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修 士 論 文 概 要 書

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修 士 論 文 概 要 書

CD 2008 年 2 月提出 学籍番号 3606U049-3 専攻名(専門

分野) 情報・ネットワーク 指 導

研究指導名 画像情報処理研究

氏 名

鈴木 惇也

教 員

甲藤 二郎 印

研 究

題 目 高精度動きベクトルを用いた符号化画質改善手法

1. はじめに

近年、画像の符号化において分散映像符号化(DVC)[1]や MDC[2]の様に、付加情報や複数の圧縮画像の活用によってデ コーダ側で復号画像の画質改善を行う手法に関する研究が盛 んに行われている。我々も同様に、一枚の画像を互いに独立 に圧縮符号化し、その復号画像を重ね合わせることにより量 子化誤差を低減する効果を示すと共に[3,5]、この効果を利用 した動画像符号化方式として、デコーダに付加情報として符 号化規格を超える精度の動きベクトルを与える画質改善手法 の検討を進めている。この方式は、[4]で提案されている、画 像を複数の符号化形式で圧縮・送信し、異なる圧縮画像を受 信・合成した場合に画質改善が図れる不確定性符号化方式と 目標を同じくする。本稿ではこの提案手法と、手法について 更なる画質改善及び圧縮効率向上を目指した改善案について 検討を行う。

2.提案手法

2.1 付加情報を用いた符号化画質改善 (I)

[3,5]の量子化誤差低減効果の動画像符号化への応用例とし て、筆者らは、(付加情報を使用せずに)デコーダ側の動き検 出によって画質改善を図る手法と、エンコーダ側の付加情報 の添付によって画質改善を図る手法の検討を並行して進めて いる。その中で、本稿では付加情報の利用による動画像の符 号化画質改善手法を以下に示す。

全体の流れを図2.1に示す。エンコーダで原画像Fを符号 化する際に、符号化規格の画素精度よりも高精度な動きベク トル探索を同時に行う。この高精度動きベクトル探索は次の ようにして行っている。

F中の連続した2フレームの画像Fm、Fm-1について、Fm をブロック分割し、各ブロックについて符号化ストリーム中 の動きベクトル値(本研究では H.263+を採用しているため 1/2pel精度)を中心として、更に高精度(本研究では±1/4pel)

に MSE を最小とする高精度動きベクトルを探索する。この 時、イントラフレームについてはストリーム中にベクトルが ないため、復号画像I中の連続した2フレームの画像Im,Im-1 を用いて一旦動きベクトル探索を行い、これをストリーム中 のベクトル値とみなして上記の高精度動きベクトル探索を行 う。次に、探索した高精度動きベクトルを使用して合成処理 を行い、PSNRの改善効果を判定する。PSNR が改善する場 合は、高精度動きベクトル vm とストリーム中の動きベクト ルの差分ベクトル(3bit)を伝送する。また、各ブロックについ て合成の有無を示す情報(1bit)を付加情報として伝送する。

デコーダではこれらの付加情報を利用して復号画像 I をフ レーム間合成することで復号画像の画質を改善する。2つのフ レーム内のブロックを高精度動きベクトルで動き補償合成す ることで、量子化誤差低減効果が期待できる。

各フレームにおける合成処理を図2.2に示す。Imをブロッ ク分割し、付加情報により合成を行うブロック(A)に対して、

対応する高精度動きベクトルを用いて Im-1 から動き補償し たブロック(B)を用意する。ここで、高精度動きベクトルはス トリーム中のベクトル値に付加情報として受け取った差分ベ クトル値を加えて生成する。ただし、イントラフレームでは ストリーム中にベクトル値が存在しないた

め、エンコーダと同様に復号画像を用いて動きベクトル探索 を行い、ストリーム中のベクトル値の代用とする。この2つ のブロックについて、合成ブロック(C)をブロックC = (ブロ ックA + ブロックB) / 2として生成する。

