JP3712344B2 - 繰り返しビデオ信号符号化方法およびこの方法のプログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高能率繰り返しビデオ信号符号化方法およびこの方法のプログラムを記録した記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
符号量対雑音量の意味で符号化能率を向上させるために同一画像シーケンスについて複数回の符号化試行を許すビデオ符号化方法において、符号化能率の評価には、１８世紀に確立された「ラグランジュの未定乗数法」が応用されている。外部から与えられた未定乗数λに対し、シーケンス符号化時の全符号量Ｒと全誤差Ｅ（この測度は状況により誤差の二乗和であったり、誤差の絶対値和であったりしてよい）から評価基準
Ｌ＝Ｒ＋λ＊Ｅ
を求め、このＬが最小となる方向へ最適化探索（パラメータ調整）を行う。尚、Ｌはラグランジュコスト関数と呼ばれる。
【０００３】
従来は、フレーム単位で量子化パラメータあるいはラグランジュの未定乗数を設定し、パラメータ調整・符号化・符号量対雑音量評価のサイクルを繰り返し、最適化を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在広く用いられているMPEG-2（ISO／IEC 13818−2）等の高能率ビデオ符号化技術においては、フレームを小ブロックに分割し、この単位でフレーム間動き補償と符号化を行う手段を採用している。このような手段で、小ブロック毎に独立に量子化ステップ等のパラメータを設定すれば、理論上最良の最適化が可能であるが、処理が膨大となりすぎ（例えばCCIR 601画像では１フレーム内に1350個の小ブロックが存在する）、実用に適さない。実用的な時間内で処理を行う場合、最適化のサイクルにおいて調整するパラメータは各フレームに一つ用いるものしか提案されていなかった。
【０００５】
例えば水野らは、繰り返し方式ではないが、最適なフレーム毎割り当て符号量を導出している（Picture coding simposium'99、“A study on bit allocation method based on rate-distortion properties for different coded picture types”）。また、K.Ramchandranらはフレーム毎の量子化パラメータを最適化調整パラメータとしている（IEEE transactions on image processing,Vo1.3,No.5，September1994、“Bit allocation for dependent quantization with applications to multiresolution and MPEG video coders”）。
【０００６】
いずれの方法においてもフレーム内は統一されたパラメータにより符号化され、小ブロック等、より仔細な符号化単位の考慮は割愛されており、結果として最適化の余地が本質的に残ってしまうという欠点があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、実用的な処理量を保ちつつ、符号量対雑音の意味で従来よりも良好な最適化が行えるパラメータ調整の単位を決定する繰り返しビデオ信号符号化方法およびこの方法のプログラムを記録した記録媒体を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第１の発明では、画像を小ブロックに分割しフレーム間動き補償を行い、さらに同一画像を複数回符号化するビデオ信号符号化方法において、
動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、
前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
【００１０】
第２の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、
被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λ B から符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
Ｌ＝Ｒ B ＋λ B Ｅ B
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）
【００１１】
第３の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、
被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
Ｌ＝Ｒ＋λ 0 Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ 0 は画像全体の未定乗数）
【００１２】
第４の発明は、動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
【００１４】
第５の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λBから符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）
【００１５】
第６の発明は、被参照度用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ0は画像全体の未定乗数）
