DE3036770T5 - TECHNIQUE FOR ESTIMATION OF DISPLACEMENT AND / OR VELOCITY OF OBJECTS IN VIDEO SCENES - Google Patents

TECHNIQUE FOR ESTIMATION OF DISPLACEMENT AND / OR VELOCITY OF OBJECTS IN VIDEO SCENES

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DE3036770T5 DE19803036770 DE3036770T DE3036770T5 DE 3036770 T5 DE3036770 T5 DE 3036770T5 DE 19803036770 DE19803036770 DE 19803036770 DE 3036770 T DE3036770 T DE 3036770T DE 3036770 T5 DE3036770 T5 DE 3036770T5
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BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMERBLUMBACH · WESER. BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPATENT LAWYERS IN MUNICH AND WIESBADEN

4-4-

Patentconsult Redeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsuli Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme PalentconsuliPatentconsult Redeckestraße 43 8000 Munich 60 Telephone (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegrams Palenlconsuli Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegrams Palentconsuli

PCT/US 80/00178 NETRAVALI 10-1PCT / US 80/00178 NETRAVALI 10-1

Western Electric Company Incorporated New York, N.Y. 10038, USAWestern Electric Company Incorporated New York, N.Y. 10038, USA

Verfahren zur Schätzung der Verschiebung und/oder Geschwindigkeit von Objekten in Video-SzenenMethod for estimating the displacement and / or speed of objects in video scenes

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention Gebiet der ErfindungField of invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Schätzwertes für die Verschiebung eines Objektes in einer Videoszene zwischen einem früheren und einem augenblicklichen Bild mit Schaltungen zur Berechnung eines ersten Schätzwertes für die Verschiebung unter Verwendung der Bildintensitätsdifferenz zwischen wenigstens einem Bildelement im augenblicklichen Bild und einem räumlich entsprechenden Bildelement im vorhergehenden Bild.The invention relates to a device for generating an estimated value for the displacement of an object in a Video scene between an earlier and a current image with circuits for calculating a first estimate for the shift using the image intensity difference between at least one picture element in the current picture and a spatially corresponding picture element in the previous picture.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the prior art

Eine Geschwindigkeits- und VerschiebungsSchätzung hat sich in vielen Anwendungen als zweckmäßig erwiesen, und zwar ein-A speed and displacement estimate has been found in proven to be useful in many applications, namely a

MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. tor. nat. . E. Hoffmann ülpl.-lng. Wiesbaden: P. G. Blumbacli Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Or. Jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pnt.-Anw. bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. Tor. nat. . E. Hoffmann ulpl.-lng. Wiesbaden: P. G. Blumbacli Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Or. Jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pnt.-Anw. until 1979. G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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schließlich von Nachführ- und Uberwachungssystemen,bei der Auswertung von fotografischen Aufnahmen, die von Satelliten aus gemacht worden sind, sowie bei der wirksamen Codie- ' rung von sich bewegenden Bildfolgen für die übertragung und/ oder Speicherung. Ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit ist in Verbindung mit einem Voraussage-Videocodierer ia der DE-PS 20 62 922 beschrieben. Dort wird die Intensität : " einer bestimmten Bildstelle in einem augenblicklichen Bild ; (Rahmen) unter Verwendung einer Folge von Korrelatoren mit der Intensität einer Folge von verschobenen Bildstellen in einem vorhergehenden Bild korreliert. Die Korrelator-Ausgangssignale werden dann als Zwischenbild-Intensi'tätskorrespondenz zwischen anderen, sich bewegenden Stellen im Bild integriert und ausgewertet. Dieser Lösungsversuch für die Geschwin digkeitsfeststellung hat sich als unbequem herausgestellt, da viele Multiplikationen für Jedes sich bewegende Bildelement erforderlich waren. Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit im Bereich zwischen O und 4 Pels (= Bildelemente von Picture Element) je Rahmen (Pef von Picture Elements Per Frame) mic einer Genauigkeit von 0,25 Pef festgestellt werden soll, ist für jede der 1089 möglichen 1/^—Element-Verschiebungen ein Bewegungsbereich-Korrelationskoeffizient erforderlich. Es ist offensichtlich, daß eine größere Genauigkeit oder ein größerer Geschwindigkeitsbereich noch größere Verarbeitungskapazitäten erforderlich machen würde. finally of tracking and monitoring systems, in the evaluation of photographic recordings that have been made from satellites, and in the effective coding of moving image sequences for transmission and / or storage. A method for measuring the speed is described in connection with a prediction video encoder ia of DE-PS 20 62 922. There, the intensity : "of a specific image location in a current image; (frame) is correlated using a sequence of correlators with the intensity of a sequence of shifted image locations in a previous image. The correlator output signals are then used as interframe intensity correspondence between other moving points in the picture. This attempted solution for the speed determination has proven to be inconvenient, since many multiplications were required for each moving picture element. For example, if the speed was in the range between 0 and 4 pels (= picture elements of Picture Element) per frame (Pef by Picture Elements Per Frame) with an accuracy of 0.25 Pef, a range of motion correlation coefficient is required for each of the 1089 possible 1 / ^ element shifts Accuracy or a greater total speed range would require even larger processing capacities.

Eine wesentliche Verringerung für die Anzahl der beim bekannten Verfahren erforderlichen Berechnungen ist durchA significant reduction in the number of calculations required in the known method is due to

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-H--H-

ein späteres Geschwindigkeitsschätzverfahren ermöglicht worden. Dieses spätere Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Große des Bilddifferenzsignals (Intensitätsdifferenz einer bestimmten Bildstelle zwischen einem Bild und dem nächsten Bild), das von einem sich bewegenden Objekt erzeugt wird, eine Funktion seiner Geschwindigkeit und außerdem der Größe des Objekts und der Anzahl von Einzelheiten ist, die das Objekt enthält. Da außerdem die Größe und Einzelheit ten zur Größe des Element- oder Zeilendifferenzsignals (Differenz der Intensität zwischen zwei bestimmten Stellen im gleichen Bild = Rahmen) in Beziehung stehen, das durch das Objekt erzeugt wird, läßt sich ein von der Größe und den Einzelheiten im wesentlichen unabhängiger Schätzwert für die Geschwindigkeit dadurch erhalten, daß die Bilddifferenz mit der Element- oder Zeilendifferenz normiert wird.a later rate estimation method has been made possible. This later procedure is based on the knowledge that the size of the image difference signal (intensity difference of a certain image point between an image and the next image) produced by a moving object is a function of its speed and also the size of the object and the number of details, which contains the object. In addition, since the size and details are related to the size of the element or line difference signal (difference the intensity between two specific points in the same image = frame) are related, which is determined by the Object is generated, an estimate of the size and details essentially independent of the Preserved speed by normalizing the image difference with the element or line difference.

Mathematisch ist die von Limb und Murphy beschriebene Verschiebungsberechnung (für die horizontale oder x-Richtung) gegeben durch:Mathematical is the displacement calculation described by Limb and Murphy (for the horizontal or x-direction) given by:

I (FDIF)1 . Sgn (EDIF)1 I (FDIF) 1 . Sgn (EDIF) 1

Vx = i i ; ; (1),Vx = i i; ; (1),

wobei FDIF die Bild- oder Rahmendifferenz (von Frame Difference), EDIF die Elementdifferenz sind und die Summierung über diejenigen Elemente im Bild durchgeführt wird, für die FDIF oberhalb eines Schwellenwertes liegt, wodurch ein sich bewegender Bereich angegeben wird. Zur Berechnung von Vy (Verschiebung in der vertikalen Richtung) erfolgt eine entsprechende Be-wherein fDIF the image or frame difference (Dif frame of interference), EDIF is the difference element and the summation is performed over those elements in the image is for the fDIF above a threshold value, thereby indicating a moving area. To calculate Vy (displacement in the vertical direction), a corresponding calculation is made

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rechnung unter Verwendung der Zeilendifferenz LDIF anstelle der Bilddifferenz EDIF. Die Geschwindigkeit kann dann aufgrund geeigneter Vektorkombinationen von Vx, Vy und Vt "" berechnet werden.calculation using the line difference LDIF instead the image difference EDIF. The speed can then be based on suitable vector combinations of Vx, Vy and Vt "" be calculated.

