JP6059899B2 - Frame interpolation apparatus and program - Google Patents
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Description
本発明は、複数のフレームを参照して補間フレームを生成し、フレームを時間補間するフレーム補間装置及びそのプログラムに関する。 The present invention relates to a frame interpolation apparatus that generates an interpolation frame with reference to a plurality of frames and temporally interpolates the frame, and a program therefor.
従来、画速(フレーム周波数)をより高いフレーム周波数へと変換するため、同一フレームを複数回提示する手法がある。例えば、フレーム周波数が30Hzの各フレームを2回ずつ提示することでフレーム周波数を60Hzに変換することができる。また、同一フレームを提示する回数を可変とした手法もある。例えば、2−3変換と称される手法では、フレーム周波数が24Hzの奇数番目のフレームを2回、偶数番目のフレームを3回提示することで、フレーム周波数が60Hzの映像を得ることができる。 Conventionally, there is a method of presenting the same frame multiple times in order to convert the image speed (frame frequency) to a higher frame frequency. For example, the frame frequency can be converted to 60 Hz by presenting each frame with a frame frequency of 30 Hz twice. There is also a technique in which the number of times the same frame is presented is variable. For example, in a technique called 2-3 conversion, an odd-numbered frame having a frame frequency of 24 Hz is presented twice and an even-numbered frame is presented three times, whereby an image having a frame frequency of 60 Hz can be obtained.
また、補間フレームの時刻に隣接する2フレームの各画素値の平均、又は重み付き平均によって、補間フレームの画素値を決定する手法もある。 There is also a method of determining the pixel value of the interpolation frame by the average of the pixel values of two frames adjacent to the time of the interpolation frame or the weighted average.
さらに、映像の動きベクトルを利用して動き補償を行うことで、よりスムーズな補間フレームを生成する手法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Furthermore, a method of generating a smoother interpolation frame by performing motion compensation using a motion vector of a video is known (see, for example, Patent Document 1).
しかし、従来の同一フレームを複数回提示する手法では、映像の動きがぎこちなくなるという問題があった。また、平均や重み付き平均により補間フレームを生成する手法によれば、映像の動きのぎこちなさは改善するものの、補間フレームにおいて動物体が二重像となり、解像度が低下するという問題や、補間フレームと補間ではない元来のフレームとの画質の違いがフリッカのように見えてしまうという問題があった。 However, the conventional method of presenting the same frame multiple times has a problem that the motion of the video becomes awkward. Also, according to the method of generating an interpolation frame by averaging or weighted averaging, although the awkwardness of video motion is improved, there is a problem that the moving object becomes a double image in the interpolation frame and the resolution is lowered, and the interpolation frame There is a problem in that the difference in image quality from the original frame which is not interpolated looks like flicker.
また、従来の特許文献1のような手法では、動きのぎこちなさや二重像は改善されるものの、動きが異なる被写体が同一ブロックに含まれている場合の動き補償誤差や、動き推定の精度の粗さによって生じる標本点の小数精度の誤差に起因して、動き補償に用いるブロックの境界が目立つことがある。動き補償を小数画素精度で行えば、標本点の小数精度の誤差は改善できるものの、小数画素精度の画素位置の移動(位相シフト)を行うディジタルフィルタの特性に起因して輪郭のぼやけやリンギングが生じることがある。
In addition, in the conventional technique as disclosed in
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、入力映像から補間画像を生成する際に、解像度の低下やフリッカを防止し、かつ、高周波成分を含む鮮鋭な輪郭像を得ることが可能なフレーム補間装置及びそのプログラムを提供することにある。 An object of the present invention made in view of such circumstances is a frame capable of preventing a decrease in resolution and flicker and obtaining a sharp contour image including a high-frequency component when generating an interpolated image from an input video. An interpolation apparatus and a program thereof are provided.
上記課題を解決するため、本発明に係るフレーム補間装置は、入力映像の補間画像を生成するフレーム補間装置であって、入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、を備え、前記画像重畳部は、前記動きベクトルを算出する際の類似度に応じて、前記動き補償画像を部分領域ごとに重み付けして重畳することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a frame interpolation device according to the present invention is a frame interpolation device that generates an interpolated image of an input video, and includes a motion estimation source image, a motion estimation destination image, and a motion compensation source image from the input video. A frame selection unit that determines a plurality of sets; a motion estimation unit that obtains a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each set; and a scalar multiplication of the reference motion vector A motion compensation unit for obtaining an interpolated motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolated image corresponding to the reference motion vector ; and the interpolated motion vector for the plurality of motion compensation source images and an image superimposing unit configured to generate the interpolation image by superimposing a plurality of motion compensation image subjected to motion compensation in decimal precision, the image superimposition section, before Depending on the degree of similarity when calculating a motion vector, it characterized that you superimposes the motion compensated image by weighting each partial region.
