JPH0898185A - 画像符号化装置 - Google Patents

画像符号化装置

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JPH0898185A
JPH0898185A JP23510294A JP23510294A JPH0898185A JP H0898185 A JPH0898185 A JP H0898185A JP 23510294 A JP23510294 A JP 23510294A JP 23510294 A JP23510294 A JP 23510294A JP H0898185 A JPH0898185 A JP H0898185A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 入力画像データを複数フレーム蓄えるフレー
ムメモリ４０と、複数フレームの画像データから情報量
を評価し、シーンチェンジを検出するシーンチェンジ検
出回路３１と、シーンチェンジ検出出力の供給に基づい
てフレーム内符号化による圧縮方法を選択すると共にＧ
ＯＰ長の決定を行うＧＯＰ長制御回路３４と圧縮方法選
択回路３２と、選択された圧縮方法に従って入力画像デ
ータを圧縮符号化する差分器１２から可変長符号化回路
１７まで、及びローカルデコードと動き検出器２０，動
き補償器２１等を有する。 【効果】 効率の良い画像圧縮が可能で、全体的に画質
を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば画像を圧縮符号
化する場合に用いて好適な画像符号化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の例えば画像を圧縮符号化する場合
に用いて好適な画像符号化装置の構成例を図５に示す。
【０００３】この図５の画像符号化装置において、入力
端子１には、図６に示すように、 輝度成分(Y) 352(H)×240(V)×30フレーム クロマ成分(Cb) 174(H)×120(V)×30フレーム クロマ成分(Cr) 174(H)×120(V)×30フレーム のピクセル数にディジタル化された画像データが供給さ
れる。
【０００４】上記入力端子１に供給された入力画像デー
タは、当該入力画像データを一時的に蓄えて然るべき順
番に入れ替えるためのフレームメモリ１０を介して、動
き検出器２０とブロック分割器１１に送られる。
【０００５】当該ブロック分割器１１は、フレームメモ
リ１０から供給されたそれぞれのフレームを、図７に示
すように、輝度成分(Y) ，クロマ成分(Cr),(Cb) それぞ
れを８×８ピクセルのブロックに分割する。なお、輝度
成分(Y) の４つのブロック(Y0,Y1,Y2,Y3）と１つのクロ
マ成分(Cb)のブロックと、１つのクロマ成分(Cr)のブロ
ックからなる合計６つのブロック(Y0,Y1,Y2,Y3,Cb,Cr)
は、マクロブロック(MB)と呼ばれている。
【０００６】このブロック分割器１１からのマクロブロ
ック単位のデータは差分器１２に送られる。
【０００７】この差分器１２では、ブロック分割器１１
からのデータと後述するフレーム間予測画像データとの
差分をとり、その出力を後述するフレーム間予測符号化
がなされるフレームのデータとして切換スイッチ１３の
被切換端子ｂに送る。また、当該切換スイッチ１３の被
切換端子ａには、上記ブロック分割器１１からのデータ
が後述するフレーム内符号化がなされるフレームのデー
タとして供給される。
【０００８】上記切換スイッチ１３を介したブロック単
位のデータはＤＣＴ回路１４によって離散コサイン変換
（ＤＣＴ）処理され、そのＤＣＴ係数が量子化器１５に
送られる。当該量子化器１５では、所定の量子化ステッ
プ幅で上記ＤＣＴ出力を量子化し、この量子化した係数
がジグザグスキャン回路１６に送られる。
【０００９】当該ジグザグスキャン回路１６では、上記
量子化係数を図８に示すようにいわゆるジグザグスキャ
ンによって並べ換え、その出力を可変長符号化回路１７
に送る。この可変長符号化回路１７では、上記ジグザグ
スキャン回路１６の出力データを可変長符号化（ＶＬ
Ｃ）し、その出力を出力バッファ１８に送ると共に、当
該可変長符号化処理により発生した符号量を示す情報
を、量子化ステップ制御器１９に送る。量子化ステップ
制御器１９は、可変長符号化回路１７からの符号量を示
す情報に基づいて量子化器１５の量子化ステップ幅を制
御する。また、上記出力バッファ１８から出力されたデ
ータは圧縮符号化がなされた符号化出力として出力端子
２から出力される。
【００１０】また、上記量子化器１５からの出力は、逆
量子化器２７によって逆量子化され、さらに逆ＤＣＴ回
路２６によって逆ＤＣＴ処理される。当該逆ＤＣＴ回路
２６の出力は、加算器２５に送られる。
【００１１】この加算器２５には、フレーム間予測符号
化のフレームのときにオンとなる切換スイッチ２４を介
した動き補償器２１からのフレーム間予測画像データも
供給され、当該データと上記逆ＤＣＴ回路２６の出力デ
ータとの加算が行われる。この加算器２５の出力データ
は、フレームメモリ２２に一時的に蓄えられた後、動き
補償器２１に送られる。
【００１２】当該動き補償器２１は、上記動き検出器２
０によって検出された動きベクトルに基づいて動き補償
を行い、これによって得たフレーム間予測画像データを
