JP2013030838A - Motion vector derivation device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動画像内の連続するフレーム間で動きベクトルを求める技術に関する。 The present invention relates to a technique for obtaining a motion vector between consecutive frames in a moving image.
液晶パネルを使用した薄型表示装置が大画面化すると、残像によるぼやけやぶれなどが目立つようになるという問題が生じる。これに対処するには、薄型表示装置で再生される動画像のフレームレートを高めることが有効である。一般的なフレームレート変換技術では、ある時点のフレームと時間的に一つ前または後のフレームとの間で、所定の大きさのブロック単位で動きベクトルを導出し、導出した動きベクトルを利用した動き補償によって両フレームの中間フレームを作成する。フレームレート変換後に滑らかな動画像を実現するためには、動きベクトルを正確に求めることが重要である。 When a thin display device using a liquid crystal panel has a large screen, blurring or blurring due to an afterimage becomes noticeable. In order to cope with this, it is effective to increase the frame rate of a moving image reproduced by a thin display device. In a general frame rate conversion technique, a motion vector is derived in blocks of a predetermined size between a frame at a certain point in time and a frame immediately before or after in time, and the derived motion vector is used. An intermediate frame between both frames is created by motion compensation. In order to realize a smooth moving image after frame rate conversion, it is important to accurately obtain a motion vector.
一般的に、動きベクトルの導出は、両フレーム内のブロック間でブロックマッチングを実行して、輝度値の絶対値誤差または二乗誤差が最小となるブロックのペアを探索し、このペア同士を結ぶベクトルを動きベクトルとして採用するという手順で行われる。しかしながら、実用上は、複数のブロックのペアにおける輝度値の絶対値誤差または二乗誤差が同程度の大きさになることが多い。このような場合に、単に誤差が最小であるという理由で動きベクトルを決定してしまうと、フレーム間の連続性の観点からは不適切な動きベクトルを選択してしまうことがある。 In general, motion vectors are derived by performing block matching between blocks in both frames, searching for a pair of blocks that minimize the absolute value error or square error of the luminance value, and a vector connecting these pairs. Is adopted as a motion vector. However, in practice, the absolute value error or the square error of the luminance values in a plurality of block pairs often has the same magnitude. In such a case, if a motion vector is determined simply because the error is minimal, an inappropriate motion vector may be selected from the viewpoint of continuity between frames.
ブロックマッチングのみに基づき動きベクトルを決定するのではなく、隣接ブロック間での動きベクトルの相関性を利用してより正確な動きベクトルを選択する技術も知られている。例えば、特許文献1には、入力される映像信号の現在フレームの基準ブロックの位置が、動作量が少ない映像領域と隣接した事物の境界領域であるか否かに基づき、基準ブロックの動作ベクトルをメディアンフィルタリングする動作ベクトル検出装置が開示されている。 There is also known a technique for selecting a more accurate motion vector by using the correlation of motion vectors between adjacent blocks, instead of determining a motion vector based only on block matching. For example, Patent Document 1 discloses a motion vector of a reference block based on whether or not the position of a reference block of a current frame of an input video signal is a boundary region between things adjacent to a video region with a small amount of motion. A motion vector detection device for median filtering is disclosed.
特許文献1に記載の技術では、基準ブロックの複数の動作ベクトル間で大きさが中位のものを選択して他のものは考慮されないので、正しい動きベクトルが棄却されてしまうおそれがある。 In the technique described in Patent Document 1, since the medium size among the plurality of motion vectors of the reference block is selected and the other is not considered, there is a possibility that the correct motion vector is rejected.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、時間的に連続する二つのフレーム間でのブロックマッチングの結果、あるブロックについて動きベクトルの候補が複数存在する場合においても、その複数の動きベクトルの中から画質劣化を最小とする動きベクトルを簡便かつ精度良く導出する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and the object of the present invention is to determine whether a plurality of motion vector candidates exist for a block as a result of block matching between two temporally continuous frames. It is an object of the present invention to provide a technique for easily and accurately deriving a motion vector that minimizes image quality degradation from a plurality of motion vectors.
