JP6516851B2 - 画素の前処理および符号化 - Google Patents
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Description
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Cb=−0.168736R−0.331264G+0.5B
Cr=0.5R−0.418688G−0.081312B
R’=Y’+a13Cr’
G’=Y−a22b’−a23Cr’
B’=Y+a32Cb’
X=0.636958R+0.144617G+0.168881B
Y=0.262700R+0.677998G+0.059302B
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R=Y’+1.47460×Cr’
G=Y’−0.16455×Cb’−0.57135×Cr’
B=Y’+1.88140×Cb’
関数L=pq_eotf(c)
%%%
%%%cは0,0〜1.0になる
%%%Lはニトによる出力輝度である
%%%
c1=0.8359375;
c2=18.8515625;
c3=18.6875;
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m=78.84375;
c=max(c、0);
c=mic(c、1);
L=10000*((max(c.^(1/m)−c1、0)./(c2−c3*c.^(1/m))).^(1/n));
−X、YO、およびZはXYZ/RGB転換によって転換されて、新しい値R1、G1およびB1がもたらされる
−R1、G1、およびB1は逆伝達関数によって転換されて、R1’、G1’、およびB1’がもたらされる
−R1’、G1’、およびB1’は逆色変換によって転換されてY’がもたらされる
R’=Y’+1.47460×Cr’
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B’=Y’+1.88140×Cb’
R’=Y’+c1
G’=Y’+c2
B’=Y’+c3
R=TF(R’)
G=TF(G’)
B=TF(B’)
これらは次いで以下になる
R=TF(Y’+c1)
G=TF(Y’+c2)
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X=0.636958×R+0.144617×G+0.168881×B
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Y=0.262700×R+0.677998×G+0.059302×B
Y=0.262700×TF(Y’+c1)+0.677998×TF(Y’+c2)+0.059302×TF(Y’+c3)、または短くすると、
Y=f(Y’)になる。
Y〜k1×Y’+m1+k2×Y’+m2+k3×Y’+m3になり、これは、
Y〜(k1+k2+k3)×Y’+(m1+m2+m3)と同等である。
Y’〜Y’k=(YO−(m1+m2+m3))/(k1+k2+k3)
Y’=(LUT(Cb’6bit、Cr’6bit、Y6bit)+(LUT(Cb’6bit+1、Cr’6bit、Y6bit))/2
近年、解像度を高めて標準精細から高精細によって4kにすることによって、デジタルビデオにおいて途方もない品質の向上が達成されている。ハイダイナミックレンジ(HDR)ビデオは、要するに、コントラストを高めることによって、感知される画像品質を高めるための別のやり方を使用する。従来のテレビシステムは、1平方メートル当たり0.1カンデラ(cd/m2)〜100cd/m2の輝度、すなわち約10倍増の輝度に対して構築されたもので、これは、一般的に、標準的なダイナミックレンジ(SDR)ビデオと呼ばれる。比較すると、いくつかのHDRモニタは、0.01〜4000cd/m2、すなわち、18倍増を上回って表示可能である。
テレビまたはコンピュータモニタなどの典型的なSDRシステムは、0が暗さをかつ255が明るさを表す、8ビット表現を使用することが多い。上記の、コード値範囲[0;255]から輝度範囲[0.1;100]cd/m2へただ線形にスケーリングすることは理想的ではないことになる。最初の2つのコード語の0および1は、それぞれ、0.1cd/m2および0.49cd/m2にマッピングされることになり、相対的差異は390%になる。一方、最後の2つのコード語の254および255は、それぞれ、99.61cd/m2および100cd/m2にマッピングされることになり、相対的差異は0.3%のみになる。相対的なステップサイズにおけるこの大きい差異を回避するために、SDRシステムは、非線形的にコード値を輝度にマッピングする電気光学伝達関数(EOTF)を含む。例として、赤成分は最初に、255で除算されて値R01∈[0;1]を得た後、べき関数R’=(R01)γによって与えられる。
カメラセンサが線形光(R、G、B)をcd/m2で測定すると仮定し、第1のステップは、正規化線形光(R01、G01、B01)にたどり着くためにピークの明るさで除算することである。次いで、EOTFの逆関数はR’(R01)1/γが適用され、同様に、緑および青に対して行われる。色成分の相関を失わせるために、RGB色空間からYCbCrへの色変換が適用される。次のステップは、データを量子化することである。この例では、10ビットに量子化して、0から1023まで変化する成分(Y’444、Cb’444、Cr’444)を生じさせる。最終的に、2つのクロマ成分は、(Y’420、Cb’420、Cr’420)を捕えるためにサブサンプリングされる。データはここで、HEVCエンコーダなどのビデオエンコーダに送られることが可能である。
