JPH06334980A - 動画像の動きベクトル検出装置 - Google Patents

動画像の動きベクトル検出装置

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JPH06334980A
JPH06334980A JP14442293A JP14442293A JPH06334980A JP H06334980 A JPH06334980 A JP H06334980A JP 14442293 A JP14442293 A JP 14442293A JP 14442293 A JP14442293 A JP 14442293A JP H06334980 A JPH06334980 A JP H06334980A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブロッキングマッチング法による動きベクト
ル掲出において、1/2画素精度の動きベクトルを効率
よく検出可能なプロセッサを提供する。 【構成】 動きベクトル検出のために必要とされる参照
フレーム内の探索領域を格納するバッファメモリ4と、
被動きベクトル検出ブロックを格納するバッファメモリ
3と、バッファメモリ4に蓄えた画像データに対して水
平及び垂直に画素内挿をする画素内挿回路2と、この画
素内挿回路から出力される内挿後の画素で構成される探
索領域とバッファメモリ3に格納された被動きベクトル
検出領域画素データの間でブロックマッチングを行い、
複数の候補ベクトルに対する各ブロック差分における画
素毎の絶対値の総和を出力する機能を持つ動きベクトル
検出回路1と、この動きベクトル検出回路の出力の最小
値を検出しその最小値に対応する候補ベクトルの値を動
きベクトルとして出力する機能を持つ最小値検出器3と
で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は動画像の動きベクトル検
出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】動画像の高能率符号化において、動き補
償フレーム間予測が施される場合が多い。例えば、国際
標準化組織ISO−IEC JTC1/SC2/WG1
1(以下、MPEGと記す)においても、国際標準化方
式として動き補償フレーム間予測が用いられ、動き補償
に関しては、画像を複数のブロックに分割しブロック単
位で処理を行うことになっている。これはテレビ電話等
向けの動画像符号化の国際標準化方式H.261でも用
いられている。また、ブロック単位での動き補償として
は、ブロックマッチングによる動きベクトル検出に基づ
く場合が一般的である。
【0003】H.261の場合、1画素精度で動きベク
トルを検出するが、この動きベクトル検出に利用できる
プロセッサとしては、例えばSGS−THOMSON製
STI3220がある。このプロセッサのブロックマッ
チングによる動きベクトル検出の動作は、映像情報誌1
991年6月号83頁から89頁又はSGS−THOM
SON Microelectronics「IMAG
E PROCESSING DATA BOOK 2n
d EDITION」に説明されている。
【0004】MPEGでは、特に、動き補償に用いる動
きベクトルも半画素精度まで上げることにより、符号化
効率の向上を図っている。MPEG方式に準拠した動き
ベクトル検出装置の構成を考えた場合、検出範囲及び検
出精度の面から、動きベクトル検出処理に要する演算処
理量や所要メモリ容量はH.261に比べ飛躍的に増大
しているので、大幅な演算量削減の為の改善が必要とな
る。動きベクトル検出の簡略化方式としては、多段探索
法による候補ベクトルの削減があるが、これについて
は、本出願人の先願に係る特開平5−49023号公報
(特願平3−199614号)に解説がなされている。
これにおいては、動きベクトル探索は第1段から第K−
1段で2画素精度までの動きベクトル探索を、第K段に
おいて1画素以下の動きベクトル探索を行うことによ
り、候補ベクトル数及び第K段までのブロックマッチン
グの際に対応をとるブロック内画素数を削減して総演算
処理量を減じている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の動きベクトル検
