KR20150090454A - Method for searching bidirectional motion using multiple frame and image apparatus with the same technique - Google Patents

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KR20150090454A KR1020140011119A KR20140011119A KR20150090454A KR 20150090454 A KR20150090454 A KR 20150090454A KR 1020140011119 A KR1020140011119 A KR 1020140011119A KR 20140011119 A KR20140011119 A KR 20140011119A KR 20150090454 A KR20150090454 A KR 20150090454A
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Abstract

Disclosed are a method for detecting a bidirectional motion by using multiple frames and an image apparatus embedded with the bidirectional motion detection function. The method for detecting a bidirectional motion by using multiple frames according to one embodiment of the present invention comprises the steps of: inputting a first to third frames; calculating a first motion vector through a forward and backward motion detection process from the inputted second to third frames; calculating the first motion vector and the first frame into a second motion vector through the bidirectional motion detection process based on the multi frames; calculating the second motion vector to a third motion vector through a planarization process; and generating a final interpolation frame by applying an overlapped block motion compensation (OBMC) process to the third motion vector.

Description

다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법 및 이러한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치{METHOD FOR SEARCHING BIDIRECTIONAL MOTION USING MULTIPLE FRAME AND IMAGE APPARATUS WITH THE SAME TECHNIQUE} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a bidirectional motion search method using multiple frames and a video device equipped with such a bidirectional motion search function.

본 발명의 일 구현예는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법 및 이러한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a bidirectional motion search method using multiple frames and a video apparatus equipped with such bidirectional motion search function.

최근 낮은 대역폭을 갖는 비디오 부호화 분야에서 스포츠 같은 격동적인 화면에서의 고화질 구현을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 낮은 대역폭을 사용하는 기기에서는 제한된 데이터 전송량 때문에 부호화 과정에 있어 임의의 프레임을 전송하지 않으며, 복호화 과정에서는 손실된 프레임을 다시 복원해야 한다. 따라서, 손실된 프레임을 다시 복원하는 프레임 레이트 증가 변환(FRUC, frame rate up-conversion) 기법은 CIF급 디스플레이 장치인 PDA부터 HDTV까지 멀티미디어 시스템과 같은 다양한 가전 분야에 매우 많은 관심의 대상이 되고 있다.In recent years, much research has been carried out in the field of video coding having a low bandwidth to realize a high picture quality in a throbbing screen such as sports. In a device using a low bandwidth, since a limited amount of data is transmitted, no frame is transmitted in the encoding process, and a lost frame is restored in the decoding process. Therefore, the frame rate up-conversion (FRUC) technique for recovering lost frames is very much interested in various consumer fields such as a multimedia system from PDA to HDTV, which is a CIF class display device.

프레임 레이트 증가 변환 기법은 크게 화소 기반 알고리즘과 블록 기반 알고리즘으로 나눠질 수 있다. 우선, 화소 기반으로 하는 알고리즘은 frame repetition, frame averaging, linear frame interpolation 등이 있다. 위의 기법들은 움직임 벡터(motion vector)를 고려하지 않기 때문에 계산량이 적어 복잡도가 낮고 쉽게 보간이 가능하다. 그러나, 객체의 움직임이 클 경우 두 객체가 겹쳐져 흐릿해지는 움직임 번짐(motion blurriness)과 같은 문제를 일으킨다.The frame rate increase conversion scheme can be roughly divided into a pixel-based algorithm and a block-based algorithm. First, pixel-based algorithms include frame repetition, frame averaging, and linear frame interpolation. Since the above techniques do not consider a motion vector, the computational complexity is low and the interpolation is easy. However, if the motion of the object is large, the two objects overlap and blur the motion blurriness.

이러한 문제점을 개선하기 위해 블록 기반 알고리즘인 움직임 벡터를 고려한 motion compensation FRUC(MC-FRUC) 기법이 제안되고 있다. MC-FRUC의 기본적인 알고리즘인 움직임 보상 보간(MCFI, motion-compensated frame interpolation)은 현재 프레임과 이전 프레임 사이에서 움직임 탐색을 통해 얻어진 움직임 벡터의 중간값을 보간 될 프레임에 적용시켜 보간하는 방식이다. In order to solve this problem, a motion compensation FRUC (MC-FRUC) technique considering a motion vector, which is a block-based algorithm, has been proposed. Motion-compensated frame interpolation (MCFI), which is a basic algorithm of MC-FRUC, is a method in which the intermediate value of a motion vector obtained through motion search between a current frame and a previous frame is applied to a frame to be interpolated and interpolated.

그러나, 후처리 없이 이 움직임 벡터를 사용하는 것은 hole과 overlapped 현상을 초래한다. 또한, 블록과 블록의 경계부분은 고려하지 않고 블록단위로 프레임을 보간 수행하기 때문에 보간되는 영상에서는 블록화 현상이 발생하게 된다. However, using this motion vector without postprocessing results in holes and overlapped phenomena. Also, since the frame is interpolated in units of blocks without considering the boundary between the block and the block, the blocking phenomenon occurs in the interpolated image.

