WO1998043434A1 - Verfahren und anordnung zur rechnergestützten bewegungsschätzung eines elements eines zu codierenden bildes - Google Patents

Verfahren und anordnung zur rechnergestützten bewegungsschätzung eines elements eines zu codierenden bildes Download PDF

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WO1998043434A1
WO1998043434A1 PCT/DE1998/000779 DE9800779W WO9843434A1 WO 1998043434 A1 WO1998043434 A1 WO 1998043434A1 DE 9800779 W DE9800779 W DE 9800779W WO 9843434 A1 WO9843434 A1 WO 9843434A1
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obe
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PCT/DE1998/000779
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Jürgen PANDEL
Albert Salai
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N19/00—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals
    • H04N19/50—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using predictive coding
    • H04N19/503—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using predictive coding involving temporal prediction
    • H04N19/51—Motion estimation or motion compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/14—Picture signal circuitry for video frequency region
    • H04N5/144—Movement detection
    • H04N5/145—Movement estimation

Definitions

  • the invention relates to the computer-based motion estimation of an element of an image to be encoded.
  • a method for image coding is known from [5], in which motion vectors are determined for an image and from the motion vectors an optimal motion vector is selected from the motion vectors with regard to the actual motion of an image block.
  • a further block-based image coding method is known from [6], in which a statistical distribution of the differential image signal is determined. Depending on the statistical distribution, a decision is made as to whether an image block to be encoded is encoded or not.
  • a motion estimation is carried out in both the block-based and the object-based image coding using conventional methods.
  • an element of an image to be coded is attempted to determine whether a before encoded image contains an area that matches the area to be encoded so well that it is sufficient with sufficient picture quality to encode only a reference to the already encoded area instead of encoding the entire element to be encoded. Since the respective element is usually shifted between successive images, the reference is made in the form of a so-called motion vector, which describes the shift of the area from the previous image to the element m of the image to be coded.
  • block matching method is usually used for block-based image compression methods. It is based on the fact that the picture block to be coded is compared with blocks of the same size of a previous picture.
  • the previous image is referred to below as the reference image.
  • One of the reference picture blocks is in the same position as the picture block to be coded, the other reference blocks are shifted in relation to this.
  • fill search a full search
  • matchmgs a corresponding number of block comparisons
  • coding information is understood to mean, for example, luminance information or chrominance information associated with the respective pixel.
  • the so-called spiral search method is also known as a search strategy.
  • all search positions are again processed, but in a spiral, ie starting from the so-called zero shift, ie from the same position as the block to be coded.
  • the search positions are selected on a spiral curve around the zero shift, the search positions being always further away from the zero shift.
  • the motion vector is assigned to that search position in which the sum of the absolute differences in the coding information of the image block to be coded and the corresponding image block m is minimal in the reference image.
  • the invention is based on the problem of specifying a method for motion estimation with which the motion characteristics of elements of digitized images in a moving image sequence are better taken into account in the context of image coding than is possible with known methods.
  • the method uses components of motion vectors or motion vectors of previously processed image elements, i.e. a frequency distribution was determined for picture elements for which a motion estimation had already been carried out.
  • a frequency distribution was determined for picture elements for which a motion estimation had already been carried out.
  • at least one search position is determined.
  • a reference picture element is determined at the search position.
  • An error measure is determined for the original picture element, the error measure being used to describe the similarity between the original picture element and the reference picture element.
  • the location of the reference picture element determines the search position.
  • an image block BB as an image element which has, for example, 8x8 pixels.
  • macro blocks which usually consist of 4 or 6 image blocks.
  • a picture element is to be understood as an elementary unit of any shape and size, in which the picture B is divided and for which the respective coding method takes place.
  • a search strategy for a new motion vector is proposed for the first time, which is adapted to the vector statistics of motion vectors already found or components of motion vectors in the same image or to the vector statistics of the images in the past.
  • the picture coding is thus better adapted to the movement characteristics of the moving picture sequence, which reduces the computation effort required for the movement estimation.
  • an image memory for storing the digitized images and a processor unit are provided with which the individual method steps of the method are carried out.
  • the arrangement also has the above-mentioned advantages of the method compared to the known method for motion estimation.
  • the error measure which can be formed by a sequence of accumulations of difference values, which Abort determination of the error measure with respect to a reference picture element if the value of the error measure with respect to the respectively examined reference picture element is greater than a predeterminable threshold value.
  • This procedure avoids unnecessary additional computing operations, which leads to a saving in the computing power required for the arrangement when carrying out the method.
  • the threshold value is of variable design and the threshold value is assigned the value of the error measure of the image element considered to be optimal in the previous method. In this way, a further reduction in required arithmetic operations is achieved.
  • the frequency distribution of the motion vectors or the components of motion vectors is taken into account very advantageously, since in the event that frequently occurring motion vectors are used to determine search positions in which the reference picture elements are preferably at an early stage Phase of the method are compared, a very good error measure and thus a very small threshold value is determined statistically very early, which, when the error measure is further determined with respect to further reference picture elements in the context of motion estimation, leads to the accumulations of the differences in the coding information in the further procedures can be terminated early. This saves a considerable amount of computing time compared to known methods for estimating movement.
