JP4164912B2 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関し、特に、クラス分類してクラス毎に補間処理等を行うような信号処理装置及び信号処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年において、映像信号や音声信号の解像度あるいはサンプリング周波数等を向上させる技術が種々提案されている。例えば、標準あるいは低解像度に相当する標準テレビジョン信号から、高解像度のいわゆるHDTV信号にアップコンバージョンを行う場合や、サブサンプル補間を行う場合には、従来の線形補間による手法よりも、例えば特開平6−178277号公報や特開昭7−79418号公報に開示されるようなクラス分類を伴う変換処理を行う方が、性能的に良好な結果を得られることが知られている。
【0003】
このクラス分類を伴う変換処理とは、例えば、標準あるいは低解像度に相当する標準テレビジョン信号(SD信号)を高解像度の信号(HD信号)に変換する場合に、入力されたSD信号をクラス分類してクラスコードを発生し、このクラスコードを用いてクラス毎に予め設定されている予測係数を選んで上記入力SD信号を予測演算処理することにより、HD信号を得るものである。上記予測演算処理には例えば線形1次式が用いられる。
【0004】
上記クラス分類を伴う変換処理は、上述したようなSD信号からHD信号へのアップコンバージョン以外にも、映像信号の走査方式についてインターレース/プログレッシブ変換を行う場合や、走査線数を変換する場合や、ぼけた画像を鮮明な画像に変換する場合や、電子ズーム処理や、フレーム数変換処理(例えば1秒間に24フレームと30フレームとの間での変換)や、フォーマット変換処理等の種々の信号変換処理に適用して好ましい結果が得られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のクラス分類を伴う変換処理におけるクラス分類の手法としては、適応型ダイナミックレンジ符号化(ADRC)によるパターン分類や動き補償的な要素を取り入れるために動きベクトルを使用することがある。
【0006】
ここで、動きベクトルを求める場合に、例えばブロックマッチングのような非常に処理の重い方法は、ハードウェアにインストールするのが困難であることから、いわゆる勾配法等が用いられることが多い。
【0007】
この勾配法は、注目画素の隣接画素との差分をとることで水平空間勾配及び垂直空間勾配を求め、また、注目画素のフレーム差分を求め、フレーム差分に基づく成分を空間勾配に基づく成分で割り算することにより、動きベクトルを求めるものである。この割り算があるために、除数及び被除数がそれぞれ例えば10ビットの語長の場合には、割り算に必要な語長が20ビット位になってしまい、ハードウェアロジックで実現するにはゲート規模が大きくなり、ROMを用いる場合にも4Mビット程度の記憶容量が必要となる。
【0008】
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、クラス分類に勾配法を用いる場合に、ハードウェア構成が簡単で済むような信号処理装置及び信号処理方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、入力信号をクラス分類するクラス分類手段と、上記クラス分類手段により分類されたクラスに応じた予測係数を出力する予測係数出力手段と、上記入力信号を上記予測係数出力手段からの予測係数を用いて予測演算して予測値を出力する予測演算手段とを有し、上記クラス分類手段は、上記入力信号の空間勾配を求める空間勾配算出手段と、上記入力信号の時間勾配を求める時間勾配算出手段と、上記空間勾配算出手段からの出力を非線形量子化するための第1の変換テーブルと、上記時間勾配算出手段からの出力を非線形量子化するための第2の変換テーブルと、上記第1及び第2の変換テーブルからの各出力を入力とし、上記第2の変換テーブルからの出力を上記第1の変換テーブルからの出力で除算した値に基づく値をクラス情報として出力する第3の変換テーブルと、上記第3の変換テーブルから出力されるクラス情報と、上記入力信号をパターン分類して得られるクラス情報とに基づいて、クラスコードを発生するクラスコード発生手段とを有する。
【0010】
