JP3266501B2 - 画像フレームの細分化方法とその装置 - Google Patents
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Description
ョンビデオ(動画)信号処理に関し、特にビデオ信号を
フォアグラウンド(前景)とバックグラウンド(背景)
とに細分化し、より効率的なビデオ符号化を行うシステ
ムと方法に関する。
レームを表す一連のビット情報であるデジタル信号によ
り表される。各フレームを表示するのに必要な情報ビッ
ト数が増えるにつれて、信号を処理するのに必要なハー
ドウェアのコストと複雑さが増し、同時に信号を処理
し、蓄積し、伝送するのに必要な時間も増加する。
メージ(画像)を表すデジタル信号が、通信チャネルを
介して符号化された形態で伝送できるようにするプロセ
ス、あるいはCD−ROMのような媒体に、符号化し、
画像に必要とされるデータよりもより少ないデータビッ
トでもって記憶するプロセスである。デジタルビデオ信
号の蓄積と伝送は、多くのアプリケーションにおいて
は、中心的な役割を果たすので、そしてまた蓄積あるい
は伝送のいずれかにおいてより大きなビットレートを必
要とするようなビデオ信号は、より多くの処理時間およ
びより多くの処理装置を必要とするので、デジタルビデ
オ信号のビットレートを減少する技術は、このような進
んだ技術分野においては必要不可欠なものである。
必要とされる全情報量を減少するため(その結果、シー
ケンスを再生するのに必要な時間と装置のコストを減少
するために)、フレームはより関連性のある部分(関連
部分)と、あまり関連性のない部分(非関連部分)とに
分けられる。関連部分に関するデータは、非関連部分に
関するデータよりもより頻繁におよび/またはより高い
解像度でもって伝送される。その結果、全てのデータが
より高いレートでもって伝送される場合よりも、より少
ない情報を転送するだけでよい。これによりビデオ用の
信号は、全てのデータが伝送される場合よりも、より狭
いバンド幅でもって伝送するできる。
分化)技術には3種類あり、その1つはモーションベー
ス(動きをベースにしたセグメンティション)で、これ
は、(S. Peleg & H. Rom, "Motion-Based Segmentatio
n", Proc. IEEE Int'l Conf.Computer Vision and Patt
ern Recognition 109-113 (1990)) を参照のこと、第
2のものは、強度ベースのセグメンティションで、これ
は、(R. Haralick and L. Shapiro, "Image Segmentat
ion Techniques," 2 Computer Graphics, Vision, and
Image Processing 100-32 (1985))を参照のこと、そし
て第3のものは、不均衡ベースのセグメンティション
で、これは、(M. Waldowiski, "A New Segmentation A
lgorithm for Videophone Applications based on Ster
eo Image Pair," 39 IEEE Tran. Communication 1856-6
8 (1981))を参照のこと。この動きベースのアプローチ
は、フレーム内の対象物を類似の速度でもって細分化し
てしまう。そしてこのアプローチは、前景の動きと背景
の動きの両方を含むようなシーンではうまくゆかず、そ
のためあまり関連性のない背景も関連性のあるものとし
て処理してしまう。次の強度ベースのアプローチは、強
度のコントラストと空間位置に基づいて画像を細分化す
る。このアプローチは、込み入った対象物に対しては、
うまくゆかず、その理由は、単一の対象物を誤って複数
の対象物に細分化してしまうからである。最後の不平衡
ベースのアプローチは、対象物を細分化するために立体
イメージの間の不平衡を測定している。この立体イメー
ジの間の点対応が不平衡を測定するのに必要であるが、
しかしこのアプローチは複雑で誤りを犯し易い。したが
って以上述べたセグメンティション(細分化)技術はい
ずれも完全には満足できるものではない。
背景よりもより重要な情報を含んでいる。したがって前
景に対応する情報は、背景の情報よりもより高い解像度
あるいはより頻繁に伝送するのが好ましい。各ビデオフ
レームは、複数の画素(即ちピクセルあるいはペル)か
ら構成されている。イメージ(画像)焦点(あるいは逆
の言い方では、イメージの非焦点)は、ペルあるいはペ
ルのブロックのようなフレームの一部に対する画像のシ
ャープさ(鋭さ)の尺度である。このイメージ焦点は、
鋭いエッジのような高い周波数を有する成分から容易に
測定できる。エッジのぼやけが少ないと焦点は、より合
っていることになる。したがって焦点のあっているフレ
ームの一部は、あまりぼやけていないエッジを見つけだ
すことにより決定できる。焦点のあったエッジが前景の
アウトラインを形成すると仮定すると、フレームは前景
(合焦点部分)と背景(焦点の合っていない即ち非合焦
点部分)に分けることができる。かくして前景は、より
関連性のある部分(関連部分)として、背景はあまり関
連性のない部分(非関連部分)として処理することがで
きる。そして前景のみを高い解像度、あるいはより頻繁
に伝送しあるいは符号化しそれによりビットレートを節
約できる。
的は、動画信号を処理する際に、ビデオ信号をより関連
性のある前景とあまり関連性のない背景に分割細分化す
るシステムと方法を提供することである。
レームの一部の焦点尺度に基づいてフレームを細分化す
る方法と装置を提供できる。信号が元のフレームに対応
して得られる。この元のフレームは、複数のブロックか
らなりそして各ブロックは、イメージの属性を有してい
る。各ブロックのこのイメージ属性は、他のブロックの
イメージ属性と比較される。各ブロックにはイメージ属
性の比較に基づいた焦点尺度が割り当てられる。この各
ブロックの焦点尺度は、その後しきい値(規準)の焦点
尺度と比較される。しきい値以上の焦点尺度を有するブ
ロックは、合焦点として指定され、しきい値以下の焦点
尺度を有するブロックは、非合焦点として指定される。
その後細分化されたフレームが、元のフレームと合焦点
あるいは非合焦点としての指定に基づいて生成される。
モーションベースのイメージ細分化を本発明の焦点ベー
スの細分化と共に用いて、合成された動き/焦点ベース
の細分化フレームを提供することもできる。
る出力信号を生成するために元のフレームに対応するデ
ジタル信号を処理するよう動作する処理手段にも組み込
むことができる。本発明の装置は、処理システムあるい
はファームウェアベースあるいはハードウェアベースで
も実現可能である。
ェアでも実現できる。本発明によるソフトウェアの一実
施例では、記憶媒体に蓄積される複数の処理システムイ
ンストラクションを有する。好ましい蓄積媒体は、磁気
媒体,光学媒体,半導体媒体あるいはそれらの適宜の組
み合わせである。本発明による処理システムインストラ
クションは、処理システムにより読みだし可能で、本発
明の技術を用いて元のフレームに対応する信号を細分化
する処理システムを制御するよう動作する。
号がビデオソース10(例えばビデオカメラあるいはレ
