JP4001400B2 - 動きベクトル検出方法及び動きベクトル検出装置 - Google Patents

動きベクトル検出方法及び動きベクトル検出装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は動きベクトルを検出する動きベクトル検出方法及びその装置に関し、特に、探索ブロックの隣接ブロックの動きベクトルを用いることによって、探索ブロックの動きベクトルを決定する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、テレビ電話、電子会議及び高精細度テレビジョンシステムのようなディジタルビデオシステムにおいて、ビデオフレーム信号のビデオライン信号は画素値と呼ばれる一連のディジタルデータからなっているので、各ビデオフレーム信号を規定するのに大量のディジタルデータが必要である。
しかし、通常の伝送チャネル上の使用可能な周波数帯域幅は制限されているため、特に、テレビ電話のような低ビットレートのビデオ信号符号化/復号化システムにおいては、多様なデータ圧縮技法を用いて大量のデータを減らすか圧縮する必要がある。
【0003】
このような多様な映像圧縮技法のうち、いわゆる、確率的符号化技法と時間的、空間的圧縮技法を組み合わせたハイブリッド符号化技法が最も効率的なものとして知られている。
大部分のハイブリッド符号化技法は、動き補償DPCM(差分パルス符号変調)、2次元DCT(離散的コサイン変換)、DCT係数の量子化及びVLC(可変長符号化)などを用いる。動き補償DPCMは現フレームとその前フレームとの間の物体の動きを決定すると共に、物体の動きに従って現フレームを予測することによって、現フレームと予測値と間の差を表す差分信号を発生する方法である。
【0004】
動き補償DPCMデータのような映像データ間の空間的冗長性を減らすか除去する2次元DCTは、ディジタル映像データからなるブロック、例えば、8×8画素のブロックを1組のDCT変換係数データに変換する。この技法は、Chen及びPrattによる論文「Scene Adaptive Coder」,IEEE Transactions on Communications,COM−32,NO.3,225〜232頁(1984年3月)に開示されている。このようなDCT変換係数データは、量子化器、ジグザグ走査及びVLCを通じて処理されることによって、伝送すべきデータの量を効果的に減縮し得る。
【0005】
詳述すれば、動き補償DPCMにおいては、現フレームと前フレームとの間の物体の動き推定に基づいて、現フレームデータを前フレームデータから予測する。そのように推定された動きは前フレームと現フレームとの間の画素の変位を表す2次元動きベクトルで表される。
【0006】
映像シーケンスにおいて物体の変位を推定するに主に用いられる方法のうちの1つがブロック整合アルゴリズムである。このブロック整合アルゴリズムによれば、現フレームは複数の探索ブロックに分けられる。探索ブロックの大きさは、典型的に8×8画素〜32×32画素の範囲を有する。現フレーム内の探索ブロックに対する動きベクトルを決定するために、現フレームの探索ブロックと前フレーム内のより大きい探索領域に含まれた同一の大きさの複数の候補ブロックとの間の類似性計算が行われる。現フレームの探索ブロックと探索領域内の各候補ブロックとの間の類似性測定のために、平均絶対エラーまたは平均二乗エラーのようなエラー関数が用いられる。また、動きベクトルは探索ブロックと候補ブロックとの間の最小エラー関数をもたらす変位を表す。探索ブロックは探索ブロックに対応する探索領域内の可能な全ての候補ブロックと比較されるため(即ち、フル探索ブロック整合)、計算が複雑することとなる。その結果、リアルタイム処理のために高速処理及び/または多数のプロセッサを有する複雑なハードウェアが必要になる。
【0007】
前述されたフル探索フルブロック整合課題から生じる過渡な計算量を減らすために、3段階の探索過程と最小歪曲のためのサーチのような単純化されたアルゴリズムが提案されてきた(例えば、J.R.Jainらの論文「Displacement Measurement and Its Application in Interframe Image Coding」,IEEE Transactions of Communications COM−29,No.12,1799〜1808頁(1981年12月)参照)。
【0008】