受信側では、HEVCビットストリームは(Y’420、Cb’420、Cr’420)または、むしろ、HEVCが損失の多いデコーダであることによる、これらの値の復号化バージョンを回復するように復号される。次いで、信号は、上述されるものとは逆に処理される。最終結果として線形光表現(R、G、B)がもたらされ、これは表示される。
10,000cd/m2の輝度を含むことができるHDRデータについて、単純なべき関数は、輝度の全範囲にわたって人間の目のコントラス感度に合致しない。γの任意の固定値は、原色調、明るい色調、または中間調のいずれかの粗すぎる量子化をもたらすことになる。この問題を解決するために、下記のように規定されるEOTFが使用される。
ピーク輝度はまた、100から10000まで変更される。
上で概説される従来のSDR処理を適用するが上で規定される新しいEOTFを共に適用し、ピーク輝度が10,000に等しい場合、予想外のことが生じる。図17A、図17B、図18A、および図18Bを比較することによって示されるように、アーティファクトが現れる。図17A、図17B、図18A、図18Bについて、サブサンプリングおよび10ビットへの量子化以外の圧縮は行われていないことに留意されたい。さらにまた、アーティファクトの妨害が生じる。
以下の2つの画素がピクチャにおいて隣り合わせであると仮定する。
RGB1=(1000;0;100);、および
RGB2=(1000;4;100)
これらの色がかなり類似していることに留意されたい。しかしながら、第1の処理ステップは、
Y’444Cb’444Cr’4441=(263;646;831)および
Y’444Cb’444Cr’4442=(401;571;735)
を生じさせ、これらは互いにかなり異なっている。これらの2つの値の平均は、Y’CbCr’=(332;608.5;783)である。ここで、処理の連鎖で後退して、これが表すのは何の線形RGB値なのかを見る場合、RGB=(1001;0.48;100.5)を捕え、これは、RGB1およびRGB2両方にかなり近い。よって、3つの成分全てをただ平均化することは問題ではない。Cb’およびCr’のみが補間されるときにより大きな問題が生じ、補間なしで画素からY’値を使用する。これは、従来のクロマサブサンプリングで行われることであり、4:2:0表現をもたらすために行われる。例えば、Y’を上の第1の画素を取り出すこと、すなわち、Y’Cb’Cr’=(263;608.5;783)は(484;0.03;45)の線形RGB色を表し、この色は暗すぎる。同様に、Y’を第2の画素から取り出すこと、すなわち、Y’Cb’Cr’=(401;608.5;783)は、(2061;2.2;216)のRGB値を与え、この値は明るすぎる。
第3の画素を該例に追加することを検討すると、
RGB3=(1000;8;100)
これらの線形入力をR’G’B’に転換する場合、以下が得られる。
R’G’B’1=(0.7518;0.0000;0.5081)
R’G’B’2=(0.7518;0.2324;0.5081)
R’G’B’3=(0.7518;0.2824;0.5081)
明確には、G’での飛越は、第1の画素と第2の画素との間ではより大きいが、線形Gは4の等しいステップで変更する。同様に、Y’Cb’Cr’座標間の差異は、最後の2つよりも最初の2つの画素間の方がより大きくなる。故に、この影響は、成分のうちの1つまたは2つが線形光においてゼロに近いときに、すなわち、色が色域の縁に近いときに、最も大きくなる。よって、アーティファクトを回避する1つのやり方は、ただ飽和色の回避を行うことで可能である。しかしながら、BT.2020のより大きい色空間は、具体的には、より飽和された色に対して可能にするために導入されたため、解決策は所望されない。
基本的な着想は、生じる輝度が所望の輝度に適合するかを確認することである。輝度では、(線形)CIE1931 XYZ色空間のY成分を意味する。このYは、上記の輝度Y’とは異なるが、これは、Y=wRR+wGG+wBB(1)のように、Yが線形RGB値から算出されるからである。式中、wR=0.2627、wG=0.6780、およびwB=0.0593である。輝度Yは、人間の視覚系がどのように明るさを認識するかにうまく対応するため、その輝度を良好に保存することは興味深い。これは図19に示され、ここで、処理された信号(上部)および元の信号(下部)の両方は線形XYZに転換される。次いで、Y成分は図に見られるようにかなり異なっている。重要な洞察としては、輝度値Y’が各画素において独立して変更できるため、図20に示されるように、
がYOに等しくなるまでY’を変更することによって所望されたまたは元の正しい線形輝度YOに想到することができることである。また、
がY’で単調に増加する場合があり、これは、Y’が変更されるべきである方向を知ることが可能であることを意味する。したがって、間隔の半減などの単純な方法を使用して、10ビット量子化に対するたかだか10のステップにおいて最適なY’を見つけることができる。ワンステップ解決策が好ましい場合、Cb、Cr、および所望される線形輝度YOにおいて採用し、かつY’をもたらす3Dルックアップテーブルを使用することができる。
技法は以下のやり方で効率的に実装可能である。最初に、各画素の所望されるまたは元の輝度YOは、各画素の元の(R、G、B)の値に式1を適用することによって得られる。第2に、連鎖全体:(R、G、B)→(正規化)→(R01、G01、B01)→(EOTF−1)→(R’G’B’)→(色変換)→(Y’01、Cb’0.5、Cr’0.5)→(10−ビット量子化)→(Y’444、Cb’444、Cr’444)→(クロマサブサンプリング)→(Y’420、Cb’420、Cr’420)→(クロマアップサンプリング)→
