JP2825571B2 - Image motion parameter estimation method and apparatus - Google Patents
Image motion parameter estimation method and apparatusInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は画像の高能率符号化を行なうための画像の拡
大・縮小と平行移動パラメータの推定方法および装置に
関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for estimating an image enlargement / reduction and a translation parameter for performing high-efficiency encoding of an image.
（従来の技術） 従来、２つの画像フレームに対してブロックマッチン
グ法などを適用して得られたブロック単位の動きベクト
ルを用いて、拡大あるいは縮小のパラメータ（ズームパ
ラメータ）と水平および垂直方向への平行移動パラメー
タ（パンパラメータ）を推定する手法として、収束計算
が用いられていた。(Prior Art) Conventionally, using a block-unit motion vector obtained by applying a block matching method or the like to two image frames, an enlargement or reduction parameter (zoom parameter) and a horizontal or vertical A convergence calculation has been used as a technique for estimating a translation parameter (pan parameter).
即ち、画像の中心を座標の原点とし、画像中の任意の
ブロックにおける動きベクトルＶi,jを水平および垂直
方向の成分に分解すると次式で表わされる。ただし、ブ
ロックの中心の座標を（i,j）とする。That is, when the center of the image is set as the origin of the coordinates, and the motion vector Vi , j in an arbitrary block in the image is decomposed into horizontal and vertical components, the following expression is obtained. Here, the coordinates of the center of the block are (i, j).
Ｖi,j＝（vi,vj）Ｔ （T:行列の転置） ……（１） 水平および垂直方向のパンを表すパラメータをそれぞ
れPh,Pvとする。また、ズームを表すパラメータをｚと
する。理想的には vi＝iz＋Ph ……（２） vj＝jz＋Pv ……（３） となる。画像の動き補償予測法の代表的手法であるブロ
ックマッチング法により得られた、ブロック（i,j）の
動きベクトルをＷi,jとする。V i, j = (v i , v j ) T (T: transpose of matrix) (1) Let P h and P v be parameters representing pan in the horizontal and vertical directions, respectively. Also, a parameter representing zoom is represented by z. Ideally, v i = i z + P h (2) v j = j z + P v (3) A motion vector of a block (i, j) obtained by a block matching method, which is a typical method of the motion compensation prediction method of an image, is defined as Wi, j .
Ｗi,j＝（wi,wj）Ｔ ……（４） このように従来は、画面内の各ブロックにおいてＷ
i,jとＶi,jの誤差を最小にするように収束計算が行われ
ていた。W i, j = (w i , w j ) T (4) As described above, conventionally, in each block in the screen, W
Convergence calculations have been performed to minimize the error between i, j and V i, j .
（発明が解決しようとする課題） 上述したように収束計算による方法であると、計算の
反復回数に依存して処理時間がかかるばかりでなく、推
定結果の信頼性も確実でないという問題点があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, the method based on the convergence calculation not only requires processing time depending on the number of iterations of the calculation, but also has a problem that the reliability of the estimation result is not reliable. Was.
（発明の目的） 本発明の画像の動きパラメータ推定方法は、２つのデ
ジタル画像フレーム間のブロック単位の局所的な動きベ
クトルから、画像全体の拡大あるいは縮小と、水平およ
び垂直方向への平行移動を表現する動きパラメータを推
定する際に、ブロックの座標値によって要素の値が決定
される行列に対する逆行列の要素を、画面中のブロック
の水平、垂直に対する対称性を用いて計算するととも
に、各ブロックの行列の要素と局所的な動きベクトルと
の積和演算を行って、その積和演算結果を加算し、前記
逆行列の要素と前記各ブロックの積和演算結果の総和と
の積和演算により、画像全体の拡大・縮小と平行移動を
表現する動きパラメータの推定値を計算することを特徴
とする。(Object of the Invention) A method for estimating a motion parameter of an image according to the present invention uses a block-based local motion vector between two digital image frames to enlarge or reduce the entire image and to translate horizontally and vertically. When estimating the motion parameters to be represented, calculate the inverse matrix elements for the matrix whose element values are determined by the coordinate values of the blocks using the horizontal and vertical symmetries of the blocks on the screen, and The product-sum operation of the elements of the matrix and the local motion vector is performed, the result of the product-sum operation is added, and the product-sum operation of the elements of the inverse matrix and the sum of the product-sum operation results of the blocks is performed. And calculating an estimated value of a motion parameter expressing enlargement / reduction and translation of the entire image.
