JP5307681B2 - 画像符号化構造の自動生成方法,画像符号化構造の自動生成装置およびそのプログラム - Google Patents
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Description
画像のエンコーダ内で使用される各種符号化機能(画像符号化の各種の要素技術)それぞれをノードと定義する。例えば画像を任意のブロックサイズで分割・走査する符号化機能や,複数手法の中から単一の手法を選択して符号化/復号する符号化機能,既知の画素値を参照して符号化対象ブロック内の画素値を予測し,予測誤差をビットストリームに変換する各種符号化機能などを指す。また,ノードには,JPEGやAVC/H.264などの従来のエンコーダをそのまま適用することもできる。
ノードの組み合わせで表記されるエンコーダの設計図を符号化構造と定義する。ノードの組み合わせ次第で任意のエンコーダを設計できる。すなわち,符号化構造は,画像符号化を実現するための各種の要素技術の組み合わせを表現したものであり,ノードの接続図でもある。
任意の画像に対して任意の符号化構造で圧縮した際に得られる“復号画像の画質・符号量・合計符号化処理時間・最適復号処理時間”の4つから計算される一次元の指標のことをコストと定義する。コストは,下記の“最適化”や分岐・選択のノードの計算時に適宜計算され,コストが低い手法の方がより優れた方法として評価される。例えばAVC/H.264では,ブロックサイズや各種手法の分岐・選択にラグランジュコスト計算が使用されている。
入力画像に対してコストが最小となるように符号化構造内のノードの組み換えを行うことを最適化と定義する。
本発明では,画像をブロックに分割する機能や処理の分岐・選択を行う機能,ブロック内の画素値をビットストリームに変換する機能,復号画素に対してフィルタを行う機能の各々をノードとして扱う。これらのノードは,実装上はそれぞれが例えば関数呼出しによって呼び出されるサブプログラムのモジュールのようなものと考えてよい。ノードは大きく以下の3つに分類される。
・符号化/復号ノード:対象ブロック内の画素値をビットストリームに変換/逆変換するノード
・フィルタノード:復号画像の復号済み画素に対してフィルタを施すノード
図1は,構造ツリーの構造の例を表す図であり,図2は,その構造ツリーの符号化(符号語)の例を表す図である。
・ビットストリーム:符号語を追記型で格納
・ブロックサイズ:対象ブロックの縦幅,横幅
・基準座標:対象ブロックの左上のx,y座標値
・最適復号処理時間:コスト最小となる経路を辿った際の復号処理に要する合計時間
・符号化処理時間:符号化処理に要する合計時間
・ノード番号:上記ノード番号
・エラー情報:通常は“エラーなし”
なお,ビットストリームに格納される符号語は,0または1の生起確率に対して適応的にエントロピー符号化を行う適応二値算術符号などを使用する。本説明では,簡素化のためエントロピー符号化を行わず,符号語がそのまま保存されているものとして扱う。
構造ノードは大きく下記の2つに分類されるが,上記2つの機能を併用した単一ノードを適用することも可能である。
・処理の分岐・選択機能の構造ノード
画面の分割・走査機能の構造ノードは,入力PINのブロック中をノード内で規定するブロックサイズで分割し,網羅的に走査しながら下位ノードを実行する条件と,画像符号化装置と画像復号装置とで走査するブロックの順番が一定であれば,いかなる分割・走査方法であっても対象となる。
符号化/復号ノードは,上位ノードから渡されるPINのデータを受け取り,ブロックサイズと座標値から対象ブロックを決定し,対象ブロック内の画素値を符号語に変換してビットストリームに格納する機能と,ビットストリームから符号語を切り出し,逆変換することで画素値に戻す機能を持つものとする。
ブロック毎に符号化を行う非可逆圧縮手法では,ブロック間で不連続な歪を発生させることがあり,視覚的に大きな違和感を与えるため,AVC/H.264では,不連続な歪による違和感を軽減させるためにブロック間の復号画素値を平滑化させるデブロッキングフィルタが搭載されている。
本発明では,前述の特徴を持つ各種ノード群を複数保持するノードの記憶装置を用意し,その中から複数のノードを引用することで,符号化対象画像を符号化した際に,ユーザが任意に設定するコストが最も低くなるように構造ツリーの最適化を行う。
・交叉:2つの個体を部分的に交換する。
・変異:1つの個体内の選択されたノード自体を別のノードに置き換える。
