JPH07203463A - 画像信号を符号化するためのデバイス - Google Patents
画像信号を符号化するためのデバイスInfo
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Abstract
に卓越して適しているように画像信号を符号化するため
のデバイスを提供する。 【構成】 デバイスは、固定のステップサイズ(Q2 )
をもって各画像をエンコードするプリアナライザ(8)
を具えているMPEGエンコーダ(2)を構成してい
て、プリアナライザは、画像のマクロブロックの中に目
標値の適当な分配と同様、上記画像を符号化するための
ビットの数に対する目標値(T)を(I,P,B)画像
の各タイプに対して計算する計算回路(9)に接続され
ている。比例積分制御回路(7)は量子化ステップサイ
ズ(Q1 )を制御する。PI制御回路はどんな残余の誤
差をも導入しないため、画像や画像のグループ当たりの
ビットの望ましい数が狭い範囲内でなし遂げられる。
Description
めのデバイスに関する。より詳しくは、本発明は画像の
グループを符号化するためのデバイスに関し、画像のグ
ループのうちのある画像は独立の符号化に従い、そして
他の画像は動き補償された予測符号化に従う。
デバイスは、MPEGエンコーダの名前によって概知で
あり、そしてとりわけ、"Coding og moving pictures a
nd associated audio for digital storage media up t
o about 1.5 Mbit/s", ISO/IECIS 11172 に、そしてよ
り詳しくは、"MPEG 2 Test Model 5", ISO/IEC JTC1/S
C29/WG11/N0400, April 1993に記述されている。
ための概知のデバイスは、各画像を複数のサブ画像に分
割する手段と、各サブ画像を係数に変成する画像変成
器、および係数を印加されたステップサイズで量子化す
る量子化器を具えたエンコーダとを含んでいる。個別の
画像かまたは動き補償された差分画像がエンコーダに印
加される。少なくとも、画像のグループ(GOP)のう
ちの1つの画像はイントラフレーム(すなわち、独立
に)符号化される。そのような画像はI画像と呼ばれ
る。他の画像は動き補償されたインターフレーム(すな
わち、予測的)符号化を受ける。前方向の予測において
は用語P画像が時々使われ、両方向の予測においては用
語B画像が時々使われる。しばしば生じているGOPの
分割は、例えば、連続“IBBPBBPBBPBB”で
ある。
号化するビットの数に対する目標値に従ってステップサ
イズを制御する制御手段を含んでいる。制御手段は、分
離した画像に対しつくられたビットの数におけるばく大
な広がりにもかかわらず、その(制御手段)の目的に対
して一定のビットレートを得なければならない。GOP
当たり平均して一定のビットの数を発生させるために、
文書MPEG 2 Test Model 5 は、既知のデバイスは画像の
複雑さに依存して各画像のビットの数に対する目標値を
計算していると述べている。上記複雑さは、同じタイプ
(I,P,B)の前の画像の符号化結果を参照して固定
される。しかしながら、この前の画像は比較的古くても
よい。例えば、GOP“IBBPBBPBBPBB”に
おける前のIの画像は、時間的に常に12画像後に位置
している。概知のデバイスは、画像の複雑さが受ける時
間的変化にもかかわらず、平均のビットレートを一定に
保つためのゆっくりした制御を行う制御手段を含んでい
る。これはGOP当たり多数のビットに大きな変動を引
き起こす。概知のデバイスは、記録された信号の編集や
異なった速度での表示が画像の少なくとも必要な数当た
り一定のビットの数を必要とするために、記録のための
ビットストリームを生成するのには適当でない。本発明
の目的は、上述した欠点を除去することである。
スは、印加された画像を固定のステップサイズに従って
符号化する付加的なエンコーダと、(I,P,B)画像
のタイプに依存してこうして符号化された画像から目標
値を計算するための計算手段とを含んでいる。現在の画
像の複雑さは目標値を計算するためにいま考慮されると
いうことが、それによって達成される。これは、GOP
当たりのビットの数の変動をかなりの程度に減少させら
れる。