ーザディスクプレーヤー)で一連のn個の画像用に生成
される。このアナログ信号Pn は、ビデオソース10か
らプレプロセッサ20に伝送される。このプレプロセッ
サ20は、A/Dコンバータを有し、そこでアナログ信
号は、デジタル信号(元のフレーム信号)に変換され、
一連のn個のフレームを表す。必要によってはこのデジ
タル信号は、さらにプレプロセッサ20によりこの信号
が通信チャネルを介して伝送されるか、あるいはCD−
ROMのようなデジタル媒体に記憶されるかに応じて、
必要な適切な解像度を有するデジタル信号にさらに変換
される。
画素(即ちペルあるいはピクセル)であるf(x,y)
のマトリックスを有する。各フレームは、1フレーム当
たりのペルの数あるいはブロックのサイズに応じて可変
の数のブロックに分割される。現在の所好ましいものと
しては、各ブロックはペルの4×4のマトリックスを含
む。当然のことながら、このブロックは異なる数のペル
あるいは構成を含むことも可能である。特に各ブロック
は、1個のペルを含む。そして各ペルは、輝度ペルYと
2つのクロミナンスペルCb ,Cr を含む。このビデオ
信号がデジタル形式の場合には、ブロックの各属性即ち
各成分は、数値によって表示される。複数のブロックが
比較されるべきものは、対応するブロック成分即ちブロ
ック属性の値である。
タ(プロセッサ)を含むプレフィルタ30は、プレプロ
セッサ20に接続され、プレプロセッサ20からの元の
フレーム信号を入力信号として受信する。このプレフィ
ルタ30は、本発明によりフレーム信号を前景と背景に
細分化して、この細分化されたフレームに対応する出力
信号(細分化フレーム信号)を生成する。この細分化フ
レーム信号は、エンコーダ40(H.261あるいはM
PEGエンコーダ)に送信され、このエンコーダ40
は、細分化されたフレーム用の信号を圧縮ビデオビット
ストリームに変換する。その後エンコーダ40により生
成されたこの圧縮ビデオ信号は、蓄積媒体50(CD−
ROM)に蓄積されるかあるいはISDNリンクを介し
て送信される。
タ41は、イメージの各部分が動く程度を決定する。別
の構成としては、この動きディテクタ41は別個の装置
として構成することもでき、あるいはプレフィルタ30
に含めることもできる。図12に関し、さらに詳述する
ようにこの動きディテクタ41により生成された動き情
報は、細分化されたフレーム信号をさらに微細化する際
に用いられるようにプレフィルタ30に送信される。図
1に示すようにエンコーダ40は、個別の装置として形
成されている。しかし、通常このエンコーダ40とデコ
ーダ(図示せず)は、一体となってコーデックと称す
る。
用いて圧縮信号を生成する。この圧縮技術は、例えばC
CITT((Consultative Committee on Internationa
l Telegraphy and Telephony)Recommendation H.261,
Draft Revised Recommendation H.261-Video Codec for
Audiovisual Services at px64 kbit/s, Study Group
XV-Report R95 (May 1992), and the ISO/IEC MPEG sta
ndard.)である。CCITTによる勧告H.261は、
px64kbit/秒の伝送レートにおけるオーディオ
ビジュアルサービスの符号化標準である。これはまたI
SDNネットワークを介したビデオホーン,テレビ会
議,他のオーディオビジュアル伝送の分野でも適応でき
る。(ESO-IEC JTC1SC2/WG11MPEG CD-11172 Committee
Draft, 1991) に記載されたMPEG1標準は、(ISO-
IEC JTC1/SC29/WG11/602 CommitteeDraft, 1993)に記
載されたMPEG2の一部として含まれる。このMPE
G標準は、高品質デジタルビデオ蓄積とブロードバンド
ネットワークを介した高品質デジタルビデオ伝送用であ
る。
MPEGコーデックのいずれにも現在の所使用可能であ
る。しかし、H.261標準,MPEGアルゴリズムの
関連特徴を共有するような他のビデオ符号化アルゴリズ
ムを用いたコーデックにも適応可能である。
ステム100は、パソコンとして示されている。このモ
ーションビデオ符号化システム100は、カメラ109
に接続され、フロッピディスクドライブ102とハード
ディスクドライブ103の両方を有するハードウェアケ
ース101とモニタ104とキーボード105とを有す
る。このモニタ104とキーボード105は、それぞれ
他の従来の出力装置および入力装置により置換可能であ
る。
ディスクから読みだし、あるいはそれへの書き込みが可
能である。ハードディスクドライブ103は、高速のア
クセスが可能な蓄積および取り出しの機能を提供でき
る。フロッピディスクドライブ102は、他の適当な装
置例えばテープ,コンパクトディスク,電話システム,
ビデオホーン等の送受信装置で置換可能あるいはそれら
と組み合わせて利用できる。別の実施例としては、図1
のビデオ処理ボード31のような回路基板もこのモーシ
ョンビデオ符号化システム100に含めることができ
る。
デオ符号化システム100に接続されたカメラ109を
含むこともできる。別の実施例としては、入力ビデオフ
レームは、フロッピディスクあるいはコンパクトディス
クのような別個の蓄積装置を介して受信することもでき
る。この実施例における重要な側面は、データおよび/
またはインストラクションの収集と細分化は必ずしも同
時に起こる必要はない点である。
装置(RAM)107に接続されたCPU106を有す
る。このメモリ蓄積装置107は、DRAMおよび/ま
たはSRAMのようなRAMあるいはROMあるいは他
の従来のメモリ蓄積装置のいずれでもよい。図2におい
てモーションビデオ符号化システム100は、1個のC
PU106と1個のハードディスクドライブ103と1
個のメモリ蓄積装置107を有するよう図示されている
が、それらの構成要素は、適宜単数個あるいは複数個の
いずれでもよい。
に、特に利点を有するが本発明はそれに限定されるもの
ではなく、他の信号圧縮を利用するシステム、例えばL
AN,WANのようなシステムネットワークの処理と、
テレビ電話のような電話システムあるいはテレビ伝送シ
ステム,衛星放送システム,移動無線システム,放送シ
ステム,情報蓄積/取り出しシステム等にも適応できる
ものである。
例を示しているが、本発明により細分化を実行する従来
の処理手段を有する従来の処理手段,カメラ,ビデオホ
ーン,電話機,テレビ受信機,高級計算機,ハンドヘル
ドコンピュータ,ラップトップ/ノートブック型コンピ
ュータ,ミニコン,メインフレーム,スーパーコンピュ
ータ(RISC並列処理アーキテクチャーを含む)を含
むどのような処理システムにおいても実行され、同時に
また前述の装置を組み合わせた処理システムネットワー
クでも実現できる。従来の処理システムアーキテクチャ
ーは、(William Stallings, Computer Organization a
nd Architecture (MacMillan Publishing Co., 3rd ed.