→(逆量子化)→
が実行される。次いで、各画素について、[0;1023]の開始間隔が設定される。次に、候補値
=512を試みる。
は候補値から、かつ先に算出された
を使用して算出され、
→(逆色変換)→
→(EOTF)→
→(非正規化)→
の連鎖を通して
を生じさせる最後の処理ステップを行うことができる。これはここで、式1に与えられて、候補輝度
を得る。所与の画素について、
ならば、これは、候補値
が小さすぎたこと、かつ、正しい輝度値が間隔[512;1023]になければならないことを意味する。同様に、
ならば、正しい輝度値は間隔[0;512]になければならない。ここでプロセスは繰り返され、10回の反復後、間隔は2つの近傍値を含有する。この段階で、2つの値の両方を試み、最小の誤差
をもたらす1つが選択される。
従来の処理の連鎖を実施し、かつこれを、輝度調節ステップを含むがデコーダを同じままにした本発明の連鎖と比較した。図17A〜図17C、および図18A〜図18Cは、圧縮なしの結果を示す。ここで、従来の処理の連鎖(図17Bおよび図18B)および本発明の処理の連鎖(図17Cおよび図18C)の両方は、Y’Cb’Cr’4:2:0に転換し、その後線形RGBに戻る。図17Aおよび図18Bは元のピクチャを示す。全符号化時間(色転換+HM圧縮)は従来の処理と比較すると約3%増加する。
この付録では、4:2:0のサブサンプリングによる色のアーティファクトを究明する。最初に、照合が試みられるが、最悪の値は再生できず、これは、既に固定されているHDRToolsにおけるバグによる可能性がある。次に、4:2:0のサブサンプリングから生じる、輝度の最悪の相対誤差についての探索が行われる。4000ニトに限定されるスクリーン上で表示される場合でも、86%の相対誤差(195のBartenステップ)が生じ得ることがわかる。データがRec709に制限され、かつBT.2020コンテナにおいて保有されている場合でも、30のBartenステップの誤差が生じる可能性がある。BT.2020コンテナにおけるP3コンテンツについて、40のBartenステップの誤差が生じ得る。
圧縮が発生しない場合でも、4:2:0のサブサンプリングが使用されるとき、色の小さな変更が驚くほど大きなアーティファクトを導入する可能性があることが記されている。
この究明は、m35255[1]の照合で開始し、以下の表A1に転写される、スライド13上の結果を再現することを試みる。その結果はテスト画像から生じ、ここで画素95に至るまでの画像の左部分は色(3000、0、100)を有し、画素96に至るまでの画像の右部分および前方は色(3000、4、100)を有する。
Matlab照合を実施するとき、HDRtoolsにおけるEXRへの浮動の転換は丸めが欠如している。仮数の23ビットを10ビットへ丸める代わりに、単に右にシフトさせて、基本的に丸め()をフロア()に置き換える。これは最終結果に影響を及ぼす。例として、3008.0がはるかに近い値であっても、3007.9の浮動は3006.0に転換されることになる。適合させるために、Matlabコードによって、HDRtoolsの現在のバージョンにおけるフロア()タイプの転換をエミュレートする(https://wg11.sc29.org/svn/repos/Explorations/XYZ/HDRTools/branches/0.9−dev[3]の改訂587)。
画素96がもはや極端な外れ値でない場合でも、画素97は依然、(3000、4、100)ではなく正しい(5860、2.58、199)からは程遠い。これに対して、4:2:0のサブサンプリングが生成するのはどれほど悪い外れ値の可能性があるか、かつこれはどこで発生するのかに関する疑問点が生じる。この疑問点に解答するために、最初に「悪い」が何を意味するのかを規定する必要がある。人間の視覚系はクロミナンスより輝度の変化により敏感であるため、輝度に集中させた。故に、入力されたEXR画像および出力されたEXR画像両方の線形光両方をXYZに変換させ、かつ、Yの差異を形成した。相対誤差を捕えるために、次いで、元の成分のY成分で除算した。次いで、画素97に対するこの相対誤差を、正にm35255[1]で行われたように、左部分が1つの色であり、右部分が同じ色であり、加えて、小さいデルタが長さ4であるタイプの全ての可能な画像にわたって最大化するように小プログラムを書き込んだ。
表A1に提示されるデータは、BT.2020原色についてであった。入力データがRec709原色によるものであるがコンテナがBT.2020である場合、色域境界線に到達することは不可能となる。これは、図22に見られるように、Rec709色域三角形が色域境界線に触れずにBT.2020三角形内部にあることによる。したがって、相対誤差がより小さくなると仮定することは妥当である。
BT.2020コンテナにおいて含有されるP3ソースデータについて同じテストが実行可能である。そして、最悪の色は、表A7に示されるように、(2.48、3.32、4.63)および(3.29、0、6.71)である。
この付録では、4:2:0のサブサンプリングによる輝度の誤差が究明されている。m35255[1]からの最悪の外れ値の適合は可能ではないが、一般データについてほぼ200のBartenステップに到達する最悪のケースの誤差は依然甚大である。ソースデータがRec709に拘束され、かつBT.2020コンテナに入れられる場合でも、誤差は依然甚大で30を上回るBartenステップがあり、BT.2020コンテナにおけるP3データについては、40を上回るBartenステップがある。