出力する。
【００１３】以下、上記図５の従来の画像符号化装置の
具体的な動作について詳細に説明する。ここで、説明の
ために以下のように各フレームの呼び名を定義する。
【００１４】先ず、表示順にフレームを並べたとき、そ
れぞれを Ｉ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｐ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｐ６，Ｂ７，Ｂ
８，Ｉ９，Ｂ１０，Ｂ１１，Ｂ１２，・・・・・ と呼ぶこととする。これらのフレームのうち、Ｉ，Ｐ，
Ｂは、後に説明するが、圧縮方法の種類を示し、これら
Ｉ，Ｐ，Ｂの次の数字は、単純に表示順を示している。
【００１５】カラー動画像符号化方式の国際標準化作業
グループであるいわゆるＭＰＥＧ（Moving Picture Exp
ert Group)のうちＭＰＥＧ１では、この様な画像を圧縮
するために、以下のようにすることが規定されている。
【００１６】先ず、Ｉ０の画像を圧縮する。
【００１７】次に、Ｐ３の画像を圧縮するのだが、Ｐ３
そのものを圧縮するのではなく、Ｐ３とＩ０の画像との
差分データを圧縮する。
【００１８】その次に、Ｂ１の画像を圧縮するのだが、
Ｂ１そのものを圧縮するのではなく、Ｂ１とＩ０或い
は、Ｂ１とＰ３との差分データ或いはＩ０とＰ３の平均
値との差分（いずれか情報の少ない方）を圧縮する。
【００１９】その次に、Ｂ２の画像を圧縮するのだが、
Ｂ２そのものを圧縮するのではなく、Ｂ２とＩ０或い
は、Ｂ２とＰ３との差分データ或いはＩ０とＰ３の平均
値との差分（どちらか情報の少ない方を選んで）を圧縮
する。
【００２０】次に、Ｐ６の画像を圧縮するのだが、Ｐ６
そのものを圧縮するのではなく、Ｐ６とＰ３の画像との
差分データを圧縮する。
【００２１】上述したような処理を順番に並べて表す
と、 となる。このようにエンコード順は、 Ｉ０，Ｐ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｐ６，Ｂ４，Ｂ５，Ｐ９，Ｂ
７，Ｂ８，Ｉ９，Ｐ１２，Ｂ１０，Ｂ１１，・・・・ のように、表示順とは順番が入れ替わる。圧縮後のデー
タ（符号化データ）はこの順番に並ぶことになる。
【００２２】以下、上述したことを図５の構成の動作と
共にさらに詳しく述べる。
【００２３】１枚目の画像（すなわちＩ０）のエンコー
ドでは、先ず、上記フレームメモリ１０から１枚目に圧
縮すべき画像のデータが、ブロック分割器１１によって
ブロック化される。このブロック分割器１１からは、前
記Ｙ０，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｃｂ，Ｃｒの順にブロック
毎のデータが出力され、被切換端子ａ側に切り換えられ
た切換スイッチ１３を介してＤＣＴ回路１４に送られ
る。このＤＣＴ回路１４では、それぞれのブロックにつ
いて縦横２次元の離散コサイン変換処理を行う。これに
より、時間軸であったデータが周波数軸に変換される。
【００２４】このＤＣＴ回路１４からのＤＣＴ係数は、
量子化器１５に送られ、当該量子化器１５で所定の量子
化ステップ幅で量子化される。その後、ジグザグスキャ
ン回路１６によって図８のようにジグザグ順に並べ変え
られる。このようにジグザグ順に並べると、後ろへ行く
ほど、その係数は周波数成分の高い係数となるから、一
般的に係数の値は後ろの方が小さくなる傾向にある。し
たがって、ある値Ｓで量子化すると、後ろへ行くほど、
その結果は０になる頻度が増し、結果的に高域の成分が
切り落とされることになる。
【００２５】その後、この量子化後の係数は、可変長符
号化（ＶＬＣ）回路１７へ送られ、ここでいわゆるハフ
マンコーディングが施される。この結果得られる圧縮さ
れたビットストリームは、出力バッファ１８に一旦蓄え
られた後、一定のビットレートで送出される。当該出力
バッファ１８は、不規則に発生するビットストリームを
一定のビットレートで送出できるようにするための緩衝
のためのメモリである。
【００２６】以上の様に１枚の画像だけ単独で圧縮する
ことをフレーム内（イントラ：Intra ）符号化と言い、
この画像をＩピクチャと呼ぶ。
【００２７】したがって、デコーダが上記のＩピクチャ
のビットストリームを受信した場合は、以上に述べたこ
とを逆にたどり、１枚目の画像を完成させる。
【００２８】次に、２枚目の画像（すなわちＰ３）のエ
ンコードでは、以下のようになされる。
【００２９】すなわち、この２枚目以降もＩピクチャと
して圧縮してビットストリームを作っても良いが圧縮率
を上げるには、連続する画像の内容には相関があること
を利用して、以下の様な方法で圧縮する。
【００３０】先ず、動き検出器２０では、２枚目の画像
を構成するマクロブロック毎に、１枚目の画像（Ｉ０）
の中からそれに良く似たパターンを捜し出し、それを動
きベクトルという（ｘ，ｙ）の相対位置の座標として表
現する。
【００３１】また、２枚目の画像ではそれぞれのブロッ
クを、上記Ｉピクチャの場合のようにそのままＤＣＴ回
路１４に送るのではなく、そのブロック毎の動きベクト
ルに従って一枚目の画像から引っ張ってきたブロックと
の差分のデータ（差分器１２による差分データ）を、Ｄ
ＣＴ回路１４へ送るようにする。なお、動きベクトルの
検出方法としては、ＩＳＯ／ＩＥＣ 11172-2 annex D.