1993))に開示されている。
いはハードウェアでも実現可能である。また本発明の実
施例は、プログラマブルアレイロジック,プログラマブ
ル論理アレイ,デジタル信号プロセッサ等のプログラマ
ブル論理装置も含むことができる。本発明の他の実施例
としては、またフィールドプログラマブルゲートアレ
イ,ASICsも含むことができる。
ングシステムは、本発明を用いてフレーム信号を細分化
するようプログラムされている。このマイクロプロセッ
シングシステムにおいては、CPU106は、データバ
ス203を介してメモリ蓄積装置107に接続されてい
る。このメモリ蓄積装置107は、CPU106がイン
ストラクションを取り出しそれを実行するよう動作する
プロセッシングシステムインストラクションを蓄積す
る。このCPU106は、制御ユニット200と論理演
算ユニット201とローカルメモリ202とを有する。
このローカルメモリ202は、例えばスタック可能なキ
ャッシュあるいは複数のレジスタからなる。制御ユニッ
ト200は、メモリ蓄積装置107からプロセッシング
システムインストラクションを取り出すよう動作する。
論理演算ユニット201は、これらのインストラクショ
ンを実行するのに必要なブール代数を含む複数の動作を
実行する。ローカルメモリ202は、一次的な計算結果
および制御情報を蓄積するために用いられるローカル高
速蓄積媒体を構成する。
用いてフレーム信号を細分化するために用いられる元の
フレーム内の各ブロックの焦点を測定する。カムコーダ
ー(camcoder)のような単眼システムにおける対象物ま
での距離を決定するためにビデオフレームの一部の焦点
の測定(深さの関数である)を用いることは公知であ
る。これに関しては、(A. Pentland, "A New Sense of
Depth of Field," IEEETrans. Pattern Analysis and
Machine Intelligence, Vol. 9, No. 4, pp. 523-531,
Jul 1993)あるいは(M. Subbarao and G. Surya, "Dep
th from Defocus: A Spatial Domain Approuch," Techn
ical Report No. 92.12.03, Computer Vision Laborato
ry, Electrical EngineeringDepartment, SUNY, Stony
Brook, NY)あるいは(C. Swain, M. Bishay, A. Peter
s, and K. Kawamura, "Accuracy Improvement of Depth
from Defocus using Fuzzy Logic," Technical Repor
t No. CIS-94-02, Center for Intelligent Systems, V
anderbilt University, Nashville, TN 37235, May 199
4)を参照のこと。
簡単なレンズモデル300を表す図において、次式のレ
ンズの法則数1によれば、
で、vはレンズと焦点面との間の距離である。対象物ポ
イント303のイメージ面Iは、焦点面I′からずれて
いるので対象物ポイント303は、焦点に合っていな
い。イメージ面上では対象物ポイント303は、ぼやけ
た円301として表われこれをぼやけた円と称する。こ
のぼやけた円のサイズ2rは、そして合焦点量(amount
of focus)は、対象物ポイント303の深さuの関数
として式(2)で表すことができる。
間の距離で、fはレンズ302の焦点距離で、sはレン
ズ302とIとの間の距離で、rはぼやけた円301の
半径で、Dはレンズ302の直径である。
数(point spread function (PSF))h(x,y)
の合焦点イメージの畳み込み関数で表すことができる。
理想的にはこのPSFは、単位ボリューム(ユニットボ
リューム),ピルボックス(pillbox) の円筒上環状対
象関数である。このピルボックス内では、明るさは、次
式で表されるよう均一である。
は、均一ではないが境界に向かって徐々に減衰する。そ
してPSFは、2次元ガウス関数によって決定される。
σは、ぼやけた円rに比例して次式で表される。
ームは1である。実験的に次式が証明されている。
円の半径r(即ち非合焦点尺度σ)の関数として書くこ
とができる。
は、シャープで明確に区別できる。したがって、焦点の
合った端部におけるσの値は低くなる。同様に端部に近
いブロックのイメージ属性は、大きく変化するので焦点
の合った端部における焦点の傾斜もまた大きくなる。ぼ
やけた端部においては、端部にまたがるイメージの属性
の変化は、なだらかでその傾斜もまた小さい。
は、各ブロックの焦点尺度に基づいて前景と背景に細分
化される。特に焦点のあった端部が検出される。この端
部は、フレームの前景部分のボーダー(境界)と見なさ
れる。このアウトライン(外郭線)が焦点の合った端部
から形成される。このアウトラインと元のフレーム信号
に関する情報を含む信号が生成され、エンコーダに送信
され、そこで前景は、より関連性のある部分として処理
され、背景は、あまり関連性のない部分として処理され
る。
ブロック50で得られる。各ブロックの焦点は、公知の
方法によりブロック51で測定され、それにより焦点傾
斜(focus gradient)を生成する。この元のフレーム信
号は、ブロック52で平滑化される。別法としてブロッ
ク52で成された平滑化処理は、焦点が測定される前に
実行することも可能である、あるいは細分化プロセスの
他の時点で行うことも可能である、がまた全く行わなく
てもよい。しきい値(規準)の焦点値がブロック53で
決定される。各ブロックのこの焦点値は、ブロック54