【００１６】
上記のように、本発明では、画像の動きベクトル情報からフレーム間参照関係を求め、これを元に画像小ブロック毎の符号化重要度を決定する。
【００１７】
処理に先立ち画像を一度符号化し、動き補償情報および符号化モード情報を決定しておく。符号化単位である小ブロック毎に、その動きベクトル情報を用い、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの属性に応じ適当に定めた量を投票する。
【００１８】
例えば、双方向予測マクロブロックであれば、参照しているフレーム（前後２枚）内の各参照領域へそれぞれ「Ｖ＝０.５」を投票する。順方向予測マクロブロックであれば、参照している時間的に過去のフレーム（１枚）内の参照領域へ「Ｖ（＝Ｖ0＋１）」を投票する。ここでＶ0は該小ブロックの加算器に既に蓄えられている投票値である。イントラ（フレーム内符号化）マクロブロックであれば、どの画像信号も参照していないので投票は行わない。
【００１９】
例えば、MPEG-2ではskipped macro b1ockという、符号化が省略された小ブロックが存在し得るが、これは動き無し（動きベクトルが（０，０））と見倣して投票を行う。またイントラマクロブロックにconcealment motion vectorという動きベクトルが付加され得る場合があるが、この動きベクトルは無視し投票は行わない。
【００２０】
ここで行う投票とは、フレーム毎に準備した２次元配列状の加算器を用いた、２次元的なものである。例えば、MPEG-2のＢフレーム（双方向予測フレーム）内の全ブロックの被参照度は常に「０」であるので、加算器を省略することができる。また、Ｉフレーム（フレーム内符号化フレーム）内の全ブロックはフレーム内符号化であるので、そのフレームについて投票操作を省略することができる。加算器は、投票操作前に全て「０」に初期化する。
【００２１】
MPEG-2等のような平行移動モデルを用いた方式の場合は小ブロックと同じ形状と大きさの範囲内へ投票値を加算する。MPEG-4 Version 2（ISO／IEC14496-2AMD1）のようにアフィン・透視変換モデルを用いた方式の場合は、小ブロック形状を逆変換した領域内へ投票値を加算する。後者の場合，投票領域の面積Ｓvは一般に小ブロックの面積Ｓbと異なるので、投票値をＶとしたとき、例えば
Ｖ’＝Ｖ＊Ｓb／Ｓv
のように修正した投票値Ｖ’を用いる。
【００２２】
ここで用いる２次元加算器配列は、例えば１画素に１つ加算器が対応する構成や、１小ブロックに１つ加算器が対応する構成等が考えられる。前者の場合は、投票時、例えば投票領域内の全加算器へ投票値を加算する。後者の場合は、投票時、投票領域と小ブロックが重なっている全加算器へ、重なっている面積の割合だけ加算する。すなわち投票値をＶ、投票領域の面積をＳv、該加算器の領域と重なっている面積をＳ0とすると、加算値は
Ｖ＊Ｓ0／Ｓv、
となる。この様子を図１に示す。図１に示す例では、予測フレームの着目小ブロックは参照フレームの四個の小ブロックにまたがっており、小ブロック面積を「１」とするとそれぞれに重なる面積が左から右、上から下の順に0.07V，0.26V，0.15V，0.52Vであるため、これらの値が対応する加算器（図１では加算器を「・」のシンボルで示す）に加算される。この投票操作を、これ以上参照されないフレームから、参照される度合いの低い順に、ボトムアップに繰り返していく。この様子を図２に示す。
【００２３】
この処理により、符号化対象画像信号内の全小ブロック内の加算器について、参照される度合いに関する投票結果が集積される。１画素に１つ加算器が対応している場合は、例えば小ブロック内の全加算器の出力である、投票結果の総和をその小ブロックの被参照度とする。１小ブロックに１つ加算器が対応している場合は加算器の出力値そのものを被参照度とする。他から参照されないＢフレームについては投票値は常に「０」となるため、加算器は省略してもよい。
【００２４】
各小ブロックにおいて、この被参照度が高いほど、より大きな符号化時重みを具現化するパラメータを与える。この被参照度とパラメータの対応づけは任意であるが、より高い被参照度に対してより少ない符号化雑音あるいはより多くの符号量が発生するようなパラメータとする。例えば、より小さな量子化パラメータ、あるいはより大きなラグランジュの未定乗数λ、あるいは割り当て符号量そのものをより多くする、などが考えられる。被参照度が「０」の小ブロックについては、例えば、シーケンス全体に与えるラグランジュ未定乗数そのもの（λ0とする）を用い、量子化パラメータを求める。
【００２５】
すなわち、小ブロックの符号量をＲ0、誤差をＥ0（ともに１フレームあるいは１シーケンスあたりの量に比例するよう正規化しておくものとする）としたとき
Ｌ0＝Ｒ0＋λ0＊Ｅ0
で定義されるラグランジュコスト関数Ｌ0を最小とするような量子化パラメータをその小ブロックの符号化に用いる。このパラメータを逐次調整し、シーケンス全体の評価量Ｌを最小とするように最適化を行う。
【００２６】
なお、上述したラグランジュコスト関数Ｌを最小にするには、次のような２重ループで最適化を図る。
【００２７】
外ループ：被参照度とλの対応（図４に示す折れ線グラフ制御点）を調節する。 内ループ：小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するλに応じてＬを最小とする量子化パラメータを総当たりで求める。
【００２８】