出装置は、被動きベクトル検出ブロックと参照フレーム
の探索領域の画素精度をあらかじめ等しくしておく必要
がある。前述したSTI3220の例においても、半画
素精度の動きベクトルを検出するためには、対応をとる
ブロック間の画素精度が違うため、半画素内挿後の探索
領域小数点以下のベクトルと整数ベクトルの間のパイプ
ライン処理が困難である。
【0006】MPEG方式において新たに要求される半
画素精度の動きベクトル検出を行うためには、あらかじ
め参照フレームの探索領域の画素を半画素内挿し、内挿
前の元の画素群と水平方向に半画素内挿した画素群と垂
直方向に半画素内挿した画素群と水平垂直の両方向にお
いて半画素内挿した画素群を分割し、 マルチチップ
で並列動作を行う、又は、 画素群毎に処理を行い、
4倍の時間をかけて実行する、のいずれかを行うことに
なる。
【0007】従って、本発明の課題は、半画素精度の動
きベクトルを高速にパイプライン処理によって検出する
回路の具現化にある。このとき、VLSI向けに、内部
のメモリ回路を小さく持った回路構成も目的とする。そ
のためには、ブロックマッチングの際に装置に入力する
被動きベクトル検出ブロック及び探索領域は画素内挿な
しの整数画素精度とし、装置内に半画素内挿部を具備し
て探索領域画素のみを半画素内挿し、また、内挿画素の
出力を直接動きベクトル検出回路のパイプライン処理で
利用できるような回路構成が要求される。さらに、動き
ベクトル検出器が効率よくパイプライン動作させるよう
にプロセッサエレメントを配置し、半画素内挿器からの
出力は複数データを同時出力できるものにし、ベクトル
検出器の側で適宜入力データを切り換えることができる
ようにすることも本発明の課題となる。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、連続する複数フレームからなる動画の
各画像フレームを、複数個の画素からなる複数ブロック
に分割し、個々のブロック内画像とそのブロックが属す
るフレームとは異なる参照フレームとのマッチング度を
計算し、動画像の動きベクトルを推定する動画像の動き
ベクトル検出装置において、次のような手段を備える。
すなわち、動きベクトル検出のために必要とされる参照
フレーム内の探索領域を格納する第1の記憶回路と、被
動きベクトル検出ブロックを格納する第2の記憶回路
と、前記第1の記憶回路に蓄えた画像データに対して水
平及び垂直に画素内挿をする画素内挿回路と、この画素
内挿回路から出力される内挿後の画素で構成される探索
領域と前記第2の記憶回路に格納された被動きベクトル
検出領域画素データの間でブロックマッチングを行い、
複数の候補ベクトルに対する各ブロック差分における画
素毎の絶対値の総和を出力する機能を持つ動きベクトル
検出回路と、この動きベクトル検出回路の出力の最小値
を検出しその最小値に対応する候補ベクトルの値を動き
ベクトルとして出力する機能を持つ最小値検出器とから
なることを特徴とする。
【0009】前記動きベクトル検出回路は、好ましくは
次のような構成とする。すなわち、被動きベクトル検出
ブロックの1ライン(またはカラム)の画素数M個の、
2つの画素データの差分の絶対値を累算するプロセッサ
エレメント(以下、PEと記す)と、M−1個の画素遅
延用の第1の1データレジスタと、探索領域の1ライン
(またはカラム)の画素数Nに対し2×(N−M)個の
画素遅延用の第2のレジスタと、水平及び垂直方向に半
画素内挿し、候補ベクトルの垂直(または水平)方向の
個数である2×(N−M)+1個の出力ポートを具備し
た、半画素内挿器からの出力データから1個のデータを
選択する各PEに付随するM個の第1のセレクタと、P
Eの累算値の初期値を選択するための1個の第2のセレ
クタとからなり、各々の前記第1のセレクタは選択デー
タを各PEに探索領域画素データとして供給し、前記P
Eと前記第1のレジスタを交互に直列配置し、最終のP
Eに後続して前記2×(N−M)個の第2のレジスタを
直列に配置し、最終段の第2のレジスタの出力を第2の
セレクタ入力に接続する構成を持つことにより、半画素
精度の動きベクトルを検出する。
【0010】
【作用】本発明の動画像の動きベクトル検出装置では、