이러한 문제들을 해결하기 위해 양방향 탐색 방법과 중복 블록 움직임 보상(OBMC, overlapped block motion compensation)이 고안된 바 있다. In order to solve these problems, a bidirectional search method and overlapped block motion compensation (OBMC) have been devised.

먼저, 양방향 탐색 방법은 단 방향으로 얻어진 초기 움직임 벡터의 중간값을 양방향 프레임에 적용하여 움직임 탐색을 하는 방식이다. 그리고, OBMC는 MCFI에서 발생하는 블록화 현상을 방지하기 위해 이웃하는 블록의 경계부분에 따른 움직임 벡터값을 달리함으로써 보간을 해주는 방법으로 블록과 블록 사이에서 부드러운 효과를 얻는다. 그러나, 양방향 대칭성을 이용하여 움직임 탐색을 해줄 경우 움직임이 큰 영상에서 잘못된 움직임 벡터를 찾게 되면 화질의 열화 현상을 초래하게 되는 문제점이 있다.First, in the bi-directional search method, a motion search is performed by applying an intermediate value of an initial motion vector obtained in a single direction to a bi-directional frame. OBMC is a method of performing interpolation by changing motion vector values along the boundary of neighboring blocks in order to prevent blocking phenomenon occurring in MCFI, and obtains soft effect between blocks and blocks. However, if motion search is performed using bidirectional symmetry, if a wrong motion vector is found in a motion image having a large motion, the image quality deteriorates.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 블록 기반 알고리즘을 이용하여 보다 정확한 움직임 벡터를 찾을 수 있는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법 및 이러한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치를 제공하는 것이다.The present invention provides a bidirectional motion search method using multiple frames capable of finding a more accurate motion vector using a block-based algorithm, and an image device equipped with such a bidirectional motion search function.

본 발명의 일 구현예는, 제1 내지 제3 프레임이 입력되는 단계, 입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산하는 단계, 상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계, 상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계, 및 상기 제3 움직임 벡터에 중복 블록 움직임 보상(OBMC, overlapped block motion compensation) 과정을 적용하여 최종 보간 프레임을 생성하는 단계를 포함하는, 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention includes: inputting first through third frames; calculating a first motion vector through forward and backward motion search processes from input second and third frames; Calculating a first motion vector as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search process, calculating the second motion vector as a third motion vector through a smoothing process, And generating a final interpolated frame by applying an overlapped block motion compensation (OBMC) process.

이 때, 상기 제1 내지 제3 프레임은 제1 내지 제n 프레임을 포함하는 다중 프레임으로부터 선택된 것일 수 있다.In this case, the first to third frames may be selected from multiple frames including first to n-th frames.

또한, 상기 제1 내지 제3 프레임은 시계열 순으로서, 상기 제1 프레임으로 진행될수록 이전 순이고, 상기 제3 프레임으로 진행될수록 이후 순일 수 있다.In addition, the first through third frames may be in a time-sequential order, as they progress to the first frame, and may be sequentially as they progress to the third frame.

또한, 상기 입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산하는 단계는, 블록 정합 알고리즘(BMA, block matching algorithm)의 절대 차의 합 계산(SAD, sum of absolute difference)를 이용하여 수행될 수 있다,The calculating of the first motion vector through the forward and backward motion search processes from the input second and third frames may include calculating sum of absolute differences (SAD, sum) of a block matching algorithm (BMA) of absolute difference,

또한, 상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계는, 하기 식 (1)을 통해 순방향과 역방향의 양방향 절대 차의 합(SBAD, sum of bidirectional absolute difference)을 구하는 과정을 포함할 수 있다.The step of calculating the first motion vector and the first frame as a second motion vector through a bidirectional motion search process based on a multi-frame based on Equation (1) may include calculating a sum of bidirectional absolute differences in the forward direction and the backward direction , sum of bidirectional absolute difference).

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
---- (1)
Figure pat00002
---- (One)

(여기에서, Sx, Sy는 양방향 탐색 범위의 위치이며, Bi,Bj는 블록의 위치, dx,dy는 초기 움직임 벡터, P1과 P2는 순방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 얻은 값, P3와 P4는 역방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 구한 값임.)Where Bi, Bj are the positions of the blocks, dx and dy are the initial motion vectors, P 1 and P 2 are the values obtained through the SBAD using forward motion vectors, P 3 and P 4 are obtained through SBAD using the motion vector in the reverse direction.)

