JP6101009B2 - 階調削減符号化装置、階調復元復号装置及びそれらのプログラム - Google Patents
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Description
かかる構成によれば、階調削減符号化装置は、最適フィルタ情報をサイド情報として、階調復元復号装置に出力することができる。
かかる構成によれば、階調削減符号化装置は、原画像で出現頻度が高い階調値付近に階調数を多く割り当てて、出現頻度が低い階調値付近に割り当てられる階調数を少なくすることができる。
かかる構成によれば、階調復元復号装置は、最適フィルタ情報をサイド情報として利用することができる。
本願第1,4発明によれば、原画像の雑音成分と、雑音以外の信号成分とを区別して階調を削減する。従って、本願第1,4発明によれば、雑音成分のデータ量を少なくすると共に、信号成分の階調数を高くできるため、圧縮効率を改善し、擬似輪郭の発生を抑制することができる。
本願第3発明によれば、原画像で出現頻度が高い階調値付近に階調数を多く割り当てて、出現頻度が低い階調値付近に割り当てられる階調数を少なくし、階調値をより正確に復元することができる。
[階調削減符号化装置の構成]
図1を参照し、本発明の第1実施形態に係る階調削減符号化装置1の構成について、説明する。
図1に示すように、階調復元システム1000は、階調の削減及び復元を行うものであり、階調削減符号化装置1と、階調復元復号装置2とを備える。
階調削減符号化装置1は、原画像の階調を削減するものであり、階調削減手段10と、符号化手段11と、復号手段12と、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13とを備える。
図2,図3を参照し、階調削減手段10について、説明する(適宜図1参照)。
図2に示すように、階調削減手段10は、階調削減画像を生成するものである。このため、階調削減手段10は、雑音レベル検出手段100と、画像分離手段101と、低階調雑音画像生成手段102と、グラデーション領域検出手段103と、低階調信号画像生成手段104と、画像合成手段105とを備える。
この階調削減手段10は、外部から原画像が入力される。
また、階調削減手段10は、生成した階調削減画像を符号化手段11に出力し、階調変換コードブックを階調復元・最適フィルタ情報生成手段13に出力する。
また、階調削減画像とは、原画像の階調を削減した画像である。
雑音レベル検出手段100は、原画像に時空間方向の周波数解析処理を行って、予め設定された第1閾値以上の周波数成分から孤立点成分を抽出する。そして、雑音レベル検出手段100は、抽出した孤立点成分のレベルを雑音レベルとして検出するものである。
なお、孤立点とは、全ての近傍8画素と階調値が異なる画素のことである。
なお、この階調削減処理は、雑音画像の分離元となる原画像が既に量子化されているため、再量子化とも呼ばれる。
ここで、低階調雑音画像再量子化手段102bが、階調削減処理としてロイド−マックス法を用いるため、このロイド−マックス法を詳細に説明する。
ロイド−マックス法において、原画像の階調数をΔビット削減する場合を考える。この場合、原画像をトレーニングセットとして、初期階調変換コードブック(低階調雑音画像再量子化初期値)を随時更新しながら、原画像における階調値の重みに応じた階調変換コードブック(雑音画像階調変換コードブック)と、この階調変換コードブックにより階調を削減した画像とを生成する。このロイド−マックス法を用いることで、原画像で出現頻度が高い階調値付近を細かく再量子化し、出現頻度が低い階調値付近を粗く再量子化することができる。
また、グラデーション領域とは、被写体の内部のように、各画素の階調値が滑らかに連続する領域のことである。
ここで、ロイド−マックス法では、グラデーション領域の階調頻度を大きくしたトレーニングセットを用いることで、グラデーション領域に多くの階調値が割り当てることができる。このため、低階調信号画像再量子化初期値決定手段104aは、出力する信号画像のグラデーション領域に含まれる画素の階調値をα倍することが好ましい。例えば、αは、1.1や2.2のように、1を超える値で設定できる。
