JP2004527981A - 予測タイプの選択によるビデオデータブロックのイントラ符号化 - Google Patents

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Abstract

フレームシーケンスの中の1ビデオフレームを複数のマクロブロックに分割するビデオデータ圧縮の方法であって、1マクロブロックは、イントラ符号化マクロブロックおよびインター符号化マクロブロックの両方を含む、以前に符号化された複数のマクロブロックに隣接している。該方法は、対応するデータビット流を提供するために、該ブロックを符号化する際に完全予測または限定予測のタイプを選択する段階を含み、完全予測は隣接するインター符号化マクロブロックとイントラ符号化マクロブロックの両方を用い、限定予測はイントラ符号化マクロブロックのみ用いる。ビット流からデータを復元するために配設された復号器に対して、ビット流と一緒に選択した予測タイプを示す信号が提供される。予測タイプは、ビット流内にコードワードを提供するなど直接的に信号を送ってもよいし、選択値または符号化変数の値などで間接的に示してもよい。
【選択図】図3

Description

【技術分野】
【0001】
本特許出願は、本出願人による2001年5月24日出願の現在継続中の米国特許仮出願番号60/293465号に開示された全てを参照し、その内容をここに取り込み優先権を主張するものである。
【0002】
ここに開示し権利を主張する本発明は、概ねビデオ信号データを符号化または圧縮する方法に関する。さらに詳細には、本発明は、ビデオデータのイントラ符号化ブロックを、隣接するイントラ符号化ブロックからの予測のみを用いて符号化することができるか、または隣接するイントラ符号化ブロックおよびインター符号化ブロックの両方からの予測を用いて符号化することができる、前述の種類の方法に関する。さらに詳細には、本発明は、用いられる予測の種類またはモードを、伝送エラーに対する耐性の向上、またはデータ圧縮の向上の何れを選択するかによって選ぶことが可能な、前述の種類の方法に関する。
【背景技術】
【0003】
非圧縮形態のデジタルビデオ信号は、通常、大量のデータを含む。しかし実際の必要情報量は時間的および空間的相関が高いのでかなり低減する。したがって、ビデオ圧縮または符号化は、例えばビデオ信号の保存または伝送のような特定のタスクに実際に必要なデータの量を低減するために用いられる。符号化プロセスにおいて、ビデオフレームの領域を直前のフレームの類似した領域から予測する、いわゆる動き補償予測をすることにより、時間的冗長性を利用できる。すなわち、直前のフレームの対応する部分と全く変わらない、または殆ど変わらないフレームの部分がある場合がある。反対に、前のフレームとの一致があまり見られない場合、空間的冗長性を低減させるためにフレーム内での予測を用いることができる。予測スキームがうまくいくと、予測エラーは少なくなり、符号化される情報量は大幅に減少する。さらに、例えば離散コサイン変換(DCT)を用いて、ピクセルを周波数領域に変換することにより、空間的相関性の利得と効率が向上する。
【0004】
ビデオデータ圧縮の利点にも関わらず、符号化されたビット流、すなわちある場所から他の場所に伝送される圧縮データは、エラーの発生率が高い伝送経路のために欠落することがある。このようなことが起こる場合、予測に過度に依存することは、予測がエラーを助長しビデオの品質を大幅に低下させることもあるので、大きな損失を引き起こす可能性がある。したがって、従来の技術により、特定の時間において時間的予測を阻止することにより、さらに詳細には1領域または全ピクチャの切替(すなわち、前のフレームに関係なく符号化する)を強制的に行うことにより、そのような損失を低減させるという技術が開発されている。多くのフレームに亘って複数の領域の切替をすることにより、符号化の不利益を均等に分散させることができる。その後、エラーが起こった場合、損傷が修復されるにつれて、ビデオシーケンスはフレーム毎にうまく修復できる。
【0005】
ここで「ピクチャ」および「フレーム」という言葉は、ビデオシーケンスの画像データのフレームについて言及するために交換可能に用いている。
上述より、(圧縮および伝送された後で)復号化されたビデオ信号の全体的な品質は、高い圧縮率とエラー耐性との間のバランスで決まることがわかる。特にエラーのない伝送には、予測を用いて圧縮率を高めることが望まれている。しかしまた、エラーの発生率が高い伝送経路により生じるエラーの伝搬を制限しなくてはならない。
【0006】
ITU−T(国際電気通信連合―電気通信標準化部門)の勧告であるH.261とH.263、およびISO/IEC(国際標準化機構/国際電気標準会議)の規格であるMPEG−1、MPEG―2およびMPEG−4のような一般的なビデオ符号化の規格では、ビデオ信号の各フレームを、マクロブロックと呼ばれる16X16ピクセル領域に分割する。これらのブロックは、一行毎に左から右へ走査され符号化される。これらの一般的なビデオ規格は次の文献により詳細に記述されている
ITU−T勧告 H.261(1993年)、px64kbit/sでのオーディオビジュアルサービスのためのビデオコーデック。(Video codec for audiovisual services at p x 64 kbit/s)
ITU−T勧告 H.263(2001年)、低ビット速度での通信のためのビデオコーデック。(Video codec for low bit rate communication)
ITU−T勧告 H.26L、テストモデルロングタームNo.7。(Test Model Long Term Number 7)、 起草2001年5月
ftp://standard.pictel.com/video-site/0104_Aus/VCEG-M81d0.doc.
