JP6253794B2 - エンハンストダイナミックレンジを備える信号のための区分的階層間予測 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年12月4日付け出願のPCT出願第PCT/US2013/073085号に関連し得るものであり、その全文をここに援用する。本出願は、2014年2月13日付け出願の米国仮特許出願第61/939,614号及び2014年6月18日付け出願の米国仮出願第62/013,611号に基づく優先権を主張するものであり、その各々の全文を援用する。
本発明は、広く画像に関係する。より詳細には、本発明のある実施形態は、エンハンスト(enhanced)ダイナミックレンジを備える信号を符号化及び復号化するための区分的階層間予測に関係する。
音声及び動画の圧縮は、マルチメディアコンテンツの開発、格納、配信、消費における重要要素である。圧縮法の選択には、符号化効率、符号化複雑度、及び遅延の間でのトレードオフが伴う。計算コストに対する処理能力の比率が増大するにつれて、より効率的な圧縮を可能にする、より複雑な圧縮技術の開発が可能になる。一例として、動画圧縮において、国際標準化機構(ISO)から派生したMotion Pictures Expert Group(MPEG)は、MPEG‐2、MPEG‐4(パート2)、H.264/AVC(またはMPEG‐4、パート10)、H.265/HEVC符号化標準をリリースすることにより、当初のMPEG‐1動画標準について更なる改良を続けてきた。
同様の部材に同様の参照符号を付した添付図面の各図において、本発明のある実施形態を限定する事なく例示する。
エンハンストダイナミックレンジを備える信号の階層的符号化に適用する際の階層間予測を、本明細書に記載する。ベースレイヤ(BL)SDR信号及び残差EDRエンハンスメントレイヤ(EL)を用いて符号化され得るEDR入力映像信号が与えられると、少なくともSDR BL信号のヒストグラムと対応EDR信号の統計とに基づき、予め計算されたルックアップテーブルを用いて、それら2層間の高速な区分的階層間予測器が構築される。
本明細書の実施形態例は、エンハンストダイナミックレンジを備えた映像信号を階層的に符号化及び復号化する際の、区分的階層間予測に関係する。
エンハンストダイナミックレンジ(EDR)を備えたビデオシーケンスの画素データが、スタンダードダイナミックレンジ(SDR)を備えた対応する入力ビデオシーケンスの画素データに基づき、区分的階層間予測器を用いて予測される。区分的予測器のパラメータは、少なくとも予め計算されたルックアップテーブル(LUTs)と予測コスト基準とに基づき、算出される。第1のLUTは、ビデオシーケンス内で固定ビット深度を持つ全ての入力SDRフレームに適合し、1組の可能なSDR画素値につき、1つ以上の整数乗項を予め計算した値を含む。第2のLUTは、フレーム毎に特有であってもシーン毎に特有であってもよく、入力SRDフレームのヒストグラムと対応EDRフレームの画素値とに基づいて予め計算された値を含む。これら予め計算されたLUTによって、区分的多項式用に最適なピボット点を予測コストメトリックに準じ同定すること、及び、随伴する区分的多項式の係数解を求めることを行う、高速反復アルゴリズムが可能となる。
例えばHDTV、セットトップボックス、あるいはブルーレイプレーヤのような、既存のディスプレイ及び再生装置は、典型的には1080pのHD解像度(例えば、毎秒60フレームで1920×1080)までの信号をサポートする。消費者対象のアプリケーション向けに、そのような信号は現在、典型的には、各画素各色成分毎に8ビットのビット深度を用いて輝度−色差色形式に圧縮される。その際、典型的には、色差成分は輝度成分よりも低い解像度を持つ(例えば、YCbCrあるいはYUV4:2:0色形式)。8ビット深度及びそれに対応する低ダイナミックレンジのため、そのような信号は、典型的には、スタンダードダイナミックレンジ(SDR)を備える信号と呼ばれる。
背景と用語集
sjiは、あるSDR信号(例えば、126‐Y)に所属のフレームjにおける第i番目画素を表すものとする。vjiは、それに対応する、EDR信号(例えば、124‐Y)内の同位置の画素を表すものとする。
区分的な多項式を解き求め、可能性のある各ピボット点についてそれぞれ随伴するMSEを算出することは、非常に多大な計算負荷となり得る。より高速な態様を、次に述べる。
1.
a.
b.
c.
d. フレームj内にあるEDR画素値の内、ヒストグラムの階級bに属するSDR画素値に対応するものについての、和及び2乗和(つまり「エネルギー」)を
得る。すると、
e.