  • FIG. 1 shows a computer arrangement with two computers, one
  • Camera and a transmission medium shows a sequence of digitized images which are stored in a memory of a computer
  • the camera K can be, for example, any analog camera K that records images of a scene and either digitizes these images in the camera K or also transmits them analogously to a computer R1, which then either processes the digitized images or digitizes the analog images Images are converted and the digitized images are processed.
  • the computer R1 has a processor unit P, with which the method step of motion estimation or motion compensation described in the following and possibly further method steps, for example for image coding, are carried out.
  • the processor unit P is coupled, for example, via a bus BU to a memory SP, in which the image data are stored.
  • the computer R1 will perform the image coding and, after the compressed image data has been transmitted via a transmission medium UM to another computer R2, the other computer R2 will perform the image decoding.
  • the further computer R2 has, for example, the same structure as the first computer R1, that is to say the memory SP, which is coupled to the processor unit P via the bus BU.
  • the digitized images or the reconstructed images can either be displayed on a first screen BS1, which is coupled to the first computer R1, or on a second screen BS2, which is coupled to the second computer R2.
  • the method for motion estimation can be used both in the context of so-called block-based image coding methods and in the context of object-based image coding methods.
  • a sequence of digitized images ZVB, EVB, OB is shown symbolically in FIG. 2 and is stored in the memory SP.
  • This representation is merely a symbolic representation, since in most image coding methods it is not the case that several successive images are completely stored in the memory SP. This representation therefore only serves to illustrate the method.
  • the aim of the motion estimation is to carry out an image coding for an original image OB of the image sequence.
  • the processed picture element BBE is already coded and thus already transmitted.
  • sufficiently similar means that it is sufficient with only a slight reduction in the image quality is to insert the processed picture element BBE with a possible shift, which takes place between the processed picture element BBE m the first preceding picture EVB and the element OBE of the original picture OB, in the picture decoding m the picture to be decoded, with which a complex coding of the element OBE des Origmalsentes OB no longer required
  • the displacement of the processed picture element BBE between the first preceding picture EVB and the respective element OBE of the original picture OB is referred to as the motion vector BV.
  • a motion vector BV is determined for each image block of an image or even just a so-called macro block, which has, for example, 4 or 6 image blocks, and is assigned to the image block or macro block.
  • FIG. 2 shows processed image elements BBE, each of which has been assigned a motion vector BV.
  • a frequency distribution of motion vectors BV of image elements BBE that have already been processed is determined. Any number of picture elements BBE that have already been processed can be within the original picture OB or within a Any number of previous pictures, for example the first previous picture EVB or also a second previous picture ZVB or further previous pictures are taken into account in the picture sequence.
  • the motion vector BV usually has a first component BV X and a second component BVy in the 2-dimensional space. Both components together form the motion vector BV.
  • a frequency distribution F of the motion vectors BV is shown as an example in FIG. 3c. It is the number for each component of the motion vector BV that occurs
  • ABV xy is shown, with which the frequency of the occurrence of the respective motion vector BV is described. This results in a 2-dimensional area F in a 3-dimensional space, which is spanned by the first component BV X , the second component BV y and the number ABV X y.
  • Fig. 3c it is shown as an example that the motion vector (2,1) occurred 6 times in the processed image elements BBE considered, which were used to determine the frequency distribution.
  • the motion vector (6,6) has occurred 5 times in this example.
  • a search position for the element OBE in the original image OB with respect to at least one reference image element RBE in the first preceding image EVB is determined depending on the frequency distribution F.
  • an error measure is also determined for the original picture element OBE. This is done, for example, by comparing the coding information in the first preceding picture EVB at the search position with the reference picture element RBE which contains the search position. mation, which contains the reference picture element RBE or the element OBE of the original picture OB, respectively.
  • the error measure takes place, for example, by forming the difference between the coding information of the individual pixels of the element OBE and the reference pixel RBE.
  • the sum of the quadratic differences is used.
  • search positions can be determined and thus also several difference picture elements RBE, each of which contains at least one search position.
  • the formation of the error measure is carried out in each case for a reference picture element RBE and the element OB of the original picture OB. That reference picture element RBE is selected and used in the context of the motion estimation as the reference picture element RBE most similar to the element OBE, which of the reference picture elements RBE taken into account, the element OB of the original picture OB has the greatest correspondence with the element OB of the original picture OB with regard to the error measure.
  • the order in which the individual reference picture elements RBE are examined depends on the frequency distribution of the motion vectors BV.
  • a predeterminable threshold value is also taken into account as part of this method.
  • the error measure is determined as long, i.e. the individual differences in the coding information are added up until the value of the error measure exceeds the threshold value.
  • Fig. 4 the method is shown summarized its individual method steps in a flow chart.
  • a frequency distribution of motion vectors BV and / or components of motion vectors BV X , BVy of processed image elements BBE of previous images EVB, ZVB, ... is determined.
  • At least one search position in a reference image EVB is determined as a function of the frequency distribution.
  • an error measure of the coding information of the element OBE of the original picture OB with respect to a reference picture element RBE at the search position is determined (403) as part of the motion estimation, the error measure being used to determine the similarity between the element OBE and the reference picture element RBE is described.
  • the camera K can, for example, also be a digital camera K, with which directly digitized images B are recorded and fed to the computer R1 for further processing.
