TWI474285B - 移動向量估算系統及方法 - Google Patents

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移動向量估算系統及方法
本發明係有關移動向量之估算，特別是有關一種旋轉不變(rotation-invariant)或尺度不變(scale-invariant)之系統及方法，用以估算得到真實(true)移動向量。
於影像處理領域中，移動向量估算(motion estimation)是一種很重要的處理，其可適用於許多的影像處理應用場合中，例如移動向量補償之去交錯(motion-compensated deinterlacing)、移動向量補償之掃描率轉換(motion-compensated scan rate conversion)、移動向量補償之雜訊降低(motion-compensated noise reduction)及影像內容分析等。區塊比對(block matching)是傳統移動向量補償經常被使用到的演算法之一，然而，如果前、後圖像(例如，參考圖像及目前圖像)中的物件有旋轉(rotation)或者尺度比例(scale)的變化，則傳統的區塊比對演算法往往無法獲得好的結果。
因此，亟需提出一種旋轉不變(rotation-invariant)之演算法，或者提出一種尺度不變(scale-invariant)之演算法，用以估算得到真實移動向量。
本發明的目的之一在於提出一種移動向量估算系統及方法，其於特徵萃取時不會受到旋轉或尺度比例的影響，因而得以估算得到真實移動向量。
根據本發明實施例，以加柏(Gabor)濾波器組輸入目前圖像及參考圖像，用以產生目前圖像濾波輸出及參考圖像濾波輸出，該加柏(Gabor)濾波器組根據其基底(bases)以提供多個旋轉不變(rotation-invariant)/尺度不變(scale-invariant)之特徵值(features)。匹配誤差計算單元根據目前圖像濾波輸出、參考圖像濾波輸出及多個移動向量預估值，以產生多個匹配誤差值。移動向量搜尋單元提供該移動向量預估值至匹配誤差計算單元，且自匹配誤差計算單元輸入多個匹配誤差值，並就其中最小者所對應之移動向量預估值作為真實(true)移動向量。
以下所述的本發明實施例使用加柏(Gabor)濾波器組(filter bank)來萃取不受旋轉(rotation)或尺度比例(scale)影響的特徵(feature)，以利移動向量之估算，主要係考量到加柏(Gabor)濾波器組具有旋轉不變(rotation-invariant)及尺度不變(scale-invariant)的特性。加柏(Gabor)濾波器組的基底(base)可以表示為下式(1)：
其中，x、y分別代表水平及垂直像素指數(index)，fhi 、fvi 分別代表第i個次頻帶(subband)的水平及垂直中心頻率(center frequency)，則代表第i個次頻帶的高斯視窗(Gaussian window)之偏差值(variance)。
第一圖例示加柏(Gabor)濾波器組的通帶(passband)，於圖式中例示有二十個通帶或次頻帶。圖式中的每一個通帶係由不同的中心頻率(fhi 、fvi )及偏差值()所決定，其中，愈離開中心之通帶的頻率愈大，而偏差值()則相關於通帶的大小。
在本發明第一實施例中，藉由萃取加柏(Gabor)濾波器組之旋轉不變(rotation-invariant)特徵(feature)，用以估算得到真實移動向量。第二圖顯示加柏(Gabor)濾波器組的各個通帶，其中(頻率相關)次頻帶指數p代表對應至不同的頻率，例如，於圖式中，由中心往外依次為0、1、2、3、4；而另一(角度相關)次頻帶指數q則代表對應至不同的旋轉角度。鑑於影像中的物件如果經過旋轉後，其頻譜也會有旋轉之現象(但頻率大小則不變)。因此，在本發明第一實施例中，使用下式(2)將各種角度(亦即，所有q值)的加柏(Gabor)基底gp,q (x,y)予以加總後，所得到的特徵值gp (x,y)即不具有角度q的變數，因而可作為旋轉不變(rotation-invariant)基底，其可用於後續移動向量的估算。於圖式中，對於不同頻率(p=0-4)，總共可以得到五個特徵值。
