JP2000261799A - 可変レート動画像符号化装置 - Google Patents
可変レート動画像符号化装置Info
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- JP2000261799A JP2000261799A JP6356599A JP6356599A JP2000261799A JP 2000261799 A JP2000261799 A JP 2000261799A JP 6356599 A JP6356599 A JP 6356599A JP 6356599 A JP6356599 A JP 6356599A JP 2000261799 A JP2000261799 A JP 2000261799A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 現在、可変レート符号化方式でDVD等の
蓄積媒体への符号化を行うには、手間のかかる2パス符
号化方式が使われ、リアルタイム記録が必要なビデオカ
メラには、蓄積媒体コストが高い固定レート符号化が使
われている。本発明では、動画像を可変レートで1回で
符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とするデジタル蓄積
媒体用可変レート動画像符号化装置を提供する。 【解決手段】 符号化レートを目標平均符号化レート
を中心にGOP(Group Of Pictures) 単位で可変に制御
し、一つのGOPに対しては一つの目標符号化レートを
定め、GOP単位での定速度符号化を繰り返す。目標符
号化レートは、当該GOP迄の画像複雑度、平均符号化
レート等の統計量を基に、所定の計算式により、実現回
路方式に応じて次のGOP或いは当該GOPに対して求
める。
蓄積媒体への符号化を行うには、手間のかかる2パス符
号化方式が使われ、リアルタイム記録が必要なビデオカ
メラには、蓄積媒体コストが高い固定レート符号化が使
われている。本発明では、動画像を可変レートで1回で
符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とするデジタル蓄積
媒体用可変レート動画像符号化装置を提供する。 【解決手段】 符号化レートを目標平均符号化レート
を中心にGOP(Group Of Pictures) 単位で可変に制御
し、一つのGOPに対しては一つの目標符号化レートを
定め、GOP単位での定速度符号化を繰り返す。目標符
号化レートは、当該GOP迄の画像複雑度、平均符号化
レート等の統計量を基に、所定の計算式により、実現回
路方式に応じて次のGOP或いは当該GOPに対して求
める。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、DVD(Digital
Versatile Disk)やデジタルビデオカメラ等のデジタル
蓄積媒体に、動画像をMPEG(Moving Picture Expert
s Group)方式によるデジタル画像圧縮方式で符号化して
蓄積する時に用いる、デジタル蓄積媒体用の可変符号化
速度(以下可変レート)動画像符号化装置に係り、とく
に、可変レートの値を、蓄積媒体の蓄積容量と所定の記
録時間から定まる目標平均符号化レートを中心に、あら
かじめ定めた最大変化幅の範囲内で、GOP(Group Of
Pictures) 区間毎に目標符号化レートとして定め、所定
のアルゴリズムに従って変化させるように制御すること
を特徴とする、動画像を可変レートで1回で符号化し、
蓄積媒体への蓄積を可能とする、可変レート動画像符号
化装置に関する。
Versatile Disk)やデジタルビデオカメラ等のデジタル
蓄積媒体に、動画像をMPEG(Moving Picture Expert
s Group)方式によるデジタル画像圧縮方式で符号化して
蓄積する時に用いる、デジタル蓄積媒体用の可変符号化
速度(以下可変レート)動画像符号化装置に係り、とく
に、可変レートの値を、蓄積媒体の蓄積容量と所定の記
録時間から定まる目標平均符号化レートを中心に、あら
かじめ定めた最大変化幅の範囲内で、GOP(Group Of
Pictures) 区間毎に目標符号化レートとして定め、所定
のアルゴリズムに従って変化させるように制御すること
を特徴とする、動画像を可変レートで1回で符号化し、
蓄積媒体への蓄積を可能とする、可変レート動画像符号
化装置に関する。
【0002】尚、本発明は、とくに蓄積媒体への応用を
中心に、説明を行っているが、その応用分野は、蓄積媒
体への記録の応用に限らず、例えば、遠隔地からのテレ
ビの実況放送用等の分野で、伝送コスト等の制約から伝
送帯域が制約された場合に適用しても、固定レート符号
化方式、従来の2パス符号化方式による可変レート符号
化方式に比べて、リアルタイムで、高い品質の動画像を
安価な伝送コストで伝送することができ、その応用分野
は広い。
中心に、説明を行っているが、その応用分野は、蓄積媒
体への記録の応用に限らず、例えば、遠隔地からのテレ
ビの実況放送用等の分野で、伝送コスト等の制約から伝
送帯域が制約された場合に適用しても、固定レート符号
化方式、従来の2パス符号化方式による可変レート符号
化方式に比べて、リアルタイムで、高い品質の動画像を
安価な伝送コストで伝送することができ、その応用分野
は広い。
【0003】
【従来の技術】動画像をテジタル符号化して、デジタル
蓄積媒体に蓄積する方法として、現在動き補償とDCT
(Discrete Cosine Transform)変換技術を基本とするM
PEG方式が用いられている。
蓄積媒体に蓄積する方法として、現在動き補償とDCT
(Discrete Cosine Transform)変換技術を基本とするM
PEG方式が用いられている。
【0004】MPEG方式は、蓄積動画像固有の性質と
人間の視覚特性を利用して、動画像の冗長度を除去する
画像圧縮方式であり、符号化レートを無圧縮の原画像の
符号化レートに比し、数十分の1以下のオーダに圧縮す
る事が可能となる。
人間の視覚特性を利用して、動画像の冗長度を除去する
画像圧縮方式であり、符号化レートを無圧縮の原画像の
符号化レートに比し、数十分の1以下のオーダに圧縮す
る事が可能となる。
【0005】図12のMPEG方式の処理機能に、MP
EG方式で使用している主な処理機能と、処理の主目的
を要約した説明図をしめす。図12で、右側に示す処理
の主目的を果たす為に、各々、左側に示す固有の処理機
能が使われている。
EG方式で使用している主な処理機能と、処理の主目的
を要約した説明図をしめす。図12で、右側に示す処理
の主目的を果たす為に、各々、左側に示す固有の処理機
能が使われている。
【0006】すなわち、MPEG方式では、 .画像の2次元空間周波数スペクトル成分が低域に集
中し易い性質を有すること。
中し易い性質を有すること。
【0007】.通常のゆっくりと変化する動画像が時
間軸方向に強い相関を有すること。
間軸方向に強い相関を有すること。
【0008】.アプリケーション上の要請として蓄積
動画像に対してランダムアクセス要件が課せられている
こと。
動画像に対してランダムアクセス要件が課せられている
こと。
【0009】.人間の目の空間周波数に対する分解能
感度特性が2〜数Hz/度を中心に帯域通過型の特性を有
し、さらに、輝度成分に対する分解能感度特性が色差成
分に対して2〜3倍の分解能感度特性を有すること。
感度特性が2〜数Hz/度を中心に帯域通過型の特性を有
し、さらに、輝度成分に対する分解能感度特性が色差成
分に対して2〜3倍の分解能感度特性を有すること。
【0010】.動きの激しい画像に対しては、人間の
視覚が応答速度の制約の為、振幅軸方向と空間周波数分
解性能ともに急激に識別感度が劣化すること。
視覚が応答速度の制約の為、振幅軸方向と空間周波数分
解性能ともに急激に識別感度が劣化すること。
【0011】などの固有の性質を利用して、以下の技術
を導入し、動画像の冗長度圧縮処理を行っている。
を導入し、動画像の冗長度圧縮処理を行っている。
【0012】.隣接画像フレーム間での動き検出と動
き補償による予測画像の生成と、相関の強い画像フレー
ム間での時間軸差分処理による振幅方向の冗長度除去処
理。
き補償による予測画像の生成と、相関の強い画像フレー
ム間での時間軸差分処理による振幅方向の冗長度除去処
理。
【0013】.直交変換の性質を利用したDCT変換
による2次元空間周波数スペクトル成分の抽出と高域成
分に対する粗い量子化重み付けを行う量子化マトリック
スによる冗長度除去処理。
による2次元空間周波数スペクトル成分の抽出と高域成
分に対する粗い量子化重み付けを行う量子化マトリック
スによる冗長度除去処理。
【0014】.に加えて振幅軸方向の量子化ステッ
プサイズ( 以下量子化スケール) を可変にすることによ
って、動きの激しい画像や複雑な画像に対する粗い量子
化スケール割当による冗長度除去処理。
プサイズ( 以下量子化スケール) を可変にすることによ
って、動きの激しい画像や複雑な画像に対する粗い量子
化スケール割当による冗長度除去処理。
【0015】.画素の色差成分に対するサブサンプリ
ング符号化による冗長度除去処理。
ング符号化による冗長度除去処理。
【0016】.量子化処理後のスペクトル成分を低域
成分から高域成分に順番に並べた時に、高域側に0の連
続が多数発生する統計的偏りの性質を利用した可変長符
号化による冗長度除去処理。
成分から高域成分に順番に並べた時に、高域側に0の連
続が多数発生する統計的偏りの性質を利用した可変長符
号化による冗長度除去処理。
【0017】. 画像フレームを一定数の複数枚集めて
形成されたGOP区間を、I、P、Bの3種類の画像フ
レームに分け、フレーム内予測符号化、前方予測符号
化、前後両方向予測符号化の組み合わせによる冗長度除
去処理。
形成されたGOP区間を、I、P、Bの3種類の画像フ
レームに分け、フレーム内予測符号化、前方予測符号
化、前後両方向予測符号化の組み合わせによる冗長度除
去処理。
【0018】このように、MPEG方式は、動画像の冗
長度除去処理を階層的処理構造を持ちながら行ってお
り、図13の、MPEG方式の予測処理構造と符号シー
ケンスの図に、MPEG方式で最終的に得られる符号化
シーケンスと合わせてMPEG方式の全体像を示す。
長度除去処理を階層的処理構造を持ちながら行ってお
り、図13の、MPEG方式の予測処理構造と符号シー
ケンスの図に、MPEG方式で最終的に得られる符号化
シーケンスと合わせてMPEG方式の全体像を示す。
【0019】図13でピクチャは、順次走査方式の画面
を示すフレームと飛び越し走査に対する画面を示すフィ
ールドの総称として使われるが、以下の説明では、画面
を指して画像フレームという用語で統一して説明する。
を示すフレームと飛び越し走査に対する画面を示すフィ
ールドの総称として使われるが、以下の説明では、画面
を指して画像フレームという用語で統一して説明する。
【0020】図13(a)のGOP内の画像フレーム間
の予測処理、に示す如く、MPEG方式では、ランダム
アクセスの要件を満たす為に、ランダムアクセスの最小
時間単位であるGOPの単位で必ず面内予測符号化を行
うIフレームが挿入され、このIフレームを利用して、
前方向予測を行うPフレーム、さらに、両方向予測を行
うBフレームの予測画像フレームを作ることができる。
の予測処理、に示す如く、MPEG方式では、ランダム
アクセスの要件を満たす為に、ランダムアクセスの最小
時間単位であるGOPの単位で必ず面内予測符号化を行
うIフレームが挿入され、このIフレームを利用して、
前方向予測を行うPフレーム、さらに、両方向予測を行
うBフレームの予測画像フレームを作ることができる。
【0021】また、対象とする動画像は、テレビのコマ
ーシャル等の変化の激しい画像も対象とする事が多いこ
とから、P、B画像フレームに対しても、発生符号量を
比較して、面間予測差分符号化と面内予測符号化の切替
選択が可能となっている。
