間領域を処理するものであ
る。その領域分類戦略は、モーション推定と、量子化率
ＱＰおよび画像領域の特性測定値の関数としてその画像
領域をコード化するのに必要なビット数の適応的モデル
と、生成されるビットの数が所定の目標に近いことを保
証するように、画像がコード化されるとき量子化レベル
を適応させるための方式と連係して働く。この説明で
は、空間領域はＭＰＥＧマクロブロック（ＭＢ）として
扱うが、上記の手順は、サイズおよび形状が異なる領域
にも適用できることを理解されたい。
【００６４】図１２には、ＡＱ／ＲＣ画像コーダ１の諸
構成要素を全般的に示す。このサブシステムの動作は、
コード化される画像のタイプに依存する。図を見るとわ
かるように、画像に対するビデオ画像信号Ｐkは、ＱＰ
適応的前処理装置３で前処理されていることもいないこ
ともあるが、この信号がＡＱ／ＲＣ画像コーダ１のモー
ション推定／ＭＢ分類ユニット１４に入る。そこで信号
が解析され、各ＭＢが下記の手順に従って分類される。
その画像がＰ画像またはＢ画像である場合、モーション
推定も実行される。これらの操作の結果はコード化困難
度Ｄkの形であり、上記で詳しく述べたように使用する
ため、それが画像ビット割振りサブシステムに渡され
る。次に画像ビット割振りサブシステム２は画像ｋに関
するビット割振り信号Ｃkを返す。「ＱＰレベル設定」
ユニット１５が、このビット割振り信号を、モーション
推定／ＭＢ分類ユニット１４から渡された１組の情報と
共に使って、各ＭＢをコード化する際に使用される量子
化率ＱＰの初期値を決定する。さらに、ＱＰレベル設定
ユニット１５は、画像中の各ＭＢの各行のコード化に必
要なビット数の推定値を計算する。これらの量子化率と
行目標は「速度制御式画像コーダ」ユニット１６に渡さ
れる。この速度制御式画像コーダ１６は、やはりモーシ
ョン測定／ＭＢ分類ユニット１４から渡された情報を使
って、画像のコード化を始める。ＡＱ／ＲＣ画像コーダ
１の動作は３つのサブユニットに区分されるので、以下
の説明では、主として図１２を参照しながら同じ区分に
従うことにする。
【００６５】モーション推定／ＭＢ分類ユニット モーション推定／ＭＢ分類ユニット１４の主な目的の１
つは、ある画像中の各ＭＢをコード化するのにどのコー
ド化モードｍ（ｒ，ｃ）を使用するかを決定することで
ある。この機能は、モーション補償された画像だけに使
用される。というのは、Ｉ画像におけるＭＢにはイント
ラモードの１モードしかないからである。モード判定
は、モーション推定プロセスに基づいて行われ、このプ
ロセスはモーション・ベクトルとモーション補償された
差分ＭＢも生成する。モーション推定／ＭＢ分類ユニッ
ト１４のもう１つの重要な機能は、各ＭＢを分類するこ
とである。ＭＢ（ｒ，ｃ）のクラスＣｌ（ｒ，ｃ）によ
って、そのＭＢのコード化に使用される量子化率ＱＰ
（ｒ，ｃ）の値が最終的に決まる。モードおよびクラス
は、各画像を解析し、コード化される画像と予測画像の
間のモーションを推定することによって決定される。同
じ情報が、コード化困難度Ｄkの計算にも使用され、そ
の値が画像ビット割振りサブシステム２に渡される。
【００６６】ＭＰＥＧビデオ・コード化アルゴリズムに
おけるモーション推定の目的は、「モーション・ベクト
ル」ｍｖ（ｒ，ｃ）＝（ｒmv，ｃmv）と、それに関連す
るモーション補償された差分ＭＢ Ｍk（ｒ，ｃ）を得
ることである。モーション補償された差分ＭＢとは、考
慮中の現ＭＢと予測ＭＢの間の画素ごとの差である。予
測ＭＢを形成する方法は、使用するモーション補償方法
に依存し、前掲のISO-IEC JTC1/SC2/WG11 MPEG CP-1117
2、MPEG Committee Draft(1991)に詳しく記載されてい
る。モーション・ベクトルは、ある意味で、画像のそれ
が関連する部分の真のモーションを示す必要がある。モ
ーション推定技法の詳細は、Ａ・Ｎ・ネトラヴァリ（Ne
travali）とＢ・Ｇ・ハスケル（Haskell）の著書^Digit
al Pictures: Representation and Compression^、米国
ニューヨーク州ニューヨーク、Plenum Press、１９８８
年刊に出ている。
【００６７】この説明では、水平方向および垂直方向に
±７×ｎ画素の範囲をカバーする、完全探索モーション
推定アルゴリズムを使用したと仮定する。ただし、ｎは
解析中の画像と予測画像の画像間隔による距離であり、
モーション・ベクトルの精度は半画素である。本発明
は、モーション推定の結果を使ってビデオ・シーケンス
をコード化する技法に関するものであるが、特定のモー
ション推定技法と共に使用するものと限定されてはおら
