JP2011029998A - 画像記録装置、画像記録方法、及びプログラム - Google Patents

画像記録装置、画像記録方法、及びプログラム Download PDF

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宏昌 長沼
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Abstract

【課題】量子化により階調数が削減された画像データを、より階調数が高い場合の画質に視覚的に近い画質を有する画像データに変換して記録すること。
【解決手段】第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、前記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成する高階調化部と、前記高階調化部により生成された前記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、前記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成する画像量子化部と、前記量子化部により生成された前記記録対象画像を符号化する符号化部と、前記符号化部により符号化された前記記録対象画像を記録媒体に記録する記録部と、を備える画像記録装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像記録装置、画像記録方法、及びプログラムに関する。
一般的に、デジタル形式の画像データを記録媒体に記録する場合、その記録媒体に対応する符号化方式に応じて、記録される画像データの階調数（ビット深度ともいう）は決まっている。例えば、記録媒体としてＢＤ（Blu-ray Disc；登録商標）やＤＶＤを用いる場合には、ＹＵＶなどの各色について８ビットの階調数が使用される。一方、記録の対象となる画像データの階調数は必ずしも８ビットではなく、例えばオーサリングを含むコンテンツ製作の分野においては、特に画質が重視される場合に、ＹＵＶごとに１０ビット又はそれ以上の階調数を有する画像データが扱われ得る。その場合、その高階調の画像データは、上述した記録媒体へ記録される際に、例えば階調数が８ビットとなるように量子化される。
このような量子化処理を行うことで、ビットの切捨てによりデータ量を削減できる反面、滑らかな階調性が失われて擬似輪郭（カラーバンディング）が発生するなど、画質が劣化する場合がある。これに対し、量子化処理により生じる誤差を人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に変調する組織的ディザ法、又は誤差拡散法などの手法が知られている。組織的ディザ法又は誤差拡散法などの手法を用いれば、ユーザに感知される画質の劣化をある程度抑えることができる。さらに、下記特許文献１に記載された手法によれば、人間の視覚の逆特性に類似する振幅特性を有するノイズシェーピングを行い、かつハンチング現象を抑えながらユーザに感知される画質の劣化を抑えることが可能である。
また、別のアプローチによりユーザに感知される画質の劣化を抑える技術として、記録媒体に記録された画像データを再生する際に、良好な画質が得られるように階調数を拡張する技術が提案されている（例えば、下記特許文献２及び３参照）。
特開２００９−８１８４８号公報 特開平９−２１９８３３号公報 特開２００８−３０６６５６号公報
しかしながら、既に量子化され階調数が削減された画像データに対しては、組織的ディザ法、誤差拡散法、又は上記特許文献１に記載された手法など、画質を維持したまま量子化を行う手法を適用することができなかった。また、画像データを再生する際に階調数を拡張する上記特許文献２又は３に記載の手法は、例えば再生され表示される画像については有効であるものの、記録媒体に記録される画像の画質を改善するものではなかった。
そこで、本発明は、量子化により階調数が削減された画像データを、より階調数が高い場合の画質に視覚的に近い画質を有する画像データに変換して記録することのできる、新規かつ改良された画像記録装置、画像記録方法、及びプログラムを提供しようとするものである。
本発明のある実施形態によれば、第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、上記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成する高階調化部と、上記高階調化部により生成された上記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、上記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成する画像量子化部と、上記量子化部により生成された上記記録対象画像を符号化する符号化部と、上記符号化部により符号化された上記記録対象画像を記録媒体に記録する記録部と、を備える画像記録装置が提供される。
かかる構成によれば、入力画像の階調数（第１の階調数）が十分な階調再現性を期待できない階調数であったとして、その入力画像の階調数は、高階調化部による高階調化処理により第２の階調数にまで一時的に高められる。そして、階調数を高められた高階調画像は、画像量子化部により、第２の階調数よりも低い第３の階調数で量子化される。このとき、画像量子化部による量子化処理は、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように行われる。それにより、入力画像よりもユーザに感知される画質が高められた記録対象画像が生成され、当該記録対象画像が符号化された後に記録媒体に記録される。
また、上記画像記録装置は、上記符号化部における符号化処理のビットレートとして所定の閾値よりも低い値が設定されている場合には、上記画像量子化部をスイッチオフし、上記入力画像を上記記録対象画像として上記符号化部に符号化させる制御部、をさらに備えてもよい。