ISO/IEC 11172−2:1993年、インフォメーション・テクノロジー−約1.5Mbit/sまでのデジタル格納メディアのための動画およびそれに伴う音声の符号化−パート2:ビデオ(MPEG―1)。(Information technology − Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1.5 Mbit/s − Part 2: Video (MPEG-1))
ISO/IEC 13818−2:2000年、インフォメーション・テクノロジー−動画およびそれに伴う音声情報の包括的な符号化:ビデオ(MPEG−2)。(Information technology − Generic coding of moving pictures and associated audio information: Video (MPEG-2))
ISO/IEC 14496−2:2001年、インフォメーション・テクノロジー−視聴覚オブジェクトの符号化−パート2:映像(MPEG−4)。(Information technology − Coding for audio-visual objects − Part 2: Visual (MPEG-4))
【0007】
マクロブロックの符号化プロセスの第1段階は、以前に符号化されたマクロブロックに基づいて予測をすることである。それぞれイントラ符号化およびインター符号化として知られている2つのタイプの符号化を区別することが重要である。イントラ符号化(静止画像符号化に類似)は直前のピクチャに基づいていない。一方、インター符号化は直前の1つ以上のピクチャからの予測に基づき、そして動き補償がなされている。イントラ符号化は、隣接する領域からの、変換係数およびピクセルレベルの予測を含む空間予測を用いることができる。ピクセルレベルの予測をする場合、符号化器および復号器の両方で同じ情報が確実に得られるように、予測は再構成された(符号化および復号化された)ブロックに基づく。
イントラ符号化に関して、3つの場合、つまり予測が用いられない場合、予測が他のイントラ符号化された領域のみに基づく場合、または予測がイントラ符号化された領域とインター符号化された領域に基づく場合、について考慮することが有益である。
【0008】
ケース1―予測なしのイントラ符号化
ITU−Tの勧告H.261およびITU−Tの勧告H.263の基本的見解において、イントラ符号化されたマクロブロックは、独立形式の静止画像で、周りのマクロブロックからの予測には依存しない。したがって、イントラ符号化されたマクロブロックは切替に適している。
【0009】
ケース2―イントラ符号化された領域からの予測によるイントラ符号化
ITU−Tの勧告H.263(付録I)およびISO/IECビデオ規格であるMPEG−1、MPEG−2、MPEG−4では、イントラ符号化されたマクロブロックが予測され、そして予測は上述のおよび/または以前に符号されたマクロブロックの変換係数に適用される。さらに、動き補償された(したがってインター符号化された)マクロブロックはイントラ符号化に関連する係数を有しないので、イントラ符号化されたこれらのマクロブロックのみが符号化に貢献している。
【0010】
ケース3―イントラ符号化および / またはインター符号化された領域からの予測によるイントラ符号化
次回のITU−T規格(現在H.26Lとして知られている)の、現在進行中の起案では、他のタイプのイントラ符号化マクロブロックが用いられている。予測はピクセルレベルで行われ、それは隣接する動き補償された(すなわちインター符号化された)マクロブロックもまたイントラ符号化マクロブロックの予測に用いることができることを意味する。
【0011】
