DE10140695C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Bewegung in einem Bild - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung einer Bewegung in einem BildInfo
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- H04N5/00—Details of television systems
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von bewegten Bereichen
eines Pixel aufweisenden Bildes, welches nach dem Zeilensprungverfahren (z. B. Fernseh
bild) erzeugt wurde, wobei das Bild zwei Halbbilder aufweist, wobei ein erstes Halbbild die
geradzahligen Zeilen des Bildes und das zweite Halbbild die ungeradzahligen Zeilen des
Bildes aufweist. Dabei wird unter einem Zeilensprungverfahren insbesondere verstanden,
daß zwischen beiden Halbbildern eine zeitliche Differenz (bezüglich der Aufzeichnung
oder Erzeugung) besteht, welche vorzugsweise der doppelten Vollbildfrequenz entspricht.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Film wird Videomaterial zumeist im Zeilen
sprungverfahren aufgezeichnet. Hierbei werden zunächst nur Bildzeilen mit ungeradem
Zeilenindex abgetastet, und dann mit einer zeitlichen Verzögerung (halber Vollbildabstand
= doppelte Vollbildfrequenz) die Bildzeilen mit geradem Zeilenindex. Die Zeilenfolge
beim Zeilensprungverfahren (Englisch: "interlacing") gemäß dem PAL-System ist daher
1, 3, 5 . . . 2, 4, 6 . . . Der Vorteil des aus der Fernsehtechnik stammenden Zeilensprungverfah
rens oder Zwischenzeilenverfahrens besteht insbesondere in der Vermeidung eines Flim
merns. Ein Pixel (aus dem Englischen "picture element") ist die kleinste Einteilung eines
Videoframes oder einer Rasterabtastlinie einer Anzeigeeinrichtung, wie z. B. eines Com
putermonitors oder dergleichen
Falls die aufgezeichnete Situation statisch ist, macht sich die dem Zeilensprungverfahren
inhärente zeitliche Verzögerung nicht bemerkbar und das erzielte Bild ist zu einem progres
siv abgetasteten Bild (Zeilenfolge: 1, 2, 3 . . .) identisch. Falls im Gegensatz dazu die aufge
zeichnete Situation Bewegung enthält, unterscheiden sich die beiden Halbbilder in den Be
reichen, in denen Bewegung stattfindet. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 5 ver
wiesen, aus welcher sich insbesondere die Entstehung des sogenannten "Kammeffekts"
bzw. von "Kammartefakten" ergibt. In der oberen Hälfte der Fig. 5 ist schematisch eine von
einer nicht dargestellten Kamera aufzunehmende Situation, bestehend aus einem unbeweg
lichen Objekt, illustriert durch einen Baum, und einem sich in Richtung des eingezeichneten
Pfeils bewegenden Objekt, illustriert durch ein Fahrzeug, dargestellt. Durch einen
punktierten Rahmen ist der Kameraausschnitt der Videokamera angezeigt. Die in der linken
oberen Hälfte der Fig. 5 dargestellte Situation geht dabei zeitlich der in der rechten oberen
Hälfte der Fig. 5 dargestellte Situation voraus. Man erkennt dies auch an dem größeren Ab
stand zwischen Fahrzeug und Baum in der rechten oberen Hälfte der Fig. 5. Der zeitliche
Abstand der beiden Situationen ist derart, daß das erste Halbbild die in der linken oberen
Hälfte der Fig. 5 dargestellte Situation erfaßt, und das zweite Halbbild die in der rechten
oberen Hälfte der Fig. 5 dargestellte Situation erfasst. Dies ist deutlich dem in der unteren
Hälfte der Fig. 5 dargestellten Kameraausschnitt erkennbar. Dabei sind die Pixel des ersten
Halbbildes schwarz und diejenigen des zweiten Halbbildes grau angezeigt. Man entnimmt
der Darstellung der Fig. 5 deutlich, daß die Abbildung des unbewegten Objekts unproble
matisch ist, während der Bildbereich, in welchem die Bewegung stattfindet, einen soge
nannten Kammeffekt aufweist. Hierzu sei auf die hintere Kontur des Fahrzeugs aufmerk
sam gemacht. Grundsätzlich gilt, daß, wenn das Bild bewegte Anteile aufweist, sich die
beiden Halbbilder in den Bereichen, in denen Bewegung stattfindet, unterscheiden. Dieser
Kammeffekt ist mit bloßem Auge erkennbar und wirkt als beunruhigender Faktor bzw.
Flackern bei der Betrachtung des Bildes, insbesondere wenn ein Standbild oder Einzelbild
generiert werden soll. Es sei bemerkt, daß für die Entstehung des Kammeffekts grundsätz
lich eine Relativbewegung zwischen Kamera und aufzuzeichnender Situation entscheidend
ist. Selbst eine unbewegte Szene kann daher durch den Kammeffekt bei einer starken Ka
merabewegung beeinträchtigt sein.
Wenn das Bild im Originalzustand angezeigt wird, stört, wie oben erläutert, der Kam
meffekt. Um diesem abzuhelfen, könnte beispielsweise zur Erzeugung eines Standbildes
lediglich ein Halbbild angezeigt werden. Dies ist aber keine befriedigende Lösung. In die
sem Fall leidet die Bildwiedergabequalität, da nur die halbe vertikale Auflösung aus einem
Halbbild gewonnen werden kann. Die Bewegung kann grundsätzlich auch durch Vergleich
zeitlich aufeinanderfolgender Vollbilder erfasst werden, wobei dieser Ansatz aber z. B. dann
versagt, wenn es sich um eine periodische Bewegung (z. B. Windrad) handelt oder wenn
ein schlechter Kontrastunterschied vorliegt oder wenn überhaupt keine Vergleichsbilder
vorhanden sind.
