JP5551837B2 - 画像復号装置、画像符号化装置、画像復号方法及び画像符号化方法 - Google Patents
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Description
ただし、圧縮率が高くなると、動き補償予測を実施する際に用いる予測参照画像の品質が低下することに起因して、圧縮効率が妨げられる問題がある。
そのため、MPEG−4 AVC/H.264の符号化方式(非特許文献1を参照)では、ループ内ブロッキングフィルタの処理を実施することで、直交変換係数の量子化に伴って発生する予測参照画像のブロック歪みを除去するようにしている。
そして、その動きベクトルを用いて、メモリ107により格納されている参照画像信号に対する動き補償予測を実施することで動き補償予測画像を生成し、その動き補償予測画像を示す予測信号と分割画像信号の差分を求めることで予測誤差信号を算出する。
また、予測部102は、予測信号を得る際に決定した予測信号生成用パラメータを可変長符号化部108に出力する。
なお、予測信号生成用パラメータには、例えば、フレーム内での空間予測をどのように行うかを示すイントラ予測モードや、フレーム間の動き量を示す動きベクトル等の情報が含まれる。
局所復号部104は、圧縮部103から圧縮データを受けると、その圧縮データを逆量子化して、逆DCT処理を実施することで、予測部102から出力された予測誤差信号に相当する予測誤差信号を算出する。
ループフィルタ106は、加算器105により生成された局所復号画像を示す局所復号画像信号に重畳されているブロック歪みを除去し、歪み除去後の局所復号画像信号を参照画像信号としてメモリ107に格納する。
なお、可変長符号化部108は、ビットストリームを出力する際、予測部102から出力された予測信号生成用パラメータをビットストリームに多重化して出力する。
これによって、参照画像信号の品質が改善され、以降の符号化における動き補償予測の効率を高めることができる。
この問題を解決するために、以下の特許文献1では、ループフィルタ106としてウィーナフィルタ(Wiener Filter)を適用し、原画像信号である符号化対象の画像信号と、これに対応する参照画像信号との二乗誤差歪みが最小化するように、ループフィルタ106を構成する技術を提案している。
図22において、信号sは、図21のブロック分割部101に入力される符号化対象の画像信号に相当する信号であり、信号s’は、図21の加算器105から出力される局所復号画像信号、または、非特許文献1におけるループフィルタ106によるブロック境界に発生する歪みが低減された局所復号画像信号に相当する信号である。
つまり、信号s’は、信号sに符号化歪み(雑音)eが重畳された信号である。
なお、特許文献1では、動き情報や画像の局所的な信号特性に応じてフレームを領域分類(クラス分類)し、クラス毎に最適なウィーナフィルタを設計することで画像の局所性に応じた高精度な歪み補償を実現している。
また、この発明に係る画像符号化装置は、ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックを決定する符号化パラメータ決定手段と、ピクチャを最大サイズの符号化ブロックに分割するとともに、符号化ブロックを階層的に分割するブロック分割手段と、符号化ブロックに対する予測処理を実施して予測画像を生成する予測手段と、符号化ブロックの入力画像と予測画像との差分画像を生成する差分画像生成手段と、差分画像を圧縮し、差分画像の圧縮データを出力する画像圧縮手段と、圧縮データを復号し、復号後の差分画像と予測画像とを加算して、局所復号画像を生成する局所復号画像生成手段と、局所復号画像に対してフィルタ処理を実施するフィルタリング手段と、圧縮データと、ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックのサイズの情報と、ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報とを可変長符号化するとともに、ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックに設けられたフラグであって、符号化対象の最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータが上または左に隣接する最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータと同じであるか否かを示すフラグを可変長符号化する可変長符号化手段とを備えるものである。
図1はこの発明の実施の形態1による動画像符号化装置を示す構成図である。
図1において、ブロック分割部1は入力画像として映像信号を入力すると、その入力画像を符号化制御部2により決定された最大サイズの符号化ブロックである最大符号化ブロックに分割するとともに、符号化制御部2により決定された上限の階層数に至るまで、その最大符号化ブロックを階層的に各符号化ブロックへ分割する処理を実施する。
即ち、ブロック分割部1は入力画像を符号化制御部2により決定された分割に応じて各符号化ブロックに分割して、その符号化ブロックを出力する処理を実施する。また、各符号化ブロックは予測処理単位となる1つないし複数の予測ブロックに分割される。
なお、ブロック分割部1はブロック分割手段を構成している。
また、符号化制御部2は選択可能な1以上の符号化モード(予測処理単位を示す予測ブロックのサイズなどが異なる1以上のイントラ符号化モード、予測ブロックのサイズなどが異なる1以上のインター符号化モード)の中から、ブロック分割部1から出力される符号化ブロックに適用する符号化モードを選択する処理を実施する。
選択手法の一例として、選択可能な1以上の符号化モードの中から、ブロック分割部1から出力される符号化ブロックに対する符号化効率が最も高い符号化モードを選択する手法がある。
さらに、符号化制御部2は変換・量子化部7及び逆量子化・逆変換部8に与える予測差分符号化パラメータを決定する処理を実施する。予測差分符号化パラメータには、符号化ブロックにおける直交変換処理単位となる直交変換ブロックの分割情報を示す直交変換ブロック分割情報や、変換係数の量子化を行う際の量子化ステップサイズを規定する量子化パラメータなどが含まれる。