クラス分類には、上記第3の変換テーブルからのクラス情報と、上記入力信号を適応型ダイナミックレンジ符号化することにより得られるクラス情報とに基づいて得るようにすることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明に係る信号処理装置として、上述したクラス分類を伴う変換処理を行う信号変換装置の具体例を、図1を参照しながら説明する。この具体例では、特に、画像のSD信号をHD信号に解像度変換する画像情報変換装置を想定している。
【0012】
この図1において、入力端子11には標準解像度のSD信号が供給され、予測タップ生成回路12を介して予測演算回路13に送られている。また、入力端子11からのSD信号は、クラス分類回路15に供給されてクラス分類が行われ、決定されたクラスのインデックスをアドレスとして予測係数ROM16がアクセスされて予測係数が読み出され、予測演算回路13に送られる。
【0013】
予測演算回路13は、推定演算回路あるいは補間値生成回路とも称され、クラス毎に適応的に選択された予測係数により予測演算を行うことで、入力されたSDデータに対するHDデータを算出するものである。予測演算回路13にて予測演算されることにより得られたHD信号は、出力端子14より取り出される。予測係数ROM16には、予測係数が記憶されている。
【0014】
クラス分類回路15は、例えば入力信号をADRC(適応型ダイナミックレンジ符号化)することによりクラス情報を出力するADRC回路17と、上述した空間勾配及び時間勾配を用いた動きベクトルを用いてクラス情報を出力する動き検出回路20と、これらのADRC回路17及び動き検出回路20からのクラス情報が送られてクラスコードを生成するクラスコード生成回路18とを有して構成されている。
【0015】
上記ADRC回路17における適応型ダイナミックレンジ符号化とは、特開昭61−144989号公報等に開示されるように、本来ビデオ信号の高能率圧縮符号化のために開発されたものであるが、ビデオ信号のレベル分布のパターンを短い語長で効率的に表現できることから、このADRC符号化データに基づいてクラス分類のための情報を得ているものである。すなわち、ビデオ信号の符号化単位となるブロック内のダイナミックレンジDRは、当該ブロック内の最大値MAX及び最小値MINにより、
DR = MAX−MIN+1
と表せ、ブロック内の各画素データのレベルLをnビットに再量子化するときの再量子化コードQは、
Q =[(L−MIN+0.5)・2n/DR]
ただし、[ ]は切り捨て処理を意味する
となる。上記ブロック内の再量子化コードQを用いて、当該ブロックのビデオ信号をクラス分類するための情報を求める。上記図1の例では、4ビットのクラス情報を得て、クラスコード生成回路18に送っている。
【0016】
上記動き検出回路20は、例えば図2に示すように構成されている。この図2において、入力端子21には、上記図1の入力端子11に供給された標準解像度のSD信号が入力され、水平及び垂直方向の空間勾配を計算する空間勾配算出回路22と、時間勾配としてのフレーム差分を計算する時間勾配算出回路23とに送られている。空間勾配算出回路22からの空間勾配Δsは、例えば10ビットの語長をもっており、非線形量子化処理を実現するためのROM24に送られて4ビットのデータに変換される。また、時間勾配算出回路23からのフレーム差分Δfは、例えば10ビットの語長をもっており、非線形量子化処理を実現するためのROM25に送られて4ビットのデータに変換される。これらのROM24,25からの各4ビットのデータはROM26に送られ、ROM26では8ビット入力をアドレスとして4ビットのクラス情報を変換し、出力端子27より取り出される。この4ビットのクラス情報は、図1のクラスコード生成回路18に送られる。
【0017】
ところで、空間勾配算出回路22及び時間勾配算出回路23からの各10ビットの勾配データΔs,Δfに基づいて直接上記4ビットのクラス情報を求めようとすると、例えば図3に示すような大容量のROM29構成が必要となる。このROM29は、入力20ビットをアドレスとして4ビットデータを出力することから、4194304ビットもの大容量が必要とされる。これに対して、上記図2の構成によれば、ROM24,25がそれぞれ4096ビット、ROM26が1024ビットで、合計9216ビットの記憶容量で済む。
【0018】
次に、上記空間勾配算出回路22及び時間勾配算出回路23における勾配の計算内容と、これらの勾配データから動きベクトルを求める計算内容について説明する。
【0019】
