JP4795223B2 - 画像処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は画像処理装置に関し、特に、画像信号の符号化処理に関する。
画像信号を符号化する技術として、従来、MPEG方式やH.264(MPEG4−AVC)方式などが知られている。
これらの符号化方式は、DCT、量子化、可変長符号化などの技術を利用し、フレーム内符号化とフレーム間予測符号化とを組み合わせて動画像信号を符号化する。
また、例えば、MPEG2方式では、デコード時のリアルタイム処理を保証するためのVBVバッファモデル(仮想バッファモデル)が定義されている。VBVバッファモデルでは、デコード時におけるバッファメモリのデータ量が、常にVBVバッファサイズの上限と0バイトの間に無ければならない。例えば、メインプロファイル@メインレベルでは、最大バッファサイズが1835008ビットに規定されている。
この様なVBVバッファモデルを守るため、従来は、単位時間あたりに発生した符号量に基づいてVBVバッファの占有量を推測し、量子化ステップ幅(Qスケール)を制御している。
また、従来、MPEG符号化を行う際、画像の特徴量(複雑度)を示すアクティビティと呼ばれる指標を用いて量子化ステップに重み付けすることで、画質向上を図ることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−224786号公報
しかしながら、前述の様に、実際に発生している符号量の状態とは関係なく、画像のアクティビティを用いて量子化ステップを重み付けした場合、発生符号量が変動し、符号化データのアンダーフローが発生してしまう可能性があった。
本発明はこの様な問題を解決し、画像信号を符号化する際、適切な符号量制御を実現しながら画質を向上させることができる装置を提供することを目的とする。
本発明は、入力された動画像信号を設定された量子化スケールで量子化する量子化手段と、前記量子化手段の出力を可変長符号化する符号化手段と、前記入力された動画像信号のアクティビティを検出するアクティビティ検出手段と、前記符号化手段より出力された可変長符号の符号量に基づいて前記量子化スケールを決定する量子化スケール決定手段と、前記アクティビティ検出手段により検出されたアクティビティに基づいて前記量子化スケール決定手段により決定された値を変更し、この変更した値を前記量子化スケールとして前記量子化手段に設定する変更手段と、前記符号化手段より出力された可変長符号の符号量に基づいて前記符号化された動画像信号を復号する復号器における仮想バッファの占有量を検出し、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記アクティビティによる前記量子化スケールの変化度合いが少なくなるよう前記変手段を制御する占有量検出手段とを備え、前記変更手段は、前記アクティビティ検出手段により検出されたアクティビティに基づいて重み付け係数を生成する係数生成手段と、前記重み付け係数に従って前記量子化スケール決定手段により決定された値を変更する量子化スケール変更手段とを有し、前記占有量検出手段は、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記重み付け係数に従って前記量子化スケールの値が変化する範囲が小さくなるように調整する制御パラメータを設定し、当該制御パラメータによって前記係数生成手段により生成される重み付け係数の値を変化させることを特徴とする
符号化された画像信号を破綻することなく復号できるよう、画像の特徴を考慮した符号化処理が可能となる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の実施形態としての符号化装置の構成を示す図である。図1の符号化装置は、入力された動画像信号をMPEG2方式に従って符号化する。
図1において、ビデオカメラや入力端子などから供給された動画像データがフレーム単位に入力され、減算器101、スイッチ102、動き補償部111、動き検出部112、アクティビティ検出部114に供給される。
MPEG2方式では、フレーム内符号化(Iピクチャ)、前方予測フレーム間符号化(Pピクチャ)及び、双方向予測フレーム間符号化(Bピクチャ)をフレーム単位に組み合わせて符号化を行う。
スイッチ102は、Iピクチャの符号化の際にはI側に接続し、入力された1フレームの画像信号をそのままDCT部103に供給する。DCT部103は入力された画像信号を、垂直×水平が8画素×8画素のDCTブロック単位にDCT処理し、量子化部104に出力する。量子化部104は、後述の如くレート制御部113により設定されたQスケールを用いてDCT部103からのDCT係数を量子化し、その量子化係数を係数並べ替え部105及び逆量子化部108に出力する。係数並べ替え部105は、量子化部104から出力される量子化係数を規定された順序に並べ替え、可変長符号化部106に出力する。可変長符号化部106は入力された量子化係数をハフマン符号化などの可変長符号化により符号化し、フォーマット化部107及びレート制御部113に出力する。フォーマット化部107は符号化された信号に対し、MPEGで規定された各種の制御信号などを付加して符号化ストリームを生成し、出力する。