また、本発明に係るフレーム補間装置は、入力映像の補間画像を生成するフレーム補間装置であって、入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、を備え、前記画像重畳部は、前記動き補償画像を点拡がり関数により畳み込み演算した後に重畳して前記補間画像を生成することを特徴とする。 The frame interpolation device according to the present invention, there is provided a frame interpolation device that generates an interpolated image of the input image, the motion estimation based on the image from the input image, the motion estimation target image, and a plurality of sets of motion compensated original image determination A frame selection unit that performs a motion estimation unit that obtains a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the groups; A motion compensation unit that obtains an interpolated motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolated image corresponding to a motion vector; and a motion of the plural sets of motion compensated source images with decimal accuracy using the interpolated motion vector It includes an image superimposing unit configured to generate the interpolation image by superimposing a plurality of motion compensation images subjected to compensation, and the image superimposing section, the point of the motion compensation image Superimposed after convolution operation by Galli function and generates the interpolation image.
また、本発明に係るフレーム補間装置は、入力映像の補間画像を生成するフレーム補間装置であって、入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、を備え、前記画像重畳部は、前記動き補償画像を入力映像の解像度よりも高解像な画像とすることを特徴とする。 The frame interpolation device according to the present invention, there is provided a frame interpolation device that generates an interpolated image of the input image, the motion estimation based on the image from the input image, the motion estimation target image, and a plurality of sets of motion compensated original image determination A frame selection unit that performs a motion estimation unit that obtains a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the groups; A motion compensation unit that obtains an interpolated motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolated image corresponding to a motion vector; and a motion of the plural sets of motion compensated source images with decimal accuracy using the interpolated motion vector by superimposing a plurality of motion compensation images subjected to compensation and an image superimposing unit configured to generate the interpolation image, the image superimposing section, enter the motion compensated image Characterized by a high-resolution image than the resolution of the image.
また、本発明に係るフレーム補間装置は、入力映像の補間画像を生成するフレーム補間装置であって、入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、を備え、前記画像重畳部は、前記動き補償画像を重畳した後、解像度を変換して前記補間画像を生成することを特徴とする。 The frame interpolation device according to the present invention, there is provided a frame interpolation device that generates an interpolated image of the input image, the motion estimation based on the image from the input image, the motion estimation target image, and a plurality of sets of motion compensated original image determination A frame selection unit that performs a motion estimation unit that obtains a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the groups; A motion compensation unit that obtains an interpolated motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolated image corresponding to a motion vector; and a motion of the plural sets of motion compensated source images with decimal accuracy using the interpolated motion vector by superimposing a plurality of motion compensation images subjected to compensation and an image superimposing unit configured to generate the interpolation image, the image superimposing section, heavy the motion compensated image After, and generates the interpolation image by converting the resolution.
また、上記課題を解決するため、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記フレーム補間装置として機能させることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a program according to the present invention causes a computer to function as the frame interpolation device.
本発明によれば、補間フレームの1画素に対して複数の参照フレームの画素の画素値が影響を及ぼすため、解像度の低下やフリッカを防止でき、かつ補間フレームの被写体の輪郭が滑らかになる。また、参照フレームが空間方向の折り返し歪を含む場合には、位置合わせによる折り返し歪成分の位相回転が複数フレームの重ね合わせにより相殺されて輪郭のジャギー(がたつき)が軽減するとともに、高周波成分を含む鮮鋭な輪郭像を得ることができる。 According to the present invention, since the pixel values of a plurality of reference frames affect one pixel of an interpolation frame, resolution reduction and flicker can be prevented, and the contour of the subject of the interpolation frame becomes smooth. In addition, when the reference frame includes aliasing distortion in the spatial direction, the phase rotation of the aliasing distortion component due to the alignment is canceled out by superimposing a plurality of frames, and the jaggy of the contour is reduced and the high frequency component is reduced. A sharp contour image including can be obtained.