この単純探索アルゴリズムを用いて複雑な計算量やハードウェアの負担を減らし得るとしても、依然と相当量の計算を必要とする。
映像シーケンスで物体を取り囲んだ背景は、大部分停止されており、動きが物体に主に集中されているか、カメラのパニングのように単純に並進運動する動きであり得る。この場合、一連の映像フレームで同一の値を有する複数の動きベクトルが得られることになる。特に、1つのブロックの動きベクトルは、隣接するブロックの動きベクトルと相関関係があり得る。従って、そのような関係を用いて動きベクトルを決定するに必要な計算量を減らすことができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主な目的は、探索ブロックに隣接するブロックの動きベクトルを用いて、探索ブロックの動きベクトルを決定する動きベクトル検出装置及び方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、処理隣接ブロックの動きベクトルを用いて、映像信号の探索フレームに含まれた探索ブロックの動きベクトルを決定する動きベクトル検出方法であって、前記探索フレームは、複数のブロックに分離され、上記複数のブロックは各々動きベクトルが決定された処理ブロックの組を有し、前記処理ブロックの組は前記探索ブロックに隣接する前記処理隣接ブロックを含み、前記処理隣接ブロックの動きベクトルのうちで、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとを選択し、前記X−ベクトル、前記Y−ベクトルに、ゼロベクトルを更に含んで候補ベクトルとして供給する第1過程と、前記探索ブロックと各々の前記候補ベクトルに対応する予測ブロック各々との間の歪曲を計算し、最小の歪曲をもたらす候補ベクトルを候補動きベクトルとして決定する第2過程と、前記探索ブロックと前記決定された候補動きベクトルに対応する予測ブロックとの間の歪曲が予め定められた閾値より小さい場合、前記決定された候補動きベクトルを前記探索ブロックの動きベクトルとして供給し、前記歪曲が前記予め定められた閾値より大きい場合にはフル探索ブロック整合方法を用いて前記探索ブロックの動きベクトルを決定する第3過程とを含み、前記候補動きベクトルに対応する予測ブロックが前記探索ブロックから前記候補動きベクトルだけ離れている参照フレームのブロックを示すことを特徴とする動きベクトル検出方法が提供される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について図面を参照しながらより詳しく説明する。図1を参照すれば、本発明の動きベクトル検出装置のブロック図が示されている。
映像信号における現フレーム及び前フレーム(即ち、探索フレームと参照フレーム)が動きベクトル検出ブロック100とフル探索ブロック200とに入力される。動きベクトル検出ブロック100においては、探索ブロック、即ち、現在処理中のブロックの動きベクトルを探すために、ゼロベクトルと共に現探索ブロックの処理された隣接ブロックの動きベクトルが、候補動きベクトルを選択するに計算される。ここで、処理ブロックは動きベクトルが決定されたブロックを示し、処理隣接ブロックは探索ブロックに隣接する処理ブロックを示す。
【0012】
探索ブロックB(i、j)の動きベクトルを検出するために、その動きベクトルが用いられる処理隣接ブロックが、図4に示されている。図4に示されたように、探索フレームは複数のスライスから構成されており、各スライスは多数のブロックを有し、各フレーム内のスライスの数と各スライス内のブロックの数は、各々N2とN1である。探索フレームは、左上側から右下り向けに処理される。よって、探索ブロックが処理される場合、探索ブロックB(i、j)を取り囲む9つの隣接ブロックのうち4つの隣接ブロック(即ち、左上側ブロックB(i−1、j−1)、上側中央ブロックB(i、j−1)、右上側ブロックB(i+1、j+1)及び中央左側ブロックB(i−1、j))の動きベクトルが、知られている。ここで、i及びjは各々N1及びN2と同じかそれより小さい正の整数であり、jはスライスの数を、iはスライス内におけるブロックの位置を各々表す。探索ブロックがフレームの境界に位置していない場合、処理隣接ブロックの数が4であることが容易に分かる。探索ブロックがB(1、1)、B(1、2)のように境界にあるならば、処理隣接ブロックの数は4未満になる。
【0013】
候補動きベクトルが決定された後、探索ブロックと候補動きベクトルに対応する予測ブロックとの間の歪曲が、予め定められた閾値と比較される。ここで、ベクトルに対応する予測ブロックは、探索ブロックからベクトルだけの離れている参照フレームのブロックを示す。