Aus der deutschen Patentschrift DE 29 37 284 C2 ist ein Verfahren zum Feststellen einer Bewe
gung in einem Videobild bekannt, bei dem eine Bewegung an einer Vielzahl von Bildpunkten
wahrgenommen und dann festgestellt wird, dass eine Bewegung im Bild aufgetreten ist, wenn
sich der Bildinhalt an wenigstens einigen Bildpunkten bewegt hat, wobei für jeden Bildpunkt in
einem gewählten Bildbereich eine Bewegung wahrgenommen und mit einem Schwellenwert
verglichen wird, und eine Bewegung im Bild dann festgestellt wird, wenn der Schwellenwert an
einer bestimmten Anzahl von Bildpunkten im gewählten Bildbereich überschritten wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu
vermeiden, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiterzubilden, mit
welchem auf einfache Weise eine Bewegung in einem Bild, insbesondere einem Videofra
me bzw. -bild, detektiert werden kann, welches für eine Vielzahl von unterschiedlichem
Videomaterial einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
für wenigstens drei aufeinanderfolgende Pixel derselben Spalte, wobei eines der Pixel aus
einem Halbbild stammt und die beiden anderen aus dem anderen Halbbild stammen, eine
Auswertung der wenigstens drei Pixel bezüglich eines Pixel-Parameters durchgeführt wird,
wobei abhängig von dem Ergebnis der Auswertung eine Bewegung in einem Bereich des
Bildes, welcher wenigstens eines der drei Pixel aufweist, erkannt wird.
Ein Vorteil besteht darin, daß durch das vorliegende Verfahren der Kammeffekt automa
tisch, und insbesondere selektiv für verschiedene Bereiche des Bildes detektiert werden
kann. Die detektierten Bereiche können editiert und damit die Wiedergabequalität verbes
sert werden. Insbesondere ist dies für Anwendungen zur Erzeugung eines Standbildes oder
bei einer Vergrößerung eines Bild(ausschnitts) vorteilhaft.
Ein weiterer besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es neben der
Videobearbeitung auch für andere Zwecke einsetzbar ist, wie z. B. für Sicherheitsan
wendungen. Beispielsweise für eine zur Überwachung eingesetzten Videokamera kann mit
Hilfe des vorliegenden Verfahrens eine Bewegung auf eine einfache Weise erkannt werden.
Besonders gut ist das Verfahren einsetzbar, wenn die Kamera eine unbewegte Szene über
wacht, und jegliche Bewegung grundsätzlich geeignet ist einen Alarm auszulösen. Auch
kann die vorliegende Erfindung bei einer Vielzahl von derartigen Überwachungskameras
simultan verwendet werden und nahezu in Echtzeit einen Alarm auslösen.
Vorteilhafterweise ist die Auswertung ein Vergleich, wobei zwei Sprünge in den Pixel-
Parameterwerten der aufeinanderfolgenden Pixel anzeigen, daß in dem Bereich eine Bewe
gung vorliegt, während ein oder kein Sprung in den Pixel-Parameterwerten anzeigt, daß in
dem Bereich keine Bewegung vorliegt. Für eine Reihe von Situationen bzw. Ausgangsbil
dern ist dieses Verfahren ausreichend. Es findet allerdings dann seine Grenze, wenn die
zwei Sprünge anstelle durch einen Kammeffekt durch den Hintergrund verursacht wurden.
Bevorzugt ist der Pixel-Parameterwert ein oder mehrere Parameter eines Farbraums. Als
Farbraum kommt hierbei grundsätzlich jeder Farbraum in Frage. Dabei ist ein Farbraum
eine mathematische Darstellung eines Satzes von Farben. Lediglich zur Illustration der
vorliegenden Erfindung seien der RGB-Raum (verwendet in der Computergraphik und der
Farbfernsehtechnologie), der YIQ-, YUV-, und YCbCr-Raum (verwendet bei der Ausstrah
lung und bei Fernsehsystemen) und der CMYK-Raum (verwendet beim Farbdruck) ge
nannt. Zwischen diesen Räumen kann durch Umrechnungsformeln gewechselt werden. Für
die Bearbeitung von Videoframes ist als Farbraum der YCbCr-Farbraum bevorzugt. Das
Verfahren wird vorzugsweise mit einem Pixel-Parameterwert durchgeführt, es ist aber auch
möglich das Verfahren mehrfach mit unterschiedlichen Pixel-Parameterwerten durchzufüh
ren bzw. auch für unterschiedliche Bereiche des Bildes oder unterschiedliche Bilder eines
Films verschiedene Pixel-Parameterwerte zur Auswertung heranzuziehen.
Ein für die Auswertung bevorzugter Pixel-Parameter ist die Luminanz (Luma) Y, d. h. die
Helligkeitsinformation. Grundsätzlich kann jeder Parameter eines Farbraums, z. B. auch die
Chrominanz (Chroma) Cb und/oder Cr, d. h. die Farbinformation, oder eine andere, insbe
sondere davon abgeleitete, Größe verwendet werden.
