JP4348209B2 - 画像符号化方法および画像復号化方法 - Google Patents
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Description
ここで、MPEG(Moving Picture Experts Group)とは、ISO/IEC(国際標準化機構 国際電気標準会議)で標準化された動画像信号圧縮の国際規格であり、MPEG-1は、動画像信号を1.5Mbit/sまで、つまりテレビ信号の情報を約100分の1にまで圧縮する規格である。また、MPEG-1規格では対象とする品質を伝送速度が主として約1.5Mbit/sで実現できる程度の中程度の品質としたことから、さらなる高画質化の要求をみたすべく規格化されたMPEG-2では、動画像信号を2〜15Mbit/sでTV放送品質を実現する。さらに現状では、MPEG-1、MPEG-2と標準化を進めてきた作業グループ(ISO/IEC JTC1/SC29/WG11) によって、MPEG-1、MPEG-2を上回る圧縮率を達成し、更に物体単位で符号化・復号化・操作を可能とし、マルチメディア時代に必要な新しい機能を実現するMPEG-4が規格化された。MPEG-4では、当初、低ビットレートの符号化方法の標準化を目指して進められたが、現在はインタレース画像や高ビットレートも含む、より汎用的な符号化に拡張されている。更に、現在は、ISO/IECとITU-Tが共同でより高圧縮率の次世代画像符号化方式として、MPEG-4 AVCおよびITU-T H.264 の標準化活動が進んでいる。
図1はビットストリームのデータ構造の例を示した説明図である。図1に示すようにビットストリームは以下のような階層構造を有している。ビットストリーム(Stream)は複数のグループ・オブ・ピクチャ(Group Of Picture)から構成されており、これを符号化処理の基本単位とすることで動画像の編集やランダムアクセスが可能になっている。グループ・オブ・ピクチャは、複数のピクチャから構成され、各ピクチャは、Iピクチャ、Pピクチャ又はBピクチャがある。各ピクチャはさらに複数のスライスから構成されている。スライスは、各ピクチャ内の帯状の領域であり、複数のマクロブロックから構成されている。ストリーム、GOP、ピクチャおよびスライスはさらにそれぞれの単位の区切りを示す同期信号(sync)と当該単位に共通のデータであるヘッダ(header)から構成されている。
可変長符号化部VLCは量子化値Qcoef、参照インデックスIndexおよび動きベクトルMVを可変長符号化して符号化ストリームStrとする。
可変長復号化部VLDは符号化ストリームStrを復号化し、量子化値Qcoef、参照インデックスIndexおよび動きベクトルMVを出力する。量子化値Qcoef、参照インデックスIndexおよび動きベクトルMVは、ピクチャメモリPicMem、動き補償部MCおよび逆量子化部IQに入力され復号化処理が行われる。その動作は図2の従来の画像符号化装置における復号動作と同じである。
ITU-T Rec. H.264 | ISO/IEC 14496-10 AVC Joint Final Committee Draft of Joint Video Specification (2002-8-10)
より詳しく言うと、従来の画像符号化装置では、直交変換の単位となるブロックサイズとして、固定の大きさの直交変換サイズを使用している。そのため、解像度の高い画像から小さい画像まで、輝度や色の変化の多い画像から小さい画像までの様々なコンテンツの画像に対して高圧縮率を実現することは困難である。というのは、直交変換サイズは、例えばMPEG-1やMPEG-2、MPEG-4では8x8画素であり、MPEG-4 AVCすなわちITU-T H.264では4x4単位である。この点、解像度の低い画像に比べて解像度の高い画像(HDTV等)は、画素間の相関が強く且つCRT等の表示デバイスの画素間の密度も高いことから、直交変換サイズを大きくすることが望ましいと考えられる。更に、扱うコンテンツの高周波数成分が少ない場合には直交変換サイズが大きい方が望ましく、高周波数成分が多い場合には直交変換サイズは小さい方が望ましい場合が多いと考えられる。
