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JP4126044B2 - 動画像符号化装置及び方法 - Google Patents

動画像符号化装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は動画像符号化装置及び方法に関するものであって、特にウェーブレット変換(Wavelet Transform)方式を採用した動画像符号化装置及び方法に関するものである。
動画像符号化装置は現在多様な分野で広く使われている。代表的な例としては、インターネット上での映画サービスのようなVOD(Video On Demand)などを挙げることができる。現在、動画像符号化装置に関する国際標準案はMPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263などがある。MPEG-2は高画質デジタルTV放送用及びDVDに適用され使われているし、MPEG-4はインターネット放送用で一番多く使われている。このようなMPEGシステムでは図１に図示したようにDCT(Discrete Cosine Transform：離散コサイン変換)変換方式を利用して動画像を圧縮符号化している。
例えば、MPEG-2方式によって動画像を符号化する装置の画面内符号化(intra frame coding)ブロックでは、まずデジタル映像データ(輝度信号と色差信号)を16×16画素のマクロブロックに分割して、そのマクロブロックを8×8画素のブロックにさらに分割するブロック化処理を行う。そして各画素ブロック毎にDCTを実施してDCT変換係数を求める。そして得られたDCT変換係数に対して量子化幅と各周波数成分に対応した8×8の量子化行列で計算する量子化(quantize)処理をすることによって量子化変換係数を生成する。そして生成された量子化変換係数をハフマンコーディング(Huffman coding)を通じて符号化し出力する。
上述したようにDCT変換方式を根幹とするMPEG方式に比べて一般的に知られたウェーブレット変換方式はイントラフレームコーディングで２倍に近い圧縮率を得ることのできる長所がある。しかしウェーブレット変換方式を根幹とする符号化システムはDCTに比べてメモリー使用量が多くてハードウェア設計が難しい点が商業化に一つの足かせとして作用している。
また、DCT変換方式を根幹とする一般的な動画像符号化装置では動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで表現することができない場合、テクスチャーコーディングを遂行するが、このようなテクスチャーコーディングもDCT変換を根幹とするからウェーブレット変換に比べて相対的にデータ圧縮率が低くなるという問題が発生する。
したがって、本発明の目的は、動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで表現することができない場合、遂行されるテクスチャーコーディングをウェーブレット変換方式を利用して符号化することによってデータ圧縮率を向上させることのできる動画像符号化装置及び方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、画面間符号化は勿論、画面内符号化過程でウェーブレット変換方式を利用するようにすることによってDCTを根幹とする動画像符号化システムに比べて類似画質で対比して２倍近い圧縮率を持つこともできる動画像符号化装置及び方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明による動画像圧縮システムの動画像符号化装置は、RGB映像信号を動画像圧縮対象信号に変換し出力する映像信号変換部と、前記映像信号変換部 と通信可能に接続されて前記映像信号変換部から出力された動画像圧縮対象信号をウェー ブレット変換して得られた変換係数を量子化し、これをエントロピー符号化して出力する 画面内符号化部と、前記映像信号変換部と通信可能に接続されて前記映像信号変換部から 出力された動画像圧縮対象信号の画素ブロックの中で動きが発生した画素ブロックに対し てモーションベクトルを求めてハフマン符号化して出力するか、前記画面内符号化部と同 一方式で符号化して出力する画面間符号化部とを含んで、前記画面間符号化部は、前記動 画像圧縮対象信号の過去のフレームと現在のフレームの間の画素ブロックの差を求めて各 画素ブロックに対して動きが発生したか否かを判断し、その判断結果をモーションマップ 情報として出力するモーション検出部と、前記モーション検出部の出力するモーションマ ップ情報を保存し算術符号化して出力するモーションマップ情報符号化部と、前記モーシ ョン検出部から動きが発生した画素ブロックの値を受け取ってモーションベクトルで現す ことができるかどうかの可否を判断するモーション予測部と、前記モーション予測部から 動きが発生した画素ブロックに対するモーションベクトルを受け取って保存しハフマン符 号化して出力するモーションベクトル符号化部と、前記モーション予測部からモーション ベクトルで現すことができない画素ブロックを受け取って保存し、該当する画素ブロック をウェーブレット変換して得られた変換係数を量子化した後、ゴロム・ライス符号化して 出力するテクスチャー符号化部とを含むことを特徴とする。