ず、補償中のＭＢとモーション・ベクトルが指す予測領
域とがどれだけよく合致するかを示す、モーション補償
の成功の度合（モーション補償誤差）が使用可能である
限り、どんなモーション推定方法と共に使用することも
できる。Ｐ画像に対してはモーション推定のタイプは１
つ（先行）であり、Ｂ画像については３つ（先行、逆
行、補間）あることを想起されたい。ＭＢ（ｒ，ｃ）の
順方向モーション・ベクトルはｍｖf（ｒ，ｃ）で表
し、逆方向モーション・ベクトルはｍｖb（ｒ，ｃ）で
表す。補間法では、順方向ベクトルと逆方向ベクトルを
両方とも使用する。先行、逆行及び補間式のモーション
補償誤差は、それぞれΔmc,f（ｒ，ｃ）、Δmc,b（ｒ，
ｃ）、Δmc,i（ｒ，ｃ）で表す。
【００６８】モーション補償誤差の他に、各ＭＢの空間
的複雑さの度合も必要である。この度合をΔ（ｒ，ｃ）
で表す。Δ（ｒ，ｃ）、Δmcf（ｒ，ｃ）、Δ
mc,b（ｒ，ｃ）、Δmc,i（ｒ，ｃ）は、その数値比較が
意味があるという意味で同様の測度である。好ましい実
施例では、これらの測度はすべて、下記に示すように平
均絶対量であると定義する。各ＭＢにその行及び列の座
標（ｒ，ｃ）を添字として表すと、ＭＢ（ｒ，ｃ）中の
４つの８×８ブロックのルミナンス値はｙk（ｉ，ｊ）
×（ｉ＝０，...，７，ｊ＝０，...，７，ｋ＝
０，...，３）で表され、各８×８ブロックの平均値は
ｄｃkで表される。次に、ＭＢ（ｒ，ｃ）に関する空間
的困難度の測度は、「ＤＣからの平均絶対差」であると
見なされ、次式で表される。
【数２】
【００６９】同様のモーション補償誤差が「平均絶対誤
差」である。予測ＭＢ中の４つの８×８ブロックをｐk
（i,j）（ｉ＝０，...，７，ｊ＝０，...，７，ｋ＝
０，...，３）で表すと、これは次式で定義される。
【数３】
【００７０】本発明の好ましい実施例では、画像ビット
割振りサブシステム２に渡されるコード化困難度は、上
記の空間的複雑さ及びモーション補償誤差の測度に完全
に基づいている。Ｉ画像について、全困難度は次の通り
である。
【数４】
【００７１】Ｐ画像及びＢ画像については、まずコード
化モードを決定し、そのモードに関連する測度を上記と
同様の加算に使用する。下記のモードが可能である。 イントラモード ｍ（ｒ，ｃ）＝Ｉ 先行 ｍ（ｒ，ｃ）＝ｍｃf 逆行 ｍ（ｒ，ｃ）＝ｍｃb 補間 ｍ（ｒ，ｃ）＝ｍｃi 困難度は、次式によって計算される。
【数５】
【００７２】可能な多くの規則を使って、どのモードを
使用するか決定できる。好ましい実施例では、Ｐ画像に
対して下記の規則を使用する。
【数６】
【００７３】β＝１．０の値を使用する。好ましい実施
例では、Ｂ画像に使用するモード選択規則は、Δ（ｒ，
ｃ）が最小のモードを使ってＭＢをコード化するという
ものである。好ましい実施例では平均絶対量がコード化
困難度の測度として使用されたが、同様のどんな規則
（たとえば、平均二乗量）も使用できることを理解され
たい。
【００７４】ＭＢモードの決定及びコード化困難度の計
算に使用される測度は、モーション推定手順の副産物と
することができる。それが可能なのは、一部には、上記
の測度がしばしばモーション推定手順で最適のモーショ
ン・ベクトルを見つけるのに使用されるからである。
【００７５】これらの測度は、マクロブロックを分類す
るのにも使用される。好ましい実施例では、ＭＢは次の
ように分類される。すべてのイントラモードＭＢのクラ
スは、そのＭＢに関するΔk（ｒ，ｃ）の最小値を量子
化することによって計算される。閾値ｔを定義すると、
ＭＢ（ｒ，ｃ）のクラスｃｌ（ｒ，ｃ）は次式で与えら
れる。
【数７】
【００７６】モーション補償されたＭＢに対してモーシ
ョン補償モードを選択した後、それらのＭＢは次式に従
って分類される。
【数８】
【００７７】好ましい実施例では、ｔ＝２の値を使用す
る。イントラモード測度とモーション補償型測度の両方
を使って、モーション補償されたＭＢを分類する。その
モードとクラス情報は、その基礎となる測度と一緒に、
ＱＰレベル設定ユニット１５が初期量子化レベルの決定
に使用し、またＲＣ画像コーダ・ユニット１６がコード
化の際に使用する。
【００７８】図１３ないし１６に、シーケンスの「花
園」セグメントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像
及びＰ画像の典型的なクラス分布を示す。
【００７９】好ましい実施例では、計算の複雑さを低く
保つため、Ｂ画像のＭＢは分類されず、Ｑレベル設定ユ
ニット１５は使用せず、ＲＣ画像コーダ・ユニット１６
中で使用されるコード化方式はＩ画像およびＰ画像の場
合よりも簡単になっている。
