FR2751454A1 - Movement estimation method for successive video images - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé d'estimation de mouvement
La présente invention concerne la compression de données numériques d'une image vidéo.Motion estimation method
The present invention relates to the compression of digital data of a video image.
Elle a plus particulièrement trait au calcul des vecteurs de mouvements effectués par un estimateur de mouvement. It relates more particularly to the calculation of the motion vectors carried out by a motion estimator.
Les procédés de compression de données réalisent, d'une manière connue, un découpage de l'image en blocs d'images, une transformée cosinus discrète de ces blocs pour fournir des macroblocs de coefficients de luminance et de chrominance, une quantification de ces coefficients, un codage en longueur variable. The data compression methods perform, in a known manner, a splitting of the image into image blocks, a discrete cosine transform of these blocks to provide macroblocks of luminance and chrominance coefficients, a quantification of these coefficients , variable length coding.
Des codages de type inter réalisent une estimation de mouvement entre par exemple l'image précédente et l'image courante pour compenser en mouvement l'image précédente fournissant ainsi une image prédite, le codage étant alors effectué sur la différence entre l'image courante et l'image prédite. Inter-type codings carry out an estimation of movement between for example the previous image and the current image in order to compensate in motion the previous image thus providing a predicted image, the coding then being carried out on the difference between the current image and the predicted image.
La transformée cosinus permet de réduire la redondance spatiale et la compensation de mouvement la redondance temporelle. The cosine transform makes it possible to reduce the spatial redundancy and the motion compensation the temporal redundancy.
L'estimation de mouvement utilise le procédé connu sous l'appellation "block matching". Ce procédé réalise une comparaison des valeurs de luminance des pixels du bloc courant de l'image courante avec les valeurs de luminance des pixels de chacun des blocs de l'image précédente se trouvant dans une fenêtre de recherche pour en déterminer celui qui permet d'obtenir la meilleure corrélation. Un vecteur de mouvement correspondant au déplacement du bloc est déduit. Motion estimation uses the process known as "block matching". This method performs a comparison of the luminance values of the pixels of the current block of the current image with the luminance values of the pixels of each of the blocks of the previous image located in a search window to determine which one makes it possible to get the best correlation. A motion vector corresponding to the displacement of the block is deduced.
L'estimation de mouvement dans un codeur permet de réduire notablement la redondance temporelle entre l'image courante (celle à coder) et la précédante (image reconstruite). Dans cette configuration, un bloc d'image va être transmis à l'aide du vecteur mouvement précédemment calculé puis de l'erreur de prédiction temporelle codée. The motion estimation in an encoder makes it possible to significantly reduce the temporal redundancy between the current image (the one to be coded) and the previous one (reconstructed image). In this configuration, an image block will be transmitted using the previously calculated motion vector and then the coded temporal prediction error.
II arrive fréquemment que ces vecteurs mouvement ne reflètent pas le mouvement réel dans l'image, par exemple
- dans le cas de variation plus ou moins lente de luminosité, connue sous le nom de fading en langue anglaise, la corrélation de blocs d'une image à l'autre étant alors perturbée par cette variation de luminance,
- dans le cas de flash entraînant une très forte variation de la luminance, quasi instantanée, d'une zone d'image ou de l'image complète,
- lors de travelling ou plus généralement lors de disparition ou d'apparition de zones.It frequently happens that these motion vectors do not reflect the actual motion in the image, for example
- in the case of a more or less slow variation in brightness, known as fading in the English language, the correlation of blocks from one image to another then being disturbed by this variation in luminance,
- in the case of a flash causing a very large variation in luminance, almost instantaneous, of an image area or of the complete image,
- during tracking shots or more generally when areas disappear or appear.
Les techniques classiques de "block matching" ne permettent pas d'obtenir des vecteurs de mouvement "fiables" quand à l'aspect mouvement de la scène. Les variations de luminance mènent à des corrélations de blocs qui ne représentent plus le mouvement réel de la scène. The classic block matching techniques do not make it possible to obtain "reliable" movement vectors when it comes to the movement aspect of the scene. Variations in luminance lead to block correlations that no longer represent the actual movement of the scene.