【0014】
探索ブロックと候補動きベクトルに対応する予測ブロックとの間の歪曲が閾値より小さい場合、候補動きベクトルは探索ブロックの動きベクトルとして決定され、フル探索ブロック200を経てラインL300へ供給される。そうでない場合には、フル探索トリガ信号がフル探索ブロック200に供給される。このフル探索ブロック200は、フル探索トリガ信号に応じて、フル探索ブロック整合方法を用いて、探索ブロックの動きベクトルを検出する。フル探索ブロック200は、動きベクトル検出ブロック100からの動きベクトルまたは自体決定した動きベクトルのうち1つを供給する。フル探索ブロック200からの動きベクトルは、動きベクトル検出ブロック100へ再度入力されて、現フレームの後続ブロック(例えば、B(i+1、j))の動きベクトルを検出するに用いられる。
【0015】
本発明において、探索ブロックの動きベクトルは処理隣接ブロックの動きベクトルのうちから選択されるかフル探索ブロック整合を用いて決定される。よって、フル探索ブロック整合のみを用いる動き推定器と比較した時、計算量が減少される。特に、動く物体が映像信号の小さい部分を占める映像信号においては、隣接ブロックが類似な動きベクトルをもたらす可能性が高いため、その減少量がもっと著しく表れる。
【0016】
B(1、1)、B(1、2)、B(1、3)、B(2、1)、B(3、1)のように、探索ブロックの処理隣接ブロックが4つ未満である場合には、動きベクトル検出ブロック100は動作せず、探索ブロックの動きベクトルはフル探索ブロック整合方法を用いて決定され得る。また、例えば、探索ブロックB(1、2)、B(1、3)、B(2、1)、B(3、1)の場合のように、処理隣接ブロックが少なくとも1つでもあるならば、動きベクトル検出ブロック100は4つの処理隣接ブロックがある場合と類似な方式で動作し得る。
【0017】
図2を参照すれば、図1に示された動きベクトル検出ブロック100の詳細なブロック図が示されている。処理ブロックの動きベクトルは、動きベクトルメモリ110へ入力されて格納される。これらの動きベクトルのうち、処理隣接ブロックの動きベクトルを示す隣接ベクトルが選択されると共に、候補ベクトル決定ブロック120へ入力される。
【0018】
図4を再度参照すれば、探索ブロックB(i、j)が処理される場合には、少なくとも、探索ブロックB(i−1、j−1)からB(N1、j−1)まで、B(1、j)からB(i−1、j)までの動きベクトルが動きベクトルメモリ110に格納されなければならない(ここで、j番目のスライスに含まれた残りのブロック、即ち、B(i+1、jからB(N1、j)までの動きベクトルを決定するために、B(i、j−1)からB(N1、j−1)までのブロックが必要であり、(j+1)番目のスライスに含まれたブロックの動きベクトルを決定するに、B(1、j)からB(i−1、j)までブロックが用いられるに注目されたい)。よって、動きベクトルメモリ110は、処理ブロックの動きベクトルを1つずつ格納するために少なくとも(N1+1)個のメモリ空間を有しなければならない。
【0019】
候補ベクトル決定ブロック120では、処理隣接ブロックの動きベクトルのうちで、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとを選択し、前記X−ベクトル、前記Y−ベクトルに、ゼロベクトルを更に追加してなった候補ベクトルを供給する。このため、ベクトルVの方向性D(V)は次式のように定義される。
【数1】
D(v)=abs[Vy]/abs[Vx]
ここで、Vx及びVyは各々x成分及びy成分を表す。
【0020】
方向性が最小の動きベクトルは、水平ベクトルと最も類似であり、X−ベクトルにとして選択され、方向性が最大の動きベクトルは、垂直ベクトルと最も類似でありY−ベクトルに選択される。X成分及びVxが0である動きベクトルが存在する場合は、上記式は定義されない。従って、この場合には、動きベクトルは垂直ベクトルでY−ベクトルとして決まる。X成分及びY成分がゼロであるゼロベクトルと、候補ベクトル決定ブロック120から供給された、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとからなった候補ベクトルが、エラー検出ブロック130に入力される。
【0021】
