JPH05111012A - 動画像符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】Ｉピクチャ、ＰピクチャおよびＢピクチャの量
子化ステップ幅の比を最適値に近い値にして符号化効率
を効果的に向上させることできる動画像符号化装置を提
供すること。 【構成】フレームまたはフィールド単位で入力される動
画像信号を複数の異なる予測符号化方式を選択的に用い
て予測符号化し量子化した後、可変長符号化を行う動画
像符号化装置において、符号化されたフレームまたはフ
ィールドの量子化ステップ幅および発生符号量を記憶し
発生符号量と相関を持つ評価量であるアクティビティを
計算するアクティビティ計算回路１１６と、量子化ステ
ップ幅と発生符号量および評価量を基に各フレームまた
はフィールドに対する配分符号量および量子化ステップ
幅の初期値を決定する符号化制御部１１７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は動画像符号化装置に係
り、特にフレーム内符号化と動き補償予測符号化を組み
合わせた符号化方式の動画像符号化装置における符号化
レートの制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビデオ信号などの動画像の高能率符号技
術として、フレームまたはフィールド内符号化と、前方
および後方のフレームまたはフィールドを用いた動き補
償予測符号化を組み合わせた符号化方式が知られてい
る。このような動画像符号化装置では、発生符号量を一
定値以下に抑えるために、符号化レートをなんらかの方
法で制御する必要がある。

【０００３】図９を参照して、従来の符号化レート制御
方式を説明する。これは仮想的なバッファを用いた符号
化レート制御方式であり、符号化レートの制御は量子化
ステップ幅を変えることによって行われる。符号化装置
９００から発生された符号列９０２は、一時的にバッフ
ァ９０１に蓄えられ、画面の中の固定の大きさの領域
（以下、スライス）の符号化が終了する毎に、一定量Ｎ
_X ビットずつ取り出される。そして、このときのバッフ
ァ占有量の大きさを監視し、バッファ占有量が設定値よ
り多いときは量子化ステップ幅９０４を大きくして発生
符号量を抑え、バッファ占有量が少ないときは量子化ス
テップ幅９０４を小さくして発生符号量が多くなるよう
制御を行う。量子化ステップ幅ＱＳはバッファ占有量Ｂ
Ｃと次式のような関係にある。

【０００４】 ＱＳ＝１＋３１・ＢＣ／ＢＣＹ （ＢＣＹ：バッファ容量）すなわち、バッファ占有量が
０の時には量子化ステップ幅を最小の値１とし、バッフ
ァ占有量がバッファ容量いっぱいの時には、量子化ステ
ップ幅を最大の値３１とし、その間の時はバッファ占有
量の０から最大値までを量子化ステップ幅の１から３１
までに均等に割り付けるようになっている。但し、例外
的な処理として、もしバッファ占有量が０以下の所謂バ
ッファアンダーフローになった場合は、バッファ占有量
を０にし、量子化ステップ幅は最小の値１にする。ま
た、バッファ占有量がバッファ容量を越える所謂バッフ
ァオーバーフローとなった場合には、バッファ占有量を
バッファ容量と等しくし、量子化ステップ幅を最大の値
３１にする。初期状態においてはバッファ容量はバッフ
ァ容量の半分の値に設定されている。

【０００５】スライス毎にバッファから取り出すビット
数Ｎ_X は、各ピクチャ（フレームまたはフィールド）毎
の予測方式によって異なった値を持つ。ピクチャ内の予
測を用いた符号化のみを行うピクチャ（以下、Ｉピクチ
ャ）においてＮＩビット、ピクチャ内と前方のピクチャ
からの予測を行うピクチャ（以下、Ｐピクチャ）におい
てはＮＰビット、ピクチャ内と前方および後方のピクチ
ャからの予測を行うピクチャ（以下、Ｂピクチャ）にお
いてはＮＢビットが取り出される。

【０００６】ＮＩ，ＮＰ，ＮＢは、ＮＩ：ＮＰ：ＮＢの
比が既に符号化されている中で最後のＩ，Ｐ，Ｂピクチ
ャの発生符号量の比となるようにピクチャ単位に更新す
る。例えば符号化レートがＲビット／秒で最後に符号化
したＩ，Ｐ，Ｂピクチャの発生符号量がそれぞれＧＩ，
ＧＰ，ＧＢビット、１秒中のＩ，Ｐ，Ｂピクチャの枚数
がそれぞれ２枚，８枚，２０枚、そしてピクチャ内のス
ライスの数がＮＭ(NUM-SLICE) ならば、ＮＩ，ＮＰ，Ｎ
Ｂを次のように更新する。

【０００７】 ＮＩ＝ＧＩ＊Ｒ／Ｇ／ＮＭ ＮＰ＝ＧＰ＊Ｒ／Ｇ／ＮＭ ＮＢ＝ＧＢ＊Ｒ／Ｇ／ＮＭ 但し、Ｇ＝２＊ＧＩ＋８＊ＧＰ＋２０＊ＧＢである。

【０００８】以上述べたレート制御方式は、次のような
問題点がある。

【０００９】（１）一般に、Ｉピクチャ，Ｐピクチャ，
Ｂピクチャの量子化ステップ幅は、ある比率１：αＱ0
：αＱのときに符号化効率が最も高くなることが知ら
れている。従って各ピクチャの配分符号量は、量子化ス
テップ幅がこの比になるように決定することが望まし
い。