なお、符号化制御部2は符号化制御手段を構成している。
なお、イントラ予測部4及びイントラ予測用メモリ10からイントラ予測手段が構成されている。
なお、動き補償予測部5及び動き補償予測フレームメモリ12から動き補償予測手段が構成されている。
変換・量子化部7は符号化制御部2により決定された予測差分符号化パラメータに含まれる直交変換ブロック分割情報を参照して、減算部6から出力された予測差分信号に対する直交変換処理(例えば、DCT(離散コサイン変換)やDST(離散サイン変換)、予め特定の学習系列に対して基底設計がなされているKL変換等の直交変換処理)を直交変換ブロック単位に実施して変換係数を算出するとともに、その予測差分符号化パラメータに含まれる量子化パラメータを参照して、その直交変換ブロック単位の変換係数を量子化し、量子化後の変換係数である圧縮データを逆量子化・逆変換部8及び可変長符号化部13に出力する処理を実施する。
なお、変換・量子化部7は画像圧縮手段を構成している。
加算部9は逆量子化・逆変換部8により算出された局所復号予測差分信号と、イントラ予測部4により生成されたイントラ予測画像、または、動き補償予測部5により生成されたインター予測画像とを加算して、ブロック分割部1から出力された符号化ブロックに相当する局所復号画像を算出する処理を実施する。
なお、逆量子化・逆変換部8及び加算部9から局所復号画像生成手段が構成されている。
イントラ予測用メモリ10は加算部9により算出された局所復号画像を格納する記録媒体である。
具体的には、直交変換ブロックの境界や予測ブロックの境界に発生する歪みを低減するフィルタ(デブロッキングフィルタ)処理、画素単位に適応的にオフセットを加算する(画素適応オフセット)処理、ウィーナフィルタ等の線形フィルタを適応的に切り替えてフィルタ処理する適応フィルタ処理などを行う。
ただし、ループフィルタ部11は、上記のデブロッキングフィルタ処理、画素適応オフセット処理、適応フィルタ処理の中の1つの処理を行うように構成してもよいし、図10に示すように、2つ以上のフィルタ処理を行うように構成してもよい。
一般に、使用するフィルタ処理の種類が多いほど、画像品質は向上するが、一方で処理負荷は高くなる。即ち、画像品質と処理負荷はトレードオフの関係にあるため、動画像符号化装置が許容する処理負荷にしたがって構成を決めればよい。
なお、ループフィルタ部11はフィルタリング手段を構成している。
次に、選択したクラス分類手法によってブロック内の各画素をクラス分類し、クラス毎に符号化対象画像と局所復号画像との間の輝度値の二乗誤差和が最小となるオフセット値を算出する。
最後に、局所復号画像の輝度値に対して、そのオフセット値を加算する処理を行うことで局所復号画像の画像品質を改善する。
したがって、画素適応オフセット処理は、最大符号化ブロック単位のクラス分類手法を示すインデックス、最大符号化ブロック単位の各クラスのオフセット値をフィルタパラメータの一部として可変長符号化部13に出力する。
そして、上記のクラス(グループ)の数(フィルタ数)、各クラス(グループ)に属する局所復号画像のフィルタ、最大符号化ブロック単位のクラス(グループ)の識別情報であるクラス番号(フィルタ番号)をフィルタパラメータの一部として可変長符号化部13に出力する。
なお、画素適応オフセット処理及び適応フィルタ処理を行う場合には、映像信号をループフィルタ部11で参照する必要があるため、映像信号がループフィルタ部11に入力されるように図1の動画像符号化装置を変更する必要がある。
可変長符号化部13は変換・量子化部7から出力された圧縮データと、符号化制御部2の出力信号(最大符号化ブロック内のブロック分割情報、符号化モード、予測差分符号化パラメータ、イントラ予測パラメータ又はインター予測パラメータ)と、動き補償予測部5から出力された動きベクトル(符号化モードがインター符号化モードである場合)と、ループフィルタ部11から出力されたフィルタパラメータとを可変長符号化してビットストリームを生成する処理を実施する。なお、可変長符号化部13は可変長符号化手段を構成している。
図2はこの発明の実施の形態1による動画像符号化装置の処理内容(動画像符号化方法)を示すフローチャートである。
図3において、可変長復号部31は図1の動画像符号化装置により生成されたビットストリームを入力すると、そのビットストリームから、階層的に分割されている各々の符号化ブロックの分割状況を示すブロック分割情報を可変長復号する。
また、可変長復号部31はブロック分割情報を参照して、最大復号ブロック(図1の動画像符号化装置の「最大符号化ブロック」に相当するブロック)単位に、最大復号ブロックを階層的に分割して復号処理を行う単位である復号ブロック(図1の動画像符号化装置の「符号化ブロック」に相当するブロック)を特定し、各々の復号ブロックに係る圧縮データ、符号化モード、イントラ予測パラメータ(符号化モードがイントラ符号化モードである場合)、インター予測パラメータ(符号化モードがインター符号化モードである場合)、予測差分符号化パラメータ及び動きベクトル(符号化モードがインター符号化モードである場合)を可変長復号するとともに、最大復号ブロック毎のループフィルタ部38で用いるフィルタパラメータを可変長復号する処理を実施する。なお、可変長復号部31は可変長復号手段を構成している。
なお、イントラ予測部34及びイントラ予測用メモリ37からイントラ予測手段が構成されている。
なお、動き補償部35及び動き補償予測フレームメモリ39から動き補償予測手段が構成されている。
イントラ予測用メモリ37は加算部36により算出された復号画像を格納する記録媒体である。
具体的には、直交変換ブロックの境界や予測ブロックの境界に発生する歪みを低減するフィルタ(デブロッキングフィルタ)処理、画素単位に適応的にオフセットを加算する(画素適応オフセット)処理、ウィーナフィルタ等の線形フィルタを適応的に切り替えてフィルタ処理する適応フィルタ処理などを行う。