【００８０】ＱＰレベル設定ユニット ＱＰレベル設定ユニット１５の機能は、各クラスごとに
量子化ステップ・サイズの初期値を計算することであ
る。所与のクラスのすべてのＭＢに同じ量子化ステップ
・サイズが割り当てられる。好ましい実施例では、全体
的最小ステップ・サイズに対する各クラスの量子化ステ
ップ・サイズは次式に従って割り当てられる。
【数９】
【００８１】好ましい実施例で使用したΔＱＰの値は５
と６である。好ましい実施例では、許容されるＱＰlow
の値は−３１，...，３１であるが、ＭＰＥＧは
１，...，３１の範囲のＱＰ（ｒ，ｃ）の整数値のみを
許容する。したがって、上記の式から３１より上の値が
得られるときは、３１にクリップされ、１より下の値は
１にクリップされる。ＱＰlowが１未満になり得るよう
にして、ビット伝送速度がそれを保証する場合、最も細
かい量子化ステップ・サイズがすべてのクラスのＭＢに
適用できるようにするのが有利である。ＱＰlowの初期
値ＱＰlow initを選択するプロセスを下記で説明する。
【００８２】各ＭＢのクラスｃｌ（ｒ，ｃ）を計算し、
ｃｌ（ｒ，ｃ）が与えられている場合にＱＰ（ｒ，ｃ）
を計算する方法に反映されている、好ましい実施例で使
用されるコード化誤差についての人間による感知の基礎
的モデルは、画像の活性の低い領域で同じ絶対値の誤差
がより目立つということである。このモデルは明らかに
単純化しすぎであるが、視覚的品質と計算の負担の間の
妥当な妥協である。ブロック全体のΔではなくて、分類
すべきＭＢ中の４つのルミナンス・ブロックにわたる最
小Δkを使用することの背景にある理論的根拠は、何ら
かのスムースな領域をもつＭＢに、低い量子化ステップ
・サイズを割り当てるべきだということである。
【００８３】ＭＢモードｍ（ｒ，ｃ）とクラスｃｌ
（ｒ，ｃ）を、Δ（ｒ，ｃ）及びΔmc（ｒ，ｃ）値及び
画像変換係数に対する目標ビット伝送速度と共に使用し
て、初期量子化子の低い値ＱＰlowを設定する。本発明
によれば、使用すべき量子化値とΔ（イントラモードＭ
Ｂの場合）またはΔmc（モーション補償ＭＢの場合）が
与えられている場合に、ＭＢの変換係数のコード化に必
要なビット数を予測するモデルが開発された。実験デー
タから、次の形のモデルが導かれる。 Ｂi（ＱＰ，ｒ，ｃ）＝ａiΔ（ｒ，ｃ）ＱＰbi（イント
ラモードＭＢの場合） Ｂmc（ＱＰ，ｒ，ｃ）＝ａpΔmc（ｒ，ｃ）ＱＰbp（モ
ーション補償ＭＢの場合） 指数は、ｂi＝−０．７５、ｂp＝−１．５０である。し
かし、これらの値は、使用する特定の量子化重み値Ｗmn
に強く依存し、それと整合するように最適化する必要が
ある。
【００８４】パラメータａ及びｂの適当な値を推定する
ため、下記の実験的手法をとった。Ｉ画像モデルの場合
を考えると、ａiとｂiを推定することが望ましい。画像
間の変化を追跡するためのモデルのパラメータを適合さ
せるべきであるので、主な関心は、画像の集合ではなく
て個々の画像に対するモデルの正確さである。したがっ
て、各パスごとに異なるＱＰ量子化ステップ・サイズの
値を使って、代表的画像を何回かコード化する。ＱＰの
各値で各ＭＢをコード化するのに必要なビットの数を測
定する。次に、ＱＰの各値ごとに、Δの所与の値をもつ
すべてのＭＢをコード化するのに必要なビット数を平均
する。その結果は、ＭＢのコード化に必要な平均ビット
数を、ＭＢのΔ値及びそのコード化に使用したＱＰステ
ップ・サイズの関数として示す、２次元データ・セット
である。これらの平均値をＢij＝Ｂ（ＱＰi，Δj）で表
す。これらの測定値を下記の形の方程式にあてはめるこ
とが望ましい。 Ｂij＝ａi×Δj×（ＱＰi）bi
【００８５】これは、ａi及びｂiで表した非線形方程式
の優決定集合であり、非線形最小二乗法を使って解け
る。問題を線形化するため、方程式の両辺の対数をと
る。その結果、ｌｏｇ（ａi）とｂiで表した容易に解け
る最小二乗問題となる。
【００８６】ビデオ・シーケンスの動的に変化する特徴
を追跡するために、各Ｉ画像またはＰ画像をコード化し
た後、線形パラメータａi及びａpを調節すべきである。
これは、下記のＲＣ画像コーダ・ユニット１６の説明で
詳しく述べる方法に従って行うことができる（イントラ
モードＭＢでは、ＭＢ中のＤＣ項のコード化に必要なビ
ット数を表す追加の項を加えて、このモデルを改良する
ことができる。というのは、ＤＣ係数のコード化は別途
扱われるからである。）
【００８７】これらのビット伝送速度モデルによる画像
全体の変換係数のコード化に必要な予測ビット数は、Ｉ
画像では次の通りである。
【数１０】 Ｐ画像では次式の通りである。
【数１１】 上式で、ＱＰ（ｒ，ｃ）は次式に従って計算される。
