JP2007181674A - ブロック整合及び動き補償補間を利用した映像形成方法 - Google Patents

ブロック整合及び動き補償補間を利用した映像形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ブロック不一致現象の発生を防止でき、少量データの計算で速やかに動画像を形成できるブロック整合技法と動き補償補間を利用した映像形成方法を提供する。
【解決手段】隣接第1、第2フレームの相関度を求めて補間フレームの形成如何を決定し、補間フレーム内の全てのブロックを基準ブロックとして選択して、対応する第1ブロックを第1フレームから選択して基準ブロックと第1ブロック間の第1動きベクトルを決定し、第1ブロックに整合する第2ブロックを第2フレームから決定し、基準ブロックと第2ブロックとの間の第2動きベクトルを決定し、第1及び第2動きベクトルに基づいて補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを決定し、補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを適用し、第1フレーム及び第2フレームから補間フレームの画素値を決定して補間フレームを形成し、補間フレームの損傷度がしきい値以下の時、補間フレームを採択する。
【選択図】図2

Description

本発明は映像形成方法に関し、特にブロック整合技法(block matching algorithm, BMA)と動き補償補間(motion compensated interpolation, MCI)を利用した映像形成方法に関する。
超音波診断法は比較的高い安定性と実用性を有しており、医療映像分野で多くの脚光を浴びており、特に産婦人科の診断において必須の手段として利用されている。また、超音波動画像を利用した診断及び応用が発展しており、今後インターネットと移動通信網を通じた超音波動画像の利用も活発に進めると予想される。このために、信頼性のある超音波動画像を獲得することが重要である。
動画像を具現するために短い時間の間に順次得られた停止画面、即ちフレームを連続的にディスプレイする。一般にフレーム間には対象体またはカメラの動きなどによって明るさの変化が発生する。このような明るさなどの変化を利用して隣接するフレーム間で対象体の動きを推定する。動画像及び静止映像の符号化のために広く使用されている動き推定(motion estimation)は各画素単位で動き情報を見出す方法として予測誤差を減らすことができる長所があるが、計算過程が複雑な短所がある。特にリアルタイム処理が要求される低ビット率転送システムに応用され難い。
動き推定のための計算量を減らすため、ブロック整合技法が利用される。BMAは動き推定のためにフレームを一定の大きさのブロックで分割し、一つのブロック内の全ての画素を一つの動きベクトルで表現する。図1a及び図1bに示したようにブロック整合技法を利用して現在のフレーム(Fc)で選択されたブロック(Bc)と最も類似のブロックを以前のフレームFpの探索領域(search window, SW)内で検索して共通の動き情報である動きベクトル(motion vector, MV)を推定する。図1a及び図1bでブロックの大きさがM×N、水平方向または垂直方向に最大p画素だけ動く時、上下左右でp画素だけの動きを考慮すれば、探索領域(SW)の大きさは(2p+M)×(2p+N)になる。現在、ブロック(Bc)と探索領域(SW)内の任意ブロック間の整合基準では式1のように定義されるSAD(Sum of Absolute Difference)を使用する。
Figure 2007181674
式1を利用して求めたSAD値のうち、最小SADを有する画素の座標移動を計算し、現在のフレーム(Fc)で選択されたブロック(Bc)と最も整合度が高い以前のフレームFp内のブロック(Bb)間の動きベクトルを決定する。
従来ブロック整合技法を利用して動きベクトルが誤って決定されると空の領域(hole region)と重畳領域(overlapped region)などのようなブロック不一致現象(blocking artifacts)が発生して再構成されたブロック全体が本来の映像信号と全く変わる深刻な主観的(subjective)画質低下現象が発生する。一方、より正確に動き情報を得るために探索領域内の全ての候補ブロック間の整合(matching)を比較する全域探索法(full search method)が多く使用されている。しかし、全域探索法を利用する場合、ブロックの大きさや探索領域の大きさが大きくなるにつれて計算量も急激に増加してリアルタイムで動画像を形成し難い短所がある。
前述した問題を解決するために本発明は、ブロック整合技法によるブロック不一致現象の発生を防止することができ、相対的に少ない量のデータを計算してより速やかに動画像を形成することができる、ブロック整合技法と動き補償補間を利用した映像形成方法を提供する。
