JP4412672B2 - 補間された画素値を修正する方法 - Google Patents

補間された画素値を修正する方法

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Description

本発明は、動画像圧縮システムに関し、特に、動画像ピクチャ内の画素・ブロックの予測符号化値を決定する際に、補間画素値を計算する方法に関する。

リアルタイムで動くピクチャの伝送は、いくつかのアプリケーションで用いられている。例えば、テレビ会議、ネット・ミーティング、テレビ放送、テレビ電話である。

しかし、動くピクチャを表示することは大量の情報を必要とする。これは、デジタル動画像が、通常8ビット(1バイト)でピクチャ内の各画素を表すことにより記述されるからである。このような圧縮前の動画像データは大量のビット容量となり、従来の通信ネットワーク/伝送ラインを介してリアルタイムで伝送することはできない。帯域が限られているからである。

かくして、リアルタイムで動画像を伝送するには、大幅なデータ圧縮が必要である。しかし、データ圧縮は、ピクチャの品質と妥協して行われる。それ故に、多大な努力が圧縮技術を開発するためになされている。これにより高品質の動画像のリアルタイムの伝送が、帯域が限られたデータ接続を介しても可能となる。

動画像圧縮システムの主要な目的は、できるだけ少ない容量で動画像情報を表すことである。容量は、ビットで定義され、定数値としてあるいはビット/時間単位として定義される。両方の場合とも目的はビット数を減らすことである。

最も一般的な動画像符号化方法は、MPEG*とH.26*標準に記載されている。これらは、前に符号化し復号したピクチャからの予測に基づいたブロックを用いている。

動画像データは、伝送前に4つの主要なプロセスで処理される。すなわち、予測符号化と、変換と、量子化と、エントロピー符号化である。

予測符号化プロセスは、伝送すべき動画像シーケンス内の各ピクチャに必要とされるビット数を大幅に減らすことができる。この予測符号化方法は、シーケンスの一部と他の部分との類似性を利用している。予測符号化器部分は、符号化器と復号器の両方にとって公知であり、差分のみが伝送される。この差分は通常その表示よりも遙かに少ない容量でよい。予測符号化は、主に前に再構成されたピクチャからのピクチャ・コンテンツに基づいて行われる。このコンテンツの場所は、動きベクトルにより規定される。

通常の動画像シーケンスにおいては、現在のブロックMのコンテンツは、前に復号したピクチャの対応するブロックに類似している。前の復号されたピクチャからの変化がない場合には、ブロックMのコンテンツは、前に復号したピクチャの同一位置のブロックに等しい。他の場合には、ピクチャ内のオブジェクトを、ブロックMのコンテンツが前に復号したピクチャの別の位置のブロックに等しくなるよう、移動させる。このような移動は、動きベクトル(V)で表される。例えば(3;4)の動きベクトルは、ブロックMのコンテンツは、前に復号したピクチャから3画素分左に、4画素分上方に動かすことを意味する。

ブロックに関連する動きベクトル(motion vector)は、動きサーチ(motion search)を実行することにより決定される。この動きサーチは、ブロックのコンテンツを、異なる空間的オフセットの前のピクチャ内のブロックと逐次比較することにより行われる。現在のブロックに比較して最もマッチする比較ブロックに対する現在のブロックのオフセット(量)は、関連する動きベクトルとして、決定される。

H.262、H263、MPEG1、MPEG2においては、同一のコンセプトが拡張され、動きベクトルは1/2画素値も採ることができる。5.5のベクトル成分は、動きは画素5個分と画素6個分の中間であることを意味する。より具体的には、予測符号化値は、5画素分の動きと6画素分の動きの平均値を採ることにより得られる。これは2−タップ・フィルタと称し、間にある画素の予測符号化値を得るために、2個の画素に対し演算を実行するためそう呼ばれる。この種の動きベクトルは、分数画素解像度あるいは分数動きベクトルを有するとも称する。全てのフィルタ演算はインパルス応答により決定できる。2個の画素を平均化する演算は、(1/2、1/2)のインパルス応答で表すことができる。同様に、4個の画素に対する平均化は、(1/4、1/4、1/4、1/4)のインパルス応答を意味する。