ーシャル等の変化の激しい画像も対象とする事が多いこ
とから、P、B画像フレームに対しても、発生符号量を
比較して、面間予測差分符号化と面内予測符号化の切替
選択が可能となっている。
【0022】MPEG方式では、上記の説明と図2に示
す如く、動画像符号化のレートを定める冗長度除去を制
御するパラメータとして、 .画素の振幅方向の符号量割当の粗さをきめる量子化
スケール、.画素の2次元空間周波数スペクトル成分
に対する視覚特性を利用した重み付け量子化割当を行う
量子化マトリックス、.発生符号の統計的偏りを利用
した可変長符号化を行う際に使う符号化コードブック、
があるが、回路実現上の容易さと適用効果の点から、
の量子化スケールを可変にする方法が一般的に使われて
いる。
す如く、動画像符号化のレートを定める冗長度除去を制
御するパラメータとして、 .画素の振幅方向の符号量割当の粗さをきめる量子化
スケール、.画素の2次元空間周波数スペクトル成分
に対する視覚特性を利用した重み付け量子化割当を行う
量子化マトリックス、.発生符号の統計的偏りを利用
した可変長符号化を行う際に使う符号化コードブック、
があるが、回路実現上の容易さと適用効果の点から、
の量子化スケールを可変にする方法が一般的に使われて
いる。
【0023】尚、図13(b)のMPEG方式の符号シ
ーケンスに示すヘッダ構成からも明らかな如く、この量
子化スケールは、隣接した8×8の画素の集合である画
素の単位ブロックが4個集まって形成される16×16
画素の集合であるマクロブロック毎に可変にすることが
できる。
ーケンスに示すヘッダ構成からも明らかな如く、この量
子化スケールは、隣接した8×8の画素の集合である画
素の単位ブロックが4個集まって形成される16×16
画素の集合であるマクロブロック毎に可変にすることが
できる。
【0024】実際には、量子化スケールに対応する量子
化スケールコードをマクロブロック毎のヘッダ部分で指
定することによって、量子化スケールを指定しており、
図14の量子化スケールと量子化スケールコードの説明
図に、この関係をしめす。
化スケールコードをマクロブロック毎のヘッダ部分で指
定することによって、量子化スケールを指定しており、
図14の量子化スケールと量子化スケールコードの説明
図に、この関係をしめす。
【0025】MPEG2では、コマーシャル等の動きが
激しい動画に対する冗長度除去の対応範囲を広げる為、
MPEG1の線形特性のタイプ0に加え、非線型特性の
タイプ1も選択が可能となっている。量子化スケールコ
ードQC と量子化スケールQとは1対1に対応してお
り、量子化スケールコードを指定して、符号化と復号化
が行われている。
激しい動画に対する冗長度除去の対応範囲を広げる為、
MPEG1の線形特性のタイプ0に加え、非線型特性の
タイプ1も選択が可能となっている。量子化スケールコ
ードQC と量子化スケールQとは1対1に対応してお
り、量子化スケールコードを指定して、符号化と復号化
が行われている。
【0026】すなわち、動きが激しく時間軸方向に沿っ
て画像の変化情報の発生が多い場合には、量子化スケー
ルQを大きくして、DCT係数の表示精度を荒くし、動
きが緩やかになり、視覚の追随性がよくなるにつれて、
量子化スケールを小さくして、DCT係数の表示精度を
あげる。これは、画像が複雑な絵になり、2次元空間周
波数成分が増えた場合にも同様で、視覚の高域成分の識
別感度が劣化する特性を利用して同様に、量子化スケー
ルを粗くして、振幅軸方向の発生符号量を抑えた量子化
による符号量割当操作が可能となる。
て画像の変化情報の発生が多い場合には、量子化スケー
ルQを大きくして、DCT係数の表示精度を荒くし、動
きが緩やかになり、視覚の追随性がよくなるにつれて、
量子化スケールを小さくして、DCT係数の表示精度を
あげる。これは、画像が複雑な絵になり、2次元空間周
波数成分が増えた場合にも同様で、視覚の高域成分の識
別感度が劣化する特性を利用して同様に、量子化スケー
ルを粗くして、振幅軸方向の発生符号量を抑えた量子化
による符号量割当操作が可能となる。
【0027】これによって、動きの激しく画面フレーム
間の時間相関が少なく、発生符号量が多い動画像、複雑
な画面に対しても人間の視覚特性を利用した冗長度除去
が可能となる。
間の時間相関が少なく、発生符号量が多い動画像、複雑
な画面に対しても人間の視覚特性を利用した冗長度除去
が可能となる。
【0028】次に、動画像をMPEG方式を使ってテジ
タル符号化して、デジタル蓄積媒体に蓄積する方法とし
ては、現在、デジタルビデオ等に於ける固定レートの符
号化方式と、DVD等に対する可変レート符号化方式が
使い分けられている。
タル符号化して、デジタル蓄積媒体に蓄積する方法とし
ては、現在、デジタルビデオ等に於ける固定レートの符
号化方式と、DVD等に対する可変レート符号化方式が
使い分けられている。
【0029】固定レート符号化は、動画像の時々刻々の
特性、例えば、動きの激しい画像や静止に近い動きの緩
やかな画像、複雑な画像や簡単な画像などには無関係
に、一定レートで、動画像の符号化を行う方式である。
特性、例えば、動きの激しい画像や静止に近い動きの緩
やかな画像、複雑な画像や簡単な画像などには無関係
に、一定レートで、動画像の符号化を行う方式である。
【0030】デジタル蓄積媒体の割当メモリ容量をMビ
ットとすると、所定の時間長T秒に対応する固定レート
R0 bps は、 R0 =M/T (1) から求まる。デジタルビデオカメラは、MPEG符号器
の可変長符号化部からの出力を、出力バッファメモリへ
書込み、このようにして定めた一定のレートで、出力バ
ッファメモリからデータを読出しながら、過去のデータ
を基に予測し、バッファメモリの量がオーバフローある
いはアンダーフローしないように、符号器の量子化スケ
ールQの値を、マクロブロック単位で変え、発生符号量
の制御を行っている。
ットとすると、所定の時間長T秒に対応する固定レート
R0 bps は、 R0 =M/T (1) から求まる。デジタルビデオカメラは、MPEG符号器
の可変長符号化部からの出力を、出力バッファメモリへ
書込み、このようにして定めた一定のレートで、出力バ
ッファメモリからデータを読出しながら、過去のデータ
を基に予測し、バッファメモリの量がオーバフローある
いはアンダーフローしないように、符号器の量子化スケ
ールQの値を、マクロブロック単位で変え、発生符号量
の制御を行っている。
【0031】このようにして、固定レート符号化方式で
は、動画像の符号化レートの制御を行い、所定時間長の
動画像を割り当てられたデジタルメモリ容量に1回の符
号化で同時に蓄積も行っている。
は、動画像の符号化レートの制御を行い、所定時間長の
動画像を割り当てられたデジタルメモリ容量に1回の符
号化で同時に蓄積も行っている。
【0032】固定レート符号化方式は、デジタル動画の
記録時間長と蓄積媒体の割当容量との対応付けが容易で
あり、取り扱いも容易である。
記録時間長と蓄積媒体の割当容量との対応付けが容易で
あり、取り扱いも容易である。
【0033】しかし、画像の性質を無視して一定の符号
化レートで符号化を行っている為、動きが激しかった
り、きめ細かな映像の登場など、単位時間あたりの符号
量の発生が多い場合でも、無理に一定速度で符号化を行
う為に、必要以上に冗長度の圧縮が行われる可能性があ
り、記録された動画像の画質は、同じ割当容量の蓄積媒
体を使って符号化した場合、可変レート符号化によるデ
ジタル動画像と比べると劣ってくる。
化レートで符号化を行っている為、動きが激しかった
り、きめ細かな映像の登場など、単位時間あたりの符号
量の発生が多い場合でも、無理に一定速度で符号化を行
う為に、必要以上に冗長度の圧縮が行われる可能性があ
り、記録された動画像の画質は、同じ割当容量の蓄積媒
体を使って符号化した場合、可変レート符号化によるデ
ジタル動画像と比べると劣ってくる。
【0034】このため、画質劣化を抑えるために、可変
レート符号化に較べて数倍以上の符号化速度で符号化を
行っている。この結果、媒体容量も可変レート符号化方
式に比べて数倍以上の規模が要求され、コスト高の要因
となっている。
レート符号化に較べて数倍以上の符号化速度で符号化を
行っている。この結果、媒体容量も可変レート符号化方
式に比べて数倍以上の規模が要求され、コスト高の要因
となっている。
【0035】そこで、高画質で長時間動画の記録が要求
されるDVD方式では、可変レート符号化方式が使われ
ている。
されるDVD方式では、可変レート符号化方式が使われ
ている。
【0036】図15の従来の可変レート符号化方式によ
る符号器の構成図に、従来の可変レート符号器の構成
を、図16の可変レート符号化方式による2パス符号化
に、第1回目と第2回目の発生符号量の関係を示す図
を、図17の従来の可変レート符号化方式の処理フロー
に、処理の流れを示す。
る符号器の構成図に、従来の可変レート符号器の構成
を、図16の可変レート符号化方式による2パス符号化
に、第1回目と第2回目の発生符号量の関係を示す図
を、図17の従来の可変レート符号化方式の処理フロー
に、処理の流れを示す。
【0037】従来の可変レート符号化装置では、蓄積媒
体の容量に合わせて発生符号量を制御する為に、1回目
の符号化において、入力画像全てを適当な一定値の量子
化スケールによってMPEG符号化を行う。
体の容量に合わせて発生符号量を制御する為に、1回目
の符号化において、入力画像全てを適当な一定値の量子
化スケールによってMPEG符号化を行う。
【0038】図15の構成図で、1は直交変換の性質を
利用して2次元空間周波数スペクトル成分を求める処理
を行うDCT変換部、2は量子化スケール、量子化マト
リクスに従って振幅方向の粗さに応じた符号量割当を行
うことによって冗長度除去を行う量子化部、3は量子化
部の出力から元の信号を再生する逆量子化部、4は2次
元空間周波数スペクトル成分を表すDCT係数を基に画
像の再生を行う逆DCT変換部、5は画像フレーム単位
で予測処理に必要なピクチャ枚数分の予測再生画像情報
を蓄積しているフレームメモリ、6は前後の画像フレー
ム間で差分をとる前に、差分を極力小さくする為に、比
較対象の入力画像が比較基準画像に対して、どの方向に
どれだけ動いたかを知る為の動きベクトル検出をマクロ
ブロック単位で行う動き検出部、7は動き検出部からの
動きベクトルの指示に従って比較用の画像フレームをフ
レームメモリから読みだす操作を行う動き補償部、8は
画像フレーム間での差分処理の為の減算器、9は、予測
誤差となる差分値を予測画像に加算して入力画像を再生
する為の加算器、10は量子化部の出力を基に画素ブロ
ック単位での可変長符号化処理を行う可変長符号化部、
11は量子化スケールをマクロブロック単位で制御する
量子化制御部、12は、可変長符号化部からの符号化出
力を外部の蓄積媒体に一定速度で読出を行うための出力
バッファ、13はP、B画像フレームの符号化時に、画
像の動きの激しさの度合に応じて、差分処理が画像その
ものよりも振幅情報を拡大する場合にはIフレームと同
様に画像フレーム内符号化を行い、差分処理をおこなっ
た方が振幅情報が減る場合は画像フレーム間の差分符号
化を行う、その選択切替を行う切替スイッチ、14は、
第1回目の符号化では発生符号量測定部側に倒し発生符
号量の測定等を行い、第2回目の符号化時にバッファメ
モリ側に接続切替を行う切替スイッチ、15は、発生符
号量の測定を行う発生符号量測定部、16は、この発生
符号量測定結果を記憶する符号量用メモリ、17は、第
1回目の符号量測定結果に基づいて、第2回目の符号量
を計算し、量子化制御部に伝える目標符号量計算部を示
す。
利用して2次元空間周波数スペクトル成分を求める処理
を行うDCT変換部、2は量子化スケール、量子化マト
リクスに従って振幅方向の粗さに応じた符号量割当を行
うことによって冗長度除去を行う量子化部、3は量子化
部の出力から元の信号を再生する逆量子化部、4は2次
元空間周波数スペクトル成分を表すDCT係数を基に画