この目的を達成するため、本発明の画像符号化方法は、画像データをブロック単位で符号化する画像符号化方法であって、直交変換すべきブロックの直交変換サイズとして、第1のサイズ又は第2のサイズの中から1つを選択する選択ステップと、前記選択された直交変換サイズを単位にブロックを直交変換して変換係数を得る変換ステップと、前記選択された直交変換サイズに一致した量子化マトリクスを用いて、前記変換係数を量子化するステップと、量子化された変換係数を可変長符号化し、符号列として出力する可変長符号化ステップとを含み、前記可変長符号化ステップでは、更に、前記画像データの所定単位に含まれるすべての直交変換すべきブロックの直交変換サイズが前記第1のサイズのみであるか、又は、前記第1のサイズと前記第2のサイズとが混在しているかを示すサイズ情報を前記符号列に含めることを特徴とする。
ここで、前記サイズ情報は、前記符号列の所定区間において前記サイズが固定であるか否かを示すようにしてもよい。また、前記所定区間は、シーケンス、グループ・オブ・ピクチャ、ピクチャ、スライスおよびマクロブロックの何れかとしてもよい。
この構成によれば、重みマトリクスが、直交変換された周波数成分を量子化する際に各周波数成分ごとに量子化ステップの大きさを重み付けにより変更する。第1のサイズと第2のサイズとでサイズに応じた重みマトリクスが使用されることにより、符号化効率を更に向上させることができる。
この構成によれば、第1サイズと第2サイズの選択を、符号列のビットレート、ピクチャの解像度および外部からの指示の何れかに応じて柔軟に行うことができる。
また、本発明の画像符号化装置、画像復号化装置、そのためのプログラムについても同様の効果がある。
<画像符号化装置>
図4は、本発明の実施の形態における画像符号化装置の構成を示すブロック図である。同図において、画像符号化装置1は、決定部De、動き検出部ME、動き補償部MC、減算部Sub、直交変換部T1、量子化部Q1、逆量子化部IQ1、逆直交変換部IT1、加算部Add、ピクチャメモリPicMem、スイッチSW、および可変長符号化部VLC1を備える。
第1の例として、決定部Deは符号化対象の画像の解像度が第1のしきい値以上である場合は第2のサイズを選択し、小さい場合は第1のサイズを選択する。第1のしきい値は、HDTVの解像度等でよい。
第3の例として、決定部Deは、以前の直交変換結果から高周波成分の多さを判断し、高周波成分が第3のしきい値よりも多い場合は第2のサイズを選択し、少ない場合は第1のサイズを選択する。つまり、高周波成分の多さの判断は、n次よりも高次の周波数係数の個数や大きさをカウントすればよい。また、第3のしきい値は、画質等に応じて予め定めた値でよい。
減算部Subは、図5(a)〜図5(g)に示した動き補償サイズの中から選択された動き補償サイズを有するブロック単位で、画像信号Vin と予測画像との差分を予測誤差として計算し、直交変換部T1に出力する。
逆直交変換部IT1は、逆量子化部IQ1からの周波数係数ブロックを予測誤差に逆周波数変換し、加算部Addに出力する。つまり、逆直交変換のサイズは、決定部Deから入力される直交変換サイズTsizeのブロック単位に、直交変換部T1と逆の処理を行う。
スイッチSWは、当該復号化画像の保存が指示された場合にONになり、復号化画像はピクチャメモリPicMemに保存される。
動き検出部MEは、画像信号Vin がマクロブロック単位で入力され、ピクチャメモリPicMemに格納されている復号化画像を探索対象とし、最も入力画像信号に近い画像領域を検出することによってその位置を指し示す動きベクトルMVを決定する。この動きベクトルの検出はマクロブロックをさらに分割したブロック単位で行われる。このとき、複数のピクチャを参照ピクチャとして使用することができる。動きベクトル検出に用いられた参照ピクチャは、識別番号(参照インデックスIndex)により指定される。参照インデックスIndexによって、ピクチャメモリPicMem中の各ピクチャが有するピクチャ番号は参照インデックスと対応付けされている。