また、本発明の画像の動きパラメータ推定装置は、２
つのデジタル画像フレーム間のブロック単位の局所的な
動きベクトルを格納する手段と、ブロックの座標値によ
って要素の値が決定される行列に対する逆行列の要素
を、画面中のブロックの水平、垂直に対する対称性を用
いて計算した結果を格納する手段と、各ブロックの行列
の要素と局所的な動きベクトルとの積和演算を行い、そ
の積和演算結果を加算する手段と、前記逆行列の要素と
前記各ブロックの積和演算結果の総和との積和演算を行
い、その演算結果を、画像全体の拡大・縮小と平行移動
を表現する動きパラメータの推定値とする手段を備える
ことを特徴とする。Further, the image motion parameter estimating apparatus according to the present invention includes:
Means for storing a local motion vector in block units between two digital image frames, and inverting the elements of a matrix whose element value is determined by the coordinate values of the block to the horizontal and vertical of the block on the screen. Means for storing a result calculated using the property, a means for performing a product-sum operation of a matrix element of each block and a local motion vector, and a means for adding the result of the product-sum operation, and an element of the inverse matrix. Means for performing a product-sum operation with the sum of the product-sum operation results of the respective blocks, and using the operation result as an estimated value of a motion parameter expressing enlargement / reduction and translation of the entire image. .
（作 用） 本発明は画像の変化を表すパン，ズームパラメータの
線形モデル化と、最小２乗推定を行ない、積和演算のみ
でパラメータが得られ、従来に比べて演算量が少なく
て、効率のよい画像の予測符号化を行なうことができ
る。(Operation) The present invention performs linear modeling of pan and zoom parameters representing changes in an image, and performs least-squares estimation. Parameters can be obtained only by multiply-accumulate operations. Predictive coding of a good image can be performed.
以下に、本発明による画像の拡大・縮小と平行移動パ
ラメータの推定アルゴリズムを説明する。まず、平均２
乗誤差規範に基づく推定評価関数を設定し、この評価関
数を最小化するz,Ph,Pvの組を求める。まず、前記式
（２），（３）を行列形式に書くと となる。ブロックサイズをｂ×b,画面内のブロックの個
数を（2g＋１）×（2h＋１）とすれば評価関数Ｊは、 となる。式（８）を展開して、Ｐで偏微分すれば となる。画面内に配置されたブロックが水平、垂直方向
で原点に関して対称であるから、次式が成り立つ。Hereinafter, an algorithm for estimating the enlargement / reduction of the image and the translation parameter according to the present invention will be described. First, average 2
An estimation evaluation function based on the squared error criterion is set, and a set of z, P h , and P v that minimizes the evaluation function is obtained. First, the above equations (2) and (3) are written in matrix form. Becomes If the block size is b × b and the number of blocks in the screen is (2g + 1) × (2h + 1), the evaluation function J becomes Becomes By expanding equation (8) and performing partial differentiation with P, Becomes Since the blocks arranged in the screen are symmetric with respect to the origin in the horizontal and vertical directions, the following equation is established.
ここに、 式（10）より逆行列は容易に求められ、式（９）より、
Ｐの推定値は となる。したがって、行列内の要素であるスカラの積和
演算だけでパラメータを推定することができる。 here, The inverse matrix is easily obtained from equation (10), and from equation (9),
The estimate of P is Becomes Therefore, parameters can be estimated only by the product-sum operation of the scalar, which is an element in the matrix.
（実施例） 第１図はブロック単位の動きベクトルの一例図を示
し、ブロック個数ｇ＝2,h＝１の場合である。また、第
２図は本発明の一実施例に係る画像の動きパラメータ推
定装置である。(Embodiment) FIG. 1 shows an example of a motion vector in a block unit, in which the number of blocks g = 2 and h = 1. FIG. 2 shows an image motion parameter estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.
