(57)【要約】【課題】シーケンスの先頭であったり、シーンチェンジ直後等の画像を符号化する場合において、目標とする発生符号量を生じ得る量子化スケールを、精度良く決定する。【解決手段】  ステップＳ４１で、イントラ予測部は、Ｉピクチャに対応するイントラ予測画像を生成する。イントラ予測残差演算部は、イントラ予測画像と、原画であるＩピクチャとの差であるイントラ予測残差を演算する。ステップＳ４２で、レート制御部は、予め設定されている目標符号量BITを、イントラ予測残差ERRORで正規化し、ステップＳ４３で、正規化された目標符号量の対数に基づき、量子化スケールＱＰを算出する。本発明は、ディジタルビデオカメラに適用することができる。【選択図】図１７
2005303577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動画像を表示するための画像信号を所定の符号化方式に従って圧縮符号化する画像信号処理装置において、
動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段と、
前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、前記静止画像に対応する前記イントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段と、
前記正規化手段によって正規化された前記目標発生符号量に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段と、
前記静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段と、
前記直交変換手段によって生成された前記変換係数を、前記決定手段によって決定された前記量子化スケールを用いて量子化する量子化手段と
を含むことを特徴とする画像信号処理装置。
【請求項２】
前記イントラ予測残差算出手段は、動画像を構成する前記静止画像に対し、擬似的または実際のイントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示す前記イントラ予測残差を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記正規化手段によって正規化された前記目標発生符号量の対数に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項４】
前記決定手段は、前記正規化手段によって正規化された前記目標発生符号量の対数を、所定の１次関数に代入して、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項５】
前記所定の１次関数は、任意の静止画像に対応する画像信号を圧縮符号化したときの、量子化スケールと、発生符号量をイントラ予測残差で正規化した値の対数との対応関係に基づき、予め設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の画像信号処理装置。
【請求項６】
前記静止画像は、Ｉ(Intra coded)ピクチャである
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項７】
前記静止画像は、前記動画像のシーケンスの先頭のＩピクチャ、または前記動画像のシーンチェンジ直後のＩピクチャである
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項８】
前記所定の符号化方式は、MPEG(Moving Picture Experts Group)方式である
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項９】
前記所定の符号化方式は、MPEG4-AVC(Advanced Video Coding)方式である
ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
【請求項１０】
動画像を表示するための画像信号を所定の符号化方式に従って圧縮符号化する画像信号処理方法において、
動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、前記静止画像に対応する前記イントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、
前記正規化ステップの処理で正規化された前記目標発生符号量に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、
前記直交変換ステップの処理で生成された前記変換係数を、前記決定ステップの処理で決定された前記量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップと
を含むことを特徴とする画像信号処理方法。
【請求項１１】
動画像を表示するための画像信号を所定の符号化方式に従って圧縮符号化するためのプログラムであって、
動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、前記静止画像に対応する前記イントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、
前記正規化ステップの処理で正規化された前記目標発生符号量に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、
前記直交変換ステップの処理で生成された前記変換係数を、前記決定ステップの処理で決定された前記量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップと
を含むことを特徴とするコンピュータが読み取り可能なプログラムが記録されている記録媒体。
【請求項１２】
動画像を表示するための画像信号を所定の符号化方式に従って圧縮符号化するためのプログラムであって、
動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、前記静止画像に対応する前記イントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、
前記正規化ステップの処理で正規化された前記目標発生符号量に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、
前記静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、
前記直交変換ステップの処理で生成された前記変換係数を、前記決定ステップの処理で決定された前記量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップと
を含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１３】
撮影した動画像に対応する画像信号を所定の符号化方式に従って圧縮符号化し、情報記録媒体に記録するビデオカメラにおいて、
被写体の動画像を撮影し、前記画像信号を生成する撮影手段と、
前記撮影手段によって撮影された動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、前記静止画像と前記イントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段と、
前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、前記静止画像に対応する前記イントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段と、
前記正規化手段によって正規化された前記目標発生符号量に基づき、前記静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段と、
前記静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段と、
前記直交変換手段によって生成された前記変換係数を、前記決定手段によって決定された前記量子化スケールを用いて量子化する量子化手段と、
前記量子化手段によって量子化された前記変換係数を前記情報記録媒体に記録する記録手段と
を含むことを特徴とするビデオカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像信号処理装置および方法、記録媒体、プログラム、並びにビデオカメラに関し、特に、画像信号を圧縮符号化するときの圧縮率を制御する場合に用いて好適な画像信号処理装置および方法、記録媒体、プログラム、並びにビデオカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、動画像データをディジタル化して情報記録媒体に記録したり、インタネット等に代表されるネットワークを介して伝送したりする場合、そのデータ量が膨大であることから、動画像データを圧縮符号化することが行われている。動画像データの代表的な符号化方式としては、動き補償予測符号化方式を挙げることができる。
