DE19825042A1 - Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Codierung eines be­ wegten Bilds bei MPEG-4 (MPEG = Moving Picture Experts Group). Dabei geht es insbesondere um die Verbesserung des Codierungswirkungsgrads bei einem Videoverifiziermodell (VM) gemäß MPEG-4, dessen Standardisierung derzeitig fortschrei­ tet.

Im allgemeinen muß die Redundanz von Bilddaten sowohl in der Zeitdomäne als auch in der zweidimensionalen Raumdomäne entfernt werden, um wirkungsvoll eine Abfolge von Videodaten zu komprimieren, die sich im Verlauf der Zeit ändern. Zum Entfernen von Redundanz in der zweidimensionalen Raumdomäne wird diskrete Cosinustransformation (DCT) verwendet, und zum Entfernen von Redundanz in der Zeitdomäne wird bei MPEG ein Bewegungskompensationsverfahren verwendet.

DCT ist ein Verfahren zum Beseitigen der Korrelation zwi­ schen Daten durch zweidimensionale räumliche Transformation. Jeder Block in einem Bild wird unter Verwendung von DCT räumlich transformiert, nachdem ein Bild in Blöcke unter­ teilt wurde. Es besteht die Tendenz, daß räumlich transfor­ mierte Daten in einer bestimmten Richtung driften.

Bilder, die in der Zeitdomäne aufeinanderfolgen, bilden im Zentrum eines Vollbilds Bewegungen eines Menschen oder eines Objekts ab. Diese Eigenschaft wird dazu verwendet, beim Be­ wegungskompensationsverfahren Redundanz in der Zeitdomäne zu beseitigen. Das zu übertragende Datenvolumen kann dadurch minimiert werden, daß ein ähnlicher Bereich aus dem voran­ gegangenen Bild herausgenommen wird und im aktuellen Bild ein Bereich, der sich nicht geändert hat (oder in dem nur eine sehr kleine Änderung vorliegt), durch den ähnlichen Be­ reich im vorangegangenen Bild aufgefüllt wird. Der Vorgang des Herausfindens der ähnlichsten Blöcke in Bildern wird als Bewegungsabschätzung bezeichnet. Der Versatzwert, der das Bewegungsausmaß repräsentiert, wird als Bewegungsvektor be­ zeichnet. Der Bewegungsvektor ist ein zweidimensionaler Vek­ tor, der den Versatz zwischen den Koordinaten eines Bezugs­ vollbilds oder Bezugshalbbilds und den Koordinaten eines vorangegangenen Vollbilds oder Halbbilds für Bewegungskom­ pensation im Bild kennzeichnet.

Innerhalb eines Suchfensters von ±2,5 Pixeln wird bei MPEG-4 auf Grundlage eines 16×16-Bewegungsvektors eine 8×8-Block­ suche für Bewegungsabschätzung hinsichtlich ganzzahliger Pi­ xel ausgeführt. Wenn im 8×8-Modus ein spezieller Makroblock erzeugt wird, liegen jeweilige Bewegungsvektoren bezüglich vier Blöcken im Makroblock innerhalb einer speziellen Um­ grenzung.

Fig. 1 zeigt eine Umgrenzung, wie sie Bewegungsvektoren von vier Blöcken bilden können, wenn ein Makroblock gemäß dem Stand der Technik im 8×8-Modus erstellt wird. Diese Umgren­ zung von vier Bewegungsvektoren trägt stark zu einer Erhö­ hung des Codierungswirkungsgrads für den Bewegungsvektor bei. Innerhalb des Makroblocks sind maximal vier Bewegungs­ vektoren zulässig. Wenn sie als solche übertragen werden, ist die Bitmenge groß. Die Bitmenge kann dadurch verringert werden, daß eine Codierung mit variabler Länge (VLC = Va­ riable Length Coding) für nur die Bewegungsvektordifferenz gegenüber dem Bewegungsvektor im vorangegangenen Makroblock vor der Übertragung ausgeführt wird. Dabei wird die Diffe­ renz zwischen Bewegungsvektoren als Bewegungsvektordifferenz (MVD = Motion Vector Difference) ausgedrückt.

Wie es in den Fig. 2a bis 2d dargestellt ist, wird ein tat­ sächlicher Bewegungsvektor eines Blocks unter Verwendung der Differenz (MVD_X, MVD_Y) zwischen dem Median von drei benach­ barten Bewegungsvektorkandidaten und einem Bewegungsvektor im relevanten Block abgeschätzt. Dies wird wie folgt ausge­ drückt:

P_X = Median(MV1_X, MV2_X, MV3_X)
P_Y = Median(MV1_Y, MV2_Y, MV3_Y)
MVD_X = MV_X - P_X MVD_Y = MV_Y - P_Y.