Dieses spätere Verfahren führt zwar zu weniger Berechnungsvorgängen als beim früheren Verfahren, es beruht aber auf der Vereinfachung einer Taylor-Reihenentwicklung,die an- .Although this later method leads to fewer calculation processes than the previous method, it is based on the simplification of a Taylor series expansion that an-.

nimmt, daß Vx klein war. Wenn jedoch Vx groß ist, wird die Taylor-Annäherung ungenau, wodurch der Verschiebungsschätzwert schwerwiegend beeinträchtigt wird. Außerdem liefert dieses Verfahren gelegentlich unbefriedigende Ergebnisse in Szenen mit mehreren, sich bewegenden Objekten.assumes that Vx was small. However, when Vx is large, the Taylor approximation becomes inaccurate, thereby reducing the displacement estimate is severely affected. In addition, this method sometimes gives unsatisfactory results in Scenes with several moving objects.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen hat die Erfindung generell zum Ziel, Mittel und ein Verfahren zur genaueren Bestimmung der Verschiebung und/oder Geschwindigkeit von sich bewegenden Objekten in Videoszenen oder ähnlichem bereitzustellen. Das Verfahren muß sich an Bilder mit Bereichen unterschiedlicher Bewegung anpassen und sich so verwirklichen lassen, daß es nicht zu kompliziert oder aufwendig wird.In view of the foregoing, the invention generally has for its object, means and a method for more precise Determination of the displacement and / or speed of moving objects in video scenes or the like. The process must adapt to images with areas of different movement and thus become reality so that it doesn't get too complicated or expensive.

D.as Problem wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Schätzwertes für die Verschiebung eines Objektes in einer Videoszene zwischen einem früheren und einem augenblicklichen Bild dadurch gelöst, daß die Vorrichtung eine Aktualisierungsschaltung zur wiederholten Aktualisierung des ersten Verschiebungsschätzwertes unterAccording to the invention, the problem arises with a device for generating an estimated value for the displacement of an object in a video scene between an earlier and a current image by the fact that the device an update circuit for repeatedly updating the first displacement estimated value

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303^770303 ^ 770

Verwendung der Intensitätsdifferenz zwischen dem wenigstens einen Bildelement im augenblicklichen Bild und einer Stelle im vorhergehenden Bild aufweist, die gegen das augenblickliche Bildelement um den ersten Verschiebungsschätzwert verschoben ist. -Use of the intensity difference between the at least one picture element in the current image and a location in the previous image versus the current picture element by the first displacement estimate is shifted. -

Zusammenfassung der Erfindung .". Summary of the Invention ".

Entsprechend der Erfindung wird die Verschiebung eines Ob-: -According to the invention, the displacement of an ob- : -

jektes in einer Videoszene unter Verwendung des vorhergehenden Verschiebungsschätzwertes zur Aktualisierung des augenblicklichen Verschiebungsschätzwertes wiederholt.bestimmt. Die Wiederholung kann für jedes Bildelement, für eine Gruppe von Bildelementen oder für ein vollständiges Feld oder ein vollständiges Bild (Rahmen) durchgeführt werden. Tatsächlich können in gewissen Fällen Schätzwerte wiederholt für ein gegebenes Bildelement erstellt werden. Die wiederholende oder rekursive Art entsprechend der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Rückführungsweg zwischen dem Ausgang des Systems (der die Verschiebung angibt) und dem System selbst, derart, daß der Fehler zwischen jedem aufeinanderfolgenden Verschiebungsschätzwert und der tatsächlichen Verschiebung im Idealfall sich dem Wert Null nähert.object in a video scene is repeatedly determined using the previous displacement estimate to update the current displacement estimate. The repetition can be carried out for each picture element, for a group of picture elements or for a complete field or a complete picture (frame). Indeed, in certain cases, estimates can be made repeatedly for a given picture element. The iterative or recursive type according to the invention is characterized by a feedback path between the output of the system (which indicates the displacement) and the system itself, such that the error between each successive displacement estimate and the actual displacement ideally approaches zero.

Entsprechend der Erfindung wird die Genauigkeit des Verschiebungsschätzwertes wesentlich verbessert. Dadurch wird wiederum die Unterscheidung zwischen sich bewegenden Objekten und dem unbedeckten Hintergrund im verarbeitenden Bild ermöglicht und kann zu einer verbesserten Codiererkonstruktion führen.According to the invention, the accuracy of the displacement estimate becomes much improved. This in turn makes the distinction between moving objects and the allows uncovered background in the processing image and can lead to an improved encoder design.

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Die rekursiven Verfahren nach der vorliegenden Erfindung lassen sich leicht mit einer Anzahl von Ausführungsbeispielen verwirklichen, die nicht übermäßig kompliziert oder aufwendig sind. ■ 'The recursive methods of the present invention can be readily implemented in a number of embodiments realize that are not overly complicated or burdensome. ■ '

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden, ins einzelne ; gehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen: The invention is based on the following, in detail; detailed description in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur wiederholten Berechnung eines Schätzwertes für die hori- - zontale Komponente einer Verschiebung bei einer1 shows the block diagram of a device for repeatedly calculating an estimated value for the horizontal - zontal component of a shift in a

Anzahl von Bildern entsprechend der Erfindung; Fig. 2 die räumlichen Stellen, die beim für die Vorrichtung nach Fig. 1 benutzten Verfahrei beteiligt sind;Number of images according to the invention; Fig. 2 shows the spatial locations that are used for the device according to Fig. 1 used method involved are;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Berechnung der Verschiebung nach der Erfindung.3 shows the block diagram of a further exemplary embodiment for a device for calculating the displacement according to the invention.

Ins einzelne gehende BeschreibungDetailed description

Die Ableitung der oben angegebenen Gleichung (1) ist für das Verständnis der vorliegenden Erfindung von Bedeutung. Nimmt man an, daß jedes Bild (=Rahraen) der Videoinformation entlang einer Vielzahl von im allgemeinen parallelen, horizontalen Zeilen abgetastet wird und daß die Lage eines Punktes innerhalb des Bildes entweder in Form üblicher rechtwinkliger Koordinaten (x, y) oder in Form eines zweidimensionalenThe derivation of equation (1) given above is important for understanding the present invention. Takes assume that each frame of video information is along a plurality of generally parallel, horizontal Lines is scanned and that the position of a point within the image either in the form of the usual right-angled Coordinates (x, y) or in the form of a two-dimensional

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Vektors χ ausgedrückt werden kann, dann läßt sich die Intensität eines bestimmten Punktes im Bild darstellen als
l(x,t) zum Zeitpunkt t und I(x,t-T) für das vorhergehende
Bild angeben,'wobei "E die Zeit zwischen zwei Bildern ist.
Wenn sich ein Objekt innerhalb des Bildes translatorisch bewegt und für den Augenblick ein unbedeckter Hintergrund im
Bewegungsbereich unbeachtet bleibt, dann hat jeder Punkt im" augenblicklichen Bild eine Intensität, die der Intensität :"-/■ eines bestimmten (üblicherweise verschiedenen) Punktes im : vorhergehenden Bild entspricht. Demgemäß gilt:
Vector χ can be expressed, then the intensity of a certain point in the image can be represented as
l (x, t) at time t and I (x, tT) for the previous one
Specify image, 'where "E is the time between two images.
When an object moves translationally within the image and for the moment an uncovered background in the
Movement area is ignored, then every point in the "current image has an intensity which corresponds to the intensity:" - / ■ of a certain (usually different) point in the: previous image. Accordingly, the following applies:

i(x,t) = Kx-D, t-τ) (2) ,i (x, t) = Kx-D, t-τ) (2),

wobei D der Translationsvektor für das Objekt während des Intervalls T zwischen den Bildern ist.where D is the translation vector for the object during the interval T is between the pictures.

Traditionell wird das Bilddifferenzsignal FDIF an der Stelle χ angegeben durch:Traditionally, the image difference signal FDIF is given at the point χ by:

FDIF(x) = I(x,t) - I(x,t-T ) (3a),FDIF (x) = I (x, t) - I (x, t-T) (3a),

wodurch angegeben wird, daß FDIF die Intensitätsdifferenz an einer festen Stelle χ für ein Zeitintervall T ist. Die
gleiche Differenz läßt sich jedoch mit räumlichen Ausdrücken angeben zu:
which indicates that FDIF is the intensity difference at a fixed point χ for a time interval T. the
however, the same difference can be given with spatial expressions:

FDIF = I(x,t) - I(x+D,t) (3b),FDIF = I (x, t) - I (x + D, t) (3b),

da die Intensität der Stelle χ + D zum Zeitpunkt t gleich
der Intensität an der Stelle χ im vorhergehenden Bild (Zeitpunkt t-T )angenommen wird.
since the intensity of the point χ + D is equal to the time t
the intensity at the point χ in the previous figure (time tT) is assumed.

