JP3089165B2 - 動きベクトル探索装置 - Google Patents

動きベクトル探索装置

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JP3089165B2 JP27670494A JP27670494A JP3089165B2 JP 3089165 B2 JP3089165 B2 JP 3089165B2 JP 27670494 A JP27670494 A JP 27670494A JP 27670494 A JP27670494 A JP 27670494A JP 3089165 B2 JP3089165 B2 JP 3089165B2
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孝之 小林
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  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル動画像の圧
縮における動き補償予測符号化装置に適用する動きベク
トル探索装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図12にはディジタル動画像のデータ量
を圧縮するために用いるフレーム間予測の概念が示さ
れ、同図(a)には、前符号化画像A(t=t0)から
(c)に示す現符号化画像C(t=t1)を予測してい
る。前符号化画像Aから現画像を直接予測するフレーム
間予測と、動きベクトルを用いた前符号化画像Aの平行
移動画像から現画像を予測する動き補償フレーム間予測
がある。この動き補償フレーム間予測では、同図(b)
に示すように、破線で示した位置の前符号化画像Aか
ら、実線で示した現符号化画像Cの位置を予測し動きベ
クトルMVを得て、この動きベクトルMVを用いて予測
を行い、(c)に示す現符号化画像Cを得ている。この
動き補償フレーム間予測を用いることによって、フレー
ム間予測のみに比べて一般にそのデータ量を大幅に圧縮
できる。
【0003】動画像を圧縮して符号化する国際標準方式
であるITU−T H.261のような動き補償予測符
号化装置では、図13のように入力される現画像Bを、
まずブロック状に分割し、各ブロックに対し前符号化画
像A中からの平行移動量を計算し、この移動量を動きベ
クトルMVとして符号化し、この動きベクトルMVで示
された位置にある前符号化画像Aのブロックと現画像B
のブロックとの差分を符号化することにより圧縮効率を
高めている。
【0004】さらに、国際標準方式であるISO/IE
C 11172−2と暫定標準方式ISO/IEC 1
3818−2(以下、MPEGと呼ぶ)では、上記方式
に加えて、図14に示すように、前符号化画像A(図1
3)の整数画素b0,0、b0,1、b1,0、b1,
1から1/2画素精度Hh,Hd,Hvを得てから1/
2画素精度の画像を生成し、これに対し動きベクトルM
Vを探索することにより、さらに予測精度を高めてい
る。
【0005】この動きベクトルMVを検出する手法に
は、多くの技術が存在するが、その中で最も一般的な方
法は、連続するフレーム間のある大きさの画素ブロック
毎の処理を基本としたものであり、ブロック・マッチン
グ法と呼ばれている。
【0006】ブロックマッチング法では、図13に示す
現画像Bにおける参照ブロック(現符号化ブロックB
P)は前符号化画像AのサーチウィンドウWに囲まれた
領域に含まれる同じ大きさの候補ブロック(予測ブロッ
クBB)との算術演算結果同士の算術的比較により探索
される。そのフレーム間の比較に使用する算術演算結果
は、ディストーションと呼ばれ、2つのブロックの類似
性の単位として使用される。最も小さいディストーショ
ン値を持つ候補ブロックBBは最良のマッチングを示す
ものであり、それを参照ブロックBPと関連づける動き
ベクトルMVとにより、動き予測を行う。探索するサー
チウィンドウW内に含まれる可能な全てのブロックが参
照ブロックBPと逐次比較されるとき、このプロセスは
全点探索法(フル・サーチ・ブロック・マッチング法)
と呼ばれる。
【0007】図15には、ブロック・マッチング法にお
けるブロックの関係が示されている。同図(a)は、探
索領域E(x;0〜K−M,y;0〜H−N)に対する