ここで、前記画面内符号化部は、前記映像信号変換部から出力される動画像圧縮対象信号のY、V、Uそれぞれのデータに対してウェーブレット変換し、該当する変換係数を出力するウェーブレット変換部と、前記ウェーブレット変換部から出力される変換係数を量子化する量子化部と、前記量子化部によって量子化された変換係数をエントロピー符号化して出力するエントロピー符号化部とを含むことを特徴とする。
そして、前記画面間符号化部は、前記映像信号変換部から出力される動画像圧縮対象信号の過去のフレームと現在のフレームの間の画素ブロックの差を利用して各画素ブロックに対して動きが発生したのかどうかを判断することを特徴としており、前記動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を判断した後、その判断結果をテクスチャーマップ情報として算術符号化して出力することを特徴とする。
また、前記画面間符号化部は、前記動画像圧縮対象信号の過去のフレームと現在のフレームの間の画素ブロックの差を求めて各画素ブロックに対して動きが発生したのかを判断し、その判断結果をモーションマップ情報として出力するモーション検出部と、前記モーション検出部の出力するモーションマップ情報を保存し算術符号化して出力するモーションマップ情報符号化部と、前記モーション検出部から動きが発生した画素ブロックの値等を受け取ってモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を判断するモーション予測部と、前記モーション予測部から動きが発生した画素ブロックに対するモーションベクトルを受け取って保存しハフマン符号化して出力するモーションベクトル符号化部と、前記モーション予測部からモーションベクトルで現すことができない画素ブロックを受け取って保存し、該当する画素ブロックをウェーブレット変換して得られた変換係数を量子化した後、エントロピー符号化して出力するテクスチャー符号化部とを含むことを特徴としており、前記モーション予測部から動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を現すテクスチャーマップ情報を受け取って保存し算術符号化して出力するテクスチャーマップ情報符号化部をさらに含むことを特徴とする。
さらに、前記画面間符号化部は、前記動画像圧縮対象信号の画素ブロック等の中で動きが発生しない画素ブロックの値等を保存する非モーションブロック保存部を含むことを特徴とする。
一方、本発明は動画像符号化方法において、RGB映像信号を動画像圧縮対象信号に変換す る映像信号変換段階と、前記映像信号変換段階で得られた動画像圧縮対象信号をウェーブ レット変換及び量子化した後にエントロピー符号化して出力する画面内符号化段階と、画 面間符号化段階とを含み、前記画面間符号化段階は、前記映像信号変換段階で得られた動 画像圧縮対象信号を構成する所定の画素ブロックの中で動きが発生したか否かを判断する 段階と、前記動きが発生したか否かを判断する段階での判断結果に基づいて動きが発生し た画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかを判断する段階と、前 記動きが発生した画素ブロックの内、モーションベクトルで現すことができる画素ブロッ クに対してモーションベクトルを求めてハフマン符号化した後に出力する段階と、前記動 きが発生した画素ブロックの内、モーションベクトルで現すことができない画素ブロック に対してウェーブレット変換及び量子化した後にゴロム・ライス符号化して出力する段階 とを含むことを特徴とする。
この時、前記画面間符号化段階は、動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができない場合、前記画面内符号化段階によってウェーブレット変換及び量子化した後にゴロム・ライス符号化して出力することを特徴とする。
そして、上述した動画像符号化方法は、前記映像信号変換段階で変換された動画像圧縮対象信号の過去のフレームと現在のフレームの間の画素ブロック差を求めて動き発生の有無を判断する段階をさらに含むことを特徴としており、また、前記動画像圧縮対象信号の画素ブロックに対する動き発生の有無を判断した後、その判断結果をモーションマップ情報として算術符号化し出力する段階をさらに含むことを特徴とする。