【００１０】しかし、従来のレート制御ではこのような
ことは考慮されておらず、Ｉ，Ｐ，Ｂピクチャにおける
バッファから取り出すビット数ＮＩ，ＮＰ，ＮＢを既に
符号化したピクチャの発生符号量に比例した値とするい
う簡易的な方法が用いられている。従って、量子化ステ
ップ幅が上記のような最適な比にならず、高い符号化効
率が得られない。

【００１１】（２）量子化ステップ幅はバッファ占有量
に比例した値に設定されるため、発生符号量の少しの変
動に対しても過敏に制御され、スライス毎に大きく変化
してしまうため、画質の劣化を生じる可能性がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
仮想バッファを用いたレート制御方式では、Ｉ，Ｐ，Ｂ
ピクチャに対する符号量割り当てが最適化されないため
に、高い符号化効率が得られず、またスライス毎に量子
化ステップ幅が大きく変動して画質劣化を生じる可能性
があるという問題があった。

【００１３】本発明の目的は、Ｉピクチャ、Ｐピクチャ
およびＢピクチャの量子化ステップ幅の比を最適値に近
い値にして符号化効率を効果的に向上させることができ
る動画像符号化装置を提供することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、スライス毎に量子化
ステップ幅を大きく変化させることなくフレームまたは
フィールド単位の発生符号量が設定符号量となるような
制御が行われる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は第１にフレームまたはフィールド単位で入
力される動画像信号を複数の異なる予測符号化方式を選
択的に用いて予測符号化し量子化した後、可変長符号化
を行う動画像符号化装置において、符号化されたフレー
ムまたはフィールドの量子化ステップ幅および発生符号
量を記憶する記憶手段と、前記発生符号量と相関を持つ
所定の評価量を計算する計算手段と、前記量子化ステッ
プ幅と発生符号量および評価量を基に各フレームまたは
フィールドに対する配分符号量および量子化ステップ幅
の初期値を決定する手段とを具備することを特徴とす
る。

【００１６】本発明は、第２にフレームまたはフィール
ド単位で入力される動画像信号を予測符号化し量子化し
た後、可変長符号化を行う動画像符号化装置において、
可変長符号化により発生した符号列を蓄える仮想バッフ
ァと、この仮想バッファから一定の符号化対象領域毎に
符号列を取り出す手段と、仮想バッファの占有量を基に
量子化ステップ幅を変更する手段と、仮想バッファから
の符号列取り出し量を符号化対象領域の発生符号量と相
関を持つ所定の評価量を基に決定する手段とを具備する
ことを特徴とする。

【００１７】本発明は、第３にフレームまたはフィール
ド単位で入力される動画像信号を予測符号化し量子化し
た後、可変長符号化を行う動画像符号化装置において、
可変長符号化により発生した符号列を蓄える仮想バッフ
ァと、この仮想バッファから一定の符号化対象領域毎に
符号列を取り出す手段と、仮想バッファの占有量を監視
する監視手段と、この手段により監視された占有量が第
１の閾値を越えかつ前回の監視時の占有量を上回ってい
る場合には量子化ステップ幅を大きくし、占有量が第２
の閾値を下回りかつ前回の監視時の前記占有量を下回っ
ている場合には量子化ステップ幅を小さくする手段とを
具備することを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明においては、既に符号化したフレームま
たはフィールドのステップ幅、発生符号量、およびこれ
から符号化するフレームまたはフィールドと過去に符号
化したフレームまたはフィールドの発生符号量と相関を
持つ評価量を基に各フレームまたはフィールドに対する
配分符号量とステップ幅の初期値が決定される。従っ
て、異なる予測符号化方式を用いるフレームまたはフィ
ールドの量子化ステップ幅の比が最適値となるように、
配分符号量とステップ幅の初期値を設定することが可能
であり、これにより符号化効率が著しく向上する。

【００１９】また、本発明では各フレームまたはフィー
ルド内で仮想バッファを用いて量子化ステップ幅の制御
を行う際に、仮想バッファから取り出す量を発生符号量
と大きな相関を持つ評価量（アクティビティという）を
基に決定することで、ステップ幅の変更の条件が従来法
に比べ制限される。このため、量子化ステップ幅が大き
く変化し過ぎることによる画質劣化を伴うことなく、発
生符号量が設定した値に制御される。

【００２０】さらに、本発明では仮想バッファの占有量
が第１の閾値を越えかつ前回の監視時の占有量を上回っ
ている場合には量子化ステップ幅を大きくし、占有量が
第２の閾値を下回りかつ前回の監視時の前記占有量を下
回っている場合には量子化ステップ幅を小さくすること
で、同様にステップ幅の変更の条件が従来法に比べ制限
され、量子化ステップ幅が大きく変化し過ぎることによ
る画質劣化を伴うことなく、発生符号量が設定した値に
制御される。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施例によるレート制
御法を用いた動画像符号化装置のブロック図である。本
実施例は、ＭＰＥＧ１のシミュレーションモデルである
ＳＭ３のような符号化方式に本発明を適用した例であ
り、符号化のアルゴリズムは基本的に画像をフィールド
（以下、ピクチャ）単位に動き補償適応予測＋ＤＣＴ符
号化を行うものであり、図２、図３のようにピクチャ内
の符号化と前方および後方のピクチャを用いた動き補償
予測符号化を切り替えて用いるものである。