6.2 に詳細に述べられているためここでは省略する。
【００３２】ここで、例えば上記動きベクトルによって
示された一枚目の画像のパターンと、これから圧縮しよ
うとするブロックのパターンとの間で、相関が非常に強
くなっていれば、その差分データは非常に小さくなり、
したがって、上記フレーム内（イントラ）符号化で圧縮
するよりも、上記動きベクトルと上記差分データとを符
号化した方が、圧縮後のデータ量は小さくなる。
【００３３】このような圧縮方法を、フレーム間（イン
ター：Inter)予測符号化と呼んでいる。ただし、常に差
分データが少なくなるわけではなく、絵柄（画像内容）
によっては、差分を取るよりも、上記フレーム内符号化
で圧縮した方が、圧縮率が上がる場合がある。このよう
な場合は、上記フレーム内符号化で圧縮する。フレーム
間予測符号化にするか、フレーム内符号化にするかは、
マクロブロック毎に異なる。
【００３４】以上のことを図５の画像符号化装置（エン
コーダ）に即して説明すると、先ず、フレーム間予測符
号化を行うためには、エンコーダ側でたえずデコーダ側
で作られる画像と同じ画像を作って置く必要がある。
【００３５】そのためにエンコーダ内には、デコーダと
同じ回路が存在する。その回路をローカルデコーダ（局
部復号器）と呼ぶ。図５の逆量子化器２７と逆ＤＣＴ回
路２６と加算器２５とフレームメモリ２２と動き補償器
２１が当該ローカルデコーダに対応し、フレームメモリ
２２内に記憶される画像のことをローカルデコーデッド
ピクチャ（Local decoded picture)又はローカルデコー
デッドデータ(Local decoded data)と呼ぶ。これに対し
て、圧縮前の画像のデータは、オリジナルピクチャ(Ori
ginal picture)又はオリジナルデータ(Original data)
と呼ぶ。
【００３６】なお、前述した１枚目のＩピクチャの圧縮
時にも、上記ローカルデコーダを通して復号化された１
枚目の画像が、上記フレームメモリ２２内に格納され
る。ここで、注意すべきことは、このローカルデコーダ
によって得られる画像は、圧縮前の画像ではなく、圧縮
後復元した画像であり、圧縮による画質劣化のある、デ
コーダが復号化する画像とまったく同じ画像であるとい
うことである。
【００３７】このような状態のエンコーダに２枚目の画
像（Ｐ３）のデータ(Original data）が入ってくるわけ
だが（この段階ですでに、動きベクトルは検出済でなけ
ればならない）、データはブロック毎に動きベクトルを
持ち、このベクトルが動き補償器（MC:Motion Compensa
tion）２１に与えられる。当該動き補償回路２１は、そ
の動きベクトルの示すローカルデコーデッドピクチャ上
のデータ（動き補償データ：MC data:１マクロブロッ
ク）を上記フレーム間予測画像データとして出力する。
【００３８】上記２枚目のオリジナルデータとこの動き
補償データ（フレーム間予測画像データ）のピクセル毎
の、差分器１２による差分データが、上記ＤＣＴ回路１
４に入力される。それからの後の圧縮方法は、基本的に
Ｉピクチャと同じである。上述のような圧縮方法によっ
て圧縮する画像をＰピクチャ（Predicted picture)と呼
ぶ。
【００３９】さらに詳しく説明すると、Ｐピクチャにお
いてすべてのマクロブロックがフレーム間予測符号化で
圧縮するとは限らず、フレーム内符号化で圧縮する方が
効率が良いと判断されるときは、そのマクロブロックは
当該フレーム内符号化で符号化を行う。
【００４０】すなわち、Ｐピクチャにおいても、マクロ
ブロック毎に、フレーム内符号化によるか（このマクロ
ブロックをイントラマクロブロックと呼ぶ）、又はフレ
ーム間予測符号化によるか（このマクロブロックをイン
ターマクロブロックと呼ぶ）のどちらかを選択して圧縮
を行う。
【００４１】上述のように、上記ローカルデコーダで
は、量子化器１５の出力が、逆量子化器２７で逆量子化
され、さらに逆ＤＣＴ回路２６で逆ＤＣＴ処理された
後、エンコード時に動き補償データ（MC data ）と足さ
れ最終的なローカルデコーデッドピクチャとなる。
【００４２】次に、３枚目の画像（すなわちＢ１）のエ
ンコードでは、以下のようになされる。
【００４３】上記３枚目の画像（Ｂ１）のエンコードで
は、Ｉ０，Ｐ３の２枚の画像それぞれに対する動きベク
トルを探索する。ここで、Ｉ０に対する動きベクトルを
フォワードベクトル（forward Vector）ＭＶｆ(x,y) と
呼び、Ｐ３に対する動きベクトルをバックワードベクト
ル（Backward Vector)ＭＶｂ(x,y) と呼ぶ。
【００４４】この３枚目の画像についても差分データを
圧縮するわけであるが、どのデータを圧縮するのかが、
問題である。この場合も一番情報量が少なくなるものと
の差分を取れば良い。このときの圧縮方法の選択肢とし
ては、 （１）フォワードベクトルＭＶｆ(x,y) の示すＩ０上の
データとの差分 （２）バックワードベクトルＭＶｂ(x,y) の示すＰ３上
のデータとの差分 （３）フォワードベクトルＭＶｆ(x,y) の示すＩ０上の
データとバックワードベクトルＭＶｂ(x,y) の示すＰ３
上のデータの平均値との差分 （４）差分データは使わない（フレーム内符号化） の４つである。マクロブロック毎にこの４種類の圧縮方
法から一つが選択される。上記圧縮方法の選択肢のうち
の（１），（２），（３）の場合は、それぞれの動きベ
クトルも動き補償器２１に送られ、差分器２１ではその
動き補償データとの差分をとり、これがＤＣＴ回路１４
に送られる。上記圧縮方法の選択肢のうちの（４）の場
合は、そのままのデータがＤＣＴ回路１４へ送られる。
【００４５】上述した１枚目、２枚目のエンコードの処
理の結果、ローカルデコーデッドピクチャを格納するフ
レームメモリ２２には、Ｉ０，Ｐ３の２枚のピクチャ
が、復元されているのでこのようなことが可能である。
【００４６】次に、４枚目の画像（すなわちＢ２）のエ
ンコードでは、以下のようになされる。
【００４７】上記４枚目の画像（Ｂ２）のエンコードで
は、上述した３枚目（Ｂ１）のエンコード方法のところ
の説明文で、Ｂ１をＢ２に置き換えたこと以外は、上記
３枚目のエンコードと同じ方法で圧縮する。
