DE19756224C2 - Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines sich bewegenden Bildes unter Verwendung eines zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines sich bewegenden Bildes unter Verwendung eines zweidimensionalen DreieckmustergittermodellsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Bestimmung der Bewegung eines sich bewegenden Bildes, und
betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der
Bewegung eines sich bewegenden Bildes unter Verwendung eines
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells.
Im allgemeinen ist es bei einem Kompressionssystem für ein
sich bewegendes Bild möglich, die Anzahl an Bits zu
verringern, die während eines Kodiervorgangs verbraucht wird,
wenn die Redundanz eines sich bewegenden Bildes in der
Auswirkung entfernt wird. Daher wird in praktisch allen
Kompressionssystemen für sich bewegende Bilder, beispielsweise
bei MPEG H.261, ein Verfahren zur Bestimmung der Bewegung dazu
verwendet, um die Redundanz in einem sich bewegenden Bild
auszuschalten. Die Bestimmung der Bewegung des sich bewegenden
Bildes wird durch folgende Schritte durchgeführt. Der
momentane Rahmen wird in zahlreiche kleine Bezugsblöcke
unterteilt. Jeder Bezugsblock wird mit verschiedenen
Suchblöcken eines vorherigen Rahmens verglichen. Es wird das
Ausmaß der Differenz berechnet, in welchem sich die Suchblöcke
des vorherigen Rahmens von den Bezugsblöcken unterscheiden.
Der Suchblock, dessen Differenzausmaß am kleinsten ist
(nachstehend als passender Block bezeichnet) wird für jeden
Bezugsblock gesucht. Ein Bewegungsvektor wird durch die
Differenz der Koordinaten zwischen jedem Bezugsblock und dem
jeweiligen passenden Block bestimmt. Der Bezugsrahmen wird
hierbei nur durch die Differenz zwischen Pixeln des passenden
Blocks und der jeweiligen Bezugsblöcke kodiert, welche den
voranstehend erwähnten Bewegungsvektor aufweisen. Der wie
voranstehend geschildert kodierte Rahmen wird dadurch als
Originalbild wiederhergestellt, daß jeder kodierte
Pixeldifferenzwert und der jeweilige Pixelwert des passenden
Blocks vereinigt werden.
Fig. 1 zeigt ein konventionelles Verfahren zur Bestimmung
einer Bewegung. Das Standardverfahren zur Bestimmung einer
Bewegung, welches bei einem konventionellen Kodierer verwendet
wird, ist ein Blockübereinstimmungsalgorithmus (nachstehend
als BMA bezeichnet). Die Bezugszeichen 10 und 12 bezeichnen
den Bezugsblock des momentanen Rahmens bzw. den Suchblock des
vorherigen Rahmens.
In Fig. 1 dient ein Bewegungsbestimmungsverfahren, welches
BMA verwendet, zur Ermittlung, aus welchem Block des
vorherigen Rahmens K der Bezugsblock des momentanen Rahmens
K + 1 gekommen ist. Bei diesem Verfahren wird ein Meßverfahren
eingesetzt, zum Beispiel der mittlere quadratische Fehler
(MSE), der durch die nachstehende Formel 1 gegeben ist, oder
eine minimale mittlere Absolutdifferenz (MAD), welche durch
die folgende Formel 2 gegeben ist. Die Berechnung auf der
Grundlage eines derartigen Meßverfahrens wird bei einer
Blockeinheit durchgeführt, in welcher die Pixeldifferenzen
zwischen dem Bezugsblock des momentanen Rahmens und dem
Suchblock des vorherigen Rahmens berechnet werden. Hierbei
wird der Suchblock, der den Minimalwert der berechneten
Differenzwerte ergibt, der passende Block, und wird die
Bewegung unter Berechnung eines Bewegungsvektors des passenden
Blocks bestimmt. Der Bewegungsvektor wird nämlich dadurch
erhalten, daß die Differenz zwischen den Koordinaten des
Bezugsblocks und jenen des passenden Blocks berechnet wird.
wobei B = N1 × N2 ist.