本発明の一態様は、時間的に連続する二つの画像フレーム内の対応するブロック間の動きベクトルを導出する動きベクトル検出装置である。この装置は、動きベクトルの計算対象である対象ブロックの動きベクトルの候補である複数の候補ベクトルを生成する候補ベクトル生成部と、対象ブロックの周囲に位置する複数のブロックにおいて決定済みの動きベクトルを使用して、対象ブロックの動きベクトルを決定するための基準となる基準ベクトルを生成する基準ベクトル生成部と、前記複数の候補ベクトルのそれぞれと前記基準ベクトルとの内積を計算する内積計算部と、前記内積計算部によって計算された内積が最大となる候補ベクトルを前記対象ブロックの動きベクトルとして選択する動きベクトル選択部と、を備える。 One aspect of the present invention is a motion vector detection apparatus that derives a motion vector between corresponding blocks in two temporally continuous image frames. The apparatus includes a candidate vector generation unit that generates a plurality of candidate vectors that are motion vector candidates of a target block that is a target of motion vector calculation, and motion vectors that have been determined in a plurality of blocks that are located around the target block. A reference vector generation unit that generates a reference vector serving as a reference for determining a motion vector of the target block; an inner product calculation unit that calculates an inner product of each of the plurality of candidate vectors and the reference vector; A motion vector selection unit that selects a candidate vector having the maximum inner product calculated by the inner product calculation unit as a motion vector of the target block.
この態様によると、時間的に連続する二つのフレーム間でのブロックマッチングの結果、ある対象ブロックについて動きベクトルの候補が複数存在する場合においても、その複数の動きベクトルの中から画質劣化を最小とする動きベクトルを簡便かつ精度良く導出することが可能になる。 According to this aspect, even when a plurality of motion vector candidates exist for a certain target block as a result of block matching between two temporally continuous frames, image quality degradation is minimized among the plurality of motion vectors. It is possible to easily and accurately derive the motion vector to be performed.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, a system, a recording medium, a computer program, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、時間的に連続する二つのフレーム間でのブロックマッチングの結果、あるブロックについて動きベクトルの候補が複数存在する場合においても、その複数の動きベクトルの中から画質劣化を最小とする動きベクトルを簡便かつ精度良く導出することができる。 According to the present invention, as a result of block matching between two temporally continuous frames, even when a plurality of motion vector candidates exist for a certain block, image quality degradation is minimized among the plurality of motion vectors. The motion vector to be performed can be derived easily and accurately.
図1は、本発明の一実施形態に係るフレームレート変換装置10の概略構成を示すブロック図である。この構成は、ハードウェア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウェア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a frame
フレームレート変換装置10は、入力される動画像のフレームレートを変換して出力する装置である。本実施形態では、入力動画像のフレームレートを二倍に変換して出力する倍速変換について説明する。
The frame
フレーム選択部12は、動画像から時間的に連続する二つのフレームを取り出す。この二つのフレームのうち時間的に後のものを「現フレーム」、時間的に前のものを「遅延フレーム」と呼ぶ。フレーム選択部12は、所定のタイミングで一フレームずつずらしながら二つのフレームを連続的に動画像から取り出し、動きベクトル導出部14に順次出力する。
The
動きベクトル導出部14は、入力された現フレームと遅延フレームをそれぞれ所定の大きさのブロック(例えば、16×16画素のマクロブロック)に分割する。続いて、動きベクトル導出部14は、現フレームと遅延フレームとの間で周知のブロックマッチングを実行し、ブロック毎に一つの動きベクトルを導出する。導出された各ブロックの動きベクトルは被補間フレーム作成部16に供給される。
The motion
被補間フレーム作成部16は、動きベクトル導出部14により供給された動きベクトルを使用して周知の動き補償を行い、現フレームと遅延フレームの中間の被補間フレームを作成する。
The interpolated
図2は、被補間フレームを作成する方法を説明する図である。図中、F1が現フレーム、F2が遅延フレームであり、二つのフレームF1とF2の中間時点の被補間フレーム3を作成することを考える。フレームレート変換装置10から出力される動画像では、フレームF2、F3、F1の順に再生される。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of creating an interpolated frame. In the figure, F1 is the current frame, F2 is a delay frame, and it is considered to create an interpolated frame 3 at an intermediate point between the two frames F1 and F2. The moving image output from the frame
動きベクトル導出部14は、被補間フレームF3を所定のサイズのブロックに分割する。被補間フレーム内のあるブロック(ブロックB3)の左上隅の座標(x、y)を通過する直線を考え、この直線が現フレームF1および遅延フレームF2上でそれぞれ左上隅を通過するブロックB1およびブロックB2の間でブロックマッチングを実行する。このブロックマッチングを現フレームF1および遅延フレームF2の全体にわたり実行し、ブロック間の類似性を評価するために各ブロックに対して輝度差の絶対値の総和を計算する。図2の例において、現フレームF1上で左上隅の座標が(x+i,y+j)であるブロックB1と、遅延フレームF2上で左上隅の座標が(x−i,y−j)であるブロックB2とでブロックマッチングを実行した場合、両者を結ぶ動きベクトルは(i,j)で表される。
The motion
動きベクトル(i,j)が最適と判定された場合、被補間フレーム作成部16は、遅延フレームF2におけるブロックB2(または現フレームF1におけるブロックB1)のテクスチャを、被補間フレームF3におけるブロックB3に入れ込む。このような処理を被補間フレームF3内の全ブロックについて繰り返すことで、被補間フレームF3を作成することができる。
When it is determined that the motion vector (i, j) is optimal, the interpolated
なお、ブロックマッチングおよび被補間フレームの作成は当業者にとって周知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。 Since block matching and creation of an interpolated frame are well known to those skilled in the art, further detailed description is omitted.
