JPH05167998A - 画像の符号化制御処理方法 - Google Patents

画像の符号化制御処理方法

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JPH05167998A
JPH05167998A JP33193391A JP33193391A JPH05167998A JP H05167998 A JPH05167998 A JP H05167998A JP 33193391 A JP33193391 A JP 33193391A JP 33193391 A JP33193391 A JP 33193391A JP H05167998 A JPH05167998 A JP H05167998A
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image
dct
coefficient
macroblock
quantization step
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English (en)
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Yutaka Watanabe
裕 渡辺
Shinharu Sharad
シンハル シャラッド
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Iconectiv LLC
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Telcordia Technologies Inc
Bell Communications Research Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、動き補償フレーム間予測とＤＣＴ
とを組み合わせたハイブリッド符号化制御処理方法にお
いて、画像の局所的な精細度に応じた情報量割り当てを
行うことにより主観的に優れた符号化画像の品質を供給
するとともに、フレームあるいはスライス単位で目標符
号化レートに追従するようにすることを目的としてい
る。 【構成】 入力されたデジタル画像信号系列をＮ×Ｎの
小ブロックに分割してその各々を符号化の単位とし、各
ブロックの時間的冗長度を動き補償予測あるいはフレー
ム間差分を用いて抑圧し、ＤＣＴを施した後、交流係数
の分散あるいは標準偏差をマクロブロック毎に検出し、
フレームに割り当てられた情報量とからマクロブロック
単位に割り当て情報量と量子化ステップサイズの初期値
を算出することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、フレーム間差分とＤＣ
Ｔとを用いた画像の符号化制御処理方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】動き補償予測(Motion Compensation; Ｍ
Ｃ) は高い符号化効率を保証することが知られており、
離散コサイン変換(Discrete Cosine Transform; ＤＣ
Ｔ）などの直交変換と組み合わせたハイブリッド符号化
に用いられている。たとえば、ｐ×６４Ｋｂ／ｓテレビ
会議／電話用映像符号化勧告ＣＣＩＴＴ Ｈ．２６１、
コンポーネントＴＶ用３０−４５Ｍｂ／ｓ符号化勧告Ｃ
ＣＩＲ Ｒｅｃ．７２３、蓄積系動画像符号化を対象と
するＭＰＥＧ(Moving Picture Experts Group)などで
は、全て動き補償フレーム間予測誤差信号に対してＤＣ
Ｔを施す形式のハイブリッド符号化方式を採用してい
る。
【０００３】これら動画像符号化では量子化ステップサ
イズを調整することによる符号化制御処理方法が広く用
いられている。例えばＣＣＩＴＴ Ｈ．２６１の勧告作
業中に用いられた実験モデル Reference Model 8（ＲＭ
８）、あるいはＭＰＥＧに対する Simulation Model 3
（ＳＭ３）ではこの手法を標準的な符号化制御処理方法
としている。この手法では、バッファ占有量（発生情報
量・伝送情報量）を、実験を通じて経験的に求めた一定
値で割ることで量子化ステップサイズを算出する。
【０００４】量子化ステップサイズは出力ビットストリ
ームの一部として各フレーム当たり数回伝送される。例
えばＨ．２６１ではＧＯＢ(Group Of Blocks) 毎、また