なお、低階調信号画像再量子化手段104bは、低階調雑音画像再量子化手段102bと同様、階調削減処理としてロイド−マックス法を用いるため、詳細な説明を省略する。
図1に戻り、階調削減符号化装置1の構成について、説明する。
符号化手段11は、階調削減手段10から入力された階調削減画像を符号化することで、符号化画像を生成するものである。例えば、符号化手段11は、MPEG(Moving Picture Expert Group)−4 AVC(Advanced Video Coding)/H.264、HEVC(High Efficiency Video Coding)等の符号化手法を用いる。そして、符号化手段11は、生成した符号化画像を復号手段12と、階調復元復号装置2とに出力する。
復号手段12は、符号化手段11から入力された符号化画像を復号することで、復号画像を生成するものである。ここで、復号手段12は、符号化手段11の符号化手法に対応した復号手法を用いる。そして、復号手段12は、生成した復号画像を階調復元・最適フィルタ情報生成手段13に出力する。
図4〜図6を参照し、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13について、説明する(適宜図1参照)。
図4に示すように、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、復号画像を用いて、後記する階調復元復号装置2が階調を復元するときに必要な最適フィルタ情報を生成するものである。このため、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、周辺階調重み情報生成手段(階調重み情報生成手段)130と、階調値ヒストグラム算出手段131と、中間階調値復元手段(中間階調復元画像生成手段)132と、最適フィルタ情報生成手段133とを備える。
階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、外部から原画像と、後記するフィルタ情報群及びブロック分割情報とが入力される。また、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、階調削減手段10から階調変換コードブックが入力され、復号手段12から復号画像が入力される。
また、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、生成した最適フィルタ情報と、階調変換コードブックとを階調復元復号装置2に出力する。
次に、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13が備える各手段の処理について、説明する。
周辺階調重み情報生成手段130は、フィルタ情報群に設定されたフィルタ情報(フィルタ係数)毎に、エッジ保存型フィルタを復号画像に適用することで、復号画像の各画素の階調値が重み付けられた周辺階調重み情報(階調重み情報)を生成するものである。
また、m,nは、例えば、ガウシアンフィルタの領域サイズSが3の場合、−3から3までの値をとる。
以後、周辺階調重み情報は、各画素の階調値を重み付けた値であるため、重み付き階調値と呼ぶことがある。
階調値ヒストグラム算出手段131は、原画像から、原画像の階調値毎の画素数を示す階調値ヒストグラムを算出するものである。本実施形態では、階調値ヒストグラム算出手段131は、図5に示すように、階調値=0〜1023の画素数を示す階調値ヒストグラム91を算出する。そして、階調値ヒストグラム算出手段131は、生成した階調値ヒストグラム91を中間階調値復元手段132に出力する。
なお、図5の階調値ヒストグラム91では、一部階調値のみを図示した。
図6に示すように、中間階調値復元手段132は、フィルタ情報毎に、周辺階調重み情報生成手段130から入力された復号画像92で同一階調値の画素について、周辺階調重み情報93による並び順を算出する。そして、中間階調値復元手段132は、階調値ヒストグラムを参照して、同一階調値の画素数と、同一階調値に対応する伸長階調値及び中間階調値の画素数の割合とに基づいて、算出した並び順で同一階調値の画素に伸長階調値又は中間階調値を割り当てた中間階調復元画像94を生成するものである。
