DE19734882C2 - Verfahren zum Kodieren von Bewegungsvektoren bei Filmaufnahmen - Google Patents
Verfahren zum Kodieren von Bewegungsvektoren bei FilmaufnahmenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Bewegungsvektorkodierung entsprechend
MPEG-4, und insbesondere ein Verfahren zum Kodieren eines Bewegungs
vektors bei Filmaufnahmen, das geeignet ist, die Gesamtbitrate bei einer
Filmaufnahmekodierung zu reduzieren.
Der Entwurf eines MPEG(Moving Picture Expert Group)-4 Standards, der
in Vorbereitung ist, ist folgender.
Der MPEG-4 verfolgt eine Technik, die völlig verschieden von den Techni
ken des MPEG-1 und des MPEG-2 ist, die bisher benutzt wurden, um mit
dem gegenwärtigen Trend fertigzuwerden, bei welchem die Grenzen der
Kommunikations-, Computer- und Rundfunksendetechniken im Hinblick
auf Multimediatechniken wegbrechen. Das heißt, die Aufgabe des MPEG-4
liegt sowohl in der Realisation einer umfassenden Technik, die das gesam
te Gebiet der obigen Techniken einschließen kann, die ihre technischen
Innovationen unabhängig erlangt haben, als auch in der Erforschung von
Gebieten, auf welche die neue Technik anwendbar ist. Die Richtung, die
der MPEG-4 im großen verfolgt, liegt in der Realisation einer Technik, die
eine AV(Audio und Video)-Kodierung bei einer besonders niedrigen Bitrate
gestattet, und in einer neuen Technik, die vollständig verschieden von den
bisherigen Techniken ist.
Um die Technik, die eine AV-Kodierung mit einer besonders niedrigen Bi
trate gestattet, zu realisieren, wurden die folgenden Techniken vorge
schlagen.
- 1. Eine völlig neue Kodierungstechnik, bei der die DCT-Transformations technik, die beim MPEG-1 und 2 benutzt wird, nicht benutzt wird, z. B. das Wavelet-Kodierungssystem, das weniger Verzerrungen an Blockgrenzen und eine hohe Kodierungseffektivität aufweist.
- 2. Eine Technik, welche die Bewegungskompensation in einer anderen Art ausführt als die Kompensation auf Blockbasis des MPEG-1 und 2, der die Bewegungskompensation mittels einer Makroblockeinheit durchführt.
- 3. Die Kodierungstechnik auf Bereichsbasis einschließlich der Umriß-Ko dierungstechnik und der objektorientierten Kodierungstechnik.
- 4. Die Fraktal-Kodierungstechnik, die ein Kompressionsverhältnis von über 1/1000 erreichen kann.
Weiter gibt es acht neue Techniken, die bis jetzt noch nicht genügend reali
siert sind und versuchen, den MPEG-4 vollständig zu realisieren; die Ver
besserung einer Kodierungseffektivität, Skalierbarkeitsanpassung an ei
nen Inhalt, Inhaltshandhabung und Bitstromeditierung oder -bearbei
tung, die Verbesserung der Toleranz gegenüber Fehlern, Zugriff auf eine
Multimediadatenbank, Kodierung einer Vielzahl von synchronen Daten,
Hybridkodierung von natürlichen und synthetischen Daten, Verbesse
rung eines wahlfreien Zugriffs bei einer besonders niedrigen Bitrate.
Ein herkömmliches Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors wird
mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Fig. 1 stellt eine Matrix
dar, die eine Bewegungsvektorgrenze von 8 × 8-Bewegungsvektoren in ei
nem 8 × 8-Modus-Makroblock zeigt. Fig. 2a bis 2d stellen Erklärungen oder
Definitionen von Kandidaten-Prädiktoren für Bewegungsvektoren im 8 × 8-
Modus-Makroblock dar, und Fig. 3 stellt ein Beispiel des Falls dar, wenn
ein vorhergesagter Bewegungsvektor-Mittelwert außerhalb der Grenze
liegt.
Bei dem MPEG-4 Standard, wie er derzeit vorliegt, wird der 8 × 8-Block
suchbetrieb für eine Ganzpixel-Bewegungsberechnung oder -abschätzung
innerhalb eines ±2 Pixel-Suchfensters durchgeführt, das auf einem
16 × 16-Bewegungsvektor zentriert ist. Daher werden alle Bewegungsvek
toren für 4 Blöcke in dem Makroblock innerhalb der Grenze liegen, wenn
ein bestimmter Makroblock im 8 × 8-Modus durchsucht wird. Die in Fig. 1
gezeigte Matrix zeigt die Grenze, in welcher die vier Blockbewegungsvekto
ren in dem im 8 × 8-Modus durchsuchten Makroblock vorliegen können.