可変長符号化部VLC1は、量子化値Qcoef、参照インデックスIndexおよび動きベクトルMVを可変長符号化して符号化ストリームStrとして出力する。その際、可変長符号化部VLC1は、直交変換サイズTsizeに基づいてサイズ情報TsizeFlagを生成し、サイズ情報TsizeFlagと、重みマトリクスWmatrixとを符号化する。この重みマトリクスWmatrixには、8x8直交変換に対応する重みマトリクスW8matと4x4直交変換用重みマトリクスW4matとがある。
判定結果が8x8のみである場合には、可変長符号化部VLC1は、当該GOPにおける直交変換ブロックが8x8のみであることを示すサイズ情報TsizeFlagを符号化し(S13)、8x8の重みマトリクスW8matを符号化する(S14)。この場合の符号列strの例を図10(b)に示す。
判定結果が4x4のみでも8x8でもない場合には(つまり両者が混在している場合には)、可変長符号化部VLC1は、当該GOPにおける直交変換ブロックが4x4のみでも8x8のみでもないことを示すサイズ情報TsizeFlagを符号化し(S17)、4x4の重みマトリクスW4matおよび8x8の重みマトリクスW8matを符号化する(S18)。この場合の符号列strの例を図10(a)に示す。なお、この場合可変長符号化部VLC1は、マクロブロック毎の直交変換サイズTsizeが第1のサイズであるか第2のサイズであるかを復号装置に知らせるために、マクロブロック毎に直交変換サイズTsizeを含めるように符号化することが望ましい。
図11(a)は第1のサイズと第2のサイズとが所定区間で混在する場合の符号列の構造を示し、ヘッダ部(対象ピクチャに先立って)で両方の直交変換サイズが混在することを示すサイズ情報TsizeFlagとそれにひきつづき8x8直交変換用重みマトリクスW8matと4x4直交変換用重みマトリクスW4matが符号化されている。8x8直交変換用重みマトリクスW8matと4x4直交変換用重みマトリクスW4matの順序はこの順序に限らず、逆の順序で配置することに決めても構わない。図11(b)は所定区間で第2のサイズのみが直交変換で使用される場合の符号列の構造を示し、ヘッダ部(対象ピクチャに先立って)で8x8直交変換サイズであることを示すサイズ情報TsizeFlagとそれにひきつづき8x8直交変換用重みマトリクスW8matが符号化されている。図11(c)は4x4単位直交変換のみが使用される場合の符号列の構造を示し、ヘッダ部(対象ピクチャに先立って)で4x4直交変換サイズであることを示すサイズ情報TsizeFlagとそれにひきつづき4x4直交変換用重みマトリクスW4matを符号化する。
(1) 図12は、図8に示した画像符号化処理の変形例を示すフローチャートである。同図では、サイズ情報TsizeFlagが上記の(B)と(C)の区別を示す場合の符号化処理を示している。図8と同じ処理内容のステップには同じステップ番号を付してある。このようにすればサイズ情報TsizeFlagは、上述の所定区間において直交変換サイズが4x4画素に固定であるか否かを示すことになり、1ビットで表すことができる。
(2)重みマトリクスW8matと重みマトリクスW4matは、個々に最適な値が設定されることが望ましい。ただし、決定部Deが重みマトリクスWmatrixをストリーム単位もしくはピクチャ単位で決定する場合には、重みマトリクスW8matから重みマトリクスW4matを導出したり、逆に重みマトリクスW4matから重みマトリクスW8mat導出するようにしてもよい。
図13は、重みマトリクスW8matから重みマトリクスW4matを導出する場合の画像符号化処理を示すフローチャートである。同図は、図8と比較してステップS19が追加されている。同じ処理内容のステップには同じステップ番号を付してあるので説明を省略し、異なる点のみ説明する。ステップS19において可変長符号化部VLC1は、8x8単位の重みマトリクスから4x4単位の重みマトリクスW4matを下記のよう導出し、符号化する。
なお、直交変換部T1も、重みマトリクスW4matを同様に導出して直交変換に用いる。