Gleichung (3b) läßt sich für kleine D mit Hilfe einer Taylor-Reihenentwicklung im Bereich von χ schreiben als:Equation (3b) can be written for small D with the aid of a Taylor series expansion in the area of χ write as:

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FDIF(x) = -D Vl(x,t) + Terme höherer Ordnungen für DFDIF (x) = -D Vl (x, t) + higher order terms for D

wobei V der Gradient mit Bezug auf χ und der obere Index T eines Vektors dessen Transposition angeben. Wenn die translatorische Bewegung des Objektes über den gesamten Bewegungsbereich (mit Ausnahme des unbedeckten Hintergrundes) konstar.tist und die Terme höherer Ordnung für D vernachlässigt werden können, dann lassen sich beide Seiten der Gleichung (4) über— den gesamten Bewegungsbereich summieren, und man erhält einenwhere V is the gradient with reference to χ and the upper index T of a vector indicates its transposition. When the translational Movement of the object over the entire movement area (with the exception of the uncovered background) is constant and the higher order terms for D are neglected can, then both sides of equation (4) can be Sum the entire range of motion and you get one

Schätzwert D für die translatorische Bewegung wiß folgt:Estimated value D for the translational movement is known as follows:

ZFDIP(x).Vorz.(EDIF(x))ZFDIP (x). Prefix (EDIF (x))

, Σ IEDIF(X)I, Σ IEDIF (X) I

XfDIF(x).Vorz.(LDIP(x))XfDIF (x). Prefix (LDIP (x))

D =D =

("O, wenn z=O
wobei Vorz.(z) =J
("O if z = O
where sign (z) = J

.•| im anderen Fall (6).. • | in the other case (6).

Gleichung (5) ist identisch mit einer der von Limb und Murphy angegebenen Gleichungen und gibt an, daß Vl ein Vektor der Element- und Zeilendifferenzen (EDIF bzw. LDIF) sein kann, wenn die Intensität des Bildes in einem diskreten Gitter verfügbar ist, wie dies dann gilt, wenn die Intensität abgetastet wird. Der obere Term in Gleichung (5) bezieht sich auf die Verschiebung in der horizontalen Richtung, während der untere Term sich auf die vertikale Richtung bezieht.Equation (5) is identical to one of the equations given by Limb and Murphy and indicates that Vl is a vector of Element and line differences (EDIF or LDIF) can be if the intensity of the image is available in a discrete grid is how this is true when the intensity is sampled. The upper term in equation (5) is related refers to the shift in the horizontal direction, while the lower term refers to the vertical direction.

Wie oben angegeben, ist der Schätzwert für D nur solange gültig, wie D klein ist. Wenn D ansteigt, wird die Qualität der Taylor-Reihenentwicklung schlecht. Entsprechend der Er-As stated above, the estimate for D is only valid as long as D is small. When D increases, the quality will the Taylor series expansion is bad. According to the

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AO - - AO -

findung wird dies durch eine Linearisierung der Intensitätsfunktion im Bereich eines Anfangsschätzwertes von D überwunden. Demgemäß wird für das i-te Bild der Verschiebungsschätz-<-Finding this is overcome by a linearization of the intensity function in the range of an initial estimated value of D. Accordingly, for the ith image, the displacement estimate - <-

*i
wert D dadurch gewonnen, daß die Intensitätsfunktion um den-Verschiebungsschätzwert für das vorhergehende ((i-i)-te) Bild' herum linearisiert wird. Dieses Verfahren führt zur folgenden Rekursion: '.
* i
value D obtained by linearizing the intensity function around the displacement estimate for the previous ((ii) th) image '. This procedure results in the following recursion: '.

a1 = ρ1-1 + u1 (?), o:a 1 = ρ 1 - 1 + u 1 (?), o:

ai1 Ai iai1 A ii

wobei D ein Anfangsschätzwert für JD und U der auf den neuesten Stand gebrachte Wert (Aktualisierungswert) vonwhere D is an initial guess for JD and U of the updated value (update value) of

D sind, der den Yfert genauer macht, d.h. ein SchätzwertD, which makes the Yfert more accurate, i.e. an estimate

Ai-1
von D-D .
A i-1
by DD.

* i 1* i 1

Es wird jetzt die Größe DFD (x,D ) definiert, die die verschobene Bilddifferenz (DFD von Displaced Frame Difference) genannt wird und analog dem in den Gleichungen (3a) und (3b) verwendeten Wert FDIF(x) ist:The size DFD (x, D) is now defined that the moved Displaced Frame Difference (DFD) is called and analogous to that in equations (3a) and (3b) used value FDIF (x) is:

DFD(x,D1"1) s I(x,t) - Kx-D1^1Jt-T) (8).DFD (x, D 1 " 1 ) s I (x, t) - Kx-D 1 ^ 1 Jt-T) (8).

Aus Gleichung (8) erkennt man, daß DFD anhand von zwei Größen definiert ist:From equation (8) it can be seen that DFD is defined on the basis of two quantities:

(a) die räumliche Stelle x> an der die Auswertung stattfindet, und (b) die Verschiebung D "" , mit der ausgewertet wird. Offensichtlich wird im Fall eines zweidimensionalen Gitters(a) the spatial point x> at which the evaluation takes place, and (b) the shift D "" with which the evaluation is carried out. Obviously becomes in the case of a two-dimensional lattice

diskreter Abtastwerte ein Interpolationsprozeß zur Auswertung von !(x-D1"1,t-T) für nicht ganzzahlige Werte von D1"1 benutzt. Entsprechend der Definition hat der Wert DFD die Ei-discrete samples an interpolation process is used to evaluate! (xD 1 " 1 , tT) for non-integer values of D 1 " 1 . According to the definition, the value DFD has the egg

C Null konvergieC zero convergence

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*i genschaft, daß er auf Null konvergiert, wenn D zur tatsäch-* i property that it converges to zero when D becomes the actual

lichen Verschiebung D des Objektes konvergiert. Außerdem ist DFD = FDIF, wenn D1"1 = 0.union displacement D of the object converges. In addition, DFD = FDIF when D 1 " 1 = 0.

DFD läßt sich auf ähnliche Weise wie oben ausdrücken zu: DFD(X^D1"*1) = I(xjt) - I(x + D-D1-1Kt) ==DFD can be expressed in a similar way as above: DFD (X ^ D 1 "* 1 ) = I (xjt) - I (x + DD 1-1 Kt) ==

-(D-D1"1)1Vl(x,t) + Terme höherer Ordnung (9).- (DD 1 " 1 ) 1 Vl (x, t) + higher order terms (9).

Läßt man Ausdrücke höherer Ordnung außer Acht und benutzt Annäherungen ähnlich denen für Gleichung (5) so ergibt siel ein Schätzwert D - tr , der in Kombination mit Gleichung (7) ergibt:If higher-order expressions are disregarded and approximations similar to those for equation (5) are used, an estimated value D - tr results, which in combination with equation (7) gives:

JDFD(X,D1"1) . Vorz.(EDIF(x))JDFD (X, D 1 " 1 ). Sign. (EDIF (x))

"i "I ^"i" I ^

Dx - DJ D x - D J

ZDFD(x,D1""1) . Vorz.(LDIF(x))ZDFD (x, D 1 "" 1 ). Sign (LDIF (x))

(10). Vorz.(LDIF(x))(10). Sign (LDIF (x))

X|ldif(x)|X | ldif (x) |

In Gleichung (10) werden die Summierungen über den gesamten Bewegungsbereich durchgeführt.In equation (10), the summations are performed over the entire range of motion.

Der obere Ausdruck in Gleichung (10) betrifft die Verschiebung in horizontaler Richtung und der untere Ausdruck die Verschiebung in vertikaler Richtung. Aus Gleichung (10) ergibt sich, daß entsprechend der vorliegenden Erfindung jeder Verschiebungsschätzwert eine Aktualisierung des vorhergehenden Schätzwertes ist und den vorhergehenden Schätzwert zur Durchführung der Aktualisierung benutzt. Zu Anfang ist fürThe upper term in equation (10) relates to the displacement in the horizontal direction and the lower term to the Shift in the vertical direction. From equation (10), according to the present invention, each Displacement estimate is an update of the previous estimate and the previous estimate for the Used to carry out the update. The beginning is for

*i-1 *i* i-1 * i

D =0, DFD = FDIF. Danach wird D unter Verwendung von D sowie eines Korrekturterms aktualisiert, der eine Funktion von (a) DFD und EDIF für die x-Richtung und vonD = 0, DFD = FDIF. After that, D becomes using D as well as a correction term which is a function of (a) DFD and EDIF for the x-direction and of

