JP4211780B2 - デジタル信号符号化装置、デジタル信号復号装置、デジタル信号算術符号化方法、およびデジタル信号算術復号方法 - Google Patents
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Description
所定単位のデジタル信号を算術符号化によって圧縮した際、ある伝送単位の符号化が終了した時点における算術符号化状態を表現する情報を、次の伝送単位のデータの一部として多重化するデジタル信号復号装置であることを特徴とする。
本実施の形態1では、映像フレームを16×16画素の矩形領域(以下、マクロブロック)に均等分割した単位で符号化を行う映像符号化方式に算術符号化を適用する例として、D. Marpe他, "Video Compression Using Context-Based Adaptive Arithmetic Coding", International Conference on Image Processing 2001に開示される事例を用いて本発明の説明を行う。
図1において、本実施の形態1の映像符号化装置は、動き検出部2、フレームメモリ3a、算術符号化部6、動き補償部7、空間予測部10a、符号化モード判定部12、直交変換部15、量子化部16、逆量子化部18、逆直交変換部19、符号化制御部22、送信バッファ24、減算器51、切替部52、加算器53を有している。
図2において、本実施の形態1の映像復号装置は、フレームメモリ3b、動き補償部7、空間予測部10b、逆量子化部18、逆直交変換部19、算術復号部27、切替部54、加算器55を有している。
図1の符号化装置において、入力映像信号1は、個々の映像フレームがマクロブロックに分割された単位で入力されるものとし、まず、動き検出部2において、フレームメモリ3aに格納される参照画像4を用いてマクロブロック単位に動きベクトル5が検出される。動きベクトル5に基づいて動き補償部7において時間予測画像8が得られ、入力信号1との差分をとることによって時間予測残差信号9が得られる。一方、入力信号1は空間予測部10aにおいて、同一映像フレーム内の空間的な近傍領域からの予測が行われ、空間予測残差信号11が生成される。
図2に示した復号装置では、映像圧縮データ26を受け取ると、算術復号部27にて後述するエントロピー復号処理が行われて、動きベクトル5、符号化モード情報13、空間予測モード14、直交変換係数データ17、量子化ステップパラメータ23などが復元される。直交変換係数データ17、量子化ステップパラメータ23は、符号化側と同じ逆量子化部18と逆直交変換部19によって局所復号される。符号化モード情報13によって、時間方向の予測か、空間方向の予測かが選択され、時間方向の予測の場合は動き補償部7において復号された動きベクトル5を用いて時間予測画像8を復元する。空間方向の予測が選択される場合は、空間予測部10bを用いて空間予測画像11が復元される。ここで、符号化装置側の空間予測部10aと、復号装置側の空間予測部10bとの違いは、前者が、とりうるすべての空間予測モードの種別に対して最も効率のよく空間予測モード14を特定する処理を含むのに対し、後者は与えられた空間予測モード14から空間予測画像20を生成する処理のみに限定されることである。
以下、本発明のポイントである算術符号化および復号処理について詳細に説明する。符号化処理は、図1の算術符号化部6において行われ、復号処理は図2の算術復号部27において行われる。
図3において、本実施の形態1における算術符号化部6は、符号化対象データである動きベクトル5、符号化モード情報13、空間予測モード14、直交変換係数データ17などの個々のデータタイプに対して定義されるコンテクストモデル(後述)を定めるコンテクストモデル決定部28、各符号化対象データタイプについて定められる二値化規則に従って多値データを二値データに変換する二値化部29、二値化後の個々の二値化系列binの値(0 or 1)の生起確率を与える生起確率生成部30、生成された生起確率に基づいて算術符号化を実行する符号化部31、算術符号化を中断するタイミングを通知するとともにそのタイミングで伝送単位となるデータを構成する伝送単位生成部35、とを有している。
図4を参照して、図3に示す算術符号化部6の動作を詳細に説明する。
コンテクストモデルとは、情報源(符号化)シンボルの生起確率の変動要因となる他の情報との依存関係をモデル化したものであり、この依存関係に対応して生起確率の状態を切り替えることで、よりシンボルの実際の生起確率に適応した符号化を行うことが可能となる。
