JP6468703B2 - 動き検出装置、動き検出方法及びプログラム - Google Patents

動き検出装置、動き検出方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、特に、符号化処理において動きベクトルを算出するために用いて好適な動き検出装置、動き検出方法及びプログラムに関する。
H.26xやMPEG、HEVC等の符号化方式では、動画の1フレームを複数のブロックに分割し、ブロック単位に符号化を行う。圧縮符号化の方式として、時間的相関性を利用した符号化方式(インター符号化)と、空間的相関性を利用した符号化方式(イントラ符号化)とがある。その中で、時間的相関を利用した符号化方式では、フレーム間の動きを探索し、当該ブロックの動きベクトルおよびブロック間の差分を求めて符号化を行う。
インター符号化を行う際に、最も相関の高い動きベクトルを高精度に求めるためには、全探索を行うことが考えられる。しかし、例えば8ビット、16×16画素のブロックを参照フレームの探索領域である64×64画素の全てと比較すると、8ビットの比較演算が16×16×64×64=1048576回必要となる。このように全探索を行うと、計算コストが膨大なものになってしまう。
そこで、計算コストを削減するために、二値画像やN(N≧2)値画像を用いた動き探索方式など様々な方式が提案されている(例えば特許文献1参照)。二値画像を用いた探索方式では、入力画像として二値画像を用いることにより一画素あたりの計算コストを8ビットから1ビットに低減することができる。また、二値画像やN値画像を用いた探索方式で検出した動きベクトルを探索の中心とし、小さい探索領域に対して多値画像で動き探索を行う方式も提案されている(例えば特許文献2参照)。この方式では、多値画像で探索する領域を小さくすることにより、多値画像で全探索領域を探索する場合と比較して計算コストを低減することができる。
特開平5−49017号公報 特開2008−61133号公報
しかしながら、従来の二値画像を用いた探索方式では、入力画像として二値画像を用いると2ビットで探索を行うため、計算コストは少ないが探索精度が低下してしまい、特に画像の中の平坦な箇所では探索精度が低下してしまう。この理由について図2を用いて説明する。
図2において、現フレーム多値画像201及び参照フレーム多値画像202の中の太枠に囲まれたブロック205、206は、他のブロックと画素値が異なることを示す。なお、図2の各四角形のマスは1画素を表している。図2に示す例の場合、現フレーム多値画像201及び参照フレーム多値画像202をそれぞれ二値化した結果、現フレーム二値画像203及び参照フレーム二値画像204の画素値には、変化が表れていない。この理由は、現フレーム多値画像201や参照フレーム多値画像202における画素値の変化が乏しいためである。このように現フレーム多値画像201や参照フレーム多値画像202が平坦な画像であり画像の中の画素値の変化が乏しいと、二値画像に変換すると全く画素の変化がない画像になってしまう。
また、動きベクトルの探索については、説明を簡単にするために、2×2画素のブロックに対して、6×6画素の探索領域を探索することとする。現フレーム多値画像201の太枠で囲んだ2×2画素のブロック205が探索する対象ブロックとすると、一例として、参照フレーム多値画像202の太枠で囲んだ2×2画素のブロック206とブロックマッチングする。また、現フレーム二値画像203中の2×2画素のブロック207がブロック205に対応している。したがって、参照フレーム二値画像204中の太枠で囲んだ2×2画素のブロック208がブロック207とマッチングすることとなる。
以上のように、平坦な箇所では、多値画像を用いた探索方式の結果と二値画像を用いた探索方式の結果とが異なる場合がある。つまり、二値画像を用いた探索方式の場合は探索精度が低下してしまい、符号化効率が低下するという問題がある。
また、二値画像やN値画像を用いた探索方式で検出した動きベクトルを探索の中心として、小さい探索領域に対して多値画像で動き探索する場合も、多値画像で探索領域を全て探索する場合よりは計算コストは少ないが、探索精度が低下してしまう。つまり、探索精度が低いため、二値画像やN値画像を用いた探索方式で検出した動きベクトルが最も相関の高い動きベクトルから大きく外れてしまう可能性がある。また、多値画像を用いた探索方式の探索領域は小さいため、最も相関の高い動きベクトルから大きく外れてしまうと、多値画像を用いた動き探索で最も相関の高い動きベクトルに近づけることができなくなってしまい、探索精度が低下してしまう。