Fig. 1 veranschaulicht eine Grenze der Bewegungsvektor-Ab­ schätzung. Dabei ist aus den folgenden Gründen keine voll­ ständige Unterstützung von MPEG-4 VM möglich.

Hinsichtlich Kandidaten bei der Bewegungsvektor-Abschätzung in einem in Fig. 2 dargestellten Makroblock im 8×8-Modus steht ein Fall, gemäß dem der Wert eines als Medianvorhersa­ ge verwendeten Bewegungsvektors die Grenze eines Bewegungs­ vektors im 8×8-Modus überschreitet, in Zusammenhang mit ei­ nem Wert MVD2, der dem Block 2 entspricht. Da nur einer der drei Bewegungsvektor-Kandidaten innerhalb des Makroblocks im 8×8-Modus liegt, kann der Absolutwert von MVD2 wie aus der durch den Median erstellten Vorhersage erhalten, die Grenze von 5,0 überschreiten.

Es kann der Fall existieren, daß die durch den Median er­ stellte Vorhersage außerhalb der Grenze liegt. Wenn der Wert MV des Blocks 2 als MV_{AKTUELLER BLOCK} (Bewegungsvektor eines relevanten Blocks) definiert wird, der Wert MVL des Blocks 2 als MV_{INNERHALB DER MV-VORHERSAGE} (Bewegungsvektor-Vorhersa­ ge innerhalb einer Umgrenzung) definiert wird, und der Medi­ an (MVL, MV2, MV3) des Blocks 2 als MV_{MEDIANVORHERSAGE} defi­ niert wird, zeigt Fig. 3 den Fall, daß MV_{MEDIANVORHERSAGE} der Grenze am nächsten liegt. Fig. 3 veranschaulicht den Fall, daß eine Bewegungsvektor-Medianvorhersage eine Grenze überschreitet.

Wie oben veranschaulicht, verwendet das herkömmliche Verfah­ ren zur Bewegungsvektorcodierung den Median von drei benach­ barten Bewegungsvektor-Kandidaten, um einen Bewegungsvektor abzuschätzen. Da jedoch dieses Verfahren alle Pixel auf Grundlage des Medians von drei benachbarten Bewegungsvektor- Kandidaten gleichmäßig abschätzt, ist es nicht optimal. Es existiert ein Problem dahingehend, daß bei diesem Verfahren der Codierungswirkungsgrad bei einer komplizierteren Bewe­ gungsabfolge merklich abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 zu schaffen, das die Ge­ samtbitrate verringert.

Diese Aufgabe ist durch das Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird un­ ter drei Bewegungsvektor-Kandidaten derjenige aufgesucht, der die minimale Differenz gegenüber einem aktuellen Bewe­ gungsvektor aufweist, und es werden der Wert des herausge­ fundenen Bewegungsvektor-Kandidaten sowie ein Modusbit über­ tragen.

Zusätzliche Vorteile, Aufgaben und andere Merkmale der Er­ findung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dar­ gelegt, und teilweise werden sie dem Fachmann bei der Unter­ suchung des Folgenden oder beim Ausüben der Erfindung er­ kennbar. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden spe­ ziell durch die Maßnahmen erzielt, wie sie in den beigefüg­ ten Ansprüchen dargelegt sind.

Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Be­ schreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Ver­ anschaulichung dienen und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, vollständiger zu verstehen sein.

Fig. 1 zeigt eine Umgrenzung, wie sie Bewegungsvektoren von vier Blöcken bilden können, wenn ein Makroblock gemäß dem Stand der Technik in einem 8×8-Modus erstellt wird;

Fig. 2a bis 2d zeigen Bewegungsvektor-Kandidaten in einem Makroblock gemäß einem 8×8-Modus gemäß dem Stand der Tech­ nik;

Fig. 3 veranschaulicht einen Fall, daß eine Bewegungsvek­ tor-Medianvorhersage beim Stand der Technik eine Grenze überschreitet;

Fig. 4 zeigt MVD-Codebits und eine Bitstromsyntax eines Mo­ dusbits bei der Erfindung;

Fig. 5a und 5b zeigen Beispiele dahingehend, daß Modusbits gemäß der Erfindung in einem Codierer und einem Decodierer verringert werden; und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm zur Erfindung.

Nun wird im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der Erfindung Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.

Als erstes wird aus drei Bewegungsvektorkandidaten derjenige Bewegungsvektor-Kandidat ausgewählt, der bei Codierung die minimale Bitrate aufweist. An einen Decodierer werden eine Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung, die die Differenz zwi­ schen einem tatsächlichen Bewegungsvektor und einem vorher­ gesagten Bewegungsvektor ist, und Vorhersagemodus-Informa­ tion geliefert. Die Anzahl der Kandidaten beträgt im allge­ meinen drei. Es kann leicht die Bitrate beim Codieren der Differenz zwischen den Bewegungsvektoren abgeschätzt werden.