特に本発明の第1の態様によれば、本発明は、動画像符号化プロセスまたは復号プロセスに用いられ、動画像ピクチャ内の第1画素・ブロックの予測符号化を、前に復号化した動画像ピクチャ内の、第1画素・ブロックに対し空間オフセットを有する第2画素・ブロックから、動きベクトルの組内の1つの動きベクトルに従って、決定する際に、整数画素位置の間にある1/2位置画素と1/4位置画素の補間値を計算する方法において、本発明の方法は、(A) 丸め加算値を含む近隣の整数画素位置に対し、n−タップ・フィルタにより1/2位置画素値を計算するステップと、(B) 2個の隣り合う1/2位置画素値を平均化し、又は1個の隣の1/2位置画素値と1個の整数位置画素値とを平均化し、その後丸め演算あるいは切り捨て演算を実行して、1/4位置画素値を計算するステップとを有し、前記(A)ステップで、 前記1/4位置画素値の丸め演算あるいは切り捨て演算により導入された画素値内の誤差シフトを補償するために、1/2位置画素値と1/4位置画素値に正しいシフト量を導入するために、前記丸め加算値を調整する。


更に、本発明の第2の態様によれば、本発明は、動画像符号化プロセスまたは復号プロセスに用いられ、動画像ピクチャ内の第1画素・ブロックの予測符号化を、前に復号化した動画像ピクチャ内の、第1画素・ブロックに対し空間オフセットを有する第2画素・ブロックから、動きベクトルの組内の1つの動きベクトルに従って、決定する際に、整数画素位置の間にある1/2位置画素と1/4位置画素の補間値を計算する方法に関する。本発明の方法は、(A)丸め加算値を含む近隣の整数画素位置に対し、n−タップ・フィルタにより1/2位置画素値を計算するステップと、(B)2個の隣り合う1/2位置画素値を平均化し、その後丸め演算を実行することにより、1/4位置画素値を計算するステップと、(C) 第1表示または第2表示を、動きベクトルの組内のそれぞれの動きベクトルに割り当てるステップと、(D)前記動きベクトルに前記第1表示が割り当てられた場合には、第2画素ブロック内の補間値を計算する際、0.5の小数点部分をそれぞれ有する10進補間値を、対応する最も近くの小さい整数値に変換するステップと、(E)前記動きベクトルに前記第2表示が割り当てられた場合には、第2画素ブロック内の補間値を計算する際、0.5の小数点部分をそれぞれ有する10進補間値を、対応する最も近くの大きい整数値に変換するステップとを有する。

本発明は、H.264/AVCの符号化標準による画素動き補償の方法を使用することに関する。

新たな動画像圧縮標準が、ITUとISO/IECの間の共同作業として開発された。2つの標準化団体の共通標準の公式名称は、「ITU-T Recommendation H.264」および「ISO/IEC MPEG-4 (Part 10) Advanced Video Coding」である。以下の説明においては、この共通の標準をH.264/AVCとして参照する。

H.264/AVCにおいては、符号化方法は、各補間に対する動きの解像度と画素数の両方の観点から改善されている。この方法は、最大1/4画素精度を有する動き補償予測符号化を用いる。1/8画素の精度さえも規定されているが、これは、如何なるプロファイル(圧縮符号化機能)にも含まれていない。整数画素位置と小数点以下(分数)の画素位置は、以下で表される(単純化のために、補間は、A、E、U、Yの間でのみ示される)。

A、E、U、Yの位置は、整数画素位置を表し、A’’、E’、A’、E’’は、A−Eラインの追加の整数位置を表す。c、k、m、o、wは、半分(1/2)の画素位置を表す。これらの位置の補間された値は、整数画素値に対し演算するインパルス応答(1/32、−5/32、20/32、20/32、−5/32、1/32)の6−タップ・フィルタを用いて得られる。例えば、cは以下の式により計算できる。

分母は、データ処理に適した平均化演算を行うために32を選択した。32で割ることは、単純なシフト演算により容易に実行できる。右側へのシフト演算は、データシフトレジスタ内の切り捨てを意味する。その結果、最下位ビットは、レジスターから落ちる。デジタルデータ処理における切り捨て(truncation)ではなく、丸め(rounding)演算を行うために、従来どうり、0.5の丸め加算がこの演算に含まれる。このことは、右側へのシフト演算の前に、16を加えることを意味する。

別法として、4−タップ・フィルタも以下の式を用いて補間値を計算できる。

フィルタは、適宜水平方向あるいは垂直方向に動作する。さらに、表1のmに対する値を得るために、フィルタは、整数値に対しては作用させず、他の方向の既に補間された値に対し作用させる。上記に示した四角の中の残りの位置は、整数画素位置と近傍の1/2画素位置をそれぞれ平均化することにより(2−タップ・フィルタで)得られる。

