JP4568887B2 - ビデオ圧縮方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2003年5月12日に出願された米国仮特許出願第60/469,187号及び2003年11月14日に出願された米国特許出願第10/713,807号の優先権を主張する。
x=(A+B/2) (1)
を使用して計算することができる。
点yは、Y方向に1/2ピクセルアラインされ、方程式:
y=(A+C/2) (2)
を使用して計算することができる。
点zは、X及びYの双方で1/2ピクセルアラインされ、方程式:
z=(A+B+C+D/2) (3)
を使用して計算することができる。
x=(−A+9B+9C−D)/16
を使用して計算することができる。
C=(nΣxi 2−(Σxi)2)/n2 (4)
DCT(離散コサイン変換)に基づくビデオ圧縮システムでは、8×8のピクセルブロック又は予測エラー信号データが、1組の64個の周波数係数(1つのDC値及び63個のAC値)に変換される。これら64個の周波数係数は、その後、量子化されて1組のトークンに変換される。
・DC係数は常に最初(位置0)に符号化される。
・AC係数を、各係数の非ゼロである値の比率に基づいて降順に並べる。
・順序リストを16個の可変サイズの帯域に分割する(表1参照)。
・各帯域内において、ジグザグ走査順序に再配列する。
// 収集されたゼロ/非ゼロ周波数データを使用して新たな「好ましい」走査順序を
// 実現する
void CalculateScanOrder( CP_INSTANCE *cpi)
{
UINT32 i, j, k;
UINT32 Sum;
UINT32 tmp[2];
UINT32 NzValue[BLOCK_SIZE][2];
UINT32 GroupStartPoint, GroupEndPoint;
// 各係数について、非ゼロであった値の比率を0〜255からの
// 拡大縮小された数字として計算する
for ( i=1; i<BLOCK_SIZE; i++ )
{
Sum = cpi->FrameNzCount[i][0] + cpi->FrameNzCount[i][1];
if ( Sum )
NzValue[i][0] = (cpi->FrameNzCount[i][1]*255)/Sum;
else
NzValue[i][0] = 0;
NzValue[i][1] = i;
}
// 降順にソートする
for ( i=1; i<BLOCK_SIZE-1; i++ )
{
for ( j=i+1; j>1; j--)
{
if ( NzValue[j][0] > NzValue[j-1][0] )
{
// それらを交換する
tmp[0] = NzValue[j-1][0];
tmp[1] = NzValue[j-1][1];
NzValue[j-1][0] = NzValue[j][0];
NzValue[j-1][1] = NzValue[j][1];
NzValue[j][0] = tmp[0];
NzValue[j][1] = tmp[1];
}
}
}
// 帯域に分割し、次いで、各帯域内において、ジグザグ走査位置に基づいて
// 昇順に再ソートする
GroupEndPoint = 0;
for ( k=0; k<SCAN_ORDER_BANDS; k++ )
{
GroupStartPoint = GroupEndPoint + 1;
GroupEndPoint = EndPointLookup[k];
for ( i=GroupStartPoint; i<GroupEndPoint; i++ )
{
for ( j=i+1; j>GroupStartPoint; j-- )
{
if ( NzValue[j][1] < NzValue[j-1][1] )
{
// それらを交換する
tmp[0] = NzValue[j-1][0];
tmp[1] = NzValue[j-1][1];
NzValue[j-1][0] = NzValue[j][0];
NzValue[j-1][1] = NzValue[j][1];
NzValue[j][0] = tmp[0];
NzValue[j][1] = tmp[1];
}
}
}
// 各係数インデックス(coef index)について、その帯域番号に印を付ける
for ( i=GroupStartPoint; i<=GroupEndPoint; i++ )
{
// 各係数の新たな走査帯域番号に留意する
// NzValue[i][1]は従来のジグザグ順序の係数の位置であり、
// iは新たな走査順序の位置であり、kは帯域番号である。
cpi->NewScanOrderBands[NzValue[i][1]] = k;
}
}
}
// この構造体は、(従来のジグザグ順序の)dct係数のそれぞれについての
// (1〜255の範囲に拡大縮小された)走査順序更新確率を与える。
// これらの値は、関数「nDecodeBool()」に渡され、結果が0(FALSE)である
// 確率を示す。
//
const UINT8 ScanBandUpdateProbs[BLOCK_SIZE] =
{
255, 132, 132, 159, 153, 151, 161, 170,
164, 162, 136, 110, 103, 114, 129, 118,
124, 125, 132, 136, 114, 110, 142, 135,
134, 123, 143, 126, 153, 183, 166, 161,
171, 180, 179, 164, 203, 218, 225, 217,
215, 206, 203, 217, 229, 241, 248, 243,
253, 255, 253, 255, 255, 255, 255, 255,
255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255
};
// 走査順序に対する更新がこのフレームに利用可能である場合、この更新を読み出す。
void UpdateScanOrder( PB_INSTANCE *pbi )
{
// 走査順序が更新されているのはこのフレームか?
