修士論文概要書

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修士論文概要書

2012 年 2 月提出学籍番号

5110B044–3

CD

専門分野情報理工学専攻研究指導情報システム設計研究

氏名

栗岡大生

指導

教員

戸川望

^印

研究題目

次世代動画像符号化に適した並列補間手法のハードウェア設計に関する研究

1 序論

情報化社会と呼ばれるこの時代では，個人が通信端末を持ち，毎日，インターネットで通信を行っている．

様々な通信端末が情報を送受信するのに伴い，情報の形も多様化した．文字や画像データと比較して，動画データは大きく，無圧縮で蓄積，送信するには実用的でない．このため，動画像圧縮技術は発展をしてきた．

その中でもH.264/AVCは映像デジタル圧縮技術の最先端技術と言える．

現在，H.264/AVCの後継規格としてH.265/HEVC が議論されている．H.265/HEVCではH.264/AVCの二倍の圧縮率を目標としている．H.264/AVCでは計算が複雑にならないよう，できるだけ，単純であるが圧縮に効果的な演算方法を採用してきた．しかし，H.265 では多少の複雑度は受け入れることにして，圧縮率の向上を目指している[5]．

中でも小数精度動き補償は計算の多くを占めている．

その中の処理である補間は未だ，単純計算のみで計算

している[1-4]．多少の複雑度を受け入れるとして，こ

の補間の精度を上げることが出来れば，全体の圧縮率の向上に貢献できると考えられる．また，ハードウェア化を考えた場合，補間はループ処理で単純計算が多いのでハードウェア化に向いていると言える．

本論文では，画面間予測の小数精度動き補償での動き予測の精度向上を目的とし，次世代動画像符号化に適した並列補間手法を提案する．従来のH.264/AVCの補間に加えて，動きを考慮した補間を並列にする．そして，誤差を小さい方を選択することにより精度を上げる．補間の精度を向上させることにより，予測精度が向上し，高画質・高圧縮となる．

2 H.264/AVC

H.263 と比較し，2 倍程度の圧縮率を実現してい

る．次世代動画像符号化では，複雑度を受け入れ，

H.264/AVCの2倍の圧縮率を目指している．

3 補間

補間とは，周辺の整数精度の画素を入力とし，整数精度の画素間を埋めた小数精度の画素を出力とする処理である．出力する画素は小数精度動き補償に使われる．

3.1 H.264/AVCの補間方法

H.264/AVCの補間では，縦横一列の6個の整数精度の画素それぞれを入力とし，小数精度の画素を出力とする．これでは，どのようなフレームに対しても同じ補間をしてしまい，そのフレームの特徴が活かせていないという問題点がある．

3.2 徳永らの手法

徳永らの手法では，フレームのものの動きベクトルを考慮し，入力とする整数精度の画素を縦横一列のみならず，斜めの画素を用いれるよう動的に変化させる．

図1: H.264/AVCと徳永らの手法と提案手法の違い．

図2: 動きを考慮した適応的な補間の選択画素．

動きが激しい動画に対しては有効であるが，あまり動きがない場合，利得は小さくなる．

4 次世代動画像符号化に適した並列補間手法

本章では，予測精度向上による画質向上とビット・

レート削減を目的とし，次世代動画像符号化に適した並列補間手法を提案する．本手法は，H.264/AVCの補間に加え，動きベクトルを考慮した補間を並列に計算する．そして，誤差が小さかった方を選択する．

3章で述べたH.264/AVCの補間と徳永らの手法との違いを説明する．図1に概要を示す．H.264/AVCでは，縦横一列のみの整数画素を利用するWienerフィルタを用いて補間する．徳永らの手法では，動きに合わせて動的に利用する画素を変化させる可変窓を用いて補間する．この可変窓の窓の数は7種類ある．提案手法では，Wienerフィルタと可変窓とは異なる動きを考慮した適応的な補間を並列に補間し，誤差の小さい方を選択する．可変窓と動きを考慮した適応的な補間の違いは，動きを考慮した適応的な補間は横ずれを考慮した8種類の窓となっている．

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図3: mobileのRD曲線．

動きを考慮した適応的な補間の窓の具体例を図2に示す．Wienerフィルタでは(1)，(6)の窓のみを用いていたが，動きを考慮した適応的な補間では動きベクトルに合わせて適応的に計算に使用する整数精度の画素を変化させる．