でしきい値である焦点値と比較され、焦点のあったブロ
ックと焦点の合ってないブロックとを区別する。焦点し
きい値以上の焦点値を有するブロックは、合焦点ブロッ
クとされ焦点しきい値以下の焦点値を有するブロック
は、非合焦点ブロックと指定される。前景は、この合焦
点ブロックに基づいてブロック55で決定される。細分
化されたフレーム信号は、前景に基づいてブロック56
で生成される。
実行される初期の平滑化操作を表すブロック図である。
元のフレームは、複数のブロックに分割されここでは好
ましくは、ペルの4×4のマトリックスからなるブロッ
クにブロック61で分割される。各ペルは、ブロックが
オーバラップするように2以上のブロックに割り当てら
れる。各ペルの輝度成分とブロック62で組み合わせ
る。この組み合わされた輝度値は、ブロック内のペルの
1つの位置に割り当てられる。このプロセスは、各ペル
が組み合わされた輝度値に割り当てられるまで、各ブロ
ックに対して行われこれにより平滑なフレーム信号が形
成される。
ック51で測定される。各ブロックの焦点尺度は、端部
の強度から従来の方法により決定される。これに関して
は、(E. Krotov, "Focusing," 1 Intl J. Comp. Visio
n 223-37 (1987)) あるいは、(W. Pratt, Digital Im
age Processing 491-508 (Wiley & Sons 2d ed.1991))
を参照のこと。現在の好ましい方法としては、Sobel ed
ge 検出が用いられている。
隣接するブロック間のイメージ強度属性の変化、即ち不
連続性により得ることができる。特にイメージ属性の傾
斜が計算される。傾斜中のスパイク即ち高い値が、端部
を指定する。端部が前景(合焦点部分)を背景(非合焦
点部分)から区別するので、イメージ属性の傾斜は、焦
点の傾斜即ち焦点傾斜である。現在の所好ましい方法あ
るいは装置としては、ブロックの輝度成分中の変化、即
ち不連続性に基づいて端部を検出している。当然のこと
ながら他のイメージ属性の変化即ち不連続性も用いて端
部を検出することが可能である。
ムf(x,y)にまたがるあるラインに沿った焦点傾斜
は、次式で定義できる。
ーム信号で、θは水平軸に沿ったラインの角度である。
この焦点傾斜は、行と列に分けることができ、そして行
の傾斜は次式で定義できる。
端部傾斜演算子を用いて次式となる。
傾斜で、Gc(x,y)は列傾斜である。この行傾斜Gr
は次式で定義できる。
トにまたがる輝度焦点傾斜G(x,y)は、ペルの輝度
値とインパルス応答アレイとを次式に示すように畳み込
み演算処理することにより得られる。
輝度マトリックスで、H(x,y)は、インパルス応答
アレイである。これを列と行に分解すると次式となる。
の差異,Roberts インパルス応答アレイ,Prewitt イン
パルス応答アレイ,Frei-Chen インパルス応答アレイを
含むポイント拡散関数(point spread function) と共
に用いられるよう選択することができる。ソベルインパ
ルス応答アレイを用いるのが好ましい。このソベルイン
パルス応答アレイは、次式で表される。行傾斜
には焦点傾斜G(x,y)は、ソベル傾斜S(x,y)
でもって表すことができる。各ペルにおけるソベル傾斜
の値が決定され、ソベル傾斜の焦点尺度のX×Yマトリ
ックスが決定される。端部傾斜生成演算子の性能を上げ
るために、特に高いノイズ環境においては、近傍を3×
3のマトリックスからより大きなマトリックスに広げる
こともできる。
うな端部検出技術を用いると、端部の検出に際しエラー
を発生することがある。小さい強度の合焦点端部と高い
強度の非合焦点端部とは、類似の焦点尺度を与えること
がある。しかし、この非合焦点端部は、次に述べるより
低い非合焦点尺度を有する。これらの結果は、焦点尺度
を修正することにより改善することができる。合焦点端
部と非合焦点端部との間の際だった特徴は、端部の幅で
ある。合焦点端部は、非合焦点端部よりもより急峻な強
度傾斜とより狭い幅を有する。この焦点尺度は、次式の
ように修正することができる。
ームf(x,y)上のソベル端部検出の大きさで、w
は、フレームf(x,y)内の端部の幅である。端部の
幅は、垂直方向と水平方向のエッジ内のペルの数をカウ
ントすることにより計算される。水平方向の幅と垂直方
向の幅のメディアンが決定される。平均幅は、この垂直
方向の幅のメディアンと水平方向の幅のメディアンから
計算される。この平均値を端部の幅として用いる。端部
の幅が増加するにつれて(非合焦点程度を意味する)焦
点尺度d(x,y)は減少する。したがって、高い値を
有する端部が必ずしも合焦点端部とは決定されない。端
部が広い場合には、その端部はより低い焦点尺度を有す
る。そして端部が狭い場合には、より高い焦点尺度を有
するからである。
値に基づいて各ブロックに割り当てられる。焦点傾斜に
対するしきい値の焦点尺度がブロック53で決定され
る。このしきい値は、予め決定された値あるいは所望の
情報伝送レートに基づいて決定された値である。例え
ば、バンド幅の制限があるために、フレームのあるパー
セントのみが関連部分として指定され、より高いレート
でもって伝送することが必要なこともある。したがっ
て、しきい値は前景のテンプレートがそのパーセントに
対応するよう選択される。
焦点部分と非合焦点部分との間で区分される。図7にお
いて、このバイレベル操作は、ソベル演算子の出力点で
実行される。しきい値以上の焦点尺度を有するどのよう
なブロックも合焦点として規定される。そしてしきい値
以下の焦点尺度を有するどのようなブロックも非合焦点
として規定される。図7においては、この合焦点ブロッ
クは白色ペル71で示され、非合焦点ブロックは黒色ペ
ル72で示されている。したがって各ブロックは、合焦