【００２３】符号化単位は、ＳＭ３と同様に、下位から
ブロック、マクロブロック、スライス、ピクチャ、がグ
ループオブピクチャおよびシーケンスの順に階層化され
る。ブロックは８×８画素よりなり、ＤＣＴはこのブロ
ック単位で行われる。マクロブロックはＹブロック２個
と、ＣｒブロックおよびＣｂブロック各１個の計４ブロ
ックよりなり、動き補償および各符号化モードの選択
は、このマクロブロック単位で行われる。グループオブ
ピクチャ（ＧＯＰ）は、次のように構成される。ピクチ
ャはＳＭ３と同様に予測モードとして許されるマクロブ
ロック毎のモードの種類によって大きくＩ，Ｐ，Ｂの各
ピクチャに分けられる。モードとしては、フィールド内
予測（Ｉｎｔｒａ）、前方予測、後方予測および両方向
内挿予測の４モードがある（詳細は後述）。これらのう
ちどの予測モードを使用できるかにより、表１に示すよ
うにピクチャの種類がＩ，Ｐ，Ｂの３通りに分類され
る。

【００２４】本実施例では、符号化ピクチャフォーマッ
トとしてインタレースフォーマットを採用しており、同
じ種類のピクチャでもＧＯＰ（グループオブピクチャ）
内での位置により予測方法等が異なるため、ピクチャは
さらに細かく分類される。図２に、ＧＯＰの構成と各ピ
クチャがどのピクチャから予測されるかを示す。同図に
示されるように、ＧＯＰはランダムアクセスおよび特殊
再生用にエントリポイントとして周期的に設けられたＩ
ピクチャに先行するＢ₀ ピクチャから始まり、次のＩピ
クチャの前にあるＰ₂ で終わるピクチャの組によって定
義される。Ｉピクチャは偶数フィールドのみに現われ
る。また、各ピクチャがどのピクチャからどのように予
測されるかを表１および図３に示した。

【００２５】

【表１】 予測方法には偶数フィールドのみから予測するフィール
ド間予測と、偶／奇各１フィールドずつから適応的に予
測を行なうフィールド間／フレーム間適応予測の二通り
がある。図３で矢印は、フィールド間予測に行なうこと
を示し、また２本の線が１本の矢印に統合されている記
号は、フィールド間／フレーム間適応予測を行なうこと
を示している。また、１ＧＯＰ内での各ピクチャの符号
化順序は図２（ｂ）に示される通りである。

【００２６】以上の点を踏まえて、図１に示す動画像符
号化装置を説明する。

【００２７】図１において、入力端子１００にはインタ
ーレースされた動画像信号が入力される。この入力動画
像信号は、８枚分のフィールドメモリ１０１に連続した
８フィールド分蓄えられる。フレームメモリ１０１内の
動画像信号は第１の動きベクトル検出回路１１０に供給
され、原動画像によるテレスコーピックサーチにより動
き補償の第１段階での動きベクトル検出が１画素精度で
行われる。

【００２８】次に、動き補償の第２段階での前処理とし
て、局部復号ループ内のフィールドメモリ１０８に蓄え
られた局部復号信号を用いて、動きベクトル検出回路１
１０で原画像を用いて求められた動きベクトルをその回
りの範囲を全探索することにより、リファインする。

【００２９】次に、フィールドメモリ１０８とフィール
ド間／フレーム間適応予測回路１０９および第２の動き
ベクトル検出回路１１１において、局部復号信号を用い
た１／２画素精度の動き補償の第２の段階での動きベク
トル検出が行われ、予測回路１０９により予測信号が生
成される。この予測信号は減算器１０２に入力されてフ
ィールドメモリ１０１からの動画像信号との差がとら
れ、この差が予測誤差信号が出力される。

【００３０】この予測誤差信号はＤＣＴ回路１０３によ
り離散コサイン変換され、ＤＣＴ係数データが得られ
る。このＤＣＴ係数データは量子化回路１０４で量子化
され適応スキャンされた後、２次元可変長符号化回路１
１２を経てマルチプレクサ１１４に入力される。量子化
後のＤＣＴ係数データは、逆量子化回路１０５および逆
ＤＣＴ回路１０６を経て局部復号され、Ｉ，Ｐピクチャ
のみがフィールドメモリ１０８に書きこまれる。フィー
ルドメモリ１０８の容量は、適応予測に必要な４フィル
ード分とされる。

【００３１】マルチプレクサ１１４では、ＤＣＴ係数デ
ータ、第２の動きベクトル検出回路１１１からの動きベ
クトルおよび符号化制御部１１７からのマクロブロック
タイプやステップ幅等の付加情報が多重化される。マル
チプレクサ１１４で多重化された情報は、バッファ１１
５を経て一定の伝送レートとされ、例えばＶＴＲ等の蓄
積系（記録媒体）へ出力される。

