JP3753371B2 - 動画像圧縮符号化レート制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は動画像圧縮符号化レート制御装置に関し、特に動画像を圧縮符号化する際に発生する情報量を、予め決められた範囲内に保つようにビットレート制御を行う、動画像圧縮符号化レート制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
まず、従来の動画像圧縮符号化レート制御装置の一例を、図4のブロック図を参照して説明する。
【0003】
動画像圧縮符号化レート制御装置は、図示されているように、画像入力をフレームスキップするフレームスキップ部1、該画像入力を一時的に蓄積する現フレームメモリ2、フレームスキップを行うスイッチング部3、動き補償部4、現画像信号と該動き補償部4からの動き補償予測信号とからイントラ、インター符号化の判定を行うモード判定部5、イントラ符号化の時オフ、インター符号化の時にオンとなるスイッチング部6、現画像信号から動き補償予測信号を減算して予測誤差信号を出力する減算器7、該予測誤差信号をDCT変換するDCT部8、量子化部9、可変長符号化(VLC)部10、および出力バッファ11を有している。
【0004】
また、復号側と同一の予測信号を用いるために、量子化部9で得られた量子化係数を逆量子化する逆量子化部12、逆DCT部13、該逆DCTされた信号に前記動き補償予測信号を加算して前記予測誤差信号を局所的に復号する加算器14、該加算器14の出力を蓄積する参照フレームメモリ15,および動きベクトルMVを検出する動き検出部16を有している。
【0005】
さらに、前記減算器7の出力である予測誤差信号、可変長符号化部10の出力、および出力バッファ11からの出力を入力とし、演算により圧縮符号化レートを求め、該圧縮符号化レート信号Qを前記量子化部9に出力して圧縮符号化レート制御を行う圧縮符号化レート制御部17を有している。該圧縮符号化レート制御部17は、フレーム間差分絶対値和(SAD)算出部17a、目標情報量T算出部17b、後述の(1)式を用いて量子化ステップサイズQを算出する量子化レート算出部17c、前記SAD算出部17aからのS値と前記量子化ステップサイズQと発生情報量RとからパラメータX1、X2を更新するX1、X2パラメータ更新部17d、およびフレームスキップ判定部17eから構成されている。
【0006】
前記した各構成の動作は既知であるので、以下では本発明と関連する圧縮符号化レート制御動作について、図5のフローチャートを参照して説明する。
【0007】
ステップS1では、前記スイッチング部6をオフにして、最初のフレームを予め設定した量子化ステップサイズQiで一様にイントラ(フレーム内)符号化する。ステップS2では、この最初のフレームの符号化が終了した段階で、1フレーム目で発生したビット数Rf、シーケンス全体の長さ(フレーム数)Ts、およびビットレートRsから、シーケンスの残りのフレームで使用できるビット数Rrを次の式で算出する。
Rr=Ts×Rs−Rf
【0008】
ステップS3では、出力バッファ11の初期化を行う。バッファサイズをBs、バッファ蓄積量をBとすると、初期バッファ蓄積量をBs/2にする。ステップS4では、この状態で、量子化ステップサイズQc=15とし、ステップS5で2フレーム目の符号化を行う。
【0009】
次に、ステップS6の判断を行い、この判断が否定の場合にはステップS7に進み、前記出力バッファ11のバッファ量の更新を行う。すなわち、まず、フレーム当たりの平均ビット数Rpを下式から算出する。
Rp=Rr/Nr
ここに、Nrはシーケンスの残りのフレーム数である。
【0010】
いま、前記ステップS5の符号化で発生したビット数をRcとすると、該符号化後のバッファ量Bは次のようになる。
B=B+(Rc−Rp)
【0011】
ステップS8では、残りのフレームに与えることのできるビット数Rrとシーケンスの残りのフレーム数Nrを、次式から求める。
Rr=Rr−Rc
Nr=Nr−1
【0012】
次に、ステップS9では、下記の(1)式の周知のレート−歪モデル関数のパラメータX1とX2を更新する。
R=X1×S/Q+X2×S/Q2 ・・・(1)
【0013】
ただし、Rは発生情報量、Sは符号化フレームの差分絶対値和(ただし、イントラ符号化の場合は画素絶対値和)、Qは量子化ステップサイズである。なお、最初は該パラメータX1とX2として適当な値を与える。また、前記(1)式は、量子化ステップサイズQの逆数の2次関数であることは明らかである。