点あるいは非合焦点のいずれかに決定される。現在の所
好ましい方法としては、単一のしきい値を用いてフレー
ムを合焦点部分と非合焦点部分との間で区分している。
別法として第2のしきい値を用いて非合焦点部分と合焦
点部分と中間部分とに分けている。ある種の応用におい
て必要とされるように各部分は異なるビットレートある
いは異なる周期でもって伝送される。当然のことながら
様々な数の敷居値を用いてフレームを様々なレベルの焦
点に細分化する。
を図5のブロック55で決定する。好ましくは、図7の
複数の合焦点ブロックの間の領域もまた合焦点部分とし
て規定され、これにより連続的なテンプレートが形成さ
れる。このテンプレートは、前景として規定されるべき
フレームの一部の上に重ね合わせられる。図8は、水平
方向の充填(線でつなぐこと)が最初のバイレベル焦点
尺度フレーム上で実行された後のバイレベル焦点尺度フ
レーム80を表す。水平方向のバンドが同一の水平方向
のレベルにある複数の合焦点ブロックの間に挿入され
る。図9は、図8のバイレベル焦点尺度フレーム80上
で垂直方向の充填が行われた後のバイレベル焦点尺度フ
レーム90を表す。垂直方向のバンドが同一の水平レベ
ルにある複数の合焦点ブロックの間に挿入される。この
水平方向と垂直方向の充填ステップは、イメージが安定
するまで繰り返される。図10は、この充填操作が安定
した後のバイレベル焦点尺度フレーム110を表す。こ
の安定したイメージは、前景テンプレート111であ
る。この前景テンプレート111は、当然のことながら
他の方法によっても生成することができる。例えば、固
定形状を図8の合焦点ブロック上に適合させて、合焦点
領域の予測を生成することもできる。このテンプレート
あるいは他の方式により得られたテンプレートの生成技
術を用いて計算時間を短くすることもできる。
その後生成される。図11に示したような、前景テンプ
レート111の周囲のブロックがアウトライン125
(図12)として指定される。このアウトラインに対応
するアウトライン信号が、コンピュータプロセッサによ
り生成される。アウトラインのブロックと、このアウト
ラインの中に含まれるブロックの全てが前景として指定
される。アウトラインに対応する信号がCPU106に
より生成される。
ロック56で元のフレーム信号fnとアウトライン信号
からCPU106により生成される。その後この細分化
されたフレーム信号は、エンコーダあるいは記録媒体に
入力される。
細分化は、動きベースの細分化と組み合わせて動き/焦
点ベースで細分化されたフレーム信号を生成するよう構
成することもできる。図12は、このような動き/焦点
ベースの細分化フレームを生成するステップを表す。ブ
ロック152において、動きが元のフレーム内で検出さ
れる。B.G. Haskell, P.L. Gordon, R.L. Schmidt, J.
V. Scattaglia著の(IEEE Trans. on Communications,
Vol. Com-25, No. 11 1977) に説明したようになビデ
オシーケンス内の動きをベースにした細分化の方法にお
いては、動きディテクタ41を用いて動きビデオシーケ
ンスの各フレーム内の静止ブロックを動きブロックから
区分する。ブロック153において、動きしきい値が設
定される。上述の焦点しきい値と同様にこの動きしきい
値は、一定でもよい。別法として動きしきい値は、フレ
ームのあるパーセントが動いているすなわち関連してい
ると認識されるように利用可能なバンド幅の観点から決
定することもできる。このフレームは、ブロック154
において、動きしきい値の観点から移動ブロックと静止
ブロックに分けられる。一連の水平方向の充填操作と垂
直方向の充填操作がブロック157で安定した動きテン
プレートが形成されるまで行われる。
200で焦点ベースのテンプレートと交差させる(重ね
合わせる)。即ち両方(動きベースと焦点ベース)のテ
ンプレートにおいて関連部分として認識されたイメージ
の一部のみがこの組み合わせ動き/焦点テンプレートの
関連部分として識別される。この交差したセグメントの
アウトラインが決定されアウトライン信号がブロック2
01で生成されるその後この元のフレーム信号がアウト
ライン信号と結合され、ブロック202で動き/焦点ベ
ースで細分化されたフレームを生成してさらに伝送,蓄
積,再生用に用いられる。
ジタルのモーションビデオ信号処理に関し、特にビデオ
信号をより関連性のある前景とあまり関連性のない背景
とに細分化し、より効率的なビデオ符号化を行うシステ
ムと方法を提供する。
0の一実施例を表すブロック図
テム用の機器を表す図
セッシングシステムを表すブロック図
モデル300のブロック図
ロック図
初期の平滑化動作を表すブロック図
図
度フレーム70上で実行された後のバイレベル焦点尺度
フレーム80を表す図
度フレーム80上で実行された後のバイレベル焦点尺度
フレーム90を表す図
点尺度フレーム110を表す図
イン125を表すバイレベル焦点尺度フレームを表す図
るステップを表す図
Claims (37)
- 【請求項1】 ブロックからなるフレームを関連部分と
非関連部分に細分化する方法において、 (A)フレームに対応し、各ブロックに対するイメージ
属性を有する信号を得るステップと、 (B)各ブロックのイメージ属性を他のブロックのイメ
ージ属性と比較するステップと、 (C)少なくとも一部はイメージ属性の比較に基づい
て、各ブロックに焦点尺度を割り当てるステップと、前記焦点尺度は端部の幅の推定値と端部焦点傾斜の大き
さとの関数である、 (D)各ブロックの焦点尺度と、しきい値焦点尺度とを
比較するステップと、 (E)しきい値以上の焦点尺度を有するブロックを合焦
点部分として指定し、しきい値以下の焦点尺度を有する