【００４８】次に、５枚目の画像（すなわちＰ６）のエ
ンコードでは、以下のようになされる。
【００４９】上記５枚目の画像（Ｐ６）のエンコードで
は、上述した２枚目（Ｐ３）のエンコード方法のところ
の説明文で、Ｐ３をＰ６に、Ｉ０をＰ３に置き換えただ
けで、他は同じ説明となる。
【００５０】６枚目以降は、上述の繰り返しとなるので
説明は省略する。
【００５１】また、ＭＰＥＧにおいては、ＧＯＰ（Grou
p Of Picture）と呼ばれるものが規定されている。
【００５２】すなわち、何枚かのピクチャの集まりがグ
ループオブピクチャ（ＧＯＰ）と呼ばれており、当該Ｇ
ＯＰは符号化データ（圧縮後のデータ）上で見て連続し
た画像の集まりでなくてはならないものである。また、
ＧＯＰはランダムアクセスを考慮したもので、そのため
には符号化データ上で見てＧＯＰの最初に来るピクチャ
は上記Ｉピクチャである必要がある。さらに、表示順
（ディスプレイ順）でＧＯＰの最後は、Ｉ又はＰピクチ
ャでなくてはならない。
【００５３】図９には、最初が４枚のピクチャからなる
ＧＯＰで、それ以降が６枚のピクチャからなるＧＯＰと
なる例を挙げる。なお、図９のＡはディスプレイ順を示
し、図９のＢは符号化データ順を示している。
【００５４】この図９において、ＧＯＰ２に注目する
と、Ｂ４，Ｂ５はＰ３，Ｉ６から形成されるため、例え
ばランダムアクセスでＩ６にアクセスされると、Ｐ３が
無いため、Ｂ４，Ｂ５は正しく復号化できない。このよ
うにＧＯＰ内だけで正しく復号化できないＧＯＰは、ク
ローズドＧＯＰ（Closed GOP）でないという。
【００５５】これに対し、もしＢ４，Ｂ５がＩ６だけし
か参照していないとしならば、例えばランダムアクセス
でＩ６にアクセスしても、Ｐ３は必要ないため、これら
Ｂ４，Ｂ５は正しく復号化できることになる。このよう
にＧＯＰ内だけの情報で、完全に復号化できるＧＯＰを
クローズドＧＯＰ（Closed GOP）と呼ぶ。
【００５６】以上のような圧縮方法の選択の中から一番
効率の良い方法で圧縮するわけであるが、その結果発生
する符号化データ（Coded data）の量は、入力画像にも
依存し、実際に圧縮してみないと判らない。
【００５７】しかし、圧縮後のデータのビットレートを
一定にするためにコントロールすることも必要である。
当該コントロールを行うためのパラメータは、量子化器
１５に与える前記符号量を表す情報としての量子化ステ
ップ（又は量子化スケール：Q-scale ）である。同じ圧
縮方法でも、上記量子化ステップを大きくすれば発生ビ
ット量は減り、小さくすれば増える。
【００５８】この量子化ステップの値は、次のようにし
て制御する。
【００５９】エンコーダには、圧縮後のデータを一定の
ビットレートにするために、出力に緩衝バッファ（出力
バッファ１８）が設けられており、これによって画像毎
のある程度のデータ発生量の差は吸収できるようになさ
れている。
【００６０】しかし、定められたビットレートを超える
ようなデータの発生が続けば、出力バッファ１８の残量
が増加し、ついにはオーバーフローを起こすことにな
る。逆にビットレートを下回るデータの発生が続けば出
力バッファ１８の残量は減少し、最後にはアンダーフロ
ーを引き起こすことになる。
【００６１】したがって、エンコーダは、出力バッファ
１８の残量をフィードバックすることにより、前記量子
化ステップ制御器１９が量子化器１５の量子化ステップ
をコントロールし、ここで出力バッファ１８の残量が少
なくなればあまり圧縮しないように量子化ステップを小
さくなるよう制御し、出力バッファ１８の残量が多くな
れば圧縮率を高くするように量子化ステップを大きくす
るようにコントロールを行うようにしている。
【００６２】また、前述した圧縮方法（前記フレーム内
符号化やフレーム間予測符号化）によって発生する符号
化データ量の範囲には、大きな差がある。
【００６３】特にフレーム内符号化方式で圧縮をすると
大量のデータが発生するため、出力バッフファ１８の空
き容量が小さい場合には量子化ステップサイズを大きく
しなければならず、場合によっては量子化ステップサイ
ズを最大にしてもバッファ１８のオーバーフローを招く
かもしれない。よしんばバッファ１８に収まったとして
も量子化ステップが大きければフレーム内符号化の画像
は後のフレーム間予測符号化の画質に影響するので、フ
レーム内符号化での圧縮を行う前には出力バッファ１８
に十分な空き容量が必要である。
【００６４】したがって、予め定められた順序の圧縮方
法を決めておき、フレーム内符号化の前には十分な出力
バッファ１８の空き容量を確保するように、量子化ステ
ップ制御器１９は量子化ステップサイズのフィードバッ
クコントロールを行うようにしている。
【００６５】以上のようにして一定レートの符号化デー
タに抑えることが可能となる。
【００６６】
【発明が解決しようとする課題】ここで、フレーム内符
号化のピクチャは、圧縮後のデータサイズが大きく、一
般的にフレーム間予測符号化のピクチャが多いほうが平
均のビットレートに対して画質を向上させることができ
る。
【００６７】しかし、通常はランダムアスセス性を考慮
して定期的にフレーム内符号化のピクチャを挿入し、こ
れによってＧＯＰを区切ることが多い。
【００６８】一方、上記フレーム間予測符号化のピクチ
ャのうち特にＢピクチャでは、データサイズがかなり小
さくなり、また、フレーム内符号化のピクチャ１枚に対
してある程度の枚数のフレーム間予測符号化のピクチャ
（特にＢピクチャ）を間に入れることにより、適度な画
質を確保しつつ出力バッファを介した平均ビットレート
も低く保つことができる。
【００６９】ところが、シーンチェンジ等の前の画像と
の相関が極めて低い画像では、フレーム間予測符号化で
は効率良く圧縮できない。むしろフレーム内符号化の方
が効率良く圧縮できる。したがって、そのような画像の
場合はフレーム内符号化を行うべきである。
【００７０】しかしそうするとＧＯＰを区切るためのフ
レーム内符号化のピクチャとは異なる画像がフレーム内
符号化のピクチャとして挿入されることになり、結果と
してＧＯＰ内部でフレーム間予測符号化のピクチャに対
するフレーム内符号化のピクチャの比率が高くなる。し