또한, 상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계는, 상기 순방향과 역방향의 양방향 절대 차의 합(SBAD, sum of bidirectional absolute difference)을 비교하여 값이 작은 블록을 상기 제2 움직임 벡터로 계산하는 과정을 더 포함할 수 있다.The step of calculating the first motion vector and the first frame as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search process may include calculating a sum of bidirectional absolute difference (SBAD) And calculating a second block having a smaller value as the second motion vector.

또한, 상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계는, 상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록을 기준으로 양방향 절대 차의 합(SBAD)이 임계값보다 작은 이웃 블록들에 대하여 하기 식 (2)과 같은 DFD(displaced frame difference)를 계산하는 과정을 포함할 수 있다.The step of calculating the second motion vector as a third motion vector through the smoothing process may include calculating a motion vector of a neighboring block having a smaller sum of bidirectional absolute differences (SBAD) based on the block calculated with the second motion vector, (DFD) (displaced frame difference) as shown in the following equation (2) May be included.

Figure pat00003
---- (2)
Figure pat00003
---- (2)

(여기에서, vx, vy는 양방향 탐색을 통해 얻은 제2 움직임 벡터

Figure pat00004
의 x축과 y축 성분을 나타내며, B는 중심 블록을 나타내고, f(n-1)과 f(n)은 제2 프레임과 제3 프레임의 밝기 값인 휘도 성분을 나타냄.)(Where v x, v y are the second motion vectors obtained through bi-
Figure pat00004
And f (n-1) and f (n) represent brightness components, which are the brightness values of the second frame and the third frame, respectively.

또한, 상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계에서, 상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록의 SBAD를 기준으로 상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록의 이웃 블록들의 SBAD가 임계값보다 모두 큰 경우, 제2 움직임 벡터를 제3 움직임 벡터로 할 수 있다.In addition, in the step of calculating the third motion vector as a third motion vector through the smoothing process, the SBAD of neighboring blocks of the block calculated with the second motion vector, based on the SBAD of the block calculated with the second motion vector, Is greater than the threshold value, the second motion vector may be the third motion vector.

한편, 본 발명의 다른 구현예는, 전술한 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a video device equipped with a bi-directional motion search function using the above-described multiple frames.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 블록 기반 알고리즘을 이용하여 보다 정확한 움직임 벡터를 찾을 수 있는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법 및 이러한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, a bi-directional motion search method using multiple frames capable of finding a more accurate motion vector using a block-based algorithm and an image device equipped with such bidirectional motion search function can be provided .

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 순방향과 역방향에 대한 움직임 탐색을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 삼중 프레임을 통한 양방향 탐색을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 임계값을 활용한 움직임 벡터 평탄화를 나타낸 도면이다.
도 5는 표 1에서의 Ice 영상에 대한 방향 움직임 예측 결과에 대한 PSNR이다.
도 6은 표 1에서의 Foreman 영상에 대한 방향 움직임 예측 결과에 대한 PSNR이다.
1 is a flowchart illustrating a bi-directional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating motion search for forward and backward directions in the bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a bidirectional search using a triple frame in a bi-directional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating motion vector planarization using a threshold in a bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
5 is a PSNR for the direction motion prediction result for the Ice image in Table 1. [
FIG. 6 is a PSNR for the direction motion prediction result for the Foreman image in Table 1. FIG.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

먼저, 본 발명의 일 구현예는, 제1 내지 제3 프레임이 입력되는 단계(S100), 입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산하는 단계(S200), 상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계(S300), 상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계(S400), 및 상기 제3 움직임 벡터에 중복 블록 움직임 보상(OBMC, overlapped block motion compensation) 과정을 적용하여 최종 보간 프레임을 생성하는 단계(S500)를 포함하는, 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 제공한다.First, an embodiment of the present invention includes a step of inputting first through third frames (S100), a step of calculating a first motion vector through forward and backward motion search processes from the input second and third frames S200), the first motion vector and the first frame are calculated as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search process (S300), the second motion vector is subjected to a flattening process to obtain a third motion vector (S500) of generating a final interpolated frame by applying an overlapped block motion compensation (OBMC) process to the third motion vector (S500) Provides a search method.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a bi-directional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면,

Figure pat00005
는 각각 차례대로 현재 프레임, 보간 될 프레임, 현재 프레임의 이전 프레임(n-1번째 프레임), n-1번째 프레임의 이전 프레임(n-2번째 프레임)을 말하며, MMV(modified motion vector)는 제2 움직임 벡터, 즉, 수정된 움직임 벡터를 뜻하고, FMV(final motion vector)는 제3 움직임 벡터, 즉, 최종 움직임 벡터를 뜻한다. Referring to Figure 1,
Figure pat00005
(N-2) th frame of the (n-1) th frame, and the MMV (modified motion vector) of the previous frame 2 motion vector, i.e., a modified motion vector, and a final motion vector (FMV) refers to a third motion vector, i.e., a final motion vector.

