JPH05183872A - 動画像符号化装置および方法 - Google Patents

動画像符号化装置および方法

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JPH05183872A
JPH05183872A JP16364792A JP16364792A JPH05183872A JP H05183872 A JPH05183872 A JP H05183872A JP 16364792 A JP16364792 A JP 16364792A JP 16364792 A JP16364792 A JP 16364792A JP H05183872 A JPH05183872 A JP H05183872A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 符号化を多パスにして時間的な制約を軽減
し、符号化ハードウェアの規模を小さくする。 【構成】 動き検出回路２により検出された動きベクト
ル、コントローラ４により決定された量子化パラメー
タ、予測モード及びフレーム構造が記憶装置５に記憶さ
れる。そして、この記憶された符号化パラメータがエン
コーダ３に供給され、それに対応するエンコード処理が
実行される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、動画像を圧縮してディ
スク等の記録媒体に記録する場合に用いて好適な動画像
符号化装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】動画像のビデオデータはオーディオデー
タに比べて、そのデータ量が膨大なものとなるため、記
録媒体に記録するにはデータ量を圧縮することが必要と
なる。最近この圧縮技術の発展に伴い、動画像のビデオ
データを圧縮処理して、記録媒体に記録する装置が開発
されつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の装
置は、その殆どがリアルタイムで符号化を行なうように
しているため、１つのパスのみが形成されていた。この
ため次の課題を有していた。
【０００４】（１）素材データが入力されて、はじめて
エンコードがはじまる。 （２）やり直しが出来ない。 （３）特定の部分の画質を向上させるなど、細かい制御
ができない。 （４）フレームレートで処理を終わらせる必要があるた
めハードウェアが大型化する。
【０００５】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、エンコードを任意のタイミングで開始
し、このエンコードを必要に応じてやり直すことが出来
るようにするものである。また、特定の部分の画質を向
上させることができ、構成を簡略化することが出来るよ
うにするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の動画像符号化装
置は、ビデオデータを圧縮処理して符号化する動画像符
号化装置において、入力されたビデオデータを符号化パ
ラメータに従って符号化するエンコード手段としてのエ
ンコーダ３と、エンコーダ３の処理に必要な符号化パラ
メータを求めるコントロール手段としてのコントローラ
４と、符号化パラメータを記憶する記憶手段としての記
憶装置５とを備えることを特徴とする。
【０００７】また本発明の動画像符号化方法は、ビデオ
データを圧縮処理して符号化する符号化方法において、
符号化パラメータを設定するステップとしてのステップ
Ｓ１１と、符号化パラメータを記憶手段に記憶するステ
ップとしてのステップＳ１１と、符号化パラメータに基
づいてビデオデータの符号化を行うステップとしてのス
テップＳ１２と、符号化されたビデオデータに基づいて
記憶手段としての記憶装置５に記憶された符号化パラメ
ータを修正するステップとしてのステップＳ１３と、修
正された符号化パラメータに基づいてビデオデータを符
号化するステップとしてのステップＳ１４とを備えるこ
とを特徴とする。
【０００８】
【作用】上記構成の動画像符号化装置においては、エン
コーダ３において必要とされる符号化パラメータが記憶
装置５に記憶される。従って必要に応じて任意の部分の
エンコード処理をやり直すことが可能になる。