従来のようにフレーム毎に符号量あるいは量子化パラメータあるいはラグランジュの未定乗数を与えていた場合は、ＩまたはＰフレーム（順方向予測フレーム）内に全く参照されない小領域があったり、あるＰフレーム内に非常に頻繁に参照される小領域があったとしても、符号量割り当てにおいて考慮できなかったのに対し、上記述べた方法ではより被参照度の高い小ブロックヘより多くの符号量を割り当てることができ、結果としてシーケンス全体の符号化効率が改善する。
【００２９】
また小ブロックの被参照度に応じパラメータ調整・最適化を行うので、小ブロック毎に異なる符号量割り当てが実現されるが、画像シーケンスの全ての小ブロックにパラメータを対応させ、最適化探索するのに比べ、演算量は大幅に小さくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態を述べる符号化方法の処理手順のフローチャートで、図３において、まず、動き検出器０１において、入力画像信号０２の符号化モードおよび動きベクトル情報０４を抽出する。この段階では符号化は行わない。この情報はメモリ０５に保存され、また投票器０６に入力される。投票器０６は、符号化モードおよび動きベクトル情報０４から被参照度０７を求める。求められた被参照度０７はメモリ０８に保存される。
【００３１】
パラメータ調整部０３において、この被参照度０７に対応する符号量割り当て優先度の度合を決定する。例えば、図４のように複数の制御点で決定される折れ線グラフにより、一つの被参照度に対し、ラグランジュの未定乗数λを一つ対応させる。被参照度が「０」の場合は、画像全体の未定乗数に等しいλ0とする。より高い被参照度をもつ小ブロックには、より高い符号量割り当て優先度を対応させるために、例えば、図４に示す折れ線グラフを必ず右上がりとする拘束条件を用いることができる。
【００３２】
また、ある被参照度を未定乗数に変換するために、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させた表を用いても良い。この場合、被参照度０７が小数点以下の桁を有する場合には、適当な桁で四捨五入することにより、表のサイズを抑えることができる。この対応情報を用い、優先度情報決定器０９において全小ブロックの符号量割り当て優先度（ラグランジュの未定乗数）が決定される。
【００３３】
この情報およびメモリ０５からの保存動きベクトル情報を元に、ループ内符号化器１０において、再度入力画像信号０２の符号化を行う。すなわち、ある小ブロックについて、優先度情報０９から与えられるラグランジュの未定乗数がλBであったとすると、そのブロックについてラグランジュコスト関数Ｌ
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）を最小とするような量子化パラメータを、例えば総当たりで求める。ビットストリーム出力１１は、蓄積媒体１２に上書き保存される。
【００３４】
また、符号化器１０から出力される、画像シーケンス全体についての符号量Ｒ１３と総雑音量Ｅ１４を元に、コスト評価部１５ではラグランジュコスト関数Ｌを
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
として求める。この値が最小となった場合、その符号量に対する雑音の量が最小となる。その後、収束判定部１６にて収束判定を行う。例えば、ラグランジュコスト関数Ｌに変化が見られない等の収束条件を満たしたと、判定された場合処理を終了する。
【００３５】
そうでなければ、パラメータ調整部０３にて再び被参照度０７と符号量割り当て優先度の対応を調節し（実際は図４の制御点を移動させる、又は被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を修正する）、符号化／評価／判定のループを繰り返す。処理終了時に蓄積媒体１２に保存されているビットストリームが所望の最適なビットストリームとなる。
【００３６】
この実施形態ではループ内の符号化器１０では動き探索を行わないため、比較的高速に繰り返し符号化が行われる。またこの実施形態では、ループ内の画像符号化器では動きベクトルや小ブロックの符号化モード（双方向予測／順方向予測／スキップ等）の選択を固定とした符号化を行うが、動き検出やモード選択部分をループの中に入れる構成も可能である。この場合、収束判定部１６での収束判定が“Ｎｏ”であれば、動き検出器０１の直後ではなく直前へ制御が移ることになる。
【００３７】
なお、図３で示した各処理手順をコンピュータに実行させることができることは言うまでもなく、コンピュータにその処理手順を実行させるためのプログラムを、そのコンピュータが読み取り可能な記録媒体、例えば、ＦＤ（フロッピーディスク）や、ＭＯ、ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ、ＤＶＤ、リムーバブルディスクなどに記録し、提供し、配布することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フレームタイプ毎にパラメータを設定するよりも、より仔細で最適な符号量割り当てを行えるようになる。また小ブロックの被参照度に応じパラメータ調整・最適化を行うので、小ブロック毎に異なる符号量割り当てが実現されるが、画像シーケンスの全ての小ブロックにパラメータを対応させて最適化探索するのに比べ、演算量は大幅に小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】小ブロックに１つ加算器が対応する場合の加算器への投票の様子を示した説明図である。
【図２】ボトムアップの投票動作と加算処理の流れを述べる説明図である。