Le fait que le champ de vecteurs que constituent les vecteurs de mouvement d'une image ne reflète pas la réalité du mouvement ne permet pas une compression de données optimale, en particulier dans le cas de codage des vecteurs en différentiel; pour des macroblocs correspondant à des zones à mouvement uniforme, le coût de transmission de vecteurs identiques ou peu différents, en codage différentiel, est évidemment plus faible que le coût de transmission de vecteurs aléatoires. The fact that the field of vectors which constitute the motion vectors of an image does not reflect the reality of motion does not allow optimal data compression, in particular in the case of coding of the vectors in differential; for macroblocks corresponding to zones with uniform movement, the cost of transmission of identical or little different vectors, in differential coding, is obviously lower than the cost of transmission of random vectors.
D'autre part, le fait que les vecteurs de mouvement obtenus selon le procédé classique de "block matching" ne reflètent pas le mouvement réel ne permet pas une exploitation du champ de vecteurs pour réaliser des interpolations ou extrapolations d'images lors par exemple de conversion de fréquence, de mode ralenti (à partir de stockage numérique sur DVD, magnétoscope, etc.). On the other hand, the fact that the motion vectors obtained according to the conventional “block matching” method do not reflect the actual motion does not allow exploitation of the vector field to perform interpolations or extrapolations of images during, for example, frequency conversion, slow motion mode (from digital storage on DVD, VCR, etc.).
Un champ de vecteurs de mouvement incorrect ne permet pas, également, d'exploiter les nouvelles techniques de codage utilisant les informations de contour d'une image plutôt que les macroblocs. En effet, la compression de données selon ces nouvelles techniques est basée, entre autres, sur la segmentation d'image et le déplacement réel de ces segments définissant les zones uniformes. An incorrect motion vector field also does not allow the exploitation of new coding techniques using the contour information of an image rather than macroblocks. Indeed, data compression according to these new techniques is based, among other things, on the image segmentation and the actual displacement of these segments defining the uniform areas.
L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités. The invention aims to overcome the aforementioned drawbacks.
A cet effet, elle a pour objet un procédé d'estimation de mouvement entre deux images vidéo comportant une corrélation à partir de valeurs de luminance, des pixels de l'image courante avec des pixels d'une image précédente ou suivante, caractérisé en ce que les valeurs de luminance prises en compte sont des valeurs de luminance relatives de ces pixels référencées à la valeur moyenne de luminance dans une zone définie autour de chaque pixel mis en correspondance. To this end, it relates to a method for estimating movement between two video images comprising a correlation from luminance values, pixels of the current image with pixels of a preceding or following image, characterized in that that the luminance values taken into account are relative luminance values of these pixels referenced to the average luminance value in a zone defined around each pixel put into correspondence.
Selon un mode de réalisation particulier, elle a également pour objet un procédé d'estimation de mouvement comportant un découpage de l'image vidéo en blocs d'image et une corrélation sur les valeurs de luminance du bloc courant d'une image avec un bloc d'une image précédente ou suivante se trouvant dans une fenêtre de recherche, caractérisé en ce que les zones définies autour des pixels sont les blocs d'image auxquels appartiennent ces pixels. According to a particular embodiment, it also relates to a motion estimation method comprising a splitting of the video image into image blocks and a correlation on the luminance values of the current block of an image with a block. of a previous or next image located in a search window, characterized in that the zones defined around the pixels are the image blocks to which these pixels belong.
Cette invention s'applique par exemple aux procédés de compression de données exploitant de telles estimations de mouvement. This invention applies for example to data compression methods exploiting such motion estimates.
La prise en compte de la valeur moyenne de la luminance des blocs permet de réaliser une corrélation sur la structure de l'image, c'est à dire les contours plutôt que sur les seules informations brutes de luminance de chaque pixel d'un bloc. Taking into account the average value of the luminance of the blocks makes it possible to make a correlation on the structure of the image, that is to say the contours rather than on the only raw luminance information of each pixel of a block.