【００３２】符号化制御部１１７においては、バッファ
１１５でのバッファ量と、アクティビティ計算回路１１
６で計算されたマクロブロック内アクティビティ（Ｉピ
クチャ）または直前の同モードの量子化前の信号のマク
ロブロック内アクティビティ（Ｐ，Ｂピクチャ）を使っ
て、量子化回路１０４での量子化ステップ幅を制御する
ことにより、レート制御を行う。

【００３３】次に、本実施例のレート制御と符号化のフ
ローを図４および図５に示す。レート制御は、次のよう
な３階層で行われる。

【００３４】（１）Ｉピクチャから次のＩピクチャの１
つ前のＢ３ピクチャまでのＮピクチャの符号量割り当て （２）各ピクチャに対する符号量割当とその更新 （３）仮想バッファを用いたピクチャ内の量子化ステッ
プ幅の制御 本実施例では、上述のようにアクティビティ計算回路１
１６で計算されたアクティビティと呼ばれる評価量を計
算し、これをレート制御に用いている。Ｉピクチャのア
クティビティは、各画素値からブロック内の平均値を引
き去った値の絶対値の総和である。他のピクチャのアク
ティビティは、減算器１０２およびＤＣＴ回路１０３を
経て得られる動き補償適応予測誤差信号のＤＣＴ係数の
絶対値の総和である。Ｉピクチャのアクティビティは、
符号化に先立って１フィールド先読みして計算する。他
のピクチャは、符号化に際してアクティビティを計算
し、レート制御には直前に符号化した同じタイプのピク
チャのアクティビティを用いる。

【００３５】以下、上述したレート制御の手順（１）〜
（３）について詳細に説明する。

【００３６】 （１）Ｎピクチャ単位の符号量割り当て（図４のＳ１） Ｉピクチャから次のＩピクチャの１つ前のＢピクチャま
でのＮピクチャの符号量が固定の値ＣＡＧ（constant-a
llocate-gop ）に近づくように、符号量制御を行う。こ
れによる発生符号量の過不足分は、図６に示すように次
のＮピクチャの割当符号量に繰り越される。Ｎピクチャ
符号化終了時に、次式(1) に示す割り当て符号量ＡＢＧ
（allocated-bits-gop）と、発生した符号量ＧＢＧ（ge
nerated-bits-gop）の差ＬＯＢＧ（left-over-bits-go
p）を計算する。 ＬＯＢＧ＝ＡＢＧ−ＧＢＧ (1) そして、次のＮピクチャには次式(2) に示す固定の割当
量ＣＡＧと符号量の過不足分ＬＯＢＧを合わせた符号量
が割り当てられる。 ＡＢＧ＝ＣＡＧ＋ＬＯＢＧ (2) （２）各ピクチャへの符号量割り当て 各ピクチャの割り当て符号量は、前記の条件を満たすよ
うに、次の（Ｉ），（II）のような方針で決定する。 （Ｉ）Ｉ，Ｐ１，Ｐ２，Ｂピクチャの量子化ステップ幅
Ｑ・Ｉ，Ｑ・Ｐ，Ｑ・Ｂの比を次式(3) のようにした時
に符号化効率が良く、画質劣化も生じない。

【００３７】 Ｑ・Ｉ：Ｑ・Ｐ：Ｑ・Ｂ＝１：αＱ0 ：αＱ (3) 但し、αＱ0 ，αＱは定数である。ここで、量子化ステ
ップ幅が式(3) の比となるように、各ピクチャの符号量
の配分比を更新していく。

【００３８】（II）Ｎピクチャ内で既に符号化されたピ
クチャの余剰ビットはＮピクチャ内でまだ符号化されて
いないピクチャの符号量割り当てに繰り越し、これが
（Ｉ）で述べた比で分配されるように割り当て符号量を
ピクチャ毎に決定する。

【００３９】以下に具体的な符号量割当ての手順を説明
する。 （２−１） Ｉピクチャへの符号量割り当て（図４のＳ
３） シーケンス内の最初のＩピクチャの割当符号量ＡＢ・Ｉ
（allocate-bits-I ）は、図４のＳ２で計算されたＩピ
クチャのアクティビティＡ・Ｉ（activity-I）を基に、
発生符号量が多くなり過ぎず、かつＩピクチャの量子化
ステップ幅がＰピクチャの量子化ステップ幅に比べて極
端に小さくならないように定められた次式(4) によって
決める。

【００４０】 ＡＢ・Ｉ＝（Ｃ１＊Ａ・Ｉ＋Ｃ２）＊ＣＡＧ (4) （Ｃ１，Ｃ２：定数）他のＩピクチャの配分符号量は、
Ｉピクチャの符号化の直前に決定する。直前のＩピクチ
ャの発生符号量をアクティビティで補正したものを基本
として、直前のＩピクチャの平均量子化ステップ幅と、
直前のＰ１ピクチャとＰ２ピクチャの平均量子化ステッ
プ幅を比較し、Ｉピクチャの量子化ステップ幅の方が大
きい場合にはＩピクチャへの割当符号量を大きくし、逆
の場合にはＩピクチャの配分符号量を小さくするよう
に、次式(5) によって決定する。