Claims (16)
- ピクチャ内の画素を前処理する方法であって、
RGB色空間における前記画素の線形色(RoGoBo)に基づいて決定されるXYZ色空間における前記画素の元の線形輝度成分値(Yo)を得ること(S1)と、
前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と、Y’CbCr色空間における非線形輝度成分値、前記Y’CbCr色空間における非線形クロマCb成分値、および、前記Y’CbCr色空間における非線形クロマCr成分値に基づいて決定される前記XYZ色空間における線形輝度成分値(Y)との間の差異を最小にする、前記画素の前記Y’CbCr色空間における非線形輝度成分値(Y’)を導出すること(S2)と、を含む、方法。 - ピクチャ内の画素を符号化する方法であって、
前記画素のY’CbCr色空間における非線形輝度成分値(Y’)を導出するために請求項1に記載の前記画素を前処理すること(S1、S2)と、
前記非線形輝度成分値、前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および、前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた非線形クロマCr成分値を符号化すること(S3)と、を含む、方法。 - ピクチャ内の画素を前処理するためのデバイス(100、110)であって、
前記デバイス(100、110)は、RGB色空間における前記画素の線形色(RoGoBo)に基づいて決定されるXYZ色空間における前記画素の元の線形輝度成分値(Yo)を得るように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と、Y’CbCr色空間における非線形輝度成分値、Y’CbCr色空間における非線形クロマCb成分値、および、前記Y’CbCr色空間における非線形クロマCr成分値に基づいて決定される前記XYZ色空間における線形輝度成分値(Y)との間の差異を最小にする、前記画素の前記Y’CbCr色空間における非線形輝度成分値(Y’)を導出するように構成される、デバイス。 - 前記デバイス(100、110)は、前記RGB色空間における前記線形色(RoGoBo)に基づいて前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値を決定するように構成される、請求項3に記載のデバイス。
- 前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた非線形クロマCb成分値、前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた非線形クロマCr成分値、および、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値に基づいて、前記Y’CbCr色空間における前記非線形輝度成分値を導出するように構成される、請求項3または4に記載のデバイス。
- 前記デバイス(100、110)は、前記RGB色空間における非線形色(R’G’B’)を捕えるために前記RGB色空間における前記元の線形色に第1の伝達関数を適用するように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間における非線形色を得るために前記RGB色空間における前記非線形色に第1の色変換を適用するように構成され、前記Y’CbCr色空間における前記非線形色は、最初の非線形クロマCb成分値および最初の非線形クロマCr成分値を含み、
前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた前記非線形クロマCb成分値および前記Y’CbCr色空間におけるサブサンプリングされた前記非線形クロマCr成分値を得るために、前記Y’CbCr色空間における前記最初の非線形クロマCb成分値および前記Y’CbCr色空間における前記最初の非線形クロマCr成分値をサブサンプリングするように構成される、請求項5に記載のデバイス。 - 前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間におけるアップサンプリングされた非線形クロマCb成分値および前記Y’CbCr色空間におけるアップサンプリングされた非線形クロマCr成分値を得るために、前記Y’CbCr色空間における前記サブサンプリングされた非線形クロマCb成分値および前記Y’CbCr色空間における前記サブサンプリングされた非線形クロマCr成分値をアップサンプリングするように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記RGB色空間における非線形色を得るために、前記Y’CbCr色空間における候補の非線形輝度成分値、前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCr成分値に第2の色変換を適用するように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記RGB色空間における線形色(RoGoBo)を得るために前記RGB色空間における前記非線形色に第2の伝達関数を適用するように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における線形輝度成分(Y)値を得るために前記RGB色空間における前記線形色に第3の色変換を適用するように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と前記XYZ色空間における前記線形輝度成分値との比較に基づいて前記非線形輝度成分値を導出するように構成される、請求項5または6に記載のデバイス。 - 前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と前記XYZ色空間における前記線形輝度成分値との間の差異を低減する、前記Y’CbCr色空間における候補の非線形輝度成分値を選択するように構成される、請求項7に記載のデバイス。
