KR0174955B1 - 움직임 추정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 픽셀의 밝기에 대한 평균과 경사도를 이용하여 움직임 벡터를 검출하는 움직임 추정 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 장치는, 현재 프레임과 이전 프레임간의 영역화에 따라 분할된 각 블록내의 픽셀의 밝기 레벨의 평균을 산출하는 평균 계산부; 현재 프레임에 해당되는 탐색 블록의 평균값과 탐색 블록에 대응되는 이전 프레임에서의 후보 블록들의 평균값의 차의 절대치를 출력하는 절대값 계산부; 절대값 계산부의 결과치와, 기준값을 비교하는 비교기; 현재 프레임의 탐색 블록에 포함된 픽셀에 대한 밝기 레벨과 이전 프레임의 후보 블록에 포함된 픽셀의 밝기 레벨을 이용하여 오차 함수를 산출하는 평균 자승 오차 함수 계산부; 비교기의 출력신호에 의해 해당되는 오차 함수를 선택적으로 출력하는 선택기; 선택기들을 통해 전송되는 오차 함수 중 최소 오차 함수를 검출하는 최소 오차 검출부; 최소 오차 검출부에서 검출된 최소 오차 함수에 상응하는 소정 후보 블록의 움직임 벡터를 현재 프레임의 소정 블록의 움직임 벡터로 선택하여 전송하는 멀티플렉서로 구성되어 보다 정확한 움직임 벡터를 검출할 수 있다.

Description

움직임 추정장치(MOTION ESTIMATOR APPARATUS)
제1도는 본 발명에 따른 움직임 추정 장치의 블록도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 프레임 메모리 11 내지 19 : 영역화부
21 내지 29 : 이동 및 영역화부 31 내지 39 : 현 프레임 평균 계산부
41 내지 49 : 이전 프레임 평균 계산부 92 : 멀티플렉서
51 내지 59 : 평균 자승 오차 함수(MSE1) 계산부
61 내지 69 : 절대값 처리부 71 내지 79 : 비교기
81 내지 89 : 선택기 91 : 최소 오차 검출부
본 발명은 영상신호 부호화 시스템에 사용하기 위한 움직임 추정장치에 관한 것으로, 특히, 프레임을 구성하는 픽셀의 평균과 경사도(Gradient)를 이용하여 움직임 벡터를 검출하는 움직임 추정장치에 관한 것이다.
일련의 영상신호가 디지털 형태로 표현될 경우, 고선명 텔레비젼이나 비디오 전화 시스템 등과 같은 전자기기에서는 상당한 양의 전송 데이터가 발생된다. 그러나, 데이터 전송 채널의 이용 가능한 주파수 대역폭은 한정되어 있기 때문에, 한정된 채널 대역폭을 통해서 상당한 양의 디지털 데이터를 전소하기 위해서는 전송하고자 하는 데이터를 압축 또는 감축하지 않으면 안된다.
따라서 많은 양의 데이터를 압축 및 감축하는 기법이 다양하게 제안되었는데, 그중 인접한 두 개의 영상 프레임간의 시간적인 중복성(Temporal Redundancy)을 이용하여 영상신호들을 압축하는 움직임 보상기법이 효과적인 압축 기법중 하나로 알려져 있다. 이 움직임 보상기법은 현재 프레임(Current Frame)과 이전 프레임(Previous Frame)간의 움직임 추정에 의한 예측오차(Predictive Error)를 검출하는 방식으로 이루어진다.
이와 같은 방식으로 움직임 보상을 수행할 때, 추정된 움직임은 이전 프레임과 현재 프레임간의 픽셀들의 변위를 나타내는 2차원 움직임 벡터(Motion Vector)들로서 표현되는데, 당 기술 분야에서 제안된 움직임 추정 기법의 일예로는 블록정합(Block Matching) 알고리즘을 들 수 있다.
이 블록 정합 알고리즘에 의하면, 현재 프레임은 동일한 크기를 갖는 다수개의 탐색 블록(Sesrch Block)들로 분할 되는데, 이 탐색 블록의 크기는 8x8 내지 32x32 픽셀 범위로 이루어진다. 현재 프레임내 탐색 블록에 대한 움직임 벡터를 결정하기 위해서, 현재 프레임의 탐색 블록과 이전 프레임내의 대체로 큰 탐색 영역내에 포함된 동일한 크기를 갖는 복수개의 후보 블록(Candidate Block)들간의 각각의 유사성 계산을 수행하게 된다.
현재 프레임의 탐색 블록과 이전 프레임내의 후보 블록간의 유사성 계산은 하기 수학식 1과 같은 평균 자승 오차(Mean Square Error:이하 MSE라고 약함)방식을 이용하는 오차 함수가 사용된다.