ンコーダの使用は、それ自体、1992年11月の日本
におけるHDTVシンポジウムでもたれた講演“Hardwa
re Implementation of the Framestore and Datarate C
ontrol for a Digital HDTV-VCR"から概知であることに
留意されたい。しかしながら、この発表は信号のイント
ラフレーム符号化に関し、その結果I画像のみが得られ
る。付加的なエンコーダはI画像のビットの数の相対的
な分配を決定するだけで、目標値(完全なイントラフレ
ーム符号化に関しては、すべての画像に対する目標値は
等しく、前もって知られている)を計算するための計算
手段に組み合されない。
テップサイズは、前のP画像が符号化された平均のステ
ップサイズによって構成され得る。特に、画像の各タイ
プのための現実的な目標値は、もし固定のステップサイ
ズが同じタイプ(I,P,B)の前の画像が符号化され
た平均のステップサイズによって構成されているならば
得られる。
算手段は、付加エンコーダによってサブ画像のために発
生させられたビットの数に比例して画像のサブ画像の中
に計算された目標値に分配する分配回路を含んでいる。
制御手段は、各サブ画像に対する局部目標値に従ってス
テップサイズを制御するために適応されている。このよ
うにして、サブ画像に対する必要なビットのプロフィー
ルが得られる。例えば、上から下までに澄んだ青空、テ
ラスハウスと非常に細かい花壇を含んでいる画像は、分
配回路が、より多くのビットがより詳細でそしてより符
号化しにくいようなサブ画像において費されることを予
知するため、最適に符号化され得る。こうして画像にお
ける画質の一様な分配が得られる。
ームは、係数データだけでなく量子化とは独立した情報
も含んでいる。MPEGのシンタックス(syntax)は、
とりわけブロックの動きベクトルと、ビットの連続がブ
ロックのイントラフレーム符号化でつくられているかイ
ンターフレーム符号化でつくられているかを示す制御ビ
ットを含んでいる。あるサブ画像に対しては、この“オ
ーバヘッド”に対して要求されるビットは、このサブ画
像が伝送されるビットの数のかなりの小片を構成するか
も知れない。サブ画像のための目標値がかなりの程度ま
でオーバヘッドビットに費やされるのを防ぐために、計
算手段は、付加的なエンコーダによってこれらサブ画像
に対して発生され量子化に依存したビットの数に比例し
てサブ画像の中に目標値を分配するための分配回路を含
んでいる。この方法において、画像における画質の一層
良好な分配が得られる。
は、制御手段が、各サブ画像に対する累積的な目標値と
エンコーダによってつくられたビットの数との間の差を
表している制御信号を形成するための手段によって構成
されている。こうして形成された制御信号は比例積分制
御回路に印加される。そのような回路はどんな静的誤差
も導入しないし、その結果GOP当たりのビットの数は
狭い範囲内で一定である。この実施例の手段によって得
られたビットストリームは、記録と引き続く編集と異な
ったスピードでの表示のために卓越して適している。本
発明のこれらおよび他の要旨は、以下に記述される実施
例から明らかになり、そして実施例を参照して明瞭にな
るであろう。
を詳細に説明する。図1は、本発明による画像信号を符
号化するためのデバイスを示している。デバイスは、各
画像が例えば8×8画素のブロックに分割されるメモリ
1を含んでいる。隣接ブロックのあらかじめ決められた
数、例えば8×8の輝度サンプルの4ブロックと8×8
の色度サンプルの2ブロックがサブ画像を構成する。あ
りきたりのMPEGシンタックスに従って、そのような
サブ画像は、以下においてはまたマクロブロックと呼ば
れる。
10を介してエンコーダ2に印加される。このエンコー
ダは、減算回路21と、各ブロックを8×8の係数に変
成するための画像変成器22、係数をステップサイズQ
1 で量子化するための量子化器23、および量子化され
た係数を可変長の符号語に符号化するための可変長エン
コーダ24を含んでいる。エンコーダはさらに、動き補
償された予測画像を形成するための予測ループを含んで
いる。このループは逆量子化器25、逆画像変成器2
6、加算回路27、画像メモリ28および動き推定器2
9を含んでいる。
イズで量子化される必要はないことに留意されたい。量
子化ステップはまた、係数によって表される空間周波数