  • the computer R1 can also be designed as an independent arrangement that carries out the method steps described, for example as an independent computer card that is installed in a computer.
  • the method can, however, also be used without any problems for object-based image coding methods.
  • object-based image coding methods it is only necessary that image objects of approximately the same shape and size are compared with one another as part of the motion estimation, since otherwise the result of the motion estimation could possibly be incorrect.
  • FIG. 3a shows that the first component BV X with a value 4 occurred 8 times in the processed picture elements BBE taken into account.
  • the first component BV X with a value of 1 has occurred twice, for example.
  • Such a frequency distribution for the second components BVy is shown in FIG. 3b.
  • the order in which the individual reference picture elements RBE are examined is selected in this case depending on the frequency distribution of the components BV X and BVy of the motion vectors BV.
  • the error measure can also be determined, for example, by summing the absolute difference between the pixels of the element OBE and the reference picture element RBE. Further options for forming the error measure are sufficiently ongoing and can be used without limitation within the scope of this procedure.
  • the threshold value i.e. in each case to set the threshold value to a new value if the error measure has been taken into account after taking into account all pixels in the respective elements OBE, RBE and the error measure is less than the previous threshold value.
  • the value of the error measure is assigned to the value of the threshold value.
  • the threshold value is carried out to the “optimal” value of the error measure when the method is carried out iteratively for a plurality of reference picture elements RBE.

Abstract

In einem ersten Schritt (401) der Bewegungsschätzung wird eine Häufigkeitsverteilung von Bewegungsvektoren und/oder Komponenten von Bewegungsvektoren eines Bildes ermittelt. Abhängig von der Häufigkeitsverteilung wird mindestens eine Suchposition in einem Referenzbild bestimmt (402). An der jeweiligen Suchposition wird für ein Element eines zu codierenden Bildes ein Referenzbildelement bestimmt, für die ein Fehlermaß ermittelt wird (403). Mit dem Fehlermaß wird die Ähnlichkeit zwischen dem Element des zu codierenden Bildes und dem Referenzbildelement beschrieben.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur rechnergestutzten Bewegungsschatzung eines Elements eines zu codierenden Bildes
Die Erfindung betriftt die rechnergestutzte Bewegungsschatzung eines Elements eines zu codierenden Bildes.
Für eine effiziente Kompression von Bewegtbildsequenzen wird eine zuverlässige Bewegungsschatzung bei der Bildcodierung benotigt. Es sind verschiedenste Arten der Bildcodierung bekannt. Dabei wird üblicherweise m zwei Arten der Bildcodierung unterschieden, der sog. blockbasierten Bildcodierung und der sog. obiektbasierten Bildcodierung.
Verfahren zur blockbasierten Bildcodierung sind beispielsweise aus den Dokumenten [1], [2], [3], bekannt.
Verfahren zur obiektbasierten Bildcodierung sind beispiels- weise aus dem Dokument [4] bekannt.
Aus [5] ist ein Verfahren zur Bildcodierung bekannt, bei dem Bewegungsvektoren für ein Bild ermittelt werden und aus den Bewegungsvektoren ein hinsichtlich der tatsächlichen Bewegung eines Bildblocks optimaler Bewegungsvektor aus den Bewegungsvektoren ausgewählt wird.
Aus [6] ist ein weiteres blockbasiertes Bildcodierungsverfah- ren bekannt, bei dem eine statistische Verteilung des Diffe- renzbildsignals ermittelt wird. Abhangig von der statistischen Verteilung wird entschieden, ob ein jeweils zu codierender Bildblock codiert wird oder nicht.
Sowohl bei der blockbasierten als auch bei der objektbasier- ten Bildcodierung wird bei üblichen Verfahren eine Bewegungsschatzung durchgeführt. Bei einer Bewegungsschatzung wird für ein Element eines zu codierenden Bildes versucht, ob ein zu- vor codiertes Bild einen Bereich enthalt, der mit dem zu codierenden Bereich so gut übereinstimmt, daß es mit ausreichender Bildqualltat genügt, lediglich einen Verweis auf den schon codierten Bereich zu codieren anstelle der Codierung des gesamten zu codierenden Elements. Da üblicherweise eine Verschiebung des jeweiligen Elements zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern stattfindet, erfolgt der Verweis m Form eines sog. Bewegungsvektors, mit dem die Verschiebung des Bereichs aus dem vorangegangenen Bild zu dem Element m dem zu codierenden Bild beschrieben wird.
Für die Bewegungsvektorschatzung gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Suchstrategien. Für blockbasierte Bildkompressi- onsverfahren wird üblicherweise das sog. "Blockmatching- Verfahren" verwendet. Es beruht darauf, daß der zu codierende Bildblock mit gleich großen Blocken eines zeitlich vorangegangenen Bildes verglichen wird. Das zeitlich vorangegangene Bild wird im weiteren als Referenzbild bezeichnet. Einer der Referenzbildblocke befindet sich auf der gleichen Position wie der zu codierende Bildblock, die anderen Referenzblocke sind gegenüber diesem ortlich verschoben. Bei großem Suchbereich m horizontaler und vertikaler Richtung ergeben sich sehr viele Suchpositionen, so daß bei vollständiger Suche ("Füll Search") auch entsprechend viele Blockvergleiche ( "Matchmgs" ) durchgeführt werden müssen. Als Kriterium für die Uberemstimmungsgute zwischen zu codierendem Bildblock und Referenzblock wird im allgemeinen die Summe der absoluten Differenzen der Codierungsinformation, die jeweils m einzelnen Bildpunkten zugeordnet wird, verwendet.
