JPH09191458A - 動画像圧縮符号化方法及びその装置 - Google Patents

動画像圧縮符号化方法及びその装置

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JPH09191458A
JPH09191458A JP1936296A JP1936296A JPH09191458A JP H09191458 A JPH09191458 A JP H09191458A JP 1936296 A JP1936296 A JP 1936296A JP 1936296 A JP1936296 A JP 1936296A JP H09191458 A JPH09191458 A JP H09191458A
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frame
image
unit
coding
frames
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Takeshi Dousaka
毅 道坂
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Abstract

(57)【要約】 【課題】転送レートが目標とする転送レートに近づくよ
うに処理を行う圧縮符号化方法では、全てのフレームが
目標符号量によって制御されるため、圧縮されにくい画
像の場合、画質が著しく劣化していた。 【解決手段】複数フレームからなる一連の動画像を圧縮
符号化する動画像圧縮符号化方法において、複数フレー
ムからなるフレームグループのうちの少なくとも1フレ
ームに関して、原画像と原画像を量子化した復元画像か
ら復元誤差を算出し、復元誤差に応じて量子化値を変化
させ、当該フレームを圧縮符号化し、圧縮符号化した前
記フレームの符号量に応じて量子化値を変化させ、前記
フレーム以外のフレームを圧縮符号化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、動画像の圧縮符号
化を行う動画像圧縮符号化方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来の動画像圧縮符号化装置の
構成図である。図3における動画像圧縮符号化装置は、
例えば、MPEG(Moving Picture Coding Experts Gr
oup)等の国際標準を基本とするものであって、入力画
像信号を数フレーム(数画面)分記憶可能なフレームメ
モリ1と、フレーム内(画面内)の画素間相関を利用し
て、フレーム内の冗長部分を符号化により削減するフレ
ーム内符号化部2と、フレーム間(画面間)の相関を利
用して、フレーム間の冗長部分を予測符号化により削除
するフレーム間予測符号化部3と、それぞれの手段によ
り符号化されたデータを、所定の量子化値で量子化する
量子化部6と、量子化されたデータを可変長符号化する
可変長符号化部7と、目標符号量Dxを発生する目標符
号量発生部4と、符号化後の符号量が目標符号量Dxに
近づくように量子化部6における量子化値(量子化パラ
メータ)を変化させる転送レート制御部5と、フレーム
間予測符号化で参照するフレームを作成する画像復元部
8とで構成されている。
【0003】ここで、量子化部6は、例えば、符号化さ
れたデータに対して離散コサイン変換(DCT:Discre
te Cosine transform)を施した結果得られるDCT変
換係数全体を、ある値で割り算して小さな値の数で表現
することによって符号量を減らすようになっている。
【0004】一般に、MPEGでは、Iフレーム、Pフ
レーム、Bフレームの3つのタイプのフレームを規定し
ている。Iフレームは、フレーム内符号化画像(Intra
符号化画像)であり、Pフレームは、フレーム間順方向
予測符号化画像(Predictive符号化画像)であり、Bフ
レームは、双方向予測符号化画像(Bidirectionallypre
dictive符号化画像)である。また、複数のフレームを
1つの集合の単位として、グループオブピクチャ(GO
P:Group Of Pictures)としている。
【0005】図4は、従来の動画像圧縮符号化装置にお
ける動画像のデータ構成を示す模式図である。(a)
は、原画像の画面順序を示す模式図であり、(b)は、