像の再生を行う逆DCT変換部、5は画像フレーム単位
で予測処理に必要なピクチャ枚数分の予測再生画像情報
を蓄積しているフレームメモリ、6は前後の画像フレー
ム間で差分をとる前に、差分を極力小さくする為に、比
較対象の入力画像が比較基準画像に対して、どの方向に
どれだけ動いたかを知る為の動きベクトル検出をマクロ
ブロック単位で行う動き検出部、7は動き検出部からの
動きベクトルの指示に従って比較用の画像フレームをフ
レームメモリから読みだす操作を行う動き補償部、8は
画像フレーム間での差分処理の為の減算器、9は、予測
誤差となる差分値を予測画像に加算して入力画像を再生
する為の加算器、10は量子化部の出力を基に画素ブロ
ック単位での可変長符号化処理を行う可変長符号化部、
11は量子化スケールをマクロブロック単位で制御する
量子化制御部、12は、可変長符号化部からの符号化出
力を外部の蓄積媒体に一定速度で読出を行うための出力
バッファ、13はP、B画像フレームの符号化時に、画
像の動きの激しさの度合に応じて、差分処理が画像その
ものよりも振幅情報を拡大する場合にはIフレームと同
様に画像フレーム内符号化を行い、差分処理をおこなっ
た方が振幅情報が減る場合は画像フレーム間の差分符号
化を行う、その選択切替を行う切替スイッチ、14は、
第1回目の符号化では発生符号量測定部側に倒し発生符
号量の測定等を行い、第2回目の符号化時にバッファメ
モリ側に接続切替を行う切替スイッチ、15は、発生符
号量の測定を行う発生符号量測定部、16は、この発生
符号量測定結果を記憶する符号量用メモリ、17は、第
1回目の符号量測定結果に基づいて、第2回目の符号量
を計算し、量子化制御部に伝える目標符号量計算部を示
す。
【0039】また、量子化制御部の制御端子の入力CO
NTは、1回目の符号量測定期間中に一定の量子化スケ
ールで量子化制御部を動作させ、2回目の符号化時に、
符号量割当結果に基づいて量子化スケールを制御するよ
うに量子化制御部を動作させる為の切替指示を行う直流
制御信号である。
NTは、1回目の符号量測定期間中に一定の量子化スケ
ールで量子化制御部を動作させ、2回目の符号化時に、
符号量割当結果に基づいて量子化スケールを制御するよ
うに量子化制御部を動作させる為の切替指示を行う直流
制御信号である。
【0040】回路要素1から13によって構成されるブ
ロック100が、通常のMPEG符号器の基本構成部で
ある。但し、切替スイッチ14は出力バッファ側とな
る。
ロック100が、通常のMPEG符号器の基本構成部で
ある。但し、切替スイッチ14は出力バッファ側とな
る。
【0041】上記の回路構成で、図17の従来の可変レ
ート符号化方式の処理フローに示す如く、先ず、第1回
目の符号化処理は、量子化スケールを一定の値に保った
ままで行われる。MPEG符号器部100の動作は、通
常のMPEG符号器と全く同じく、GOPを符号化のグ
ループ単位として、I、P、B画像フレーム間での動き
検出、動き補償、差分予測処理、DCT符号変換、量子
化、可変長符号化、ヘッダ付加処理などの一連の処理が
行われる。
ート符号化方式の処理フローに示す如く、先ず、第1回
目の符号化処理は、量子化スケールを一定の値に保った
ままで行われる。MPEG符号器部100の動作は、通
常のMPEG符号器と全く同じく、GOPを符号化のグ
ループ単位として、I、P、B画像フレーム間での動き
検出、動き補償、差分予測処理、DCT符号変換、量子
化、可変長符号化、ヘッダ付加処理などの一連の処理が
行われる。
【0042】第一回目の符号化による発生符号は、可変
長符号化部10からバイト単位で出力され、発生した各
画像フレーム毎の発生符号量を、発生符号量測定部15
で測定し、フレーム毎の符号量と累積符号発生量を記録
する符号量用メモリ16に一旦記録する。
長符号化部10からバイト単位で出力され、発生した各
画像フレーム毎の発生符号量を、発生符号量測定部15
で測定し、フレーム毎の符号量と累積符号発生量を記録
する符号量用メモリ16に一旦記録する。
【0043】尚、この間、量子化部の量子化スケール
は、所定の一定値をとるように量子化制御部11の制御
端子には、外部制御入力CONTが印加される。
は、所定の一定値をとるように量子化制御部11の制御
端子には、外部制御入力CONTが印加される。
【0044】全入力画像信号を1回目の符号化終了後
に、図16の従来の可変レート符号化方式における2パ
ス符号化の図に示す如く、蓄積媒体の割当容量Mと蓄積
された実測総符号量McTとの比率を知り、各画像フレー
ムあたりの発生符号量mciから、2回目に符号化する際
に各画像フレームに割り当てるべき目標符号量mci' を
次の式で求める。
に、図16の従来の可変レート符号化方式における2パ
ス符号化の図に示す如く、蓄積媒体の割当容量Mと蓄積
された実測総符号量McTとの比率を知り、各画像フレー
ムあたりの発生符号量mciから、2回目に符号化する際
に各画像フレームに割り当てるべき目標符号量mci' を
次の式で求める。
【0045】 mci'=mci×M/Σmci=mci×M/McT (2) M/McTは、通常、1より小さい値になるように、最初
の固定量子化スケールの値は小さな値に選ばれている。
の固定量子化スケールの値は小さな値に選ばれている。
【0046】第2回目の符号化では、スイッチ14を出
力バッファ12側に倒し、量子化制御部11が自動制御
モードとなるように、制御端子へのCONTの制御入力
を切替え、画像フレーム単位の新たな割当符号量からマ
クロブロック単位の割当符号量を知り、量子化制御部1
1の制御により、マクロブロック単位毎に、量子化スケ
ールを変化させ、発生符号量が割当符号量となるように
符号化を行う。
力バッファ12側に倒し、量子化制御部11が自動制御
モードとなるように、制御端子へのCONTの制御入力
を切替え、画像フレーム単位の新たな割当符号量からマ
クロブロック単位の割当符号量を知り、量子化制御部1
1の制御により、マクロブロック単位毎に、量子化スケ
ールを変化させ、発生符号量が割当符号量となるように
符号化を行う。
【0047】量子化制御部11は、2回目の実際の発生
符号量と目標符号量との誤差分を補正しながら逐次符号
処理を行う。
符号量と目標符号量との誤差分を補正しながら逐次符号
処理を行う。
【0048】出力バッファ12は、蓄積媒体との待ち合
わせ制御や、平均符号化レートに等しい一定速度で読み
出しを行う為の読出速度調整用のバッファメモリであ
る。
わせ制御や、平均符号化レートに等しい一定速度で読み
出しを行う為の読出速度調整用のバッファメモリであ
る。
【0049】可変レート符号化による発生符号量の変動
が大き過ぎるなどしてバッファメモリにオーバーフロー
又はアンダーフローが発生しそうな場合に、その傾向を
見て、量子化制御部11に指示して、量子化スケールを
制御して、バッファメモリのオーバーフロー、アンダー
フローを防止する。
が大き過ぎるなどしてバッファメモリにオーバーフロー
又はアンダーフローが発生しそうな場合に、その傾向を
見て、量子化制御部11に指示して、量子化スケールを
制御して、バッファメモリのオーバーフロー、アンダー
フローを防止する。
【0050】
【発明が解決しようとする課題】上記に説明した如く、
入力画像信号を蓄積媒体の割当容量に合わせて可変レー
ト符号化を行うためには、2回符号化を行う必要があっ
た。このため、テレビの実況中継などのリアルタイムの
用途には対応できず、手間も掛かっていた。
入力画像信号を蓄積媒体の割当容量に合わせて可変レー
ト符号化を行うためには、2回符号化を行う必要があっ
た。このため、テレビの実況中継などのリアルタイムの
用途には対応できず、手間も掛かっていた。
【0051】また、デジタルビデオカメラなどの如く、
その場で即時に記録が要求される用途に対して、可変レ
ートで1回で符号化を提供する手段が存在せずに、やむ
を得ず、可変レート符号化の数倍の速度による固定レー
ト符号化が使われていた。
その場で即時に記録が要求される用途に対して、可変レ
ートで1回で符号化を提供する手段が存在せずに、やむ
を得ず、可変レート符号化の数倍の速度による固定レー
ト符号化が使われていた。
【0052】このため、長時間録画が難しく、媒体コス
トも大きかった。
トも大きかった。
【0053】そこで、本発明の目的は、動画像を可変レ
ートで1回で符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とする
デジタル蓄積媒体用可変レート動画像符号化装置を提供
することである。
ートで1回で符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とする
デジタル蓄積媒体用可変レート動画像符号化装置を提供
することである。
【0054】
【課題を解決するための手段】MPEG方式では、量子
化スケールの制御によって、符号発生量の制御が行える
が、量子化スケールをどのようなアルゴリズムに従って
制御してやれば、所定の蓄積割当容量に所定の時間の動
画像を、可変レート符号化方式によって1回でリアルタ
イムに適切に符号化できるかが問題となる。
化スケールの制御によって、符号発生量の制御が行える
が、量子化スケールをどのようなアルゴリズムに従って
制御してやれば、所定の蓄積割当容量に所定の時間の動
画像を、可変レート符号化方式によって1回でリアルタ
イムに適切に符号化できるかが問題となる。
【0055】本発明では、最新のGOP区間に対する符
号化を行い、量子化スケールの変化値から直前のGOP
区間の画像に対する最新のGOP区間の画像複雑度の値
や多区間平均符号化レートの値を知り、これによって、
目標平均符号化レートを中心とした、次のGOP区間の
目標符号化レートと目標符号量を求め、さらに次のGO
P区間の符号化を行う。このようにGOP区間毎に目標
符号化レートを定め、定速度符号化を繰り返す事によっ
て、可変レート符号化を実現している。以下に詳細な説
明を行う。
号化を行い、量子化スケールの変化値から直前のGOP
区間の画像に対する最新のGOP区間の画像複雑度の値
や多区間平均符号化レートの値を知り、これによって、
目標平均符号化レートを中心とした、次のGOP区間の
目標符号化レートと目標符号量を求め、さらに次のGO
P区間の符号化を行う。このようにGOP区間毎に目標
符号化レートを定め、定速度符号化を繰り返す事によっ
て、可変レート符号化を実現している。以下に詳細な説
明を行う。
【0056】図1の本発明の原理説明図に、本発明の基
本的なアルゴリズムを、図2の本発明の基本処理フロー
に、本発明の基本処理の手順を、図3の画像複雑度のグ
ラフに、本発明の実施例で使っている画像複雑度の平均
量子化スケール、発生符号量との関連を示す例示図を、
図4の本発明による可変レート符号化の時間推移説明図
に、本発明を適用した時の、符号化レートの時間的推移
例を示す。
本的なアルゴリズムを、図2の本発明の基本処理フロー
に、本発明の基本処理の手順を、図3の画像複雑度のグ
ラフに、本発明の実施例で使っている画像複雑度の平均
量子化スケール、発生符号量との関連を示す例示図を、
図4の本発明による可変レート符号化の時間推移説明図
に、本発明を適用した時の、符号化レートの時間的推移
例を示す。
【0057】図1の本発明の原理説明図において、MP
EG符号器部はMPEG符号化処理を行う基本部分で、
発生符号量測定部、符号化データメモリ部、平均値計算
部、目標符号量計算部からなる目標符号量割当部は、G
OP単位、画像フレーム単位に、目標符号量を割当て、
画像フレーム内の符号化処理に際しては、MPEG符号
器部の量子化制御部をマクロブロック単位で制御し、量
子化スケールを変えながら逐次符号化処理を行い、実際
の発生符号量が目標符号量に収斂するようにフィードバ
ック制御を行う。
EG符号器部はMPEG符号化処理を行う基本部分で、
発生符号量測定部、符号化データメモリ部、平均値計算
部、目標符号量計算部からなる目標符号量割当部は、G
OP単位、画像フレーム単位に、目標符号量を割当て、
