JP2014150467A - 動き推定装置及び動き推定プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】予測対象フレームF(0)内の予測対象ブロックB0に対し、過去方向フレームF(−)内又は未来方向フレームF(+)内の探索領域内で、B0に最近似の参照ブロックRBを探索するブロック探索手段26、B0に対しF(−),F(+)内の探索中心SCを設定する探索中心設定手段24、及びF(−),F(+)内のSCの周りに探索領域SRの設定を行う探索領域設定手段25を備え、探索領域設定手段25は、F(0)がPフレームの場合、B0に対し、相対的大サイズのSR.L又は相対的小サイズのSR.Sを設定し、かつ、隣接する2つのB0間で、SR.LとSR.Sとの割り当てを逐次切り替え、探索中心設定手段24は、SR.Sの割当フレームに対しMVPで特定される位置をSCに設定する。
【選択図】図7
Description
本発明に係る動き推定装置では、本発明者が新たに開発した交互非対称探索範囲割当(alternating asymmetric SR assignment:AASRA)スキームを適用する。AASRAは、双方向MEのためのAASRA(AASRA−B)、片方向MEのためのAASRA(AASRA−P)、及びAASRA−BとAASRA−Pの組み合わせであるAASRA(AASRA−PB)の3つのスキームを含んでいる。最初に、これらのスキームの基本的な原理について説明する。
双方向予測フレーム(Bフレーム)では、過去方向及び未来方向の双方向からの参照を用いて動き推定が行われる。統計的には、図1に示したように、2つの最近接の参照フレーム(1つ過去側及び1つ未来側のフレーム)が、符号化効率にとって最も重要である。実際、近年開示された高スループット・ビデオ・エンコーダにおける実装(非特許文献7,8)では、計算複雑性を減少させメモリ帯域幅を妥当な範囲に維持するため、これら最近接の参照フレームのみが探索されている。一方向のみを探索する片方向予測フレーム(Pフレーム)に比べ、Bフレームは2倍の数(二方向)の参照フレームを探索するため、それぞれの方向の参照フレームの重要性はPフレームに比べて低いものとなる。そこで、AASRA−Bでは、Bフレームの一つの参照方向に対しては「弱いME(weaker ME)」を適用することによって、全体の計算量を減少させる。
第一に、それぞれの画素ブロックに於いて、MEの複雑性が安定する。これは、最悪条件性能を確保するために重要である。SR.LとSR.Sのサイズ比が十分に大きい場合、両方向にSR.Lを割り当てた場合(従来の全探索ME)に対する複雑性の低減率はおよそ50%である。また、これにより、BフレームとPフレームとの間の符号化複雑度の変分が減少する。これは、リアルタイム・システムに於いて、Pフレームの符号化におけるハードウェア利用効率の改善に繋がる。
AASRA−Bは、双方向MEに対する手法であるが、同様の交互SR割当の考え方が、参照方向が片方向しかないPフレームに対しても適用することができる。片方向MEのためのAASRA(AASRA−P)は、フレーム内の先頭の画素ブロックの探索領域に対してSR.Lを割り当てることから開始して、予測対象ブロックが隣接する画素ブロックに移る毎に、探索領域のSR.Sへの交代、SR.Lへの復帰、・・・が交互に繰り返される。図3に、AASRA−Pにおける探索領域の割り当て方法を示す。これは、AASRA−B(図1)における片方向側の動作と同じである。各画素ブロックのME計算複雑性は割り当てられた探索領域のサイズとともに周期的に変化するが、互いに隣接する2つの画素ブロックのペア(以下「ブロックペア」という。)に対する計算複雑性は安定している。
AASRA−BとAASRA−Pは、(参照方向,画素ブロックのインデックス)の2次元空間において、SR.LとSR.Sとの切り換えを行うことを特徴とするが、双方向MEに対しては、さらに計算複雑度を低減させるために、AASRA−BとAASRA−Pの2つのスキームを結合させることができる。
本発明に係る動き推定装置の第1の構成は、時間順に並ぶ複数のフレームで構成された動画像において、前記フレームのうち動きベクトルの予測を行うフレームを予測対象フレームF(0)とするとき、該予測対象フレームF(0)内を区画して設定される画素ブロックの各々を、順次、動きベクトルの予測を行う予測対象ブロックとし、該予測対象ブロックに対する動きベクトルの推定を行う動き推定装置であって、
前記予測対象フレームF(0)内の前記予測対象ブロックに対して、前記予測対象フレームF(0)に対し過去方向のフレームF(−)内の所定の探索領域内又は未来方向のフレームF(+)内の所定の探索領域内で、前記予測対象ブロックに最も近似する参照ブロックを探索するブロック探索手段と、
前記予測対象ブロックに対し、前記ブロック探索手段が前記フレームF(−),F(+)内で探索を行う際の探索中心を設定する探索中心設定手段と、
前記予測対象ブロックに対し、前記フレームF(−),F(+)内の前記探索中心の周りに前記探索領域の設定を行う探索領域設定手段と、を備え、