補間の全ての計算により、少数点以下を含む10進数値が得られる。すなわち、小数部分を有する値である。通常、小数部分が均一に分布している場合には、最も近い整数への変換は、全体的なオフセットエラーを導入することはない。しかし、多くの場合、2−タップ・フィルタを1/4画素位置の計算に用いる時には、全ての10進数値は、0.5の小数部分を有する。通常の丸め演算をこれらの10進数値に適用すると、全てが切り上げられる。上記した画素の表示式を参照すると、A=100、c=101ならば、b=101である。

既に上記したように、H.264/AVCにおいては、1/4位置の画素は、2個の位置の平均として得られ、これらの位置は、整数位置画素あるいは1/2位置画素である。これらの画素の値が整数であると、正確な計算値は、整数あるいは0.5の少数部分を有する。この0.5の値を、「切り上げ」あるいは「切り捨て」により、計算された予測符号化値のポジティブまたはネガティブな丸めオフセットが得られる。この丸めオフセットは、予測符号化エラーを導入してしまう。この丸めオフセットは、実際のピクチャとそれに関連する予測符号化値との間の差分に対する「期待されたアド・オン(expected add-on)」を表す。この期待されたアド・オンは、符号化ゲインの目立った損失となる。これは、より大きな差分はより大きなビット量の伝送を必要とするからである。同様に、切り捨てもまた、同様なネガティブなオフセットとなる。

本発明によれば、上記の丸めオフセットは、1/2位置画素の計算結果を、適宜シフトアップするか、あるいはシフトダウンすることにより(1/4位置画素が切り上げられるか、又は切り捨てられるかによって)、減らすことができる。

本発明の一実施例においては、これは、若干のネガティブ又はポジティブのシフトを1/2位置画素の計算に際し導入することにより実行でき、2個の1/2位置画素値(あるいは、1個の整数位置画素と1個の1/2画素位置)の平均を丸める際あるいは切り捨てる際に導入される上記のポジティブ又はネガティブの丸めオフセットを補償(相殺)できる。

従って、1/2位置画素値の計算式を修正しなければならない。

従来技術によれば、1/4位置画素値は、通常切り上げられる。このことは、ポジティブの丸めオフセットを意味する。これは、以下の場合には当てはまるとされる。

1/2位置画素値の計算式の修正はさまざまな方法で実行されるが、経験的には、この補償(相殺)は、上記の計算式に加えられる丸め加算値(rouding additional value)を減らすことにより得られる。これは1/2位置画素の全体値を小さくする。その結果、丸め加算値の適正な減少は、1/4位置画素の丸め誤差をバランスさせるが、これは、1/4位置画素値が小さくなった1/2位置画素値から計算されているからである。経験則によれば、丸め加算値の適正な減少は、16/32から6/32へと小さくする。4−タップ・フィルタの場合には、この丸め加算値は、4/8から1/8に減少する。

本発明の他の実施例においては、上記の丸めオフセットは、0.5の小数点以下の部分を有する値に対し、最も近くの大きい整数値と小さい整数値に交互に変換することにより、少なくできる。

例えば、本発明の結果は、ある場合においては、100と101の間の平均は、100に変換され、別の場合には101に変換されるが、これは、ある補間された画素位置に対し規定された規則に依存する。

どの補間された画素位置を、上方(大きい整数値)に変換するか、あるいは下方(小さい整数値)に変換するか(以下0.5変換と称する)の決定は、さまざまな方法で実行できる。しかし、好ましいのは、同一の動きベクトルに対しては、ブロック内の各画素に対したは、同一の0.5変換を用いることである。経験則によれば、ブロック内で0.5の変換を交互に行うことは高周波数成分を導入し、これは、通常より大きなビットの使用につながる。

かくして、本発明の好ましい実施例においては、0.5変換は、各動きベクトル値に割り当てられるが、0.5変換は隣り合う動きベクトルの間で変わってもよい。かくして、画素値にオフセットを引き起こす一方向への丸めが回避される。

さらに好ましい実施例を説明するために、動きサーチ(motion search)を画素のあるブロックに対し実行することを考える。動きサーチにおいては、ブロックは、現在のブロックに対し異なる空間的にオフセットした前のピクチャ内のブロックのコンテンツと逐次比較される。これらのオフセットは、それぞれの動きベクトルに関連付けられる。例えば、(0、1/4)の動きベクトルは、現在のブロックを、垂直方向に1/4位置だけシフトした前のピクチャ内のブロックと比較することに相当する。シフトされたブロック内の0.5の小数点を有する全ての平均値は、問題となっている動きベクトルがどの種類の0.5変換に割り当てられるかによって、上方向あるいは下方向のいずれかに変換される。かくして、ブロックの予測符号化値の0.5変換の種類は、好ましい実施例においては、行われた予測符号化が基づいた前のピクチャのブロックに対する位置と、対応する動きベクトルの0.5変換割り当てに依存する。