ブロックを非合焦点部分として指定するステップと、 (F)少なくとも一部はこの指定に基づいて細分化され
たフレームを生成するステップとからなることを特徴と
するブロックを有する元の画像フレームを関連部分と非
関連部分に細分化する方法。 - 【請求項2】 前記イメージ属性は、輝度成分であるこ
とを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 前記各ブロックは、単一のペルを含むこ
とを特徴とする請求項2の方法。 - 【請求項4】 前記イメージ属性は、隣接するブロック
のイメージ属性と比較することを特徴とする請求項1の
方法。 - 【請求項5】 (G)元のフレーム信号を平滑化するス
テップをさらに有することを特徴とする請求項1の方
法。 - 【請求項6】 前記(G)のステップは、ブロックの輝
度成分と隣接するブロックの輝度成分とを平均化するス
テップを含むことを特徴とする請求項5の方法。 - 【請求項7】 前記(B)のステップは、ブロックのペ
ルのマトリックスをイメージ応答アレイでもって畳み込
み処理をするステップを含むことを特徴とする請求項1
の方法。 - 【請求項8】 前記イメージ応答アレイは、ソベル(So
bel) 応答アレイであることを特徴とする請求項7の方
法。 - 【請求項9】 前記焦点尺度は、前記端部の幅に逆比例
することを特徴とする請求項8の方法。 - 【請求項10】 (H)前記しきい値焦点尺度を計算す
るステップをさらに有することを特徴とする請求項1の
方法。 - 【請求項11】 前記しきい値焦点尺度の計算は、フレ
ームのあるパーセントに基づいて行われることを特徴と
する請求項10の方法。 - 【請求項12】 前記あるフレームのパーセントは、伝
送可能なバンド幅に基づいて決定されることを特徴とす
る請求項11の方法。 - 【請求項13】 (I)前記合焦点部分のアウトライン
を前記指定された部分に基づいて生成するステップ、 をさらに含み、前記細分化されたフレームは、前記アウ
トラインの少なくとも一部に基づいて生成されることを
特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項14】 (J)各ブロックの動きを測定するス
テップと、 (K)前記動きの測定に基づいて、各ブロックに動き値
を割り当てるステップと、 (L)各ブロックの動き尺度としきい値動き尺度とを比
較するステップと、 (M)動きしきい値以上の動き尺度を有するブロックを
動きブロックとして指定し、動きしきい値以下の動き尺
度を有するブロックを非動きブロックとして指定するス
テップと、 からなり前記細分化フレームは、少なくとも一部は、前
記動き指定に基づいて生成されることを特徴とする請求
項1の方法。 - 【請求項15】 (N)焦点尺度に基づいて焦点テンプ
レートを生成するステップと、 (O)動き指定に基づいて、動きテンプレートを生成す
るステップと、 (P)前記焦点テンプレートと動きテンプレートとに基
づいて合成テンプレートを生成するステップと、 をさらに有し、前記細分化フレームは、前記合成テンプ
レートに基づいて形成されることを特徴とする請求項1
4の方法。 - 【請求項16】 前記合成テンプレートは、前記動きテ
ンプレートと前記焦点テンプレートの交差(intersecti
on)であることを特徴とする請求項15の方法。 - 【請求項17】 (Q)合成テンプレートをアウトライ
ン化し、アウトライン信号を生成するステップをさらに
有し、前記細分化フレームは、このアウトライン信号に
基づいて生成されることを特徴とする請求項16の方
法。 - 【請求項18】 前記しきい値焦点尺度は、第1しきい
値焦点尺度であり、 (R)各ブロックの焦点尺度を第2しきい値焦点尺度と
比較するステップと、 (S)前記第1しきい値焦点尺度と第2しきい値焦点尺
度との間の焦点尺度を有するブロックを中間ブロックと
して指定するステップと、 をさらに有し、前記細分化フレームは、合焦点,中間,
非合焦点の指定に少なくとも一部は基づいて生成される
ことを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項19】 デジタル信号を圧縮する際に使用する
ためにビデオフレーム内の関連情報のアウトラインを表
す出力信号を生成する装置において、 (A)デジタル信号を受信する受信手段と、 前記受信したデジタル信号は、イメージ属性を有する複
数のブロックを表し、 (B)前記ブロックのイメージ属性を蓄積する蓄積手段
と、 (C)前記出力信号を生成するために前記受信したデジ
タル信号を処理する処理手段と、 からなり、前記(C)の処理手段は、 (C1)属性のマトリックスを蓄積し、 (C2)前記蓄積したマトリックスの少なくともその一
部に基づいて焦点傾斜を計算し、 (C3)端部の幅を推定し、 (C4)焦点傾斜の大きさと端部の幅との比率からなる
関数である焦点尺度を計算し、 (C5) 前記焦点尺度に基づいて各ブロックと焦点値と
を関連付け、(C6) 各焦点値と焦点しきい値とを比較し、(C7) 焦点しきい値以上の焦点値を有する各ブロック
を合焦点と指定し、(C8) 焦点しきい値以下の焦点値を有する各ブロック
を非合焦点と指定し、(C9) 前記合焦点のブロックの少なくとも一部に基づ
いて焦点アウトラインを規定することを特徴とするビデ
オフレーム内の関連情報のアウトラインを表す出力信号
を生成する装置。 - 【請求項20】 前記(C)の処理ステップは、(C10) 前記蓄積したマトリックスに少なくともその
一部に基づいて動き傾斜を計算し、(C11) 前記動き傾斜に基づいて各ブロックと動き値
とを関連付け、(C12) 各動き値と動きしきい値とを比較し、(C13) 動きしきい値以上の動き値を有する各ブロッ
クを動きと指定し、(C14) 動きしきい値以下の動き値を有する各ブロッ