また、100個存在する指定階調値=32の画素のうち、4個の画素a,b,c,dに着目して説明する。
このブロック分割情報は、中間階調復元画像及び原画像を分割するブロックのサイズを表す情報であり、手動で設定される。
図1に戻り、本発明の第1実施形態に係る階調復元復号装置2の構成について、説明する。
階調復元復号装置2は、符号化画像及び最適フィルタ情報を用いて、削減された階調を復元するものであり、復号手段20と、階調復元手段21とを備える。
復号手段20は、階調削減符号化装置1から入力された符号化画像を復号することで、復号画像を生成するものである。ここで、復号手段20は、復号手段12と同様の復号手法を用いる。そして、復号手段20は、生成した復号画像を階調復元手段21に出力する。
図7を参照し、階調復元手段21について、説明する(適宜図1参照)。
階調復元手段21は、最適フィルタ情報を用いて、復号画像の階調を復元するものである。このため、階調復元手段21は、周辺階調重み情報生成手段(階調重み情報生成手段)210と、階調値ヒストグラム設定手段211と、中間階調値復元手段(中間階調復元画像生成手段)212とを備える。
階調復元手段21は、階調削減符号化装置1から階調変換コードブックと、最適フィルタ情報とが入力される。また、階調復元手段21は、復号手段20から復号画像が入力される。
また、階調復元手段21は、生成した中間階調復元画像を外部に出力する。
周辺階調重み情報生成手段210は、最適フィルタ情報をフィルタ情報の初期値として設定し、この最適フィルタ情報によるエッジ保存型フィルタを復号画像に適用することで、復号画像の各画素の階調値が重み付けられた周辺階調重み情報を生成するものである。
つまり、周辺階調重み情報生成手段210は、フィルタ情報群の代わりに最適フィルタ情報を用いて、周辺階調重み情報を1つ生成する。他の点、周辺階調重み情報生成手段210は、周辺階調重み情報生成手段130と同様のため、詳細な説明を省略する。
この第1例は、階調値ヒストグラム算出手段131(図4)で生成された階調値ヒストグラムをそのまま設定する手法である。つまり、階調値ヒストグラム設定手段211は、階調値ヒストグラム算出手段131から階調値ヒストグラムが入力され、入力された階調値ヒストグラムをそのまま設定する。この第1例によれば、階調値ヒストグラム設定手段211は、階調値ヒストグラムを生成する必要がないため、演算処理の高速化を図ることができる。
なお、第1例を用いる場合、階調値ヒストグラム設定手段211に復号画像を入力する必要がない。
この第2例は、推定により階調値ヒストグラム91を設定する手法である
階調値ヒストグラム設定手段211は、原画像と復号画像との階調数の比(例えば、1024/256=4)が、復元倍率として予め設定されている。
なお、階調値ヒストグラム設定手段211は、全ての階調値で画素数を推定することは言うまでもない。
この第3例は、コピーにより階調値ヒストグラム91を設定する手法である
階調値ヒストグラム設定手段211は、第2例と同様、復号画像ヒストグラム95(図8)を算出し、伸長階調値を算出する。つまり、図8の符号α0,α1,α2,α3における階調値を4倍したものが、図10の符号α0,α1,α2,α3となる。
なお、階調値ヒストグラム設定手段211は、階調値ヒストグラム91に負の階調値が存在しないため、伸長階調値=0の画素数を中間階調値=1,2の画素数としてコピーする。
中間階調値復元手段212は、復号画像で同一階調値の画素について、周辺階調重み情報による並び順を算出する。そして、中間階調値復元手段212は、階調値ヒストグラムを参照して、同一階調値の画素数と、同一階調値に対応する伸長階調値及び中間階調値の画素数の割合とに基づいて、算出した並び順で同一階調値の画素に伸長階調値又は中間階調値を割り当てた中間階調復元画像を生成するものである。
なお、中間階調値復元手段212は、中間階調復元画像を1つ生成する以外、中間階調値復元手段132と同様のため、詳細な説明を省略する。
図11を参照し、図1の階調削減符号化装置1の動作について、説明する(適宜図1参照)。
階調削減符号化装置1は、階調削減手段10によって、階調削減画像を生成する(ステップS10:階調削減画像生成処理)。
階調削減符号化装置1は、符号化手段11によって、階調削減画像を符号化することで、符号化画像を生成する(ステップS11)。