Diese Grenze für die vier Bewegungsvektoren dient zur Verbesserung einer
Kodierungseffektivität der Bewegungsvektoren. Jeder der die vier Blöcke
in der Grenze repräsentierenden Bewegungsvektoren wird als Mittelwert
von benachbarten drei Bewegungsvektor-Kandidaten berechnet, und die
x- und y-Komponenten der Differenz zwischen den wahren und den be
rechneten Bewegungsvektoren, MVDX und MVDY, werden mit variabler
Länge kodiert, was wie folgt ausgedrückt wird:
Px = Mittel(MV1x, MV2x, MV3x)
Py = Mittel(MV1y, MV2y, MV3y)
und
MVDx = MVx - Px
MVDy = MVy - Py
Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen Bewegungsvektor-Kandidaten in ei
nem 8 × 8-Modus entsprechend einem Algorhythmus zur Berechnung eines
Bewegungsvektors im MPEG-4.
Obwohl eine Grenze für die Bewegungsvektorberechnung in Fig. 1 gezeigt
ist, kann diese Grenze ein MPEG-4 VM(Verification Model, Überprüfungs
modell) aus folgenden Gründen nicht perfekt unterstützen.
Wenn die Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten in dem 8 × 8-Modus-
Makroblock durchgesehen oder nachgeprüft werden, kann es mit Bezug
auf die Fig. 2a bis 2d erkannt werden, daß der Fall, daß die Bewegungs
vektor-Vorhersagekandidaten, von denen Mittelwerte zur Berechnung der
Bewegungsvektoren benutzt werden, außerhalb der Grenze der Bewe
gungsvektoren in einem 8 × 8-Modus liegen, nur der Fall von MV2 von Block
2 ist, wenn der Fall von Block 1 ausgeschlossen wird. Da nur einer der 3
Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten in dem 8 × 8-Modus-Makroblock
liegt, kann ein aus dem vorhergesagtem Wert der mittleren Werte erhalte
ner Absolutwert von MVD2 außerhalb einer Grenze von 5,0 liegen. Wenn,
wie in Fig. 3 gezeigt, ein MV (motion vector, Bewegungsvektor) von Block 2
als MVAktuellerBlock (ein Bewegungsvektor des entsprechenden Blocks), ein
MV1 von Block 2 als MVinnenMBVorhersage (eine Bewegungsvektorberechnung
innerhalb der Grenze) und ein Mittel (MV1, MV2, MV3) von Block 2 als
MVMittl.Vorhersage bezeichnet werden, kann festgestellt werden, daß es einen
Fall gibt, bei dem MVMittl.Vorhersage an einem Punkt außerhalb der Grenze
benachbart dazu liegt.
Daher treten beim herkömmlichen Verfahren zum Kodieren eines Bewe
gungsvektors bei Filmaufzeichnungen Bitverluste auf, wenn ein berechne
ter Wert von Mittelwerten außerhalb einer Grenze liegt.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ko
dieren eines Bewegungsvektors bei einer Filmaufzeichnung oder Filmauf
nahme gerichtet, das im wesentlichen eins oder mehrere der Probleme im
Zusammenhang mit den Begrenzungen und Nachteilen des Standes der
Technik beseitigt. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung ein Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors für Filmauf
zeichnungen bereitzustellen, das geeignet ist, die Gesamtbitrate beim Pro
zeß der Filmaufzeichnungskodierung zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch
1 gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit
Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Matrix, die eine Bewegungsvektorgrenze von 8 × 8-Bewegungs
vektoren in einem 8 × 8-Modus-Makroblock zeigt.
Fig. 2a bis 2d Definitionen von Kandidatenvorhersagung für Bewegungs
vektoren im 8 × 8-Modus-Makroblock.
Fig. 3 ein Beispiel für den Fall, daß ein vorhergesagter Mittelwert eines Be
wegungsvektors außerhalb einer Grenze liegt,
Fig. 4 ein Flußdiagramm der Verfahrensschritte zur Kodierung eines Be
wegungsvektors entsprechend einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 5a bis 5d Tabellen von Bitratenänderungen, die durch die Bewegungs
vektor-Kodierung entsprechend einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung bewirkt wurden.