Als Codierungsinformation wird m diesem Zusammenhang beispielsweise eine dem jeweiligen Bildpunkt zugeordnete Lu- mmanzinformation oder auch Chrominanzinformation verstanden.
Ferner ist als Suchstrategie das sog. Verfahren der Spiralsuche bekannt. Bei der Spiralsuche werden wiederum alle Suchpo- sitionen abgearbeitet, jedoch spiralförmig, d.h. beginnend von der sog. Nullverschiebung, d.h. von der gleichen Position wie der zu codierende Block. Die Suchpositionen werden auf einer spiralförmigen Kurve um die Nullverschiebung gewählt, wobei sich die Suchpositionen immer weiter von der Nullver- Schiebung entfernt befinden.
Bei dem Verfahren zur Bewegungsschatzung wird am Ende des Verfahrens der Bewegungsvektor derjenigen Suchposition zugeordnet, bei der die Summe der absoluten Differenzen der Co- dierungsmformation des zu codiernden Bildblocks und dem entsprechenden Bildblock m dem Referenzbild minimal ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Bewegungsschatzung anzugeben, mit dem die Bewegungscharakte- ristik von Elementen digitalisierter Bilder m einer Be- wegtbildsequenz besser im Rahmen der Bildcodierung berücksichtigt wird, als d es mit bekannten Verfahren möglich ist.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelost.
Bei dem Verfahren wird für Komponenten von Bewegungsvektoren oder für Bewegungsvektoren von zuvor schon bearbeiteten Bild- elementen, d.h. für Bildelemente, für die schon eine Bewe- gungsschatzung durchgeführt wurde, eine Häufigkeitsverteilung ermittelt. Abhangig von der Häufigkeitsverteilung wird mindestens eine Suchposition bestimmt. An der Suchposition wird ein Referenzbildelement bestimmt. Für das Oπgmalbildelement wird ein Fehlermaß ermittelt, wobei mit dem Fehlermaß die Ähnlichkeit zwischen dem Origmalbildelement und dem Refe- renzbildelement beschrieben wird. Der Ort des Referenzbild- elementes bestimmt die Suchposition.
Das im weiteren beschriebene Verfahren wird zur einfacheren Darstellung anhand eines Bildblocks BB als Bildelement, welches beispielsweise 8x8 Bildpunkte aufweist, beschrieben. Es ist jedoch ohne Einschränkung der Allgememgultigkeit ohne weiteres auch für Makroblocke, die üblicherweise aus 4 oder auch 6 Bildblocken bestehen, anwendbar. Auch können im Rahmen des Verfahrens beliebig andere Elementaremheiten, d.h. Bild- elemente des jeweils zugrundeliegenden Codierverfahrens be- rucksichtigt werden, beispielsweise Rechtecke oder Dreiecke, usw. beliebiger Form und Große bzw. bei objektbasierter Bildcodierung Bildobjekte beliebiger Form oder beliebig geformte Teile von Bildobj ekten. Somit ist unter einem Bildelement eine Elementaremheit beliebiger Form und Große zu verstehen, m die das Bild B aufgeteilt wird, und für die das jeweilige Codierungsverfahren erfolgt.
Mit diesem Verfahren wird erstmals eine Suchstrategie für einen neuen Bewegungsvektor vorgeschlagen, die an die Vektor- Statistik bereits gefundener Bewegungsvektoren bzw. Komponenten von Bewegungsvektoren im gleichen Bild bzw. an die Vektorstatistik der zeitlich zurückliegenden Bilder angepaßt ist. Damit wird die Bildcodierung besser an die Bewegungscharakteristik der Bewegtbildsequenz angepaßt, womit der beno- tigte Rechenaufwand für die Bewegungsschatzung reduziert wird.
Bei der Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens ist ein Bildspeicher zur Speicherung der digitalisierten Bilder sowie eine Prozessoreinheit vorgesehen mit der die einzelnen Ver- fahrensschritte des Verfahrens durchgeführt werden.
Auch die Anordnung weist die oben genannten Vorteile des Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren zur Bewegungsschat- zung auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
Es ist m einer Weiterbildung des Verfahrens vorteilhaft, bei der Ermittlung des Fehlermaßes, welches durch eine Folge von Akkumulationen von Differenzwerten gebildet werden kann, die Ermittlung des Fehlermaßes bezüglich eines Referenzbildele- ments abzubrechen, wenn der Wert des Fehlermaßes bezüglich des jeweils untersuchten Referenzbildelements großer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert.
Durch diese Vorgehensweise werden unnötige zusätzliche Rechenoperationen vermieden, was zu einer Einsparung benötigter Rechenleistung für die Anordnung bei der Durchfuhrung des Verfahrens fuhrt.