【００４１】 ＡＱＰ・Ｐ12＝（ＡＱＰ・Ｐ１＋ＡＱＰ・Ｐ2)／２； ＤＱ・Ｉ・Ｐ12＝ＡＱＰ・Ｉ−ＡＱＰ・Ｐ12； if（ＤＱ・Ｉ・Ｐ12≧１） ＡＢ・Ｉ＝ＧＢＰ・Ｉ ×ＡＱＰ・Ｉ／（ＡＱＰ・Ｉ−ｆ５（ＤＱ・Ｉ・Ｐ12）） ×Ａ・Ｉ／ＡＰ・Ｉ・Ｃ５； else if （ＤＱ・Ｉ・Ｐ12≦２） ＡＢ・Ｉ＝ＧＢＰ・Ｉ ×ＡＱＰ・Ｉ／（ＡＱＰ・Ｉ＋ｆ６（ＤＱ・Ｉ・Ｐ12）） ×Ａ・Ｉ／ＡＰ・Ｉ×Ｃ６； else ＡＢ・Ｉ＝ＧＢＰ・Ｉ ×ＡＰ・Ｉ／Ａ・Ｉ (5) 但し、ＤＱ（difference qscale ）は量子化ステップ幅
の差、ＡＱＰ（averaged qscale previans）は直前の平
均量子化ステップ幅、ＧＢＰ（generated bitsqrevious
）は直前の発生符号量、ＡＱＰ（averaged qscale pre
vians）は直前のアクティビティをそれぞれ表わす。Ｃ
５は１以上の定数、Ｃ６は１以下の定数であり、またｆ
５，ｆ６はＩピクチャとＰ１，Ｐ２ピクチャの量子化ス
テップ幅のずれＤＱ・Ｉ・Ｐ12をパラメータとする関数
であり、例えば次式(6) のように定める。 ｆ５（ＤＱ・Ｉ・Ｐ12）＝ max（１，｜ＤＱ・Ｉ・Ｐ12｜） ｆ６（ＤＱ・Ｉ・Ｐ12）＝ max（２，｜ＤＱ・Ｉ・Ｐ12｜） (6) Ｉピクチャの配分符号量を以上のように更新していくこ
とにより、ＩピクチャとＰ１，Ｐ２ピクチャの量子化ス
テップ幅の比は最適な値に近づいていくため、符号化効
率が良い。

【００４２】以上のようにして決めた割り当て符号量が
ＣＡＧの２３％を越える場合には、この値に抑える。す
なわち、 if（ＡＢ・Ｉ＞ＣＡＧ×０．２３) ＡＢ・Ｉ＝ＣＡＧ×０．２３； (7) （２−２） Ｐ０ピクチャへの符号量割り当て Ｐ０ピクチャに対してはあらかじめ割り当て符号量は定
めない。但し、符号量がＧＯＰの割り当て符号量の２５
％を越えないように後述のようにピクチャ内のレート制
御によって制限する。

【００４３】（２−３） Ｐ１，Ｐ２，Ｂピクチャへの
符号量割り当て（図４のＳ８，Ｓ１０、図５のＳ１２，
Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８） Ｐ１，Ｐ２およびＢピクチャの割り当て符号量は、各ピ
クチャの符号化の直前に、Ｐ１，Ｐ２，Ｂピクチャの配
分符号量ＡＲの比がＡＲ・Ｐ１：ＡＲ・Ｐ２：ＡＲ・Ｂ
となり、かつＮピクチャの符号量が割り当て符号量と一
致するように、すなわち、 ＲＢＧ＝ＡＢＧ−ＧＢＧ＝ＡＲ・Ｐ１×ＲＮ・Ｐ１ ＋ＡＲ・Ｐ２×ＲＮ・Ｐ２＋ＡＲ・Ｂ×ＲＮ・Ｂ (8) となるように決める。但し、ＧＢＧ（generated-bits-g
op）はＮピクチャ内でこれまでに発生した符号量、ＲＮ
（residual-num），Ｐ１，ＲＮ・Ｐ２，ＲＮ・Ｂはそれ
ぞれのＮピクチャ内でまだ符号化されていないＰ１，Ｐ
２，Ｂピクチャの数である。これを満たす発生符号量
は、次式 (9)〜(10)で計算される。

【００４４】 ＡＢ・Ｐ１＝ＡＲ・Ｐ１×ＲＢＧ／（ＡＲ・Ｐ１×ＲＮ・Ｐ１ ＋ＡＲ・Ｐ２×ＲＮ・Ｐ２＋ＡＲ・Ｂ×ＲＮ・Ｂ） (9) ＡＢ・Ｐ２＝ＡＲ・Ｐ２×ＲＢＧ／（ＡＲ・Ｐ１×ＲＮ・Ｐ１ ＋ＡＲ・Ｐ２×ＲＮ・Ｐ２＋ＡＲ・Ｂ×ＲＮ・Ｂ） (10) ＡＢ・Ｂ ＝ＡＲ・Ｂ×ＲＢＧ／（ＡＲ・Ｐ１×ＲＮ・Ｐ１ ＋ＡＲ・Ｒ２×ＲＮ・Ｐ２＋ＡＲ・Ｂ×ＲＮ・Ｂ） (11) （２−４） Ｐ１，Ｐ２，Ｂピクチャの配分符号量の比
の更新 Ｐ１，Ｐ２，Ｂピクチャ間の配分符号量の比は、シーケ
ンスの最初はある初期値に設定されている。そして、Ｐ
１ピクチャの符号化の直前に、以下に述べるように更新
する。