サーチウィンドウW(x;0〜K−1,y;0〜H−
1)と現符号化ブロックBP(水平サイズ;M,垂直サ
イズ;N)の関係が示され、同図(b)には、サーチウ
ィンドウW内の候補ブロックBBの画素の位置と現符号
化ブロックBPの画素の位置の関係が示されている。
【0008】図15では、(b)の現符号化ブロックB
Pの画素位置aと、(b)のサーチウィンドウ内に破
線で示す候補ブロックBBの画素位置bによるブロック
間累積誤差値であるディストーションD(k,h)は、
下記のように表される。
【0009】
【数1】 ただし、a,bはそれぞれBP,BB内の画素値であ
り、最初のΣはm=0からM−1までの加算を表し、次
のΣはn=0からN−1までの加算を表している。‖‖
は、ディストーションを演算するためのノルムを示して
おり、d(k,h)は局所ディストーションを示してい
る。このノルム演算の内、絶対値演算と2乗演算が最も
一般的に使用される。その中で誤差絶対値和は、その計
算の複雑さと効率の点で、良いトレードオフを提供する
から最も頻繁に用いられる。
【0010】全点探索法の場合、このディストーション
を探索領域E(x;0〜K−M,y;0〜H−N)の全
ての点で算出し、その中から一番小さい値を持つ点を動
きベクトルMVとする。
【0011】この全点探索法を使用する従来例として特
開平2−213291号公報がある。これは、従来例と
して、図16に示してある。この従来例では、探索領域
分の個数のプロセッサエレメントPEが必要となる。ま
た、プロセッサエレメントPEを時分割して使用するこ
とにより減らすことが可能であるが、処理速度の制約が
発生する。
【0012】図17は、図16で実行される動きベクト
ル探索におけるサーチエリアのデータと符号化ブロック
(テンプレート)の関係を示している。図中のa0,
0、a1,0、・・・はテンプレートTP内の整数画
素、b0,0、b1,0、・・・はサーチウィンドウW
内の整数画素を示す。ここで表記ax,yおよびbx,
yは、a(x,y)およびb(x,y)と同じものであ
る。この例ではテンプレートサイズが水平方向,垂直方
向とも2画素を、また探索範囲は水平方向,垂直方向と
も−1〜+1画素の整数画素精度を使用しているが、こ
れらのサイズは本質的に重要ではない。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】従来の全点探索法をシ
ストリックアレー構成で実現した場合、探索領域は各点
毎にプロセッサエレメントが必要となり、回路規模が大
きくなってしまう。
【0014】また、動き補償予測符号化時に誤った動き
ベクトルは、多くの符号量を発生してしまい圧縮効率が
大きく低下してしまう。一般に動画像では解像度が高く
なると動き補償範囲が広くなり、全点探索法では回路規
模がぼう大になり、実現が難しかった。この全点探索法
に対して、探索点を分散させて探索点を削減して演算量
を減らす試みが行われてきたが、従来構成の探索装置で
は並列処理をうまく行うことができなかった。このた
め、処理時間が長く必要であるという欠点があった。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる動きベク
トル探索装置は、前符号化画像と現画像との間の、差分
絶対値に基づくディストーションを演算するプロセッサ
エレメントとプロセッサエレメントの間にサーチウィン
ドウの画素値を記憶する中間レジスタを配置することに
より前記プロセッサエレメントを配置する数を前記サ−
チウィンドウ内の画素数より少なくしたしたものにおい
て、前記中間レジスタを、前記プロセッサエレメントの
位置に応じて不均等な個数に分配することで探索位置に
対応した個数に調整して配置するものである。
【0016】また、各位置におけるプロセッサエレメン
トを時分割で共有する共有手段を有するものである。
【0017】
【0018】
【作用】本発明においては、各プロセッサエレメントの
間に、不均等に中間レジスタを分配配置することで、サ
ーチエリアを広くしても、ハードウェア量の増加を抑
え、全点探索法に近い性能を達成することが可能となっ
た。
【0019】また、各プロセッサエレメントと中間レジ
スタを使用したシストリックアレー構造により、分散型
の探索においても並列処理が可能となった。
【0020】