本発明の一様態による映像形成方法は、a)それぞれ多数のブロックに分類される画素を備える、隣接する第1及び第2フレームの入力を受ける段階と、b)前記第1及び第2フレームの相関度を求めて前記第1及び第2フレーム間に、多数のブロックに分類される画素を備える補間フレームの形成如何を決定する段階と、c)前記補間フレーム内の全てのブロックを順に基準ブロックとして選択しながら、前記選択された基準ブロックに対応する第1ブロックを前記第1フレームから選択して前記基準ブロックと前記第1ブロック間の第1動きベクトルを決定し、前記第1ブロックに整合する第2ブロックを前記第2フレームから決定し、前記基準ブロックと前記第2ブロック間の第2動きベクトルを決定する段階と、d)前記第1及び第2動きベクトルに基づいて前記補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを決定する段階と、e)前記補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを適用し、前記第1フレーム及び前記第2フレームから前記補間フレームの画素値を決定して前記補間フレームを形成する段階と、f)前記補間フレームの損傷度を検査して前記損傷度がしきい値以下である場合、前記補間フレームを採択して映像を形成する段階を備える。
本発明はブロック整合技法(BMA)を使用する動き推定の過程に示したホール(hole)とオーバーラップ(overlap)領域問題を解決するために補間されるフレームを基準とする双方向動き推定技法を利用して動きベクトルを決定することによって、より簡単に動き補償補間をして補間フレームを形成することができる。また、2段階探索技法として全域探索と類似する効率を示しながら遂行速度を大きく改善することができる。また、ブロック間の動きベクトル差が出る値のしきい値(threshold)をおき、全てのブロック境界がフィルタリングされてイメージが全般的にブラーリング(blurring)されることを制限した。
さらに、隣接した原本フレームの相関度を考慮して補間フレームの形成如何を決定することによって効率性を向上させた。また、フレーム間の相関度が低い場合、補間基準(interpolation criteria)によって補間フレームの形成如何を決定し、領域処理(region processing)技法を通じてイメージ品質を向上させることができる。
本発明は全域探索法のように正確な予測効率を有しながら計算されるデータ量を減らすことができるブロック整合技法及び動き補償補間を利用した映像形成方法に関する。この映像は動画像、超音波映像、超音波動画像を含む。
映像信号のフレーム補間(frame interpolation)は連続する映像のフレームレート(frame rate)を変更させるために使用される。フレームレートはフレーム反復法(frame repetition)や線状補間法(linear interpolation)などの簡単な方式でも調節することができるが、画質の低下を防ぐために運動体(moving object)の移動情報を利用してフレームレートを調節する。本発明では運動体の移動情報を適切に活用するために双方向推定を通じて動きを補償補間する。
動き補償補間(MCI)に用いられる隣接したフレームの相関度が顕著に低くなったり、場面切替(scene change)のような構成の映像であれば自然で軟らかい映像を具現するために補間フレームを形成する必要がない。補間されたフレーム自体が突然の突出領域(abrupt area)を構成して画質低下をもたらすことができるためである。
本発明では隣接する2フレームの相関度を求め、相関度がしきい値以上である場合にのみ補間フレームを形成する。このため、動きベクトルを生成する前、隣接する2つのフレームの相関度を求め、相関度がしきい値以下である場合、場面切替と判断して動きベクトルを生成せず補間フレーム形成を終了することができる。このように本発明では隣接した原本フレームの相関度がしきい値より低い場合、補間フレームを形成しない。もちろん補間フレームを形成しない場合、突然の動き変化現象(motion jerkiness)は避けられないが、画質低下は防止することができる。一方、補間されたフレームであっても突出領域が発生することがあるので、領域処理技法(region processing)を通じてこのような問題を解決する。
隣接する2つのフレームの相関度を求め、場面切替ではないと判断された場合、動きベクトルを決定してそれに基づいて補間フレームを形成する。特に、本発明ではブロック整合技法によって動きベクトルが誤って決定される場合、発生するブロック不一致現象を防止するために双方向推定をして動きベクトルを決定する。
Figure 2007181674