ただし、ループフィルタ部38は、上記のデブロッキングフィルタ処理、画素適応オフセット処理、適応フィルタ処理の中の1つの処理を行うように構成してもよいし、図12に示すように、2つ以上のフィルタ処理を行うように構成してもよいが、動画像符号化装置のループフィルタ部11で行われるフィルタ処理と同じフィルタ処理を行うように構成しなくてはならない。
なお、ループフィルタ部38はフィルタリング手段を構成している。
次に、可変長復号部31により可変長復号されたフィルタパラメータに含まれているクラス毎のオフセット値を当該クラスに属する画素の輝度値に加算する処理を行うことで復号画像の画像品質を改善する。
また、適応フィルタ処理は、可変長復号部31により可変長復号されたフィルタパラメータ(クラス(グループ)数(フィルタ数)、各クラス(グループ)に属する局所復号画像のフィルタ、最大復号ブロック単位のクラス(グループ)の識別情報であるクラス番号(フィルタ番号))を参照し、そのクラス番号が示すクラス(グループ)が“オフセット処理を行わない”ことを示すクラス(グループ)でない場合、そのクラス番号に対応するフィルタを用いて、そのクラス(グループ)に属する復号画像のフィルタ処理を行う。
動き補償予測フレームメモリ39はループフィルタ部38のフィルタ処理後の復号画像を格納する記録媒体である。
図4はこの発明の実施の形態1による動画像復号装置の処理内容(動画像復号方法)を示すフローチャートである。
この実施の形態1では、映像の各フレーム画像を入力画像として、符号化済みの近傍画素からのイントラ予測又は近接フレーム間での動き補償予測を実施して、得られた予測差分信号に対して直交変換・量子化による圧縮処理を施し、その後、可変長符号化を行ってビットストリームを生成する動画像符号化装置と、その動画像符号化装置から出力されるビットストリームを復号する動画像復号装置について説明する。
一般的に、映像信号は、空間・時間的に信号の複雑さが局所的に変化する特性を有している。空間的に見ると、ある映像フレーム上では、例えば、空や壁などのような比較的広い画像領域中で均一な信号特性を有する絵柄もあれば、人物や細かいテクスチャを含む絵画など、小さい画像領域内で複雑なテクスチャパターンを有する絵柄も混在することがある。
時間的に見ても、空や壁は局所的に時間方向の絵柄の変化は小さいが、動く人物や物体は、その輪郭が時間的に剛体・非剛体の運動をするため、時間的な変化が大きい。
一方、時間的・空間的に変化の大きい画像信号パターンに対して、同一の予測パラメータを大きな画像領域に適用すると、予測の誤りが増えてしまうため、予測差分信号の符号量が増加してしまう。
したがって、時間的・空間的に変化が大きい領域では、同一の予測パラメータを適用して予測処理を行うブロックサイズを小さくして、予測に用いるパラメータのデータ量を増やし、予測差分信号の電力・エントロピーを低減する方が望ましい。
ただし、各画素の階調は、8ビットでもよいし、10ビットや12ビットなどの階調でもよい。
また、映像信号の各フレームに対応する処理データ単位を「ピクチャ」と称する。
この実施の形態1では、「ピクチャ」は順次走査(プログレッシブスキャン)された映像フレーム信号として説明を行うが、映像信号がインタレース信号である場合、「ピクチャ」は映像フレームを構成する単位であるフィールド画像信号であってもよい。
まず、符号化制御部2は、符号化対象となるピクチャ(カレントピクチャ)の符号化に用いる最大符号化ブロックのサイズと、最大符号化ブロックを階層分割する階層数の上限を決定する(図2のステップST1)。
最大符号化ブロックのサイズの決め方としては、例えば、入力画像の映像信号の解像度に応じて、全てのピクチャに対して同一のサイズを定めてもよいし、入力画像の映像信号の局所的な動きの複雑さの違いをパラメータとして定量化して、動きの激しいピクチャには、小さいサイズを定める一方、動きが少ないピクチャには、大きいサイズを定めるようにしてもよい。
分割階層数の上限の決め方としては、例えば、入力画像の映像信号の解像度に応じて、全てのピクチャに対して同一の階層数を定める方法や、入力画像の映像信号の動きが激しい場合には、階層数を深くして、より細かい動きが検出できるように設定し、動きが少ない場合には、階層数を抑えるように設定する方法などがある。
即ち、符号化制御部2は、最大符号化ブロックサイズの画像領域毎に、先に定めた分割階層数の上限に至るまで、階層的に符号化ブロックサイズを有する符号化ブロックに分割して、各々の符号化ブロックに対する符号化モードを決定する。
符号化モードには、1つないし複数のイントラ符号化モード(総称して「INTRA」と称する)と、1つないし複数のインター符号化モード(総称して、「INTER」と称する)とがあり、符号化制御部2は、当該ピクチャで利用可能な全ての符号化モード、または、そのサブセットの中から、各々の符号化ブロックに対応する符号化モードを選択する。
符号化制御部2による符号化モードの選択方法は、公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、例えば、利用可能な任意の符号化モードを用いて、符号化ブロックに対する符号化処理を実施して符号化効率を検証し、利用可能な複数の符号化モードの中で、最も符号化効率がよい符号化モードを選択する方法などがある。
ただし、符号化ブロックがさらに予測処理を行う予測ブロック単位に分割される場合は、予測ブロック毎に予測パラメータ(イントラ予測パラメータ又はインター予測パラメータ)を選択することができる。
さらに、符号化モードがイントラ符号化モードである符号化ブロックにおいては、詳細は後述するが、イントラ予測処理を行う際に予測ブロックに隣接する符号化済みの画素を用いることから、予測ブロック単位に符号化を行う必要があるため、選択可能な変換ブロックサイズは予測ブロックのサイズ以下に制限される。
また、符号化制御部2は、イントラ予測パラメータを必要に応じてイントラ予測部4に出力する。
また、符号化制御部2は、インター予測パラメータを必要に応じて動き補償予測部5に出力する。
図5において、最大符号化ブロックは、「第0階層」と記されている輝度成分が(L0,M0)のサイズを有する符号化ブロックである。