本発明は前述の問題点に鑑み、計算コストを少なくして、かつ高精度に動き探索を行うことができるようにすることを目的としている。
本発明に係る動き検出装置は、第1の画像に基づいて、前記第1の画像よりも階調数が少ない画像を生成する生成手段と、前記生成手段によって生成された前記階調数が少ない画像に基づいて動き検出を行う第1の動き検出手段と、前記第1の画像におけるブロックの画素値の平均値を用いて、当該ブロックにおけるアクティビティ値を算出する算出手段と、前記第1の動き検出手段の検出結果に基づく動きベクトル、または、他のベクトルを、前記第1の画像の第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する決定手段とを有し、前記決定手段は、前記第1のブロックにおける前記アクティビティ値が閾値未満の場合に、前記他のベクトルを、前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定し、前記他のベクトルは、前記第1のブロックの周囲の複数のブロックにおける複数の動きベクトルから予測されたベクトルであり、前記複数のブロックは、前記第1のブロックの左のブロック、上のブロック、及び、右上のブロックである
本発明によれば、計算コストを少なくして、かつ高精度に動き探索を行うことができる。
本発明の第1の実施形態に係る動き探索装置の構成例を示すブロック図である。 現フレーム多値画像及び参照フレーム多値画像をそれぞれ二値化した結果の一例を示す図である。 予測ベクトルPMVを説明するための概念図である。 本発明の第2の実施形態に係る動き探索装置の構成例を示すブロック図である。 動き探索を行う範囲を説明するための図である。 本発明の第3の実施形態に係る動き探索装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態において、動きベクトルを選択する処理手順の一例を示すフローチャートである。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る動き探索装置100の構成例を示すブロック図である。以下、本実施形態に係る動き探索装置100による処理について図1を参照しながら説明する。
図1において、ブロックRAM101は、動き探索装置100に入力された原画像を保持する。ここで、原画像は、動画を構成するフレーム画像を矩形領域に分割した複数の画素群からなるブロックの単位で入力される。
N値画像生成部102は、入力された原画像からより階調数の少ないN値画像を生成する。本実施形態では、原画像は8ビットとし、N値画像は2値画像とするが、これに限定されず、原画像は10ビットや12ビットでもよいし、N値画像は4値画像や8値画像でもよい。N値画像ブロックRAM103は、N値画像生成部102により生成されたN値画像を保持する。N値画像は、フレームを矩形領域に分割した複数の画素群からなるブロックの単位で入力される。
N値画像フレームバッファ110は、N値画像生成部102から出力されたN値画像を保持する。そして、入力されたN値画像は、後続するフレームの符号化において参照フレームとして用いられるため、少なくとも次のフレームまで遅延させた後に、N値遅延フレーム画像として出力する。N値画像探索範囲RAM107は、N値画像フレームバッファ110から出力されたN値遅延フレーム画像のうち、探索範囲として設定されたN値画像参照データ群を格納する。
N値画像動き探索部104は、ブロックマッチング処理に基づく動き探索処理を行う。まず、N値画像動き探索部104は、処理対象ブロックに対応する探索範囲を計算する。そして、N値画像探索範囲RAM107から、探索範囲として設定されたN値画像参照データを読み出す。また、N値画像ブロックRAM103から、処理対象となるN値画像のデータを読み出す。
次に、N値画像動き探索部104は、読み出した処理対象のN値画像のデータと、N値画像参照データとのブロックマッチングを行う。この処理では、探索範囲内のN値画像参照データに対して、処理対象のN値画像のブロックを順次ずらしていきながらマッチングを行う。そして、最も高い類似度と評価された際の位置をもとに検出結果としてN値画像探索ベクトルbinMVを算出し、特徴量算出部105及び選択部106へ出力する。