以下、本発明によるフレーム補間装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本明細書では、fはフレーム番号を示し、I(f)はフレーム番号fの画像を示す。また、フレーム時刻位置をフレーム番号で表す。 Hereinafter, an embodiment of a frame interpolation device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this specification, f indicates a frame number, and I (f) indicates an image of the frame number f. The frame time position is represented by a frame number.
図1は、本発明の一実施形態に係るフレーム補間装置の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、フレーム補間装置1は、フレーム選択部10と、動き推定部20と、動き補償部30と、画像重畳部40と、を備える。フレーム選択部10は、フレーム記憶部11と、入出力切換部12と、選択制御部13と、を有する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a frame interpolation apparatus according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 1, the
フレーム補間装置1は、入力映像の複数の画像フレームから、フレーム時刻位置fqにおける補間画像を生成する。なお、フレーム時刻位置fqは整数時刻位置であっても、非整数時刻位置であっても構わない。例えば、fq=3.25は、フレーム番号3の画像と、フレーム番号4の画像の各時刻を1:3に内分した時刻位置を指す。
The
フレーム選択部10は、入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定する。動き推定元画像とは、後述する動き推定部20にて、動き推定の対象元となる画像フレームである。動き推定先画像とは、後述する動き推定部20にて、動き推定の対象先となる画像フレームである。動き補償元画像とは、後述する画像重畳部40にて、補間画像を生成するために重畳処理される画像フレームである。
The
フレーム記憶部11は、入力映像の現時点以前のフレームを2時点以上記憶する。例えば、フレーム記憶部11はリングバッファにより実現することができる。図1に示す例では、フレーム記憶部11は、現時点(フレーム番号ft−0)から過去6時点目(フレーム番号ft−6)までの7フレームを記憶・出力可能としている。 The frame storage unit 11 stores at least two frames of the input video before the current time. For example, the frame storage unit 11 can be realized by a ring buffer. In the example shown in FIG. 1, the frame storage unit 11 can store and output seven frames from the current time (frame number f t-0 ) to the sixth previous time point (frame number f t-6 ).
入出力切換部12は、例えばマトリックススイッチで構成され、各出力A,B,Pが、入力0から入力6のうち一つを選択するよう動作する。つまり、入出力切換部12の列121(出力A)は、フレーム記憶部11から動き推定元画像としてフレーム番号faの画像I(fa)を選択し、動き推定部20に出力する。入出力切換部12の列122(出力B)は、フレーム記憶部11から動き推定先画像としてフレーム番号fbの画像I(fb)を選択し、動き推定部20に出力する。入出力切換部12の列123(出力P)は、フレーム記憶部11から動き補償元画像としてフレーム番号fpの画像I(fp)を選択し、画像重畳部40に出力する。
The input /
なお、入出力切換部12は、複数の出力が一つの入力を選択しても構わないが、一つの出力が複数の入力を選択することは許されない。また、動き推定元画像のフレーム番号faと動き推定先画像のフレーム番号fbとは一致してはならないが、動き推定元画像のフレーム番号faと動き補償元画像のフレーム番号fpとは一致してもよく、また、動き推定先画像のフレーム番号fbと動き補償元画像のフレーム番号fpとが一致してもよい。
The input /
選択制御部13は、入出力切換部12の接点を制御する。選択制御部13は、入出力切換部12において閉じる接点の組み合わせパターンを複数通り試行する。例えば、選択制御部13は、時分割的に接点の組み合わせパターンを変化させる。
The
選択制御部13は、例えば、各出力が選択すべき入力を複数通りルックアップテーブルに記憶しておき、該ルックアップテーブルを順次参照することで入出力切換部12において閉じる接点の組み合わせパターンを複数通り試行することができる。
The
図2は、選択制御部13が参照するルックアップテーブルの例を示す図である。図2に示す例では、k=1〜13の13通りの組み合わせパターンを記憶している。k=1〜12のパターンでは出力Pと出力A、又は出力Pと出力Bとが共通の入力を選択し、K=13のパターンでは各出力が異なる入力を選択する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a lookup table referred to by the
また、選択制御部13は、内部にカウンタを有し、出力Aと出力Bとが同じ入力を選択する場合を除く複数の組み合わせを順次選択させてもよい。例えば、選択制御部13は、以下の疑似コード(C++言語の流儀にて記載)のように実装することができる。