Fig. 4 zeigt MVD-Codebits und eine Bitstromsyntax eines Mo­ dusbits bei der Erfindung. Bewegungsvektor-Codierung erfolgt bezüglich X und Y. Das Modusbit zeigt an, welcher der drei Bewegungsvektor-Kandidaten beim Codieren einer MVD verwendet wird. Die dem Modusbit vorangehende MVD-Minimalrate kann un­ ter Verwendung von MVD-Minimalbit-Information verringert werden. Der Bewegungsvektor X wird unter Verwendung eines Minimalrate-Vorhersagewerts wie folgt codiert. Die Komponen­ te Y (Helligkeit) wird auf dieselbe Weise codiert.

Die Fig. 5a und 5b zeigen Beispiele dafür, daß Modusbits gemäß der Erfindung in einem Codierer und einem Decodierer abnehmen. Fig. 5a gilt für den Codierer. Wenn MV1 = 0, MV2 = 0, MV3 = 3 gelten und für den Bewegungsvektor des aktuellen Blocks MV = 5 gilt, wird als Bewegungsvektor-Kandidat der Vektor MV3 ausgewählt, der nahe bei MV5 liegt, abweichend von MVL und MV2, die entfernt von MV5 liegen. Dabei hat die MVD-Minimalrate (MVD_min_rate) den Wert 2.

Wie oben beschrieben, codiert der Codierer den Wert MVD_min_rate unter Verwendung des Minimalrate-Vorhersagewerts. Dann prüft der Codierer, ob der Decodierer den tatsächlichen Be­ wegungsvektor erkennen kann, was unter Verwendung minimaler Information erfolgt.

Wie es in Fig. 5b dargestellt ist, die für den Decodierer gilt, existieren bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nur zwei Kandidaten. Jedoch unterscheidet sich das Ergebnis der Decodierung für den Kandidaten 1 mittels MVD_min_rate, wie vom Codierer empfangen, vom Decodierungsergebnis betref­ fend denselben mit dem tatsächlichen MVD_min_rate, woraus geschlossen wird, daß der Kandidat 1 nicht der tatsächliche Bewegungsvektor ist. In diesem Fall ist es nicht erforder­ lich, ein Modusbit an den Decodierer zu liefern, um aus den drei Bewegungsvektor-Kandidaten den tatsächlichen Bewegungs­ vektor herauszufinden. Ein Algorithmus des erfindungsgemäßen Bewegungsvektor-Codierverfahrens ist der folgende:

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 unter Verwendung eines derartigen Algorithmus wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 6 dargestellte Flußdiagramm beschrieben.

Aus drei Bewegungsvektor-Kandidaten wird derjenige Kandidat ausgesucht, der im Codierungsfall die minimale Bitrate auf­ weist. An einen Decodierer werden die Bewegungsvektor-Vor­ hersageabweichung und Vorhersagemodus-Information geliefert. Die Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung ist die Differenz zwischen einem tatsächlichen Bewegungsvektor und einem vor­ hergesagten Bewegungsvektor. Es wird die minimale Bitrate zum Codieren der Bewegungsvektordifferenz abgeschätzt. Wenn einmal ein Bewegungsvektor bezüglich der Komponenten X und Y, unter Verwendung eines Minimalrate-Vorhersagewerts, co­ diert ist, ist die Bewegungsvektorcodierung abgeschlossen.

Dieses Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 verringert die Gesamtbitrate durch Herausfinden desjenigen Kandidaten aus drei benachbarten Bewegungsvektor-Kandidaten, der die minimale Differenz gegen einen Bewegungsvektor auf­ weist, und durch Übertragen des Werts des herausgefundenen Bewegungsvektor-Kandidaten sowie eines Modusbits, um dadurch den Wirkungsgrad bei der Kompression eines bewegten Bilds zu verbessern.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4, ge­ kennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Auswählen desjenigen Kandidaten, der bei Codierung unter drei Bewegungsvektor-Kandidaten die minimale Bitrate auf­ weist;
• - Senden einer Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung und von Vorhersagemodus-Information an einen Decodierer;
• - Abschätzen der minimalen Bitrate zum Codieren einer Bewe­ gungsvektordifferenz, und
• - Codieren eines Bewegungsvektors bezüglich Komponenten X und Y unter Verwendung eines Minimalrate-Vorhersagewerts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung des Bewegungsvektors bezüglich der Komponente X durch den folgenden Algorithmus ausgeführt wird:

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Verfahren zum Codieren des Bewegungsvektors bezüglich der Komponente Y dasselbe wie das Verfahren des Codierens des Bewegungsvektors bezüglich der Komponente X ist.