ここで、N値画像は二値画像であるため、N値画像ブロック相互の類似度の指標としては、一般的な対応画素間の排他的論理和の合計(XORSUM値)を用いる。二値画像におけるXORSUM値は、多値画像におけるSAD(Sum of Absolute Difference)と同一である。例えば、処理対象のN値画像(x画素×y画素)の各画素値をOrgbin(0,0)〜Orgbin(x−1,y−1)とする。また、マッチング対象として対応するN値画像参照データ(x画素×y画素)の各画素値をRefbin(0,0)〜Refbin(x−1,y−1)とする。これらのXORSUM値は以下の式(1)により算出される。
Figure 0006468703
排他的論理和は入力値が異なる際に真となるため、XORSUM値が小さいほど類似度が高く、大きいほど類似度が低いとみなすことができる。本実施形態では、類似度としてXORSUM値を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、N値画像においては、前述したSADを用いてもよい。本実施形態においては、N値画像動き探索部104は、探索範囲内の全候補点に対して、ブロックマッチングを行う全探索法により動き探索を行う。しかしながら、処理時間や回路コスト等に応じて探索方法を適宜選択するようにしてもよい。
特徴量算出部105は、処理対象ブロックの特徴量を算出する。具体的にはまず、特徴量算出部105は、ブロックRAM101から原画像の処理対象ブロックを読み出し、画像の平坦度を示す指標値としてActivity値を算出する。例えば、処理対象ブロック(x画素×y画素)の各画素値をOrg(0,0)〜Org(x−1,y−1)とし、処理対象ブロックの画素平均値をAverage値とする。そのとき、処理対象ブロックの特徴量を示すActivity値は、以下の式(2)により算出される。
Figure 0006468703
また、特徴量算出部105は、N値画像探索ベクトルbinMVが指す位置のブロックのXORSUM値と、基準ベクトル算出部109が出力する基準ベクトルが指す位置のブロックのXORSUM値との差分も算出する。ここで、基準ベクトルとは、本実施形態においては周囲のブロックの動きベクトルから算出される予測ベクトルPMVのことである。予測ベクトルPMVは、処理対象ブロックが画像の端部に位置しない場合は、処理対象ブロックの左、上、右上に位置する各ブロックの動きベクトルの中央値medianをとって算出される。
図3は、予測ベクトルPMVを説明するための概念図である。図3において、ブロック302は、処理対象ブロック301の左側のブロックであり、ブロック303は処理対象ブロック301の上側のブロックであり、ブロック304は処理対象ブロック301の右上のブロックである。例えば、処理対象ブロック301の左側のブロック302の動きベクトルをmvA(x1,y1)、処理対象ブロック301の上側のブロック303の動きベクトルをmvB(x2,y2)とする。そして、処理対象ブロック301の右上のブロック304の動きベクトルをmvC(x3,y3)とする。このとき、処理対象ブロック301の予測ベクトルPMV(x,y)は、以下の式(3)及び式(4)により算出される。
PMV(x)=median(x1,x2,x3) ・・・(3)
PMV(y)=median(y1,y2,y3) ・・・(4)
具体的な手順としては、まず、特徴量算出部105は、N値画像ブロックRAM103から処理対象であるN値画像のブロックのデータを読み出し、N値画像探索範囲RAM107からN値画像参照データを読み出す。そして、特徴量算出部105は、N値画像動き探索部104で算出されたN値画像探索ベクトルbinMVが指す位置のブロックのXORSUM値であるMIN_XORSUM値を算出する。このMIN_XORSUM値は、N値画像動き探索部104でも算出されているので、N値画像動き探索部104から特徴量算出部105に直接その情報を出力してもよい。
次に、特徴量算出部105は、基準ベクトルが指す位置のブロックのXORSUM値であるSTDMV_XORSUM値を算出する。そして、N値画像探索ベクトルbinMVが指す位置のブロックのXORSUM値と基準ベクトルが指す位置のブロックのXORSUM値との差分DIFF_XORSUM値を、以下の式(5)により算出する。
DIFF_XORSUM=STDMV_XORSUM−MIN_XORSUM ・・・(5)
特徴量算出部105は、以上のように算出したActivity値とDIFF_XORSUM値とを選択部106へ出力する。
