DE19757630C2 - Bewegungsbestimmungsverfahren - Google Patents

Bewegungsbestimmungsverfahren

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bewegungsbestimmungsverfahren, und insbesondere ein Bewegungsbestimmungsverfahren, welches dazu dient, einen Bewegungsvektor zu erhalten, der eine bessere und höhere Kompressionsrate für die Kompression von Bilddaten ergibt, unter Verwendung einer Bitratenverzerrungstechnik.
In EP 707428 A1 wird ein Datenkompressionsverfahren beschrieben, bei dem jeder Bildrahmen in eine vorbestimmte Anzahl an Makroblöcken unterteilt wird. Aus jedem der entsprechenden Makroblöcke in einem vorherigen Rahmen wird ein vorliegender Makroblock ausgewählt und ein Bewegungsvektor kodiert. Dabei wird eine Differenz zwischen einem momentanen Markroblock und dem vorliegenden Makroblock berücksichtigt. Zunächst wird ein Bewegungsvektor erhalten, der eine vorbestimmte Fehlerfunktion minimiert. Weiterhin erfolgt eine Subtraktion der Komponenten zwischen dem Bewegungsvektor und einem aus drei Bewegungsvektorkandidaten ermittelten Prädikationsvektor. Dabei erhält man eine Bitanzahl entsprechend einer Anzahl an Bits, die zum Kodieren der Differenz erforderlich ist.
Im allgemeinen ist eine große Menge an Videodaten dazu erforderlich, digital bearbeitet zu werden, um digitale Bilder zu erzeugen, und Eigenschaften in mehreren Dimensionen darzustellen. Um ein derartiges Digitalbild und die entsprechende große Menge an Daten zu verarbeiten, und zur Übertragung und Speicherung des bearbeiteten Digitalbildes, ist daher eine Datenkompression erforderlich. Kompressionstechniken werden teilweise auf der Grundlage der Bandbreite der Kommunikationsleitung verwirklicht, die zur Übertragung verwendet wird, oder auf der Grundlage der Kapazität eines Speichermediums zum Speichern von Daten.
Die Standardisierung der Kompression sich bewegender Bilder (also digitaler Bilddaten) wurde von der Moving Picture Expert Group (MPEG) als JTC1/SC29 der International Organization for Standardization-International Electrotechnical Commission (IOS-IEC) entwickelt. Darüber hinaus hat die International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization Sector (ITU-T) Forschungsvorhaben durchgeführt, um Videokodierungsstandards auf der Grundlage eines ATM-Protokolls zu erzeugen, für die Bildübertragung in einem zukünftigen B-ISDN, und hat kürzlich einige H.26x-Standards vorgeschlagen. Der H.263-Vorschlag der H.26x-Standards betrifft die Videokodierung für Kommunikationen mit niedriger Bitrate, und kann für derartige Geräte wie beispielsweise ein Videokonferenzsystem verwendet werden.
Bei dem H.263-Standard wird bei der Übertragung einer Gruppe von Bildern ein Bild in einem vorbestimmten Zeitintervall abgetastet, und werden die abgetasteten Bilder sowohl in einer Intern-Betriebsart als auch in einer Zwischen-Betriebsart kodiert.
Zur Beseitigung zeitlicher Redundanzen wird ein Bewegungsbestimmungsverfahren eines Blockübereinstimmungsalgorithmus verwendet (in der Zeitachsenrichtung für die Bewegungskompensationskodierung). Bei diesem Blockübereinstimmungsalgorithmus wird jeder Rahmen in Makroblöcke mit vorbestimmter Größe unterteilt, und erhält man einen vorliegenden Block, der ein ähnliches Bild wie vorherige und momentane Rahmen aufweist. Dann werden ein Bewegungsvektor und die Differenz zwischen einem entsprechenden Block und dem vorhandenen Block kodiert.
Im allgemeinen wird bei der Bestimmung eines Bewegungsvektors mit maximaler Blockübereinstimmung ein vorhandener Block als ein Block ausgewählt, der den kleinsten Funktionswert aufweist, der aus einer Bestimmungsfunktion ermittelt wird, beispielsweise der Funktion einer Summe der Absolutdifferenzen (SAD) oder einer Funktion des mittleren absoluten Fehlers (MAE):
wobei f und fi die Größe der Signale in einem momentanen Rahmen bzw. in dem vorherigen Rahmen bezeichnen, und M und N die Anzahl horizontal und vertikal angeordneter Pixel in einem Block angeben.
