(57)【要約】歪レベルの選択を可能にするビデオエンコーダ（30）が、目標歪レベルを選択する選択システム（32）と、前記目標歪レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータqを決定し、前記量子化パラメータqの関数である分散を持つガウス分布を使用する、歪を計算するアルゴリズムを含むシステム（34）とを有する。前記アルゴリズムは、歪モデルD(q)=N(a1q2+a2q+a3, b1q2+b2q+b3)に基づき、ここでNはガウス分布であり、a1、a2、a3、b1、b2及びb3は歪モデルパラメータである。
2004531950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のクオリティレベルを満たす量子化パラメータqを決定する方法であって、
Nがガウス分布であり、a1、a2、a3、b1、b2及びb3が歪モデルパラメータであるような歪モデルD(q)=N(a1q2+a2q+a3, b1q2+b2q+b3)を設けるステップと、
目標歪レベルを選択するステップと、
前記歪モデルD(q)の上限が、前記目標歪レベル以下になるような前記量子化パラメータqを計算するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
さらに、前記計算された量子化パラメータqに基づいてビットレートを決定するステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記量子化パラメータqが、連続した値1、2、3．．．Qのセットから選択され、Qが自然数である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記量子化パラメータqを計算する前記ステップが、D(q)の上限が前記選択された目標歪レベル以下になるまで、Qから1までの連続した値のセットの各々を反復的にテストするステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記歪モデルD(q)が２乗平均平方根RMS(q)として表される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記歪モデルパラメータが最尤推定量の統計的方法を使用して推定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記歪モデルD(q)の前記上限が、D(q)=a1q2+a2q+a3+λ*sqrt(b1q2+b2q+b3)と計算され、λが信頼レベル定数である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
クオリティレベル選択能力を持つ符号化システムであり、
目標歪レベルを選択するシステムと、
量子化パラメータの関数として歪レベルを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を含む歪モデルと、
前記歪レベルが前記目標歪レベルを超えないような前記量子化パラメータを計算するシステムと、
を有する符号化システム。
【請求項９】
さらに、前記計算された量子化パラメータの関数としてビットレートを計算するシステムを有する、請求項８に記載の符号化システム。
【請求項１０】
前記歪モデルが、
D(q)=N(a1q2+a2q+a3, b1q2+b2q+b3)
と定義され、
qが前記量子化パラメータ、Nがガウス分布、並びにa1、a2、a3、b1、b2及びb3が歪モデルパラメータである、
請求項８に記載の符号化システム。
【請求項１１】
前記歪レベルの上限が、前記歪モデルにより、
Dupper(q)=a1q2+a2q+a3+λ*sqrt(b1q2+b2q+b3)
と定義され、
λが信頼レベル定数である、
請求項１０に記載の符号化システム。
【請求項１２】
さらに、前記歪モデルパラメータを推定するシステムを有する、請求項１０に記載の符号化システム。
【請求項１３】
前記量子化パラメータを計算する前記システムが、自然数の量子化パラメータ値を反復してテストするようなアルゴリズムを使用する、請求項８に記載の符号化システム。
【請求項１４】
歪レベルの選択を可能にするビデオエンコーダであって、
目標歪レベルを選択する選択システムと、
前記選択された目標歪レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を使用する、歪を計算するアルゴリズムを含むシステムと、
を有する、ビデオエンコーダ。
【請求項１５】
さらに、前記量子化パラメータの関数としてビットレートを選択するシステムを有する、請求項１４に記載のビデオエンコーダ。
【請求項１６】
所定の量子化レベルqに対する歪の上限Dupperが、以下のように計算され、
Dupper(q)=a1q2+a2q+a3+λ* sqrt(b1q2+b2q+b3)
a1、a2、a3、b1、b2及びb3が歪モデルパラメータであり、λが信頼レベル定数である、
請求項１４に記載のビデオエンコーダ。
【請求項１７】
所定の量子化レベルqに対する前記歪Dが以下のように計算され、
D(q)=N(a1q2+a2q+a3,b1q2+b2q+b3)
