JP6423680B2 - 画質改善装置、画質改善システム、及び画質改善プログラム - Google Patents

画質改善装置、画質改善システム、及び画質改善プログラム Download PDF

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Description

本発明は、映像の画質を改善する画質改善装置、画質改善システム、及び画質改善プログラムに関する。
映像を伝送又は蓄積する際には映像符号化技術によってそのデータ量を圧縮することで、伝送帯域や蓄積容量を節約することが図られている。特に高圧縮用途には非可逆符号化方式が用いられるが、MPEG−2,MPEG−4,MPEG−4 AVC/H.264,MPEG−H HEVC/H.265などの国際規格化された符号化方式では、動き補償、変換(離散コサイン変換など)、量子化、エントロピー符号化等の技術を組み合わせることによって、高効率化が行われている。
テレビジョン受像機を含むディスプレイ装置においては、こうした非可逆符号化に起因する画質劣化を補償するためや、伝送時の映像の解像度とディスプレイ解像度の差(特にディスプレイ解像度の方が伝送時の解像度を超える場合)を吸収するために高解像化するために、画像補正技術や超解像技術が実装されるようになった。
こうした画像補正技術や超解像技術においては、例えば受信し復号した映像の特徴(エッジ、動き、テクスチャ等)や符号化パラメータに基づいて、さまざまに映像処理の手法やパラメータを制御することで、さらなる画質改善が図られている(例えば、非特許文献1、及び特許文献1,2参照)。
特許第5416899号公報 特許第5477575号公報
松本信幸、井田孝、「フレーム内再構成型超解像の領域適応処理による高画質化の検討」、電子情報通信学会技術研究報告、SIP2008-6、IE2008-6、信号処理 108(3)、pp.31-36, 2008年4月10日
しかし、従来のディスプレイ装置に実装される画像補正技術や超解像技術は、受信し復号した映像に含まれる情報のみに基づいて画質改善を図るため、必ずしも映像符号化前の原映像を近似する画質改善結果が得られるとは限らなかった。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、映像の特徴量の観点で、原映像に近似するように画質を調整、改善することが可能な画質改善装置、画質改善システム、及び画質改善プログラムを提供することにある。
また、本発明に係る画質改善システムは、入力映像信号を画像処理した前処理映像信号、及び前記入力映像信号の補助情報を伝送又は蓄積する映像解析装置と、前記前処理映像信号及び前記補助情報を取得し、取得した前処理映像信号の画質を改善する画質改善装置とを備える画質改善システムであって、前記映像解析装置は、前記入力映像信号を画像処理して前記前処理映像信号を生成する前処理部と、前記入力映像信号の特徴を表す第1の特徴量を前記補助情報として算出する送信映像解析部と、を備え、前記画質改善装置は、取得した前記前処理映像信号に対してパラメータ又は処理を変えて複数の画像処理を行い、複数の後処理映像信号を生成する後処理部と、前記後処理映像信号の特徴を表す第2の特徴量を算出する受信映像解析部と、前記第1の特徴量との差分が最小となる前記第2の特徴量を有する後処理映像信号を出力する最適化部と、を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る画質改善システムにおいて、前記前処理部は、前記入力映像信号を解像度削減処理する処理を含み、前記送信映像解析部は、前記第1の特徴量として前記入力映像信号の高周波成分のパワーを算出し、前記後処理部は、前記前処理映像信号を解像度復元処理する処理を含み、前記受信映像解析部は、前記第2の特徴量として前記後処理映像信号の高周波成分のパワーを算出することを特徴とする。