【数１２】
【００８８】ＱＰlowの初期値は、Ｂ（ＱＰ）が画像変
換係数割振りＣに最も近くなるときのＱＰの値とする。
【数１３】
【００８９】好ましい実施例では、−３１と３１の間で
半間隔の探索を行って、ＱＰlow initを見つける。この
手順におけるＱＰの上限と下限の役割は、微妙である。
３１という上限は、エンコーダが標準によって許容され
る最も粗い量子化で動作できることを保証するのに十分
であるが、上限がもっと高いと、後で詳しく説明するよ
うに、ビットの過剰生成に対してより敏感になって、速
度制御アルゴリズムの性能が変化する。ＱＰの下限につ
いても同様の特徴がある。
【００９０】ＱＰlowが決定された後、ＱＰレベル設定
ユニット１５は、次式によって、ＱＰlowを使ってＭＢ
の行ｒをコード化するのに必要な予想ビット数を計算す
る。
【数１４】 上式でＮrowはＭＢの行数である。この式の第２項はＱ
Ｐlowでモデルによって予測されるビット数と実際の変
換係数割振りＣとの差を表し、第３項は各行のサイド情
報割振りＳに対する取り分を表す。目標Ｔ（ｒ）をすべ
ての行にわたって合計すると、全画像割振りＡが得られ
る。これらの予想値が、ＲＣ画像コーダ・ユニット１６
に対する目標行ビット伝送速度になる。
【００９１】速度制御式画像コーダ 画像のコード化は、ＭＢをインデックスし、それぞれ以
前のステップで決定されたモード及び量子化ステップ・
サイズに従ってコード化することによって進行する。し
かし、ビット伝送速度モデルとシーケンスの内容の連続
的変化とが合致しないため、実際に生成されるビット数
は予想数と厳密には一致しない。その画像について実際
に生成されるビットを目標付近に保っただけでなく、Ｖ
ＢＶビット伝送速度の制限違反を防止するためにも、こ
の逸脱を制御することが望ましい。本発明によれば、Ｍ
Ｂの各行の終りでＱＰlowを更新する、速度制御式フィ
ードバック戦略が開発された。この更新はいくつかのフ
ァクタによって決まる。１つのファクタは、ある画像中
のＭＢの異なる行は、Δ（ｒ，ｃ）とΔmr（ｒ，ｃ）な
らびに割り当てられた量子化ステップ・サイズの変動の
ために、同数のビットを生成しないと予想されることで
ある。各行の終わりに、生成されたビットの数が、ＱＰ
レベル設定ユニット１５で計算された予測数Ｔ（ｒ）と
比較される。ＱＰlowの更新である役割を果たすもう１
つのファクタは、画像割振りと実際に生成されたビット
数が共にＶＢＶ限界に近いことである。ビット伝送速度
の逸脱に応じたＱＰlowの更新の利得は、誤差の方向で
のＶＢＶ限界の近接度の関数である。予測ビット伝送速
度からわずかに逸脱しても、ＱＰlowはほとんどまたは
全く変化しないが、画像のビット伝送速度をどちらかの
ＶＢＶ限界に近づけるような逸脱があると、ＱＰlowは
最大の調節を受ける。この戦略は、ＶＢＶ違反の防止に
したがってコード化データの脱落やビット・ストリーム
へのジャンク・バイトの詰込みなどの望ましくない動作
の回避に大成功を収めている。
【００９２】下記の方程式は、好ましい実施例で実施さ
れた、ＱＰlow、に関する更新手順を記述している。行
ｍ及びそれより前のすべての行のコード化に使用される
ビットの総数をＢ（ｍ）で表し、Ｂ（ｍ）と累積目標の
差をΔＢ（ｍ）で表すと、次式が得られる。
【数１５】
【００９３】行ｍのコード化後、ΔＢ（ｍ）≠０ならば
ＱＰlowは次式のように更新される。
【数１６】 上式で、Δｕは画像割振りＡと画像ｎに対するＶＢＶ上
限の差、Δｌは画像割振りＡと画像ｎに対するＶＢＶ下
限の差である。
【数１７】
【００９４】この戦略では、ＱＰlowはＶＢＶ判定基準
に従って許容される最大誤差に関係するので、現行まで
の全ビット割振り誤差に基づいてＱＰlowを更新する。
【００９５】Ｉ画像またはＰ画像のコード化後、ビット
伝送速度モデルが実際に生成される変換係数ビットの数
（Ｃa）と一致するように、新しいビット伝送速度モデ
ル・パラメータ（ａiとａP）が計算される。Ｉ画像の場
合についてこれを例示すると、各画像のコード化中にＱ
Ｐの各値でコード化されたＭＢに関するすべてのΔ
（ｒ，ｃ）の合計が生成される。
【数１８】
【００９６】更新後のａiの値は、次式によって計算さ
れる。
【数１９】
【００９７】実施態様では、α＝０．６６７の値が使用
できる。同様の戦略を用いて、Ｐ画像のコード化後にａ
iとａpを更新する。その場合は、αは、ＭＢのうちで更
新されるビット伝送速度モデルのパラメータに対応する
モデル中でコード化された部分に比例する。
【００９８】最後に、その画像に関するすべてのサイド
情報のコード化に使用されるビット数が記憶され、それ