図3a及び図3bに示したように双方向動き推定のためにフレームFとFで同一の大きさの探索領域を設定する。探索領域は補間されるフレームF12内の基準ブロック(Br)の位置を中心に設定できる。続いて、フレームF内で選択ブロック(Bs)を定め、基準ブロック(Br)と選択ブロック(Bs)の中心座標値に基づいて第1動きベクトル(MV)を決定する。フレームFで選択ブロック(Bs)に整合する整合ブロック(Bm)を決定し、基準ブロック(Br)と整合ブロック(Bm)の中心座標値に基づいて第2動きベクトル(MV)を決定する。
Figure 2007181674
一方、より効率的に動きを推定するために第2フレームF内で図4に示したように螺旋状に整合ブロックを探索しながら、第1動きベクトル(MV)の大きさによって探索間隔を変化させる。例として第1動きベクトル(MV)が(0,0)であるブロックの周囲は1画素ずつ動いて整合ブロックを探索し、第1動きベクトル(MV)が(0,0)でない領域は2画素ずつ動いて整合ブロックを探索する。2画素間隔で探索して整合ブロックを見出したら見つけられた整合ブロックを中心に1画素ずつ螺旋状に動いて再度探索する。このような技法は全域探索技法と似た性能効率を示しながら探索速度を相当部分減らすことができる。
前述した過程によって決定された動きベクトルをベクトルメディアンフィルタリング(vector median filtering)技法を利用して平滑化させる(smoothing)。一般的なメディアンフィルタリング技法は、動きベクトルを水平方向コンポーネント、垂直方向コンポーネント別に区分してスカラ(scalar)フィルタリングする。このように分類されたコンポーネントをフィルタリングして得た動きベクトルは周辺動きベクトルの元素と異なって示される。本発明の実施例ではこのような問題を解決するために、動きベクトル全体コンポーネントに対してフィルタリングを行う。このようなベクトルメディアンフィルタリングは以下の式2のように定義される。
Figure 2007181674
一方、本発明では画質低下を防止するために形成された補間フレームの採択如何を次のような過程によって決定する。動きベクトルから得られた補間フレームでブロック間のSADを求めた後、基準SAD値を基準に全体フレームに渡りブロックを分類する。ブロック間のSAD値が非常に小さいということは現在ブロックで動きがほぼないということと解釈することができる。従って、SADがしきい値以上であればブロックは誤って推定された動きベクトルから得られたブロックであるか、フレーム間の相関関係がほぼない場合、である。一つのフレーム内でSADがしきい値以上に分類されるブロックの個数が一定数値以上であれば時間的に隣接した2つのフレームは全体的にあるいは一定部分が相関関係がない映像と判断することができる。このような場合、多数映像構成による利得より主観的画質低下による損失の幅がより大きいと言える。従って、このような場合は形成された補間フレームを採択しないことによってより自然な映像を獲得することができる。
図5〜図7は動き推定ベクトルに基づいて形成した補間フレーム内のブロックをSAD値によって分類し損傷度を検査して示した例示図である。補間フレームの精度を向上させるためには、ブロック分類の基準になるしきい値の大きさが重要である。一方、図5〜図7に示したようにレベル1とレベル2に分類されるブロックの損傷度情報と各ブロックのSAD情報を利用してフレーム全体ブロック対比損傷程度を把握し、補間フレームの選択如何を決定することができる。図6に示したように損傷したブロックが集中した損傷領域(Broken region)があり得る。特定ブロックを基準に上下左右のブロックを検査し、検査された全てのブロックが損傷したものであると判断される場合、その領域を損傷領域に指定することができる。損傷領域はイメージの画質を低下させるので、損傷領域の大きさ及び数によって補間フレーム選択如何を決定することもできる。また、損傷領域を以後より強力にディブロキングフィルタリング(deblocking filtering)を加えて復旧することができる。図7は損傷したブロック(broken block)を程度によってレベル1とレベル2に分類されたことを示している。即ち、相対的に損傷度が大きいと判断されたブロックは隣接するブロックと相関関係がほぼないと判断する。これにより、相対的に損傷が甚だしく示されたブロックは単純線状補間(linear interpolation)に形成することもできる。
一方、一つの補間フレームを生成しなければならない場合、前述した過程によって双方向補間(bilinear interpolation)技法のみを利用して補間フレームを構成すればよい。しかし、多数の補間フレームを生成しなければならない場合、次の式3のように定義される重み係数情報を利用した補間(weighted interpolation)技法を使用して多数のフレームを生成する。
Figure 2007181674
次に、前述した過程によって補間フレームの採択如何を決定した後に、ブロック間の不一致を緩和させるためのブロック境界減少フィルタリング(deblocking filtering)を実施する。