if ( nDecodeBool( 128 ))
{
// 更新された走査帯域で読み出す
for ( i = 1; i < BLOCK_SIZE; i++ )
{
// この係数の帯域は更新されたか?
if ( nDecodeBool( ScanBandUpdateProbs[i] ))
{
pbi->ScanBands[i] = VP6_bitread( SCAN_BAND_UPDATE_BITS );
}
}
// 新たな走査順序を走査帯域データから構築する
BuildScanOrder( pbi, pbi->ScanBands );
}
}
// 1組の走査帯域データからカスタム走査順序を構築する
void BuildScanOrder( PB_INSTANCE *pbi, UINT8 *ScanBands )
{
UINT32 i, j;
UINT32 ScanOrderIndex = 1;
// DCは一定である。
pbi->ModifiedScanOrder[0] = 0;
// 各帯域内において、(係数の元の「ジグザグ」操作順序位置の点で)
// 係数が昇順である走査順序を作成する
for ( i = 0; i < SCAN_ORDER_BANDS; i++ )
{
for ( j = 1; j < BLOCK_SIZE; j++ )
{
if ( ScanBands[j] == i )
{
pbi->ModifiedScanOrder[ScanOrderIndex] = j;
ScanOrderIndex++;
特定のハードウェアデバイス用にコーデックを最適化する場合、そのデバイスが複数のタスクを並列に実行するのに提供できるあらゆる設備が十分に利用されることを確かめること、及び、復号プロセスの個々の部分がボトルネックとなる範囲を制限することが重要である。
プリディクタトークン(以下、Pトークンと呼ぶ)。たとえば、画像のブロック又は領域を符号化するのに使用される方法又はモードを記述するトークンであり、或るフレームと別のフレームとの間の動きを記述するトークンである。
予測エラー信号トークン(以下、Eトークンと呼ぶ)。これらは、不完全な予測の結果生じたあらゆる残差を符号化するのに使用される。
パーティション1
(ブロック1) P,P,E,E,E
(ブロック2) P,E,E
(ブロック3) P,E,E,E,E
パーティション1 パーティション2
(ブロック1) PP EEE
(ブロック2) P EE
(ブロック3) P EEEE
第1のパーティションのサイズは、データレートによって等しく変化する傾向はなく、比較的小さい。したがって、このパーティションは、常に、算術符号化器を使用して符号化される。第2のパーティションは、算術符号化器を使用して符号化することもできるし、ハフマン符号化器を使用して符号化することもできる。
// この関数は、算術符号化された1つのデータパーティション、算術符号化された
// 2つのデータパーティション、又は、算術符号化された1つのデータパーティ
// ション及び1つのハフマンデータパーティションのいずれかを使用して、
// フレーム用の符号化されたビデオデータを梱包する。
//
// 引数「cpi」は、主符号化器インスタンスデータ構造体へのポインタである。
void PackCodedVideo( CP_INSTANCE *cpi )
{
UINT32 PartitionTwoOffset;
BOOL_CODER *bc = &cpi->bc; // 算術符号化器インスタンスデータ構造体
BOOL_CODER *bc2 = &cpi->bc2; // 第2の算術符号化器インスタンス構造体
PB_INSTANCE *pbi = &cpi->pb; // 復号器インスタンスデータ構造体
// ヘッダパーティションに使用される生のバッファi/oを初期化する
InitAddRawBitsToBuffer( &cpi->RawBuffer, pbi->DataOutputPtr );
// 算術符号化器及び/又はハフマン符号化器を起動する
// 2つのデータパーティションを使用している場合…
if ( pbi->MultiStream || (pbi->VpProfile == SIMPLE_PROFILE))
{
// 第1の算術符号化器を起動する。生のヘッダバイトを考慮する。
VP6_StartEncode( bc, (pbi->DataOutputPtr + ((KeyFrame)? 4:3)));
// 第2の算術パーティション又はハフマンパーティションのいずれかを作成する