第三圖顯示本發明第一實施例之移動向量估算系統及其處理流程。首先，輸入目前圖像IC 及參考圖像IR (例如前一圖像)至加柏(Gabor)濾波器組10。藉由前述加柏(Gabor)濾波器組10之旋轉不變(rotation-invariant)基底gp (x,y)，因而分別得到(目前/參考圖像之)濾波輸出Gp (IC )、Gp (IR )。詳言之，目前圖像IC 之濾波輸出Gp (IC )係由目前圖像IC 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得，亦即Gp (IC )=gp (x,y)*IC (x,y)；而參考圖像IR 之濾波輸出Gp (IR )係由參考圖像IR 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得，亦即Gp (IR )=gp (x,y)*IR (x,y)。
接下來，以方塊12進行匹配成本(matching cost)或匹配誤差(matching error)的計算，用以得到位於(x,y)像素的移動向量(u,v)的誤差。詳言之，首先，將目前圖像IC 位於像素(x,y)的濾波輸出Gp (IC ,x,y)與參考圖像IR 位於移動後像素(x+u,y+v)的濾波輸出Gp (IR ,x+u,y+v)進行相減，以得到一差值；再對所有頻率值(亦即，頻率相關次頻帶指數p)的差值予以加總，因而得到匹配誤差值。上述匹配誤差值C的計算可以表示如下式(3)：
上述方塊12或式(3)的移動向量預估值(u,v)可以由一移動向量搜尋(search)單元14來提供。移動向量搜尋單元14可以使用各種傳統搜尋演算法之一，例如全域搜尋(full search)演算法。移動向量搜尋單元14所提供的不同移動向量值(u,v)可得到不同大小的匹配誤差值C；而移動向量搜尋單元14即根據這些匹配誤差值C當中的最小者，據以判定相對應的移動向量值(u,v)作為最適當的移動向量，或者真實(true)移動向量。
在本發明第二實施例中，藉由萃取加柏(Gabor)濾波器組之尺度不變(scale-invariant)特徵(feature)，用以估算得到真實移動向量，此時的加柏(Gabor)濾波器組需符合下式(4)：
其中，ηh 、ηv 為(水平/垂直)尺度常數，用以控制視窗大小。
在式(4)的條件下，下式(5)所示尺度比例不同的二信號s1 、s2 可具有下式(6)的關係：
其中，a代表尺度比例係數(factor)，而g代表加柏(Gabor)濾波器組之基底。上式(6)僅適用於當二圖像的尺度比例係數為整數倍時。底下所示之第二實施例將提出一種可適用於任意尺度比例的圖像。
在本實施例中，代表加柏(Gabor)濾波器組之特徵值g定義如下式(7)：
其中，n代表各種尺度比例的次頻帶指數，θ代表次頻帶之中心頻率的角度，α代表次頻帶中的最小頻率。
由式(7)可以看出，任何二相鄰次頻帶的尺度比例為。在本發明較佳實施例中，α=0.08837,η=1.183,θ=0°,45°,90°,135°。
第四圖顯示本發明第二實施例之移動向量估算系統及其處理流程。首先，輸入目前圖像IC 及參考圖像IR (例如前一圖像)至加柏(Gabor)濾波器組20。藉由加柏(Gabor)濾波器組20之尺度不變(scale-invariant)基底g(x,y,n,θ)，因而分別得到(目前/參考圖像之)濾波輸出G(IC )、G(IR )。詳言之，目前圖像之濾波輸出G(IC )係由目前圖像IC 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得，亦即G(IC )=g(x,y,n,θ)*IC (x,y)；而參考圖像之濾波輸出G(IR )係由參考圖像IR 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得,亦即G(IR )=g(x,y,n,θ)*IR (x,y)。
接下來，以方塊22進行匹配成本(matching cost)或匹配誤差(matching error)的計算，用以得到放大之匹配誤差值Cr 及縮小之匹配誤差值Cc ，如下式(8)所示：