【図３】本発明の実施形態を示す符号化方法の処理手順図である。
【図４】本発明の実施形態における被参照度と符号化優先度の対応づけグラフである。
【符号の説明】
０１…動き検出器
０２…入力画像信号
０３…パラメータ調整部
０４…符号化モードおよび動きベクトル情報
０５…メモリ
０６…投票器
０７…被参照度
０８…メモリ
０９…優先度情報決定器
１０…符号化器
１２…蓄積媒体
１５…コスト評価部
１６…収束判定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、高能率繰り返しビデオ信号符号化方法およびこの方法のプログラムを記録した記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
符号量対雑音量の意味で符号化能率を向上させるために同一画像シーケンスについて複数回の符号化試行を許すビデオ符号化方法において、符号化能率の評価には、１８世紀に確立された「ラグランジュの未定乗数法」が応用されている。外部から与えられた未定乗数λに対し、シーケンス符号化時の全符号量Ｒと全誤差Ｅ（この測度は状況により誤差の二乗和であったり、誤差の絶対値和であったりしてよい）から評価基準
Ｌ＝Ｒ＋λ＊Ｅ
を求め、このＬが最小となる方向へ最適化探索（パラメータ調整）を行う。尚、Ｌはラグランジュコスト関数と呼ばれる。
【０００３】
従来は、フレーム単位で量子化パラメータあるいはラグランジュの未定乗数を設定し、パラメータ調整・符号化・符号量対雑音量評価のサイクルを繰り返し、最適化を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在広く用いられているMPEG-2（ISO／IEC 13818−2）等の高能率ビデオ符号化技術においては、フレームを小ブロックに分割し、この単位でフレーム間動き補償と符号化を行う手段を採用している。このような手段で、小ブロック毎に独立に量子化ステップ等のパラメータを設定すれば、理論上最良の最適化が可能であるが、処理が膨大となりすぎ（例えばCCIR 601画像では１フレーム内に1350個の小ブロックが存在する）、実用に適さない。実用的な時間内で処理を行う場合、最適化のサイクルにおいて調整するパラメータは各フレームに一つ用いるものしか提案されていなかった。
【０００５】
例えば水野らは、繰り返し方式ではないが、最適なフレーム毎割り当て符号量を導出している（Picture coding simposium'99、“A study on bit allocation method based on rate-distortion properties for different coded picture types”）。また、K.Ramchandranらはフレーム毎の量子化パラメータを最適化調整パラメータとしている（IEEE transactions on image processing,Vo1.3,No.5，September1994、“Bit allocation for dependent quantization with applications to multiresolution and MPEG video coders”）。
【０００６】
いずれの方法においてもフレーム内は統一されたパラメータにより符号化され、小ブロック等、より仔細な符号化単位の考慮は割愛されており、結果として最適化の余地が本質的に残ってしまうという欠点があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、実用的な処理量を保ちつつ、符号量対雑音の意味で従来よりも良好な最適化が行えるパラメータ調整の単位を決定する繰り返しビデオ信号符号化方法およびこの方法のプログラムを記録した記録媒体を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第１の発明では、画像を小ブロックに分割しフレーム間動き補償を行い、さらに同一画像を複数回符号化するビデオ信号符号化方法において、
動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、
前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
【００１０】
第２の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、
被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λ B から符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
Ｌ＝Ｒ B ＋λ B Ｅ B
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）
【００１１】
第３の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、
被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法である。
Ｌ＝Ｒ＋λ 0 Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ 0 は画像全体の未定乗数）
【００１２】
第４の発明は、動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
【００１４】