画像フレーム内の符号化処理に際しては、MPEG符号
器部の量子化制御部をマクロブロック単位で制御し、量
子化スケールを変えながら逐次符号化処理を行い、実際
の発生符号量が目標符号量に収斂するようにフィードバ
ック制御を行う。
【0058】発生符号量測定部は、GOP単位、I、
P、Bフレーム毎、マクロブロック毎の発生符号量の測
定を行う。
P、Bフレーム毎、マクロブロック毎の発生符号量の測
定を行う。
【0059】又、符号化データメモリ部は、これらのデ
ータと目標符号量計算部からの量子化スケール値を所要
期間分蓄積する。
ータと目標符号量計算部からの量子化スケール値を所要
期間分蓄積する。
【0060】平均値計算部は、これらの統計データから
直前のGOPの区間画像複雑度、I、P、Bフレーム毎
の画像複雑度、多区間画像複雑度、多区間平均符号化レ
ートを計算する。
直前のGOPの区間画像複雑度、I、P、Bフレーム毎
の画像複雑度、多区間画像複雑度、多区間平均符号化レ
ートを計算する。
【0061】目標符号量計算部は、(3)式を基に、次
のGOP区間に対して、目標符号化レート、目標符号
量、I、P、B画像フレーム毎の目標符号量と画像フレ
ーム内のマクロブロック毎の量子化スケールの値を目標
符号量と発生符号量を比較しながら決定する。
のGOP区間に対して、目標符号化レート、目標符号
量、I、P、B画像フレーム毎の目標符号量と画像フレ
ーム内のマクロブロック毎の量子化スケールの値を目標
符号量と発生符号量を比較しながら決定する。
【0062】図2の本発明の基本処理フローに示す如
く、本発明では、現在迄のGOP区間毎の画像から得ら
れる統計データを使って、次のGOP区間の目標符号化
レート、GOP単位、画像単位の目標符号量を定める。
く、本発明では、現在迄のGOP区間毎の画像から得ら
れる統計データを使って、次のGOP区間の目標符号化
レート、GOP単位、画像単位の目標符号量を定める。
【0063】この目標データに従って、次の区間の符号
化を行い、新たな統計データを得、さらに、次のGOP
区間に対する目標符号化レート等の目標値を定める。以
上を繰り返して、全媒体容量分の符号化を行う。
化を行い、新たな統計データを得、さらに、次のGOP
区間に対する目標符号化レート等の目標値を定める。以
上を繰り返して、全媒体容量分の符号化を行う。
【0064】統計データとしては、マクロブロック毎、
画像フレーム毎、GOP単位の発生符号量、量子化スケ
ール、実際の符号化レートの平均化区間数分の過去から
現在迄の値が使われる。
画像フレーム毎、GOP単位の発生符号量、量子化スケ
ール、実際の符号化レートの平均化区間数分の過去から
現在迄の値が使われる。
【0065】また、GOP区間毎の目標符号化レートR
を定める計算式として、(3)式を使う。
を定める計算式として、(3)式を使う。
【0066】R=R0+Cr×Cc×R0' (3) (3)式で、R0は、(1)で求まる蓄積媒体の容量をビ
ット数で表現した値を秒数で表した記録時間で除して得
られる目標平均符号化レートである。
ット数で表現した値を秒数で表した記録時間で除して得
られる目標平均符号化レートである。
【0067】目標平均符号化レートR0は、蓄積媒体に対
してはこのようにして定まるが、テレビの実況放送等の
場合は、可変レート符号化の結果を、バッファメモリか
ら、一定速度で読みだす場合の伝送速度の近似値として
も使える。
してはこのようにして定まるが、テレビの実況放送等の
場合は、可変レート符号化の結果を、バッファメモリか
ら、一定速度で読みだす場合の伝送速度の近似値として
も使える。
【0068】また、(3)式において、第2番目の項
は、GOP区間毎の目標符号化レートR を、目標平均符
号化レートR0からどれだけ可変にできるかを示す可変レ
ート補正項である。
は、GOP区間毎の目標符号化レートR を、目標平均符
号化レートR0からどれだけ可変にできるかを示す可変レ
ート補正項である。
【0069】該可変レート補正項は、平均符号化レート
補正係数Cr、画像複雑度変化指数Cc、修正目標平均符号
化レートR0' の積の形で与えられる。
補正係数Cr、画像複雑度変化指数Cc、修正目標平均符号
化レートR0' の積の形で与えられる。
【0070】平均符号化レート補正係数Crは、目標平均
符号化レート、最新の符号化区間迄の一定の区間数に対
する過去の符号化レートの実績値を平均化した多区間平
均符号化レート、多区間平均符号化レートの目標平均符
号化レートからの許容変動幅の3つの変数から定め、多
区間平均符号化レートが目標符号化レートの値と等しい
時には1の値を有し、多区間平均符号化レートが、目標
平均符号化レートから大きくずれると値が0に漸近し、
該可変レート補正項を0に漸近させる働きを持つように
定義する。
符号化レート、最新の符号化区間迄の一定の区間数に対
する過去の符号化レートの実績値を平均化した多区間平
均符号化レート、多区間平均符号化レートの目標平均符
号化レートからの許容変動幅の3つの変数から定め、多
区間平均符号化レートが目標符号化レートの値と等しい
時には1の値を有し、多区間平均符号化レートが、目標
平均符号化レートから大きくずれると値が0に漸近し、
該可変レート補正項を0に漸近させる働きを持つように
定義する。
【0071】また、画像複雑度変化指数Ccは、最新の符
号化区間に対する画像の複雑度を定義する区間画像複雑
度、最新の符号化区間迄の一定の区間数に対する該区間
画像複雑度の実績値を平均化した多区間平均画像複雑度
から定め、区間画像複雑度の多区間平均複雑度に対する
変化割合の値をとり、区間画像複雑度が多区間平均複雑
度に対して同じ偏差値の状態が続くと、値が0に漸近し
該可変レート補正項を0に漸近させるように定義する。
号化区間に対する画像の複雑度を定義する区間画像複雑
度、最新の符号化区間迄の一定の区間数に対する該区間
画像複雑度の実績値を平均化した多区間平均画像複雑度
から定め、区間画像複雑度の多区間平均複雑度に対する
変化割合の値をとり、区間画像複雑度が多区間平均複雑
度に対して同じ偏差値の状態が続くと、値が0に漸近し
該可変レート補正項を0に漸近させるように定義する。
【0072】修正目標平均符号化レートR0' は、目標平
均符号化レートR0の近傍の値を有し、目標符号化レート
ROと1対1の対応関係を有し、目標符号化レートR0の変
化に対して正の微係数を有する補正係数に、目標平均符
号化レートを乗算した値を有し、とくに、画像品質に対
する主観評価がシビアに要求される低ビットレートの目
標平均符号レート時に、目標符号化レートが低くなり過
ぎないように可変レート補正項の下限値の絶対値を小さ
めの値に調整する役目を持つ。
均符号化レートR0の近傍の値を有し、目標符号化レート
ROと1対1の対応関係を有し、目標符号化レートR0の変
化に対して正の微係数を有する補正係数に、目標平均符
号化レートを乗算した値を有し、とくに、画像品質に対
する主観評価がシビアに要求される低ビットレートの目
標平均符号レート時に、目標符号化レートが低くなり過
ぎないように可変レート補正項の下限値の絶対値を小さ
めの値に調整する役目を持つ。
【0073】(3)式における可変レート補正項の、平
均符号化レート補正係数Cr、画像複雑度変化指数Cc、修
正目標平均符号化レートR0' を上記の如く、定義するこ
とによって、符号化レートの平均値を予め定めた目標平
均符号化レートに保ちながら、かつ、画像の急激な変化
に対しても、常に、高い品質の符号化を実現することが
可能となる。
均符号化レート補正係数Cr、画像複雑度変化指数Cc、修
正目標平均符号化レートR0' を上記の如く、定義するこ
とによって、符号化レートの平均値を予め定めた目標平
均符号化レートに保ちながら、かつ、画像の急激な変化
に対しても、常に、高い品質の符号化を実現することが
可能となる。
【0074】尚、平均符号化レート補正係数Cr、画像複
雑度変化指数Ccの具体的な関数形の事例については、実
施例でのべる。
雑度変化指数Ccの具体的な関数形の事例については、実
施例でのべる。
【0075】ここで、画像の複雑度をきめる画像複雑度
は、図3の画像複雑度のグラフに示す如く、画像の種類
が定まると、画像あたりのマクロブロック毎の量子化ス
ケールの平均値として求まる平均量子化スケール値と画
像フレーム毎の発生符号量の積として(4)式の如く定
まる。
は、図3の画像複雑度のグラフに示す如く、画像の種類
が定まると、画像あたりのマクロブロック毎の量子化ス
ケールの平均値として求まる平均量子化スケール値と画
像フレーム毎の発生符号量の積として(4)式の如く定
まる。
【0076】 画像複雑度≒平均量子化スケール×符号発生符号量 (4) (4)式の定義による画像複雑度の意味は、画像が決ま
ると平均量子化スケールを大きくして振幅軸方向の符号
量割当を減らすと、画像フレームあたりの発生符号量も
減り、逆に、平均量子化スケールを小さくして、振幅軸
方向の符号量割当を増やすと、発生符号量が増えること
を定式化したものであり、このようにして、定義した画
像複雑度が画像そのものによってほぼ一義的に定まるこ
とを意味している。
ると平均量子化スケールを大きくして振幅軸方向の符号
量割当を減らすと、画像フレームあたりの発生符号量も
減り、逆に、平均量子化スケールを小さくして、振幅軸
方向の符号量割当を増やすと、発生符号量が増えること
を定式化したものであり、このようにして、定義した画
像複雑度が画像そのものによってほぼ一義的に定まるこ
とを意味している。
【0077】従って、画像が(4)式の性質を持つこと
を利用して、予測によって画像フレームあたりに割り当
てた目標符号量と、実際の画像フレームのマクロブロッ
ク毎の発生符号量との差分値から、逐次、量子化スケー
ル値を制御して、画像フレームあたりの発生符号量が目
標符号量に収斂するように符号化処理を行うことが出来
る。
を利用して、予測によって画像フレームあたりに割り当
てた目標符号量と、実際の画像フレームのマクロブロッ
ク毎の発生符号量との差分値から、逐次、量子化スケー
ル値を制御して、画像フレームあたりの発生符号量が目
標符号量に収斂するように符号化処理を行うことが出来
る。
【0078】但し、(4)式は、数学的な厳密性を持つ
式ではない為、現実の画像に適用して、実際の符号化の
結果をみながらフィードバック制御を行うことになる。
式ではない為、現実の画像に適用して、実際の符号化の
結果をみながらフィードバック制御を行うことになる。
【0079】このようにして、次のGOP区間に対する
実際の画像の符号化を行った結果、量子化スケールの実
測値が得られ、これによって、画像の複雑度の変化の方
向が分かり、(3)式を利用して、さらに次のGOP区
間に対する画像の目標符号化レートを予測することが可
能となる。
実際の画像の符号化を行った結果、量子化スケールの実
測値が得られ、これによって、画像の複雑度の変化の方
向が分かり、(3)式を利用して、さらに次のGOP区
間に対する画像の目標符号化レートを予測することが可
能となる。
【0080】区間画像複雑度は、画像フレームあたりに
定義される画像複雑度を、対象とするGOP区間の画像
フレーム全てについて総計したものであり、対象区間に
対する画像複雑度の平均値に比例した値をとる。
定義される画像複雑度を、対象とするGOP区間の画像
フレーム全てについて総計したものであり、対象区間に
対する画像複雑度の平均値に比例した値をとる。
【0081】尚、画像複雑度の表現形式としては、ブロ
ック毎の画素値の分散値を基にした定義式もあり、やは
り、画像の複雑さを表現するパラメータとして使われる
が、符号化量と量子化スケールとの関係の1 対1対応付
けが容易な(4)式の定義式の性質を本発明における
(3)式では利用している。
ック毎の画素値の分散値を基にした定義式もあり、やは
り、画像の複雑さを表現するパラメータとして使われる
が、符号化量と量子化スケールとの関係の1 対1対応付
けが容易な(4)式の定義式の性質を本発明における
(3)式では利用している。
【0082】(3)式に従って、符号化対象とするGO