【０００３】
動き補償予測符号化方式の具体的なものとしては、MPEG（Moving picture experts group）符号化方式がある。MPEG方式では、１フレームまたは１フィールドが、１６ライン×１６画素で構成されるマクロブロックに分割され、このマクロブロック単位で、動き補償予測符号化が行われる。
【０００４】
動き補償予測符号化方式は、画像の時間軸方向の相関を利用する符号化方法であり、参照する画像（参照画像）に対する、符号化対象の画像（符号化対象画像）の動きベクトルを検出し、その動きベクトルにしたがって、既に符号化されて復号化された参照画像を動き補償することにより、予測画像を生成する。そして、この予測画像に対する、符号化対象画像の予測残差を求め、この予測残差と動きベクトルを符号化することにより、動画像の情報量が圧縮される。
【０００５】
動き補償予測符号化方式には、大別して、イントラ符号化と、インター符号化の２種類の符号化方式がある。イントラ符号化では、符号化対象のマクロブロックに関して、符号化対象画像の情報がそのまま符号化され、インター符号化では、符号化対象画像に時間的に前後する画像を参照画像として、その参照画像から生成される予測画像と、符号化対象画像との差分が符号化される。
【０００６】
MPEG方式では、各画像が、Ｉピクチャ（Intra coded picture）、Ｐピクチャ（Predictive coded picture、またはＢピクチャ（Bidirectionally predictive coded picture）のうちのいずれかとして符号化される。また、MPEG方式では、GOP（Group of picture）単位で処理が行われる。
【０００７】
このGOP単位で符号化され、その結果得られた符号化データを情報記録媒体に記録したり、伝送したりするときには、符号化データを伸長復号したときの画質を高く保ちつつ、符号化データのデータ量が、情報記録媒体の記録容量以下、あるいは通信回線の伝送容量以下となるように、符号圧縮率を正確に制御する必要がある。
【０００８】
符号圧縮率を正確に制御する方法としては、従来から、実際の符号化に先立ち、符号化しようとする画像の発生符号量を正確に見積もり、見積もり結果に基づいて圧縮率を制御することが行われている。
【０００９】
例えば、発生符号量を正確に見積もるためには、実際の符号化に先立って、圧縮率に関わるパラメータを仮に設定して、符号化を行う方法がある。しかしながら、このような方法を用いると、実際の符号化で必要とされる演算量の倍の演算を行う必要があるので効率が悪いという問題があった。
【００１０】
そこで、実際の符号化で必要とされる演算量の倍の演算を行うことなく、画像の予測残差に基づいて発生符号量を見積もる方法も存在する（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
ただし、符号化対象画像の予測残差は、実際に符号化対象画像を符号化しない限り得ることのできない指標であるので、発生符号量を見積もるために利用する予測残差は、符号化対象画像に対応するものではなく、例えば、符号化対象画像の１フレーム前の画像に対応する予測残差をフィードバックし、それを符号化対象画像に対応する予測残差と見なして利用している。
【００１２】
【特許文献１】ＷＯ９８／２６５９９（特願平１０−５２６５０５号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、例えば、符号化対象画像の１フレーム前の画像に対応する予測残差をフィードバックして、符号化対象画像に対応する予測残差と見なして利用する場合、符号化対象画像がシーケンスの先頭であったり、１フレーム前の画像と符号化対象画像との間にシーンチェンジ等が存在していたりするときには、符号化対象画像に対して見積もられる発生符号量が適切なものとならないので、符号圧縮率を正確に制御することができない、具体的には例えば、量子化スケールを固定しない符号化の場合、最適な量子化スケールを定めることができないという課題があった。
【００１４】
なお、目標とする発生符号量に対応する量子化スケールを実験によって求め、その量子化スケールを初期値に定める方法も考えられるが、実験結果により求めた量子化スケールの初期値は、必ずしも多くのシーケンスで有効なわけではないので、目標とする発生符号量が得られる保証はないという課題があった。
【００１５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、シーケンスの先頭であったり、シーンチェンジ直後等の画像を符号化する場合において、目標とする発生符号量を生じ得る量子化スケールを、精度良く決定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の画像信号処理装置は、動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段と、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段と、正規化手段によって正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段と、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段と、直交変換手段によって生成された変換係数を、決定手段によって決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化手段とを含むことを特徴とする。
【００１７】
前記イントラ予測残差算出手段は、動画像を構成する静止画像に対し、擬似的または実際のイントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するようにすることができる。
【００１８】
前記決定手段は、正規化手段によって正規化された目標発生符号量の対数に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定するようにすることができる。
【００１９】
前記決定手段は、正規化手段によって正規化された目標発生符号量の対数を、所定の１次関数に代入して、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定するようにすることができる。
【００２０】
前記所定の１次関数は、任意の静止画像に対応する画像信号を圧縮符号化したときの、量子化スケールと、発生符号量をイントラ予測残差で正規化した値の対数との対応関係に基づき、予め設定されているようにすることができる。
【００２１】
前記静止画像は、Ｉピクチャとすることができる。
【００２２】
前記静止画像は、動画像のシーケンスの先頭のＩピクチャ、または動画像のシーンチェンジ直後のＩピクチャとすることができる。
【００２３】
前記所定の符号化方式は、MPEG方式とすることができる。
【００２４】
前記所定の符号化方式は、MPEG4-AVC方式とすることができる。
【００２５】
本発明の画像信号処理方法は、動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、正規化ステップの処理で正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、直交変換ステップの処理で生成された変換係数を、決定ステップの処理で決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップとを含むことを特徴とする。
【００２６】
本発明の記録媒体のプログラムは、動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、正規化ステップの処理で正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、直交変換ステップの処理で生成された変換係数を、決定ステップの処理で決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップとを含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明のプログラムは、動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップと、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップと、正規化ステップの処理で正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップと、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップと、直交変換ステップの処理で生成された変換係数を、決定ステップの処理で決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップとを含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００２８】