Diese Weiterbildung kann dadurch noch weiter verbessert werden, daß der Schwellenwert variabel ausgestaltet ist und dem Schwellenwert jeweils der Wert des Fehlermaßes des m dem bisherigen Verfahren als optimal betrachteten Bildelements zugewiesen wird. Auf diese Weise wird eine weitere Reduktion benötigter Rechenoperationen erreicht.
Gerade im Zusammenhang mit dieser Weiterbildung des Verfahrens kommt die Berücksichtigung der Häufigkeitsverteilung der Bewegungsvektoren bzw. der Komponenten von Bewegungsvektoren sehr vorteilhaft zur Geltung, da für den Fall, daß häufig vorkommende Bewegungsvektoren zur Bestimmung von Suchpositionen herangezogen werden, in denen die Referenzbildelemente vorzugsweise m einer frühen Phase des Verfahrens verglichen werden, wird statistisch sehr früh ein sehr gutes Fehlermaß und somit einen sehr kleinen Schwellenwert ermittelt, was bei weiteren Ermittlungen des Fehlermaßes bezüglich weiterer Re- ferenzbildelemente im Rahmen der Bewegungsschatzung dazu fuhrt, daß die Akkumulationen der Differenzen der Codierungs- Information im weiteren Verfahren frühzeitig abgebrochen werden können. Dadurch wird eine erhebliche Rechenzeitemspa- rung, verglichen mit bekannten Verfahren zur Bewegungsschatzung, erreicht.
In den Figuren ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im weiteren naher erläutert wird. Es zeigen Fig. 1 eine Rechneranordnung mit zwei Rechnern, einer
Kamera und einem Ubertragungsmedium; Fig. 2 eine Folge digitalisierter Bilder, die m einem Speicher eines Rechners gespeichert sind;
Fig. 3a bis 3c Häufigkeitsverteilungen von Komponenten von Bewegungsvektoren bzw. von Bewegungsvektoren von Bildelementen eines digitalisierten Bildes; Fig. 4 ein Ablaufdiagramm, m dem die einzelnen Ver- fahrensschritte des Verfahrens dargestellt sind.
In Fig. 1 ist eine Kamera K dargestellt, mit der Bilder aufgenommen werden. Die Kamera K kann beispielsweise eine beliebige analoge Kamera K sein, die Bilder einer Szene aufnimmt und diese Bilder entweder m der Kamera K digitalisiert oder auch analog zu einem Rechner Rl übertragt, m dem dann entweder die digitalisierten Bilder verarbeitet werden oder die analogen Bilder zu digitalisierten Bildern umgewandelt werden und die digitalisierten Bilder verarbeitet werden.
Der Rechner Rl weist eine Prozessoreinheit P auf, mit der die im weiteren beschriebenen Verfahrensschπtte der Bewegungsschatzung oder der Bewegungskompensation sowie eventuell weitere Verfahrensschritte beispielsweise zur Bildcodierung durchgeführt werden. Die Prozessoreinheit P ist beispielsweise über einen Bus BU mit einem Speicher SP, m dem die Bilddaten gespeichert werden, gekoppelt.
Es ist vorgesehen, m dem Rechner Rl die Bildcodierung vorzu- nehmen und nach Übertragung der komprimierten Bilddaten über ein Ubertragungsmedium UM zu einem weiteren Rechner R2 m dem weiteren Rechner R2 die Bilddecodierung durchzufuhren. Der weitere Rechner R2 weist beispielsweise den gleichen Aufbau auf wie der erste Rechner Rl, also den Speicher SP, der über den Bus BU mit der Prozessoreinheit P gekoppelt ist. Die digitalisierten Bilder bzw. die rekonstruierten Bilder können entweder auf einem ersten Bildschirm BS1, der mit dem ersten Rechner Rl gekoppelt ist oder auf einem zweiten Bildschirm BS2, der mit dem zweiten Rechner R2 gekoppelt ist, dargestellt werden.
Das Verfahren zur Bewegungsschätzung kann sowohl im Rahmen sog. blockbasierter Bildcodierungsverfahren als auch im Rahmen objektbasierter Bildcodierungsverfahren eingesetzt wer- den.
Im weiteren wird jedoch zur einfacheren Darstellung lediglich die Vorgehensweise für ein blockbasiertes Bildcodierungsverfahren dargestellt.
In Fig. 2 ist symbolisch eine Folge von digitalisierten Bildern ZVB, EVB, OB dargestellt, die in dem Speicher SP gespeichert werden.
Diese Darstellung stellt lediglich eine symbolhafte Darstellung dar, da bei den meisten Bildcodierungsverfahren nicht mehrere aufeinanderfolgende Bilder komplett in dem Speicher SP gespeichert werden. Diese Darstellung dient somit lediglich zur Veranschaulichung des Verfahrens.
Ziel der Bewegungsschätzung ist es, für ein Originalbild OB der Bildfolge eine Bildcodierung durchzuführen.
Es wird jeweils für ein Element OBE des Originalbildes OB versucht, ein schon codiertes, d.h. bearbeitetes Bildelement BBE zu finden, welches in einem ersten vorangegangen Bild EVB enthalten ist, das dem Element OBE des Originalbildes OB ausreichend ähnlich ist. Das bearbeitete Bildelement BBE ist schon codiert und somit auch schon übertragen.