Pの区間の目標符号化レートが定まれば、目標符号化レ
ートにGOP区間の時間長を掛けて、GOP区間に対す
る目標符号量が定まり、この目標符号量を、I、P、B
各画像フレーム毎の画像複雑度、発生符号量、マクロブ
ロック毎の発生符号量の実測値から、実施例に示す割当
式を使って、次のGOP区間におけるI、P、B各画像
フレームに対して、目標符号量を割り当てる。
Pの区間の目標符号化レートが定まれば、目標符号化レ
ートにGOP区間の時間長を掛けて、GOP区間に対す
る目標符号量が定まり、この目標符号量を、I、P、B
各画像フレーム毎の画像複雑度、発生符号量、マクロブ
ロック毎の発生符号量の実測値から、実施例に示す割当
式を使って、次のGOP区間におけるI、P、B各画像
フレームに対して、目標符号量を割り当てる。
【0083】この目標値を基に、各画像フレーム毎、マ
クロブロック単位で符号化を行う。
クロブロック単位で符号化を行う。
【0084】実際の画像は、時々刻々変化する為に、直
前のGOP区間迄の符号化結果を基に予測を行って、次
のGOP区間の目標符号量を割り当てた場合でも、動き
の激しい画像に突然切り替わると、目標符号量と実際の
発生符号量との間に大きな差異が発生する。
前のGOP区間迄の符号化結果を基に予測を行って、次
のGOP区間の目標符号量を割り当てた場合でも、動き
の激しい画像に突然切り替わると、目標符号量と実際の
発生符号量との間に大きな差異が発生する。
【0085】この差異を補正して、発生符号量を目標符
号量に抑えながら、画像複雑度を切り替わった新たな画
像の画像複雑度と等しくする為に、画像フレーム毎に、
マクロブロック単位で、量子化スケールの値を逐次制御
し、最終的には、画像フレームあたりの発生符号量が割
り当てられた目標符号量となるように逐次符号化処理を
行う。
号量に抑えながら、画像複雑度を切り替わった新たな画
像の画像複雑度と等しくする為に、画像フレーム毎に、
マクロブロック単位で、量子化スケールの値を逐次制御
し、最終的には、画像フレームあたりの発生符号量が割
り当てられた目標符号量となるように逐次符号化処理を
行う。
【0086】このようにして、GOPの全画像フレーム
について符号化を行う。
について符号化を行う。
【0087】以下、上記のサイクルをGOP区間毎に繰
り返す事によって、目標平均符号化レートを中心とし
て、可変符号化レートで、1回で、符号化を達成するこ
とが出来る。
り返す事によって、目標平均符号化レートを中心とし
て、可変符号化レートで、1回で、符号化を達成するこ
とが出来る。
【0088】図4の本発明による符号化レートの時間推
移説明図に、本発明を適用して、各GOP区間毎に、目
標平均符号化レートR0を中心に、可変レート符号化を行
う様子を示す。
移説明図に、本発明を適用して、各GOP区間毎に、目
標平均符号化レートR0を中心に、可変レート符号化を行
う様子を示す。
【0089】次に、実施例について、さらに詳細に具体
的な説明を行う。
的な説明を行う。
【0090】
【発明の実施の形態】前項で説明した(3)式におけ
る、平均レート補正係数Cr、画像複雑度変化指数Ccの具
体的な定義式の一例として、(5)、(6)式を示す。
る、平均レート補正係数Cr、画像複雑度変化指数Ccの具
体的な定義式の一例として、(5)、(6)式を示す。
【0091】 ここで、RLは、多区間平均符号化レートの許容変動幅、
GCM (Global Complexity Measure) は、(7)式で定義
され、直前のGOP区間にわたり符号化した結果得られ
る区間画像複雑度であり、マクロブロックに対する量子
化スケールQの画像フレーム毎の平均値qjと画像フレー
ム毎の符号発生量Pjの積のGOP区間の画像フレームに
対する総計値を用いるものとする。
GCM (Global Complexity Measure) は、(7)式で定義
され、直前のGOP区間にわたり符号化した結果得られ
る区間画像複雑度であり、マクロブロックに対する量子
化スケールQの画像フレーム毎の平均値qjと画像フレー
ム毎の符号発生量Pjの積のGOP区間の画像フレームに
対する総計値を用いるものとする。
【0092】 GCM =〔Σ(qj×Pj )〕(j=1〜n) (7) n = GOP時間内での画像フレーム数の総計多区間平均
画像複雑度GCMav 、多区間平均符号化レートRav は、そ
れぞれ区間画像複雑度GCM 、区間毎の目標符号化レート
R の近似値となる実測符号化レートR'を直前のGOP迄
の所定のGOP区間数mにわたって平均した値で、
(8)、(9)式から求まる。
画像複雑度GCMav 、多区間平均符号化レートRav は、そ
れぞれ区間画像複雑度GCM 、区間毎の目標符号化レート
R の近似値となる実測符号化レートR'を直前のGOP迄
の所定のGOP区間数mにわたって平均した値で、
(8)、(9)式から求まる。
【0093】 GCMav =avg(GCM ) (8) Rav=avg(R') (9) 但し、平均化対象とする直前迄のGOPの区間数mとし
て数百が使われる。
て数百が使われる。
【0094】次のGOPに対する目標符号化レートR が
定まると、GOPの時間長TgからGOPの期間長に割当
られるべき目標符号量CDが(10)式で求まる。
定まると、GOPの時間長TgからGOPの期間長に割当
られるべき目標符号量CDが(10)式で求まる。
【0095】CD=R ×Tg (10) ここで、時間長Tgは、画像を再生する時の画像フレーム
レートf と、GOPの画像フレーム枚数nから(11)
式で求まる。
レートf と、GOPの画像フレーム枚数nから(11)
式で求まる。
【0096】Tg=n/f (11) 平均符号化レート補正係数Crは、目標平均符号化レート
R0、多区間平均符号化レートRav 、多区間平均符号化レ
ートの目標平均符号化レートからの許容変動幅RLの3つ
の変数から定まり、多区間平均符号化レートRav が、平
均目標符号化レートの場合1となり、目標平均符号化レ
ートR0から大きくずれ許容変動幅RLに近づくと値が0に
漸近し、該可変レート補正項を0に漸近させる働きを持
つことが分かる。
R0、多区間平均符号化レートRav 、多区間平均符号化レ
ートの目標平均符号化レートからの許容変動幅RLの3つ
の変数から定まり、多区間平均符号化レートRav が、平
均目標符号化レートの場合1となり、目標平均符号化レ
ートR0から大きくずれ許容変動幅RLに近づくと値が0に
漸近し、該可変レート補正項を0に漸近させる働きを持
つことが分かる。
【0097】また、画像複雑度変化指数Ccは、区間画像
複雑度GCM の多区間平均画像複雑度GCMav に対する変化
割合値を有し、区間画像複雑度の突然の変化に対して、
変化の割合に応じた即応値をとり、区間画像複雑度が多
区間平均画像複雑度に対して同じ偏差値の状態が続くと
値が0に漸近し該可変レート補正項を0に漸近させる働
きを持つ。
複雑度GCM の多区間平均画像複雑度GCMav に対する変化
割合値を有し、区間画像複雑度の突然の変化に対して、
変化の割合に応じた即応値をとり、区間画像複雑度が多
区間平均画像複雑度に対して同じ偏差値の状態が続くと
値が0に漸近し該可変レート補正項を0に漸近させる働
きを持つ。
【0098】この結果、動画像が突然複雑な画像に変化
した場合には、即座に符号化レートを上げ、逆に、単純
な画像に変化した場合には、符号化レートを下げ、ま
た、符号化レートが目標平均符号化レートからずれた状
態が一定期間以上続く場合には、自動的に、目標平均符
号化レートに戻してやることが可能となる。
した場合には、即座に符号化レートを上げ、逆に、単純
な画像に変化した場合には、符号化レートを下げ、ま
た、符号化レートが目標平均符号化レートからずれた状
態が一定期間以上続く場合には、自動的に、目標平均符
号化レートに戻してやることが可能となる。
【0099】これによって、符号化レートの平均値を予
め定めた目標平均符号化レートに保ちながら、かつ、画
像の急激な変化に対しても、常に、高い品質の動画像符
号化を実現することが可能となる。
め定めた目標平均符号化レートに保ちながら、かつ、画
像の急激な変化に対しても、常に、高い品質の動画像符
号化を実現することが可能となる。
【0100】次に符号化対象のGOPの中で、I、P、
Bの各画像フレームに対する符号量CDI 、CDP 、CDB
は、(12)式に従って求める。*1 *1:総合マルチメディア選書「MPEG」テレビジョン
学会編 ここで、Np、Nbは、GOP区間の未符号化のPピクチ
ャ、Bピクチャ枚数、Xi、Xp、XbはI、P、Bピクチャ
の画像複雑度を、Kp、Kbは、Iピクチャの平均量子化ス
ケールに対するP、Bピクチャの平均量子化スケールの
比率である。
Bの各画像フレームに対する符号量CDI 、CDP 、CDB
は、(12)式に従って求める。*1 *1:総合マルチメディア選書「MPEG」テレビジョン
学会編 ここで、Np、Nbは、GOP区間の未符号化のPピクチ
ャ、Bピクチャ枚数、Xi、Xp、XbはI、P、Bピクチャ
の画像複雑度を、Kp、Kbは、Iピクチャの平均量子化ス
ケールに対するP、Bピクチャの平均量子化スケールの
比率である。
【0101】また、CD' は、Iピクチャに対して、符号
量を割り振って符号化実施後の残りの符号量をP,Bピ
クチャに割り振って、各画像フレーム毎に符号化を行う
都度に、符号化済の符号量を差し引いた残りの符号量を
さす。
量を割り振って符号化実施後の残りの符号量をP,Bピ
クチャに割り振って、各画像フレーム毎に符号化を行う
都度に、符号化済の符号量を差し引いた残りの符号量を
さす。
【0102】(12)式は、(10)式から求まる次の
GOP区間に対する目標符号量CDを直前のGOP区間に
おける画像フレーム毎の発生符号量に比例して、各画像
フレームに割り当てを実際の符号化発生量の誤差分を逐
次残りの画面の符号化で補正しながら符号化を行うこと
を意味する。
GOP区間に対する目標符号量CDを直前のGOP区間に
おける画像フレーム毎の発生符号量に比例して、各画像
フレームに割り当てを実際の符号化発生量の誤差分を逐
次残りの画面の符号化で補正しながら符号化を行うこと
を意味する。
【0103】各画像フレーム当たりの目標符号量の割当
が決まれば、画面内の各マクロブロック毎の量子化スケ
ールコードqc(j )を(13)〜(16)式に従って、
逐次制御しながら画像フレーム毎の符号化を行う。*1
まず、I、P、B画像フレーム内のj 番目のマクロブロ
ックの符号化に先立ち、各画像フレームに対するj 番目
の仮想バッファの占有量 di(j )、 dp(j )、db(j )
の値を(13)式によって求める。
が決まれば、画面内の各マクロブロック毎の量子化スケ
ールコードqc(j )を(13)〜(16)式に従って、
逐次制御しながら画像フレーム毎の符号化を行う。*1
まず、I、P、B画像フレーム内のj 番目のマクロブロ
ックの符号化に先立ち、各画像フレームに対するj 番目
の仮想バッファの占有量 di(j )、 dp(j )、db(j )
の値を(13)式によって求める。
【0104】 ここで、 B(j) は、画像フレームの先頭からj 番目のマ
クロブロック迄の実際の符号発生ビット量、Mbは、画像
フレーム内のマクロブロック数をさす。
クロブロック迄の実際の符号発生ビット量、Mbは、画像
フレーム内のマクロブロック数をさす。
【0105】また、画像フレーム毎の先頭(j=1)の
マクロブロックに対する符号化時の仮想バッファの初期
値として、 但し、r=2 ×R /f (15) を使う。
マクロブロックに対する符号化時の仮想バッファの初期
値として、 但し、r=2 ×R /f (15) を使う。
【0106】この時、j 番目のマクロブロックに対する
量子化スケールコードqc(j) を(16)式で求める。
量子化スケールコードqc(j) を(16)式で求める。
【0107】qc(j) = dx(j )×31/r (16) dx(j )=( di(j )、 dp(j )、 db(j )) (13)、(16)式は、画像フレームあたりの目標符