Wenn eine auf Mittelwerten basierende Berechnung außerhalb der Grenze
liegt, ist unter der Annahme, daß MVAktuellerBlock eine gleichförmige Wahr
scheinlichkeitsverteilung innerhalb des Blocks aufweist, eine erwartete
Bitanzahl, die erzeugt wird, wenn MVMittl.Vorhersage oder MVinnenMBVorhersage
als Prädiktor benutzt wird, folgende:
Erwartete Bitanzahl E(R(MVAktuellerBlock - MVMittl.Vorhersage))
= (R(0.5) + R(1.0) + R(1.5) + R(2.0) + R(2.5) + R(3.0) +, ---, + R(10.5))/21
= (3 + 4 + 5 + 7 + 3 . 10 + 11 . 11)/21 = 194/21 = 9.238 (wenn f_code = 1),
(2 . 4 + 2 . 5 + 2 . 6 + 2 . 8 + 6 . 9 + 6 . 11 - 12)/21 = 178/21 = 8.476 (wenn f_code = 2),
(4 . 5 + 4 . 6 + 4 . 7 + 4 . 9 + 5 . 10)/21 = 154/21 = 7.333 (wenn f_code = 3).
Erwarteter Bitbetrag E(R(MVAktuellerBlock-MVinnenMBVorhersage))
= (R(0) + 2 . (R(0.5) + R(1.0) + R(1.5) +, ---, + R(5.0)))/21
= (1 + 2 . (3 + 4 + 5 + 7 + 3 . 8 + 3 . 10))/21 = 147/21 = 7 (wenn f_code = 1),
= (1 + 2 . (2 . 4 + 2 . 5 + 2 . 6 + 2 . 8 + 2 . 9))/21 = 129/21 = 6.143(wenn f_code = 2),
(1 + 2 . (4 . 5 + 4 . 6 + 2 . 7))/21 = 117/21 = 5.571 (wenn f_code = 3).
wobei R(MVD) eine Anzahl von Bit ist, die von MVD erzeugt ist.
Im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit kann erkannt werden, daß es etwa
zwei Zunahmebits in jeder Komponente für jeden f_code gibt, wenn
MVMittl.Vorhersage außerhalb der Vektorgrenze liegt.
Das Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors nach der vorliegen
den Erfindung verhindert die Zunahme von Bits, wenn MVMittl.Vorhersage
außerhalb der Vektorgrenze liegt. Im Fall, daß MVMittl.Vorhersage, welcher als
mittlerer Prädiktor benutzt wird, außerhalb der Vektorgrenze liegt, wird
MVinnenMBVorhersage Selektiv benutzt. Das heißt, die für eine Bewegungsvek
torvorhersage (PMV) für den Block 2 (ein Fall von außerhalb der Grenze)
ausgewählten Bereiche werden wie folgt geändert.
PMV = Mittel(MV1, MV2, MV3), wenn (ABS(PMV - MV1) < THR), PMV = MV1,
wobei THR eine aktuelle Bewegungsvektorgrenze im 8 × 8-Modus bezeich
net. Das Maximum von THR ist 5,0. Der Fall, daß der Bewegungsvektor-
Vorhersagekandidat außerhalb der Grenze liegt ist höchstwahrscheinlich
der Fall des zweiten 8 × 8-Blocks (Fig. 2b) beim gegenwärtigen MPEG-4. Da
her wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nur der
Fall von Block 2 auf den vorerwähnten Algorhithmus angewendet, in wel
chem THR verglichen wird mit ABS(PMV - MV1).