Zur Erhöhung einer Coderate bei der Bewegungsvektorkodierung wird die Anzahl an Bits dadurch verringert, daß nur die Differenz zwischen einem entsprechenden Block und einem Block, der aus benachbarten Blöcken ausgesucht wird, durch ein vorbestimmtes Vorhersageverfahren kodiert wird.
Fig. 1 erläutert ein Bewegungsvektorvorhersageverfahren, welches von dem H.263-Standard empfohlen wird. In Fig. 1 ist mit MV ein Bewegungsvektor eines momentanen Blocks bezeichnet. Die Bezeichnungen MV1, MV2 und MV3 bezeichnen vorliegende Prädiktoren, und bezeichnen jeweils einen Bewegungsvektor eines vorherigen Blocks, einen Bewegungsvektor eines oberen Blocks bzw. einen Bewegungsvektor eines oberen rechten Blocks. Ein Prädiktor wird aus diesen vorliegenden Prädiktoren durch Berechnung eines Medianwerts erhalten, unter Verwendung eines Median-Filters. Nur die Differenz zwischen dem Bewegungsvektor des momentanen Blocks und dem Prädiktor wird kodiert und übertragen. Obwohl der Bewegungsvektor des momentanen Blocks MV im Bereich zwischen (-16, 0), (0, -16), und (16, -16) für beispielsweise einen 16 × 16-Block liegt, verringert die voranstehend geschilderte Vorhersagekodierung die Menge an Daten, die übertragen und mit variabler Länge kodiert werden muß, da ein geringer Unterschied zwischen Bewegungsvektoren benachbarter Blöcke vorhanden ist.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Videoquellenkodierer für den H.263-Standard. In Fig. 2 weist der Quellenkodierer einen Subtrahierer 10 zum Subtrahieren des Ausgangssignals eines Invers-DCT-Wandlers 20 von einem Eingangsvideosignal auf, einen Selektor 12 zur Auswahl des Ausgangssignals des Subtrahierers 10 oder des Ausgangssignals des Invers-DCT-Wandlers 20, entsprechend einem Steuersignal einer Quantisierungssteuerung 22, einen DCT-Wandler 14 für die DCT-Wandlung des Ausgangssignals des Selektors 12, einen Quantisierer 16 zum Quantisieren des Ausgangssignals des DCT-Wandlers 14 und zur Erzeugung eines Quantisierungsindex für Umwandlungskoeffizienten, einen Invers-Quantisierer 18 zur inversen Quantisierung des Ausgangssignals des Quantisierers 16 für eine Bestimmungskodierung, wobei der Invers-DCT-Wandler 20 zur Invers-DCT-Umwandlung des Ausgangssignals des Invers- Quantisierers 18 dient, und die Quantisierungssteuerung 22 zum Kontrollieren der Quantisierung in dem Quantisierer 16 dient, und zur Erzeugung und Ausgabe eines Steuersignals an den Selektor 12 und den Selektor 18 zur Auswahl einer Intra- Rahmenkodierung (im Rahmen) und einer Inter-Rahmenkodierung (zwischen den Rahmen) und eines Quantisiererindex.
Das Ausgangssignal des Invers-DCT-Wandlers 20 ist mit einem ersten Eingang eines Addierers 26 gekoppelt, dessen anderer Eingang mit einem Ausgang des zweiten Selektors 28 gekoppelt ist. Der Ausgang des Addierers 26 ist mit einem Eingang eines Bildspeichers 24 mit bewegungskompensierter variabler Verzögerung gekoppelt. Ein anderer Eingang des Speichers 24 ist mit dem Eingangsvideosignal gekoppelt. Das Ausgangssignal des Speichers enthält einen Bewegungsvektor und ist ebenfalls mit einem Eingang des Subtrahierers 10 und des Selektors 28 gekoppelt.
Die Steuerung 22 weist Ausgangssteuersignale auf, beispielsweise eine Marke (Flag) für die Intra-Inter-Kodierung und eine Marke zur Anzeige einer Übertragung.