が同じタイプの次の画像に関するサイド情報割振りＳの
値として使用される。
【００９９】図１７ないし２０及び図２１ないし２４
に、ＱＰ割当て戦略及び更新戦略の性能を示す。図１７
ないし２０は、テスト・シーケンスのフレーム１６、２
２、６１、６７の各行中のＱＰlowと平均ＱＰを示す。
ＱＰlowに対する初期推測及びビット伝送速度モデルが
正確であれば、行ごとにＱＰlowは変化しないはずであ
る。しかし、ＱＰavgは空間的アクティビティ及び画像
中の異なる行のモーション補償可能性に応じて変動する
はずである。たとえば、Ｉ画像のＱＰ値から、「花園」
シーケンスの各行の下半分は上半分よりも空間的にはる
かに複雑なことが容易にわかる。Ｐ画像の結果は、モー
ション補償によってＱＰavgの変動が減少することを示
している。図２１ないし２４は、生成されるビットと目
標の関係をビットごとに示したものである。結果は、目
標をかなりよくたどっていることがわかる。
【０１００】Ｂ画像の速度制御方法は、Ｉ画像及びＰ画
像の場合と異なっている。ＭＢ分類が行われておらず、
したがってＭＢの各行が生成する圧縮データの量を推定
しようとする試みは行われない。したがって、ある画像
中のすべての行の目標が同じである。各画像の開始点
で、量子化率が前のＢ画像の終わりのときの値に等しく
設定される。ＭＢの各行の後に、ＱＰが他のタイプの画
像の場合とほぼ同様の方式で更新されるが、その上限と
下限は次式で決定される。
【数２０】
【０１０１】以上、適応的ビット割振り及び量子化を利
用して、原始資料及びビット伝送速度のある範囲にわた
って頑丈で高品質のコード化シーケンスを提供する、モ
ーション・ビデオ・コード化手順を提示した。そのコー
ド化されたデータは、ＩＳＯ／ＩＥＣ ＭＰＥＧビデオ
・コード化標準の固定ビット伝送要件を満たす。適応的
技法を実施するのに必要な追加のコーダの複雑さは、そ
れぞれ基本的コーダの一部である、モーション推定、離
散的余弦変換、量子化、ハフマン・コード化という基本
的操作に関して穏当である。これらの特徴により、この
アルゴリズムは、フレキシブルな実時間ビデオ・コード
化実施態様に適したものとなっている。
【０１０２】ビデオ・シーケンスの適応的前処理 本発明のＱＰ適応的前処理装置３の動作は、ある条件の
下では、入力画像を前処理して、コード化の効率は低い
が、低周波のノイズを含まない情報よりも視覚的に重要
でない、高周波情報を減衰させあるいはノイズを除去し
たとき、低ビット伝送速度のコーダによって視覚的によ
り好ましいイメージが生成されるとの観察に基づくもの
である。具体的には、シーケンスが、無視できない大き
さの空間的に非常に複雑な領域を含むとき、あるいは何
らかの理由でノイズが導入された場合に、高詳細領域及
びノイズを正確に表すために法外な数のビットが必要と
なり、視覚的品質の全体的低下をもたらす。この品質低
下は、目ざわりなちらちらするノイズ様の人工物の形を
とることが多い。線形または非線形濾波などの前処理に
よって高周波数の内容を減少させると、イメージが元の
姿と似ないものになる一方、目ざわりな人工物がなくな
って低周波情報のレンダリングが改善されるので、よい
トレードオフになることが多い。一方、多くのシーケン
スは、低ビット伝送速度での視覚的品質が全く満足でき
るもので、高周波情報とノイズを減少させる必要がない
ものである。そのような場合に前処理を施すと、不必要
な品質低下が生じる。したがって、必要に応じて前処理
することもしないこともできることが望ましい。
【０１０３】前処理の必要性の重要な指標の１つは、シ
ーケンスを目標ビット伝送速度でコード化するのに必要
な量子化レベルである。量子化率に関する情報を使って
前処理の量を制御することの主な利点は、それがビット
伝送速度とは無関係なことである。一般的にいうと、量
子化レベルが非常に高い（粗い量子化を、したがって不
十分な品質の再構築を示唆する）場合、その理由は、場
面が複雑すぎて、目標ビット伝送速度で正確にコード化
できないことである。
【０１０４】図６を参照し、かつ図２５に全般的に示し
たＱＰ適応的前処理装置３の諸構成要素と図２６に示し
た好ましい実施例を参照しながら、本発明の第３のサブ
システムの全体的動作について説明する。先にＡＱ／Ｒ
Ｃ画像コーダ１に関して述べたように、各画像がコード
化されるとき、変換係数の量子化に使用された前の量子
化率ＱＰprevを計算する。この量子化レベルは、画像中
のＭＢの数、画像ビット割振りサブシステム２によって
その画像に割り振られたビット数、その画像の全体的複
雑さなど、多くのものに依存する可能性がある。画像の
コード化に使用される平均ＱＰは、ＱＰprevに使用する