H.264/AVCのフレームの特徴を活かせていないが安

定した補間と，可変窓によるフレームの特徴を活かせるが動画によっては効果があまりない不安定な補間を組み合わせる．これにより，互いの長所を活かしながら弱点が補強でき，予測精度の向上が期待できる．

5 実験・評価

前章で提案した補間手法を，C 言語で書かれた H.264/AVCのエンコーダであるJMに実装し，ソフトウェアシミュレーションをする．また，Verilog-HDL に実装し面積，遅延を評価する．

5.1 ソフトウェアシミュレーション結果

JMに徳永らの手法と提案手法を実装し，比較する．

エンコードの条件はITU-T SG16で決められたH.26L に関する推奨シミュレーション条件に従う．結果はRD 曲線で評価する．RD曲線とは縦軸がPSNR[dB]，横軸がビット・レート[kbps]で表される曲線である．グラフが左上になればなるほど，高画質，高圧縮が実現できていることを意味する．

RD曲線図3に示す．これは，mobileという動画を圧縮したときのRD曲線である．anchorはH.264/AVC， tokunagaは徳永らの手法，proposedは提案手法を表している．提案手法は他の2つの手法よりもグラフが左上にきていることが分かる．他にもcontainer，paris， news，compete，silent，foremanという動画でも同様の結果を得た．mobileにおいて，PSNRは最大でan- chorと比較して1.15dB，tokunagaと比較して1.17dB 向上，ビット・レートは最大でanchorと比較して5.5%， tokunagaと比較して5.8%の削減がみられた．したがって，高画質，高圧縮が実現できていると言える．

5.2 Verilog-HDL評価結果

Verilog-HDLにH.264/AVCの補間と提案手法を実装し，面積，遅延オーバーヘッドを評価する．セルライブラリにはSTARC(CMOS 90nm)の設計ルールを用いた．結果を表1に示す．輝度補間器のみにおいては，58.8%増加，補間器全体においては15.7%増加という結果を得た．

表1: Verilog-HDLによる実験結果．

面積[µm²] 遅延[ns]

H.264/AVC 7638.5 1.09

(輝度補間器のみ)

Proposed method 12156.8 1.09 (輝度補間器のみ)

H.264/AVC 27596.3 1.6

(補間器)

Proposed method 31925.9 1.6 (補間器)

5.3 考察

ソフトウェアシミュレーションにおいて，提案手法は動きが激しい動画に対して特に，PSNR向上とビット・レート削減が見られた．したがって，スポーツのような画面全体が動く動画に対して有効な手法であると考えられる．

Verilog-HDL実験において，並列していることから，

遅延増加はないことがわかった．面積は補間器全体で 15.7%発生するが，ハードウェア全体では数%であると考えられる．スループットに関して，補間部の後の処理の補償部において低下すると考えれられる．補償部とは予測輝度値と実際の輝度値とおの誤差を取る箇所である．補償部において，減算器を並べることでスループットの低下を防ぐことができるが，面積増加とのトレードオフとなる．

6 結論

以上，次世代動画像符号化に適した並列補間手法を提案した．今後の課題は，メモリを考慮した設計である．提案手法では，順番に輝度値が入力されるという仮定をおいているので，フレームメモリに対してロード命令ができない．輝度，色差信号に対して，アドレス計算をして，ロード命令ができると良い．

参考文献

[1] I. E. G. Richardson, The H.264 Advanced Video Compression Standard, John Wiley & Sons Ltd, 2010.

[2] I. E. G. Richardson, H.264 and MPEG-4 Video Compression, John Wiley & Sons Ltd, 2003.

[3] ITU-T, “Advanced video coding for generic au- diovisual services,” H.264 Standard, March 2009.

[4] Joint Video Team, Reference Software JM16.1, http://iphome.hhi.de/suehring/tml/download/, 2009.

[5] 角野眞也, 菊池義浩, 鈴木輝彦, H.264/AVC教科書,株式会社インプレスR&D, 2009.

本論文に関する発表業績国内学会（査読なし）

1. 栗岡大生，柳澤政生，戸川望，“動きベクトルを考慮した遅延オーバーヘッドのないハードウェア向き適応的並列補間手法,”電子情報通信学会大会講演論文集(G0508A)，pp. 75, 2011.

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