【０００９】また、上記構成の動画像符号化方法におい
ては、一度符号化されたビデオデータに基づいて記憶装
置５に記憶された符号化パラメータが修正される。そし
て修正された符号化パラメータに基づいて、再度ビデオ
データが符号化される。従って、より適切な符号化を行
うことが可能となる。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の動画像符号化装置の一実施例
の構成を示すブロック図である。デジタルＶＴＲ１は再
生したビデオデータを動き検出回路２とエンコーダ３に
出力するようになっている。また、再生したビデオデー
タに対応するタイムコードをコントローラ４に供給して
いる。動き検出回路２は入力されたビデオデータより対
応する動画像の動きを検出し、検出結果に対応する信号
をコントローラ４と、パラメータ記憶装置５に供給して
いる。
【００１１】コントローラ４はパラメータを演算すると
ともに、そのパラメータをパラメータ記憶装置５に供給
し、記憶させるようになっている。記憶装置５に記憶さ
れた種々のパラメータは読み出され、エンコーダ３と動
き検出回路２に供給されるようになされている。エンコ
ーダ３により処理されたビデオデータはビットストリー
ムとして図示せぬ装置に供給されるとともに、モニタ６
に供給され、表示されるようになされている。
【００１２】エンコーダ３はビデオデータを記憶するフ
レームメモリ１１、動きベクトルを使って差分を求める
所謂動き補償を行なう動き補償回路１２、ＤＣＴ（Ｄｉ
ｓｃｒｅｔｅ Ｃｏｓｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）処理
を行なうＤＣＴ回路１３、ＤＣＴ回路１３より出力され
るデータを量子化する量子化回路１４、量子化回路１４
により量子化されたデータを可変長符号化する可変長符
号化回路１５、量子化回路１４により量子化されたデー
タを逆量子化する逆量子化回路１６、逆量子化回路１６
により逆量子化されたデータを逆ＤＣＴ処理してフレー
ムメモリ１１に出力する逆ＤＣＴ回路１７により構成さ
れている。
【００１３】次にその動作について説明する。デジタル
ＶＴＲ１は図示せぬビデオテープよりビデオデータを再
生し、そのビデオデータを動き検出回路２に出力する。
動き検出回路２は、例えば図２に示すようなフローチャ
ートに従ってシーンチェンジを検出する。
【００１４】即ち、動き検出回路２は内蔵する動き検出
用フレームメモリにデジタルＶＴＲ１より入力された１
フレーム分のデータを記憶させる（ステップＳ１）。そ
して、同様に内蔵する動き検出用フレームメモリに次の
フレームの画像を記憶させる（ステップＳ２）。次に、
この時間的に前後する２フレームのビデオデータから動
きベクトルを求める（ステップＳ３）。この動きベクト
ルの検出は、画像データが所定の大きさ（例えば８×８
画素）のブロックに区分され、このブロック毎に行なわ
れる。求められた動きベクトルは記憶装置５に供給さ
れ、記憶される。
【００１５】また、動き検出回路２は残差情報（得られ
た動きベクトルにより予測したデータと現データとの差
の絶対値の和、またはその差の２乗の和）を１フレーム
分について演算し、演算した結果をコントローラ４に出
力する（ステップＳ４）。コントローラ４は動き検出回
路２より入力された残差情報を予め設定した所定のスレ
ッショルドレベルと比較し、残差がスレッショルドレベ
ルより小さいか等しいときシーンチェンジでないと判定
し（ステップＳ６）、残差の方がスレッショルドレベル
より大きいとき、シーンチェンジであると判定する（ス
テップＳ７）。コントローラ４は、このシーンチェンジ
に関する情報を内蔵するメモリに記憶させる。そして、
同様の処理をビデオデータがなくなるまで繰り返す（ス
テップＳ８）。このようにして、コントローラ４は入力
されたビデオデータのフレーム構造を判定し、このフレ
ーム構造をパラメータ記憶装置５に転送し、記憶させ
る。
【００１６】ここでフレーム構造について図４を参照し
て説明する。時間的に前後するフレームのビデオデータ
は関連していることが多い。この場合、時間的に前後す
るフレームのビデオデータの差を演算し、その差を伝送
することによってデータを圧縮することが出来る。この
原理に従って伝送する画像は、Ｉ，Ｐ，Ｂの３つの画像