また、量子化部104の出力は、逆量子化部108、逆DCT部109によりそれぞれ逆量子化、逆DCT処理され、加算器110に出力される。加算器110には、動き補償部111からの参照画像信号が供給されるが、Iピクチャはフレーム内符号化のため、加算器110には何も供給されず、逆DCT部からの信号がそのまま動き補償部111に出力される。
動き補償部111は、参照フレームとして、2フレーム分の画像信号を記憶するメモリを持っており、加算器110からのIピクチャ及びPピクチャの画像信号が順次記憶される。動き検出部112は、Pピクチャ及びBピクチャを符号化する際、動き補償部111のメモリに記憶された参照フレームの画像信号と入力された画像信号とを、マクロブロック単位で比較して動きベクトルを検出する。
MPEG2では、一つのマクロブロック(MB)は16画素×16画素で構成される。動き補償部111は、この様に検出された動きベクトルに従い、参照フレームの画像信号をマクロブロック単位に読み出して減算器101、加算器110に出力する。
Pピクチャ、Bピクチャを処理する場合、減算器101は、入力された画像信号と動き補償部111より出力された参照フレームの画像信号との差分を算出し、スイッチ102を介してDCT部103に出力する。
以下、Iピクチャの場合と同様に、DCT、量子化、可変長符号化処理され、フォーマット化部107により符号化ストリームが出力される。
また、Pピクチャの量子化係数は、逆量子化、逆DCTされた後、加算器110により参照フレームの画像信号と加算され、新たに参照フレームの画像信号として動き補償部111のメモリに記憶される。また、Bピクチャについては、参照フレームとして使用しないため、動き補償部111のメモリには記憶しない。
一方、アクティビティ検出部114は、公知の技術を用いて、入力された画像信号の複雑度を示すアクティビティを算出し、レート制御部113に出力する。レート制御部113は、このアクティビティ検出部114からのアクティビティと、可変長符号化部106からの符号量、及び目標とする符号レートとに基づいて量子化のためのQスケールを決定する。
次に、レート制御部113について説明する。
図2はレート制御部113の構成を示す図である。
図2において、符号量算出部201は、可変長符号化部106から出力された可変長符号を順次積算し、VBVバッファ制御部202に出力する。VBVバッファ制御部202は、符号量算出部201からの値に基づいて、VBVバッファの占有量を予測し、その値をQスケール決定部203に出力する。また、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファの状態に基づいて、重み付け係数の影響を制御するための係数W2を生成し、係数変換部206に出力する。Qスケール決定部203は、GOPレベルでのレート制御部と、GOPレベルでのレート制御の結果に従ってピクチャレベルでのレート制御を行うレート制御部を有する。そして、Qスケール決定部203は、ピクチャレベルでのレート制御結果とVBVバッファ制御部202からの予測状態とに基づいてMB単位のQスケールの値を決定し、Qスケール変換部207に出力する。
一方、アクティビティ検出部114からのMBごとのアクティビティの情報は、ピクチャ重み付け決定部204に供給される。ピクチャ重み付け決定部204は、MBごとのアクティビティに基づいて重み付け係数を生成する。MB重み付け係数選択部205は、MBごとの重み付け係数を受け、W1として係数変換部206に出力する。係数変換部206は、この重み付け係数W1と、VBVバッファ制御部202からの制御値W2とを用いて以下の演算を行い、変換重み付け係数W3を求める。
W3=(W1−Wr/2)×W2+Wr/2
ここで、WrはW1の可変範囲である。
例えば、W2=1のときにはW3=W1となり、重み付け係数W1がそのまま出力される。また、W1の範囲を0.5〜2.0とすれば、W2=0.5に設定した場合、W3の範囲は0.625〜1.375となる。即ち、W1の変化範囲に対するW3の変化範囲を狭くして、アクティビティに基づく重み付け係数W1のQスケールに対する影響を制御することが可能となる。
具体的には、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファにおける可変長符号の占有量が少なく、アンダーフローしそうな場合には、重み付け係数W1の影響が少なくなるよう、W2の値を設定する。
また、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファにおける符号の充足度が大きい場合には、例えば、W2を1.0に設定し、アクティビティに基づく重み付け係数W1の影響がQスケールに反映されるよう、W2を設定する。
この様に変換された係数W3はQスケール変換部207に出力される。Qスケール変換部207は、Qスケール決定部203からのQスケールの値と係数変換部206からの係数W3とを用いて以下の演算を行い、Qスケールの値を変換する。
Qスケール’=Qスケール×W3
この様に変換されたQスケール’を、当該MBの量子化スケールとして量子化部104に設定する。
