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JP4942208B2 - 符号化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、動画像を符号化する符号化装置に関し、例えばMPEG(Moving Pictures of Experts Group)やH.264/AVC(Advanced Video Coding)等の、画像を複数のブロックに分割して符号化する符号化装置に関する。
近年のマルティメディアの発展に伴い、様々な動画像圧縮符号化方式が提案されている。その代表的なものに、MPEG−1,2,4やH.264といったものがある。これらの圧縮符号化の処理は、動画像に含まれる原画像(画像)をブロックと呼ばれる所定の領域に分割し、このブロックを単位にして、動き補償予測及びDCT変換処理などの符号化処理を施すものである。動き補償予測を行う場合、既に符号化済みの画像データを局所復号化して得られた画像を参照画像とすることから、復号化処理が必要となる。
また、MPEG方式に準拠して画像の圧縮符号化を行う場合、その符号量は、画像自体の特性である空間周波数特性、シーン及び量子化スケール値に応じて大きく異なる場合が多い。このような符号化特性を有する符号化装置を実現する上で良好な画質の復号画像を得ることができるようにするための重要な技術が、符号量制御である。
符号量制御アルゴリズムの一つとして、TM5(Test Model 5)が一般的に使用されている。TM5による符号量制御アルゴリズムは、以下に説明する3つのステップから構成され、GOP(Group Of Picture)毎にビットレートが一定になるように、符号量が制御される。
(ステップ1)
今から符号化を行うピクチャの目標符号量を決定する。現在のGOPにおいて利用可能な符号量Rgopが、以下の式(1)式により演算される。即ち、
Rgop = (ni+np+nb)×(bits_rate/picture_rate)・・・(1)
ここで、ni,np,nbは、それぞれI、P及びBピクチャの現GOPにおける残りのピクチャ数を示す。bits_rateは目標ビットレートを示す。picture_rateはピクチャレートを示す。
更に、I,P及びBピクチャ毎に符号化結果からピクチャの複雑度コンプレキシティ(Complexity)Xi,
Xp,Xbを以下の式(2)で求める。すなわち、
Xi=Ri×Qi
Xp=Rp×Qp・・・(2)
Xb=Rb×Qb
ここで、Ri、Rp及びRbはそれぞれI、P及びBピクチャを符号化した結果得られる符号量を示す。Qi、Qp及びQbはそれぞれ、I、P、Bピクチャ内の全マクロブロックにおけるQスケールの平均値である。式(1)及び式(2)から、I、P及びBピクチャのそれぞれについての目標符号量Ti、Tp及びTbを、以下の(3)式で求めることができる。即ち、
Ti=max{(Rgop/(1+((Np×Xp)/(Xi×Kp))+((Nb×Xb)/(Xi×Kb)))),(bit_rate/(8×picture_rate))}
Tp=max{(Rgop/(Np+(Nb×Kp×Xb)/(Kb×Xp))),(bit_rate/(8×picture_rate))} ・・・(3)
Tb=max{(Rgop/(Nb+(Np×Kb×Xp)/(Kp×Xb))),(bit_rate/(8×picture_rate))}
ただし、Np及びNbは、現GOP内のそれぞれP及びBピクチャの残りの枚数を示す。定数Kp=1.0及びKb=1.4である。
(ステップ2)
I、P及びBピクチャ毎に3つの仮想バッファを使用し、式(3)で求めた目標符号量と発生符号量との差分を管理する。仮想バッファのデータ蓄積量をフィードバックし、そのデータ蓄積量に基づいて実際の発生符号量が目標符号量に近づくように、次に符号化するマクロブロックについてQスケールの参照値が設定される。例えば、現在のピクチャタイプがPピクチャの場合には、目標符号量と発生符号量との差分は、以下の式(4)に従う演算処理により求めることができる。即ち、