먼저, 우선 RGB 컬러 모델로 이루어진 영상 프레임을 YCbCr 컬러 모델로 변환하고, 여기서 밝기 값인 Y를 이용하여 움직임 탐색을 실시한다. 그리고, 현재 프레임의 이전 프레임(n-1번째 프레임)과 현재 프레임 두 장을 이용하여 순방향 및 역방향 움직임 탐색을 하여 제1 움직임 벡터, 즉, 초기 움직임 벡터를 얻는다(S200). First, an image frame composed of an RGB color model is first converted into a YCbCr color model, and a motion search is performed using Y, which is a brightness value. Then, a first motion vector, i.e., an initial motion vector, is obtained by performing forward and backward motion search using a previous frame (n-1 < th > frame) of the current frame and two current frames (S200).

또한, 구해진 상기 제1 움직임 벡터들은 상기 n-1번째 프레임의 이전 프레임(n-2번째 프레임)과 함께 다시 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 통해 제2 움직임 벡터, 즉, 수정된 움직임 벡터를 얻는다(S300). The obtained first motion vectors are combined with a previous frame (n-2) th frame of the (n-1) th frame to generate a second motion vector, that is, a modified motion vector (S300).

이 때, 제2 움직임 벡터 내에서 추정이 잘못되었다고 판정되는 벡터들은 후술되는 평탄화 과정을 통하여 제3 움직임 벡터, 즉, 최종 움직임 벡터로 도출된다(S400). In this case, vectors determined to be erroneous in the second motion vector are derived as a third motion vector, i.e., a final motion vector, through a planarization process described later (S400).

마지막으로, 제3 움직임 벡터에 OBMC를 적용하여 최종 보간 프레임을 생성한다(S500).Finally, OBMC is applied to the third motion vector to generate a final interpolated frame (S500).

이하에서는, n=3 일 경우를 예로 하여 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 수행하는 과정에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a process of performing a bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention will be described in detail with n = 3 as an example.

먼저, 제1 내지 제3 프레임이 입력되면(S100), 입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산한다(S200).First, when the first through third frames are input (S100), a first motion vector is calculated through forward and backward motion search processes from the input second and third frames (S200).

양방향 움직임 탐색을 통해 움직임 보상 보간(motion-compensated frame interpolation, MCFI)을 적용하기 위해서 단방향 움직임 탐색이 사용될 수 있다. 그러나, 단방향 움직임 탐색을 한 방향으로만 수행하게 된다면 움직임이 큰 영상에 대해서 정확한 움직임 벡터를 얻기 어렵다. One-way motion search can be used to apply motion-compensated frame interpolation (MCFI) through bi-directional motion search. However, if the unidirectional motion search is performed in only one direction, it is difficult to obtain an accurate motion vector for a motion large image.

이에, 본 발명의 일 구현예에서는 순방향 및 역방향에 대해 움직임 탐색을 수행하고, 다양한 움직임 벡터들을 참조하여 보다 정확한 움직임 벡터를 선정하도록 한다. Accordingly, in one embodiment of the present invention, a motion search is performed for forward and backward directions, and more accurate motion vectors are selected by referring to various motion vectors.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 순방향과 역방향에 대한 움직임 탐색을 나타낸 도면이다.FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating motion search for forward and backward directions in the bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 블록 정합 알고리즘(BMA, block matching algorithm)의 절대 차의 합 계산(SAD, sum of absolute difference)를 이용하여 각 방향의 제1 움직임 벡터(초기 움직임 벡터)를 구한다. Referring to FIGS. 2A and 2B, a first motion vector (initial motion vector) in each direction is calculated using a sum of absolute difference (SAD) of a block matching algorithm (BMA) .

현재 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 가장 신뢰성 있는 블록을 찾는 순방향과 이전 프레임을 기준으로 현재 프레임에서 가장 신뢰성 있는 블록을 찾는 역방향에 대해 각각 수행된다. The forward direction in which the most reliable block is found in the previous frame based on the current frame and the reverse direction in which the most reliable block is found in the current frame based on the previous frame.

여기에서, 제1 움직임 벡터는 각 방향에 대해 현재 프레임 혹은 이전 프레임을 기준으로 움직임 탐색한 결과이므로 움직임 벡터의 중간값으로 결정된다.Here, the first motion vector is determined as a median value of the motion vector since it is a result of motion search based on the current frame or the previous frame with respect to each direction.

제1 움직임 벡터가 계산되면, 상기 제1 움직임 벡터를 제1 프레임과 함께 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산한다(S300).When the first motion vector is calculated, the first motion vector is calculated as a second motion vector through the multiframe-based bidirectional motion search process together with the first frame (S300).