また、上記画像記録装置は、上記入力画像に含まれる１以上の画素を有する部分画像ごとの画質の劣化の有無を示す画質劣化データを出力する解析部、をさらに備え、上記画像量子化部は、上記画質劣化データに基づいて、画質の劣化が生じている部分画像については上記高階調画像を人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化した画素値、画質の劣化が生じていない部分画像については上記入力画像の画素値を用いて上記記録対象画像を生成してもよい。
また、上記画質劣化データとは、上記部分画像ごとに擬似輪郭が生じているか否かを示すデータであってもよい。
また、上記画像記録装置は、上記画像量子化部による量子化処理が行われた上記記録対象画像の全体又は当該量子化処理が行われた部分について、上記符号化部による符号化処理に割当てられるビット量を一時的に増加させてもよい。
また、本発明の別の実施形態によれば、第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、上記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成するステップと、上記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、上記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成するステップと、上記記録対象画像を符号化するステップと、符号化された上記記録対象画像を記録媒体に記録するステップと、を含む画像記録方法が提供される。
また、本発明の別の実施形態によれば、画像記録装置を制御するコンピュータを、第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、上記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成する高階調化部と、上記高階調化部により生成された上記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、上記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成する画像量子化部と、上記量子化部により生成された上記記録対象画像を符号化する符号化部と、上記符号化部により符号化された上記記録対象画像を記録媒体に記録する記録部と、として機能させるためのプログラムが提供される。
以上説明したように、本発明に係る画像記録装置、画像記録方法、及びプログラムによれば、量子化により階調数が削減された画像データを、より階調数が高い場合の画質に視覚的に近い画質を有する画像データに変換して記録することができる。
本発明の一実施形態が適用され得る画像記録装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る画質変換処理のための構成を示すブロック図である 画質の劣化の有無を判定するためのフローチャートの一例を示している。 本発明の一実施形態に係る画像量子化部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 ビットレートの設定に応じた画質変換処理の制御の一例を示すフローチャートである。 画素ごとの画質の劣化の有無に応じた画質変換処理の制御の一例を示すフローチャートである。 ビットレートの設定に応じた画質変換処理の制御の他の例を示すフローチャートである。 符号化処理におけるビット量の動的な割当ての一例を示すフローチャートである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する。
また、以下の順序にしたがって当該「発明を実施するための形態」を説明する。
１．一実施形態に係る画像記録装置の例
２．一実施形態に係る画質変換処理のための構成例
３．一実施形態に係る画質変換処理の制御の例
４．まとめ
＜１．一実施形態に係る画像記録装置の例＞
まず、本発明の一実施形態に係る画質変換処理を適用可能な画像記録装置の一例について説明する。図１を参照すると、一例としての画像記録装置１０が示されている。画像記録装置１０は、例えば、ネットワークを介して受信され若しくは外部機器から入力される画像データ又は一連の画像データを含む映像データ、及び音声データを記録媒体に記録可能な画像記録装置として構成されている。即ち、画像記録装置１０は、外部から入力される画像データ及び音声データをハードディスク又はＢＤ等の記録媒体に記録する機能を有する。また、図１から理解されるように、一例としての画像記録装置１０は、上記記録媒体に記録された画像データ及び音声データを再生する機能をも有する。
図１を参照すると、画像記録装置１０は、アナログチューナ１１、Ａ／Ｄ変換器１２、アナログ入力端子１３、ＤＶ入力端子１４、ＤＶデコーダ１５、デジタルチューナ１６、ｉ．ＬＩＮＫ端子１７、ＵＳＢ端子１８、通信部１９、画質変換部２０、ＡＶエンコーダ２８、ストリームプロセッサ３０、ＡＶデコーダ４０、スケーラ５２、オーディオプロセッサ５４、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）６２、ＢＤＤ６４、グラフィック処理部７０、ディスプレイ処理部７２、Ｄ／Ａ変換器７４、ＣＰＵ（Central Processing Unit）８０、ＲＯＭ（Read Only Memory）８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）８４、及びユーザインタフェース８６を備える。
アナログチューナ１１は、アナログ放送用のアンテナ１で受信した放送電波から、目的のチャンネルを選局し、そのチャンネルの電波の復調処理を行って、受信信号（映像及び音声のアナログ信号）を生成する。さらに、アナログチューナ１１は、この受信信号に対して、例えば中間周波の増幅処理、色信号の分離、色差信号の生成、同期信号の抽出などといった所定の映像信号処理を行って、一連の画像データを含む映像信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器１２は、上記アナログチューナ１１やアナログ入力端子１３等から入力される映像及び音声のアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換して、画質変換部２０に出力する。なお、アナログ入力端子１３には、外部機器２から、映像及び音声のアナログ信号が入力される。また、ＤＶ入力端子１４には、ＤＶ方式のデジタルビデオカメラ等の外部機器３から、映像及び音声のＤＶ信号が入力される。ＤＶデコーダ１５は、このＤＶ信号を復号して画質変換部２０に出力する。