// これは、保持バッファ「cpi->OutputBuffer2」に最初に書き込まれる
if ( pbi->UseHuffman )
InitAddRawBitsToBuffer ( &pbi->HuffBuffer, cpi->OutputBuffer2 );
else
VP6_StartEncode( bc2, cpi->OutputBuffer2 );
}
// 算術符号化器を使用して符号化された単一のデータパーティションのみを使用している
else
{
// 算術符号化器を起動する。生のヘッダバイトを考慮する。
VP6_StartEncode( bc, (pbi->DataOutputInPtr + ((KeyFrame)? 2:1))); }
…
…
// サイズを含むフレームヘッダ情報を書き出す。
WriteFrameHeader( … );
…
…
if ( pbi->UseHuffman )
PackHuffmanCoeffs( … );
else
PackArithmeticCoeffs( … );
// 第1のデータパーティションに使用された算術符号化器インスタンスを停止する
VP6_StopEncode( bc );
// データパーティションへのオフセットを算出し、それらオフセットを、
//生のヘッダパーティションにおけるこの情報用に予約された空間に書き込む
//
// 2つのデータパーティションを使用している場合…
if ( pbi->MultiStream || (pbi->VpProfile == SIMPLE_PROFILE))
{
// バッファの始点から第1のデータパーティションへのオフセット
PartitionTwoOffset = 4 + bc->pos;
// オフセットを第2のデータパーティションパーティションに書き込む。
AddRawBitsToBuffer( &cpi->RawBuffer, PartitionTwoOffset, 16 );
// 第2のデータパーティションにハフマンが使用された場合…
if ( pbi->UseHuffman )
{
// ハフマン符号化された出力パーティション用のバッファをフラッシュする
EndAddRawBitsToBuffer( &pbi->HuffBuffer );
…
// ハフマン符号化されたデータを保持バッファから出力バッファへ
// コピーする
memcpy( &cpi->RawBuffer.Buffer[ PartitionTwoOffset ],
pbi->HuffBuffer.Buffer, pbi->HuffBuffer.pos );
}
else
{
// 第2のデータパーティションによって使用された
// 算術符号化器インスタンスを停止する。
VP6_StopEncode( bc2 );
…
// 第2のパーティションによって使用された保持バッファの内容を
// 出力バッファへコピーする
memcpy( &pbi->DataOutputInPtr[ PartitionTwoOffset ],
bc2.buffer, bc2.pos);
}
}
// ヘッダに使用された生のビット符号化器を停止してフラッシュする
EndAddRawBitsToBuffer( &cpi->RawBuffer );
}
// この関数は、2つのデータパーティションを使用する場合に符号化ストラテジーを選択するためにコールされる。
void SelectMultiStreamMethod( CP_INSTANCE *cpi)
{
// フレームにおけるトークンの分布?収集された情報を使用して
// フレームの見積もりコスト(シャノンエントロピー)を計算する。
// あらゆるモード情報及び動きベクトル情報を符号化するための、
// 前に計算されたコスト見積もりを算入する
EstimatedFrameCost = VP6_ShannonCost( cpi ) + ModeMvCost;
// 第2のデータパーティションにハフマン符号化を使用して下がるかどうかを判断する
if ( EstimatedFrameCost > HuffmanCodingThereshold )
pbi->UseHuffman = TRUE;
else
pbi->UseHuffman = FALSE;
現代のほとんどのビデオコーデックにとって、動き予測は、圧縮プロセスの重要な部分である。動き予測は、画像の物体又は領域の動きが、1つ又は複数のフレームにわたってモデル化され、1つ又は複数の「動きベクトル」が、この動きを表すためのビットストリームで送信されるプロセスである。ほとんどの場合、画像内の動きを完全にモデル化することはできず、そこで、動き情報に加えて残差信号を符号化することが必要である。