画面上の座標(x,y)における現在フレームの画素値をg1(x,y) とし、同じ空間位置の1フレーム前(過去)の画素値をg0(x,y) とする。xは水平方向、yは垂直方向の画素毎に整数値をとる座標値であり、右側及び上側をそれぞれ正の向きとする。このとき、座標(x,y)における水平空間勾配、垂直空間勾配、及びフレーム差分(時間勾配)は、
右側水平勾配:Δxr = g1(x,y) − g1(x+1,y)
左側水平勾配:Δxl = g1(x-1,y) − g1(x,y)
上側垂直勾配:Δya = g1(x,y) − g1(x,y+1)
下側垂直勾配:Δyu = g1(x,y-1) − g1(x,y)
フレーム差分:Δt = g1(x,y) − g0(x,y)
の各式で計算される。
【0020】
これらの式から、水平、垂直方向の勾配法による動きベクトルの各方向成分、すなわち、水平方向の動きベクトルVX 及び垂直方向の動きベクトルVY は、
右側水平方向:VXr = (ΣΔtsign(Δxr))/(Σ|Δxr|)
左側水平方向:VXl = (ΣΔtsign(Δxl))/(Σ|Δxl|)
水平方向 :VX = (VXrとVXlとの内の絶対値の大きい方)
上側垂直方向:VYa = (ΣΔtsign(Δya))/(Σ|Δya|)
下側垂直方向:VYu = (ΣΔtsign(Δyu))/(Σ|Δyu|)
垂直方向 :VY = (VYaとVYuとの内の絶対値の大きい方)
の各式で計算する。
【0021】
これらの式中の“Σ”は、例えば縦横3×3の成分の総和をとることが挙げられ、具体的には、例えば図4に示すような構成により実現できる。この図4は、水平方向差分の絶対値の総和(Σ|Δx|)をとる場合の例を示しており、端子31から入力された画素値gは、1画素分だけ遅延させる遅延回路32と減算器33とにより水平方向の隣接画素間の差分がとられ、絶対値化回路34により絶対値がとられ、遅延マトリクス回路35により縦横3×3の成分が取り出され、総和器36によりこれらの3×3の成分の総和がとられて、端子37より出力される。遅延マトリクス回路35は、それぞれ1画素分だけ遅延させる9個の遅延回路DLA と、それぞれほぼ1ライン分だけ遅延させる2個の遅延回路DLB とを有して成り、各遅延回路DLA からの出力が縦横で隣接する3×3の成分となっている。なお、垂直方向差分の絶対値の総和(Σ|Δy|)をとる場合には、遅延回路32として1ライン分遅延させるものを用いればよい。
【0022】
以上のようにして、勾配法を用いて動きベクトルを求めることができる。この勾配法の特長としては、画素以下の動きベクトルの精度が良い、ということが挙げられる。
【0023】
ここで、上述したような勾配法を用いて動きベクトルを求めるためのハードウェアを考察する。先ず、上述した式の通りの演算を行わせる場合には、割る数も割られる数も共に10ビット程度の語長を持っており、割り算に必要な語長が20ビット位になってしまい、ゲート規模が大きくなってしまう。しかしながら、勾配法の結果をクラス情報として使用する場合はそれほど精度を必要としないため、簡略化しても問題を生じることは少ない。また、線形演算の結果をそのまま利用するよりは、クラスとしては非線形の偏りを持たせた方がより精度が向上することがある。
【0024】
そこで本実施の形態においては、前述したように、図2に示す構成を用い、非線形要素と小型化を兼ねあわせたROMによる勾配法クラス生成を実現している。簡単のために、上記の式を一般化し、動きベクトルVを、空間勾配Δsとフレーム差分(時間勾配)Δfとで、
V = Δf/Δs
のように表す。
【0025】
図2のR0M24は、フレーム差分Δfの非線形量子化を行うためのもので、入力アドレスが10ビットで、出力データが例えば4ビットのものを使用する。また、ROM25は、空間勾配Δsの非線形量子化を行うためのもので、ROM24と同様に、入力アドレスが10ビットで、出力データが例えば4ビットのものを使用する。これらのROM24、25の記憶容量は、いずれも4096ビットである。非線形量子化については、種々の手法があるが、例えば図5に示すような入力を圧縮して出力するものが挙げられる。この図5はデータが正の値のみ有する場合の例であるが、正負の値を有するデータの場合には、図6に示すような非線形量子化も挙げられる。
【0026】
ROM26は、ROM24、25の各出力が入力され、入力アドレスが8ビットで出力データが例えば4ビットのものを使用する。このROM26の記憶容量は1024ビットであり、出力されるクラス(動きベクトルに応じたクラス)は16クラスとなる。ROM26の内容については、単なる割り算の結果ではなく、性能が向上するようチューニングしたものを用いればよい。次の表1は、入力される各4ビットのΔs,Δfに対する4ビットのクラスコード値のテーブルの一例を示すものである。