Grâce à l'invention, la corrélation effectuée reflète plus précisément le déplacement dans l'image et le champ de vecteurs de mouvement est plus fidèle au mouvement réel dans l'image. Le champ de vecteurs mouvement est valide même dans les cas de fading, flash, etc. Thanks to the invention, the correlation carried out more precisely reflects the displacement in the image and the field of motion vectors is more faithful to the actual motion in the image. The motion vector field is valid even in the case of fading, flash, etc.
qu'ils affectent l'image entière ou qu'ils soient localisés.whether they affect the entire image or whether they are localized.
La compression des données en est améliorée, les interpolations d'images pour la conversion de fréquence, la fonction ralenti (magnétoscope, DVD etc.) sont possibles et/ou de meilleure qualité. Data compression is improved, image interpolations for frequency conversion, slow motion (VCR, DVD etc.) are possible and / or of better quality.
Ainsi, grâce à l'invention, une modification mineure des algorithmes de calcul permet d'obtenir des champs de vecteurs de mouvement représentatifs du mouvement réel et ceci sans mettre en oeuvre des circuits de calcul complexes nécessitant une réalisation matérielle coûteuse. Thus, thanks to the invention, a minor modification of the calculation algorithms makes it possible to obtain motion vector fields representative of the real movement and this without implementing complex calculation circuits requiring an expensive hardware implementation.
La figure 1 représente un organigramme du procédé selon l'invention. FIG. 1 represents a flow diagram of the method according to the invention.
La première étape 1 prend en compte le bloc courant de luminance de l'image à traiter, le bloc étant constitué de N x N pixels. The first step 1 takes into account the current luminance block of the image to be processed, the block consisting of N x N pixels.
L'étape 2 calcule la valeur moyenne de luminance sur tout ce bloc d'image. Step 2 calculates the average luminance value over this entire image block.
Si SRC(i, j) est la valeur de luminance du pixel de la ligne i et la colonne j du bloc, la valeur moyenne MOY~SRC est alors
La troisième étape 3 va remplacer la valeur de luminance absolue de chaque pixel du bloc courant par sa valeur relative obtenue en défalquant la valeur moyenne précédemment calculée. The third step 3 will replace the absolute luminance value of each pixel of the current block by its relative value obtained by deducting the average value previously calculated.
Les étapes 4, 5, 6 et 7 concernent les blocs de luminance de la fenêtre de recherche de l'image de référence qui sont traités comme explicité plus loin. Steps 4, 5, 6 and 7 relate to the luminance blocks of the search window of the reference image which are treated as explained below.
Selon le type d'image traité, prédictive P ou bidirectionnelles B selon la norme MPEG, une image précédente ou suivante appelée image de référence est choisie, à partir de laquelle est effectué le calcul de mouvement de l'image courante. Dans cette image et de manière connue, est définie une fenêtre de recherche comportant un certain nombre de blocs de luminance, U blocs horizontaux et V blocs verticaux, le bloc (u, v) se trouvant à la ligne u et la colonne v de cette fenêtre. Depending on the type of image processed, predictive P or bidirectional B according to the MPEG standard, a previous or next image called the reference image is chosen, from which the motion of the current image is calculated. In this image and in a known manner, a search window is defined comprising a certain number of luminance blocks, U horizontal blocks and V vertical blocks, the block (u, v) being at line u and the column v of this window.
L'étape 4 correspond à une initialisation dans la fenêtre de recherche de l'image de référence, en forçant les variables u et v à 1. Step 4 corresponds to an initialization in the search window of the reference image, by forcing the variables u and v to 1.
Les étapes 5, 6 et 7 correspondent aux étapes 1, 2, 3 mais appliquées à un bloc de la fenêtre de recherche. Steps 5, 6 and 7 correspond to steps 1, 2, 3 but applied to a block in the search window.