수학식 1에서 N× N 은 블록의 크기이고, I(i, j)는 현재 프레임내 좌표 (i, j)에서의 픽셀의 밝기(Brightness) 레벨이고, P(i,j)는 이전 프레임의 좌표(i,j)에서의 픽셀의 밝기(Brightness) 레벨이다.
수학식 1을 이용한 탐색 블록과 후보 블록간의 유사성 계산시, 최소의 오차 함수를 야기하는 현재 프레임의 탐색 블록과 이전 프레임내의 후보 블록간의 변위가 해당 움직임 벡터로 검출되며, 이러한 움직임 벡터는 수신기에서 이전 프레임을 이용하여 블록 단위로서 영상을 재구성하는데 사용된다.
이와 같이 프레임간 움직임 추정에 의한 움직임 보상을 수행하기 위하여, 상술한 수학식 1의 평균 자승 오차(MSE) 계산식에 의해 유사성 계산을 할 때, 기존에는 현재 프레임의 탐색 블록과 이전 프레임내의 후보 블록간에 픽셀들의 그레이(Gray) 레벨만 일치시켜서 가장 정합이 잘 된 블록을 검출하여 해당 움직임 벡터를 결정하도록 되어 있어, 부정확한 움직임 벡터가 검출되는 경우가 종종 발생된다. 이와 같이 부정확한 움직임 벡터가 발생되는 경우에 수신기에는 영상을 정상적으로 재생할 수 없게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 현재 프레임의 탐색 블록과 이전 프레임내의 후보 블록의 평균과 경사도(Gradient)를 이용하여 보다 정확한 움직임 벡터를 검출될 수 있도록 구현한 움직임 추정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 장치는, 영상 신호들의 현재 프레임을 동일한 크기를 갖는 다수개의 탐색 블록으로 영역화하기 위한 복수개의 영역화부, 이전 프레임 데이터를 저장하고 있는 프레임 메모리 및 프레임 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임을 영역화하여 후보 블록을 검출하고, 검출된 후보 블록과 탐색 블록간의 변위를 움직임 벡터로 출력하는 이동 및 영역화부를 포함하는 장치에 있어서, 영역화부에서 영역화된 현재 프레임의 각 탐색 블록내의 픽셀들의 밝기 레벨의 평균을 산출하기 위한 복수개의 현 프레임 평균 계산부; 이동 및 영역부에서 영역화되어 검출된 후보 블록 단위로 후보 블럭내의 픽셀들에 대한 밝기 레벨의 평균을 산출하기 위한 복수개의 이전 프레임 평균 계산부; 현 프레임 평균 계산부에서 계산된 평균값과 이전 프레임 평균 계산부로부터 계산된 평균값간의 차의 절대값을 출력하는 복수개의 절대값 계산부; 절대값 계산부의 결과치와, 소정의 기준값을 비교하기 위한 복수개의 비교부; 영역화부로부터 출력되는 현재 프레임의 소정의 탐색 블록에 포함되어 있는 픽셀의 밝기 레벨과 이동 및 영역화부로부터 출력되는 이전 프레임의 소정의 후보 블록의 밝기 레벨을 이용하여 탐색 블록과 후보 블록간의 오차 함수를 산출하기 위한 복수개의 평균 자승 오차 함수 계산부; 비교부의 비교 결과값에 따라 평균 자승 오차 함수 계산부로부터 출력된 오차 함수의 전송여부를 선택하기 위한 복수개의 선택기; 선택기로부터 각각 전달되는 오차 함수들 중 최소값을 갖는 오차 함수를 검출하기 위한 최소 오차 검출부; 이동 및 영역화부로부터 후보 블록 단위로 제공되는 각각의 움직임 벡터중, 최소 오차 검출부에서 검출된 최소 오차 함수에 상응하는 상기 후보 블록의 움직임 벡터를 선택하여 전송하기 위한 멀티플렉서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명에 따른 움직임 추정 장치의 블록도로서, 이전의 프레임을 저장하는 프레임 메모리(10), 현재 프레임이 인가되면 소정 블록으로 분할되도록 영역화하는 영역(또는 블록)화부(11 내지 19), 프레임 메모리(10)로부터 이전 프레임이 전송되면 영역화부(11)로부터 출력되는 소정 블록에 대응되는 소정의 후보 블록과 해당되는 움직임 벡터를 출력할 수 있도록 이동 