以下、本発明の望ましい実施例を添付した図面を参照しながら詳しく説明する。下記説明及び図面では算術符号化、ハフマン符号化などのように具体的な符号化(coding)方式が現われているが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されているにすぎず、このような特定の事項がなくても本発明を実施することができることは、この技術分野で通常の知識を有する者には自明であろう。そして本発明を説明するにおいて係わる公知の機能あるいは構成に対する具体的な説明によって本発明の要旨が不必要に不明瞭になりうると判断される場合にはその詳細な説明は略することにする。
（実施の形態１）
まず、図２は本発明の実施例による動画像符号化装置の構成図を図示したものであって、本発明の実施例による動画像符号化装置は、映像信号変換部１００と画面内符号化部４００及び画面間符号化部５００とを有する。
映像信号変換部１００はカメラレンズ部で撮像され出力されるRGB映像信号を受け取ってYUV420(MPEG-4システム)フォーマットに変換して出力する。この時、前記YUV420フォーマットの映像信号は動画像圧縮対象信号として、YUV422(MPEG-2システム)、YUV444フォーマットに変換されることもできる。
そして、画面内符号化部４００はウェーブレット変換部４１０、量子化部４２０及びエントロピー符号化部４３０とを有する。前記ウェーブレット変換部４１０は前記映像信号変換部１００から出力されるY,U,Vそれぞれのデータをウェーブレット変換を遂行して得られた変換係数を出力し、前記量子化部４２０は前記変換係数を量子化することによってエントロピーコーディング效率を高める。そしてエントロピー符号化部(entropy coding)４３０は高圧縮のための前処理過程としてのウェーブレット変換と量子化過程を経ったデータを最終的に符号化して出力することによって、一つのフレーム内の空間的相関性を利用して一つのフレームに対する映像圧縮を遂行する。現在使われているエントロピー符号化技術としては算術符号化(arithmetic coding)、ハフマン符号化、ゴロム・ライス符号化(Golomb-Rice Coding:GRコーディングともいう)がある。これらの符号化方式は既に公知の事項なのでそれに対する詳細な説明は略することにする。
一方、画面間符号化部５００はモーション検出部５１０と、モーション予測部５４０と、モーションマップ情報保存部５２０、算術符号化部５３０とを備えるモーションマップ情報符号化部と、テクスチャーマップ情報保存部５６０、算術符号化部５７０とを備えるテクスチャーマップ情報符号化部と、モーションベクトル保存部５８０、ハフマン符号化部５９０とを備えるモーションベクトル符号化部と、モーションブロック保存部６００、Y、U、Vそれぞれに対応するウェーブレット変換部６１０a〜６１０c、量子化部６２０a〜６２０c、GRコーディング部６３０a〜６３０cとを備えるテクスチャー符号化部とを有する。
前記モーション検出部５１０は過去のフレームと現在のフレームの間の8×8画素ブロックの差を利用して各画素ブロックに対し動きが発生したのかを判断して、その判断結果をモーションマップ情報(motion map information)として出力する。すなわち、過去のフレームに対して現在のフレームの動きがあれば、モーションマップ情報を"1"にセッティングして出力し、動きがなかったら"0"にセッティングして出力する。このようなモーションマップ情報はモーションマップ情報保存部５２０に保存された後、算術符号化部５３０を通じて符号化され出力される。
前記モーション予測部５４０はモーション検出部５１０から動きが発生した画素ブロックの値等を受け取って動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を判断し、その判断結果をテクスチャーマップ情報(texture map information)として出力する。またモーション予測部５４０は動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができる場合には、モーションベクトルを求めて出力し、モーションベクトルで現すことができない場合には、該当のモーションブロックをモーションブロック保存部６００に出力する。
非モーション(nomotion)ブロック保存部５５０は動きが発生しない画素ブロックの値等を保存する。
一方、テクスチャーマップ情報符号化部の一つのテクスチャーマップ情報保存部５６０はモーション予測部５４０から出力されるテクスチャーマップ情報を保存する。このようなテクスチャーマップ情報は前記動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができる場合には、"1"の値に設定され、動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができない場合には、"0"で設定することができる。このようなテクスチャーマップ情報は算術符号化部５７０で符号化され出力される。
