JP4776526B2 - 画像処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、MPEG−2、H.264等に規定する符号化技術に関し、特に、符号化の画質劣化を軽減するためのビット割り当てを適切に行う画像処理装置に関する。
従来、動画像の圧縮方式としてMPEG−2、MPEG−4等の規格に準じたものが実用化されており、この他にも多くの圧縮方式が存在する。これらの圧縮方式は、動き補正及び変換符号(DCT等)を基礎技術としている。
例えば、MPEG−2の圧縮方式では、画像を複数の画素の集合からなるブロックに分割し、各ブロックに対してDCTを施すことにより時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する。このDCTにより得られるDCT係数と呼ばれる周波数成分を所定の量子化幅で量子化し、量子化により得られる量子化係数に可変量符号を割り当てて可変量符号化し、符号化データである符号化ビットストリームを出力する。
このような圧縮方式においては、量子化及び符号化におけるビット割り当てのレート制御が重要である。例えば、特許文献1に記載された画像処理装置では、画像内の処理ブロックにおける画素値の平均(直流)及び分散(複雑さ)を用いることによりレート制御を行っている。ここで、分散(複雑さ)はエッジエネルギーに相当する。
図1は、特許文献1に記載された従来の画像処理装置100の構成を示すブロック図である。この従来の画像処理装置100は、動画像符号化手段101、ピクチャ群量子化幅設定手段102、及び平均ビットレート調整手段103を備えている。動画像符号化手段101は、原画像を入力し、マクロブロック毎に与えられた量子化幅に基づいて原画像の符号化処理を行い、符号化ビットストリームを出力する。この場合、動画像符号化手段101は、量子化幅を平均ビットレート調整手段103から入力し、出力する符号化ビットストリームにおける発生符号量をピクチャ群量子化幅設定手段102及び平均ビットレート調整手段103に出力する。
ピクチャ群量子化幅設定手段102は、発生符号量及び量子化幅に基づいて、GOB(ブロックの集合)の量子化幅を生成し、平均ビットレート調整手段103に出力する。ここで、ピクチャ群量子化幅設定手段102は、ピクチャ群複雑度計算手段104、平均複雑度計算手段105、及びピクチャ群量子化幅計算手段106を備えている。
ピクチャ群複雑度計算手段104及び平均複雑度計算手段105は、発生符号量を動画像符号化手段101から入力し、量子化幅を平均ビットレート調整手段103から入力し、ピクチャ群複雑度及び平均複雑度をそれぞれ計算し、ピクチャ群量子化幅計算手段106に出力する。ピクチャ群量子化幅計算手段106は、ピクチャ群複雑度及び平均複雑度に基づいて、GOBの量子化幅を計算し、平均ビットレート調整手段103に出力する。
平均ビットレート調整手段103は、GOBの量子化幅をピクチャ群量子化幅設定手段102から入力し、動画像符号化手段101から発生符号量を入力し、発生符号量と平均ビットレートとを比較して平均ビットレートに対する実際に発生した符号量の過不足量を計算し、この過不足量に応じて量子化幅を調整し、動画像符号化手段101に出力する。
このような画像内の処理ブロックにおける画素値の平均及び分散を用いるレート制御は、非特許文献1に記載されているように、MPEG−2の規格においても行われている。
特許第3508916号公報 "RATE CONTROL AND QUANTIZATION CONTROL"、[online]、[平成18年1月24日検索]、インターネット<URL:http://www.mpeg.org/MPEG/MSSG/tm5/Ch10/Ch10.html>
前述したレート制御は、フレーム単位またはフィールド単位に行われるものである。このため、画面内で大きな物体が動き出す場合や、画面全体において雨が降っている場合には、適用することができないという問題があった。通常のコーディックでは、シーンチェンジを検出し、シーンチェンジを検出した際に異なるレート制御に変更するようになっており、このシーンチェンジは断片的に行われる。しかし、画面内で大きな物体が動き出す場合や、画面全体において雨が降っている場合は、その状況が数フレームに渡ることになり、その状況以前の画像からその状況の画像に移行してもシーンチェンジが検出されないため、異なるレート制御に変更されることはない。ここで、画質を劣化させないためには、異なるルート制御を行う必要がある。