【0014】
ステップS10では、出力バッファ破綻防止対策を行う。すなわち、符号化後、バッファ量が80%を超えていたら、80%以下となるように、フレームスキップ処理をする。なお、該フレームスキップ処理をした分だけ、シーケンスの残りのフレーム数Nrと、スキップ後のバッファ量Bを更新する。すなわち、Nrはスキップ枚数分減じられ、Bはスキップ中に排出されるデータ量だけ減じられる。
【0015】
ステップS11では、ステップS12における次フレームのターゲットビット数(目標情報量)Tを算出するための前段階として、フレーム間差分絶対値和S(SAD)を算出する。そして、ステップS12では、下記の(2)式から、次フレームの目標情報量Tを算出する。
T=max(Rs/30,Rr/Nr×0.95+S×0.05) ・・・(2)
【0016】
なお、上式の残りのフレームに与えることのできるビット数Rrは、Rr=Rr−Rcであるので、該Rrは前記(1)式を用いて求められることは明らかである。また、(2)式では、目標情報量Tはビット数一定の観点から決定され、SADは5%のみが目標情報量Tの決定に反映される。
【0017】
さらに、出力バッファの破綻防止に配慮して、ステップS13で、該目標情報量Tを下記の(3)式のように補正する。
T=T×{B+2(Bs−B)}/{2B+(Bs−B)} ・・・(3)
【0018】
しかしながら、もし(B+T)>0.9Bsが成立するなら、出力バッファ11のオーバフローを防止するために、次の(4)式を目標情報量Tとする。
T=max(Rs/30,0.9Bs−B) ・・・(4)
【0019】
一方、もし(B+T−Rp)<0.1Bsが成立するなら、出力バッファ11の枯渇を防止するために、次の(5)式を目標情報量Tとする。
T=Rp−B+0.1Bs ・・・(5)
【0020】
ステップS14では、該目標情報量Tを発生情報量Rとして前記(1)式を計算し、量子化ステップサイズQを求める。ステップS15では、該量子化ステップサイズQのクリッピングを行う。すなわち、発生情報量Rの急激な変動を抑えるために、該発生情報量Rの前フレームとの変動が25%を超えるような場合には、25%以内となるように量子化ステップサイズQをクリッピングする。次いで、ステップS5に進み、上記のようにして得られた新しい量子化ステップサイズQを用いて、次のフレームの符号化を実行する。なお、実際の発生情報量Rと、目標情報量Tとの差分は、出力バッファ11が吸収する。
【0021】
以上の処理を繰り返し行い、前記ステップS6の判断が肯定になると、符号化を終了する。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
従来の動画像圧縮符号化レート制御方式では、前記した説明から明らかなように、符号化シーケンスを通じて、予め次フレームの目標情報量Tおよび残りのフレーム数Nr(フレーム間隔)を決定した後、前記ステップS14で(1)式のレート−歪モデル関数を用いて、量子化ステップサイズQを算出し、符号化を行っている。
【0023】
しかしながら、前記の動画像圧縮符号化レート制御方式には、次のような問題がある。まず、符号化前の処理の問題点を説明する。
【0024】
前記次フレームの目標情報量Tは、前記(2)式から明らかなように、基本的には、事前に設定したフレームレート(Rs/30あるいはRr/Nr)に基づいて、均一に行われる。さらに、該フレームに割り当てる情報量Tは、前記(3)〜(5)式から明らかなように、現在のバッファ蓄積量Bに応じて、バッファ破綻を起こさないように調整されることになる。そして、次フレームの量子化ステップサイズQは、そのフレームに割り当てられる目標情報量Tを目指すように、前記(1)式により算出される。
【0025】
したがって、例えば、シーンチェンジ直後に、殆ど動きのない画像が入力してきた場合を考えると、シーチェンジとなるフレームは、割当て情報量T、すなわち発生情報量Rは他のフレームと同様で、かつフレーム間差分絶対値和Sが大きくなるため、前記(1)式に基づき大きな量子化ステップサイズQになり、画質が低下する。一方、該シーチェンジフレームに続く殆ど動きのない画像については、この画質の低下したフレームを参照フレームとして符号化が行われるため、本来発生情報量Rが少なくて済むところが、符号化の劣化によるフレーム間差分情報を符号化しなければならなくなり、発生情報量が多くなる。
【0026】