Ausreichend ähnlich bedeutet in diesem Zusammenhang, daß es bei nur geringer Verminderung der Bildqualität ausreichend ist, das bearbeitete Bildelement BBE unter einer möglichen Verschiebung, die zwischen dem bearbeiteten Bildelement BBE m dem ersten vorangegangen Bild EVB und dem Element OBE des Origmalbildes OB erfolgt, bei der Bilddecodierung m das zu decodierende Bild einzufügen, womit eine aufwendige Codierung des Elements OBE des Origmalbildes OB nicht mehr erforder¬
Die Verschiebung des bearbeiteten Bildelements BBE zwischen dem ersten vorangegangen Bild EVB und dem jeweiligen Element OBE des Origmalbildes OB wird als Bewegungsvektor BV bezeichnet .
Bei üblichen blockbasierten Bildcodierungsverfahren wird für jeden Bildblock eines Bildes oder auch nur einem sog. Makroblock, der beispielsweise 4 oder 6 Bildblocke aufweist, ein Bewegungsvektor BV ermittelt und dem Bildblock bzw. Makroblock zugeordnet.
Eine erhebliche Rolle für den erforderlichen Rechenaufwand bei der Bewegungsschatzung spielt die Reihenfolge, der für das Element OBE des Origmalbildes OB m dem ersten vorangegangenen Bild EVB nach einem Bildelement gesucht wird, das mit dem Element OBE des Origmalbildes OB ausreichend gut bereinstimmt. Im weiteren werden die Bildblocke, mit denen das Element OBE des Origmalbildes OB verglichen wird, als Referenzbildelemente RBE bezeichnet.
In Fig. 2 sind bearbeitete Bildelemente BBE dargestellt, de- nen jeweils ein Bewegungsvektor BV zugeordnet wurde.
Vor der Durchfuhrung der Bewegungsschatzung für das Element OBE des Origmalbildes OB oder für jeweils das gesamte Origi- nalbild OB wird eine Häufigkeitsverteilung von Bewegungsvek- toren BV schon bearbeiteter Bildelemente BBE ermittelt. Dabei können beliebig viele schon bearbeitete Bildelemente BBE innerhalb des Origmalbildes OB, oder auch innerhalb einer be- liebigen Anzahl vorangegangener Bilder, beispielsweise dem ersten vorangegangenen Bild EVB oder auch einem zweiten vorangegangenen Bild ZVB oder weiterer vorangegangener Bilder in der Bildfolge berücksichtigt werden.
Bei der Häufigkeitsverteilung wird die Anzahl jeweils vorkommender Bewegungsvektoren BV, wie sie beispielsweise in Fig. 3c skizziert ist, akkumuliert. Der Bewegungsvektor BV weist üblicherweise im 2-dimensionalen Raum eine erste Komponenten BVX sowie eine zweite Komponente BVy auf. Beide Komponenten bilden zusammen jeweils den Bewegungsvektor BV.
In Fig. 3c ist eine Häufigkeitsverteilung F der Bewegungsvektoren BV beispielhaft dargestellt. Es ist jeweils für jede vorkommende Komponente des Bewegungsvektors BV die Anzahl
ABVxy dargestellt, mit der die Häufigkeit des Auftretens des jeweiligen Bewegungsvektors BV beschrieben wird. Es ergibt sich damit eine 2-dimensionale Fläche F in einem 3-dimensionalen Raum, der durch die erste Komponente BVX, die zweite Komponente BVy sowie die Anzahl ABVXy aufgespannt wird.
In Fig. 3c ist beispielhaft dargestellt, daß der Bewegungsvektor (2,1) bei den berücksichtigten bearbeiteten Bildele- menten BBE, die zur Ermittlung der Häufigkeitsverteilung herangezogen wurden, 6 mal vorkam. Der Bewegungsvektor (6,6) ist in diesem Beispiel 5 mal vorgekommen.
Bei dem Verfahren wird in einem weiteren Schritt eine Suchpo- sition für das Element OBE in dem Originalbild OB bezüglich mindestens eines Referenzbildelements RBE in dem ersten vorangegangenen Bild EVB abhängig von der Häufigkeitsverteilung F bestimmt. An der Suchposition wird ferner für das Originalbildelement OBE ein Fehlermaß ermittelt. Dies erfolgt bei- spielsweise dadurch, daß in dem ersten vorangegangenen Bild EVB an der Suchposition das Referenzbildelement RBE, welches die Suchposition enthält, ein Vergleich der Codierungsinfor- mation, die jeweils das Referenzbildelement RBE bzw. das Element OBE des Originalbildes OB enthält, erfolgt.
Das Fehlermaß erfolgt beispielsweise durch Differenzbildung der Codierungsinformation der einzelnen Bildpunkte des Elements OBE und des Referenzbildelements RBE. Hierbei wird beispielsweise die Summe der quadratischen Differenzen verwendet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens können mehrere Suchpositionen bestimmt werden und somit auch mehrere Differenzbildelemente RBE, die jeweils mindestens eine Suchposition enthalten.