for(int j = 0; j < nFrames; j++) {
Connect(B, j);
for(int i = 0; i < nFrames; i++) {
if(i == j) continue;
Connect(A, i);
MotionEstimation();
for(int m = 0; m < nFrames; m++) {
Connect(P, m);
MotionCompensation();
Overlay();
}
}
}
Further, the
for (int j = 0; j <nFrames; j ++) {
Connect (B, j);
for (int i = 0; i <nFrames; i ++) {
if (i == j) continue;
Connect (A, i);
MotionEstimation ();
for (int m = 0; m <nFrames; m ++) {
Connect (P, m);
MotionCompensation ();
Overlay ();
}
}
}
なお、関数Connect(s, t)により、出力sに対して入力tのみが選択されるように接点群を開閉すべく選択制御部13が制御されるものとする。また、nFramesはフレーム記憶部11の出力可能なフレーム時点数を表す自然数とする。図1の例では、nFrames=7である。また、MotionEstimation()、MotionCompensation()、及びOverlay()は、それぞれ後述する動き推定部20、動き補償部30、及び画像重畳部40の動作を行う関数である。
Note that the
図3は、フレーム補間装置の動作の概要を説明するための図である。以下、図3を参照して動き推定部20、動き補償部30、及び画像重畳部40について説明する。なお、フレーム番号fa,fb,fp,及びfqの時間の前後関係は任意である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the outline of the operation of the frame interpolation apparatus. Hereinafter, the
動き推定部20は、選択制御部13から入力された動き推定元画像I(fa)及び動き推定先画像I(fb)の類似度に基づき、動き推定元画像I(fa)内の各領域が動き推定先画像I(fb)内のどの領域に対応するかを求め、動き推定元画像I(fa)及び動き推定先画像I(fb)間の動きベクトルvnを動き補償部30に出力する。
Based on the similarity between the motion estimation original image I (f a ) and the motion estimation target image I (f b ) input from the
例えば、動き推定部20は、動き推定元画像内のn番目(nは1≦n≦Nなる自然数。Nは部分領域の総数であり自然数。)の部分領域(ブロック領域)Bnに対応する動き推定先画像I(fb)内の領域を求め、その結果を動きベクトルvnとする。動き推定元画像I(fa)及び動き推定先画像I(fb)の類似度に基づく動きベクトルvnの算出例を次式(1)〜(3)に示す。ここで、I(f;x)は、フレーム番号fの画像I(f)の画像座標x(xは2次元のベクトル)における画素値である。
For example, the
式(1)は絶対値誤差和(SAD;Sum of Absolute Difference)の最小化、式(2)は二乗誤差和(SSD;Sum of Squared Difference)の最小化、式(3)は正規化相互相関(NCC;Normalized Cross Correlation)の最大化に基づく動きベクトルvnの算出法である。 Equation (1) minimizes the sum of absolute differences (SAD), Equation (2) minimizes the sum of square errors (SSD), and Equation (3) normalizes the cross-correlation. a calculation method of a motion vector v n based on the maximization of; (Normalized Cross Correlation NCC).
なお、画像の部分領域同士の類似度を評価する手法であれば、式(1)〜(3)に示す以外の尺度によって動きベクトルvnを求めてもよい。また、図には示さないが、画像内の部分領域間の並進を表す動きベクトルvnだけではなく、拡大率や回転角をも求めることや、アフィン変換や射影変換(ホモグラフィ)などの幾何変換によって対応付けを求めることを行ってもよい。 Incidentally, as long as it is a method for evaluating the similarity of a partial region between the images may be obtained motion vector v n by a measure other than that shown in equation (1) to (3). Although not shown in the figure, not only the motion vector v n representing the translation between partial areas in the image, also and determining the enlargement ratio or the rotation angle, the geometry of affine transformation and projective transformation (homography) You may perform matching by conversion.
