JP4480156B2 - 画像処理装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、画像データを圧縮して記録する装置及び方法に関するものであり、特にMPEG4 part−10:AVC(ISO/IEC 14496−10、別名H.264)方式を用いて画像データを圧縮する装置及び方法に関する。
従来から、画像データを圧縮して記録する様々な方式が提案されている。そして、新たにMPEG4 part−10:AVC(ISO/IEC 14496−10、別名H.264)方式が提案されている。(以下、H.264方式と呼ぶ。)
まずH.264方式の圧縮手順について、図7を用いて説明する。図7において、入力された画像データは、マクロブロックに分けられ、差分器701で予測値との差分を求め、変換器702で整数DCT変換され、量子化器703で量子化され、その量子化されたデータは差分画像データとして715のエントロピー符号化に送られる。
他方、その量子化されたデータは、逆量子化器704で逆量子化され、逆変換器705で逆整数DCT変換され、加算器706で予測値を加えて画像を復元する。復元画像は、一方でイントラ予測のためのフレームメモリ707に送られ、他方でデブロッキングフィルタ709に供給され、デブロッキングフィルター処理を行われた後、インター予測のためのフレームメモリ710に送られる。
フレームメモリ707に格納されているイントラ予測のための画像は、イントラ予測回路708でイントラ予測のために用いられる。なお、イントラ予測では、同一ピクチャ内で、既に符号化されたブロックの隣接画素の値を予測値として用いる。
フレームメモリ710に格納されているインター予測のための画像は、後述するように、複数のピクチャで構成される。その予測用のピクチャは、list_0とlist_1の二つのリストに分けられていて、インター予測回路711においてインター予測のために用いられる。
そして、予測後はメモリコントローラ713によって、フレームメモリ710内の画像が更新される。なお、インター予測では、フレームの異なる画像データに対して、動き検出器712において動き検出を実行し、最適な動きベクトルを求める。そして、最適動きベクトルを用いて予測画像が決定される。イントラ予測とインター予測の結果、最適な予測が714で選択され、イントラ予測モードまたは予測ベクトルが、エントロピー符号化器(例えば、可変長符号化器)715に供給され、差分画像データと共に符号化されて、出力ビットストリームが形成される。以上がH.264方式の圧縮手順の概要であるが、その内容については標準規格書に詳しく開示されている。また、H.264の圧縮手順について開示したその他の先行文献も存在する(例えば、特許文献1参照。)。
次に、H.264のインター予測について、図8から図11を用いて詳細に説明する。H.264のインター予測では、複数のピクチャを予測に用いることができる。このため参照ピクチャを特定するためにリストを2つ(List_0及びList_1)用意して、各リストには最大5枚の参照ピクチャを割り当てられるようにしている。
PピクチャではList_0のみを使用して、主に前方向予測を行う。BピクチャではList_0及びList_1を用いて、双方向予測(または前方あるいは後方のみの予測)を行う。すなわち、List_0には主に前方向予測のためのピクチャが割り当てられ、List_1には主に後方向予測のためのピクチャが収められる。
ここで符号化の際の参照リストの例を図8に示す。図8において、801は表示順に並べた画像データを示し、四角の中にはピクチャの種類と表示順を示す番号を記入してある。I15は表示順が15番目のIピクチャであり、イントラ予測のみを行う。P18は表示順が18番目のPピクチャであり、前方向予測のみを行う。B16は表示順が16番目のBピクチャであり、双方向予測を行う。符号化を行う順序は表示順序と異なり、予測を行う順に符号化を行う。すなわち、図では、I15,P18,B16,B17,P21,B19,B20,,といった順になる。802は参照リスト(List_0)を示し、一旦符号化され復号化されたピクチャが収められている。例えば、P21のピクチャ(表示順が21番目のピクチャで、Pピクチャ)でインター予測を行う場合、リスト内の既に符号化が終わって復号化されたピクチャを参照する。この例では、P06,P09,P12,I15,P18がリストに収められている。インター予測では、マクロブロック毎に、このリスト中の参照ピクチャ内から最適な予測値をもつ動きベクトルを求め、符号化する。リスト内のピクチャは、参照ピクチャ番号が順に与えられ、区別される(図示した番号とは別に与えられる)。