Das Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors bei einer Filmauf
zeichnung, das dieses Prinzip anwendet, wird nun anhand eines bevorzug
ten Ausführungsbeispiels der Erfindung erklärt. Entsprechend Fig. 4 star
tet der Prozeß mit Auswählen eines 8 × 8-Modus als Suchmodus eines Ma
kroblocks zum Kodieren eines Bewegungsvektors (401S). Dann wird ein
Bewegungsvektor-Vorhersagekandidat für den ersten (Block1) von den
vier 8 × 8-Blöcken in dem Makroblock gesucht (420S). Der Abschluß der Su
che in ersten, zweiten und dritten 8 × 8-Blöcken nach entsprechenden
Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten wird festgestellt (403S), und,
wenn festgestellt wird, daß die Suche in Block1 nach den Bewegungsvek
tor-Vorhersagekandidaten beendet ist, wird die Suche in Block 2, Block 3,
Block 4 nach den ersten, zweiten und dritten Bewegungsvektor-Vorhersa
gekandidaten MV1, MV2 und MV3 für jeden der Blöcke nacheinander
durchgeführt (404S). Dann wird der mittlere Vorhersagewert des Bewe
gungsvektors MVMittl.Vorhersage für den ersten 8 × 8-Block verglichen mit der
Bewegungsvektorgrenze (405S). Der innerhalb der Bewegungsvektor
grenze liegende mittlere Vorhersagewert des Bewegungsvektors
MVMittl.Vorhersage wird im Schritt 405S (406S) festgestellt. Wenn der mittlere
Vorhersagewert des Bewegungsvektors innerhalb der Grenze gefunden
wird, wird er als ein Vorhersagewert zum Kodieren eines korrespondieren
den 8 × 8-Blocks genommen (407S). Wenn er nicht innerhalb der Grenze
liegt, wird ein Absolutwert des Bewegungsvektormittelwerts minus dem
Vektorwert des Vorhersagekandidaten verglichen mit einem vorgegebenen
Schwellenwert THR (407S). Wenn THR größer ist, als die ersten, zweiten
und dritten Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten, wird der Vektor
wert der Vorhersagekandidaten, der innerhalb der Grenze liegt, als ein
Vorhersagewert für die Kodierung des entsprechenden 8 × 8-Blocks genom
men (409S). Wenn THR kleiner ist, wird ein mittlerer Vorhersagewert des
Bewegungsvektors als ein Vorhersagewert für die Kodierung des entspre
chenden 8 × 8-Blocks genommen (407S). Die Schritte, in denen ein mittle
rer Vorhersagewert eines Bewegungsvektors als innerhalb der Grenze be
stimmt wird und ein voreingestellter Wert THR zum Bestimmen eines Vor
hersagewertes verglichen wird, werden für alle 8 × 8-Blöcke des infrageste
henden Makroblocks wiederholt (419S). Nach der Bestimmung eines Vor
hersagewertes wird ein Differential der Vorhersagewerte für alle Bewe
gungsvektoren kodiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors
bei einer Filmaufnahme oder -aufzeichnung verhindert das Ansteigen
einer Bitanzahl im Falle, daß ein MVMittl.Vorhersage außerhalb einer
Bewegungsvektorgrenze liegt, wenn ein 8 × 8-Modus ausgewählt ist, d. h.
der Anstieg der Bitanzahl beim Kodieren wird durch Benutzung von
MVinnenMBVorhersage verhindert, wenn MVMittl.Vorhersage, der als ein mittlerer
Prädiktor benutzt wird, außerhalb eines voreingestellten THR liegt.
Ein Ausführungsbeispiel, das die beschriebene Bewegungsvektor-Kodie
rungstechnik nach der Erfindung benutzt, wird beschrieben. Die Fig. 5a
bis 5d stellen eine Anzahl vom Bits bei einer tatsächlichen Bewegungsvek
torkodierung unter Benutzung der erfindungsgemäßen Bewegungsvektor-
Kodierungstechnik unter den folgenden Bedingungen dar.
- 1. Ein Quantisierungsparameter QP ist für jede Sequenz festgelegt, und ein Bewegungsvektor eines übersprungenen Makroblocks ist nicht in der Berechnung enthalten.
- 2. Ein Sequenzauflösungsformat in einem fortgeschrittenem Vorhersa gemodus ist ein QCIF (Quarter Common Intermediate Format) (176 × 144) mit einer Rahmenrate von 10 Hz (300 Rahmen).
- 3. f_code = 1 (Bereich der MV-Suche: -16,0 bis +15.5) und die Ohne- Form-Kodierung (rechtwinklig) (No shape coding (rectangular)) wird als Kodierungstechnik benutzt.
Die Tabellen in Fig. 5a und 5b zeigen Ergebnisse von Fällen, wenn ein Block
(MVD2), der einen Bewegungsvorhersagewert aufweist, der außerhalb ei
ner Grenze entsprechend der Vorhersagewertbestimmung nach der Erfin
dung liegt (Fig. 5 zeigt einen Fall von QP = 10 und Fig. 5b zeigt einen Fall von
QP = 20), und die Tabellen in Fig. 5c und 5d zeigen Ergebnisse von Fällen,
wenn alle Bewegungsvektoren kodiert werden (Fig. 5c zeigt einen Fall von
QP = 10 und Fig. 5d zeigt einen Fall von QP = 20).