【0027】
【表1】
【0028】
このような構成によれば、前述したように、ROM24,25がそれぞれ4096ビット、ROM26が1024ビットで、合計9216ビットの記憶容量で済む。これは、上記図3に示すような構成に用いられるROM29が、入力20ビットをアドレスとして4ビットデータを出力するために4194304ビットもの大容量が必要とされることを考慮すれば、本発明の実施の形態により、ハードウェア構成を大幅に簡略化できることが明らかである。
【0029】
次に、上記図1に示したクラス分類を伴う変換処理のクラス毎の予測係数を最小自乗法によって求めるための学習装置について、図7を参照しながら説明する。この具体例では、上記図1に示す信号処理装置として、標準あるいは低解像度の映像信号に相当する標準テレビジョン信号(SD信号)を、高解像度の映像信号であるいわゆるHDTV信号(HD信号)に変換する装置を想定し、このSD信号をHD信号に変換する変換装置に用いられる予測係数を求めるための学習を行うための学習装置を図7に示している。
【0030】
図7の入力端子51には、教師信号となる高解像度のHD信号が供給されており、このHD信号をダウンコンバータ52に送ってローパスフィルタリング処理やダウンサンプリング処理等を施すことにより、HD信号に対応する擬似的な標準解像度のSD信号を得ている。これらのHD信号及びSD信号は、正規方程式生成回路53に送られる。また、ダウンコンバータ52からのSD信号は、ADRC(適応ダイナミックレンジ符号化)回路54及び動き検出回路55に送られて、それぞれクラス情報が求められ、これらのクラス情報がクラスコード生成回路56に送られてクラスコードが生成される。これらのADRC回路54、動き検出回路55及びクラスコード生成回路56は、それぞれ上記図1のADRC回路17、動き検出回路20及びクラスコード生成回路18に相当するものであるため、説明を省略する。
【0031】
クラスコード生成回路56から出力されたクラスコードは、正規方程式生成回路53に送られる。正規方程式生成回路53は、クラス毎にそれぞれ正規方程式を生成する回路であり、学習素材が入力し終わった後に得られた各クラス毎の正規方程式を連立方程式解法回路57に送り、各クラス毎に正規方程式から連立方程式を解いて各クラス毎の予測係数を求め、これらの各クラス毎の予測係数を予測係数メモリ58に記憶する。この予測係数メモリ58の記憶内容が、図1の予測係数ROM16に書き込まれて用いられる。
【0032】
以上説明したような本発明の実施の形態によれば、映像信号の入力に対して勾配法によるクラス分類を行って適応的な変換処理を行う際に、時間勾配(フレーム差分)と、空間勾配(隣接画素差分)をそれぞれ非線形量子化するための2種類のROM24,25を持ち、さらにその2種類のROM出力を入力し、クラス情報を発生する第3のROM26を持つことにより、これらを1つのROMで構成する場合に比べて小さいハードウェアで済み、しかも、各ROM24,25やROM26の入出力特性をチューニングすることで、性能向上も図れる。
【0033】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、クラス分類は、ADRCと組み合わせて行っているが、勾配法のみ、あるいは他のクラス分類手法との組み合わせで最終的なクラス分類を行わせてもよい。また、標準解像度の映像信号(SD信号)を高解像度の映像信号(HD信号)に変換する場合のみに限定されず、所定解像度の映像信号を他の解像度の映像信号に変換する場合や、所定のサンプリング周波数あるいはサンプルビット数のオーディオ信号を、他のサンプリング周波数やサンプルビット数のオーディオ信号に変換する場合等にも適用できることは勿論である。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、入力信号をクラス分類し、分類されたクラスに応じた予測係数予測係数を用いて予測演算して予測値を出力する際に、上記クラス分類処理は、上記入力信号の空間勾配及び時間勾配を求め、上記空間勾配を第1の変換テーブルにより非線形量子化し、上記時間勾配を第2の変換テーブルにより非線形量子化し、これらの第1及び第2の変換テーブルからの各出力を第3の変換テーブルによりクラス情報に変換しているため、勾配法を用いたクラス分類が簡単なハードウェア構成で容易に実現できる。
【0035】