動き補償部30は、動き推定元画像のフレーム番号fa、動き推定先画像のフレーム番号fb、及び動き補償元画像のフレーム番号fpに基づき、動きベクトルvnを用いて部分領域Bnを変換(典型的には並進)して部分領域Cnを算出し、画像重畳部40に出力する。例えば、動き補償部30は、次式(4)により部分領域Cnを算出する。
また、動き補償部30は、次式(5)に示すように、動き推定元画像のフレーム番号fa、動き推定先画像のフレーム番号fb、動き補償元画像のフレーム番号fp、及び補間画像のフレーム時刻位置fqに基づく倍数によって動きベクトルvnをスカラー倍してベクトルunを算出し、画像重畳部40に出力する。
The
図3及び以下の説明において、選択制御部13がk回目の選択をしたときの処理であることを識別するために上付きの(k)を付して、動き推定元画像のフレーム番号をfa (k)、動き推定先画像のフレーム番号をfb (k)、動き補償元画像のフレーム番号をfp (k)、動きベクトルをvn (k)、動きベクトルをスカラー倍したベクトルをun (k)、変換後の部分領域をCn (k)というように記す。ここで、kは0以上K以下の整数であり、Kは自然数とする。
In FIG. 3 and the following description, a superscript (k) is added to identify the processing when the
画像重畳部40は、複数フレームの動き補償元画像I(fp)に対して動きベクトルに基づく小数精度(入力映像の画素間隔よりも細かい精度)の動き補償を行い、小数精度の動き補償を行った画像同士を小数精度で位相を合わせて重ね合わせることにより補間画像を生成する。具体的には、画像重畳部40は、積算画像J(k)、及び重み画像W(k)を用いて補間画像Hを生成するため、積算画像J(k)及び重み画像W(k)を格納するメモリを有する。
The
積算画像J(k)及び重み画像W(k)の解像度は共に、入力映像を構成する画像フレームの解像度と同じ、又はより高解像であるのが好適である。積算画像J(k)及び重み画像W(k)については、画像座標xが小数値を取り得るものとし、画像座標xにおける画素値をそれぞれJ(k)(x)及びW(k)(x)と記す。入力映像を構成する画像フレームにおける画像座標xは、積算画像J(k)及び重み画像W(k)における画像座標xに対応させるものとする。例えば、入力映像を構成する画像フレームが水平X画素、垂直Y画素である場合に、積算画像J(k)及び重み画像W(k)の解像度が水平SXX画素、垂直SYY画素である場合、積算画像J(k)及び重み画像W(k)は水平方向1/SX画素刻み、垂直方向1/SY画素刻みで標本化されるものとする。 Both of the resolutions of the integrated image J (k) and the weighted image W (k) are preferably the same as or higher than the resolution of the image frames constituting the input video. For the integrated image J (k) and the weighted image W (k) , the image coordinate x can take a decimal value, and the pixel values at the image coordinate x are represented by J (k) (x) and W (k) (x ). The image coordinate x in the image frame constituting the input video is assumed to correspond to the image coordinate x in the integrated image J (k) and the weighted image W (k) . For example, when the image frames constituting the input video are horizontal X pixels and vertical Y pixels, the resolution of the integrated image J (k) and the weighted image W (k) is horizontal S X X pixels and vertical S Y Y pixels. In some cases, the accumulated image J (k) and the weighted image W (k) are sampled in increments of 1 / S X pixels in the horizontal direction and 1 / S Y pixels in the vertical direction.
図4は、画像重畳部40の動作を示すフローチャートである。画像重畳部40は、まず、すべての標本点位置(画像座標)xについて、J(0)(x)=W(0)(x)=0とおいて初期化を行う(ステップS101)。そして、選択制御部13にて新たな動き推定元画像I(fa (k))、動き推定先画像I(fb (k))、動き補償元画像I(fp (k))の組が選択されるごとに、kを1だけインクリメントする(ステップS102)。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the
繰り返しk番目(k≧1)において、フレーム補間装置1は、フレーム番号fa (k)の動き推定元画像I(fa (k))と、フレーム番号fb (k)の動き推定先画像I(fb (k))と、フレーム番号fp (k)の動き補償元画像I(fp (k))とに基づき、積算画像J(k−1)に対して画素値を重畳することで、新たな積算画像J(k)を生成する(ステップS103)。
In repeated k-th (k ≧ 1), the
具体的には、選択制御部13がk回目(k≧1)の選択を行ったとき、画像重畳部40は、次式(6)で表される演算を行う。式(6)中の
は畳み込み演算を表す。また、wn (k)は非負の重み値、h(x)は点拡がり関数(PSF;Point Spread Function)を表す。
Specifically, when the
Represents a convolution operation. W n (k) represents a non-negative weight value, and h (x) represents a point spread function (PSF).