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(b) DFD und LDIF für die y-Richtung ist. Anders gesagt, die Aktualisierung ist eine Funktion des vorhergehenden Verschiebungsschätzwertes, der zur Berechnung einer verschobenen :. Bilddifferenz benutzt wird, welche dann normiert wird, um örtlichen Intensitätsschwankungen zwischen dem verarbeiteten Element und benachbarten Bildelementen Rechnung zu tragen.(b) DFD and LDIF for the y direction. In other words, the Update is a function of the previous displacement estimate used to compute a displaced:. Image difference is used, which is then normalized to local intensity fluctuations between the processed Element and neighboring picture elements to be taken into account.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche die im oberen Ausdruck in Gleichung (10) mit Bezug lediglich auf die Verschiebung in der x-Richtung verwirklicht, ist in Form eines Blockschaltbildes in Fig. 1 gezeigt. Eingangssignalabtastwerte, die je die Intensität eines Bildes an einer bestimmten Stelle (Pel) innerhalb des Bildes darstellen, werden an eine Eingangsleitung 101,angelegt. Diese Abtastwerte können durch übliche Abtastvorrichtungen gewonnen werden, die dem Fachmann bekannt sind, oder irgendwelche anderen Einrichtungen, die so ausgelegt sind, daß sie Intensitätsinformationen für eine Folge von Pel-Stellen liefern. Es wird eine gleichförmige Formatierung für Intensitätsdaten benutzt, die von aufeinanderfolgenden Bildern (Rahmen) abgeleitet sind.A first embodiment of the present invention which relates to the expression in equation (10) above realized only on the shift in the x-direction, is shown in the form of a block diagram in FIG. Input signal samples, which each represent the intensity of an image at a certain point (pel) within the image, are applied to an input line 101. These samples can be obtained by conventional scanning devices known to those skilled in the art, or any other means designed to provide intensity information for a sequence of pel sites. It will uses uniform formatting for intensity data derived from successive images (frames) are.

Die Abtastwerte auf der Leitung 101 werden an einen Bildspeicher 102, eine Element-Verzögerungsschaltung 103 und an den ersten Eingang eines Paares von Subtrahierschaltungen 104 und 105 gegeben. Der Bildspeicher 102 ist zweckmäßig eine angezapfte Verzögerungsleitung, die auf der Leitung 106 ein Ausgangssignal liefert, welches den Intensitätswert einer be-The samples on line 101 are sent to an image memory 102, an element delay circuit 103 and the first input of a pair of subtracting circuits 104 and 105 given. The image memory 102 is expediently a tapped delay line which has an output signal on the line 106 supplies, which is the intensity value of a

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stimmten räumlichen Stelle im vorhergehenden Bild darstellt. Die genaue Stelle wird aufgrund eines an die Leitung 107 angelegten Steuersignals gewählt. Erfindungsgemäß ist dieses Steuersignal eine Funktion des vorhergehenden Verschie- '-'"; bungsschätzwertes, und die gewählte Stelle ist diejenige, welche am besten der verarbeiteten Stelle im augenblicklichen Bild (Rahmen) entspricht. Die Element-Verzögerungsschaltung 103 liefert ein Ausgangs signal, das um ein Abtastinter--. vall mit Bezug auf sein Eingangssignal verzögert ist. .---■'correct spatial position in the previous picture. The exact location is selected based on a control signal applied to line 107. According to the invention, this control signal is a function of the previous displacement '-'"; environment estimation value, and the selected location is the one that best matches the processed point in the current image (frame) The element delay circuit 103 provides an output signal to. a sampling interval -. vall is delayed with respect to its input signal. .--- ■ '

Das Intensitätswert-Ausgangssignal des Bildspeichers 102 auf der Leitung 106 wird an den zweiten Eingang der Subtrahierschaltung 104 gegeben und das Intensitätswert-Ausgangssignal der Element-Verzögerungsschaltung 103 an den zweiten Eingang der Subtrahierschaltung 105. Da die beim vorhergehenden Bild gewählte Stelle gegenüber der im Augenblick verarbeiteten Stelle um den früheren Verschiebungsschätzwert verschoben ist, stellt das Ausgangssignal der Schaltung 104 demgemäß die in Gleichung (10) definierte, verschobene Bilddifferenz DFD dar. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 105 ist die ebenfalls in Gleichung (10) definierte Elementdifferenz EDIF.The intensity value output signal of the image memory 102 on the line 106 is applied to the second input of the subtraction circuit 104 and the intensity value output signal of the element delay circuit 103 to the second input of the subtracter circuit 105. Since the position selected in the previous image versus the one currently being processed Position is shifted by the earlier displacement estimate, the output of circuit 104 sets accordingly represents the shifted image difference DFD defined in equation (10). The output signal of the subtracting circuit 105 is the element difference EDIF also defined in equation (10).

Das Vorzeichenbit der Elementdifferenz EDIF wird von einem an den Ausgang der Subtrahierschaltung 105 angeschalteten Register 108 abgenommen und zur selektiven Steuerung des Vorzeichens von DFD in einer Vorzeichen-Änderungsschaltung 109 benutzt, der das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 104 zugeführt wird. Dieses Vorzeichensignal auf der Leitung 121The sign bit of the element difference EDIF is from a the output of the subtracter circuit 105 connected register 108 removed and used to selectively control the sign of DFD in a sign changing circuit 109, to which the output signal of the subtracting circuit 104 is fed. This sign signal on line 121

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genügt der "Vorzeichen"-Funktion in Gleichung (10). Anschliessend wird der algebraische Wert des Produktes von DFD und des Vorzeichens von EDIF in einem ersten Akkumulator 111 angesammelt, während die Größe von EDIF in einem zweiten Akkumulator 112 summiert wird. Da jedoch die Berechnung gemäß Gleichung (10) nur in sich bewegenden Bereichen durchgeführt wird, werden die Schalter 113 und 114 , die in die Eingangsleitung der Akkumulatoren 111 bzw. 112 eingefügt sind, nur ;"-' bei Auftreten eines entsprechenden Steuersignals von der Be-> wegungsbereich-Segmentschaltung 120 gleichzeitig geschlossen. Die Schaltung 120, die auf ähnliche Weise wie die bekannte Vorrichtung gemäß Fig. 2 aufgebaut sein kann, schließt die Schalter 113 und 114 dann, wenn die Bilddifferenz FDIF einen voreingestellten Schwellenwert übersteigt.satisfies the "sign" function in equation (10). Subsequently the algebraic value of the product of DFD and the sign of EDIF is accumulated in a first accumulator 111, while the size of EDIF is summed in a second accumulator 112. However, since the calculation according to Equation (10) is only carried out in moving areas, the switches 113 and 114, which are inserted into the input line of the accumulators 111 and 112, respectively, only; "- ' closed at the same time when a corresponding control signal from the movement area segment circuit 120 occurs. The circuit 120, which can be constructed in a manner similar to the known device according to FIG. 2, closes the circuit Switches 113 and 114 when the image difference FDIF exceeds a preset threshold value.

Die in den Akkumulatoren 111 und 112 enthaltenen Werte, die der Zähler bzw. Nenner des oberen Ausdruckes in Gleichung (10) sind, werden in einer Teilerschaltung 115 dividiert und am' Ende jedes Berechnungsintervalls von N Pels an einen ersten Eingang eines Addierers 116 gegeben. Dieses Eingangssignal stellt den Aktualisierungsausdruck für die Verschiebung in x-Richtung dar und wird zum vorhergehenden Verschiebungs-The values contained in the accumulators 111 and 112, the are the numerator or denominator of the above expression in equation (10), are divided in a divider circuit 115 and at ' The end of each calculation interval of N pels is given to a first input of an adder 116. This input signal represents the update expression for the displacement in the x-direction and becomes the previous displacement

Ai-1 A i-1

Schätzwert D für die x-Richtung addiert. Das Addierer-Ausgangssignal ist zum Eingang einer Verzogerungsschaltung zurückgeführt, so daß es zum nächsten Wert wird, der zu aktualisieren ist. Das Ausgangssignal der Verzogerungsschaltung 117, das den vorhergehenden Verschiebungsschätzwert darstellt, ist außerdem das Eingangssteuersignal für den Bildspeicher 102 auf der Leitung 107, wie oben erläutert. Der Inhalt derEstimated value D for the x-direction added. The adder output is fed back to the input of a delay circuit so that it becomes the next value to be updated is. The output of delay circuit 117 representing the previous displacement estimate, is also the input control signal to frame buffer 102 on line 107, as discussed above. The content of the

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Akkumulatoren 111 und 112 wird am Ende jedes Intervalls von N Pels gelöscht.Accumulators 111 and 112 are cleared at the end of each interval of N pels.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist so ausgelegt, daß sie die Verschiebung in der x-Richtung berechnet. Die Verschiebung in der y-Richtung (entsprechend dem unteren Ausdruck in Gleichung (1O)) wird auf ähnliche Weise berechnet, wobei eine Zeilenverzögerungsschaltung anstelle der Elementverzögt-: rungsschaltung 103 verwendet wird. Auf diese Weise wird die.,. Zeilendifferenz LDIF als Ausgangssignal von der Subtrahierschaltung 105 statt der Elementdifferenz EDIF abgegeben.The apparatus of FIG. 1 is designed to compute the displacement in the x direction. The postponement in the y-direction (corresponding to the lower expression in equation (10)) is calculated in a similar manner, where a line delay circuit instead of the element delayed-: circuit 103 is used. In this way, the.,. Line difference LDIF as an output signal from the subtracting circuit 105 instead of the element difference EDIF issued.