階調削減符号化装置1は、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13によって、復号画像を用いて、最適フィルタ情報を生成する(ステップS13:階調復元・最適フィルタ情報生成処理)。
図12を参照し、図11の階調削減画像生成処理について、説明する。
階調削減手段10は、雑音レベル検出手段100によって、原画像に時空間方向の周波数解析処理を行って、第1閾値以上の周波数成分から孤立点成分を抽出し、抽出した孤立点成分のレベルを雑音レベルとして検出する(ステップS100)。
図13を参照し、図11の階調復元・最適フィルタ情報生成処理について、説明する。
階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、周辺階調重み情報生成手段130によって、フィルタ情報毎に、エッジ保存型フィルタを復号画像に適用することで、周辺階調重み情報を生成する(ステップS130)。
階調復元・最適フィルタ情報生成手段13は、階調値ヒストグラム算出手段131によって、階調値ヒストグラムを算出する(ステップS131)。
図11に戻り、図1の階調復元復号装置2の動作について、説明する(適宜図1参照)。
階調復元復号装置2は、復号手段20によって、ステップS11で生成された符号化画像を復号することで、復号画像を生成する(ステップS20)。
階調復元復号装置2は、階調復元手段21によって、ステップS13で生成された最適フィルタ情報を用いて、復号画像の階調を復元する(ステップS21)。
さらに、階調削減符号化装置1は、ロイド−マックス法により、原画像で出現頻度が高い階調値付近に階調数を多く割り当てて、出現頻度が低い階調値付近に割り当てられる階調数を少なくし、階調値をより正確に復元することができる。
[階調削減符号化装置の構成]
図14を参照し、本発明の第2実施形態に係る階調削減符号化装置1Aの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
階調削減符号化装置1Aは、最適フィルタ情報を生成しない点が第1実施形態と異なる。このため、階調削減符号化装置1Aは、階調削減手段10と、符号化手段11とを備える。
なお、階調削減符号化装置1Aの各手段は、図1と同様のため、詳細な説明を省略する。
階調復元復号装置2Aは、予め設定されたフィルタ情報の初期値(初期フィルタ情報)を用いて、削減された階調を復元するものである。このため、階調復元復号装置2Aは、復号手段20と、階調復元手段21Aとを備える。
また、階調復元手段21Aは、初期フィルタ情報を手動で設定する以外、図1の階調復元手段21と同様のため、詳細な説明を省略する。
図15を参照し、図14の階調削減符号化装置1Aの動作について、説明する(適宜図14参照)。
階調削減符号化装置1Aは、階調削減手段10によって、原画像の階調を削減した階調削減画像を生成する(ステップS10)。
階調削減符号化装置1Aは、符号化手段11によって、階調削減画像を符号化することで、符号化画像を生成する(ステップS11)。
図14の階調復元復号装置2Aの動作について、説明する(適宜図14参照)。
階調復元復号装置2Aは、復号手段20によって、ステップS11で生成された符号化画像を復号することで、復号画像を生成する(ステップS20)。
階調復元復号装置2Aは、階調復元手段21Aによって、初期フィルタ情報を用いて、復号画像の階調を復元する(ステップS21A)。
さらに、階調削減符号化装置1Aは、最適フィルタ情報を生成する必要がないため、演算処理の高速化を図ることができる。
各実施形態では、式(1)のガウシアンフィルタを用いることとして説明したが、本発明のエッジ保存型フィルタは、これに限定されない。
つまり、周辺階調重み情報生成手段130は、エッジ保存型フィルタとして、下記の式(2)で定義されたモノラテラル(monolateral)なガウシアンフィルタを用いることもできる。この式(2)は、式(1)から輝度距離D2に関する項を削除したものである。