最大符号化ブロックを出発点として、4分木構造で別途定める所定の深さまで、階層的に分割を行うことによって符号化ブロックを得るようにしている。
深さnにおいては、符号化ブロックはサイズ(Ln,Mn)の画像領域である。
ただし、LnとMnは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、図5では、Ln=Mnのケースを示している。
4分木分割を行うため、常に、(Ln+1,Mn+1)=(Ln/2,Mn/2)が成立する。
なお、RGB信号など、全ての色成分が同一サンプル数を有するカラー映像信号(4:4:4フォーマット)では、全ての色成分のサイズが(Ln,Mn)になるが、4:2:0フォーマットを扱う場合、対応する色差成分の符号化ブロックサイズは(Ln/2,Mn/2)になる。
複数の色成分からなるカラー映像信号の場合、符号化モードm(Bn)は、色成分毎に、それぞれ個別のモードを用いるように構成されてもよいし、全ての色成分に対し共通のモードを用いるように構成されてもよい。以降、特に断らない限り、YUV信号、4:2:0フォーマットの符号化ブロックの輝度成分に対する符号化モードを指すものとして説明を行う。
以降、符号化ブロックBnに属する予測ブロックをPi n(iは、第n階層における予測ブロック番号)と表記する。図5にはP0 0とP1 0の例を示している。
符号化ブロックBn内の予測ブロックの分割が、どのようになされているかは、符号化モードm(Bn)の中に情報として含まれる。
予測ブロックPi nは、全て符号化モードm(Bn)に従って予測処理が行われるが、予測ブロックPi n毎に、個別の予測パラメータ(イントラ予測パラメータ又はインター予測パラメータ)を選択することができる。
図6(a)の点線で囲まれた矩形が各符号化ブロックを表し、各符号化ブロック内にある斜線で塗られたブロックが各予測ブロックの分割状態を表している。
図6(b)は、図6(a)の例について、階層分割によって符号化モードm(Bn)が割り当てられる状況を4分木グラフで示したものである。図6(b)の□で囲まれているノードは、符号化モードm(Bn)が割り当てられたノード(符号化ブロック)である。
この4分木グラフの情報は符号化モードm(Bn)と共に符号化制御部2から可変長符号化部13に出力されて、ビットストリームに多重化される。
一方、符号化制御部2により決定された符号化モードm(Bn)がインター符号化モードである場合(m(Bn)∈INTERの場合)、ブロック分割部1から出力された符号化ブロックBnを動き補償予測部5に出力する。
なお、動画像復号装置がイントラ予測画像PINTRAi nと全く同じイントラ予測画像を生成する必要があるため、イントラ予測画像PINTRAi nの生成に用いられたイントラ予測パラメータは、符号化制御部2から可変長符号化部13に出力されて、ビットストリームに多重化される。
イントラ予測部4の処理内容の詳細は後述する。
なお、動画像復号装置がインター予測画像PINTERi nと全く同じインター予測画像を生成する必要があるため、インター予測画像PINTERi nの生成に用いられたインター予測パラメータは、符号化制御部2から可変長符号化部13に出力されて、ビットストリームに多重化される。
また、動き補償予測部5により探索された動きベクトルも可変長符号化部13に出力されて、ビットストリームに多重化される。
また、変換・量子化部7は、その予測差分符号化パラメータに含まれる量子化パラメータを参照して、その直交変換ブロック単位の換係数を量子化し、量子化後の変換係数である圧縮データを逆量子化・逆変換部8及び可変長符号化部13に出力する(ステップST7)。
また、逆量子化・逆変換部8は、直交変換ブロック単位に逆量子化後の圧縮データである変換係数に対する逆直交変換処理(例えば、逆DCT、逆DST、逆KL変換など)を実施して、減算部6から出力された予測差分信号ei nに相当する局所復号予測差分信号を算出して加算部9に出力する(ステップST8)。
なお、加算部9は、その局所復号画像をループフィルタ部11に出力するとともに、その局所復号画像をイントラ予測用メモリ10に格納する。
この局所復号画像が、以降のイントラ予測処理の際に用いられる符号化済みの画像信号になる。
ループフィルタ部11の処理内容の詳細は後述する。
可変長符号化部13によるフィルタパラメータの可変長符号化処理の詳細については後述する。
図7は符号化ブロックBn内の各予測ブロックPi nが選択可能なイントラ予測パラメータであるイントラ予測モードの一例を示す説明図である。ただし、NIはイントラ予測モード数を表している。
図7では、イントラ予測モードのインデックス値と、そのイントラ予測モードが示す予測方向ベクトルを示しており、図7の例では、選択可能なイントラ予測モードの個数が増えるに従って、予測方向ベクトル同士の相対角度が小さくなるように設計されている。
図8はli n=mi n=4の場合の予測ブロックPi n内の画素の予測値を生成する際に用いる画素の一例を示す説明図である。
図8では、予測ブロックPi nの上の符号化済みの(2×li n+1)個の画素と、左の符号化済みの(2×mi n)個の画素を予測に用いる画素としているが、予測に用いる画素は、図8に示す画素より多くても少なくてもよい。
また、図8では、予測ブロックPi nの近傍の1行又は1列分の画素を予測に用いているが、2行又は2列、あるいは、それ以上の画素を予測に用いてもよい。
予測ブロックPi nに対するイントラ予測モードのインデックス値が2(平均値(DC)予測)の場合には、予測ブロックPi nの上に隣接する符号化済み画素と予測ブロックPi nの左に隣接する符号化済み画素の平均値を予測ブロックPi n内の画素の予測値として予測画像を生成する。
イントラ予測モードのインデックス値が0(平面予測)と2(平均値予測)以外の場合には、インデックス値が示す予測方向ベクトルυp=(dx,dy)に基づいて、予測ブロックPi n内の画素の予測値を生成する。
図9に示すように、予測ブロックPi nの左上画素を原点として、予測ブロックPi n内の相対座標を(x,y)と設定すると、予測に用いる参照画素の位置は、下記のLと隣接画素の交点になる。