に依存し得る。その場合においては、“ステップサイ
ズ”の表現は、係数のブロックに対して明確な量子化ス
テップを固定するパラメータを意味していると理解され
る。
ットの量子化に依存したビットストリームq1 を構成す
る。このビットストリームは形成される他の情報、とり
わけ動き推定器29によってつくられる動きベクトルに
よって形成される他の情報とマルチプレクサ3において
組み合わされる。他の情報は、以下において“オーバヘ
ッド”と呼ばれ、図面においてv1 で表示される。組み
合わされたビットストリームは、そこからそれ(ビット
ストリーム)がチャンネルビットレートfchでで読まれ
るバッファ4に印加される。
ng pictures and associated audiofor digital storag
e media up to about 1.5 Mbit/s " に記述されている
ように今まで概知のMPEGエンコーダを構成してき
た。画像信号は画像(GOPs)のグループの形態で送
信される。各GOPは、少なくとも1個のイントラフレ
ーム符号化画像(I画像)、多数の予測符号化画像(P
画像)および多数の二方向性の予測符号化画像(B画
像)を含んでいる。I画像を符号化するとき、減算器2
1は動作せずそして画素の各ブロックは個別に符号化さ
れる。PおよびB画像に対しては、動き推定器29は予
測ブロックを供給しそして差のブロックが符号化され
る。もし、供給された画像のブロックと予測画像メモリ
28におけるその周囲との間に十分な一致がない(すな
わち、あまりに大きな動きがあるとき)ならば、Pおよ
びB画像のブロックはまたイントラフレーム符号化を受
けることができる。ブロックの供給された符号化モード
に関する情報はまたオーバヘッド情報vi に収容され
る。
的なエンコーダ8と、それに接続され画像を符号化する
ためのビットの数に対する“グローバル(gloval)目標
値”を計算するための計算回路9とを含んでいる。付加
的なエンコーダ8はまた、以下プリアナライザ(preana
lyser )と呼ばれる。それは量子化に依存したビットス
トリームq2 とオーバヘッド情報v2 とを形成する。プ
リアナライザは異なった形態をもつことができる。それ
は以下において、ビットレート制御なしのMPEGエン
コーダであると仮定されよう。プリアナライザはそのと
きエンコーダ2と同じタイプであり、それ故より詳細に
は示さない。それは後に説明されるステップサイズ決定
回路11から量子化ステップサイズQ2 を受信する。し
かしながら、ステップサイズQ2 は1つの画像中は不要
であるが画像から画像へに関しては異なっているかも知
れないことはすでに注意した。
している。それは係数ビットストリームq2 とプリアナ
ライザによってつくられたオーバヘッドビットストリー
ムv 2 とを組み合わせるためにマルチプレクサ91を含
んでいる。組み合わされたビットストリームは、画像の
サブ画像nのためにプリアナライザによって発生された
ビットBn の数を計数するカウンタ92に印加される。
別のカウンタ93は完全な画像で費やされるビットの全
数S=ΣBa を計数する。Sは乗算器94においてステ
ップサイズQ2 倍される。積は印加された画像の複雑さ
を表わす複雑値Xである。上記複雑値は画像(I,P,
B)の各タイプに対して独立に決められ、次の公式で表
される: XI =SI ×Q2I,XP =SP ×Q2PそしてXB =SB ×Q2B (1) 複雑値はグローバル目標値Tを計算するための計算回路
95に印加される。計算回路によって行われる計算に関
して以下の考慮が払われる:
画像、タイプPのNP 画像およびタイプBのNB 画像を
含んでいるGOPに対して利用できる。目的は次式が満
足されるように各タイプの画像に対してグローバル目標
値TI ,TP ,TB を分配することである: R=NI ・TI +NP ・TP +NB ・TB (2)
QI ,QP およびQB が次の与えられた比にあるなら
ば、異なった符号化のタイプ(I,P,B)は等しい画
像の質に帰着することが仮定されている: QP =KP ・QI そしてQB =Kb ・QI (3) 画像のPとBの符号化で得られたビットSP ,SB の数
とこの画像のIの符号化で得られたビットSI の数との
間の関係は、(1)式と(3)式から次のようになる:
