JP4850806B2 - エントロピー符号化装置、エントロピー符号化方法およびコンピュータプログラム - Google Patents

エントロピー符号化装置、エントロピー符号化方法およびコンピュータプログラム Download PDF

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Description

本発明は、エントロピー符号化装置に関する。

近年、ディジタル信号処理、LSIの高集積化、高速化などの進歩により、動画像や静止画像、音声等、大量のディジタル情報を高能率符号化し、記録媒体への記録及び通信媒体による伝送を行うことが可能になってきている。このような技術を応用し、テレビ放送や、ディジタルビデオカメラの映像をストリームに変換できる動画像符号化装置の開発が行われている。

動画像符号化の規格として近年、ITU−Tによって策定された H.264(AVC)が注目されている。H.264では、従来の動画像符号化の規格であるMPEGよりも高能率符号化を実現している。H.264が高能率の符号化を実現させた理由として様々な要因があるが、そのうちの一つとしてエントロピー符号化によるものがある。特に高能率のエントロピー符号化を実現する方式として、H.264ではCABAC(Context Adaptive Binary Arithemetic Coding)という算術符号化を用いたエントロピー符号化を採用している。また、CABACについて記した特許文献としては、特許文献1がある。

H.264の規格書である非特許文献1に記載のCABACを採用したエントロピー符号化部の構成を図3に示す。エントロピー符号化部300の入力データであるシンタックス要素とは、動きベクトル情報、変換係数、量子化パラメータ等のデータであり、それぞれのデータは多値信号である。CABACは、主に以下の4つのブロックによって構成されている。

第一に、多値入力データであるシンタックス要素に対して、各シンタックス要素の種別毎に定められた二値化方式を用いて多値入力に対して二値化処理を行い、二値化データD32を出力する二値化部301がある。二値化部301はまた、後述するコンテキストインデックスを生成するために必要な情報(二値化データD31)を後述するコンテキスト計算部302に出力する。

第二に、二値化データD32の1ビット毎に、コンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスD33を出力するコンテキスト計算部302がある。コンテキスト情報とは、予測シンボル情報と発生確率情報から構成されており、後述する二値算術符号化部304において用いられる信号である。予測シンボル情報とは、二値化部301から出力された二値化データD32の1ビット毎に対して、発生する確率が統計的に高いシンボルの値である。また、発生確率情報は、その発生確率を間接的に示すデータである。

CABACでは、符号化中にコンテキスト情報を符号化結果に基づいて更新し、入力データに適したコンテキスト情報を符号化途中で構築していく。このような振る舞いをするコンテキスト情報を用いることでCABAC符号化は、高効率な符号化を実現している。

また、非特許文献1では、コンテキスト情報の初期値が460種類、間接的に定義されている。この460種類のコンテキスト情報を管理するのがコンテキストインデックスD33である。コンテキストインデックスD33は0から459までの値を取り、コンテキストインデックスD33の値各々に対して1つのコンテキスト情報が対応して存在する。

図3の説明に戻り、第三に、コンテキスト情報を保持するコンテキストメモリ303がある。コンテキストメモリ303は、コンテキスト計算部302において生成されたコンテキストインデックスD33毎にコンテキスト情報を保持する記憶部である。コンテキストメモリ303は、入力されたコンテキストインデックスD33に対応するコンテキスト情報D34を後述する二値算術符号化部304に出力する。

第四に、コンテキスト情報D34と、二値化データD32を用いて二値算術符号化を行う二値算術符号化部304がある。

非特許文献1に記載のCABACでは、新しいスライスを符号化する毎に、コンテキスト情報を初期化することが定められている。つまりCABACによる符号化中に、スライスの先頭を検知すると、コンテキストメモリ303に保持していたコンテキスト情報に対して初期化処理を行う。初期化処理を終えてから符号化処理を行う。

次に、初期化処理と、該初期化処理を終えてから二値算術符号化を行う流れについて、図4を参照して説明する。図4は、二値化部301による二値化処理時間、初期化処理、および、二値算術符号化部304による処理時間との関係を示す図である。

T40は、二値化部301による二値化処理時間を示す。T41は初期化処理に要する処理時間を示す。T42は二値算術符号化部304による二値算術符号化処理時間を示す。t1はCABACにスライス先頭のシンタックス要素が入力されたタイミングを示し、t2は次スライス先頭のシンタックス要素がCABACに入力されたタイミングを示す。同様に、t3、t4、t5、t6もスライス先頭のシンタックス要素がCABACに入力されたタイミングを示す。即ち、t2−t1の時間は1スライス分のシンタックス要素がCABACに入力されている時間である。