【実施例】図1は、本発明の基本構成を示すブロック図
である。ここで、TIM,MVD,SR,PE,IR等
は図16に示されたものと同様の機能のものである。
【0021】図2は、基本構成でのサーチウィンドウW
のデータと符号化ブロック(テンプレートTP)の関係
を示している。本実施例では、テンプレートサイズが水
平方向、垂直方向とも2画素を、また、サーチウィンド
ウWは水平方向、垂直方向ともに6画素の探索を行って
いるが、本発明ではこれらのサイズは本質的に重要では
ない。
【0022】図1では、サーチエリアのデータはサーチ
ウィンドウデータ入力線S0,S1及びS2から入力さ
れ、またテンプレートデータは現符号化ブロック入力線
Rから入力される。MVは動きベクトルを表し、Min
Disは動きベクトルMVの最小ディストーションを示
す。
【0023】さらに、IRはサーチエリアのデータをス
キャン変換する入力レジスタで、Dフリップフロップに
より構成される。サーチエリアのデータを入力するとき
に正しい順番でプロセッサエレメントPEに送信される
ようにデータをそろえる。PEはディストーションを算
出する演算を行うプロセッサエレメントで、探索範囲の
各位置に応じたディストーションを求める。SRはサー
チエリアのデータが上下にスキャンするときの探索範囲
からあふれた部分を保持するためのサイドレジスタであ
り、IPは中間レジスタで、Dフリップフロップまたは
メモリにより構成され、サーチウィンドウWのデータを
保持する。TIMは全体のタイミングを制御し、動きベ
クトル検出部MVDは、図5の最小ディストーション検
出部と図6の動きベクトル算出部により構成される。M
VDは前記プロセッサエレメントPE部で求まった各動
きベクトル点でのディストーションの中から最小のもの
を見つけだしそのタイミングから動きベクトルを算出す
る。
【0024】ここで、入力レジスタIRはDフリップフ
ロップで構成される。また、本発明で使用される中間レ
ジスタIPはDフリップフロップまたはメモリで構成さ
れる。
【0025】図2は、本発明の基本構成におけるサーチ
ウィンドウと探索領域を示した図で、Wはサーチウィン
ドウ、TPはテンプレートであり、それぞれサーチウィ
ンドウWが水平方向6画素、垂直方向6画素で、探索領
域は水平方向5点中3点、垂直方向5点中3点の動きベ
クトル探索が可能となっている。また、テンプレートT
Pのサイズは水平方向、垂直方向ともに2画素である。
【0026】図3(a)は、図1の中間レジスタIPの
チップの端子配置を示し、(b)は図1の中間レジスタ
IPの詳細構成の一例を示したもので、セレクタSE
L,DフリップフロップDから構成される。
【0027】図3(b)の動作について説明すると、3
入力セレクタSELは、SU,SLがそれぞれ0,0の
時入力Aが選択され、1,0の時入力Bが選択され、
0,1/1,1の時入力Cが選択される。YLiは図1
(以下、上,下,左,右というときは図1においてであ
り、以下一々断らないが同様とする)において、右隣の
プロセッサエレメントPE、または中間レジスタIPま
たは入力レジスタIRからサーチウィンドウWの整数画
素データが入力される。
【0028】YDiは上隣のPEまたはIPまたはサイ
ドレジスタSRからサーチウィンドウWの整数画素デー
タが入力される。
【0029】YUiは下隣のPEまたはIPまたはサイ
ドレジスタSRからサーチウィンドウWの整数画素デー
タが入力される。
【0030】YLoは左隣のPEまたはIPへ整数画素
データを転送する。
【0031】YDoは下隣のPEまたはIPまたはSR
へ整数画素データを転送する。
【0032】YUoは上隣のPEまたはIPまたはSR
へ整数画素データを転送する。
【0033】図4(a)は図1のプロセッサエレメント
PEのチップの端子配置を示し、(b)は図1のプロセ
ッサエレメントPEの詳細構成を示したもので、セレク
タSEL1,SEL2,減算器SUB,絶対値算出器A
BS,加算器ADD,DフリップフロップD1〜D3か
ら構成される。
【0034】2入力セレクタSEL1は、Sが0の時入
力Aが選択され、1の時入力Bが選択される。
【0035】3入力セレクタSEL2は、SU,SLが
それぞれ0,0の時入力Aが選択され、1,0の時入力
Bが選択され、0,1/1,1の時入力Cが選択され
る。