【００４５】（２−４−１） Ｐ１ピクチャとＰ２ピク
チャの配分符号量の比の更新 Ｐ１ピクチャとＰ２ピクチャを同じ量子化ステップ幅で
量子化したときのアクティビティの比と発生符号量の比
には、次の関係がある。

【００４６】 ＧＢ・Ｐ２／ＧＢ・Ｐ１＝Ｃ３×Ａ・Ｐ２／Ａ・Ｐ１−Ｃ４ (12) （Ｃ３，Ｃ４：定数）この関係を用いて、Ｐ１ピクチャ
とＰ２ピクチャの配分符号量比を次のようにする。

【００４７】 ＡＲ・Ｐ２／ＡＲ・Ｐ１＝Ｃ３×Ａ・Ｐ２／Ａ・Ｐ１−Ｃ４ (13) 以上のような更新を行うことにより、Ｐ１ピクチャとＰ
２ピクチャの量子化ステップ幅はほぼ等しくなり、量子
化ステップ幅が大きく異なることによる画質劣化を抑え
ることができる。

【００４８】（２−４−２） Ｐ１ピクチャとＢピクチ
ャの配分符号量の比の更新 図７のように、Ｐ１ピクチャとＢ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３
ピクチャの中で量子化ステップ幅が１：αＱとなってい
るピクチャに重みを付けて発生符号量の平均をとり、配
分符号量比がＰ１ピクチャとＢピクチャの発生符号量の
比となるように更新する。

【００４９】まず、Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ピクチャの
加重平均の平均量子化ステップ幅と発生符号量を基に
［数１］の式(14)の重み付けされた平均符号量ＷＡＧＢ
（waited-averaged-generated-bits）・Ｂを計算する。

【００５０】

【数１】 これは、Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３各ピクチャの発生符号
量を、最適な量子化ステップ幅（Ｐピクチャの量子化ス
テップ幅×αＱ）からのずれの少なさで重みを付けて平
均した発生符号量である。Ｐ１ピクチャとＢピクチャの
配分符号量比をＰ１ピクチャの発生符号量と、この加重
平均されたＢピクチャの発生符号量の比となるように、
次式(15)により更新する。 ＡＲ・Ｐ１／ＡＲ・Ｂ＝ＧＢ・Ｐ１／ＷＡＧＢ・Ｂ (15) 以上のような配分符号量の比の更新を行うことにより、
ＰピクチャとＢピクチャの量子化ステップ幅の比は最適
な比である１：αＱに近い値になり、符号化効率と画質
の両面を考慮した最適な符号量配分が行われる。

【００５１】（３） ピクチャ内のレート制御 ピクチャ内では仮想バッファを用いて、あるスライス単
位にフィードバック制御を行う。ピクチャ内の最初のス
ライスの量子化ステップ幅は、Ｉピクチャは割り当て符
号量とアクティビティを基にして求め、他のピクチャは
過去に符号化したピクチャの量子化ステップ幅を基にし
て決定する。

【００５２】（３−１） ピクチャ内の最初のスライス
の量子化ステップ幅 Ｉピクチャの最初のスライスの量子化ステップ幅は割り
当て符号量ＡＢ・Ｉ，ピクチャ内のアクティビティの和
Ａ・Ｉを基に、次式(16)に従って決定する。

【００５３】 Ｑ・Ｉ(1) ＝Ｃ５／ＡＢ・Ｉ・Ａ・Ｉ (16) Ｐ０ピクチャの最初のスライスの量子化ステップ幅は、
［数２］の式(17)に示すＩピクチャの量子化ステップ幅
の平均値に定数αＱ0 を掛けた値を用いる。

【００５４】

【数２】 Ｎピクチャ内の最初のＰ１ピクチャの最初のスライスの
量子化ステップ幅は、［数３］の式(18)に示すＩピクチ
ャの量子化ステップ幅の平均値を用いる。

【００５５】

【数３】 それ以外のＰ１ピクチャの最初のスライスの量子化ステ
ップ幅は、［数４］の式(19)に示す１つ前のＰ１ピクチ
ャの量子化ステップ幅の平均値を用いる。

【００５６】

【数４】 Ｐ２ピクチャの最初のスライスの量子化ステップ幅は、
［数５］の式(20)に示すＰ１ピクチャの量子化ステップ
幅の平均値を用い、Ｐ１ピクチャと量子化ステップ幅が
大きく異なる事による画質劣化を防ぐ。

【００５７】

【数５】 Ｂ０ピクチャの最初のスライスの量子化ステップ幅は、
Ｐ１ピクチャとＰ２ピクチャの量子化ステップ幅に対し
て最適の比となるように［数６］の式(21)に示すＰ１，
Ｐ２ピクチャの量子化ステップ幅の平均値にαＱを掛け
た値を用いる。

【００５８】

【数６】 Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ピクチャの最初のスライスの量子化ス
テップ幅は、それぞれ次式(22)に示すＢ０，Ｂ１，Ｂ２
ピクチャの最後のスライスの量子化ステップ幅を用い
る。