図8の例では、参照画素は整数画素位置にないので、参照画素に隣接する2画素から内挿したものを予測値とする。なお、隣接する2画素のみではなく、隣接する2画素以上の画素から補間画素を生成して予測値としてもよい。
補間処理に用いる画素を多くすることで補間画素の補間精度を向上させる効果がある一方、補間処理に要する演算の複雑度が増加することから、演算負荷が大きくても高い符号化性能を要求する動画像符号化装置の場合には、より多くの画素から補間画素を生成するようにした方がよい。
なお、イントラ予測画像PINTRAi nの生成に用いられたイントラ予測パラメータ(イントラ予測モード)は、ビットストリームに多重化するために可変長符号化部13に出力される。
ただし、色差信号で選択可能なイントラ予測パラメータ(イントラ予測モード)は輝度信号と異なっていてもよい。例えば、YUV信号4:2:0フォーマットの場合、色差信号(U、V信号)は、輝度信号(Y信号)に対して解像度を水平方向、垂直方向共に1/2に縮小した信号であり、輝度信号と比べて、画像信号の複雑性が低く、予測が容易であることから、選択可能なイントラ予測パラメータは輝度信号よりも少ない数としてイントラ予測パラメータを符号化するのに要する符号量の削減や、予測処理の低演算化を図ってもよい。
ループフィルタ部11は、加算部9により算出された局所復号画像に対して、所定のフィルタ処理を実施して、フィルタ処理後の局所復号画像を出力する処理を実施する。
具体的には、直交変換ブロックの境界や予測ブロックの境界に発生する歪みを低減するフィルタ(デブロッキングフィルタ)処理、画素単位に適応的にオフセットを加算する(画素適応オフセット)処理、ウィーナフィルタ等の線形フィルタを適応的に切り替えてフィルタ処理する適応フィルタ処理などを行う。
ただし、ループフィルタ部11は、上記のデブロッキングフィルタ処理、画素適応オフセット処理、適応フィルタ処理の中の1つの処理を行うように構成してもよいし、図10に示すように、2つ以上のフィルタ処理を行うように構成してもよい。
一般に、使用するフィルタ処理の種類が多いほど、画像品質は向上するが、一方で処理負荷は高くなる。即ち、画像品質と処理負荷はトレードオフの関係にあるため、動画像符号化装置が許容する処理負荷にしたがって構成を決めればよい。
そして、各クラスのオフセット値を当該クラスに属する画素(局所復号画像の画素)の輝度値に加算する処理を行うことで局所復号画像の画像品質を改善する。
また、ピクチャ全体で画素適応オフセット処理を行わない場合と、上記で決定した画素適応オフセット処理を行う場合を比較して、どちらが良いか選択する。
したがって、画素適応オフセット処理は、ピクチャレベルの画素適応オフセット処理の有無情報と、この有無情報が“有り”を示す場合は、最大符号化ブロック単位のクラス分類手法を示すインデックス、最大符号化ブロック単位の各クラスのオフセット値をフィルタパラメータの一部として可変長符号化部13に出力する。
図13は適応フィルタ処理の一例を示すフローチャートである。
図13の例では、最大符号化ブロック単位の適応フィルタ処理を実施するために、ステップST102〜ST106のフィルタ選択及びフィルタ処理を各最大符号化ブロックに対して実行する(ステップST101)。
まず、現在の処理対象の最大符号化ブロックに対して、フィルタ処理を実施しない場合のコストC0をフィルタ番号0の場合として算出する(ステップST102)。
コストの定義としては、下記に示す例がある。
コスト=D+λ・R (3)
ただし、Dはブロック内における符号化対象の画像信号と、フィルタ処理後の局所復号画像信号間の二乗誤差和、λは定数である。
また、Rは使用するフィルタを選択するためのフィルタ番号と、そのフィルタ番号に対応するフィルタの係数とを符号化する際に要する符号量である。
また、Dは二乗誤差和ではなく、より演算負荷の低い誤差の絶対値和であってもよい。
コストをどのような式で定義するかは、動画像符号化装置が許容する演算負荷に従って決めればよい。
なお、フィルタ処理を実施しない場合のコストC0の場合、Dは符号化対象の画像信号とフィルタ処理を行っていない局所復号画像信号間の二乗誤差和となり、フィルタに要する符号量Rは0となる。
ただし、x0はフィルタ処理対象画素、xl(l=0,1,2,・・・,L−1)はフィルタの参照画素(フィルタ処理対象画素を含む)、Lはフィルタの参照画素数である。
また、S(x)は画素xの輝度値、S’(x)は画素xにおけるフィルタ処理後の輝度値、am(m=0,1,2,・・・,L)はフィルタ係数を表している。
なお、aLはオフセット係数を示し、常にaL=0としてオフセット係数を無効としてもよい。このようにすることで、フィルタ性能は低下するものの、符号化すべきフィルタ係数が削減され、フィルタ係数の符号化に要する符号量を削減することができる。
ただし、numblは現在の処理対象の最大符号化ブロックで設計したフィルタ以外に使用できるフィルタの数を表している。
現在の処理対象の最大符号化ブロックで設計したフィルタ以外に使用できるフィルタの例としては、既にフィルタ処理を実施した最大符号化ブロックで使用したフィルタや、符号化処理を行う前に予め用意したフィルタなどが挙げられる。
その際、決定したフィルタ処理が、現在の処理対象の最大符号化ブロックで設計したフィルタ(コストCnew)であった場合、この設計したフィルタを次の処理対象の最大符号化ブロックで使用できるnumbl+1番目のフィルタ(フィルタ番号numbl+1)として設定し、使用できるフィルタ数numblを1加算する。
そして、次の処理対象の最大符号化ブロックのフィルタ選択及びフィルタ処理に移る(ステップST107)。なお、上記で設定しているフィルタ番号をクラス番号と定義し、そのフィルタの数をクラス数と称する。
したがって、適応フィルタ処理は、ピクチャレベルの適応フィルタ処理の有無情報と、この有無情報が“有り”を示す場合は、クラス数、“フィルタ処理なし”を含む最大符号化ブロック単位のクラス番号、各クラスのフィルタ係数をフィルタパラメータの一部として可変長符号化部13に出力する。