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が片方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックB(n)に対し、前記フレームF(−)に、相対的にサイズの大きい探索領域SR.L又は相対的にサイズの小さい探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、隣接する2つの前記予測対象ブロックの間で、前記探索領域SR.Lと前記探索領域SR.Sとの割り当てを逐次切り替えることを特徴とする。
さらに前記探索領域設定手段は、隣接する2つの予測対象ブロックの間で、前記探索領域SR.L,SR.Sの前記フレームF(−),F(+)への割り当てを逐次切り替えることを特徴とする。
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックペア内の前記各予測対象ブロックのうちの何れか一方の予測対象ブロックに対しては、前記フレームF(−),F(+)の両方に前記探索領域SR.Sを設定し、
他方の予測対象ブロックに対しては、前記フレームF(−),F(+)の一方に前記探索領域SR.L、他方に前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、前記予測対象ブロックペア内で前記探索領域SR.Lが割り当てられる前記予測対象ブロックの(偶奇性,探索方向)の組み合わせが、連続する4つの前記予測対象ブロックペアの間ですべて異なるものとなるように、前記探索領域SR.S,SR.Lの割り当てを逐次切り替えるものであることを特徴とする。
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックグループペア内の前記各予測対象ブロックグループのうちの何れか一方の予測対象ブロックグループに対しては、前記フレームF(−),F(+)の両方に前記探索領域SR.Sを設定し、
他方の予測対象ブロックグループに対しては、前記フレームF(−),F(+)の一方に前記探索領域SR.L、他方に前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、前記予測対象ブロックグループペア内で前記探索領域SR.Lが割り当てられる前記予測対象ブロックグループの(偶奇性,探索方向)の組み合わせが、連続する4つの前記予測対象ブロックグループペアの間ですべて異なるものとなるように、前記探索領域SR.S,SR.Lの割り当てを逐次切り替えるものであることを特徴とする。
図6は、本発明の実施例1に係る動き推定装置を使用するビデオ・エンコーダを示す図である。図6においては、ビデオ・エンコーダの一例として、通常のMPEG−4エンコーダを挙げているが、本発明に係る動き推定装置の適用範囲はこれに限られるものではない。また、本実施例におけるビデオ・エンコーダ及び動き推定装置は、マイコンや再構成可能論理デバイス(Reconfigurable Logic Device)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などを用いてハードウェア的に構成してもよいが、コンピュータ・プログラムとして構成して記録媒体に記録しておき、該記録媒体の該コンピュータ・プログラムをコンピュータに読み込ませて実行することにより本実施例におけるビデオ・エンコーダ及び動き推定装置を実現するようにしてもよい。
図7は、本発明の実施例1に係る動き推定装置の構成を示すブロック図である。図1における動き推定装置8に相当する部分である。動き推定装置8は、フレームメモリ21、動きベクトル記憶部22、動きベクトル予測値(MVP)演算部23、探索中心設定部24、探索領域設定部25、及びブロック探索部26を備えている。この動き推定装置8が、予測対象フレームF(0)内を区画して設定される画素ブロックの各々を、順次、動きベクトルの予測を行う予測対象ブロックとし、該予測対象ブロックに対する動きベクトルの推定を行う。
一方、予測対象フレームF(0)がBフレームの場合、探索領域設定部25は、予測対象ブロックに対し、参照フレームF(−),F(+)の何れか一方に、探索領域SR.Lを設定し、他方に、探索領域SR.Sを設定する。この際、隣接する2つの予測対象ブロックの間で、探索領域SR.L,SR.SのフレームF(−),F(+)への割り当てを逐次切り替える。
次に、本実施例の動き推定装置8について、以下その動作を説明する。図8は、本実施例の動き推定装置8の全体動作(動き推定処理)を表すフローチャートである。
次に、本発明の効果を検証するために、本実施例の動き推定装置8を、ハードウェア・アーキテクチャに適用した場合における複雑性がどの程度であるかの評価について述べる。処理要素(PE:Processing Element)とメモリとで編成されるハードウェア・アーキテクチャにおいては、複雑性は、単純に探索点数に比例するとは限らない。そこで、本発明のハードウェア・アーキテクチャにおける複雑性の低減効果を分析・検証するため、一例として、スネーク走査(snake scan)ベースのアーキテクチャ(非特許文献21)を用いて分析を行う。