コンテクストモデルは、符号化対象データを二値化部29にて二値系列化し、二値系列の各bin(バイナリ位置)に応じて定められる。二値化の規則は、各符号化データの取りうる値のおおまかな分布に従い、可変長の二値系列への変換を行う。二値化は、本来多値を取りうる符号化対象データをそのまま算術符号化するよりもbin単位で符号化することにより確率数直線分割数を削減でき演算を簡略化できる、コンテクストモデルのスリム化が可能になるなどのメリットがある。
上記1), 2)のプロセスで、多値の符号化対象データの二値化と、各binに適用するコンテクストモデルの設定が完了し、符号化準備が整う。各コンテクストモデルには、0/1の各値に対する生起確率のバリエーションが含まれているので、図4に示すように、生起確率生成部30は、ステップS1で決定されたコンテクストモデルを参照して各binにおける0/1生起確率の生成処理を行う。
3)によって、算術符号化プロセスに必要な確率数直線上の0/1各値の生起確率が得られるため、従来例にあげたプロセスにしたがって符号化部31において算術符号化を行う(ステップS4)。また、実際の符号化値(0 or 1)32は、生起確率生成部30へフィードバックされ、使用したコンテクストモデルの生起確率バリエーション部分の更新のため、0/1発生頻度のカウントが行われる(ステップS5)。例えば、ある特定のコンテクストモデル内の生起確率バリエーションを用いて100個のbinの符号化処理が行われた時点で、当該生起確率バリエーションにおける0/1の生起確率がそれぞれ0.25, 0.75であったとする。ここで、同じ生起確率バリエーションを用いて1が符号化されると、1の出現頻度が更新され、0/1の生起確率は0.247、0.752に変化する。このメカニズムにより、実際の生起確率に適応した効率的な符号化を行うことが可能となる。
算術符号化は、複数の符号化対象データの系列を1つの符号語へ変換するが、映像信号はフレーム間での動き予測を行ったり、フレーム単位での表示を行ったりするため、フレームを単位として復号画像を生成してフレームメモリ内部の更新を行う必要がある。したがって、算術符号化された圧縮データ上でフレームという単位の切れ目を明確に判断できる必要がある。さらに、音声・オーディオなどの他のメディアとの多重や、パケット伝送などの目的から、フレーム内のさらに細かい単位で圧縮データを区切って伝送する必要もある。この例としては、一般にスライス構造、すなわち複数のマクロブロックをラスタスキャン順にグルーピングした単位が挙げられる。
図8に示すように、スライス映像圧縮データ毎に、各スライス映像圧縮データのヘッダであるスライスヘッダデータには、スライス開始コードの他、上記1.のレジスタリセットフラグと、上記1.のレジスタリセットフラグが「リセットを行わない」ことを示す場合にのみ多重する初期レジスタ値とが設けられている。
図12を参照して、図11に示す算術復号部27の動作を詳細に説明する。
図8に示したように、スライスなどの伝送単位ごとに多重される、算術符号化過程を示すレジスタ値のリセットの有無を示すレジスタリセットフラグと、ならびに初期レジスタ値34とに基づいて、復号部38における算術復号開始状態の初期化を行う(ステップS10)。レジスタ値をリセットする場合は、初期レジスタ値34は使用されない。
これらのプロセスは、それぞれ、図11に示すコンテクストモデル決定部28、二値化部29、生起確率生成部30によって行われるが、符号化装置側のプロセス1)〜3)にて示すコンテクストモデル決定処理S1、二値化処理S2、生起確率生成処理S3と同様なので、それぞれ同じステップ番号を付して、これらの説明は省略するものとする。
これから復号しようとするbinの生起確率が7)までのプロセスで確定するため、復号部38において、従来例に示した算術復号処理のプロセスにしたがって、binの値を復元すると共に(ステップS11)、符号化装置側の処理と同様に0/1発生頻度をカウントしてbinの生起確率を更新し(ステップS5)、二値化規則で定められる二値系列パターンと比較することにより復号したbinの値が確定したか否かを判断する(ステップS12)。二値化規則で定められる二値系列パターンと比較して復号したbinの値が確定しなければ(ステップS12"N")、再度、ステップS3の各binにおける0/1生起確率生成処理以降の処理を行う(ステップS3,S11,S5,S12)。その一方、二値化規則で定められる二値系列パターンとの合致の確認により復号した各binの値が確定した場合には(ステップS12"Y")、合致したパターンが指し示すデータ値を復号データ値として出力し、スライスなどの伝送単位全てについて復号完了していなければ(ステップS13"N")、伝送単位すべてについて復号するため、ステップS1のコンテクストモデル決定処理以降の処理を繰り返し行うようにする。
