JP3560804B2 - 動画像符号化方法及び装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は動画像符号化方法及び装置に関し、特に階層的動きベクトル検出方式を適用した動画像符号化方法及び装置に関するものである。
【0002】
近年の半導体技術の進歩に伴い、これまで複数の半導体チップで構成されていた動画像リアルタイムエンコーダの主要な機能が1チップで実現可能な状況になって来た。この場合、ハードウェアでエンコーダを実現する場合に、膨大な演算量が必要となる動きベクトル検出処理の実現方法がコストパフォーマンスを決定する上で重要なポイントとなる。
【0003】
これまでに、動きベクトル検出の検出範囲の拡大と演算量の削減の両立を目的として、様々な動きベクトル検出方法が提案されて来た。その一つの方法として、階層的動きベクトル検出方法がある。この方法は、まず動きベクトル検出の1段目処理として、動きベクトル検出を行うための原画と参照画のそれぞれにおいて縮小画面を生成し、この縮小画面同士で動きベクトルを検出する。その後、通常解像度の画面同士の2段目の検出処理として、1段目の結果を中心とした範囲からの検出を行う方法である。
【0004】
これを図6により説明する。たとえば通常画面サイズである入力動画像の1段目検出範囲(a)に対して縦横1:4の間引き率(1/16)で得た16 ×16 画素の縮小画面を1段目のベクトル検出の処理単位(b)とすると、1段目のベクトル検出では4 ×4=16 個のマクロブロック(MBで示すことがある)に対する共通のオフセットベクトル(c)が検出される。
【0005】
その後、2段目検出単位としての各マクロブロック(d)について2段目の検出範囲(e)についてベクトルサーチを行い、2段目のベクトル(f)を得る。そして、1段目と2段目の結果(c),(f)を加算したベクトルが最終結果(g)となる。
この方法は、フルサーチを行う場合と比較して検出の精度は多少低下するが、同じ検出範囲を処理するために必要な演算量は格段に少なくなる。
【0006】
このような動きベクトル検出処理をハードウェアで実現する場合の一例が図7に示されている。図中、1は入力するピクチャデータの波形整形などを施す前処理部、3は大容量で高速アクセスが可能なSDRAM(又はDRAMでもよいが、以下の説明ではSDRAMとする)を使用したフレームメモリ、4は動きベクトル検出処理部、5は符号化処理部であり、これらは共通バス10を介して相互接続されている。また動きベクトル検出処理部4は、原画データを格納する原画RAM41と、参照画データを格納する参照画RAM42と、これらのローカルメモリ( キャッシュ) としてのRAM41,42に格納されたデータに所定の演算を施す演算器43と、その演算結果で得られたベクトルの判定を行って符号化処理部5へ送るための判定部44とで構成されている。
【0007】
すなわち、各マクロブロック毎にフレームメモリ3から原画と参照画の矩形領域画素データを内部の原画RAM41と参照画RAM42のローカルメモリ( キャッシュ) に読み込み、演算器43で動きベクトル検出処理を行い、得られた動きベクトルの判定を判定部44で行って符号化処理部5へ送り、符号化を実行する。
【0008】
ここで、エンコーダの符号化特性を左右するパラメータとして動きベクトルのサーチ範囲があるが、できるだけ広いサーチ範囲を実現するためにできるだけ広い範囲の参照画領域をフレームメモリ3からRAM42に読み込む必要がある。しかしながら、フレームメモリ3のバンド幅(データ転送能力)がボトルネックとなりサーチ範囲に制限があるのが現状である。従って、広いベクトルサーチ範囲を得るためには、如何に効率良くフレームメモリ3上の画面データをアクセスできるかが、製品の競争力を大きく左右する上で重要となる。
【0009】
【従来の技術】
図7に示すような構成の階層的動きベクトル検出処理では、1段目の処理を行うために縮小画面をフレームメモリからローカルメモリに読み込む必要があるが、従来はフレームメモリ内の通常サイズのピクチャから画素を間引きしてローカルメモリに読み込んでいた。しかし、フレームメモリがSDRAMの場合は、1つの読出コマンドで4ワードや8ワードの連続アドレスのデータがバースト的に読み出されるため、間引きした画素のみを読み出そうとすると極端にメモリアクセス効率が劣化する。