選択部106は、入力されたActivity値とDIFF_XORSUM値とに基づき、N値画像探索ベクトルと基準ベクトルとのいずれかから最終的な動きベクトルを決定する。まず、選択部106は、入力されたActivity値とDIFF_XORSUM値とが、それぞれに予め定められた閾値未満か否かを判別する。そして、Activity値が閾値未満、もしくはDIFF_XORSUM値が閾値未満であった場合は、動きベクトルとして基準ベクトルを選択する。一方、Activity値が閾値以上かつDIFF_XORSUM値が閾値以上の場合は、動きベクトルとしてN値画像探索ベクトルを選択する。
本実施形態では、Activity値及びDIFF_XORSUM値と比較するそれぞれの閾値は予め定められたものとしているが、これに限定されるものではなく、動き探索装置100の外部から閾値を与えるようにしてもよい。また、本実施形態では、Activity値とDIFF_XORSUM値とを用いて動きベクトルを決定しているが、これに限定されるものではなく、Activity値だけを用いて決定してもよいし、DIFF_XORSUM値だけを用いて決定してもよい。また、ブロックの輝度平均値や色差平均値を動きベクトルを決定する際に用いてもよい。さらに、本実施形態では、Activity値が閾値未満、もしくはDIFF_XORSUM値が閾値未満の場合に基準ベクトルを選択することとするが、これに限定されるものではない。例えば、Activity値が閾値未満かつDIFF_XORSUM値が閾値未満の場合に基準ベクトルを選択する構成でもよい。
動きベクトルRAM108は、選択部106が出力した動きベクトルを保持する。基準ベクトル算出部109は、動きベクトルRAM108から処理対象ブロックの周辺ブロックの動きベクトルを読み出し、基準ベクトルである予測ベクトルPMVを算出する。算出した基準ベクトルは、特徴量算出部105と選択部106とに出力される。なお、本実施形態では、基準ベクトルを予測ベクトルPMVとしたが、これに限定されるものではない。例えば、基準ベクトルを0ベクトル(MV=(0,0))としてもよい。
以上のように本実施形態によれば、Activity値およびDIFF_XORSUM値が所定値以上の場合に、動きベクトルとしてN値画像探索ベクトルを選択するようにした。このように、N値画像を用いた動き探索の精度が低い場合には、動きベクトルを基準ベクトルに置き換えることによって、探索精度を向上させることができる。H.26xやMPEG、HEVC等の符号化方式では動きベクトルと基準ベクトルとの差分を符号化するため、動きベクトルを基準ベクトルに置き換えることにより、符号量を減らすこともできる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図4は、本実施形態に係る動き探索装置400の構成例を示すブロック図である。なお、図1と同じ符号を付している構成については第1の実施形態と同様であるため、説明は省略する。以下、第1の実施形態と異なる点について説明する。
図4において、多値画像動き探索部411は、選択部106が出力した動きベクトルを基準位置として、多値画像を使用した動き探索を行う。多値画像フレームバッファ413は、原画像をブロック単位で保持し、後続するフレームの符号化において参照フレームとして原画像を用いるために、少なくとも次のフレームまで遅延させた後、遅延フレーム画像として出力する。多値画像探索範囲RAM412は、多値画像フレームバッファ413から出力された遅延フレーム画像のうち、探索範囲として設定された遅延フレーム画像を多値画像参照データ群として格納する。
多値画像動き探索部411は、まず、処理対象ブロックに対応する探索範囲を計算する。そして、多値画像探索範囲RAM412から、探索範囲として設定された多値画像参照データを読み出すとともに、ブロックRAM101から、処理対象となる原画像のデータを読み出す。次に、多値画像動き探索部411は、読み出した処理対象の原画像のデータと、多値画像参照データとのブロックマッチングを行う。この処理では、探索範囲内の多値画像参照データに対して、処理対象の原画像のブロックを順次ずらしていきながらマッチングを行う。そして、最も高い類似度と評価された際の位置をもとに探索ベクトルMVを動きベクトルとして算出する。
ここで、図5を参照しながら探索範囲について説明する。多値画像動き探索部411は、対象ブロック502を基準点とするのではなく、動きベクトル503が指すブロック504を基準位置として動き探索を行う。このとき、探索範囲は、二値画像を用いた動き探索の探索範囲501よりも小さい探索範囲505について全探索を行う。