また、本発明に係る画質改善装置は、入力映像信号を画像処理した前処理映像信号、及び前記入力映像信号の特徴を表す第1の特徴量を取得し、取得した前処理映像信号の画質を改善する画質改善装置であって、取得した前記前処理映像信号に対してパラメータ又は処理を変えて複数の画像処理を行い、複数の後処理映像信号を生成する後処理部と、前記後処理映像信号の特徴を表す第2の特徴量を算出する受信映像解析部と、前記第1の特徴量との差分が最小となる前記第2の特徴量を有する後処理映像信号を出力する最適化部と、を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る画質改善装置において、前記前処理映像信号は、前記入力映像信号に対して解像度削減処理を含む処理が行われており、前記第1の特徴量は、前記入力映像信号の高周波成分のパワーであり、前記後処理部は、前記前処理映像信号を解像度復元処理する処理を含み、前記受信映像解析部は、前記第2の特徴量として前記後処理映像信号の高周波成分のパワーを算出することを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記画質改善装置として機能させることを特徴とする。
本発明によれば、映像の特徴量の観点で、原映像に近似するように画質を調整、改善することができる。
本発明の一実施形態に係る画質改善システムの構成例を示すブロック図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る画質改善システムの構成例を示すブロック図である。図1に示す例では、画質改善システム1は、映像解析装置10と、画質改善装置40とを備える。映像解析装置10と画質改善装置40とは、映像伝送・蓄積部20と補助情報伝送・蓄積部30とによって接続される。映像解析装置10は、映像信号及び映像信号の補助情報を伝送又は蓄積する。画質改善装置40は、映像信号及び補助情報を取得し、取得した映像信号の画質を改善する。
映像解析装置10は、入力映像信号から補助情報を生成する送信映像解析部12を備える。また、映像解析装置10は、更に入力映像信号に画像処理を施すための前処理部11を備えてもよい。
前処理部11は、入力映像信号に対して任意の画像処理を行って前処理映像信号を生成し、映像伝送・蓄積部20に出力する。例えば、前処理部11は、画像の解像度の変換(解像度削減や画像拡大など)、ディジタルフィルタ処理(エッジ強調、平滑化、フレーム間でのフィルタ処理など)、雑音除去、再標本化(例えば、不等間隔の標本点による再標本化など)、色変換、直交変換(ブロック毎の離散コサイン変換など)などの画像処理を1つ以上実装する。また、前処理部11は、複数の画像処理を行って複数の前処理映像信号を生成し、映像伝送・蓄積部20に出力してもよい。
送信映像解析部12は、入力映像信号の特徴を表す特徴量を算出し、補助情報として補助情報伝送・蓄積部30に出力する。送信映像解析部12は、単一の特徴量を算出するものであっても、複数の特徴量を算出するものであってもよい。特徴量を算出する単位は、フレーム単位であっても、フレームの集合単位であっても、フレームを分割した領域(例えば、ブロック)単位であってもよい。送信映像解析部12が複数の特徴量を算出する場合には、特徴量ごとにそれを求める単位が異なっていてもよく、例えば、ある特徴量はフレーム単位で計算し、別の特徴量はブロック単位で計算するなどしてもよい。
映像伝送・蓄積部20は、入力映像信号又は前処理部11により処理された前処理映像信号(単に、映像信号という)を、受信側に伝送するか、又は蓄積する。
映像伝送・蓄積部20は、映像信号を受信側に伝送する場合には、映像信号をそのまま又は情報源符号化(データ圧縮)して、さらに必要に応じて誤り訂正符号などの伝送路符号化を適用し、伝送路を介して受信側へデータを伝送する。そして、映像伝送・蓄積部20は、該伝送されたデータを必要に応じて伝送路復号及び/又は情報源復号して画質改善装置40へ出力する。
あるいは、映像伝送・蓄積部20は、映像を蓄積する場合には、映像信号をそのまま又は情報源符号化(データ圧縮)して、さらに必要に応じて誤り訂正符号など伝送路符号化を適用し、記録媒体にデータを保存する。そして、映像伝送・蓄積部20は、画質改善装置40の要求に応じて記録媒体よりデータを読出し、必要に応じて伝送路復号及び/又は情報源復号して画質改善装置40へ出力する。