【0010】
通常のDRAMであっても、読み込みたい画素データ8ビットよりフレームメモリのバス幅が大きければ(32ビットなど)、1画素データを読み込むのに必要のない画素データも同時に読み込むことになり、これも効率が悪い。また、通常サイズ画像を間引きしただけでは折り返し歪みが発生するため、1段目のベクトル検出精度が低下する問題もある。
【0011】
そこでこのような問題を避けるために、図8に示すように、RA41,42とフレームメモリ3との間に空間フィルタ処理と画素間引き処理を行うフィルタ・間引き処理部2を設ける構成が従来より提案されている。
この構成では、1段目の縮小画面(図6の(b))をRAM41,42に読み込む時は、フレームメモリ3から連続領域をフィルタ・間引き処理部2に一旦読み込み、フィルタ処理を施しながら画素の間引きを行う。
【0012】
次の2段目の処理では、そのフィルタ・間引き処理部2をバイパスして通常サイズ画面(同(a))をRAM42に読み込む。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような図8の構成では、1段目の縮小画面を読み込むために、本来必要とする原画・参照画のサイズよりもかなり広い領域の画素データを読み込む必要がある。例えば、縦横1:4に間引きした縮小画面を構成したい場合、フィルタ処理に周囲の画素も必要とすることから16 倍のデータ量となる。これでは、メモリアクセス効率の問題が解決されないどころか劣化する場合も有り得る。
【0014】
また、例えば1段目の処理を縦横1:4で間引いた縮小画面で行い、1段目の処理単位(大マクロブロック:QMB) を縮小画面上の16 ×16 画素(つまり通常サイズ画面で4 MB×4MB=16MB領域)とし、サーチ範囲を縮小画面で16×16画素とすると、参照画として読み込む画面サイズは、図9に示すように例えば3倍の48×48となる。
【0015】
すなわち、隣り合った大マクロブロックの原画領域QMB1,QMB2に対して読み込む参照画領域QMB3,QMB4は、その2/3がオーバラップしているのでそのオーバラップ領域をRAM41,42に格納しておけば、残りの1/3の領域RRのみ別途読み込むだけでよい。
【0016】
ここで、階層的動きベクトル検出の処理スケジュールを考える。符号化処理部5による符号化はマクロブロック単位で行われるが、符号化の順番は、図10に示すように、画面の上端の横1列分のマクロブロックを左端から処理し、次にその下の1列を同様に処理して行くという順序で画面下端まで処理を行う。
【0017】
したがって、図11に示すように1段目の処理単位QMB1,QMB2,QMB3,QMB4,…で得たベクトル値を、各1段目処理単位QMBにおける横4マクロブロック分の2段目処理に使用した後にRAM41,42に保存しておいて、続いて右隣りの1段目処理を行うことになる。
【0018】
すなわち、図12に示すように、大マクロブロックQMB1に対して1段目処理を行った後、この大マクロブロックQMB1内でさらにマクロブロック単位MBで4つのマクロブロックMB1〜MB4について2段目処理を行う。これを、順次、大マクロブロックQMB2+マクロブロックMB5〜MB8,…というように動きベクトル検出処理を行う。
【0019】
しかしながら、ここで問題なのは、1段目の処理と2段目の処理を交互に行う必要があるために、RAM41,42に格納したい1段目の参照画データは2段目処理のデータで上書きされて消されてしまう点にある。すなわち、マクロブロックMB1〜MB18,…の横一列について2段目処理を実行した後は、図11で示す次の列のマクロブロックを実行する際には大マクロブロックQMB1,QMB2,QMB3,QMB4,…のデータは同じであるので本来1段目処理を行わずに済む筈のものを再度同じ1段目処理を実行しなければならない。
【0020】
従って1段目処理を行う度に全ての参照画領域を読み直す必要があるので、メモリアクセスが非効率的となる。1段目と2段目処理で参照画メモリを別々に設ければその問題は解決されるが、それはハード規模と消費電力の増加につながる。
【0021】