図14の例においても、各最大符号化ブロックでのフィルタ処理の選択手法が異なるだけで、図11に示すように、最大符号化ブロック単位の使用するフィルタを表すクラス番号と、各クラス番号に対応するフィルタを可変長符号化部13に出力するフィルタパラメータとする点は同じである。
即ち、図14の例では、予めピクチャ内で使用するフィルタを用意しておき(ステップST108)、各最大符号化ブロックに対して、フィルタ処理を行わない場合のコストC0(ステップST110)と、予め用意したフィルタを用いた場合のコストC1,C2,・・・,Cnumbl(ステップST111)とを算出して、コストが最小となる最適なフィルタ処理を選択する(ステップST112)。
そして、ステップST110〜ST112までの処理をピクチャ内の全ての最大符号化ブロックに対して実施することで(ステップST109,ST113)、各最大符号化ブロックでのフィルタ処理を決定する。
したがって、フィルタ処理の画質改善効果よりも処理負荷を重視する場合は、図14の例を用いればよい。
したがって、図15に示すように、最大符号化ブロックを分割した符号化ブロック単位にフィルタ処理を実施するか否かを選択するようにしてもよい。
このようにすることで、符号化対象画像と局所復号画像との間の輝度値の二乗誤差が増加してしまう画素数を減らすことができるため、高精度なフィルタ処理を実現することができる。本処理を行う場合には、符号化ブロック単位のフィルタ処理の有無情報もフィルタパラメータとして符号化する必要がある。
なお、本符号化ブロック単位のフィルタのオン・オフ処理は、画素適応オフセット処理に導入しても、適応フィルタ処理に導入した場合と同様の効果が得られる。
可変長符号化部13では、ループフィルタ部11から出力されたフィルタパラメータを可変長符号化する。
フィルタパラメータとしては、画素適応オフセット処理に必要なパラメータとして、ピクチャレベルの画素適応オフセット処理の有無情報と、その有無情報が“処理有り”の場合は、最大符号化ブロック単位のクラス分類手法を示すインデックスと、最大符号化ブロック単位の各クラスのオフセット値とがある。
また、適応フィルタ処理に必要なパラメータとして、ピクチャレベルの適応フィルタ処理の有無情報と、その有無情報が“処理有り”の場合は、クラス数、最大符号化ブロック単位の使用するフィルタを示すクラス番号と、各クラス番号に対応するフィルタ係数がある。
Move−To−Frontとは、クラス番号を符号化した後に、そのクラス番号を最も小さい符号化インデックス(インデックス0)に割り当てて、その他のクラス番号は対応する符号化インデックスを1加算する処理である。
このように最大符号化ブロック毎に符号化インデックスを更新することで、クラス番号に空間的相関が存在する場合は、符号化インデックスの生起確率が0近傍に偏り、この発生頻度確率に応じた可変長符号化を実施することで高い符号化効率で符号化することができる。
さらに、上記符号化インデックスの可変長符号化にゴロム符号を用いる場合、符号化インデックスの最大値は復号処理に不要である。すなわち、ゴロム符号を用いる場合、クラス数は必要ないため符号化しなくてよい。したがって、ゴロム符号を用いればクラス数の符号化に要する符号量を削減できる。また、アルファ符号(Unary符号)や、ガンマ符号、デルタ符号などを用いた場合でも同様に符号化インデックスの最大値は復号処理に不要であるため、クラス数の符号化は不要となる。
あるいは、最大符号化ブロック毎に符号化時に選択可能なフィルタインデックス数(図13のnumbl)で可変長符号化の確率モデルを毎回設計してエントロピー符号化を行ってもよい。このようにすることで、実際に選択可能なフィルタのみの発生確率に基づいて符号化できるため、より高効率な符号化が実施できる。なお、この場合もクラス数を符号化する必要はなく、符号量を抑えることができる。
他にも、図23に示すように、上のブロックと同じインデックスかどうかを示すフラグと、右に同じインデックスが何ブロック続くかを示すパラメータ(run−length)を符号化しするようにし、符号化対象ブロックが左のブロックと同じインデックスでなく、上のブロックとも同じインデックスでない場合、すなわち、符号化対象ブロックの左のブロックでrun−lengthが終了していて上のブロックと同じインデックスかどうかを示すフラグが“同じでない”を示す場合のみ、符号化対象のインデックスを符号化する手法も考えられる。
これらの手法もMove−To−Frontを用いる符号化手法と同様に、符号化対象ブロックの左のブロックとのインデックスに空間的相関が存在する場合は高い符号化効率を実現することができる。さらに、これらの手法はMove−To−Frontを用いる符号化手法とは異なり、符号化対象ブロックの上のブロックとのインデックスに空間的相関が存在する場合についても高い符号化効率を実現することができる。
ビットストリームでは、シーケンスレベルヘッダとピクチャレベルヘッダがピクチャデータの前に少なくとも一つは挿入されており、各ピクチャの復号に必要なパラメータが参照できるようになっている。
また、ピクチャデータは、少なくとも1つ以上のスライスに分かれて符号化されており、スライスは最大符号化ブロックを分割した符号化ブロック単位に構成することができる。
そして、ピクチャレベルヘッダと同様に、可変長符号化されたフィルタパラメータは、フィルタパラメータセットとして、ピクチャデータの前に少なくとも1つは挿入されている。
各スライスは、スライスヘッダにどのフィルタパラメータセットを参照するかを示すインデックスを持つことで、各スライスでループフィルタ部11の処理に必要なパラメータを参照することができるようになっている。
可変長復号部31は、図1の動画像符号化装置により生成されたビットストリームを入力すると、そのビットストリームに対する可変長復号処理を実施して(図4のステップST21)、1フレーム以上のピクチャから構成されるシーケンス単位、あるいは、ピクチャ単位にフレームサイズの情報を復号する。
その際、フィルタパラメータセットとして符号化されたループフィルタ部38で使用するフィルタパラメータを復号する。