また、人間は、画像の劣化が小さくてもそれを認知する場合があり、また、画像の劣化が大きくてもそれを認知しない場合がある。前述のように単に平均と分散のみに基づいたレート制御を行う場合は、人間が認知できる劣化に対して十分なビット割り当てを行うことができず、認知できない劣化に対して余分なビット割り当てを行ってしまう。このように、画像の劣化に対する人間の認知度合いに応じて、レート制御が適切に行われていないという問題があった。
そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、画像を符号化する場合に、画像の劣化に対する人間の認知度合いに応じたビット割り当てを行い、適切なレート制御を行うことにより、画質劣化を軽減可能な画像処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、原画像と符号化・復号化画像との間の差分に対して、人間の視覚特性と一致したフィルタを用いてフィルタ処理を行い、このフィルタ処理により、劣化が大きい場合は多くのビット割り当てを行い、劣化が小さい場合は少ないビット割り当てを行うことを特徴とする。
すなわち、本発明による画像処理装置は、原画像に符号化処理を施し、符号化ビットストリームを出力する画像処理装置において、原画像と、該原画像に符号化処理及び復号化処理を施した画像との間の差分を生成する減算器、該減算器により生成された差分に対し、評価値を画素毎に生成する画像評価用フィルタ、及び、該画像評価用フィルタにより生成された評価値に基づいて、符号化のためのビット割り当てを行う符号化器を備え、前記画像評価用フィルタが、複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタを有し、該複数の空間フィルタのうちの少なくとも二つの空間フィルタ及び該複数の時間フィルタのうちの少なくとも二つの時間フィルタは、それぞれ低周波数の信号を通過させるローパスフィルタ及び中域または高周波数の信号を通過させるバイパスフィルタであり、画素の輝度に応じて複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタのうちの一つの空間フィルタ及び一つの時間フィルタに切り替えて特定することを特徴とする。
また、本発明による画像処理装置は、前記画像評価用フィルタが、複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタを直列に接続し、さらに、画素の輝度に応じて複数の空間フィルタのうちの一つの空間フィルタに切り替える第1の切替器、画素の輝度に応じて複数の時間フィルタのうちの一つの時間フィルタに切り替える第2の切替器、及び、前記第1の切替器により切り替えて特定された一つの空間フィルタ及び前記第2の切替器により切り替えて特定された一つの時間フィルタによりフィルタ処理が施された画素値に対し、2乗または絶対値の演算を施す演算器を有し、前記2乗または絶対値の演算結果を前記評価値として生成することを特徴とする。
また、本発明による画像処理装置は、前記符号化器が、前記評価値が大きい場合に多くのビットを割り当て、前記評価値が小さい場合に少ないビットを割り当てることを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、画像を符号化する場合に、画像の劣化に対する人間の認知度合いに応じたビット割り当てを行うことができる。これにより、適切なレート制御が可能となり、符号化における画質劣化を軽減することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図2は、本発明の実施の形態による画像処理装置の構成を示すブロック図である。この画像処理装置1は、符号化・復号化器10、減算器11、画像評価用フィルタ12、遅延手段13,14、及び符号化器15を備えている。この画像処理装置1では、画像評価用フィルタ12が、画像の劣化分(原画像と符号化・復号化画像との間の差分)に対し、人間の視覚特性と一致したフィルタ処理を行うことにより、画像の劣化に対する人間の認知度に相当する評価値(認知度が高い場合は大きな評価値、認知度が低い場合は小さな評価値)を出力し、符号化器15が、その評価値に基づいてビットの割り当て(評価値が大きい場合は多くのビット割り当て、評価値が小さい場合は少ないビット割り当て)を行いレート制御を行うようにした点が特徴である。