Vorteilhafterweise werden auf die Pixel-Parameter der wenigstens drei Pixel eine Fourier
transformation angewendet, woraus entsprechende Fourierkoeffizienten erhalten werden.
Eine Bewegung wird erkannt, wenn wenigstens einer der Fourierkoeffizienten ein vorgege
benes Kriterium erfüllt. Durch die Fouriertransformation gelingt es, die absoluten Werte
der Pixel-Parameter der ausgewählten Pixelgruppe, d. h. den DC-Anteil, zu unterdrücken
und stattdessen Informationen über die für den Kammeffekt charakteristischen räumlichen
Frequenzen zu erhalten.
Grundsätzlich ist die Auswahl der Anzahl der Gruppe von Pixeln wichtig, welche der Aus
wertung unterzogen werden. Hierbei muß eine Abwägung von unterschiedlichen Kriterien
gemacht werden. Enthält die Gruppe viele Pixel, so erhöht sich der Rechenaufwand. Eben
falls ist dann die Aussagekraft einer in dem Bereich der vielen Pixel detektierten Bewegung
begrenzt, und macht insbesondere ein Nachbearbeitung des Bildes schwierig. In der Praxis
wurde herausgefunden, daß eine Gruppe von vier Pixeln (xm, m = 0, 1, 2, 3) bevorzugt ist.
Dies liegt daran, daß mit drei Pixeln der Kammeffekt noch nicht in allen Fällen mit ausrei
chender Sicherheit detektiert werden kann.
In diesem Fall ist bevorzugt, daß die Fourierkoeffizienten durch folgende Formel bestimmt
werden
wobei als Kriterium zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und
wobei S eine vorgegebener bzw. vorgebbarer Schwellenwert ist.
Vorteilhafterweise werden die Fourierkoeffizienten unmittelbar durch folgende Formel be
stimmt
wobei X+ 02 = x0 + x2, X+ 13 = x1 + x3, X- 02 = x0 - x2 und X- 13 = x1 - x3 gilt, wobei als Kriteri
um zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und wobei S eine vorgegebener
bzw. vorgebbarer Schwellenwert ist. Auf diese Weise muß nicht jedes Mal die
Fouriertransformation durchgeführt werden, sondern lediglich deren Ergebnis kann nach
den obigen Formeln unmittelbar berechnet werden.
Dabei wurde durch die vorliegende Erfindung erkannt, daß die Größe
|Y2|:|Y1|
ein Maß für den Grad der Bewegung repräsentiert. Das Auffinden einer derartigen Größe
ist insbesondere deshalb bevorzugt, da abhängig von der Stärke der Bewegung unter
schiedliche Korrekturmaßnahmen für das Bild eingeleitet werden können. Im einfachsten
Fall, wenn keine signifikante Bewegung erkannt wird, wird in diesem Bereich des Bildes
keine weitergehende Bearbeitung durchgeführt. Ebenso kann diese Größe mit einem vor
eingestellten Alarmparameter verglichen werden. Dabei kann der Alarm ein sicher
heitstechnischer Alarm sein, der beispielsweise Wach- oder Sicherheitspersonal vom Auf
treten einer Bewegung unterrichtet; der "Alarm" kann aber auch lediglich dazu verwendet
werden, um einem Videotechniker anzuzeigen, daß die Bildqualität durch den Kammeffekt
verschlechtert ist.
Um einen abgestuften Alarm vorzusehen ist bevorzugt, daß mehrere Schwellenwerte vor
gegeben werden, wobei je nach dem höchsten Schwellenwert, für den die Bewertungsgröße
|Y2|:|Y1| größer oder gleich diesem Schwellenwert ist, der Grad der Bewegung bestimmt
wird.
Durch Versuche mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Bildern, die von vielen unter
schiedlichen Aufnahmeeinrichtungen aufgezeichnet wurden, wurde herausgefunden, daß,
wenn der Schwellenwert S in einem Wertebereich von S kleiner oder gleich 30, insbeson
dere von ungefähr 5 bis ungefähr 15 liegt, und vorzugsweise etwa 8 ist, eine optimale Er
kennung der Bewegung herausgefunden werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Abtastung des Bildes oder eines Teilbereiches hiervon, dadurch,
daß wenigstens ein Teil des Bildes spaltenweise, insbesondere von links nach rechts, mit
jeweils einer Gruppe von wenigstens drei übereinanderliegenden Pixel derselben Spalte ab
getastet wird, wobei nach dem Durchlauf durch im wesentlichen alle Spalten, die Abtastung
verschoben um im wesentlichen eine Zeile wiederholt wird. Das erfindungsgemäße Verfah
ren muß daher nicht unbedingt auf das gesamte Bild angewendet werden. Es kann ohne je
de Beeinträchtigung auch auf Bildausschnitte angewandt werden, solange diese mindestens
drei Zeilen bzw. eine Anzahl von Zeilen entsprechend der verwendeten Pixelanzahl (bevor
zugt sind vier Pixel bzw. Zeilen) aufweisen. Beispielsweise können auch unkritische Berei
che, z. B. Randbereiche, ausgespart werden.