符号化する画面順序を示す模式図である。図4(a)に
おいて、GOPのフレーム数N=15であり、Iフレー
ム又はPフレームの周期M=3の場合を示す。この配列
のデータを符号化する順序は、図4(b)に示すように
なる。
【0006】この場合、GOP内の複数フレームF0〜
F14からなる一連の動画増の圧縮符号化は、図4
(b)に示すように、先ず、IフレームF2についてフ
レーム内符号化を行い、次いで、PフレームF5につい
てIフレームF2からの順方向予測によってフレーム間
予測符号化を行い、次いで、BフレームF0とF1につ
いて、IフレームF2、PフレームF5からの双方向予
測によってフレーム間予測符号化を行い、次いで、Pフ
レームF8についてPフレームF5からの順方向予測に
よってフレーム間予測符号化を行うというように、順次
なされる。
【0007】このように、Iフレーム、Pフレーム、B
フレーム毎に符号化方法が異なる。この結果、各タイプ
毎に発生符号量も異なるので、各GOP毎に転送レート
R(ビット/秒)が、ほぼ一定(目標となる転送レー
ト)となるように量子化するには、目標符号量発生部4
から発生する目標符号量Dx(x=0、1、2、3・
・)をフレームFx毎に変化させる必要がある。
【0008】図5は、従来の動画像圧縮符号化装置にお
いて目標符号量Dxを示す模式図である。ISO/IE
Cにおいて、MPEGの標準化のために用いられている
評価用の圧縮符号化モデル「Test Model
0」では、図5に示すように、あるフレームFxに対す
る目標符号量Dxを、以前に符号化したフレームの量子
化パラメータの平均値と、GOP内において符号化する
残りのフレーム数と、目標となる転送レートとから演算
し、目標符号量発生部4から発生するようになってい
る。
【0009】動画像圧縮符号化装置の処理動作について
説明する。図3において、先ず、この動画像圧縮符号化
装置に画像信号が入力されると、この入力画像信号は、
数フレーム記憶可能なフレームメモリ1に画像フレーム
F0、F1、F2、F3・・・FNとして一時蓄えられ
る。フレームメモリ1に蓄えられた各フレームF0、F
1、F2、F3・・・FNは、フレーム内符号化部2ま
たはフレーム間予測符号化部3によって、図4(b)に
示すような順序で、順次冗長部分が削除されて、量子化
部6に送られ、量子化が行われる。
【0010】フレーム内符号化されるフレームのデータ
は、量子化されたのち、画像復元部8により復元され、
フレーム間予測符号化されるフレームの参照画像とし
て、内部デコード部に一時蓄えられる。
【0011】あるフレームFxのデータを符号化すると
きには、前記した処理に先だって、転送レート制御部5
が、以前に符号化したフレームの量子化値の平均値と、
以前に符号化したフレームの発生符号量(可変長符号化
部7により符号化した符号量)と、符号化する残りのフ
レーム数と、目標とする転送レートから、このフレーム
Fxに割り当てる目標とする符号量を算出し、目標符号
量発生部4から目標符号量Dxとして発生させる。これ
により、転送レート制御部5は、発生した目標符号量D
xに応じて、量子化部6における量子化値を変化させ量
子化を行い、さらに、可変長符号化部7で可変長符号化
する。このようにして、次のフレームについて同様の符
号化処理を施し、動画像の符号量が目標符号量に近づく
ように圧縮符号化する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】前述した圧縮符号化方
法では、転送レートが目標とする転送レートに近づくよ
うに処理が行われるが、全てのフレームが目標符号量に
よって制御されるため、圧縮されにくい画像の場合、画
質が著しく劣化するという問題があった。圧縮されにく
い画像とは、冗長度の低い画像であり、例えば、テレビ
放送終了後のいわゆる砂嵐の画像は、複雑な画像であり
圧縮しにくい。
【0013】圧縮符号化は、冗長部分を切り捨てるこ
と、量子化すること、可変長符号化することにより行わ
れるが、複雑な画像の場合、冗長度が低いので、他の冗
長度の高い画像と同じ量子化パラメータを使用した場
合、冗長でない必要な部分のデータも削られてしまう。
量子化により丸められた値は、逆量子化によっても基の
画像に戻らない。つまり、量子化により丸められた量が
大きいほど、元の画像との誤差が大きくなりブロック単
