JPH09200763A - 動画像符号化における動き補償方法 - Google Patents
動画像符号化における動き補償方法Info
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Abstract
ロックが複数の予測画像の合成方法から最適なものを選
択する方法を提供する。 【解決手段】ブロックごとに4個の動きベクトルが関与
し、各ブロックはその4個の動きベクトルを用いた複数
の予測画像の合成方法の中から最適なものを選択する。 【効果】ブロックごとの局所的な動きのパターンに応じ
て予測画像の合成方法が選択できるため、予測特性を向
上させることができる。
Description
ける動き補償方法に関するものである。
に近接するフレーム間の類似性を活用する動き補償は情
報圧縮に大きな効果を示すことが知られている。現在の
画像符号化技術の主流となっている動き補償方式は、動
画像符号化方式の国際標準であるMPEG1およびMP
EG2にも採用されている半画素精度のブロックマッチ
ングである。この方式では、符号化しようとする画像を
多数のブロックに分割し、ブロックごとにその動きベク
トルを水平・垂直方向に隣接画素間距離の半分の長さを
最小単位として求める。この処理を数式を用いて表現す
ると以下のようになる。符号化しようとするフレーム
(現フレーム)の予測画像をP(x, y)、参照画像(P
と時間的に近接しており、既に符号化が完了しているフ
レームの復号画像)をR(x, y)とする。また、xとy
は整数であるとして、PとRでは座標値が整数である点
に画素が存在すると仮定する。このとき、PとRの関係
は、
クに分割されるとして、Biは画像のi番目のブロック
に含まれる画素、(ui, vi)はi番目のブロックの動き
ベクトルを表している。
iとviはそれぞれ画素間距離の半分、つまりこの場合は
1/2を最小単位として求められることになる。したが
って、座標値が整数ではなく、参照画像において実際に
は画素が存在しない点(以後、このような点を内挿点と
よぶ)の輝度値を求めることが必要となる。この際の処
理としては、周辺4画素を用いた共1次内挿が使われる
ことが多い。この内挿方式を数式で記述すると、座標値
の小数成分をαとβ(0≦α, β<1)として、参照画
像の内挿点(x+α, y+β)における輝度値R(x+α,
y+β)は、
べた通り、現在広く用いられているが、MPEG1やM
PEG2より高い情報圧縮率が必要となるアプリケーシ
ョンではさらに高度な動き補償方式が要求される。ブロ
ックマッチングの欠点はブロック内のすべての画素が同
一の動きベクトルを持たなければならない点にある。そ
こでこの問題を解決するために、隣接する画素が異なる
動きベクトルを持つことを許容する動き補償方式が最近
提案されている。以下にこの方式の一例である空間変換
に基づく動き補償に関して簡単に説明する。
Pと参照画像Rの関係は、
(パッチ)に分割されるとして、Piは画像のi番目の
パッチに含まれる画素を表している。また、変換関数f
i(x,y)とgi(x, y)は現フレームの画像と参照画像
との間の空間的な対応を表現している。このとき、Pi
内の画素(x, y)の動きベクトルは、(x−fi(x,
y),y−gi(x, y))で表すことができる。ところで、
ブロックマッチングは変換関数が定数である方式とし
て、空間変換に基づく動き補償の特殊な例として解釈す
ることもできる。しかし、本明細書で空間変換に基づく
動き補償という言葉を用いるときには、ブロックマッチ
ングはその中に含まないこととする。
づく動き補償の基礎検討」、電子情報通信学会技術報
告、IE90-106、平2-03参照)、共1次変換
Baker, "Motion compensation forvideo compression u
sing control grid interpolation", Proc. ICASSP '91
,M9.1, pp.2713-2716, 1991-05)などが報告されてい
る。ここでaij、bijはパッチごとに推定される動きパ
ラメータである。実際の画像符号化を行う場合には、a
ij、bijを直接伝送するのではなく、パッチの頂点の動
きベクトルが伝送される。例えば変換関数としてアフィ
ン変換を採用し、3角形のパッチを用いればパッチの3
個の頂点の動きベクトルから動きパラメータaijを計算
することができる。したがって、受信側では受信した頂
点の動きベクトルから送信側と同じ変換関数を構成する
ことが可能となる。一方、変換関数として共1次変換を
用いた場合には、長方形のパッチを用いてそのパッチの
4個の頂点の動きベクトルを伝送すれば同様の処理を実
現することができる。以下では、変換関数にアフィン変
換を用いた場合に関して説明するが、この説明は共1次
変換を用いた場合についても、ほぼそのまま適用するこ
とができる。
き補償には様々なバリエーションを考えることができる
が、その一例を図1に示す。この例では、パッチの境界
において動きベクトルが連続的に変化するように制約さ
れている。以下では、参照画像101を用いて現フレー
ムの原画像102の予測画像を合成することを考える。
このために、まず現フレームは複数の多角形のパッチに
分割され、パッチ分割された画像108となる。パッチ
の頂点は格子点とよばれ、各格子点は複数のパッチに共
有される。例えば、パッチ109は、格子点110、1
11、112から構成され、これらの格子点は他のパッ
チの頂点を兼ねている。こうして画像を複数のパッチに
分割した後に、動き推定が行なわれる。ここに示す例で
は、動き推定は各格子点を対象として参照画像との間で