Wie gezeigt, kann eine Bewegungsvektor-Kodierung effektiver (ein Zu
wachs der Anzahl von Bits wird verhindert) durchgeführt werden, als eine
MPEG-4 Video VM 5,0, die genügt, um auf VM 6,0 angewendet zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kodieren eines Bewegungsvektors
bei Filmaufnahmen hat den Vorteil, daß es eine effektive Kodierung des
Bewegungsvektors durch Verhindern einer Zunahme der Anzahl von Bits
durch Benutzung eines MVinnenMBVorhersage-Wertes als Vorhersagewert ge
stattet, wenn ein als mittlerer Prädiktor benutzter MVMittl.Vorhersage-Wert
außerhalb einer voreingestellten Grenze liegt.
Claims (7)
1. Verfahren zum Kodieren von Bewegungsvektoren bei Filmaufnah
men, mit folgenden Schritten:
- - Suchen erster, zweiter und dritter Bewegungsvektor-Vorhersage kandidaten (MV1, MV2, MV3), für jeden von ersten, zweiten, dritten und vierten Blöcken (Block1, Block2, Block3, Block4) unter vier 8 × 8-Blöcken in einem Makroblock, wenn ein 8 × 8-Modus als Suchmodus für den Ma kroblock ausgewählt ist,
- - Berechnen eines mittleren Vorhersagewertes eines Bewegungsvek tors (MVMittl.Vorhersage) für jeden der ersten, zweiten, dritten und vier ten Blöcke (Block1, Block2, Block3, Block4) aus den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten (MV1, MV2, MV3),
- - Vergleichen jedes mittleren Vorhersagewertes eines Bewegungsvek tores (MVMittl.Vorhersage) mit einer entsprechenden Bewegungsvektor grenze,
- - Bestimmen des mittleren Vorhersagewertes des Bewegungsvektors als vorhergesagten Wert für die Kodierung des entsprechenden Blocks (Block1, Block2, Block3 oder Block4), wenn der mittlere Vorhersagewert des Bewegungsvektors innerhalb der Bewegungsvektorgrenze liegt, und
- - falls der mittlere Vorhersagewert des Bewegungsvektors nicht inner halb der Grenze liegt, Bestimmen eines Vektorwerts eines der innerhalb der Grenze liegenden Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten und den Vorhersagewert des Bewegungsvektor als vorhergesagten Wert (PMV) für die Kodierung des entsprechenden Blocks (Block1, Block2, Block3 oder Block4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn
festgestellt wird, daß der mittlere Vorhersagewert des Bewegungsvektors
nicht innerhalb der Grenze liegt, der Schritt des Feststellens eines vorher
gesagten Werts (PMV) eines Bewegungsvektors die folgenden Schritte ein
schließt:
- Vergleichen eines Absolutwerts eines Mittelwerts eines Bewegungs
vektors minus einem Vektorwert eines innerhalb der Grenze liegenden
Vorhersagekandidaten mit einem voreingestellten Schwellenwert (THR)
und
- - falls der Schwellenwert kleiner ist, Bestimmen eines Vektorwerts ei nes Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten, welcher innerhalb der Grenze liegt, aus den ersten, zweiten und dritten Bewegungsvektor-Vor hersagekandidaten als vorhergesagten Wert für die Kodierung eines ent sprechenden 8 × 8-Blocks.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
wegungsvektorgrenze (THR) einen Maximalwert von 5,0 aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn
der mittlere Vorhersagewert des Bewegungsvektors nicht innerhalb der
Grenze liegt, der Schritt zur Bestimmung des vorhergesagten Werts (PMV)
des Bewegungsvektors die folgenden Schritte einschließt:
- - Vergleichen eines Absolutwerts eines Mittelwerts eines Bewegungs vektors minus einem Vektorwert eines Vorhersagekandidaten, der inner halb der Grenze liegt, mit einem voreingestellten Schwellenwert (THR) und
- - falls der Schwellenwert größer ist, Bestimmen eines mittleren Vor hersagewertes eines Bewegungsvektors als einen vorhergesagten Wert für die Kodierung eines korrespondierenden 8 × 8-Blocks.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
wegungsvektorgrenze (THR) einen Maximalwert von 5,0 aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fall,
in dem der voreingestellte Schwellenwert (THR) kleiner als ein Absolut
wert eines Mittelwerts eines Bewegungsvektors minus einem Vektorwert
eines innerhalb der Grenz liegenden Vorhersagekandidaten ist, der Fall
des als zweiten durchsuchten 8 × 8-Blocks (Block 2) des Makroblocks ent
sprechend einem MPEG-4 Bewegungsvektor-Vorhersagekandidaten Su
chalgorhithmus ist.
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