JP3299263B2 - ビデオ信号における運動内容推定方法 - Google Patents

ビデオ信号における運動内容推定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、水平および垂直ベクトル要素を通常含む２
次元の運動ベクトル場により表される、変位、動き、移
動等の運動の内容、特に、ビデオ信号における運動内容
を推定する方法に関する。このような推定の一般的な目
的は、ビデオ信号の高品質の時間的変換または処理を許
すことにある。本発明は各種の分野に適用することがで
き、その主要な例として、異なるテレビジョン規格間で
の変換、ビデオ信号の雑音除去、テレビジョン信号また
は高解像度テレビジョン信号のディジタル伝送用データ
圧縮、スローモーション機器等がある。
運動ベクトル場を発生する公知の方法は、回帰的画素
傾斜法、位相相関法、およびブロック整合法を含む。こ
れらの技術は、以下の一般的な特徴に関連してそれ自身
の利点および欠点を有する。
A:高速度で移動する目的物を追跡する能力を持ち、そ
の結果大きな調査範囲を使用する高トラッキング範囲 B:移動する目的物の運動ベクトルの詳細な描写を発生
する能力を持ち、その結果隣接ブロックの移動の異なっ
た速度および方向を識別してしまう高ベクトル解像度 C:移動する目的物の小さな隣接範囲の異なる移動を表
す能力を持ち、その結果異なる移動をする隣接画素を識
別してしまう高空間的解像度 D:雑音または他の妨害を抑圧する間、運動ベクトル場
を発生することにより目的物の実際の運動を区別する能
力を持つロバスト（robust）アルゴリズム E:幅広い適用範囲のために商業的方法を使用する能力
を持つコスト有効性（効果的な信号処理および単純な装
置） 公知の方法の利点および欠点は、以下の表のとおりで
ある。
基準ブロック整合技術（US−Ａ−4 924 310）におい
て、ビデオ信号は将来分離される絵すなわち画像の連続
シーケンスにより表され、前記画像は予め定められた範
囲およびサイズのブロックに分割される。ブロックサイ
ズは、ベクトル場の空間的解像度を決定する。ブロック
の比較または整合を可能にするために、１つは、所定の
サイズおよび形状を有する調査範囲と、調査パターンで
あってそれに応じて調査または比較を実行する調査パタ
ーンと、１つのブロックの他のブロックに対する結合性
の度合いを表す整合標準とを規定することを含む。この
ような標準は、個々の画像要素の光強度すなわち輝度の
比較に基づく。
瞬時の運動ベクトル場を決定するために、連続する２
つの画像について考察する。複数のブロックは、最新の
連続画像の複数の画素からなり、また順次処理される。
このような各ブロックのために、調査は、そのブロック
を前の連続画像のブロックに整合させるように、調査パ
ターンに従って、前の連続画像の調査範囲において実行
される。２つの整合ブロックの相対的変位の方向および
量は、最新の画像のブロックの運動ベクトルとして選択
される。完全な瞬時運動ベクトル場は、最新の画像の全
内容のブロック単位処理の後に得られる。
発明の開示 本発明は、ブロック整合技術を使用する改良した方法
に関し、またコスト的に効果のあるリアルタイムアプリ
ケーションに特に適応される。
ブロック整合技術の改良方法により解決される特殊な
課題は、空間的解像度を高め、アルゴリズムに頑強性を
与えることにある。本発明によれば、アルゴリズムは、
周りのブロックからの予想運動ベクトルの計算を大から
小までの異なるブロックサイズで行なう階層処理、好ま
しくは、運動ベクトル場の計算後の運動適応時間的フィ
ルタリング（motion adaptive temporal filtering）と
ともに、各階層調査ステップ後の運動ベクトル場の非直
線的フィルタリングによる後処理に基づく。
特に、本発明は、ビデオ信号の運動ベクトル場を発生
する方法を提供する。本発明の方法は、現在の画像の各
ブロック用の各調査ステップ（S1,S2等）が、現在の調
査ステップで得られていればその運動ベクトル（Am,Cm,
Em−1,Gm−１）と、現在の画像の少なくとも１つ前の調
査ステップからのおそらく少なくとも１つ先行する画像