に区分される。Ｉピクチャ（イントラ（画像内）符号化
画像）は、符号化するときその画像１枚の中だけの閉じ
た情報のみが使用される。この画像はランダムアクセス
や高速再生を可能とするために必要とされるものであ
る。
【００１７】Ｐピクチャ（前方予測符号化画像）は、予
測画像（差分をとる基準となる画像）として、入力で時
間的に前に位置し、既に復号化されたＩピクチャ又はＰ
ピクチャを用いるものである。実際には動き補償された
予測画像との差を符号化する（インター符号化する）場
合と、差をとらずそのまま符号化する（イントラ符号化
する）場合と、どちらか効率のよい方が予測モードとし
て、マクロブロック（例えば１６×１６画素）単位で選
択される。Ｂピクチャ（両方向予測符号化画像）は予測
画像として、時間的に前に位置し、既に復号化されたＩ
ピクチャ又はＰピクチャ、時間的に後ろに位置する既に
復号化されたＩピクチャ又はＰピクチャ、或いはまた、
その両方から作られた補間画像の３種類を用いる。これ
により例えば物体の動いた後ろから出てきた部分に関す
るデータを圧縮することが出来る。実際にはこの３種類
のインター符号化とイントラ符号化のなかで、一番効率
の良いものが予測モードとしてマクロブロック単位に選
択される。各フレーム構造に対して、マクロブロックの
選択可能な予測モードをまとめると、図５に示すように
なる。
【００１８】このようにＩピクチャ、Ｐピクチャ、Ｂピ
クチャのいずれから構成されるフレームであるのかを示
すのがフレーム構造である。通常フレーム構造の順序
は、例えば２枚のＩピクチャの間に１枚のＰピクチャを
有し、その２枚のＩピクチャとＰピクチャの間にそれぞ
れ２枚ずつのＢピクチャを有するというような、予め定
められたシーケンスよって決定されており、上述のシー
ンチェンジ発生時には、このシーケンスから外れて強制
的にその画像のフレーム構造をＩピクチャとする等の処
理がなされている。
【００１９】このフレーム構造は記憶装置５から読み出
され、動き検出回路２に供給されて動きベクトルの演算
に用いられる。また、後述するように、エンコーダ３の
動き補償回路１２に供給され、動き補償の演算にも用い
られる。
【００２０】一方、動き検出回路２は、各マクロブロッ
クで、画素の平均値と各画素との残差（差の絶対値の和
または差の２乗の和）を計算し、これを画像内残差とし
てコントローラ４に出力する。コントローラ４は、既に
決定されているフレーム構造と、シーンチェンジ検出時
に動き検出回路２において求めた残差と、この画像内残
差によって、各マクロブロックの予測モードを決定す
る。この予測モードはエンコーダ３の動き補償回路１２
における、差分をとる基準となる画像を設定するもので
あり、イントラ、前方予測、後方予測または両方向予測
の４つのモードの１つが選択される。
【００２１】次に、この予測モードの決定方法につい
て、図６に示すフローチャートに従って説明する。即
ち、最初に、コントローラ４はフレーム構造がＩピクチ
ャに指定されているかどうかを判定し（ステップＳ２
１）、Ｉピクチャの場合には、予測モードとしてイント
ラモードを指定する（ステップＳ２２）。またフレーム
構造がＩピクチャでない場合には、Ｐピクチャであるか
どうかが判断され（ステップＳ２３）、Ｐピクチャの場
合には、動き検出回路２において求めた残差と画像内残
差との比較が行われる（ステップＳ２４）。画像内残差
の方が大きい場合には、予測画像を用いて差分を符号化
した方が符号化効率がよいと考えられるため、予測モー
ドとして前方予測モードが指定される（ステップＳ２
５）。画像内残差の方が小さい場合には、フレーム内符
号化を行う方が符号化効率がよいと考えられるため、予
測モードはイントラモードに指定される（ステップＳ２
６）。
【００２２】さらに、ステップＳ２３で、フレーム構造
がＰピクチャでないと判定された場合には、フレーム構
造はＢピクチャが指定されているということになり、前
方予測モード、後方予測モードまたは両方向予測モード
の３つの残差のうち、最小の残差を有するモードが予測
モードの候補とされる（ステップＳ２７）。次に、その
最小残差と画像内残差との比較が行われ（ステップＳ２
８）、画像内残差の方が小さい場合には、フレーム内符
号化を行う方が符号化効率がよいと考えられるため、予