p,j=dp,0+Bp,j-1-((Tp×(j-1))/MB_cnt) ・・・(4)
ここで、添字jはピクチャ内のマクロブロックの番号を示す。dp,0は仮想バッファの初期フルネスを示す。Bp,jはj番目のマクロブロックまでの総符号量を示す。MB_cntはピクチャ内のマクロブロック数を示す。
次に、dp,j(以後、djと記載する)を用いて、j番目のマクロブロックにおけるQスケールの参照値を求めると、
j= (dj×31)/r・・・(5)
ここで、
r=2×bits_rate/picture_rate・・・(6)
である。
(ステップ3)
視覚特性、即ち、復号画像の画質が良好になるように、符号化対象のマクロブロックの空間アクティビティに基づいて、量子化スケールを最終的に決定する。即ち、
ACTj=1+min(vblk1,vblk2,……,vblk8)・・・(7)
式(7)で、vblk1〜vblk4はフレーム構造のマクロブロックにおける8×8のサブブロックにおける空間アクティビティを示す。vblk5〜vblk8はフィールド構造のマクロブロックにおける8×8のサブブロックの空間アクティビティを示す。ここで、空間アクティビチィvblkは、次の式(8)及び式(9)に従い、
vblk=Σ(Pi-Pbar)2・・・(8)
Pbar=(1/64 )×ΣPi・・・(9)
により求めることができる。ここで、Piはi番目のマクロブロックにおける画素値であり、式(8)、(9)中のΣはi=1〜64の演算である。
次に、式(7)で求めたアクティビティACTjを下記の式(10)に従い正規化する。即ち、
N_ACTj=(2*ACTj+AVG_ACT)/(ACTj+2*AVG_ACT)・・・(10)
ここで、AVG_ACTは以前に符号化したピクチャにおけるACTjの参照値である。最終的な量子化スケール(Qスケール値)MQUANTjは、
MQUANTj=Qj×N_ACTj・・・(11)
で求められる。
以上のTM5アルゴリズムによれば、ステップ1の処理によりIピクチャに対して多くの符号量を割り当て、ピクチャ内においては視覚的に劣化の目立ちやすい平坦部(空間アクティビティが低い部分)に符号量が多く配分される。即ち、予め定めたビットレート内で、画質の劣化を抑えた符号量制御と量子化制御を行うことが可能となる。
また、TM5と同様に画像の特徴に応じて量子化制御を行う手法は、他にも提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−196417号公報
TM5方式は、マクロブロック単位で特徴を抽出し、その特徴に基づいて量子化パラメータを変化させる適応量子化を行うことで、予め定められた目標符号量になるような量子化制御を行っている。
また、特許文献1では、複雑度が大きく量子化パラメータを上げるブロックの数が少ない場合、発生符号量が増大するにもかかわらず複雑度が高いブロックの劣化が目立つので、適応量子化を行わないという制御を行っている。複雑度が小さく量子化パラメータを下げるブロックが多い場合も、同様である。しかし、このアルゴリズムでは、フレーム間で適応量子化の有無が生じるので、画質がばたつく問題があった。
また、量子化パラメータを下げるブロックが多い画像でも、ブロックの持つ特徴によっては平坦部のように量子化パラメータを下げても符号量が増大しないブロックも存在する。本来、適応量子化を行うべき画像に対して適応量子化を適用していない。
本発明は、上述した問題点に鑑みたものであり、符号化画像の劣化度合いとブロックが持つ特徴を考慮した適応量子化を行うことで、画質劣化を抑えることを可能にした符号化装置を提案することを目的とする。