P21の符号化が終わると、こんどは新たにP21が復号化され参照リストに追加される。参照リストからは、最も古い参照ピクチャ(ここではP06)がリストから除去される。符号化はこの後B19,B20と行われ、P24へと続く。この時の参照リストの様子を図9に示す。
さらに、図10は、参照リストの変化の様子を、各ピクチャ毎に示している。図10において、符号化されるピクチャ順に上から下へと、符号化中のピクチャとList_0及びList_1の内容を示している。
図10の様に、Pピクチャ(またはIピクチャ)が符号化されると、参照リストが更新され、リスト中の最も古いピクチャが除去されることになる。この例ではList_1は1つのピクチャしか持っていないが、これは後方参照を多くすると復号までのバッファ量が増えてしまうため、あまり離れた後方ピクチャの参照を避けたためである。
ここで挙げた例は、参照に用いるピクチャは、I及びPピクチャとし、I及びPピクチャは全て参照リストに順次加えている。
また、List_1では後方予測に使うピクチャは1ピクチャだけとしている。ただし、これは通常最もよく用いられるであろうピクチャの構成で、最も良く使用されるであろう一例に過ぎず、H.264自体は、参照リストの構成により高い自由度を持っている。例えば、全てのI及びPピクチャを参照リストに加える必要は無く、またBピクチャを参照に加えることも可能である。さらに、明示的に指示されるまで参照リストにとどまる長期参照リストも定義されている。図11にはP24のピクチャを、参照リストに使用しなかった場合の、参照リストの変化の様子を示している。
尚、図12は、H264のインター予測では16x16画素のマクロブロックをさらに細かいマクロブロック・パーティションに分割することができる様子を示している。分割したマクロブロック・パーティションは、それぞれに独立した参照ピクチャを参照し、動きベクトルを求めることができる。さらに、8x8のマクロブロック・パーティションについては、より細かいサブ・マクロブロック・パーティションに分割することができる。各サブ・マクロブロック・パーティションは、同一の参照ピクチャを参照するが、動きベクトルは独立して求められる。尚、上記特許文献1の図27にも、このように動き補償のブロックサイズを可変できる構成が開示されている。
特開2005−5844号公報
しかしながら、H.264の規格では、参照リストの構成、更新方法などを定義しているものの、どの参照ピクチャをいつ更新するかについては定められていない。このため参照リストの中で、参照されている頻度が高いピクチャであっても、単に古いピクチャであるという理由だけで更新の際に削除されてしまう可能性がある。
例えば、図13に示す様に、P21のピクチャを符号化する際、参照リスト中のP09ピクチャに異常があり(例えば、フラッシュ撮影された画像であった場合)、ほとんど予測に使われず、それより古いP06ピクチャの方が、より多く参照されている場合であっても、通常はリストの更新の際に最も古いP06が削除され、参照されにくいP09が残っていた。この場合、実質的に参照されるピクチャの数が参照リスト中に少なくなってしまい、符号化効率を最大に高めることができないという不都合がある。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、符号化効率をより高めることができる符号化方法及び装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明による画像処理装置は、異なるフレームの画像データを参照ピクチャとして予測符号化を行う画像処理装置であって、既に符号化されたフレームの復元画像を参照ピクチャとして、当該参照ピクチャのデータを複数フレーム分記憶可能なメモリ手段と、前記メモリ手段に記憶された複数の参照ピクチャを選択的に使用して、符号化対象ブロックの動き補償予測を行う予測手段と、前記メモリ手段に記憶された前記参照ピクチャの更新を制御するメモリ制御手段と、前記メモリ手段に記憶された各参照ピクチャが前記予測手段による動き補償予測に使用された回数を計測するカウンタ手段とを備え、前記メモリ制御手段は、前記カウンタ手段の計測結果に基づいて、前記予測手段による動き補償予測に使用された回数が所定回数以上である参照ピクチャを選択して、当該選択された参照ピクチャの属性を短期参照ピクチャから長期参照ピクチャへ変更することを特徴とする。