また、前記(2)式に示されているように、目標情報量Tは、符号化フレームの差分絶対値和S、すなわち符号化難易度Sを5%程度考慮に入れて決定されているものの、大部分(95%程度)は1フレーム当たりの平均割当てビット数(Rr/Nr)に依存しているため、シーンチェンジなどでは、追従性の点で問題がある。
【0027】
次に、符号化後の処理の問題点を説明する。前記(1)式による量子化パラメータで符号化した場合の実際の発生情報量Rと、目標情報量Tとの差分は、出力バッファ11が吸収することになる。
【0028】
出力バッファ11にオーバフローが起こりそうな場合には、符号化予定であったフレームを間引く(符号化しない)こととしている。このため、符号化を予定していたフレームレート単位でしかフレームスキップ制御ができないという問題がある。
【0029】
例えば、符号化フレームレートが10フレーム/秒であるとすると、バッファオーバフローを回避するためのフレームスキップは、100m秒単位で行わなければならず、通常の画像フレームの間隔である33.33m秒に比べて、制御の単位が大幅に粗くなるという問題があった。
【0030】
また、実際に発生した情報量と予め決定した符号化フレームレートとが両立できない場合、画像品質を落としてフレームレートを維持する方向で制御を行うのか、一方画像品質は維持してフレームレートを変動させる方向で制御をするのかといった、いわゆる「動き優先/画質優先」モードが盛り込まれていないという問題があった。
【0031】
本発明は、前記した従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、画像フレームの性質を十分に反映したビット数割当てが可能になり、かつ希望する「動き優先/画質優先」モードを選択できる動画像圧縮符号化レート制御装置を提供することにある。また、他の目的は、きめ細かくフレームスキップ制御を行うことのできる動画像圧縮符号化レート制御装置を提供することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、現フレームとその1つ前のフレームの動き補償フレームとの差分絶対値和(SAD)を演算する差分絶対値和演算部と、該現フレームに対する仮の目標情報量を、前記差分絶対値和を基に算出する目標情報量仮算出部と、前記仮の目標情報量に相当するフレーム間隔から基本フレーム間隔を減算することによりフレーム間隔変化分ΔTfを求め、該ΔTfを画質制御係数α(但し、0≦α≦1)で制御することにより、該画質制御係数αを反映したフレーム間隔(Tf)を算出するフレーム間隔算出部と、該フレーム間隔と予め定められているビットレートから、目標情報量を決定する目標情報量決定部とを具備した点に特徴がある。
【0033】
この特徴によれば、差分絶対値和(SAD)に応じて目標情報量が決定されるため、画像の特徴に最適なビット割当が可能になる。また、「動き優先/画質優先」を反映させた上で、事前にきめ細かくフレームレートの設定が可能になるため、画像の特徴および希望する動作の両方を満足する最適なビット割当ておよびフレームレート決定が可能になる。
【0034】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。なお、図4と同一の符号は同一または同等物を示し、動作説明は省略する。
【0035】
圧縮符号化レート制御部20は、フレーム間差分絶対値和(SAD)算出部21、BT(目標情報量)仮算出部22、フレーム間隔(Tf)算出部23、BT決定部24、Q(量子化ステップサイズ)算出部25およびX1、X2パラメータ更新部26から構成されている。
【0036】
また、画質制御係数(α)入力端子32が設けられ、ユーザによって設定された画質制御係数αが前記フレーム間隔算出部23に与えられる。後述の説明から明らかになるように、αは0≦α≦1であり、該αの値を選択することにより、「動き優先/画質優先」モードの選択ができる。
【0037】
次に、本実施形態の動作を、図2のフローチャートを参照して説明する。なお、図5と同一または同等の処理には図5と同じ符号を付け、詳細な説明は省略する。
【0038】
ステップS3では、出力バッファ11の初期化を行い、バッファサイズをBsとしたとき、初期バッファ蓄積量BをBs/2にする。次に、ステップS11では、前記減算器7から出力された動き補償予測誤差信号aから、SAD算出部21が、フレーム間差分絶対値和(SAD)を算出する。なお、イントラ符号化(フレーム内符号化)モードの場合は、画素絶対値和を算出する。