たがって、出力されるデータを一定のビットレートに抑
えようとすると、画質が犠牲となる。
【００７１】また、ランダムアクセスのためにＧＯＰを
分けるのにシーンの変わり目とＧＯＰの切れ目が一致し
ないのは不都合である。
【００７２】さらに、あるシーケンスを所定のフレーム
で丁度終了するように符号化する場合、その最後の画像
がＧＯＰの切れ目になることは稀であるし、最後のＧＯ
Ｐの長さも短過ぎるものもできて最後に画質を損なう虞
がある。
【００７３】このため例えば、一度符号化を試みてその
結果をフィードバックしてＧＯＰの切りわけをやり直す
こともできるが、これでは効率が悪く、またリアルタイ
ムエンコーダには不向きである。
【００７４】また、最後の画像がＩピクチャ又はＰピク
チャになるとは限らないが、ＧＯＰの最後はＩピクチャ
又はＰピクチャで終わらなければならないという制約が
ある。しかし、これもまた符号化を再度行うことは効率
が悪く、全ての組合せの符号化を行うことも装置の規模
を大きくする。
【００７５】そこで、本発明は、上述のような実情に鑑
みて提案されたものであり、効率の良い画像圧縮が可能
で、全体的に画質を向上させることができる画像符号化
装置を提供することを目的とするものである。
【００７６】
【課題を解決するための手段】本発明の画像符号化装置
は、上述した目的を達成するために提案されたものであ
り、入力画像データを複数枚蓄える画像データ蓄積手段
と、上記画像データ蓄積手段に蓄積された複数枚の画像
データから当該入力画像データの情報量を評価し、シー
ンチェンジを検出するシーンチェンジ検出手段と、上記
シーンチェンジ検出手段からのシーンチェンジ検出出力
の供給に基づいてフレーム内符号化による圧縮方法と複
数枚の画像で構成される所定単位の長さを選択する選択
手段と、上記選択手段により選択された圧縮方法に従っ
て上記入力画像データに所定の圧縮符号化処理を施す圧
縮符号化処理手段とを有することを特徴とするものであ
る。
【００７７】ここで、上記選択手段は、上記シーンチェ
ンジ検出手段からのシーンチェンジ検出出力に応じて、
複数枚の画像で構成される所定単位内におけるフレーム
内符号化される画像の枚数とフレーム間予測符号化され
る画像の枚数を適応的に変更して当該所定単位の長さを
決定する単位長制御手段と、当該単位長制御手段からの
出力に基づいて上記所定単位内の各画像の圧縮方法を選
択する圧縮方法選択手段とからなる。
【００７８】また、このときの上記選択手段は、フレー
ム内符号化される画像の枚数に対するフレーム間予測符
号化される画像の枚数の比率が、所定比率より大きいと
きのみ上記シーンチェンジ検出出力に応じた上記所定単
位の長さの決定を行う。言い換えれば、フレーム内符号
化される画像の枚数に対するフレーム間予測符号化され
る画像の枚数の比率が、所定比率より小さいときには、
上記所定単位の長さをシーンチェンジ検出出力に応じた
長さにせずに、例えば延ばすようにする。
【００７９】
【作用】本発明によれば、入力画像データの情報量を評
価してシーンチェンジを検出し、このシーンチェンジの
検出に合わせて圧縮方法としてフレーム内符号化を選択
することで、前後の画像の相関が低くなるシーンチェン
ジ部分での圧縮効率を上げるようにしている。
【００８０】また、本発明によれば、シーンチェンジ検
出に応じて、所定単位の長さを変更することで、シーン
の変わり目と所定単位の切れ目とを一致させている。
【００８１】さらに、フレーム内符号化される画像の枚
数に対するフレーム間予測符号化される画像の枚数の比
率が、所定比率より小さいときには、所定単位の長さを
シーンチェンジ検出出力に応じた長さにせずに、例えば
延ばすようにすることで、出力されるデータを一定のビ
ットレートに抑え、画質のレベルを維持するようにして
いる。
【００８２】
【実施例】以下、図面を参照し、本発明の実施例につい
て詳述する。
【００８３】図１には本発明実施例の画像符号化装置の
概略構成を示す。なお、この図１において、前述した図
５と同じの構成については同一の指示符号を付してその
説明については省略する。
【００８４】この図１の構成において、前記図５の構成
に追加された構成要素はシーンチェンジ検出回路３１と
ＧＯＰ長制御回路３４と圧縮方法選択回路３２であり、
また、フレームメモリ４０と量子化ステップ制御器３３
が変更されている。
【００８５】すなわち、本発明実施例の画像符号化装置
は、入力画像データを複数フレーム蓄える画像データ蓄
積手段であるフレームメモリ４０と、上記フレームメモ
リ４０に蓄積された複数フレームの画像データから当該
入力画像データの情報量を評価し、シーンチェンジを検
出するシーンチェンジ検出回路３１と、上記シーンチェ
ンジ検出回路３１からのシーンチェンジ検出出力の供給
に基づいてフレーム内符号化による圧縮方法を選択する
選択手段と、上記選択手段により選択された圧縮方法に
従って上記入力画像データに所定の圧縮符号化処理を施
す圧縮符号化処理手段としての差分器１２から可変長符
号化回路１７まで、及びローカルデコードと動き検出器
２０，動き補償器２１等を有するものである。
【００８６】ここで、上記選択手段は、上記シーンチェ
ンジ検出回路３１からのシーンチェンジ検出出力に応じ
て、複数枚の画像で構成される所定単位（ＧＯＰ）内に
おけるフレーム内符号化される画像の枚数とフレーム間
予測符号化される画像の枚数を適応的に変更して当該Ｇ
ＯＰ長さを決定する単位長制御手段としてのＧＯＰ長制
御回路３４と、当該ＧＯＰ長制御回路３４からの出力に
基づいて上記ＧＯＰ内の各画像の圧縮方法を選択する圧
縮方法選択回路３２とからなる。
【００８７】また、このときの上記選択手段は、フレー
ム内符号化される画像の枚数に対するフレーム間予測符
号化される画像の枚数の比率が、所定比率より大きいと
きのみ上記シーンチェンジ検出出力に応じた上記ＧＯＰ
長さの決定を行う。言い換えれば、フレーム内符号化さ
れる画像の枚数に対するフレーム間予測符号化される画
像の枚数の比率が、所定比率より小さいときには、上記
ＧＯＰ長さをシーンチェンジ検出出力に応じた長さにせ
ずに、例えば延ばすようにする。
【００８８】この図１において、先ず、入力端子１から
入力された入力画像データは、フレームメモリ４０に蓄