動きベクトルを平滑化させることによってブロック不一致現象(blocking artifacts)をある程度緩和させることはできるが、ブロック単位で構成された補間フレームはブロック間の動きベクトルの差のため、ブロックの境界が明確になるブロック境界現象が発生する。特に動き推定時に探索領域内にブロックの相関関係が少ないほどブロック境界現象は目立つように示される。ブロック境界現象を減少させるため、ブロック境界画素間フィルタリングを通じて境界と境界間を自然に構成する。しかし、全てのブロック境界を検査してフィルタリングを行う場合、処理時間が増加して全体的に映像のブラーリング(blurring)が発生し得る。
本発明の実施例では映像のブラーリングが示されることを防止するために補間フレーム内の各ブロックの動きベクトル情報と、SAD情報のうち、少なくともいずれか一つを利用してフィルタリングを行うブロックを決定し、決定されたブロックのみをフィルタリングする。
図8ではマクロブロック(MB)間の水平、垂直方向の境界でそれぞれ2画素を選択しフィルタリングした場合を示している。補間フレーム内に隣接するブロックの動きベクトルを比較して2ベクトルの差が定められた基準値以上である場合、ブロックの全ての境界をフィルタリングし、そうでなければ次のブロックに超えていく。即ち、隣接するブロックの動きベクトルのノーム(norm)ベクトルを計算して一定のしきい値を超えるとフィルタリング処理を行うことができる。これを次の式4のように表現することができる。
Figure 2007181674
式4でVA、VBは水平方向に隣接したブロックの動きベクトルであり、VA、VCは垂直に隣接したブロックの動きベクトルである。そしてT1はしきい値である。
一方、前述した過程によって算出された補償フレーム内の各ブロックのSADを利用してフィルタリングを行うブロックを決定する。または、補間フレーム内に隣接するブロックの動きベクトル差が定められた基準値以上であり、SAD値が基準値以上である場合にフィルタリングを行うブロックとして決定する。
フィルタリングが適用される隣接した2ブロックが水平方向で隣接していればそれぞれの画素に水平方向にフィルタリングマスクを被せて、隣接した2ブロックが垂直方向に隣接していれば垂直方向にマスクを被せる。フィルタリングして得た画素値とフィルタリング前の画素値を交替することによってフィルタリングの結果を適用する。
上述した実施例は本発明の原理を利用した多様な実施例の一部を示したことに過ぎない。本技術分野で通常の知識を有する者は本発明の本質から逸脱することなく、様々な変形が可能であることが明確に分かる。
従来のブロック整合技法を利用して動きベクトルを決定する例を示す概略図(その1)である。 従来のブロック整合技法を利用して動きベクトルを決定する例を示す概略図(その2)である。 本発明の実施例として双方向推定によって連続する2フレームF1、F2との間に挿入されたフレームを構成する方法を示す概略図である。 双方向動き推定のために連続するフレーム内に設定された探索領域を示す概略図(その1)である。 双方向動き推定のために連続するフレーム内に設定された探索領域を示す概略図(その2)である。 2段階整合探索方法として示す例示図である。 動き推定ベクトルに基づいて形成した補間フレーム内のブロックをSADしきい値によって分類して損傷度を検査して示した例示図(その1)である。 動き推定ベクトルに基づいて形成した補間フレーム内のブロックをSADしきい値によって分類して損傷度を検査して示した例示図(その2)である。 動き推定ベクトルに基づいて形成した補間フレーム内のブロックをSADしきい値によって分類して損傷度を検査して示した例示図(その3)である。 ブロック境界減少フィルタリングを説明するための例示図である。
符号の説明
、F フレーム、
12 補間フレーム、
Bs 選択ブロック、
Br 基準ブロック、
Bm 整合ブロック、

Claims (13)

  1. a)それぞれ多数のブロックに分類される画素を備える、隣接する第1及び第2フレームの入力を受ける段階と、
    b)前記第1及び第2フレームの相関度を求めて前記第1及び第2フレーム間に、多数のブロックに分類される画素を備える補間フレームの形成如何を決定する段階と、
    c)前記補間フレーム内の全てのブロックを順に基準ブロックとして選択しながら、前記選択された基準ブロックに対応する第1ブロックを前記第1フレームから選択して前記基準ブロックと前記第1ブロック間の第1動きベクトルを決定し、前記第1ブロックに整合する第2ブロックを前記第2フレームから決定し、前記基準ブロックと前記第2ブロック間の第2動きベクトルを決定する段階と、
    d)前記第1及び第2動きベクトルに基づいて前記補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを決定する段階と、