A x B
y z
C D
A B x C D
1.動きベクトルが、X及びYの双方でしきい値Lよりも短い。
2.複雑度Cが、しきい値Tよりも大きい。
C=(nΣxi 2−(Σxi)2)/n2
に従って計算された1組のn個のデータ点xiの分散である。
PredictBlockFunction( … )
{
…
…
if ( pbi->PredictionFilterMode == AUTO_SELECT_PM )
{
// ベクトルがX又はYにおいてしきい値長よりも大きい場合に双1次を使用する
if ( (( abs(pbi->mbi.Mv[bp].x ) > BicMvSizeLimit ||
(( abs(pbi->mbi.Mv[bp].y ) > BicMvSizeLimit))
{
FilterBlockBilinear( … );
}
else
{
// 複雑度メトリック(分散)を計算する。
// 注意:性能の理由から、分散関数は16個のデータ点
// (8×8ブロックのX及びYの1つおきの点)のみを検査する
Var = Var16Point( DataPtr, Stride );
// 複雑度が所与のしきい値よりも大きい場合には、双3次を使用し、
// そうでない場合には、双1次を使用する
if ( Var >= pbi->PredictionFilterVarThresh )
FilterBlockBilcubic( … )
else
FilterBlockBilinear( … )
}
}
…
…
}
UINT32 Var16Point ( UINT8 *DataPtr, INT32 Stride )
{
UINT32 i, j;
UINT32 XSum=0, XXSum=0;
UINT8 *DiffPtr = DataPtr;
// X及びYの1つおきの点を使用する
for ( i = 0; i < BLOCK_HEIGHT_WIDTH; i += 2 )
{
for ( j = 0; j < BLOCK_HEIGHT_WIDTH; j += 2 )
{
XSum += DiffPtr[j];
XXSum += DiffPtr[j] * DiffPtr[j];
}
// ブロックの次の行へステップする
DiffPtr += (SourceStride << 1)
}
// 適合しないメトリックとして母分散を計算する
return(((XXSum*16)-(XSum*XSum))/256);
慣例により、現代のほとんどのビデオコーデックは、差分符号化方式を使用して、動きベクトルの(x,y)成分を符号化する。すなわち、各ベクトルは、前のベクトルを基準にして符号化される。たとえば、2つのベクトル(7,3)及び(8,4)を考える。この場合、第2のベクトルは(1,1)、すなわち(7+1,3+1)として符号化されることになる。
・動きベクトルなし(すなわち、暗黙的な(0,0)ベクトル)で符号化する。
・「最も近い」近傍と同じベクトルを使用して符号化する。
・「次に最も近い」近傍と同じベクトルを使用して符号化する。
・新たな動きベクトルを使用して符号化する。
// この関数は、現在のブロックについて、限定的な(qualifying)最も近い近傍
// 及び次に最も近い近傍があるかどうか、それらの動きベクトルは何であるか、
// 並びに最も近い近傍がどれだけ接近しているかを判断する。
//
void VP6_FindNearestandNextNearest( PB_INSTANCE *pbi,
UINT32 MBrow,
UINT32 MBcol,
UINT8 ReferenceFrame,
INT32 *Type )
{
int i;
UINT32 OffsetMB;
UINT32 BaseMB = MBOffset( MBrow, MBcol );
MOTION_VECTOR ThisMv;
// デフォルト結果を設定する
*Type = NONEAREST_MACROBLOCK;
// 限定的な「最も近い」ブロックを探索する
for ( i=0; i<12; i++ )
{
OffsetMB = pbi->mvNearOffset[i] + BaseMB;
// ブロックは同じ基準フレームを基準にして符号化されたか?
if ( VP6_Mode2Frame[pbi->predictionMode[OffsetMB]] != ReferenceFrame )
continue;
// 動きベクトルがもしあれば、その動きベクトルは何を使用したか?