Dabei ist vorteilhafterweise der Bereich des Bildes, in dem eine Bewegung erkannt wird,
ein einzelnes Pixel, wobei das einzelne Pixel vorzugsweise eines der inneren Pixel bezüg
lich der Gruppe von Pixeln ist. Insbesondere für den Fall, daß vier Pixel verwendet werden
ist bevorzugt, daß das einzelne Pixel das Pixel mit der zweitniedrigsten Zeilennummer ist.
Insbesondere bei sicherheitstechnischen Anwendungen, aber auch zur automatischen Prü
fung von Bildmaterial ist bevorzugt, daß ansprechend auf die Erkennung einer Bewegung
in dem Bild ein Alarm ausgelöst wird. Der Alarm kann dabei insbesondere ein visueller
und/oder akustischer Alarm sein.
Vorzugsweise wird das Bild nach der Erkennung einer Bewegung in der Weise nachbear
beitet, daß in Bereichen in denen keine Bewegung vorliegt, das Bild unverändert über
nommen wird, während zur Darstellung von Bereichen des Bildes in denen Bewegung er
kannt worden ist, lediglich Pixelinformation aus einem Halbbild verwendet wird. Dabei ist
es von Vorteil, daß die Wahrnehmung durch das menschliche Auge bei der Erkennung von
Bewegung ohnehin entsprechende Mechanismen besitzt, um die Bewegung besonders gut
zu erfassen. Insbesondere wirkt dieser Mechanismus auch dahingehend, die auf diese Wei
se bearbeiteten Bilder optisch als von guter Qualität wahrzunehmen.
Genauer wird für eine Stelle des Bildes, in denen Bewegung erkannt worden ist, zur Dar
stellung lediglich der Pixelwert aus einem Halbbild verwendet wird, wobei an jeweiligen
Stellen des anderen Halbbildes, an welchen ebenfalls Bewegung erkannt wurde und die be
nachbart zu der Stelle sind, Ersatzwerte verwendet werden, welche durch eine Interpolation
von Pixelwerten des einen Halbbildes aus einer Umgebung der Stelle erhalten werden.
Vorzugsweise reicht die Umgebung der Stelle, welche zur Interpolation herangezogen wird,
in etwa bis zum dritten aufeinanderfolgenden Pixel des einen Halbbildes. Lediglich die Be
rücksichtigung der unmittelbar benachbarten Pixel ist zwar für manche Fälle ausreichend,
stellt aber in der Regel nur eine oftmals unzureichende Näherung erster Ordnung dar. Den
noch kann die erste Näherung bevorzugt sein, und zwar beispielsweise in dem Fall, in wel
chem die Bewegung in einem Randbereich des Bildes vorliegt und keine größere Umge
bung vorhanden ist.
Ferner ist bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Verfahren als ein Softwareprogramm im
plementiert ist. Es ist aber ebenso möglich, daß das Verfahren hardwaremäßig ausgeführt
ist oder in einen Mikrochip, eine Kamera, einen Camcorder, ein Fernsehgerät, einen Video
recorder, einen DVD-Spieler oder dergleichen integriert ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentan
sprüchen offenbart.
Die Erfindung, sowie weitere Merkmale, Ziele, Vorteile und Anwendungsbeispiele der
selben wird bzw. werden nachfolgend anhand einer Beschreibung unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a bis d schematische Diagramme zur Veranschaulichung der theoretischen Grundla
gen und praktischen Realisierung des bevorzugten Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung;
Fig. 2a bis d schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der Abtastung eines Bil
des gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm zur Veranschaulichung eines ersten Aus
führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines Standbilds;
Fig. 4 ein schematisches Flußdiagramm zur Veranschaulichung eines zweiten Aus
führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines Bewegungs
melders; und
Fig. 5 ein Schaubild zur Veranschaulichung der Entstehung und der Auswirkungen des
Kammeffekts.
In den Fig. 1a bis d sind Diagramme zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung
schematisch dargestellt. Auf der x-Achse der jeweiligen Diagramme ist die Zeilennummer
bzw. der Zeilenindex dargestellt und auf der y-Achse ist ein Pixel-Parameterwert darge
stellt. Der Pixel-Parameterwert ist eine "Koordinate" eines Pixel-Farbraums und vorzugs
weise die Luma (Y) des YCbCr-Farbraums. Zunehmende Werte des y-Werts der Darstel
lung entsprechen daher einer zunehmenden Helligkeit der Pixel, wobei die Farbinformation
unterdrückt ist. Zur Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung sind in den Diagrammen der Fig. 1a bis d jeweils vier unmittelbar übereinander
liegende Pixel xm, m = 0, 1, 2, 3, aus derselben Spalte eingetragen. Dabei bezeichnen die xm,
m = 0, 1, 2, 3 die Pixelparameter der einzelnen Pixel(vektoren). d. h. zum Beispiel die Luma.