本実施の形態2では、算術符号化部6および算術復号部27の別の形態について述べる。本実施の形態2では、算術符号化過程の符号語の状態を表すレジスタ値だけでなく、コンテクストモデル内の生起確率バリエーションに対する学習状態、すなわち生起確率生成部30におけるbinの生起確率更新処理によるコンテクストモデル内の生起確率バリエーションに対する学習状態も、スライスヘッダに多重することを特徴とする。
図15は、k番目の伝送単位内にn個のマクロブロックがある場合で、各マクロブロックに対して1度だけ使用されるコンテクストモデルctxが定義されており、各マクロブロック対してctxの生起確率が変動する様子を示している。コンテクストモデルの状態39が次の伝送単位へ引き継がれるという意味は、この図15に示すように、k番目の伝送単位の最終状態ctxk(n-1)がk+1番目の伝送単位におけるctxの初期状態、すなわちctxk+1(n-1)=0,1,2における値0,1の生起確率po,p1をctxk(n-1)=0,1,2における値0,1の生起確率po,pと等しくすることを意味する。このために、伝送単位生成部35において、ctxk(n-1)の状態を示すデータが、k+1番目の伝送単位におけるヘッダ情報の一部として伝送されるように構成する。
本実施の形態3では、伝送単位を、符号化されるデータのタイプ別にグルーピングするデータパーティショニング形式で構成する例について述べる。例えば、Joint Video Team (JVT) of ISO/IEC MPEG and ITU-T VCEG において検討される映像符号化方式仕様ドラフトWorking Draft Number 2, Revision 3, JVT-B118r3に開示されるデータパーティショニングを例にとると、図7に示すようなスライス構造を単位として、その内部に存在するマクロブロック数分だけ、特定のタイプのデータをグルーピングして構成されるデータ単位をスライスデータの形で伝送する方式が示されている。グルーピングして構成されるデータ単位であるスライスデータのデータタイプとして、例えば、以下に示す0〜7のデータタイプがある。
1 TYPE_MBHEADER マクロブロックヘッダ情報(符号化モード情報など)
2 TYPE_MVD 動きベクトル
3 TYPE_CBP CBP(マクロブロック内の有効直交変換係数分布)
4 TYPE_2x2DC 直交変換係数データ(1)
5 TYPE_COEFF_Y 直交変換係数データ(2)
6 TYPE_COEFF_C 直交変換係数データ(3)
7 TYPE_EOS ストリーム終了識別情報
Claims (2)
- 圧縮符号化されたデジタル信号を所定単位で受信して復号を行うデジタル信号復号装置において、
前記所定単位の圧縮デジタル信号を、複数のコンテクストモデルの中から復号対象データのタイプごとに使用するコンテクストモデルを定めて算術符号化のプロセスに基づいて復号する算術復号部を備え、
当該算術復号部は、ある所定単位のデータの一部として多重化され、上記復号対象データのタイプに対応づけられたコンテクストモデルの生起確率の初期状態を表す情報に基づいて、コンテクストモデルの生起確率状態の初期化を行い、算術復号過程を示すレジスタ値の初期化情報を復号し、該レジスタ値の初期化情報に基づいてレジスタ値の初期化を行い、前記初期化された生起確率状態と前記初期化されたレジスタ値から前記所定単位データの復号を行うことを特徴とするデジタル信号復号装置。 - 圧縮符号化されたデジタル信号を所定単位で受信して復号を行うデジタル信号算術復号方法であって、
前記所定単位の圧縮デジタル信号を、複数のコンテクストモデルの中から復号対象データのタイプごとに使用するコンテクストモデルを定めて算術符号化のプロセスに基づいて復号するとともに、
ある所定単位のデータの一部として多重化され、上記復号対象データのタイプに対応づけられたコンテクストモデルの生起確率の初期状態を表す情報に基づいて、コンテクストモデルの生起確率状態の初期化を行い、算術復号過程を示すレジスタ値の初期化情報を復号し、該レジスタ値の初期化情報に基づいてレジスタ値の初期化を行い、前記初期化された生起確率状態と前記初期化されたレジスタ値から前記所定単位データの復号を行うことを特徴とするデジタル信号算術復号方法。
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