また、画像重畳部40は、フレーム番号fa (k)の動き推定元画像I(fa (k))と、フレーム番号fb (k)の動き推定先画像I(fb (k))とに基づき、重み画像W(k−1)に対して画像重畳を行うことで、新たな重み画像W(k)を生成する(ステップS104)。
The
具体的には、選択制御部13がk回目(k≧1)の選択を行ったとき、画像重畳部40は、次式(7)で表される演算を行う。
Specifically, when the
式(6),(7)における重み値wn (k)は定数(例えば1)であってもよいし、部分領域Cnごとに(すなわちnに応じて)可変であってもよいし、選択制御部13の選択パターンに応じて(すなわちkに応じて)可変であってもよいし、n及びkの両方に関して可変であってもよい。 The weight value w n (k ) in the expressions (6) and (7) may be a constant (for example, 1), may be variable for each partial region C n (that is, according to n), It may be variable according to the selection pattern of the selection control unit 13 (that is, according to k), or may be variable with respect to both n and k.
部分領域Cnごとに重み値wn (k)を変化させる方法としては、式(1)〜(3)で評価される画像の類似度の最適値(最小値又は最大値)に応じ、類似度が高い(誤差が小さい、又は相関が高い)ほど重みを大きくする方法がある。 As a method of changing the weight value w n (k) for each partial region C n , the similarity is determined according to the optimum value (minimum value or maximum value) of the similarity of the images evaluated by the expressions (1) to (3). There is a method of increasing the weight as the degree is high (the error is small or the correlation is high).
また、選択制御部13の選択パターンに応じて重み値wn (k)を変化させる方法としては、動き推定元画像のフレーム番号fa (k)、動き推定先画像のフレーム番号fb (k)、動き補償元画像のフレーム番号fp (k)、及び補間画像のフレーム時刻位置fqの時間の間隔に応じて設定する方法がある。例えば、次式(8)に示すように、動き推定のフレーム間隔|fp (k)−fq|や動き補償のフレーム間隔|fa (k)−fb (k)|が短いほど重みが大きくなるよう設定することができる。
Further, as a method of changing the weight value w n (k) in accordance with the selection pattern of the
式(6)で用いられる点拡がり関数h(x)は、2次元単位インパルスであってもよいし、それ以外の関数であっても構わない。例えば、点拡がり関数h(x)として、打ち切りSinc関数やLanczos関数を用いることができる。例えば、点拡がり関数h(x)を、Lanczos−3関数Lに基づき、次式(9)のように定義することができる。なお、Cはh(x)の直流ゲインが1となるように正規化するための係数である。α及びβは、点拡がり関数の拡がり(すなわちカットオフ周波数)を調整するためのパラメータである。α及びβは、例えば正の定数とし、好ましくは1以下とする。例えば、α=β=0.8とする。 The point spread function h (x) used in Expression (6) may be a two-dimensional unit impulse, or may be a function other than that. For example, a censored Sinc function or a Lanczos function can be used as the point spread function h (x). For example, based on the Lanczos-3 function L, the point spread function h (x) can be defined as the following equation (9). C is a coefficient for normalization so that the DC gain of h (x) is 1. α and β are parameters for adjusting the spread (that is, the cut-off frequency) of the point spread function. α and β are, for example, positive constants, preferably 1 or less. For example, α = β = 0.8.