本発明のビデオカメラは、被写体の動画像を撮影し、画像信号を生成する撮影手段と、撮影手段によって撮影された動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段と、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段と、正規化手段によって正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段と、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段と、直交変換手段によって生成された変換係数を、決定手段によって決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化手段と、量子化手段によって量子化された変換係数を情報記録媒体に記録する記録手段とを含むことを特徴とする。
【００２９】
本発明の画像信号処理装置および方法、プログラム、並びにビデオカメラにおいては、動画像を構成する静止画像に対してイントラ予測残差が算出され、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量が、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化され、正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールが決定される。また、静止画像に対応する画像信号が直交変換されて変換係数が生成され、生成された変換係数が、決定された量子化スケールを用いて量子化される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、シーケンスの先頭であったり、シーンチェンジ直後等の画像を符号化する場合において、目標とする発生符号量を生じ得る量子化スケールを、精度良く決定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、請求項に記載の構成要件と、発明の実施の形態における具体例との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、請求項に記載されている発明をサポートする具体例が、発明の実施の形態に記載されていることを確認するためのものである。従って、発明の実施の形態中には記載されているが、構成要件に対応するものとして、ここには記載されていない具体例があったとしても、そのことは、その具体例が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、具体例が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その具体例が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
【００３２】
さらに、この記載は、発明の実施の形態に記載されている具体例に対応する発明が、請求項に全て記載されていることを意味するものではない。換言すれば、この記載は、発明の実施の形態に記載されている具体例に対応する発明であって、この出願の請求項には記載されていない発明の存在、すなわち、将来、分割出願されたり、補正により追加されたりする発明の存在を否定するものではない。
【００３３】
請求項１に記載の画像信号処理装置（例えば、図１の画像信号処理装置１）は、動画像を構成する静止画像（フレーム画像またはフィールド画像）に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段（例えば、図１３のイントラ予測部４１およびイントラ予測残差演算部４２）と、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段（例えば、図１７のステップＳ４２の処理を行う図１３のレート制御部４３）と、正規化手段によって正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段（例えば、図１７のステップＳ４３の処理を行う図１３のレート制御部４３）と、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段（例えば、図１３の直交変換部４４）と、直交変換手段によって生成された変換係数を、決定手段によって決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化手段（例えば、図１３の量子化部４５）とを含むことを特徴とする。
【００３４】
請求項１０に記載の画像信号処理方法は、動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出ステップ（例えば、図１７のステップＳ４１）と、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化ステップ（例えば、図１７のステップＳ４２）と、正規化ステップの処理で正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定ステップ（例えば、図１７のステップＳ４３）と、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換ステップ（例えば、図１７のステップＳ４４）と、直交変換ステップの処理で生成された変換係数を、決定ステップの処理で決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化ステップ（例えば、図１７のステップＳ４４）とを含むことを特徴とする。
【００３５】
請求項１４に記載の本発明のビデオカメラ（例えば、図１８のディジタルビデオカメラ２００）は、被写体の動画像を撮影し、画像信号を生成する撮影手段（例えば、図１８のカメラ部２０１）と、撮影手段によって撮影された動画像を構成する静止画像に対し、イントラ予測画像を生成して、静止画像とイントラ予測画像との差分を示すイントラ予測残差を算出するイントラ予測残差算出手段（例えば、図１３のイントラ予測部４１およびイントラ予測残差演算部４２）と、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときの符号量の目標値を示す目標発生符号量を、静止画像に対応するイントラ予測残差を用いて正規化する正規化手段（例えば、図１７のステップＳ４２の処理を行う図１３のレート制御部４３）と、正規化手段によって正規化された目標発生符号量に基づき、静止画像に対応する画像信号が圧縮符号化されるときに用いられる量子化スケールを決定する決定手段（例えば、図１７のステップＳ４３の処理を行う図１３のレート制御部４３）と、静止画像に対応する画像信号を直交変換して変換係数を生成する直交変換手段（例えば、図１３の直交変換部４４）と、直交変換手段によって生成された変換係数を、決定手段によって決定された量子化スケールを用いて量子化する量子化手段（例えば、図１３の量子化部４５）と、量子化手段によって量子化された変換係数を情報記録媒体（例えば、図１８の記録媒体２１０）に記録する記録手段（例えば、図１８の媒体Ｉ／Ｆ２０４）とを含むことを特徴とする。
【００３６】
なお、本発明の記録媒体に記録されているプログラム、および本発明のプログラムの請求項に記載の構成要件と、発明の実施の形態における具体例との対応関係は、上述した本発明の情報処理方法のものと同様であるので、その記載は省略する。
【００３７】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明を適用した画像信号処理装置の構成例を示している。この画像信号処理装置１は、入力される動画像信号（以下、被符号化画像信号と記述する）を圧縮符号化して、被符号化画像信号よりもデータ量やビットレートの小さな符号化画像信号を生成するものであり、疑似予測残差生成部２、予測残差予想部３、目標符号量決定部４、および符号化部５から構成される。
【００３８】
疑似予測残差生成部２は、入力される被符号化画像信号に基づき、後段の符号化部５において被符号化画像信号が実際に符号化されるときに算出される予測残差SADの擬似的な値（以下、疑似予測残差BDと記述する）を算出して予測残差予想部３に出力する。以下、ｎ番目の画像（フレーム画像またはフィールド画像）の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差をBD(n)と記述する。
【００３９】