・削除:1つの個体内の選択されたノード自体を取り除く。
・挿入:1つの個体内の選択されたノードの前に新たにノードを挿入する。
図5に示すように,2つの個体内からそれぞれランダムにノードの選択を行い,選択したノード以下に接続する全てのノードに対して置き換えを行う。
図6(A)に変異の例を示す。構造ノード・符号化/復号ノード・フィルタノード全てが変異対象となるが,構造ノードは構造ノードに,符号化/復号ノードは符号化/復号ノードに,フィルタノードはフィルタノードにしか変異しないものとし,変異後のノードはそれぞれランダムに決定する。構造ノードが選択された場合で,変異前の下位ノード数が変異後の下位ノード数より少なかった場合には,今まで接続していた下位ノードはそのまま接続し,残りの下位ノードは符号化/復号ノードをランダムに選択して接続・生成する。一方,変異前の下位ノード数が変異後の下位ノード数より多かった場合には,今まで接続していた下位ノードの中からランダムに選択もしくは優先順序を付けて選び出し,変異後の下位ノードとして接続する。符号化/復号ノードおよびフィルタノードが選択された場合には,それぞれランダムに決定したノードに置き換える。
図6(B)に削除の例を示す。削除対象となるノードは,下位ノードを持つ構造ノードとフィルタノードのみである。構造ノードが削除対象として選択された場合で,かつ接続する下位ノードの数が1つであった場合には,そのままノードを削除し,上位ノードの出力PINと下位ノードの入力PINとを接続する。2つ以上の下位ノードを持つ構造ノードの場合には,中から1つをランダムに選択もしくは優先順序をつけて選択し,上位ノードの出力PINと下位ノードの出力PINとを接続する。フィルタノードが削除対象として選択された場合には,下位ノードの数は1つなので,そのままノードを削除し,上位ノードの出力PINと下位ノードの入力PINとを接続する。
図6(C)に挿入の例を示す。挿入対象となるノードは,下位ノードを持つ構造ノードとフィルタノードのみであり,複数の構造ノードとフィルタノードの中からランダムに1つ挿入するノードを選択する。構造ノードが選択された場合で,かつ接続する下位ノードの数が1つの場合には,そのままノードを追加する。2つ以上の下位ノードを持つ構造ノードの場合には,その中の1つは今まで接続していた下位ノードをそのまま接続し,残りの下位ノードには,符号化/復号ノードをランダムに選択して生成する。フィルタノードが選択された場合には,下位ノードの数は1つなので,そのままノードを挿入する。
本発明では,ユーザの要求に合わせた高画質・低ビットレート・処理時間の最適な画像符号化手法を得るため,評価を行う上でのコスト算出関数の設定をユーザが自由に設定可能な構成をとる。コスト算出関数は,最適化時における構造ノードを画像全体に適用した際のコスト算出と,符号化時における構造ノードの分岐・選択機能内の処理の分岐・選択で適用される計算手法とで同じコスト算出関数を用いる。
ここで,SSD(Sum of Square Difference)は符号化対象ブロック内の復号画素値と,原画像の対象ブロック内画素値の二乗誤差が使用される。λは量子化パラメータQP(0〜51)に依存して決定する値であり,GenBitsは対象ブロックの符号化によって増加した符号量が適用される。
・発生符号量
・符号化処理時間
・最適復号処理時間
[1−1]構造ツリーを用いた画像符号化装置
本実施形態による画像符号化構造の自動生成装置にて出力される構造ツリーを用いて符号化を行う画像符号化装置1の一実施形態例を図7に示す。
次に,画像符号化装置1の処理の流れの例を,図8に示す。
・復号画像:原画像と同じ画像サイズのブランク画像
・ビットストリーム:ブランク状態の追記型ビットストリーム
・ブロックサイズ:(Width,Height)=(原画像の横幅,原画像の縦幅)
・基準座標:(x,y)=(0,0)
・最適復号処理時間:0
・符号化処理時間:0
・ノード番号:0
・エラー情報:エラーなし
続いて,ステップS102にて,ノード転送PINのビットストリームに画像サイズ等のヘッダ情報を格納し,ステップS103にて,構造ツリー記憶部11を参照して,ノード転送PINのビットストリームに構造ツリーのノード識別番号を配列の順に格納する(図2参照)。
本実施形態による画像符号化構造の自動生成装置にて出力される構造ツリーを用いて符号化された画像を復号する画像復号装置2の一実施形態例を図9に示す。
次に,画像復号装置2の処理の流れの例を図10に示す。