【００５９】 Ｑ・Ｂ１(1) ＝Ｑ・Ｂ０（ＮＭ） Ｑ・Ｂ２(1) ＝Ｑ・Ｂ１（ＮＭ） Ｑ・Ｂ３(1) ＝Ｑ・Ｂ２（ＮＭ） (22) （３−２） Ｉ，Ｐ１，Ｐ２ピクチャ内のレート制御 Ｉ，Ｐ１，Ｐ２ピクチャ内では図８に示すような仮想バ
ッファ８０１を用い、バッファ８０１の占有量により量
子化ステップ幅更新部８０３で１スライス単位に符号化
装置８００（図１）での量子化ステップ幅を更新する。

【００６０】各ピクチャの符号化に先立って、バッファ
占有量を０にリセットする。符号化装置８００からスラ
イス単位に発生した符号ビットＧＢ(slice) をバッファ
８０１に蓄え、バッファ８０１から［数７］の式(23)に
示すスライス単位の配分符号量ＡＢ（slice)を取り出
す。但し、スライス単位の配分符号量は、Ｉピクチャに
ついてはピクチャ単位の割当符号量をスライスのアクテ
ィビティに比例して配分したもの、Ｐ１，Ｐ２ピクチャ
についてはピクチャ単位の割当符号量を１つ前の同じ種
類のピクチャの同じ空間的位置のスライスのアクティビ
ティに比例して配分したものであり、これらはピクチャ
単位符号量割り当て部８０２によってピクチャタイプに
よって割り当てられる。

【００６１】

【数７】 スライス単位にバッファ占有量ＢＣ（buffer content）
を監視し、このバッファ占有量ＢＣが閾値ＢＴ（buffer
threshold）を越えて（下回って）おり、かつ前スライ
スのバッファ占有量より大きい（小さい）場合には量子
化ステップ幅Ｑを＋１（−１）する。但し、量子化ステ
ップ幅はＱ＝１〜３１に制限する。閾値ＢＴは、次式で
定義される値である。 ＢＴ＝ＡＢＰ／ＮＭ×（2/3) これらをまとめると、次のようになる。

【００６２】 ＢＣ(0) ＝０； for(slice ＝１；slice ＜ＮＭ；slice ++）｛ ＢＣ（slice)＝ＢＣ（slice-1)＋ＧＢ（slice)−ＡＢ（slice)； if（ＢＣ（slice)＞ＢＴ &&ＢＣ（slice)＞ＢＣ（slice-1) &&Ｑ＜31） Ｑ＋＝１； else if （ＢＣ（slice)＜−ＢＴ &&ＢＣ（slice)＜ＢＴ（slice-1) &&Ｑ＞１） Ｑ- ＝１； ｝ このように、スライス単位にバッファから取り出す量を
各スライスのアクティビティに比例した値とし、量子化
ステップ幅の変化を最大で±１に制限し、しかも変更の
条件を従来法に比べ厳しくしているため、スライス毎に
量子化ステップ幅が大きく変化して画質が劣化する事が
無い。

【００６３】なお、Ｉピクチャにおいては、ピクチャ内
の発生符号量がＮピクチャに対する割り当て符号量の２
５％を越えた場合には、強制的にそれ以降の全ての係数
を０として符号が発生しないようにする。

【００６４】（３−３） Ｂピクチャ内のレート制御 Ｂピクチャ内では、Ｐ１，Ｐ２ピクチャと同様の制御を
行う。但し、次の点が異なる。 (1) 量子化ステップ幅の更新は、１０スライス単位に行
う。 (2) 更新を行うか否かは、バッファ占有量の絶対値が閾
値を越えているか否かによってのみ判定し、前スライス
のバッファ占有量との比較は行わない。 まとめると、次のようになる。 ＢＣ(0) ＝０； for( slice＝１；slice ＜ＮＭ；slice++)｛ ＢＣ（slice)＝ＢＣ（slice-1)＋ＧＢ（slice)−ＡＢ（slice)； if（slice ％10==0 ）｛ if（ＢＣ（slice)＞ＢＴ&&Ｑ＜31） Ｑ＋＝１； else if （ＢＣ（slice)＜−ＢＴ&&Ｑ＞１） Ｑ−＝１； ｝ ｝ Ｂピクチャにおける量子化ステップ幅の更新は１０スラ
イス単位という長い周期で行われ、しかも変化は最大で
±１である。従って、量子化ステップ幅は長い期間にわ
たって、符号化効率が最適となるように設定されたＢ０
ピクチャの最初のスライスの量子化ステップ幅と近い値
を持つため、符号化効率が良い。

【００６５】（３−４） Ｐ０ピクチャ内のレート制御 Ｐ０ピクチャ内では発生符号量がＮピクチャに対する割
り当て符号量の２５％を越えないこと目的として、仮想
バッファを導入の占有量により１スライス単位に量子化
ステップ幅を更新する。バッファから取り出すビット数
ＢＯＢ（buffer-out-bits ）は、次式(24)に示すように
Ｎピクチャの割り当て符号量の２０％をピクチャ内のス
ライスの数で割った値である。 ＢＯＢ（slice)＝ＡＢＧ×0.20／ＮＭ (24) スライス単位にバッファ占有量を監視し、バッファ占有
量が閾値を越えた場合には量子化ステップ幅を＋１す
る。但し、量子化ステップ幅の最大値は３１に制限す
る。閾値はバッファから取り出す符号量と同じ値であ
る。さらに、ピクチャ内の発生符号量がＮピクチャに対
する割り当て符号量の２５％を越えた場合には強制的に
それ以降の全てのマクロブロックの符号が発生しないよ
うにする。