なお、映像解析装置10が前処理部11を備えず、且つ映像伝送・蓄積部20に用いる情報源符号化が可逆符号化である場合には、画質を改善する必要が生じないため、本発明では前処理部11を備えない場合には、映像伝送・蓄積部20で非可逆符号化することを想定している。
補助情報伝送・蓄積部30は、送信映像解析部12により生成された補助情報を、受信側に伝送するか、又は蓄積する。
補助情報伝送・蓄積部30は、補助情報を受信側に伝送する場合には、送信映像解析部12により生成された補助情報を、そのまま又は情報源符号化(データ圧縮)して、さらに必要に応じて誤り訂正符号などの伝送路符号化を適用し、伝送路を介して受信側へデータを伝送する。そして、補助情報伝送・蓄積部30は、該伝送されたデータを必要に応じて伝送路復号及び/又は情報源復号して画質改善装置40へ出力する。
あるいは、補助情報伝送・蓄積部30は、補助情報を蓄積する場合には、送信映像解析部12により生成された補助情報を、そのまま又は情報源符号化(データ圧縮)して、さらに必要に応じて誤り訂正符号などの伝送路符号化を適用し、記録媒体にデータを保存する。そして、補助情報伝送・蓄積部30は、画質改善装置40の要求に応じて記録媒体からデータを読み出し、必要に応じて伝送路復号及び/又は情報源復号して画質改善装置40へ出力する。
なお、補助情報は重要な情報であるため、補助情報伝送・蓄積部30に用いる情報源符号化は可逆符号化とするのが望ましい。
画質改善装置40は、1以上の後処理部41(図1に示す例では41−1乃至41−3の3つ)と、1以上の受信映像解析部42(図1に示す例では42−1乃至42−3の3つ)と、最適化部43とを備える。最適化部43は、判定部44と、切替部45とを備える。
後処理部41は、映像解析装置10が出力する映像信号を映像伝送・蓄積部20を介して取得する。そして、取得した映像信号に対してパラメータ及び/又は処理を変えて複数の画像処理を行って複数の後処理映像信号を生成し、受信映像解析部42に出力する。最適化部43に入力される特徴量を複数とするために、後処理部41から出力される後処理映像信号の合計数も複数とする必要がある。よって、後処理部41を1つしか備えない場合には、該後処理部41は2以上の後処理映像信号を生成する。
例えば、前処理部11で解像度削減処理を行い、映像伝送・蓄積部でMPEG−H HEVC/H.265による情報源符号化を行う場合、後処理部41はMPEG−H HEVC/H.265における画質劣化(ぼやけ、ブロック歪、フリッカなど)を補償する処理と、解像度復元処理とを行い、前処理部11及び映像伝送・蓄積部20によって変換された映像信号を元に戻す。なお、後処理部41は、前処理部11に対応する処理を必ずしも行う必要はなく、例えば前処理ではノイズ処理を行い、後処理では該ノイズ処理とは独立したフィルタ処理を行ってもよい。
受信映像解析部42は、後処理部41により生成された後処理部映像の特徴を表す特徴量を算出し、最適化部43に出力する。なお、送信側の映像解析装置10が1台に対して受信側の画質改善装置40が複数台ある放送システムにおいて、画質改善装置40の実装がメーカによって異なることが想定される。このような場合には、送信映像解析部12が算出する特徴量の種類と各受信映像解析部42が算出する特徴量の種類との間には、少なくとも1種類は共通の種類の特徴量が含まれるものとする。例えば、送信映像解析部12が色特徴及び動き特徴を算出し、受信映像解析部42が動き特徴及びエッジ特徴を算出する場合には、送信映像解析部12及び受信映像解析部42が特徴量として共通に動き特徴を含むので、上記条件を満たしている。
最適化部43は、受信映像解析部42により生成した特徴量と、送信映像解析部12から補助情報伝送・蓄積部30を介して補助情報として取得した特徴量とを比較し、差分が最小となる特徴量を有する後処理映像信号を出力する。ここで、差分は、差の絶対値の和、差の絶対値の積、差の二乗和など、種々の演算方法によって求めてよい。
図1の画質改善装置40の構成においては、後処理部41−1乃至41−3はそれぞれ異なるパラメータ(例えば、異なるフィルタタップ係数)を用いて画像処理を行い、後処理映像信号を出力する。後処理部41−1乃至41−3の各後処理映像信号は、受信映像解析部42−1乃至42−3へそれぞれ入力され、各特徴量が計算される。
