JP2005527028A - 局所的なエッジの統計分布に基づいて鮮鋭度の指標を見積もる方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
本発明は、もとのデータへのアクセスを取得することを必要とせずに、映像データの品質を評価するための方法およびシステムに関する。このシステムは、エッジ画素を検出し(14)、それらを8×8画素のブロックで取り囲むことにより、鮮鋭度の指標を見積もるように設定されている。それぞれのブロックについて、DCTの尖度に基づく鮮鋭度が計算される(16)。最終的な指標は、エッジ・プロファイル中のブロックの平均鮮鋭度であり、空間領域の情報と周波数領域の情報とのロバスト性のある組合せを含む。
Description
本発明は、映像データの鮮鋭度の品質を測定する方法およびシステムに関し、より詳細には、もとの映像データを参照せずにピクチャーの鮮鋭度の品質を評価する方法およびシステムに関するものである。
映像の専門家にとって、見る者に知覚的に最もよく訴える映像を提供することは、究極の目的である。結果として得られた画像の品質が良いか悪いかを特定する1つのやり方は、見る者の集団に、特定の映像シーケンスを見て意見を出してくれるように依頼するやり方である。映像シーケンスを分析する別の1つのやり方は、映像品質の卓越度あるいは劣化を評価する自動化された機構を提供することである。全体的な映像品質の尺度を評価するために、様々な指標、すなわち、鮮鋭度、ブロッキング、リンギング、クリッピング、ノイズ、コントラストおよび経時劣化が使用される。とりわけ、鮮鋭度の感覚は、画像のディテールの明りょうさおよびエッジの精細度に関係する。画像の相対的な鮮鋭度は、空間領域において、参照画像と比較したエッジの精細度により、または、変換領域において、やはり参照対象に対する、エッジおよび細かなディテールと関連付けられた高周波数エネルギーの違いにより、測定することができる。鮮鋭度の測定には、主としてこれら2つのアプローチがある。すなわち、周波数領域の情報を用いるか、空間領域の情報を用いるかである。
映像データのピクチャーの品質を測定するためのよくある1つのアプローチは、処理された画像と処理されていないもとの画像との比較を行うアプローチである。しかしながら、もとの映像を参照対象として使用することは、運用中における(in−service)品質監視や、継続的な品質管理システムの開発には適用できない。
したがって、本発明は、もとのデータを用いずにピクチャーの客観的な品質を評価する、映像の鮮鋭度の指標を用いた客観的な品質評価を提案するものである。
本発明は、エッジ画素を検出し、それらのエッジ画素を8×8画素のブロックで取り囲み、各ブロックについてDCTの尖度を用いて鮮鋭度を計算し、エッジのプロファイルにおけるブロックの鮮鋭度の平均を取ることにより、もとのデータにアクセスせずに映像データの品質を評価する装置および方法に関する。
本発明の1つの側面によれば、もとのデータにアクセスせずに映像データの鮮鋭度の品質を評価する方法が提供される。この方法は、入力映像フレームを受信する工程と、その入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得する工程と、そのエッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、1つの8×8ブロックの中心に割り当てる工程と、その8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成する工程と、その8×8ブロックのDCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得する工程と、規格化されたDCT係数の尖度を計算して、鮮鋭度の指標を生成する工程とを含む。この方法はさらに、8×8ブロックの各々について計算された尖度の平均を取り、全体的な鮮鋭度の指標を決定する工程も含んでいる。エッジ画像は、予め決められた閾値レベルよりも大きな周波数帯を有するエッジを選択することにより取得される。
本発明の別の1つの側面によれば、映像データの鮮鋭度の品質を評価する装置は、入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得するために、その入力映像フレームを受信するようにされたエッジ検出手段と、上記の入力映像フレームを受信し、上記のエッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、重複なしで1つの8×8ブロックに割り当てる分割手段であって、オプションとしてそのエッジ画素をそのブロックの中心に据える分割手段と、その8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成し、その8×8ブロックのDCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得し、その尖度を見積もる尖度見積器とを含んでいる。この装置はさらに、8×8ブロックの各々について見積もられた尖度の平均を取り、全体的な鮮鋭度の指標を取得する加算手段も含んでいる。ここで、見積もられた尖度は、8×8ブロックの鮮鋭度の品質を示している。この実施形態では、エッジ検出手段は、予め決められた閾値レベルよりも大きな周波数帯を有するエッジを選択するように動作可能であり、尖度見積器は、DCT係数の尖度を見積もるのに先立って、それらDCT係数から、選択されたDCT係数を除外するように働く。