【００６６】Ｐ０ピクチャは、符号量が非常に大きくな
るような特殊な場合のみレートの制限を行うようにして
いる。実際の符号化においてこのような制限が行われる
事はきわめて希であり、ほとんどの場合、量子化ステッ
プ幅は最初のスライスにおける設定値であるＩピクチャ
の量子化ステップ幅の平均値のままである。従って、量
子化ステップ幅がＩピクチャに比べて大きく変化して画
質が劣化するような事が無い。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるレー
ト制御を行うことにより、Ｎピクチャ単位に一定の符号
量となるように制御を行っているため、符号化レートを
設定した値とすることができる。

【００６８】また、各ピクチャのステップ幅の比が最高
の符号化効率が得られ、かつ画質劣化が生じない比とな
るように符号量配分を行うことが可能であるため、符号
化効率が著しく向上する。

【００６９】さらに、量子化ステップ幅の変化を制限し
ながら設定符号量に近づくようレートに制御を行うこと
で、量子化ステップ幅が大きく変化し過ぎることによる
画質劣化を伴うことなく発生符号量を設定した値に制御
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る動画像符号化装置の
ブロック図

【図２】 同実施例におけるグループオブピクチャの構
成と符号化順序を示す図

【図３】 同実施例における各ピクチャの符号化時に予
測に用いるピクチャを示す図

【図４】 同実施例における符号化とレート制御の流れ
の一部を示す図

【図５】同実施例における符号化とレート制御の流れの
他の一部を示す図

【図６】 同実施例におけるＮピクチャ間の符号量割当
の様子を示す図

【図７】 同実施例におけるＰ１ピクチャとＢピクチャ
の配分符号量の比率の決定法を説明するための図

【図８】 同実施例におけるピクチャ内のレート制御に
用いる仮想バッファを示す図

【図９】 従来の動画像符号化装置におけるレート制御
法を説明するための図

【符号の説明】

１０１…フィールドメモリ １０３…ＤＣＴ
回路 １０４…量子化回路 １０５…逆量子
化回路 １０６…逆ＤＣＴ回路 １０８…フィー
ルドメモリ １０９…適応予測回路 １１０…動きベ
クトル検出回路 １１１…動きベクトル検出回路 １１２…可変長
符号化回路 １１３…可変長符号化回路 １１４…マルチ
プレクサ １１５…バッファ １１６…アクテ
ィビティ計算回路 １１７…符号制御部 ８０１…仮想バ
ッファ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾高 敏則 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フレームまたはフィールド単位で入力され
   る動画像信号を複数の異なる予測符号化方式を選択的に
   用いて符号化する第１の符号化手段と、 この手段により符号化された信号を量子化する量子化手
   段と、 この手段により量子化された信号を可変長符号化する第
   ２の符号化手段と、 前記第１および第２の符号化手段で符号化されたフレー
   ムまたはフィールドの前記量子化手段における量子化ス
   テップ幅および前記第２の符号化手段における発生符号
   量を記憶する記憶手段と、 前記発生符号量と相関を持つ所定の評価量を計算する計
   算手段と、 前記量子化ステップ幅と発生符号量および評価量を基に
   各フレームまたはフィールドに対する配分符号量および
   量子化ステップ幅の初期値を決定する手段とを具備する
   ことを特徴とする動画像符号化装置。
2. 【請求項２】フレームまたはフィールド単位で入力され
   る動画像信号を予測符号化する第１の符号化手段と、 この手段により符号化された信号を量子化する量子化手
   段と、 この手段により量子化された信号を可変長符号化する第
   ２の符号化手段と、 この第２の符号化手段により発生した符号列を蓄える仮
   想バッファと、 この仮想バッファから一定の符号化対象領域毎に符号列
   を取り出す手段と、 前記仮想バッファの占有量を基に前記量子化手段におけ
   る量子化ステップ幅を変更する手段と、 前記仮想バッファからの符号列取り出し量を前記符号化
   対象領域の発生符号量と相関を持つ所定の評価量を基に
   決定する手段とを具備することを特徴とする動画像符号
   化装置。
3. 【請求項３】フレームまたはフィールド単位で入力され
   る動画像信号を予測符号化する第１の符号化手段と、 この手段により符号化された信号を量子化する量子化手
   段と、 この手段により量子化された信号を可変長符号化する第
   ２の符号化手段と、 この第２の符号化手段により発生した符号列を蓄える仮
   想バッファと、 この仮想バッファから一定の符号化対象領域毎に符号列
   を取り出す手段と、 前記仮想バッファの占有量を監視する監視手段と、 この手段により監視された前記占有量が第１の閾値を越
   えかつ前回の監視時の占有量を上回っている場合には前
   記量子化手段における量子化ステップ幅を大きくし、前
   記占有量が第２の閾値を下回りかつ前回の監視時の前記
   占有量を下回っている場合には前記量子化ステップ幅を
   小さくする手段とを具備することを特徴とする動画像符
   号化装置。