からの運動ベクトルとを基に、現在の画像（PN）の共同
するブロック（RB）のための予想した新たな変位位置に
対応する予想運動ベクトル（PMV）の計算をすることを
含み、所定の調査範囲（SA）が前記予想した新たな変位
位置を取り巻くように配置されており、サイズにおいて
２つの連続する調査ステップ間の現在のブロックサイズ
適合される、ことにより特徴付けられる。
図面の簡単な説明 第１図は、予想運動ベクトルと階層調査ステップとを
使用して２つの連続画像のブロックを整合させる原理を
示す図である。
第２図は、次の調査ステップのために運動ベクトルの
予想に用いる隣接ブロックから得ることができる運動ベ
クトル（符号により示す）を示す図である。
第3a図は、メジアンフィルタを示す図である。
第3b図は、各調査ステップ後に得られた運動ベクトル
の処理に使用する運動ベクトルを示す図である。
第４図は、２つのベクトル間の差により表される距離
であって整合標準に加算するペナルティー値の計算に使
用する距離を示す図である。
第５図は、ゼロ運動ベクトル試験を形成すべく予想お
よび候補運動ベクトルと結合させたゼロ運動ベクトルを
示す図である。
第6a図は、３つの連続画像の移動目的物用の運動ベク
トルを示す図である。
第6b図は、時間的後処理に使用する適合運動補正時間
的フィルタを示す図である。
好ましい実施例の説明 第１図は、漸次減少するブロックサイズを有する異な
る調査ステップ（例えば、32画素、24ラインのブロック
サイズで開始し、次いで減少させる必要がなくなるまで
ブロックサイズを各ステップ間で２分の１に減少させる
ステップ）を示す。このような各調査ステップにおい
て、現在の画像PNのブロックは、順序正しく処理され
る。各ステップの終わりに、現在の画像PNの全てのブロ
ックは、前の画像PN−１（アルゴリズムは直後の画像に
関して制限されない）における位置に関する各ブロック
の変位を表す運動ベクトル（motion vector）を割り当
てられる。現在の画像PNのブロックの１つに関し、第１
の調査ステップS1の基準ブロックRBに対する運動ベクト
ルの割り当てを以下に記載する。
現在の画像PNのブロックRBと、前の画像PN−１の異な
る複数のブロックRB'（第１図に１つだけを示す）と
は、画素に関する光強度の差を基に整合標準（matching
criterion）EMすなわち以下の式に従って得られるエネ
ルギーを計算することにより、異なる複数の候補運動ベ
クトル（candidate motion vector）CMVによって表され
る異なる可能な相対的変位について比較される。
ここに、 ▲ＸPN i,j▼はRBの画素の光強度値であり、 ▲ＸPN-1 i+k,j+1▼はRB'の画素の光強度値であり、 上側のインデックスはブロックが属する画像を表し、 下側のインデックスはブロックの行および列を表し、 Ｋおよび１は候補運動ベクトルCMVの水平および垂直
要素である。
また、第４図および第５図の説明と関連して説明する
付加的な状態は、整合標準EMと組合せて使用される。ブ
ロックRB'は、前の画像PN−１に設けられた調査範囲SA
内で調査パターンに従って分類される。調査範囲SAは、
第２図と関連して説明する予想運動ベクトル（predicte
d motion vector）PMVにより決定される部位に設けられ
ている。調査範囲SAの全てのブロックRB'のための整合
標準EMが計算されると、ブロックRBは、整合標準EMを最
小にする整合ブロックRB'の相対的変位に従って候補運
動ベクトルCMVを割り当てられる。割り当てられた運動
ベクトルを選択運動ベクトル（selected motion vecto
r）SMV（第３図参照）として参照する。
従って、上記の手順は、第１の調査ステップS1の現在
の画像PNの全てのブロックRBについて実行され、また同
様の手法で他の調査ステップS2・・・S8の現在の画像PN
の全てのブロックについても実行され、そのため調査範
囲SAと調査パターンとは各調査ステップ間のブロックサ
イズの減少に比例して小さくされる。好ましくは、調査
ステップは、充分な運動ベクトル情報が利用できるよう
になるや否や、すなわち異なる調査ステップが同時にお