位の符号化の場合、ブロックが目立つようになる。
【0014】したがって本発明は、圧縮されにくい画像
を圧縮したときの画質の劣化を低減することを目的とし
ている。
【0015】
【課題を解決するための手段】そのため請求項1記載の
本発明は、複数フレームからなる一連の動画像を圧縮符
号化する動画像圧縮符号化方法において、複数フレーム
からなるフレームグループのうちの少なくとも1フレー
ムに関して、原画像と原画像を量子化した復元画像から
復元誤差を算出し、復元誤差に応じて量子化値を変化さ
せ当該フレームを圧縮符号化し、圧縮符号化した前記フ
レームの符号量に応じて量子化値を変化させ、前記フレ
ーム以外のフレームを圧縮符号化することを特徴として
いる。
【0016】また、請求項2記載の本発明は、入力画像
信号を数フレーム分記憶可能なフレームメモリと、フレ
ームメモリのフレームをフレーム内の画素相関関係を利
用して圧縮符号化するにフレーム内符号化部と、フレー
ムメモリのフレームをフレーム間の相関関係を利用して
圧縮符号化するフレーム間予測符号化部と、フレーム内
符号化部及びフレーム間予測符号化部で圧縮符号化され
たデータを所定の量子化値で量子化する量子化部と、複
数フレームからなるデータ群の転送レートを一定にする
ための目標符号量を発生する目標符号量発生部と、圧縮
符号化後の符号量と目標符号量から量子化部の量子化値
を変化させる転送レート制御部と、量子化部で量子化し
たフレームのうち、1フレームに関してフレーム間予測
符号化部の参照フレームとして復元する画像復元部と、
量子化部で量子化されたデータを可変長符号化する可変
長符号化部とを具備する動画像圧縮符号化装置におい
て、フレーム内符号化部及びフレーム間予測符号化部の
フレームの画質を、画像復元部の参照フレームと比較し
評価する画質評価部を具備することを特徴としている。
【0017】また、請求項3記載の本発明は、請求項2
記載の動画像圧縮符号化装置において、画質評価部は、
フレーム間予測符号化部で圧縮符号化したフレームのう
ち、圧縮符号化するフレームの前後のフレームの相関関
係から圧縮符号化した双方向予測符号化フレーム以外の
フレームを、参照フレームとすることを特徴としてい
る。
【0018】本発明による動画像圧縮符号化方法及び装
置では、複数フレームからなるデータ群のうち、少なく
とも1フレームに対しては、原画像と復元画像から復元
誤差を演算し、その値に応じて量子化値を変化させて圧
縮符号化を行い、また、前記フレームを圧縮符号化した
符号量に応じて、他のフレームに対すして量子化値を変
化させ、前記フレーム以外のフレームを圧縮符号化する
ことにより、つまり、複数フレームからなるデータ群の
うち、画質が保証された画像を参照フレームとし圧縮符
号化することにより、連続した動画像の視覚的な画質劣
化を低減することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の動画像圧縮符号化方法及
びその装置の一実施例について図を用いて説明する。図
1は、本発明の動画像圧縮符号化装置における一実施例
の概略構成を示す模式図である。ここで、MPEG(Mo
ving Picture Coding Experts Group)では、フレーム
内符号化画像(Iフレーム:Intra符号化画像)、フレ
ーム間順方向予測符号化画像(Pフレーム:Predictive
符号化画像)、双方向予測符号化画像(Bフレーム:Bi
directionally predictive符号化画像)の3つのタイプ
のフレームを規定している。また、複数のフレームを1
つの集合の単位として、グループオブピクチャ(GO
P:Group Of Pictures)としている。
【0020】図1において、フレームメモリ1は、入力
画像を数フレーム(数画面)分記憶可能な記憶部であ
る。このフレームメモリ1に一時記憶されたフレーム
は、順次、フレーム内符号化部2或いはフレーム間予測
符号化部3に出力される。
【0021】フレーム内符号化部2は、入力されたフレ
ーム内(画面内)の画素間相関を利用して、フレーム内
の冗長部分を符号化によって削除するものである。この
フレーム内の画素間相関を利用して圧縮された画像は、
フレーム内符号化画像(Iフレーム:Intra 符号化画
像)である。
【0022】フレーム間予測符号化部3は、入力された