式(2)のガウシアンフィルタを用いた場合でも、階調復元・最適フィルタ情報生成手段13の各手段は、第1実施形態と同様の処理により、中間階調復元画像94Aを生成する。しかし、生成した中間階調復元画像94Aは、式(1)及び式(2)のようにガウシアンフィルタが異なるため、中間階調復元画像94と異なる階調値を有することになる。そこで、図16を参照し、式(1)及び式(2)のガウシアンフィルタで生成した中間階調復元画像の相違について、説明する(適宜図1,図6参照)。
第2実施形態では、階調削減処理としてロイド−マックス法を用いることとして説明したが、階調削減処理は、これに限定されない。
第2実施形態において、階調削減手段10は、階調削減処理として、切り捨て処理を用いることもできる。
第2実施形態において、階調削減手段10は、階調削減処理として、四捨五入処理を用いることもできる。
10 階調削減手段
11 符号化手段
12 復号手段
13 階調復元・最適フィルタ情報生成手段
100 雑音レベル検出手段
101 画像分離手段
102 低階調雑音画像生成手段
102a 低階調雑音画像再量子化初期値決定手段
102b 低階調雑音画像再量子化手段
103 グラデーション領域検出手段
104 低階調信号画像生成手段
104a 低階調信号画像再量子化初期値決定手段
104b 低階調信号画像再量子化手段
105 画像合成手段
130 周辺階調重み情報生成手段(階調重み情報生成手段)
131 階調値ヒストグラム算出手段
132 中間階調値復元手段(中間階調復元画像生成手段)
133 最適フィルタ情報生成手段
2,2A 階調復元復号装置
20 復号手段
21,21A 階調復元手段
210 周辺階調重み情報生成手段(階調重み情報生成手段)
211 階調値ヒストグラム設定手段
212 中間階調値復元手段(中間階調復元画像生成手段)
1000,1000A 階調復元システム
Claims (7)
- 原画像の階調を削減する階調削減符号化装置であって、
前記原画像が入力され、入力された前記原画像に時空間方向の周波数解析処理を行って、予め設定された第1閾値以上の周波数成分から孤立点成分を抽出し、抽出した前記孤立点成分のレベルを雑音レベルとして検出する雑音レベル検出手段と、
前記原画像を、前記雑音レベル以下の画素で構成される雑音画像と、前記雑音レベルを超える画素で構成される信号画像とに分離する画像分離手段と、
前記雑音画像に階調削減処理を行って、前記雑音画像の階調を削減した低階調雑音画像を生成する低階調雑音画像生成手段と、
前記信号画像に空間方向の周波数解析処理を行って、前記信号画像の画素毎に全周波数帯域に対する予め設定された低周波数帯域の割合を算出し、算出した前記割合が予め設定された第2閾値以上となる画素領域をグラデーション領域として検出するグラデーション領域検出手段と、
前記信号画像のグラデーション領域の階調数が前記雑音画像の階調数よりも高くなるように前記信号画像のグラデーション領域に前記階調削減処理を行って、当該グラデーション領域の階調を削減した低階調信号画像を生成する低階調信号画像生成手段と、
前記低階調雑音画像と前記低階調信号画像との合成画像である階調削減画像を生成する画像合成手段と、
前記階調削減画像を符号化した符号化画像を生成する符号化手段と、
を備えることを特徴とする階調削減符号化装置。 - 前記符号化画像を復号した復号画像を生成する復号手段と、
フィルタ係数として異なる分散値が予め設定され、前記フィルタ係数毎に、エッジ保存型フィルタを前記復号画像に適用することで、前記復号画像の各画素の階調値が重み付けられた階調重み情報を生成する階調重み情報生成手段と、
前記原画像から、前記原画像の階調値毎の画素数を示す階調値ヒストグラムを算出する階調値ヒストグラム算出手段と、
前記フィルタ係数毎に、前記復号画像で同一階調値の画素について、前記階調重み情報による並び順を算出し、前記階調値ヒストグラムを参照して、前記同一階調値の画素数と、前記同一階調値に対応する伸長階調値及び前記伸長階調値の間にある中間階調値の画素数の割合とに基づいて、算出した前記並び順で前記同一階調値の画素に前記伸長階調値又は前記中間階調値を割り当てた中間階調復元画像を生成する中間階調復元画像生成手段と、