また、本発明による画像処理方法は、異なるフレームの画像データを参照ピクチャとして予測符号化を行う画像処理方法であって、既に符号化されたフレームの復元画像を参照ピクチャとして、当該参照ピクチャのデータを複数フレーム分記憶する記憶工程と、前記記憶工程において記憶された複数の参照ピクチャを選択的に使用して、符号化対象ブロックの動き補償予測を行う予測工程と、前記記憶工程において記憶された前記参照ピクチャの更新を制御するメモリ制御工程と、前記記憶工程において記憶された各参照ピクチャが前記予測工程における動き補償予測に使用された回数を計測する計測工程とを備え、前記メモリ制御工程では、前記計測工程における計測結果に基づいて、前記予測工程における動き補償予測に使用された回数が所定回数以上である参照ピクチャを選択して、当該選択された参照ピクチャの属性を短期参照ピクチャから長期参照ピクチャへ変更することを特徴とする。
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
本発明によれば、参照回数を計測し、それに応じて参照リストを更新することで、参照回数の多いピクチャが参照リストに残り、インター予測符号化の効率が向上する。
<第1の実施形態>
まず、本発明による圧縮手順について、図1から図4を用いて説明する。図1は本実施形態における圧縮符号化装置のブロック図であり、H.264方式に基づいて画像データの圧縮符号化を行う。
図1において、画像データは、マクロブロックに分割されて入力され、差分器101で予測値との差分が求められる。この差分画像は、変換器102で整数DCT変換され、整数DCT変換係数が得られる。整数DCT変換係数は、量子化器103で量子化され、一方は差分画像データとしてエントロピー符号化115に送られる。さらに、量子化データは、逆量子化器104にも供給され、逆量子化されて整数DCT係数を再度取得する。この係数は、逆変換器105において逆整数DCT変換されて上述の差分画像が得られる。そして、この差分画像は加算器106によって、予測値が加算され、画像が復元される。復元画像は、一方でイントラ予測のためのフレームメモリ107に送られ、他方でデブロッキングフィルタ109によってデブロッキングフィルター処理が実行された後、インター予測のためのフレームメモリ110に供給される。
イントラ予測用フレームメモリ107内に格納されている画像は、イントラ予測回路108で使用される。イントラ予測では、同一ピクチャ内で、既に符号化されたブロックの隣接画素の値を予測値として用いる。
インター予測用フレームメモリ110内に格納されている画像は、後述するように、複数のピクチャで構成され、そのピクチャがlist_0とlist_1の二つの参照リストに分けられて、インター予測回路111で使用される。
予測処理後は、メモリーコントローラー113によって、参照リスト内のピクチャが更新される。
インター予測回路111では、フレームの異なる画像データに対して、動き検出器112において求められた最適な動きベクトルを用いて予測画像を決定する。イントラ予測とインター予測の結果、最適な予測が切換回路114で選択される。また、予測モード(イントラモード又はインターモード)または予測ベクトルが、エントロピー符号化回路115に送られ、これらは差分画像データと共に符号化されて出力ビットストリームが形成される。
116はアクセスカウンターであり、インター予測用フレームメモリ110内の各参照ピクチャについて、動きベクトルが振り分けられた回数を計測する。アクセスカウンター116の内容は、メモリーコントローラー113によるピクチャの更新の際に利用される。
第1の実施形態では、参照リストの更新を、各参照ピクチャが予測に使用された回数をアクセスカウンターにより計測し、その結果、最もアクセス頻度の少なかったピクチャを除去し、新たなピクチャを追加することで行うようにしている。
この参照リスト更新の手順を図2のフローチャートをもちいて説明する。このフローチャートの動作は、図1のブロック図中において図示しないCPU等によって制御されている。
図2において、ステップS202では、最初にインター予測を行うマクロブロックを選択される。そして、ステップS203で、各参照ピクチャに対して動き検出を行い、インター予測が実行される。
ステップS204では、インター予測の結果どのピクチャを参照するかを決定し、ステップS205においてそのピクチャに対応するアクセスカウンタをカウントする。