さらにまた、近接する動きベクトルの間の0.5変換内に、高程度のシフトがあるのが好ましいと考えられている。その理由の1つは、通常のエンコーダ(符号化器)は、ベクトル位置の小局部領域内において、最終ベクトルサーチを実行するからである。この最終サーチの間、テストされたベクトル位置は、0.5の少数部分を上方向と下方向に変換する合理的な混合(mixture)を表すのが好ましい。

0.5変換の割り当てルールは変わってもよい。最も単純な方法は、動きベクトル面で0.5変換のタイプを分散させる固定パターンを有することである。これを次に示す。この方法においては、各1/4画素ベクトル位置は、「アップ(up)」と「ダウン(down)」の表示の1つに割り当てられる。これは、0.5の小数点以下を有する10進数に最も近い整数に向けて、上方向あるいは下方向に変換することである。下記の表中、大文字は整数位置を表し、小文字は1/2画素位置を表す。この場合、1/2画素位置は、如何なる表示も有しないが、その理由は、効果はあまりないと考えられるからである。

ここに示したパターンは単なる実施例で、他のパターンも用いることができる。

0.5変換の固定パターンに対する別のパターンは、0.5変換の別の動きベクトルへの割り当てをランダムにあるいは疑似ランダムに規定することである。これは、エンコーダ(符号化器)とデコーダ(復号器)がどの1/4画素位置が上方向に変換され、あるいは下方向に変換されるかを演繹することができるように規定するプロセスである。このプロセスは、エンコーダとデコーダの両方に既知のピクチャデータに依存する。このようなデータは、ブロック・ナンバリングと動きベクトル値と符号化モードである(しかしこれに限定されない)。データは、動きベクトル面に対する0.5変換を交互に割り当てる疑似ランダムパターンを決定するプロセジャに入力される。

固定パターンに対するさらに別の例は、予め規定しないパターンである。このパターンは、伝送時にエンコーダからデコーダへ通信される。この場合この目的専用のデータ量を限定し、符号化効率と妥協することのないようにすることが好ましい。

補間値の小数点以下の部分は、さまざまな値をとる可能性がある。例えば、1/2画素位置に対し上記の6−タップ・フィルタを用いる時には、0.5の小数点以下の部分が時々しか発生せず、通常これは、0.5変換が適用されるのに対し大差はない。他方で、2個の画素間を平均化するときは、これは1/4画素位置の場合であるが、0.5の小数点以下の部分は、通常事象の半分程度発生する。0.5変換を行うことの差は、それ故に遙かに大きく、本発明は、1/4画素位置の計算に対し、最も有効である。

本発明の利点は、バイアスされた丸め演算により導入されたオフセットを取り除くことであり、これにより、符号化効率を向上させることができる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (6)

  1. 動画像符号化プロセスまたは復号プロセスに用いられ、動画像ピクチャ内の第1画素・ブロックの予測符号化値を、前に復号化した動画像ピクチャ内の、第1画素・ブロックに対し空間オフセットを有する第2画素・ブロックから、動きベクトルの組内の1つの動きベクトルに従って、決定する際に、整数画素位置の間にある1/2位置画素と1/4位置画素の補間値を計算する方法において、
    (A) 丸め加算値を含む近隣の整数画素位置に対し、nタップ・フィルタにより1/2位置画素値を計算するステップと、
    (B) 2個の隣り合う1/2位置画素値を平均化し、又は1個の隣の1/2位置画素値と1個の整数位置画素値とを平均化し、その後丸め演算あるいは切り捨て演算を実行して、1/4位置画素値を計算するステップと、
    を有し、
    前記(A)ステップにおいて、前記1/4位置画素値の丸め演算あるいは切り捨て演算により導入された画素値内の誤差シフトを補償するために、1/2位置画素値と1/4位置画素値に正しいシフト量を導入するために、前記丸め加算値を調整する
    ことを特徴とする補間された画素値を修正する方法。
  2. 前記nタップ・フィルタは、6タップ・フィルタである
    ことを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記6タップ・フィルタは、(1/32、−5/32、20/32、20/32、−5/32、1/32)のインパルス応答を有し、
    前記丸め加算値は、6/32である
    ことを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 前記nタップ・フィルタは、4タップ・フィルタである
    ことを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 前記タップ・フィルタは、(−1/8、5/8、5/8、−1/8)のインパルス応答を有し、
    前記丸め加算値は、1/8である
    ことを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. 前記動画像ピクチャは、H.264/AVCの符号化標準に従って符号化される
    ことを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の方法。
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