従って、各ピボット点候補につき、値
先の説明は、ピボット点における連続性制限が下位及び上位の多項式間に課される場合にも、拡張され得る。下位区分についての計算は変わらない。上位区分については、ある実施形態では、下記の等式が適用され得る。
実際には、EDRソース(102)が与えられると、SDR画像(例えば、104)は、1シーン毎に、カラリストまたはカラーマッピングソフトウェアもしくはその両方の組み合わせにより生成される。理想的な予測器は、シーンベースであるのかも知れない。しかし、そのような工程のためには、シーン内の全フレームに注目することが必要であり、それ故、莫大な記憶容量が必要となり得る。予測器がフレームベースなら、予測器の突然の変化は、効率的符号化が困難な残差(167)を、結果的に招き得る。特に、低いビットレートにおいては、そうである。このとき、変化の量を制御することが好ましいと言える。擬似コードを用いれば、以上のことは、次のように表し得る。
図1に示すように、予測誤差(167)は、ELエンコーダ(160)により、エンハンスメントレイヤ内に符号化される。符号化の際、予測誤差のダイナミックレンジが重要である。なぜなら、レンジが小さいほど、必要な量子化単位も小さくなり、従って、生み出される量子化歪みもそれだけ小さくなるからである。ある実施形態では、ピボット点(sjv)を発見する問題は、正の最大及び負の最小の予測誤差間の差異を最小化するべく定式化され得る。
全探索を用いて最適ピボット点を探索すると、大変な時間が掛かり得る。いくつかの実施形態では、区分の数は増やしつつも、準最適化決定されたピボット点を用いることが、有利に働くかも知れない。ある実施形態では、(例えば、8区分を用いる)多区分予測器は、概ね等間隔のピボット点を用いて定義された1次または2次の多項式を使用する。前と同様に、予測多項式を算出するのに、予め計算されたLUTを利用する。さらに、多項式は、重複部分を有するtraining区分由来の利用可能な画素を用いて、算出される。
M +1個のピボット点(例えば、M = 8)により決定された、M個の区分を考える。それら区分点を、
a)計算する。
b)続いて、ピボット点のリストを、
先と同じ説明に従い、図3は、ある実施形態例による、区分的多項式の決定工程例を示している。
先頭区分につき、予測器係数は、拡張範囲
及び、
ある実施形態では、第g番目(g > 1)の区分につき、区分境界における連続性制限を維持することが望まれ得る。それ故、区分g-1とgとの間の境界点において、予測値
ある実施形態では、Δは、区分長に対する小さいパーセンテージ(例えば10%)
として定め得る。ある別の実施形態では、Δは、予測曲線がある基準、例えば、SD
R値の全範囲を通じて非減少であること、を満たすよう、反復過程により決定し得る。例えば、SDR値が増加するにつれて、もしもSDRからEDRへのマッピングがある区分区間で減少するならば、そのときは当該区間につき、Δの値を少しずつ次第に増加させて、ついには、SDRからEDRへのマッピングがSDR値の全範囲を通じて決して減少しないようにすることができるかも知れない。
ある実施形態では、ある条件の下に、2隣接区分は、単一の区分へと合併され得る。例えば、ある区分内で利用可能な画素数がある閾値よりも少ないならば、その区分は、次の区分と合併され得る。それでもなお閾値に満たない場合は、合併区分内の画素総数が閾値を越えるまで、この手続きを継続し得る。末尾区分については、もしも閾値よりも少ない画素数しか持たないならば、末尾から2番目の区分と合併され得る。
コンテンツによっては、特定の区分群が偏った画素分布を有し得ることが知られている。例えば、SDR範囲のある区分群において、観察可能なほとんどの画素が、区分群のある終端の方に向かって偏っているかも知れない。ある実施形態では、高度に偏った画素分布を有するそのような区分群につき、予測器係数は、ヒストグラムに基づく重みではなく、むしろ「均等荷重」コスト関数を用いて、生成され得る。