本発明のさらに別の1つの側面によれば、鮮鋭度の品質を評価するため入力映像フレームに応答する信号処理装置は、入力部と、出力部と、その入力部および出力部の間に結合された処理ユニットとを備え、その処理ユニットが、入力映像フレームを受信し、その入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得し、そのエッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、1つの8×8ブロックの中心に割り当て、その8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成し、その8×8ブロックのDCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得し、規格化されたDCT係数の尖度を計算して、鮮鋭度の指標を生成するように、構築され適合化させられている。
さらに別の1つの側面は、本発明が、単純で、信頼性が高く、かつ低コストの実装により実現され得る面である。
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、以下の、図面に示された好ましい実施形態のより詳細な説明から、明らかとなるであろう。図中において、多くの図に亘って、各参照符号は同一の部分を指す。図面は、必ずしも正しい縮尺で描かれてはおらず、代わりに、本発明の原理を図解することに重点が置かれている。
以下の説明では、本発明の十分な理解を与えるために、限定の目的ではなくむしろ説明の目的で、特定の構造、インターフェース、技術等の具体的な詳細が提示される。不必要な詳細事項により本発明の説明を不明りょうとしないよう、単純さおよび明確さの目的で、よく知られた装置、回路および方法についての詳細な説明は省略する。
本発明の理解を容易にするために、MPEG2の符号化に関する背景的な情報を簡単に説明する。当該技術分野における平均的な技術を有する者には理解されるように、一般的に、ある画像に対するMPEG2の符号化は、その画像を、それぞれ独立した量子化スケール値と対応付けられた16×16画素のマクロ・ブロックに分割することにより実行される。マクロ・ブロックは、8×8画素の個々のブロックにさらに分割される。それぞれの8×8画素のブロックは、離散コサイン変換(DCT)を受け、そのブロック内の64個の周波数帯のそれぞれについて、DCT係数が生成される。1つの8×8画素のブロック内のDCT係数は、その後、対応の符号化パラメータすなわち量子化重みにより除算される。1つの所与の8×8画素のブロックに対する量子化重みは、8×8の量子化行列により表される。その後、具体的には量子化スケール値その他の事項を計算に入れるために、DCT係数に追加の計算が施され、それによりMPEG2の符号化が完了する。
また、当該技術分野における平均的な技術を有する者には理解されるように、多くの統計分析における根本的な課題は、データセットの位置およびばらつきを特徴付けることである。また、データを特徴付けるさらなる事項には、歪度および尖度が含まれる。歪度は対称性の尺度であり、データセットまたは分布は、その中心点の左側と右側とで同じように見える場合に、対称であると考えられる。尖度は、正規分布と比べて、データが尖っているか平坦であるかを示す尺度である。高い尖度を有するデータセットは、平均値近くにおいて明確なピークを有し、急速に落ち込み、重い裾野(heavy tail)を有する傾向がある。低い尖度を有するデータセットは、平均値近くにおいて、鋭いピークよりもむしろ平坦な頂部を有する傾向がある。図1は、尖度(K)の増大に対応する、確率密度関数のピークの増大を、図解的に表した図である。基準となる正規分布の尖度は3である。
以下、図2から7を参照しながら説明するように、本発明は、上記の統計分析とMPEG符号化との技術を、もとのピクチャーへのアクセスを取得することを必要とせずにピクチャーの映像品質を評価することに取り入れたものである。