以上のように本実施形態によれば、N値画像の動き探索の精度が低い場合に基準ベクトルを動きベクトルに置き換え、該動きベクトルを基準としてより小さい範囲で多値画像の動き探索を行うようにした。これによって、探索精度をより向上させることができる。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図6は、本実施形態に係る動き探索装置600の構成例を示すブロック図である。図6において、図4と同一の構成については、それぞれ図4の対応するブロックと同一であるため、説明を省略する。以下、第2の実施形態と異なる点について説明する。
カメラパラメータ取得部614は、動き探索装置600自体が動いているか、もしくは静止しているかをモーションセンサで検出して、その情報(カメラパラメータ)を取得する。そして、取得したカメラパラメータを選択部606へ出力する。すなわち、現画像を撮影した不図示の撮像部が動いているか、もしくは静止しているかを検出することとなる。
選択部606は、特徴量(Activity値及びDIFF_XORSUM値)とカメラパラメータとに基づいて二値画像探索ベクトルまたは基準ベクトルを選択する。ここで、選択部606の動作について、図7を参照しながら説明する。
図7は、選択部606により動きベクトルを選択する処理手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップS701において、カメラパラメータより不図示の撮像部が動いているかどうかを判別する。この判別の結果、撮像部が動いている場合はステップS702に進み、撮像部が静止している場合はステップS705に進む。
次に、ステップS702において、Activity値が閾値未満かどうかを判別する。この判別の結果、Activity値が閾値未満である場合はステップS704に進み、動きベクトルとして予測ベクトルPMVを選択する。一方、Activity値が閾値以上の場合はステップS703に進む。そして、ステップS703において、基準ベクトルを予測ベクトルPMVとしたときにDIFF_XORSUM値が閾値未満であるかどうかを判別する。この判別の結果、DIFF_XORSUM値が閾値未満である場合はステップS704に進み、DIFF_XORSUM値が閾値以上である場合はステップS708に進む。ステップS708においては、動きベクトルとしてN値画像探索ベクトルbinMVを選択する。
一方、ステップS705においては、Activity値が閾値未満かどうかを判別する。この判別の結果、Activity値が閾値未満である場合はステップS707に進み、動きベクトルとして0ベクトル(MV=(0,0))を選択する。一方、Activity値が閾値以上である場合はステップS706に進む。そして、ステップS706において、基準ベクトルを0ベクトルとしたときにDIFF_XORSUM値が閾値未満であるかどうかを判別する。この判別の結果、DIFF_XORSUM値が閾値未満である場合はステップS707に進み、DIFF_XORSUM値が閾値以上である場合はステップS708に進む。
以上のように、撮像部に動きがある場合は基準ベクトルとして予測ベクトルPMVを採用し、撮像部に動きがない場合は基準ベクトルとして0ベクトルを採用する。なお、本実施形態では、撮像部が動いているか、静止しているかの情報をカメラパラメータとして用いたが、露出パラメータやカメラの撮影モード等を用いてもよい。
以上のように本実施形態によれば、撮像部に動きがあり、かつN値画像動き探索の精度が低い場合には基準ベクトルとして予測ベクトルPMVに動きベクトルを置き換える。一方、撮像部に動きがなく、かつN値画像動き探索の精度が低い場合には基準ベクトルとして0ベクトルに動きベクトルを置き換える。また、該動きベクトルを基準として小さい範囲で多値画像を用いた動き探索を行うことによって、探索精度をさらに向上させることができる。特に、撮像部に動きがない場合は、フレーム内の大部分において動きがない可能性が高いため、動きベクトルを0ベクトルに置き換えることによって符号量を減らすことができる。
(その他の実施形態)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
102 N値画像生成部
104 N値画像動き探索部
105 特徴量算出部
106 選択部

Claims (8)

  1. 第1の画像に基づいて、前記第1の画像よりも階調数が少ない画像を生成する生成手段と、
    前記生成手段によって生成された前記階調数が少ない画像に基づいて動き検出を行う第1の動き検出手段と、