本発明の実施形態は、コンピュータシステム、電子回路およびコンポーネントで構成されたシステム、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または他のコンフィギュラブルまたはプログラマブルロジックデバイス(PLD)、離散時間またはデジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向けIC(ASIC)などの集積回路(IC)デバイス、および/または、このようなシステム、デバイスまたはコンポーネントを1つ以上含む装置、を用いて実施し得る。このコンピュータおよび/またはICは、本明細書に記載の区分的階層間予測に関する命令を実施し、制御し、または実行し得る。コンピュータおよび/またはICは、本明細書に記載の区分的階層間予測に関係する様々なパラメータや値の内のいずれを演算してもよい。符号化及び復号化の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、および、その様々な組み合わせで実施され得る。
区分的階層間予測に関する実施形態例を上述した。この明細書中において、態様毎に異なり得る多数の詳細事項に言及しながら本発明の実施形態を説明した。従って、本発明が何たるか、また、本出願人が本発明であると意図するものを示す唯一且つ排他的な指標は、本願が特許になった際の請求の範囲(今後出されるあらゆる訂正を含む、特許となった特定請求項)である。当該請求項に含まれる用語に対して本明細書中に明示したあらゆる定義が、請求項内で使用される当該用語の意味を決定するものとする。よって、請求項において明示されていない限定事項、要素、性質、特徴、利点または属性は、その請求項の範囲をいかなる意味においても限定すべきではない。従って、本明細書および図面は、限定的ではなく、例示的であるとみなされるものである。
Claims (18)
- 区分的階層間予測器を生成する方法であって、以下を含む方法:
第1のダイナミックレンジを備える第1の映像信号にアクセスする工程であって、vjiは前記第1の映像信号のフレームj上の第i番目画素を表す工程と、
前記第1の映像信号を第2のダイナミックレンジ内で表現する第2の映像信号にアクセスする工程であって、前記第2のダイナミックレンジは前記第1のダイナミックレンジよりも低く、sjiは前記第1の映像信号内の同位置の画素vjiに対応する前記第2の映像信号のフレームj上の第i番目画素を表す工程と、
前記第2の映像信号の前記画素sjiに応答して前記第1の映像信号の前記画素vjiに対応する区分的画素(piecewise pixels)
前記区分的階層間予測器の出力ピボット点sjvを算出する工程であって、前記ピボット点sjvは、フレームjが有するP個の画素が備える入力範囲を、低位区分内のL個の画素について前記区分的階層間予測器が備える第1の多項式
前記第1の多項式が備える前記予測器係数
前記算出された予測器係数
前記出力ピボット点として、前記2つ以上のピボット点候補sjvの中から、前記算出された歪みメトリックが最小であるピボット点を選出する工程と、
を含む工程と、
前記第2の映像信号のフレームj内に存在する1組の画素値についての1つ以上の正の整数乗項を含む前記第1組の予計算値を、bnを算出することにより生成する工程であって、但し、nは0より大きい整数であり、bは範囲[0, K-1]内に納まる画素値を表す工程と、
前記第2の映像信号のフレームjにつき、前記プロセッサを用いる工程であって、
前記第2の映像信号のフレームjについてのヒストグラムを生成する工程を
前記第2の映像信号のフレームjについての前記生成されたヒストグラムに基づいており、かつ、前記第1の映像信号内の対応フレームjが有する画素値についての1つ以上の関数による出力値を含む、第2組の予計算値を生成する工程を
- 区分的階層間予測器を生成する方法であって、以下を含む方法:
第1のダイナミックレンジを備える第1の映像信号にアクセスする工程であって、vjiは前記第1の映像信号のフレームj上の第i番目画素を表す工程と、
前記第1の映像信号を第2のダイナミックレンジ内で表現する第2の映像信号にアクセスする工程であって、前記第2のダイナミックレンジは前記第1のダイナミックレンジより低く、前記第2の映像信号はビット深度Mを有してK = 2Mであり、sjiは前記第1の映像信号内の同位置の画素vjiに対応する前記第2の映像信号のフレームj上の第i番目画素を表す工程と、
前記第2の映像信号の前記画素sjiに応答して前記第1の映像信号の前記画素vjiに対応する区分的画素