Von den möglichen Konfigurationen sind in den Fig. 1a bis d zur Vereinfachung lediglich
vier signifikante Grundmuster dargestellt. Grundsätzlich gibt es für einen Wertebereich von
zwei Werten bei vier Pixeln genau 24 = 16 verschiedene Grundmuster. Davon sind die zwei
Grundmuster, bei welchen alle vier Pixelwerte 1 oder 2 sind, ohnehin nicht relevant, da,
wie aus der Einleitung klar ist, kein Kammeffekt vorliegen kann. Ebenfalls sind die Typen
von Grundmustern, bei denen drei Pixelwerte 1 oder 2 sind, nicht relevant, da ebenfalls
kein Kammeffekt vorhanden ist. Die Anzahl der letzteren Situationen ist acht Grundmuster
(jeweils eines der vier Pixelwerte ist von den übrigen drei verschieden, wobei der Zustand
der übrigen drei Pixelwerte 1 oder 2 sein kann). Ferner wurde auf eine Darstellung der den
Fig. 1c und 1d entsprechenden Situationen verzichtet, bei denen x0 = 1, x1 = 1, x2 = 2 und x3
= 2 bzw. x0 = 2, x1 = 1, x2 = 1, und x3 = 2 gilt. Insofern sind nur vier der sechzehn theore
tisch möglichen Muster dargestellt. Die in den Fig. 1a und 1b dargestellten Diagramme ent
sprechen daher jeweils einem Fall, in welchem ein Kammeffekt auftritt. Dagegen repräsen
tieren die in den Fig. 1c und 1d dargestellten Diagramme, wie auch die in den Figuren nicht
dargestellten Konstellationen, jeweils einen Fall, in welchem kein Kammeffekt, sondern
z. B. eine Kontrastkante, wie sie eine Kamera erzeugt, vorliegt.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, um den
Kammeffekt identifizieren zu können, eine Fouriertransformation auf die Pixelwerte der
Pixel xm, m = 0, 1, 2, 3 von vier übereinanderliegenden Zeilen angewendet. Die Auswahl von
vier Pixeln ist dabei bevorzugt, daß weniger als vier Pixel nicht immer mit einer ausrei
chenden Sicherheit auf das Vorliegen einer Bewegung schließen lassen und mehr als vier
Pixel, den Bereich, welcher auf Bewegung untersucht werden soll, nicht hinreichend be
grenzen, und daher die Aussagekraft der Bewegungserkennung bei erhöhtem Rechenauf
wand verschlechtern. Die Fourierkoeffizienten erlauben die Formulierung eines einfachen
und stets signifikanten Kriteriums zum Auftreten des Kammeffekts. Gegeben seien daher
vier Pixelwerte xm, m = 0, 1, 2, 3. Diese werden durch
in vier Fourierkoeffizienten Yn, n = 0, 1, 2, 3, überführt. Unter Verwendung der Abkürzungen
ergibt dies für die Fourierkoeffizienten Yn
Die sich in den Fällen der Fig. 1a bis 1d ergebenden Fourierkoeffizienten Yn, n = 0, 1, 2, 3,
sind jeweils rechts von dem zugehörigen Diagramm angezeigt. Zum Zweck der praktischen
Realisierung der vorliegenden Erfindung müssen selbstverständlich nur die Fouriertrans
formation Y1 und Y2 berechnet werden. Das Zigzag-Muster des Kammeffekts sorgt dafür,
daß die Koeffizienten Y1 und Y3 gegenüber Y2 zu vernachlässigen sind, während sie in den
anderen Fällen, in denen kein Kammeffekt vorliegt, gegenüber Y2 dominieren. Deshalb ist
das Kriterium für das Vorliegen einer Bewegung einfach |Y2|:|Y1| ≧ S, wobei S ein vorge
gebener Schwellenwert ist. Diese Bedingung ist das einzige zur Bestimmung einer Bewe
gung in dem Bereich des Bildes, welcher aus den vier Pixeln besteht, zu prüfende Kriteri
um. Dabei kann die in dem absoluten Betrag gefasste Größe auch eine komplexe Zahl sein.
Insbesondere ist dieses Kriterium erfüllt, wenn |Y1| = 0 gilt. In der Zeichnung sind exempla
risch die Werte des Pixel-Parameter, welcher vorzugsweise die Luma ist, als 1 und 2 ange
zeigt. Dies dient jedoch nur zum Zweck der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung
und das Kriterium |Y2|:|Y1| ≧ S ist grundsätzlich auf jede in der Praxis vorkommende Si
tuation mit allen Werten für die Pixel-Parameter anwendbar, und zwar insbesondere auf
grund der Wählbarkeit des Schwell- oder Grenzwerts S, welcher vorzugsweise ungefähr 8
ist. Anstelle des obigen Kriteriums können auch andere Kriterien verwendet werden, insbe
sondere ohne die Zuhilfenahme von aufwendigen rechentechnischen Operationen, wie eine
Fouriertransformation, z. B. durch einfache Erkennung von Sprüngen innerhalb vorgegebe
ner Wertebereiche.