に対するグローバル目標値に対して、次のように適用可
能であると仮定される:
は、(2)式および(4)式から引き出される:
画像に対するグローバル目標値が固定され、そして画像
ができる限りそれらに一致して符号化されて後、他のP
およびB画像に対する目標値も、もし望まれるならば、
GOPに対して適用できるビットの残っている数に適合
され得る。その場合においては、等式(2)は次に変わ
る: Rl =nP ・TP +nB ・TB 式において、nP とnB はまだGOP中で符号化される
べきPおよびB画像の数を表し、Rl はまだ適用できる
ビットの数を表している。さて、次の公式が目標値TP
およびTB について引き出される:
が画像遅延器10を経由して実際の符号化のためにエン
コーダ2(図1)に供給される以前に計算回路95によ
って計算される。計算は次のようにして達成される:
算器94からこの画像の複雑値XI を受信する。目標値
TI は等式(5)によって計算される。この等式におけ
る複雑値XP およびXB は、最も新しい前のPまたはB
画像のあらかじめ計算された複雑値によって形成され
る。これらのあらかじめ計算された複雑値は、図2にお
いて、Xprevによって表示されている。それらは前の画
像の符号化にあたってメモリ(図示せず)に記憶されて
いる。
は乗算器94からこの画像の複雑値X P を受信する。目
標値TP は等式(4)によって計算されるか、または、
もしGOPがもはやどんな別のI画像をも含まないなら
ば、等式(6)によって計算される。XP よりほかの複
雑値は、最も新しい前の関連したタイプの画像のあらか
じめ計算された複雑値によって再び形成される。
は乗算器94からこの画像の複雑値X B を受信する。目
標値TB は等式(4)または(6)によって計算され
る。
中にグローバル目標値Tを引き続き分配する。この目的
のために、分配回路は各マクロブロックnに対して“ロ
ーカル(local )目標値”Tn を計算する。簡単な実施
例においては、分配回路は、ターゲット値Tを画像のす
べてのN個のマクロブロックの中に平等に次の公式で表
されるように分配する:
ローカル目標値Tnは、好ましくはプリアナライザによ
ってこれらのマクロブロックのためにつくられたビット
Bnの数に比例していて、次の公式で表わされる:
マクロブロックの相対的な複雑さに従っている。こうし
ていわば、より多くのビットが、このサブ画像がより細
かいようなサブ画像上で費やされるということが“予知
される”。これは全画像を通して一様な画像の質を与え
る。
る。この実施例においては、プリアナライザの係数ビッ
トの数とオーバヘッドビットの数が各マクロブロックn
に対して分離して計数される。この目的のために、計算
回路は、量子化に依存したビットストリームq2 におけ
る係数ビットCn の数とオーバヘッドv2 におけるビッ
トOn の数を、マクロブロックずつ計数するために分離
したカウンタ92aと92bを含んでいる。さらに、カ
ウンタ93aと93bは画像全体を通してビットΣCn
およびΣOn の数を計数する。加算器97は、完全な画
像につきプリアナライザによって費やされるビットの全
数S=ΣBn が再び得られるように両方の数を合計す
る。図2に関してすでに記述したように、乗算器94は
供給した画像の複雑値Xを決め、そして計算回路95は
画像に対するグローバル目標値を計算する。
なった構造を有している。それは次の公式に従ってスケ
ールファクタFをきめるスケーリング回路961を含ん
でいる:
数ビットCn の数にスケールファクタFを乗算し(乗算
器962)、そしてそれにオーバヘッドビットO n の数
を加算する(加算器963)ことによって引続いて得ら
れる。言い替えれば、この実施例においては、各マクロ
ブロックに対するローカル目標値Tn は次の公式によっ
て決定される: Tn =F×Cn +On (8)
ときマクロブロックのあまりの多くのビットがオーバヘ
ッドデータに費やされるのが避けられるという理由か
ら、等式(7)に従ったそれよりもより適している。こ
れは例示の方法によって明瞭になるであろう。このきわ
めて単純化した例において、画像は2つのマクロブロッ
クを含んでいる。完全な画像に対するグローバル目標値
は、T=250ビットである。プリアナライザは次の方
法で画像に対し500ビットを生成した:
1 =200およびT2 =50が、等式(7)に従って得