符号化・復号化器10は、原画像を入力し、符号化処理及び復号化処理を施し、符号化・復号化画像を減算器11及び画像評価用フィルタ12に出力する。ここで、符号化・復号化画像は、通常の画像であるが、原画像と比較すると符号化による劣化が生じている。
遅延手段13は、原画像を入力し、符号化・復号化器10による処理時間分の遅延を生じさせ、遅延した原画像を減算器11及び遅延手段14に出力する。ここで、遅延手段13による原画像の遅延処理は、減算器11において符号化・復号化画像と原画像との位相を一致させるために行われる。
減算器11は、遅延手段13から遅延した原画像を入力し、符号化・復号化器10から符号化・復号化画像を入力し、その原画像から符号化・復号化画像を減算し、各画素における画素値を求め、原画像と符号化・復号化画像との間の差分として画像評価用フィルタ12に出力する。ここで、原画像と符号化・復号化画像との間の差分は、画像の劣化に相当するものである。
画像評価用フィルタ12は、減算器11から原画像と符号化・復号化画像との間の差分を入力し、符号化・復号化器10から符号化・復号化画像を入力し、差分に対して人間の視覚特性と一致したフィルタ処理を施し、画像の劣化に対する人間の認知度に相当する評価値を生成し、画素毎の評価値を符号化器15に出力する。例えば、画素の座標値及びその画素における評価値を出力する。ここで、認知度が高い場合は、符号化器15において多くのビットが割り当てられるように、評価値として大きな値を生成する。また、認知度が低い場合は、符号化器15において少ないビットが割り当てられるように、評価値として小さな値を生成する。画像評価用フィルタ12の詳細については後述する。
遅延手段14は、原画像を遅延手段13から入力し、画像評価用フィルタ12によるフィルタ処理時間分の遅延を生じさせ、遅延した原画像を符号化器15に出力する。ここで、遅延手段14による原画像の遅延処理は、符号化器15において原画像と評価値との対応付けのために行われる。
符号化器15は、遅延した原画像を入力し、画像評価用フィルタ12から画素毎の評価値を入力し、原画像に対し、評価値に基づいて原画像に対しビットを割り当ててレート制御を行い、符号化ビットストリームを出力する。具体的には、ブロックにおける画素毎の評価値を加算し、その加算結果に比例したビットを割り当てる。すなわち、評価値が大きい場合は多くのビットを割り当て、評価値が小さい場合は少ないビットを割り当てる。
図3は、図2に示した画像評価用フィルタ12の第1の構成を示すブロック図である。この画像評価用フィルタ12−1は、画像の劣化に対し、人間の視覚特性と一致したフィルタ処理を行うものであり、画像の劣化に対する人間の認知度に相当する評価値を出力する。画像評価用フィルタ12―1は、切替器30,33、空間フィルタ31−1〜3,37、加算器32,36、時間フィルタ34−1〜3、演算器35−1〜3、及び変換手段38を備えている。
一般に、人間の視覚は、明るいときは細かい箇所もよく見え、暗いときは大まかにしか見えない性質を有している。また、明るいときは画面のちらつきがよく見え、暗いときは残像が多くなる。このように人間の視覚は、明るさ(輝度)に依存しており、輝度の低い領域ではローパスフィルタとなり、輝度の高い領域ではバンドパスフィルタとなる特性を有している。また、フリッカやモスキートノイズのような空間的、時間的な歪みに対しては、このような視覚特性によるフィルタを通して認知する。具体的には、明るいときは、早いフリッカがよく見え、遅いフリッカは大まかにしか見えない。また、暗いときは、遅いフリッカがよく見え、早いフリッカは大まかにしか見えない。尚、人間の視覚特性の詳細については、「西田泰章,合志清一他、“リアルタイム画質評価装置”、映像メディア学会誌vol.54,No11,pp1623−1630(2000)」を参照されたい。このような人間の視覚特性を反映したのが図3に示した画像評価用フィルタ12−1である。