予測残差予想部３は、疑似予測残差生成部２から入力された、ｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)を、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)と、符号化部５から入力されるｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する予測残差SAD(n-1)に基づいて補正し、その補正結果として得られた予想予測残差PRED(n)を目標符号量決定部４に出力する。
【００４０】
目標符号量決定部４は、予測残差予想部３から入力された予想予測残差PRED(n)に基づき、ｎ番目の画像を符号化するときにVBR（Variable Bit Rate）を適用した場合における目標符号量（以下、VBR目標符号量BIT_VBR(n)と記述する）と、CBR（Constant Bit Rate）を適用した場合における目標符号量（以下、CBR目標符号量BIT_CBR(n)と記述する）とを算出し、これらの一方を目標符号量BIT_TGT(n)として符号化部５に出力する。
【００４１】
さらに、目標符号量決定部４に対して符号化部５から、VBVバッファ（またはCPBバッファ）を占めるデータ量を供給するようにして、目標符号量決定部４が、VBVバッファ（またはCPBバッファ）を占めるデータ量に基づいてVBV目標符号量BIT_VBV(n)を算出し、VBV目標符号量BIT_VBV(n)がVBR目標符号量BIT_VBR(n)およびCBR目標符号量BIT_CBR(n)よりも小さい場合、VBV目標符号量BIT_VBV(n)を目標符号量BIT_TGTに設定するようにすることもできる。ここで、VBVバッファ（またはCPBバッファ）とは、符号化部５に設けられている仮想的なバッファであり、符号化画像信号の復号時にオーバーフローやアンダーフローが発生しないように、実際の発生符号量を監視するものである。ここで、VBVバッファは、MPEG２における用語であり、CPBバッファは、MPEG４−AVC(Advanced Video Coding)における用語である。
【００４２】
符号化部５は、動き補償予測符号化方式を適用した、例えば、MPEG２方式、MPEG４方式、MPEG４-AVC方式等の符号化装置であり、入力された被符号化画像信号を、目標符号量決定部４から入力される目標符号量BIT_TGTに従って圧縮符号化し、符号化画像信号を生成する。また、符号化部５は、圧縮符号化の処理過程で算出した実際の予測残差SADを予測残差予想部３に出力する。
【００４３】
図２は、疑似予測残差生成部２の構成例を示している。図２の構成例において、イントラ予測部１１は、入力された被符号化画像信号にフレーム内予測を適用してイントラ予測画像を生成し、差分器１３に出力する。インター予測部１２は、入力された被符号化画像信号にフレーム間予測を適用してインター予測画像を生成し、差分器１４に出力する。なお、イントラ予測部１１およびインター予測部１２は、例えば、MPEG２方式やMPEG４方式、MPEG４-AVC方式等が適用される符号化部５に内蔵されたイントラ予測部およびインター予測部と同等の精度でイントラ予測画像あるいはインター予測画像を生成できるようなものである必要はなく、近似的にこれらと同様の傾向を示すイントラ予測画像あるいはインター予測画像を生成できればよい。
【００４４】
差分器１３は、イントラ予測部１１によって生成されたイントラ予測画像とそれに対応する被符号化画像信号の画像との差分を算出し、その結果をイントラ予測残差として比較部１５に出力する。差分器１４は、インター予測部１２によって生成されたインター予測画像とそれに対応する被符号化画像信号の画像との差分を算出し、その結果をインター予測残差として比較部１５に出力する。比較部１５は、差分器１３から入力されたイントラ予測残差と差分器１４から入力されたインター予測残差とをマクロブロック毎に比較し、その値の小さい方を疑似予測残差BDに採用して後段の予測残差予想部３に出力する。なおここでの比較はマクロブロックの単位に限定することなく、被符号化画像を任意の単位で分割した領域ごとに行ってもよい。
【００４５】
図３は、予測残差予想部３の構成例を示している。図３の構成例において、疑似予測残差生成部２からのｎ（ｎ＝１，２，…）番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)は、予測残差計算部２１および遅延部２２に入力される。予測残差計算部２１は、次式（１）に示されるように、遅延部２２によって１画像分だけ遅延されたｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)と、符号化部５によって実際に計算されたｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する予測残差SAD(n-1)との差に調整係数Ｇを乗算した値Ｇ（SAD(n-1)−BD(n-1)）を、疑似予測残差生成部２から入力されたｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)に加算することにより、ｎ番目の画像の被符号化画像信号に対応する予想予測残差PRED(n)を算出する。なお、調整係数Ｇは、１以下の正数であり、例えば０．９とする。
PRED(n)＝BD(n)＋Ｇ（SAD(n-1)−BD(n-1)）                        …（１）
【００４６】
なお、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)と予測残差SAD(n-1)との代わりに、ｎ−１番目以前の例えばｎ−２番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-2)と予測残差SAD(n-2)とを用いるようにしてもよい。
【００４７】
ただし、０番目の画像が存在しないので、予測残差予想部３では、１番目の画像に対応する予想予測残差PRED(１)を算出することはできない。したがって、予測残差予想部３は、２番目以降の画像に対応する予想予測残差PREDを算出するものとする。なお、１番目の画像に対応する被符号化画像信号の圧縮率制御については後述する。
【００４８】
図４は、目標符号量決定部４の構成例を示している。図４の構成例において、VBR割り当て部３１は、例えば、次式（２）に示すように、予測残差予想部３から入力される予想予測残差PRED(n)に所定の係数ｋ（例えば、０．２）を乗算するか、または次式（３）に示すように、予測残差予想部３から入力される予想予測残差PRED(n)を独立変数とする、関数ｆ（PRED(n)）を用いてVBR目標符号量BIT_VBR(n)を算出する。
BIT_VBR(n)＝ｋ・PRED(n)                                        …（２）
BIT_VBR(n)＝ｆ（PRED(n)）                                      …（３）
【００４９】
なお、係数ｋおよび関数ｆ（ｘ）は、被符号化画像信号の画質や、符号化画像信号の用途に応じて任意に決定してもよい。また、係数ｋおよび関数ｆ（ｘ）は、画像のピクチャタイプに応じて変更するようにしてもよい。
【００５０】
CBR割り当て部３２は、予測残差予想部３から入力される予想予測残差PRED(n)に基づき、被符号化画像信号を符号化したときの発生符号量がGOP(Group Of Picture)単位で所定の固定値となるように、被符号化画像信号のピクチャタイプに応じて、次式（４−１）乃至（４−３）のうちの１式を用いてCBR目標符号量BIT_CBR(n)を算出して、比較部３３に出力する。
【００５１】
ｎ番目のピクチャがＩピクチャの場合のCBR目標符号量BIT_CBR(n)_I
＝Ｒ／(１＋(Ｎｐ・PREDp)／(PRED(n)・Ｋｐ)＋(Ｎｂ・PREDb)／(PRED(n)・Ｋｂ))
…（４−１）
ｎ番目のピクチャがＰピクチャの場合のCBR目標符号量BIT_CBR(n)_P
＝Ｒ／(Ｎｐ＋(Ｎｂ・PREDb・Ｋｐ)／(PRED(n)・Ｋｂ))            …（４−２）
ｎ番目のピクチャがＢピクチャの場合のCBR目標符号量BIT_CBR(n)_B
＝Ｒ／(Ｎｂ＋(Ｎｐ・PREDp・Ｋｂ)／(PRED(n)・Ｋｐ))            …（４−３）
【００５２】
ただし、式（４−１）乃至（４−３）において、Ｒは、GOPに対して予め割り当てられている符号量のうちのいずれの画像にも割り当てられていない未割り当ての符号量を示す仮想バッファの値であり、式（４−１）乃至（４−３）のうちの１式が演算される毎、演算結果がフィードバックされて、その分だけ減算された値となる。例えば、GOPを構成する画像のピクチャタイプがＩ，Ｂ，Ｂ，Ｐ，…の順である場合、符号化はＩ，Ｐ，Ｂ，Ｂ，Ｐ，…の順に行われるので、始めに、式（４−１）のＲに、その初期値を代入してBIT_CBR(n)_Iを演算し、次に、式（４−２）のＲに、その初期値から先に演算したBIT_CBR(n)_Iを減算した値を代入してBIT_CBR(n)_Pを演算する。すなわち、Ｒはピクチャを符号化するたびにそのピクチャの目標符号量で減じられる。