このように、デコーダではPSNRが向上するブロックのみ 合成が行われ、画質改善したフレーム画像Gm及び動画像G を得る。以降、この手法を手法1と呼ぶ。

F I

復号画像

付加情報

フレーム間 合成処理

エンコード デコード

原画像

G 合成結果画像

デコーダ エンコーダ

ストリーム

・高精度ベクトル

・合成判定 F

F II

復号画像

付加情報

フレーム間 合成処理

エンコード デコード

原画像

G 合成結果画像

G G 合成結果画像

デコーダ デコーダ エンコーダ

ストリーム

・高精度ベクトル

・合成判定

図2.1 手法全体の流れ

第mフレーム

第m-1 フレーム

高精度ベクトル vm

復号ブロック

動き補償ブロック 合成

合成ブロック

合成結果画像 ブロック分割

ブロック分割 復号画像

第mフレーム

第m-1 フレーム

高精度ベクトル vm

復号ブロック 復号ブロック

動き補償ブロック 合成

合成ブロック 合成ブロック

合成結果画像 合成結果画像 ブロック分割

ブロック分割 復号画像

図2.2 各フレームにおける処理概要

手法1による改善結果を図2.3に示す。

図におけるDecoded Imageは復号画像のR-D曲線、Improved

Imageは手法1によって改善した画像のR-D曲線である。画

像は、ITE 標準動画像の No.11:”Buildings along the canal”を QCIFに縮小して使用した。これにより、手法1はビットレー トが高い程有効であることが分かる。次節では、圧縮効率の 更なる改善を目指し、手法1における付加情報であるベクト ルの選出方法、及びその利用方法の改善を提案する。

図2.3 手法1による画質改善効果

100 150 200 250

30 31 32 33 34 35 36

Bit Rate [kbps]

PSNR [dB]

Decoded Image Improved Image

(2)

2.2 付加情報を用いた符号化画質改善 (II)

2.2.1 ベクトル選出条件

手法1では動きベクトル探索を行った後にPSNR向上の判 定を行うため、無駄な探索が発生する。そこで、MSEが最小 になるものではなく、合成によってPSNRが最大となるもの を探索する。これにより、手法1 で探索からもれていた、効 果的なベクトルの探索を行うことが出来る。しかし、PSNR を向上するベクトルをすべて採用すると付加情報量が大きく なり、R-D特性が悪化する。そこで、合成した際にPSNRの 向上が閾値以上となるベクトルのみを採用する。これにより、

PSNR の改善効果が高く、かつ適度な量の付加情報が送信可 能になる。

2.2.2 ベクトル探索対象画像

手法1ではiフレーム目(iは任意の正数)の復号画像Iiを改 善するための合成に用いるブロック及びベクトル探索は、i-1 フレーム目の復号画像Ii-1から行っていた。これに対して、

本稿ではベクトルの合成に使用する画像をIi-1ではなく、手 法1によって画質改善を行った復号画像I’i-1を使用する。こ れを簡単な図にしたものが図2である。

これは単純にPSNRの高い画像を用いるということだけでな く、画質改善の対象となる画像と合成に用いる画像との関係 性を小さくするという目的がある。

フレーム間合成 フレーム間合成

Ii-1 Ii

I’i

フレーム間合成 フレーム間合成

I’i-1 Ii I’i

手法1

提案手法 Ii-1

Ii-2

フレーム間合成 フレーム間合成

I’i-2

フレーム間合成 フレーム間合成

Ii-1 Ii-1 IIii

I’i I’i

フレーム間合成 フレーム間合成

I’i-1

I’i-1 IIii I’I’ii

手法1

提案手法 IIi-1i-1 Ii-2

Ii-2

フレーム間合成 フレーム間合成

I’i-2 I’i-2

図2.4 画像合成の流れ

これはフレーム間の合成によるPSNRの向上が、画像の符 号化による量子化誤差の低減[3,5]に基づくためである。つま り、合成に用いられる画像は、それぞれが独立した符号化に よって独立した量子化誤差を含んでいることが望ましい。し かし、H.263 のようなフレーム間符号化では連続する画像の 相関が高く、量子化誤差も似通った値を持ってしまうため、