前記区分的階層間予測器の出力ピボット点sjvを算出する工程であって、前記ピボット点sjvは、フレームjが有するP個の画素が備える入力範囲を、低位区分内のL個の画素について前記区分的階層間予測器が備える第1の多項式
前記第1の多項式が備える前記予測器係数
前記算出された予測器係数
前記出力ピボット点として、前記2つ以上のピボット点候補sjvの中から、前記算出された歪みメトリックが最小であるピボット点を選出する工程と、
を含む工程と、
前記第2の映像信号のフレームj内に存在する1組の画素値についての1つ以上の正の整数乗項を含む前記第1組の予計算値
前記第2の映像信号のフレームjにつき、前記プロセッサを用いる工程であって、
前記第2の映像信号のフレームjについてのヒストグラムを生成する工程を
前記第2の映像信号のフレームjについての前記生成されたヒストグラムに基づいており、かつ、前記第1の映像信号内の対応フレームjが有する画素値についての1つ以上の関数による出力値を含む、第2組の予計算値
前記
前記
aj,m値を、L = P、かつ、ピボット点候補sjv= K、と置き、前記
前記
前記
- 前記第1のダイナミックレンジは高またはエンハンストダイナミックレンジであり、かつ、前記第2のダイナミックレンジは標準ダイナミックレンジである、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1のダイナミックレンジは高またはエンハンストダイナミックレンジであり、かつ、前記第2のダイナミックレンジは標準ダイナミックレンジであり、
前記ビット深度Mは8または10ビットである、請求項2に記載の方法。 - 前記算出される歪みメトリックは、前記区分的階層間予測器多項式を使用して生成される予測値と前記第1の映像信号に属する対応画素値との間の平均2乗誤差に基づく、請求項1または2に記載の方法。
- 前記算出される歪みメトリックは、前記多項式の区分的階層間予測器を用いて生成される、最大の正の及び最小の負の予測誤差間の差異を最小化することに基づく、請求項1または2に記載の方法。
- 前記区分的階層間予測器は、2つ、4つ、6つ、または8つの2次多項式を含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1及び前記第2組の予計算値を使用して前記第1及び第2の多項式の予測器係数を算出する工程は、前記ピボット点候補sjvにおける前記第1及び第2の多項式間の連続性制限を考慮に入れる、請求項1または2に記載の方法。
- 前記歪みメトリックを算出する工程は、前記算出されたヒストグラムと前記第2組の予計算値とに基づく、請求項1または2に記載の方法。
- 現行フレーム用に前記ヒストグラム及び前記第2組の予計算値内の値を生成する工程は、前記現行フレームに先行する1つ以上のフレーム用のヒストグラム値及び予計算値を考慮に入れる、請求項1または2に記載の方法。
- P、すなわちフレームj内で考慮下にある画素総数は、前記フレームj内にある実際の画素数よりも少ない、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1組及び第2組の予計算値は1つ以上のルックアップテーブルに記憶される、請求項1または2に記載の方法。
- 前記区分的階層間予測器を生成する工程はさらに、前記第2のダイナミックレンジを1組の区分に分割する工程であって2番目の区分と最後から2番目の区分との間の各区分の長さは等しい工程を含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記1組の区分の内少なくとも1つ区分につき、
training区分を決定する工程であって、前記training区分は前記少なくとも1つの区分とその隣接区分の一部とを含む工程と、
前記training区分内の画素を用いて、前記少なくとも1つの区分について、前記多項式様の区分的な階層間予測器の係数を生成する工程と、
をさらに含む、請求項15に記載の方法。 - プロセッサを含み、請求項1または2に規定された方法を実行するように構成された装置。
- 請求項1または2に記載の方法を実行するためのコンピュータ実行可能命令を格納した非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
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