測モードはイントラモードに指定される（ステップＳ２
９）。最小残差の方が小さい場合には、予測画像を用い
て差分を符号化した方が符号化効率がよいと考えられる
ため、最終的に候補となっていた前方予測、後方予測ま
たは両方向予測の３つの残差のうちの最小の残差を有す
る予測モードがそのまま指定される（ステップＳ２７の
処理がそのまま保持される）。
【００２３】コントローラ４はこの予測モードを決定す
ると、それを記憶装置５に供給し、記憶させる。この予
測モードパラメータは動き補償回路１２に供給されて使
用される。
【００２４】コントローラ４により予測モードとしてイ
ントラモードが指定された場合、動き補償回路１２は、
フレームメモリ１１より入力された画像データをそのま
まＤＣＴ回路１３に出力する。このとき動きベクトルは
与えられないか、あるいは与えられても無視される。
【００２５】また、前方予測モードが指定された場合、
動き補償回路１２は、与えられた動きベクトルを使用し
てフレームメモリ１１中の前方予測フレームから予測画
像を抜き出し、入力された画像データとの差分を取って
出力する。
【００２６】後方予測モードが指定された場合、動き補
償回路１２は、与えられた動きベクトルを使用してフレ
ームメモリ１１中の後方予測フレームから予測画像を抜
き出し、入力された画像データとの差分を取って出力す
る。
【００２７】さらに、両方向予測モードが指定された場
合、動き補償回路１２は、与えられた前方と後方の合計
２本の動きベクトルを使用し、フレームメモリ１１中の
前方予測フレームから予測画像を抜き出し、また後方予
測フレームから予測画像を抜き出し、この２つの平均を
とって予測画像とし、入力された画像データとの差分を
取って出力する。
【００２８】このようにして、動きベクトルとフレーム
構造が決定されると、次に図３のフローチャートに示す
ような処理が実行される。即ち、シーンチェンジ検出時
に動き検出回路２において求めた残差からコントローラ
４において各フレームの性質を推測し、量子化パラメー
タを決定する（ステップＳ１１）。この量子化パラメー
タはエンコーダ３の量子化回路１４における量子化のス
テップサイズを設定するものであり、具体的には例えば
ＤＣＴ回路１３が出力するデータを所定の値で割り算す
る場合の除数として用いられる。コントローラ４はこの
量子化パラメータを決定すると、それを記憶装置５に供
給し記憶させる。
【００２９】エンコーダ３は記憶装置５より供給される
符号化パラメータ（動きベクトル、フレーム構造、予測
モード及び量子化パラメータ）に対応して、デジタルＶ
ＴＲ１より供給されるビデオデータをエンコードする。
そして、その結果発生したエンコードデータ（発生ビッ
ト数及びＳ／Ｎ）をコントローラ４に出力する（ステッ
プＳ１２）。コントローラ４はエンコーダ３より供給さ
れた発生ビット数、Ｓ／Ｎなどを検討し、問題のあるフ
レームのパラメータを再設定（修正）する（ステップＳ
１３）。即ち、発生ビット数が十分小さくならなかった
り（データが十分圧縮されていなかったり）、十分な大
きさのＳ／Ｎを得ることが出来なかったような場合にお
いては、設定したパラメータが不適切であるとして再設
定（修正）が行なわれるのである。
【００３０】そして、この再設定したパラメータに従っ
てエンコーダ３は再びエンコードを行なう（ステップＳ
１４）。このエンコードにより得られた発生ビット数及
びＳ／Ｎが同様にしてコントローラ４に供給される。コ
ントローラ４は、このようにして得られた発生ビット数
及びＳ／Ｎ等が、求められている規格に合致するもので
あるか否か判定する（ステップＳ１５）。もし、求めら
れている規格に合致しないものである場合は、その規格
に合致しない部分のパラメータが手直しされる（ステッ
プＳ１６）。そして、ステップＳ１４に戻り再びエンコ
ードが実行される。
【００３１】このようにして、求められている規格に合
致した発生ビット数とＳ／Ｎが得られた場合において
は、次に人間によるチェックが行なわれる。即ちエンコ
ーダ３により処理された画像がモニタ６に出力表示され
る。操作者は、この表示を見て問題のある部分があれば
これを手直しする（ステップＳ１７，Ｓ１８）。即ち、
予測モードおよび量子化パラメータをコントローラ４を
介して手動操作により設定し直し、そのパラメータに対