このように、従来の技術では、階層的動きベクトル検出方法をSDRAMをフレームメモリとしたハードウェアで実現しようとすると、縮小画面の読み出しにおいてSDRAMのアクセスバンド幅を有効に使用できないという問題点があった。また、1段目と2段目の処理を交互に実行する処理スケジュールのために、1段目のオーバラップした参照画の領域を毎回読み直す必要があり、メモリアクセスが非効率的となる問題点もあった。
【0022】
したがって本発明は、フレームメモリを用いて階層的動きベクトル検出処理を行う動画像符号化方法及び装置において、フレームメモリに対するアクセスを効率的に行うことを目的とする。
【0023】
上記の目的を達成するため、本発明に係る動画像符号化方法は、階層的動きベクトル検出処理を行う動画像符号化方法において、入力画像をフレームメモリに格納すると共に、該入力画像に対してフィルタ・間引き処理を行った縮小画像を該フレームメモリに格納し、該フレームメモリに格納された縮小画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの横一列分のマクロブロックに対して連続して動きベクトル検出を行う1段目処理と、該フレームメモリに格納された入力画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの上記1段目処理の結果から動きベクトルが検出された縮小画像のマクロブロックの位置に対応するマクロブロックに対して連続して動きベクトルの検出を行う2段目処理とを交互に繰り返し動きベクトルの検出を行う事を特徴としている。
【0024】
すなわち、本発明では、まず、前段処理(1段目処理)として通常サイズの入力画面からフィルタ・間引き処理した縮小画面同士で動きベクトル検出処理を行い、後段(2段目)の処理として前段処理結果を元に各マクロブロック毎の通常画面同士で動きベクトルを検出するという階層的動きベクトル検出方法を適用している。
【0025】
そして、このような階層的動きベクトル検出方法を前提として、前段処理を、該フレームメモリ中の縮小画面の横1列分連続して行い、その後、該前段処理結果が得られた該縮小画面中のマクロブロックについて該後段処理を該フレームメモリ中の入力画面同士で連続して行い、該前段処理及び後段処理を繰り返す。
【0026】
このようにして、前段処理においては、画面の左端の縮小画面のみ参照画の全領域をフレームメモリから例えば動きベクトル検出処理部に読み込むが、その後はシフトして現れた新規の領域のみを読み込めばよく、前段及び後段処理のスケジュールを工夫して、1段目オーバラップ領域の再読み込みを回避している。これにより、フレームメモリに対するアクセス率が向上する。
【0028】
また、予めフィルタ・間引き処理を行った縮小画をフレームメモリの連続アドレス上に構成することにより、SDRAMやDRAM等のフレームメモリの特性を生かしたアクセス可能にる。
【0029】
さらに、該後段処理の区間で符号化処理を行うことも可能であり、この場合、該前段処理の区間内で符号化速度調整用のスタッフ処理を行って符号処理の効率を上げることができる。
さらに、隣接する該前段処理の間に符号化処理を非同期で行うことも可能であり、これにより、符号化処理区間を延長することができ、前段処理区間の変化に対応できる。
【0030】
上記の本発明に係る階層的動きベクトル検出処理を行う動画像符号化方法を実施するための本発明に係る動画像符号化装置は、力画像をフレームメモリに格納すると共に、該入力画像に対してフィルタ・間引き処理を行った縮小画像を該フレームメモリに格納する手段と、該フレームメモリに格納された縮小画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの横一列分のマクロブロックに対して連続して動きベクトル検出を行う1段目処理と、該フレームメモリに格納された入力画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの上記1段目処理の結果から動きベクトルが検出された縮小画像のマクロブロックの位置に対応するマクロブロックに対して連続して動きベクトルの検出を行う2段目処理とを交互に繰り返し動きベクトルの検出を行う手段と、を備えている。
【0032】
さらに、該後段処理の区間で符号化処理を行う符号化処理部を備えることができ、この場合、符号化処理部は、該前段処理の区間内で符号化速度調整用のスタッフ処理を行うことができる。
