ES2550128B1 - Procedimiento para generar una imagen de color compuesta por una pluralidad de componentes partiendo de por lo menos un mapa de profundidad o disparidad y aparato correspondiente - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para generar una imagen de color compuesta por una pluralidad de componentes partiendo de por lo menos un mapa de profundidad o disparidad y aparato correspondiente. En dicho procedimiento, se introduce un primer conjunto de píxeles de dicho por lo menos un mapa de profundidad o disparidad (DM1, DM2) en la componente de luminancia (Y) de dicha imagen de color, y en el que se introducen un segundo y un tercer conjunto de píxeles de dicho por lo menos un mapa de profundidad o disparidad (DM1, DM2) en las dos componentes de crominancia (U, V) de dicha imagen de color.
Description
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figura 2a, el mapa de profundidad debe reorganizarse en una imagen de color constituida por 3 componentes:
- •
- Y(j,i), con j=0,…,H-1, e i=0,…,W/2-1
- •
- U(j,i) y V(j,i), con j=0,…,H-1, e i=0,…,(W/2)-1, donde los índices j e i toman sólo valores pares debido al submuestreo 4:2:0 YUV.
Con estas notaciones, se obtiene la reorganización de píxeles mostrada en la figura 2a aplicando las siguientes reglas:
• Para cada píxel D(j,i)
- 1.
- Si i es par: Y(j,i/2)=D(j,i)
- 2. Si j es par y el módulo relativo a 4 de i es igual a 1:
imagen9 ) = D(j,i) .
i -3
- 3.
- Si j es par y el módulo relativo a 4 de i es igual a 3: U(j, ) = D(j,i) . 2
- 4.
- De lo contrario, se descarta D(i,j).
Aplicando estas reglas, se obtiene una componente Y de resolución HxW/2 que contiene sólo las columnas pares del mapa de profundidad. La componente V recopila los valores de profundidad con un índice de fila par correspondiente a las columnas 4k+1, siendo k un número entero positivo mayor que o igual a cero, es decir las columnas 1, 5, 9,,… del mapa de profundidad se posicionan en la componente V en las columnas 0, 2,4… del mapa de color.Finalmente, la componente U recopila los valores de profundidad con un índice de fila par correspondiente a las columnas 4k+3, siendo k un número entero mayor que o igual a cero, es decir las columnas 3, 7,11,,… del mapa de profundidad se posicionan en la componente U en las columnas 0, 2, 4… del mapa de color.
Por tanto, se pierden los valores de profundidad de fila impar y columna impar, es decir los indicados en la figura mediante una cruz o letra “X”. Por tanto, para cada mapa de profundidad las muestras están organizadas espacialmente en una imagen de color 4:2:0 YUV nueva con resolución W/2xH, mientras se mantiene una correlación espacial alta entre las componentes Y, U, V, es decir las imágenes representadas por las componentes Y, U y V representanversiones de la misma imagen con submuestreos alternos. Esto es muy importante porque los algoritmos de compresión de MPEG suponen una correlación espacial entre las componentes U y V; por tanto, no funcionarían bien si no existiera tal correlación.
Disponiendo una al lado de la otra (horizontalmente) dos imágenes así obtenidas partiendo de un par de mapas de profundidad, se genera finalmente una imagen con resolución WxH, tal como se muestra en la figura 5. En dicha figura, puesto que no pueden utilizarse colores, las tres componentes Y, U y V están representadas por separado.
Para una mayor claridad, la figura 2b muestra una representación esquemática de la manera en la que los dos mapas de profundidad de tamaño WxH, designados DM1 y DM2, están distribuidos en la imagen de color 4:2:0 (Y, U, V), todavía en el modo A. Los píxeles estánrepresentados por cuadrados pequeños con figuras geométricas inscritas; los bloques de 2x2 píxeles de los mapas de profundidad DM1 y DM2, determinados implícitamente utilizando la técnica mostrada en la figura 2a y las fórmulas anteriores, están enumerados de manera secuencial, en el orden de exploración de filas, o bien sin apóstrofos (1,2,…, NxM, con N=W/2 y M=H/2) o bien con apóstrofos (1’,2’,…, NxM’, con N=W/2 y M’=H/2), dependiendo de si pertenecen a DM1 o DM2, y cuadrados pequeños iguales corresponden al mismo píxel del bloque inicial. Los píxeles descartados se marcan con una cruz.
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Este resultado se alcanza adoptando las siguientes reglas de colocación:
• Para cada píxel D(j,i)
- 1.
- Si i es par: Y(j,i/2)=D(j,i)
- 2. Si j es par y el módulo relativo a 4 de i es igual a 1:
imagen11 )=D(j,i) .
i +1
- 3.
- Si j es par y el módulo relativo a 4 de i es igual a 3: U(j, ) = D(j,i). 2
- 4.