前記フィルタ係数毎の中間階調復元画像と、前記原画像とを所定サイズのブロックに分割し、前記ブロック毎に、前記原画像に最も類似する中間階調復元画像のフィルタ係数である最適フィルタ情報を生成する最適フィルタ情報生成手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の階調削減符号化装置。 - 前記低階調雑音画像生成手段及び前記低階調信号画像生成手段は、前記階調削減処理として、ロイド−マックス法を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の階調削減符号化装置。
- 原画像の階調を削減した階調削減画像が符号化された符号化画像を用いて、削減された前記階調を復元する階調復元復号装置であって、
請求項1に記載の階調削減符号化装置から前記符号化画像が入力され、入力された前記符号化画像を復号した復号画像を生成する復号手段と、
所定のフィルタ係数によるエッジ保存型フィルタを前記復号画像に適用することで、前記復号画像の各画素の階調値が重み付けられた階調重み情報を生成する階調重み情報生成手段と、
前記原画像の階調値毎の画素数を示す階調値ヒストグラムが予め設定される階調値ヒストグラム設定手段と、
前記復号画像で同一階調値の画素について、前記階調重み情報による並び順を算出し、前記階調値ヒストグラムを参照して、前記同一階調値の画素数と、前記同一階調値に対応する伸長階調値及び前記伸長階調値の間にある中間階調値の画素数の割合とに基づいて、算出した前記並び順で前記同一階調値の画素に前記伸長階調値又は前記中間階調値を割り当てた中間階調復元画像を生成する中間階調復元画像生成手段と、
を備えることを特徴とする階調復元復号装置。 - 前記階調重み情報生成手段は、請求項2に記載の階調削減符号化装置から最適フィルタ情報が入力され、入力された前記最適フィルタ情報が示すフィルタ係数を設定することを特徴とする請求項4に記載の階調復元復号装置。
- 原画像の階調を削減するために、コンピュータを、
前記原画像が入力され、入力された前記原画像に時空間方向の周波数解析処理を行って、予め設定された第1閾値以上の周波数成分から孤立点成分を抽出し、抽出した前記孤立点成分のレベルを雑音レベルとして検出する雑音レベル検出手段、
前記原画像を、前記雑音レベル以下の画素で構成される雑音画像と、前記雑音レベルを超える画素で構成される信号画像とに分離する画像分離手段、
前記雑音画像に階調削減処理を行って、前記雑音画像の階調を削減した低階調雑音画像を生成する低階調雑音画像生成手段、
前記信号画像に空間方向の周波数解析処理を行って、前記信号画像の画素毎に全周波数帯域に対する予め設定された低周波数帯域の割合を算出し、算出した前記割合が予め設定された第2閾値以上となる画素領域をグラデーション領域として検出するグラデーション領域検出手段、
前記信号画像のグラデーション領域の階調数が前記雑音画像の階調数よりも高くなるように前記信号画像のグラデーション領域に前記階調削減処理を行って、当該グラデーション領域の階調を削減した低階調信号画像を生成する低階調信号画像生成手段、
前記低階調雑音画像と前記低階調信号画像との合成画像である階調削減画像を生成する画像合成手段、
前記階調削減画像を符号化した符号化画像を生成する符号化手段、
として機能させるための階調削減符号化プログラム。 - 原画像の階調を削減した階調削減画像が符号化された符号化画像を用いて、削減された前記階調を復元するために、コンピュータを、
請求項1に記載の階調削減符号化装置から前記符号化画像が入力され、入力された前記符号化画像を復号した復号画像を生成する復号手段、
所定のフィルタ係数によるエッジ保存型フィルタを前記復号画像に適用することで、前記復号画像の各画素の階調値が重み付けられた階調重み情報を生成する階調重み情報生成手段、
前記原画像の階調値毎の画素数を示す階調値ヒストグラムが予め設定される階調値ヒストグラム設定手段、
前記復号画像で同一階調値の画素について、前記階調重み情報による並び順を算出し、前記階調値ヒストグラムを参照して、前記同一階調値の画素数と、前記同一階調値に対応する伸長階調値及び前記伸長階調値の間にある中間階調値の画素数の割合とに基づいて、算出した前記並び順で前記同一階調値の画素に前記伸長階調値又は前記中間階調値を割り当てた中間階調復元画像を生成する中間階調復元画像生成手段、
として機能させるための階調復元復号プログラム。
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