図4を参照すれば、処理隣接ブロックの数が1である場合(例えば、探索ブロックB(2、1)、処理隣接ブロックB((1、1))の動きベクトルは、X−ベクトル及びY−ベクトルとして決定され得る。
エラー検出ブロック130においては、探索ブロックと入力された3つの候補ベクトルに対応する3つの予測ブロックの各々との間の歪曲が決定され、歪曲は2つのブロック間の差を表す値で、例えば画素数の差を指す。3つの候補ベクトルのうち歪曲が最小のものが候補動きベクトルとして選択される。もし、候補動きベクトルの最小歪曲が閾値THより小さいならば、候補動きベクトルは探索ブロックの最終動きベクトルとして決定される。従って、探索ブロックの動きベクトルを検出する過程が終了され、動きベクトルはフル探索ブロック200を経てL300へ供給される。
【0022】
最小歪曲が閾値TH1より大きいかまたは等しい場合、フル探索ブロック整合法を用いて、探索ブロックの動きベクトルを決定するフル探索ブロック200へエラー検出ブロック130からフル探索トリガ信号が供給される。
図3を参照すれば、図2に示されたエラー検出ブロック130の詳細なブロック図が示されている。
前フレームはフレームメモリ132に入力される。フレームメモリ132は、候補ベクトル決定ブロック120からの3つの候補ベクトルに応じて、前フレームブロックのうち探索ブロックから各々X−ベクトル、Y−ベクトル、ゼロベクトルだけ離れている3つの予測ブロックを供給する。この3つの予測ブロックは、探索ブロックと3つの予測ブロックの各々との歪曲を計算するエラー計算器(計算ブロック)134に入力される。最小値選択ブロック136においては、最小歪曲に対応する候補ベクトルが候補動きベクトルとして選択される。候補動きベクトルと最小歪曲は比較器138に入力される。
【0023】
この比較器138においては、最小歪曲が予め定められた閾値THと比較される。もし、最小歪曲がTHより小さいならば、候補動きベクトルが探索ブロックの動きベクトルとして供給される。その他の場合には、フル探索トリガ信号がフル探索ブロック200に入力される。
【0024】
前述したように、動く物体が映像信号の小さい部分を占める場合、隣接ブロックの動きベクトルは互いに類似である可能性が高い。さらに、もし背景が停止されているか、背景が主に垂直または水平方向へ動く場合、動きベクトルは0ベクトル、水平ベクトルまたは垂直ベクトルに類似である可能性が高いので、候補動きベクトルが探索ブロックの動きベクトルとして決定されることによって従来の方法に比べて動きベクトルの決定の際にもたらす計算量の複雑さを減らすことができる。
上記において、本発明の特定の実施例について説明したが、本明細書に記載した特許請求の範囲を逸脱することなく、当業者は種々の変更を加え得ることは勿論である。
【0025】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、探索ブロックの隣接ブロックの動きベクトルを用いることによって、探索ブロックの動きベクトルを効果的に検出して計算量をより一層減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による動きベクトル検出装置のブロック図である。
【図2】図1の動きベクトル検出ブロックの詳細なブロック図である。
【図3】図2に示されたエラー検出ブロックの詳細なブロック図である。
【図4】探索ブロックと隣接ブロックとを含む1つのフレームのブロック図である。
【符号の説明】
100 動きベクトル検出ブロック
110 動きベクトルメモリ
120 候補ベクトルブロック
130 エラー探知ブロック
132 フレームメモリ
134 エラー計算ブロック
136 最少値計算ブロック
138 比較器
200 フル探索ブロック

Claims (7)

  1. 処理隣接ブロックの動きベクトルを用いて、映像信号の探索フレームに含まれた探索ブロックの動きベクトルを決定する動きベクトル検出方法であって、前記探索フレームは、複数のブロックに分離され、上記複数のブロックは各々動きベクトルが決定された処理ブロックの組を有し、前記処理ブロックの組は前記探索ブロックに隣接する前記処理隣接ブロックを含み、
    前記処理隣接ブロックの動きベクトルのうちで、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとを選択し、前記X−ベクトル、前記Y−ベクトルに、ゼロベクトルを更に含んで候補ベクトルとして供給する第1過程と、