第５の発明は、被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λBから符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）
【００１５】
第６の発明は、被参照度用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体である。
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ0は画像全体の未定乗数）
【００１６】
上記のように、本発明では、画像の動きベクトル情報からフレーム間参照関係を求め、これを元に画像小ブロック毎の符号化重要度を決定する。
【００１７】
処理に先立ち画像を一度符号化し、動き補償情報および符号化モード情報を決定しておく。符号化単位である小ブロック毎に、その動きベクトル情報を用い、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの属性に応じ適当に定めた量を投票する。
【００１８】
例えば、双方向予測マクロブロックであれば、参照しているフレーム（前後２枚）内の各参照領域へそれぞれ「Ｖ＝０.５」を投票する。順方向予測マクロブロックであれば、参照している時間的に過去のフレーム（１枚）内の参照領域へ「Ｖ（＝Ｖ0＋１）」を投票する。ここでＶ0は該小ブロックの加算器に既に蓄えられている投票値である。イントラ（フレーム内符号化）マクロブロックであれば、どの画像信号も参照していないので投票は行わない。
【００１９】
例えば、MPEG-2ではskipped macro b1ockという、符号化が省略された小ブロックが存在し得るが、これは動き無し（動きベクトルが（０，０））と見倣して投票を行う。またイントラマクロブロックにconcealment motion vectorという動きベクトルが付加され得る場合があるが、この動きベクトルは無視し投票は行わない。
【００２０】
ここで行う投票とは、フレーム毎に準備した２次元配列状の加算器を用いた、２次元的なものである。例えば、MPEG-2のＢフレーム（双方向予測フレーム）内の全ブロックの被参照度は常に「０」であるので、加算器を省略することができる。また、Ｉフレーム（フレーム内符号化フレーム）内の全ブロックはフレーム内符号化であるので、そのフレームについて投票操作を省略することができる。加算器は、投票操作前に全て「０」に初期化する。
【００２１】
MPEG-2等のような平行移動モデルを用いた方式の場合は小ブロックと同じ形状と大きさの範囲内へ投票値を加算する。MPEG-4 Version 2（ISO／IEC14496-2AMD1）のようにアフィン・透視変換モデルを用いた方式の場合は、小ブロック形状を逆変換した領域内へ投票値を加算する。後者の場合，投票領域の面積Ｓvは一般に小ブロックの面積Ｓbと異なるので、投票値をＶとしたとき、例えば
Ｖ’＝Ｖ＊Ｓb／Ｓv
のように修正した投票値Ｖ’を用いる。
【００２２】
ここで用いる２次元加算器配列は、例えば１画素に１つ加算器が対応する構成や、１小ブロックに１つ加算器が対応する構成等が考えられる。前者の場合は、投票時、例えば投票領域内の全加算器へ投票値を加算する。後者の場合は、投票時、投票領域と小ブロックが重なっている全加算器へ、重なっている面積の割合だけ加算する。すなわち投票値をＶ、投票領域の面積をＳv、該加算器の領域と重なっている面積をＳ0とすると、加算値は
Ｖ＊Ｓ0／Ｓv、
となる。この様子を図１に示す。図１に示す例では、予測フレームの着目小ブロックは参照フレームの四個の小ブロックにまたがっており、小ブロック面積を「１」とするとそれぞれに重なる面積が左から右、上から下の順に0.07V，0.26V，0.15V，0.52Vであるため、これらの値が対応する加算器（図１では加算器を「・」のシンボルで示す）に加算される。この投票操作を、これ以上参照されないフレームから、参照される度合いの低い順に、ボトムアップに繰り返していく。この様子を図２に示す。
【００２３】
この処理により、符号化対象画像信号内の全小ブロック内の加算器について、参照される度合いに関する投票結果が集積される。１画素に１つ加算器が対応している場合は、例えば小ブロック内の全加算器の出力である、投票結果の総和をその小ブロックの被参照度とする。１小ブロックに１つ加算器が対応している場合は加算器の出力値そのものを被参照度とする。他から参照されないＢフレームについては投票値は常に「０」となるため、加算器は省略してもよい。
【００２４】
各小ブロックにおいて、この被参照度が高いほど、より大きな符号化時重みを具現化するパラメータを与える。この被参照度とパラメータの対応づけは任意であるが、より高い被参照度に対してより少ない符号化雑音あるいはより多くの符号量が発生するようなパラメータとする。例えば、より小さな量子化パラメータ、あるいはより大きなラグランジュの未定乗数λ、あるいは割り当て符号量そのものをより多くする、などが考えられる。被参照度が「０」の小ブロックについては、例えば、シーケンス全体に与えるラグランジュ未定乗数そのもの（λ0とする）を用い、量子化パラメータを求める。
【００２５】
すなわち、小ブロックの符号量をＲ0、誤差をＥ0（ともに１フレームあるいは１シーケンスあたりの量に比例するよう正規化しておくものとする）としたとき
Ｌ0＝Ｒ0＋λ0＊Ｅ0
で定義されるラグランジュコスト関数Ｌ0を最小とするような量子化パラメータをその小ブロックの符号化に用いる。このパラメータを逐次調整し、シーケンス全体の評価量Ｌを最小とするように最適化を行う。