画像重畳部40は、k=Kとなるまでの間、ステップS102〜ステップS104の処理を繰り返し行う(ステップS105)。そして、画像重畳部40は、繰り返しK回目において、次式(10)に示すように、画素ごとに積算画像J(K)を重み画像W(K)によって除することにより、補間画像H(fq)を生成し、出力する(ステップS106)。
The
画像重畳部40は、必要に応じて、式(10)によって得られた画像の解像度を変換してから出力してもよい。例えば、画像重畳部40は、入力映像の画像フレームの解像度と一致するよう補間画像H(fq)の解像度を変換してもよい。また、画像重畳部40は、補間画像H(fq)を内挿補間などにより補間してさらに解像度を上げてもよい。
The
以上説明したように、フレーム補間装置1は、フレーム選択部10により入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定し、動き推定部20により動き推定元画像及び動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルvnを求め、動き補償部30により基準動きベクトルをスカラー倍して、動き補償元画像及び補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルunを求め、画像重畳部40により複数組の動き補償元画像について補間動きベクトルunにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して補間画像を生成する。
As described above, in the
このため、フレーム補間装置1によれば、補間フレームの1画素に対して複数の参照フレームの画素の画素値が影響を及ぼすため、補間フレームの被写体の輪郭が滑らかになる。また、参照フレームが空間方向の折り返し歪を含む場合には、位置合わせによる折り返し歪成分の位相回転が複数フレームの重ね合わせにより相殺されて輪郭のジャギー(がたつき)が軽減するとともに、高周波成分を含む鮮鋭な輪郭像を得ることができる。この輪郭像の鮮鋭化は、複数フレームの位置合わせを行って高域成分を復元する複数フレーム超解像技術でも同様の効果を得ることができるが、複数フレーム超解像技術は重ね合わせた複数フレームのうちあるフレーム時刻における鮮鋭化画像を生成するのに対し、本発明に係る方法では重ね合わせた複数フレームに含まれる時点はもちろん、含まれない時点(小数フレーム時点であっても構わない)における鮮鋭化画像をも生成し得る点で上位互換である。
For this reason, according to the
ここで、画像重畳部40は、動きベクトルを算出する際の類似度や、動き推定元画像、動き推定先画像、動き補償元画像、及び補間画像の時刻位置に応じて、動き補償画像を重み付けして重畳するのが好適である。これにより、動き推定の類似度や、補間画像の算出に用いる画像と補間画像との時間間隔に応じた信頼度の高低を重み付けにより反映することができるため、領域ごとに信頼性の高い画像重畳が可能となる。
Here, the
また、画像重畳部40は、動き補償画像を点拡がり関数により畳み込み演算した後に重畳して補間画像を生成するのが好適である。これにより、動き補償の結果、標本位置が完全に対応しない場合でも補間により値を補うことが可能となる。また、点拡がり関数の拡がり(例えば、標準偏差)の出力画像の画素間隔に応じて適切に設計すれば(例えば、標準偏差が0.5画素程度)、(入力画像が折り返し歪を含む場合には)超解像効果による先鋭化が可能となる。
In addition, it is preferable that the
また、画像重畳部40は、前記重ね合わせ処理を、入力映像の解像度よりも高解像な画像上にスケーリングして実行するのが好適である。これにより、前記高解像な画像上における1画素間隔が、入力映像上における1画素未満の間隔に対応するため、入力映像の解像度を基準としたときの小数精度の重ね合わせ処理を実現することができる。また、小数精度の重ね合わせ処理を、入力映像の解像度と同じ又はそれ未満の画像上で行う場合には、小数精度の位相シフトを行うディジタルフィルタ処理が必要であるのに対し、本発明に係る方法のように入力映像の解像度よりも高解像な画像上で重ね合わせ処理を行う場合には前記ディジタルフィルタ処理を省略しても構わない。さらに、本発明に係る方法によれば、重ね合わせ処理を行った結果の画像は入力映像の解像度よりも高いため、単純な補間よりも高画質な画像拡大処理を兼務させることができる。
In addition, it is preferable that the
また、画像重畳部40は、必要に応じて、動き補償画像を重畳した後、解像度を変換した画像を補間画像としてもよい。解像度を下げる場合にはオーバサンプリングの効果を生じるため、補間画像に折り返し歪が生じにくくなる。また、解像度を上げる場合には、重畳処理を行わずに解像度を上げる場合と比較して、必要となるメモリ容量を少なくすることができる。
In addition, the
なお、上述したフレーム補間装置1として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、フレーム補間装置1の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを、当該コンピュータの記憶部に格納しておき、当該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。
It should be noted that a computer can be suitably used to cause the above-described
上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の構成ブロックは複数を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the above embodiments have been described as representative examples, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims. For example, a plurality of constituent blocks described in the embodiments can be combined into one or divided.
このように、本発明によれば、複数の参照画像から高画質な補間画像を生成することができるので、補間画像を生成する任意の用途に有用である。 Thus, according to the present invention, a high-quality interpolated image can be generated from a plurality of reference images, which is useful for any application for generating an interpolated image.