号量に、実際の符号化を行って発生した符号量が一致す
るように、直前迄のマクロブロックの符号化結果を見な
がら、各マクロブロックを量子化スケールコードqc(j)
を逐次フィードバック制御して符号化を行うことを意味
する。
号量に、実際の符号化を行って発生した符号量が一致す
るように、直前迄のマクロブロックの符号化結果を見な
がら、各マクロブロックを量子化スケールコードqc(j)
を逐次フィードバック制御して符号化を行うことを意味
する。
【0108】(13)式から明らかな如く、マクロブロ
ックの番号順に比例して配分した累計目標符号量と実際
の累計発生符号量との差分値が大きく変化した場合は、
画像が、その変化の方向に向かって画像複雑度を変化さ
せていることを意味する為、(16)式によって、量子
化スケールコード(従って量子化スケール)を変化さ
せ、累計発生符号量を累計目標符号量に近づけるように
制御する。
ックの番号順に比例して配分した累計目標符号量と実際
の累計発生符号量との差分値が大きく変化した場合は、
画像が、その変化の方向に向かって画像複雑度を変化さ
せていることを意味する為、(16)式によって、量子
化スケールコード(従って量子化スケール)を変化さ
せ、累計発生符号量を累計目標符号量に近づけるように
制御する。
【0109】(13)式から明らかなごとく、累計発生
符号量と累計目標符号量との誤差は、次のマクロブロッ
クの符号化の時に反映されて、量子化スケールコードの
値を誤差を縮小させる方向にフィードバック制御する作
用を持つ。
符号量と累計目標符号量との誤差は、次のマクロブロッ
クの符号化の時に反映されて、量子化スケールコードの
値を誤差を縮小させる方向にフィードバック制御する作
用を持つ。
【0110】また、(15)式のr は、リアクションパ
ラメータと呼ばれており、この値が大き過ぎると仮想バ
ッファの値が大きくなり過ぎ、画像の複雑度の変化に対
する対応速度が遅くなり目標符号量と発生符号量の差が
開きすぎ、また、小さ過ぎると画像の複雑度の変化に対
する対応速度は早くなるが、過剰反応を生起し、必要以
上に符号量を減らし過ぎて画質の劣化を引き起こす。
ラメータと呼ばれており、この値が大き過ぎると仮想バ
ッファの値が大きくなり過ぎ、画像の複雑度の変化に対
する対応速度が遅くなり目標符号量と発生符号量の差が
開きすぎ、また、小さ過ぎると画像の複雑度の変化に対
する対応速度は早くなるが、過剰反応を生起し、必要以
上に符号量を減らし過ぎて画質の劣化を引き起こす。
【0111】この為、リアクションパラメータr の値に
は、適当な値が存在し、経験的に(15)式が最適値と
して求まる。(15)式の右辺はGOP区間の目標符号
量をGOPの画像フレームに平均的に割り振った平均符
号量の2倍の値を意味する。
は、適当な値が存在し、経験的に(15)式が最適値と
して求まる。(15)式の右辺はGOP区間の目標符号
量をGOPの画像フレームに平均的に割り振った平均符
号量の2倍の値を意味する。
【0112】また、(14)式の初期値も経験式であ
る。この初期値が大き過ぎたり、小さ過ぎると、(1
6)式から決まる最初のマクロブロックに対する量子化
スケールコードの値が大き過ぎたり、小さくなり過ぎ
て、マクロブロックの最初の方で目標符号量との差異が
おおきくなる。
る。この初期値が大き過ぎたり、小さ過ぎると、(1
6)式から決まる最初のマクロブロックに対する量子化
スケールコードの値が大き過ぎたり、小さくなり過ぎ
て、マクロブロックの最初の方で目標符号量との差異が
おおきくなる。
【0113】Iフレームを例にとると、(14)式の仮
想バッファの初期値を(16)の量子化スケールコード
の式に代入すれば明らかな如く、Iフレームの最初のマ
クロブロックの符号化を量子化スケールコード10に設
定して符号化を開始することを意味している。
想バッファの初期値を(16)の量子化スケールコード
の式に代入すれば明らかな如く、Iフレームの最初のマ
クロブロックの符号化を量子化スケールコード10に設
定して符号化を開始することを意味している。
【0114】このように、(3)〜(10 )式によっ
て、GOP区間に対する目標符号量が定まれば、(1
2)〜(16)式によって、各画像フレーム毎の符号化
を実施して目標符号量と発生符号量を一致させるよう
に、量子化スケールをマクロブロック毎に制御する事が
可能となる。
て、GOP区間に対する目標符号量が定まれば、(1
2)〜(16)式によって、各画像フレーム毎の符号化
を実施して目標符号量と発生符号量を一致させるよう
に、量子化スケールをマクロブロック毎に制御する事が
可能となる。
【0115】図5の目標符号化レート決定手順の図解説
明に、これらの式を使って、目標符号化レートR を求め
る手順を図解的に示す。
明に、これらの式を使って、目標符号化レートR を求め
る手順を図解的に示す。
【0116】図5で、例えば、平均符号化レートR0で継
続して符号化動作を行っている場合は一定のサイクルを
繰り返して符号化が行われている。
続して符号化動作を行っている場合は一定のサイクルを
繰り返して符号化が行われている。
【0117】この状態で、次のGOPのサイクルで複雑
度が平均複雑度GCMav の1.5 倍の画像に切り替わった場
合には、新たなサイクルで符号化が行われる。
度が平均複雑度GCMav の1.5 倍の画像に切り替わった場
合には、新たなサイクルで符号化が行われる。
【0118】図5から明らかな如く、多区間平均符号化
レートは、必ず、平均目標符号化レートR0に対して、許
容変動幅RLの範囲内に抑えられ、通常、画像の複雑度は
平均複雑度GCMav を中心に、長時間平均が対称な確率密
度分布を有することから、可変レートは、目標平均符号
化レートR0に対して対称な確率密度分布もって符号化さ
れる。
レートは、必ず、平均目標符号化レートR0に対して、許
容変動幅RLの範囲内に抑えられ、通常、画像の複雑度は
平均複雑度GCMav を中心に、長時間平均が対称な確率密
度分布を有することから、可変レートは、目標平均符号
化レートR0に対して対称な確率密度分布もって符号化さ
れる。
【0119】従って、可変レートで、所定の蓄積容量の
蓄積媒体に対して、所定の時間長に近似的に等しい動画
像を高品質で符号化・蓄積することが可能となる。
蓄積媒体に対して、所定の時間長に近似的に等しい動画
像を高品質で符号化・蓄積することが可能となる。
【0120】図5に示す如く、発生符号量、量子化スケ
ールの実測データから式(3)に従って、次のGOP区
間に対する目標符号化レートが定まり、目標符号化レー
トに応じた、実際符号化処理によって新たな発生符号
量、量子化スケールの値が定まるというサイクルを繰り
返す。
ールの実測データから式(3)に従って、次のGOP区
間に対する目標符号化レートが定まり、目標符号化レー
トに応じた、実際符号化処理によって新たな発生符号
量、量子化スケールの値が定まるというサイクルを繰り
返す。
【0121】この辺の手順をさらに詳細に、図6の目標
符号量割当の手順、図7の本発明の可変レート符号化処
理方式の詳細処理フロー図、図8の画像フレーム面内画
像符号化の手順に従って説明する。
符号量割当の手順、図7の本発明の可変レート符号化処
理方式の詳細処理フロー図、図8の画像フレーム面内画
像符号化の手順に従って説明する。
【0122】図6、図7は、(3)〜(9)式から目標
符号化レートR を求め、(10)式から目標符号量CDを
きめ、(12)式からGOP内の各画像フレームへ符号
量を割当て、(13)〜(16)式を用いて画像フレー
ム内のマクロブロック単位に符号化を行って、逐次GO
P内、全時間分の符号化を行う全処理手順を示す。
符号化レートR を求め、(10)式から目標符号量CDを
きめ、(12)式からGOP内の各画像フレームへ符号
量を割当て、(13)〜(16)式を用いて画像フレー
ム内のマクロブロック単位に符号化を行って、逐次GO
P内、全時間分の符号化を行う全処理手順を示す。
【0123】また、図8は、画像フレーム毎に、マクロ
ブロック単位で、目標符号量と発生符号量の実測結果の
比較結果を元に、(13)〜(16)式に従って、画面
フレーム内符号化を行う手順を示す。
ブロック単位で、目標符号量と発生符号量の実測結果の
比較結果を元に、(13)〜(16)式に従って、画面
フレーム内符号化を行う手順を示す。
【0124】さらに、図9の目標符号化レートと関連パ
ラメータの過渡応答推移例に、GOP区間毎の目標符号
化レートR 、(4)式の可変レート補正係数Cr、(5)
式の画像複雑度変化指数CcのGOPの区間数mをパラメ
ータとした計算例を示す。
ラメータの過渡応答推移例に、GOP区間毎の目標符号
化レートR 、(4)式の可変レート補正係数Cr、(5)
式の画像複雑度変化指数CcのGOPの区間数mをパラメ
ータとした計算例を示す。
【0125】図9は、平均的な画像が続いていた状態か
ら、急に、区間画像複雑度GCM の値が直前までの画像の
1.8 倍の画像に変化し、その状態が長期間続いた場合の
目標符号化レートR 、可変レート補正係数Cr、画像複雑
度変化指数Ccの過渡応答の時間推移状況を示す。平均的
な画像複雑度から大きくずれた画像複雑度の動画像が長
時間続くと、可変レート補正係数Cr、画像複雑度変化指
数Ccともに、0 に収斂しようとする性質を持っており、
この可変速度補正係数Cr、複雑度変化指数Ccの2つの項
の相乗効果により、画像の複雑度が長期間に渡って画像
の平均複雑度からずれて、平均目標符号化レートR0から
ずれることを抑止する。
ら、急に、区間画像複雑度GCM の値が直前までの画像の
1.8 倍の画像に変化し、その状態が長期間続いた場合の
目標符号化レートR 、可変レート補正係数Cr、画像複雑
度変化指数Ccの過渡応答の時間推移状況を示す。平均的
な画像複雑度から大きくずれた画像複雑度の動画像が長
時間続くと、可変レート補正係数Cr、画像複雑度変化指
数Ccともに、0 に収斂しようとする性質を持っており、
この可変速度補正係数Cr、複雑度変化指数Ccの2つの項
の相乗効果により、画像の複雑度が長期間に渡って画像
の平均複雑度からずれて、平均目標符号化レートR0から
ずれることを抑止する。
【0126】複雑な画像が続く場合に、どの程度の時定
数でこの抑止効果を働かせるかは、過去のGOPの平均
をとる区間数mに依存して変わり、mが小さい場合に
は、R0への収斂速度が早くなり、mが大きい場合には、
R0への収斂速度が遅くなる。
数でこの抑止効果を働かせるかは、過去のGOPの平均
をとる区間数mに依存して変わり、mが小さい場合に
は、R0への収斂速度が早くなり、mが大きい場合には、
R0への収斂速度が遅くなる。
【0127】通常、類似の画像を長時間録画する場合に
は、多区間平均複雑度GCMav に対して、平均複雑度GCM
の値は、ほぼ対称な生起確率密度分布を有するという一
般則が成立する。
は、多区間平均複雑度GCMav に対して、平均複雑度GCM
の値は、ほぼ対称な生起確率密度分布を有するという一
般則が成立する。
【0128】本発明では、上記の一般則を利用して、
(3)式によって、多区間平均符号化レートを目標平均
符号化レートR0に対して許容変化幅RLの範囲内に抑え、
GOPの区間毎に、可変レートで、定速度符号化を繰り
返すことによって、媒体容量と記録時間長からきまる平
均目標符号化レートに対して、許容可変幅の範囲内で、
符号化を行い、例外的に、複雑な画像や単純な画像が続
いて、平均目標符号化レートR0から外れようとすると、
可変レート補正項の引き戻し効果が働き、目標符号化レ
ートを平均目標符号化レートR0に引き戻すことによっ
て、蓄積媒体の割当容量に対して、目標記録時間の誤差
を極小に抑えて、1 回の符号化で可変レート符号化と蓄
積を可能としている。
(3)式によって、多区間平均符号化レートを目標平均
符号化レートR0に対して許容変化幅RLの範囲内に抑え、
GOPの区間毎に、可変レートで、定速度符号化を繰り
返すことによって、媒体容量と記録時間長からきまる平