ThisMv.x = pbi->MBMotionVector[OffsetMB].x;
ThisMv.y = pbi->MBMotionVector[OffsetMB].y;
// それが非ゼロであった場合、限定的な近傍を有する
if ( ThisMv.x || ThisMv.y )
{
Nearest.x = ThisMv.x;
Nearest.y = ThisMv.y;
*Type = NONEAR_MACROBLOCK;
break;
}
}
pbi->mbi.NearestMvIndex = i;
// 限定的な「次に最も近い」ブロックを探索する
for ( i=i+1; i<12; i++ )
{
OffsetMB = pbi->mvNearOffset[i] + BaseMB;
// ブロックは同じ基準フレームを基準にして符号化されたか?
if ( VP6_Mode2Frame[pbi->predictionMode[OffsetMB]] != ReferenceFrame )
continue;
// 動きベクトルがもしあれば、その動きベクトルは何を使用したか?
ThisMv.x = pbi->MBMotionVector[OffsetMB].x;
ThisMv.y = pbi->MBMotionVector[OffsetMB].y;
// このベクトルが「最も近い」ベクトルと同じである場合、このベクトルを無視する
if ((ThisMv.x == Nearest.x) && (ThisMv.y == Nearest.y))
continue;
// それが非ゼロであった場合、限定的な近傍を有する
if ( ThisMv.x || ThisMv.y )
{
NextNearest.x = ThisMv.x;
NextNearest.y = ThisMv.y;
*Type = MACROBLOCK;
break;
ビデオコーデックは、多くの場合、ビットストリームのエラーの影響を極端に受けやすいので、信頼性のないデータリンク上で圧縮ビデオデータを送信する場合、データが喪失又は破損したときの回復のためのメカニズムが存在することは重要である。
・動きの速度の指標として、数個の先行フレームにおける動きベクトルの平均振幅。
・動きフィールドが相関する程度。たとえば、動きベクトルがすべてかなり類似している。
・前の数フレームにおける前のフレームの再構成に優先して、第2の基準フレームがプリディクタとして使用された程度。
・周囲の品質又は量子化器の設定。
1/4ピクセル単位で指定されたX及びYの動きベクトル成分の平均振幅(AvX及びAvY)を計算する。
MotionSpeed(動きの速度)=AvX及びAvYの大きい方
X及びYの動きベクトル成分の分散数(VarianceX(分散X)及びVarianceY(分散Y))を計算する
MaxVariance(最大分散)=VarianceX及びVarianceYの大きい方
MotionComplexity(動きの複雑度)=MotionSpeed+(VarianceX/4)+(VarianceY/4)
第2の基準フレームの更新がまさにこのフレームである場合
そのフレームの予測された品質インデックス(実際には量子化器の設定)に基づいてデータレート%ブースト数(Boost)を計算する。これは、最高品質の+0%と、品質レベルが非常に低い時の+1250%との範囲とすることができる。
BoostにMotionSpeed訂正係数(correction factor)を乗算する。ここで、この係数は、MotionSpeedが非常に小さい値である場合の1と、MotionSpeedが大きな値である場合の0との間で変化することができる。
第2の基準フレームが前の数フレームで使用された程度に基づいて、さらに別の訂正係数をBoostに適用する。この別の訂正係数は、第2の基準フレームが前の数フレームで全く使用されなかった場合の1/16から、第2の基準フレームが符号化されたブロックの15%以上に使用された場合の1まで変化することができる。
次に、一連のテストが適用されて、先に進むかどうか、及び、計算された%ブーストで第2の基準フレームを更新するかどうかが判断される。
(Boost>MinBoostTreshold)且つ
(MotionSpeed<MaxMotionSpeedThreshold)且つ
(MaxVariance<MaxVarianceThreshold)
ここで、MinBoostTreshold、MaxMotionSpeedThreshold、及びMaxVarianceThresholdは構成可能なパラメータである。
現代の多くのビデオコーデックは、サブピクセル精度に対する動きの予測をサポートする。たとえば、1/2ピクセル又は1/4ピクセルの動き推定である。端数ピクセルデータ点を作成するには、実際の(すなわち、フルピクセルアラインされた)データ点に適用される或る形態の補間関数又は補間フィルタを使用することが必要である。