上述のケース3のような、隣接する、または近接する動き補償されたマクロブロックから予測されたイントラ符号化マクロブロックは、過去のピクチャに依存するので、正しく切替を提供するためにそのままで用いることはできない。したがって、過去のフレームの損傷した領域は、イントラ符号化マクロブロックにも伝わる可能性が高い。この問題は、ケース2に述べたように、他の隣接するイントラ符号化マクロブロックからのみ、イントラ符号化マクロブロックを予測することにより避けることができる。しかし、そのような解決方法はよりコストがかかり、より多くのビット数が必要で、したがって符号化にとって不利益となる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明では、利用可能な少なくとも2つのタイプのイントラ符号化予測からユーザが1つを選択できるようにすることにより、従来の技術の問題点を克服するものである。したがって、本発明はいわゆるイントラ符号化マクロブロックのための予測に関する。隣接するイントラ符号化マクロブロックとインター符号化マクロブロックの両方から、イントラ符号化マクロブロックのための予測をできるようにすると(ここでは完全予測と呼ぶ)、さらにデータを圧縮できる。しかし、イントラ符号化マクロブロックを時間的切替として用いることを確実に可能にするためには、それらの予測を、他のイントラ符号化マクロブロックのみに限定するか、または他のイントラ符号化マクロブロックのみに基づいて行わなくてはならない(ここでは限定予測と呼ぶ)。これは動き補償による過去の画像への間接的な関連をすべて回避する。
【0013】
完全予測を使用するかまたは限定予測を使用するか選択できるようにすることにより、高いエラー耐性が要求されているとき限定予測を選択することができる。一方、エラー耐性が主要な問題でないときは、高い圧縮率を達成し符号化にとって不必要な不利益を避けるために完全予測を選択することができる。(そのようなタイプの)選択は、ビット流内に直接的に信号化されていてもよいし、または間接的に示してもよい。
【0014】
本発明の1つの実施方法は、ビデオフレームをフレームシーケンスに選択的に分割することにより生じた複数のブロック内に含まれる個々のブロックに使用するためのビデオデータ圧縮の方法であり、該ブロックは、イントラ符号化されたブロックおよびインター符号化されたブロックの両方を含む、以前に符号化された複数のブロックに隣接している。該方法は完全予測と限定予測を含むセットから、予測のタイプを選択する段階を含み、上述のように、完全予測タイプは1つ以上の隣接するイントラ符号化ブロックと1つ以上の隣接するインター符号化ブロックを使用することができる。しかし、限定予測タイプは1つ以上の隣接するイントラ符号化ブロックしか使用できない。該方法はさらに、該ブロックの符号化において、該ブロックに相当するデータビット流を提供するために、選択した予測タイプを使用することを含む。該ブロックに関連するデータを復元するために配設された復号器に選択した予測タイプを示唆するために、信号がビット流と共に提供される。上述したように、予測タイプは、ビット流内の信号で直接的に示しても、または符号化ツールまたはパラメータの使用により間接的に示してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
図1には、ビデオカメラのようなビデオ情報の供給源10が示されている。連続するビデオフレームを備える情報は、ビデオ符号化器または圧縮器12に連結しており、そこでデータの連続フレームは、ここに述べるような本発明の実施方法によって圧縮される。圧縮されたデータに相当するビット流は、無線伝達経路でもよい伝達経路22を通して、送信器14から受信器16へと伝送される。受信されたデータは復号器18に入り、ビデオ情報が再生される。
【0016】
図2には、1ビデオフレームシーケンス(図示しない)の1フレームを分割することにより生じた、16X16ピクセルのマクロブロック20を処理するための圧縮器12の、従来の特定の構成要素を示している。図2に示した構成要素は、変換、すなわち離散フーリエ変換モジュール24、量子化器26、そして二進符号化器28を含む。動き検出および動き補償モジュール等のビデオ圧縮器のその他の従来の構成要素は、単純化のために図2に示していない。
【0017】
当業者に知られているように、変換モジュール24は、マクロブロック20のピクセルのグレースケールおよび色レベルを含む一連の整数を受信する。モジュール24では、ピクセルレベルを変換して一連の変換係数の出力を生成する。同様に周知であるように、量子化器26は各変換係数を対応する間隔値または量子化レベルで割る。量子化器26の出力は二進符号化器28に入り、対応するビット流30が生成され、経路22を介して伝送される。
【0018】