    e)前記補間フレーム内の各ブロックの動きベクトルを適用し、前記第1フレーム及び前記第2フレームから前記補間フレームの画素値を決定して前記補間フレームを形成する段階と、
    f)前記補間フレームの損傷度を検査して前記損傷度がしきい値以下である場合、前記補間フレームを採択して映像を形成する段階を備えることを特徴とする映像形成方法。
  2. 前記b)の段階は、
    b1)前記相関度としきい値を比較する段階と、
    b2)前記相関度がしきい値以下である場合、前記段階a)に戻る段階と、
    b3)前記相関度がしきい値以上である場合、前記補間フレームを形成することに決定する段階を備えることを特徴とする請求項1に記載の映像形成方法。
  3. 前記段階c)は、
    c1)前記補間フレーム内の基準ブロックの位置を中心に前記第1フレーム及び前記第2フレームで同一の大きさの探索領域をそれぞれ設定する段階と、
    c2)前記第1フレームから前記第1ブロックを選択する段階と、
    c3)前記基準ブロック中心の座標と前記第1ブロック中心の座標から前記第1動きベクトルを決定する段階と、
    c4)前記第2フレーム内で前記第1ブロックに整合する前記第2ブロックを決定する段階と、
    c5)前記基準ブロックの中心座標と前記第2ブロック中心の座標から前記第2動きベクトルを決定する段階を備えることを特徴とする請求項1に記載の映像形成方法。
  4. 前記段階c4)において、
    前記第1動きベクトルの大きさによって画素間隔を変化させながら整合を検索して前記第2ブロックを決定することを特徴とする請求項3に記載の映像形成方法。
  5. 前記段階c4)は、
    c41)前記第1動きベクトルの大きさがしきい値と同じである場合、前記探索領域の中心から螺旋状に第1画素間隔だけ移動しながら前記第1ブロックに整合するブロックを探索する段階と、
    c42)前記第1動きベクトルの大きさがしきい値より大きい場合、前記探索領域の中心から螺旋状に前記第1画素間隔より大きい第2画素間隔だけ移動しながら前記第1ブロックに整合するブロックを探索する段階と、
    c43)前記c42)段階で前記整合ブロックが探索された場合、前記探索された整合ブロックを中心に前記第2画素間隔より小さな第3画素間隔だけ移動しながら前記第1ブロックに整合するブロックを探索して前記第2ブロックを決定する段階を備えることを特徴とする請求項3に記載の映像形成方法。
  6. 前記段階c)後、
    前記第1及び第2動きベクトルをベクトルメディアンフィルタリング(vector median filtering)を用いて平滑化させる段階をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の映像形成方法。
  7. 前記段階e)において、
    重み係数情報を用いた補間技法で多数の補間フレームを形成することを特徴とする請求項1に記載の映像形成方法。
  8. 前記段階f)は、
    f1)前記補間フレームでブロック間のSAD(Sum of Absolute Difference)を算出する段階と、
    f2)前記SADがしきい値以上であるブロックの数が基準個数以下である場合、前記形成された補間フレームを採択する段階を備えることを特徴とする請求項1に記載の映像形成方法。
  9. 前記段階f)後、
    g)前記SADに基づいて、前記採択された前記補間フレーム内の各ブロックの損傷如何を把握する段階と、
    h)前記損傷したブロックを復旧する段階をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の映像形成方法。
  10. 前記段階h)後、
    g1)境界をフィルタリングするブロックを決定する段階と、
    g2)決定されたブロックの境界をフィルタリングする段階をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載の映像形成方法。
  11. 前記段階g1)は、
    g11)前記段階h)後、前記補間フレーム内に隣接するブロックの動きベクトルの差を算出する段階と、
    g12)前記算出された動きベクトルの差に基づいて境界をフィルタリングするブロックを決定する段階を備えることを特徴とする請求項10に記載の映像形成方法。
  12. 前記段階g1)において、
    前記補間フレーム内のブロックのSADに基づいて境界をフィルタリングするブロックを決定することを特徴とする請求項10に記載の映像形成方法。
  13. 前記段階g2)において、
    前記算出された動きベクトルの差と前記SADに基づいて境界をフィルタリングするブロックを決定することを特徴とする請求項11に記載の映像形成方法。
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