其中，由於式(7)所定義的尺度比例僅有1x、及2x，因此，使用尺度比例次頻帶偏差值(offset)k來代表經內插(interpolation)後的尺度比例。詳言之，當k=0.5時，G(x,y,n+0.5,θ,I)=[G(x,y,n,θ,I)+G(x,y,n+1,θ,I)]/2，代表於尺度比例1x、間作內插；當k=1.5時，G(x,y,n+1.5,θ,I)=[G(x,y,n+1,θ,I)+G(x,y,n+2,θ,I)]/2,代表於尺度比例、2x間作內插。經內插後，將得到下列尺度比例：1x、1.189x、1.414x、1.682x、2x。
關於(放大/縮小)匹配誤差值Cr 或Cc 的計算，類似於前述的式(3)，亦即，首先，將目前圖像IC 位於像素(x,y)的濾波輸出G(Ic,x,y)與參考圖像IR 位於移動像素(x+u,y+v)的濾波輸出G(IR ,x+u,y+v)進行相減，以得到一差值；再對所有次頻帶指數n、中心頻率角度θ的差值予以加總，因而得到(放大/縮小)匹配誤差值Cr 或Cc 。和式(3)不同的是，式(8)需針對不同的尺度比例(亦即，不同的k值)逐一得到誤差值並作比對，並以最小的誤差值所對應的尺度比例(或k值)作為實際的尺度比例。最終的匹配誤差值C則是取Cr 與Cc 之較小者。
上述方塊22或式(8)的移動向量預估值(u,v)可以由一移動向量搜尋(search)單元24來提供。移動向量搜尋單元24可以使用各種傳統搜尋演算法之一，例如全域搜尋(full search)演算法。移動向量搜尋單元24所提供的不同移動向量值(u,v)可得到不同大小的匹配誤差值C；而移動向量搜尋單元24即根據這些匹配誤差值C當中的最小者，據以判定相對應的移動向量值(u,v)作為最適當的移動向量，或者真實(true)移動向量。
以上第一、第二實施例分別說明了根據旋轉不變(rotation-invariant)及尺度不變(scale-invariant)之特徵以進行移動向量之估算。如果所處理的圖像既具有旋轉及尺度比例的改變，則可以合併上述二實施例的作法，並就旋轉不變匹配誤差值C、尺度不變匹配誤差值Cr 、Cc 三者中最小者，據以判定相對應的移動向量值(u,v)作為最適當的移動向量，或者真實(true)移動向量。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．具旋轉不變基底之加柏(Gabor)濾波器組
12．．．匹配誤差計算
14．．．移動向量搜尋
20．．．具尺度不變基底之加柏(Gabor)濾波器組
22．．．匹配誤差計算
24．．．移動向量搜尋
p．．．(頻率相關)次頻帶指數
q．．．(角度相關)次頻帶指數
IC ．．．目前畫像
IR ．．．參考畫像
G(IC )．．．目前畫像之濾波輸出
G(IR )．．．參考畫像之濾波輸出
u,v．．．移動向量
C．．．匹配誤差值
Cr 、Cc ．．．匹配誤差值
第一圖例示加柏(Gabor)濾波器組的通帶(passband)。
第二圖顯示加柏(Gabor)濾波器組的通帶(passband)，其中次頻帶指數p代表不同的頻率，而另一次頻帶指數q則代表旋轉角度。
第三圖顯示本發明第一實施例之移動向量估算系統及其處理流程。
第四圖顯示本發明第二實施例之移動向量估算系統及其處理流程。
10．．．具旋轉不變基底之加柏(Gabor)濾波器組
12．．．匹配誤差計算
14．．．移動向量搜尋
IC ．．．目前畫像
IR ．．．參考畫像
G(IC )．．．目前畫像之濾波輸出
G(IR )．．．參考畫像之濾波輸出
u,v．．．移動向量
C．．．匹配誤差值

Claims (14)

  1. 一種移動向量估算系統，包含：一加柏(Gabor)濾波器組，其輸入目前圖像IC 及參考圖像IR ，用以產生目前圖像IC 濾波輸出及參考圖像IR 濾波輸出，該加柏(Gabor)濾波器組具有複數個旋轉不變(rotation-invariant)之基底(bases)及複數個尺度不變(scale-invariant)之基底，該加柏濾波器係根據該些基底以提供複數個特徵值(features)；一匹配誤差計算單元，其將目前圖像IC 位於像素(x,y)的濾波輸出Gp (IC ,x,y)與參考圖像IR 位於移動後像素(x+u,y+v)的濾波輸出Gp (IR ,x+u,y+v)進行相減，並對所有頻率相關次頻帶指數p的差值予以加總，用以得到該複數個匹配誤差值，其中包含複數個旋轉不變匹配誤差值C及複數個尺度不變匹配誤差值Cr 、Cc ，其中(u,v)為移動向量預估值；及一移動向量搜尋單元，其提供該移動向量預估值至該匹配誤差計算單元，且自該匹配誤差計算單元輸入該複數個匹配誤差值，並就其中最小者所對應之移動向量預估值作為真實(true)移動向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之移動向量估算系統，其中上述之複數個特徵值gp (x,y)係由下式得到： 其中，頻率相關次頻帶指數p代表對應至不同的頻率，角度相關次頻帶指數q則代表對應至不同的旋轉角度，而該基底g(x,y)定義如下： 其中，x、y分別代表水平及垂直像素指數(index)，fhi 、fvi 分別代表第i個次頻帶(subband)的水平及垂直中心頻率(center frequency)，則代表第i個次頻帶的高斯視窗(Gaussian window)之偏差值(variance)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之移動向量估算系統，其中上述之加柏(Gabor)濾波器組執行下列步驟：將目前圖像IC 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得到該濾波輸出Gp (IC )=gp (x,y)*IC (x,y)；及將參考圖像IR 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得到該參考圖像IR 之濾波輸出Gp (IR )=gp (x,y)*IR (x,y)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之移動向量估算系統，其中上述匹配誤差計算單元所執行步驟可以下式表示：
  5. 如申請專利範圍第1項所述之移動向量估算系統，其中上述之複數個特徵值g(x,y,n,θ)定義如下： f h (n ,θ )=cosθf (n )f v (n ,θ )=sinθf (n ) 其中，x、y分別代表水平及垂直像素指數(index)，fhi 、fvi 分別代表第i個次頻帶(subband)的水平及垂直中心頻率(center frequency)，n代表各種尺度比例的次頻帶指數，θ代表次頻帶之中心頻率的角度，α代表次頻帶中的最小頻率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之移動向量估算系統，其中上述之加柏(Gabor)濾波器組執行下列步驟： 將目前圖像IC 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得到該濾波輸出G(IC )=g(x,y,n,θ)*IC (x,y)；及將參考圖像IR 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得到該參考圖像IR 之濾波輸出G(IR )=g(x,y,n,θ)*IR (x,y)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之移動向量估算系統，其中上述之匹配誤差計算單元執行下式計算，以得到該尺度不變匹配誤差值之放大之匹配誤差值Cr 及縮小之匹配誤差值Cc ：C (x ,y ,u ,v )=min(C r (x ,y ,u ,v ),C c (x ,y ,u ,v)) 其 中，尺度比例次頻帶偏差值(offset)k代表經內插(interpolation)後的尺度比例；當k=0.5時，G(x,y,n+0.5,θ,I)=[G(x,y,n,θ,I)+G(x,y,n+1,θ,I)]/2，代表於尺度比例1x、x間作內插；當k=1.5時，G(x,y,n+1.5,θ,I)=[G(x,y,n+1,θ,I)+G(x,y,n+2,θ,I)]/2，代表於尺度比例x、2x間作內插。