ＭＰＥＧではスライス毎であり、符号化レートはこれら
を単位に制御される。各スライス（あるいはＧＯＢ）の
処理終了時に実際にスライス（あるいはＧＯＢ）を符号
化するのに使用されたビット数からスライス（あるいは
ＧＯＢ）当たりの目標ビット数を差し引くことによりバ
ッファ占有量が計算される。目標値は画像の種類、例え
ばフレーム内符号化、フレーム間予測符号化、フレーム
間内挿予測符号化などの符号化モードの種類とフレーム
内符号化モードの間隔により事前に与えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】既述のように、バッフ
ァ占有量をもとにする符号化制御処理方法は、機構が簡
単でありハードウェア実現が容易であるが、次のような
欠点がある。 （１）ひとつの量子化ステップサイズから他の量子化ス
テップサイズへの遷移がバッファ占有量により直接制御
されるために、必ずしも円滑ではない。従ってひとつの
スライスあるいはＧＯＢに含まれる画像の内容が次のス
ライスあるいはＧＯＢの量子化を支配する。 （２）ＭＰＥＧとＨ．２６１とは、必要であればより頻
繁に量子化ステップサイズを更新することが多少の負荷
情報の犠牲のもとに可能であるにもかかわらず、この制
御処理方法ではスライスあるいはＧＯＢの途中の画像内
容の変化に対応できない。
【０００６】Simulation Model 3（ＳＭ３）ではバッフ
ァ占有量を２０００という数値で割って量子化ステップ
サイズを算出する。しかしこの数値は実験を通じて経験
的に得られたものであり、符号化データの情報量の総和
が目標値以下に抑制されることを保証しない。その上、
フレーム内符号化は多くの情報量を消費するが、しばし
ば次のフレームの最初のスライスでは画像内容にかかわ
らず大きなステップサイズで符号化され、画像の上部に
目立つ符号化歪みを発生させる。スライス内ではもしス
ライスが高精細な部分と平坦な絵柄の両方を含んでいれ
ば符号化歪みが目立つ結果となる。
【０００７】本発明は、上記問題点を解決し、動き補償
フレーム間予測とＤＣＴとを組み合わせたハイブリッド
符号化制御処理方法において、画像の局所的な精細度に
応じた情報量割り当てを行うことにより主観的に優れた
符号化画像の品質を供給するとともに、フレームあるい
はスライス単位で目標符号化レートに追従するようにす
ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の画像の符号化制御処理方法では、入力され
たデジタル画像信号系列をＮ×Ｎの小ブロックに分割し
てその各々を符号化の単位とし、各ブロックの時間的冗
長度を動き補償予測あるいはフレーム間差分を用いて抑
圧し、ＤＣＴを施した後、交流係数の分散あるいは標準
偏差をマクロブロック毎に検出し、フレームに割り当て
られた情報量からマクロブロック単位に割り当て情報量
と量子化ステップサイズの初期値を算出することを特徴
とする。
【０００９】
【作用】マクロブロック単位の精細度指標としてＤＣＴ
交流係数の分散あるいは標準偏差を用い、それらとフレ
ーム単位の割り当て情報量とから量子化ステップを算出
するため、スライスやＧＯＢ構造に関係なく、画像の局
所的な精細度に応じた情報量割り当てと符号化制御を行
うことができる。
【００１０】また量子化ステップサイズが一定値以下の
マクロブロックの隣接マクロブロックでは小さな量子化
ステップサイズを再設定するため、平坦な背景中の高精
細な絵柄のエッジ部の再現性が改善される。
【００１１】また符号化情報量が目標情報量に近づくま
で繰り返しパラメータを調節して符号化を行うため、ス
ライス単位あるいはフレーム単位に対する発生情報量の
誤差が最小に押えられる。繰り越し分も次のフレームに
算入して次の量子化ステップが求められるため無駄がな
く、目標値を越えないように発生情報量を調整すること
が可能である。
【００１２】
【実施例】以下説明する。ここで入力画像のｉ番目のマ
クロブロックに含まれるＤＣＴ交流係数の分散をσy 2
(i) とする。各マクロブロックにおける量子化歪のσy
2 (i) に対する比率
【００１３】
【数１】
【００１４】を一定にすることを目標とする。ここでＤ
(i) は予測誤差画像のマクロブロックあたりの平均二乗
誤差、Ｍは画像中のマクロブロックの数である。ここで
は直流係数の影響は小さいと仮定し考慮の対象とはしな
い。予測誤差画像のＤＣＴ交流係数が無記憶零平均ガウ