クを静止と指定し、(C15) 前記動き点のペルに少なくとも一部は基づい
て動きアウトラインを規定する、(C16) 前記焦点テンプレートと動きテンプレートと
に基づいて動き/焦点アウトラインを規定することを特
徴とする請求項19の装置。 - 【請求項21】 前記イメージ属性は、輝度成分である
ことを特徴とする請求項19の装置。 - 【請求項22】 前記(C)の処理手段は、焦点しきい
値を計算することを特徴とする請求項19の装置。 - 【請求項23】 前記(C)の処理手段は、ビデオフレ
ームのある部分に基づいて焦点しきい値を計算すること
を特徴とする請求項19の装置。 - 【請求項24】 前記(C)の処理手段は、所定のバン
ド幅に基づいて焦点しきい値を計算することを特徴とす
る請求項19の装置。 - 【請求項25】 動きビデオフレームを関連部分と非関
連部分に細分化するプレフィルタにおいて、 (A)動きビデオの元のフレームに対応する信号を受信
する手段と、 前記元のフレーム信号は、深さを有する部分を有し、ま
た、前記各部分は幅と焦点傾斜により特徴付けられる端
部を有するイメージを含有する、 (B)元のフレーム信号の各部分の深さを測定する手段
と、前記深さ尺度は前記部分の焦点度の尺度であり、また、
前記焦点 度は端部特徴の関数として決定され、前記測定
手段は、 (B1)端部の幅を推定する手段と、 (B2)焦点傾斜の大きさを推定する手段と、 (B3)焦点傾斜の大きさと端部の幅との比率からなる
関数を生成する手段とからなる、 (C)前記深さ尺度の少なくともその一部に基づいて、
前記各部分を前景あるいは背景として指定する手段と、 (D)前記(C)のステップの指定の少なくとも一部に
基づいて、テンプレートを生成する手段と、 (E)前記テンプレートに対応するテンプレート信号を
生成する手段と、 (F)元のフレーム信号とテンプレート信号とを組み合
わせて細分化フレーム信号を合成する手段とからなるこ
とを特徴とする動きビデオフレームを細分化するプレフ
ィルタ装置。 - 【請求項26】 前記テンプレートは、焦点テンプレー
トで、 (G)元のフレーム信号の各部分の動きを測定する手段
と、 (H)各部分を前記の動きの測定の少なくとも一部に基
づいて動きと静止のいずれかに指定する手段と、 (I)前記の動きの指定の少なくとも一部に基づいて動
きテンプレートを生成する手段と、 (J)前記動きテンプレートに対応して動きテンプレー
ト信号を生成する手段と、 (K)合成動き/焦点テンプレート信号を生成するため
に動きテンプレート信号と焦点テンプレート信号とを比
較する手段と、 (L)元のフレーム信号と動き/焦点テンプレート信号
とを合成して合成細分化フレーム信号を合成する手段と
をさらに有することを特徴とする請求項25の装置。 - 【請求項27】 前記(I)のテンプレート生成手段
は、 (I1)水平方向レベルに配置された前景部分(複数)
の間に配置されたフレーム信号の各部分を前景として指
定する手段と、 (I2)垂直方向レベルに配置された前景部分(複数)
の間に配置されたフレーム信号の各部分を前景として指
定する手段とを有することを特徴とする請求項25の装
置。 - 【請求項28】 前記(J)のテンプレート信号生成手
段は、前記テンプレートのアウトラインに対応する信号
を生成する手段を含むことを特徴とする請求項25の装
置。 - 【請求項29】 細分化フレームに対応する信号を生成
する方法において、 (A)元のフレームに対応し、各ペルに対するイメージ
属性を有する信号を得るステップと、 (B)各ペルのイメージ属性を他のペルのイメージ属性
と比較するステップと、 (C)前記の属性比較に基づいて元のフレーム信号中の
端部を検出するステップと、前記属性比較は焦点傾斜の大きさと端部の幅との推定値
を提供し、前記端部は前記焦点傾斜の大きさと端部の幅
との関数として検出される、 (D)端部にあるペルを合焦点と指定するステップと、 (E)端部にないペルを非合焦点として指定するステッ
プと、 (F)合焦点ペルに対応する信号を生成するステップ
と、 (G)前記合焦点ペル信号と元のフレーム信号に基づい
て細分化フレーム信号を生成するステップとからなるこ
とを特徴とする細分化フレーム信号に対応する信号を生
成する方法。 - 【請求項30】 (H)異なるフレーム内の各ペルと対
応するペルとを比較するステップと、 (I)前記比較に基づいて各ペルの動きを測定するステ
ップと、 (J)動き尺度と動きしきい値とを比較し、しきい値以
上の動き尺度を有するペルを動きペルと指定し、しきい
値以下の動き尺度を有するペルを静止ペルと指定するス
テップと、 (K)前記動きペルに対応する信号を生成するステップ
と、 をさらに有し、前記細分化フレーム信号は、前記動きペ
ル信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項2
9の方法。 - 【請求項31】 ブロックからなるフレームを関連部分
と非関連部分に細分化する方法において、 (A)フレームに対応し、各ブロックに対するイメージ
属性を有する信号を得るステップと、 (B)各ブロックのイメージ属性を他のブロックのイメ
ージ属性と比較するステップと、 (C)少なくとも一部はイメージ属性の比較に基づい
て、各ブロックに焦点尺度を割り当てるステップと、 前記焦点尺度は端部の幅の推定値からなる、 (D)各ブロックの焦点尺度と、しきい値焦点尺度とを
比較するステップと、 (E)しきい値以上の焦点尺度を有するブロックを合焦
点部分として指定し、しきい値以下の焦点尺度を有する
ブロックを非合焦点部分として指定するステップと、 (F)各ブロックの動きを測定するステップと、 (G)前記動き尺度に基づいて動き値を各ブロックに割
り当てるステップと、 (H)各ブロックの動き尺度をしきい値動き尺度と比較