デジタルチューナ１６は、衛星又は地上デジタル放送用のアンテナ４で受信した電波から、目的のチャンネルを選局し、そのチャンネルの一連の画像データを含む映像及び音声のデジタルデータ（ビットストリーム）をストリームプロセッサ３０に出力する。また、ｉ．ＬＩＮＫ端子１７、ＵＳＢ端子１８等の外部入力端子には、ＨＤＶ（High Definition Video）方式のデジタルビデオカメラ等の外部機器５、６が接続される。この外部機器５からＩＥＥＥ１３９４方式で転送された映像及び音声のＨＤＶ信号（ストリーム）が、ｉ．ＬＩＮＫ端子１７を介してストリームプロセッサ３０に入力される。通信部１９は、イーサネット（登録商標）７等のＩＰネットワークを介して、外部装置（図示せず）との間で各種データを送受信する。例えば、通信部１９は、イーサネット７等を介して配信されるＩＰＴＶ（Internet Protocol Television）の番組の映像及び音声信号を受信して、ストリームプロセッサ３０に出力する。
画質変換部２０は、ＡＶエンコーダ２８による画像データの符号化処理の前段階として、Ａ／Ｄ変換器１２、ＤＶデコーダ１５又はスケーラ５２などから入力される映像信号に含まれる各入力画像の画質を変換し、記録対象画像を生成する。そして、画質変換部２０は、生成した記録対象画像をＡＶエンコーダ２８へ出力する。一方、画質変換部２０は、例えばＡ／Ｄ変換器１２又はＤＶデコーダ１５から入力される音声データについては、特に処理を加えることなく、ＡＶエンコーダ２８へ出力する。画質変換部２０による画質変換処理のための具体的な構成については、後により詳しく説明する。
ＡＶエンコーダ２８は、符号化部のハードウェアに相当する。ＡＶエンコーダ２８は、画質変換部２０から入力される一連の記録対象画像のデジタルデータ、及びオーディオプロセッサ５４等から入力される音声のデジタルデータを、所定の記録形式に圧縮符号化する。ＡＶエンコーダ２８は、例えば、ＨＤ映像及びＳＤ映像に対応可能な高性能のエンコーダであってもよい。また、このＡＶエンコーダ２８は、ステレオ音声及びマルチチャンネル音声に対応可能なエンコーダであってもよい。ＡＶエンコーダ２８は、符号化した記録対象画像及び音声のデジタルデータ（ビットストリーム）を、ストリームプロセッサ３０に出力する。
ストリームプロセッサ３０は、データの記録時又は再生時に、記録対象又は再生対象のデータ（ストリーム）に対して所定のデータ処理を行う。例えば、データ記録時には、ストリームプロセッサ３０は、上記ＡＶエンコーダ２８で符号化された圧縮データを多重化（Multiplex）及び暗号化して、バッファ制御しながらＨＤＤ６２又はＢＤＤ６４の記録媒体に記録する。また、データ再生時には、ストリームプロセッサ３０は、ＨＤＤ６２又はＢＤＤ６４の記録媒体から読み出された圧縮済みのデータを、暗号解除及び分離化（DeMultiplex）してＡＶデコーダ４０に出力する。
ＡＶデコーダ４０は、ストリームプロセッサ３０から入力される圧縮された映像及び音声を伸張する復号処理を行う。
上記のようなＡＶエンコーダ２８及びＡＶデコーダ４０で用いる圧縮符号化方式（コーデックタイプ）として、一連の画像データを含む映像については、例えば、ＭＰＥＧ２、Ｈ．２６４（ＡＶＣ：Advanced Video Coding）、ＶＣ１などが使用され得る。また、音声については、例えば、Ｄｏｌｂｙ ＡＣ３、ＭＰＥＧ２ ＡＡＣ（Advanced Audio Coding）、ＬＰＣＭ（Linear Pulse Code Modulation）などが使用され得る。また、映像信号に含まれる画像データのサイズとしては、例えば、「４８０ｉ」、「４８０ｐ」、「７２０ｐ」、「１０８０ｉ」、「１０８０ｐ」などが使用され得る。また、音声信号のチャンネル数としては、例えば、「２ＣＨ」、「５．１ＣＨ」、「７．１ＣＨ」などが使用され得る。なお、一般的には、ＡＶデコーダは、各種の放送や記録媒体（ＢＤ等）の種類に応じた全ての映像／音声形式（フォーマット）に対応できるように設計される場合が多い。一方、ＡＶエンコーダは、一部の任意の映像／音声形式（フォーマット）にのみ対応できるように設計され得る。
スケーラ５２は、ＣＰＵ８０からの指示に基づいて、ＡＶデコーダ４０から入力される映像信号の形式を所定の記録形式に変換する。例えば、ＨＤカテゴリに属する「７２０ｐ」、「１０８０ｐ」等の形式の映像信号が入力された場合には、スケーラ５２は、当該映像信号を、画像記録装置１０が対応可能なＨＤカテゴリの所定の記録形式（例えば「１０８０ｉ」など）に変換してもよい。そして、スケーラ５２は、変換後の映像信号をＡＶエンコーダ２８に出力する。
オーディオプロセッサ５４は、ＣＰＵ８０からの指示に基づいて、ＡＶデコーダ４０から入力される音声信号の形式を所定の記録形式に変換する。例えば、オーディオプロセッサ５４は、マルチチャンネルカテゴリに属する「７．１ＣＨ」、「４ＣＨ」、「５ＣＨ」等の形式の音声信号を、画像記録装置１０が対応可能な所定の記録形式（例えば「５．１ＣＨ」など）に変換してもよい。そして、オーディオプロセッサ５４は、変換後の音声信号をＡＶエンコーダ２８に出力する。
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）６２は、例えば、ストリームプロセッサ３０から入力される映像／音声信号のストリームを記録媒体であるハードディスクに記録する。また、ＨＤＤ６２は、例えば、ハードディスクに記録されているデータを読み出し、ストリームプロセッサ３０に出力する。同様に、ＢＤドライブ（ＢＤＤ）６４も、例えば、記録媒体であるＢＤにストリームを書き込み、又は当該ＢＤからストリームを読み出す。なお、映像／音声信号が記録される記録媒体は、かかる例に限定されず、例えば、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ若しくは光磁気ディスク等の光ディスク、又はフラッシュメモリ等の各種の半導体メモリなどであってもよい。また、記録媒体は、画像記録装置１０に内蔵されてもよく、着脱可能であってもよい。