図3には、フレームシーケンス、または連続するフレームの、1ビデオフレームの一部分32が示されており、それは上述した規格の1つに従って16X16ピクセルのマクロブロックに分けられている。さらに詳細には、図3はマクロブロック20を示しており、さらに、それぞれマクロブロック20に隣接し、マクロブロック20より以前に符号化されるマクロブロック34a−bおよび36a−bを示している。さらに、それぞれ上述の定義に従うと、マクロブロック34a−bはイントラ符号化マクロブロックであり、マクロブロック36a−bはインター符号化マクロブロックである。すなわち、イントラ符号化マクロブロック34a−bは、同じピクチャの隣接領域からの空間予測のみを用いて符号化されているか、そうでなければ周りのマクロブロックからのいかなる予測にも依存しない独立する静止画像である。一方、インター符号化マクロブロック36a−bは、直前の1つ以上のフレームの領域からの予測に基づいており、動き補償されたものでよい。
【0019】
マクロブロック20はイントラ符号化される。すなわち、図3でマクロブロック34a−bおよび36a−bで表されている、同じフレーム内の以前に符号化された隣接するマクロブロックからの空間予測のみを用いて符号化される。しかし、本発明では、マクロブロック20の符号化プロセスは、本明細書ではそれぞれ完全予測と限定予測と呼ぶ2つのタイプの空間予測の何れかを用いることができる。完全予測タイプでは、マクロブロック20を符号化するための予測は、イントラ符号化マクロブロック34a−bおよびインター符号化マクロブロック36a−bの両方を含む、任意のまたは全ての以前に符号化された隣接するマクロブロックに基づいていてよい。限定予測タイプでは、予測はマクロブロック34a−bのような隣接するイントラ符号化マクロブロックにのみ基づく。
【0020】
完全予測または限定予測の選択は、ビット流内で予測の範囲を直接的に示すことにより、または符号化ツールまたは他のパラメータといった手段により間接的に、非常に簡単に行うことができる。そのような信号の複数の選択肢ついて以下に詳しく述べる。信号が経路22の復号側で検出されると、復号器18は、マクロブロック34a−bおよび/または36a−bのような同じピクチャ内で既に符号化/復号化された隣接するマクロブロックから、マクロブロック20を空間的に予測する。信号に従って、空間的な予測は上述したような完全予測または限定予測で、マクロブロック20の元のビデオデータを復号器で復元できる。
したがって、本発明の実施方法はビデオ符号化規格を最適化するために用いることができる。例えば、完全予測符号化は最良の符号化効率を達成する際に選択し、一方限定予測はエラー耐性が重要な問題であるとき、エラーが発生しがちな環境を介した伝送に選択するとよい。
【0021】
本発明による1つの実施方法において、完全および限定イントラ符号化予測の選択は、マクロブロック毎にビット流に挿入されたコードワードにより直接的に示される。これは、ビット流30内に挿入された010のようなコードワード38を示す図2に図示されてている。さらに詳細には、コードワード38は、マクロブロック20のような、イントラ符号化マクロブロックのヘッダに挿入されており、空間予測が完全予測か限定予測かを直接的に復号器に示唆する信号を備える。
【0022】
図4には、本発明による他の実施方法が示されており、符号化後のイントラ符号化マクロブロック20は他の複数の符号化されたマクロブロックとグループ化されてスライスまたはセグメント44になっている。セグメント44は、画像部分を備え、そして直前の符号化されたマクロブロックセグメント40とは境界42で分離している。図4にはヘッダ46を伴うセグメント44がさらに示されており、該ヘッダはセグメント44内のイントラ符号化された全マクロブロックに完全予測または部分予測の何れを用いるべきかを示す直接的な情報を含んでいる。
【0023】
図4に示した実施方法の変形例では、ピクチャ全体のヘッダは、該ピクチャ内のイントラ符号化されたマクロブロックのすべてについて、完全予測または部分予測の何れを用いるべきかを直接的に示す。他の変形例では、ビデオフレームのシーケンスのヘッダが、該シーケンス内のイントラ符号化されたマクロブロックのすべてについて、完全予測または部分予測の何れを用いるべきかを直接的に示す。
図4に関連する他の変形例では、完全予測または限定予測を示す1つの信号が、境界42のようなセグメントの境界、または異なるビデオパケット間の境界を越えて、ブロックの複数のグループに適用される。
【0024】