本発明に係る符号化装置は、複数のブロックに分割された入力画像データをブロック単位で直交変換し、変換係数データを出力する変換手段と、前記変換手段から出力される前記変換係数データを量子化パラメータに従ってブロック単位で量子化する量子化手段と、前記複数のブロックから視覚的劣化が目立ちやすい所定の特徴を有するブロックを抽出し、画面内での抽出ブロック数を出力する特徴抽出手段と、前記特徴抽出手段により抽出されるブロックの特徴毎に制御感度を設定し、当該制御感度に従ってブロック毎に前記量子化パラメータを決定する量子化制御手段とを具備し、前記特徴抽出手段は、前記所定の特徴を有するブロックとして、平坦部を有するブロックと、エッジ部又は肌色部を有するブロックとを抽出し、前記量子化制御手段は、前記特徴抽出手段により抽出される前記エッジ部又は前記肌色部を有するブロックについては、その抽出されたブロック数に応じて前記制御感度の値を変化させ、前記平坦部を有するブロックについては、その抽出されたブロック数に応じて前記制御感度の値を大きく変化させないようにすることを特徴とする。
本発明によれば、視覚的劣化が目立ちやすいブロックとして抽出するブロック数に応じて量子化パラメータを決定するので、同じ発生符号量でも、視覚的劣化の目立ちやすいブロックに対する画質を改善できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は,本発明に係る符号化装置の一実施例の概略構成ブロック図を示す。図2は、特徴抽出部の概略構成ブロック図を示し、図3、図4は、その動作説明図である。
入力画像データ100は、所定サイズのマクロブロック単位の画像データからなる。ブロックサイズは、符号化方式により決定され、例えばMPEGでは16x16画素又は8x8画素等である。ここでは、マクロブロックのサイズは16x16画素であるとする。
並べ替え部101は、入力画像データ100を符号化ピクチャタイプに応じたフレーム順に並び替えて、変換符号化のためのブロック単位で画像データを出力する。減算器102は、符号化ピクチャ対タイプがフレーム内符号化(イントラ符号化)方式の場合、並べ替え部101からの画像データをそのまま直交変換部103に出力する。フレーム間符号化(インター符号化)方式の場合、減算器102は、並べ替え部101からの画像データから参照画像からの予測データを減算し、得られる差分画像データを直交変換部103に出力する。
直交変換部103は、減算器102の出力データ(画像データ又は差分画像データ)を直交変換し、変換係数データを量子化部104に出力する。量子化部104は、直交変換部103からの変換係数データを量子化制御部112からの量子化スケールに従って量子化する。
可変長符号化部110は、量子化部104からの量子化された変換係数データを可変長符号化する。可変長符号化部110は、可変長符号化で得られた符号データに、後述する動き補償のための動きベクトルデータ等を多重化し、バッファ114に供給する。バッファ114は、可変長符号化部110からのデータを一時蓄積し、順次、出力端子116に読み出す。
逆量子化部105は、量子化部104の出力データを逆量子化し、逆直交変換部106は、逆量子化部105の出力データを逆直交変換する。加算器108は、イントラ符号化の場合、逆直交変換部106の出力データをそのまま出力し、インター符号化の場合、先の復号化で得られた予測データを加算する。予測データの加算により、差分画像データから画像データが復元される。加算器108の出力データが、ローカルで復号化された画像データに相当する。
ビデオバッファ109は、加算器108から出力される局所復号化画像データを複数フレーム分記憶する。動き予測動き補償部107は、並べ替え部101からの現在の画像とビデオバッファ109に記憶される参照画像とを比較して動きを予測し、動き補償された予測画像データを算出する。動き予測動き補償部107は、算出した予測画像データを減算器102及び加算器108に出力し、予測画像データの動きベクトル情報を可変長符号化部110に出力する。
符号量制御部111は、バッファ114の蓄積データ量等を参照して、フレーム発生符号量を取得する。符号量制御部111は、バッファ114からのフレーム発生符号量、及び特徴抽出部113からの特徴量に従い、目標符号量を決定する。より具体的には、GOP内の各ピクチャに対する割り当てビット量を、割り当て対象ピクチャを含めGOP内でまだ符号化されていないピクチャに対するビット量を基に配分する。この配分をGOP内の符号化ピクチャ順に繰り返し、ピクチャごとにピクチャ目標符号量を設定する。