グラフィック処理部７０は、画像記録装置１０の動作設定若しくは動作状況を示す表示データ又は字幕などを生成し、ＡＶデコーダ４０から入力される画像に重畳（オーバレイ）する。ディスプレイ処理部７２は、例えば、グラフィック処理部７０から入力される重畳画像を出力形式に応じて整形し、Ｄ／Ａ変換器７４へ出力する。Ｄ／Ａ変換器７４は、ディスプレイ処理部７２から入力される一連の画像を含む映像及び音声のデジタル信号をアナログ信号に変換し、モニタ８及びスピーカ９へそれぞれ出力する。
ＣＰＵ８０は、演算処理装置及び制御装置として機能し、画像記録装置１０内の各部を制御する。ＣＰＵ８０は、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラム、又はＨＤＤ６２若しくはＢＤＤ６４からＲＡＭ８４にロードされるプログラムに従い、ＲＡＭ８４を使用しながら各種処理を実行する。ＲＯＭ８２は、ＣＰＵ８０が使用するプログラム及び適宜変化するパラメータ等を記憶する。
ユーザインタフェース８６は、ユーザが画像記録装置１０に対して各種の指示を入力するための入力部として機能する。ユーザインタフェース８６は、例えば、ボタン、スイッチ、タッチパネル、リモートコントローラなどの操作手段と、当該操作手段に対する入力操作に応じて入力信号を生成してＣＰＵ８０に出力する入力制御回路などから構成され得る。
なお、ここでは、本発明の一実施形態に係る画質変換処理を適用可能な画像記録装置の一例として、一連の画像データを含む映像と音声とを記録媒体に記録し、及び記録媒体に記録された映像と音声とを再生することのできる画像記録装置１０について説明した。しかしながら、後の説明から明らかとなるように、本発明の一実施形態に係る画質変換処理は、少なくとも１枚以上の画像データを記録可能な画像記録装置の全般に適用可能である。即ち、図１に示した画像記録装置１０の各部のうち、例えば音声の記録及び再生に係る部分、又は映像（画像）の再生に係る部分が省略されてもよい。
＜２．一実施形態に係る画質変換処理のための構成例＞
上述したように、図１に示した画像記録装置１０によれば、例えばネットワークを介して受信した画像データ、又は外部機器から入力される画像データ等を、ＢＤ又はハードディスクなどの記録媒体に記録することができる。このとき、一般的に流通する多くの画像データは、８ビットの階調数を有する。ところが、８ビットの階調数で量子化された画像データがディスプレイに表示され又は印刷された場合、明るさが緩やかに変化すべき箇所において、擬似輪郭と呼ばれる等高線状の縞が発生する場合がある。これは、明るさが緩やかに変化する箇所では８ビットの階調数は十分でなく、量子化の粗さの結果としてその明るさの変化が階段状に現れてしまうためである。そこで、図１に示した画質変換部２０において、擬似輪郭などの画質の劣化を含む入力画像を、より階調再現性を向上させた（即ちユーザに感知される画質を向上させた）画像に変換する。
図２は、本実施形態に係る画質変換処理のための画質変換部２０及び関連する処理ブロックの構成を示すブロック図である。図２を参照すると、画像記録装置１０の画質変換部２０は、高階調化部２２、解析部２４、及び画像量子化部２６を含む。また、図２には、画像量子化部２６と接続されるＡＶエンコーダ２８、及び画質変換部２０の各部とＡＶエンコーダ２８とを制御するＣＰＵ８０も示されている。
図２において、高階調化部２２及び解析部２４には、Ａ／Ｄ変換器１２、ＤＶデコーダ１５又はスケーラ５２などから入力される映像信号に含まれる各入力画像Ｉinが、順次供給される。入力画像Ｉinは、例えば、ＹＵＶごとに８ビットなどに相当する第１の階調数を有する画像である。高階調化部２２は、かかる入力画像Ｉinを高階調化することにより、第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像Ｉhighを生成する。
高階調化部２２による高階調化処理は、例えば、上記特許文献２に記載されたクラス分類適応処理を用いたものであってもよい。その場合には、高階調化部２２は、例えば、入力画像Ｉinの各画素を所定のクラスごとに分類し、分類されたクラスに対応する予測計数と注目画素の周囲の画素値とを用いて、高階調画像Ｉhighの各画素値を計算する。また、高階調化部２２による高階調化処理は、例えば、上記特許文献３に記載された手法を用いたものであってもよい。その場合には、高階調化部２２は、まず、入力画像Ｉinの階調数を伸張し、帯域通過フィルタを用いて、高域周波数帯の画像信号を通過させる。次に、高階調化部２２は、リミッタを用いて、通過させた高域周波数帯の画像信号の振幅を所定のレベルに制限する。そして、高階調化部２２は、入力画像Ｉinの画像信号から上記振幅を制限された画像信号を減算することにより、第２の階調数を有する高階調画像Ｉhighを生成する。このような高階調化処理により、例えば、入力画像Ｉinが生成された際に量子化の粗さのために生じた擬似輪郭などの画質の劣化が、第２の階調数を有する高階調画像Ｉhighにおいて改善される。なお、第２の階調数とは、例えば第１の階調数が８ビットである場合には、８ビットより大きい任意の値（例えば１０、１２又は１４ビットなど）であってよい。
また、高階調化部２２は、上述した高階調化処理に加えて、擬似輪郭が出る可能性の高い画素（又は複数の画素を含む部分画像）に平滑化フィルタをかけることにより、さらなる画質の改善を図ってもよい。また、高階調化部２２は、フィールド巡回型のノイズリダクションを実行し、又は圧縮系のノイズリダクションによりブロックノイズ若しくはモスキートノイズの除去された高階調画像Ｉhighを生成してもよい。さらに、高階調化部２２は、トーンカーブ、カラー調整、エンハンスなどの各種の画質調整処理を行ってもよい。
このようにして高階調化部２２により生成された高階調画像Ｉhighは、画像量子化部２６に供給される。
一方、解析部２４は、入力画像Ｉinに含まれる少なくとも１画素以上の大きさの部分画像ごとの画質の劣化の有無を示す画質劣化データを生成する。解析部２４により生成された画質劣化データは、後に説明するように、例えば制御部として動作するＣＰＵ８０、又は画像量子化部２６により使用され得る。また、解析部２４は、例えば上記特許文献３に記載された手法に従って判定される画質の劣化の程度に応じて、高階調化部２２による高階調化処理におけるゲインを調整してもよい。