보다 상세하게, 각 블록의 제1 움직임 벡터는 전술된 절대 차의 합 계산(SAD)의 최소값을 통해 판단되기 때문에, 영상 내에서 움직이는 객체 및 배경에 따라 모두 정확한 움직임 벡터를 얻기에는 어려움이 있다. More specifically, since the first motion vector of each block is determined based on the minimum value of the absolute difference sum calculation (SAD) described above, it is difficult to obtain all the accurate motion vectors according to the moving object and the background in the image.

따라서, 잘못된 움직임 벡터에 대한 보정이 필요하며, 보정 방법으로는 일례로서 대칭성을 이용한 양방향 움직임 탐색이 있다. Therefore, it is necessary to correct for a wrong motion vector. As a correction method, for example, bi-directional motion search using symmetry is available.

그러나, 상기 양방향 움직임 탐색도 움직임이 큰 영상이나 한 프레임 내에 존재하는 영상의 유사한 특성으로 인해, 잘못된 움직임 벡터가 발생할 수 있다. However, the bidirectional motion search may generate an erroneous motion vector due to the similar characteristics of an image having a large motion or an image existing within one frame.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 다중 프레임을 통한 양방향 움직임 탐색을 이용한다.In order to solve such a problem, the present invention uses bidirectional motion search through multiple frames.

본 발명의 일 구현예에서는 다중 프레임 중 세 개의 프레임을 활용하는 삼중 프레임을 통한 양방향 탐색을 제시하였다. In one embodiment of the present invention, bi-directional search using triple frames using three frames of multiple frames is presented.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 삼중 프레임을 통한 양방향 탐색을 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a bidirectional search using a triple frame in a bi-directional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 삼중 프레임을 통한 양방향 탐색은 n-1번째 프레임의 이전 프레임(n-2번째 프레임)이 추가적으로 포함되었다. Referring to FIG. 3, the bi-directional search through the triple frame additionally includes the previous frame (n-2) frame of the (n-1) th frame.

현재 프레임을 기준으로 하는 순방향 움직임 탐색의 초기 움직임 벡터가 +v이면, 보간될 프레임을 중심으로 n-2번째 프레임은 +3v, 이전 프레임은 +v, 현재 프레임은 -v 만큼 이동된 블록이 된다. If the initial motion vector of the forward motion search based on the current frame is + v, the n-2th frame is + 3v, the previous frame is + v, and the current frame is moved by -v around the frame to be interpolated .

반대로, 이전 프레임을 기준으로 하는 역방향 움직임 탐색의 초기 움직임 벡터가 +v이면 보간될 프레임을 중심으로 n-2번째 프레임은 -3v, 이전 프레임은 -v, 현재 프레임은 +v 만큼 이동된 블록이 된다. On the other hand, if the initial motion vector of the backward motion search based on the previous frame is + v, the block shifted by -3 v, -v of the previous frame, + v of the current frame, do.

초기 벡터만큼 이동된 블록들을 기준으로 탐색 범위를 다시 설정하여 양방향 움직임 탐색을 수행한다. 블록 간의 정합도와 n-2번째 프레임을 활용하기 위한 값으로 양방향 절대 차의 합(SBAD, sum of bidirectional absolute difference)를 아래의 식 (1)과 같이 변형하여 사용한다. Directional motion search is performed by setting the search range again based on the blocks moved by the initial vector. The sum of bidirectional absolute difference (SBAD) is used as the value for utilizing the n-2 th frame and the matching between the blocks as shown in the following equation (1).

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
---- (1)
Figure pat00007
---- (One)

여기서, Sx, Sy는 양방향 탐색 범위의 위치이며, Bi,Bj는 블록의 위치를 나타내고, dx,dy는 초기 움직임 벡터를 나타낸다. Here, Sx and Sy are positions of the bi-directional search range, Bi and Bj represent the positions of blocks, and dx and dy represent initial motion vectors.

P1과 P2가 순방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 얻은 값이고, P3와 P4는 역방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 구한 값이다. 이와 같이 블록들 간의 SBAD를 구한 뒤, 정규화 과정을 수행하고, 아래의 식 (2)와 같이 순방향과 역방향에서 나온 블록의 최소 SBAD를 비교하여 값이 작은 블록을 수정된 움직임 벡터(MMV, modified motion vector), 즉, 제2 움직임 벡터로 결정한다.P 1 and P 2 are values obtained through SBAD using forward motion vectors, and P 3 and P 4 are values obtained through SBAD using a reverse motion vector. After calculating the SBAD between blocks, normalization is performed and the minimum SBAD of the block from the forward direction and the reverse direction is compared as shown in Equation (2) below, and a block having a small value is compared with the modified motion vector (MMV, modified motion vector, i.e., a second motion vector.

Figure pat00008
----- (2)
Figure pat00008
----- (2)

제2 움직임 벡터가 계산되면, 상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산한다(S400).When the second motion vector is calculated, the second motion vector is calculated as a third motion vector through a smoothing process (S400).