られる。エンコーダはプリアナライザと同程度に多くの
オーバヘッドビットを生成するという(現実の)仮定に
もとづいて、これは次のようになる:
1 =183およびT2 =67が、等式(8)(式中にお
いてF=0.33)に従って得られる。エンコーダはい
ま生成する:
ローバル目標値の分配は、こうして図2に示される実施
例よりもより一定の画像の質を与える。
1参照)。図4はこの制御回路のとりうる実施例を示し
ている。それは、各マクロブロックに対してローカル目
標値Tn と望ましい平均値Tav間の差を決定する減算器
71を含んでいる。Tavは、GOP当たりのビットRの
数、GOPにおける画像の数および画像当たりのマクロ
ブロックの数から直接に伴っている固定した値を有す
る。得られた差はカウンタ72によって蓄積される。カ
ウンタ72の出力信号は、それがあったように、デバイ
スの出力バッファ4(図1参照)の望ましいパッキング
(packing )密度b′(ビットの数において)を形成す
る。制御回路はさらに、望ましいパッキング密度b′が
バッファの実際のパッキング密度と比較される減算器7
3を含んでいる。ビットの2つの数の間の差は制御信号
を構成する。この制御信号は第1の乗算器74によって
制御ファクタKP を乗算され、そして第2の乗算器75
によって制御ファクタKi を乗算される。第2の乗算器
75の出力は積分器76に印加される。加算器77は乗
算器74と積分器76の出力を加算する。
は、制御信号において残余を生成することなく、エンコ
ーダ2(図1参照)に供給するためにステップサイズQ
1 を制御する比例積分(PI)制御を構成する。各GO
Pに対するビットRの望ましい数はデバイスについて
0.03%の正確度内で達成されることをテストが証明
した。デバイスの出力信号はそれ故、後の編集の容易さ
を許して、記録のために卓越して適している。
かも知れない。MPEGエンコーダは、しかしながら、
一定でない利得をもっているプロセスとして考えられ得
る。これを説明するために、図5は、複雑さX=C・Q
の3つの異なった画像に対して、係数ビットCの数と平
均ステップサイズQとの間の関係を示している。微分係
数dC/dQはMPEGエンコーダの利得の尺度であ
る。さらに特に、エンコーダの利得は次のように定義さ
れる:
像内容に)にだけでなくステップサイズQにも依存す
る。一定の制御ファクタKP およびKi は、最も複雑な
信号に対してさえ、制御プロセスの不安定はないという
ような大きさにされる。
タにおける逆の変化によって補償され、言い替えれば、
制御ファクタと利得の積が一定であるときはすべての状
況のもとに安定である。それ故、望ましい制御ファクタ
KP およびKi は次式によって構成される:
いて78および79によって示される要素は、それらに
従ってそれぞれ制御ファクタKP およびKi を発生する
ように適用されている。この目的のために、それらはス
テップサイズQ1と同様に、エンコーダからのビットス
トリームq1 (そこからつくられたビットの数を引き出
すため)を受信する。
ための“固定した”ステップサイズQ2 を発生させるス
テップサイズ決定回路11のとり得る実施例を示してい
る。それは、エンコーダ2によって量子化されている
(I,P,B)画像の各タイプに対する平均ステップサ
イズQI,av,QP,avおよびQB,avを決定する回路111
を含んでいる。簡単であるが有用なデバイスの実施例に
おいて、平均ステップサイズQP,avは各画像のためにプ
リアナライザに供給される。また、シーンの変化後にお
いて、この選択は画像の複雑さの十分な見積りを生ず
る。代案の実施例において、I,PおよびB画像のプリ
アナリシスは、それぞれ平均ステップサイズQI,aV,Q
P,aVおよびQB,aVで行われる。この目的のために、ステ
ップサイズ決定回路は、適切な平均ステップサイズが選
択信号SLに従って選択されるセレクタ112を含んで
いる。シーン変化後では、しかしながら、次のI画像の
プリアナシスは平均ステップサイズQP,aVで行われる。
事実、もしP画像のマクロブロックの1つのあらかじめ
定められた数よりももっと多くが予測画像に十分似てい
ないならば、シーン変化が生じたと考えられる。この目
的のために、シーン変化検出器113はオーバヘッドビ
ットストリームv1 を受信し、P画像におけるインター