Das Blockübereinstimmungsverfahren auf der Grundlage von SAD- und MAE-Funktionen weist allerdings zahlreiche Probleme auf. Nimmt man beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, an, daß die kleinste SAD gleich N ist, wenn ein Bewegungsvektor gleich (-16, -16) ist, und die SAD gleich M ist, wenn ein Bewegungsvektor gleich (0, 0) ist, so ist der Bewegungsvektor des momentanen Makroblocks (-16, -16) in dem Blockübereinstimmungsverfahren auf der Grundlage der SAD oder des MAE. Ist jedoch M nur geringfügig größer als N, so führt die Auswahl des Bewegungsvektors (-16, -16) zu einer weniger effizienten Kompressionsrate als die Auswahl des Bewegungsvektors (0, 0).
Darüber hinaus ist das konventionelle Verfahren in der Hinsicht ineffizient, daß es eine Berücksichtigung der Koderate und der Fehlerbeziehung bezüglich der Differenz zwischen Bewegungsvektoren vernachlässigt.
Angesichts der voranstehenden Schwierigkeiten und Nachteile beim Stand der Technik besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Bewegungsbestimmungsverfahrens, welches Daten effizienter komprimiert als der Stand der Technik, durch Auswahl eines Bewegungsvektors zur Ermöglichung einer maximalen Kompressionsrate in einer Ratenzulässigkeitsgrenze, wenn ein Videokodierer auf der Grundlage des H.263-Standards verwirklicht wird.
Um den voranstehend geschilderten Vorteil und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen wird ein Bewegungsbestimmungsverfahren zur Verfügung gestellt, bei welchem jeder Bildrahmen in eine vorbestimmte Anzahl an Makroblöcken unterteilt wird, und ein vorliegender Makroblock aus jedem der ähnlichen Makroblöcke in einem vorherigen Rahmen ausgewählt wird, und ein Bewegungsvektor und die Differenz zwischen einem momentanen Makroblock und dem vorliegenden Makroblock kodiert werden. Genauer gesagt umfaßt das Bewegungsbestimmungsverfahren folgende Schritte: (a) Erhalten eines Bewegungsvektors (x0, y0), der eine vorbestimmte Fehlerfunktion minimiert, (b) Annahme eines bevorzugten Bewegungsvektors (x, y), (c) Berechnung einer Differenz (x-diff, y-diff) zwischen (x0, y0) und (x, y), (d) Erhalten einer Bitanzahl entsprechend der Anzahl an Bits, die zum Kodieren von x-diff und y-diff erforderlich ist, (e) Bestimmung eines systematischen Fehlers auf der Grundlage eines Modells für den systematischen Fehler entsprechend der Bitanzahl, (f) Erhalten eines endgültigen Kostenfunktionswertes mit Hilfe einer Differenz zwischen einem Kostenfunktionswert und einem systematischen Fehler, (g) Vergleichen des endgültigen Kostenfunktionswertes mit einer vorbestimmten Zulässigkeitsgrenze, (h) Einstellung des angenommenen Bewegungsvektors (x, y) als Bewegungsvektor für einen momentanen Makroblock und Aktualisierung der Zulässigkeitsgrenze unter Verwendung des Kostenfunktionswertes, wenn der Kostenfunktionswert kleiner als der vorbestimmte Grenzwert im Schritt (g) ist, und (i) Weglassen des angenommenen Bewegungsvektors (x, y), wenn der Kostenfunktionswert nicht kleiner als der vorbestimmte Grenzwert im Schritt (g) ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Bewegungsvektorvorhersageverfahren, welches bei dem H.263-Standard vorgeschlagen wird;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Videoquellenkodierers in dem H.263-Standard;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Bewegungsbestimmungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ein Flußdiagramm des Bewegungsbestimmungsverfahrens gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Theoretisch setzt eine Koderaten-Fehlerbeziehung allgemein die Anzahl an Fehlern in Beziehung zu einer vorgegebenen Koderate, oder zu einer Koderate, die unter vorgegebenen Fehlern möglich ist, unter Verwendung der Beziehung, die aus einer Koderate und einem Fehler bestimmt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung beruht die Koderaten- Fehlerbeziehung auf der Lagrange-Kostenfunktion, die folgendermaßen aussieht:
J = D + λR = D + λ(Rmv + Rres) (2)
wobei J einen zulässigen Fehler bezeichnet, und D einen Fehler eines Rahmens bezeichnet, der kodiert wird (einschließlich DCT-Transformation und Quantisierung), und dekodiert wird (einschließlich inverser Transformation und Invers- Quantisierung). Bei der vorliegenden Erfindung kann der voranstehend erwähnte SAD- oder MAE-Wert als D verwendet werden. Die Variable Rmv bezeichnet die Anzahl an Bits, die zur Kodierung eines Bewegungsvektors verwendet wird, und Rres bezeichnet die Anzahl an Bits, die unter Berücksichtigung eines Fehlers nach der Quantisierung und nach der Invers- Quantisierung hinzugefügt wird. Das Symbol λ wird als Lagrange-Multiplikator bezeichnet, der einer Steigung einer Koderaten-Fehlerkurve entspricht, und einen negativen Wert aufweist, da eine Koderate invers proportional zur Anzahl an Fehlern ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Bewegungsvektor erhalten, der die maximale Kompressionsrate bei einem vorgegebenen zulässigen Fehler J ergibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert. Fig. 3 zeigt schematisch ein Bewegungsbestimmungsverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des Bewegungsbestimmungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Schritt S40 wird ein bevorzugter Bewegungsvektor (x, y) angenommen. Der bevorzugte Bewegungsvektor (x, y) wird freiwählbar zwischen (-16, -16) und (16, 16) im Falle eines 16 × 16-Blocks ausgewählt, und vorzugsweise wird einer unter MV1, MV2 und MV3 von Fig. 1 ausgewählt. Dann wird im Schritt S42 ein Bewegungsvektor (x0, y0) erhalten, auf der Grundlage der SAD-Funktion entsprechend dem H.263-Standard.
Im Schritt S44 wird die Differenz (x-diff, y-diff) zwischen (x, y) und (x0, y0) berechnet. Diese Werte werden einer Nachschlagetabelle zugeführt, um festzustellen, wieviele Bits zur Entropiekodierung der Werte erforderlich sind. Im Schritt S46 gibt die Nachschlagetabelle b-x und b-y aus, welche Bit- Budgets zum Kodieren von x-diff und y-diff darstellen.
Dann wird im Schritt S48 ein systematischer Fehler bestimmt, welcher der Kostenfunktion J hinzuaddiert werden soll, unter Verwendung von b-x und b-y. Der Wert des systematischen Fehlers wird von einem Modell für den systematischen Fehler erhalten, und es wird ein Abschnitt vor oder hinter einer Vertikalachse einer Gauss-Funktion, oder ein Quadrat der Gauss-Funktion oder anderer Funktionen (beispielsweise ein lineares Modell) werden als das Modell für den systematischen Fehler entsprechend dem Einsatz der vorliegenden Erfindung verwendet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Horizontalachse des Modells für den systematischen Fehler gibt Bit-Budgetinformation an, also b-x und b-y, und die Vertikalachse gibt den Wert des systematischen Fehlers an. Der Wert für den systematischen Fehler liegt im allgemeinen zwischen 50 und 100, und weist dieselbe Einheit und Bedeutung wie ein Kostenfunktionswert auf. Im Schritt S50 wird der systematische Fehler von dem Kostenfunktionswert J subtrahiert, wodurch ein endgültiger Kostenfunktionswert J' erhalten wird.
Im Schritt S52 erfolgt eine Ermittlung, ob der endgültige Kostenfunktionswert J' kleiner als eine vorbestimmte Zulässigkeitsgrenze SAD_min ist. Ist der Kostenfunktionswert kleiner als der Grenzwert, so wird der momentane angenommene Bewegungsvektor (x, y) als ein Bewegungsvektor eines momentanen Makroblocks bestimmt, und wird SAD_min unter Verwendung von J' im Schritt S54 erneuert. Wenn jedoch der Kostenfunktionswert nicht kleiner als der Grenzwert ist, wird im Schritt S56 der angenommene Wert (x, y) weggelassen.
Die Schritte S42 bis S56 werden dadurch wiederholt durchgeführt, daß erneut ein bevorzugter Bewegungsvektor (x, y) angenommen wird. Ein kleiner Bewegungsvektor wird mit vorgegebenen Fehlern durch Wiederholung derselben Prozedur erhalten, beispielsweise zweimal oder dreimal.