【００２６】
なお、上述したラグランジュコスト関数Ｌを最小にするには、次のような２重ループで最適化を図る。
【００２７】
外ループ：被参照度とλの対応（図４に示す折れ線グラフ制御点）を調節する。 内ループ：小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するλに応じてＬを最小とする量子化パラメータを総当たりで求める。
【００２８】
従来のようにフレーム毎に符号量あるいは量子化パラメータあるいはラグランジュの未定乗数を与えていた場合は、ＩまたはＰフレーム（順方向予測フレーム）内に全く参照されない小領域があったり、あるＰフレーム内に非常に頻繁に参照される小領域があったとしても、符号量割り当てにおいて考慮できなかったのに対し、上記述べた方法ではより被参照度の高い小ブロックヘより多くの符号量を割り当てることができ、結果としてシーケンス全体の符号化効率が改善する。
【００２９】
また小ブロックの被参照度に応じパラメータ調整・最適化を行うので、小ブロック毎に異なる符号量割り当てが実現されるが、画像シーケンスの全ての小ブロックにパラメータを対応させ、最適化探索するのに比べ、演算量は大幅に小さくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態を述べる符号化方法の処理手順のフローチャートで、図３において、まず、動き検出器０１において、入力画像信号０２の符号化モードおよび動きベクトル情報０４を抽出する。この段階では符号化は行わない。この情報はメモリ０５に保存され、また投票器０６に入力される。投票器０６は、符号化モードおよび動きベクトル情報０４から被参照度０７を求める。求められた被参照度０７はメモリ０８に保存される。
【００３１】
パラメータ調整部０３において、この被参照度０７に対応する符号量割り当て優先度の度合を決定する。例えば、図４のように複数の制御点で決定される折れ線グラフにより、一つの被参照度に対し、ラグランジュの未定乗数λを一つ対応させる。被参照度が「０」の場合は、画像全体の未定乗数に等しいλ0とする。より高い被参照度をもつ小ブロックには、より高い符号量割り当て優先度を対応させるために、例えば、図４に示す折れ線グラフを必ず右上がりとする拘束条件を用いることができる。
【００３２】
また、ある被参照度を未定乗数に変換するために、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させた表を用いても良い。この場合、被参照度０７が小数点以下の桁を有する場合には、適当な桁で四捨五入することにより、表のサイズを抑えることができる。この対応情報を用い、優先度情報決定器０９において全小ブロックの符号量割り当て優先度（ラグランジュの未定乗数）が決定される。
【００３３】
この情報およびメモリ０５からの保存動きベクトル情報を元に、ループ内符号化器１０において、再度入力画像信号０２の符号化を行う。すなわち、ある小ブロックについて、優先度情報０９から与えられるラグランジュの未定乗数がλBであったとすると、そのブロックについてラグランジュコスト関数Ｌ
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差）を最小とするような量子化パラメータを、例えば総当たりで求める。ビットストリーム出力１１は、蓄積媒体１２に上書き保存される。
【００３４】
また、符号化器１０から出力される、画像シーケンス全体についての符号量Ｒ１３と総雑音量Ｅ１４を元に、コスト評価部１５ではラグランジュコスト関数Ｌを
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
として求める。この値が最小となった場合、その符号量に対する雑音の量が最小となる。その後、収束判定部１６にて収束判定を行う。例えば、ラグランジュコスト関数Ｌに変化が見られない等の収束条件を満たしたと、判定された場合処理を終了する。
【００３５】
そうでなければ、パラメータ調整部０３にて再び被参照度０７と符号量割り当て優先度の対応を調節し（実際は図４の制御点を移動させる、又は被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を修正する）、符号化／評価／判定のループを繰り返す。処理終了時に蓄積媒体１２に保存されているビットストリームが所望の最適なビットストリームとなる。
【００３６】
この実施形態ではループ内の符号化器１０では動き探索を行わないため、比較的高速に繰り返し符号化が行われる。またこの実施形態では、ループ内の画像符号化器では動きベクトルや小ブロックの符号化モード（双方向予測／順方向予測／スキップ等）の選択を固定とした符号化を行うが、動き検出やモード選択部分をループの中に入れる構成も可能である。この場合、収束判定部１６での収束判定が“Ｎｏ”であれば、動き検出器０１の直後ではなく直前へ制御が移ることになる。
【００３７】
なお、図３で示した各処理手順をコンピュータに実行させることができることは言うまでもなく、コンピュータにその処理手順を実行させるためのプログラムを、そのコンピュータが読み取り可能な記録媒体、例えば、ＦＤ（フロッピーディスク）や、ＭＯ、ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ、ＤＶＤ、リムーバブルディスクなどに記録し、提供し、配布することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フレームタイプ毎にパラメータを設定するよりも、より仔細で最適な符号量割り当てを行えるようになる。また小ブロックの被参照度に応じパラメータ調整・最適化を行うので、小ブロック毎に異なる符号量割り当てが実現されるが、画像シーケンスの全ての小ブロックにパラメータを対応させて最適化探索するのに比べ、演算量は大幅に小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】小ブロックに１つ加算器が対応する場合の加算器への投票の様子を示した説明図である。