【００５３】
Ｎｐは、GOPを構成する全画像数のうち、目標符号量BIT_CBR(n)_Pがまだ演算されていないＰピクチャの数である。Ｎｂは、GOPを構成する全画像数のうち、目標符号量BIT_CBR(n)_Bがまだ演算されていないＢピクチャの数である。PREDpは、目標符号量BIT_CBR(n)を算出しようとする画像の以前であって最も近くのＰピクチャに対応する予想予測残差である。PREDbは、目標符号量BIT_CBR(n)を算出しようとする画像の以前であって最も近くのＢピクチャに対応する予想予測残差である。Ｋｐは、Ｐピクチャの重み付け係数である。Ｋｂは、Ｂピクチャの重み付け係数である。
【００５４】
なお、式（４−１）乃至（４−３）の代わりに、MPEG２ ＴＭ(Test Model)５ Step１に採用されている次式（５−１）乃至（５−３）を用い、被符号化画像信号のピクチャタイプに応じてCBR目標符号量BIT_CBR(n)を算出するようにしてもよい。
ｎ番目のピクチャがＩピクチャの場合の目標符号量BIT_CBR(n)_I
＝Ｒ／（１＋(Ｎｐ・Ｘｐ)／(Ｘｉ・Ｋｐ)＋(Ｎｂ・Ｘｂ)／(Ｘｉ・Ｋｂ)）
…（５−１）
ｎ番目のピクチャがＰピクチャの場合の目標符号量BIT_CBR(n)_P
＝Ｒ／(Ｎｐ＋(Ｎｂ・Ｘｂ・Ｋｐ)／(Ｘｐ・Ｋｂ))              …（５−２）
ｎ番目のピクチャがＢピクチャの場合の目標符号量BIT_CBR(n)_B
＝Ｒ／(Ｎｂ＋(Ｎｐ・Ｘｐ・Ｋｂ)／(Ｘｂ・Ｋｐ))              …（５−３）
【００５５】
ただし、式（５−１）乃至（５−３）において、Ｒは、GOPに対して予め割り当てられている符号量のうちの残りの符号量であり、式（５−１）乃至（５−３）が演算される毎、前回の演算結果が減算された値となる。例えば、GOPを構成する画像のピクチャタイプがＩ，Ｂ，Ｂ，Ｐ，…の順である場合、符号化はＩ，Ｐ，Ｂ，Ｂ，Ｐ，…の順に行われるので、始めに、式（５−１）のＲに、その初期値を代入してBIT_CBR(n)_Iを演算し、次に、式（５−２）のＲに、その初期値から先に符号化したＩピクチャの符号量を減算した値を代入してBIT_CBR(n)_Pを演算する。すなわち、Ｒはピクチャを符号化するたびにそのピクチャの実際の符号量で減じられる。
【００５６】
Ｎｐは、GOPを構成する全画像数のうち、目標符号量BIT_CBR(n)_Pがまだ演算されていないＰピクチャの数である。Ｎｂは、GOPを構成する全画像数のうち、目標符号量BIT_CBR(n)_Bがまだ演算されていないＢピクチャの数である。Ｘｉ，Ｘｐ，Ｘｂは、それぞれＩピクチャ、Ｐピクチャ、またはＢピクチャのコンプレクシティである。Ｋｐは、Ｐピクチャの重み付け係数である。Ｋｂは、Ｂピクチャの重み付け係数である。
【００５７】
比較部３３は、VBR割り当て部３１から入力されたVBR目標符号量BIT_VBRと、CBR割り当て部３２から入力されたCBR目標符号量BIT_CBRとを比較し、VBR目標符号量BIT_VBRがCBR目標符号量BIT_CBRよりも小さい場合、VBR目標符号量BIT_VBRを目標符号量BIT_TGTとして出力し、VBR目標符号量BIT_VBRがCBR目標符号量BIT_CBR以上である場合、CBR目標符号量BIT_CBRを目標符号量BIT_TGTとして出力する。
【００５８】
なお、比較部３３において、VBR割り当て部３１から入力されたVBR目標符号量BIT_VBRと、CBR割り当て部３２から入力されたCBR目標符号量BIT_CBRとを比較することなく、VBR目標符号量BIT_VBRまたはCBR目標符号量BIT_CBRの一方に固定して目標符号量BIT_TGTとして出力するようにしてもよい。
【００５９】
また、比較部３３において、符号化部５にから供給されるVBVバッファ（またはCPBバッファ）のデータ占有量に基づいて、目標符号量BIT_TGTを決定するようにしてもよい。
【００６０】
次に、画像信号処理装置１による、ｎ番目の画像に対応する被符号化画像信号を圧縮符号化する画像圧縮処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００６１】
ステップＳ１において、疑似予測残差生成部２は、入力されたｎ番目の画像に対応する被符号化画像信号に基づき、ｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)を算出して予測残差予想部３に出力する。このステップＳ１の処理について、図６のフローチャートを参照して詳述する。
【００６２】
ステップＳ１１において、イントラ予測部１１は、入力されたｎ番目の画像の被符号化画像信号に対し、フレーム内予測を適用してイントラ予測画像を生成し、差分器１３に出力する。これと同時に、インター予測部１２は、入力されたｎ番目の画像の被符号化画像信号に対し、フレーム間予測を適用してインター予測画像を生成し、差分器１４に出力する。
【００６３】
ステップＳ１２において、差分器１３は、イントラ予測部１１によって生成されたイントラ予測画像とｎ番目の画像との差分を算出し、その結果をイントラ予測残差として比較部１５に出力する。これと同時に、差分器１４は、インター予測部１２によって生成されたインター予測画像とｎ番目の画像との差分を算出し、その結果をインター予測残差として比較部１５に出力する。
【００６４】
ステップＳ１３において、比較部１５は、差分器１３から入力されたイントラ予測残差と差分器１４から入力されたインター予測残差とを、画像のマクロブロック毎に比較して、その値の小さい方を疑似予測残差BD(n)に採用して後段の予測残差予想部３に出力する。以上で、ステップＳ１の処理の詳述を終了する。
【００６５】
図５に戻る。ステップＳ２において、予測残差予想部３は、疑似予測残差生成部２から入力された、ｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)を、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)と、符号化部５から入力された、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対する実際の予測残差SAD(n-1)に基づいて補正し、その補正結果として得られた予想予測残差PRED(n)を目標符号量決定部４に出力する。このステップＳ２の処理について、図７のフローチャートを参照して詳述する。
【００６６】
ステップＳ２１において、予測残差計算部２１は、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対する実際の予測残差SAD(n-1)を符号化部５から取得するとともに、ｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)を遅延部２２から取得する。ステップＳ２２において、予測残差計算部２１は、ｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)を疑似予測残差生成部２から取得する。
【００６７】
ステップＳ２３において、予測残差計算部２１は、式（１）に示されたように、遅延部２２によって１画像分だけ遅延されたｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する疑似予測残差BD(n-1)と、符号化部５から入力されているｎ−１番目の画像の被符号化画像信号に対応する予測残差SAD(n-1)との差に調整係数Ｇを乗算した値Ｇ（SAD(n-1)−BD(n-1)）を、疑似予測残差生成部２から入力されたｎ番目の画像に対応する疑似予測残差BD(n)に加算して、ｎ番目の画像の被符号化画像信号に対応する予想予測残差PRED(n)を算出する。以上で、ステップＳ２の処理の詳述を終了する。
【００６８】
図５に戻る。ステップＳ３において、目標符号量決定部４は、予測残差予想部３から入力された、ｎ番目の画像に対応する予想予測残差PRED(n)に基づき、ｎ番目の画像に対応する目標符号量BIT_TGT(n)を決定して符号化部５に出力する。ステップＳ３の処理について、図８のフローチャートを参照して詳述する。
【００６９】
ステップＳ３１において、VBR割り当て部３１は、式（２）または式（３）を用い、予測残差予想部３から入力された予想予測残差PRED(n)に基づいて、ｎ番目の画像に対応するVBR目標符号量BIT_VBR(n)を算出する。図９は、任意のシーケンス（所定の期間の被符号化画像信号）に対して、VBR割り当て部３１によって算出されるVBR目標符号量BIT_VBR(n)の一例を示している。図９において、横軸は、シーケンスの時間経過を示しており、縦軸は、複数の符号化されたピクチャの符号量によって決定されるビットレートである。VBR目標符号量BIT_VBR(n)は、図９に示す曲線５１のように、各画像のコンプレクシティ（符号化の難易度）等に依存してその値が変動し、後段の符号化部５の出力である符号化画像の符号量によって決定されるビットレートが、あらかじめ目標とするビットレートの最大値（上限レートＬ）を超越することがある。