    前記第1の画像におけるブロックの画素値の平均値を用いて、当該ブロックにおけるアクティビティ値を算出する算出手段と、
    前記第1の動き検出手段の検出結果に基づく動きベクトル、または、他のベクトルを、前記第1の画像の第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する決定手段と
    を有し、
    前記決定手段は、前記第1のブロックにおける前記アクティビティ値が閾値未満の場合に、前記他のベクトルを、前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定し、
    前記他のベクトルは、前記第1のブロックの周囲の複数のブロックにおける複数の動きベクトルから予測されたベクトルであり、
    前記複数のブロックは、前記第1のブロックの左のブロック、上のブロック、及び、右上のブロックである
    ことを特徴とする動き検出装置。
  2. 前記第1のブロック及び前記周囲のブロックは、前記第1の画像を分割したブロックであり、
    前記決定手段は、前記ブロック単位で前記動きベクトルを決定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の動き検出装置。
  3. 前記決定手段は、前記他のベクトルが示す位置のブロックにおける画素値と、前記第1のブロックにおける画素値との間の第1の差分絶対値和と、前記第1の動き検出手段の検出結果に基づく動きベクトルが示す位置のブロックにおける画素値と、前記第1のブロックにおける画素値との間の第2の差分絶対値和との差分が閾値未満の場合に、前記他のベクトルを、前記第1の画像の前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の動き検出装置。
  4. 前記決定手段は、前記第1のブロックにおける前記アクティビティ値が閾値以上であり、かつ、前記第1の差分絶対値和と前記第2の差分絶対値和との差分が閾値以上である場合に、前記第1の動き検出手段の検出結果に基づく動きベクトルを、前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する
    ことを特徴とする請求項に記載の動き検出装置。
  5. 前記決定手段によって決定された動きベクトルを基準として原画像における動き検出を行う第2の動き検出手段
    をさらに有することを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の動き検出装置。
  6. 前記第1の画像を撮影した撮像部の動きに係る情報を取得する取得手段をさらに有し、
    前記決定手段は前記取得手段によって取得された前記撮像部の動きに係る情報に基づいて、前記第1の動き検出手段の検出結果に基づく動きベクトル、または、前記他のベクトルを、前記第1の画像の前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する
    ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の動き検出装置。
  7. 第1の画像に基づいて、前記第1の画像よりも階調数が少ない画像を生成する生成工程と、
    前記生成工程によって生成された前記階調数が少ない画像に基づいて動き検出を行う第1の動き検出工程と、
    前記第1の画像におけるブロックの画素値の平均値を用いて、当該ブロックにおけるアクティビティ値を算出する算出工程と、
    前記第1の動き検出工程における検出結果に基づく動きベクトル、または、他のベクトルを、前記第1の画像の第1のブロックにおける動きベクトルとして決定する決定工程と
    を有し、
    前記決定工程において、前記第1のブロックにおける前記アクティビティ値が閾値未満の場合に、前記他のベクトルを、前記第1のブロックにおける動きベクトルとして決定し、
    前記他のベクトルは、前記第1のブロックの周囲の複数のブロックにおける複数の動きベクトルから予測されたベクトルであり、
    前記複数のブロックは、前記第1のブロックの左のブロック、上のブロック、及び、右上のブロックである
    ことを特徴とする動き検出方法。
  8. 請求項1〜の何れか1項に記載の動き検出装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
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