二値化部301は、入力される各シンタックス要素の種別毎に定められた二値化方式を用いて、該シンタックス要素を二値化する。二値化部301の二値化処理は入力されるシンタックス要素のクロックサイクルに同期して処理することが可能である。1スライス分のシンタックス要素がCABACに入力されている時間t2−t1内に二値化処理時間T40が収まり、二値化処理を終えることが可能である。

コンテキスト情報の初期化処理は、二値化処理が開始された後、処理が開始される。初期化処理は、スライス毎に値が変化するSliceQPyという輝度信号に対する量子化パラメータと、スライス毎に値が異なるcabac_init_idcというCABACの初期化方法を指定するデータとを用いて行う(非特許文献1参照)。該SliceQPy、該cabac_init_idcなどコンテキスト情報の初期化に必要なデータを、本明細書では初期化パラメータと呼ぶことにする。

上述したように460種類のコンテキスト情報を生成し、初期化処理を初期化処理時間T41で終えた直後から二値算術符号化処理時間T42を必要とする二値算術符号化処理を開始する。該二値算術符号化処理は、二値化データD32を1ビットずつ算術符号化する。二値算術符号化処理は、二値化処理よりも処理時間が長いということが一般的に知られている。その理由は、二値化処理は入力されるシンタックス要素に応じた二値化方式で、多値データであるシンタックス要素を二値化し、二値算術符号化処理は該二値化されたデータ列を符号化するためである。

このことから二値算術符号化処理の符号化結果である二値化データ列は、可変長であり、一定の時間内に出力される二値化データ列のビット長(シンボル数)は異なる。例えば、シンタックス要素の種類によってはシンタックス要素に対して二値化データ列が1ビットしか出力されないこともあれば、シンタックス要素に対して数十ビット二値化データ列が出力されることもある。

以上のCABACの特性に基づき、図4では、処理時間T42における二値算術符号化処理が、次スライスの先頭のシンタックス要素が入力される時間t2までに終了しなかった場合を示している。

また、t3からは、処理時間T43の二値化処理が開始され、その後に処理時間T44の初期化処理が開始される。更に、該初期化処理の後、処理時間T45の二値算術符号化処理が開始される。該二値算術符号化処理は、t5以降に処理が終わる。しかし、t4から処理時間T46の二値化処理が開始され、この二値化処理はt5までに終了してしまう。次の処理時間T47の初期化処理は、処理時間T45の二値算術符号化処理が終了した直後から開始される。この初期化処理で必要な初期化パラメータは、t4から始まるスライスの初期化パラメータであるが、処理時間T45の二値算術符号化処理の処理時間が長かったため、必要な初期化パラメータが得られない。

以上のことから、CABACを実現するためには、二値化処理の開始を遅らせ、初期化処理時に適切な初期化パラメータを得られるようにすることが考えられる。
特開2004−135251号公報 ITU−T Recommendation H.264

また、初期化パラメータを記憶部に保持しておくことで初期化処理が適切な初期化パラメータを得られるようにすることも考えられる。図5に初期化パラメータを記憶部に保持しておく構成のエントロピー符号化部500のブロック図を示す。

エントロピー符号化部500は、図3に示した二値化部301と、コンテキスト計算部302と、コンテキストメモリ303と、二値算術符号化部304とを有する。その上で、二値化データD31を保持する記憶部501とコンテキスト情報の初期化を行う初期値生成部502とを備える。

記憶部501は、二値化部301の出力である二値化データD31を一時的に保持する記憶部である。上述したように二値算術符号化部304の処理速度が二値化部301に比べ遅いことから、二値化データをバッファリングしておく必要がある。記憶部501は、一時的に保持した二値化データD31を、コンテキスト計算部302に出力する。コンテキスト計算部302は、入力された二値化データD31の1ビット毎にコンテキストインデックスD33をコンテキストメモリ部303に出力する。

初期値生成部502は、コンテキスト情報の初期値を生成する。初期化に必要な初期化パラメータを後述する記憶部503から読み出して初期化を行う。コンテキスト情報の初期化を行い、初期化済みのコンテキスト情報D53をコンテキストメモリ部303に出力する。