【００７０】
ステップＳ３２において、CBR割り当て部３２は、予測残差予想部３から入力された予想予測残差PRED(n)に基づき、被符号化画像信号を符号化したときの発生符号量がGOP単位で固定値（図９の上限レートＬ）となるように、式（４−１）乃至（４−３）に示されたように、ｎ番目の画像に対応する被符号化画像信号のピクチャタイプに応じたCBR目標符号量BIT_CBR(n)を算出する。
【００７１】
なお、ステップＳ３１の処理とステップＳ３２の処理は、便宜上、異なるタイミングの処理のごとく説明したが、実際には同時に実行される。
【００７２】
ステップＳ３３において、比較部３３は、VBR割り当て部３１から入力されたVBR目標符号量BIT_VBR(n)が、CBR割り当て部３２から入力されたCBR目標符号量BIT_CBR(n)よりも小さいか否かを判定する。VBR目標符号量BIT_VBR(n)がCBR目標符号量BIT_CBR(n)よりも小さいと判定された場合、処理はステップＳ３４に進み、比較部３３は、VBR目標符号BIT_VBR(n)を目標符号量BIT_TGT(n)として後段の符号化部５に出力する。
【００７３】
反対に、ステップＳ３３において、VBR目標符号量BIT_VBR(n)がCBR目標符号量BIT_CBR(n)よりも小さくないと判定された場合には、処理はステップＳ３５に進む。ステップＳ３５において、比較部３３は、CBR目標符号量BIT_CBR(n)を目標符号量BIT_TGT(n)として後段の符号化部５に出力する。
【００７４】
なお、比較部３３から出力される目標符号量BIT_TGT(n)は、図９と同一のシーケンスを例とした場合、図１０の曲線７１に示すように、目標符号量BIT_TGT(n)は、各画像のコンプレクシティ（符号化の難易度）等に依存してその値が変動するが、後段の符号化部５の出力である符号化画像の符号量によって決定されるビットレートが、あらかじめ目標とするビットレートの最大値（上限レートＬ）に達した場合、その値は上限レートＬで頭打ちとなる。また、VBR目標符号量BIT_VBR(n)からCBR目標符号量BIT_CBR(n)への切り替えは、常にVBR目標符号量BIT_VBR(n)とCBR目標符号量BIT_CBR(n)が演算されていることに起因して速やかに行われる。
【００７５】
目標符号量決定部４では、目標符号量BIT_TGT(n)を、実際の符号化の前に得られる予想予測残差PREDを用いて算出しているので、符号化しようとするピクチャの符号量の多寡を前もって反映することができる。また、シーンチェンジやシーケンスの動きなどの傾向をそのピクチャの符号化前に反映することができるため、適切な符号量の割り当てができる。したがって、画質の劣化を抑制することができる。さらに、式（４−１）乃至（４−３）の手法を用いた場合には実際に符号化された後の発生符号をフィードバックして用いないので、目標符号量に対する実際の仕上がり符号量のズレが蓄積し難い性質をもつこととなり、動作が安定する。
【００７６】
図５に戻る。ステップＳ４において、符号化部５は、入力されたｎ番目の画像に対応する被符号化画像信号を、目標符号量決定部４から入力された、ｎ番目の画像に対応する目標符号量BIT_TGT(n)に従って圧縮符号化し、符号化画像信号を生成する。なお、目標符号量BIT_TGT(n)に従って圧縮符号化し、符号化画像信号を生成する方法については、任意の方法を適用することができる。例えば、MPEG２ TM５ Step２に採用されている、マクロブロック毎に発生符号量を逐一監視して圧縮率を調整し、目標符号量を達成しようとするアルゴリズムを用いて符号化を行う方法を適用することができる。
【００７７】
また例えば、MPEG２ TM５ Step２においてはピクチャタイプ毎に独立して設けられている仮想バッファ（目標とする符号量と発生符号量の差を示すもの）を単一の仮想バッファにまとめて、各ピクチャで共通な単一の仮想バッファが使用される方法等を適用すれば、符号化部５の動作を安定させることができるのでさらに効果的である。なお、この方法については、本出願人が既に提案済であって特開2003-230151号公報として開示されている。
【００７８】
ただし、特開2003-230151号公報では、特にピクチャのグローバルコンプレクシティの比に基づき、異なるピクチャタイプ間における発生ビット量の差を正規化しようとしているが、符号化部５では、予想された予測残差から直接的に目標符号量を算出している。
【００７９】
Ｉピクチャを符号化する場合、次式（６−１）を用いて仮想バッファ占有量ｄｊを算出し、次式（７−１）を用いて、仮想バッファ占有量ｄｊを量子化スケールコードＱｉに変換する。Ｐピクチャを符号化する場合、次式（６−２）を用いて仮想バッファ占有量ｄｊを算出し、次式（７−２）を用いて、仮想バッファ占有量ｄｊを量子化スケールコードＱｐに変換する。Ｂピクチャを符号化する場合、次式（６−３）を用いて仮想バッファ占有量ｄｊを算出し、次式（７−３）を用いて、仮想バッファ占有量ｄｊを量子化スケールコードＱｂに変換する。
ｄｊ＝ｄ０＋Ｂ(ｊ−１)−(Ｔｉ・(ｊ−１))／MB_COUNT
…（６−１）
ｄｊ＝ｄ０＋(Last_Ibit／Ｔｐ)・(Ｂ(ｊ−１)−(Ｔｐ・(ｊ−１))／MB_COUNT)
…（６−２）
ｄｊ＝ｄ０＋(Last_Ibit／Ｔｂ)・(Ｂ(ｊ−１)−(Ｔｂ・(ｊ−１))／MB_COUNT）
…（６−３）
Ｑｉ＝ｄｊ×ＱＰ／ｒ                                        …（７−１）
Ｑｐ＝ｄｊ×ＱＰ／ｒ                                        …（７−２）
Ｑｂ＝ｄｊ×ＱＰ／ｒ＋ｃ                                    …（７−３）
【００８０】
ただし、ｄ０は、仮想バッファの初期占有量であり、Ｂ（ｊ−１）は、符号化する画像のｊ−１番目のマクロブロックまでの発生符号量の総和であり、Last_Ibitは最後に符号化されたＩピクチャの発生符号量であり、Ｔｉ，Ｔｐ，Ｔｂは、それぞれＩ，Ｐ，Ｂピクチャの目標符号量であり、MB_COUNTは、符号化する画像のマクロブロック数である。また、ＱＰは、MPEG２ TM５で推奨されている値（具体的には３１）であり、ｒは、リアクションパラメータであり、ｃは補正値（例えば、２）である。
【００８１】
なお、式（６−２）において（Last_Ibit／Ｔｐ）を乗算していること、および式（６−３）において（Last_Ibit／Ｔｂ）を乗算していることが、単一の仮想バッファを使用することに対する補正である。また、式（７−３）において、補正値ｃを加算しているように、ピクチャタイプに応じて符号化時の相対的な重み付けを変更するようにしてもよい。
【００８２】
次に、図１１は、符号化部５に入力される被符号化画像信号の符号化の難易度（画像の複雑さ）と、符号化部５から出力される符号化画像信号のビットレートとの関係を示している。
【００８３】
被符号化画像信号は、図１１の横軸によって示される画像の難易度が低いうちは、VBRが適用されて符号化され、難易度とビットレートの関係は直線８１Ａのような対応になる。したがって、符号化の難易度の増加とともに発生符号量も増加する。そしてさらに、画像の難易度が増加し、発生符号量が上限レートＬに達した場合、CBRが適用されて直線８１Ｂで示すように、頭打ちとなる。なお、図１１の直線８１Ａの傾きが式（２）の係数ｋに相当する。また、式（３）の関数ｆを用途に応じて任意にきめてやると、VBR時に、例えば曲線８２のような特性をもたせることができる。
【００８４】
したがって、符号化部５から出力される符号化画像信号の符号量は、その最大レートが保証される。よって、例えば、符号化部５から出力される符号化画像信号を情報記録媒体に記録する場合の最大記録可能時間を保証することが可能となる。
【００８５】
なお、CBRが適用されるときの上限レートＬを、現状よりも高い値に設定すれば、画像をより高画質で符号化することができる高画質モードとすることができる。反対に、上限レートＬを、現状よりも低い値に設定すれば、同一容量の記録媒体に記録できる時間をより長くすることができる長時間モードとすることができる。
【００８６】
また、式（２）の係数ｋの値を変更したり、式（３）の関数ｆを変更したりすることにより、高画質モードや長時間モードを実現するようにしてもよい。
【００８７】
以上で、ｎ番目の画像に対応する被符号化画像信号が符号化されたことになる。次に、ｎ＋１番目の画像に対応する被符号化画像信号に対する画像圧縮処理として、ステップＳ１以降の処理が行われることになる。以上で、画像圧縮処理の説明を終了する。
【００８８】
ところで、上述した画像圧縮処理では、予想予測残差PRED(n)の算出に１画像前の実際の予測残差SAD(n-1)を利用しているので、１番目の画像（例えば、シーケンスの先頭のＩピクチャ）に対する予想予測残差PRED(1)が算出されない。したがって、１番目の画像に対する目標符号量BIT_TGT(1)も算出されない。そこで、符号化部５は、１番目の画像に対しては、予め設定されている目標符号量BITの符号が発生されるような最適な量子化スケールＱＰを算出して、１番目の画像を符号化する。