【0039】
次いで、ステップS21に進み、ステップS11で算出したSADから、次フレームに割り当てるターゲットビット数(目標情報量)BTを仮算出する。BTは、次の(6)式から算出される。
BT=f(SAD) ・・・(6)
ここに、関数f(SAD)は、SADの単調増加関数である。
【0040】
従来技術で説明した前記(2)式を導出する際に使用した前記(1)式においては、定数X1、X2、および変数Qが存在したが、本実施形態では(1)式は使用せず、次のように算出する。すなわち、設計段階で、ビットレート、基本フレームレート、および画像サイズの組み合わせを符号化モードと定義し、各符号化モードにおいて多様なテスト画像を用いて、量子化ステップサイズQを様々に変化させ、符号化画像の主観評価を行い、その結果得られるSADに対する視覚的に最適な目標情報量(ビット割当数)を求める。そして、該SADと目標情報量(ビット割当数)との関係を、符号化モード別にテーブルにして作成しておき、このテーブルを用いて目標情報量を算出する。
【0041】
図3は、多様なテスト画像を用いて前記のテストを行った時の、各符号化モード毎で、かつSADに対する視覚的に最適な目標情報量BTの分布図の概念図であり、パラメータとして符号化モードが取られ、また横軸にフレーム間差分絶対値和(SAD)、縦軸に目標情報量BTが取られている。
【0042】
基準の符号化モードとして、例えばビットレートBR=64kビット/秒、フレームレートFR=10フレーム/秒、および画像サイズ176mm×144mmを取ると、この時の各符号化モードに対する視覚的に最適な目標情報量BTの分布は図示のq0のようになり、この分布q0は、近似式であるBT0=a0・(SAD)+b0で代表することができる。また、例えばフレームレートFRを小さくすると、前記分布はq1のようになり、目標情報量BTが大となる。この分布q1は、近似式であるBT1=a1・(SAD)+b1で代表することができる。また、画像サイズを小(例えば、128mm×96mm)とすると、前記分布はq2のようになり、目標情報量BTがやや小になる。この分布q2は、BT2=a2・(SAD)+b2で代表することができる。さらに、ビットレートBRを小にすると、前記分布はq3のようになり、目標情報量BTが小になる。この分布q3は、BT3=a3・(SAD)+b3となる。ここに、a0〜a3、b0〜b3は定数である。
【0043】
以上のようにして、各符号化モード毎の目標情報量テーブルが作成される。前記したように、該目標情報量BTは、各符号化モード毎に,SADに関して単調増加関数になる。
【0044】
なお、その際、特開平9−168154号公報「動画像符号化方法及び装置」にあるような、背景分離手段と組み合わせる場合には、有意領域のみに対するSADを使用するのが好適である。
【0045】
ステップS22では、画質制御係数αを反映したフレーム間隔Tfを算出する。すなわち、基本フレームレートをFBとすると、符号化するフレーム間隔Tfbは、Tfb=1/FBで与えられる。この基本フレーム間隔に対する現画像のフレーム間隔変化分ΔTfは、ΔTf=(BT−Tfb×BR)/BRとなる。ここに、BRはビットレートである。
【0046】
次に、このフレームに対するフレーム間隔Tfは、次の(7)式で求められる。
Tf=Tfb+α・ΔTf ・・・(7)
ここに、画質制御係数αは0以上1以下の値である。該画質制御係数αは大きい程画質は維持され、与えられたレートに入りきらない分はフレームスキップされる。一方、該画質制御係数αは小さい程画質は変動し、フレーム間隔が基本値に維持されることになる。すなわち、該画質制御係数αの操作により、「動き優先/画質優先」モードの選択ができるようになる。これにより、希望する「動き優先/画質優先」モードを反映させた上で、きめ細かくフレームスキップ制御できるようになる。なお、前記したように、該画質制御係数αはユーザが自由に選択できるものである。
【0047】
次に、ステップS23では、このフレームに対するターゲットビット数(目標情報量)BTが、次の(8)式で決定される。
BT=Tf×BR ・・・(8)
【0048】
次に、ステップS13に進んで、目標情報量BTが下記のように補正される。
BT=BT×{B+2(Bs−B)}/{2B+(Bs−B)}
【0049】
ここで、もし(B+BT)>0.9Bsが成立するなら、出力バッファ11のオーバフローを防止するために、次の目標情報量BTとする。
BT=max(Rs/30,0.9Bs−B)