本発明の他の実施方法では、完全予測か限定予測かの選択は、連続するマクロブロックの符号化および/または伝送に伴って選択された変数により、間接的に示される。すなわち、復号器で検出可能な、選択された符号化変数の異なる値または特徴を、それぞれ完全予測か限定予測かのタイプを示すために用いる。そのような符号化変数は、シーケンス、あるいはそれに用いられているプロファイルおよび/またはレベルを符号化するために使用される任意の符号化ツールの1つを含んでいてよい。例えば、量子化器の間隔値のような、符号化パラメータのレベルは、完全予測か限定予測かのタイプをそれぞれ示す2つの異なる値を有してよい。
他の変形例では、選択された予測は輝度および彩度の両方のピクセルレベルに適用でき、また輝度と彩度の係数の伝送に適用できる。
本発明に他の多くの変形例および応用例が可能であることは上述の説明から明らかである。従って本発明は、開示した概念の範囲内で、具体的に記述した実施方法以外の方法でも実施できる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の実施形態による、ビデオ情報の圧縮、伝送、および復号を行う単純化したシステムの概略図である。
【図2】図1で示したシステムの、圧縮を行う特定の構成要素を示すブロック図である。
【図3】イントラ符号化マクロブロックを、他のイントラ符号化マクロブロックおよびインター符号化マクロブロックと共に示す概略図である。
【図4】本発明の他の実施方法を説明するための、複数のイントラ符号化マクロブロックを備る2つのセグメントを示す概略図である。

Claims (15)

  1. ビデオフレームをフレームシーケンスに選択的に分割することにより生じた複数のブロック内に含まれる1ブロックについて使用するビデオデータ圧縮の方法であって、該ブロックは、イントラ符号化およびインター符号化を含む、以前に符号化された複数のブロックに隣接しており、
    1つ以上の隣接するイントラ符号化ブロックと1つ以上の隣接するインター符号化ブロックの両方に基づく完全予測タイプと、1つ以上の隣接するイントラ符号化ブロックのみに基づく限定予測タイプとを含むセットから、予測タイプを選択する段階と、
    該ブロックに相当するビット流を生成するために、該ブロックの符号化に前記選択された予測タイプを使用する段階と、
    該ブロックのデータを復元するために配設された復号器に、前記選択された予測タイプを示唆するために、ビット流と共に信号を提供する段階と
    を含む方法。
  2. 前記選択された予測タイプを、ビット流内のコードワードにより直接的に示す請求項1に記載の方法。
  3. 前記予測タイプを、マクロブロックのビット流内のコードワードにより直接的に示す請求項1に記載の方法。
  4. 前記ブロックを他の複数のブロックと共にグループ化し、前記選択された予測タイプを該ブロックのグループのビット流内のコードワードにより直接的に示す請求項1に記載の方法。
  5. 前記選択された予測タイプを、該ブロックを含むフレームのビット流内のコードワードにより直接的に示す請求項1に記載の方法。
  6. 前記選択された予測タイプを、前記フレームシーケンスのビット流内のコードワードにより直接的に示す請求項1に記載の方法。
  7. 前記選択された予測タイプを、選択した符号化変数の値により間接的に示す請求項1に記載の方法。
  8. 前記選択された予測タイプを、量子化器の量子化レベルにより間接的に示す請求項1に記載の方法。
  9. 前記予測タイプを輝度および彩度のピクセルレベルに適用する請求項1に記載の方法。
  10. 前記予測タイプを輝度および彩度の変換係数に適用する請求項1に記載の方法。
  11. 前記予測はセグメントの境界を越えて行われる請求項1に記載の方法。
  12. 前記予測は前記ブロックを含むセグメント内でのみ行われる請求項1に記載の方法。
  13. 前記ブロックは16X16のマクロブロックを含む請求項1に記載の方法。
  14. 前記選択された予測タイプを、任意の符号化ツールの選択により間接的に示す請求項1に記載の方法。
  15. 前記選択された予測タイプを、プロファイルおよび/またはレベルの選択により間接的に示す請求項1に記載の方法。
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