S300에서 도출된 제2 움직임 벡터들은 영상에서 존재하는 움직이는 객체나 배경에 의해 잘못 추정된 움직임 벡터가 존재할 수 있으며, 이러한 제2 움직임 벡터는 공간적으로 이웃하는 블록들 사이에서 자연스럽지 못한 현상을 유발한다. The second motion vectors derived in S300 may include a motion vector that is erroneously estimated by a moving object or a background existing in the image, and this second motion vector causes a phenomenon that is not natural between spatially neighboring blocks .

이러한 블록들을 제거하기 위하여 본 발명에서는 평탄화 과정을 적용한다.In order to remove such blocks, a flattening process is applied in the present invention.

보다 상세하게, 본 발명의 일 구현예에서는 아래의 식 (3)과 같은 DFD(displaced frame difference)인 프레임 차이 값을 사용한다. More specifically, in one embodiment of the present invention, a frame difference value, which is a displaced frame difference (DFD) as shown in Equation (3) below, is used.

Figure pat00009
----- (3)
Figure pat00009
----- (3)

여기에서, vx, vy는 양방향 탐색을 통해 얻은 수정된 움직임 벡터

Figure pat00010
Figure pat00011
축과 y축 성분을 나타내며, B는 중심 블록을 나타내고, f(n-1)과 f(n)은 이전 프레임과 현재 프레임의 밝기 값인 휘도 성분을 나타낸다.Where v x, v y are the modified motion vectors obtained through bi-
Figure pat00010
of
Figure pat00011
(N-1) and f (n) represent brightness components, which are the brightness values of the previous frame and the current frame, respectively.

FMV(final motion vector), 즉, 제3 움직임 벡터는 중심 블록과 이웃 블록으로 DFD를 수행하여 가장 작은 값을 최종 움직임 벡터로 선정한다. 여기에서, DFD는 전술된 BMA와 유사한 연산을 수행하며, 중심 블록을 기준으로 이웃하는 8개 블록 모두 DFD를 구하여 FMV를 도출한다. The final motion vector (FMV), that is, the third motion vector, performs DFD with the center block and neighboring blocks, and selects the smallest value as the final motion vector. Here, the DFD performs an operation similar to the BMA described above, and derives the FMV by obtaining the DFD in all eight neighboring blocks based on the center block.

그러나, 이 방법 또한 DFD에 의존적이기 때문에, 여전히 잘못된 움직임 벡터를 선정할 수 있는 문제가 발생하며, 이와 같은 경우 블록화 현상이나 열화 현상이 발생하는 문제점이 있다. However, since this method is also dependent on the DFD, there is still a problem that an erroneous motion vector can be selected. In such a case, a blocking phenomenon or a deterioration phenomenon occurs.

이에, 본 발명에서는 임계값을 활용하여 왜곡될 가능성이 있는 움직임 벡터는 참조되지 않도록 하였다.Accordingly, in the present invention, a motion vector that is likely to be distorted by using a threshold value is not referred to.

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에서 임계값을 활용한 움직임 벡터 평탄화를 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating motion vector planarization using a threshold in a bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 4를 참조하면, 먼저 중심 블록을 기준으로 SBAD가 임계값 보다 작은 이웃 블록들을 찾아 DFD를 수행한다. 9개 블록 모두 SBAD가 임계값보다 클 경우에는 중심 블록의 움직임 벡터를 그대로 사용한다. Referring to FIG. 4, first, DFD is performed to find neighboring blocks whose SBAD is smaller than a threshold value based on a center block. If the SBAD is greater than the threshold value in all nine blocks, the motion vector of the center block is used as it is.

여기에서, SBAD는 양방향 탐색에서 수행하였던 각각의 블록들의 SBAD이다. 이와 같이, SBAD가 높은 블록의 움직임 벡터는 평탄화 과정의 참조대상에서 제외시키고 수행함으로써 최종 움직임 벡터를 결정한다.Here, SBAD is the SBAD of each block that was performed in the bi-directional search. Thus, the final motion vector is determined by excluding the motion vector of the high block from the reference object of the smoothing process and performing it.

한편, 본 발명의 다른 구현예는, 상기한 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a video apparatus equipped with a bidirectional motion search function using the above-mentioned multiple frames.