B:下方向シフト,N+1ピクセルのフェッチ
C:左方向シフト,ピクセルのフェッチなし
D:上方向シフト,Nピクセルのフェッチ
E:上方向シフト,N+1ピクセルのフェッチ
図11は、全探索MEを用いた動き推定装置及び本実施例の動き推定装置を用いたビデオ・エンコーダにおいて、SRのサイズを変化させた場合の符号化ビットレートの変化を示す図である。比較のための全探索MEのソフトウェアとしては、JM(非特許文献19)及びHM(非特許文献20)を使用した。JMはIBBBP(Iフレーム,Bフレーム×3,Pフレーム)のフレーム構造によって構成される。HMはGOP(Group of Picture)サイズが8の階層的B構造によって構成される。JM及びHMに関しては、1個及び2個の参照フレームが、それぞれPフレーム及びBフレームに使用されている。また、量子化パラメータQP=32である。
本実施例では、Bフレーム(双方向予測フレーム)に対してAASRA−PBスキームに基づき探索領域(SR)の割り当てを行う例について説明する。尚、動き推定装置8のブロック構成は、図7と同様であるとする。
次に、本発明の効果を検証するために、本実施例の動き推定装置8を、ハードウェア・アーキテクチャに適用した場合における複雑性がどの程度であるかの評価について述べる。実施例1と同様、スネーク走査法を適用した場合について、AASRA−PBスキームにおける各画素ブロックペア当たりの必要な処理サイクル数は、TSR.L+3TSR.Sである。一方、探索領域のサイズをSR.Lに固定した全探索MEにおける各画素ブロックペア当たりの必要な処理サイクル数は4TSR.Lである。従って、AASRA−PBを適用した場合の処理時間短縮率Δcは、次式(3)のようになる。
本実施例では、全探索ME以外の公知のMEアーキテクチャに対して、本発明に係る動き推定技術を組み合わせた例について説明する。本発明に係る動き推定技術は、既存の各種アルゴリズム又は各種アーキテクチャに適用することができ、更なる複雑性の低減を図ることが可能となる。本実施例では、本発明に係る動き推定技術をMB並列データ再利用スキーム(MB-parallel data reuse scheme:IMNPDR)(非特許文献18)に組み合わせた例について説明する。
図14は、本発明の実施例3に係る動き推定装置の構成を示すブロック図である。動き推定装置8は、フレームメモリ21、動きベクトル記憶部22、探索中心(SC)演算部23、探索中心設定部24、探索領域設定部25、及びブロック探索部26を備えている。尚、フレームメモリ21、動きベクトル記憶部22に関しては、図7の対応する構成部分と同様である。
図15において、ステップS101〜S102及びS111〜S112は、図8の対応するステップにおける処理と同様であるので、説明は省略する。
2 イントラ符号化部
3 インター符号化部
4 逆量子化器
5 逆DCT演算器
6 加算器
7 デブロッキング・フィルタ
8 動き推定装置
9 動き補償器
10 DCT演算器
11 量子化器
12 エントロピー符号化器
13 加算器
14 DCT演算器
15 量子化器
16 エントロピー符号化器
21 フレームメモリ
22 動きベクトル記憶部
23 動きベクトル予測値(MVP)演算部
24 探索中心設定部
25 探索領域設定部
26 ブロック探索部
30 探索中心(SC)演算部
Claims (7)
- 時間順に並ぶ複数のフレームで構成された動画像において、前記フレームのうち動きベクトルの予測を行うフレームを予測対象フレームF(0)とするとき、該予測対象フレームF(0)内を区画して設定される画素ブロックの各々を、順次、動きベクトルの予測を行う予測対象ブロックとし、該予測対象ブロックに対する動きベクトルの推定を行う動き推定装置であって、
前記予測対象フレームF(0)内の前記予測対象ブロックに対して、前記予測対象フレームF(0)に対し過去方向のフレームF(−)内の所定の探索領域内又は未来方向のフレームF(+)内の所定の探索領域内で、前記予測対象ブロックに最も近似する参照ブロックを探索するブロック探索手段と、
前記予測対象ブロックに対し、前記ブロック探索手段が前記フレームF(−),F(+)内で探索を行う際の探索中心を設定する探索中心設定手段と、
前記予測対象ブロックに対し、前記フレームF(−),F(+)内の前記探索中心の周りに前記探索領域の設定を行う探索領域設定手段と、を備え、
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が片方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックに対し、前記フレームF(−)に、相対的にサイズの大きい探索領域SR.L又は相対的にサイズの小さい探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、隣接する2つの前記予測対象ブロックの間で、前記探索領域SR.Lと前記探索領域SR.Sとの割り当てを逐次切り替えるものであり、