Bei dem konventionellen BMA-Verfahren zur Bestimmung der
Bewegung ist es allerdings schwierig, eine Drehbewegung oder
eine Bewegung mit sich ändernder Größe wiederzugeben, da
dieses unter der Annahme erzeugt wird, daß die Bewegung
während der Bestimmung der Bewegung eines sich ständig
bewegenden Bildes eben ist. Daher ist es schwierig, eine
subtile Bewegung zu bestimmen. Darüber hinaus wird die
Bildqualität verschlechtert, wenn das kodierte Bild
zurückgewonnen wird, da eine Diskontinuität des Bildes
zwischen den Blöcken erzeugt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Bestimmung der Bewegung von Bildinhalten
bereitzustellen, das eine hohe Bildqualität in Verbindung mit
hoher Ausführungsgeschwindigkeit sicherstellt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung der Bewegung
eines sich bewegenden Bildes, unter Verwendung eines
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells, wodurch es
möglich ist, die Diskontinuität des Bildes auszuschalten, da
die Dreiecke verbunden sind, durch Bestimmung von
Bewegungsvektoren der Gipfelpunkte der Dreiecke auf der
Grundlage des zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells.
Das Verfahren zur Bestimmung der Bewegung des sich bewegenden
Bildes unter Verwendung eines zweidimensionalen
Dreieckmustergittermodells gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt folgende Schritte: Unterteilung des momentanen Rahmens
eines Eingangsbildsignals in N1 × N2 Makroblockeinheiten,
Unterteilung jedes der Makroblöcke in zwei Makroblöcke, um
Dreieckmuster zu erzeugen, Berechnung von Pixeldifferenzen
zwischen einem Bezugsblock und Suchblöcken des vorherigen
Rahmens in einem vorbestimmten Bereich auf der Grundlage der
Koordinatenwerte der jeweiligen Gipfelpunkte der
Dreieckmuster, und Berechnung eines Bewegungsvektors des
Bezugsblocks des momentanen Rahmens aus dem Koordinatenwert
des passenden Blocks des vorherigen Rahmens, der einen
minimalen Pixeldifferenzwert unter den berechneten
Pixeldifferenzen aufweist.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die übereinstimmenden
Scheitelpunkte der Dreiecke nur einmal berechnet, und werden
die Scheitelpunkte an der Grenze des Bezugsblocks nicht
berechnet, in dem Pixeldifferenzberechnungsschritt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Pixeldifferenz als der
Absolutwert der Differenz zwischen dem Pixelwert des
momentanen Rahmens und dem Pixelwert des vorherigen Rahmens in
dem Pixeldifferenzberechnungsschritt berechnet.
Bei der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich der Schritt der
Bestimmung der Bewegung einer Pixeleinheit in der Mitte
darüber hinaus vorgesehen, um eine Bewegung detaillierter zu
bestimmen, auf der Grundlage des berechneten Bewegungsvektors.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Pixelwert in der Mitte
durch die Kombination von Werten vollständiger Pixel am Umfang
erzeugt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus
welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein konventionelles Verfahren zur Bestimmung der
Bewegung;
Fig. 2 ein Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines sich
bewegenden Bildes unter Verwendung eines
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 einen Schritt der Initialisierung des
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines
Pixels in der Mitte gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
Fig. 5A bis 5C Beispiel für die Bestimmung der Bewegung
eines sich bewegenden Bildes, bei welchem die
vorliegende Erfindung eingesetzt wird.
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung mit weiteren
Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines
sich bewegenden Bildes unter Verwendung eines
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells gemäß der
vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfaßt Schritte zum
Initialisieren des zweidimensionalen
Dreieckmustergittermodells sowie Schritte zur Bestimmung eines
Bewegungsvektors aus dem initialisierten
Dreieckmustergittermodell.
Zuerst werden die Schritte zur Initialisierung des
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells geschildert.
Der momentane Rahmen eines Eingangsbildsignals wird in
N1 × N2-Makroblockeinheiten unterteilt (Schritt 200). Ein
zweidimensionales Dreieckmuster wird dadurch erzeugt, daß
jeder Makroblock in zwei Makroblöcke unterteilt wird (Schritt
202). Die Dreieckmuster werden nämlich dadurch erzeugt, daß
eine Diagonallinie von der oberen linken Ecke zur unteren
rechten Ecke oder von der oberen rechten Ecke zur unteren
linken Ecke des Makroblocks gezogen wird, wie in Fig. 3
gezeigt ist.
Der Schritt der Bestimmung des Bewegungsvektors aus dem
initialisierten Dreieckmustergittermodell läuft folgendermaßen
ab.