空間フィルタ37は、符号化・復号化画像を符号化・復号化器10から入力し、同一フレームにおける所定の領域の複数の画素において画素毎にフィルタ処理を施す。変換手段38は、空間フィルタ37を介して入力した画素値から輝度値を計算し、その輝度値に応じた切替信号を切替器30,33にそれぞれ出力する。具体的には、その輝度値が0〜20%,21〜40%,41〜100%にそれぞれ相当する切替信号を変換テーブルまたは演算により特定し、その切替信号を切替器30に出力する。また、同様に、その輝度値が0〜10%,11〜20%,21〜100%にそれぞれ相当する切替信号を切替器33に出力する。
切替器30は、減算器11から原画像と符号化・復号化画像との間の差分の画素値を入力し、変換手段38から切替信号を入力し、輝度0〜20%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を空間フィルタ31−1に出力し、輝度21〜40%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を空間フィルタ31−2に出力し、輝度41〜100%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を空間フィルタ31−3に出力する。
空間フィルタ31−1〜3は、同一フレームにおける所定の領域の複数の画素において画素毎にフィルタ処理を施す。空間フィルタ31−1は、輝度値が0〜20%の場合に有効なフィルタ処理を行い、低周波数の信号を強調して出力する。つまり、所定の周波数以下の低周波数の信号を通過させ、それ以外の信号を減衰させるローパスフィルタの機能を有する。
空間フィルタ31−2は、輝度値が21〜40%の場合に有効なフィルタ処理を行い、中間周波数の信号を強調して出力する。つまり、所定の周波数範囲内の信号を通過させ、それ以外の信号を減衰させるバンドパスフィルタの機能を有する。空間フィルタ31−3は、輝度値が41〜100%の場合に有効なフィルタ処理を行い、高周波数の信号を強調して出力する。つまり、バンドパスフィルタの機能を有する。図5(1)に空間フィルタ31−1〜3の特性を示す。
加算器32は、空間フィルタ31−1〜3によりフィルタ処理が施された差分の画素値を加算し、切替器33に出力する。具体的には、切替器30により輝度値に応じて空間フィルタ31−1〜3が使い分けられているから、画素毎に空間フィルタ31−1〜3のうちのいずれかによりフィルタ処理が施された信号を出力することになる。
切替器33は、加算器32から空間フィルタ処理が施された差分の画素値を入力し、変換手段38から切替信号を入力し、輝度0〜10%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を時間フィルタ34―1に出力し、輝度11〜20%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を時間フィルタ34−2に出力し、輝度21〜100%の切替信号の場合は入力した差分の画素値を時間フィルタ34−3に出力する。
時間フィルタ34−1〜3は、複数フレームにおける同一箇所の画素について、画素毎にフィルタ処理を施す。時間フィルタ34−1は、輝度値が0〜10%の場合に有効なフィルタ処理を行い、低周波数の信号を強調して出力する。つまり、ローパスフィルタの機能を有する。時間フィルタ34−2は、輝度値が11〜40%の場合に有効なフィルタ処理を行い、中間周波数の信号を強調して出力する。つまり、バンドパスフィルタの機能を有する。時間フィルタ34−3は、輝度値が21〜100%の場合に有効なフィルタ処理を行い、中域または高周波数の信号を強調して出力する。つまり、バンドパスフィルタの機能を有する。図5(4)に時間フィルタ34−1〜3の特性を示す。
演算器35−1〜3は、時間フィルタ34−1〜3によりフィルタ処理が施された差分の画素値に対し、二乗または絶対値の演算を施し、その演算結果をそれぞれ加算器36に出力する。
加算器36は、演算器35−1〜3による演算結果を加算し、評価値として符号化器15に出力する。具体的には、切替器33により輝度値に応じて時間フィルタ34−1〜3が使い分けられているから、画素毎に時間フィルタ34−1〜3及び演算器35−1〜3のうちのいずれかの系統によりフィルタ処理及び演算処理が施された信号を評価値として出力することになる。
