JP4510463B2 - ビデオ符号器においてマクロブロック量子化パラメータを選択する方法及び装置 - Google Patents
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Description
ROI符号化を使用するMPEG−4ビデオ符号器について、従来技術によれば、ビデオ技術についてのCASに関するIEEE会報、pp.928−934、第8巻、第8号、1998年12月の、N.ドラミス、A.ドラミス、D.カロゲラス及びS.コリアスによる“適応関心領域を使用するイメージシーケンスの低ビットレート符号化”(Low Bit−Rate Coding of Image Sequences Using Adaptive Regions of Interest、by N. Doulamis、A.Doulamis、D.Kalogeras and S.Kollias、IEEE Tran.on CAS for Video Technology、PP.928−934, vol.8、no.8、Dec. 1998)に記載されているように、またビデオ技術についてのCASに関するIEEE会報、pp.1190−1203、第9巻、第8号、1999年12月の、T.マイアー及びN.ガンによる“内容に基づく符号化のためのビデオ分割”(Video Segmentation for Content−Based Coding、by T.Meier and N.Ngan、IEEE Tran.on CAS for Video Technology、pp.1190−1203、vol.9、no.8、Dec.1999),に記載されているように、各フレームを2つのビデオ物体平面(VOP)即ちフォアグラウンドVOP及びバックグラウンドVOPに分離することを通してQP制御が達成される。この様な分離は、フォアグラウンド/バックグラウンド分離境界での±2変化制約を克服する。
従って、本発明の第1の局面は、ビデオ符号器において量子化パラメータ値のシーケンスを選択する方法を提供し、該ビデオ符号器は、ビデオフレームをn個のマクロブロックのシーケンスとして符号化すると共に該ビデオフレームの各マクロブロックのために量子化パラメータ値を割り当てるように構成され、この方法は、前記n個のマクロブロックのシーケンスの少なくとも部分集合に割り当てられる量子化パラメータ値が、それらの符号化に関連するコストを最小限にするように最適化されることを特徴とする。
d(qi,si)=(qi−si)2
で与えられ、更に、コスト関数成分R(Q)の要素r(qi,qi-1)は式
siはi番目のマクロブロックについて関心領域(ROI)符号化エンジンにより示唆されたQP値を示し、S={si}は符号化されるフレームについてROI符号化エンジンにより示唆されたQPシーケンスを示すものとする。Q={qi}は、要求されたSに応答してフレームの選択されたQPシーケンスとして最適化アルゴリズムにより割り当てられるべき任意の候補QPシーケンスを示すものとする。シーケンスQ及びSのそれぞれの長さは1フレーム中のマクロブロックの数に等しい。この長さをnで表わす。
a)C(Q,S)は非負でなければならない。
b)もしQが表示不能であれば、関連するコスト関数C(Q,S)は無限大であるとされる。(QPシーケンスは、もしビデオ符号器が該QPシーケンスをその値を変化させずに符号化できるならば、表示可能であると言われる。例えば、QPシーケンス{5,12、...}は、H.263符号器により符号化される連続するQP値は+−2より大きく違っていてはならないのに、この例では12と5とは7だけ違っているので、H.263符号器によっては表示可能ではない。慣習により、このシーケンス{5,12,...}を表示するには無限に多くのビットを必要とすると言うことができるので、このシーケンスが最適近似として選択されることは決してない。)
c)C(Q,S)は、所定の基準に従って測られたQ及びSの相違に直接的に又は間接的に比例する成分を持たなければならない。ここでD(Q,S)により表示されるこの様な差或いは相違成分は、Sに近いQPシーケンスを選ぶようにオプティマイザーを駆り立てる。大抵の実際的場合に、D(Q,S)は
d)C(Q,S)は、ここでR(Q)と称される成分を持っているべきであり、この成分は、Qを表わすために費やされるビットに比例し、Sには依存しない。(R(Q)の値は、QPシーケンスQを符号化するために必要なビットの数である。Sは、ROIアナライザーにより示唆されたQPシーケンスである。復号器はSについて何の情報も持っていないので、もしR(Q)がSに依存するならばQの表示は復号不能であろう。)もしQが表示可能でなければR(Q)=+∞という慣習をここでは使用する。MPEG−4、H.263、及びH.263+で使用される差分符号化は、R(Q)が
C*()とCk *()とは次のように互いに関連する。
bestPrevt(k)=j*
で表わす。(この様な関係は、ビタビ型アルゴリズムにとっては基本的である。)
上で導出されたアルゴリズムは、下記のように疑似コードで表現することができる。