ステップS206では、全てのマクロブロックに対してインター予測処理及び予測ピクチャカウント処理が行われたかを判断し、終了していれば処理はステップS207に移行し、終了していなければ処理はステップS202に戻り、次のマクロブロックについて同様の処理を実行する。
ステップS207では、全てのマクロブロックについてインター予測が終了した後、アクセスカウンターのカウンター値をチェックする。ステップS208では、そのカウンタ値に基づいて、参照数が最も低かった参照ピクチャを更新の際削除するピクチャに決定する。
そして、ステップS209では、ステップS208で決定した参照ピクチャをList_0から削除し、新たなピクチャをリストに追加することによって、参照リストの更新が行われる。
ここで、参照ピクチャのカウントの具体例について説明する。
H.264で採用しているように、1つのマクロブロックはマクロブロック・パーティションに分割される。各分割マクロブロック・パーティションについての参照ピクチャは、それぞれ異なる場合がある。この場合、参照ピクチャのカウントは、分割したマクロブロック・パーティションの面積に応じて行えばよい。
図3に示したように、画像301のインター予測で、参照ピクチャ302,303,304が参照リストにある場合で、マクロブロック305を、8x16に分割し、さらにその一方を8x8ブロックに分割して予測したときを例に挙げて説明する。
例えば、8x16のマクロブロック・パーティション306は、参照ピクチャ302から、動きベクトル307で予測を行い、8x8のマクロブロック308は、参照ピクチャ303から、動きベクトル309で予測を行い、また、8x8のマクロブロック310は、参照ピクチャ304から動きベクトル311で予測を行ったとする。この場合、各参照ピクチャにカウントする数は、参照ピクチャ302について0.5、参照ピクチャ303について0.25、参照ピクチャ304については0.25と、カウントすればよい。あるいは、8x8マクロブロック・パーティションを基準にして、カウント数を、参照ピクチャ302については2、参照ピクチャ303については1、参照ピクチャ304については1としても良い。続いて、第1の実施形態において、参照ピクチャの更新がどのように実行されるかについて図4を用いて説明する。
図4では、ピクチャP24のインター予測が行われるまでは、結果として最も古い参照ピクチャが削除されている。つまり、ピクチャP21がインター予測されたときには、参照ピクチャP06が一番参照頻度が少ないものであったため、それがList_0から削除されている。
さらに、図4は、ピクチャP24のインター予測が行われた後において、参照ピクチャの参照頻度をアクセスカウンターでチェックした結果、P12に対する参照が最も少なかった場合を示している。
P12の参照頻度が最も少なかったことから、P24のインター予測後の参照ピクチャの更新では、参照リスト中の最も古いピクチャであるP09ではなく、P12がリストから削除され、符号化の終了したP24が新たな参照ピクチャに加えられている。
このように、第1の実施形態では、参照リストの更新を、各参照ピクチャが予測に使用された回数をアクセスカウンターにより計測し、その結果、最もアクセス頻度の少なかったピクチャを除去し、新たなピクチャ(予測が完了したピクチャ)を追加することにより、常に最適な参照リストを維持することができ、効率的なインター予測によって圧縮符号化効率を向上させている。
<第2の実施形態>
図5及び図6を用いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態に係る圧縮符号化装置の構成は、第1の実施形態に係るそれと同様であるので、詳細な説明は割愛する。
第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、参照リストの更新の際、各参照ピクチャが予測に使用された回数をアクセスカウンターにより計測し、その結果、アクセス回数が特に多い参照ピクチャを、長期参照ピクチャに変更することにある。
第2の実施形態に係る処理について、図5のフローチャートを用いて説明する。
図5において、ステップS502では、最初にインター予測を行うマクロブロックを選択される。そして、ステップS503で、各参照ピクチャに対して動き検出を行い、インター予測が実行される。