- 前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間における候補の非線形輝度成分値、前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCr成分値への第2の色変換の適用と、前記RGB色空間における前記非線形色への前記第2の伝達関数の適用と、前記Y’CbCr色空間における種々な候補の非線形輝度成分値のための前記RGB色空間における前記線形色への第3の色変換の適用とを行うように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と前記XYZ色空間における前記線形輝度成分値との間に最小の差異を生じさせる、前記Y’CbCr色空間における前記種々な候補の非線形輝度成分値の中から前記候補の非線形輝度成分値を選択するように構成される、請求項8に記載のデバイス。 - 前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と前記XYZ色空間における前記線形輝度成分値との間の差異を最小化する、前記Y’CbCr色空間における候補の非線形輝度成分値を選択するために二分探索を行うように構成される、請求項7から9のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記デバイス(100、110)は、前記Y’CbCr色空間におけるアップサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間におけるアップサンプリングされた非線形クロマCr成分値を得るために、前記Y’CbCr色空間における前記サブサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間における前記サブサンプリングされた非線形クロマCr成分値をアップサンプリングするように構成され、
前記デバイス(100、110)は、ルックアップテーブルへの入力として、前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値またはこの非線形バージョン、前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCr成分値またはこの量子化バージョンを使用して、前記ルックアップテーブルから前記Y’CbCr色空間における前記非線形輝度成分値を検索するように構成される、請求項5または6に記載のデバイス。 - 前記デバイス(100、110)は、前記XYZ色空間における元の非線形輝度成分値を得るために前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値に第1の伝達関数を適用するように構成され、
前記デバイス(100、110)は、前記ルックアップテーブルへの入力として、前記XYZ色空間における前記元の非線形輝度成分値、前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCb成分値、および前記Y’CbCr色空間における前記アップサンプリングされた非線形クロマCr成分値またはこの前記量子化バージョンを使用して、前記ルックアップテーブルから前記Y’CbCr色空間における前記非線形輝度成分値を検索するように構成される、請求項11に記載のデバイス。 - 請求項3から12のいずれか一項に記載のデバイス(100、110、120)を含むユーザ機器(5、200)であって、ビデオデータを受信しかつ処理するように構成されるデバイスまたは装置である、ユーザ機器。
- 請求項3から12のいずれか一項に記載のデバイス(100、110、120)を含むユーザ機器(5、200)であって、前記ユーザ機器(5、200)は、コンピュータ、ラップトップ、スマートフォン、タブレット、およびセットトップボックスから成るグループから選択される、ユーザ機器。
- プロセッサ(210)によって実行されたとき、前記プロセッサ(210)に、
RGB色空間における画素の線形色(RoGoBo)に基づいて決定される、XYZ色空間におけるピクチャにおける前記画素の元の線形輝度成分値(Yo)を得させ、
前記XYZ色空間における前記元の線形輝度成分値と、Y’CbCr色空間における非線形輝度成分値、Y’CbCr色空間における非線形クロマCb成分値、および、前記Y’CbCr色空間における非線形クロマCr成分値に基づいて決定される前記XYZ色空間における線形輝度成分値(Y)との間の差異を最小にする、前記画素のY’CbCr色空間における非線形輝度成分値(Y’)を導出させる命令を含む、コンピュータプログラム(240)。 - 前記コンピュータプログラム(240)は、前記プロセッサ(210)によって実行されたとき、前記プロセッサ(210)に、前記非線形輝度成分値、前記非線形クロマCb成分値、および前記非線形クロマCr成分値を符号化させる命令をさらに含む、請求項15に記載のコンピュータプログラム。
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