第２図において、１は水平方向ブロックアドレスデー
タ（ｅ）、２は垂直方向ブロックアドレスデータ
（ｆ）、３は行列Ｍ計算回路、４は動きベクトル指定回
路、５は動きベクトルメモリ、６は全ブロックの動きベ
クトル、７は指定ブロックの行列Ｍの要素、８は指定ブ
ロックの動きベクトル、９は積和演算回路とレジスタ、
10は該積和演算回路からの加算結果、11は逆行列要素メ
モリ、12は該メモリからの逆行列の対角要素、13は積和
演算回路、14は推定パラメータ出力である。In FIG. 2, 1 is horizontal block address data (e), 2 is vertical block address data (f), 3 is a matrix M calculation circuit, 4 is a motion vector designating circuit, 5 is a motion vector memory, and 6 is all A block motion vector, 7 is an element of a matrix M of a specified block, 8 is a motion vector of a specified block, 9 is a product-sum operation circuit and a register,
10 is an addition result from the product-sum operation circuit, 11 is an inverse matrix element memory, 12 is a diagonal element of the inverse matrix from the memory, 13 is a product-sum operation circuit, and 14 is an estimated parameter output.
次に動作を説明すると、水平方向ブロックアドレスデ
ータ（ｅ）１、垂直方向ブロックアドレスデータ（ｆ）
２の値は行列Ｍ計算回路３に入力され、式（６）の行列
Ｍの要素が計算される。この回路からは指定ブロックの
行列Ｍの要素７が出力される。The operation will now be described. The horizontal block address data (e) 1 and the vertical block address data (f)
The value of 2 is input to the matrix M calculation circuit 3, and the elements of the matrix M in equation (6) are calculated. This circuit outputs the element 7 of the matrix M of the designated block.
これと同時に、水平方向ブロックアドレスデータ
（ｅ）１、垂直方向ブロックアドレスデータ（ｆ）２の
値は動きベクトル指定回路４に入力される。この動きベ
クトル指定回路４では、動きベクトルメモリ５から供給
される全ブロックの動きベクトル６のうち、指定ブロッ
クの動きベクトル８のみが出力される。At the same time, the values of the horizontal block address data (e) 1 and the vertical block address data (f) 2 are input to the motion vector designating circuit 4. The motion vector designating circuit 4 outputs only the motion vector 8 of the designated block among the motion vectors 6 of all the blocks supplied from the motion vector memory 5.
指定ブロックの行列Ｍの要素７と指定ブロックの動き
ベクトル８は、積和演算回路とレジスタ９に入力され、
指定されたブロックアドレスに対する積和演算結果（式
（９）右辺）がストアされる。ブロックアドレスが更新
されるにつれて次々と積和結果が加算されてレジスタに
ストアされる。一画面全体について処理が終われば、加
算結果10が出力される。The element 7 of the matrix M of the specified block and the motion vector 8 of the specified block are input to the product-sum operation circuit and the register 9,
The product-sum operation result (the right side of equation (9)) for the designated block address is stored. As the block address is updated, the product-sum results are successively added and stored in the register. When the processing is completed for one entire screen, the addition result 10 is output.
一方、逆行列要素メモリ11には式（10）の逆行列の演
算結果を事前に蓄えておく。ここで逆行列の要素はブロ
ック分割形式に依存し、動きベクトルに依存しないの
で、オフラインで求めておくことができる。本実施例の
ブロック分割では対角要素のみが存在するので、逆行列
要素メモリ11からは逆行列の対角要素12が出力される。On the other hand, the inverse matrix element memory 11 stores in advance the result of the inverse matrix of equation (10). Here, since the elements of the inverse matrix depend on the block division format and not on the motion vector, they can be obtained off-line. Since only the diagonal elements are present in the block division of this embodiment, the inverse matrix element memory 11 outputs the diagonal elements 12 of the inverse matrix.