このように、切替器30、空間フィルタ31−1〜3、及び加算器32は、明るさにおける空間方向(注目画素について同一フレーム内のその注目画素を含む所定領域)のフィルタ処理を行う。具体的には、輝度値が小さい(暗い)画素の場合は、低周波数の信号を通過させ、それ以外の信号をカットすることにより、人間の認知度の高い低周波数の信号のみを強調する。また、輝度値が大きい(明るい)画素の場合は、高周波数の信号を通過させ、それ以外の信号をカットすることにより、人間の認知度の高い高周波数の信号のみを強調する。
また、切替器33、時間フィルタ34−1〜3、演算器35−1〜3、及び加算器36は、明るさにおける時間方向(注目画素について複数のフレームに渡るその注目画素と同一箇所)のフィルタ処理を行う。具体的には、輝度値が小さい(暗い)画素の場合は、遅くフリッカする低周波数の信号を通過させ、それ以外の信号をカットすることにより、人間の認知度の高い遅くフリッカする低周波数の信号のみを強調する。また、輝度値が大きい(明るい)画素の場合は、早くフリッカする高周波数の信号を通過させ、それ以外の信号をカットすることにより、人間の認知度の高い早くフリッカする高周波数の信号のみを強調する。
つまり、画像評価用フィルタ12−1によれば、人間の視覚特性に一致したフィルタ処理を実現することができ、画像の劣化(差分)に対する人間の認知度に応じた評価値を出力することができる。具体的には、劣化に対する人間の認知度が高い場合は、大きな値の評価値を出力し、劣化に対する人間の認知度が低い場合は、小さい値の評価値を出力することができる。
したがって、符号化器15は、入力した評価値に比例したビット割り当てを行うから、画像の劣化に対する人間の認知度が高い場合は多くのビットを割り当て、認知度が低い場合は少ないビットを割り当てたレート制御を行うようになる。これにより、人間の視覚特性に一致したレート制御が行われるから、符号化における画質劣化を軽減することができる。また、固定ビットレート符号化方式において、従来よりも向上した画質のデータを伝送することができる。
図4は、図2に示した画像評価用フィルタ12の第2の構成を示すブロック図である。この画像評価用フィルタ12−2は、空間フィルタ40−1〜3,43,48、切替器41,45、時間フィルタ42,44−1〜3、演算器46−1,2、加算器47、及び変換手段49を備えている。
図3に示した画像評価用フィルタ12−1と図4に示す画像評価用フィルタ12−2とを比較すると、画像評価用フィルタ12−1の切替器30,33、空間フィルタ31−1〜3、時間フィルタ34−1〜3、空間フィルタ37、及び変換手段38が、それぞれ、画像評価用フィルタ12−2の切替器41,45、空間フィルタ40−1〜3、時間フィルタ44−1〜3、空間フィルタ48、及び変換手段49に相当し、同一の機能を有する。図5において、(1)に空間フィルタ40−1〜3の特性を、(2)に時間フィルタ42の特性を、(3)に空間フィルタ48の特性を、(4)に時間フィルタ44−1〜3の特性をそれぞれ示す。
尚、画像評価用フィルタ12−2は、図3に示した画像評価用フィルタ12−1と同様に、画像の劣化に対し、人間の視覚特性と一致したフィルタ処理を行うものであり、画像の劣化に対する人間の認知度に相当する評価値を出力するから、ここでは詳細な説明は省略する。
このように、画像評価用フィルタ12−2によれば、画像評価用フィルタ12―1と同様に、人間の視覚特性に一致したフィルタ処理を実現することができ、画像の劣化(差分)に対する人間の認知度に応じた評価値を出力することができる。したがって、符号化器15は、画像の劣化に対する人間の認知度が高い場合は多くのビットを割り当て、認知度が低い場合は少ないビットを割り当てたレート制御を行うようになる。これにより、符号化における画質劣化を軽減することができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、図2において、画像評価用フィルタ12は、符号化・復号化画像を符号化・復号化器10から入力して輝度値を計算するようにしたが、原画像を遅延手段13から入力して輝度値を計算するようにしてもよい。