また、適応型ダイナミックレンジ符号化により得られるクラス情報と、上記第3の変換テーブルからの符号化情報とに基づいて、クラスコードを生成することにより、性能の良いクラス分類が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態として、クラス分類を伴う変換処理を行う画像情報変換装置の一例を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態の画像情報変換装置に用いられる勾配法によりクラス情報を生成するための動き検出部を示すブロック図である。
【図3】従来の画像情報変換装置に用いられる勾配法によりクラス情報を生成するための動き検出部を示すブロック図である。
【図4】勾配法における動きベクトル検出のための水平方向差分の総和をとるための構成の一例を示すブロック図である。
【図5】ROMテーブルによる非線形量子化の入出力特性を示す特性図である。
【図6】ROMテーブルによる非線形量子化の入出力特性の他の例を示す特性図である。
【図7】本発明の実施の形態を説明するための、クラス分類を伴う変換処理の予測係数を求めるための学習装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
12 予測タップ生成回路、 13 予測演算回路、 15 クラス分類回路、 16 予測係数ROM、 17 ADRC(適応型ダイナミックレンジ符号化)回路、 18 クラスコード生成回路、 22 空間勾配算出回路、 23時間勾配算出回路、 24,25,26 ROM
Claims (6)
- 入力信号をクラス分類するクラス分類手段と、
上記クラス分類手段により分類されたクラスに応じた予測係数を出力する予測係数出力手段と、
上記入力信号を上記予測係数出力手段からの予測係数を用いて予測演算して予測値を出力する予測演算手段とを有し、
上記クラス分類手段は、
上記入力信号の空間勾配を求める空間勾配算出手段と、
上記入力信号の時間勾配を求める時間勾配算出手段と、
上記空間勾配算出手段からの出力を非線形量子化するための第1の変換テーブルと、
上記時間勾配算出手段からの出力を非線形量子化するための第2の変換テーブルと、
上記第1及び第2の変換テーブルからの各出力を入力とし、上記第2の変換テーブルからの出力を上記第1の変換テーブルからの出力で除算した値に基づく値をクラス情報として出力する第3の変換テーブルと、
上記第3の変換テーブルから出力されるクラス情報と、上記入力信号をパターン分類して得られるクラス情報とに基づいて、クラスコードを発生するクラスコード発生手段と
を有する信号処理装置。 - 上記クラス分類手段は、適応型ダイナミックレンジ符号化により上記入力信号をパターン分類して得られるクラス情報と、上記第3の変換テーブルからの符号化情報とに基づいて、クラスコードを生成する請求項1記載の信号処理装置。
- 上記入力信号はビデオ信号であり、上記空間勾配は、水平方向の隣接画素間の差分をとって得られる水平空間勾配と、垂直方向の隣接画素間の差分をとって得られる垂直空間勾配とを有し、上記時間勾配は画素のフレーム差分をとって得られるものである請求項1記載の信号処理装置。
- 入力信号をクラス分類し、分類されたクラスに応じた予測係数予測係数を用いて予測演算して予測値を出力する信号処理方法において、
上記クラス分類処理は、上記入力信号の空間勾配及び時間勾配を求め、上記空間勾配を第1の変換テーブルにより非線形量子化し、上記時間勾配を第2の変換テーブルにより非線形量子化し、これらの第1及び第2の変換テーブルからの各出力を第3の変換テーブルにより、上記第2の変換テーブルからの出力を上記第1の変換テーブルからの出力で除算した値に基づく値としてのクラス情報に変換し、上記第3の変換テーブルから出力されるクラス情報と、上記入力信号をパターン分類して得られるクラス情報とに基づいて、クラスコードを発生する信号処理方法。 - 上記クラス分類処理は、適応型ダイナミックレンジ符号化により上記入力信号をパターン分類して得られるクラス情報と、上記第3の変換テーブルからの符号化情報とに基づいて、クラスコードを生成する請求項4記載の信号処理方法。
- 上記入力信号はビデオ信号であり、上記空間勾配は、水平方向の隣接画素間の差分をとって得られる水平空間勾配と、垂直方向の隣接画素間の差分をとって得られる垂直空間勾配とを有し、上記時間勾配は画素のフレーム差分をとって得られるものである請求項4記載の信号処理方法。
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