【0036】DフリップフロップD2はCLにより0に
クリアされる。
【0037】Xは、符号化ブロックのデータが入力され
る。
【0038】YLiは、図1(以下、上、下、左、右と
いうときは図1においてであり、以下一々断らないが同
様とする)において右隣の中間レジスタIPまたは入力
レジスタIRからサーチウィンドウWの整数画素データ
が入力される。
【0039】YDiは、上隣のIPまたはSRからサー
チウィンドウの整数画素データが入力される。
【0040】YUiは、下隣のIPまたはSRからサー
チウィンドウの整数画素データが入力される。
【0041】YLoは、左隣のIPへ整数画素データを
転送する。
【0042】YDoは、下隣のIPまたはSRへ整数
データを転送する。
【0043】YUoは、上隣のIPまたはSRへ整数
データを転送する。
【0044】Diは、右隣のPEから求まったディスト
ーションが入力される。
【0045】Doは、左隣のPEへ求まったディストー
ションを転送する。
【0046】ここで、図1の9個のプロセッサエレメン
トPEのうち、中央のPEにおける動作を図4のプロセ
ッサエレメントの構成図を用いて説明する。まず、図8
のタイムチャートに示されているように、初期化(Init
ialize)が行われ、各プロセッサエレメントPEおよび
サイドレジスタSRにサーチウィンドウWのデータが転
送される。
【0047】次に、入力データのタイミングを示す図8
の期間(a)の時、図7(a)に示されているように、
図1の中央のプロセッサエレメントPEにおけるディス
トーションが画素成分の絶対値|b2,2 −a0,0 |とし
て算出される。同時に図8の期間(b),(c),
(d)のときはそれぞれ、|b2,2 −a0,0 |+|b2,
3 −a0,1 |,|b2,2 −a0,0 |+|b2,3 −a0,1
|+|b3,3 −a1,1 |,|b2,2 −a0,0 |+|b2,
3 −a0,1 |+|b3,3 −a1,1 |+|b3,2 −a1,0
|となる。
【0048】さらに、この求められたディストーション
はLD=1によりDフリップフロップに転送される。こ
の求められたディストーションは各プロセッサエレメン
トPEのDフリップフロップ中をスキャンしながら、図
5と図6の最小ディストーション検出部DETと動きベ
クトル算出部CALから構成される動きベクトル検出部
MVDに転送される。
【0049】図5は、動きベクトル検出部MVD中の最
小ディストーション検出部DETの詳細を示したもの
で、SELは3入力レジスタで、入力Sにより入力D0
〜D2が選択される。CMPは比較器で、入力Aと入力
Bとの大きさを比較し、入力Aが小さい場合に出力が真
となり、セレクタSELから入力Aが出力される。
【0050】図6は動きベクトル検出部MVD中の動き
ベクトル算出部CALを示す。CTh,CTvはカウン
タでそれぞれ水平方向、垂直方向のカウンタを行う。最
小ディストーション検出部DETからの最小値の検出に
よりそのカウンタ値をDフリップフロップDに保持し、
動きベクトルの座標とする。動きベクトル算出部CAL
は最小ディストーション検出部DETからの最小値の検
出タイミングのカウンタ値を動きベクトルとして変換す
る機能を持つ。また、本実施例では、動きベクトルは図
2のサーチウィンドウのb0,0をMVx=0,MVy
=0と置いている。例えば、b1,1をMVx=0,M
Vy=0と基準をとれば、図9で求まった動きベクトル
はMVx=1,MVy=1となる。上記の動きベクトル
の基準は本発明では重要ではなくテーブルの参照等で行
うことが可能である。
【0051】図7は、図1のPE、SR、IR部の動作
を図示したもので、9個のうちの中央のPE部のディス
トーションの算出の過程を示したものである。図8は、
このときの各信号のタイムチャートを示したものであ
る。
【0052】ここで、図7,図8を参照して図1の基本
構成の動作を説明する。
【0053】まず、初期化動作として各プロセッサエレ
メントPE及び中間レジスタIP,サイドレジスタSR
にサーチウィンドウWのデータを配置する。これは、図
7で示すように、サーチウィンドウデータの入力線S
0,S1,S2に同様な動作でデータを入力させること
により、データを配置することが可能である。また、別
の手段によってもよい。例えば、これらのレジスタに対