モーションベクトル保存部５８０はインタモード(inter mode)に符号化されるモーションベクトル(MV)の値等が保存され、ハフマン符号化部５９０はエントロピー符号化の一つとしてモーションベクトルの値等をハフマンテーブルを利用して符号化し出力する。このようなモーションベクトル保存部５８０とハフマン符号化部５９０はモーションベクトル符号化部を構成する。
モーションブロック保存部６００はイントラモード(intra mode)にコーディングされなければならない動きが発生したモーションブロックの値等が保存される。このようにモーションブロック保存部６００に保存されたモーションブロック等はそれぞれYUVに対してウェーブレット変換部６１０a、６１０b、６１０c及び量子化部６２０a、６２０b、６２０c、そしてGRコーディング部６３０a、６３０b、６３０cを通じて符号化され出力される。
以下、上述した構成を持つ動画像符号化装置の動作を説明する。まず、カメラなどのビデオ入力機(図示しない)を通じて得られたフレーム単位の動画像圧縮対象信号(YUV)は画面内符号化部４００のウェーブレット変換部４１０と画面間符号化部５００のモーション検出部５１０に入力される。ウェーブレット変換部４１０は入力される現在のフレームの動画像信号をウェーブレット変換して量子化部４２０に出力する。量子化部４２０はウェーブレット変換された現在のフレームの動画像信号に対して既設定されている量子化処理を通じて多様なレベル等の代表値等に変更する。このような量子化係数等はエントロピー符号化部４３０でゴロム・ライス符号化(Golomb-Rice coding)及び算術符号化によって圧縮され出力される。
したがって画面内符号化部４００に入力された現在のフレームの動画像信号に対してウェーブレット変換、量子化及び符号化過程を通じてイントラモードのフレーム内の圧縮符号化が成り立つようになるのである。
一方、モーション検出部５１０は過去のフレームと現在のフレームの間の8×8画素ブロックの差を利用して各画素ブロックの動きが発生したのかを判断する。もし動きが発生したと判断されればモーションマップ情報を"1"にセッティングして出力し、動きが発生しなかったら"0"にセッティングして出力する。このようなモーションマップ情報はモーションマップ情報保存部５２０に保存された後、算術符号化部５３０を通じて符号化され出力されることによって、復号化部で圧縮データの復元の時、利用するようにする。そしてモーション検出部５１０は動きが発生したモーションブロックをモーション予測部５４０に出力する。モーション予測部５４０はモーション検出部５１０から動きが発生した画素ブロックの値等を受け取って動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を判断し、その判断結果をテクスチャーマップ情報として出力する。すなわち、モーション予測部５４０はモーションブロックに判断された画素ブロック等に対して過去のフレームの該当の画素ブロックを基準にして探索領域を脱する場合のようにモーションベクトルで表現することができない場合にはテクスチャーマップ情報を"0"で設定し、反対にモーションベクトルで表現することができる場合にはテクスチャーマップ情報を"1"で設定してテクスチャーマップ情報保存部５６０に保存した後、算術符号化部５７０を通じて算術符号化し出力することによって圧縮データの復元の時、利用するようにする。そして、モーション予測部５４０は動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができる場合にはモーションベクトルを求めてモーションベクトル保存部５８０に出力することによって、前記モーションベクトルはハフマン符号化部５９０を通じてハフマン符号化され動画像信号と一緒に送信される。
一方、モーションブロックをモーションベクトルで現すことができない場合には該当のモーションブロックをモーションブロック保存部６００に出力してイントラモードと同一方式で符号化が成り立つようにする。すなわち、モーションブロック保存部６００に保存されたモーションブロック等はそれぞれY,U,Vに対してウェーブレット変換及び量子化、そしてゴロム・ライス(GR)符号化過程を通じて圧縮符号化が成り立つ。
上述したように、本発明はDCTに比べて圧縮性能が優れたウェーブレット変換方式を利用して画面内符号化過程を遂行し、画面間符号化過程でもモーションベクトルで表現することができないモーションブロック等に対して画面内符号化方式と等しい方式で符号化を遂行することによって、画面の背景が固定されて客体の動きが少ない動画像や監視システムのように動きのない画面が多い動画像に対して優れた圧縮率を見せることのできる長所がある。