その装置内に1入力多出力の半画素内挿回路を具備し、
動きベクトル検出回路において、画素の差分絶対値を演
算するM個のPEとM−1個の画素遅延レジスタを交互
に配置し、探索領域の1ライン(またはカラム)の画素
数(N)に対し2×(N−M)個の画素遅延用の第2の
レジスタを備えておき、この動きベクトル検出回路で特
化したデータ入出力タイミングを規定するので、画素精
度の異なるブロック間におけるブロックマッチングを効
率よくパイプライン処理で行い、かつ半画素精度の動き
ベクトルを検出することが可能となる。
【0011】
【実施例】図1に本発明における動きベクトル検出装置
の実施例の基本構成を示す。この動きベクトル検出装置
100は、後述するようにM個のプロセッサエレメント
(PE)を具備する動きベクトル検出回路1と、半画素
内挿器2と、被動きベクトル検出ブロックを格納するバ
ッファメモリ3と、参照フレームの探索領域を格納する
バッファメモリ4と、最小値検出器5とで構成される。
【0012】動きベクトル検出方式に関しては、被動き
ベクトル検出ブロックはM×Mであり、動きベクトル検
出精度を半画素精度、第K−1段までの検出によって2
画素精度での動きベクトルが求められているものとす
る。そして、以下では最終段の動きベクトル検出に関し
て、検出範囲を縦横方向それぞれ−1.0〜+1.0、
検出精度を0.5画素とした場合における、最終段の動
きベクトル検出装置の動作について説明する。
【0013】入力ポート101から、被動き検出ブロッ
クの画素をバッファメモリ3に格納し、入力ポート10
2から、探索領域の画素をバッファメモリ4に格納す
る。半画素内挿器2は、バッファメモリ4からデータを
受け、縦方向及び横方向に半画素内挿し、画素内挿後の
探索領域データ103a〜103eを動きベクトル検出
回路1へ出力する。次に、この動きベクトル検出回路1
の出力の最小値を最小値検出器5で検出し、その最小値
に対応する候補ベクトルの値を動きベクトル105とし
て出力する。出力データの内容タイミングに関しては後
で詳述する。
【0014】図2に本発明における動きベクトル検出回
路1、及び最小値検出器5の詳細を示す。図2中、符号
1〜5、101〜106は図1と同じである。図2にお
いて、10は2つの画素データの差分の絶対値を累算す
るPE、11は1データレジスタ(R)、12は探索領
域の画素選択用のセレクタ、13は直列に配置された初
段のPEの入力データを選択するセレクタを示し、これ
らによって動きベクトル検出回路1が構成される。ま
た、15は動きベクトル検出回路1から出力される誤差
絶対値の和を格納するレジスタ、14はレジスタ15へ
の書き込みタイミングを指定する為の制御回路、16は
最小値選択用の比較器、17は候補動きベクトルを示す
カウンタ、18は最小値格納用のレジスタ、19a及び
19bは動きベクトルのX方向、Y方向を格納する為の
レジスタで、これらによって最小値検出器5が構成され
る。
【0015】被動きベクトル検出ブロックサイズをM×
M、画素内挿後の探索領域画素数を(2N−1)×(2
N−1)とした場合、PE10はM個、レジスタ11は
(M−1)個、画素遅延用のレジスタ11’は2×(N
−M)個を用いて、図2に示すようにPE10とレジス
タ11をそれぞれ交互にカスケード配置し、さらに最後
尾のPEに続いてレジスタ11’を同様にカスケードに
配置する。
【0016】図8に示されるような動きベクトル検出の
例はM=16、N=18として実現できる。また、各P
E10は、半画素内挿器2からの2×(N−M)本のバ
スへの出力内容から、各々のPEがその時刻において必
要とする探索領域データを選択するための制御信号20
7を図3に示すPE内の制御回路26から出力する。
【0017】まず、図8に示すような動きベクトル検出
の探索範囲にあわせて、被動きベクトル検出ブロックを
バッファメモリ3に、探索領域をバッファメモリ4に入
力する。但し、バッファメモリ4に入力するデータは画
素内挿前のもので、図8でいえば、○印の画素データが
格納される。
【0018】半画素内挿器2は、例えば図4に示すよう
な回路構成とする。31a・31bはライン遅延用レジ
スタ、32a・32bは縦方向に隣合う画素の平均値を
求める演算器、33a〜33eは画素遅延レジスタ、3