フィルタパラメータとしては、画素適応オフセット処理に必要なパラメータとして、ピクチャレベルの画素適応オフセット処理の有無情報と、その有無情報が“処理有り”の場合は、最大復号ブロック単位のクラス分類手法を示すインデックスと、最大復号ブロック単位の各クラスのオフセット値とがある。
適応フィルタ処理に必要なパラメータとして、ピクチャレベルの適応フィルタ処理の有無情報と、その有無情報が“処理有り”の場合は、クラス数と、最大復号ブロック単位の使用するフィルタを表すクラス番号と、各クラス番号に対応するフィルタ係数とがある。
ただし、最大復号ブロック単位の使用するフィルタを表すクラス番号の符号化をゴロム符号やアルファ符号(Unary符号)、ガンマ符号、デルタ符号などを用いて行っていたり、各最大復号ブロックで選択できるクラス数のみで確率モデルを設計してエントロピー符号化を行っていたりする場合はクラス数が不明でも復号できるため、動画像符号化装置にてクラス数を符号化する必要はなく、このように動画像符号化装置がクラス数を符号化していない場合は動画像復号装置においてもクラス数の復号は行わない。
例えば、最大符号化ブロックサイズや分割階層数の上限が映像信号の解像度に応じて決められた場合には、復号したフレームサイズ情報に基づいて、動画像符号化装置と同様の手順で最大符号化ブロックサイズを決定する。
最大符号化ブロックサイズ及び分割階層数の上限が、動画像符号化装置側でビットストリームに多重化されている場合には、ビットストリームから復号した値を用いる。
以降、動画像復号装置では、上記最大符号化ブロックサイズを最大復号ブロックサイズと称し、最大符号化ブロックを最大復号ブロックと称する。
可変長復号部31は、決定された最大復号ブロック単位に、図6で示されるような最大復号ブロックの分割状態を復号する。復号された分割状態に基づき、階層的に復号ブロック(図1の動画像符号化装置の「符号化ブロック」に相当するブロック)を特定する(ステップST23)。
可変長復号部31は、その符号化モードに含まれる情報に基づき、復号ブロックをさらに1つないし複数の予測処理単位である予測ブロックに分割し、予測ブロック単位に割り当てられている予測パラメータを復号する(ステップST24)。
一方、復号ブロックに割り当てられている符号化モードがインター符号化モードである場合、復号ブロックに含まれており、予測処理単位となる1つ以上の予測ブロック毎にインター予測パラメータ及び動きベクトルを復号する(ステップST24)。
また、可変長復号部31は、予測差分符号化パラメータに含まれる直交変換ブロック分割情報に基づき、直交変換ブロック毎に圧縮データ(変換・量子化後の変換係数)を復号する(ステップST24)。
一方、可変長復号部31により可変長復号された符号化モードm(Bn)がインター符号化モードであれば(m(Bn)∈INTERの場合)、可変長復号部31により可変長復号された予測ブロック単位のインター予測パラメータ及び動きベクトルを動き補償部35に出力する。
また、逆量子化・逆変換部32は、直交変換ブロック単位に逆量子化後の圧縮データである変換係数に対する逆直交変換処理を実施して、図1の逆量子化・逆変換部8から出力された局所復号予測差分信号と同一の復号予測差分信号を算出する(ステップST28)。
この復号画像が、以降のイントラ予測処理の際に用いられる復号済みの画像信号になる。
具体的には、直交変換ブロックの境界や予測ブロックの境界に発生する歪みを低減するフィルタ(デブロッキングフィルタ)処理、画素単位に適応的にオフセットを加算する(画素適応オフセット)処理、ウィーナフィルタ等の線形フィルタを適応的に切り替えてフィルタ処理する適応フィルタ処理などを行う。
ただし、ループフィルタ部38は、上記のデブロッキングフィルタ処理、画素適応オフセット処理、適応フィルタ処理の中の1つの処理を行うように構成してもよいし、図12に示すように、2つ以上のフィルタ処理を行うように構成してもよいが、動画像符号化装置のループフィルタ部11で行われるフィルタ処理と同じフィルタ処理を行うように構成しなくてはならない。
そして、可変長復号部31により可変長復号されたフィルタパラメータに含まれるクラス毎のオフセット値を当該クラスに属する画素(復号画像の画素)の輝度値に加算する処理を行う。
図19の例では、最大復号ブロック単位の適応フィルタ処理を実施するために、ステップST222〜ST224のフィルタ処理を各最大復号ブロックに対して実行する(ステップST221)。
ステップST222〜ST224のフィルタ処理について説明する。
フィルタ処理を行う場合は、上記のクラス番号に対応するフィルタを用いて、ブロック内の画素に対するフィルタ処理を実施する(ステップST223)。そして次の最大復号ブロックに移る(ST224)。
以上の処理を全ての最大復号ブロックに対して実施し、処理後の復号画像を動き補償予測フレームメモリ39に格納する。
このループフィルタ部38によるフィルタ処理後の復号画像が、動き補償予測用の参照画像となり、また、再生画像となる。
Claims (4)
- ビットストリームに多重化された符号化データからピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックのサイズの情報と、上記最大サイズの符号化ブロックから階層的に分割されている各々の符号化ブロックに係る圧縮データを可変長復号するとともに、上記符号化データから上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報と、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータを可変長復号する可変長復号手段と、
上記符号化ブロックに対する予測処理を実施して予測画像を生成する予測手段と、
上記圧縮データから差分画像を生成する差分画像生成手段と、
上記差分画像と上記予測画像とを加算して復号画像を生成する復号画像生成手段と、
上記復号画像に対して上記フィルタパラメータを利用したフィルタ処理を実施し、フィルタ処理後の復号画像を出力するフィルタリング手段とを備え、