し別の初期化用データバスを使用しダウンロードを行っ
てもよい。
【0054】まず、サイクル(a)で、各プロセッサエ
レメントPEでテンプレートデータa(0,0)に対す
る差分絶対値を算出する。また、このとき、入力線S
0,S1,S2より、それぞれデータb(5,0),b
(5,2),b(5,4)が入力される。
【0055】次に、サイクル(b)で各レジスタ中のデ
ータが上方向にシフトされ、各プロセッサエレメントP
Eでは、テンプレートデータa(0,1)に対する差分
絶対値を算出し、サイクル(a)で求まった差分絶対値
に加算される。またこのとき、入力線S0,S1,S2
より、それぞれデータb(5,1),b(5,3),b
(5,5)が入力される。
【0056】次に、サイクル(c)で各レジスタ中のデ
ータが左方向にシフトされ、各プロセッサエレメントP
Eでは、テンプレートデータa(1,1)に対する差分
絶対値を算出し、サイクル(b)で求まった差分絶対値
に加算される。またこのとき、S0,S1,S2より、
それぞれデータb(6,1),b(6,3),b(6,
5)が入力される。次に、サイクル(d)で各レジスタ
中のデータが下方向にシフトされ、各プロセッサエレメ
ントPEでは、テンプレートデータa(1,0)に対す
る差分絶対値を算出し、サイクル(c)で求まった差分
絶対値に加算される。またこのとき、b1,b2,b3
より、それぞれデータb(6,0),b(6,2),b
(6,4)が入力される。以上の動作により、各プロセ
ッサエレメントPE毎にその位置におけるディストーシ
ョンが求まる。
【0057】次に、図4のセレクタSEL1が端子Bを
選択し、これらのディストーションがDフリップフロッ
プD3に転送される。そして、このディストーションが
次々に動きベクトル検出部MVDに送られ、これらのデ
ィストーションの内、最小のものを検出し、そのときの
動きベクトル検出部MVD中にある、動きベクトル算出
部CALにより求まる。
【0058】図9は、動きベクトル検出における各信号
のタイムチャートを示したものである。その動作は、ま
ず、Dフリップフロップは最大値(例えば全ビットを
“1”)にセットされる。そして各プロセッサエレメン
PEから入力されるディストーションは、図9の期間
(e),(f),(g)においてセレクタSELにより
各ディストーションの水平位置、垂直位置を整列させて
比較器CMPに入力させる。比較器CMPではDフリッ
プフロップのデータと順次比較が行われ、セレクタから
入力されるディストーションがDフリップフロップのデ
ータより小さい時、最小値検出タイミングMin=1を
出力し、その値をDフリップフロップにストアさせる。
全てのディストーションが入力されると、Dフリップフ
ロップには最小ディストーションがストアされる。
【0059】基本構成では、テンプレートTPのサイズ
が水平方向2画素、垂直方向2画素で、サーチウィンド
ウWが水平方向6画素、垂直方向6画素のものである
が、これらのサイズは、重要ではなく自由に設定するこ
とが可能である。また、中間レジスタIPは、プロセッ
サエレメントPE間に1個ずつ配置したが、これらの配
置個数も自由に置くことが可能である。
【0060】本実施例では、中間レジスタIPを不均等
に分配配置する。この実施例を図10,図11示す。重
要なことは、サーチウィンドウWのサイズに見合うだ
け、プロセッサエレメントPEと中間レジスタIPを配
置すればよいだけである。図10,図11の実施例で
は、動きベクトル0,0を中心に配置し、その近傍では
プロセッサエレメントPEを密に配置し、中心から離れ
るに従ってPEの密度を減らしている。これにより細か
な動きに対して感度が高くなり、より高精度の探索が可
能となる。
【0061】本発明では、サイドレジスタSRは上下に
配置したが、従来例である特開平2−213291号公
報のように片側だけ配置することも可能である。また、
上記公報記載のようにプロセッサエレメントPEを時分
割使用することも可能である。
【0062】また、上記実施例では、整数画素探索のみ
のものとしたが、特願平6−223014号記載のよう
に、整数画素と1/2画素同時探索が可能なプロセッサ
エレメントPEを、図1のPEの代わりに配置すれば同
時探索が可能となる。
【0063】
【発明の効果】本発明は、前符号化画像と現画像との間
の、差分絶対値に基づくディストーションを演算するプ