In den Fig. 2a bis d ist schematisch dargestellt wie die Gruppe von vier Pixeln aus dem Bild
nacheinander ausgewählt wird, wobei jeweils das oben in Zusammenhang mit den Fig. 1a
bis d beschriebene Verfahren zur Bewegungsdetektion durchgeführt wird. Dargestellt in
den Fig. 2a bis d ist jeweils ein Bereich des Bildes von fünf mal fünf Pixel. In den Fig. 2a
und 2c ist jeweils der linke obere Bereich und in der Fig. 2b der rechte obere Bereich und in
Fig. 2d der untere linke Bereich des Bildes als Ausschnitt dargestellt. In den Fig. 2a bis d
sind jeweils die zur Bearbeitung ausgewählten Pixelpositionen durch ausgefüllte Kreise
dargestellt sind. Jedes Pixel ist durch seine Koordinaten (Zeilenposition bzw. -nummer,
Spaltenposition bzw. -nummer) eindeutig bestimmt. Gemäß der ITU-R BT.601 Videonorm
(vormals CCIR 601) ist der Wertebereich für die Zeilennummer 1 bis 720 und der Wertebe
reich für die Spaltennummer 1 bis 485. Aufgrund des eingangs erläuterten Zeilensprungver
fahrens bezeichnen die ungeradzahligen Zeilennummern daher Zeilen aus dem ersten Halb
bild, während die geradzahligen Zeilennummern Zeilen aus dem zweiten Halbbild bezeich
nen. Der Anfang des erfindungsgemäßen Abtastschemas ist in Fig. 2a dargestellt. Als erstes
Pixelquadrupel werden die vier Pixel der ersten Spalte mit den niedrigsten Zeilennummern
ausgewählt. Dies sind die vier Pixel (1,1), (2,1), (3,1) und (4,1). In den Fig. 2a bis d sind
diese Pixel durch einen Kreis markiert. Falls nach dem zuvor beschriebenen Verfahren bei
der Auswertung dieses Tupels Bewegung erkannt wurde, wird für das Pixel mit der zweit
niedrigsten Zeilennummer, d. h. das Pixel (2,1), das Vorliegen eines Kammeffekts festge
stellt. Anschließend wird das Verfahren für die rechts daneben liegendes Spalte, d. h. das
nächste Tupel (1,2), (2,2), (3,2) und (4,2), entsprechend durchgeführt. Falls nach dem zuvor
beschriebenen Verfahren bei der Auswertung dieses Tupels Bewegung erkannt wurde, wird
für das Pixel (2,2) das Vorliegen eines Kammeffekts festgestellt. Das Verfahren schreitet
nun weiter nach rechts fort, bis zu der in Fig. 2b dargestellten Situation. Für die ITU-R
BT.601 Videoempfehlung sind dies die vier Pixel (1,485), (2,485), (3,485) und (4,485).
Falls nach dem zuvor beschriebenen Verfahren bei der Auswertung dieses Tupels Bewe
gung erkannt wurde, wird für das Pixel (2,485) das Vorliegen eines Kammeffekts festge
stellt. Daraufhin wird das Verfahren eine Zeile nach unten verschoben wiederholt. Diese
Situation, d. h. die 486te Wiederholung des Verfahrens, ist bezüglich der Pixel (2,1), (3,1),
(4,1) und (5,1) in Fig. 2c dargestellt. Das Verfahren wird nun weiter gemäß der obigen Bildungsregel
durchgeführt, wobei in Fig. 2d das letzte Pixeltupel (720,485), (720,485),
(720,485) und (720,485) des Videoframes dargestellt ist. Für diejenigen Pixel für die eine
Bewegung erkannt wurde, wird nach einer vollen Abtastung eines Bildes eine Editierung
bzw. Nachbearbeitung durchgeführt. Wie zuvor beschrieben wurde, kann diese einfach
durch Weglassen der entsprechenden Pixel erfolgen. Ebenso kann eine Interpolation durch
Pixel der Umgebung erfolgen.
Anhand der Fig. 3 wird im folgenden der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahren be
schrieben. In einem Schritt 10 wird jeweils eine neues Tupel von Pixeln, vorzugsweise ein
Quadrupel bestehend aus vier Pixeln ausgewählt. Die bevorzugte Auswahlvorschrift wurde
zuvor anhand der Fig. 2a bis d näher erläutert. Anschließend wird im Schritt 20 eine Aus
wertung im Hinblick auf das Auftreten eines Kammeffekts durchgeführt. Die bevorzugte
Art der Auswertung wurde oben ebenfalls in Verbindung mit den Fig. 1a bis d bereits er
läutert. Falls das Ergebnis dieser Abfrage JA ist, werden in einem Schritt 30 die Bereiche
bzw. Pixel, bei denen eine intra-frame Bewegung erkannt wurde gespeichert. Falls das Er
gebnis der Abfrage im Schritt 20 NEIN ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt 40 fort. Im
Schritt 40 wird nun abgefragt, ob der ganze Videoframe bzw. der gesamte zu untersuchen
de Teilbereich des Bildes bereits abgetastet wurde. Falls das Ergebnis dieser Abfrage NEIN
ist, kehrt der Ablauf zum Schritt 10 zurück. Anderenfalls, d. h. falls das Ergebnis dieser Ab
frage JA ist, wird in einem Schritt 50 eine Bildbearbeitung für die erkannten Bereiche bzw.
Pixel für die eine Bewegung erkannt wurde, durchgeführt, um die Wiedergabequalität des
Bildes, insbesondere zur Unterdrückung von sich aus dem Kammeffekt ergebenden, stö
renden Effekten, zu erhöhen.
In dem Ablaufdiagramm der Fig. 4 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der nach
der Erkennung eines Kammeffekts bzw. einer Bewegung im Videoframe ein Alarm ausge
löst wird. Das in Fig. 4 dargestellte Verfahren weist teilweise im wesentlichen ähnliche
Verfahrensschritte wie das in Fig. 3 dargestellte Verfahren auf. Hierzu wird auf die Schritte
10 und 20 verwiesen. Ein wesentlicher Unterschied besteht allerdings darin, daß falls die
Abfrage im Schritt 20 ergibt, daß Bewegung vorliegt, dies einen Alarm im Schritt 25 auslöst.