図3を参照すると、本発明のアルゴリズムに従って最適QPシーケンスを決定するオプティマイザーモジュール14aを含むものとして図1の符号化制御モジュール14が詳しく示されており、最適化は、2つの成分D(Q,S)及びR(Q)のそれぞれの具体的定義を有するコスト関数C(Q,S)に基づいている。(コスト関数の定義は、オプティマイザーモジュールに入力として提供される。)該最適化モジュールは、例えばROIエンジン31(普通は符号化制御モジュール14の外部に存する)により提供される示唆されたシーケンスSを入力として使用する。最適化シーケンスQは制御モジュール14bに提供され、これは演算パラメータp、t、qz及びqをビデオ符号器(図示されていない)に提供する。
式(1)及び(2)のコスト成分r(qi,qi-1)及びd(qi,si)の定義が異なれば本発明の異なる実施態様が得られることになる。どの賢明なコスト関数でも、即ち上記の特性(a)−(d)を有するどのコスト関数も、立派な実施態様につながる可能性を有する。本発明の実施態様は、好ましくはH.263、MPEG−4 VLBV、またはH.263+に従うビデオ符号器であり、この符号器ではプロセッサは上記のQP最適化アルゴリズムを用いてフレーム−レベルQP制御を実行する。
単純モードは、主として、MPEG−4及びH.263に従うビデオソース符号器に適用される。単純モードでは、r(qi,qi-1)とd(qi,si)とが次のように定義される:
ROIエンジンが画像内の任意の位置について示唆される6,7,3,2,1,3というQPシーケンスを作り、このシーケンス内の第1マクロブロックの直前のマクロブロックのQP値が5であり、従ってこれが式(7)のq0のために使われる値であると仮定する。前のマクロブロックQPを利用できない状態であれば、フレーム−レベルQPの値をq0のために使うことができる。
C3 *(S1)=d(6,3)+r(3,5)
であり、これは式(9)及び(10)を用いると
C3 *(S1)=(3−6)2+0=9
になり、従って図4の表の中のCk *(St)を見出しとするコラムのk=3、t=1の欄にその様に記録される。
C1 *(S2)=(1−7)2+[r(1,3)+C3 *(S1)]
=62+[0+9]=45
が得られ、従ってj*(k、t)=j*(1,2)=BestPrevt(k)=BestPrev2(1)=3である。これらの値(45及び3)は両方とも、図4に示されているように、蓄積される。
C2 *(S2)=(2−7)2+[r(2,4)+C4 *(S1)]
=52+[0+4]=29
が得られる。
高性能モードは、MPEG−4、H.263、及びH.263+の各々に使用できる。ここで、r(qi,qi-1)及びd(qi,si)は次のように定義される:
本発明に従うビデオコーデックによるフレーム−レベルQP最適化の使用は、該コーデックの出力QP分布をビデオソースと比較することによって認識することができる。通常、本発明のフレーム−レベル・オプティマイザーを有するコーデックは、鋭いQP遷移を必要とすることに対してQPの非因果的変化によって応える。換言すれば、この様なコーデックは、この様な必要が生じる前にマクロブロックQPを増大(又は減少)させ始める。ここで、前にということはマクロブロックのラスタースキャン順に関する。マクロブロックはラスタースキャン順に、即ち左から右、上から下へと符号化される。もし例えば6番目のマクロブロックに顔などの、視覚的に重要な特徴が存在し、他のどのマクロブロックもあまり重要ではない特徴を含んでいるならば、ROIエンジンは、その6番目のマクロブロックについて突然のQP低下を示唆する。示唆されたQPシーケンスS(ROIエンジンにより示唆された)は{15,15,15,15,15,10,15,15,・・・}のように見えよう。“前に”及び“非因果的”という用語は、この1−Dシーケンス関連する。QPを減少させる必要は、6に等しいインデックス(即ち6番目の位置)で生じると言われる。H.263符号器で使われる対応するフレーム最適化QP変化は{15,15,15,15,13,11,13,15,15,・・・}の様なものであろう。第1の変化は5に等しいインデックスを有するマクロブロックから始まるが、これは第1の視覚的に重要なマクロブロックのインデックスより小さい、即ち、第1の視覚的に重要なマクロブロックより“前に”ある。フレーム−レベル最適化を使用しない近似装置は、おそらくインデックスが6に等しいときに始めてQPを変化させ始めるであろう。
Claims (20)
- ビデオ符号器において量子化パラメータ値のシーケンスを選択する方法であって、
前記ビデオ符号器は、1つのビデオフレームをn個のマクロブロックからなる1つのシーケンスとして符号化すると共に前記ビデオフレームのマクロブロックごとに量子化パラメータ値を割り当てるように構成され、