Nがガウス分布であり、a1、a2、a3、b1、b2及びb3が歪モデルパラメータである、
請求項１４に記載のビデオエンコーダ。
【請求項１８】
実行された場合に、符号化演算において歪レベルの選択を可能にする、記録可能媒体に記憶されたプログラムプロダクトであって、
目標歪レベルを選択する選択システムと、
前記選択された目標歪レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を使用する、歪を計算するアルゴリズムを含むシステムと、
を有する、プログラムプロダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル通信システムに関し、より詳細には、歪を量子化パラメータの関数としてモデル化するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピューティング及びインターネットの出現と共に、デジタルデータ及び特にデジタルビデオデータの伝送に対して莫大な需要が創造されている。しかしながら、電話線のような低容量通信チャネルによりビデオデータを伝送する能力は、進行中の課題のままである。
【０００３】
この問題に取り組むために、システムが開発されていて、そこではビデオ信号の符号化された表現が、独立に操作されることができるビデオ要素又はオブジェクトに分割される。例えば、MPEG-4は、ビデオオブジェクトのセットを使用する、the Moving Picture Experts Group（MPEG）により開発された圧縮規格である。この技術を使用して、異なるビットレートが異なる視覚的オブジェクトに対して割り当てられることができる。このように、より重要なデータ（例えば顔の特徴）は、重要ではないデータ（例えば背景の特徴）より高いビットレート、従って、より低い歪において符号化され、伝送されることができる。
【０００４】
帯域幅が品不足なので、重要な課題の１つは、各視覚的オブジェクトに対する歪の要求を満たすビットレートを効率的に選択することができるようにすることである。理想的には、ビットレートは、前記視覚的オブジェクトに対する歪が、選択された閾値を超えないことを保証するのに必要なビットレートより高くならないように選択されるべきである。残念ながら、このような符号化方式に導入されることができるパラメータの数のために、対応するビットレートに対する歪レベルの予測は、複雑な問題である。よって、視覚的オブジェクトに対するビットレートを選択するプロセスは、依然として課題のままである。
【０００５】
１つの解決方法は、参考のためにこの明細書に添付される“Rate Control and Bit Allocation for MPEG-4,”by Ronda et al., IEEE Transactions on Circuits and Systems For Video Technology, Vol. 9, No. 8, December 1999と題される文書（以下“Ronda”とする）において教えられる。Rondaにおいて、歪Dが、
D(q)=a1q2+a2q+a3+N(0, σ2)、
として定義されるモデルが教えられる。ここでqは量子化パラメータ、Nはガウス分布、及びa1、a2、a3は歪モデルパラメータである。（MPEG-4システムにおいて、前記ビットレートはqの関数である。）しかしながら、このモデルに関する問題の１つは、このモデルが、多項式の平均と定数の分散を持つガウス分布を設けることである。このように、このモデルは、qの値にかかわらず、一般に不正確であり、特に低いビットレートの場合に不正確である定数分散ガウス分布を仮定する。
【０００６】
よって、符号化システムにおける歪をさらに正確にモデル化することができるシステムに対する必要性が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、歪D(q)が、量子化パラメータqの関数である一般的なガウス分布を持つランダム変数として計算されるような歪モデルを設けることにより、上述の問題及び他の問題を克服する。
【０００８】
第１の態様において、本発明は、所定のクオリティレベルを満たす量子化パラメータqを決定する方法を提供し、前記方法は、Nがガウス分布であり、a1、a2、a3、b1、b2及びb3が歪モデルパラメータである歪モデルD(q)=N(a1q2+a2q+a3, b1q2+b2q+b3)を設けるステップと、目標歪レベルを選択するステップと、前記歪モデルD(q)の上限が前記目標歪レベル以下になるような前記量子化パラメータqを計算するステップとを有する。
【０００９】
第２の態様において、本発明は、クオリティレベル選択能力を持つ符号化システムを提供し、前記符号化システムは、目標歪レベルを選択するシステムと、量子化パラメータの関数として歪レベルを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を含む歪モデルと、前記歪レベルが前記目標歪レベルを超えないような前記量子化パラメータを計算するシステムとを有する。
【００１０】