Selbstverständlich kann gemäß einer nicht dargestellten Variante der Erfindung ein
Alarm im Schritt 25 auch nur dann ausgelöst werden, wenn der Bereich in dem Bewegung
erkannt wird hinreichend groß ist, d. h. in dem Fall in welchem insbesondere mehrere Ab
fragen im Schritt 20 das Vorliegen einer Bewegung im Bild anzeigen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen derselben
näher erläutert. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Ab
wandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem der Erfindung
zugrundeliegenden Gedanken abzuweichen.
Claims (45)
1. Verfahren zum Erkennen von bewegten Bereichen eines Pixel aufweisenden Bildes, wel
ches nach dem Zeilensprungverfahren erzeugt wurde, wobei das Bild zwei Halbbilder auf
weist, wobei ein erstes Halbbild die geradzahligen Zeilen des Bildes und das zweite Halb
bild die ungeradzahligen Zeilen des Bildes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für
wenigstens drei aufeinanderfolgende Pixel derselben Spalte, wobei eines der Pixel aus ei
nem Halbbild stammt und die beiden anderen aus dem anderen Halbbild stammen, eine
Auswertung der wenigstens drei Pixel bezüglich eines Pixel-Parameters durchgeführt wird,
wobei abhängig von dem Ergebnis der Auswertung eine Bewegung in einem Bereich des
Bildes, welcher wenigstens eines der drei Pixel aufweist, erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung ein Ver
gleich ist, wobei zwei Sprünge in den Pixel-Parameterwerten der aufeinanderfolgenden Pi
xel anzeigen, daß in dem Bereich eine Bewegung vorliegt, während ein oder kein Sprung in
den Pixel-Parameterwerten anzeigt, daß in dem Bereich keine Bewegung vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pixel-Parameter
wert ein oder mehrere Parameter eines Farbraums ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbraum der YCbCr-
Farbraum ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pixel-Parameter das
Luma (Y) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild ein
Videoframe ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Pi
xel-Parameter der wenigstens drei Pixel eine Fouriertransformation angewendet wird, wor
aus entsprechende Fourierkoeffizienten erhalten werden, wobei eine Bewegung erkannt
wird, wenn wenigstens einer der Fourierkoeffizienten ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier Pixel
(xm, m = 0, 1, 2, 3), verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourierkoeffizienten
durch folgende Formel bestimmt werden
wobei als Kriterium zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und
wobei S ein vorgegebener Schwellenwert ist.
wobei als Kriterium zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und
wobei S ein vorgegebener Schwellenwert ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium zur Erken
nung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, wobei Y1 = X- 02 + iX- 13 und Y2 = X+ 02
- X+ 13 ist, wobei X+ 02 = x0 + x2, X+ 13 = x1 + x3, X- 02 = x0 - x2 und X- 13 = x1 - x3 gilt, und wo
bei S ein vorgegebener Schwellenwert ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe
|Y2|:|Y1| ein Maß für den Grad der Bewegung repräsentiert.
|Y2|:|Y1| ein Maß für den Grad der Bewegung repräsentiert.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwellenwerte
vorgegeben werden, wobei je nach dem höchsten Schwellenwert, für den die Bewertungs
größe |Y2|:|Y1| größer oder gleich diesem Schwellenwert ist, der Grad der Bewegung be
stimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwellenwert S in einem Wertebereich von ungefähr 5 bis ungefähr 15 liegt, und vor
zugsweise etwa 8 ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenig
stens ein Teil des Bildes spaltenweise, insbesondere von links nach rechts, mit jeweils einer
Gruppe von wenigstens drei übereinanderliegenden Pixel derselben Spalte abgetastet wird,
wobei nach dem Durchlauf durch im wesentlichen alle Spalten, die Abtastung verschoben
um im wesentlichen eine Zeile wiederholt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Bildes, in
dem eine Bewegung erkannt wird, ein einzelnes Pixel ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das einzelne Pixel eines
der inneren Pixel bezüglich der Gruppe von Pixeln ist.
17. Verfahren nach Anspruch 8 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das einzelne Pixel
das Pixel mit der zweitniedrigsten Zeilennummer ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an
sprechend auf die Erkennung einer Bewegung in dem Bild ein Alarm ausgelöst wird.
19. Verfahren zum Bearbeiten eines Bildes, in welchem Bewegung gemäß einem Verfahren
der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15 erkannt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß in
Bereichen in denen keine Bewegung vorliegt, das Bild unverändert übernommen wird,
während zur Darstellung von Bereichen des Bildes in denen Bewegung erkannt worden ist,
lediglich Pixelinformation aus einem Halbbild verwendet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 15 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Stelle des
Bildes, in der Bewegung erkannt worden ist, zur Darstellung lediglich der Pixelwert aus
einem Halbbild verwendet wird, wobei an jeweiligen Stellen des anderen Halbbildes, an
welchen ebenfalls Bewegung erkannt wurde und die benachbart zu der Stelle sind, Ersatz
werte verwendet werden, welche durch eine Interpolation von Pixelwerten des einen Halb
bildes aus einer Umgebung der Stelle erhalten werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung der Stelle
in etwa bis zum dritten aufeinanderfolgenden Pixel des einen Halbbildes reicht.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verfahren als ein Softwareprogramm implementiert ist.