また、可変長符号化部VLC1は、導出された4x4単位の重みマトリクスW4matの符号化を省略してもよい。
また、量子化部Q1および逆量子化部IQ1は、同じ直交変換サイズであっても、画面内符号化の場合と画面間符号化で違う重みマトリクスを使用してもよい。更に、輝度信号と色差信号で違う重みマトリクスを使用しても良い。
更に、量子化部Q1および逆量子化部IQ1は、重みマトリクスが特に効果がある大きな直交変換サイズのみ(例えば第2のサイズ)重みマトリクスによる量子化マトリクスの重み付けを行い、他方(第1のサイズ)は重みマトリクスによる量子化マトリクスの重み付けをしないようにしてもよい。
図14は、本発明の実施の形態における画像復号化装置の構成を示すブロック図である。
符号化ストリームStrは可変長復号化部VLD1で復号化される。復号結果には、重みマトリクスWmatrixと直交変換サイズTsizeが含まれる。逆量子化部IQ1は、重みマトリクスWmatrixによって量子化マトリクスの重み付けを行い、重み付け後の量子化マトリクスを用いて逆量子化する。逆直交変換部IT1は、直交変換サイズTsizeに応じた逆直交変換を行う。その他の動作は図3の従来の画像復号化方法を実現する画像復号化装置のブロック図と同じである。
さらにここで、上記実施の形態で示した画像符号化方法および画像復号化方法の応用例とそれを用いたシステムを説明する。
このコンテンツ供給システムex100は、例えば、インターネットex101にインターネットサービスプロバイダex102および電話網ex104、および基地局ex107〜ex110を介して、コンピュータex111、PDA(personal digital assistant)ex112、カメラex113、携帯電話ex114、カメラ付きの携帯電話ex115などの各機器が接続される。
カメラex113はデジタルビデオカメラ等の動画撮影が可能な機器である。また、携帯電話は、PDC(Personal Digital Communications)方式、CDMA(Code Division Multiple Access)方式、W−CDMA(Wideband-Code Division Multiple Access)方式、若しくはGSM(Global System for Mobile Communications)方式の携帯電話機、またはPHS(Personal Handyphone System)等であり、何れでも構わない。
その一例として携帯電話について説明する。
携帯電話ex115は、CPU、ROM及びRAM等でなる主制御部ex311の制御に基づいて、音声通話モード時に音声入力部ex205で集音した音声信号を音声処理部ex305によってディジタル音声データに変換し、これを変復調回路部ex306でスペクトラム拡散処理し、送受信回路部ex301でディジタルアナログ変換処理及び周波数変換処理を施した後にアンテナex201を介して送信する。また携帯電話機ex115は、音声通話モード時にアンテナex201で受信した受信信号を増幅して周波数変換処理及びアナログディジタル変換処理を施し、変復調回路部ex306でスペクトラム逆拡散処理し、音声処理部ex305によってアナログ音声信号に変換した後、これを音声出力部ex208を介して出力する。
また、上記携帯電話ex114等の端末は、符号化器・復号化器を両方持つ送受信型の端末の他に、符号化器のみの送信端末、復号化器のみの受信端末の3通りの実装形式が考えられる。
ME 動き検出部
MC 動き補償部
Sub 減算部
T1 直交変換部
Q1 量子化部
IQ1、逆量子化部
IT1 逆直交変換部
Add 加算部
PicMem ピクチャメモリ
SW スイッチ
VLC1 可変長符号化部
Cs コンピュータ・システム
FD フレキシブルディスク
FDD フレキシブルディスクドライブ
Claims (9)
- 画像データをブロック単位で符号化する画像符号化方法であって、
直交変換すべきブロックの直交変換サイズとして、第1のサイズ又は第2のサイズの中から1つを選択する選択ステップと、