第３の態様において、本発明は、歪レベルの選択を可能にするビデオエンコーダを提供し、前記ビデオエンコーダは、目標歪レベルを選択する選択システムと、前記選択された目標レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を使用する、歪を計算するアルゴリズムを含むシステムとを有する。
【００１１】
第４の態様において、本発明は、実行された場合に、符号化演算における歪レベルの選択を可能にする、記録可能媒体に記憶されたプログラムプロダクトを提供し、前記プログラムプロダクトは、目標歪レベルを選択する選択システムと、前記選択された目標歪レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータを決定し、前記量子化パラメータの関数である分散を持つガウス分布を使用する、歪を計算するアルゴリズムを含むシステムとを有する。
【００１２】
本発明の好ましい模範的実施例は、同じ指定表示は同じ要素を示す添付図面と併せて下に記述されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
概観
本発明は、ユーザ及び／又はシステムが、伝送されるデータオブジェクトに対するクオリティレベル（即ち、歪）を選択することを可能にする選択的クオリティ通信システムを提供する。通信理論によると、通信チャネルは、前記チャネルにより無視できるエラーレートと適合されることができるようなビットレートにおける上限である許容範囲を持つことを特徴とする。この利用可能なビットレート内で圧縮データを伝送するためには、幾らかの情報は、放棄されなければならず、このように前記信号における歪を引き起こす。一般には、前記ビットレートが増加するごとに、レート・歪理論において実施されるように歪は減少し、逆もまた同様である。よって、ビットレートと歪との間での一致の識別は、特に電話線のような低容量チャネルの場合に、前記通信チャネルのより効率的な使用を可能にする。
【００１４】
ビットレートR及び歪Dの両方が、量子化パラメータqの関数である。MPEGシステムにおいて、qは、自然数1、２、．．．Qのセットから選択されることができる。qの調節は、ビットストリームにおけるDCT（離散コサイン変換）データのブロックの量子化レベルと、従って前記ビットレートとを変化することができる。このように、歪Dはqの関数なので、前記ビットレートは、歪の関数として計算されることができる。しかしながら、ビットレートを歪と関連付けるためには、人はまず歪Dと前記量子化パラメータqとの間の関係を正確に定義しなければならない。本発明は、下に記述された歪モデルを用いて上述の２つを関連付ける。
【００１５】
歪モデル
本実施例に従って、歪は、qの関数である一般的なガウス分布を持つランダム変数としてモデル化され、一般的な定義、
D(q)=N(m(q), σ2(q))
により与えられ、ここでNはガウス分布、m(q)は平均、及びσ2(q)は分散である。好ましい実施例において、前記平均及び分散は、前記量子化パラメータqの２次の多項式関数であり、
m(q)=a1q2+a2q+a3
σ2(q)=b1q2+b2q+b3
により与えられ、ここでa1、a2、a3、b1、b2及びb3は歪モデルパラメータであり、例えばよく知られた最尤推定量により解かれることができる。このように、D(q)=N(a1q2+a2q+a3, b1q2+b2q+b3)である。この方程式は、特に大きな量子化レベル（即ち小さなビットレート）の場合に、歪の振る舞いをより正確にモデル化する。
【００１６】
このモデルを示す模範的な曲線10が図１に描かれている。見られることができるように、曲線10は、qに依存した分散σ2(q)を含む。特に、qが1．．．Qまで増加すると、分散σ2(q)（即ち、可能な歪値の範囲）も増加する。これは、定数の分散を教える（上述された）Rondaと対比されることができる。所定のqに対する前記歪値の範囲は、上限12、平均m(q) 14、及び下限16を含む。上限12は、
Dupper(q)=a1q2+a2q+a3+λ*sqrt(b1q2+b2q+b3)
と定義されてもよく、ここでλは信頼レベル定数（例えば、３σ）である。
【００１７】
選択的クオリティ
本発明による前記歪モデルは、曲線10の上限12を明確に定義するので、目標クオリティレベル20を選択し、次いで前記目標クオリティレベルの順守を保証するであろう量子化パラメータqを決定することが可能である。例えば、図１に示されるように、目標クオリティレベル20は、点18において曲線10の上限と交差し、点19において平均m(q) 14と交差する。よって、目標クオリティレベル20に対して、量子化パラメータ値q1’の選択は、前記歪が曲線10の上限12を超えないことを保証する。このように、目標クオリティレベル20を選択し、次いで前記歪が前記目標クオリティレベルを超えないことを保証するであろう値qを決定することは可能である。
【００１８】
図２は、選択的クオリティを達成するためのクオリティシステム31を含むエンコーダシステム30を描く。エンコーダシステム30は、通信チャネルによる伝送のためにデジタルデータを符号化するどんな型式のシステム（例えば、MPEG-4エンコーダ）を有し得る。エンコーダシステム30は、MPEG-4システムにおけるビデオオブジェクトのようなビデオデータ42を受信し、選択されたクオリティ（即ち、歪）レベルを満たすのに適したビットレートを用いて符号化されているビットストリーム44を出力する。クオリティシステム31は、ユーザ又はシステムが、ビデオデータ42が従わなくてはならない歪レベルを選択することを可能にする目標歪選択システム32を含む。歪は、２乗平均平方根（rms）を含むいかなる既知の流儀においても選択、測定、及び実行されてもよく、ここでrms(q)≒N(m(q), σ2(q))である。