Pixeldifferenzen zwischen einem Bezugsblock einer
vorbestimmten Größe (beispielsweise 16 × 16 Pixel), der auf der
Grundlage der Scheitelpunkte des erzeugten Dreiecks ausgewählt
wird, und den Suchblöcken des vorherigen Rahmens werden
jeweils berechnet (Schritt 204). Nach Einstellung des
Bezugsblocks mit vorbestimmten Abmessungen auf der Grundlage
der Scheitelwerte des Dreieckmusters werden nämlich die
Pixeldifferenzen zwischen den jeweiligen Suchblöcken und dem
Bezugsblock innerhalb eines vorbestimmten Suchbereiches
berechnet (±15 Pixel). Es werden beispielsweise die
Pixeldifferenzwerte zwischen sämtlichen Suchblöcken, die einen
vorbestimmten Suchbereich aufweisen, beispielsweise ±15
Pixel, und dem Bezugsblock berechnet. Hierbei werden
übereinstimmende Dreiecksscheitelpunkte nur einmal berechnet,
und werden die Scheitelpunkte, die sich am Rand des Bildes
befinden, nicht berechnet.
Der Koordinatenwert des Suchblockes des vorherigen Rahmens,
der einen minimalen Pixeldifferenzwert unter sämtlichen
Pixeldifferenzen zwischen dem Bezugsblock und den Suchblöcken
aufweist, wird als der Bewegungsvektor des Bezugsblocks des
momentanen Rahmens erzeugt (Schritt 206). Hierbei wird der
Bewegungsvektor (Mvx, MVy) durch eine Summe von Differenzen
(SAD) berechnet, die durch folgende Formel 3 gegeben ist.
wobei N gleich 16 ist, rb(i,j) der (i,j)-te Pixelwert in dem
Bezugsblock des momentanen Rahmens ist, und sw(i,j) der
(i,j)-te Pixelwert in dem Suchblock des vorherigen Rahmens
ist.
Hierbei wird der Wert SAD (0,0) für einen Nullvektor von dem
vorbestimmten Wert (beispielsweise 100) subtrahiert, und wird
das Ergebnis mit den SAD-Werten anderer Vektoren verglichen,
was bedeutet, daß der SAD-Wert für den Nullvektor eine geringe
Differenz zu den SAD-Werten für die Bewegungsvektoren eines
anderen Suchblocks aufweist, und daß der Nullvektor Vorrang
bei der Bestimmung als Bewegungsvektor hat. Auf diese Art und
Weise wird die Anzahl an Bits verringert, die beim Kodieren
des Bewegungsvektors verbraucht werden. Dann wird der minimale
SAD-Wert unter SAD-Werten für jeden Wert von (x,y) gesucht,
und es wird jener Wert von (x,y), der den minimalen SAD-Wert
aufweist, als Bewegungsvektor (MVx, MVy) ausgewählt.
SAD (0,0) = SAD (0,0) - 100
Darüber hinaus wird ein zusätzlicher Schritt der genauen
Bestimmung der Bewegung unter Verwendung des Bewegungsvektors
durchgeführt, der durch den voranstehend geschilderten Schritt
bestimmt wird. Der Bewegungsvektor in einer Pixeleinheit in
der Mitte wird in einem vorbestimmten Suchbereich
(beispielsweise ±6 Pixel) gesucht, wie in Fig. 4 gezeigt
ist, auf der Grundlage des Bewegungsvektors, der bei dem
voranstehend geschilderten Schritt ermittelt wurde. Die
Koordinatenwerte (+) der Pixel, die in Fig. 4 durch A, B, C
und D bezeichnet sind, geben nämlich die Koordinatenwerte der
Pixel an, die bei dem voranstehend geschilderten Schritt
ermittelt wurden. Die Koordinatenwerte (O) der Pixel, die mit
a, b, c und d bezeichnet sind, geben die Koordinatenwerte der
Pixel in der Mitte an, welche durch die Kombination der
Koordinatenwerte erzeugt werden, die mit Großbuchstaben
bezeichnet sind. Hierbei werden die Koordinatenwerte der Pixel
in der Mitte durch nachstehende Formel 5 erzeugt.
a = A,
b = (A + B) /2
c = (A + C)//2,
d = (A + B + C + D)/4
b = (A + B) /2
c = (A + C)//2,
d = (A + B + C + D)/4
Zu diesem Zeitpunkt werden die Bewegungsvektoren (Mvx,MVy) der
Pixel in Bezug auf die jeweiligen Koordinatenwerte erneuert.