A x B
y z
C D
*点xは、X方向に1/2ピクセルアラインされ、公式(A+B/2)を使用して計算される。
*点yは、Y方向に1/2ピクセルアラインされ、公式(A+C/2)を使用して計算される。
*点zは、X及びYの双方で1/2ピクセルアラインされ、公式(A+B+C+D/2)を使用して計算される。
A B x C D
(n?x2−(?x)2)/n2
Claims (13)
- 各ブロックがピクセルの配列を有する少なくとも1つのブロックを有する少なくとも1つのフレームを有するビデオデータを圧縮する方法であって、
ブロックの複数の前記ピクセルを複数の係数に変換するステップと、
前記複数の係数を送信するデフォルトの送信順序を作成するステップと、
前記複数の係数を送信する最適な送信順序を作成するステップと、
前記最適な送信順序における係数の位置と、前記デフォルトの送信順序における係数の位置とを比較するステップと、
前記比較に基づいて、前記最適な送信順序における係数の位置と前記デフォルトの送信順序における係数の位置とが異なるかを示す更新値を決定するステップと、
前記最適な送信順序における前記更新値に基づく前記係数の位置情報を、選択的に符号化するステップと
を含む、ビデオデータを圧縮する方法。 - 前記位置情報は、前記係数の位置の情報、及び、複数の係数のグループの位置である係数帯域の情報の、少なくとも一方である
請求項1に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 前記最適な送信順序を作成するステップは、ビデオデータの各フレームについて最適な送信順序をそれぞれ作成する
請求項1または2に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 前記変換するステップは、前記複数のピクセルを複数の離散コサイン変換係数に変換する
請求項1から3のいずれかに記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 前記最適な送信順序及び前記複数の係数を送信するステップ
をさらに含む、請求項1から4のいずれかに記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 各ブロックは、同じ個数の係数及び係数の位置を有する
請求項1から5のいずれかに記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - それぞれの対応する各係数の位置は、ブロックごとに同じ情報を伝達する
請求項1から6のいずれかに記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 前記最適な送信順序のデータの前記送信を、或るフレームから次のフレームにおいて係数の送信順序が変化したものに限定するステップ
をさらに含む、請求項5に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - i)前記デフォルトの送信順序において編成された複数の係数を有する複数の前記係数帯域に、前記最適な送信順序を統合するステップと、
ii)前記係数帯域の情報及び前記複数の係数のみを選択的に符号化するステップと
をさらに含む、請求項2に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 係数が或るフレームから次のフレームにおいて帯域を変更した場合に前記係数帯域の情報を送信するステップ
をさらに含む、請求項9に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - すべての前記係数帯域の情報を常に送信するステップ
をさらに含む、請求項9に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 常に完全に自己符号化され、且つ、前のフレームからの情報又は前のフレームに関する情報を必要としないキーフレームを提供するステップ
をさらに含む、請求項1または2に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。 - 所与のフレームがキーフレームであるかどうかを判断するステップと、
前記所与のフレームがキーフレームであると判断された場合に、該キーフレームの係数の送信順序全体を送信するステップと、
前記所与のフレームがキーフレームでないと判断された場合に、前記前のフレームから前記所与のフレームにおける、係数の送信順序の変化したもののみを送信するステップと
をさらに含む、請求項12に記載の、ビデオデータを圧縮する方法。
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