均目標符号化レートに対して、許容可変幅の範囲内で、
符号化を行い、例外的に、複雑な画像や単純な画像が続
いて、平均目標符号化レートR0から外れようとすると、
可変レート補正項の引き戻し効果が働き、目標符号化レ
ートを平均目標符号化レートR0に引き戻すことによっ
て、蓄積媒体の割当容量に対して、目標記録時間の誤差
を極小に抑えて、1 回の符号化で可変レート符号化と蓄
積を可能としている。
【0129】尚、実際の符号化結果と割当容量との間の
累積誤差が許容誤差範囲を超えて拡大する場合は、平均
目標符号化レートR0の値を途中で適宜修正するか、残り
予測記録時間Trを割当蓄積容量Mとそれまでの符号量
累積値ΣCDiから Tr=(M−ΣCDi)/R0 (17) で求めて表示する等の方法によって、蓄積時間の微少誤
差発生の影響を軽減することができる。
累積誤差が許容誤差範囲を超えて拡大する場合は、平均
目標符号化レートR0の値を途中で適宜修正するか、残り
予測記録時間Trを割当蓄積容量Mとそれまでの符号量
累積値ΣCDiから Tr=(M−ΣCDi)/R0 (17) で求めて表示する等の方法によって、蓄積時間の微少誤
差発生の影響を軽減することができる。
【0130】図10の本発明の可変レート符号化方式に
よる符号器構成の実施例1に、本発明の原理にもとずく
回路構成例1を示す。
よる符号器構成の実施例1に、本発明の原理にもとずく
回路構成例1を示す。
【0131】図10で、MPEG符号器部100は、図
15の従来の可変レート符号化方式による符号器の構成
図と同じ構成である。
15の従来の可変レート符号化方式による符号器の構成
図と同じ構成である。
【0132】また、ブロック部200は、目標符号量割
当部である。
当部である。
【0133】15’は、マクロブロック、画像フレー
ム、GOP単位での発生符号量、を測定する発生符号量
測定部、16’は、これらの発生符号量データとマクロ
ブロック単位で量子化制御部11から得られる量子化ス
ケールの値を蓄積する符号化データ用メモリ、18は、
符号化データ用メモリに蓄積されている過去の発生符号
量のデータを基に、(6)、(7)、(8)式により最
新のGOPの区間画像複雑度GCM 、一定期間長分の多区
間平均複雑度GCMav 、多区間平均符号化レートRav を計
算する平均値計算部、17’は符号化データメモリ1
6’に蓄積された発生符号量と、平均値計算部18から
得られる最新のGOPにおける多区間平均符号化レート
Rav と区間画像複雑度GCM 、多区間平均画像複雑度GCMa
v から次のGOPとGOP内のI、P、Bの各画像フレ
ームに対する目標割当符号量の計算を(3)〜(11)
式を用いて行う目標符号量計算部である。
ム、GOP単位での発生符号量、を測定する発生符号量
測定部、16’は、これらの発生符号量データとマクロ
ブロック単位で量子化制御部11から得られる量子化ス
ケールの値を蓄積する符号化データ用メモリ、18は、
符号化データ用メモリに蓄積されている過去の発生符号
量のデータを基に、(6)、(7)、(8)式により最
新のGOPの区間画像複雑度GCM 、一定期間長分の多区
間平均複雑度GCMav 、多区間平均符号化レートRav を計
算する平均値計算部、17’は符号化データメモリ1
6’に蓄積された発生符号量と、平均値計算部18から
得られる最新のGOPにおける多区間平均符号化レート
Rav と区間画像複雑度GCM 、多区間平均画像複雑度GCMa
v から次のGOPとGOP内のI、P、Bの各画像フレ
ームに対する目標割当符号量の計算を(3)〜(11)
式を用いて行う目標符号量計算部である。
【0134】図10の構成で、最新のGOPまでの符号
化を行った結果が、可変長符号化部10の出力として得
られ、発生符号量測定部15' で測定され、符号化デー
タメモリ16' に蓄積されている。また、符号化データ
メモリ16' には、前のGOP区間の各画像フレーム毎
にマクロブロック単位で量子化スケールの値qiが蓄積さ
れている。
化を行った結果が、可変長符号化部10の出力として得
られ、発生符号量測定部15' で測定され、符号化デー
タメモリ16' に蓄積されている。また、符号化データ
メモリ16' には、前のGOP区間の各画像フレーム毎
にマクロブロック単位で量子化スケールの値qiが蓄積さ
れている。
【0135】平均値計算部18は、符号化データ用メモ
リの値をもとに、(7)式から最新GOPに対する区間
画像複雑度GCM を(8)式から多区間平均画像複雑度GC
Mavを、(9)式から、多区間平均符号化レートRav を
求める。
リの値をもとに、(7)式から最新GOPに対する区間
画像複雑度GCM を(8)式から多区間平均画像複雑度GC
Mavを、(9)式から、多区間平均符号化レートRav を
求める。
【0136】目標符号量計算部17’は、(3)〜(1
1)式から次のGOP区間に対する目標符号量CDを得、
目標符号量をさらに、各画像フレームに対する実測の発
生符号量に応じて、(12)式を使って当該GOPの
I、P、B各画像フレームに対する目標符号量を配分す
る。
1)式から次のGOP区間に対する目標符号量CDを得、
目標符号量をさらに、各画像フレームに対する実測の発
生符号量に応じて、(12)式を使って当該GOPの
I、P、B各画像フレームに対する目標符号量を配分す
る。
【0137】この画像フレーム毎の符号量配分結果に対
して、各画像フレーム内のマクロブロック毎に、11の
量子化制御部が量子化スケールを(13)〜(16)式
を使って逐次制御しながら、入力画像信号に対して10
0のMPEG符号器部の符号化動作を行わせる。
して、各画像フレーム内のマクロブロック毎に、11の
量子化制御部が量子化スケールを(13)〜(16)式
を使って逐次制御しながら、入力画像信号に対して10
0のMPEG符号器部の符号化動作を行わせる。
【0138】実際には、GOP単位、画像フレーム、マ
クロブロック、ブロック毎の符号量割当は、図13
(b)のMPEG方式の符号シーケンスに示したヘッダ
分の符号量を予め減算した符号量を割り振ることにな
る。
クロブロック、ブロック毎の符号量割当は、図13
(b)のMPEG方式の符号シーケンスに示したヘッダ
分の符号量を予め減算した符号量を割り振ることにな
る。
【0139】このようにして、全画面にわたって符号化
処理を行った結果、新たな量子化スケールGCM の値が、
次のGOP区間に対して得られる。
処理を行った結果、新たな量子化スケールGCM の値が、
次のGOP区間に対して得られる。
【0140】この量子化スケールの値と、実際に得られ
た発生符号量をもとに、平均値計算部18、目標符号量
計算部17’で(3)〜(10)式を元に所定の計算が
行われ、さらに当該GOPに対する符号化レートR の値
が決定される。
た発生符号量をもとに、平均値計算部18、目標符号量
計算部17’で(3)〜(10)式を元に所定の計算が
行われ、さらに当該GOPに対する符号化レートR の値
が決定される。
【0141】図11の本発明の可変レート符号化方式に
よる符号器構成の実施例2に本発明の第2の実施例に示
す。本構成では、符号量割当部の構成として、固定量子
化スケールでMPEG符号化を行うMPEG符号器から
の発生符号量を実測する構成とし、実測結果を用いて、
この符号量割当部の処理時間と同じ1GOP分だけ遅ら
せた入力画像信号に対して、改めて、目標符号量割当に
従って符号化を行う。
よる符号器構成の実施例2に本発明の第2の実施例に示
す。本構成では、符号量割当部の構成として、固定量子
化スケールでMPEG符号化を行うMPEG符号器から
の発生符号量を実測する構成とし、実測結果を用いて、
この符号量割当部の処理時間と同じ1GOP分だけ遅ら
せた入力画像信号に対して、改めて、目標符号量割当に
従って符号化を行う。
【0142】MPEG符号器部が1ケ余分に必要になる
が、前のGOP区間で得た符号結果から次のGOP区間
を予測し、予測誤差を修正しながら符号化を行う実施例
1の構成に比べると、目標符号量割当の精度を上げられ
る。
が、前のGOP区間で得た符号結果から次のGOP区間
を予測し、予測誤差を修正しながら符号化を行う実施例
1の構成に比べると、目標符号量割当の精度を上げられ
る。
【0143】図11で、100のMPEG符号器部は、
図10のMPEG符号器部100と、基本的には同じ構
成と機能を有する。
図10のMPEG符号器部100と、基本的には同じ構
成と機能を有する。
【0144】100’のMPEG符号器部は、100の
MPEGの基本符号器部から、量子化制御部をのぞい
た、固定量子化スケールでMPEG符号化を行う部分で
ある。
MPEGの基本符号器部から、量子化制御部をのぞい
た、固定量子化スケールでMPEG符号化を行う部分で
ある。
【0145】ブロック200’は、図10のブロック2
00と類似のレート制御機能を有する目標符号量割当部
である。20は、1GOP分の容量を持つ画像フレーム
メモリ部分であり、100のMPEG符号器部が20
0’の目標符号量割当部の予測符号化の結果を使って、
当該GOPに対する符号化処理を行う為の遅延線の役目
を果たしている。
00と類似のレート制御機能を有する目標符号量割当部
である。20は、1GOP分の容量を持つ画像フレーム
メモリ部分であり、100のMPEG符号器部が20
0’の目標符号量割当部の予測符号化の結果を使って、
当該GOPに対する符号化処理を行う為の遅延線の役目
を果たしている。
【0146】図11で、入力画像信号に対して、10
0’のMPEG符号器部は、量子化スケールを一定にし
たままで入力された符号化対象のGOP区間に対して符
号化処理を行い、発生した符号量を基に、画像複雑度や
区間複雑度、多区間平均画像複雑度、多区間平均符号化
レートを計算し、この値をもとに、1GOP分遅れて、
100のMPEG符号器に入力される入力画像信号に対
して、(3)〜(10)式から当該GOPに対する目標
符号量を求める。
0’のMPEG符号器部は、量子化スケールを一定にし
たままで入力された符号化対象のGOP区間に対して符
号化処理を行い、発生した符号量を基に、画像複雑度や
区間複雑度、多区間平均画像複雑度、多区間平均符号化
レートを計算し、この値をもとに、1GOP分遅れて、
100のMPEG符号器に入力される入力画像信号に対
して、(3)〜(10)式から当該GOPに対する目標
符号量を求める。
【0147】また、この目標符号量を、実測の画像フレ
ーム毎の発生符号量を基に比例配分を行う。
ーム毎の発生符号量を基に比例配分を行う。
【0148】次に、この結果を使って、フレームメモリ
20によって、1GOP分遅れて来た、符号化対象とす
べき、100’のMPEG符号器部で既に符号化処理を
行って、各種情報を得ている当該GOPに対して、量子
化制御部を制御しながらMPEG符号化を行う。
20によって、1GOP分遅れて来た、符号化対象とす
べき、100’のMPEG符号器部で既に符号化処理を
行って、各種情報を得ている当該GOPに対して、量子
化制御部を制御しながらMPEG符号化を行う。
【0149】すなわち、この目標符号量割当結果に基づ
いて、(13)〜(16)式を基に11の量子化制御部
を制御し、量子化スケールを変えながら、1GOP分遅
延して入力された入力画像信号に対して、実施例1と同
様にして、100のMPEG符号器部の符号化処理を行
う。
いて、(13)〜(16)式を基に11の量子化制御部
を制御し、量子化スケールを変えながら、1GOP分遅
延して入力された入力画像信号に対して、実施例1と同
様にして、100のMPEG符号器部の符号化処理を行
う。
【0150】実施例2を実施例1と比べた場合、実施例
1では、前のGOPの符号化結果で得られた複雑度を基
に、次のGOPでも、同じ傾向の画像が続くと仮定して
次のGOPに対する符号量割当を行っている。従って、
急激な画像の変化があった場合に可変レートを変化させ
る時に追随遅れが生ずる。
1では、前のGOPの符号化結果で得られた複雑度を基
に、次のGOPでも、同じ傾向の画像が続くと仮定して