【００１９】
クオリティシステム31は、さらに前記選択された目標歪レベルの順守を保証するであろう量子化パラメータqを決定するq決定システム34を含む。q決定システム34は、前記量子化パラメータqの関数として歪レベルを決定する歪モデル36を含む。より詳細には、歪モデル36は、前記量子化パラメータqの関数である分散を持つガウス分布を含む。このようなモデルに対する模範的な実施例は、上述されている。モデル36は、入力されたqに対する歪の上限を計算するアルゴリズムとして実行され得る。例えば、上述されたように、上限Dupperは、
Dupper(q)=a1q2+a2q+a3+λ*sqrt(b1q2+b2q+b3)
と定義されてもよい。
【００２０】
選択された歪レベルを満たす適切なqを識別するためには、例えば、D(q)の上限が前記選択された目標歪レベル以下になるまで反復して連続したq値のセットの各々をテストする反復アルゴリズム38が使用されてもよい。下記のものは、rms≒Dの場合の反復アルゴリズム38に対する模範的な擬似コードである。
input selected quality level rms0;（選択されたクオリティレベルrms0を入力）
start loop q from 31 to 1（qの31から1までのループを開始）
if rms(q)≦rms0, then（もしrms(q)≦rms0ならば）
q’=q
end.（終了）
【００２１】
一度q’が識別されると、ビットレート計算システム40は、q’を満たすのに必要な関連したビットレートを決定するために使用されることができる。上述のように、ビットレートは、qの関数であるので、ビットレート計算システム40は、どんな既知の方式においても直ちに実行されることができる。
【００２２】
ここで記述された前記システム、機能、機構、及びモジュールが、ハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにおいて実行されることができることは理解される。これらは、ここに記述された前記方法を実行するコンピュータシステム又は他の装置のどんな型式によって実行されてもよい。ハードウェアとソフトウェアとの典型的な組み合わせは、ロードされ、実行された場合に、ここに記述された前記方法を実行するようなコンピュータシステムを制御するコンピュータプログラムを持つ汎用コンピュータシステムであることができる。代わりに、本発明の機能的タスクの１つ以上を実行するための専門ハードウェアを含む特殊用途コンピュータが使用されることができる。本発明は、また、ここで記述された前記方法及び機能の実行を可能にする全ての特徴を有し、コンピュータシステムにロードされた場合に、これらの方法及び機能を実行することができるコンピュータプログラムプロダクトに埋め込まれることもできる。本文脈におけるコンピュータプログラム、ソフトウェアプログラム、プログラム、プログラムプロダクト、又はソフトウェアは、情報処理能力を持つシステムに、（a）他の言語、コード若しくは表記法への変換、及び／又は（b）異なる形態における再生の何れか又は両方の後又は直接の何れかで特定の機能を実行させる意図の命令のセットの、どんな言語、コード又は表記法においても、どんな表現も定める。
【００２３】
本発明の前記好ましい実施例の上述したことは、例証及び描写の目的のために示されている。これらは、網羅するように又は本発明を開示された正確な形式に制限するようには意図されておらず、明らかに多くの修正及び変化は、上述の教えの観点から可能である。当業者に明らかなこのような修正及び変化は、添付請求項により定義されたように本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の好ましい実施例による歪モデル曲線を描く。
【図２】本発明によるクオリティ選択システムを持つエンコーダシステムを描く。
【国際公開パンフレット】
2004531950.tif 000003
2004531950.tif 000004
2004531950.tif 000005
2004531950.tif 000006
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2004531950.tif 000009
2004531950.tif 000010
2004531950.tif 000011
2004531950.tif 000012
2004531950.tif 000013
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004531950.tif 000014
【国際調査報告】
2004531950.tif 000015
2004531950.tif 000016
2004531950.tif 000017
2004531950.tif 000018