フレーム間(画面間)の相関を利用してフレーム間の冗
長部分を予測符号化によって削除するものである。この
フレーム間の相関を利用して圧縮された画像は、フレー
ム間順方向予測符号化画像(Pフレーム:Predictive
符号化画像)及び双方向予測符号化画像(Bフレーム:
Bidirectionally predictive 符号化画像)である。P
フレームは、Iフレームからの順方向予測によってフレ
ーム間予測符号化を行ったものであり、Bフレームは、
IフレームとPフレーム、或いは、PフレームとPフレ
ームからの双方向予測によってフレーム間予測符号化を
行ったものである。
【0023】目標符号量発生部4は、目標符号量Dxを
発生するものである。蓄積メディア動画像符号化の国際
標準化会議で標準化のために用いられているISO/I
EC「Test Mode10」では、あるフレームF
xに対する目標符号量Dxを、以前に符号化したフレー
ムの量子化パラメータの平均と、以前に符号化したフレ
ームの発生符号量(可変長符号化部7によって符号化し
た符号量)と、GOP内において符号化する残りのフレ
ーム数と、目標とする転送レートとから計算して、発生
させている。
【0024】以前に符号化したフレームの量子化パラメ
ータの平均値と、以前に符号化したフレームの発生符号
量(可変長符号化部7によって符号化した符号量)と、
符号化する残りのフレーム数と、目標とする転送レート
とから、転送レート制御部5は、フレームFxに割り当
てる目標とする符号量を計算し、目標符号量発生部4か
ら目標符号量として発生させる。これにより、転送レー
ト制御部5は、発生した目標符号量に応じて、量子化部
6における量子化パラメータを変化させる。
【0025】量子化部6は、例えば、符号化されたデー
タに対して、離散コサイン変換(DCT:Discleate Co
sine Transform)を施した結果得られるDCT変換係数
全体を、ある値で割り算して小さな値の数で表現するこ
とによって、符号量を減らすようにしている。量子化部
6は、Iフレーム、Pフレーム及びBフレームのそれぞ
れの符号化されたデータを、所定の量子化パラメータで
量子化するものである。
【0026】可変長符号化部7は、量子化されたデータ
を可変長符号化するものである。可変長符号化は、DC
T係数や動きベクトル値等に対して、出現確率の高い値
に短い符号長を割り当て、出現確率の低い値に長い符号
長を割り当てるという符号体系を新しく決め、平均符号
量を減らすというものである。
【0027】画像復元部8は、フレーム間予測符号化部
3でフレーム間予測符号化するデータの参照するフレー
ムを作るものである。フレーム間予測符号化により作成
されるPフレームは、Iフレーム或いは以前のPフレー
ムからの順方向予測により作成されるフレームであり、
また、Bフレームは、IフレームとPフレーム或いはP
フレームとPフレームとの双方向予測により作成される
フレームである。したがって、例えば、Pフレームを作
成するにあたっては、符号化されたIフレームを参照フ
レームとし、また、Bフレームを作成するにあたって
は、符号化されたIフレーム或いはPフレームを参照フ
レームとしているため、それぞれの符号化された参照フ
レームを復元するものである。
【0028】画質評価部9は、画像復元部8により復元
されたフレームから復元誤差を算出し、その復元誤差に
応じて量子化部6の量子化値(量子化パラメータ)を制
御するものである。フレーム間予測符号化されるフレー
ムは、言い換えればフレーム内符号化されたフレームか
ら作り出されるフレームであるから、フレーム間予測符
号化画像の画質は、フレーム内符号化画像の画質に強く
依存すると考えられる。特にBフレームは、双方向から
の予測により作り出される内挿フレームであるから、画
質を保証するフレームは、IフレームまたはPフレーム
とする。
【0029】本実施例では、Iフレーム及びPフレーム
の画質を高めてBフレームの符号量で、GOP単位の情
報量を制御する。Bフレームは、前述したように、Iフ
レームとPフレーム、または、PフレームとPフレーム
から作成されるものであるため、Bフレームの画質は、
Iフレーム及びPフレームの画質に強く依存する。した
がって、Bフレームの符号量が少なくなった場合でも、
Iフレーム或いはPフレームの画質を高くして保証する