図3は、動きベクトル導出部14の詳細な構成を示すブロック図である。動きベクトル導出部14は、候補ベクトル生成部20、基準ベクトル生成部22、内積計算部24および動きベクトル選択部26を含む。
FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of the motion
候補ベクトル生成部20は、現フレームと遅延フレームとを受け取り、被補間フレーム内のブロック毎に図2で説明したブロックマッチングを実行する。そして、マッチングを実行した現フレームのブロックと遅延フレームのブロックの組合せ毎に、輝度差の絶対値の総和(または輝度差の二乗和)を計算し、総和が小さくなる順に所定の数(例えば三つ)のブロックの組合せを選び出し、それぞれの動きベクトルを求める。これらの所定の数の動きベクトルを「候補ベクトル」と呼ぶ。候補ベクトルは内積計算部24に供給される。
The candidate
候補ベクトル生成部20は、ブロックの組合せ毎に計算された絶対値の総和の間に顕著な差が存在しない(例えば50程度)場合にのみ、複数の候補ベクトルを選択するようにしてもよい。あるブロックの組合せにおける輝度差の総和の最小値が、二番目に小さい値の1/100である場合のように、最小値が際だって小さいときには、候補ベクトルを生成せずに、輝度差の総和が最小であるブロックの組合せから動きベクトルを直接求めれば十分である。以下では、複数の候補ベクトルを生成する場合について説明する。
The candidate
基準ベクトル生成部22は、被補間フレーム内で動きベクトルの計算対象となっているブロック(「対象ブロック」と呼ぶ)の周囲に存在する別のブロックにおいて既に導出されている動きベクトルを所定の数(例えば四つ)だけ取得する。
The reference
基準ベクトル生成部22は、取得した動きベクトルの平均、すなわち各動きベクトルの水平成分と垂直成分の平均値を自身の水平成分および垂直成分とする基準ベクトルを計算する。この基準ベクトルは、対象ブロックの動きベクトルと、その周囲に位置するブロックの動きベクトルとは向きが近いはずであるという前提に基づいている。単純に平均を取る代わりに、対象ブロックからの距離に応じた重み付け平均を計算してもよい。基準ベクトルは内積計算部24に供給される。
The reference
内積計算部24は、候補ベクトル生成部20から供給された複数の候補ベクトルのそれぞれと、基準ベクトル生成部22から供給された基準ベクトルとの内積を計算する。基準ベクトルと向きの近い候補ベクトルであるほど、内積は大きくなる。
The inner product calculation unit 24 calculates the inner product of each of the plurality of candidate vectors supplied from the candidate
動きベクトル選択部26は、内積計算部24によって計算された内積が最大となった候補ベクトルを、対象ブロックの動きベクトルとして選択する。選択された動きベクトルは被補間フレーム作成部16に供給される。
The motion vector selection unit 26 selects the candidate vector having the maximum inner product calculated by the inner product calculation unit 24 as the motion vector of the target block. The selected motion vector is supplied to the interpolated
以下、図4および図5を参照して、動きベクトル導出部14の作用を説明する。
Hereinafter, the operation of the motion
図4は、基準ベクトルの生成方法を説明する図である。図中にハッチングされたブロックが動きベクトルの計算対象である対象ブロックであるとする。また、図中の左から右に向かう矢印は、動きベクトルの計算が被補間フレームの左上から右下に向けてラスタスキャン方式で行われている場合のスキャン方向を表している。 FIG. 4 is a diagram for explaining a reference vector generation method. It is assumed that the hatched block in the figure is a target block that is a motion vector calculation target. Further, the arrow from the left to the right in the drawing represents the scan direction when the motion vector is calculated by the raster scan method from the upper left to the lower right of the interpolated frame.