えられる。このフレームメモリ４０は、図５のフレーム
メモリ１０とは異なり、所定数のフレームを蓄積できる
ものである。このときの蓄積する所定数のフレームとし
ては、後述するように、フレーム内符号化のピクチャが
ＧＯＰに１枚だけとしたとき、それに対して適度な画質
が保証されるだけのフレーム間予測符号化のピクチャが
ＧＯＰに含まれたときの当該ＧＯＰの長さ分よりも多く
なければならない。言い換えれば、フレームメモリ４０
に記憶されるフレーム数は、適度な画質が保証されるだ
けのフレーム内符号化ピクチャ１枚に対するフレーム間
予測符号化ピクチャの枚数以上、すなわち、今符号化し
ている画像をフレーム内符号化したとしてもそれによっ
て発生したデータ量を打ち消すだけのフレーム間予測符
号化ピクチャが連続して送出できるまで、フレーム内符
号化がなされないことを保証できるだけ必要である。
【００８９】もちろん上記所定フレーム数はこれに限定
されることはなく様々な条件に合わせてもっと多くして
も良い。例えば、予めＧＯＰが決まってからレートコン
トールを行うタイプの装置の場合、後述するようにＧＯ
Ｐ長が決定して符号化が開始されるまで画像を蓄えるだ
けの容量のフレームメモリを必要とする。
【００９０】上記フレームメモリ４０に蓄積された画像
データは、適宜、シーンチェンジ検出回路３１に送られ
る。
【００９１】ここで、シーンチェンジは、前後の画像で
相関が著しく損なわれる所と言える。本実施例では、例
えば動きベクトル補償後の画像との差分値の画像全体の
総和を求めて、最後の値と比較することによってシーン
チェンジを検出することができる。
【００９２】例えば、このシーンチェンジの検出の際に
は、先ず、画像情報の評価として大別して２通りのパラ
メータを算出する。
【００９３】第１のパラメータは、フレーム内符号化で
圧縮を行った場合の圧縮後のデータ量を予測することが
可能なように、その画像自身の情報量を示すものであ
る。この第１のパラメータとしては、例えば、フレーム
メモリ４０から供給された画像データに対して、ＤＣＴ
処理をブロック毎に行い、そのＤＣＴ係数の和や統計を
とったものとしたり、また、それでは規模が大きくなる
場合には、平均自乗誤差のブロック毎の和を求めたもの
とする。いずれにしても、画像の情報量を表し、圧縮後
のデーター量を類推するに足るパラメータが用いられ
る。
【００９４】第２のパラメータは、フレーム間予測符号
化で圧縮を行った場合の圧縮後のデータ量を予測するこ
とが可能な、画像の差分情報量を示すものである。この
場合のパラメータとしては、例えば、フレームメモリ４
０に格納された画像と動き補償後の画像との差分値のブ
ロック内の和を用いる。このパラメータ算出の際には、
一般的な動きベクトル検出回路（動き検出器２０）で得
られる動きベクトルが検出された最小誤差を利用するこ
とができる。
【００９５】次に、ＧＯＰ長制御回路３４では、上記シ
ーンチェンジ検出回路３１からのシーンチェンジ検出出
力に基づいて、後述する図２及び図３のフローチャート
で説明するようにＧＯＰ長の制御を行う。
【００９６】このＧＯＰ長制御回路３４で決定されたＧ
ＯＰ長の情報が圧縮方法選択回路３２に送られる。
【００９７】ここで、フレーム内符号化方式による圧縮
では少なくともＧＯＰの最初になければならない。ＧＯ
Ｐはランダムアクセスを考慮してある程度の間隔とする
ので、必然的にフレーム内符号化のピクチャはある程度
定期的に発生するし、シーンチェンジ等によっても発生
する。したがって、当該圧縮方法選択回路３２には、上
記ＧＯＰ長制御回路３４からのＧＯＰ長を示す情報と共
に、上記ＧＯＰ長制御回路３４を介した画像のカウント
とシーンチェンジ検出回路３１の出力が加えられるよう
になっている。
【００９８】当該圧縮方法選択回路３２は、上記シーン
チェンジ検出回路３１からの出力に基づいて、フレーム
内符号化／フレーム間予測符号化（Ｐ，Ｂピクチャ）の
いずれの圧縮方式で圧縮を行うのかを選択すると共に、
上記ＧＯＰ長を示す情報に基づいてフレーム内符号化の
ピクチャの挿入を行う。
【００９９】また、量子化ステップ制御器３３は、可変
長符号化回路１７からの符号量を示す情報と、上記圧縮
方法選択回路３２で選択した圧縮方式を示す情報とに基
づいて、量子化器１５の量子化ステップを制御する。
【０１００】次に本実施例の構成における処理の流れ
を、図２と図３のフローチャートに沿って説明する。
【０１０１】ここで、図２と図３のフローチャートの説
明に先立ち、これらフローチャートで述べる定数及び変
数を以下のように定める。
【０１０２】通常のＧＯＰの長さを定数(DefaultLen)と
し、フレーム内符号化のピクチャがＧＯＰに１枚だけと
したときにそれに対して適度な画質が保証されるだけの
フレーム間予測符号化のピクチャがＧＯＰに含まれたと
きの当該ＧＯＰの長さを変数(MinLen)、ＧＯＰを区切れ
る最短の境界を変数(MinGOP)、ランダムアクセス保証の
ためのＧＯＰの最長値を変数(MaxLen)、次のＧＯＰの区
切りの目標値を変数(TargetLen) 、ＧＯＰ先頭からの長
さを変数(CurLen)、符号化順序でのピクチャ番号を変数
(PicNo) 、ｎ番目のＧＯＰの先頭のピクチャ番号を保持
する変数(GOPbegin[n]) 、ｎ番目のＧＯＰの末尾のピク
チャ番号を保持する変数(GOPend[n]) とする。
【０１０３】また、フローチャートには示していない
が、下記の条件を前提とする。
【０１０４】先ず、前段で入力画像を順次フレームメモ
リ４０に蓄え、シーンチェンジを検出する。当該シーン
チェンジの検出の目的は、前述のようにフレーム間予測
符号化で効率良く圧縮できない画像を検出することであ
るため、例えば動き補償後の差分の結果が前と比べて急
激に大きくなった場合を検出することでできる。
【０１０５】また、適応的にＧＯＰを区切るためにフレ
ーム内符号化のピクチャを初めは設定せずＭに応じて全
てＰピクチャ，Ｂピクチャとして動き検出をする。ＧＯ
Ｐ決定時には符号化順序に並べ換えられているとする。
【０１０６】以下、図２のフローチャートから説明す
る。
【０１０７】ステップＳ１５１では、最初に各変数をリ