前記方法は、関心領域アナライザー(31)によって生成された量子化パラメータシーケンスSの代わりに候補量子化パラメータシーケンスを使用することによるコストを最小化するように選択された量子化パラメータ値を、前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの少なくとも部分集合に割り当てるステップ(23,24,25)を有し、前記コストは、所定基準に従って測られた候補量子化パラメータシーケンスと,前記生成された量子化パラメータシーケンスとの相違を表す成分、及び前記候補量子化パラメータシーケンスを表すのに費やされるビットの数に比例する成分、を有することを特徴とする方法。 - 前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの部分集合は、前記n個のマクロブロックの全部を含むことを更に特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの少なくとも部分集合に割り当てられる量子化パラメータ値は、ビタビ・サーチ・アルゴリズムを用いて最適化されることを更に特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記方法は、ビデオ符号器の量子化パラメータQPをフレーム単位で制御する方法であり、
前記ビデオ符号器はn個のマクロブロックからなる1つのフレームのマクロブロックごとに1つの量子化パラメータを有し、候補量子化パラメータシーケンスとして用いられる全ての任意な量子化パラメータシーケンスQの集合から、前記所定基準に従って測られた候補量子化パラメータシーケンスQと前記生成された量子化パラメータシーケンスSとの相違を表す成分D(Q,S)を有すると共に、前記候補量子化パラメータシーケンスQを表すのに費やされるビットの数に比例する成分R(Q)を有するコスト関数C(Q,S)を最小化するように最適化量子化パラメータシーケンスQ*を選択し、前記方法は、
a)前記生成された量子化パラメータシーケンスSを受け取るステップ(21)と、
b)前記コスト関数C(Q,S)を計算するステップ(22)と、
c)前記コスト関数C(Q,S)が最小となる前記最適化量子化パラメータシーケンスQ*を決定する決定ステップ(23,24,25)とを有し、
これにより、前記生成された量子化パラメータシーケンスSをビット効率的に近似する最適化量子化パラメータシーケンスQ*を決定することを更に特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記決定ステップ(23,24,25)は、前記生成された量子化パラメータシーケンスSの量子化パラメータによって決定される量子化パラメータ値の範囲に含まれる整数kについて最適制約付きコスト関数Ck *(St)を計算するステップ(25)を含み、前記最適制約付きコスト関数は、t≦nであるt個の量子化パラメータからなる前記生成された量子化パラメータシーケンスの部分集合Stの関数であって、最後のt番目の要素が値kである量子化パラメータを有する前記候補量子化パラメータシーケンスの任意の選択可能な部分集合Qt, kを使うことにより達成可能な最低のコストを示すことを更に特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記決定ステップ(23,24,25)は、
a)所定最小値から所定最大値までの量子化パラメータ値の範囲を前記生成された量子化パラメータシーケンスSから決定するサブステップと、
b)シーケンスの要素数tを1に等しくセットするサブステップと、
c)値kを前記所定最小値に等しくセットするサブステップと、
d)最適制約付きコスト関数Ck *(St)を計算するサブステップであって、前記最適制約付きコスト関数は、t≦nであるt個の量子化パラメータからなる前記生成された量子化パラメータシーケンスの部分集合Stの関数であり、1より大きなtについての前記最適制約付きコスト関数の計算は、Ck *(St)とCk *(St-1)との再帰的関係及び項r(k,j)+Cj *(St-1)に基づいており、前記r(k,j)は、前記生成された量子化パラメータシーケンスSから決定される範囲の値である変数jでQを表すのに費やされるビットの数に比例するコスト関数成分R(Q)の要素であるサブステップと、
e)前記項r(k,j)+Cj *(St-1)を最小にするjの値を蓄積するサブステップと、
f)kを前記所定最大値に等しくなるまで1ずつ増加させ、且つtをフレーム中のマクロブロックの数nに等しくなるまで1ずつ増加させて、前記サブステップd)及びe)を繰り返すサブステップと、
g)前記生成された量子化パラメータシーケンスS内の量子化パラメータ値に含まれる全てのkの値についてCk *(St=n)を比較して最適コスト関数C*(St=n)を決定するサブステップと、
h)始めに最後のマクロブロックについての量子化パラメータをCk *(St=n)を最小にするkの値に等しくセットし、次に逆にたどって、作られる最適化シーケンス中の前の各量子化パラメータに次のマクロブロックについて蓄積されているjの値を割り当てるプロセスによって前記最適化シーケンスQ*を作るサブステップと、
を有することを更に特徴とする請求項4に記載の方法。 - ビデオ符号器において量子化パラメータ値のシーケンスを選択するための装置であって、
前記ビデオ符号器は、1つのビデオフレームをn個のマクロブロックからなる1つのシーケンスとして符号化すると共に前記ビデオフレームのマクロブロックごとに量子化パラメータ値を割り当てるように構成され、