さらに、隣接する該前段処理の間に符号化処理を非同期で行うためのバッファメモリを設けてもよい。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る動画像符号化方法及び装置の実施例を図を参照して説明する。
図1は、本発明に係る動画像符号化方法を実施するための装置構成例を示したものである。この実施例では、フィルタ・間引き処理部2を動きベクトル検出処理部4内ではなく前処理部1の出力とバス10との間に接続した点が図8に示した従来例と異なっている。
【0034】
この動画像符号化装置の動作を説明する。
まず、入力した画像データをフレームメモリ3に書き込む処理と平行して、その入力画像データをフィルタ・間引き処理部2に送り、フィルタ処理と間引き処理を行う。そして、フィルタ処理と間引き処理を行った縮小画面データをフレームメモリ33の別領域(縮小していない入力画面データを格納する領域とは別の領域)に書き込む。
【0035】
階層的動きベクトル検出部4は、予めフレームメモリ3に展開した縮小画面データから原画データと参照画データをそれぞれRAM41,42に読み込んで上述の如く1段目の処理を行う。この場合、縮小画面データをRAM41,42の連続領域にマッピングすることができ、SDRAMフレームメモリ3での効率的なメモリアクセスが可能となる。
【0036】
また、1段目処理時の参照画データの読込アクセスを効率化するために、図2に示すように処理スケジュールを工夫する。まず、1段目の処理を横1列分連続して行い、結果をローカルメモリに保存しておく。その後、2段目の処理を連続して行う。
【0037】
例えば、上述の如く720×480画素の通常入力画面に対し、1:4で間引いた縮小画面(180×120画素)の16×16画素領域を1段目の処理単位(大マクロブロック) とすると、図11に示した画面の場合、1段目処理を12回(≒180/16)連続で大マクロブロックQMB1,QMB2,QMB3,…,QMB12について行った後、2段目処理を45 (≒720/16)×4=180マクロブロックMB1〜MB12分連続して行い、以後、続いて大マクロブロックQMB13,…,についても同様にこれを繰り返す。
【0038】
この処理においては、1段目処理に必要な参照画は隣り合った大マクロブロックでオーバラップしているので、左端の大マクロブロックのみ参照画の全領域を読み込み、残りの11大マクロブロックは、シフトして現れた新規の領域(図9に示した領域RR)のみを読み込めばよく、メモリアクセスの効率化を実現することができる。
【0039】
次に上記の階層的動きベクトル検出処理を適用した場合の符号化処理全体のスケジュールを、図3により説明する。
上記の例のように、720×480画素の画面サイズの場合、1:4で間引いた縮小画像(180×120画素)の16×16画素領域を1段目の処理単位(大マクロブロック) とすると、入力1画面分の処理を完了するのに横1列分の1段目処理を8回(≒120/16)実行する(同図(2)参照)。
【0040】
ここで、同図(3),(4)に示す各マクロブロックでの2段目処理が完了する毎に、最終的な動きベクトルが得られる(同図(5)参照)ため、符号化処理はそれ以降に行われる(同図(6)参照)。
従って、動きベクトル検出の1段目処理が行われている区間は符号化処理は行われず、メモリバンド幅に余裕が出て来る。そこで、同図(6)に示すように、この区間を利用して符号化処理部5で符号化速度調節用のスタッフビットをバースト的に発生させれば、より高い効率が得られることになる。
【0041】
また、2段目処理区間に対し1段目の処理区間が十分に大きければ、2段目処理に対応した各マクロブロック符号化区間が短くなるため、符号化処理部5において弊害が出て来る虞れがある。
そこで図4に示すように、動きベクトル検出部4と符号化処理部5との間にバッファ6を設け、ベクトル検出部4から出力されるベクトル値を一旦バッファリングして速度変換してから符号化処理部5へ渡すようにすれば、図5(7)の符号化スケジュールに示す如く、1段目検出区間のデッドゾーンを隠蔽し、符号化処理区間を引き伸ばすことが可能となる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る動画像符号化方法及び装置によれば、層的動きベクトル処理方法を適用したリアルタイムエンコーダのメモリアクセス効率を改善することが可能となり、製品の競争力向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る動画像符号化方法を実施する装置の構成例(1)を示したブロック図である。