次のGOPに対する符号量割当を行っている。従って、
急激な画像の変化があった場合に可変レートを変化させ
る時に追随遅れが生ずる。
【0151】これに対して、実施例2では、符号化対象
となるGOP期間の複雑度を測定し、この複雑度をもと
に、再度、当該GOP期間の目標レートと目標符号量を
きめている為、予測の精度は大幅に向上し、画像の複雑
度に応じて可変レートの制御をより適切に行うことが出
来る。
となるGOP期間の複雑度を測定し、この複雑度をもと
に、再度、当該GOP期間の目標レートと目標符号量を
きめている為、予測の精度は大幅に向上し、画像の複雑
度に応じて可変レートの制御をより適切に行うことが出
来る。
【0152】但し、目標符号量割当部の構成において、
事前予測符号化処理用の新たなMPEG符号器部、1G
OP分の画像フレームメモリが余分に必要となる。
事前予測符号化処理用の新たなMPEG符号器部、1G
OP分の画像フレームメモリが余分に必要となる。
【0153】
【発明の効果】本発明により、動画像を可変レートで1
回で符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とするデジタル
蓄積媒体用可変レート動画像符号化装置の実現が可能と
なり、必要な蓄積媒体容量の低減による低コスト化、ま
た、テレビの実況中継などのリアルタイムの用途に用い
ても伝送コストの低減などその適用効果は高い。
回で符号化し、蓄積媒体への蓄積を可能とするデジタル
蓄積媒体用可変レート動画像符号化装置の実現が可能と
なり、必要な蓄積媒体容量の低減による低コスト化、ま
た、テレビの実況中継などのリアルタイムの用途に用い
ても伝送コストの低減などその適用効果は高い。
【図1】 本発明の原理説明図である。
【図2】 本発明の可変レート符号化方式の基本処理フ
ローである。
ローである。
【図3】 画像複雑度のグラフである。
【図4】 本発明による可変レート符号化の時間推移説
明図である。
明図である。
【図5】 目標符号化レートの決定手順の図解説明であ
る。
る。
【図6】 目標符号量割当の手順である。
【図7】 本発明の可変レート符号化方式の詳細処理フ
ロー図である。
ロー図である。
【図8】 画像フレーム面内画像符号化の手順である。
【図9】 目標符号化レートと関連パラメータの過渡応
答推移例である。
答推移例である。
【図10】 本発明の可変レート符号化方式による符号
器構成の実施例1である。
器構成の実施例1である。
【図11】 本発明の可変レート符号化方式による符号
器構成の実施例2である。
器構成の実施例2である。
【図12】 MPEG方式の処理機能である。
【図13】 MPEG方式の予測処理構造と符号シーケ
ンスである。
ンスである。
【図14】 量子化スケールと量子化スケールコードで
ある。
ある。
【図15】 従来の可変レート符号化方式による符号器
の構成図である。
の構成図である。
【図16】 従来の可変レート符号化方式による2パス
符号化である。
符号化である。
【図17】 従来の可変レート符号化方式の処理フロー
である。
である。
【符号の説明】 1、1’ DCT変換部 2、2’ 量子化部 3、3’ 逆量子化部 4、4’ 逆DCT変換部 5、5’20 フレームメモリ 6、6’ 動き検出部 7、7’ 動き補償部 8、8’ 減算器 9、9’ 加算器 10、10’ 可変長符号化部 11、11’ 量子化制御部 12、12’ 出力バッファ 13、13’,14 切替スイッチ 15、15’、15” 発生符号量測定部 16 符号量用メモリ 16’、16” 符号化データメモリ 17、17’ 目標符号量計算部 18,18’ 平均値計算部 100、100‘ MPEG符号器部 200、200’ 目標符号量割当部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5C057 AA01 AA09 BA19 CA01 CB05 CC04 CE04 EF05 EG06 EH07 EK03 EL01 EM04 EM09 EM13 EM16 GE08 GF03 GF04 GG05 GH05 GJ05 5C059 KK26 KK33 MA00 MA05 MA14 MA23 MC15 MC38 ME01 PP04 RC28 SS13 SS14 TA53 TA57 TB03 TC19 TC38 TD16 UA02
Claims (5)
- 【請求項1】量子化スケールを可変にすることにより発
生符号量の制御を行う動画像符号器、 目標平均符号化レートと、該動画像符号器からの一定枚
数の画像フレームからなる最新の符号化区間に対する発
生符号量、量子化スケールの実測データをもとに、所定
の計算式に従って、次の符号化区間に対する目標符号化
レート及び、目標符号化レートと該符号化区間の時間長
の積として定まる目標符号量の計算と目標符号量の各画
像フレームへの割当を行う目標符号量割当部、からな
り、 該符号化区間毎に、各々割り当てた目標符号化レートで
符号化を繰り返すことにより、動画像を、前記目標平均
符号化レートを中心に可変レートで1回で符号化するこ
とを特徴とする、可変レート動画像符号化装置。 - 【請求項2】請求項1に記載の所定の計算式は、 前記目標平均符号化レートと、前記符号化区間毎の目標
符号化レートの目標平均符号化レートからの偏差を表す
可変レート補正項の和で定義され、 該可変レート補正項は、 目標平均符号化レート、最新の符号化区間迄の一定の区
間数に対する過去の符号化レートの実績値を平均化した
多区間平均符号化レート、多区間平均符号化レートの目
標平均符号化レートからの許容変動幅の3つの変数から
定め、多区間平均符号化レートが、目標平均符号化レー
トと等しい場合に1の値を取り、目標平均符号化レート
から許容変動幅にむかって大きくずれると値が0に漸近
し、該可変レート補正項を0に漸近させる働きを持つ、
平均符号化レート補正係数、 画像フレーム毎の画像の複雑度を定義する画像複雑度を
前記符号化区間にわたって総計した区間画像複雑度、最
新の符号化区間迄の一定の区間数に対する該区間画像複
雑度を平均化した多区間平均画像複雑度から定め、区間
画像複雑度の多区間平均複雑度に対する変化割合を値に
とり、区間画像複雑度が多区間平均複雑度に対して同じ
偏差値状態が続くと、値が0に漸近し該可変レート補正
項を0に漸近させる働きを持つ、画像複雑度変化指数、 目標平均符号化レートの近傍の値を有し、目標平均符号
化レートから1対1に定まる修正目標平均符号化レー
ト、の3つのパラメータの積として定義される事を特徴
とする、請求項1に記載の可変レート動画像符号化装
置。 - 【請求項3】請求項2に記載の、前記画像複雑度は、画
像フレーム内のマクロブロック毎に定まる量子化スケー
ルの画面内平均値と、該画像フレームに対する発生符号
量の積の値として定めたことを特徴とする、請求項1に
記載の可変レート動画像符号化装置。 - 【請求項4】請求項1に記載の可変レート動画像符号化
装置において、 該目標符号量割当部は、 前記動画像符号器としてMPEG符号器を用い、その可
変長符号化部出力からの、マクロブロック、画像フレー
ム、前記符号化区間毎の発生符号量を測定する発生符号
量測定部、 該発生符号量測定部からの発生符号量データ、及び該M
PEG符号器の量子化制御部からマクロブロック毎に得
られる量子化スケール値を蓄積する符号化データメモ
リ、 該符号化データメモリに蓄積した該量子化スケール値、
発生符号量から、請求項2に記載の前記区間画像複雑
度、前記多区間平均画像複雑度、前記多区間平均符号化
レートを算出する平均値計算部、 該符号化データメモリの蓄積データ及び前記平均値計算
部の計算データから、次の符号化区間に対する目標符号
化レートを、請求項2における前記所定の計算式を用い
て算出し、最新の符号化区間に対する各画像フレームへ
目標符号量の割当計算、各画像フレーム内のマクロブロ
ック毎の量子化スケール値の決定を行う目標符号量計算
部、からなり、 画像フレームあたりの発生符号量を画像フレームあたり
の目標符号量とする符号化処理を逐次行うことを特徴と
する、可変レート動画像符号化装置。 - 【請求項5】請求項1に記載の可変レート動画像符号化
装置において、 該目標符号量割当部は、 固定量子化スケールでMPEG符号化処理を行うMPE
G符号器、 該MPEG符号器の可変長符合化部出力からの、前記最
新の符号化区間に対するマクロブロック、画像フレー
ム、符号化区間の発生符号量を測定する発生符号量測定
部、 該発生符号量測定部からの発生符号量データ、目標符号
量計算部からの目標符号化レート値を蓄積する符号化デ
ータメモリ、 該符号化データメモリに蓄積した発生符号量と過去の符
号化区間毎の符号化レート実績値から、該符号化区間の
区間画像複雑度、該区間迄の一定の区間数に対する前記
多区間平均画像複雑度、多区間平均符号化レートを算出
する平均値計算部、 該符号化データメモリの蓄積データ及び前記平均値計算
部の計算データから、該区間に対する目標符号化レー
ト、目標符号量を請求項1に記載の所定の計算式を用い
て算出し、該区間の各画像フレームに対する目標符号量
の計算、画像フレーム内のマクロブロック毎の量子化ス
ケール値の決定を行う目標符号量計算部、からなり、 請求項1に記載の前記MPEG符号器への入力は、1符
号化区間分の遅延回路により入力画像信号を1符号化区
間分遅延して入力させる構成とし、 画像フレームあたりの発生符号量を画像フレームあたり
の目標符号量とする符号化処理を行うことを特徴とす
る、請求項1に記載の可変レート動画像符号化装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6356599A JP2000261799A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 可変レート動画像符号化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6356599A JP2000261799A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 可変レート動画像符号化装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000261799A true JP2000261799A (ja) | 2000-09-22 |
Family
ID=13232901
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6356599A Withdrawn JP2000261799A (ja) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | 可変レート動画像符号化装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000261799A (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN116156209A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-05-23 | 上海幻电信息科技有限公司 | 直播流码率突变的检测方法、装置、存储介质及电子设备 |
-
1999
- 1999-03-10 JP JP6356599A patent/JP2000261799A/ja not_active Withdrawn
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116156209A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-05-23 | 上海幻电信息科技有限公司 | 直播流码率突变的检测方法、装置、存储介质及电子设备 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060606 |