よび重複して実行されるや否や、開始される。
第２図は、先行する調査ステップSm−１（もしくは現
在の画像またはいずれか前の画像におけるいずれか他の
先行の調査ステップ）の隣接する大きなブロックにおけ
る運動ベクトル（符号ｍ−１を有する文字により示す）
と、現在の調査ステップSmの隣接するブロックの運動ベ
クトル（符号ｍを有する文字により示す）とを示し、そ
れらは全て調査ステップSmの現在の画像の位置Xmの基準
ブロック用の予想運動ベクトルPMVの計算に役立つ。予
想運動ベクトルPMVを計算するために等方性予想値（iso
tropic predictor）を使用することが好ましく、運動ベ
クトルを予想するブロックのために、位置Xmの基準ブロ
ックの周りの全ての方向からの運動ベクトル情報を考慮
する。予想運動ベクトルPMVは、 PMV＝ 0.25×Am ＋0.25×Cm ＋0.25×Em−１ ＋0.25×Gm−１ のように算出してもよい。これは、現在の調査ステップ
Smの運動ベクトルAmおよびCmと、大きなブロックを有す
る先行の調査ステップSm−１からの運動ベクトルEm−１
およびGm−１との組合せである。
予想運動ベクトルPMVは、基準ブロックを整合させる
ブロックの調査を実行する中で、調査範囲のための位置
の決定に使用される。調査範囲は前の画像位置に集中さ
れ、その位置は予想運動ベクトルPMVとスカラーＱとの
積と現在の基準ブロックの中心位置とのベクトル和に対
応する。スカラーＱは、調査範囲が現在の画像の基準ブ
ロックの中心位置に関連して予想運動ベクトルにより変
位された位置の周りに集中される場合、値1.0としても
よい。
空間的等方性予想値だけを使用する以外に、空間的等
方性予想値と時間的予想値とを組合せること、すなわち
前の画像PN−１のためにすでに決定された運動ベクトル
情報に属する運動ベクトルからの運動ベクトル情報を考
慮することが好ましい。現在の画像の注目するブロック
Xmの位置は前の画像PN−１の範囲X'8に対応し、また前
記範囲のための組合せ運動ベクトルMVX'は予想のために
使用される。予想運動ベクトルPMVは、この場合 PMV＝ 0.125×Am ＋0.125×Cm ＋0.125×Em−１ ＋0.125×Gm−１ ＋0.5×MVX' のように算出される。特に、各画像の第１の調査ステッ
プにおいては、運動ベクトル情報を現在の画像の先行の
調査ステップから得ることができないことから、上記手
方が必要である。また、画像の角部または縁部のブロッ
クのための予想運動ベクトルの計算は、上記説明と多少
異なってもよい。
第3a図および第3b図に示すように、運動ベクトルの非
直線的処理を各調査ステップの後に実行することが好ま
しい。選択運動ベクトルSMVは、位置のために、５端子
のメジアンフィルタ（median filter）により処理さ
れ、次いで数理的中央値SMVmedianに置換される。数理
的中央値SMVmedianは、［A,B,D,E,SMV］の中央値に等し
い。
第４図は、整合標準EMに加算するペナルティー値が依
存する距離Ｄを示す。整合標準EMと、ペナルティー値と
の和は、候補運動ベクトルCMVのための新たな整合標準E
M CMVを形成する。この距離Ｄは、調査範囲内の現在の
基準ブロックのための候補運動ベクトルCMVと予想運動
ベクトルPMVとの差の絶対値である。この候補運動ベク
トルCMVは、その整合標準EM CMVが予想運動ベクトルPMV
のそれより優れているかまたはいずれか他の候補運動ベ
クトルのそれより優れているときだけ、現在の基準ブロ
ックに割り当てられる。
第５図は、無運動を表すゼロ運動ベクトルZMVにより
移されたブロックのためのゼロ運動整合標準EMzmvを示
す。ゼロ運動整合標準EMzmvは、調査範囲内で候補運動
ベクトルCMVにより移された基準ブロック毎に比較され
る。ゼロ運動ベクトルZMVは、ゼロ運動整合標準EMzmvが
全ての候補運動ベクトルCMVのための整合標準EMより優
れているとき、選択することができる。
第６図は、それぞれが空間的位置101と102、203と204
および304と305により表される、３つの運動ベクトルMV