1 フレーム補間装置
10 フレーム選択部
11 フレーム記憶部
12 入出力切換部
121,122,123 マトリックススイッチの列
13 選択制御部
20 動き推定部
30 動き補償部
40 画像重畳部
100,200 動き推定元画像
101,201 動き推定先画像
102,202 動き補償元画像
103,203 補間画像の時刻位置
300 補間画像
DESCRIPTION OF
Claims (5)
入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、
前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、
前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、
前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、
を備え、
前記画像重畳部は、前記動きベクトルを算出する際の類似度に応じて、前記動き補償画像を部分領域ごとに重み付けして重畳することを特徴とするフレーム補間装置。 A frame interpolator for generating an interpolated image of an input video,
A frame selection unit that determines a plurality of sets of a motion estimation source image, a motion estimation destination image, and a motion compensation source image from an input video;
A motion estimation unit for obtaining a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the sets ;
A motion compensation unit that multiplies the reference motion vector by a scalar to obtain an interpolation motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolation image corresponding to the reference motion vector ;
An image superimposing unit that generates the interpolated image by superimposing a plurality of motion compensated images that have been subjected to motion compensation with decimal accuracy using the interpolated motion vector for the plurality of sets of motion compensated original images;
Equipped with a,
The image superimposing unit, depending on the degree of similarity when calculating the motion vector, frame interpolation device characterized that you superimposed by weighting the motion compensation image in each partial area.
入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、
前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、
前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、
前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、
を備え、
前記画像重畳部は、前記動き補償画像を点拡がり関数により畳み込み演算した後に重畳して前記補間画像を生成することを特徴とするフレーム補間装置。 A frame interpolator for generating an interpolated image of an input video,
A frame selection unit that determines a plurality of sets of a motion estimation source image, a motion estimation destination image, and a motion compensation source image from an input video;
A motion estimation unit for obtaining a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the sets;
A motion compensation unit that multiplies the reference motion vector by a scalar to obtain an interpolation motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolation image corresponding to the reference motion vector;
An image superimposing unit that generates the interpolated image by superimposing a plurality of motion compensated images that have been subjected to motion compensation with decimal accuracy using the interpolated motion vector for the plurality of sets of motion compensated original images;
With
The image superimposing unit, the motion compensated image frame interpolation device you and generates the interpolation image superimposed after convolution with the point spread function.
入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、
前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、
前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、
前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、
を備え、
前記画像重畳部は、前記動き補償画像を入力映像の解像度よりも高解像な画像とすることを特徴とするフレーム補間装置。 A frame interpolator for generating an interpolated image of an input video,
A frame selection unit that determines a plurality of sets of a motion estimation source image, a motion estimation destination image, and a motion compensation source image from an input video;
A motion estimation unit for obtaining a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the sets;
A motion compensation unit that multiplies the reference motion vector by a scalar to obtain an interpolation motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolation image corresponding to the reference motion vector;
An image superimposing unit that generates the interpolated image by superimposing a plurality of motion compensated images that have been subjected to motion compensation with decimal accuracy using the interpolated motion vector for the plurality of sets of motion compensated original images;
With
The image superimposing section, frame interpolation device you characterized in that a high-resolution image than the resolution of the input image to the motion-compensated image.
入力映像から動き推定元画像、動き推定先画像、及び動き補償元画像の組を複数組決定するフレーム選択部と、
前記組ごとに、前記動き推定元画像及び前記動き推定先画像間の動きベクトルである基準動きベクトルを求める動き推定部と、
前記基準動きベクトルをスカラー倍して、該基準動きベクトルに対応する組の前記動き補償元画像及び前記補間画像間の動きベクトルである補間動きベクトルを求める動き補償部と、
前記複数組の動き補償元画像について前記補間動きベクトルにより小数精度で動き補償を行った複数の動き補償画像を重畳して前記補間画像を生成する画像重畳部と、
を備え、
前記画像重畳部は、前記動き補償画像を重畳した後、解像度を変換して前記補間画像を生成することを特徴とするフレーム補間装置。 A frame interpolator for generating an interpolated image of an input video,
A frame selection unit that determines a plurality of sets of a motion estimation source image, a motion estimation destination image, and a motion compensation source image from an input video;
A motion estimation unit for obtaining a reference motion vector that is a motion vector between the motion estimation source image and the motion estimation destination image for each of the sets;
A motion compensation unit that multiplies the reference motion vector by a scalar to obtain an interpolation motion vector that is a motion vector between the motion compensation source image and the interpolation image corresponding to the reference motion vector;
An image superimposing unit that generates the interpolated image by superimposing a plurality of motion compensated images that have been subjected to motion compensation with decimal accuracy using the interpolated motion vector for the plurality of sets of motion compensated original images;
With
The image superimposing unit, after superimposing the motion compensation image, frame interpolation device you and generates the interpolation image by converting the resolution.
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