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 Dreieckmustergittermodells

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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.
FORMEL 1
FORMEL 2
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.
FORMEL 3
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.
FORMEL 4
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.
FORMEL 5
a = A,
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.
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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