및 영역화하는 이동 및 영역화부(21 내지 29), 영역화부(11 내지 19)에서 출력되는 소정 블록내의 픽셀들에 대한 밝기(또는 휘도) 레벨의 평균을 산출하기 위한 현 프레임 평균 계산부(31 내지 39), 이동 및 영역화된 이전 프레임의 각 후보 블록내 픽셀들에 대한 밝기 레벨의 평균을 산출하기 위한 이전 프레임 평균 계산부(41 내지 49), 현 프레임 평균 계산부(31 내지 39)에서 계산된 평균과 이전 프레임 평균 계산부(41 내지 49)에서 계산된 평균간의 차의 절대값을 검출하기 위한 절대값 계산부(61 내지 69), 절대값 계산부(61 내지 69)의 결과치와 동일 영역에 대한 탐색이 가능하도록 설정된 기준값(Th)을 비교하기 위한 비교기(71 내지 79), 현재 프레임의 소정 블록내의 픽셀의 밝기 레벨과 이전 프레임의 후보 블록내의 픽셀에 대한 밝기 레벨을 이용하여 오차 함수를 산출하기 위한 평균 자승 오차 함수 계산부(Mean Squared Error 1, 이하 MSE1이라 약함(51 내지 59), 비교기(71 내지79)의 비교 결과값에 따라 평균 자승 오차 함수 계산부(51 내지 59, 또는 MSE1)의 오차 함수 출력 여부를 선택하기 위한 선택기 (81 내지 89), 선택기(81 내지 89)로부터 각각 전달되는 오차 함수들 중 최소값을 갖는 오차 함수를 검출하기 위한 최소 오차 검출부(91), 이동 및 영역화부(21 내지 29)로부터 각각 제공되는 움직임 벡터중 최소 오차 검출부(91)에서 검출된 최소 오차 함수에 상응하는 움직임 벡터(1 내지 9)를 선택하여 출력하기 위한 멀티플렉서(92)를 구성된다.
좀더 상세하게, 제1도에 도시된 절대값 계산부(61 내지 69)는 현 프레임 평균 계산부(31 내지 39)의 평균에서 이전 프레임 평균 계산부(41 내지 49)의 평균을 감산하고, 감산된 결과의 절대치를 출력하도록 구성되고, 비교기(71 내지 79)는 이전 프레임 및 현재 프레임사이에서 전체적인 밝기가 변동되더라도 동일한 영역을 탐색할 수 있도록 기준값이 제공되도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 장치는 다음과 같이 동작된다.
우선, 움직임 추정 시스템은 일련의 연속되는 프레임, 즉 현재 프레임과 그의 인접한 또는 이전 프레임간의 시간적 중복성을 제거시킴으로써 상당량의 데이터를 압축하게 되는데, 상술한 바에 의하면 현재 프레임과 이전 프레임간에는 움직임에 의해 야기되는 편차(Difference)가 발생될 수 있다.
그러나, 이러한 움직임에 의해 야기되는 편차들은 프레임내에서 비교적 작은 영역에 국한될 수 있으므로, 현재 프레임의 영상 데이터를 수신기로 전부 전송하지 않고, 그 변위 정보(움직임 벡터)만을 전송하면, 수신기는 전송된 움직임 벡터를 이용하여 수신기내의 프레임 메모리에 저장된 이전 프레임을 근거로 현재 프레임을 복원할 수 있게 된다.
제1도를 참조하여 설명하면, 현재 프레임 신호가 인가되면 라인(L1)을 통해 영역화부(11 내지 19)로 제공된다. 영역화부(11내지 19)는 인가된 현재 프레임을 동일한 크기를 갖는 다수개의 탐색 블록들로 분할한다. 이 분할된 각각의 탐색 블록(H x V 픽셀로 구성됨, 여기서 H는 라인 방향을 의미하고, V는 칼럼(column) 방향을 의미함.)은 현 프레임 평균 계산부(31 내지 39)와 MSE1(51 내지 59)로 각각 제공된다.
현 프레임 평균 계산부(31 내지 39)는 영역화부(11 내지 19)에서 인가되는 각각의 탐색 블록들의 픽셀의 밝기 레벨 평균을 수학식 2에 의해 산출한다.
수학식 2에서, N×N은 블록의 크기를 의미하고, I(i, J)는 픽셀 좌표 (i,j)에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하며, Mi 는 현재 프레임내 좌표 (i,j)에서의 픽셀의 밝기 레벨의 평균을 의미한다.