コンテキストメモリ部303は、初期値生成部502からの初期化済みコンテキスト情報D53の入力があった場合は、該入力をコンテキスト計算部302から入力されたコンテキストインデックスD33を書き込みアドレスとして格納する。

CPU(Central Processing Unit)504は、エントロピー符号化部500を制御する制御部であり、初期化パラメータを含むヘッダ情報を管理している。CPU504は、符号化途中で取得した初期化パラメータをスライス単位で記憶部503に保持する。記憶部503は、初期値生成部502が必要とする初期化パラメータを保持する。

二値算術符号化部304は、コンテキストメモリ部303の出力であるコンテキスト情報D34と、二値化データD31とに基づき二値算術符号化を行う。

しかしながら、初期化パラメータを記憶部503に保持するには新たなハードウェアリソースと、該ハードウェアリソースの制御処理とが新たに必要になる。また、初期化が必要な時に記憶部503から初期化パラメータを読出して初期化処理に使用するためには、該記憶部503のアドレス管理等の制御が必要となり、該初期化パラメータの管理が煩雑となるといった問題があった。

そこで本発明は、初期化パラメータの管理を容易にする構成を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、エントロピー符号化装置であって、
スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化手段と、
前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算手段と、
コンテキスト情報を保持するコンテキストメモリ手段と、
生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化手段と、
前記二値化手段で生成された前記二値化データを、対応するスライスの初期化パラメータと関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記初期化パラメータから、前記対応するスライスのコンテキスト情報の初期値を生成し、前記コンテキストメモリ手段に出力する初期値生成手段とを備える。

上記課題を更に解決するための本発明は、エントロピー符号化装置であって、
スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化手段と、
前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算手段と、
コンテキスト情報を保持するコンテキストメモリ手段と、
生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化手段と、
前記二値化手段で生成された前記二値化データを、対応するスライスのコンテキスト情報の初期値と関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力し、前記コンテキストメモリ手段に該初期値を出力する記憶手段とを備える。

本発明によれば、初期化パラメータの管理を容易にする構成を提供できる。

以下、添付する図面を参照して、発明の実施形態を説明する。

図1は発明の実施形態に対応するCABAC方式のエントロピー符号化装置の構成の一例を示すブロック図である。

図1のエントロピー符号化部100において、二値化部101にはシンタックス要素D10が入力され、入力シンタックス要素を種別毎に定められたアルゴリズムに基づいて二値化データD11へ変換する。二値化データD11は記憶部105に出力する。

CPU107は、エントロピー符号化部100の他、不図示の動き補償部、直交変換部等を含む画像符号化装置全体を管理及び制御すると共に、初期化パラメータを含むヘッダ情報の管理、各処理部の制御等を行う制御回路である。また、CPU107は、スライス毎の符号化の進捗を常時把握し制御可能である。CPU107は、スライス単位の初期化パラメータを取得するとエントロピー符号化部100にシンタックス要素が入力される前に、初期化パラメータD13を記憶部105に出力する。つまり、エントロピー符号化部100がエントロピー符号化を実行するまでに初期化パラメータを記憶部105に記憶する。

記憶部105は、二値化部101で生成された二値化データD11とCPU107で生成される初期化パラメータD13とを記憶する。図2に記憶部105内部の記憶領域のデータ構造の一例を示す。記憶領域200は、記憶部105の全体の記憶領域を示している。記憶部105は、二値化部101で二値化されたスライス毎のシンタックス要素である二値化データD11を順に記憶していく。図2に示されるスライス#1は符号化が始まって最初に入力されるスライスの二値化データD11である。

CPU107は、エントロピー符号化が実行される前、すなわち二値化データD11が記憶部105に記憶される前に初期化パラメータD13を記憶部105に出力する。そこで、記憶部105は、入力した初期化パラメータD13を二値化データD11の先頭に配置するように記憶する。さらに記憶部105は、スライス毎に、先頭に初期化パラメータD13を保持し、その後の領域に二値化データD11を記憶していく。このようにして、記憶部105は、二値化部101で生成された二値化データD11を、スライスの初期化パラメータD13と関連づけて保持することができる。

最初のスライス#1に関する初期化パラメータと、二値化データは図2に示すように初期化パラメータD13、二値化データD11という順で、スライス単位に並んで記憶される。スライス#1以降のスライス#2、スライス#3、スライス#4も同様にしてスライス単位で記憶される。また、記憶部105は、記憶された初期化パラメータD13を初期値生成部106に出力し、記憶された二値化データD11をコンテキスト計算部102に出力する。