Computer-Simulationen der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung zeigen, daß Rekursionen unter Verwendung eines Feldintervalls zu einem guten Schätzwert für die Verschiebung führen. Selbstverständlich ändert sich die Konvergenzrate mit dem Intervall und mit der Art der verwendeten Bildfolgen. Die Wahl eines Feldintervalls ist zwar typisch, eine Rekursion kann aber , falls gewünscht, für einen kleineren Block durchgeführt werden (beispielsweise 16 χ 16 Pels).Computer simulations of the device shown in Figure 1 show that recursions using a field interval lead to a good estimate of the displacement. Of course the rate of convergence changes with the interval and with the type of image sequences used. Choosing one Field interval is typical, but a recursion can be performed for a smaller block if desired (e.g. 16 χ 16 pels).

Der Bildspeicher 102 läßt sich auf einfache V/eise aufbauen, wenn eine weitere Näherung in Gleichung (10) erfolgt, derart, daß der anfängliche und der nachfolgende Schätzwert für die Verschiebung D nur ganzzahlige Komponenten enthält, die durch Ab- oder Aufrunden des auf der Leitung 107 zurückgeführten Steuersignals gebildet werden können. In diesem Fall kann der Speicher 102 eine angezapfte Verzögerungsleitung zusammenThe image memory 102 can be constructed in a simple manner if a further approximation is made in equation (10), in such a way that that the initial and subsequent estimates for the displacement D contain only integer components that are determined by The control signal fed back on line 107 can be rounded up or down. In this case it can the memory 102 together a tapped delay line

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-At--At-

mit einem Datenschalter sein, der geeignete Anzapfungen auswählt. Alternativ muß, wenn die Komponenten von D nicht ganzzahlig sind, das Ausgangssignal der angezapften Verzögerungs,-leitung unter Verwendung von Verfahren interpoliert werden, die dem Fachmann bekannt sind.be with a data switch that selects appropriate taps. Alternatively, if the components of D are not integers the output of the tapped delay line are interpolated using methods that are known to the person skilled in the art.

Die Schaltungsanordnung nach Fig.1 läßt sich, wie oben ange-. geben, in vielen Anwendungsfällen einsetzen, aber es werden^.: bestimmte Abänderungen für das Verfahren der Verschiebungs-....-Schätzung empfohlen, wenn die Schätzwerteinrichtung in einem Vorhersage-Codierer verwendet werden soll. Zunächst ist es da ein Codierer auf der Grundlage Pel für Pel arbeitet zweckmäßig, den Verschiebungsschätzwert für jedes Bewegungsbereich-Pel abzuändern. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß weitgehend die Probleme überwunden werden, die aufgrund mehrerer, sich bewegender Objekte oder deswegen auftreten, weil unterschiedliche Teile eines Objektes unterschiedliche Verschiebungen zeigen, da die Rekursion häufiger auftritt. Natürlich ist eine schnelle Konvergenz der Rekursionsgleichung erforderlich.The circuit arrangement according to Figure 1 can, as indicated above. give, use in many applications, but there will be ^. : certain amendments to the method of displacement. ... estimate recommended when the estimate facility is to be used in a predictive encoder. First, since a pel-by-pel based encoder operates, it is convenient to vary the displacement estimate for each range of motion pel. This has the additional advantage that it largely overcomes the problems that arise due to several moving objects or because different parts of an object show different displacements, since the recursion occurs more frequently. Of course, rapid convergence of the recursion equation is required.

Zum zweiten ist es in einem Vorhersage-Codierer wünschenswert, den Vorhersagefehler möglichst klein zu machen, damit der Wirkungsgrad des Codierers erhöht werden kann, wenn der dynamische Bereich des Fehlersignals abnimmt. Da die verschobene Bilddifferenz (DFD) ein Maß für den Vorhersagefehler ist,ist die Minimierung seines Wertes in der Verschiebungsschätzeinrichtung zweckmäßig. Mathematisch sollte, wenn ein Pel an derSecond, in a predictive coder it is desirable to to make the prediction error as small as possible so that the efficiency of the encoder can be increased when the dynamic Range of the error signal decreases. Since the postponed Image Difference (DFD) is a measure of the prediction error minimizing its value in the displacement estimator is expedient. Mathematically, if a pel should be at the

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*ΐ-1
Stelle χ mit der Verschiebung D und der Intensität I(x -D ,t-T ) vorausgesagt wird und zu einem Voraussage-
* ΐ-1
Place χ is predicted with the displacement D and the intensity I (x -D, tT) and leads to a prediction

M 1
fehler DFD(x ,D ) führt, die Schätzwerteinrichtung versuchen, einen neuen Schätzwert D zu erzeugen, derart, daß
M 1
error DFD (x, D) leads, the estimator tries to generate a new estimated value D such that

Zu diesem Zweck ist esFor that purpose it is

gilt: IdFD(X3,^) <| dfd (χ^,έ1"1)the following applies: IdFD (X 3 , ^) <| dfd (χ ^, έ 1 " 1 )

erwünscht, rekursiv [ÖFD(x,£> )J für jedes Bewegungsbereich-Element zu minimieren, und zwar unter Verwendung eines Gradienten-Lösungsversuchs. Beispielsweise kann unter Verwendung der üblichen Verfahren für den steilsten Abfall der neuedesired, recursive [ÖFD (x, £> ) Minimize J for each range of motion element using a gradient approach. For example, using the usual procedures for the steepest drop, the new

M *i-1M * i-1

Schätzwert D zum alten Schätzwert D so in Beziehung stehen, daß gilt:Estimated value D are related to the old estimated value D in such a way that that applies:

^ = D1"1 --(ε^νβί^^,Α1"1)]2 (11) ,^ = D 1 " 1 - (ε ^ νβί ^^, Α 1 " 1 )] 2 (11) ,

die sich auseinanderziehen läßt zu:which can be pulled apart:

D1 = D1"1 - EDFDQc^D1-1)^™^^1" ) (12)# D 1 = D 1 " 1 - EDFDQc ^ D 1 - 1 ) ^ ™ ^^ 1 ") (12) #

In beiden Gleichungen (11) und (12) ist "vL der Gradient mit Bezug auf die Verschiebung D,und £ ist eine positive, skaiare Konstante, die typisch im Bereich 10"^ < L < 10"2 liegt. Der Gradient V^ läßt sich anhand der Definition von DFD gemäß Gleichung (9) und unter Beachtung der nachfolgenden Gleichung auswerten:In both equations (11) and (12), "vL is the gradient with respect to the displacement D, and £ is a positive, scalar constant that is typically in the range 10" ^ <L < 10 " 2. The gradient V ^ can be evaluated using the definition of DFD according to equation (9) and taking into account the following equation:

wobei V^der Gradient mit Bezug auf χ ist. Diese Substitution führt zu:where V ^ is the gradient with respect to χ. This substitution leads to:

D1 = D1"1 - £dfd(x ,d1"1) Vi(x -Ετ^,ΐ-τ ) (14)D 1 = D 1 " 1 - £ dfd (x, d 1 " 1 ) Vi (x -Ετ ^, ΐ-τ) (14)

—* ~ "—a ~ —a- * ~ "—a ~ —a

wobei DFD und Vl durch Interpolation für nicht ganzzahliges D - ausgewertet werden. Eine wesentliche Verringerung derwhere DFD and Vl by interpolation for non-integer D - to be evaluated. A substantial reduction in

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303677Q303677Q

Berechnungsarbeit für VI wird erzielt, indem man D zur Berechnung des Gradienten Yl auf einen ganzzahligen WertComputational work for VI is accomplished by adding D to the Calculation of the gradient Yl to an integer value

C*i—1l
D J einen aufgerundeten oder ]-
C * i-1l
DJ a rounded or ] -

Ai-1 abgerundeten Wert Jeder der Komponenten D darstellt, dam» läßt sich der Schätzwert für die Gleichung (14) vereinfachen A i-1 rounded value represents each of the components D, so the estimated value for equation (14) can be simplified

D1 = D1"1 - fDFDCx^D1"1) VI(X3-[D1"1],t-T) (15)." -D 1 = D 1 " 1 - fDFDCx ^ D 1 " 1 ) VI (X 3 - [D 1 " 1 ], tT) (15)." -

Man beachte, daß VD unter Anwendung der Gleichung (9) ausge-r.; wertet werden könnte, wobei sich ein Schätzwert ergibt, bei dem Yl bei (x ,t) statt bei (x&~Ö " »*-Ό ausgewertet wird. Dieses alternative Verfahren beinhaltet eine Annahme für die Linearität von 1, die dann nicht, gültig sein könnte, wenn D-D1" groß ist. Außerdem ist kein Unterschied hinsichtlich der Berechnungskompliziertheit, wenn angenommen wird, daß eine lineare Interpolation von I(x,t-T) zur Berechnung von DFD benutzt wird und die sich ergebenden, verschobenen Zeilen- und Elementdifferenzen zur Berechnung von YI in Gleichung (15) verwendet werden.Note that V D is calculated using equation (9); could be evaluated, resulting in an estimated value in which Yl is evaluated at (x, t) instead of (x & ~ Ö "» * -Ό. This alternative method includes an assumption for the linearity of 1, which then does not, could be valid when DD is 1 ". Also, there is no difference in computational complexity if it is assumed that linear interpolation of I (x, tT) is used to compute DFD and the resulting shifted line and element differences can be used to calculate YI in equation (15).