前記装置は、関心領域アナライザー(31)によって生成された量子化パラメータシーケンスSの代わりに候補量子化パラメータシーケンスを使用することによるコストを最小化するように選択された量子化パラメータ値を、前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの少なくとも部分集合に割り当てるための手段(14)を備え、前記コストは、所定基準に従って測られた該候補シーケンスと前記生成された量子化パラメータシーケンスとの相違を表す成分、及び前記候補量子化パラメータシーケンスを表すのに費やされるビットの数に比例する成分、を有することを特徴とする装置。 - 前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの部分集合は、前記n個のマクロブロックの全てを含むことを更に特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記n個のマクロブロックからなる1つのシーケンスの少なくとも部分集合に割り当てられる量子化パラメータ値は、ビタビ・サーチ・アルゴリズムを用いて最適化されることを更に特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記装置は、前記ビデオ符号器により使用される量子化パラメータをフレーム単位で制御すると共に、前記ビデオ符号器により処理されるn個のマクロブロックからなる1つのフレームのマクロブロックごとに1つの量子化パラメータを有し、前記のフレーム単位制御は、候補量子化パラメータシーケンスとして用いられる全ての任意な量子化パラメータシーケンスQの集合から、前記所定基準に従って測られた前記候補量子化パラメータシーケンスQと前記生成された量子化パラメータシーケンスSとの相違を表す成分D(Q,S)を有すると共に、前記候補量子化パラメータシーケンスQを表すのに費やされるビットの数に比例する成分R(Q)を有するコスト関数C(Q,S)を最小化するように最適化量子化パラメータシーケンスQ*を選択し、
a)前記生成された量子化パラメータシーケンスSを受け取るための手段(14a)と、
b)前記コスト関数C(Q,S)を計算するための手段(14a)と、
c)前記コスト関数C(Q,S)が最小となる前記最適化量子化パラメータシーケンスQ*を決定するための決定手段(14a)と、
を更に備え、
これにより、前記ビデオ符号器は前記生成された量子化パラメータシーケンスSをビット効率的に近似する最適化量子化パラメータシーケンスQ*を決定することを更に特徴とする請求項11に記載の装置。 - 前記決定手段(14a)は、前記生成された量子化パラメータシーケンスSの量子化パラメータによって決定される量子化パラメータ値の範囲に含まれる整数kについて最適制約付きコスト関数Ck *(St)を計算し、前記最適制約付きコスト関数は、t≦nであるt個の量子化パラメータからなる前記生成された量子化パラメータシーケンスの部分集合Stの関数であって、最後のt番目の要素が値kである量子化パラメータを有する前記候補量子化パラメータシーケンスの任意の選択可能な部分集合Qt, kを使うことにより達成可能な最低のコストを示すことを更に特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記決定手段(14a)は、
a)所定最小値から所定最大値までの量子化パラメータ値の範囲を前記生成された量子化パラメータシーケンスSから決定するための手段と、
b)シーケンスの要素数tを1に等しくセットするための手段と、
c)値kを前記所定最小値に等しくセットするための手段と、
d)最適制約付きコスト関数Ck *(St)を計算するための手段であって、前記最適制約付きコスト関数は、t≦nであるt個の量子化パラメータからなる前記生成された量子化パラメータシーケンスの部分集合Stの関数であり、1より大きなtについての前記最適制約付きコスト関数の計算は、Ck *(St)とCk *(St-1)との再帰的関係及び項r(k,j)+Cj *(St-1)に基づいており、前記r(k,j)は、前記生成された量子化パラメータシーケンスSから決定される範囲の値である変数jでQを表すのに費やされるビットの数に比例するコスト関数成分R(Q)の要素である手段と、
e)前記項r(k,j)+Cj *(St-1)を最小にするjの値を蓄積するための手段と、
f)kを前記所定最大値に等しくなるまで1ずつ増加させ、且つtをフレーム中のマクロブロックの数nに等しくなるまで1ずつ増加させて、前記d)及びe)の処理を繰り返す手段と、
g)前記生成された量子化パラメータシーケンスS内の量子化パラメータ値に含まれる全てのkの値についてCk *(St=n)を比較して最適コスト関数C*(St=n)を決定するための手段と、
h)始めに最後のマクロブロックについての量子化パラメータをCk *(St=n)を最小にするkの値に等しくセットし、次に逆にたどって、作られる最適化シーケンス中の前の各量子化パラメータに次のマクロブロックについて蓄積されているjの値を割り当てるプロセスによって前記最適化シーケンスQ*を作るための手段と、
を備えることを更に特徴とする請求項14に記載の装置。
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