するステップと、 (I)しきい値以上の動き尺度を有するブロックを動き
ブロックとして指定し、しきい値以下の動き尺度を有す
るブロックを静止ブロックとして指定するステップと、 (J)前記焦点及び動き指定に基づいて、細分化された
フレームを生成するステップとからなることを特徴とす
るブロックを有する元の画像フレームを関連部分と非関
連部分に細分化する方法。 - 【請求項32】 (K)前記焦点指定に基づいて焦点テ
ンプレートを生成するステップと、 (L)前記動き指定に基づいて動きテンプレートを生成
するステップと、 (M)前記焦点テンプレートと前記動きテンプレートに
基づいて合成テンプレートを生成するステップと、 を更に有することを特徴とする請求項31の方法。 - 【請求項33】 前記合成テンプレートは、前記動きテ
ンプレートと前記焦点テンプレートの交差(intersecti
on)であることを特徴とする請求項32の方法。 - 【請求項34】 (N)合成テンプレートをアウトライ
ン化し、アウトライン信号を生成するステップをさらに
有し、前記細分化フレームは、このアウトライン信号に
基づいて生成されることを特徴とする請求項33の方
法。 - 【請求項35】 デジタル信号を圧縮する際に使用する
ためにビデオフレーム内の関連情報のアウトラインを表
す出力信号を生成する装置において、 (A)デジタル信号を受信する受信手段と、 前記受信したデジタル信号は、イメージ属性を有する複
数のブロックを表し、 (B)前記ブロックのイメージ属性を蓄積する蓄積手段
と、 (C)前記出力信号を生成するために前記受信したデジ
タル信号を処理する処理手段と、 からなり、前記(C)の処理手段は、 (C1)属性のマトリックスを蓄積し、 (C2)前記蓄積したマトリックスの少なくともその一
部に基づいて焦点傾斜を計算し、 (C3)前記焦点尺度及び端部の幅の推定値に基づいて
各ブロックと焦点値とを関連付け、 (C4)各焦点値を焦点しきい値と比較し、 (C5)焦点しきい値以上の焦点値を有する各ブロック
を合焦点と指定し、 (C6)焦点しきい値以下の焦点値を有する各ブロック
を非合焦点と指定し、 (C7)前記合焦点のブロックの少なくとも一部に基づ
いて焦点アウトラインを規定し、 (C8)焦点が合ったブロック間の領域を合焦点と指定
することにより焦点テンプレートを規定し、 (C9)前記蓄積したマトリックスの少なくともその一
部に基づいて動き傾斜を計算し、 (C10)前記動き傾斜に基づいて各ブロックと動き値
とを関連付け、 (C11)各動き値を動きしきい値と比較し、 (C12)動きしきい値以上の動き値を有する各ブロッ
クを動きブロックと指定し、 (C13)動きしきい値以下の動き値を有する各ブロッ
クを静止ブロックと指定し、 (C14)前記動きブロッックの少なくともその一部に
基づいて動きテンプレートを規定し、 (C15)前記焦点テンプレート及び前記動きテンプレ
ートに基づいて動き/焦点アウトラインを規定すること
を特徴とするビデオフレーム内の関連情報のアウトライ
ンを表す出力信号を生成する装置。 - 【請求項36】 動きビデオフレームを関連部分と非
関連部分に細分化するプレフィルタにおいて、 (A)元のフレームに対応する信号を受信する手段と、 前記元のフレーム信号は、深さを有する部分を有する、 (B)端部の幅の推定値の一部に基づいて、元のフレー
ム信号の各部分の深さを測定する手段と、 (C)前記深さ尺度の少なくともその一部に基づいて、
前記各部分を前景あるいは背景として指定する手段と、 (D)前記(C)のステップの指定の少なくとも一部に
基づいて、焦点テンプレートを生成する手段と、 (E)前記焦点テンプレートに対応する焦点テンプレー
ト信号を生成する手段と、 (F)前記元のフレーム信号の各部分の動きを測定する
手段と、 (G)前記動き尺度の少なくともその一部に基づいて、
各部分を、動き部分又は静止部分の何れかに指定する手
段と、 (H)前記動き指定の少なくともその一部に基づいて、
動きテンプレートを生成する手段と、 (I)前記動きテンプレートに対応する動きテンプレー
ト信号を生成する手段と、 (J)合成動き/焦点テンプレート信号を導き出すため
に、前記動きテンプレート信号と前記焦点テンプレート
信号を比較する手段と、 (K)元のフレーム信号と合成動き/焦点テンプレート
信号とを合成して合成細分化フレーム信号を生成する手
段とからなることを特徴とする動きビデオフレームを細
分化するプレフィルタ装置。 - 【請求項37】 細分化フレームに対応する信号を生成
する方法において、(A)元のフレームに対応し、各ペ
ルに対するイメージ属性を有する信号を得るステップ
と、 (B)各ペルのイメージ属性を他のペルのイメージ属性
と比較するステップと、 (C)端部の幅の推定値を提供する前記の属性比較に基
づいて元のフレーム信号中の端部を検出するステップ
と、 (D)端部にあるペルを合焦点と指定するステップと、 (E)端部にないペルを非合焦点として指定するステッ
プと、 (F)合焦点ペルに対応する信号を生成するステップ
と、 (G)各ペルを異なるフレーム内の対応ペルと比較する
ステップと、 (H)前記比較に基づいて各ペルの動きを測定するステ
ップと、 (I)前記動き尺度を動きしきい値と比較し、しきい値
以上の動き尺度を有するペルを動きペルと指定し、しき
い値以下の動き尺度を有するペルを静止ペルと指定する
ステップと、 (J)前記動きペルに対応する信号を生成するステップ
と、 (K)合焦点ペル信号、動きペル信号及び元のフレーム
信号に基づいて細分化フレーム信号を生成するステップ
とからなることを特徴とする細分化フレーム信号に対応
する信号を生成する方法。
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