【００８９】
図１２は、１番目の画像の符号化に関わる箇所に限定した符号化部５の構成例を示している。図１２において、全段からのＩピクチャの被符号化画像信号は、イントラ予測部４１、イントラ予測残差演算部４２、および直交変換部４４に入力される。
【００９０】
イントラ予測部４１は、入力されたＩピクチャの被符号化画像信号に対応するイントラ予測画像を生成してイントラ予測残差演算部４２に出力する。イントラ予測残差演算部４２は、イントラ予測部４１から入力されたイントラ予測画像と、原画であるＩピクチャとの差であるイントラ予測残差を演算して、レート制御部４３に出力する。レート制御部４３は、イントラ予測残差演算部４２から入力された、Ｉピクチャに対応するイントラ予測残差に基づき、量子化スケールＱＰを算出して量子化部４５に出力する。直交変換部４４は、入力されるＩピクチャの被符号化画像信号に対し、離散コサイン変換やカルーネン・レーベ変換等の直交変換処理を施し、その処理結果としてられる変換係数を量子化部４５に出力する。量子化部４５は、直交変換部４４から入力された変換係数を、レート制御部４３から入力される量子化スケールＱＰに従って量子化し、可逆符号化部４６に出力する。可逆符号化部４６は、量子化部４５から入力された、量子化された変換係数を符号化して符号化画像信号を生成する。
【００９１】
次に、Ｉピクチャに対応するイントラ予測残差に基づき、量子化スケールＱＰを算出しするレート制御部４３の処理について説明する。図１３の線分９１−Ａ，９１−Ｂ，９１−Ｃは、それぞれ異なるシーケンスの先頭のＩピクチャを、量子化スケールＱＰの値をいろいろに変えて符号化した際の、量子化スケールＱＰと発生符号量BITの関係を示している。図１３において、縦軸は、発生符号量BITの対数ln(BIT)であり、横軸は、量子化スケールＱＰである。
【００９２】
線分９１−Ａ乃至９１−Ｃから明らかなように、いずれのシーケンスでも、発生符号量の対数ln(BIT)は、量子化スケールＱＰの増加に対してほぼ直線的に減少することがわかる。なお、上述した発生符号量の対数ln(BIT)と量子化スケールＱＰとの関係は一般周知である。
【００９３】
ここで、各シーケンスの先頭のＩピクチャを符号化した際の発生符号量BITを、次式（８）に示すように、それぞれに対応するＩピクチャのイントラ予測残差ERRORで正規化した値NORM_BITの対数ln(NORM_BIT)を演算し、量子化スケールＱＰと対応付けてプロットすると、図１４に示すように、図１３においては互いに独立していた線分９１−Ａ，９１−Ｂ，９１−Ｃが、図１４に示されるように、１本の直線状に凝集されることが確認できる。
NORM_BIT＝BIT・(NORM／ERROR)                                    …（８）
【００９４】
ただし、NORMは任意の定数である。また、図１４において、縦軸は、イントラ予測残差ERRORで正規化された発生符号量BITの対数ln（NORM_BIT）であり、横軸は、量子化スケールＱＰである。
【００９５】
この線分の凝集は、図１５に示すように、１本の直線（以下、代表直線と記述する）で近似することができる。この代表直線１０１を、量子化スケールＱＰを独立変数とする１次関数によって表記すれば、次式（９）に示す通りとなる。ただし、式（９）において、ａは代表直線１０１の傾き、ｂは代表直線１０１の縦軸との切片であり、図１４に示されたプロット結果に基づき、予め算出する必要がある。
ln（BIT・(NORM／ERROR)）＝ａ・ＱＰ＋ｂ                          …（９）
【００９６】
式（９）を変形すれば、発生符号量BITを実現するための量子化スケールＱＰを算出することが可能な次式（１０）となる。
ＱＰ＝（ln（BIT・(NORM／ERROR)）−ｂ）／ａ                    …（１０）
【００９７】
従って、レート制御部４３において、式（１０）を用いれば、シーケンスの先頭のＩピクチャを符号化した際に、所望の発生符号量BITを実現することができる量子化スケールＱＰを算出することができる。この操作は、図１５において、所望の発生符号量１０２から代表直線１０１をたどって量子化スケール１０３を求めたことになる。なお、レート制御部４３には、式（１０）のBIT，NORM，ａ、およびｂを予め供給しておくものとする。式（１０）のイントラ予測残差ERRORは、イントラ予測残差演算部４２からレート制御部４３に供給されているものを用いるが、必要ならば、擬似予測残差予測部３を構成するイントラ予測部１１で代用してもよい。
【００９８】
シーケンスの先頭のＩピクチャを符号化する符号化部５の動作について、図１６を参照して説明する。ステップＳ４１において、イントラ予測部４１は、入力されたＩピクチャの被符号化画像信号に対応するイントラ予測画像を生成してイントラ予測残差演算部４２に出力する。イントラ予測残差演算部４２は、イントラ予測部４１から入力されたイントラ予測画像と、原画であるＩピクチャとの差であるイントラ予測残差を演算して、レート制御部４３に出力する。
【００９９】
ステップＳ４２において、レート制御部４３は、式（８）に示されたように、予め設定されている目標符号量BITを、イントラ予測残差演算部４２から入力されたイントラ予測残差ERRORで正規化し、ステップＳ４３において、式（１０）に示されたように、正規化された目標符号量の対数からｂを減算し、その演算結果をａで除算することにより、量子化スケールＱＰを算出して量子化部４５に出力する。なお、ステップＳ４１乃至Ｓ４３の処理が実行されている間において、直交変換部４４は、入力されたＩピクチャの被符号化画像信号に対して直交変換処理を施し、その処理結果としてられる変換係数を量子化部４５に出力している。ステップＳ４４において、量子化部４５は、直交変換部４４から入力された変換係数を、レート制御部４３から入力される量子化スケールＱＰに従って量子化し、可逆符号化部４６に出力する。可逆符号化部４６は、量子化部４５から入力された、量子化された変換係数を符号化して符号化画像信号を生成する。以上で、シーケンスの先頭のＩピクチャを符号化する符号化部５の動作の説明を終了する。
【０１００】
また、以上説明した符号化部５の動作は、シーケンスの先頭のＩピクチャのみならず、例えば、シーンチェンジ直後のＩピクチャに対して適用してもよいし、通常のＩピクチャに対しても適用可能である。
【０１０１】
以上説明した動作は、符号化部５において、特別に大きな計算量を必要とせず、また通号の符号化装置に備えられていないような特別な回路構成も必要としない、上述した動作は、適用できるシーケンスの幅が広く、当たり外れの差が小さい（最適ではない場合でも、その影響が小さい）、広範囲の圧縮率に適用することができるという効果を有する。
【０１０２】
ところで、本発明は、ディジタルビデオカメラにも適用することができる。図１７は、本発明を適用したディジタルビデオカメラの構成例を示している。このディジタルビデオカメラ２００は、被写体を撮影して被符号化画像信号を取得し、取得した被符号化画像信号を、上述した画像信号処理装置１と同様に、圧縮符号化して符号化画像信号を生成し、生成した符号化画像信号を記録媒体に記録するものである。
【０１０３】
ディジタルビデオカメラ２００は、大別すると、カメラ部２０１、カメラDSP(Digital Signal Processor)２０２、および制御部２０５から構成される。さらに、ディジタルビデオカメラ２００は、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory２０３、媒体インタフェース(I/F)２０４、操作部２０６、LCD(Liquid Crystal Display)コントローラ２０７、LCD２０８、外部インタフェース(I/F)２０９、および着脱可能な記録媒体２１０から構成される。
【０１０４】
記録媒体２１０は、半導体メモリを用いたいわゆるメモリカード、記録可能なDVD(Digital Versatile Disk)や記録可能なＣＤ(Compact Disc)等の光記録媒体、磁気ディスクなどの種々のものを用いるようにすることが考えられるが、本実施の形態においては、記録媒体２１０として例えばメモリカードを用いるものとして説明する。
【０１０５】
カメラ部２０１は、光学ブロック２１１、CCD(Charge Coupled Device)２１２、前処理回路２１３、光学ブロック用ドライバ２１４、CCD用ドライバ２１５、およびタイミング生成回路２１６から構成される。ここで、光学ブロック２１１は、レンズ、フォーカス機構、シャッタ機構、絞り（アイリス）機構などを備えたものである。
【０１０６】