【0050】
一方、もし(B+BT−Rp)<0.1Bsが成立するなら、出力バッファ11の枯渇を防止するために、次の目標情報量BTとする。
BT=Rp−B+0.1Bs
ここで、残りの画像のフレーム当たりの平均ビット数Rpは、Rp=Tf×BRである。
【0051】
ステップS14では、該目標情報量BTを発生情報量Rとして前記(1)式を計算し、量子化ステップサイズQを求める。ステップS15では、該量子化ステップサイズQのクリッピングを従来方式と同様に行う。
【0052】
以降の処理は、前記した従来方式の処理と同じであるため、説明を省略する。
【0053】
本実施形態によれば、目標情報量BTを、符号化モードをパラメータとする前記目標情報量テーブル(SADの単調増加関数)を基に算出するようにしたので、すなわち画像の特徴に最適なビット割当を算出するようにしたので、発生情報量Rを精度良く予測できるようになる。このため、符号化後のフレームスキップが生じる頻度が極めて少なく(殆ど、0に)なる。
【0054】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1〜5の発明によれば、目標情報量BTを、従来装置のようにビット数一定の観点からではなく、現フレームとその1つ前のフレームの動き補償フレームとの差分絶対値和(SAD)に応じて決定するようにしているので、画像の特徴に最適な決定が可能になる。
【0055】
また、目標情報量BTの決定に、画質制御計数αを導入するようにしたので、選択された「動き優先/画質優先」を反映させた上で、事前にきめ細かくフレームレートの設定が可能になる。このため、画像の特徴、希望する動作の両方を満足する最適なビット数割当ておよびフレームレートの決定が可能になる。
【0056】
また、請求項5の発明によれば、さらに、イントラ符号化モードにおいても、画像の特徴に最適な目標情報量BTの決定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用される符号化装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図2】 本実施形態の要部の動作を示すフローチャートである。
【図3】 目標情報テーブルの説明図である。
【図4】 従来の符号化装置の構成を示すブロック図である。
【図5】 従来のレート制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
20・・・圧縮符号化レート制御部、21・・・フレーム間差分絶対値和(SAD)算出部、22・・・BT(目標情報量)仮算出部、23・・・フレーム間隔(Tf)算出部、24・・・BT決定部、25・・・Q(量子化ステップサイズ)算出部、26・・・X1、X2パラメータ更新部。
Claims (4)
- 現フレームとその1つ前のフレームの動き補償フレームとの差分絶対値和(SAD)を演算する差分絶対値和演算部と、
該現フレームに対する仮の目標情報量を、前記差分絶対値和を基に算出する目標情報量仮算出部と、
前記仮の目標情報量に相当するフレーム間隔から基本フレーム間隔を減算することによりフレーム間隔変化分ΔTfを求め、該ΔTfを画質制御係数α(但し、0≦α≦1)で制御することにより、該画質制御係数αを反映したフレーム間隔(Tf)を算出するフレーム間隔算出部と、
該フレーム間隔と予め定められているビットレートから、目標情報量を決定する目標情報量決定部とを具備したことを特徴とする動画像圧縮符号化レート制御装置。 - 前記目標情報量仮算出部は、少なくともビットレート、基本フレームレート、および画像サイズを含むこれらの組合せからなる符号化モード毎に求められた、現フレームとその1つ前のフレームの動き補償フレームとの差分絶対値和(SAD)と視覚的に最適な目標情報量の関係を予め求めておき、当該求められた関係から、前記仮の目標情報量を算出することを特徴とする請求項1に記載の動画像圧縮符号化レート制御装置。
- 前記関係は、前記差分絶対値和(SAD)の単調増加関数であることを特徴とする請求項2に記載の動画像圧縮符号化レート制御装置。
- 前記差分絶対値和演算部は、イントラモードフレームについては、現フレームの画素絶対値和を演算することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の動画像圧縮符号化レート制御装置。
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