上述したように、基準ベクトル生成部22は、対象ブロックの周囲に存在するブロックにおいて既に導出されている動きベクトルを所定の数(例えば四つ)だけ取得する。周囲のブロックは、例えば対象ブロックの左上、上、右上および左に位置する四つのブロック(図4に太線枠で示す)である。これらのブロックにおける動きベクトルV1〜V4が図4中に矢印で示されている。これら四つのベクトルV1〜V4の平均値である基準ベクトルVnが図5の左端に示されている。
As described above, the reference
基準ベクトル生成部22は、より広範囲のブロック(例えば、図4に点線枠で示す範囲)における動きベクトルをさらに用いてもよい。この場合、全てのブロックにおける動きベクトルの単純平均を計算する代わりに、対象ブロックからの距離に応じた重み付け平均を計算してもよい。例えば太線枠の範囲の動きベクトルには1、点線枠の範囲の動きベクトルには0.5の重みを与えた上で平均を取り、基準ベクトルとしてもよい。
The reference
図5は候補ベクトルの選択を説明する図である。Va、Vb、Vcで示す三つの候補ベクトルが候補ベクトル生成部20により生成されたとする。内積計算部24は、基準ベクトルVnと、候補ベクトルVa、Vb、Vcのそれぞれとの内積を計算する。内積が最大値となるのは、基準ベクトルと同じ右上向きの候補ベクトルVaであり、これが動きベクトルとして選択される。このように、非常に簡便な計算で、周囲のブロックにおける動きベクトルと類似する動きベクトル(すなわち、画像の相関性の観点から画質劣化を最小とする動きベクトル)を対象ブロックについて選択することができる。
FIG. 5 is a diagram for explaining selection of candidate vectors. It is assumed that the candidate
図6は、本実施形態における動きベクトル導出のフローチャートである。まず、候補ベクトル生成部20が、現フレームと遅延フレーム内のブロック間のブロックマッチングを行って、複数の候補ベクトルを生成する(S10)。基準ベクトル生成部22は、動きベクトルの計算対象となるブロックの周囲に位置する複数のブロックにおいて決定済みの動きベクトルを使用して、基準ベクトルを生成する(S12)。内積計算部24は、複数の候補ベクトルのそれぞれと基準ベクトルとの内積を計算する(S14)。動きベクトル選択部26は、内積が最大となった候補ベクトルを対象ブロックの動きベクトルとして選択する(S16)。
FIG. 6 is a flowchart of motion vector derivation in this embodiment. First, the candidate
以上説明したように、本実施形態によれば、時間的に連続する二つのフレーム間でのブロックマッチングの結果、ある対象ブロックについて動きベクトルの候補が複数存在する場合に、それらの候補の中で対象ブロックの周囲のブロックで求められた動きベクトルと類似する動きベクトルを簡単に選択することが可能になる。これにより正確な動きベクトルを選択できる可能性が高くなる。したがって、明らかに不適切な動きベクトルが選択される可能性が低くなり、その結果フレームレート変換後に滑らかな動画像を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, when a plurality of motion vector candidates exist for a certain target block as a result of block matching between two temporally continuous frames, It becomes possible to easily select a motion vector similar to the motion vector obtained in the blocks around the target block. This increases the possibility that an accurate motion vector can be selected. Therefore, the possibility that an apparently inappropriate motion vector is selected is reduced, and as a result, a smooth moving image can be obtained after frame rate conversion.
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. is there.