一方、本発明は図面に図示された実施例等を参照しながら説明したが、これは例示的なことに過ぎなく、当該技術分野で通常の知識を有する者ならこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能である点を理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は添付された特許請求の範囲によってのみ決まらなければならないであろう。
DCT(Discrete Cosine Transform)を利用した一般的な動画像符号化装置の構成の例示図である。 本発明の実施例による動画像符号化装置の構成図である。
符号の説明
１００ 映像信号変換部
２１０ DCT
２２０ 量子化部
２３０ ハフマン符号化部
２００ 画面内符号化部
３１０ モーション予測部
３２０ テクスチャーマップ情報保存部
３３０ モーションベクトル保存部
３４０ ハフマン符号化部
３５０ テクスチャーコーディング部
３６０ DCT
３７０ 量子化部
３８０ ハフマン符号化部
３００ 画面間符号化部
４１０ ウェーブレット変換部
４２０ 量子化部
４３０ エントロピー符号化部
４００ 画面内符号化部
５１０ モーション検出部
５２０ モーションマップ情報保存部
５３０ 算術符号化部
５４０ モーション予測部
５５０ 非モーションブロック保存部
５６０ テクスチャーマップ情報保存部
５７０ 算術符号化部
５８０ モーションベクトル保存部
５９０ ハフマン符号化部
６００ モーションブロック保存部
６１０a、６１０b、６１０c ウェーブレット変換部
６２０a、６２０b、６２０c 量子化部
６３０a、６３０b、６３０c GRコーディング部

Claims (2)

  1. RGB映像信号を動画像圧縮対象信号に変換し出力する映像信号変換部と、
    前記映像信号変換部と通信可能に接続されて前記映像信号変換部から出力された動画像圧縮対象信号をウェーブレット変換して得られた変換係数を量子化し、これをエントロピー符号化して出力する画面内符号化部と、
    前記映像信号変換部と通信可能に接続されて前記映像信号変換部から出力された動画像圧縮対象信号の画素ブロックの中で動きが発生した画素ブロックに対してモーションベクトルを求めてハフマン符号化して出力するか、前記画面内符号化部と同一方式で符号化して出力する画面間符号化部とを含んで、
    前記画面間符号化部は、
    前記動画像圧縮対象信号の過去のフレームと現在のフレームの間の画素ブロックの差を求めて各画素ブロックに対して動きが発生したか否かを判断し、その判断結果をモーションマップ情報として出力するモーション検出部と、
    前記モーション検出部の出力するモーションマップ情報を保存し算術符号化して出力するモーションマップ情報符号化部と、
    前記モーション検出部から動きが発生した画素ブロックの値を受け取ってモーションベクトルで現すことができるかどうかの可否を判断するモーション予測部と、
    前記モーション予測部から動きが発生した画素ブロックに対するモーションベクトルを受け取って保存しハフマン符号化して出力するモーションベクトル符号化部と、
    前記モーション予測部からモーションベクトルで現すことができない画素ブロックを受け取って保存し、該当する画素ブロックをウェーブレット変換して得られた変換係数を量子化した後、ゴロム・ライス符号化して出力するテクスチャー符号化部とを含むことを特徴とする 動画像符号化装置。
  2. RGB映像信号を動画像圧縮対象信号に変換する映像信号変換段階と、
    前記映像信号変換段階で得られた動画像圧縮対象信号をウェーブレット変換及び量子化した後にエントロピー符号化して出力する画面内符号化段階と、
    画面間符号化段階とを含み、
    前記画面間符号化段階は、
    前記映像信号変換段階で得られた動画像圧縮対象信号を構成する所定の画素ブロックの中で動きが発生したか否かを判断する段階と、
    前記動きが発生したか否かを判断する段階での判断結果に基づいて動きが発生した画素ブロックをモーションベクトルで現すことができるかどうかを判断する段階と、
    前記動きが発生した画素ブロックの内、モーションベクトルで現すことができる画素ブロックに対してモーションベクトルを求めてハフマン符号化した後に出力する段階と、
    前記動きが発生した画素ブロックの内、モーションベクトルで現すことができない画素ブロックに対してウェーブレット変換及び量子化した後にゴロム・ライス符号化して出力する段階とを含むことを特徴とする、動画像符号化方法。
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