4a〜34eは横方向に隣合う画素の平均値を求める演
算器、35a〜35eは画素遅延用レジスタ、36a〜
36eは2入力からそのいずれかを出力するためのセレ
クタであり、クロック毎に交互に切り換えることにより
横方向内挿を行ったデータと横方向内挿を行わないデー
タを交互に出力する。37a〜37eは動きベクトル検
出回路1が要求する適当なタイミングで動作を行う為の
遅延用シフトレジスタである。
【0019】平均値演算器32a・32b及び34a〜
34eは、前記したライン遅延または画素遅延によっ
て、縦方向、あるいは横方向の2つの画素データを同時
刻に入力し、図5に示すように加算器38と、1/2を
掛け合わせる乗算器39で2画素の平均値を内挿画素値
として出力する。
【0020】次に、図6及び図7を用いて動きベクトル
検出装置の全体タイミングを説明する。なお、図6中L
及びCLと表記されているデータ内容は、図8中で示さ
れているラインデータであり、またデータの上に記され
ている数値はすべて106から半画素内挿器2へのデー
タ入力開始からのクロック数に対応している。
【0021】図2中のバッファメモリ4から18×18
画素のデータ106が、ブロックスキャン順に2クロッ
ク毎に読みだされる。図6及びその詳細図である図7の
データ入力タイミングからは、図4の配置に対応する出
力103a〜103eにおいて、それぞれ図6及び図7
のBus0〜Bus4のデータ出力を得ることが可能と
なる。
【0022】半画素精度の動きベクトル検出の動作実現
のためのデータ入出力の詳細タイミング及び各PE10
におけるデータセレクタ12における選択内容について
も図6に示している。
【0023】動きベクトル検出回路1は、探索範囲で指
定される各候補動きベクトルに対応するフレーム間の差
分演算を、被動き検出ブロック内の全ての画素について
行い、ブロック間の画素差分の絶対値の総和をそれぞれ
のベクトルに対して出力するものである。
【0024】動きベクトル検出回路1を動作させるた
め、図6に示されたタイミングに従って、バッファメモ
リ4は入力106でのタイミングで探索領域画素データ
を半画素内挿器2へ、バッファメモリ3は入力107の
タイミングで被動きベクトル検出ブロックデータを動き
ベクトル検出回路1のデータ入力部へそれぞれデータの
送出を行う。各PEは、図6のタイミングに従ってバッ
ファメモリ3から入力される被動きベクトル検出中の画
素データとセレクタ12によって選ばれて入力された探
索領域画素データとの間で絶対値差分の累算をし、レジ
スタ11またはレジスタ11’へ出力する。動きベクト
ル検出回路1中の各PEの内部動作については後述す
る。
【0025】M個のPEを通過して最後尾に配置されて
いるレジスタ11’へ出力される値108は1ライン分
の誤差絶対値和となっている。これをM回ループさせる
ことでブロック間の候補ベクトルに関する、ブロック間
における誤差絶対値のブロック内画素数M×M個の総和
を求めることができる。
【0026】M回ループ後の出力108はブロックマッ
チングにおけるマッチング度の評価の為に、制御回路1
4からの信号を受けてレジスタ15へ書き込まれ最小値
を出力する比較器16により最もマッチングの度合が高
い、つまりレジスタ15へ入った値の最小値をレジスタ
18に書き込み、そのときの動きベクトルの値をレジス
タ19a・19bに書き込む。制御回路14は、レジス
タ15に対する書き込みの制御と同時に、そのデータを
書き込み時刻に対応する動きベクトル値の制御をカウン
タ17に出力する。以上により、レジスタ18には誤差
絶対値の総和の最小値が、レジスタ19a・19bには
レジスタ18に書き込まれたデータに対応する動きベク
トルが格納されることになる。
【0027】M=16、N=18としたこの動きベクト
ル検出例では、探索領域画素の最終データの半画素内挿
器2への出力が終了してから(678−649)=29
クロックで25個のベクトルに対する誤差絶対値の総和
の出力が終了することになる。
【0028】図3に本発明で使用する動きベクトル検出
回路1内の各PEの詳細を示す。同図において20は被
動き検出ブロックと探索領域の対応画素の差分をとる演
算器である。21はその差分の絶対値を求める演算器で
あり、22は前段のPEの出力内容との累算値を求める