  8. 一種移動向量估算方法，包含：輸入目前圖像IC 及參考圖像IR 至一加柏(Gabor)濾波器組，用以產生目前圖像IC 濾波輸出及參考圖像IR 濾波輸出，該加柏(Gabor)濾波器組具有複數個旋轉不變(rotation-invariant)之基底(bases)及複數個尺度不變(scale-invariant)之基底，該加柏濾波器係根據該些基底以提供複數個特徵值(features)；將目前圖像IC 位於像素(x,y)的濾波輸出Gp (IC ,x,y)與參考圖像IR 位於移動後像素(x+u,y+v)的濾波輸出Gp (IR ,x+u,y+v)進行相減，並對所有頻率相關次頻帶指數p的差值予以加總，用以得到複數個匹配誤差值，其中包含複數個旋轉不變匹配誤差值C及複數個尺度不變匹配誤差值Cr 、Cc ，其中(u,v)為移動向量預估值；及接收該複數個匹配誤差值C，並就其中最小者所對應之移動向量預估值作為真實(true)移動向量。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之移動向量估算方法，其中上述之複數個特徵值gp (x,y)係由下式得到： 其中，頻率相關次頻帶指數p代表對應至不同的頻率，角度相關次頻帶指數q則代表對應至不同的旋轉角度，而該基底g(x,y)定義如下： 其中，x、y分別代表水平及垂直像素指數(index)，fhi 、fvi 分別代表第i個次頻帶(subband)的水平及垂直中心頻率(center frequency)，則代表第i個次頻帶的高斯視窗(Gaussian window)之偏差值(variance)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之移動向量估算方法，其中上述之加柏(Gabor)濾波器組執行下列步驟：將目前圖像IC 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得到該濾波輸出Gp (IC )=gp (x,y)*IC (x,y)；及將參考圖像IR 與特徵值gp (x,y)進行摺積運算(convolution)而得到該參考圖像IR 之濾波輸出Gp (IR )=gp (x,y)*IR (x,y)。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之移動向量估算方法，其中上述複數個匹配誤差值之產生可以下式表示：
  12. 如申請專利範圍第8項所述之移動向量估算方法，其中上述之複數個特徵值g(x,y,n,θ)定義如下： f h (n ,θ )=cosθf (n )f v (n ,θ )=sinθf (n ) 其中，x、y分別代表水平及垂直像素指數(index)，fhi 、fvi 分別代表第i個次頻帶(subband)的水平及垂直中心頻率(center frequency)，n代表各種尺度比例的次頻帶指數，θ代表次頻帶之中心頻率的角度，α代表次頻帶中的最小頻率。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之移動向量估算方法，其中上述之加柏(Gabor)濾波器組執行下列步驟：將目前圖像IC 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得到該濾波輸出G(IC )=g(x,y,n,θ)*IC (x,y)；及 將參考圖像IR 與特徵值g(x,y,n,θ)進行摺積運算(convolution)而得到該參考圖像IR 之濾波輸出G(IR )=g(x,y,n,θ)*IR (x,y)。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之移動向量估算方法，其中上述複數個匹配誤差值之產生係執行下式計算，以得到放大之匹配誤差值Cr 及縮小之匹配誤差值Cc ：C (x ,y ,u ,v )=min(C r (x ,y ,u ,v ),C c (x ,y ,u ,v )) 其 中，尺度比例次頻帶偏差值(offset)k代表經內插(interpolation)後的尺度比例；當k=0.5時，G(x,y,n+0.5,θ,I)=[G(x,y,n,θ,I)+G(x,y,n+1,θ,I)]/2，代表於尺度比例1x、x間作內插；當k=1.5時，G(x,y,n+1.5,θ,I)=[G(x,y,n+1,θ,I)+G(x,y,n+2,θ,I)]/2，代表於尺度比例x、2x間作內插。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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