이하 본 발명의 실험예를 기재한다. 그러나 하기의 실험예는 본 발명의 일 구현예의 실험예 일 뿐 본 발명이 하기한 실험예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, an experimental example of the present invention will be described. However, the following experimental examples are merely experimental examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

실험예Experimental Example

방법Way

본 발명의 일 구현예에서 테스트한 영상은 News, Foreman, Ice, Mobile, City, Football 등 이며, CIF(352288) 급의 해상도를 가지는 영상이다. 움직임 탐색의 블록 크기는 16×16을 사용하였고, 탐색 영역 범위는 ㅁ16의 픽셀을 사용하였다. 양방향 탐색에서 사용된 범위는 ㅁ2의 영역을 사용하였다. For example, News, Foreman, Ice, Mobile, City, Football, and the like have been tested in the embodiment of the present invention, and they have CIF (352288) resolution. The block size of the motion search is 16 × 16 and the search range is 16 pixels. The range used in the bi-directional search was the area of ㅁ 2.

본 발명의 일 구현예에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법을 평가하기 위해 PSNR(peak signal to noise ratio)을 사용하여 원본 프레임과 보간된 프레임을 비교 분석하였다.
In order to evaluate the bidirectional motion search method using multiple frames according to an embodiment of the present invention, the original frame and the interpolated frame are compared and analyzed using a peak signal to noise ratio (PSNR).

결과result

각 영상마다 보간된 프레임들의 평균 PSNR을 구해서 비교하였다. 비교된 실험 알고리즘은 다음과 같다.The average PSNR of interpolated frames for each image was obtained and compared. The experimental algorithm is as follows.

(a) 양방향 움직임 탐색 + 중복 블록 움직임 보상(OBMC, overlapped block motion compensation)(a) bi-directional motion search + overlapped block motion compensation (OBMC)

(b) 삼중 프레임을 통한 움직임 탐색 + OBMC(b) Motion search through triple frames + OBMC

(c) 본 발명의 양방향 움직임 탐색 + OBMC
(c) bi-directional motion search of the present invention + OBMC

실험에 사용된 영상은 2번에서 100번까지의 프레임들을 사용하였다. 실험을 위해 영상 시퀀스에서 홀수 번째 프레임을 제거된 프레임을 생성하였으며, 또한 짝수 번째 프레임에 대해서도 동일하게 실험을 수행하였다. 실험을 통해 얻어진 각 영상은 원본 영상과 비교하여 PSNR을 계산하였다.The images used in the experiments were frames 2 to 100. For the experiment, the frame in which the odd-numbered frames are removed from the image sequence was generated, and the same experiment was performed for the even-numbered frames. The PSNR of each image obtained by the experiment was compared with the original image.


PSNRPSNR
(a)(a) (b)(b) (C)(C) CrewCrew 30.5130.51 30.5430.54 30.8130.81 ForemanForeman 31.5331.53 31.5731.57 31.7631.76 IceIce 29.8429.84 29.8929.89 30.4030.40 MobileMobile 26.5426.54 27.5927.59 27,7227,72 CityCity 30.6730.67 31.0731.07 31.1431.14 FootballFootball 22.4922.49 22.4922.49 22.6622.66

[표 1]의 (a)는 보간될 프레임을 기준으로 이전 프레임과 현재 프레임을 통해 움직임 탐색을 실시하는 알고리즘이며, (b)는 보간될 프레임을 기준으로 n-2번째 프레임과 이전 프레임, 현재 프레임을 사용하여 움직임 탐색을 실시하는 알고리즘이고, (c)는 본 발명에서 제안하는 알고리즘이다. (B) is an algorithm for performing motion search through the previous frame and the current frame based on the frame to be interpolated, Frame, and (c) is an algorithm proposed by the present invention.

도 5는 표 1에서의 Ice 영상에 대한 방향 움직임 예측 결과에 대한 PSNR이다. 도 6은 표 1에서의 Foreman 영상에 대한 방향 움직임 예측 결과에 대한 PSNR이다.5 is a PSNR for the direction motion prediction result for the Ice image in Table 1. [ FIG. 6 is a PSNR for the direction motion prediction result for the Foreman image in Table 1. FIG.

[표 1], 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법에 따르면, 움직임이 적은 News 등의 영상보다 상대적으로 움직임이 큰 Ice 등의 영상에서 높은 PSNR 값을 가져 우수한 성능을 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, FIG. 5, and FIG. 6, according to the bidirectional motion search method using multiple frames according to the present invention, a high PSNR value And it can be confirmed that excellent performance is obtained.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. As will be understood by those skilled in the art. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (9)