ス情報源Ｎ（０，σx 2 (i) ）からなる分布に従うとす
れば、ｉ番目のマクロブロックのＤＣＴ交流係数に対す
るレートＲ(i) はレート歪理論より
【００１５】
【数２】
【００１６】となる。ここで、Ｒmax ，Ｒmin はそれぞ
れ許容する最大、最小量子化ステップ幅から決まる最
大、最小レートである。式（１），（２）より、
【００１７】
【数３】
【００１８】を得る。ここでフレーム当たりの割り当て
情報量Ｆが既知であれば、マクロブロックに含まれる係
数の数をＭC としたとき、
【００１９】
【数４】
【００２０】であるから、式（３），（４）より各マク
ロブロックにおける対数比率は
【００２１】
【数５】
【００２２】となる。式（５）を（３）に代入し各マク
ロブロックの係数当たりの割り当て情報量
【００２３】
【数６】
【００２４】を得る。式（６）は量子化ステップを決定
するための初期値として用いる。次に量子化ステップを
求める。ｉ番目のマクロブロックに含まれる係数の量子
化ステップサイズをｑ(i) とする。各係数の平均的なダ
イナミックレンジは２σ x (i) であるから、係数あたり
の平均的な量子化レベル数は２σx (i) ／ｑ(i)であ
る。一方、式（６）よりレベル数の平均的な値は２R(i)
であるから符号化効率を表す係数をＣ′としたとき次式
が成り立つ。
【００２５】
【数７】
【００２６】Ｃ′は２次元ＶＬＣ（可変長符号）や直流
係数の量子化に必要な情報量、動きベクトルの符号化情
報量、マクロブロックタイプ情報など全ての情報量に対
する符号化効率を吸収するパラメータである。式（７）
より
【００２７】
【数８】
【００２８】を得る。ここで、
【００２９】
【数９】
【００３０】である。式（８）は係数の統計的な性質が
ガウス分布でない場合でもＣを変化させることにより量
子化ステップｑ(i) を調整することができることを示し
ている。フレーム間差分画像ではなく直接入力画像を符
号化する場合、すなわちフレーム内符号化の場合には、
【００３１】
【数１０】
【００３２】となり、各マクロブロックでは等しい情報
量を用いればよい。以上述べた符号化制御処理方法に加
えて、本発明ではさらにマクロブロックにおける量子化
ステップサイズが一定値以下である場合に、隣接するマ
クロブロックの量子化ステップサイズを一定値以下に再
設定することを特徴とする。
【００３３】本発明の符号化制御処理方法では、複雑な
絵柄部分などのように、一般的に大きなＤＣＴ交流係数
が多数存在するマクロブロックには粗い量子化ステップ
が割り当てられる。一方、対象物と背景の境界部分のよ
うに急峻な絵柄の変化点も大きな交流係数が発生し、そ
の分散が大きくなる。マクロブロックのなかの一部に平
坦な絵柄が含まれている場合に粗い量子化ステップを適
用すると平坦部での量子化歪みが目立つ結果となる。そ
こでマクロブロックが平坦部につながる場合には細かな
量子化ステップを用いる。
【００３４】この処理はあるしきい値以下の量子化ステ
ップを与えるマクロブロックに隣接する上下左右のマク
ロブロックの量子化ステップを、細かな値に置き換える
ことによりなされる。例えば ｑ(i) ＜ｑmin であれば ｑ(i＋1)＝ｑ(i−1)＝ｑ(i−Ｌ）＝ｑ(i＋Ｌ）＝ｑmin に再設定する。ただし、Ｌは１ラインに含まれるマクロ
ブロック数である。再設定値はｑmin ではなくｑ(i) に
置き換えても良い。
【００３５】また本発明では、量子化ステップの算出に
用いる効率係数の制御と符号化情報量の繰り越し分の算
定により、発生情報量の微調整をスライス単位あるいは
フレーム単位に回帰的に行うことを特徴とする。
【００３６】符号化レートの制御は式（８）のパラメー
タＣを調整することで行える。パラメータＣをフレーム
単位に更新して調整を行う場合を説明する。ｋ番目の画
像に割り当てられる情報量とｋ−１番目の画像を符号化
したときの繰り越し情報量をそれぞれ
【００３７】
【数１１】
【００３８】とする。また実際に符号化した際に使用し
た情報量をＴk(C)とする。繰り越し情報量とはｋ−１番
目の画像の符号化に必要だった情報量と割り当て情報量
の差であり、余分は次のフレームの符号化に用いること
ができる。Ｃの値は次のアルゴリズムの繰り返しにより
回帰的に計算される。
【００３９】
【数１２】
【００４０】この処理は次の条件で終結される。ここ
で、Ｃf (k) はｋ番目のフレームでの最終的な効率係数
である。
【００４１】
【数１３】
【００４２】すなわち、繰り越し分を含んだ目標情報量