量子化制御部112はバッファ114から、可変長符号化部110から出力されるマクロブロック単位の発生符号量(ブロック発生符号量)を取得する。量子化制御部112は、ブロック発生符号量、符号量制御部111からの目標符号量、及び特徴抽出部113からのアクティビティに従い、量子化パラメータを決定する。より具体的には、各ピクチャに対する目標符号量と実際の発生符号量とを一致させるため、ブロック発生符号量から量子化スケールの参照値を決定する。そして、量子化スケールの参照値に対して特徴抽出部113で算出するアクティビティを基に式(11)を用いて、量子化部104で使用する量子化パラメータを決定する。このアクティビティが小さい値であれば、量子化パラメータを小さくすることでより多くの符号量が割り当てられるようになる。
以上の動作は、背景技術で述べたステップ1〜3に相当する。
図2は、特徴抽出部113の概略構成ブロック図を示す。平坦検出部201は、並べ替え部101からのマクロブロック単位の画像データから平坦部の程度(レベル)を検出する。同様に、エッジ検出部202は、並べ替え部101からの画像データからエッジの程度(レベル)を検出する。肌色検出部203は、並べ替え部101からの画像データから肌色の程度(レベル)を検出する。図3は、検出部201,202,203の検出特性、又はレベル化の関数を示す。図3(aは、平坦検出部201に対するレベル化特性を示す。図3(b)はエッジ検出部202に対するレベル化特性を示す。図3(c)は肌色検出部203に対するレベル化特性を示す。
平坦検出部201は、マクロブロックの画像データに対して分散を算出し、その分散値が閾値th1F以下であればレベルを1とし、閾値th2F以上であれば無限大とする。閾値th1Fから閾値th2Fの範囲では、(th1F,1)と(th2F,pre_avg)を結ぶ関数からレベルを算出する。pre_avgは、1フレーム前に符号化したピクチャにおけるアクティビティの平均値である。
エッジ検出部202は、16x16画素の画像データをさらに8x8画素のサブブロックに分割し、サブブロック毎に分散を算出する。得られた分散の最大値と最小値の差分を算出し、その差分値が閾値th2E以上であればレベルを1とし、閾値th1E以下であれば無限大とする。閾値th1Eから閾値th2Eの範囲では、(th1E,pre_avg)と(th2E,1)を結ぶ関数からレベルを算出する。
肌色検出部203は、マクロブロックの画像データに対して輝度成分と色差成分から肌色である画素をカウントする。その画素数が閾値th2S以上であればレベルを1とし、閾値th1S以下であれば無限大とする。閾値th1Sから閾値th2Sの範囲では、(th1S,pre_avg)と(th2S,1)を結ぶ関数からレベルを算出する。
最小値検出部204は、各検出部201,202,203で算出されたレベルの中の最小値を検出し、正規化部205に出力する。各検出部201,202,203で算出されたレベルが全て無限大の場合、最小値検出部204は、ブロックの分散値を出力する。
正規化部205は、最小値検出部204からの正規化前アクティビティに対して所定の制御感度(リアクションパラメータ)を用いて正規化アクティビティを算出する。制御感度は検出する特徴毎に設定可能である。本実施例では、検出部201,202,203に対応して、平坦部用の制御感度206、エッジ部用制御感度207及び肌色部用制御感度208が用意されている。制御感度とは、量子化パラメータの大小を決定するパラメータであり、制御感度が大きければ量子化パラメータより小さくするように作用する。
積算部209は、各検出部201,202,203で検出したマクロブロック数を種類別にカウントし、それぞれの抽出ブロック数を量子化制御部112に供給する。図4及び図5を参照して、各制御感度と積算部209の関係を説明する。
図4は、特徴割合の異なる説明用の画像例を示す。図4(a)は、特徴抽出を行った場合に、画面内の平坦部が20%、エッジ部が20%、肌色部が20%の画像である。図4(b)は、平坦部が30%、エッジ部が20%、肌色部が40%の画像である。どの種類にも属さないマクロブロックはその他のカテゴリーに入るものとする。人間の頬の様に肌色であり平坦でもあるものは平坦部に属し、顔の輪郭の様に肌色でありエッジでもあるものはエッジ部に属するようにする。