Bei der Erläuterung der Bedeutung von Gleichung (15) läßt sich feststellen, daß bei Jedem Näherungsschritt zum alten Schätzwert eine Vektorgröße parallel zur Richtung des räumlichen Gradienten der Bildintensität addiert wird, deren Größe proportional zum bewegungskompensierten Vorhersagefehler DFD(x ,D1""1) ist. Anhand von Gleichung (9) läßt sich erken-When explaining the meaning of equation (15) it can be stated that with each approximation step to the old estimated value a vector quantity is added parallel to the direction of the spatial gradient of the image intensity, the size of which is proportional to the motion-compensated prediction error DFD (x, D 1 "" 1 ) is. With the help of equation (9) one can see

-a'-a '

U-1U-1

nen, daß - wenn der Korrekturterm (D-D ~ ) senkrecht zum Intensitätsgradienten Vl ist - die verschobene Bilddifferenz DFD Null wird, wodurch sich eine Aktualisierung Null für dienen that - if the correction term (D-D ~) is perpendicular to the intensity gradient Vl is - the shifted image difference DFD Becomes zero, causing an update to zero for the

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Rekursion der Gleichung (15) ergibt. Das kann auftreten,obwohl das Objekt sich tatsächlich bewegt hat. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen Fehler der Bewegungsschätz- .. werttechnik, sondern um den gleichen Fall, bei dem eine Intensitätsrampe translatorisch bewegt wird und nur eine Bewegung parallel zur Rampenrichtung (Yl) wahrnehmbar ist. Eine Bewegung senkrecht zur Rampenrichtung ist nicht feststellbar und als solche beliebig. Anders gesagt, nur wegen "..".' des Auftretens von Kanten mit unterschiedlichen Orientierungen"Recursion of equation (15) gives. That can occur, though the object actually moved. However, this is not an error in the motion estimation .. Werttechnik, but about the same case in which one intensity ramp is moved translationally and only one Movement parallel to the ramp direction (Yl) is perceptible. Movement perpendicular to the ramp direction cannot be detected and as such arbitrary. In other words, just because of "..". ' the appearance of edges with different orientations "

Ai A i

in reellen Bildern ist eine Konvergenz von D auf den tatsächlichen Wert von D möglich.in real images there is a convergence of D on actual ones Value of D possible.

Die Bedeutung der Größen in Gleichung (15) ist graphisch in Fig.2 dargestellt, bei der die Rechtecke 201 und 202 die räumliehen Grenzen eines vergangenen und eines augenblicklichen Bildes (Rahmens) darstellen. Im Bild 201 ist eine Folge von generell parallelen Abtastzeilen C_? ' 4i-1' ^n "1^ ^n+1 zur Vereinfachung der Erläuterung in weit auseinandergezogener Form dargestellt. Die entsprechenden Abtastzeilen im Bild 202 sind bezeichnet mit:^'n_2, /1^1, /'n und /f n+1.The meaning of the quantities in equation (15) is shown graphically in FIG. 2, in which the rectangles 201 and 202 represent the spatial boundaries of a past and a current image (frame). In picture 201 is a sequence of generally parallel scan lines C_? '4i-1' ^ n " 1 ^ ^ n + 1 is shown in a widely spread out form to simplify the explanation. The corresponding scanning lines in figure 202 are labeled: ^ ' n _ 2 , / 1 ^ 1 , /' n and / f n + 1 .

Im augenblicklichen Bild 202 bedeutet das χ bei 203 die Stelle des Bildelements, für das ein Verschiebungsschätzwert berechnet wird, und der Vektor x& gibt die Stelle des Elements 203 mit Bezug auf ein festes Koordinatensystem innerhalb des Bildes an. Im vorhergehenden Bild 201 gibt das χ bei 204 die gleiche Stelle bei x_ an, und der Vektor 205 stellt den vor-In the current image 202, the χ at 203 means the location of the picture element for which a displacement estimate is calculated, and the vector x & indicates the location of the element 203 with respect to a fixed coordinate system within the image. In the previous figure 201, the χ at 204 indicates the same place at x_, and the vector 205 represents the

""""Cl"" "" Cl

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hergehenden Verschiebungsschätzwert -D dar.the displacement estimate -D.

*i—1 Entsprechend Gleichung (15) wird D zur Berechnung von VI ;.* i — 1 According to equation (15), D is used to calculate VI;.

auf den nächsten ganzzahligen Wert ]_£> J auf- oder abgerun-;... det. Dies wird erreicht durch Beachtung der benachbarten Stellen in der vorhergehenden, augenblicklichen und nachfol-" genden Abtastzeile (bei diesem Beispiel den Zeilen ^-?»to the next integer value] _ £> J rounded up or down -; ... det. This is achieved by paying attention to the neighboring Places in the preceding, current and subsequent scanning line (in this example the lines ^ -? »

n-1 und ^n)* um ^es^zus^e^ent welches diskrete Bildelement-am besten D " darstellt. In diesem Zusammenhang wird die Stalle eines diskreten Bildelementes durch den Zeitpunkt bestimmt, zu dem das Bildintensitätssignal abgetastet worden ist. Demgemäß geben in Fig.2 die !^)-Werte, die mit b, c, d, «, f bezeichnet sind, Bildelemente an, die die durch die Spitze des Vektors 205 bezeichnete Stelle umgeben. Bei diesem Beispiel liegt der Vektor 206 von der Stelle 204 zum Pel d am dichtesten an der durch den Vektor 204 bezeichneten Stelle. Demgemäß wird Vl(χ -D ,t-T) beim Pel d ausgewertet.n-1 and ^ n) * by ^ es ^ plus ^ e ^ en t which discrete picture element-best represents D ". In this context, the position of a discrete picture element is determined by the point in time at which the image intensity signal was sampled. Accordingly, in Fig. 2 the! ^) Values denoted by b, c, d,, f indicate picture elements which surround the point indicated by the tip of the vector 205. In this example, the vector 206 of of point 204 to pel d is closest to the point designated by vector 204. Accordingly, Vl (χ -D, tT) is evaluated for pel d.

Ein einfaches Schema zur Abschätzung des Gradienten VI besteht darin, die mittlere vertikale und horizontale Intensitätsdifferenz zwischen Pels zu berechnen, die das Pel d umgeben, und dann diese Ergebnisse vektoriell zu kombinieren. Bei diesem Schema ist EDIF (horizontale Komponente) = e~ c undA simple scheme for estimating gradient VI is to calculate the mean vertical and horizontal intensity difference between pels surrounding the pel d and then vectorially combine these results. In this scheme, EDIF (horizontal component) = e ~ c and

Ib-If ^I b -I f ^

LDIF (vertikale Komponente) = —s , wobei Ib die IntensitätLDIF (vertical component) = —s, where I b is the intensity

beim Pel b, I die Intensität beim Pel c und so weiter sind.at pel b, I is the intensity at pel c, and so on.

Die andere Größe in Gleichung (15), die ausgewertet werden muß,The other quantity in equation (15) that needs to be evaluated

Ai—1 \
ist DFD(xa,D ), nämlich die Intensitätsdifferenz zwischen dem
A i — 1 \
is DFD (x a , D), namely the intensity difference between the

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Pel 203 und der durch den Vektor 205 angegebenen Stelle. Der Intensitätswert dieser letztgenannten Stelle läßt sich durch Interpolation im wesentlichen auf die gleiche Weise :. wie für Vl berechnen, nämlich durch Kombinieren des richtigen Bruchteils von EDIF und LDIF mit den Intensitätswerten für das Pel d.Pel 203 and the location indicated by vector 205. The intensity value of this last-mentioned point can be determined by interpolation in essentially the same way:. calculate as for Vl, namely by combining the correct one Fraction of EDIF and LDIF with the intensity values for the Pel d.

Ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Berechnung eines Verschiebungsschätzwertes gemäß Gleichung (14) oder (15) ist" in Fig.3 gezeigt. Die Eingangs-Videoabtastwerte auf der Leitung 301 werden an einen Bildspeicher 302 und an einen Eingang einer Subtrahierschaltung 303 gegeben. Nimmt man an,daßA block diagram of the device for calculating a displacement estimate according to equation (14) or (15) is " shown in Fig.3. The input video samples on line 301 are sent to a frame buffer 302 and an input a subtracting circuit 303 is given. Assume that

i-1 der Verschiebungsschätzwert für das vorhergehende Bild D in einer Verzögerungsschaltung 304 gespeichert ist, so wird er im Quantisierer 305 quantisiert und sein ganzzahliger An-i-1 is the displacement estimate for the previous image D is stored in a delay circuit 304 so becomes it quantizes in the quantizer 305 and its integer number

Γ *ί-1ΊΓ * ί-1Ί

teil ID an den Steuereingang des Bildspeichers 302 gegeben. Dieser Speicher, der ähnlich ausgebildet sein kann wie der Speicher 102 in Fig.1, liefert Ausgangssignale auf einer Anzahl von Leitungen 306, die die Intensität von Pels im gespeicherten Bild wiedergeben, welche die Stelle des Pelspart ID given to the control input of the image memory 302. This memory, which can be designed similarly to the memory 102 in Figure 1, provides output signals on a The number of lines 306 that represent the intensity of pels in the stored image that represent the location of the pel

C*i-1~l
D [umgeben, das gegen das Pel χ im augenblicklichen,
C * i-1 ~ l
D [surrounded against the pel χ at the moment,

gerade verarbeiteten Bild verschoben 1st. Für das Beispiel gemäß Fig.2 wird die Intensität der Pels b, c, e und f geliefert. just processed image moved 1st. For the example according to FIG. 2, the intensity of the pels b, c, e and f is supplied.

Die Intensitätswert-Ausgangssignale des Speichers 302 werden an einen Interpolator 307 zusammen mit dem Ausgangssignal für den vorhergehenden Schätzwert vom VerzögerungselementThe intensity value output signals of the memory 302 are sent to an interpolator 307 together with the output signal for the previous estimate from the delay element

304 gegeben. Der Interpolator 307 hat zwei Funktionen, nämlich den Intensitätsgradienten Vl und den Intensitätswert an der Stelle x-D1" zu berechnen. Beide Funktionen sind leicht zu übersehen und lassen sich einfach durch lineare Interpolationen verwirklichen. Es können dem Fachmann bekannte Anordnungen zur Berechnung von bewerteten Mittelwerten zu diesem Zweck be-nutzt werden.304 given. The interpolator 307 has two functions, namely to calculate the intensity gradient V1 and the intensity value at the point xD 1 ″. Both functions are easy to overlook and can be easily implemented by linear interpolations be used for this purpose.

*i 1 — Der im Interpolator 307 berechnete Intensitätswert I(x -D ) wird an den zweiten Eingang der Subtrahierschaltung 303 gegeben, deren Ausgangssignal die verschobene Bilddifferenz DFD ist, die in Gleichung (8) definiert wird. Dieser Wert wird als Eingangssignal an eine unten beschriebene Verschiebungsfehler-Berechnungsschaltung 309 gegeben. Die x- und y-Komponenten des im Interpolator 307 gebildeten Intensitätsgradienten werden auf entsprechende Weise über Leitungen 308 an Eingänge der Schaltung 309 angelegt.* i 1 - The intensity value I (x -D) calculated in the interpolator 307 is given to the second input of the subtracting circuit 303, the output signal of which is the shifted image difference DFD which is defined in equation (8). This value is used as an input to a displacement error calculating circuit described below 309 given. The x and y components of the intensity gradient formed in the interpolator 307 are increased in a corresponding manner applied to inputs of the circuit 309 via lines 308.

Die Berechnungsschaltung 309 ist so ausgelegt, daß sie die in den Gleichungen (14) oder (15) definierte Fehlertermberechnung ausführt,und kann geeignete Multiplizier- und Maßstabsschaltungen enthalten. Es kann ein weiterer, nicht gezeigter Eingang zur Beeinflussung des Viertes von £ vorhanden sein.The calculation circuit 309 is designed to perform the error term calculation defined in the equation (14) or (15) and may include appropriate multiplying and scaling circuitry. Another input, not shown, can be used to influence the fourth of £.

Das Ausgangssignal der Schaltung 309 ist der Verschiebungsfehler oder der Aktualisierungsterm, der mittels einer Addierschaltung 310 zum vorhergehenden, im Verzögerungselement 304 gespeicherten Verschiebungsschätzwert addiert wird. Die Aktualisierung wird jedoch nur im Bewegungsbereich des Bildes durch-The output of circuit 309 is the displacement error or the update term, which by means of an adding circuit 310 to the previous one, in the delay element 304 stored displacement estimate is added. The update however, only in the area of movement of the image

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geführt, und aus diesem Grund ist ein Schalter 311 in die Ausgangsleitung der Schaltung 309 eingefügt. Der Schalter wird unter Steuerung der Bewegungsbereich-Segmentschaltung 312 gesteuert, die ein Eingangssignal auf der Leitung 301 aufnimmt. Die Segmentschaltung 312 kann auf entsprechende Weise wie die Segmentschaltung 120 in Fig.1 aufgebaut sein, so daß der Schalter 311 nur dann geschlossen wird, wenn die.·-.-Bilddifferenz FDIP einen vorgewählten Schwellenwert übersteigt Das Ausgängssignal der Schätzwertschaltung gemäß Fig.3 kann entweder am Verzögerungselement 304 oder am Ausgang des Addierers 310 entnommen werden, wobei das Ausgangssignal im ersten Fall einfach nur eine verzögerte Version des Ausgangssignals für den zweiten Fall ist.and for this reason a switch 311 is inserted on the output line of the circuit 309. The desk is controlled under the control of the motion range segment circuit 312 which has an input signal on line 301 records. The segment circuit 312 can be corresponding In the same way as the segment circuit 120 in FIG. 1, so that the switch 311 is only closed when the. · -.- picture difference FDIP exceeds a preselected threshold The output signal of the estimated value circuit according to FIG. 3 can either be at the delay element 304 or at the output of the Adder 310, the output signal in the first case simply being a delayed version of the output signal for the second case is.

Bei der Durchführung von Simulationen zur Bewertung der Güte der Verschiebungsschätzwertverfahren nach der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, daß sich Gleichung (15) weiter wie folgt vereinfachen läßt:When performing simulations to evaluate the quality According to the displacement estimation method of the present invention, it has been found that equation (15) continues to be as can be simplified as follows:

D1 = D1"1 - t- Vorz.(DFD(x., [p1"1]))· Vor z. (YI(X1, [d1" 1^ ))D 1 = D 1 " 1 - t sign. (DFD (x., [P 1 " 1 ])) · Before z. (YI (X 1 , [d 1 " 1 ^))

(21) ,(21),

wobei das Vorzeichen einer Vektorgröße der Vektor für die Vorzeichen seiner Komponenten ist. Die durch Gleichung (6) definierte Vorzeichenfunktion vermeidet die Multiplikation, die zur Berechnung des Aktualisierungsterms erforderlich ist. Statt dessen bestehen für die Aktualisierung jeder Verschiebungskomponente von einem Bildelement zum nächsten nur drei Möglichkeiten, nämlich 0 oder + t · Die Güte eines Vorhersage-where the sign of a vector quantity is the vector for the signs of its components. The sign function defined by equation (6) avoids the multiplication required to compute the update term. Instead, there are only three options for updating each shift component from one picture element to the next, namely 0 or + t

3 υ j ο/3 υ j ο /

Codierers unter Verwendung dieser Vereinfachung war, gemessen in Codierbits/Feld, scheinbar die gleiche wie bei einem . Codierer unter Verwendung einer Schätzwertschaltung, die Gleichung (15) verwirklicht.The encoder using this simplification was apparently the same as one measured in coding bits / field. Encoder using an estimate circuit which Equation (15) is realized.