【図２】ボトムアップの投票動作と加算処理の流れを述べる説明図である。
【図３】本発明の実施形態を示す符号化方法の処理手順図である。
【図４】本発明の実施形態における被参照度と符号化優先度の対応づけグラフである。
【符号の説明】
０１…動き検出器
０２…入力画像信号
０３…パラメータ調整部
０４…符号化モードおよび動きベクトル情報
０５…メモリ
０６…投票器
０７…被参照度
０８…メモリ
０９…優先度情報決定器
１０…符号化器
１２…蓄積媒体
１５…コスト評価部
１６…収束判定部
Claims (6)
- 画像を小ブロックに分割しフレーム間動き補償を行い、さらに同一画像を複数回符号化するビデオ信号符号化方法において、
動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、
前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法。 - 請求項１に記載の繰り返しビデオ信号符号化方法において、
被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λBから符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法。
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差） - 請求項１に記載の繰り返しビデオ信号符号化方法において、
被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順と、
を有することを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法。
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ0は画像全体の未定乗数） - 請求項１に記載の繰り返しビデオ信号符号化方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を数値（以後被参照度と呼ぶことにする）化する手順と、
この被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する手順であって、前記動きベクトル情報を用い符号化対象小ブロックの他フレームからの参照の多少を被参照度化する手順が、
符号化単位である小ブロック毎に、参照画像フレーム内でその小ブロックが参照している領域へ、小ブロックの予測マクロブロックに応じて所定の量を投票する処理と、
該領域毎に投票された値を加算し、その結果を該領域の被参照度とする処理と、
この処理をそれ以上参照されない画像フレームから参照される画像フレームの順に繰り返す処理とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体。 - 請求項２に記載の繰り返しビデオ信号符号化方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
被参照度を用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
与えられた未定乗数λBから符号化対象小ブロックのラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュコスト関数Ｌを最小とするような量子化パラメータを求める手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体。
Ｌ＝ＲB＋λBＥB
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差） - 請求項３に記載の繰り返しビデオ信号符号化方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
被参照度用いて符号化対象小ブロックの符号量割り当てを決定する際、被参照度とラグランジュの未定乗数を１対１に対応させる表を用いて被参照度を未定乗数に変換する手順と、
小ブロック毎に、その小ブロックの被参照度に対応するラグランジュの未定乗数に応じて、ラグランジュコスト関数を最小にする量子化パラメータを求める手順と、
画像シーケンス全体の符号量と総雑音から画像シーケンス全体のラグランジュコスト関数Ｌを下記式から求める手順と、
求めたラグランジュ関数Ｌを評価し、符号量に対する雑音の量が最小であるかを判定する手順とを、
コンピュータに実行させるためのプログラムとし、該プログラムを該コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録したことを特徴とする繰り返しビデオ信号符号化方法のプログラムを記録した記録媒体。
Ｌ＝Ｒ＋λ0Ｅ
（但し、Ｒは該小ブロックのビット数、Ｅは該小ブロックの復号誤差、λ0は画像全体の未定乗数）
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