図2は、分割モジュール12と、エッジ検出器14と、K見積器16と、加算器18とを備えた、もとのピクチャーへのアクセスを取得することを必要とせずに、DCT係数から集約されたピクチャーの品質を見積もる本発明の鮮鋭度指標検出器10の簡略化されたブロック図である。図2に示されているように、アナログ映像データから変換された後のデジタル画像データは、鮮鋭度指標検出器10へと送られる。この鮮鋭度指標検出器10が表すものは、マイクロプロセッサ、中央処理ユニット、コンピュータ、回路カード、または特定用途向け集積回路(ASIC)であってもよい。
図3を参照して、エッジ検出器14は、各入力映像フレームのエッジ・プロファイルを生成するように設定されている。図3は、原画像およびエッジ画像と、可能性のあるブロックの割当てとを示している。予め決められた閾値よりも大きな周波数値を有するすべてのエッジが検出される。高から低または低から高への遷移の中心にあるエッジ画素の値は、その遷移の中心を示している点に留意されたい。数学的には、この中心は、勾配(すなわち遷移値の1次微分)の極大点に対応し、2次微分のゼロ点に対応する。映像フレーム内のエッジの検出は様々な手法で実行され得ることが、当該技術分野においてよく知られている。たとえば、J.Canny、A Computational Approach to Edge Detection(エッジ検出への計算アプローチ)、IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence、PAMI−8巻、第6号、1986年11月を参照されたい。この記事の内容は、参照により本明細書に組み込まれているものとする。この記事は、MPEGブロッキングのアーティファクトや低レベルのノイズと関連付けられていることが多い弱いエッジを除外しつつ、エッジを検出することのできる検出器を提供するものである。
一方、分割モジュール12は、入力デジタル画像データを8×8画素のブロックに従属させ、各エッジ画素を1つの8×8ブロックに割り当てる。ブロックの割当ては、エッジ画素をブロックの中心に据えるように行ってもよいが、1つのエッジ画素を1ブロックより多くのブロックに割り当てないように行われなければならない。最も単純な実施形態では、MPEG格子、すなわち(0,0)を原点とする8×8の大きさの格子を用いる。その後、K見積器16が、エッジ・プロファイルの各ブロックのAC周波数帯についてDCT係数を生成するために、エッジ画像を含む各8×8ブロックを、DCT処理に通す。したがって、1つの与えられた二次元画像領域、すなわち1つの8×8画素のブロックについて、対応の二次元係数F(u,v)が得られる。その後、F(u,v)は、F(0,0)を除外された後に規格化され、二変数の確率密度関数(PDF)であるp(u,v)が形成される。最後に、K見積器16は、エッジ画素の位置を中心とする画像ブロックのエッジ周波数プロファイルを有する各ブロックについて、以下に数学的に説明するようにして、二次元尖度を計算する。ここでは、D(u,v)を8×8ブロックのDCT係数行列であるとする。D(0,0)を除くこれら係数の分布を規格化することにより、
となるような、正当な二変数確率密度関数(PDF)であるp(x,y)を形成することができる。
当該技術分野における平均的な技術を有する者には理解されるように、ランダムな変数すなわちXの非ガウシアン性の伝統的な尺度は、尖度である。尖度は、ある確率分布の、ガウシアン(正規)形状からの外れ度合いの尺度である。図1に示されているように、尖度の測定値は、ガウシアン型の変数に対してはゼロであり、ほとんどの非ガウシアン型のランダムな変数に対してはゼロより大きい。ゼロの尖度を有する非ガウシアン型のランダムな変数もあるが、そのような変数は稀であると考えられる点に留意されたい。
平均値がμxである所与のランダムな変数xについての尖度は、
により定義される。ここで、m4およびm2は、それぞれ4番目および2番目の中心積率を表す。k番目の中心積率は、
により定義され、ここでEは、ランダムな変数の確率期待値すなわち平均値を指す。また、
である。
さらに、Wが、4番目の積率までは有限値の積率を有するp次元のランダムなベクトル(すなわちW=[w1,w2,・・・wp])であり、μおよびΓが、それぞれWの平均ベクトルおよび共分散行列であるとすると、p次元の尖度は、
と表すことができる。ここで、Tは、ベクトルの転置を指す。
ここで、二次元尖度は、m×nの画像全体またはその中の任意の領域の、鮮鋭度を示すものであることに留意されたい。しかしながら、本発明によって分かった極めて重要な違いがある。画像がより鮮鋭になると、画像全体の二次元尖度は減少するが、8×8ブロックの尖度は、鮮鋭度と共に増加する。この効果は、エッジ近傍の局所的な週波数分布による結果である。したがって、m,n=0,1,・・・7である所与の二次元画像領域f(X,Y)、すなわち1つの8×8画素のブロックについて、対応の二次元DCT係数F(u,v)が得られる。ここで、uおよびvは空間周波数である。その後、F(u,v)は、F(0,0)を除外した後に規格化され、二変数の確率密度関数p(u,v)が形成される。