ステップS504では、インター予測の結果どのピクチャを参照するかを決定し、ステップS505においてそのピクチャに対応するアクセスカウンタをカウントする。
ステップS506では、全てのマクロブロックに対してインター予測処理及び予測ピクチャカウント処理が行われたかを判断し、終了していれば処理はステップS507に移行し、終了していなければ処理はステップS502に戻り、次のマクロブロックについて同様の処理を実行する。
ステップS507では、全てのマクロブロックについてインター予測が終了した後、アクセスカウンターのカウンター値をチェックする。
ステップS508では、List_0の参照ピクチャの中で、参照頻度が所定回数以上のものがあるかを判定し、所定回数以上のピクチャがある場合には、処理はステップS509に移行し、所定回数以上のピクチャがない場合には処理はステップS510に移行する。
ステップS509では、該当する参照ピクチャについて、その属性を短期参照ピクチャから長期参照ピクチャに設定変更する。このようにすることにより、特定のピクチャが時間的に古いものであったとしても参照頻度が多いという特殊な場合にも対処し、圧縮効率を良くすることができる。
ステップS510では、ステップS507でチェックされたカウンタ値に基づいて、参照数が最も低かった参照ピクチャを更新の際削除するピクチャに決定する。そして、新たなピクチャをList_0に追加する。
尚、長期参照ピクチャについて、その後の参照頻度を引き続きアクセスカウンターで計測し、一定数より参照頻度が減少したら、その長期参照ピクチャを、参照リストの更新の際に削除対象とすればよい。また、シーンチェンジがあった場合には、長期参照ピクチャといえども強制的に更新の際の削除対象とするようにしてもよい。
図6は、第2の実施形態において、参照ピクチャの更新がどのようにされるかを示す概念図である。
図6において、ピクチャP24のインター予測が行われたあと、参照ピクチャの参照頻度をアクセスカウンターでチェックした結果、I15に対する参照頻度が特に多かった場合を示している。
まず、図6では、ピクチャP24のインター予測が行われるまでは、結果として最も古い参照ピクチャが削除されている。つまり、ピクチャP21がインター予測されたときには、参照ピクチャP06が一番参照頻度が少ないものであったため、それがList_0から削除されている。
さらに、図4では、ピクチャP24のインター予測が行われた場合、I15の参照頻度が特に多かった(すなわち所定の回数以上参照された)ことから、P24のインター予測後の参照ピクチャの更新では、I15を新たに長期参照ピクチャに指定し(図中の斜線部)、参照リスト中の最も古いピクチャであるP09がリストから削除され、符号化の終了したP24が新たな参照ピクチャに加えられている。
このように、第2の実施形態では、参照リストの更新の際、各参照ピクチャが予測に使用された回数をアクセスカウンターにより計測し、その結果、アクセス回数が特に多い参照ピクチャを長期参照ピクチャに変更することにより、常に最適な参照リストを維持することができ、効率的なインター予測によって圧縮符号化効率を向上させている。
<その他の実施形態>
本発明では、実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピィ(登録商標)ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどを用いることができる。
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれている。
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現される場合も含む。
また、上記実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードがネットワークを介して配信されることにより、システム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はCD−RW、CD−R等の記憶媒体に格納され、そのシステム又は装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても、達成されることは云うまでもない。