解析部２４は、より具体的には、入力画像Ｉinに含まれる画素の１つ１つを順次注目画素として設定する。そして、解析部２４は、その注目画素と水平方向における周辺画素との間の関係を判断することで、当該注目画素が擬似輪郭の生じた箇所として目立つか否かを判定する。擬似輪郭として目立つか否かの判定は、例えば、図３に示したステップＳ１０２、Ｓ１０４及びＳ１０６の３つの判断基準に基づいて行うことができる。
図３は、解析部２４による画質の劣化の有無の判定のためのフローチャートの一例を示している。図３を参照すると、まず、解析部２４は、ステップＳ１０２において、注目画素の周辺画素における信号レベルが、水平方向で単調増加又は単調減少しているか否かを判定する。ここで、周辺画素における信号レベルが単調増加又は単調減少している場合には、処理はステップＳ１１０へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ１０４へ進む。
次に、ステップＳ１０４では、解析部２４は、注目画素と当該注目画素の左右に隣接する画素との間の信号レベルの差が、その近傍の画素を含む所定の領域（以下、近傍領域という）における信号レベルの変化量よりも大きいか否かを判定する。ここで、注目画素と当該注目画素の左右の画素との間の信号レベルの差が、近傍領域における信号レベルの変化量よりも大きい場合には、処理はステップＳ１１０へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ１０６へ進む。
次に、ステップＳ１０６では、解析部２４は、より広い範囲の周辺画素で構成される領域における信号レベルの変化量が、閾値として設定された値以下であるか否かを判定する。ここで、より広い範囲の周辺画素で構成される領域における信号レベルの変化量が上記閾値以下であれば、処理はステップＳ１１０へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ１０８へ進む。
このような条件判定の結果として、ステップＳ１０８では、解析部２４は、その時点の注目画素は擬似輪郭が生じている画素ではないと判定する。一方、ステップＳ１１０では、解析部２４は、その時点の注目画素は擬似輪郭が生じている（可能性のある）画素であると判定する。
解析部２４は、このような条件判定を入力画像Ｉinに含まれる全ての画素について繰返し、例えば“０”又は“１”のいずれかの値により画素ごとに画質の劣化が生じているか否かを示す画質劣化データを生成する。なお、解析部２４は、画素ごとではなく、複数の画素を含む部分画像ごとに上述した画質劣化データを生成してもよい。
画像量子化部２６は、高階調化部２２から入力される第２の階調数を有する上記高階調画像Ｉhighを量子化することにより、上記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像Ｉrecを生成する。このとき、画像量子化部２６は、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように高階調画像Ｉhighを量子化する。そのため、記録対象画像Ｉrecを再生した場合にユーザにより感知される画質は、入力画像Ｉinを再生する場合と比較して高いものとなる。
図４は、画像量子化部２６のさらに具体的な構成の一例を示すブロック図である。図４を参照すると、画像量子化部２６は、安定化器１００と階調変調器２００とを含む。また、図４においては、高階調化部２２から入力される高階調画像Ｉhighの２次元の画像信号が入力信号ＩＮ（ｘ，ｙ）、画像量子化部２６による処理の結果出力される記録対象画像Ｉrecの２次元の画像信号が出力信号ＯＵＴ（ｘ，ｙ）として示されている。
安定化器１００は、固定値検出部１１０、ランダムノイズ発生部１２０、スイッチ１３０、及び加算器１４０を含む。また、階調変調器２００は、量子化部２１０、逆量子化部２２０、減算器２３０、フィードバック演算部２４０、及び加算器２５０を含む。安定化器１００と階調変調器２００との間は、信号線１０９により接続される。
固定値検出部１１０は、入力信号ＩＮ（ｘ，ｙ）が過去の修正信号Ｆ（ｘ，ｙ）と同じデータを有するものであるか否かを比較し、同じデータが固定値として連続して入力されていることを検出する。
ランダムノイズ発生部１２０は、ランダムノイズを発生させる。ランダムノイズ発生部１２０は、例えば、階調変調器２００のフィードバック演算部２４０のフィルタ係数に依存するノイズレベルを有するランダムノイズを発生させてもよい。
スイッチ１３０は、固定値検出部１１０によりオン／オフ制御されるスイッチである。スイッチ１３０は、固定値検出部１１０において固定値（即ち、同じデータの連続入力）が検出された場合には、ランダムノイズ発生部１２０により発生されられたランダムノイズを加算器１４０に供給する。また、スイッチ１３０は、それ以外の場合にはランダムノイズを加算器１４０に供給しない。
加算器１４０は、入力信号ＩＮ（ｘ，ｙ）とスイッチ１３０の出力信号とを加算する。即ち、加算器１４０は、スイッチ１３０からランダムノイズが供給されている場合には、入力信号ＩＮ（ｘ，ｙ）とランダムノイズとを加算して生成した修正信号Ｆ（ｘ，ｙ）を信号線１０９に出力する。一方、加算器１４０は、スイッチ１３０からランダムノイズが供給されていない場合には、入力信号ＩＮ（ｘ，ｙ）をそのまま修正信号Ｆ（ｘ，ｙ）として信号線１０９に出力する。
安定化器１００から信号線１０９に出力された修正信号Ｆ（ｘ，ｙ）は、階調変調器２００に入力される。
階調変調器２００の量子化部２１０は、加算器２５０の出力を第２の階調数よりも低い第３の階調数に量子化する。例えば、第２の階調数が１４ビット、第３の階調数が８ビットである場合には、量子化部２１０は、１４ビットのうち下位６ビットを切り捨てて、上位８ビットを出力信号ＯＵＴ（ｘ，ｙ）として出力する。