式（９）右辺の加算結果10と逆行列の対角要素12は積
和演算回路13に入力され、行列演算が実行される。即
ち、式（14）が実行され、その結果、推定パラメータ14
が出力される。The addition result 10 on the right side of the equation (9) and the diagonal element 12 of the inverse matrix are input to the product-sum operation circuit 13, and the matrix operation is performed. That is, equation (14) is executed, and as a result, the estimated parameter 14
Is output.
以上の実施例では一画面分の動きベクトルをパン，ズ
ームパラメータで表現する際に、単純な平均２乗誤差を
規範とした。これは水平方向の動きベクトルのずれと垂
直方向の動きベクトルのずれを画素単位に等しく評価し
たことに相当する。このデジタル化された画像は、単位
長さあたりの水平、垂直の画素数比は1:1とは限らな
い。したがって式（８）に重みをかけて評価するために
式（６）の行列を と変化させることもできる。ここで、ｒは画素数比に依
存する重みである。In the above-described embodiment, when a motion vector for one screen is expressed by pan and zoom parameters, a simple mean square error is used as a reference. This is equivalent to evaluating the displacement of the horizontal motion vector and the displacement of the vertical motion vector equally in pixel units. In this digitized image, the ratio of the number of horizontal and vertical pixels per unit length is not always 1: 1. Therefore, in order to evaluate by weighting equation (8), the matrix of equation (6) is Can also be changed. Here, r is a weight depending on the pixel number ratio.
またここでは全画面がカメラのパン，ズームにより一
様に変化している場合を述べたが、画像の一部にパン，
ズーム以外の動きがある場合にも、セグメンテーション
により特別な動きをするブロックを分離して、残りのブ
ロックについて本方法を適用すればよい。また、ブロッ
ク分割は原点を含むブロックが存在するように設定した
が、ブロック境界が原点を通るような分割を行なっても
全く問題がないことは明かである。Also, the case where the entire screen is uniformly changed by panning and zooming of the camera is described here.
Even when there is a movement other than the zoom, it is sufficient to separate a block performing a special movement by segmentation and apply the present method to the remaining blocks. Although the block division is set so that a block including the origin exists, it is apparent that there is no problem even if the division is performed such that the block boundary passes through the origin.
（発明の効果） 以上説明したように本発明は、画像の変化を表すパ
ン，ズームパラメータの線形モデル化と最小２乗推定を
行ない、積和演算のみでパラメータが得られるため、従
来技術に比べて少ない演算量でブロック単位の動きベク
トルから、パン，ズームパラメータを推定することがで
きる。つまり、パン，ズームパラメータが得られれば、
片方の画像を変形することにより、他方の画像の予測画
像を生成することができ、効率のよい画像の予測符号化
を行なうことができる。(Effects of the Invention) As described above, the present invention performs linear modeling and least-squares estimation of pan and zoom parameters representing changes in an image, and obtains parameters only by a product-sum operation. The pan and zoom parameters can be estimated from the motion vector in block units with a small amount of calculation. In other words, if the pan and zoom parameters are obtained,
By deforming one image, a predicted image of the other image can be generated, and efficient predictive encoding of the image can be performed.
第１図は本発明の実施例を説明するためのブロック単位
の動きベクトルの一例を示す図、第２図は本発明の一実
施例に係る画像の動きパラメータ推定装置である。 １……水平方向ブロックアドレス（ｅ）、２……垂直方
向ブロックアドレス（ｆ）、３……行列Ｍ計算回路、４
……動きベクトル指定回路、５……動きベクトルメモ
リ、６……全ブロックの動きベクトル、７……指定ブロ
ックの行列Ｍの要素、８……指定ブロックの動きベクト
ル、９……積和演算回路とレジスタ、10……加算結果、
11……逆行列要素メモリ、12……逆行列要素、13……積
和演算回路、14……推定パラメータ。FIG. 1 is a diagram showing an example of a motion vector in block units for explaining an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an apparatus for estimating a motion parameter of an image according to an embodiment of the present invention. 1 horizontal block address (e), 2 vertical block address (f), 3 matrix M calculation circuit, 4
…… Motion vector designating circuit, 5… Motion vector memory, 6… Motion vectors of all blocks, 7… Elements of matrix M of designated block, 8… Motion vectors of designated block, 9… Product sum operation circuit And the register, 10 …… the addition result,
11: inverse matrix element memory, 12: inverse matrix element, 13: product-sum operation circuit, 14: estimation parameter.