フレーム間合成により次のフレーム画像と関係性の小さくな った画像を合成に用いる手法が有効なのである。

3. 実験

提案手法の画質改善効果を確認するために符号化実験を行 っ た 。 実 験 に 使 用 し た 画 像 は ITE 標 準 動 画 像 の No.06:“Intersection”, No.11:”Buildings along the canal”, No16:”Whale Show”, No.19:“Opening Ceremony”をそれぞ れQCIFに縮小したものである。また、動画像符号化には[4]

と同様に H.263+を使用し、付加情報の高精度ベクトルは

1/4pel 精度、ベクトルの探索範囲は動き補償された箇所から

±1pixel以内とした。ここで、手法1に加え2.2.1節の選出条 件の改善を施したもの手法A、それに更に2.2.2節の改善を行 ったものを手法Bとする。

3.1各手法の比較

ここで、2.2.1節の改善で閾値0.2とした手法A、手法Bに ついて手法1との比較を行った(原画像はNo.11)。図5.6は 各手法の R-D 特性を示したものであるが、ほぼ全ての Bit Rateで手法Bが最も優れた結果を示している。これによって、

本稿で提案した改善手法により、手法1に比べ、幅広いビッ トレートでの大きな改善が可能であることが示された。

3.2 各画像による効果

図3.2、他の画像(No.1、No.3、No.8)に対して手法Bを 使用した際の結果(R-D特性)を示す。

8 0 1 0 0 1 20 14 0 1 6 0 18 0 2 0 0

2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5

Bit Rate [kbps]

PSNR [dB]

Re su lts of Meth od.1 Re su lts of Meth od.A Re su lts of Meth od.B

図3.1 各手法におけるR-D特性の比較

100 150 200 25 0 300 350 400

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Bit Rate [kbps]

PSNR [dB]

No.6(De coded) No.6(Method:B) No.16(Decode d) No.16(Method:B).

No.19(Decode d) No.19(Method:B)

図3.2 様々な画像への手法Bの適用結果

No.6 を除いて概ね良好な結果が得られているといえる。

No.6の画像は、静止した背景の前を、さほど大きくない物体 (自動車)が高速で向きを変えながらフレームイン・アウトを繰 り返している。次節で確認実験の結果を示すが、本手法が最 も有効であると考えられるのは画面全体が一方向にシフトし ていくような画像である。これは、動き補償によって、フレ ーム間でほぼ同じ画像を合成出来た場合、実質的に[3,5]にお ける同一画像内で画素シフト及び独立した符号化を適用させ たとみなせるためである。完全に静止している領域では量子 化誤差の低減効果が無く、動きが複雑で正しい動きベクトル の検出が困難な場合は改善効果は小さくなる。そのため、No.6 のような画像では提案手法による画質改善効果が小さくなり R-D特性が悪化したと考えられる。

4. おわりに

本稿では符号化方式の独立性に基づく量子化誤差低減効果

[3,5]を活用した動画像符号化方式として、高精度動きベクト

ルを付加情報として利用した手法、及びその手法についての 改善案を提案し、各種動画像を利用した実験によりその効果 を確認した。

文 献

[1] B.Girod et al, "Distributed Video Coding," Proc. of the IEEE, Jan.2005..

[2] V.K.Goyal,"Multiple Description Coding: Compression Meets the Network," IEEE Signal Proc. Magazine, Sep.2001.

[3] 板垣他: "複数の圧縮画像を用いた量子化誤差低減方式", 2007春季信学全大, A-4-44, Mar.2007..

[4] 石川,渡辺:"画像の不確定性符号化について", PCSJ2006, P-3.02, Nov. 2006.

[5] 板垣他: "複数の圧縮画像の合成時における PSNR 改善 効果の一検討", PCSJ2007, P-2.09, Nov.2007.

図

図 3.2 、他の画像( No.1 、 No.3 、 No.8 )に対して手法 B を 使用した際の結果(R-D 特性)を示す。  8 0 1 0 0 1 20 14 0 1 6 0 18 0 2 0 02 82 93 03 13 23 33 43 5Bit Rate [kbps]PSNR [dB]Re su lts of Meth od.1Re su lts of Meth od.ARe su lts of Meth od.B図3.1  各手法におけるR-D特性の比較 10015020025 030035

参照

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