図4を参照すると、エッジ画素の位置を中心とする画像ブロックのエッジ・プロファイルを有する、それぞれの8×8のDCTブロックの尖度が、式(8)に従って計算される。その後、エッジ・プロファイルを含む8×8画素のそれぞれのブロックについて、エッジ周波数プロファイルと交差する画素の数wが特定される。その後、8×8ブロックの二次元尖度の値Kが、対応のwと掛け合わされる。エッジ・プロファイルを伴う各ブロックに関する二次元尖度の値(w×K)は、エッジ周波数プロファイルの局所的な尖度を示すものであり、したがって鮮鋭度の局所的な尺度を表す点に留意されたい。そのようであるので、平均値は、フレーム全体の鮮鋭度の尺度を示し得る。したがって、エッジ・プロファイルを伴う各ブロックについて式(8)に従って二次元尖度を計算した後、加算器18が、エッジ・プロファイルを伴うブロックの合計数で除算したエッジ・プロファイルを伴う各ブロックについての(w×K)を足し合わせることにより、エッジ・プロファイルを有するすべての8×8ブロックに亘って尖度を平均する。さらに、フレームごとまたは画像ごとに平均値を決定することもでき、あるいは、アプリケーションに応じて変化する異なるレベルの鮮鋭度の尺度を得るために、特定の時間窓に亘る動作中平均として平均値を決定することもできる。
図5は、本発明の実施形態に係る映像品質評価の動作工程を図示したフローチャートである。処理ブロックおよび判断ブロックは、デジタル信号処理回路または特定用途向け集積回路(ASIC)といったような、機能的に等価な回路によって実行される工程を表し得る点に留意されたい。このフローチャートは、いかなる特定のプログラミング言語の構文を示したものでもない。むしろ、このフローチャートは、当該技術分野における平均的な技術を有する者が、特定の装置における必要な処理を実行する回路またはコンピュータ・ソフトウェアを作製するのに必要とする、機能情報を図示したものである。
ステップ110で入力映像フレームが受信されると、ステップ120において、図2のエッジ検出器14を用いて、各入力映像フレームについてのエッジ画像が生成される。その後、ステップ140において、図2の分割モジュール12を用いて、各エッジ画素が、1つの8×8ブロックに割り当てられる。ステップ160において、8×8DCTが実行されてF(u,v)が得られ、ステップ180において、規格化されてPDFすなわちp(u,v)が得られる。その後、ステップ200において、図2のK見積器16を用いて、エッジ周波数プロファイルの各ブロックについて、二次元尖度の計算が実行される。ステップ202において、すべてのエッジ画素の処理が完了していれば、ステップ204において、図2の加算器18を用いて、すべての8×8ブロックに亘って尖度が平均される。
上記から明らかなように、本発明は、鮮鋭度指標システム10が、画像のエッジを取り囲む小さな領域の尖度を用いており、したがって局所的な空間情報のみならず周波数の特徴も考慮に入れている点で利点を有する。結果として得られる鮮鋭度の指標は、コンテンツ依存のものではなく、また、エッジ領域内の局所的な尖度に集中することにより、本発明はノイズを避けることができる。ビデオ撮影機の焦点制御、映像処理アルゴリズムの開発、リアルタイムの映像品質管理/制御、およびネットワーク映像のリアルタイムの品質制御等の、多くの映像アプリケーションが、本発明の教示から利益を得ることができる点に留意されたい。この指標は、単純かつ汎用的な方法体系を有しているので、1)体系だったかつ首尾一貫した鮮鋭度の品質制御ができる、2)非常に低コストで使用でき、人が介在しない多くのリアルタイムのアプリケーションに適している、3)人である品質監視者を、多くの退屈な作業から救うという3つの利点を有する、リアルタイムの品質監視器として働くことができる。たとえば、図6から8は、本発明の実施形態が応用された、簡略化されたブロック図である。図6を参照して、鮮鋭度検出器10は、監視されていないカメラや、特定の画像に基づいて映像データを発生させることができるような他の映像装置等の、いかなるタイプの映像発生装置に接続されてもよい。図7を参照して、映像記憶体22は、当該技術分野において知られている、従来のいかなる映像記憶媒体であってもよい。図8を参照して、鮮鋭度指標検出器は、適当に選択された監視および制御点を用いて、異なる目的の鮮鋭度制御ループを組み込むことができるようにして、検出、符号化、伝送、強調等の映像取得動作において実装され得る。