逆量子化部２２０は、量子化部２１０によって量子化された出力信号ＯＵＴ（ｘ，ｙ）を逆量子化する。より具体的には、逆量子化部２２０は、例えば、第２の階調数が１４ビット、第３の階調数が８ビットである場合には、出力信号ＯＵＴ（ｘ，ｙ）の下位６ビットに「００００００」を埋め込んで１４ビット幅のデータを出力する。
減算器２３０は、加算器２５０の出力から逆量子化部２２０の出力を減算することにより、量子化部２１０において切り捨てられた量子化誤差Ｑ（ｘ，ｙ）を算出する。そして、減算器２３０は、算出した量子化誤差Ｑ（ｘ，ｙ）を信号線２３９に出力する。
フィードバック演算部２４０は、減算器２３０から出力された過去の量子化誤差Ｑ（ｘ，ｙ）に予め定められたフィルタ係数を乗じてそれらを加算する。このフィードバック演算部２４０による積和演算によって算出された値は、フィードバック値として加算器２５０に供給される。
加算器２５０は、階調変調器２００に入力される修正信号Ｆ（ｘ，ｙ）とフィードバック演算部２４０から供給されるフィードバック値とを加算し、その結果を量子化部２１０および減算器２３０へ出力する。
即ち、図４に示した画像量子化部２６において、階調変調器２００は、ΔΣ変調器を構成しており、量子化誤差（量子化ノイズ）を高周波領域に変調するノイズシェーピング効果を有する。ここで、例えば視野角に対する単位角度あたりの最高周波数が３０ｃｐｄ程度の場合でも人間の目に知覚されにくい帯域に量子化誤差を変調するためには、ＪａｒｖｉｓフィルタやＦｌｏｙｄフィルタなどと比較して高域にフィルタ特性を設定することが望ましい。しかし、そのような高域にフィルタ特性を設定した場合には、ΔΣ変調器が発散するハンチング現象を生じやすい。このハンチング現象は、同じデータが連続して入力された時に起こる現象である。これに対し、画像量子化部２６の安定化器１００は、同じデータが連続して入力された場合に、ΔΣ変調器が発散しないような微小なノイズをデータに付加する。それにより、画像量子化部２６におけるハンチング現象の発生を回避する。
図２に戻り、本実施形態に係る画質変換処理のための構成の説明を継続する。
ＡＶエンコーダ２８は、上述したように、画像記録装置１０における符号化部として動作する。そして、ＡＶエンコーダ２８は、画像量子化部２６から第３の階調数を有する記録対象画像Ｉrecが入力されると、当該記録対象画像Ｉrecを例えばＭＰＥＧ２などの所定の記録形式に従って圧縮符号化し、図１に示したストリームプロセッサ３０へ出力する。
ＣＰＵ８０は、上述したように演算処理装置及び制御装置として機能し、本実施形態に係る画質変換処理における制御部として動作する。
＜３．一実施形態に係る画質変換処理の制御の例＞
本節では、図２に示したＣＰＵ８０による画質変換処理の制御の４つの例について、図５〜図８を参照しながら詳細に説明する。
［３−１．第１の例］
まず、例えば、上述した画像量子化部２６により生成される記録対象画像Ｉresは、通常、入力画像Ｉinと比較して高い周波数の微小な振幅を多く有する。そのため、一般的な記録形式に従って記録対象画像Ｉresを圧縮符号化する際、高い圧縮率を効率的に得ることができず、結果的に低いビットレートを達成することが困難となる可能性がある。そこで、例えば、ＣＰＵ８０は、ＡＶエンコーダ２８における符号化処理のビットレートが所定の閾値よりも低く設定されている場合には、高階調化部２２及び画像量子化部２６の処理をスイッチオフし、入力画像Ｉinをそのまま記録対象画像ＩrecとしてＡＶエンコーダ２８に出力させてもよい。ＡＶエンコーダ２８における符号化処理のビットレートは、例えば図１に示したユーザインタフェース８６を介してユーザにより指定され、画像記録装置１０内のいずれかの記録媒体に予め保持される。
図５は、ビットレートの設定に応じた画質変換処理の制御の一例を示すフローチャートである。図５を参照すると、まず、ＣＰＵ８０は、例えばユーザインタフェース８６を介して予め設定されたビットレートを取得する（Ｓ２０２）。次に、ＣＰＵ８０は、取得したビットレートが所定の閾値よりも低いか否かを判定する（Ｓ２０４）。ここでの所定の閾値とは、例えば１５ＭＢｐｓなどであってよい。ステップＳ２０４において、取得したビットレートが所定の閾値よりも低い場合には、処理はステップＳ２０８へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ２０６へ進む。ステップＳ２０６では、ＣＰＵ８０は、高階調化部２２及び画像量子化部２６に、上述した画質変換処理を行わせる（Ｓ２０６）。また、ステップＳ２０８では、ＣＰＵ８０は、高階調化部２２及び画像量子化部２６に上述した画質変換処理を行わせることなく、入力画像Ｉinをそのまま記録対象画像ＩrecとしてＡＶエンコーダ２８へ出力させる。
このような制御により、例えば、低いビットレートが指定されている場合（高い圧縮率が求められる場合）には画質の向上よりも圧縮の効率を優先し、画質の向上が望まれている場合にのみ上述した画質変換処理を行うことが可能となる。
［３−２．第２の例］
また、例えば、本実施形態において、解析部２４から出力される上述した画質劣化データに基づいて、画像量子化部２６による処理が画素ごとにオン／オフされてもよい。即ち、画像量子化部２６は、例えば画質の劣化が生じている画素については高階調画像Ｉhighの画素値を人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化した画素値、画質の劣化が生じていない画素については入力画像Ｉinの画素値を用いて、上記記録対象画像Ｉrecを生成することができる。
図６は、画素ごとの画質の劣化の有無に応じた画質変換処理の制御の一例を示すフローチャートである。図６を参照すると、まず、入力画像Ｉinのうちの１つの画素が注目画素として設定される（Ｓ３０２）。次に、解析部２４により生成される画質劣化データを用いて、設定した注目画素に画質の劣化が生じているか否かが判定される（Ｓ３０４）。ここで、注目画素に画質の劣化が生じている場合には、処理はステップＳ３０８へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ３０６へ進む。ステップＳ３０６では、記録対象画像Ｉrecを構成する注目画素の画素値として、入力画像Ｉinの画素値がＡＶエンコーダ２８へ出力される（Ｓ３０６）。また、ステップＳ３０８では、記録対象画像Ｉrecを構成する注目画素の画素値として、上述した画質変換処理後の画素値がＡＶエンコーダ２８へ出力される（Ｓ３０８）。その後、入力画像Ｉinの全ての画素についての記録対象画像Ｉrecの画素値の出力が終了していない場合には、処理はステップＳ３０２へ戻る（Ｓ３１０）。一方、入力画像Ｉinの全ての画素について記録対象画像Ｉrecの画素値の出力が終了した場合には、本フローチャートの処理は終了する。