この様に、本実施形態では、Qスケール決定部203からのQスケールの値に係数変換部206からの係数W3を乗算している。そのため、VBVバッファにおける可変長符号の充足度が小さく、アンダーフローしそうな場合には、重み付け係数W3が1.0近傍の値となるよう、W2の値を設定する。
具体的には、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファにおける符号の充足度(蓄積符号量)を所定の閾値と比較する。そして、符号の充足度が閾値を下回った場合には、VBVバッファがアンダーフローしそうであると判断し、重み付け係数W3が1.0近傍の値となるよう、W2の値を設定する。
また、充足度が閾値以上の場合、VBVバッファ制御部202は、重み付け係数W3に対し、アクティビティに基づく重み付け係数W1が反映されるよう、W2を設定する。
この様子を図4、図5に示す。
図4は、経過時間と重み計数W3の様子を示す図である。401は重み付け係数W3の変化の様子を示している。
図4に示すように、401の直前でVBVバッファの充足度が低くなり、アンダーフローしそうになると、W3が1.0近傍となるよう、VBVバッファ制御部202によりW2の値を変更する。この様に、W3が1.0近傍になるように制御することで、W3によるQスケールの変化の度合いが少なくなり、VBVバッファの占有量により決定したQスケールがそのまま出力されることになる。
図5は、VBVバッファの充足度を示す図である。図中、501がVBVバッファの最大値であり、502が閾値である。503はVBVバッファに蓄積される符号を示している。また、504〜508に示すタイミングで、それぞれ1画面分の符号化データがVBVバッファから抜き取られる。
この様に順次VBVバッファからデータが抜き取られていく課程で、VBVバッファに蓄積されている符号量が閾値を下回った場合、W3の変化範囲が1.0近傍となるように制御する。
この様に、本実施形態では、画像のアクティビティから求めた重み付け係数を、VBVバッファの状態によって変換している。そして、変換した重み付け係数を用いてQスケールの値を制御している。
そのため、単にアクティビティだけにより重み付け係数を決める場合に比べ、よりVBVバッファの状態を考慮した量子化スケールを設定することが可能となる。
従って、画像の特徴を考慮した符号化処理ができ、VBVバッファがアンダーフローとなる可能性が少ない。
なお、図5では、閾値を一つだけ設けたが、複数の閾値を設けておき、VBVバッファの占有量が閾値を一つ下回る度に、Qスケールの変化範囲が段階的に狭くなるよう、制御する構成としてもよい。
次に、第2の実施形態を説明する。
前述の実施形態では、画像のアクティビティから求めた重み付け係数を、VBVバッファの状態によって変換していた。そのため、一つのフレームの途中でW2の値が変更されることがあり、特に、1画面内で後に処理されるMBについて、アクティビティに基づく画質改善効果が少なくなることがある。
そこで、本実施形態では、ピクチャ重み付け決定部によってMBごとのアクティビティに基づいて重み付け係数を生成する際に、ピクチャ重み付け決定部に対して供給するアクティビティをVBVバッファの状態によって変換する。
図3は本実施形態におけるレート変換部113の構成を示す図である。図3において、図2と同様の構成は同一番号を付してある。
図3において、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファの状態を予測し、その結果に基づいて、ピクチャごとの変換係数W4を生成してアクティビティ変換部301に出力する。
アクティビティ変換部301は、アクティビティ検出部114からのアクティビティに対し、ピクチャごとの変換係数W4を乗算し、1フレーム内の全てのMBの重み付け係数を一律に変換する。
具体的には、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファにおける可変長符号の充足度が小さく、アンダーフローしそうな場合には、重み付け係数W1の影響が少なくなるよう、W4の値を設定する。
また、VBVバッファ制御部202は、VBVバッファにおける符号の充足度が大きい場合には、アクティビティに基づく重み付け係数W1によりQスケールが変化する範囲が狭くなるよう、W4を設定する。
以下、ピクチャ重み付け決定部204は変換されたアクティビティに基づいて各MBの重み付け係数W1を設定する。MB重み付け係数選択部205によりMB毎に係数W1を選択してQスケール変換部207に出力する。Qスケール変換部207はQスケール決定部203からのQスケールと変換係数W1とを用いて以下の演算を行い、Qスケールを変換する。
Qスケール’=Qスケール×W1
この様に変換されたQスケール’を、当該MBの量子化スケールとして量子化部104に設定する。
この様に、本実施形態では、画像のアクティビティをVBVバッファの状態によって変換している。そして、変換したアクティビティより求めた重み付け係数を用いてQスケールの値を制御している。
そのため、単にアクティビティだけにより重み付け係数を決める場合に比べ、よりVBVバッファの状態を考慮した量子化スケールを設定することが可能となる。
従って、画像の特徴を考慮した符号化処理ができ、VBVバッファがアンダーフローとなる可能性が少ない。