이와 동시에, 프레임 메모리(10)에 저장되어 있던 이전 프레임은 라인(L2)을 통해 이동 및 영역화부(21 내지 29)로 각각 공급된다. 이동 및 영역화부(21 내지 29)는 영역화부(11 내지 19)에서 분할되어 출력되는 탐색 블록의 크기로 탐색 또는 비교할 수 있도록 이전의 프레임에 대해 대체로 큰 탐색 영역을 설정한다. 그리고 다수의 후보 블록을 형성한다. 즉, 해당 영역화부(11 내지 19)에서 분할된 탐색 블록을 해당되는 이동 및 영역화부 (21 내지 29)에서 설정된 탐색 영역의 상단의 최 좌측 위치에서부터 상단 최 우측까지 수평방향으로 한번에 하나의 픽셀씩 이동시키고, 탐색 블록이 해당 탐색 영역내의 하단 최 우측 위치에 도달할 때까지, 한번에 하나의 주사 라인씩 수직방향으로 하향 이동시키면서 상기 탐색 영역으로부터 후보 블록을 형성한다. 이와 같이 해당 탐색 영역내에서 가능한 모든 후보 블록들이 동일한 사이즈로 형성되면, 각 후보 블록과 현재 프레임의 탐색 블록간의 상대적 변위가 유도되어 해당 후보 블록의 움직임 벡터로서 라인(1 내지 9)을 통해 멀티플렉서(92)로 제공된다. 이전 프레임 평균 계산부(41 내지 49)에서는 이동 및 영역화부(21 내지 29)에서 인가되는 각각의 후보 블록들의 픽셀의 밝기 레벨의 평균을 수학식 3에 의해 산출한다.
수학식 3에서, N×N는 블록의 크기를 의미하고, P(i,j)는 픽셀 좌표(i,j)에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하고, Mp는 이전 프레임내 좌표 (i,j)에서의 픽셀의 밝기 레벨의 평균을 의미한다.
절대값 계산부(61 내지 69)는 현 프레임 평균 계산부 (31 내지 39)로부터 상술한 수학식 2에 의해 산출된 현재 프레임의 탐색 블록의 평균이 인가되고, 이전 프레임 평균 계산부(41 내지 49)로부터 상술한 수학식 3에 의해 산출된 이전 프레임의 후보 블록의 평균이 인가되면, 현재 프레임의 탐색 블록의 평균값으로부터 이전 프레임의 후보 블록의 평균값을 감산하고, 감산한 결과에 절대값을 취한 후, 비교기(71 내지 79)로 전달한다.
비교기(71 내지 79)는 절대값 계산부(61 내지 69)로부터 전송된 결과값과 소정의 기준값(Th)을 비교하게 되는데, 기준값(Th)은 이전 프레임과 현재 프레임 사이에서 밝기가 변하더라도 충분히 같은 영역을 찾아낼 수 있는 값이 설정된다. 예컨대, 기준값(Th)은 10 이하로 설정될 수 있다. 그리고 비교기(71 내지 79)는 설정된 기준값(Th)과 해당되는 절대값 계산부(61 내지 69)로부터 전송되는 절대값을 수학식 4와 같이 비교한다.
│Mi - Mp│ 기준값(Th)
수학식 4에서 Mi는 현재 프레임의 평균이고, Mp는 이전 프레임의 평균이다. MSE1 계산부(51 내지 59)는 영역화부(11 내지 19)로부터 전송되는 탐색 블록과 이동 및 영역화부(21 내지 29)로부터 전송되는 각각의 후보 블록간의 MSE1을 측정하여 오차 함수를 계산한다. 이때, 탐색 블록과 후보 블록내의 픽셀들 사이의 비교는 밝기 레벨을 기준으로 이루어져 해당 후보 블록의 오차 함수를 산출한다. 오차 함수는 탐색 블록과 선택된 후보 블록간의 유사성 정도를 나타낸다. 오차 함수는 수학식 5에 의해 산출된다.
수학식 5에서 SIH(i,j) = I(i,j)-I(i,j+1)이고, SIV(i,j) = I(i,j) - I(i+1,j)이고, SPH(i,j) = P(i,j) - P(i,j+1)이고, SPH(i,j) = P(i,j) - P(i+1,j)로서 I(i,j)는 현재 프레임내 좌표 (i,j)에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하고, I(i,j+1)는 현재 프레임내 좌표(i,j)에서의 픽셀을 j축으로 1만큼 이동시킨 좌표에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하며, I(i+1,j)는 현재 프레임내 좌표(i,j)에서의 픽셀을 i축으로 1만큼 이동시킨 좌표에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미한다. P(i,j)는 이전 프레임내 좌표 (i,-j)에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하고, P(i,j+1)는 이전 프레임내 좌표 (i,j)에서의 픽셀을 j축으로 1 만큼 이동시킨 좌표에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미하며, P(i+1,j)는 이전 프레임내 좌표 (i,j)에서의 픽셀을 i축으로 1 만큼 이동시킨 좌표에서의 픽셀의 밝기 레벨을 의미한다.