Ein endgültiger Bewegungsvektor wird aus den erneuerten Pixeln
unter Verwendung der Formel 3 und 4 bestimmt.
Die Fig. 5A bis 5C zeigen Beispiele für den Einsatz der
vorliegenden Erfindung bei der Bestimmung der Bewegung eines
sich bewegenden Bildes. Fig. 5A zeigt das Bild des vorherigen
Rahmens. Fig. 5B zeigt das Bild des momentanen Rahmens. Fig.
5C zeigt das Bild, welches nach der Bestimmung der Bewegung
unter Verwendung eines zweidimensionalen
Dreieckmustergittermodells gemäß der vorliegenden Erfindung
transformiert wurde. Aus Fig. 5C geht hervor, daß keine
Diskontinuität an den Grenzen der jeweiligen Dreiecke erzeugt
wird, wenn das Bild in Einheiten von Pixeln in den jeweiligen
Dreiecken während der Bewegungskompensation rekonstruiert
wird, da die jeweiligen Dreiecke in dem zweidimensionalen
Dreieckmustergittermodell miteinander nach der Bestimmung der
Bewegung verbunden werden.
Wenn das Bild, welches durch das Verfahren zur Bestimmung der
Bewegung des sich bewegenden Bildes unter Verwendung des
zweidimensionalen Dreieckmustergittermodells gemäß der
vorliegenden Erfindung kodiert wurde, rekonstruiert wird, ist
es möglich, ein Bild mit guter Qualität zu erzielen,
verglichen mit einem Bild, welches durch das konventionelle
BMA-Verfahren zur Bestimmung der Bewegung rekonstruiert wurde.
Claims (4)
1. Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines sich bewegenden Bildes in ei
nem Kompressionssystem für sich bewegende Bilder, mit folgenden Schritten:
Unterteilung des momentanen Rahmens eines Eingangsbildsignals in N1 × N2- Makroblockeinheiten;
Unterteilen jedes der Makroblöcke in zwei Makroblöcke, um Dreieckmuster zu erzeugen;
Berechnung von Pixeldifferenzen zwischen einem Bezugsblock und Suchblöc ken des vorherigen Rahmens in einem vorbestimmten Bereich auf der Grundla ge der Koordinatenwerte der jeweiligen Scheitelpunkte der Dreieckmuster; und
Berechnung eines Bewegungsvektors des Bezugsblocks des momentanen Rahmens aus dem Koordinatenwert des passenden Blocks des vorherigen Rahmens, der einen minimalen Pixeldifferenzwert unter den berechneten Pi xeldifferenzen aufweist.
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Pixeldifferenzberechnungsschritt die übereinstimmenden Scheitelpunkte der Dreiecke nur einmal berrücksichtigt werden, und die Scheitelpunkte am Rand des Bezugsblocks von der Berech nung ausgeschlossen sind.
Unterteilung des momentanen Rahmens eines Eingangsbildsignals in N1 × N2- Makroblockeinheiten;
Unterteilen jedes der Makroblöcke in zwei Makroblöcke, um Dreieckmuster zu erzeugen;
Berechnung von Pixeldifferenzen zwischen einem Bezugsblock und Suchblöc ken des vorherigen Rahmens in einem vorbestimmten Bereich auf der Grundla ge der Koordinatenwerte der jeweiligen Scheitelpunkte der Dreieckmuster; und
Berechnung eines Bewegungsvektors des Bezugsblocks des momentanen Rahmens aus dem Koordinatenwert des passenden Blocks des vorherigen Rahmens, der einen minimalen Pixeldifferenzwert unter den berechneten Pi xeldifferenzen aufweist.
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Pixeldifferenzberechnungsschritt die übereinstimmenden Scheitelpunkte der Dreiecke nur einmal berrücksichtigt werden, und die Scheitelpunkte am Rand des Bezugsblocks von der Berech nung ausgeschlossen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pixeldifferenz als der Absolutwert
der Differenz zwischen jedem Pixelwert des momentanen Rahmens und dem Pi
xelwert des vorherigen Rahmens in dem Pixeldifferenzberechnungsschritt be
rechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Schritt der Bestimmung
der Bewegung einer Pixeleinheit in der Mitte zur Bestimmung einer Bewegung
mit weiteren Einzelheiten vorgesehen ist, auf der Grundlage des berechneten
Bewegungsvektors.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pixelwert in der Mitte durch Kombi
nation von Werten für vollständige Pixel am Umfang erzeugt wird.
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