L'étape 5 prend en compte le bloc (u, v) de luminance de l'image de référence, constitué de N x N pixels. Step 5 takes into account the luminance block (u, v) of the reference image, consisting of N x N pixels.
L'étape 6 calcule la valeur moyenne de luminance sur tout le bloc d'image (u, v). Step 6 calculates the average luminance value over the entire image block (u, v).
Si REFU,v(i, j) est la valeur de luminance du pixel de la ligne i et la colonne j du bloc (u, v), la valeur moyenne MOY~REFU,v de ce bloc est alors:
L'étape suivante 7 relative à ce bloc d'image remplace la valeur de luminance absolue de chaque pixel du bloc (u, v) par sa valeur relative, obtenue en défalquant de cette valeur de luminance absolue la valeur moyenne précédemment calculée. The next step 7 relating to this image block replaces the absolute luminance value of each pixel of the block (u, v) by its relative value, obtained by deducting from this absolute luminance value the average value previously calculated.
L'étape 8 récupère les valeurs de luminance relatives à la valeur moyenne et calculées pour chacun des pixels (i, j) du bloc courant et du bloc (u, v) pour les soustraire pixel à pixel puis les sommer sur l'ensemble du bloc, fournissant ainsi l'erreur moyenne absolue EMA pour le bloc (u, v)
Cette valeur est mémorisée et l'étape suivante permet de passer au bloc de luminance suivant dans la fenêtre de recherche. This value is stored and the next step allows you to move to the next luminance block in the search window.
L'étape 9 effectue un test sur la variable u et tant que la ligne de blocs de luminance de la fenêtre de recherche n'est pas entièrement traitée, la variable u est incrémentée à l'étape 10. Cette étape 10 est reliée à l'étape 5 précédente qui va alors prendre en compte le bloc de luminance suivant. Step 9 performs a test on the variable u and as long as the row of luminance blocks of the search window is not fully processed, the variable u is incremented in step 10. This step 10 is linked to the 'previous step 5 which will then take into account the next luminance block.
Lorsque u=U, on passe à la ligne suivante de macroblocs en incrémentant, étape 11, la variable v et en réinitialisant la variable u. When u = U, we pass to the next line of macroblocks by incrementing, step 11, the variable v and by resetting the variable u.
L'étape 12 effectue le test sur la variable v et se connecte à l'étape 10 tant que v est inférieur ou égal à V. Dans le cas contraire, L'étape suivante est l'étape 1 3 qui choisit, parmi toutes les valeurs EAM (u, v) calculées à l'étape 8, le couple (u, v) qui correspond à la valeur minimale.Step 12 performs the test on the variable v and connects to step 10 as long as v is less than or equal to V. Otherwise, the next step is step 1 3 which chooses, among all the EAM values (u, v) calculated in step 8, the couple (u, v) which corresponds to the minimum value.
Ce couple correspond au vecteur mouvement pour le bloc courant.This torque corresponds to the motion vector for the current block.
Ensuite un nouveau bloc courant et une nouvelle fenêtre de recherche sont transmis aux entrées 1 et 4 de l'organigramme.Then a new current block and a new search window are transmitted to inputs 1 and 4 of the flowchart.
Le procédé, dans cet exemple, réalise un calcul de la valeur absolue moyenne mais il serait tout aussi envisageable d'effectuer un calcul de l'erreur quadratique moyenne pour déterminer le vecteur mouvement. The method, in this example, performs a calculation of the mean absolute value but it would also be possible to carry out a calculation of the mean square error to determine the motion vector.