이상에서와 같이, MSE1 측정기법으로 얻어진 각각의 오차 함수는 선택기(81 내지 89)로 전달된다. 선택기(81 내지 89)는 비교기(71 내지 79)로부터 출력되는 신호에 의해 제어되어 해당되는 MSE1 계산 결과인 오차 함수값과 무한대값중 하나를 선택하여 출력한다. 즉, 해당 비교기(71내지 79)의 비교결과가 상술한 수학식 4에 정의되어 있는 조건을 만족하는 경우에, 해당 선택기(81 내지 89)는 해당 오차 함수값을 최소 오차 검출부(91)로 전달한다.
최소 오차 검출기(91)는 선택기(81 내지 89)로부터 전송되는 MSE1의 오차 함수들 중 가장 작은 오차를 갖는 하나의 오차 함수를 선택한다. 그리고 선택된 최소 오차 함수에 대응되는 블록을 나타내는 선택신호를 멀티플렉서(92)로 출력한다. 멀티플렉서(92)는 최소 오차 검출기(91)로부터 전송된 선택 신호에 의해 상기 후보 블록의 변위에 따른 움직임 벡터(1 내지 9) 중 하나를 선택하여 탐색 블록의 움직임 벡터로 출력한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 이전 프레임의 후보 블록과 현재 프레임의 탐색 블록간에 밝기 레벨에 대한 평균과 경사도를 이용하여 해당되는 움직임벡터를 검출하도록 구현함으로써, 현재 프레임이 이전 프레임에 비례 전체적인 밝기가 변하더라도 동일 영역을 정확하게 탐색할 수 있어 보다 정확한 움직임 벡터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 영상 신호들의 현재 프레임을 동일한 크기를 갖는 다수개의 탐색 블록으로 영역화하기 위한 복수개의 영역화부, 이전 프레임 데이터를 저장하고 있는 프레임 메모리 및 상기 프레임 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임을 영역화하여 후보 블록을 검출하고, 검출된 상기 후보 블록과 상기 탐색 블록간의 변위를 움직임 벡터로 출력하는 이동 및 영역화부를 포함하는 장치에 있어서, 상기 영역화부에서 영역화된 상기 현재 프레임의 각 탐색 블록내의 픽셀들의 밝기 레벨의 평균을 산출하기 위한 복수개의 현 프레임 평균 계산부; 상기 이공 및 영역부에서 영역화되어 검출된 상기 후보 블록 단위로 상기 후보 블록내의 픽셀들에 대한 밝기 레벨의 평균을 산출하기 위한 복수개의 이전 프레임 평균 계산부; 상기 현프레임 평균 계산부에서 계산된 평균값과 상기 이전 프레임 평균 계산부로부터 계산된 평균값간의 차의 절대값을 출력하는 복수개의 절대값 계산부; 상기 절대값 계산부의 결과치와, 소정의 기준값을 비교하기 위한 복수개의 비교부; 상기 영역화로부터 출력되는 상기 현재 프레임의 소정의 상기 탐색 블록에 포함되어 있는 픽셀의 밝기 레벨과 상기 이동 및 영역화부로부터 출력되는 상기 이전 프레임의 소정의 후보 블록의 밝기 레벨을 이용하여 상기 탐색 블록과 후보 블록간의 오차 함수를 산출하기 위한 복수개의 평균 자승 오차 함수계산부; 상기 비교부의 비교 결과값에 따라 상기 평균 자승 오차 함수계산부로부터 출력된 오차 함수의 전송여부를 선택하기 위한 북수개의 선택기; 상기 선택기로부터 각각 전달되는 오차 함수들 중 최소값을 갖는 오차 함수를 검출하기 위한 최소 오차 검출부; 상기 이동 및 영역화부로부터 상기 후보 블록단위로 제공되는 각각의 움직임 벡터 중, 상기 최소 오차 검출부에서 검출된 최소 오차 함수에 상응하는 상기 후보 블록의 움직임 벡터를 선택하여 전송하기 위한 멀티플렉서를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절대값 계산부는 상기 현 프레임 평균 계산부로부터 전송된 평균값에서 상기 이전 프레임 평균 계산부로부터 전송된 평균값을 감산한 값의 절대치를 구하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 움직임 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비교기는 상기 이전 프레임과 현재 프레임사이에 전체적인 밝기가 변동되더라도 동일 영역을 탐색할 수 있도록 상기 기준값을 설정하는 것을 특징으로 하는 움직임 추정 장치.
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