JP2002539685A - ブロックマッチング動き推定 - Google Patents

ブロックマッチング動き推定

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JP2002539685A
JP2002539685A JP2000604615A JP2000604615A JP2002539685A JP 2002539685 A JP2002539685 A JP 2002539685A JP 2000604615 A JP2000604615 A JP 2000604615A JP 2000604615 A JP2000604615 A JP 2000604615A JP 2002539685 A JP2002539685 A JP 2002539685A
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バクムスキー，マイケル
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Philips Electronics NV
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    • H04N19/50—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using predictive coding
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Abstract

(57)【要約】 ブロックマッチング動き推定アルゴリズムは、圧縮されるべきピクチャ中のブロックを参照ピクチャ中のブロックと比較するときは、より低い精度のデータを使用する。これにより、複数のベストマッチ候補（６６）が生成される。ベストマッチ候補（６６）のうち、所定のクラスタ境界（７４）の外側にある候補を除いたものについて平均が取られ、この平均（７０）に対して第２の探索が実行される。このようにして、ブロックマッチングアルゴリズムのためのハードウエアの量が減少され、その演算速度は高められる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ディジタルビデオ圧縮の分野に関連し、更に特定的には、必要とさ
れる計算の複雑さを減らし速度を高めつつ、動きベクトルを生成する方法に関連
する。
【０００２】 圧縮アルゴリズムは、各データフレームの全てのビットが符号化され伝送され
る必要はないことを認識する。データのサンプルは、一般的には互いに十分に類
似しているため、１つのサンプルは次のサンプルの推定値として使用されうる。
これらの類似性は、空間的及び時間的な関係へ更に分解されうる。空間的な類似
性は、所与のデータフレームについて、そのフレーム中の１つの部分が同一のフ
レーム中の他の情報に類似すると想定する。時間的な類似性は、連続するフレー
ムが一般的に類似すると想定する。これは、フレームが基本的には直前のフレー
ムによって表わされうることを意味する。時間的な類似性は、動き推定アルゴリ
ズムを用いて決定される。
【０００３】 動き推定アルゴリズムには多くの種類がある。例えば、ブロックに基づく方法
、画素に基づく反復、及び特徴に基づくものである。ブロックに基づく方法は、
一般的にブロックマッチングアルゴリズムと称され、Ｈ．２６１及びＭＰＥＧ（
Moving Picture Experts Group）を含む幾つかのビデオ圧縮標準に採用されてお
り、本発明はこれに関連するものである。
【０００４】 ブロックマッチングアルゴリズムでは、動き圧縮されるべきフィールド又はフ
レーム（以下、集合的に「ピクチャ」と称する）が圧縮され、動き圧縮されてお
らず以前に符号化されたピクチャと比較される。比較は、ピクチャ間のルミナン
ス値の相関である。動き圧縮されていないピクチャは、Ｉピクチャ（又はイント
ラピクチャ）と称される。これらは離散コサイン変換といった空間技術のみを用
いて圧縮される。圧縮中、最初に符号化され、Ｉピクチャと比較されるピクチャ
は、Ｐピクチャ（予測ピクチャ）と称される。Ｐピクチャ又はＩピクチャは、Ｂ
ピクチャ（双方向ピクチャ、予測は先行する又は後続するＩ又はＰピクチャから
生じうる）を符号化するための参照として使用されうる。従って、発明の範囲を
制限することを防止するため、本願全体に亘り、「参照ピクチャ」及び「符号化
ピクチャ」という用語を用いるものとする。全てのピクチャ（符号化ピクチャ及
び参照ピクチャの両方）は、複数の画素（「ピクセル」又は「ペル」）へ分割さ
れる。マクロブロックは、１６×１６画素の矩形ブロックとして定義され、ブロ
ックマッチング圧縮技術の基礎となるものである。