Die Bildung des Fehlermaßes wird jeweils für ein Referenzbildelement RBE und das Element OB des Originalbildes OB durchgeführt. Es wird dasjenige Referenzbildelement RBE ausgewählt und im Rahmen der Bewegungsschätzung als das dem Element OBE ähnlichste Referenzbildelement RBE verwendet, wel- ches unter den berücksichtigten Referenzbildelementen RBE dem Element OB des Originalbildes OB bezüglich des Fehlermaßes die größte Übereinstimmung mit dem Element OB des Originalbildes OB aufweist.
Die Reihenfolge, in der die einzelnen Referenzbildelemente RBE untersucht werden, wird abhängig von der Häufigkeitsverteilung der Bewegungsvektoren BV.
Dies bedeutet beispielsweise, daß die Vergleiche des Elements OBE des Originalbilds OB mit den Referenzbildelementen RBE an der Suchposition begonnen wird, die sich dadurch ergibt, daß ausgehend von der Position des Elements OBE des Originalbilds OB die Position um den am häufigsten vorkommenden Bewegungs- vektor in der Häufigkeitsverteilung verschoben wird. Daraus ergibt sich die Suchposition in dem ersten vorangegangenen Bild EVB, in dem nach der Statistik, d.h. der Semantik des Bildinhalts es am wahrscheinlichsten ist, daß sich ein dem Element OBE sehr ähnliches Referenzbildelement RBE m dem er¬ sten vorangegangenen Bild EVB befindet.
Es wird ferner ein vorgebbarer Schwellenwert im Rahmen dieses Verfahrens berücksichtigt.
Bei jedem Vergleich des Elements OBE des Origmalbilds OB mit einem Referenzbildelement RBE wird das Fehlermaß solange weiter ermittelt, d.h. die einzelnen Differenzen der Codierungs- Information solange weiter aufsummiert, bis der Wert des Fehlermaßes den Schwellenwert übersteigt.
In Fig. 4 ist das Verfahren seinen einzelnen Verfahrensschritten m einem Ablaufdiagramm zusammengefaßt dargestellt.
In einem ersten Schritt (401) wird eine Häufigkeitsverteilung von Bewegungsvektoren BV und/oder Komponenten von Bewegungsvektoren BVX, BVy bearbeiteter Bildelemente BBE vorangegangener Bilder EVB, ZVB, ... ermittelt.
In einem weiteren Schritt (402) wird mindestens eine Suchposition m einem Referenzbild EVB abhangig von der Häufigkeitsverteilung bestimmt.
Für das Element OBE des Origmalbildes OB wird im Rahmen der Bewegungsschatzung ein Fehlermaß der Codierungsinformation des Elements OBE des Origmalbildes OB bezuglich eines Refe- renzbildelements RBE an der Suchposition ermittelt (403) , wobei mit dem Fehlermaß die Ähnlichkeit zwischen dem Element OBE mit dem Referenzbildelement RBE beschrieben wird.
Im folgenden werden einige Varianten des oben beschriebenen Ausfuhrungsbeispiels beschrieben:
Die Kamera K kann z.B. auch eine digitale Kamera K sein, mit der direkt digitalisierte Bilder B aufgenommen und dem Rechner Rl zur Weiterverarbeitung zugeführt werden. Der Rechner Rl kann auch als eine eigenständige Anordnung, die die beschriebenen Verfahrensschritte durchfuhrt, ausgestaltet sein, beispielsweise als eine eigenständige Computer- karte, die m einem Rechner installiert ist.
Auch wenn oben lediglich die Vorgehensweise für ein blockba- siertes Bildcodierungsverfahren dargestellt wurde, so ist das Verfahren jedoch ohne weiteres auch für objektbasierte Bild- codierungsverfahren einsetzbar. Bei objektbasierten Bildco- dierungsverfahren ist es lediglich erforderlich, daß im Rahmen der Bewegungsschatzung jeweils Bildobjekte ungefähr gleicher Form und Große miteinander verglichen werden, da sonst das Ergebnis der Bewegungsschatzung unter Umstanden fehler- haft werden konnte.
Es ist m einer Variante des Verfahrens ferner vorgesehen, lediglich eine Häufigkeitsverteilung für die einzelnen Komponenten BVX und BVy des Bewegungsvektors BV zu ermitteln.
Eine solche Häufigkeitsverteilung ist beispielhaft m Fig. 3a für die erste Komponente BVX dargestellt. In Fig. 3a ist dargestellt, daß die erste Komponente BVX mit einem Wert 4 bei den berücksichtigten bearbeiteten Bildelementen BBE 8 mal vorkam. Die erste Komponenten BVX mit einem Wert 1 ist beispielsweise 2 mal vorgekommen.
In Fig. 3b ist eine solche Häufigkeitsverteilung für die zweite Komponenten BVy dargestellt. Die Reihenfolge, m der die einzelnen Referenzbildelemente RBE untersucht werden, wird in diesem Fall abhangig von der Häufigkeitsverteilung der Komponenten BVX und BVy der Bewegungsvektoren BV gewählt.
Das Fehlermaß kann z.B. auch durch Sum enbildung der absolu- ten Differenz der Bildpunkte des Elements OBE und des Refe- renzbildelements RBE ermittelt werden. Weitere Möglichkeiten zur Bildung des Fehlermaßes sind dem Fachmann hinlänglich ge- laufig und können ohne Einschränkung im Rahmen dieses Verfahrens verwendet werden.