フレーム符号化されたマクロブロックの数を計数し、そ
してこの数が例えば50%よりも多いかどうかを決定す
る。制御回路114は、画像のタイプ(I,P,B)と
同様に検出信号を受信し、そして選択信号SLを供給す
る。さて、ステップサイズQ2 は次のように画像のタイ
プとシーン変化に依存する:
バイスを示している。
る。
る。
る。
の線図を示している。
例を示している。
タ 94,962 乗算器 95 計算回路 96 分配回路 97,963 加算器 961 スケーリング回路 111 平均ステップサイズを決定する回路 112 セレクタ 113 シーン変化検出器 114 制御回路 Q1 ,Q2 量子化ステップサイズ q1 ,q2 量子化に依存したビットストリーム v1 ,v2 オーバヘッド情報 fch チャンネルビットレート Bn プリアナライザによって発生されたビット S 完全な画像で費やされるビットの全数 X 複雑値 Xprev あらかじめ計算された複雑値 T グローバル目標値 Tn ローカル目標値 C,Cn 係数ビットの数 On オーバヘッドのビットの数 F スケールファクタ b 実際のパッキング密度 b′ 望ましいパッキング密度 KP ,Ki 制御ファクタ SL 選択信号
Claims (7)
- 【請求項1】 各画像を複数のサブ画像に分割する手段
(1)と;各サブ画像を係数に変成する画像変成器(2
2)と係数を印加されたステップサイズ(Q1 )で量子
化する量子化器(23)とを含み、独立の画像(I)と
動き補償された差分画像(P,B)を選択的に符号化す
るエンコーダ(2)と;印加された画像を符号化するビ
ットの数に対する目標値(T)に従ってステップサイズ
を制御する制御手段(7)とを含んでいる画像信号を符
号化するためのデバイスにおいて、 デバイスは、印加された画像を固定のステップサイズ
(Q2 )に従って符号化する付加的なエンコーダ(8)
と、(I,P,B)画像のタイプに依存してこうして符
号化された画像から目標値を計算する計算手段(9)と
を含んでいることを特徴とする画像信号を符号化するた
めのデバイス。 - 【請求項2】 請求項1記載のデバイスにおいて、固定
のステップサイズ(Q2 )は、前のP画像が符号化され
た平均のステップサイズによって構成されていることを
特徴とする画像信号を符号化するためのデバイス。 - 【請求項3】 請求項1記載のデバイスにおいて、固定
のステップサイズ(Q2 )は、同じタイプ(I,P,
B)の前の画像が符号化された平均のステップサイズに
よって構成されていることを特徴とする画像信号を符号
化するためのデバイス。 - 【請求項4】 請求項3記載のデバイスにおいて、シー
ン変化の後に続く最初のI画像のための固定のステップ
サイズ(Q2 )は、前のP画像が符号化された平均のス
テップサイズによって構成されていることを特徴とする
画像信号を符号化するためのデバイス。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1項記載のデ
バイスにおいて、計算手段(9)は、付加エンコーダに
よって前記サブ画像のために発生させられたビットの数
に比例して画像のサブ画像の中に目標値(T)を分配す
る分配回路(96)を含み、制御手段(7)は、各サブ
画像に対する局部目標値(Tn )に従ってステップサイ
ズを制御するのに適応されていることを特徴とする画像
信号を符号化するためのデバイス。 - 【請求項6】 量子化に依存したビットの連続と量子化
とは独立したビットの連続が各サブ画像に対して形成さ
れる請求項5記載のデバイスにおいて、分配回路(96
1−963)は、付加的なエンコーダによって前記サブ
画像に対して発生され量子化に依存したビットの数に比
例してサブ画像の中に目標値(T)を分配するのに適応
されていることを特徴とする画像信号を符号化するため
のデバイス。 - 【請求項7】 請求項5または6記載のデバイスにおい
て、制御手段(7)は、各サブ画像に対する累積的な目
標値(Tn )とエンコーダによってつくられたビットの
数との間の差を表している制御信号を形成するための手
段(71−73)と、前記制御信号が印加される比例積
分回路(74−77)とによって構成されていることを
特徴とする画像信号を符号化するためのデバイス。
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