ロセッサエレメントPEとプロセッサエレメントの間に
サーチウィンドウ画素値を記憶する中間レジスタIPを
配置することにより前記プロセッサエレメントを配置す
る数を前記サ−チウィンドウ内の画素数より少なくした
動きベクトル探索装置において、前記中間レジスタを、
前記プロセッサエレメントの位置に応じて不均等な個数
に分配することで探索位置に対応した個数に調整して配
置するようにしたので高精度の探索が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示すブロック図である。
【図2】図1の基本構成におけるテンプレートとサーチ
ウィンドウの関係を示したものである。
【図3】図1の基本構成における中間レジスタIPの一
例の詳細を示すブロック図である。
【図4】図1の基本構成のプロッセッサエレメントPE
の詳細を示すブロック図である。
【図5】図1の動きベクトル検出部MVD中の最小ディ
ストーション検出部DETの詳細を示すブロック図であ
る。
【図6】図1の動きベクトル検出部MVD中の動きベク
トル算出部CALの詳細を示すブロック図である。
【図7】図1の基本構成における各PE,IR,IP,
SR中のデータと中心部のPEにおけるディストーショ
ン算出過程を示したものである。
【図8】図1の基本構成におけるTIM部から発生する
タイミング信号の入力波形とそのときの入力データのタ
イミングを示したものである。
【図9】図1の基本構成におけるTIM部から発生する
タイミング信号の入力波形とそのときの最小ディストー
ションの検出と動きベクトルの算出のタイミングを示し
たものである。
【図10】本発明の他の実施例の構成を示すブロック図
である。
【図11】本発明のさらに他の実施例の構成を示すブロ
ック図である。
【図12】フレーム予測符号化の原理図を示したもので
ある。
【図13】動き補償フレーム予測符号化の符号化ブロッ
クとサーチウィンドウの関係を示した図である。
【図14】探索領域内の整数画素と1/2画素との関係
を示す図である。
【図15】サーチウィンドウと現符号化ブロックとのデ
ィストーションの算出方法を説明するための図である。
【図16】従来例の動きベクトル探索装置の構成例を示
すブロック図である。
【図17】従来例におけるテンプレートとサーチウィン
ドウの関係を示したものである。
【符号の説明】
MVD 動きベクトル検出部 TIM タイミング制御部 PE プロセッサエレメント IR 入力レジスタ SR サイドレジスタ IP 中間レジスタ R 現符号化ブロック(テンプレート)データ入力線 S0 サーチウィンドウデータの入力線 S1 サーチウィンドウデータの入力線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 豊 東京都渋谷区代々木4丁目36番19号 株 式会社グラフィックス・コミュニケーシ ョン・ラボラトリーズ内 (56)参考文献 特開 平6−334980(JP,A) 特開 平1−295379(JP,A) 特開 平4−294469(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 7/24 - 7/68 G06T 7/20

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 前符号化画像と現画像との間の、差分絶
    対値に基づくディストーションを演算するプロセッサエ
    レメントとプロセッサエレメントの間にサーチウィンド
    ウの画素値を記憶する中間レジスタを配置することによ
    り前記プロセッサエレメントを配置する数を前記サ−チ
    ウィンドウ内の画素数より少なくした動きベクトル探索
    装置において、前記中間レジスタを、前記プロセッサエ
    レメントの位置に応じて不均等な個数に分配することで
    探索位置に対応した個数に調整して配置することを特徴
    とする動きベクトル探索装置。
  2. 【請求項2】 請求項1の動きベクトル探索装置におい
    て、各位置におけるプロセッサエレメントを時分割で共
    有する共有手段を有することを特徴とする動きベクトル
    探索装置。
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