を越えないという条件を満たし、かつ無駄が最小限にな
るような量子化ステップを与えるＣが得られる。図１は
本発明の一実施例を用いた動き補償フレーム間ＤＣＴ符
号化器を示す図である。
【００４３】図１に示すように、符号化器においては、
入力画像１はＤＣＴ変換部２においてブロック毎に変換
されＤＣＴ係数３が出力される。一方、動き補償フレー
ム間予測画像４が入力画像１のフレーム間予測に用いら
れ、フレーム間差分画像５が生成される。この差分画像
５はブロック毎にＤＣＴ変換部６に入力され差分画像の
ＤＣＴ係数７が計算される。入力画像のＤＣＴ係数３と
差分画像のＤＣＴ係数７とは分散計算部８に入力され、
マクロブロック単位にＤＣＴ交流係数の分散９が計算さ
れる。マクロブロックの分散９は符号化制御部１０にお
いて量子化ステップを求めるために用いられる。
【００４４】量子化部１１では、差分画像のＤＣＴ係数
７が符号化制御部１０において決定された量子化ステッ
プを用いて量子化され、さらに可変長符号化と多重化が
行われる。符号化データ１２は逆量子化部１３、ＤＣＴ
逆変換部１４での処理を経て、符号化差分画像１５とな
る。符号化差分画像１５に動き補償フレーム間予測画像
４が加えられ、符号化画像１６が生成され、フレームメ
モリ１７に蓄えられる。フレームメモリ内の画像は次の
時刻のフレーム間予測に用いられる。
【００４５】動き補償フレーム間予測に用いられる動き
ベクトルはいくつかの画像を一旦フレームメモリ１８に
蓄えて計算される。求められた動きベクトルは動き補償
部１９にて使用される。すなわちマクロブロック単位に
動きベクトル分だけシフトした位置の画像が集められ動
き補償フレーム間予測画像４が計算される。なお分散計
算部８と符号化制御部１０とは一緒になって制御ブロッ
ク２０を構成している。
【００４６】本発明においては、図１に示す符号化器の
うち分散計算部８と符号化制御部１０とに関する部分に
特徴がある。図２は本発明の一実施例である符号化制御
器の構成を示す図である。図２に示すように、ＤＣＴ係
数３と７とが分散計算部８に入力され、入力画像のＤＣ
Ｔ交流係数に対するマクロブロック当たりの分散２５と
差分画像のＤＣＴ交流係数に対するマクロブロック当た
りの分散２６とが計算される。入力画像と差分画像との
ＤＣＴ係数のマクロブロック毎の分散は夫々情報量計算
部２７に入力され、マクロブロック毎に割り当て情報量
２８が計算される。
【００４７】この割り当て情報量２８の初期値と差分画
像のＤＣＴ係数の分散２６と符号化の効率を表す効率係
数２９とが量子化ステップ計算部３０に入力され、マク
ロブロック毎の量子化ステップ３１の初期値が計算され
る。
【００４８】量子化ステップの拡大処理部３２では量子
化ステップがあるしきい値以下であるマクロブロックが
記録され、その上下左右に隣接するマクロブロックでは
量子化ステップの値にかかわらず一定の量子化ステップ
が用いられる。
【００４９】この再設定値はしきい値あるいはそれに近
い小さな量子化ステップが用いられる。再設定された量
子化ステップ３３は、フレーム当たりの情報量２２、繰
り越し情報量２１と共に比較処理部３４に入力され、フ
レーム当たりのビット数３６がカウントされ発生情報量
が目標値に十分近くかつ目標値以下であるとき、最終的
な量子化ステップ３５が出力される。もしフレームあた
りのビット数３６が目標値に満たないときには効率係数
制御部３７において効率係数２９の値を小さくすること
により、より多くの情報量を発生させ、目標値に近付け
る。
【００５０】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、画
像の局所的な精細度を反映するＤＣＴ交流係数に応じて
マクロブロック単位に情報量割り当てと符号化制御とを
行うことができるため、スライスやＧＯＢの接続部で量
子化ステップが不連続になることを避けることができ
る。また量子化ステップサイズが一定値以下のマクロブ
ロックの隣接マクロブロックでは小さな量子化ステップ
サイズを再設定するため、平坦な背景中の高精細な絵柄
のエッジ部を忠実に符号化できる。従って、主観的画品
質の優れた符号化画像を得ることができる。
【００５１】またスライス単位あるいはフレーム単位で
目標情報量に対する発生情報量の誤差が最小に押えら
れ、持ち越し分も次のフレームに算入して次の量子化ス
テップが求められるため、無駄がなく目標値を越えない
ように発生情報量を調整することが可能である。従っ