次に、第3の実施形態を説明する。
図6は本実施形態におけるレート変換部113の構成を示す図である。図6において、図2と同様の構成は同一番号を付してある。
図6において、Qスケール決定部203は、前述の実施形態と同様にQスケールを決定し、スイッチ602に出力する。
一方、Qスケール変換部207は、MB重み付け係数選択部205から出力されたMB単位の重み付け係数W1とQスケール決定部203からのQスケールの値を前述の如く演算し、Qスケール’を得、スイッチ602に出力する。
スイッチ602は、VBVバッファ制御部601からの指示に従い、Qスケール決定部203からのQスケールとQスケール変換部207からのQスケール’のうちの一方を選択する。
VBVバッファ制御部601は、VBVバッファの占有量を予測し、VBVバッファの占有量が所定の閾値を下回った場合、Qスケール決定部203からのQスケールを選択するよう、スイッチ602を制御する。
また、VBVバッファ制御部601は、VBVバッファの占有量が閾値以上の場合には、Qスケール変換部207からのQスケールを選択するよう、スイッチ602を制御する。
このように、本実施形態では、VBVバッファの占有量に応じて、アクティビティによる重み付け係数によって変換したQスケールを用いるか否かを切り替えている。
具体的には、VBVバッファの占有量が少ない場合には、変換したQスケール値を用いないようにすることで、よりVBVバッファの状態を考慮した量子化スケールを設定することが可能となる。
従って、画像の特徴を考慮した符号化処理ができ、VBVバッファがアンダーフローとなる可能性が少ない。
次に、第4の実施形態を説明する。
図7は本実施形態におけるレート変換部113の構成を示す図である。図7において、図2と同様の構成は同一番号を付してある。
図7において、Qスケール決定部203は、前述の実施形態と同様にQスケールを決定し、乗算器703に出力する。
一方、MB重み付け係数選択部205はアクティビティ基づいてMB単位の重み付け係数W1を生成し、スイッチ702の一方の端子に出力する。スイッチ702の他方の端子には、値1.0が供給される。
そして、スイッチ702は、VBVバッファ制御部701からの指示に従い、MB重み付け係数選択部205からの重み係数W1と係数1.0のうちの一方を選択する。
乗算器703は、スイッチ702から出力された重み係数W1または、係数1.0とQスケール決定部203からのQスケールとを乗算し、Qスケール’を出力する。
VBVバッファ制御部701は、VBVバッファの占有量を予測し、VBVバッファの占有量が所定の閾値を下回った場合、係数1.0を選択するよう、スイッチ702を制御する。
また、VBVバッファ制御部701は、VBVバッファの占有量が閾値以上の場合には、重み係数W1を選択するよう、スイッチ702を制御する。
このように、本実施形態では、VBVバッファの占有量に応じて、Qスケールに乗算する係数を切り替えている。
具体的には、VBVバッファの占有量が少ない場合には、係数1.0をQスケールに乗算することで、実質的にアクティビティによりQスケールが変化しないように制御している。
そのため、よりVBVバッファの状態を考慮した量子化スケールを設定することが可能となる。
なお、前述の各実施形態では、動画像信号をMPEG2方式に従って符号化する装置に対して本発明を適用した場合について説明した。しかし、これ以外にも、例えば、MPEG4−AVC方式など、量子化や可変長符号化の技術を用いて動画像信号を符号化する装置、或いはシステムなどに対して、本発明を同様に適用することができる。また、これにより、同様に効果を奏するものである。
この場合、VBVバッファの占有量ではなく、符号化された動画像データのデータレートを監視する手段を設け、データレートが低下する程、アクティビティによる前記量子化スケールの変化度合いが少なくなるよう制御すればよい。
具体的には、単位時間あたりに発生した符号量に基づいてデータレートを算出し、このデータレートがある閾値以下となった場合に、アクティビティによる量子化スケールの変化度合いが少なくなるようにすればよい。
上述した実施の形態の処理は、各機能を具現化した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てもよい。そして、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、前述した実施形態の機能を実現することができる。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、光磁気ディスクなどを用いることができる。或いは、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどを用いることもできる。
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、前述した各実施の形態の機能が実現されるだけではない。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各実施の形態の機能が実現される場合も含まれている。