本発明の好ましい実施形態を図解し説明してきたが、当業者には、様々な変更が可能であり、本発明の真の範囲から逸脱することなく、構成要素を等価の要素に交換することも可能であることが理解されよう。加えて、中核的な範囲から逸脱せずに、特定の状況および本発明の教示に適合化するために、多くの変更を行うこともできる。したがって、本発明は、本発明を実行するために考えられた最良のモードとして開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲に基づく技術的範囲によりカバーされるあらゆる実施形態を含むよう意図されたものである。
Claims (12)
- 映像データの鮮鋭度の品質を評価する方法であって、
(a)入力映像フレームを受信する工程と、
(b)前記入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得する工程と、
(c)前記エッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、1つの8×8ブロックの中心に割り当てる工程と、
(d)前記8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成する工程と、
(e)前記8×8ブロックの前記DCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得する工程と、
(f)規格化された前記DCT係数の尖度を計算して、鮮鋭度の指標を生成する工程とを含むことを特徴とする方法。 - 前記エッジ画素を含む前記8×8ブロックの各々に対して、前記工程(c)から前記工程(f)を繰り返す工程をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記8×8ブロックの各々について計算された前記尖度の平均を取り、全体的な鮮鋭度の指標を決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項2記載の方法。
- 前記エッジ画像を取得する前記工程(b)が、予め決められた閾値レベルよりも大きな周波数帯を有するエッジを選択する処理を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記DCT係数を特定する前記工程(d)がさらに、該DCT係数から、予め決められたDCT係数を除外する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 映像データの鮮鋭度の品質を評価する装置であって、
入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得するために、該入力映像フレームを受信するようにされたエッジ検出手段と、
前記入力映像フレームを受信し、前記エッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、重複なしで1つの8×8ブロックに割り当てる分割手段であって、オプションとして該エッジ画素を該ブロックの中心に据える分割手段と、
前記8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成し、該8×8ブロックの該DCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得し、その尖度を見積もる尖度見積器とを備えていることを特徴とする装置。 - 前記エッジ画像の前記選択された部分の前記各エッジ画素が、前記8×8ブロックの中心に割り当てられることを特徴とする請求項6記載の装置。
- 前記8×8ブロックの各々について見積もられた前記尖度の平均を取り、全体的な鮮鋭度の指標を取得する加算手段をさらに備えていることを特徴とする請求項6記載の装置。
- 見積もられた前記尖度が、前記8×8ブロックの鮮鋭度の品質を示すものであることを特徴とする請求項6記載の装置。
- 前記エッジ検出手段が、予め決められた閾値レベルよりも大きな周波数帯を有するエッジを選択するように動作可能であることを特徴とする請求項6記載の装置。
- 前記尖度見積器が、前記DCT係数の前記尖度を見積もるのに先立って、該DCT係数から、選択されたDCT係数を除外することを特徴とする請求項6記載の装置。
- 鮮鋭度の品質を評価するため入力映像フレームに応答する信号処理装置であって、入力部と、出力部と、該入力部および該出力部の間に結合された処理ユニットとを備え、該処理ユニットが、前記入力映像フレームを受信し、該入力映像フレームについて、エッジ画素を含むエッジ画像を取得し、該エッジ画像の選択された部分の各エッジ画素を、1つの8×8ブロックの中心に割り当て、該8×8ブロックに離散コサイン変換(DCT)を実行して、DCT係数の組を生成し、前記8×8ブロックの前記DCT係数を規格化して、二変数の確率密度関数を取得し、規格化された前記DCT係数の尖度を計算して、鮮鋭度の指標を生成するように、構築され適合化させられていることを特徴とする装置。
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