このような制御により、例えば、画質劣化データにより特定される擬似輪郭の発生箇所に対象を絞って画質を向上させ、圧縮の効率と階調の再現性のバランスをとることが可能となる。なお、図６に例示した制御は、１つの画素ごとではなく、複数の画素を含む部分画像ごとに行われてもよい。
［３−３．第３の例］
さらに、図５を用いて説明した手法と図６を用いて説明した手法を組み合わせることにより、３段階に分類されるビットレートに応じて画質変換処理が制御されてもよい。
図７は、そのような画質変換処理の制御の一例を示すフローチャートである。図７を参照すると、まず、ＣＰＵ８０は、例えばユーザインタフェース８６を介して予め設定されたビットレートを取得する（Ｓ４０２）。次に、ＣＰＵ８０は、取得したビットレートが第１の閾値よりも低いか否かを判定する（Ｓ４０４）。ここでの所定の閾値とは、例えば４ＭＢｐｓなどであってよい。ステップＳ４０４において、ビットレートが第１の閾値よりも低い場合には、処理はステップＳ４１２へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ４０６へ進む。次に、ステップＳ４０６では、ＣＰＵ８０は、取得したビットレートが第２の閾値よりも低いか否かを判定する（Ｓ４０４）。ここでの第２の閾値とは、例えば１５ＭＢｐｓなどであってよい。ステップＳ４０６において、ビットレートが第２の閾値よりも低い場合には、処理はステップＳ４１０へ進む。一方、そうでない場合には、処理はステップＳ４０８へ進む。ステップＳ４０８では、ＣＰＵ８０は、高階調化部２２及び画像量子化部２６に、上述した画質変換処理を行わせる（Ｓ４０８）。また、ステップＳ４１０では、ＣＰＵ８０は、図６を用いて説明した手法に従い、画質劣化データを用いて、高階調化部２２及び画像量子化部２６による画質変換処理を画素単位（又は部分画像単位）でオン／オフする（Ｓ４１０）。また、ステップＳ４１２では、ＣＰＵ８０は、高階調化部２２及び画像量子化部２６に画質変換処理を行わせることなく、入力画像Ｉinをそのまま記録対象画像ＩrecとしてＡＶエンコーダ２８へ出力させる。
このような制御により、例えば、低いビットレートが指定されている場合には、画質の向上よりも圧縮の効率が優先される。また、例えば中間的なビットレートが指定されている場合には、擬似輪郭などの画質の劣化が生じている部分についてのみ画質が向上される。そして、高いビットレートが指定されている場合には、画像の全体の画質が向上される。それにより、ユーザ又は装置などのニーズに合わせて階調の再現性のレベルを適応的に変化させることが可能となる。
［３−４．第４の例］
さらに、ＣＰＵ８０は、画像量子化部２６による量子化処理が行われた記録対象画像Ｉrecについて、ＡＶエンコーダ２８による符号化処理に割当てられるビット量を一時的に増加させてもよい。画像量子化部２６による量子化処理が行われたか否かは、例えば、画質劣化データに画質の劣化を示すデータが含まれているか、又は入力画像Ｉinと記録対象画像Ｉrecとの間に差分が存在するかなどに基づいて判定され得る。
図８は、そのような符号化処理におけるビット量の動的な割当ての一例を示すフローチャートである。なお、図８の例では、ＡＶエンコーダ２８に、画質変換部２０から出力される一連の記録対象画像Ｉrecが順次供給されるものとする。まず、ＣＰＵ８０は、ＡＶエンコーダ２８による符号化処理の画像ごとのビット量を、予め設定される既定値に割り当てる（Ｓ５０２）。次に、ＣＰＵ８０は、入力された記録対象画像Ｉrecについて、例えば画質劣化データに画質の劣化を示すデータが含まれているかに応じて、画質の変換が行われたか否かを判定する（Ｓ５０４）。ここで、画質の変換が行われたと判定された場合には、処理はステップＳ５０６へ進む。一方、画質の変換が行われていないと判定された場合には、ステップＳ５０６はスキップされる。次に、ステップＳ５０６では、ＣＰＵ８０は、ステップＳ５０２で割当てた符号化処理におけるビット量を増加させる（Ｓ５０６）。ＣＰＵ８０は、例えば、ビット量を増加させる割合を、例えば、１つの画像内における画質の劣化が生じていた画素の割合に応じて変化させてもよい。そして、ＡＶエンコーダ２８は、割当てられたビット量に応じて記録対象画像Ｉrecを圧縮符号化する（Ｓ５０８）。その後、全ての記録対象画像Ｉrecの符号化が終了していない場合には、処理はステップＳ５０２へ戻る（Ｓ５１０）。一方、全ての記録対象画像Ｉrecの符号化が終了した場合には、本フローチャートの処理は終了する。
このようなビット量の動的な割当てにより、例えば、一連の画像データを含む映像全体として低いビットレートが望まれている場合にも、画質の劣化が生じた画像についてのみ一時的に多くのビット量を割当てて画質変換処理を適用することが可能となる。なお、このような動的なビット量の割当ては、図８の例に限定されず、例えば記録対象画像Ｉrecに含まれる部分画像、又は複数の記録対象画像Ｉrecを含むＧＯＰ（Group Of Pictures）などの単位で行われてもよい。
＜４．まとめ＞
ここまで、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態について説明した。本実施形態に係る画像記録装置１０によれば、十分な階調再現性を期待できない第１の階調数により量子化された入力画像の階調数が、高階調化処理により第２の階調数にまで一時的に高められる。そして、階調数を高められた画像が、階調再現性の低下を抑える手法を用いて、第３の階調数で量子化される。それにより、例えば、第１の階調数と第３の階調数とが同等の値であったとしても、入力画像よりも見た目上の画質の向上された画像を記録媒体に記録することができる。また、一般的に画質の向上は記録される画像のビット量の増大をもたらすが、図５〜図８を用いて説明した手法により、ビットレートに関するニーズと画質の向上との間で適度なバランスを達成することができる。さらに、画質の向上が求められる部分についてのみ、本実施形態に係る画質変換処理を適用することも可能となる。