Ferner ist es in einer Variante vorgesehen, den Schwellenwert adaptiv auszugestalten, d.h. jeweils den Schwellenwert auf einen neuen Wert zu setzen, wenn das Fehlermaß nach Berücksichtigung aller Bildpunkte m dem jeweiligen Elementen OBE, RBE berücksichtigt wurde und das Fehlermaß das kleiner ist als der bisherige Schwellenwert. In diesem Fall wird der Wert des Fehlermaßes dem Wert des Schwellenwerts zugeordnet. Auf diese Weise wird jeweils der Schwellenwert auf den "optimalsten" Wert des Fehlermaßes bei einer iterativen Durchfuhrung des Verfahrens für mehrere Referenzbildelemente RBE durchgeführt.
Wird jeweils dann die Untersuchung eines Referenzbildelemen- tes RBE abgebrochen, wenn der Wert des Fehlermaßes für den jeweiligen Vergleich den Wert des Schwellenwerts übersteigt, so wird eine erhebliche Rechenzeiteinsparung durch Beruck- sichtigung der Häufigkeitsverteilung erreicht, da statistisch gewahrleistet ist, daß schon sehr frühzeitig ein sehr ähnliches Bildelement RWE ermittelt wird und somit schon sehr frühzeitig ein Schwellenwert mit einem kleinen Wert ermittelt wird.
Im Rahmen dieses Dokumentes wurden folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Ming Liou, Overview of the px64 kbit/s Video Coding Standard, Communications of the ACM, Vol. 34, No . 4, S. 60 - 63, April 1991
[2] G. Wallace, The JPEG Still Picture Compression Standard, Communications of the ACM, Vol. 34, No . 4, 'S. 31 - 44, April 1991
[3] D. Le Gall, MPEG: A Video Compression Standard for Multimedia Applications, Communications of the ACM, Vol. 34, No. 4, S. 47 - 58, April 1991
[4] S. Hofmeier, Multimedia für unterwegs, Funkschau, Nr. 7, S. 75 - 77, 15. März 1996
[5] US 5 028 996
[6] US 5 565 921

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rechnergestutzten Bewegungsschatzung eines Elements (OBE) eines zu codierenden Bildes, mit einer belie- bigen Anzahl von Bildpunkten (BP) , zur Bildcodierung digitalisierter Bilder,
- bei dem eine Häufigkeitsverteilung (HV) mindestens einer Komponente von Bewegungsvektoren und/oder von Bewegungsvektoren von bearbeiteten Bildelementen (BBE) , für die schon eine Bewegungsschatzung durchgeführt wurde, ermittelt wird,
- bei dem mindestens eine Suchposition (SP) abhangig von der Häufigkeitsverteilung (HV) bestimmt wird,
- bei dem für das Oπgmalbildelement (OBE) an der Suchposition (SP) ein Fehlermaß ermittelt wird, - bei dem mit dem Fehlermaß die Ähnlichkeit zwischen dem Element (OBE) und einem Referenzbildelement (RBE) beschrieben wird, und
- bei dem die Suchposition (SP) durch das Referenzbildelement (RBE) gegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
- bei dem mehrere Suchpositionen (SP) bestimmt werden,
- bei dem mehrere Referenzbildelemente (RBE) bestimmt werden, die jeweils mindestens eine Suchposition (SP) enthalten, - bei dem das Verfahren für jeweils das Element (OBE) des zu codierenden Bildes und ein Referenzbildelement (RBE) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Referenzbildelemente (RBE) einer Reihenfolge bearbeitet werden, die sich aus der Häufigkeitsverteilung (HV) ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Referenzbildelemente (RBE) m der Reihenfolge abnehmender Häufigkeit der Komponente von Bewegungsvektoren und/oder der Bewegungsvektoren bearbeitet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- bei dem jeweils den Bildpunkten (BP) Codierungsinformation zugeordnet wird, und - bei dem das Fehlermaß gebildet wird, indem die Codierungsinformation des Elements (OBE) mit Codierungsinformation des Referenzbildelements (RBE) verglichen wird,
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Fehlermaß durch eine Summe von Differenzen der
Codierungsinformation des Elements (OBE) mit Codierungsinformation des Referenzbildelements (RBE) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Ermittlung des Fehlermaßes für em Referenzbildelement (RBE) abgebrochen wird, wenn der Wert des Fehlermaßes großer ist als em Schwellenwert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schwellenwert zu Beginn des Verfahrens vorgegeben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
- bei dem der Schwellenwert variabel ausgestaltet ist, und - bei dem dem Schwellenwert der Wert des Fehlermaßes zugewiesen wird, wenn das Fehlermaß für das jeweilige Referenzbildelement (RBE) kleiner ist als der Schwellenwert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem zur Bildcodierung eine blockbasierte Bildcodierung eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem zur Bildcodierung eine ob ektbasierte Bildcodierung eingesetzt wird.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
- mit einer Prozessoreinheit, mit der Verfahrensschritte des Verfahrens durchgeführt werden,
- mit einem Bildspeicher, der mit der Prozessoreinheit (PE) gekoppelt ist, zur Speicherung digitalisierter Bilder.
13. Anordnung nach Anspruch 12, mit einer mit dem Bildspeicher (BS) gekoppelten Kamera (K) .
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