【０００５】 符号化ピクチャの各マクロブロックについて、参照ピクチャの対応する探索領
域中で、ベストマッチを生じさせるマクロブロックについての探索が行われる。
参照ピクチャ中の符号化されたマクロブロックの原点から始まり、符号化された
マクロブロックを指す、ベストマッチ動きベクトルが確かめられる。探索領域は
、基本的には、一般的には符号化ピクチャのマクロブロックに空間的に対応する
参照ピクチャのウィンドウである。ベストマッチは、通常は各マクロブロック中
の対応する画素を互いに減算し、結果を平方し、全ての平方された差の値を加算
することによって決定される。これは、平均平方誤差として公知であり、数学的
には、
【０００６】
【数１】 のように表わされ、式中、Ｎ×Ｎは矩形のブロックサイズであり、ｗは探索範囲
であり、Ｓtは符号化ピクチャ中で動き圧縮されるブロックであり、Ｓt-1は参照
ピクチャであり、ｉ及びｊは参照ピクチャ中の参照マクロブロックの水平及び垂
直シフトを夫々表わす。これは、比較されるブロック間の全ての差が平方され、
より大きい差を強調するため、最も正確な比較を与える。
【０００７】 容易にわかるように、この比較はシリコン技術では安価に実現できない乗算器
を必要とするため、費用のかかる処理である。更に、この比較は、探索範囲中の
全ての可能なマクロブロック位置について実行される。必要とされる膨大な計算
量と、乗算器の必要性を考えると、この比較は現実的な適用では一般的には使用
されないが、コンピュータシミュレーションでは有用である。
【０００８】 より実際的な比較は、平均誤差（ＭＡＥ）である。この計算は、ＭＳＥと同様
であるが、平方する代わりに絶対値をとる。従って、平均誤差は、
【０００９】
【数２】 と定義される。しかしながら、この比較でも、選択された探索領域がかなり大き
く、各計算が多くの回路を必要としうるため、問題を生ずる。
【００１０】 階層的アプローチを用いる１つの従来技術の解法では、参照ピクチャを間引き
し、それにより解析される必要のある画素数を減少させる。間引き処理は、一般
的に、水平及び垂直方向に、所定の数、通常は４つ、の画素を取り、これらをそ
の平均値で置換することを含む。これは、より容易に処理されうるが、精度が低
い、１６倍少ない情報を有するピクチャを生成する。間引きされた画像について
探索され、比較的精度の低い動きベクトルが決定される。次に、精度の低い動き
ベクトルに基づき、精度の低い動きベクトルを中心として、しかしより小さい探
索範囲で画像全体について第２の詳細な探索が行われる。しかしながら、間引き
された探索部分においても、この技術はＭＳＥ又はＭＡＥの計算の各繰り返しの
ために膨大な量の計算を必要とする。この階層的な技術は、間引きされた画像中
でも完全な精度を有する画素が解析されるため、やはり多くのハードウエアを必
要とするため費用がかかる。
【００１１】 従って、従来技術よりも、実施するのが高価ではなく、より少ない処理時間を
必要とする動き推定技術が必要とされる。
【００１２】 本発明は、従来技術よりも高速で安価な動きベクトルを決定する方法を提供す
ることを目的とする。このため、本発明は、独立項に定義されるような方法、コ
ンピュータ読み取り可能な記憶媒体、及び送信器を提供する。従属項は、有利な
実施例を定義する。
【００１３】 本発明の１つの面は、第２のピクチャ中の第２のブロックに対応する第１のピ
クチャ中の第１のブロックを探す方法である。方法は、第１のピクチャ及び第２
のピクチャを、第１の精度の値を有する複数の各画素へ分割する段階を含む。方
法は更に、第１のピクチャ中に第１の探索領域を画成する段階を含む。方法は更
に、第１のピクチャ及び上記第２のピクチャ中の上記画素の値の精度を低下させ
、第２の精度を有する画素を生成する段階を含む。方法は更に、第２のブロック
中の第２の精度を有する画素を第１の探索領域中に配置される全てのブロック中
の第２の精度を有する画素と比較し、複数のベストマッチ候補を生成する段階と
、ベストマッチ候補の平均を取り、第１のブロックを生成する段階とを含む。
【００１４】 上述の面は、他の面と同様、従来技術よりも高速で安価な動きベクトル探索技
術を提供する。これはより低い精度の画素を比較することによって達成される。
【００１５】 上述及び他の面は、同様の参照番号が同様の要素を示す添付の図面を参照して
以下の説明を読むことでより明らかとなろう。
【００１６】 図１中、符号化器５０は、伝送媒体５２を介して受信器５４へ送信されるデー
タのストリームを符号化し、圧縮する。伝送媒体５２は、例えば、同軸線、無線
（地上伝送の場合）、又は任意の他の適当な伝送媒体でありうる。或いは、図２
に示されるように、本発明は単純に、符号化器５６を用いて、データを符号化及
び圧縮し、これを記録媒体５８へ、又はＭＰＥＧ復号化器５９を通じてディスプ