    前記探索ブロックと各々の前記候補ベクトルに対応する予測ブロック各々との間の歪曲を計算し、最小の歪曲をもたらす候補ベクトルを候補動きベクトルとして決定する第2過程と、
    前記探索ブロックと前記決定された候補動きベクトルに対応する予測ブロックとの間の歪曲が予め定められた閾値より小さい場合、前記決定された候補動きベクトルを前記探索ブロックの動きベクトルとして供給し、前記歪曲が前記予め定められた閾値より大きい場合にはフル探索ブロック整合方法を用いて前記探索ブロックの動きベクトルを決定する第3過程とを含み、前記候補動きベクトルに対応する予測ブロックが前記探索ブロックから前記候補動きベクトルだけ離れている参照フレームのブロックを示すことを特徴とする動きベクトル検出方法。
  2. 前記探索ブロックの前記処理隣接ブロックが、前記探索ブロックを取り囲む左上側、上側中央、右上側及び中央左側ブロックを有することを特徴とする請求項1に記載の動きベクトル検出方法。
  3. 処理隣接ブロックの動きベクトルを用いて、映像信号の探索フレームに含まれた探索ブロックの動きベクトルを決定する動きベクトル検出装置であって、前記探索フレームは、複数のブロックに分離され、上記複数のブロックは各々動きベクトルが決定された処理ブロックの組を有し、前記処理ブロックの組は前記探索ブロックに隣接する前記処理隣接ブロックを含み、
    前記処理隣接ブロックの動きベクトルとゼロベクトルとを各々候補動きベクトルとして選択し、前記探索ブロックと各々の前記候補ベクトルに対応する予測ブロック各々との間の歪曲を計算し、最小の歪曲をもたらす候補ベクトルを候補動きベクトルとして指定する第1動きベクトル選択手段と、
    前記探索ブロックと前記指定された候補動きベクトルに対応する予測ブロックとの間の歪曲が予め定められた閾値より小さい場合は、前記指定された候補動きベクトルを前記探索ブロックの動きベクトルとして供給し、前記歪曲が前記予め定められた閾値より大きい場合には、フル探索トリガ信号を供給する動きベクトル発生手段とを含み、前記候補動きベクトルに対応する前記予測ブロックは探索ブロックから前記候補動きベクトルだけ離れている参照フレームのブロックを示し、
    前記フル探索トリガ信号に応じて、フル探索ブロック整合方法を用いて前記探索ブロックの動きベクトルを決定する動きベクトル決定手段とを含むことを特徴とする動きベクトル検出装置。
  4. 前記第1動きベクトル選択手段が、
    前記処理ブロックの動きベクトルを格納する格納手段と、
    前記格納手段に格納された前記動きベクトルのうちで、前記処理隣接ブロックの動きベクトルを選択して、隣接ベクトルを提供する隣接ベクトル提供手段と、
    前記処理隣接ブロックの動きベクトルのうちで、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとを選択し、前記X−ベクトル、前記Y−ベクトルに、ゼロベクトルを更に追加してなった候補ベクトルを供給する第2動きベクトル選択手段と、
    前記候補ベクトルのうちで、前記歪曲を利用して前記候補動きベクトルを選択する第3動きベクトル選択手段とを含むことを特徴とする請求項3に記載の動きベクトル検出装置。
  5. 前記探索フレームが各々N個の探索ブロックを有する複数のスライスに分けられ(Nは正の整数)、前記格納手段が処理ブロックの動きベクトルを各々格納し得る(N+1)個の格納空間から構成されていることを特徴とする請求項4に記載の動きベクトル検出装置。
  6. 前記探索ブロックの前記処理隣接ブロックが、前記探索ブロックを取り囲む左上側、上側中央、右上側及び中央左側ブロックを有することを特徴とする請求項3に記載の動きベクトル検出装置。
  7. 前記第1動きベクトル選択手段が、
    前記処理ブロックの動きベクトルのうちで、前記処理隣接ブロックの動きベクトルを選択して、隣接ベクトルを提供する隣接ベクトル提供手段と、
    前記処理隣接ブロックの動きベクトルのうちで、X成分のゼロである水平ベクトルに最も類似なX−ベクトルとY成分のゼロである垂直ベクトルに最も類似なY−ベクトルとを選択し、前記X−ベクトル、前記Y−ベクトルに、ゼロベクトルを更に追加してなった候補ベクトルを供給する第2動きベクトル選択手段と、
    前記候補ベクトルのうちで、前記歪曲を利用して前記候補動きベクトルを選択する第3動きベクトル選択手段とを含むことを特徴とする請求項3に記載の動きベクトル検出装置。
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