良い量となることが多い。各画像のコード化完了後に、
ＱＰprevがＡＱ／ＲＣ画像コード１からＱＰ適応的前処
理装置３に渡される。場合によっては２個以上の以前の
画像からのＱＰprevの値に基づいて、いくつかの前処理
装置の１つが選択され、将来のある時点から始まるすべ
ての画像に適用され、後の画像からのＱＰprevの新しい
値がその前処理装置に別の変化を起こさせるまでそれが
続く。図２５を見るとわかるように、ＱＰprev信号は
「実施ラグ・バッファ」３１で受信され、前処理装置ア
ルゴリズム選択ユニット３２に渡される。選択ユニット
３２は、前処理装置ユニット３３への信号の切換えを制
御する。
【０１０５】前処理装置ユニット３３は、１組のフィル
タ、フィルタ１、フィルタ２、．．．、フィルタｎから
構成することができる。図２６に前処理装置ユニット３
３の好ましい実施態様の１つを示す。この実施態様で
は、前処理装置のフィルタは純粋に線形であり、３種の
フィルタ状態（ＦＳ）が可能である。
【数２１】
【０１０６】実施ラグ・バッファ３１と前処理装置アル
ゴリズム選択ユニット３２の制御下でフィルタ状態を更
新するのに有用なアルゴリズムの１つは、次のようなも
のである。
【数２２】
【０１０７】フィルタ状態の更新はＩ画像の後でだけ起
こり、新しい状態は次のＩ画像まで有効にならない（こ
の遅延を、実施ラグと称する）。Ｔ1とＴ2の有用な値
は、それぞれ１０と５である。
【０１０８】上記のフィルタ、フィルタ状態、フィルタ
状態更新規則及び実施ラグの特定の選択は、本発明の範
囲に含まれる多くの可能性のうちの１つにすぎない。フ
ィルタは任意の数でよく、また非線形あるいは空間的適
応的なものでもよいことになっている。もう１つの重要
な変形は、フィルタ状態の更新をもっと頻繁に実行し、
同時に実施ラグを減らすものである。たとえば、各画像
の後ごとにフィルタ状態の更新を行い、実施ラグをＰ画
像間の遅延にまで減らすことができる。
【０１０９】
【発明の効果】本発明により、ＩＳＯ／ＩＥＣ ＭＰＥ
Ｇビデオ圧縮標準など、固定ビット伝送速度型圧縮デー
タ・ストリームの生成を目的とし、モーション補償が利
用される、ビデオ圧縮アルゴリズムに適用される、ビデ
オ・シーケンス中の圧縮画像間でビットを割り振るため
のシステム及び技法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＰＥＧデータ・ストリームのビデオ圧縮層内
の圧縮データの層のうち、１組の画像群（ＧＯＰ）の例
を示す図である。
【図２】ＭＰＥＧデータ・ストリームのビデオ圧縮層内
の圧縮データの層のうち、ある画像のマクロブロック
（ＭＢ）区分の例を示す図である。
【図３】ＭＰＥＧデータ・ストリームのビデオ圧縮層内
の圧縮データの層のうち、あるフレームまたは画像のス
ライス区分の例を示す図である。
【図４】ＭＰＥＧデータ・ストリームのビデオ圧縮層内
の圧縮データの層のうち、あるマクロブロックのブロッ
ク区分を示す図である。
【図５】ＭＰＥＧで使用されるＧＯＰ中の画像間での２
段式モーション補償を示す図である。
【図６】本発明による技法を実施するための３つの構成
サブシステムを組み込んだＭＰＥＧエンコーダの構成図
である。
【図７】「花園」シーケンスの最初の６０フレームと、
その次の「卓球」シーケンスの最初の６０フレームと、
続いて（スチル場面をシミュレートする）「卓球」の６
１番目のフレームの３０回の反復とを含み、本発明の方
法を例示するための説明で至る所で使用される、ＭＰＥ
Ｇ標準の開発中に使用された２つのテスト・シーケンス
からなる、ビデオ・シーケンス中の画像の１シーケンス
全体に関するコード化困難度を示す図である。
【図８】図７のシーケンスの各画像について計算したビ
ット割振りを示す図である。
【図９】図７のシーケンスの各画像に対する目標ビット
伝送速度を示す図である。
【図１０】図７のシーケンスの各画像に対する実際ビッ
ト伝送速度を示す図である。
【図１１】図７のシーケンスをコード化する際に使用す
る量子化（ＱＰ）率をプロットした図である。
【図１２】図６のＡＱ／ＲＣ画像コーダ・サブシステム
をより詳細に示した構成図である。
【図１３】ＭＰＥＧテスト・シーケンスの「花園」セグ
メントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像及びＰ画
像の典型的なクラス分布を示す図である。
【図１４】ＭＰＥＧテスト・シーケンスの「花園」セグ
メントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像及びＰ画
像の典型的なクラス分布を示す図である。
【図１５】ＭＰＥＧテスト・シーケンスの「花園」セグ
メントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像及びＰ画
像の典型的なクラス分布を示す図である。
【図１６】ＭＰＥＧテスト・シーケンスの「花園」セグ
メントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像及びＰ画
像の典型的なクラス分布を示す図である。
【図１７】ＭＰＥＧテスト・シーケンスの「花園」セグ
メントと「卓球」セグメントから取ったＩ画像及びＰ画
像の典型的なクラス分布を示す図である。
【図１８】本発明によるビット伝送速度制御におけるＱ
Ｐ割振り及び更新戦略の性能を示すもので、テスト・シ
ーケンスのフレーム１６、２２、６１、６７の各行にお
けるＱＰlowと平均ＱＰを示す図である。
【図１９】本発明によるビット伝送速度制御におけるＱ
Ｐ割振り及び更新戦略の性能を示すもので、テスト・シ
ーケンスのフレーム１６、２２、６１、６７の各行にお
けるＱＰlowと平均ＱＰを示す図である。
【図２０】本発明によるビット伝送速度制御におけるＱ
Ｐ割振り及び更新戦略の性能を示すもので、テスト・シ
ーケンスのフレーム１６、２２、６１、６７の各行にお
けるＱＰlowと平均ＱＰを示す図である。
【図２１】本発明による伝送速度制御におけるＱＰ割振
り及び更新戦略の性能を示すもので、生成されるビット
と目標のビットごとの関数を示す図である。
【図２２】本発明による伝送速度制御におけるＱＰ割振
り及び更新戦略の性能を示すもので、生成されるビット
と目標のビットごとの関数を示す図である。
【図２３】本発明による伝送速度制御におけるＱＰ割振
り及び更新戦略の性能を示すもので、生成されるビット
と目標のビットごとの関数を示す図である。
【図２４】本発明による伝送速度制御におけるＱＰ割振
り及び更新戦略の性能を示すもので、生成されるビット
と目標のビットごとの関数を示す図である。
【図２５】図６に示した、ＱＰ適応的前処理装置の詳細
を示す図である。
【図２６】図２５に示したＱＰ適応的前処理装置の可能
な３つのフィルタ状態（ＦＳ）を示す図である。
【符号の説明】
１ 適応的量子化速度制御型（ＡＱ／ＲＣ）画像コーダ ２ 画像ビット割振りサブシステム ３ ＱＰ適応的前処理装置 １４ モーション指定／ＭＢ分類ユニット １５ ＱＰレベル設定ユニット １６ 速度制御式画像コーダ ３１ 実施ラグ・バッファ ３２ 前処理装置アルゴリズム選択ユニット ３３ 前処理装置ユニット
フロントページの続き (72)発明者 エリック・ヴィシート アメリカ合衆国06811、コネティカット 州ダンベリー、ミル・プレーン・ロード 55、18−４号 (56)参考文献 特開 平５−111012（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−227186（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04N 7/24 - 7/68

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 それぞれが複数のマクロブロックに分割
    される複数の画像を含むモーション・ビデオ・シーケン
    スを圧縮する方法であって、 圧縮コード化される各画像をＩ、Ｐ、Ｂ、の３つのタイ
    プのうちの１つとして識別するステップと、 各画像ごとに、上記画像の圧縮コード化に割り振られた
    ビット数を示すビット割振り信号を受信するステップ
    と、 コード化される画像の各マクロブロックを、上記マクロ
    ブロックの画素データまたは画素差分データに基づいて
    分類するステップと、 上記画像の各マクロブロックのコード化に使用される量
    子化ステップ・サイズを、上記マクロブロックの分類及
    び上記画像に関する上記ビット割振り信号に基づいて決
    定するステップと、 上記画像をマクロブロックの複数のグループに分割し、
    上記画像の圧縮コード化に割り振られた上記の数のビッ
    トを上記グループ間で割り振るステップと、 上記の決定された量子化ステップ・サイズを用いて、上
    記マクロブロックの上記グループを順次圧縮コード化す
    るステップと、 上記画像の既にコード化済みのグループをコード化する
    のに使用したビット数と、上記既にコード化済みのグル
    ープに割り振られたビット割振りとの差に応じて、上記
    画像中の次のグループの未コード化マクロブロックに適
    用される量子化ステップ・サイズを調節するステップ
    と、 を含む方法。