［変形例］
なお、本実施形態では、入力画像Ｉinが既に十分な階調再現性を期待できない階調数（第１の階調数）に量子化されている例について主に説明した。しかしながら、本実施形態に係る画像記録装置１０に十分な階調数（例えば１０ビット以上）を有する入力画像が入力されることも考えられる。そうした場合に、その入力画像に単純に画像量子化部２６による量子化処理を適用することにより、階調再現性を維持したまま（即ちユーザに感知される画質を維持したまま）階調数を削減することはできる。しかし、その結果としてＡＶエンコーダ２８における符号化処理による圧縮率が低下し、ユーザに求められるビットレートを達成することが困難となり得る。そこで、画像記録装置１０に十分な階調数を有する入力画像が入力された場合にも、図２に示した解析部２４に、例えば、平滑部検出により入力画像中で擬似輪郭が発生し易い領域を特定させる。そして、その特定された領域（又はその領域を含む入力画像）についてのみ画像量子化部２６による量子化処理を適用させる。それにより、量子化に際しての階調再現性の維持とビットレートに関するニーズとの間の適度なバランスを達成することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属すものと了解される。
例えば、本明細書の図２では、画像変換部２０の高階調化部２２、解析部２４及び画像量子化部２６をＣＰＵ８０とは別の処理ブロックとして説明した。しかしながら、例えば、画像変換部２０の高階調化部２２、解析部２４及び画像量子化部２６の処理を記述したプログラムを用いて、各処理ブロックをソフトウェアとして実現してもよい。その場合には、例えば、各処理を記述したプログラムが予めＲＯＭ８２に記憶され、実行時にＲＡＭ８４に読み込まれて、ＣＰＵ８０により実行される。また、本明細書においてＣＰＵ８０により制御されるものとして説明した処理を、ＣＰＵ８０を用いる代わりにハードウェアロジックを用いて制御してもよい。
１０ 画像記録装置
２２ 高階調化部
２４ 解析部
２６ 画像量子化部
２８ ＡＶエンコーダ（符号化部）
３０ ストリームプロセッサ（記録部）
８０ ＣＰＵ（制御部）

Claims (7)

  1. 第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、前記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成する高階調化部と；
    前記高階調化部により生成された前記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、前記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成する画像量子化部と；
    前記量子化部により生成された前記記録対象画像を符号化する符号化部と；
    前記符号化部により符号化された前記記録対象画像を記録媒体に記録する記録部と；
    を備える画像記録装置。
  2. 前記画像記録装置は、
    前記符号化部における符号化処理のビットレートとして所定の閾値よりも低い値が設定されている場合には、前記画像量子化部をスイッチオフし、前記入力画像を前記記録対象画像として前記符号化部に符号化させる制御部、
    をさらに備える、請求項１に記載の画像記録装置。
  3. 前記画像記録装置は、
    前記入力画像に含まれる１以上の画素を有する部分画像ごとの画質の劣化の有無を示す画質劣化データを出力する解析部、
    をさらに備え、
    前記画像量子化部は、前記画質劣化データに基づいて、画質の劣化が生じている部分画像については前記高階調画像を人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化した画素値、画質の劣化が生じていない部分画像については前記入力画像の画素値を用いて前記記録対象画像を生成する、
    請求項１に記載の画像記録装置。
  4. 前記画質劣化データとは、前記部分画像ごとに擬似輪郭が生じているか否かを示すデータである、請求項３に記載の画像記録装置。
  5. 前記画像記録装置は、
    前記画像量子化部による量子化処理が行われた前記記録対象画像の全体又は当該量子化処理が行われた部分について、前記符号化部による符号化処理に割当てられるビット量を一時的に増加させる制御部、
    をさらに備える、請求項１に記載の画像記録装置。
  6. 第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、前記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成するステップと；
    前記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、前記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成するステップと；
    前記記録対象画像を符号化するステップと；
    符号化された前記記録対象画像を記録媒体に記録するステップと；
    を含む画像記録方法。
  7. 画像記録装置を制御するコンピュータを：
    第１の階調数を有する入力画像を高階調化することにより、前記第１の階調数よりも高い第２の階調数を有する高階調画像を生成する高階調化部と；
    前記高階調化部により生成された前記高階調画像を、人間の視覚特性において相対的に感度の低い帯域に量子化誤差が変調されるように量子化することにより、前記第２の階調数よりも低い第３の階調数を有する記録対象画像を生成する画像量子化部と；
    前記量子化部により生成された前記記録対象画像を符号化する符号化部と；
    前記符号化部により符号化された前記記録対象画像を記録媒体に記録する記録部と；
    として機能させるためのプログラム。
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