【図2】本発明による階層的動きベクトル検出処理スケジュールを示した図である。
【図3】本発明による動画像符号化処理スケジュール(1)を示したタイムチャート図である。
【図4】本発明に係る動画像符号化方法を実施する装置の構成例(2)を示したブロック図である。
【図5】本発明による動画像符号化処理スケジュール(2)を示したタイムチャート図である。
【図6】階層的動きベクトル検出方法を説明するための概念図である。
【図7】一般的な1チップビデオエンコーダの構成例を示したブロック図である。
【図8】従来の技術による動画像符号化装置の構成例を示したブロック図である。
【図9】1段目参照画の連続読み込み領域を説明するためのブロック図である。
【図10】1画面内のマクロブロックの符号化順序を示す図である。
【図11】1段目処理と2段目処理の画面上による位置付けを説明するためのブロック図である。
【図12】従来の技術による階層的動きベクトル検出処理スケジュールを示した図である。
【符号の説明】
1:前処理部
2:フィルタ・間引き処理部
3:フレームメモリ(SDRAM)
4:動きベクトル検出処理部
41:原画RAM
42:参照画RAM
43:演算器
44:判定部
5:符号化処理部
6:バッファメモリ
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (6)

  1. 階層的動きベクトル検出処理を行う動画像符号化方法において、
    入力画像をフレームメモリに格納すると共に、該入力画像に対してフィルタ・間引き処理を行った縮小画像を該フレームメモリに格納し、
    該フレームメモリに格納された縮小画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの横一列分のマクロブロックに対して連続して動きベクトル検出を行う1段目処理と、該フレームメモリに格納された入力画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの上記1段目処理の結果から動きベクトルが検出された縮小画像のマクロブロックの位置に対応するマクロブロックに対して連続して動きベクトルの検出を行う2段目処理とを交互に繰り返し動きベクトルの検出を行う事を特徴とした動画像符号化方法。
  2. 請求項1おいて、
    処理の区間内で符号化速度調節用のスタッフ処理を行い、該2段目処理の区間内で符号化処理を行うことを特徴とした動画像符号化方法。
  3. 請求項1又は2において、
    隣接する該処理の間に符号化処理を非同期で行うことを特徴とした動画像符号化方法。
  4. 階層的動きベクトル検出処理を行う動画像符号化装置において、
    入力画像をフレームメモリに格納すると共に、該入力画像に対してフィルタ・間引き処理を行った縮小画像を該フレームメモリに格納する手段と、
    該フレームメモリに格納された縮小画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの横一列分のマクロブロックに対して連続して動きベクトル検出を行う1段目処理と、該フレームメモリに格納された入力画像の1画面を構成する複数のマクロブロックの上記1段目処理の結果から動きベクトルが検出された縮小画像のマクロブロックの位置に対応するマクロブロックに対して連続して動きベクトルの検出を行う2段目処理とを交互に繰り返し動きベクトルの検出を行う手段と、
    を備えた事を特徴とした動画像符号化装置。
  5. 請求項において、
    処理の区間内で符号化速度調整用のスタッフ処理を行い、第2段目処理の区間で符号化処理を行符号化処理部をさらに備えたことを特徴とした動画像符号化装置。
  6. 請求項又はにおいて、
    隣接する該処理の間に符号化処理を非同期で行うためのバッファメモリを備えたことを特徴とする動画像符号化装置。
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