ための加算器である。23a・23bはそれぞれ画素デ
ータ格納用レジスタ、24は差分格納用のレジスタであ
る。制御回路26は、適当な探索領域画素をレジスタ2
3bに格納するためにセレクタ12の切り替え制御を行
う。25a・25bは制御内容を後続するPEへ伝搬さ
せるための制御内容格納用のレジスタである。
【0029】PE10の動作を図3を用いて説明する。
入力ポート201から被動きベクトル検出ブロックの画
素をレジスタ23aに入力する。入力ポート202から
探索領域の画素データのうち候補ベクトルに対応するデ
ータをレジスタ23bに入力する。このとき制御回路2
6は、データバス103a〜103eから適当なデータ
を選択して入力するために、セレクタ12へデータ選択
用の制御信号を出力ポート207から発生する。このデ
ータ選択内容は、先頭のPEをPE0、最後尾のPEを
PE15としたとき、図6中のPE0〜PE15の部分
に示されているように、バス選択のタイミングは、隣合
うPEにおいて丁度2クロックずれとすることでブロッ
クマッチングのパイプライン処理が実現できる。
【0030】従って、制御回路26で実行されたバスデ
ータ選択内容はレジスタ25a・25bを経て2クロッ
ク後に次段のPEの制御回路26のバスデータ選択内容
となる。差分演算器20においては、レジスタ23aと
23bの間で画素データ同士の差分をとり、その結果を
レジスタ24に格納する。次クロックにおいて絶対値演
算器21により差分に対する絶対値を求め、この値と入
力ポート203より入力された前段のPE(L番目のP
EについてはL−1番目のPE)の出力を加算器22で
足し合わせ、結果を累算値として出力ポート205に出
力する。
【0031】また、図9に示すようなレジスタ40を用
いて、このレジスタの値を0または被動きベクトル検出
ブロックの平均値に設定し、動きベクトル検出回路1に
おいてセレクタ12による参照領域画素の指定する値を
入力ポート401の値とすることによって、被動きベク
トル検出ブロックのブロック内画素データの平均値及び
ブロック内画素のAC成分(平均値からのL1ノルム)
を求めることができることが明らかである。
【0032】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
動画像の動きベクトルを検出する場合において、装置内
部に1入力多出力の半画素内挿器をおき、動きベクトル
を検出回路において、プロセッサエレメントと遅延レジ
スタを交互に配置する構成をとること、及びブロックマ
ッチングによる動きベクトル検出に特化したデータの入
出力タイミングを提案することによって、整数画素精度
の被動きベクトル検出ブロックと半画素精度の探索領域
の間でのブロックマッチングを効率よく行い、半画素精
度の動きベクトルの検出が可能となる。また、全てのプ
ロセッサエレメントの中の探索領域画素データ格納用の
レジスタに0または被動きベクトル検出ブロックの平均
値(DC成分)を入力することによって、被動きベクト
ル検出ブロックのDC成分または被動きベクトル検出ブ
ロックの平均値からのL1ノルム(AC成分)を求める
ことも可能となり、MC判定(検出した動きベクトルを
使用する/使用しないで動き無しのフレーム間差分を符
号化するかの判定)及びフレーム内/間符号化の判定の
評価データとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる動きベクトル検出装置の一実施
例の基本ブロック図である。
【図2】同動きベクトル検出装置内の動きベクトル検出
回路及び最小値検出器の一具体例の詳細ブロック図であ
る。
【図3】上記動きベクトル検出回路内の各プロセッサエ
レメントの一具体例の詳細ブロック図である。
【図4】上記動きベクトル検出装置内の半画素内挿器の
一具体例の詳細ブロック図である。
【図5】同半画素内挿器内の平均値演算器の構成を示す
ブロック図である。
【図6】本発明による実施例の動作タイミングを示す説
明図である。
【図7】同上の一部の詳細を示す説明図である。
【図8】本発明に係わる動きベクトル検出範囲を示した
説明図である。
【図9】本発明に係わる動きベクトル検出装置の別の実
施例の基本ブロック図である。
【符号の説明】