23. Verwendung einer Detektion des Kamm-Effekts durch Auswertung eines Pixel-
Parameters einer Gruppe von Pixeln zur Erkennung von bewegten Bereichen eines Pixel
aufweisenden Bildes, welches nach dem Zeilensprungverfahren erzeugt wurde.
24. Vorrichtung zum Erkennen von bewegten Bereichen eines Pixel aufweisenden Bildes,
welches nach dem Zeilensprungverfahren erzeugt wurde, wobei das Bild zwei Halbbilder
aufweist, wobei ein erstes Halbbild die geradzahligen Zeilen des Bildes und das zweite
Halbbild die ungeradzahligen Zeilen des Bildes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung Auswertemittel aufweist, um für wenigstens drei aufeinanderfolgende Pi
xel derselben Spalte, wobei eines der Pixel aus einem Halbbild stammt und die beiden an
deren aus dem anderen Halbbild stammen, eine Auswertung der wenigstens drei Pixel be
züglich eines Pixel-Parameters durchzuführen, wobei abhängig von dem Ergebnis der
Auswertung eine Bewegung in einem Bereich des Bildes, welcher wenigstens eines der drei
Pixel aufweist, erkannt wird.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel
Vergleichsmittel sind, wobei zwei Sprünge in den Pixel-Parameterwerten der aufeinander
folgenden Pixel anzeigen, daß in dem Bereich eine Bewegung vorliegt, während ein oder
kein Sprung in den Pixel-Parameterwerten anzeigt, daß in dem Bereich keine Bewegung
vorliegt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Pixel-
Parameterwert ein oder mehrere Parameter eines Farbraums ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbraum der
YCbCr-Farbraum ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Pixel-Parameter das
Luma (Y) ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bild ein Videoframe ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß auf
die Pixel-Parameter der wenigstens drei Pixel eine Fouriertransformation angewendet wird,
woraus entsprechende Fourierkoeffizienten erhalten werden, wobei eine Bewegung erkannt
wird, wenn wenigstens einer der Fourierkoeffizienten ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß vier
Pixel (xm, m = 0, 1, 2, 3), verwendet werden.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourierkoeffizienten
durch folgende Formel bestimmt werden
wobei als Kriterium zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und wo bei 5 ein vorgegebener Schwellenwert ist.
wobei als Kriterium zur Erkennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, und wo bei 5 ein vorgegebener Schwellenwert ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium zur Er
kennung einer Bewegung |Y2|:|Y1| ≧ S verwendet wird, wobei Y1 = X- 02 + iX- 13 und Y2 =
X+ 02 - X+ 13 ist, wobei X+ 02 = x0 + x2, X+ 13 = x1 + x3, X- 02 = x0 - x2 und X- 13 = x1 - x3 gilt, und
wobei S ein vorgegebener Schwellenwert ist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe
|Y2|:|Y1| ein Maß für den Grad der Bewegung repräsentiert.
|Y2|:|Y1| ein Maß für den Grad der Bewegung repräsentiert.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwellen
werte vorgegeben werden, wobei je nach dem höchsten Schwellenwert, für den die Bewer
tungsgröße |Y2|:|Y1| größer oder gleich diesem Schwellenwert ist, der Grad der Bewegung
bestimmt wird.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwellenwert S in einem Wertebereich von ungefähr 5 bis ungefähr 15 liegt, und vor
zugsweise etwa 8 ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß we
nigstens ein Teil des Bildes spaltenweise, insbesondere von links nach rechts, mit jeweils
einer Gruppe von wenigstens drei übereinanderliegenden Pixel derselben Spalte abgetastet
wird, wobei nach dem Durchlauf durch im wesentlichen alle Spalten, die Abtastung ver
schoben um im wesentlichen eine Zeile wiederholt wird.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Bildes,
in dem eine Bewegung erkannt wird, ein einzelnes Pixel ist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das einzelne Pixel eines
der inneren Pixel bezüglich der Gruppe von Pixeln ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 31 und 39, dadurch gekennzeichnet, daß das einzelne Pi
xel das Pixel mit der zweitniedrigsten Zeilennummer ist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung eine Alarmeinrichtung aufweist, wobei ansprechend auf die Erkennung einer
Bewegung in dem Bild die Alarmeinrichtung betätigt und ein Alarm ausgelöst wird.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Bearbeiten des Bildes aufweist, die in Bereichen
in denen keine Bewegung erkannt wurde, das Bild unverändert übernimmt, während sie in
Bereichen des Bildes, in denen Bewegung erkannt wurde, eine Bearbeitung vornimmt, wo
bei lediglich Pixelinformation aus einem Halbbild verwendet wird.
43. Vorrichtung nach Anspruch 38 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Stelle
des Bildes, in der Bewegung erkannt worden ist, zur Darstellung lediglich der Pixelwert
aus einem Halbbild verwendet wird, wobei an jeweiligen Stellen des anderen Halbbildes,
an welchen ebenfalls Bewegung erkannt wurde und die benachbart zu der Stelle sind, Er
satzwerte verwendet werden, welche durch eine Interpolation von Pixelwerten des einen
Halbbildes aus einer Umgebung der Stelle erhalten werden.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung der
Stelle in etwa bis zum dritten aufeinanderfolgenden Pixel des einen Halbbildes reicht.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung ein Mikrochip, eine Kamera, ein Camcorder, ein Fernsehgerät, ein Videore
corder, ein DVD-Spieler oder dergleichen ist.
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