て、与えられた情報量のもとで符号化画像の品質を向上
させるとともに、フレーム単位での情報量が一定値以下
に抑えられるので、ハードウェア実現の際に問題となる
バッファメモリ占有量の上限規定を容易に満たすことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における符号化制御処理方法
を用いた動き補償フレーム間ＤＣＴ符号化器を示す図で
ある。
【図２】本発明の一実施例である符号化制御器の構成を
示す図である。
【符号の説明】
１ 入力画像 ２ ＤＣＴ変換部 ３ 入力画像のＤＣＴ係数 ４ 動き補償符号化画像 ５ 動き補償フレーム間予測画像 ６ ＤＣＴ変換部 ７ 差分画像のＤＣＴ係数 ８ 分散計算部 ９ 分散 １０ 符号化制御部 １１ 量子化部 １２ 符号化データ １３ 逆量子化部 １４ ＤＣＴ逆変換部 １５ 符号化差分画像 １６ 符号化画像 １７ フレームメモリ １８ 動き検出用フレームメモリ １９ 動き補償部 ２０ 制御ブロック ２１ 繰り越し情報量 ２２ フレーム割り当て情報量 ２５ 入力画像データに対応する分散 ２６ 差分画像データに対応する分散 ２７ 情報量計算部 ２８ 割り当て情報量 ２９ 効率係数 ３０ 量子化ステップ計算部 ３１ 割り当て量子化ステップ ３２ 量子化ステップ拡大処理部 ３３ 量子化ステップ ３４ 比較処理部 ３５ 最終的な量子化ステップ ３６ フレームあたりのビット数 ３７ 効率係数制御部
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 裕 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 シャラッド シンハル アメリカ合衆国 07039−0486 ニュージ ャージー州 リビングストン，ウェスト・ マウント・プレザント・アベニュー 290 ベル・コミュニケーションズ・リサー チ・インコーポレーテッド内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力されたデジタル画像信号系列をＮ×
    Ｎの小ブロックに分割してその各々を符号化の単位と
    し、各部分ブロックの時間的冗長度を動き補償予測ある
    いはフレーム間差分を用いて抑圧し、また空間的冗長度
    をＤＣＴ(Discrete Cosine Transform) により抑圧する
    動画像の高能率符号化制御処理方法において、 マクロブロックと呼ぶ小ブロックあるいはそれらをいく
    つかまとめたブロック単位にＤＣＴ係数の交流係数の分
    散あるいは標準偏差を算出し、 符号化による許容歪みとそれら分散あるいは標準偏差と
    の比が１フレーム内で一定値となることを目標とするこ
    とを特徴とする画像の符号化制御処理方法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、マクロブロックの情
    報量の総和がフレーム当たりの割り当て情報量を越えな
    いという拘束条件のもとで各マクロブロックへの割り当
    て情報量をレート歪み理論から求めることを特徴とする
    画像の符号化制御処理方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、各マ
    クロブロックに対する量子化ステップサイズはマクロブ
    ロックのＤＣＴ係数の交流係数の分散あるいは標準偏差
    と割り当て情報量から求めることを特徴とする画像の符
    号化制御処理方法。
  4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３にお
    いて、マクロブロックにおける量子化ステップサイズが
    一定値以下である場合に隣接するマクロブロックの量子
    化ステップサイズを一定値あるいはそれ以下に再設定す
    ることを特徴とする画像の符号化制御処理方法。
  5. 【請求項５】 請求項１、請求項２、請求項３または請
    求項４において、目標値に近い符号化レートを達成する
    ために発生情報量の微調整をスライスあるいはＧＯＢと
    呼ぶ複数のマクロブロック単位あるいはフレーム単位に
    回帰的に行うことを特徴とする画像の符号化制御処理方
    法。
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