PN−1,MVPN（およびその逆の−MVPN）およびMVPN＋１を
示す。これらの運動ベクトルは、それぞれ、３つの連続
する画像PN−1,PNおよびPN＋１の（移動する目的物の）
ブロックに属する。その中で、位置101と201、位置103
と203と303、および位置204と304は、異なる画像におけ
る同じ空間的位置を表す。
時折の疑似ベクトルを除去すると共に運動ベクトル場
の平滑性および品質をさらに改良するために、運動ベク
トル場の時間的後処理がいくつかの連続する画像にわた
って適用される。時間的後処理のために、運動ベクトル
場MVFinは第6b図に示す適応運動補正時間フィルタ（ada
ptive motion compensated temporal filter）AMCTFに
供給される。フィルタAMCTF中の運動補正器MCは目的物
の運動のために補正し、フィルタ選択器FSはメジアンフ
ィルタ（median filter）MFまたはリニアフィルタのLF
のいずれかを選択し、その結果濾波された運動ベクトル
場MVFoutはフィルタAMCTFから得られる。
第6a図の３つの連続する画像における３つの運動ベク
トルは同じ移動目的物に属するように想定され、そのた
め位置の差は３つの連続画像の目的物の同じ点の運動ベ
クトルを精密にする手段として考慮しなければならな
い。運動ベクトル場MVFNinは、運動補正器MCに入力され
る。この運動補正器は、運動ベクトルMVPNの処理のため
に、画像PNの運動ベクトルMVPN、MVPNにより減じられた
MVPNの断定位置に対応する位置に断定された画像PN−１
の運動ベクトル、およびMVPNにより加えられたMPVNの断
定位置に対応する位置に断定された画像PN＋１の運動ベ
クトルを出力する。３つの出力運動ベクトルは、第6a図
に示す運動ベクトルMVPN−1,MVPNおよびMVPN＋１であ
る。
運動ベクトルMVPNとMVPN−１との差およびMVPNとMVPN
＋１との差とが大きいと、MVPNが正しいとすることがで
き、フィルタFSはMVPNを前記３つの運動ベクトルの中央
値に置換するメジアアンフィルタMFを選択する。これに
対し、それぞれの運動ベクトルの差が小さいと、フィル
タFSはMVPNを３つの運動ベクトルの直線的結合に置換す
るリニアフィルタLFを選択する。
第6a図は、上記の３つの運動ベクトル以外に、空間的
位置103と106、303と307との間に断定された矢印により
表す２つの運動ベクトルMVPN−１＊,MVPN＋１＊を示
す。運動ベクトルMVPN−１＊およびMVPN＋１＊は、それ
ぞれ、前記画像の位置103,303のブロックに属する。運
動補正器MCは、メジアンフィルタMFのMVPN−1,MVPN＋１
を置換する運動ベクトルMVPN−１＊,MVPN＋１＊を出力
する。
本発明は、好ましい実施例に関して説明したが、種々
の変更をすることができる例えば、予想運動ベクトル
は、画像に関する他のパラメータと共に、運動ベクトル
の適合する関数の結果としてもよい。さらに、調査パタ
ーンにおける比較は、前または後の画像シーケンスのい
ずれかにおいて実行してもよい。さらには、本発明は、
他次元運動ベクトル場に適用することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−4686（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−131690（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−231886（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−241187（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−201584（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−179584（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／3797（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 7/00 - 7/68