ことにより、Bフレームの画質は、それほど劣化しな
い。
【0030】画質の評価は、Iフレーム及びPフレーム
に対して行い、その画質評価の関数は、原画像と復元画
像との復元誤差SNにより決定される。復元誤差SN
は、次式により求められる。
【数1】
【0031】復元画像は、復号化部(デコーダ)でデコ
ード(逆量子化、逆DCT)された画像のことである。
符号化処理部(エンコーダ)内部で復元画像を参照画像
とするのは、仮に、原画像どうしで差分をとった場合、 差分画像C=原画像B−原画像A (1) となり、差分画像Cを量子化するので、デコーダ側には
量子化ノイズを加えたとき、 差分画像C’=差分画像C+量子化ノイズe (2) が与えられる。
【0032】デコーダ側の参照画像A’が、 参照画像A’=原画像A+量子化ノイズe (3) だとすると、復元画像B’は、(1)、(2)、(3)
式から、 復元画像B’=参照画像A’+差分画像C’ (4) =原画像B+2×量子化ノイズe となり、量子化ノイズが蓄積されることになる。
【0033】復元画像を用いた場合は、エンコーダ側に
おいて、(3)式より、 差分画像C=原画像B−参照画像A’ (5) =原画像B−原画像A−量子化ノイズe となり、デコーダ側には(2)、(5)式より、 差分画像C’=原画像B−原画像A (6) となるので、(3)、(4)、(6)式より、 復元画像B’=原画像B+量子化ノイズe (7) となり、量子化ノイズは蓄積されない。
【0034】以上のように、復元画像と原画像との差分
を取ることにより、デコーダ側での参照画像には、エン
コーダ側の量子化ノイズが付加されないため、画質の良
い画像を得ることができる。
【0035】以上の構成により、フレームグループ内の
Iフレーム又はPフレームに対して、原画像と復元画像
から復元誤差を演算し、その復元誤差に基づいて当該フ
レームの符号化を行い、フレームグループ内の少なくと
も1フレームの画質を保証することによって、その他の
フレームの画質劣化を低減させ、連続した動画像の視覚
的画質劣化を低減することができる。
【0036】本発明の動画像圧縮符号化装置の一実施例
の動作について説明する。図2は、本発明の動画像圧縮
符号化装置の動作を示すフローチャートである。図2に
おいて、繰り返し回数Nと目標とする復元誤差(SN)
値を初期値設定する。(ステップ1)
【0037】画像信号が入力され、フレームメモリ1に
一時蓄えられる。その後、画像信号は、Iフレームを作
成するため、フレーム内符号化部2でフレーム内符号化
が行われる。あるいは、同時にPフレームまたはBフレ
ームを作成するため、フレーム間予測符号化部3で、フ
レーム間予測符号化が行われる。(ステップ2)
【0038】フレーム内符号化部2またはフレーム間予
測符号化部3は、圧縮符号化しようとしているフレーム
がIフレームかPフレームかを判断する。(ステップ
3)
【0039】その判断の結果、IフレームまたはPフレ
ームの場合、言い換えれば、Bフレーム以外の時、繰り
返し回数Nの判定を行う。(ステップ4)
【0040】繰り返し回数Nの判定の結果、繰り返し回
数がN回以下ならば、画像信号は、量子化部6に送ら
れ、量子化される。(ステップ5)
【0041】量子化部6により量子化されたデータは、
画像復元部8に送られ、復元画像を作成する。(ステッ
プ6)
【0042】その復元画像は、画質評価部9で、原画像
と復元画像との復元誤差SNが算出される。(ステップ
7)
【0043】算出した復元誤差SNと初期設定した復元
誤差SNを比較する。(ステップ8)
【0044】その比較の結果、所定の条件を満たしたな
らば、その画像信号は可変長符号化部7に送られ、可変
長符号化される。(ステップ9)
【0045】以上の一連の動作により圧縮符号化処理が
終了し、次のフレームが入力され、同様の処理が行われ
る。
【0046】一方、目標SN値を満足していない場合、
量子化値を変化させる。(ステップ10)
【0047】そして、繰り返し回数Nを再度判定した
後、量子化部6に送り、前記手順を繰り返す。
【0048】繰り返し回数が、初期設定値Nを超えたと
きには、目標SN値を変化させ、収束を保証する。(ス
テップ11)
【0049】目標SN値を変化させた後、前記処理を再
度繰り返し回数N回繰り返すように処理が継続する。つ
まり、目標SN値を変化させた後、ステップ4からステ