- De lo contrario, se descarta D(i,j).
En comparación con la solución anterior, ésta garantiza una distancia espacial más corta entre los píxeles asignados de las componentes U, V e Y. En particular, las asignaciones realizadas en las etapas 2 y 3 del algoritmo garantizan una mejor alineación entre las componentes.
Aplicando estas reglas, se obtiene una componente Y de resolución HxW/2 que contiene sólo las columnas pares del mapa de profundidad. La componente V recopila los valores de profundidad con un índice de fila par correspondiente a las columnas 4k+1, siendo k un número entero positivo mayor que o igual a cero, es decir las columnas 1, 5, 9,… del mapa de profundidad original se posicionan en la componente V en las columnas 0, 2, 4,… de la imagende color. Finalmente, la componente U recopila los valores de profundidad con un índice de fila par correspondiente a las columnas 4k+3, siendo k un número entero mayor que o igual a cero, es decir las columnas 3, 7,… del mapa de profundidad original se posicionan en la componente U en las columnas 0, 2,… del mapa de color.
Debe observarse que, en la etapa 3 del algoritmo, pueden obtenerse valores de índice de
columna en el borde derecho del mapa de profundidad (por ejemplo el valor de
profundidad con i=11 en la figura no puede representarse en la imagen de color). En la fase de reconstrucción, estos valores pueden interpolarse utilizando técnicas conocidas en la técnica.
De la misma manera, los píxeles en la primera columna de la imagen de color no presentan ningún valor asignado a la componente U (puede asignarse libremente un valor por defecto, normalmente 128).
Finalmente, puesto que no pueden proporcionarse imágenes de color, la figura 5 muestra las imágenes correspondientes a las únicas componentes Y, U, V de una imagen de color obtenida disponiendo uno al lado del otro, en modo de lado a lado, dos mapas de profundidad correspondientes a un par de imágenes estereoscópicas, que se obtienen según los procedimientos descritos anteriormente.
Solución encima y debajo 4:2:0.
Con el fin de obtener una configuración encima y debajo, es necesario transformar el mapa de profundidad con resolución WxH en una imagen de color con resolución WxH/2. Un resultado de este tipo se alcanza aplicando los mismos procedimientos descritos anteriormente, intercambiando los papeles de fila y columna.
A modo de ejemplo, la figura 6 muestra cómo representar un par de columnas del mapa de profundidad en las componentes YUV reduciendo a la mitad el número de filas con el enfoque denominado modo B en la solución de lado a lado. El modo A descrito para el procedimiento de lado a lado 4:2:0 puede utilizarse de una manera completamente similar intercambiando los papeles de fila y columna y, por tanto, no se describirá adicionalmente por motivos de brevedad.
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Superponiendo (verticalmente) dos imágenes con resolución WxH/2 así obtenidas, finalmente se genera una imagen con resolución WxH que representa el par de mapas de profundidad en modo encima y debajo, tal como se muestra en la figura 7. Puesto que no pueden utilizarse colores, dicha figura muestra las tres componentes Y, U y V por separado.
Solución encima y debajo 4:2:0 con reducción de componentes cromáticas.
Las soluciones anteriores permiten que algunos valores de los mapas de profundidad se representen como componentes de crominancia de una imagen de color, mientras que se garantiza una buena coherencia espacial entre las componentes Y, U y V. En el caso de una imagen común (con colores reales), las componentes de crominancia se caracterizan por un contenido energético bajo y, por tanto, por una entropía baja, y pueden comprimirse fácilmente utilizando técnicas conocidas. Por el contrario, las componentes U, V de las soluciones anteriores consisten en píxeles que presentan el mismo contenido energético que la luminancia.
Con el fin de resolver este problema, es posible sustituir los valores de profundidad que van a introducirse en las componentes de crominancia por valores de diferencia en relación con un valor predicho (o interpolado) utilizando los valores de profundidad representados en la componente Y; en otras palabras, puede introducirse un error de predicción en las componentes de crominancia. Puesto que los mapas de profundidad no contienen muchos detalles, la predicción es eficaz y el error de predicción presenta un contenido energético muy bajo y, por tanto, es adecuado para representarse como crominancia.
A modo de ejemplo, en la figura 8, que muestra la configuración encima y debajo en el modo B, las flechas dobles identifican pares de valores de profundidad a través de los que es posible interpolar los valores de profundidad que van a colocarse en las componentes U y V.