  2. 【請求項２】 それぞれが複数のマクロブロックに分割
    される複数の画像を含むモーション・ビデオ・シーケン
    スを圧縮するためのシステムであって、 圧縮コード化される各画像をＩ、Ｐ、Ｂ、の３つのタイ
    プのうちの１つとして識別する手段と、 各画像ごとに、上記画像の圧縮コード化に割り振られた
    ビット数を示すビット割振り信号を受信する手段と、 コード化される画像の各マクロブロックを、上記マクロ
    ブロックの画素データまたは画素差分データに基づいて
    分類する手段と、 上記画像の各マクロブロックのコード化に使用される量
    子化ステップ・サイズを、上記マクロブロックの分類及
    び上記画像に関する上記ビット割振り信号に基づいて決
    定する手段と、 上記画像をマクロブロックの複数のグループに分割し、
    上記画像の圧縮コード化に割り振られた上記の数のビッ
    トを上記グループ間で割り振る手段と、 上記の決定された量子化ステップ・サイズを用いて、上
    記マクロブロックの上記グループを順次圧縮コード化す
    る手段と、 上記画像の既にコード化済みのグループをコード化する
    のに使用したビット数と、上記既にコード化済みのグル
    ープに割り振られたビット割振りとの差に応じて、上記
    画像中の次のグループの未コード化マクロブロックに適
    用される量子化ステップ・サイズを調節する手段と、 を含むシステム。
  3. 【請求項３】 上記マクロブロックの上記グループは上
    記順次圧縮コード化するステップの前に複数のフィルタ
    前処理方法のうちの１つに従って前処理されてから上記
    順次圧縮コード化するステップにより圧縮コード化さ
    れ、 上記シーケンス中の以前にコード化された画像の圧縮コ
    ード化で使用された量子化の度合を示す信号に応答し
    て、上記画像の圧縮コード化の前に、上記画像に関する
    ディジタル・データ信号に対して使用する前処理方法を
    選択するようにした請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 複数の前処理方法が、対応する量子化の
    度合に対するその前処理の度合に従ってランク付けさ
    れ、上記度合に関して少なくとも１つの高閾値が選択さ
    れ、かつ先行する画像の前処理に使用された方法の度合
    が上記の高閾値を越えない限り、上記画像を前処理する
    ための前処理方法として、上記シーケンス中の先行する
    画像の前処理に使用された方法と同じものを選択し、高
    閾値を越えた時は、上記画像を前処理するためにより高
    い度合の前処理方法を選択する、 請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 複数の前処理方法が、対応する量子化の
    度合に対するその前処理の度合に従ってランク付けさ
    れ、上記度合に関して少なくとも１つの低閾値が選択さ
    れ、かつ先行する画像の前処理に使用された方法の度合
    が低閾値より低い限り、上記画像を前処理するための前
    処理方法として、上記シーケンス中の先行する画像の前
    処理に使用された方法と同じものを選択し、低閾値を越
    えた時は、上記画像を前処理するためにより低い度合の
    前処理方法を選択する、 請求項３に記載の方法。
  6. 【請求項６】 複数の前処理方法が、対応する量子化の
    度合に対するその前処理の度合に従ってランク付けさ
    れ、上記度合に関して少なくとも１つの閾値が選択さ
    れ、かつ上記シーケンス中の先行する前処理に使用する
    方法の度合を上記閾値と比較し、上記比較の結果に応答
    して、前処理方法の度合を変更すべきかどうか示す判断
    信号を生成することによって、上記画像の前処理に使用
    される前処理方法を選択する、 請求項３に記載の方法。
  7. 【請求項７】 上記マクロブロックの上記グループを上
    記圧縮コード化手段により圧縮コード化する前に複数の
    フィルタ前処理方法のうちの１つに従って前処理する手
    段と、 上記シーケンス中の以前にコード化された画像の圧縮コ
    ード化で使用された量子化の度合を示す信号に応答し
    て、上記画像の圧縮コード化の前に、上記画像に関する
    ディジタル・データ信号に対して使用する前処理方法を
    選択する手段と、を更に含む請求項２に記載のシステ
    ム。
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