また、図3において、画像評価用フィルタ12−1は、3つの空間フィルタ31−1〜3及び3つの時間フィルタ34−1〜3を備え、図4において、画像評価用フィルタ12−2は、3つの空間フィルタ40−1〜3及び3つの時間フィルタ44−1〜3を備えるように構成したが、それぞれ3個の数に限定されるものではない。すなわち、変換手段38,49が輝度値に応じて出力する切替信号の数に従い、3個を超える数のフィルタをそれぞれ備えるように構成してもよい。
また、図3において、画像評価用フィルタ12−1は、空間フィルタ31−1〜3を前段に、時間フィルタ34−1〜3を後段に備えるように構成したが、空間フィルタ31−1〜3を後段に、時間フィルタ34−1〜3を前段に備えるように構成してもよい。同様に、図4において、画像評価用フィルタ12−2は、空間フィルタ40−1〜3を前段に、時間フィルタ44−1〜3を後段に備えるように構成したが、空間フィルタ40−1〜3を後段に、時間フィルタ44−1〜3を前段に備えるように構成してもよい。
従来の画像処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態による画像処理装置の構成を示すブロック図である。 図2の画像評価用フィルタの第1の構成を示すブロック図である。 図2の画像評価用フィルタの第2の構成を示すブロック図である。 図3,4の画像評価フィルタにおける空間フィルタ及び時間フィルタの特性を説明する図である。
符号の説明
1,100 画像処理装置
10 符号化・復号化器
11 減算器
12 画像評価用フィルタ
13,14 遅延手段
15 符号化器
30,33,41,45 切替器
31−1〜3,37,40−1〜3,43,48 空間フィルタ
32,36,47 加算器
34−1〜3,42,44−1〜3 時間フィルタ
35−1〜3,46−1,46−2 演算器
38,49 変換手段
101 動画像符号化手段
102 ピクチャ群量子化幅設定手段
103 平均ビットレート調整手段
104 ピクチャ群複雑度計算手段
105 平均複雑度計算手段
106 ピクチャ群量子化幅計算手段

Claims (3)

  1. 原画像に符号化処理を施し、符号化ビットストリームを出力する画像処理装置において、
    原画像と、該原画像に符号化処理及び復号化処理を施した画像との間の差分を生成する減算器、
    該減算器により生成された差分に対し、評価値を画素毎に生成する画像評価用フィルタ、
    及び、該画像評価用フィルタにより生成された評価値に基づいて、符号化のためのビット割り当てを行う符号化器を備え
    前記画像評価用フィルタが、複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタを有し、該複数の空間フィルタのうちの少なくとも二つの空間フィルタ及び該複数の時間フィルタのうちの少なくとも二つの時間フィルタは、それぞれ低周波数の信号を通過させるローパスフィルタ及び中域または高周波数の信号を通過させるバイパスフィルタであり、画素の輝度に応じて複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタのうちの一つの空間フィルタ及び一つの時間フィルタに切り替えて特定することを特徴とする画像処理装置。
  2. 請求項1に記載の画像処理装置において、
    前記画像評価用フィルタが、複数の空間フィルタ及び複数の時間フィルタを直列に接続し、さらに、画素の輝度に応じて複数の空間フィルタのうちの一つの空間フィルタに切り替える第1の切替器、画素の輝度に応じて複数の時間フィルタのうちの一つの時間フィルタに切り替える第2の切替器、及び、前記第1の切替器により切り替えて特定された一つの空間フィルタ及び前記第2の切替器により切り替えて特定された一つの時間フィルタによりフィルタ処理が施された画素値に対し、2乗または絶対値の演算を施す演算器を有し、前記2乗または絶対値の演算結果を前記評価値として生成することを特徴とする画像処理装置。
  3. 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
    前記符号化器が、前記評価値が大きい場合に多くのビットを割り当て、前記評価値が小さい場合に少ないビットを割り当てることを特徴とする画像処理装置。
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