・復号画像:ヘッダ記載の画像サイズのブランク画像
・ビットストリーム:ブランク
・ブロックサイズ:(Width,Height)=(ヘッダ記載の画像横幅,ヘッダ記載の画像縦幅)
・基準座標:(x,y)=(0,0)
・最適復号処理時間:0
・符号化処理時間:0
・ノード番号:0
・エラー情報:エラーなし
続いて,ステップS204にて,ノード記憶部26から識別番号のノードの復号機能を引用し,ノード転送PINを引用したノードの入力PINに受け渡して復号処理を実行し,ReturnPINをResultに格納する。引用したノードの内部で再帰的に最上位ノード以下に接続する全ての下位ノードが実行されるため,ステップS204にて,受け取る実行結果に復号後の復号画像やエラー情報が格納される。
[2−1]ノードにおける符号化処理の実行
画像符号化装置1内で使用されるノード実行部16にて,ノードにおける符号化処理が実行されるときの詳細な構成の一例を図11に示す。この処理の流れは,構造ノード・符号化/復号ノード・フィルタノードを通じて同一である。
次に,図11に示すノード実行部16の処理の流れの例を図12に示す。
符号化/復号ノードの実施例:[2−6−1]
フィルタノードの実施例:[2−7−1]
[2−3]ノードにおける復号処理の実行
画像復号装置2内で使用されるノード実行部25にて,ノードにおける復号処理が実行されるときの詳細な構成の一例を図13に示す。この処理の流れは,構造ノード・符号化/復号ノード・フィルタノードを通じて同一である。
次に,図13のノード実行部25の処理の流れの例を,図14に示す。
符号化/復号ノードノ実施例:[2−6−2]
フィルタノードの実施例:[2−7−2]
[2−5]構造ノードの処理の流れ
[2−5−1]画面の分割・走査機能の構造ノード符号化処理の流れ
入力PINのブロック内を16×16のブロックサイズに分割し,右方向下向きに走査しながら単一の下位ノードに出力PINを受け渡し,順次実行するノードの符号化処理の流れを一例として図15に示す。
前述の[2−5−1]の例における復号処理の流れは,図15と同一の処理を行うが,構造ツリー記憶部は[1−3]にて用いた構造ツリー記憶部23を用いる。また,ステップS506の再帰処理は[2−3]の再帰処理にあたる。
上位ノードから渡される入力PINのブロックサイズを上下2分割し,上から下へと走査しながら上部と下部で実行する下位ノードを切り替える符号化処理の流れを一例として図16に示す。
前述の[2−5−3]の例における復号処理の流れは,図16と同一の処理を行うが,構造ツリー記憶部は[1−3]にて用いた構造ツリー記憶部23を用いる。また,再帰処理は[2−3]の再帰処理にあたる。
2つの出力PINを有し,2つの手法の中からビットストリームに符号語を追加格納することで明示的にコストの低い方を選んで符号化を行う分岐・選択を行う機能のノードの符号化処理の流れの一例を,図17および図18に示す。
…(式2)
DecTime=Resultの最適復号処理時間−PreDecTime
…(式3)
なお,上記処理時間の算出を終了すると,ステップS708にて,EncTimeBufferをResultの符号化処理時間で更新する。
前述の[2−5−5]の例における復号処理の流れを図19に示す。
[2−6−1]符号化/復号ノードの符号化処理の流れ
本実施形態は,構造ツリーの評価に復号処理に要する時間もコスト計算対象として含むため,符号化装置内では符号化処理を終えた後にブロック内画素値の完全な復号処理を行う。このように符号化/復号ノードには必須処理が含まれるため,これら符号化処理における必須処理の流れを,図20および図21に示す。
[2−6−1]に記載の符号化/復号ノードの復号処理における必須処理の流れを図22に示す。
[2−7−1]フィルタノードの符号化処理の流れ
フィルタノードの処理手順も符号化/復号ノードの処理と同様に,符号化装置内で符号化処理を終えた後にブロック内画素値の完全な復号処理を行う。このようにフィルタノードにも必須処理が含まれるため,これら符号化処理における必須処理の流れを,図23および図24に示す。
[2−7−1]に記載の符号化/復号ノードの復号処理における必須処理の流れを図25に示す。
画像符号化装置1のノード転送PIN構築部13(図7)にて,符号化対象画像全体をブロックに見立てたPINを生成し(図8:S101),ノード実行部16にてPINを最上位ノードに受け渡して符号化処理を実行し,最上位ノードの実行結果が格納されたReturnPINを受け取る(図8:S104)。