判定部44は、受信映像解析部42−1乃至42−3により算出された各特徴量と、補助情報伝送・蓄積部30から補助情報として伝送された特徴量とをそれぞれ比較する。なお、送信映像解析部12が算出する特徴量のセットと、受信映像解析部42−1乃至42−3が算出する特徴量のセットとが異なる場合については、共通する特徴量のみについて比較する。そして、受信映像解析部42−1乃至42−3のいずれの特徴量が補助情報伝送・蓄積部30から入力された特徴量に最も近いかを判定して、最も近い特徴量を与えた受信映像解析部42−s(s∈{1,2,3})の番号sを判定し、切替部45に出力する。
切替部45は、判定部44から入力される番号sに基づいて、後処理部41−sの出力する後処理映像信号を選択し、出力映像信号として出力する。
次に、本発明による画質改善システム1の具体的な実装例について説明する。ここでは、映像解析装置10は前処理部11を備えるものとする。
前処理部11は、入力映像信号の解像度を水平方向に1/2、垂直方向に1/2にそれぞれ削減する。例えば、前処理部11は、水平3840画素、垂直2160画素の映像(いわゆる4K映像)を、水平1920画素、垂直1080画素(いわゆる2K映像)に削減する。入力映像信号の画素値をI(t,x,y)と表記し、前処理部11の出力する前処理映像信号の画素値をJ(t,x,y)と表記する。ここで、tはフレーム番号、xは画像座標の水平成分、yは画像座標の垂直成分をそれぞれ表すものとする。なお、以下の数式等において、画像の範囲外の画像座標における画素値を読み出す必要が生じる場合がある。このような場合は、例えば、当該画像座標に最も近い画像内の画素値を出力するものとする。
前処理部11は、例えば、式(1)のように、入力映像信号Iに対して、水平方向に(r1−r0+1)画素、垂直方向に(s1−s0+1)画素のフィルタ係数列(間引きフィルタ)を畳み込んだ後に、2×2画素につき1画素の割合で等間隔にサブサンプリングする。
Figure 0006423680
例えば、間引きフィルタとして、式(2)に示すLanczos-3フィルタも用いることができる。この場合、r0=s0=−5、r1=s1=5とする。
Figure 0006423680
または、式(3)に示す間引きフィルタを用いてもよい。この場合には、r0=s0=0、r1=s1=1とする。
Figure 0006423680
送信映像解析部12は、例えば、特徴量として入力映像信号Iの高周波成分のパワーをブロックごとに求める。ブロックの大きさを水平Bx画素、垂直By画素とする。左上端の画像座標が(x,y)のブロックの高周波成分のパワーをP(t,x,y)と表記すると、式(4)で表される。
Figure 0006423680
式(4)において、g(u,v)は画像から高周波成分を抽出するためのディジタルフィルタのインパルス応答であり、例えば、式(5)を用いることができる。この場合、u0=v0=0、u1=v1=1とする。
Figure 0006423680
送信映像解析部12は、例えば式(4)で求めたブロック毎の特徴量P(i・Bx,j・By)を補助情報として出力する。ここで、i,jは、画像の大きさを水平Cx画素、垂直Cy画素とすると、i∈{0,1,…,(Cx−1)/Bx}、j∈{0,1,…,(Cy−1)/By}である。
映像伝送・蓄積部20の情報源符号化方式としては、例えばMPEG−2、MPEG−4、MPEG−4 AVC/H.264、MPEG−H HEVC/H.265などの映像符号化方式を用い、これをトランスポートストリーム、MPEG Media Transport(MMT)などによってフォーマット化し、伝送することができる。
補助情報伝送・蓄積部30は、送信映像解析部12で算出した特徴量(例えばブロック毎のパワー値)を補助情報として画質改善装置40へ伝送する。伝送は、特徴量そのものを伝送しても構わないし、情報源符号化を行ってデータ圧縮してもよい。情報源符号化の方式は可逆符号化が望ましく、例えば特徴量の値の生起確率が予め想定される場合には、当該生起確率に基づいてハフマン符号を構成して符号化することや、算術符号化を適用することが可能である。画質改善装置40へは、補助情報を映像ストリームとともに多重化して(トランスポートストリームやMMTに多重化して)伝送してもよいし、映像伝送・蓄積部20と補助情報伝送・蓄積部とで異なる方式でフォーマット化することや、異なる伝送路で伝送することを行ってもよい。