前記選択された直交変換サイズを単位にブロックを直交変換して変換係数を得る変換ステップと、
前記選択された直交変換サイズに一致した量子化マトリクスを用いて、前記変換係数を量子化するステップと、
量子化された変換係数を可変長符号化し、符号列として出力する可変長符号化ステップとを含み、
前記可変長符号化ステップでは、更に、前記画像データの所定単位に含まれるすべての直交変換すべきブロックの直交変換サイズが前記第1のサイズのみであるか、又は、前記第1のサイズと前記第2のサイズとが混在しているかを示すサイズ情報を前記符号列に含める、
ことを特徴とする画像符号化方法。 - 前記選択ステップでは、
前記直交変換すべきブロックが画面間符号化される場合に、動き補償ブロックサイズに基づいて前記直交変換サイズを選択する、
ことを特徴とする請求項1記載の画像符号化方法。 - 前記第1のサイズは前記第2のサイズより小さく、
前記選択ステップでは、前記動き補償ブロックサイズが前記第2のサイズより小さい場合に、前記直交変換サイズとして前記第1のサイズを選択する、
ことを特徴とする請求項2記載の画像符号化方法。 - 前記サイズ情報は、前記符号列のピクチャ単位毎に配置される、
ことを特徴とする請求項1記載の画像符号化方法。 - 前記第1のサイズは縦が4画素で横が4画素からなるブロックサイズを示し、前記第2のサイズは縦が8画素で横が8画素からなるブロックサイズを示す、
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の画像符号化方法。 - 画像データをブロック単位で復号化する画像復号化方法であって、
逆直交変換すべきブロックの逆直交変換サイズが第1のサイズ又は第2のサイズであるかを、符号列から導出するステップと、
前記符号列に含まれた符号化データを可変長復号し、ブロック単位の変換係数を得るステップと、
前記導出された逆直交変換サイズに一致した量子化マトリクスを用いて、前記変換係数を逆量子化するステップと、
前記導出された逆直交変換サイズを単位に、逆量子化された変換係数を逆直交変換する変換ステップとを含み、
前記導出ステップでは、前記符号列に含まれたサイズ情報に基づいて前記逆直交変換サイズを導出し、
前記サイズ情報は、前記画像データの所定単位に含まれる逆直交変換すべきブロックの逆直交変換サイズが第1のサイズのみであるか、又は、前記第1のサイズと前記第2のサイズとが混在しているかを示す情報である、
ことを特徴とする画像復号化方法。 - 前記導出ステップでは、
前記サイズ情報が、逆直交変換すべきブロックの逆直交変換サイズとして前記第1のサイズと前記第2のサイズとが混在していることを示す場合に、
前記逆直交変換すべきブロックを動き補償する際の、動き補償ブロックサイズに基づいて前記逆直交変換サイズを導出する、
ことを特徴とする請求項6に記載の画像復号化方法。 - 前記第1のサイズは前記第2のサイズより小さく、
前記導出ステップでは、
前記動き補償ブロックサイズが第2のサイズより小さい場合に、前記逆直交変換サイズとして前記第1のサイズを用いること、
を特徴とする請求項7記載の画像復号化方法。 - 画像データをブロック単位で復号化する画像復号化装置であって、
逆直交変換すべきブロックの逆直交変換サイズが第1のサイズ又は第2のサイズであるかを、符号列から導出する手段と、
前記符号列に含まれた符号化データを可変長復号し、ブロック単位の変換係数を得る手段と、
前記導出された逆直交変換サイズに一致した量子化マトリクスを用いて、前記変換係数を逆量子化する手段と、
前記導出された逆直交変換サイズを単位に、逆量子化された変換係数を逆直交変換する変換手段を備え、
前記導出手段は、前記符号列に含まれたサイズ情報に基づいて前記逆直交変換サイズを導出し、
前記サイズ情報は、前記画像データの所定単位に含まれる逆直交変換すべきブロックの逆直交変換サイズが第1のサイズのみであるか、又は、前記第1のサイズと前記第2のサイズとが混在しているかを示す情報である、
ことを特徴とする画像復号化装置。
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