画像復号装置2のノード転送PIN構築部24(図9)にて,復号画像全体をブロックに見立てたPINを生成し(図10:S201),ノード実行部25にてPINを最上位ノードに受け渡して復号処理を実行し,最上位ノードの実行結果が格納されたReturnPINを受け取る(図10:S204)。
[3−1]画像符号化構造の自動生成・最適化装置
本実施形態に係る構造ツリーの自動生成・最適化装置5の一実施形態例を図26に示す。
次に,構造ツリーの自動生成・最適化装置5の処理の流れの例を図27に示す。
前述のように,本実施形態では従来手法と同様に画質と発生符号量,そして符号化/復号に要する処理時間を考慮する。そのための一計算例を以下に記す。
・発生符号量
・符号化処理時間
・最適復号処理時間
[4−1]画質
画質評価には従来手法と同様のSSDやSADを用いる。なお,SSDとSADのどちらを評価値として使用するかはユーザが選択して用いるものとする。
CSAD =SAD×NumBlockPels/NumAccount …(式5)
可逆圧縮手法の最適化を行う場合,原画像と復号画素値が少しでも異なればCSSD ・CSAD としてINFを設定する。可逆圧縮手法の最適化を行うか否かはユーザが決定するものとする。
符号量には,構造ツリーを用いて符号化を行った際に出力される符号語による符号量のほかに,画像サイズ等に代表される各種ヘッダと構造ツリーの符号量が対象とされる。ヘッダの符号化のために最低限必要な画像サイズを縦横それぞれ固定長でXbits割り当て,構造ツリーの符号化のために,ノード識別番号を固定長でNbits割り当て,記述されるノード数がMノード,構造ツリーを用いて符号化を行った際に出力される符号語をYbitsとすると,全体の符号量CGenBits は,次の(式6)にて計算できる。
最適化時における構造ツリーのコスト計算(図7の出力データ分岐部18および図8のステップS106)では,ReturnPIN内のビットストリームにこれらの情報が全て記述されているため,この値をCGenBitsに用いる。
計算時間の肥大化を防止するために導入する評価値であり,下位ノードを実行したときの符号化/復号ノードおよびフィルタノードで要した符号化処理の計算時間の合計を評価値CEncTime として用いる。なお,符号化/復号ノードおよびフィルタノード内では完全な復号処理を行うが,これら復号処理の計算時間は除外し,PINに格納される符号化処理時間は,処理の分岐・選択を行うときもコストの低いReturnPINの符号化処理時間で上書きされることはなく,随時加算計算されるものとして扱う。そのため図7の出力データ分岐部18および図8のステップS106にて,参照するReturnPIN内の符号化処理時間には全ての分岐・選択を辿った合計の符号化処理時間が格納される。
計算時間の肥大化を防止するために導入する評価値であり,下位ノードを実行したときの符号化/復号ノードおよびフィルタノードで要した復号処理の計算時間の合計を評価値CDecTime として用いる。なお,最適復号処理時間は処理の分岐・選択を行うとき,コストの低いReturnPINの最適復号処理時間で上書きされるため,コスト比較の結果,選択されなかった復号処理時間は考慮されない。そのため,復号装置側での復号処理に要する計算時間を見積もる指標として扱うことができ,図7の出力データ分岐部18および図8のステップS106にて,参照するReturnPIN内の最適復号処理時間に,最適な符号化経路を辿った際の復号処理に要する計算時間が格納される。
上記[4−1〜4]の各評価値を用いてコスト算出関数の出力コストを決定する。コスト算出関数には,ユーザの要求に合わせた高画質・低ビットレート・処理時間の最適な画像符号化手法を得るため,以下の4つの設定自由度をユーザに与える。
・SSDorSADフラグ
・RefRange
・各評価値の係数
“可逆圧縮フラグ”を使用する場合には[4−1]に記載のように原画像と復号画素値が少しでも異なればINFを出力する。“SSDorSADフラグ”は画質の評価値としてCSSD とCSAD のどちらを使用するか決定する。“RefRange”は隣接何画素までSSDやSAD計算を行うかを決定する値である。
+c×CEncTime +d×CDecTime …(式7)
また,上記手法だけでなく,4つの評価値を用いてコストを算出する任意の関数も設定可能とする。
10 原画像記憶部
11 構造ツリー記憶部
12 コスト算出関数記憶部
13 ノード転送PIN構築部