セットする。すなわち、 ｎ ＝０ CurLen ＝１ PicNo ＝０ GOPbegin[n] ＝PicNo TargetLen ＝DefaultLen MinGOP ＝MinLen のようにリセットする。
【０１０８】次のステップＳ１５２では、ＧＯＰにおい
て最初のＰピクチャか否かの判定を行う。このステップ
Ｓ１５２で最初のＰピクチャでないと判定した場合には
ステップＳ１５７に進み、ここでピクチャタイプをＰピ
クチャからＩピクチャに変更する。また、ステップＳ１
５２で最初のＰピクチャであると判定した場合にはステ
ップＳ１５３に進む。
【０１０９】当該ステップＳ１５３では、現在のピクチ
ャ(Current picture) がシーケンス最後の画像かどうか
を判定する。このステップＳ１５３で現在のピクチャが
シーケンスの最後の画像であると判定した場合には、ス
テップＳ１５４に進み、ここで、その画像をＧＯＰ最後
とする。一方、ステップＳ１５３で最後の画像でないと
判定した場合にはステップＳ１５８に進む。
【０１１０】上記ステップＳ１５４の次のステップＳ１
５５では、ディスプレイ表示順(Display order) でシー
ケンス(Sequence)の最後がＰピクチャかどうかを判定す
る。当該ステップＳ１５５で最後のＰピクチャでないと
判定した場合（Ｂピクチャであると判定した場合）に
は、ステップＳ１５６に進む。当該ステップＳ１５６で
は、Ｂピクチャでシーケンスを終えることはできないの
で、Ｐピクチャになるように変更する。また、ステップ
Ｓ１５５で最後がＰピクチャであると判定した場合には
処理を終了する。
【０１１１】また、上記ステップＳ１５３で最後の画像
でないと判定した場合に進むステップＳ１５８では、シ
ーンチェンジされた(SceneChange) か否かを判定する。
当該ステップＳ１５８において、シーンチェンジと判定
した場合にはステップＳ１５９に進み、シーンチェンジ
でないと判定した場合にはステップＳ１６４に進む。
【０１１２】上記ステップＳ１５８でシーンチェンジと
判定した場合のステップＳ１５９では、上記変数(CurLe
n)と変数(MaxLen)とを比較し、 CurLen ＜MaxLenと判定
した場合にはステップＳ１６０に進み、それ以外である
と判定した場合にはステップＳ１６３に進む。
【０１１３】上記ステップＳ１６０では変数(CurLen)と
変数(MinGOP)とを比較し、CurLen＜MinGOP と判定した
場合にはステップＳ１６１に進み、それ以外であると判
定した場合にはステップＳ１６３に進む。
【０１１４】ステップＳ１６１では、ＧＯＰが短く、Ｉ
ピクチャで発生するデータ量を分散できないため、シー
ンチェンジ後の最初のＰピクチャをフレーム内符号化の
ピクチャとし、新たにシーンチェンジのために増えたＩ
ピクチャの分も考慮して、 MinGOP += MinLen TargetLen += MinLen とする。その後はステップＳ１６２に進む。
【０１１５】また、ステップＳ１６３では、変数(CurLe
n)と変数(MaxLen)との比較結果が CurLen ≧ MaxLen な
ら、ＧＯＰが長くなり過ぎるのを避けるため、シーンチ
ェンジを機にＧＯＰを切り分ける。その後はステップＳ
１６２に進む。
【０１１６】一方、ステップＳ１５８で、シーンチェン
ジでないと判定した場合のステップＳ１６４では、変数
(CurLen)と変数(TargetLen) とを比較する。このステッ
プＳ１６４でCurLen＝TargetLen と判定した場合にはス
テップＳ１６６に進む。
【０１１７】このステップＳ１６６では、次の画像のピ
クチャタイプがＢピクチャかどうかを判定し、Ｂピクチ
ャであると判定した場合にはステップＳ１６７に進む。
このステップＳ１６７では、Ｂピクチャでシーケンスを
終わることはできないので、目標のＧＯＰの長さを１伸
ばす。その後はステップＳ１６２に進む。
【０１１８】また、ステップＳ１６４でCurLen≠Target
Len と判定した場合にはステップＳ１６５に進む。この
ステップＳ１６５では、変数(CurLen)と、変数(TargetL
en)＋変数(MinLen)とを比較する。当該ステップＳ１６
５において、 CurLen ≦ TargetLen + MinLen と判定し
た場合にはステップＳ１６８に進み、 CurLen ＞ Targe
tLen + MinLen と判定した場合にはステップＳ１６２に
進む。
【０１１９】当該ステップＳ１６８では、目標のＧＯＰ
の長さでＧＯＰを区切っても次のＧＯＰの先頭のＩピク
チャで発生するデータ量を分散するに足る区間先までシ
ーンチェンジが存在しないので、変数(TargetLen) でＧ
ＯＰを区切る。このステップＳ１６８の後は、ステップ
Ｓ１６２に進む。
【０１２０】ステップＳ１６２では、変数(CurLen),(Pi
cNo)をカウントアップし、ステップＳ１５２へ戻る。
【０１２１】次に、図３のフローチャートでは、ステッ
プＳ１６９において、ＧＯＰの長さを指定の長さに決
め、次のＧＯＰ長決定のため変数を初期化する。ステッ
プＳ１７０では、ディスプレイ表示順(Display order)
でＧＯＰの最後がＰピクチャかどうかを判定する。当該
ステップＳ１７０で最後のＰピクチャでないと判定した
場合（Ｂピクチャであると判定した場合）には、ステッ
プＳ１７１に進む。当該ステップＳ１７１では、Ｂピク
チャでＧＯＰを終えることはできないので、Ｐピクチャ
になるように変更する。また、ステップＳ１７０で最後
がＰピクチャであると判定した場合には処理を終了す
る。
【０１２２】なお、上述した図２，図３のフローチャー
トにおいて、ＧＯＰの末尾のピクチャタイプを変更する
方法としては、以下のようなものを挙げることができ
る。
【０１２３】すなわち、ＧＯＰの最後はＩピクチャかＰ
ピクチャでなければならないが、例えばシーンチェンジ
でＧＯＰを区切る場合、Ｍ＝２以上のシーケンスでは前
のＧＯＰが必ずしもそうなるとは限らない。そこで、上
述のように、ＧＯＰの最後がＢピクチャで終わっていた
場合、その最後のＢピクチャをＰピクチャに変えるよう
にしている。
【０１２４】この例として、例えば、ビットストリーム
の順番(Bitstream order) が図４の（ｃ）のようになっ