制御部２０５は、CPU(Central Processing Unit)２５１、RAM(Random Access Memory)２５２、フラッシュROM(Read Only Memory)２５３、および時計回路２５４が、システムバス２５５を介して接続されているマイクロコンピュータであり、ディジタルビデオカメラ２００の各部を制御することができるものである。
【０１０７】
RAM２５２は、処理の途中結果を一時記憶する等、主に作業領域として用いられるものである。フラッシュROM２５３は、CPU２５１において実行する種々のプログラムや、処理に必要になるデータなどが記憶されたものである。また、時計回路２５４は、現在年月日、現在曜日、現在時刻を出力することができるものである。
【０１０８】
制御部２０５は、画像の撮影時においては光学ブロック用ドライバ２１４を制御し、光学ブロック２１１を動作させるための駆動信号を形成させて光学ブロック２１１を動作させる。これに対応して、光学ブロック２１１は、フォーカス機構、シャッタ機構、絞り機構を制御することにより、被写体の光画像を取得して、これをCCD２１２に集光する。
【０１０９】
CCD２１２は、光学ブロック２１１からの画像を光電変換して出力するものであり、CCDドライバ２１５からの駆動信号に応じて動作し、光学ブロック２１１からの被写体の光画像を取り込むとともに、制御部２０５によって制御されるタイミング生成回路２１６からのタイミング信号に基づいて、取り込んだ被写体の画像（画像情報）を電気信号として前処理回路２１３に供給する。なお、上述のように、タイミング生成回路２１６は、制御部２０５からの制御に応じて、所定のタイミングを提供するタイミング信号を形成するものである。また、CCDドライバ２１５は、タイミング生成回路２１６からのタイミング信号に基づいて、CCD２１２に供給する駆動信号を形成するものである。
【０１１０】
前処理回路２１３は、CCD２１２から入力された電気信号の画像情報に対して、CDS(Correlated Double Sampling)処理を行って、S/Nを良好に保つようにするとともに、AGC(Automatic Gain Control)処理を行って、利得を制御し、そして、A/D(Analog/Digital)変換を行って、ディジタル信号とされた画像データ（以下、被符号化画像信号と記述する）を形成し、DSP２０２に出力する。
【０１１１】
DSP２０２のAF AE AWB処理部２２１は、カメラ部１から供給された被符号化画像信号に対して、ＡＦ(Auto Focus)、ＡＥ(Auto Exposure)、AWB(Auto White Balance)等のカメラ信号処理を施す。圧縮部２２２は、種々のカメラ信号処理が施された被符号化画像信号を圧縮符号化して符号化画像信号を生成する。なお、圧縮部２２２は、図１の画像信号処理装置１と同様に構成され、また同様に動作するものであるので、その詳細な説明は省略する。
【０１１２】
圧縮部２２２によって生成された符号化画像信号は、システムバス２５５、および媒体I/F２０４を介して記録媒体２１０に記録される。解凍部２２３は、操作部２０６に対するユーザの操作入力に応じて記録媒体２１０から読み出された符号化画像信号の解凍処理（伸張処理）を行い、解凍後の画像信号を、システムバス２５５を介してLCDコントローラ２０７に供給する。LCDコントローラ２０７は、供給された画像信号をLCD２０８に適したフォーマットに変換してLCD２０８に供給する。これにより、記録媒体２１０に記録されている符号化画像信号に応じた画像が、LCD２０８の表示画面に表示される。
【０１１３】
外部I/F２０９は、例えば外部のパーソナルコンピュータと接続して、パーソナルコンピュータから符号化画像信号の供給を受けたり、記録媒体２１０に記録されている符号化画像信号を外部のパーソナルコンピュータ等に供給したりする。また、外部I/F２０９に通信モジュールを接続することにより、例えば、インタネット等のネットワークに接続して、ネットワークを通じて種々のデータを授受したりする。なお、外部I/F２０９は、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)1394、USB(Universal Serial Bus)などの有線用インタフェースとして設けることも可能であるし、光や電波による無線インタフェースとして設けることも可能である。すなわち、外部I/F２０９は、有線、無線のいずれのインタフェースであってもよい。
【０１１４】
ところで、一連の処理は、画像信号処理装置１やディジタルビデオカメラ２００のようにハードウェアによって実行させることもできるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば図１８に示されるように構成された汎用のパーソナルコンピュータ３００に、記録媒体等からインストールされる。
【０１１５】
図１８に示されたパーソナルコンピュータ３００は、CPU３０１を内蔵している。CPU３０１にはバス３０４を介して、入出力インタフェース３０５が接続されている。バス３０４には、ROM３０２およびRAM３０３が接続されている。
【０１１６】
入出力インタフェース３０５には、ユーザが操作コマンドを入力するキーボード、マウス、リモートコントローラなどの入力デバイスよりなる入力部３０６、映像や音声を出力する出力部３０７、プログラムや各種データを格納するハードディスクドライブなどよりなる記憶部３０８、インタネットに代表されるネットワークを介して通信処理を実行する通信部３０９、および記録媒体３１１に対してデータを読み書きするドライブ３１０が接続されている。
【０１１７】
上述した一連の処理をパーソナルコンピュータ３００に実行させるプログラムは、記録媒体３１１に格納された状態でパーソナルコンピュータに供給され、ドライブ３１０によって読み出されて記憶部３０８に内蔵されるハードディスクドライブにインストールされている。記憶部３０８にインストールされているプログラムは、入力部３０６に入力されるユーザの操作に対応するCPU３０１の指令によって、記憶部３０８からRAM３０３にロードされて実行される。
【０１１８】
なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に従って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明を適用した画像信号処理装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の疑似予測残差生成部の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１の予測残差予想部の構成例を示すブロック図である。
【図４】図１の目標符号量決定部の構成例を示すブロック図である。
【図５】画像信号処理装置による画像圧縮処理を説明するフローチャートである。
【図６】図５のステップＳ１を詳細に説明するフローチャートである。
【図７】図５のステップＳ２を詳細に説明するフローチャートである。
【図８】図５のステップＳ３を詳細に説明するフローチャートである。
【図９】任意のシーケンスに対するVBR目標符号量BIT_VBR(n)を示す図である。
【図１０】任意のシーケンスに対する目標符号量BIT_TGT(n)を示す図である。
【図１１】シーケンスの難易度に対する目標符号量BIT_TGTの変化を示す図である。
【図１２】図１の符号化部５の構成例を示すブロック図である。
【図１３】量子化スケールと発生符号量の対数との関係を示す図である。
【図１４】量子化スケールと予測残差により正規化された発生符号量の対数との関係を示す図である。
【図１５】量子化スケールと予測残差により正規化された発生符号量の対数との関係を２次関数で近似した図である。
【図１６】シーケンス先頭のＩピクチャに対する符号化処理を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明を適用したディジタルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。
【図１８】本発明を適用したパーソナルコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１  画像信号処理装置，  ２  疑似予測残差生成部，  ３  予測残差予想部，  ４  目標符号量決定部，  ５  符号化部，  １１  イントラ予測部，  １２  インター予測部，  １３，１４  差分器，  １５  比較部，  ２１  予測残差計算部，  ３１  VBR割り当て部，  ３２  CBR割り当て部，  ３３  比較部，  ４１  イントラ予測部，  ４２  イントラ予測残差演算部，  ４３  レート制御部，  ４５  量子化部，  ２０１  カメラ部，  ２２２  圧縮部，  ３０１  CPU，  ３１１  記録媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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