Claims (3)
単位の局所的な動きベクトルから、画像全体の拡大ある
いは縮小と、水平および垂直方向への平行移動を表現す
る動きパラメータを推定する画像の動きパラメータ推定
方法であって、 ブロックの座標値によって要素の値が決定される行列に
対する逆行列の要素を、画面中のブロックの水平、垂直
に対する対称性を用いて計算し、 各ブロックの行列の要素と局所的な動きベクトルとの積
和演算を行い、その積和演算結果を加算し、 前記逆行列の要素と前記各ブロックの積和演算結果の総
和との積和演算を行い、その演算結果を、画像全体の拡
大・縮小と平行移動を表現する動きパラメータの推定値
とすることを特徴とする画像の動きパラメータ推定方
法。A motion parameter of an image for estimating a motion parameter expressing an enlargement or reduction of the entire image and a horizontal and vertical translation from a local motion vector in block units between two digital image frames. In the estimation method, the elements of the inverse matrix for the matrix whose element values are determined by the coordinate values of the blocks are calculated using the horizontal and vertical symmetries of the blocks on the screen, and the matrix elements of each block and Performs a product-sum operation with a local motion vector, adds the result of the product-sum operation, performs a product-sum operation on the elements of the inverse matrix and the sum of the product-sum operation results of the blocks, and calculates the operation result. A motion parameter estimating method for expressing an enlarging / reducing and parallel movement of the entire image as an estimated value of a motion parameter.
方法において、前記計算された逆行列の要素を新たに蓄
えることを特徴とする画像の動きパラメータ推定方法。2. An image motion parameter estimation method according to claim 1, wherein said calculated inverse matrix element is newly stored.
単位の局所的な動きベクトルから、画像全体の拡大ある
いは縮小と、水平および垂直方向への平行移動を表現す
る動きパラメータを推定する画像の動きパラメータ推定
装置であって、 ２つのデジタル画像フレーム間のブロック単位の局所的
な動きベクトルを格納する手段と、 ブロックの座標値によって要素の値が決定される行列に
対する逆行列の要素を、画面中のブロックの水平、垂直
に対する対称性を用いて計算した結果を格納する手段
と、 各ブロックの行列の要素と局所的な動きベクトルとの積
和演算を行い、その積和演算結果を加算する手段と、 前記逆行列の要素と前記各ブロックの積和演算結果の総
和との積和演算を行い、その演算結果を、画像全体の拡
大・縮小と平行移動を表現する動きパラメータの推定値
とする手段と、 を備えることを特徴とする画像の動きパラメータ推定装
置。3. A motion parameter of an image for estimating a motion parameter representing an enlargement or reduction of the entire image and a horizontal and vertical translation from a local motion vector in block units between two digital image frames. An estimating device, comprising: means for storing a local motion vector in block units between two digital image frames; and an inverse matrix element for a matrix whose element value is determined by the coordinate values of the block, Means for storing a result calculated using the symmetry of the block with respect to horizontal and vertical, means for performing a product-sum operation of a matrix element of each block and a local motion vector, and adding the result of the product-sum operation Performs a product-sum operation of the elements of the inverse matrix and the sum of the product-sum operation results of the blocks, and enlarges / reduces and parallel-translates the operation result. Means for estimating a motion parameter representing a motion parameter.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP32973489A JP2825571B2 (en) | 1989-12-21 | 1989-12-21 | Image motion parameter estimation method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP32973489A JP2825571B2 (en) | 1989-12-21 | 1989-12-21 | Image motion parameter estimation method and apparatus |
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| JPH03191688A JPH03191688A (en) | 1991-08-21 |
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- 1989-12-21 JP JP32973489A patent/JP2825571B2/en not_active Expired - Lifetime
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