応するエンコードを実行させる（ステップＳ１９）。こ
のような処理が視覚的に見て問題がないと判定されるま
で繰り返されることになる。
【００３２】このようにして満足のいく画像が得られた
場合、エンコーダ３より出力されたビットストリームが
図示せぬ装置に供給され、例えばディスク等の記録媒体
に記録されることになる。記憶装置５はこのようにして
調整設定したパラメータをすべて記憶しており、このパ
ラメータを設定すれば、デジタルＶＴＲ１より出力され
たビデオデータを設定調整した通りの画像データに圧縮
して出力することが出来る。
【００３３】次にエンコーダ３の処理について説明す
る。エンコーダ３においてはデジタルＶＴＲ１より入力
されたビデオデータがフレームメモリ１１に記憶され
る。このフレームメモリ１１に記憶されたビデオデータ
に対して動き補償回路１２において、記憶装置５より入
力された予測モードおよび動きベクトルを使って予測画
像が生成される。この動き補償された予測画像のデータ
がＤＣＴ回路１３に供給され、ＤＣＴ処理される。この
ＤＣＴ処理は画像を画素レベルではなく、コサイン関数
のどの周波数成分がどれだけ含まれているかで表現する
ものであり、例えば２次元ＤＣＴにより８×８の画素ブ
ロックは８×８のコサイン関数の成分の係数ブロックに
変換される。例えばテレビカメラで撮ったような自然画
はなめらかな信号になることが多く、この場合ＤＣＴ処
理すると効率よくデータ量を小さくすることが出来る。
【００３４】このＤＣＴ回路１３の出力を量子化回路１
４において、記憶装置５より供給された量子化パラメー
タに対応して所定のステップサイズで量子化すると、Ｄ
ＣＴ処理されたデータは殆どが０となり、わずかに大き
な係数が残る。そこで量子化回路１４の出力を可変長符
号化回路１５に供給し、ジグザグスキャンをして、０で
ない係数と、その係数の前にどれだけ０が続いたかを示
す０ランを１組としたハフマン符号（可変長符号）とす
る。このハフマン符号は、デジタルＶＴＲ１より出力さ
れたオリジナルのビデオデータに比べ、そのデータ量は
大幅に圧縮されていることになる。
【００３５】一方、上述したようにＰピクチャ或はＢピ
クチャを処理する場合、時間的に前のフレームのデータ
が必要となる。このデータを用意するため量子化回路１
４の出力が逆量子化回路１６により逆量子化され、逆量
子化されたデータがさらに逆ＤＣＴ回路１７により逆Ｄ
ＣＴ処理されてフレームメモリ１１に記憶される。即
ち、これにより量子化回路１４により量子化し、可変長
符号化回路１５を介して出力したデータと同一のデータ
がフレームメモリ１１に記憶されることになる。動き補
償回路１２は、このようにしてフレームメモリ１１に記
憶されている時間的に前のフレームのデータを必要に応
じて参照し、所定の処理を行なうことになる。
【００３６】また、このようにしてエンコード処理した
データをフレームメモリ１１から読み出し、モニタ６に
供給することにより、実際に処理した結果得られた画像
を視覚的に確認することが出来る。
【００３７】
【発明の効果】以上の如く本発明の動画像符号化装置に
よれば、エンコード処理するために必要なパラメータを
記憶させるようにしたので、符号化を多パスにすること
ができ、時間的な制約がなくなり、符号化ハードウェア
の規模を小さくすることが可能になる。また、符号化パ
ラメータを内部に持つことになるので、必要な部分のみ
を繰り返し変更することができ、よりきめの細かい制御
が可能になる。
【００３８】また、本発明の動画像符号化方法によれ
ば、一旦符号化されたビデオデータに基づいて符号化パ
ラメータを修正し、その新たな符号化パラメータに基づ
いて再度ビデオデータを符号化するようにしたので、よ
り効率的な符号化処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動画像符号化装置の一実施例の構成を
示すブロック図である。
【図２】図１の実施例におけるシーンチェンジを検出す
る場合の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図１の実施例におけるエンコード処理を説明す
るフローチャートである。
【図４】図１の実施例におけるフーレム構造を説明する
図である。
【図５】フレーム構造と予測モードの関係を説明する図