前記探索中心設定手段は、少なくとも前記探索領域設定手段により前記探索領域SR.Sが割り当てられる前記フレームに対しては、前記予測対象フレームF(0)内で先に動きベクトルが予測された画素ブロックにおける動きベクトルから算出される動きベクトル予測値によって特定される位置を、前記探索中心として設定することを特徴とする動き推定装置。 - 前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックに対し、前記フレームF(−),F(+)の何れか一方に、前記探索領域SR.Lを設定し、他方に、前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、隣接する2つの予測対象ブロックの間で、前記探索領域SR.L,SR.Sの前記フレームF(−),F(+)への割り当てを逐次切り替えることを特徴とする請求項1記載の動き推定装置。 - 前記予測対象フレームF(0)内の前記画素ブロックを、奇数番目の画素ブロックとそれに隣接する偶数番目の画素ブロックとのペアであるブロックペアの単位に分割し、前記予測対象ブロックを含む前記ブロックペアを予測対象ブロックペアとするとき、
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックペア内の前記各予測対象ブロックのうちの何れか一方の予測対象ブロックに対しては、前記フレームF(−),F(+)の両方に前記探索領域SR.Sを設定し、
他方の予測対象ブロックに対しては、前記フレームF(−),F(+)の一方に前記探索領域SR.L、他方に前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、前記予測対象ブロックペア内で前記探索領域SR.Lが割り当てられる前記予測対象ブロックの(偶奇性,探索方向)の組み合わせが、連続する4つの前記予測対象ブロックペアの間ですべて異なるものとなるように、前記探索領域SR.S,SR.Lの割り当てを逐次切り替えるものであることを特徴とする請求項1記載の動き推定装置。 - 連続するp個(pは2以上の整数)の画素ブロックを1組のブロックグループとし、前記予測対象ブロックを含む前記ブロック集合を予測対象ブロックグループとするとき、
前記探索領域設定手段は、隣接する2つの前記予測対象ブロックグループの間で、前記探索領域SR.Lと前記探索領域SR.Sとの割り当てを逐次切り替えるものであり、
前記探索中心設定手段は、少なくとも前記探索領域設定手段により前記探索領域SR.Sが割り当てられる前記フレームに対しては、前記予測対象ブロックグループ毎に同一の前記探索中心とするとともに、前記予測対象フレームF(0)内で前記予測対象ブロックグループに隣接し且つ前記予測対象ブロックグループよりも先に動きベクトルが予測された画素ブロックにおける動きベクトルから算出される動きベクトル予測値によって特定される位置を、前記探索中心として設定することを特徴とする請求項1記載の動き推定装置。 - 前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックに対し、前記フレームF(−),F(+)の何れか一方に、前記探索領域SR.Lを設定し、他方に、前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、隣接する2つの前記予測対象ブロックグループの間で、前記探索領域SR.L,SR.Sの前記フレームF(−),F(+)への割り当てを逐次切り替えることを特徴とする請求項4記載の動き推定装置。 - 前記予測対象フレームF(0)内の前記画素ブロックグループを、奇数番目の画素ブロックグループとそれに隣接する偶数番目の画素ブロックグループとのペアであるブロックグループペアの単位に分割し、前記予測対象ブロックグループを含む前記ブロックグループペアを予測対象ブロックグループペアとするとき、
前記探索領域設定手段は、前記予測対象フレームF(0)が双方向予測フレームの場合、前記予測対象ブロックグループペア内の前記各予測対象ブロックグループのうちの何れか一方の予測対象ブロックグループに対しては、前記フレームF(−),F(+)の両方に前記探索領域SR.Sを設定し、
他方の予測対象ブロックグループに対しては、前記フレームF(−),F(+)の一方に前記探索領域SR.L、他方に前記探索領域SR.Sを設定するものであり、
さらに前記探索領域設定手段は、前記予測対象ブロックグループペア内で前記探索領域SR.Lが割り当てられる前記予測対象ブロックグループの(偶奇性,探索方向)の組み合わせが、連続する4つの前記予測対象ブロックグループペアの間ですべて異なるものとなるように、前記探索領域SR.S,SR.Lの割り当てを逐次切り替えるものであることを特徴とする請求項4記載の動き推定装置。 - コンピュータに読み込ませて実行させることにより、当該コンピュータを、請求項1乃至6の何れか一の動き推定装置として機能させることを特徴とする動き推定プログラム。
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