レイ６０へ直接与えうる。任意の従来のＭＰＥＧ復号化器が使用されうる。
【００１７】 図３は、符号化される一般的な一連のＩピクチャ、Ｐピクチャ、Ｂピクチャを
示す図である。各Ｉピクチャは他のピクチャとは独立に符号化され、即ち、これ
らのピクチャに対して空間（「イントラピクチャ」）圧縮のみが行われる。Ｐピ
クチャは、Ｉピクチャとの比較に基づいて動き圧縮される。Ｂピクチャは、Ｉピ
クチャ又はＰピクチャのいずれかとの比較に基づいて動き圧縮される。図４に示
されるように、これらの各符号化ピクチャは、１６×１６画素の方形として画成
される複数のマクロブロックへ分割される。同様に、比較のために使用される参
照ピクチャもまた、複数のマクロブロックへ分割される。
【００１８】 符号化ピクチャ中の符号化されるべき各マクロブロック６４に対して、参照ピ
クチャ中で、符号化されるべきマクロブロック６４に最も良く対応するブロック
について探索される。この探索は、探索領域６２中でベストマッチマクロブロッ
ク６４Ｂについて実行される。探索領域６２は、複数の重なり合うマクロブロッ
クへ分割される。例えば、最初のマクロブロックが調べられ、次にシステムは画
素の１つの行だけ動き、調べられるべき新しいマクロブロックの原点となる。こ
れらのブロックは参照番号６４miで示され、ここで、ｍは一致を表わし、ｉはｉ
番目のマクロブロックであることを示す。この探索は、参照ピクチャが既に伝送
されているため参照ピクチャからのデータを用いることができ、参照ピクチャか
ら符号化されるべきマクロブロック６４に最も良く対応するベストマッチマクロ
ブロック６４Ｂを拾い、ベストマッチマクロブロック６４と符号化されるべきマ
クロブロック６４との間の平行移動変位を示す動きベクトル６６を生成し、符号
化されるべきマクロブロック６４とベストマッチマクロブロック６４Ｂとの間の
ルミナンス値の差を伝送するという概念に基づく。
【００１９】 本発明は、従来技術では、符号化ピクチャと参照ピクチャの比較のために通常
は８ビットで表わされるルミナンス値全体が使用されることによって、多くのハ
ードウエア及び低い速度を生じている、という認識に基づくものである。本発明
は、全てのルミナンス値をより小さいビット数、例えば４へ丸め、従来技術で公
知であるように探索を行うが、従来技術とは異なり、複数のベストマッチ候補が
確かめられる。ＭＡＥ計算及びＭＳＥ計算では、多くの加算器が必要とされる。
比較に含まれるビット数を減少させると、加算器が動作する速度が高くなる。こ
れは、明らかに、あまり精度は高くないが、低いデータ圧縮率が許容可能である
適用（即ちカムコーダディスプレイ）に対しては十分な探索を行う。
【００２０】 より精度の高い推定を必要としない適用については、本発明は更にベストマッ
チのグループを探索する。これは、１つの最も良く一致するブロックのみを見つ
け、これを記憶する従来技術とは異なる。上述のようにルミナンス値を丸めるこ
とにより精度は低くなり、それによりブロックマッチングプロセスの第１の段階
において最も良く一致するブロックのグループが記憶される。統計学的に、この
グループ、又はクラスタは、ベストマッチのマクロブロックを中心とする。
【００２１】 ルミナンス値を丸めるには、多くの公知の方法がある。例えば、８ビットから
４ビットへ丸める場合、最下位ニブルが丸めて除去される。ルミナンス値が８ビ
ット値５Ｘhexで表わされる場合、Ｘが０乃至７であれば、数は５０hexへ丸めら
れ、これはレベル５へ量子化される。同様に、Ｘが８乃至１５であれば、数は６
０hexへ丸められ、即ちレベル６へ量子化される。
【００２２】 ここで図５を参照するに、１０のベストマッチ候補が確かめられる。（明らか
に、１０は任意の数であり、より多くの、又はより少ない候補が使用されうる）
。クラスタ境界限定ボックス７４は、相互に所定の近さにある複数のベストマッ
チ候補の周りに形成され、それにより境界の外側に存在する排除されたマッチン
グ結果６８と、境界の内側に存在する多数の包囲されたマッチング結果６６を生
成する。クラスタ境界限定ボックス７４は様々な技術を用いて形成されうる。例
えば、多くのベストマッチ候補によって形成される中心が確かめられ、ボックス
の辺を示すものとして中心からの距離が選択される。全ての包囲されたマッチン
グ結果６６の平均が取られ、計算されたベストマッチ７０が生成される。この計
算されたベストマッチ７０は、より低い精度のデータから生成されるが、実際の
ベストマッチ７２に近い。
【００２３】 図６を参照して、より低い精度のデータが用いられるにも関わらず実際のベス
トマッチ７２に近い計算されたベストマッチ７０を生成する現象について説明す
る。図６中、５つの別々のルミナンス値表現についての包囲された最善のマッチ
ング結果の補外を連結したものを示す輪郭が示される。図示されるように、ルミ