更に、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てもよい。その後、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各実施の形態の機能が実現される場合も含むものである。
本発明の実施形態における符号化装置の構成を示す図である。 レート制御部の構成を示す図である。 レート制御部の構成を示す図である。 重み付け係数の変化の様子を示す図である。 VBVバッファの符号蓄積の様子を示す図である。 レート制御部の他の構成を示す図である。 レート制御部の更に他の構成を示す図である。

Claims (5)

  1. 入力された動画像信号を設定された量子化スケールで量子化する量子化手段と、
    前記量子化手段の出力を可変長符号化する符号化手段と、
    前記入力された動画像信号のアクティビティを検出するアクティビティ検出手段と、
    前記符号化手段より出力された可変長符号の符号量に基づいて前記量子化スケールを決定する量子化スケール決定手段と、
    前記アクティビティ検出手段により検出されたアクティビティに基づいて前記量子化スケール決定手段により決定された値を変更し、この変更した値を前記量子化スケールとして前記量子化手段に設定する変更手段と、
    前記符号化手段より出力された可変長符号の符号量に基づいて前記符号化された動画像信号を復号する復号器における仮想バッファの占有量を検出し、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記アクティビティによる前記量子化スケールの変化度合いが少なくなるよう前記変手段を制御する占有量検出手段とを備え
    前記変更手段は、前記アクティビティ検出手段により検出されたアクティビティに基づいて重み付け係数を生成する係数生成手段と、前記重み付け係数に従って前記量子化スケール決定手段により決定された値を変更する量子化スケール変更手段とを有し、
    前記占有量検出手段は、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記重み付け係数に従って前記量子化スケールの値が変化する範囲が小さくなるように調整する制御パラメータを設定し、当該制御パラメータによって前記係数生成手段により生成される重み付け係数の値を変化させることを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記動画像信号はそれぞれn画素からなる複数のマクロブロックから構成され、前記係数生成手段は前記マクロブロック単位に前記重み付け係数を生成し、前記量子化スケール決定手段は前記マクロブロック単位に前記量子化スケールを決定することを特徴とする請求項記載の画像処理装置。
  3. 前記占有量検出手段は、前記検出された占有量が所定の閾値を下回った場合には、前記制御パラメータによって前記係数生成手段により生成される重み付け係数の値を所定値に設定し、実質的に前記量子化スケールの値の変化が行われないようにすることを特徴とする請求項1又は2記載の画像処理装置。
  4. 入力された動画像信号を設定された量子化スケールで量子化する量子化ステップと、
    前記量子化ステップにより量子化された動画像信号を可変長符号化する符号化ステップと、
    前記入力された動画像信号のアクティビティを検出するアクティビティ検出ステップと、
    前記符号化ステップにより得られた可変長符号の符号量に基づいて前記量子化スケールを決定する量子化スケール決定ステップと、
    前記アクティビティ検出ステップにより検出されたアクティビティに基づいて前記量子化スケール決定ステップにより決定された値を変更し、この変更したを前記量子化ステップの前記量子化スケールとして設定する変更ステップと、
    前記符号化ステップにより得られた可変長符号の符号量に基づいて前記符号化された動画像信号を復号する復号器における仮想バッファの占有量を検出し、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記アクティビティによる前記量子化スケールの変化度合いが少なくなるよう前記変ステップを制御する占有量検出ステップとを有し、
    前記変更ステップは、前記アクティビティ検出ステップにより検出されたアクティビティに基づいて重み付け係数を生成する係数生成ステップと、前記重み付け係数に従って前記量子化スケール決定ステップにより決定された値を変更する量子化スケール変更ステップとを含み、
    前記占有量検出ステップでは、前記検出された占有量が小さくなるほど、前記重み付け係数に従って前記量子化スケールの値が変化する範囲が小さくなるように調整する制御パラメータを設定し、当該制御パラメータによって前記係数生成ステップで生成される重み付け係数の値を変化させることを特徴とする画像処理方法。
  5. 前記占有量検出ステップでは、前記検出された占有量が所定の閾値を下回った場合には、前記制御パラメータによって前記係数生成ステップで生成される重み付け係数の値を所定値に設定し、実質的に前記量子化スケールの値の変化が行われないようにすることを特徴とする請求項4記載の画像処理方法。
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