初期値生成部106は、記憶部105から提供される初期化パラメータD13を用いて、非特許文献1に記載されている初期化方法に基づき、コンテキスト情報の初期値D14をコンテキストインデックス毎に460種類生成する。生成したコンテキスト情報の初期値D14は、コンテキストメモリ部103に出力される。

コンテキスト計算部102は、記憶部105から与えられた二値化データD11の1ビット毎のコンテキストインデックスD12を生成し、コンテキストメモリ部103に出力する。このコンテキストインデックスD12は、上述のようにコンテキスト情報を一意に特定するために0から459までの値を取り、コンテキストメモリ部103へのコンテキスト情報の書き込み、読み出し用のアドレスとしても利用される。コンテキスト計算部102はまた、記憶部105から与えられた二値化データD11をそのままコンテキストメモリ部103及び二値算術符号化部104に出力する。

コンテキストメモリ部103は、初期値生成部104で生成されたコンテキスト情報の初期値D14が入力されると、内部メモリに格納していたコンテキスト情報を該初期値D14により更新する。また、コンテキストインデックスを書込み及び読出しアドレスとしてコンテキスト情報を保持し、二値算術符号化部104の要求に合わせてコンテキスト情報D15を二値算術符号化部104に出力する。なお、コンテキストメモリ部103において、入力される二値化データD11は、メモリ内に保持されている発生確率の高いほうのシンボル情報との比較に用いられる。

二値算術符号化部104は、入力されるシンタックス要素の二値化データD11と、コンテキストメモリ部103に保持されているコンテキスト情報D15と関連するコンテキストインデックスD12とを用いて二値算術符号化を行う。二値算術符号化を行った後、生成された符号化ビットストリームD16を出力する。

なお、コンテキストメモリ部103の初期化後は、コンテキストメモリ部103内部で、二値化データD11とメモリ内のコンテキスト情報に含まれる予測シンボル情報の値とを比較して、コンテキスト情報の更新を行う。即ち、比較結果において、もし2つの値が等しい場合は、内部メモリに格納している内容をそのままコンテキスト情報D15として出力する。一方、比較結果において2つの値が等しくない場合は、格納しているコンテキスト情報に含まれる発生確率情報を予め定められた特定のテーブルに従って更新し、コンテキスト情報D15として出力する。

以上のような構成で、初期化パラメータと、二値化データとを記憶部105で一元管理することにより、初期化パラメータの管理を容易にすることが可能となる。またCPU107が出力する初期化パラメータD13は、初期値生成部106で生成されるコンテキスト情報の初期値D14と同等の値であっても良い。またCPU107は、コンテキスト情報の初期値D14を生成する専用回路で代用することもできる。これらの場合、記憶部105には、初期値D14が初期化パラメータの代わりに格納されることとなる。

以上、図1に示したブロック図及び、図2に示した記憶部における記憶の例のように、上述した方法に従った処理を実行することにより、初期化パラメータの管理を容易にすることが可能になる。

以上のように、本実施形態に対応するエントロピー符号化装置では、二値化データを初期化パラメータと共通のメモリに保持させることでハードウェアリソースを共通化することができる。これにより、初期化パラメータの管理を容易とすることができる。

[その他の実施形態]
なお、本発明は、複数の機器(例えばホストコンピュータ、インタフェイス機器、リーダ、プリンタなど)から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置(例えば、複写機、ファクシミリ装置など)に適用してもよい。

また、本発明の目的は、前述した機能を実現するコンピュータプログラムのコードを記録した記憶媒体を、システムに供給し、そのシステムがコンピュータプログラムの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コンピュータプログラムのコード自体が前述した実施形態の機能を実現し、そのコンピュータプログラムのコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成する。また、そのプログラムのコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム(OS)などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した機能が実現される場合も含まれる。

さらに、以下の形態で実現しても構わない。すなわち、記憶媒体から読み出されたコンピュータプログラムコードを、コンピュータに挿入された機能拡張カ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込む。そして、そのコンピュータプログラムのコードの指示に基づき、その機能拡張カ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または全部を行って、前述した機能が実現される場合も含まれる。