である。
【図６】図１の実施例における予測モードを決定する場
合の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ デジタルＶＴＲ ２ 動き検出回路 ３ エンコーダ ４ コントローラ ５ 記憶装置 ６ モニタ １１ フレームメモリ １２ 動き補償回路 １３ ＤＣＴ回路 １４ 量子化回路 １５ 可変長符号化回路 １６ 逆量子化回路 １７ 逆ＤＣＴ回路

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ビデオデータを圧縮処理して符号化する
    動画像符号化装置において、 入力された上記ビデオデータを符号化パラメータに従っ
    て符号化するエンコード手段と、 上記エンコード手段の処理に必要な上記符号化パラメー
    タを求めるコントロール手段と、 上記符号化パラメータを記憶する記憶手段とを備えるこ
    とを特徴とする動画像符号化装置。
  2. 【請求項２】 上記エンコード手段は、上記ビデオデー
    タを量子化する量子化手段を有し、 上記符号化パラメータは上記量子化手段の量子化特性を
    制御する量子化パラメータを含むことを特徴とする請求
    項１に記載の動画像符号化装置。
  3. 【請求項３】 上記符号化パラメータは、上記ビデオデ
    ータの各フレームごとの符号化方式を規定するフレーム
    構造情報を含むことを特徴とする請求項１または２に記
    載の動画像符号化装置。
  4. 【請求項４】 上記符号化パラメータは、所定のブロッ
    ク毎の差分をとる基準となる画像を規定する予測モード
    情報を含むことを特徴とする請求項１、２または３に記
    載の動画像符号化装置。
  5. 【請求項５】 上記動画像符号化装置は、上記ビデオデ
    ータの動きを検出する動き検出手段をさらに有し、 上記エンコード手段は、 上記量子化されたデータを逆量子化する逆量子化手段
    と、 上記動き検出手段により検出された動きベクトルを用い
    て上記逆量子化されたデータに動き補償を行う動き補償
    手段とを有し、 上記符号化パラメータは上記動きベクトルを含むことを
    特徴とする請求項２に記載の動画像符号化装置。
  6. 【請求項６】 上記エンコード手段は、 上記量子化手段の前段に上記ビデオデータをＤＣＴ処理
    する手段と、 上記逆量子化手段の後段に上記ビデオデータを逆ＤＣＴ
    処理する手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の
    動画像符号化装置。
  7. 【請求項７】 ビデオデータを圧縮処理して符号化する
    符号化方法において、 符号化パラメータを設定するステップと、 上記符号化パラメータを記憶手段に記憶するステップ
    と、 上記符号化パラメータに基づいて上記ビデオデータの符
    号化を行うステップと、 上記符号化された上記ビデオデータに基づいて上記記憶
    手段に記憶された上記符号化パラメータを修正するステ
    ップと、 上記修正された符号化パラメータに基づいて上記ビデオ
    データを符号化するステップとを有することを特徴とす
    る動画像符号化方法。
  8. 【請求項８】 上記符号化パラメータは量子化特性を制
    御する量子化パラメータを含むことを特徴とする請求項
    ７に記載の動画像符号化方法。
  9. 【請求項９】 上記符号化パラメータは、上記ビデオデ
    ータの各フレームごとの符号化方式を規定するフレーム
    構造情報を含むことを特徴とする請求項７または８に記
    載の動画像符号化方法。
  10. 【請求項１０】 上記符号化パラメータは、所定のブロ
    ック毎の差分をとる基準となる画像を規定する予測モー
    ド情報を含むことを特徴とする請求項７、８または９に
    記載の動画像符号化方法。
  11. 【請求項１１】 上記符号化パラメータは、動き補償を
    行うための動きベクトルを含むことを特徴とする請求項
    ７乃至１０のいずれか１つに記載の動画像符号化方法。
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