基準ベクトル生成部22において、複数のベクトルの平均を基準ベクトルとして計算する代わりに、複数のベクトルのうち大きさが中位のもの(メディアン)を基準ベクトルとして選択するようにしてもよい。平均を基準ベクトルとする場合に比べ、メディアンであれば突出したベクトルを排除することができる。
Instead of calculating the average of a plurality of vectors as a reference vector, the reference
実施の形態では、現フレームと遅延フレームとの中間時点の被補間フレームを生成する場合について説明したが、同様の手法により、現フレームと遅延フレームを二等分、三等分(またはそれ以上)する複数の被補間フレームを作成できることは当業者であれば明らかである。 In the embodiment, the case where the interpolated frame at the intermediate point between the current frame and the delay frame is generated has been described. However, the current frame and the delay frame are divided into two equal parts and three equal parts (or more) by the same method. It will be apparent to those skilled in the art that a plurality of interpolated frames can be created.
実施の形態では、フレームレート変化において被補間フレームを作成する場合の動きベクトルの導出に本発明を適用することを説明したが、本発明の方法を動画像符号化時の動きベクトルの導出にも適用することができる。本発明の方法を用いて導出された動きベクトルを動画像符号化に用いることで、符号量は通常の手法よりも増大する可能性はあるものの、画質を向上させることができる。 In the embodiment, it has been described that the present invention is applied to the derivation of a motion vector when an interpolated frame is created at a change in the frame rate. However, the method of the present invention is also used to derive a motion vector at the time of video encoding. Can be applied. By using the motion vector derived by using the method of the present invention for moving picture coding, the amount of code may be increased as compared with a normal method, but the image quality can be improved.
10 フレームレート変換装置、 12 フレーム選択部、 14 動きベクトル導出部、 16 被補間フレーム作成部、 20 候補ベクトル生成部、 22 基準ベクトル生成部、 24 内積計算部、 26 動きベクトル選択部。 10 frame rate conversion device, 12 frame selection unit, 14 motion vector derivation unit, 16 interpolated frame creation unit, 20 candidate vector generation unit, 22 reference vector generation unit, 24 inner product calculation unit, 26 motion vector selection unit
Claims (4)
動きベクトルの計算対象である対象ブロックの動きベクトルの候補である複数の候補ベクトルを生成する候補ベクトル生成部と、
対象ブロックの周囲に位置する複数のブロックにおいて決定済みの動きベクトルを使用して、対象ブロックの動きベクトルを決定するための基準となる基準ベクトルを生成する基準ベクトル生成部と、
前記複数の候補ベクトルのそれぞれと前記基準ベクトルとの内積を計算する内積計算部と、
前記内積計算部によって計算された内積が最大となる候補ベクトルを前記対象ブロックの動きベクトルとして選択する動きベクトル選択部と、
を備えることを特徴とする動きベクトル導出装置。 An apparatus for deriving a motion vector between corresponding blocks in two temporally consecutive image frames,
A candidate vector generation unit that generates a plurality of candidate vectors that are motion vector candidates of a target block that is a motion vector calculation target;
A reference vector generation unit that generates a reference vector serving as a reference for determining a motion vector of the target block using motion vectors determined in a plurality of blocks located around the target block;
An inner product calculation unit for calculating an inner product of each of the plurality of candidate vectors and the reference vector;
A motion vector selection unit that selects a candidate vector having a maximum inner product calculated by the inner product calculation unit as a motion vector of the target block;
A motion vector deriving device comprising:
動きベクトルの計算対象である対象ブロックの動きベクトルの候補である複数の候補ベクトルを生成し、
対象ブロックの周囲に位置する複数のブロックにおいて決定済みの動きベクトルを使用して、対象ブロックの動きベクトルを決定するための基準となる基準ベクトルを生成し。
前記複数の候補ベクトルのそれぞれと前記基準ベクトルとの内積を計算し、
計算された内積が最大となる候補ベクトルを前記対象ブロックの動きベクトルとして選択する
ことを特徴とする動きベクトル導出方法。 A method of deriving a motion vector between corresponding blocks in two temporally consecutive image frames,
Generating a plurality of candidate vectors that are motion vector candidates of a target block that is a target of motion vector calculation;
A reference vector serving as a reference for determining a motion vector of the target block is generated using motion vectors determined in a plurality of blocks located around the target block.
Calculating an inner product of each of the plurality of candidate vectors and the reference vector;
A motion vector derivation method comprising: selecting a candidate vector having a maximum calculated inner product as a motion vector of the target block.
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