ップ8の間の処理を繰り返し回数N回に成るように処理
を行う。
【0050】ステップ3において、Bフレームの場合に
は、前記した従来と同様の圧縮符号化方法により処理が
行われる。このとき、IフレームまたはPフレームの発
生符号量は、従来の圧縮符号化方法のパラメータとして
用いる。(ステップ12)
【0051】以上のように、IフレームまたはPフレー
ムにおいて、可能な限りの画質を保証するので、一連の
動画像の視覚的画質を向上させることができる。
【0052】
【発明の効果】本発明の動画像圧縮符号化方法及びその
装置によれば、複数フレームからなる一連の動画像を圧
縮符号化する際、画質を保証した画像を周期的に挿入す
ることにより、一連の動画像の視覚的画質を向上させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の動画像圧縮符号化装置における一実施
例の概略構成を示す模式図である。
【図2】本発明の動画像圧縮符号化装置の動作を示すフ
ローチャートである。
【図3】従来の動画像圧縮符号化装置の構成図である。
【図4】従来の動画像圧縮符号化装置における動画像の
データ構成を示す模式図である。(a)は、原画像の画
面順序を示す模式図であり、(b)は、符号化する画面
順序を示す模式図である。
【図5】従来の動画像圧縮符号化装置において目標符号
量を示す模式図である。
【符号の説明】
1 ・・・フレームメモリ 2 ・・・フレーム内符号化部 3 ・・・フレーム間予測符号化部 4 ・・・目標符号量発生部 5 ・・・転送レート制御部 6 ・・・量子化部 7 ・・・可変長符号化部 8 ・・・画像復元部 9 ・・・画質評価部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数フレームからなる一連の動画像を圧縮
    符号化する動画像圧縮符号化方法において、前記複数フ
    レームからなるフレームグループのうちの少なくとも1
    フレームに関して原画像と前記原画像を量子化した復元
    画像から復元誤差を算出し、前記復元誤差に応じて量子
    化値を変化させ前記フレームを圧縮符号化し、圧縮符号
    化した前記フレームの符号量に応じて量子化値を変化さ
    せ前記フレーム以外のフレームを圧縮符号化することを
    特徴とする動画像圧縮符号化方法。
  2. 【請求項2】入力画像信号を複数フレーム分記憶可能な
    フレームメモリと、該フレームメモリのフレームをフレ
    ーム内の画素相関関係を利用して圧縮符号化するフレー
    ム内符号化部と、前記フレームメモリのフレームをフレ
    ーム間の相関関係を利用して圧縮符号化するフレーム間
    予測符号化部と、前記フレーム内符号化部及び前記フレ
    ーム間予測符号化部で圧縮符号化されたデータを所定の
    量子化値で量子化する量子化部と、前記複数フレームか
    らなるデータ群の転送レートを一定にするための目標符
    号量を発生する目標符号量発生部と、圧縮符号化後の符
    号量と前記目標符号量から前記量子化部の量子化値を変
    化させる転送レート制御部と、該量子化部で量子化した
    フレームのうち1フレームに関して前記フレーム間予測
    符号化部の参照フレームとして復元する画像復元部と、
    前記量子化部で量子化されたデータを可変長符号化する
    可変長符号化部とを具備する動画像圧縮符号化装置にお
    いて、前記フレーム内符号化部及び前記フレーム間予測
    符号化部のフレームの画質を前記画像復元部の参照フレ
    ームと比較し評価する画質評価部を具備することを特徴
    とする動画像圧縮符号化装置。
  3. 【請求項3】請求項2記載の動画像圧縮符号化装置にお
    いて、前記画質評価部は、前記フレーム間予測符号化部
    で圧縮符号化したフレームのうち、圧縮符号化するフレ
    ームの前後のフレームの相関関係から圧縮符号化した双
    方向予測符号化フレーム以外のフレームを参照フレーム
    とすることを特徴とする動画像圧縮符号化装置。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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