1 動きベクトル検出回路 2 半画素内挿器 3 バッファメモリ 4 バッファメモリ 5 最小値検出器 10 プロセッサエレメント 11・11’ レジスタ 12 セレクタ 13 セレクタ 14 制御回路 15 レジスタ 16 比較器 17 カウンタ 18 最小値格納用レジスタ 19a・19b 動きベクトル格納レジスタ 20 差分演算器 21 絶対値演算器 22 加算器 23a・23b レジスタ 24 レジスタ 25a・25b 制御信号遅延用レジスタ 26 制御回路 31a・31b ライン遅延用レジスタ 32a・32b・34a・34b・34c・34d 平
均値演算器 33a〜33e 画素遅延用レジスタ 35a〜35e レジスタ 36a〜36e スイッチ 37a〜37d シフトレジスタ 38 加算器 39 乗算器 40 レジスタ 101 画像信号入力ポート 102 探索領域画像入力ポート 103a〜103e 半画素内挿データ 104 ブロック誤差出力 105 最小値/動きベクトル 106 探索領域画像 107 被動きベクトル検出ブロック画像 108 誤差絶対値和の出力 201 被動きベクトル検出ブロック内画素 202 探索領域内画素 203 累算値入力 204 データバス選択内容入力 205 累算値出力 206 データバス選択内容出力 207 制御信号出力 401 0または被動きベクトル検出ブロックの平均値
(DC成分)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 連続する複数フレームからなる動画の各
    画像フレームを、複数個の画素からなる複数ブロックに
    分割し、個々のブロック内画像とそのブロックが属する
    フレームとは異なる参照フレームとのマッチング度を計
    算し、動画像の動きベクトルを推定する動画像の動きベ
    クトル検出装置において、 動きベクトル検出のために必要とされる参照フレーム内
    の探索領域を格納する第1の記憶回路と、 被動きベクトル検出ブロックを格納する第2の記憶回路
    と、 前記第1の記憶回路に蓄えた画像データに対して水平及
    び垂直に画素内挿をする画素内挿回路と、 この画素内挿回路から出力される内挿後の画素で構成さ
    れる探索領域と前記第2の記憶回路に格納された被動き
    ベクトル検出領域画素データの間でブロックマッチング
    を行い、複数の候補ベクトルに対する各ブロック差分に
    おける画素毎の絶対値の総和を出力する機能を持つ動き
    ベクトル検出回路と、 この動きベクトル検出回路の出力の最小値を検出しその
    最小値に対応する候補ベクトルの値を動きベクトルとし
    て出力する機能を持つ最小値検出器と、 を備えたことを特徴とする動画像の動きベクトル検出装
    置。
  2. 【請求項2】 前記動きベクトル検出回路が、 被動きベクトル検出ブロックの1ライン(またはカラ
    ム)の画素数M個の、2つの画素データの差分の絶対値
    を累算するプロセッサエレメントと、 M−1個の画素遅延用の第1の1データレジスタと、 探索領域の1ライン(またはカラム)の画素数Nに対し
    2×(N−M)個の画素遅延用の第2のレジスタと、 水平及び垂直方向に半画素内挿し、候補ベクトルの垂直
    (または水平)方向の個数である2×(N−M)+1個
    の出力ポートを具備した、半画素内挿器からの出力デー
    タから1個のデータを選択する前記各プロセッサエレメ
    ントに付随するM個の第1のセレクタと、 前記プロセッサエレメントの累算値の初期値を選択する
    ための1個の第2セレクタとからなり、 各々の前記第1のセレクタは選択データを各プロセッサ
    エレメントに探索領域画素データとして供給し、 前記プロセッサエレメントと前記第1のレジスタを交互
    に直列配置し、最終のプロセッサエレメントに後続して
    前記2×(N−M)個の第2のレジスタを直列に配置
    し、最終段の第2のレジスタの出力を第2のセレクタ入
    力に接続する構成を持つことにより、半画素精度の動き
    ベクトルを検出することを特徴とする請求項1に記載
    の、動画像の動きベクトル検出装置。
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