後処理部41は、映像伝送・蓄積部20から入力される前処理映像信号J’に対して画像処理を行い、後処理映像信号I’を出力する。後処理部41は、例えば、超解像技術を用いて解像度を復元し、ウェーブレット超解像技術により解像度を水平方向に2倍、垂直方向に2倍に変換する場合には、式(6)に示す実装が可能である。
Figure 0006423680
ここでfHL,fLH及びfHHは、それぞれ領域DHL,DLH及びDHHの拡がりを有する2次元の畳込カーネルである。一方、eLL,eHL,eLH及びeHHは、それぞれ領域ALL、AHL、ALH、及びAHHの拡がりを有する2次元の畳込カーネルである。好ましくは、畳込カーネルfHL、fLH、及びfHHはそれぞれ垂直エッジ、水平エッジ、及び対角エッジを抽出する2次元ディジタルフィルタとして構成し、eLL,eHL,eLH及びeHHはそれぞれの画像座標が(偶数,偶数)、(奇数,偶数)、(偶数,奇数)、及び(奇数,奇数)の標本位置の信号成分を再構成するためのウェーブレット合成の基底関数とする。基底関数としては、例えば、式(7)に示すHaar基底を用いることができる。このとき、ALL=AHL=ALH=AHH={(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)}とする。
Figure 0006423680
一方、畳込カーネルfHL,fLH及びfHHの例として、式(8)を用いることができる。ここで、G(ΣXX)は、例えば5×5のカーネルサイズにおいて分散・共分散行列ΣXXのガウシアン平滑化を近似したものとする。さらに、分散・共分散行列をΣHL=ΣLH=ΣHH=Σのように共通としてもよい。G(ΣXX)を適切な値とすることで、高周波成分を推定することができる。
Figure 0006423680
図1に示すように画質改善装置40が後処理部41を複数備える場合には、各後処理部(図1における後処理部41−1乃至41−3)には、それぞれ異なるパラメータとして、異なる分散・共分散行列のガウシアンを設定することで、後処理部41−1乃至41−3の出力する映像に画質差を与える。
受信映像解析部42は、例えば送信映像解析部12と完全に同じ処理を実行する。このとき、図1に示すように画質改善装置40受信映像解析部42を複数備える場合にも、全ての受信映像解析部42(図1の例では、受信映像解析部42−1乃至42−3)は送信映像解析部12と完全に同じ処理を実行する。
判定部44は、受信映像解析部42−1乃至42−3により算出した特徴量と、補助情報伝送・蓄積部30を介して取得した、送信映像解析部12により算出した特徴量とを、送信映像解析部12及び受信映像解析部42−1乃至42−3が映像解析を行う単位であるブロックごとに比較する。そして、特徴量が最も近い値となる受信映像解析部42−s(s∈{1,2,3})をブロック毎に判定する。
切替部45は、判定部44の判定結果sに基づき、後処理部41−1乃至41−3の中から後処理部41−sの出力をブロック毎に切替選択しつつ出力映像フレームを構成(ブロック単位で選択切替される部分映像をパッチワーク状に合成)し、その構成結果を画質改善装置40の出力映像信号として出力する。
ここで、上述した映像解析装置10及び画質改善装置40として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、映像解析装置10及び画質改善装置40の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。
すなわち、映像解析装置10の各機能を実現するプログラムは、コンピュータに、入力映像信号の特徴を表す第1の特徴量を補助情報として算出するステップを実行させる。更に、入力映像信号を画像処理して前処理映像信号を生成するステップを実行させてもよい。