図5は、画面内で検出されたマクロブロックの個数と制御感度の関係を図式化したものである。図5(a)は、平坦部用の制御感度であり、横軸が平坦部の検出個数、縦軸が制御感度を示す。図5(b)はエッジ部用の制御感度を示す。図5(c)は肌色部用の制御感度を示す。
平坦部では、量子化パラメータを変化させることで画質が変動するが、符号量はあまり変動しない。つまり、図4(a)に示す画像例と、図4(b)に示す画像例に同じ量子化パラメータを適用した場合、平坦部全体の符号量は大きく変わらない。そこで、本実施例では、図5(a)に示すように、平坦部に対する制御感度を検出個数に応じて大きく変化させないようにする。
一方、エッジ部と肌色部では、量子化パラメータを変化させることで画質が変動するが、符号量も大きく変動する。エッジ部の量子化パラメータを下げることでモスキートノイズを低減することが可能だが、その分、発生符号量が増大する。また、同じように肌色部の量子化パラメータを下げることで顔の劣化を低減できるが、その分、発生符号量が増大する。エッジや肌色のブロックを多く検出し過ぎると、エッジや肌色ブロックに多くの符号量が割り当てられ、高周波を含むブロックへの割り当て符号量が減ってしまう。高周波を含むブロックは多少荒く量子化を行っても視覚的劣化は目立ちにくいとされている。しかし、割り当てる符号量が少なすぎると、高周波を含むブロックにおいて画質が大幅に低下してしまう。また、画像全体の符号量も増大してしまうので、予め定めたレートより高くなってしまう。
本実施例では、エッジ部と肌色部に対して検出個数に応じて制御感度を変化させる。図5(b),(c)に示すように、エッジ部又は肌色部として検出したマクロブロック数が少なければ、制御感度を大きくし、これにより量子化パラメータを大きく下げるようにする。エッジ部又は肌色部として検出したマクロブロック数が多ければ、制御感度を小さくし、これにより量子化パラメータの下げ過ぎを抑制する。図5(b),(c)は同じ傾向の曲線を示しているが、このカーブは任意に設定可能である。
図4(a)に示す画像例と、図4(b)に示す画像例では、エッジ部の検出数に違いがないので、どちらも大き目の制御感度を用いて量子化パラメータを決定する。一方、肌色部については、図4(a)に示す画像例と比べて図4(b)に示す画像例に対する検出数が多い。そのため、図4(a)に示す画像例に対しては大きめの制御感度を採用し、図4(b)に示す画像例に対しては小さ目の制御感度を採用して、それぞれ量子化パラメータを決定する。
各検出部の検出方法はここで説明した方法に限ったものではなく、検出を行うための要素となる分散は、周波数変換などで代用可能である。また、検出する種類として、この実施例では、平坦部、エッジ部及び肌色部を挙げたが、この他の種類を構成要素としてもよい。その種類が平坦部のように量子化パラメータを変動させても符号量があまり変動しないものであれば、平坦部と同様の制御を採用する。量子化パラメータを変動させると符号量が大きく変動するものであれば、エッジ部や肌色部と同じ制御を採用する。
尚、上述した実施例における各処理は、ハードウエア、ソフトウエア又はこれらの複合により実現されうることは明らかである。ソフトウエアを構成するプログラムの一部又は全部は、HDD、光ディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性記録媒体に格納される。このような記録媒体に記録されるソフトウエアをコンピュータに読み込むことで、本発明に必要な機能を実現できることは明らかである。
また、本発明を構成するソフトウエアを、伝送媒体を介して遠隔のコンピュータに伝送してもよい。伝送媒体は、例えば、インターネット等のネットワーク(通信網)や、電話回線等の通信回線(通信線)のように、情報を伝送する機能を有する媒体である。
プログラムは、上述した機能の一部を実現するものであっても良い。さらに、上述した機能をコンピュータに既に記録されているプログラムとの組合せで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