Die Verschiebungs-Schätzwertschaltungen gemäß Fig..1 und 3 haben gemeinsam die wiederholte Aktualisierung ;)edes Ver-Schiebungsschätzwertes, wobei der vorhergehende Schätzwert zur Berechnung des Korrekturterms benutzt wird. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig.1, die Gleichung (10) verwirklicht, wird die verschobene Bilddifferenz beruhend auf dem vorhergehenden Verschiebungsschätzwert entsprechend der Bildaktivität (gemessen durch EDIF oder LDIF) normiert und akkumuliert, um den aktualisierten Verschiebungsschätzwert zu gewinnen. Die Rekursion kann über ein Feld oder eine Gruppe von Pels durchgeführt werden. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig.3, die Gleichung (14) oder (15) verwirklicht, werden der Intensitätswert und der Intensitätsgradient in der Nachbarschaft des vorhergehenden Verschiebungsschätzwertes berechnet, maßstäblich bearbeitet und zur Berechnung des neuen Schätzwertes verwendet. Die Rekursion erfolgt typisch Pel für Pel.The shift estimated value circuits according to FIGS. 1 and 3 have in common the repeated updating;) each shift estimated value, where the previous estimate is used to calculate the correction term. In the circuit arrangement According to Fig.1, realizing the equation (10), the shifted image difference becomes based on the previous one Displacement estimate normalized and accumulated according to the image activity (measured by EDIF or LDIF) obtain the updated displacement estimate. The recursion can be performed over a field or a group of pels will. In the circuit arrangement according to FIG. 3, the equation (14) or (15) is realized, the intensity value and the intensity gradient are in the vicinity of the previous one Displacement estimate calculated, scaled and used to calculate the new estimate. The recursion is typically pel for pel.

Für den Fachmann ist klar, daß zahlreiche Änderungen der Erfindung leicht durchgeführt werden können. Demgemäß wird der Umfang lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.It will be apparent to those skilled in the art that numerous changes can be made to the invention can be easily done. Accordingly, its scope is to be limited only by the following claims.

1 30616/00261 30616/0026

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Claims (6)

BLUMBACH · WESER -BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANNBLUMBACH · WESER -BERGEN · KRAMER ZWIRNER HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPATENT LAWYERS IN MUNICH AND WIESBADEN • ' Patenlconsult Radeckestrafio 43 8000 München 60 Tslolon (08?) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palenlconsull • 'Patenlconsult Radeckestrafio 43 8000 Munich 60 Tslolon (08?) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegrams Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telephone (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegrams Palenlconsull PCT/US 80/00178 NETRAVAlLI 10-1PCT / US 80/00178 NETRAVAlLI 10-1 Western Electric Company Incorporated New York, N.Y. 10038, USAWestern Electric Company Incorporated New York, N.Y. 10038, USA Patentansprüche : - : Claims : -: Gk Vorrichtung zur Erzeugung eines Schätzwertes für die Verschiebung eines Objektes in einer Videoszene zwischen einem früheren und einem augenblicklichen Bild, mit Schaltungen zur-Berechnung eines ersten Schätzwertes für die Verschiebung unter Verwendung der Bildintensitätsdifferen.z zwischen wenigstens einem Bildelement im augenblicklichen Bild und einem räumlich entsprechenden Bildelement im vorhergehenden Bild,Gk Device for generating an estimated value for the displacement of an object in a video scene between an earlier and a current image, with circuits for calculating a first estimated value for the displacement using the image intensity differences.z between at least one picture element at the moment Image and a spatially corresponding image element in the previous image, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Aktualisierungsschaltung (Fig.1) zur wiederholten Aktualisierung des ersten VerschiebungsSchätzwertes unter Verwendung der Intensitätsdifferenz zwischen dem wenigstens einen Bildelement im augenblicklichen Bild und einer Stelle im vorhergehenden Bild aufweist, die gegen das augenblickliche Bildelement um den ersten Verschiebungsschätzwert verschoben ist.characterized in that the device has an update circuit (Fig.1) for repeated updating of the first displacement estimate using the intensity difference between the at least one picture element in the current image and a location in the previous image that is against the current picture element by the first displacement estimate is shifted. München: R. Kremer Dlpl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Pro!. Dr. jur. Dipl.-Ing., Püt.-Ar;s., Pal.-Anw. bis 1979 · G. Zwiinor Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.Munich: R. Kremer Dlpl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. Rer. nat. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Pro !. Dr. jur. Dipl.-Ing., Püt.-Ar; see, Pal.-Anw. until 1979 G. Zwiinor Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing. ". *> f* O * Ο ι fiC ". *> f * O * Ο ι fiC -2g--2g- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,2. Device according to claim 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Aktualisierungsschaltung einen Speicher und einen Subtrahierer (102, 104) zur Bildung der Intensitätsdifferenz DFD (x,D ) zwischen dem wenigstens einen Bildelement an der Stelle χ und einer Stelle im vorhergehenden Bild, die gegen die Stelle χ um den ersten Verschie-characterized in that the update circuit a memory and a subtracter (102, 104) for forming the intensity difference DFD (x, D) between the at least one picture element at the point χ and a point in the preceding one Image that is against the point χ by the first shift Ai-1 -" " A i-1 - "" bungsSchätzwert D verschoben ist, und eine Normierungs- ..:.: exercise estimate D is shifted, and a normalization .. : . : schaltung (103, 105, 115) zur Normierung von DFD durch ein " circuit (103, 105, 115) for normalizing DFD through a " Maß für die lokalen Intensitätsschwankungen aufweist, die die Stelle χ umgeben.Has measure of the local fluctuations in intensity that surround the point χ. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2,3. Device according to claim 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normierungsschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Elementdifferenz EDIF zwischen der Intensität an der Stelle χ und der Intensität des vorhergehenden Bildelements berechnet.characterized in that the normalization circuit is designed so that it the element difference EDIF between the Intensity at point χ and the intensity of the previous picture element are calculated. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2,4. Apparatus according to claim 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normierungsschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Zeilendifferenz LDIF zwischen der Intensität an der Stelle χ und der Intensität des vertikal verschobenen Bildelements auf der vorhergehenden Zeile berechnet. characterized in that the normalization circuit is designed is that it is the line difference LDIF between the intensity at the point χ and the intensity of the vertical shifted picture element on the previous line is calculated. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2,5. Apparatus according to claim 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierungsschaltung ferner einen Akkumulator (111) zur Akkumulierung von Intensitätsdifferenzen für Bildelemerite in einem gewählten Intervall N characterized in that the update circuit further comprises an accumulator (111) for accumulating intensity differences for picture elements in a selected interval N 1 30616/00261 30616/0026 303677Q303677Q und eine Vorzeichen-Änderungsschaltung (109) zur Inkrenientierung oder Dekrementierung des Akkumulators als Funktion der örtlichen Intensitätsschwankungen enthält. ■and a sign changing circuit (109) for incre orientation or decrement the accumulator as a function of the local intensity fluctuations. ■ 6. Vorrichtung nach Anspruch 5,6. Apparatus according to claim 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Segmentschaltung (120) zur Aufnahme nur derjenigen Bildelemente in das gewählte Intervall N vorgesehen ist, die eine Bilddifferenz (B1DIF) hs---' ben, welche einen Schwellenwert übersteigt.characterized in that a segment circuit (120) is also provided for recording only those picture elements in the selected interval N which have an image difference (B 1 DIF) hs --- 'which exceeds a threshold value. 7* Verfahren 2.ur Erzeugung eines Schätzwertes für die Verschiebung eines Objektes in einer Videoszene zwischen einem früheren und einem augenblicklichen Bild nach den Vorrichtungsansprüchen 1 bis 6, 7 * Method 2.ur generating an estimated value for the displacement of an object in a video scene between an earlier and a current image according to device claims 1 to 6, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: Berechnen eines ersten Schätzwertes für die Verschiebung unter Verwendung der Bildintensitätsdifferenz zwischen wenigstens einem Bildelement im augenblicklichen Bild und einem räumlich entsprechenden Bildelement im vorhergehenden Bild; wiederholtes Aktualisieren des ersten Verschiebungsschätzwertes unter Verwendung der Intensitätsdifferenz zwischen dem wenigstens einen Bildelement im augenblicklichen Bild und einer Stelle im vorhergehenden Bild, die gegen das entsprechende Bildelement um den ersten Verschiebungsschätzwert verschoben ist.characterized in that the following process steps are provided: Calculating a first estimate for the displacement using the image intensity difference between at least a picture element in the current picture and a spatially corresponding picture element in the previous picture; repeatedly updating the first displacement estimate using the intensity difference between the at least a picture element in the current picture and a point in the previous picture that opposes the corresponding Picture element is shifted by the first displacement estimate.
DE19803036770 1979-03-16 1980-02-25 TECHNIQUE FOR ESTIMATION OF DISPLACEMENT AND / OR VELOCITY OF OBJECTS IN VIDEO SCENES Pending DE3036770T5 (en)

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