14 ヘッダ情報格納部
15 構造ツリー格納部
16 ノード実行部
17 ノード記憶部
18 出力データ分岐部
2 画像復号装置
20 ビットストリーム記憶部
21 ヘッダ情報復号部
22 構造ツリー復号部
23 構造ツリー記憶部
24 ノード転送PIN構築部
25 ノード実行部
26 ノード記憶部
27 出力データ分岐部
Claims (3)
- あらかじめ定められた画像符号化または復号における各要素技術の実行機能を有する複数のノードを,各要素技術を識別するノード識別子に対応させて記憶するノード記憶手段と,前記ノード記憶手段に記憶されたノードを実行するノード実行手段とを備える画像符号化/復号装置が画像符号化または復号に用いる,前記ノード記憶手段に記憶されたノードの組み合わせを示す木構造化されたノード識別子で表される符号化構造の構造ツリーを自動生成する装置が実行する画像符号化構造の自動生成方法であって,
前記符号化構造の構造ツリーをランダムに生成することで,またはユーザによりあらかじめ準備された前記符号化構造の構造ツリーを読み込むことで,複数の符号化構造の構造ツリーからなる母集団を生成する第1の過程と,
前記母集団の中から,コスト未算出の符号化構造の構造ツリーを選択し,符号化および復号による画質の劣化,符号化による発生符号量,符号化に要する計算時間および復号に要する計算時間の中の少なくとも複数をコストの評価値とする,与えられたコスト算出式を用いて,前記選択された符号化構造の構造ツリーのコストを算出する第2の過程と,
コストが高い前記符号化構造の構造ツリーを,前記母集団の中から削除する第3の過程と,
前記母集団におけるコスト算出済みの符号化構造の構造ツリーの中から,親となる1つもしくは2つの符号化構造の構造ツリーを選択し,それらを対象として,前記符号化構造における構造ツリーにおけるノードを置き換えることで新しく1つまたは複数の符号化構造の構造ツリーを生成する第4の過程と,
所定の終了条件が満たされるまで,前記第2の過程から前記第4の過程を繰り返しながら,よりコストが低い符号化構造の構造ツリーを探索する第5の過程とを有し,
所定の終了条件が満たされたときの前記母集団における前記コストが最も低い符号化構造の構造ツリーを出力する
ことを特徴とする画像符号化構造の自動生成方法。 - あらかじめ定められた画像符号化または復号における各要素技術の実行機能を有する複数のノードを,各要素技術を識別するノード識別子に対応させて記憶するノード記憶手段と,前記ノード記憶手段に記憶されたノードを実行するノード実行手段とを備える画像符号化/復号装置が画像符号化または復号に用いる,前記ノード記憶手段に記憶されたノードの組み合わせを示す木構造化されたノード識別子で表される符号化構造の構造ツリーを自動生成する画像符号化構造の自動生成装置であって,
前記符号化構造の構造ツリーをランダムに生成することで,またはユーザによりあらかじめ準備された前記符号化構造の構造ツリーを読み込むことで,複数の符号化構造の構造ツリーからなる母集団を生成する母集団生成手段と,
前記母集団の中から,コスト未算出の符号化構造の構造ツリーを選択し,符号化および復号による画質の劣化,符号化による発生符号量,符号化に要する計算時間および復号に要する計算時間の中の少なくとも複数をコストの評価値とする,与えられたコスト算出式を用いて,前記選択された符号化構造の構造ツリーのコストを算出するコスト算出手段と,
コストが高い前記符号化構造の構造ツリーを,前記母集団の中から削除する構造ツリー削除手段と,
前記母集団におけるコスト算出済みの符号化構造の構造ツリーの中から,親となる1つもしくは2つの符号化構造の構造ツリーを選択し,それらを対象として,前記符号化構造における構造ツリーにおけるノードを置き換えることで新しく1つまたは複数の符号化構造の構造ツリーを生成する新規構造ツリー生成手段と,
所定の終了条件が満たされるまで,前記コスト算出手段,前記構造ツリー削除手段および前記新規構造ツリー生成手段による処理を繰り返す制御を行う終了判定手段と,
所定の終了条件が満たされたときに前記母集団における前記コストが最も低い符号化構造の構造ツリーを出力する構造ツリー決定手段とを備える
ことを特徴とする画像符号化構造の自動生成装置。 - 請求項1に記載の画像符号化構造の自動生成方法を,コンピュータに実行させるための画像符号化構造の自動生成プログラム。
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