本発明の実施例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の一実施例の概略構成ブロック図である。 特徴抽出部の概略構成ブロック図である。 特徴抽出部におけるレベル化の説明図である。 特徴割合の異なる説明用画像例である。 特徴の検出個数と制御感度の関係を説明する図である。
符号の説明
100・・・入力画像信号
101・・・並べ替え部
102・・・減算器
103・・・直交変換部
104・・・量子化部
105・・・逆量子化部
106・・・逆直交変換部
107・・・動き予測動き補償部
108・・・加算器
109・・・ビデオバッファ(フレームメモリ)
110・・・可変長符号化部
111・・・符号量制御部
112・・・量子化制御部
113・・・特徴抽出部
114・・・バッファ
116・・・出力端子

Claims (5)

  1. 複数のブロックに分割された入力画像データをブロック単位で直交変換し、変換係数データを出力する変換手段と、
    前記変換手段から出力される前記変換係数データを量子化パラメータに従ってブロック単位で量子化する量子化手段と、
    前記複数のブロックから視覚的劣化が目立ちやすい所定の特徴を有するブロックを抽出し、画面内での抽出ブロック数を出力する特徴抽出手段と、
    前記特徴抽出手段により抽出されるブロックの特徴毎に制御感度を設定し、当該制御感度に従ってブロック毎に前記量子化パラメータを決定する量子化制御手段
    とを具備し、
    前記特徴抽出手段は、前記所定の特徴を有するブロックとして、平坦部を有するブロックと、エッジ部又は肌色部を有するブロックとを抽出し、
    前記量子化制御手段は、前記特徴抽出手段により抽出される前記エッジ部又は前記肌色部を有するブロックについては、その抽出されたブロック数に応じて前記制御感度の値を変化させ、前記平坦部を有するブロックについては、その抽出されたブロック数に応じて前記制御感度の値を大きく変化させないようにする
    ことを特徴とする符号化装置。
  2. 前記特徴抽出手段は、前記所定の特徴を有するブロックとして、エッジ部を有するブロックを抽出し、
    前記量子化制御手段は、エッジ部に係る前記抽出ブロック数が閾値よりも少ない場合、エッジ部に対して設定される前記制御感度の値を大きく変化させて前記量子化パラメータを下げるようにし、エッジ部に係る前記抽出ブロック数が前記閾値以上である場合、エッジ部に対して設定される前記制御感度の値を小さく変化させて前記量子化パラメータの下げ過ぎを抑制する
    ことを特徴とする請求項1に記載の符号化装置。
  3. 前記特徴抽出手段は、前記所定の特徴を有するブロックとして、肌色部を有するブロックを抽出し、
    前記量子化制御手段は、肌色部に係る前記抽出ブロック数が閾値よりも少ない場合、肌色部に対して設定される前記制御感度の値を大きく変化させて前記量子化パラメータを下げるようにし、肌色部に係る前記抽出ブロック数が前記閾値以上である場合、肌色部に対して設定される前記制御感度の値を小さく変化させて前記量子化パラメータの下げ過ぎを抑制する
    ことを特徴とする請求項1に記載の符号化装置。
  4. 前記特徴抽出手段は、前記所定の特徴を有するブロックとして、平坦部、エッジ部及び肌色部を有するブロックをそれぞれ抽出し、
    前記量子化制御手段は、エッジ部と肌色部に対してそれぞれ設定される前記制御感度については、前記特徴抽出手段からの前記抽出ブロック数に応じてその値を変化させ、平坦部に対して設定される前記制御感度については、前記特徴抽出手段からの前記抽出ブロック数にかかわらず一定の値にする
    ことを特徴とする請求項1に記載の符号化装置。
  5. 前記制御感度は、前記量子化パラメータを決定する際に参照する正規化アクティビティを算出するためのリアクションパラメータであることを特徴とする請求項に記載の符号化装置。
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