本発明を上記記憶媒体に適用する場合、その記憶媒体には、先に説明したフローチャートに対応するコンピュータプログラムのコードが格納されることになる。

発明の実施形態に対応するCABAC方式のエントロピー符号化装置の構成の一例を示すブロック図である。 発明の実施形態に対応する記憶部105内部の記憶領域のデータ構造の一例を示す図である。 H.264の規格書に記載の、CABACを採用したエントロピー符号化部の構成を示すブロック図である。 CABAC方式のエントロピー符号化部における各処理の処理時間の関係を説明するための図である。 初期化パラメータを記憶部に保持しておく構成のエントロピー符号化部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

100 エントロピー符号化部
101 二値化部
102 コンテキスト計算部
103 コンテキストメモリ
104 二値算術符号化部
105 記憶部
106 初期値生成部
107 CPU

Claims (9)

  1. スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化手段と、
    前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算手段と、
    コンテキスト情報を保持するコンテキストメモリ手段と、
    生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化手段と、
    前記二値化手段で生成された前記二値化データを、対応するスライスの初期化パラメータと関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶された前記初期化パラメータから、前記対応するスライスのコンテキスト情報の初期値を生成し、前記コンテキストメモリ手段に出力する初期値生成手段と
    を備えることを特徴とするエントロピー符号化装置。
  2. 前記記憶手段は、前記初期化パラメータを、前記対応するスライスの二値化データの先頭に記憶することを特徴とする請求項1に記載のエントロピー符号化装置。
  3. 前記初期値生成手段は、当該エントロピー符号化装置を含む画像符号化装置全体を制御する制御回路であることを特徴とする請求項1または2に記載のエントロピー符号化装置。
  4. スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化手段と、
    前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算手段と、
    コンテキスト情報を保持するコンテキストメモリ手段と、
    生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化手段と、
    前記二値化手段で生成された前記二値化データを、対応するスライスのコンテキスト情報の初期値と関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力し、前記コンテキストメモリ手段に該初期値を出力する記憶手段と
    を備えることを特徴とするエントロピー符号化装置。
  5. 前記記憶手段は、前記初期値を、前記対応するスライスの二値化データの先頭に記憶することを特徴とする請求項4に記載のエントロピー符号化装置。
  6. 前記コンテキストメモリ手段は、前記初期値が入力された場合に、保持しているコンテキスト情報を該初期値により更新することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のエントロピー符号化装置。
  7. 二値化手段と、コンテキスト計算手段と、コンテキストメモリ手段と、算術符号化手段と、記憶手段と、初期値生成手段とを備えるエントロピー符号化装置におけるエントロピー符号化方法であって、
    前記二値化手段が、スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化工程と、
    前記コンテキスト計算手段が、前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算工程と、
    前記コンテキストメモリ手段が、生成された前記コンテキストインデックスに対応するコンテキスト情報を出力する出力工程と、
    前記算術符号化手段が、生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化工程と
    を有し、
    前記記憶手段が、前記二値化工程で生成された前記二値化データを、対応するスライスの初期化パラメータと関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力する工程と、
    前記初期値生成手段が、前記記憶手段に記憶された前記初期化パラメータから、前記対応するスライスのコンテキスト情報の初期値を生成し、前記コンテキストメモリ手段に出力する初期値生成工程と
    更に有することを特徴とするエントロピー符号化方法。
  8. 二値化手段と、コンテキスト計算手段と、コンテキストメモリ手段と、算術符号化手段と、記憶手段とを備えるエントロピー符号化装置におけるエントロピー符号化方法であって、
    前記二値化手段が、スライス毎のシンタックス要素を二値化データへ変換する二値化工程と、
    前記コンテキスト計算手段が、前記二値化データのビット毎のコンテキスト情報を特定するためのコンテキストインデックスを生成するコンテキスト計算工程と、
    前記コンテキストメモリ手段が、生成された前記コンテキストインデックスに対応するコンテキスト情報を出力する出力工程と、
    前記算術符号化手段が、生成された前記コンテキストインデックスに対応して前記コンテキストメモリ手段から出力されたコンテキスト情報と、前記二値化データとを用いて算術符号化を行う算術符号化工程と
    を有し、
    前記記憶手段が、前記二値化工程で生成された前記二値化データを、対応するスライスのコンテキスト情報の初期値と関連づけて保持し、前記コンテキスト計算手段に該二値化データを出力し、前記コンテキストメモリ手段に該初期値を出力する工程
    更に有することを特徴とするエントロピー符号化方法。
  9. コンピュータを請求項1乃至6のいずれか1項に記載のエントロピー符号化装置の各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
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