Le calcul est effectué sur une fenêtre de recherche de l'image de référence. Un codage exploitant la décomposition hiérarchique est également compatible de ce procédé. La décomposition hiérarchique consiste en un traitement des images à différents niveaux de résolution, ceci afin de limiter, lors de la corrélation, les calculs d'erreur dont la complexité est directement liée à la taille de la fenêtre de recherche. Des premières corrélations sont effectuées sur des images de résolution moindre afin de travailler sur des fenêtres de recherche de grande taille tout en limitant les calculs liés au nombre de pixels dans la fenêtre donc à la résolution. Une fois déterminé le macrobloc de meilleure corrélation dans l'image de faible résolution, on travaille sur une position de fenêtre liée à celle de ce macrobloc, pour une résolution supérieure. L'invention telle que précédemment décrite, I'exploitation des luminances relatives, peut être mise en oeuvre pour chacune des étapes correspondant aux différentes résolutions d'image. The calculation is performed on a search window for the reference image. A coding exploiting the hierarchical decomposition is also compatible with this process. The hierarchical decomposition consists of processing the images at different resolution levels, this in order to limit, during the correlation, the error calculations whose complexity is directly linked to the size of the search window. First correlations are made on images of lower resolution in order to work on large search windows while limiting the calculations related to the number of pixels in the window and therefore to the resolution. Once the macroblock of best correlation in the low resolution image has been determined, we work on a window position linked to that of this macroblock, for a higher resolution. The invention as previously described, the exploitation of the relative luminances, can be implemented for each of the steps corresponding to the different image resolutions.
Un autre procédé calcule les vecteurs mouvement sans exploiter la décomposition en macroblocs et est connu sous l'appellation
PEL récursif. On travaille ici au niveau du pixel pour le calcul des vecteurs mouvement, par exemple en calculant la différence inter-image déplacée ou DFD (Displaced Frame Difference en langue anglaise). Cette différence de luminance entre deux pixels, I'un de l'image courante, L'autre de l'image de référence, peut ainsi, selon l'invention, être remplacée par une différence de valeurs de luminance relative en définissant une fenêtre autour des pixels, fenêtre dans laquelle est calculée la luminance moyenne.Another method calculates motion vectors without exploiting the breakdown into macroblocks and is known by the name
Recursive PEL. We are working here at the pixel level for the calculation of motion vectors, for example by calculating the displaced inter-image difference or DFD (Displaced Frame Difference in English). This difference in luminance between two pixels, one from the current image, the other from the reference image, can thus, according to the invention, be replaced by a difference in relative luminance values by defining a window around pixels, window in which the average luminance is calculated.
L'invention s'applique, entre autres, aux procédés de compression de données exploitant l'estimation de mouvement. La description est basée sur la comparaison de blocs de luminance et il est indifférent, pour l'exploitation de l'invention, qu'un ou plusieurs de ces blocs soient groupés en macroblocs. The invention applies, inter alia, to data compression methods exploiting motion estimation. The description is based on the comparison of luminance blocks and it is immaterial, for the exploitation of the invention, that one or more of these blocks are grouped in macroblocks.
L'invention s'applique aussi à l'interpolation ou l'extrapolation d'images ou de trames à partir de vecteurs mouvements, par exemple pour la conversion de standards. The invention also applies to the interpolation or extrapolation of images or frames from motion vectors, for example for the conversion of standards.
Elle s'applique également à tout type de procédé de détection de zones d'image (par exemple la segmentation) basé en tout ou partie sur l'uniformité du champ de vecteurs mouvement. It also applies to any type of image zone detection method (for example segmentation) based in whole or in part on the uniformity of the motion vector field.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9608996A FR2751454B1 (en) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | MOVEMENT ESTIMATION METHOD |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR9608996A FR2751454B1 (en) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | MOVEMENT ESTIMATION METHOD |
Publications (2)
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| FR2751454A1 true FR2751454A1 (en) | 1998-01-23 |
| FR2751454B1 FR2751454B1 (en) | 1998-12-24 |
Family
ID=9494183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9608996A Expired - Fee Related FR2751454B1 (en) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | MOVEMENT ESTIMATION METHOD |
Country Status (1)
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| FR (1) | FR2751454B1 (en) |
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- 1996-07-18 FR FR9608996A patent/FR2751454B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2751454B1 (en) | 1998-12-24 |
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20080331 |