ナンス値について８ビット表現が用いられる場合、ベストマッチは、実際のベス
トマッチ７２に統計的に近くなり、７又はそれ以下のビットの表現よりも小さい
領域を有する輪郭中に配置される。これは、これらの全ての包囲された最善のマ
ッチング結果が実際のベストマッチ７２に近くなるためである。しかしながら、
いくつのビットが使用されるかにかかわらず、結果の平均を取れば、やはり実際
のベストマッチ７２に近い値になる。現象は、ダーツのゲームに似ている。ゲー
ムが上手な者は、８ビットバージョンのようなものであり、全ての結果が実際の
ベストマッチ７２に近くなる。ゲームが下手な者は４ビットバージョンのような
ものであり、一般的には実際のベストマッチ７２から離れた結果を与える。しか
しながら、上手か下手か（又はデータ表現）の選択とは無関係に、何が実際の目
標（又は実際のベストマッチ）であるかは明らかである。
【００２４】 再び図５を参照するに、計算されたベストマッチ７０が一旦決定されると、８
ビットのルミナンスデータ全体に対して、しかし計算されたベストマッチ７０を
中心とするはるかに小さい探索領域に亘って、第２の探索が行われる。例えば、
計算されたベストマッチ７０を囲む２−４画素の辺を有する方形が画成されえ、
すると探索領域は方形の各画素に対応する原点を有するマクロブロックを含む。
上述のように、この第２の探索は、あまり高い質を必要としない適用に対しては
実行される必要はない。
【００２５】 本発明について、図７を参照して説明する。ステップＳ２において、符号化さ
れるべきピクチャ及び参照ピクチャは、複数の画素へ分割される。ステップＳ４
において、参照ピクチャ中に第１の探索領域が画成される。全ての画素の精度は
、ステップＳ６における丸めによって低下される。ステップＳ８において、低下
された精度の画素同士を比較し、ベストマッチ候補を生成する。精度を改善する
ため、ベストマッチ候補のグループのうち、グループの残りの候補と近傍にない
ベストマッチ候補は、ステップＳ１０において任意に考慮に入れないようにして
もよい。ステップＳ１２において、残りのベストマッチ候補の平均が取られ、計
算されたベストマッチが生成される。ステップＳ１４において、計算されたベス
トマッチの周りで第２の探索が実行され、ステップＳ１６において全精度の画素
に対して第２の比較が実行される。
【００２６】 従って、あまり精度の高くないデータに対して第１の探索を実行することによ
り、動きベクトル計算を実行するのに必要なハードウエアが減少され、動きベク
トルを見つけるのに必要とされる時間が減少される。より小さいビットの算術演
算は、より高速なハードウエアの実施をもたらす。より小さい圧縮比率が許容可
能な状況に対しては、この技術だけで十分である。しかしながら、複数の含まれ
る最善のマッチング結果を記憶し、次に第１の最善のマッチング結果の平均に基
づいて第２の探索を実行することにより、低下された精度のデータを解析するこ
とにより失われた精度が戻される。
【００２７】 上述の望ましい実施例により、請求項に定義される本発明の範囲及び精神を逸
脱することなく様々な変更がなされうることが明らかとなろう。請求項において
「含む」という用語は請求項に記載される要素又は段階以外の要素又は段階の存
在を排除するものではない。単数形で記載されている用語は、複数のかかる要素
の存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を含むハードウ
エア及び適当にプログラムされたコンピュータによって実施されうる。幾つかの
手段を列挙した装置に係る請求項では、幾つかの手段はハードウエアの同一の構
成要素によって実施されうる。
【００２８】 本発明の望ましい実施例は、概略するに以下の通りである。ブロックマッチン
グ動き推定アルゴリズムは、圧縮されるべきピクチャ中のブロックを参照ピクチ
ャ中のブロックと比較するときは、より低い精度のデータを使用する。これによ
り、複数のベストマッチ候補（６６）が生成される。ベストマッチ候補（６６）
のうち、所定のクラスタ境界（７４）の外側にある候補を除いたものについて平
均が取られ、この平均（７０）に対して第２の探索が実行される。このようにし
て、ブロックマッチングアルゴリズムのためのハードウエアの量が減少され、そ
の演算速度は高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明と共に用いられる伝送システムを示す図である。
【図２】 データを記憶するために本発明を用いる記憶媒体を示す図である。
【図３】 Ｉピクチャ、Ｐピクチャ、Ｂピクチャの一般的なシーケンスを示す図である。
【図４】 参照ピクチャと符号化ピクチャを並置し、それにより符号化ピクチャ中のブロ
ックに対応する参照ピクチャ中のブロックについて、いかにして探索が行われる