En la figura 8, se identifican las muestras de profundidad de la componente Y que pueden utilizarse como predicciones para los valores de profundidad previstos para las componentes U y V según las etapas 2 y 3 de los algoritmos de reposicionamiento anteriores. Utilizando la notación de los algoritmos anteriores, de hecho pueden calcularse los siguientes errores de predicción:
D (4h +1,2k) = D(4h +1,2k) − redondear imagen13 D(4h,2k) + D(4h + 2,2k) ]⎟
e
D (4h + 3,2k) = D(4h + 3,2k) − redondear + 2,2k) + D(4h + 4,2k) ]⎟
e
donde h,k son índices de número entero mayores que o igual a cero, que van a sustituirse por los valores de profundidad correspondientes en las columnas pares antes de que se coloquen en las componentes V y U, respectivamente. Con el fin de evitar almacenar valores fraccionarios del error de predicción, en las fórmulas anteriores se redondea el valor predicho (el operador de redondeo identifica la operación de redondeo de número entero). Debe señalarse que en este ejemplo se utiliza un predictor simple, que consiste en la media entre las dos muestras de profundidad en las filas por encima y por debajo del píxel en consideración.
El error de predicción Dees un valor con un signo. En la implementación práctica, se añade preferiblemente un desplazamiento de 128 a tales valores, de modo que pueden representarse en valores de 8 bits sin signo, con la saturación de los valores obtenidos dentro del intervalo [0..255].
Por tanto, los errores de predicción sin signo se representan en las componentes V y U:
~
D (4h +1,2k) = D (4h +1,2k) +128
ee
~
D (4h + 3,2k) = D (4h + 3,2k) +128
ee
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Por motivos de simplicidad, en las fórmulas anteriores se ha omitido la etapa de recortar o saturar los valores del intervalo de 0-255.
Con la recepción, antes de la interpolación de las muestras que faltan (identificadas por la letra “X” en los dibujos), por ejemplo según la técnica descrita anteriormente, se reconstruirán los valores de profundidad predichos invirtiendo las fórmulas anteriores:
D(4h +1,2k) = redondear imagen14 D(4h,2k) + D(4h + 2,2k) ]⎟⎞ + D ~ e(4h +1,2k) −128
D(4h + 3,2k) = redondear + 2,2k) + D(4h + 4,2k) ]⎟ + D ~ (4h + 3,2k) −128
e
Los errores de redondeo de error de predicción provocan un error de reconstrucción conefectos insignificantes en comparación con los errores de cuantificación obtenidos utilizando un codificador convencional.
La figura 9 muestra un ejemplo de una imagen compuesta obtenida utilizando el sistema descrito anteriormente. Puede observarse el contenido energético bajo de las componentes U y V representado a través de imágenes que, también debido a la aproximación de impresión, parecen ser uniformes. La ventaja de la solución en cuestión, de hecho, es que efectúa una reducción de la amplitud media de las componentes de crominancia, reflejando así más la distribución energética de la señal YUV tradicional, en la que el contenido energético se concentra mayormente en la componente Y, en comparación con las componentes U y V.También debe observarse que las componentes U y V son señales de “diferencia” (para ser precisos, se denominan señales de diferencia de color) y, por tanto, presentan un valor medio nulo, de modo que, en una representación de 8 bits, el valor 128 corresponde a cero, mientras que los valores menores que 128 se consideran negativos y los valores mayores que 128 se consideran positivos. Los algoritmos de compresión de MPEG se basan en tales propiedades de las señales U y V; por tanto, si dichas señales no representan ninguna diferencia, como en la realización anterior, los algoritmos de compresión de MPEG pueden resultar menos eficaces.
El enfoque descrito anteriormente se ha ejemplificado, en el caso del formato encima y debajo, a través de la utilización de un procedimiento de interpolación con sólo dos muestras, pero puede extenderse obviamente a todas las soluciones descritas hasta ahora y a otros procedimientos de interpolación.
Solución encima y debajo 4:2:0 con sumas y diferencias medias.
Según una variante adicional que permite reducir la contribución energética de las componentes U y V, los valores de los mapas de profundidad se sustituyen por sumas y diferencias medias, que se representan utilizando las componentes de luminancia y crominancia, respectivamente. Las ventajas de esta variante son las mismas que las de la solución anterior, porque en este caso también las señales que representan diferencias se introducen en U y V.
Las muestras de cada bloque de 2x2 del mapa de profundidad se transforman en sumas y diferencias medias tal como se muestra en la figura 10 y a continuación, donde a, b, c, drepresentan los valores de profundidad en un bloque de 2x2 del mapa de profundidad. Los coeficientes w0, w1 son valores medios y deben redondearse al número entero más cercano (o truncarse al número entero inferior), de modo que entonces puedan representarse en muestras de 8 bits sin signo.
Tiene lugar el mismo proceso para los coeficientes de diferencia w2, w3; además, puesto que estos últimos presentan un signo, sus valores absolutos se saturan a 128, de modo que su valor puede representarse en muestras de 8 bits añadiendo un desplazamiento de 128.
La figura 10 también muestra cómo reconstruir las muestras de profundidad a partir de las
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