ており、ディスプレイ表示順(Display order) が図４の
（ａ）のようになっているとして、上記図４の（ａ）の
ディスプレイ表示順の例えばＢ１３とＰ１４の間にシー
ンチェンジが発生しているような場合について説明す
る。この場合、図４の（ａ）のシーンチェンジ直前のＢ
１３を図４の（ｂ）に示すようにＰピクチャ（例えばＰ
１３）に変更し、また、図４の（ａ）のシーンチェンジ
直後のＰ１４を図４の（ｂ）に示すようにＩピクチャ
（例えばＰ１４）に変更する。
【０１２５】ここで、リアルタイムエンコーダの場合は
符号化を再度行うことは困難であるので、本実施例で
は、上記図４の（ａ）及び（ｂ）に示すようにＢ１３を
Ｐ１３に変更する際に、Ｐ１１からのフォワードベクト
ル(forward vector)のみを用いてＰピクチャ（Ｐ１３）
として符号化する。またこのとき、Ｂ１２については、
Ｐ１１からのフォワードベクトル(forward vector)のみ
を用いながらＢピクチャ（Ｂ１１）として符号化する。
【０１２６】上述したように、本発明実施例の画像符号
化装置においては、入力画像データの情報量を評価して
シーンチェンジを検出し、このシーンチェンジの検出に
合わせて圧縮方法としてフレーム内符号化を選択するこ
とで、前後の画像の相関が低くなるシーンチェンジ部分
での圧縮効率を上げることができる。
【０１２７】また、本実施例装置においては、シーンチ
ェンジ検出に応じて、ＧＯＰ長さを変更することで、シ
ーンの変わり目とＧＯＰの切れ目とを一致させることが
できる。
【０１２８】さらに、フレーム内符号化される画像の枚
数に対するフレーム間予測符号化される画像の枚数の比
率が、所定比率より小さいときには、ＧＯＰ長さをシー
ンチェンジ検出出力に応じた長さにせずに、例えば延ば
すようにすることで、出力されるデータを一定のビット
レートに抑え、画質のレベルを維持することが可能とな
っている。
【０１２９】
【発明の効果】本発明の画像符号化装置においては、入
力画像データの情報量を評価してシーンチェンジを検出
し、このシーンチェンジの検出に合わせて圧縮方法とし
てフレーム内符号化を選択することで、前後の画像の相
関が低くなるシーンチェンジ部分での圧縮効率を上げる
ことができ、したがって、効率の良い画像圧縮が可能
で、全体的に画質を向上させることができる。
【０１３０】また、本発明においては、シーンチェンジ
検出に応じて、所定単位の長さを変更することで、シー
ンの変わり目と所定単位の切れ目とを一致させることが
可能となる。
【０１３１】また、本発明においては、フレーム内符号
化される画像の枚数に対するフレーム間予測符号化され
る画像の枚数の比率が、所定比率より小さいときには、
所定単位の長さをシーンチェンジ検出出力に応じた長さ
にせずに、例えば延ばすようにすることで、出力される
データを一定のビットレートに抑えることができ、した
がって、出力されるデータを一定のビットレートに抑え
ることができると共に、画質を犠牲にしなくても済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の画像符号化装置の概略構成を示
すブロック回路図である。
【図２】ＧＯＰ決定のフローチャートである。
【図３】決定されたＧＯＰに応じたピクチャタイプ決定
のフローチャートである。
【図４】ＧＯＰ末尾のピクチャタイプの変更例を説明す
るための図である。
【図５】従来の画像符号化装置の概略構成を示すブロッ
ク回路図である。
【図６】画像の解像度と構成について説明するための図
である。
【図７】マクロブロックとブロックについて説明するた
めの図である。
【図８】ジグザグスキャンについて説明するための図で
ある。
【図９】ＧＯＰの一例について説明するための図であ
る。
【符号の説明】
１１ ブロック分割器 １２ 差分器 １３，２４ スイッチ １４ ＤＣＴ回路 １５ 量子化器 １６ ジグザグスキャン回路 １７ 可変長符号化回路 １８ 出力バッファ ２０ 動き検出器 ２１ 動き補償器 ２５ 加算器 ２６ 逆ＤＣＴ回路 ２７ 逆量子化器 ３１ シーンチェンジ検出回路 ３２ 圧縮方法選択回路 ３３ 量子化ステップ制御器 ３４ ＧＯＰ長制御回路 ４０ フレームメモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｍ 7/36 9382−5Ｋ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力画像データを複数枚蓄える画像デー
    タ蓄積手段と、 上記画像データ蓄積手段に蓄積された複数枚の画像デー
    タから、当該入力画像データの情報量を評価し、シーン
    チェンジを検出するシーンチェンジ検出手段と、 上記シーンチェンジ検出手段からのシーンチェンジ検出
    出力の供給に基づいてフレーム内符号化による圧縮方法
    と複数枚の画像で構成される所定単位の長さを選択する
    選択手段と、 上記選択手段により選択された圧縮方法に従って上記入
    力画像データに所定の圧縮符号化処理を施す圧縮符号化
    処理手段とを有することを特徴とする画像符号化装置。
  2. 【請求項２】 上記選択手段は、上記シーンチェンジ検
    出手段からのシーンチェンジ検出出力に応じて、複数枚
    の画像で構成される所定単位内におけるフレーム内符号
    化される画像の枚数とフレーム間予測符号化される画像
    の枚数を適応的に変更して当該所定単位の長さを決定す
    る単位長制御手段と、当該単位長制御手段からの出力に
    基づいて上記所定単位内の各画像の圧縮方法を選択する
    圧縮方法選択手段とからなることを特徴とする請求項１
    記載の画像符号化装置。
  3. 【請求項３】 上記選択手段は、フレーム内符号化され
    る画像の枚数に対するフレーム間予測符号化される画像
    の枚数の比率が、所定比率より大きいときのみ上記シー
    ンチェンジ検出出力に応じた上記所定単位の長さの決定
    を行うことを特徴とする請求項２記載の画像符号化装
    置。
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