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの連続する画像を所定の調査範囲（S
    A）内の調査パターンにおいて整合標準（EM）によりブ
    ロック単位で比較して、前記２つの連続する画像（PN
    −,PN）の各々１つと共同する２つの対応するブロック
    （RB,RB'）の運動ベクトルを決定するプロセスを、漸次
    減少するブロックサイズを有する異なるステップ（S1,S
    2等）で繰り返す、ビデオ信号における運動ベクトル場
    を発生する方法において、 現在の画像の各ブロック用の各調査ステップ（S1,S2
    等）は、現在のステップですでに得られている他のブロ
    ックの運動ベクトル（Am,Cm）と、現在の画像の少なく
    とも１つ前の調査ステップですでに得られている運動ベ
    クトル（Em−1,Gm−１）．と、少なくとも１つの先行す
    る画像の調査ステップですでに得られている運動ベクト
    ル（MVX'）とを基に、現在の画像（PN）のブロック（P
    B）のための予想される新たな変位位置に対応する予想
    運動ベクトル（PMV）の計算をすることを含み、 前記所定の調査範囲（SA）は前記新たな予想変位位置を
    囲むように配置され、 前記所定の調査範囲（SA）と前記調査パターンとはサイ
    ズにおいて前記２つの連続する調査ステップ間の現在の
    ブロックサイズに合わされる、ことを特徴とする、ビデ
    オ信号における運動ベクトル場の発生方法。
  2. 【請求項２】前記予想運動ベクトル（PMV）は、少なく
    とも同じ画像の異なる位置の隣接するブロックに属する
    隣接運動ベクトルと異なる画像に属する隣接運動ベクト
    ルとを用いて計算される、請求の範囲第１項に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】前記予想運動ベクトル（PMV）を、前記隣
    接運動ベクトルの当方性予想値（isotropicpredictor）
    を使用して計算する、請求の範囲第２項に記載の方法。
  4. 【請求項４】複数の運動ベクトル（A,B,D,E,SMV）の非
    直線的処理を各調査ステップの後に実行する、請求の範
    囲第１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記非直線的処理をメジアンフィルタによ
    り実行し、各ステップの選択運動ベクトル（SMV）を密
    接な関係に配置された複数のベクトル（A,B,D,E,SMV）
    の数理的中央値に置換する、請求の範囲第４項に記載の
    方法。
  6. 【請求項６】前記密接な関係に配置された複数の運動ベ
    クトル（A,B,D,E,SMV）は、同じブロック列およびそれ
    に続くブロック列の前記選択運動ベクトル（SMV）を含
    む計５つの位置に配置されている、請求の範囲第５項に
    記載の方法。
  7. 【請求項７】予想運動ベクトル（PMV）と候補運動ベク
    トル（CMV）との間の距離（Ｄ）に依存する値を前記整
    合標準（EM）に加える、請求の範囲第１項〜第６項のい
    ずれか１項に記載の方法。
  8. 【請求項８】前記候補運動ベクトル（CMV）用の前記整
    合標準を、ゼロ運動ベクトル（ZMV）用の整合標準と比
    較する、請求の範囲第１項項〜第７項のいずれか１項に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】適応運動補正時間フィルタ（AMCTF）を使
    用して前記運動ベクトル場（MVFin）の時間的後処理を
    実行する、請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に
    記載の方法。
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