上記可変長復号手段は、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記ピクチャに対する上記最大サイズの符号化ブロックに設けられたフラグであって、復号対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータが上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータと同じであるか否かを示す上記フラグを可変長復号し、上記フラグが同じであることを示す場合、上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータを復号対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータに設定することを特徴とする画像復号装置。 - ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックを決定する符号化パラメータ決定手段と、
上記ピクチャを上記最大サイズの符号化ブロックに分割するとともに、上記符号化ブロックを階層的に分割するブロック分割手段と、
上記符号化ブロックに対する予測処理を実施して予測画像を生成する予測手段と、
上記符号化ブロックの入力画像と上記予測画像との差分画像を生成する差分画像生成手段と、
上記差分画像を圧縮し、上記差分画像の圧縮データを出力する画像圧縮手段と、
上記圧縮データを復号し、復号後の差分画像と上記予測画像とを加算して、局所復号画像を生成する局所復号画像生成手段と、
上記局所復号画像に対してフィルタ処理を実施するフィルタリング手段と、
上記圧縮データと、上記ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックのサイズの情報と、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報とを可変長符号化するとともに、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記ピクチャに対する上記最大サイズの符号化ブロックに設けられたフラグであって、符号化対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータが上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータと同じであるか否かを示すフラグを可変長符号化する可変長符号化手段とを備えることを特徴とする画像符号化装置。 - ビットストリームに多重化された符号化データからピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックのサイズの情報と、上記最大サイズの符号化ブロックから階層的に分割されている各々の符号化ブロックに係る圧縮データを可変長復号するとともに、上記符号化データから上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報と、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータを可変長復号する可変長復号処理ステップと、
上記符号化ブロックに対する予測処理を実施して予測画像を生成する予測処理ステップと、
上記圧縮データから差分画像を生成する差分画像生成処理ステップと、
上記差分画像と上記予測画像とを加算して復号画像を生成する復号画像生成処理ステップと、
上記復号画像に対してフィルタ処理を実施し、フィルタ処理後の復号画像を出力するフィルタリング処理ステップとを備え、
上記可変長復号処理ステップでは、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記ピクチャに対する上記最大サイズの符号化ブロック毎に設けられたフラグであって、復号対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータが上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータと同じであるか否かを示す上記フラグを可変長復号し、上記フラグが同じであることを示す場合上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータを復号対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータに設定することを特徴とする画像復号方法。 - ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックを決定する符号化パラメータ決定処理ステップと、
上記ピクチャを上記最大サイズの符号化ブロックに分割するとともに、上記符号化ブロックを階層的に分割するブロック分割処理ステップと、
上記符号化ブロックに対する予測処理を実施して予測画像を生成する予測処理ステップと、
上記符号化ブロックの入力画像と上記予測画像との差分画像を生成する差分画像生成処理ステップと、
上記差分画像を圧縮し、上記差分画像の圧縮データを出力する画像圧縮処理ステップと、
上記圧縮データを復号し、復号後の差分画像と上記予測画像とを加算して、局所復号画像を生成する局所復号画像生成処理ステップと、
上記局所復号画像に対してフィルタ処理を実施するフィルタリング処理ステップと、
上記圧縮データと、上記ピクチャに対する最大サイズの符号化ブロックのサイズの情報と、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報とを可変長符号化するとともに、上記ピクチャに対するフィルタ処理の有無情報がフィルタ処理ありを示している場合、上記ピクチャに対する上記最大サイズの符号化ブロックに設けられたフラグであって、符号化対象の上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータが上または左に隣接する上記最大サイズの符号化ブロックのフィルタパラメータと同じであるか否かを示すフラグを可変長符号化する可変長符号化手段とを備えることを特徴とする画像符号化方法。
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