제1 내지 제3 프레임이 입력되는 단계;
입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산하는 단계;
상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계;
상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계; 및
상기 제3 움직임 벡터에 중복 블록 움직임 보상(OBMC, overlapped block motion compensation) 과정을 적용하여 최종 보간 프레임을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
Inputting first to third frames;
Calculating a first motion vector through forward and backward motion search processes from input second and third frames;
Calculating a first motion vector and a first frame as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search process;
Calculating the second motion vector as a third motion vector through a smoothing process; And
And generating a final interpolation frame by applying an overlapped block motion compensation (OBMC) process to the third motion vector.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 내지 제3 프레임은 제1 내지 제n 프레임을 포함하는 다중 프레임으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first through third frames are selected from multiple frames including first through n-th frames.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 내지 제3 프레임은 시계열 순으로서, 상기 제1 프레임으로 진행될수록 이전 순이고, 상기 제3 프레임으로 진행될수록 이후 순인 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
The method of claim 2,
The method of claim 1, wherein the first through third frames are in a time-sequential order. The first through third frames are sequentially forwarded to the first frame, and then forwarded to the third frame.
청구항 1에 있어서,
상기 입력된 제2 및 제3 프레임으로부터 순방향 및 역방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제1 움직임 벡터를 계산하는 단계는,
블록 정합 알고리즘(BMA, block matching algorithm)의 절대 차의 합 계산(SAD, sum of absolute difference)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the calculating the first motion vector through the forward and backward motion search processes from the input second and third frames comprises:
And performing a sum of absolute difference (SAD) of a block matching algorithm (BMA).
청구항 1에 있어서,
상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계는,
하기 식 (1)을 통해 순방향과 역방향의 양방향 절대 차의 합(SBAD, sum of bidirectional absolute difference)을 구하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
Figure pat00012

Figure pat00013
----- (1)
(여기에서, Sx, Sy는 양방향 탐색 범위의 위치이며, Bi,Bj는 블록의 위치, dx,dy는 초기 움직임 벡터, P1과 P2는 순방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 얻은 값, P3와 P4는 역방향의 움직임 벡터를 이용하여 SBAD를 통해 구한 값임)
The method according to claim 1,
The step of calculating the first motion vector and the first frame as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search includes:
And calculating a sum of bidirectional absolute difference (SBAD) between forward and backward directions through the following equation (1).
Figure pat00012

Figure pat00013
----- (One)
Where Bi, Bj are the positions of the blocks, dx and dy are the initial motion vectors, P 1 and P 2 are the values obtained through the SBAD using forward motion vectors, P 3 and P 4 are values obtained through SBAD using a motion vector in the opposite direction)
청구항 5에 있어서,
상기 제1 움직임 벡터 및 제1 프레임을 다중 프레임 기반의 양방향 움직임 탐색 과정을 거쳐 제2 움직임 벡터로 계산하는 단계는,
상기 순방향과 역방향의 양방향 절대 차의 합(SBAD, sum of bidirectional absolute difference)을 비교하여 값이 작은 블록을 상기 제2 움직임 벡터로 계산하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
The method of claim 5,
The step of calculating the first motion vector and the first frame as a second motion vector through a multi-frame based bidirectional motion search includes:
Further comprising calculating a second block having a smaller value by comparing the sum of bidirectional absolute difference (SBAD) of the forward and backward directions with the second motion vector. Search method.
청구항 6 항에 있어서,
상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계는,
상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록을 기준으로 양방향 절대 차의 합(SBAD)이 임계값보다 작은 이웃 블록들에 대하여 하기 식 (2)과 같은 DFD(displaced frame difference)를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
Figure pat00014
----- (2)
(여기에서, vx, vy는 양방향 탐색을 통해 얻은 제2 움직임 벡터
Figure pat00015
의 x축과 y축 성분을 나타내며, B는 중심 블록을 나타내고, f(n-1)과 f(n)은 제2 프레임과 제3 프레임의 밝기 값인 휘도 성분을 나타냄.)
The method of claim 6,
The step of calculating the third motion vector as a third motion vector through the smoothing process may include:
Calculating a displaced frame difference (DFD) according to the following equation (2) for neighboring blocks whose sum of bidirectional absolute differences (SBAD) is smaller than a threshold based on the block calculated with the second motion vector Wherein the motion estimation method comprises the steps of:
Figure pat00014
----- (2)
(Where v x, v y are the second motion vectors obtained through bi-
Figure pat00015
And f (n-1) and f (n) represent brightness components, which are the brightness values of the second frame and the third frame, respectively.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 움직임 벡터를 평탄화 과정을 거쳐 제3 움직임 벡터로 계산하는 단계에서,
상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록의 SBAD를 기준으로 상기 제2 움직임 벡터로 계산된 블록의 이웃 블록들의 SBAD가 임계값보다 모두 큰 경우, 제2 움직임 벡터를 제3 움직임 벡터로 하는 것을 특징으로 하는 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 방법.
The method of claim 6,
In the step of calculating the third motion vector as a third motion vector through the smoothing process,
And the second motion vector is a third motion vector when the SBAD of the neighboring blocks of the block calculated with the second motion vector is greater than the threshold value based on the SBAD of the block calculated with the second motion vector. Way motion search using multiple frames.
청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항에 따른 다중 프레임을 이용한 양방향 움직임 탐색 기능이 탑재된 영상 장치.A video apparatus equipped with a bidirectional motion search function using multiple frames according to any one of claims 1 to 8.
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