また、画質改善装置40の各機能を実現するプログラムは、コンピュータに、取得した映像信号に対してパラメータ又は処理を変えて複数の画像処理を行い、複数の後処理映像信号を生成するステップと、後処理映像信号の特徴を表す第2の特徴量を算出するステップと、第1の特徴量との差分が最小となる第2の特徴量を有する後処理映像信号を出力するステップと、を実行させる。
上述したように、本発明では、入力映像の特徴量と、出力映像の特徴量とが近似するように最適化させる。このため、映像の特徴量の観点で、出力映像が入力映像(原映像)に近似するように画質を調整、改善することができるようになる。例えば、入力映像に対して解像度削減処理された映像を解像度復元処理する場合、解像度削減処理された映像のみから失われた高周波成分を正しく推定するのは困難であるが、本発明では入力映像と解像度復元処理した映像との特徴量を比較し、差分が最小となるように最適化することで推定精度が向上し、出力映像の画質を改善することができる。
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。
1 画質改善システム
10 映像解析装置
11 前処理部
12 送信映像解析部
20 映像伝送・蓄積部
30 補助情報伝送・蓄積部
40 画質改善装置
41 後処理部
42 受信映像解析部
43 最適化部
44 判定部
45 切替部

Claims (5)

  1. 入力映像信号を画像処理した前処理映像信号、及び前記入力映像信号の補助情報を伝送又は蓄積する映像解析装置と、前記前処理映像信号及び前記補助情報を取得し、取得した前処理映像信号の画質を改善する画質改善装置とを備える画質改善システムであって、
    前記映像解析装置は、
    前記入力映像信号を画像処理して前記前処理映像信号を生成する前処理部と、
    前記入力映像信号の特徴を表す第1の特徴量を前記補助情報として算出する送信映像解析部と、を備え、
    前記画質改善装置は、
    取得した前記前処理映像信号に対してパラメータ又は処理を変えて複数の画像処理を行い、複数の後処理映像信号を生成する後処理部と、
    前記後処理映像信号の特徴を表す第2の特徴量を算出する受信映像解析部と、
    前記第1の特徴量との差分が最小となる前記第2の特徴量を有する後処理映像信号を出力する最適化部と、
    を備えることを特徴とする画質改善システム。
  2. 前記前処理部は、前記入力映像信号を解像度削減処理する処理を含み、
    前記送信映像解析部は、前記第1の特徴量として前記入力映像信号の高周波成分のパワーを算出し、
    前記後処理部は、前記前処理映像信号を解像度復元処理する処理を含み、
    前記受信映像解析部は、前記第2の特徴量として前記後処理映像信号の高周波成分のパワーを算出することを特徴とする、請求項に記載の画質改善システム。
  3. 入力映像信号を画像処理した前処理映像信号、及び前記入力映像信号の特徴を表す第1の特徴量を取得し、取得した前処理映像信号の画質を改善する画質改善装置であって、
    取得した前記前処理映像信号に対してパラメータ又は処理を変えて複数の画像処理を行い、複数の後処理映像信号を生成する後処理部と、
    前記後処理映像信号の特徴を表す第2の特徴量を算出する受信映像解析部と、
    前記第1の特徴量との差分が最小となる前記第2の特徴量を有する後処理映像信号を出力する最適化部と、
    を備えることを特徴とする画質改善装置。
  4. 前記前処理映像信号は、前記入力映像信号に対して解像度削減処理を含む処理が行われており、
    前記第1の特徴量は、前記入力映像信号の高周波成分のパワーであり、
    前記後処理部は、前記前処理映像信号を解像度復元処理する処理を含み、
    前記受信映像解析部は、前記第2の特徴量として前記後処理映像信号の高周波成分のパワーを算出することを特徴とする、請求項に記載の画質改善装置。
  5. コンピュータを、請求項3又は4に記載の画質改善装置として機能させるためのプログラム。
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