本発明による第1の実施形態に係る圧縮符号化装置の構成を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る動作を説明するためのフローチャートである。 マクロブロック・パーティションの取り扱いの例を示す図である。 第1の実施形態の参照リスト更新の様子を示す図である。 第2の実施形態に係る動作を説明するためのフローチャートである。 第2の実施形態の参照リスト更新の様子を示す図である。 H264方式に準拠した一般的な圧縮符号化装置の構成を示すブロック図である。 従来の参照リスト1を説明するための図である。 従来の参照リスト2を説明するための図である。 通常の参照リストの更新の様子を示す図である。 従来の参照リストの更新の例を示す図である。 一般的なマクロブロック・パーティションを示す図である。 従来の参照リストの更新の例を示す概念図である。

Claims (10)

  1. 異なるフレームの画像データを参照ピクチャとして予測符号化を行う画像処理装置であって、
    既に符号化されたフレームの復元画像を参照ピクチャとして、当該参照ピクチャのデータを複数フレーム分記憶可能なメモリ手段と、
    前記メモリ手段に記憶された複数の参照ピクチャを選択的に使用して、符号化対象ブロックの動き補償予測を行う予測手段と、
    前記メモリ手段に記憶された前記参照ピクチャの更新を制御するメモリ制御手段と、
    前記メモリ手段に記憶された各参照ピクチャが前記予測手段による動き補償予測に使用された回数を計測するカウンタ手段とを備え、
    前記メモリ制御手段は、前記カウンタ手段の計測結果に基づいて、前記予測手段による動き補償予測に使用された回数が所定回数以上である参照ピクチャを選択して、当該選択された参照ピクチャの属性を短期参照ピクチャから長期参照ピクチャへ変更することを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記メモリ制御手段は、前記属性を変更した参照ピクチャの前記動き補償予測に使用される頻度が一定数より減少したならば、当該属性を変更した参照ピクチャを削除することを特徴とする請求項に記載の画像処理装置。
  3. 前記カウンタ手段は、参照するマクロブロック単位で使用回数を計測することを特徴とする請求項1または2に記載の画像処理装置。
  4. 前記カウンタ手段は、前記参照するマクロブロックがさらに細分化されて参照される場合、マクロブロックの細分化されたサイズに応じた値をカウントに用いることを特徴とする請求項に記載の画像処理装置。
  5. 前記メモリ制御手段は、シーンチェンジがあった場合には、前記属性を変更した参照ピクチャを削除することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  6. 異なるフレームの画像データを参照ピクチャとして予測符号化を行う画像処理方法であって、
    既に符号化されたフレームの復元画像を参照ピクチャとして、当該参照ピクチャのデータを複数フレーム分記憶する記憶工程と、
    前記記憶工程において記憶された複数の参照ピクチャを選択的に使用して、符号化対象ブロックの動き補償予測を行う予測工程と、
    前記記憶工程において記憶された前記参照ピクチャの更新を制御するメモリ制御工程と、
    前記記憶工程において記憶された各参照ピクチャが前記予測工程における動き補償予測に使用された回数を計測する計測工程とを備え、
    前記メモリ制御工程では、前記計測工程における計測結果に基づいて、前記予測工程における動き補償予測に使用された回数が所定回数以上である参照ピクチャを選択して、当該選択された参照ピクチャの属性を短期参照ピクチャから長期参照ピクチャへ変更することを特徴とする画像処理方法。
  7. 前記メモリ制御工程では、前記属性を変更した参照ピクチャの前記動き補償予測に使用される頻度が一定数より減少したならば、当該属性を変更した参照ピクチャを削除することを特徴とする請求項に記載の画像処理方法。
  8. 前記計測工程では、参照するマクロブロック単位で使用回数を計測することを特徴とする請求項6または7に記載の画像処理方法。
  9. 前記計測工程では、前記参照するマクロブロックがさらに細分化されて参照される場合、マクロブロックの細分化されたサイズに応じた値を計測に用いることを特徴とする請求項に記載の画像処理方法。
  10. 前記メモリ制御工程では、シーンチェンジがあった場合には、前記属性を変更した参照ピクチャを削除することを特徴とする請求項6に記載の画像処理方法。
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