Wie voranstehend geschildert, wird bei dem Bewegungsbestimmungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein kleiner Bewegungsvektor durch eine heuristische Vorgehensweise ausgewählt, so daß die Kompressionsrate innerhalb einer Koderatenzulässigkeitsgrenze erhöht werden kann, auf der Grundlage einer Koderaten-Fehlerbeziehung in dem konventionellen H.263-Standard.
Da in dem H.263-Standard, der von der ITU-T empfohlen wird, ein Bewegungsvektorauffindungsverfahren nicht definiert ist, sondern dem Wunsch eines Benutzers überlassen ist, ist das voranstehend geschilderte Bewegungsbestimmungsverfahren mit dem H.263-Standard verträglich.
Es wurde daher ein neues Bewegungsbestimmungsverfahren gezeigt und beschrieben, welches sämtliche Ziele und Vorteile erreicht, die in diesem Zusammenhang gewünscht sind. Fachleuten auf diesem Gebiet werden jedoch, nach Berücksichtigung der Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutern, zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Variationen und andere Nutzungen und Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung deutlich werden. Sämtliche derartigen Änderungen, Modifikationen, Variationen und andere Nutzungen und Einsatzzwecke, die nicht vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergeben, sollen vom Umfang der beigefügten Patentansprüche umfaßt sein.

Claims (7)

1. Datenkompressionsverfahren, welches die Schritte umfaßt, jeden Bildrahmen in eine vorbestimmte Anzahl an Makroblöcken zu unterteilen, einen vorliegenden Makroblock aus jedem der entsprechenden Makroblöcke in einem vorherigen Rahmen auszuwählen, und einen Bewegungsvektor und eine Differenz zwischen einem momentanen Makroblock und dem vorliegenden Makroblock zu kodieren, wobei das Bewegungsbestimmungsverfahren weiterhin folgende Schritte umfaßt:
  • a) Erhalten eines Bewegungsvektors (x0, y0), der eine vorbestimmte Fehlerfunktion minimiert;
  • b) Annahme eines bevorzugten Bewegungsvektors (x, y);
  • c) Berechnung einer Differenz (x-diff, y-diff) zwischen (x0, y0) und (x, y);
  • d) Erhalten einer Bitanzahl entsprechend einer Anzahl an Bits, die zum Kodieren von x-diff und y-diff erforderlich ist;
  • e) Bestimmung eines systematischen Fehlers auf der Grundlage eines Modells für den systematischen Fehler entsprechend der Bitanzahl;
  • f) Erhalten eines endgültigen Kostenfunktionswertes über die Differenz zwischen einem Kostenfunktionswert und einem systematischen Fehler;
  • g) Vergleichen des endgültigen Kostenfunktionswertes mit einer vorbestimmten Zulässigkeitsgrenze;
  • h) Einstellung des angenommenen Bewegungsvektors (x, y) als Bewegungsvektor für einen momentanen Makroblock, und Aktualisierung der Zulässigkeitsgrenze unter Verwendung des Kostenfunktionswertes, wenn der Kostenfunktionswert kleiner als der Grenzwert in dem Schritt (g) ist; und
  • i) Weglassen des angenommenen Bewegungsvektors (x, y), wenn der Kostenfunktionswert nicht kleiner ist als der Grenzwert im Schritt (g).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) den Schritt der Auswahl eines der Bewegungsvektoren eines vorherigen Blocks, eines oberen Blocks, und eines oberen rechten Blocks umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerfunktion die Summe der Absolutdifferenz (SAD) ist, die durch folgende Gleichung bestimmt wird:
wobei f bzw. fi die Größe des Signals in einem momentanen Rahmen bzw. einem vorherigen Rahmen bezeichnet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerfunktion ein mittlerer absoluter Fehler (MAE) ist, der aus folgender Gleichung bestimmt wird:
wobei f bzw. fi die Größe des Signals in einem momentanen Rahmen bzw. in einem vorherigen Rahmen bezeichnet, und M bzw. N die Anzahl horizontal bzw. vertikal angeordneter Pixel in jedem Block bezeichnet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell für den systematischen Fehler linear ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell für den systematischen Fehler eine Gauss-Funktion ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell für den systematischen Fehler das Quadrat einer Gauss-Funktion ist.
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