かを示す図である。
【図５】 計算されたベストマッチを生成するためにいかにして複数の最善のマッチング
結果が使用されるかを示す図である。
【図６】 データの異なる精度レベルが、いかにして実際のベストマッチのマクロブロッ
クを中心として補外された輪郭を生成するかを示す図である。
【図７】 本発明を表わすフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C059 KK06 KK19 LB05 MA00 MA23 NN03 PP04 UA02

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第２のピクチャ中の第２のブロックに対応する第１のピクチ
    ャ中の第１のブロックを探す方法であって、 上記第１のピクチャ及び上記第２のピクチャを、第１の精度の値を有する複数
    の各画素へ分割する段階と、 上記第１のピクチャ中に第１の探索領域を画成する段階と、 上記第１のピクチャ及び上記第２のピクチャ中の上記画素の値の精度を低下さ
    せ、第２の精度を有する画素を生成する段階と、 上記第２のブロック中の上記第２の精度を有する画素を上記第１の探索領域中
    に配置される全てのブロック中の上記第２の精度を有する画素と比較し、複数の
    ベストマッチ候補を生成する段階と、 上記ベストマッチ候補の平均を取り、上記第１のブロックを生成する段階とを
    含む方法。
  2. 【請求項２】 上記平均を取る段階の後に、上記第１のブロックに基づいて
    第２の探索領域を画成する段階と、 上記第２のブロック中の上記第１の精度の画素と上記第２の探索領域中に配置
    される全てのブロック中の上記第１の精度の画素とを比較し、より高い精度の第
    １のブロックを生成する段階とを更に含む、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 相互に所定の近さに配置される複数の上記ベストマッチ候補
    を囲むクラスタ境界限定部を形成する段階と、 上記クラスタ境界限定部に包囲されない全てのベストマッチ候補を考慮に入れ
    ないようにする段階とを更に含む、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記精度を低下させる段階において全ての上記画素の値を丸
    める、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法を実行するコンピュータ読み取り可能
    な命令を格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
  6. 【請求項６】 少なくとも第１のタイプ及び第２のタイプの複数のピクチャ
    を含むデータを送信器から受信器へ伝送し、 上記第２のタイプのピクチャ中の第２のブロックに対応する上記第１のタイプ
    のピクチャ中の第１のブロックの位置を探す手段を含む送信器であって、 上記位置を探す手段は、 上記第１及び第２のタイプのピクチャを、第１の精度の値を有する複数の各画
    素へ分割する手段と、 上記第１及び第２のタイプのピクチャを、複数の上記画素を含む複数の各ブロ
    ックへ分割する手段と、 上記第１のタイプのピクチャ中で第１の探索領域を画成する手段と、 上記第１及び第２のタイプのピクチャ中の上記画素の値の精度を低下させ、第
    ２の精度の画素を生成する手段と、 上記第２のタイプのピクチャ中の第２のブロック中の上記第２の精度の画素と
    上記第１の探索領域中に配置される全てのブロック中の第２の精度の画素と比較
    し、複数のベストマッチ候補を生成する手段と、 上記ベストマッチ候補の平均を取り、上記第１のブロックを生成する手段とを
    含む、送信器。
  7. 【請求項７】 計算されたベストマッチに基づいて第２の探索領域を画成す
    る手段と、 上記第１のブロック中の上記第１の精度の画素と上記第２の探索領域中に配置
    される全てのブロック中の上記第１の精度の画素とを比較し、より精度の高い計
    算された最善のマッチング結果を生成する手段とを更に含む、請求項６記載の送
    信器。
  8. 【請求項８】 相互に所定の近さに配置される複数の上記ベストマッチ候補
    を囲むクラスタ境界限定ブロックを形成する手段と、 上記クラスタ境界限定部に包囲されない全てのベストマッチ候補を考慮に入れ
    ないようにする手段とを更に含む、請求項６記載の送信器。
  9. 【請求項９】 上記精度を低下させる手段は、全ての上記画素の値を丸める
    手段を含む、請求項６記載の送信器。
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