行なわれる。この結果、動き推定後の参照画像103で
各パッチは変形されたものとなる。例えば、パッチ10
9は、変形されたパッチ104に対応している。これ
は、動き推定の結果、格子点105、106、107が
それぞれ110、111、112に移動したと推定され
たためである。予測画像はパッチ内の各画素に関して変
換関数を計算し、数3にしたがって参照画像の中から対
応する点の輝度値を求めることにより合成される。この
ように一方の画像の一部に変形操作を加えて他の画像に
貼り付ける処理のことをテキスチャマッピング、または
イメージワーピングとよぶ。これは、上で述べた通り3
個の頂点の動きベクトルから数4の6個の動きパラメー
タを計算し、画素ごとに数4を計算することにより実現
することができる。
など、ブロックマッチングでは対応できない動きパター
ンにも対応出来ることに特徴がある。その一方で処理の
演算量が多いという問題があるが、これを簡略化する方
法として特願平06-193971で示されている方法などが考
案されている。
式のもう一つの欠点として、動きベクトルの不連続に対
応できないことが挙げられる。一般的に動画像において
は動物体と静止物体の境界部分等において動きベクトル
の不連続が発生する。しかし、図1で示した方式では動
きベクトルの連続性(パッチ内はもちろん、パッチの境
界においても動きベクトルは連続的に変化すること)が
仮定されているため、復号化後の再生画像内において動
物体と静止物体の境界部分で不自然な歪みが発生するな
どの問題が発生する。
は単純な平行移動に基づく動きモデルが用いられている
ため、十分に画像内の物体の動きを近似することができ
ない。一方空間変換に基づく動き補償では動きベクトル
の連続性が仮定されているため、再生画像の動物体と静
止物体の境界部分等で不自然な歪みを発生する問題が生
じる。
し、それぞれのブロックに複数の動きベクトルが関与す
るようにする。そして、これらの動きベクトルを使用し
て、複数の候補の中で最適な動き補償方式を選択できる
ようにする。
(n、mは正の整数)のブロックに分割し、1個または
複数のブロックの頂点が重なる位置に(n+1)×(m
+1)個の格子点と呼ばれる点を配置した様子を示す。
例えば201、202はブロック、203、204、2
05、206は格子点である。なお、格子点は必ずしも
ブロックの頂点の上に存在しているとしなくても良い
が、本明細書では図2に示した位置に存在しているとす
る。
るとする。この動きベクトルの推定方法としては、中心
に格子点を持つブロックによってブロックマッチングを
行うなどの方法を考えることができる。各ブロック内の
予測画像は、そのブロックの頂点に位置する4個の格子
点の動きベクトルを用いて合成されるとする。例えばブ
ロック201を考えた場合、格子点203、204、2
05、206の4個の格子点の動きベクトルが使用され
る。このように、画像内のすべてのブロックには4個の
格子点が関与するようにすることができる。
は複数考えられる。その1つとして、4個の格子点の中
から1個を選択し、その格子点の動きベクトルをブロッ
ク全体の動きベクトルとする方法が挙げられる。例えば
図2のブロック201では、格子点203、204、2
05、206の中から最適な動きベクトルを持つ格子点
を選択することができる。また、4個の格子点の動きベ
クトルの平均値をブロックの動きベクトルとしても良
い。さらに、1個または2個の格子点の動きベクトルが
他と大きく異なるような場合には、4個の動きベクトル
の水平、垂直成分それぞれの中から最大値と最小値を除
外してから平均を求める方法も考えることができる。こ
の予測画像の合成方法はブロックマッチングと同じであ
り、単純な演算で良好な予測特性を得ることができる。
しかし、物体の回転、拡大・縮小や同一ブロック内に異
なる方向に動く複数の物体が存在する場合には、十分な
特性が得られない。
た例を示す。ブロック301の例では格子点303、3
05、304によって構成される3角形と格子点30
4、305、306によって構成される3角形に分割さ
れる。ブロック302の例では、格子点307、31
0、308によって構成される3角形と格子点307、
309、310によって構成される3角形に分割され
る。このような分割を行った場合の予測画像の合成方法
として、まずそれぞれの部分に、ブロックに関与してい
る4個の動きベクトルの中から1個ずつの動きベクトル
を割り当てる方法が考えられる。例えばブロック301
の例では格子点303、305、304によって構成さ
れる3角形に対しては格子点303の動きベクトルを、
格子点304、305、306によって構成される3角
形に対しては格子点306の動きベクトルを割り当てる
ことができる。この方法は上で述べた、ブロック全体に
1個の動きベクトルを割り当てる方式と比較して処理が
やや複雑であるが、その分対応できる動きの範囲が広く
なっている。例えば301のブロック分割において動物
体と静止物体の境界が格子点304と305を結ぶ対角
線上に位置しているような場合には、高い予測特性を示
すことが予想できる。また、ブロック分割の方法として
ブロック301に示した例とブロック302に示した例
の両方の中から一方を選択できるようにすれば、対応で
きる動きのパターンの範囲をさらに広げることができ
る。なお、ブロックを2個の部分に分割する方法とし
て、図3で示した方法以外にも手段があることは明らか
である。図3の方式以外の分割においてもそれぞれの部
分に4個の動きベクトルの中から1個を割り当てれば同
様の処理を実現することができる。
合成方法として、数4で示したアフィン変換を用いた方
法を考えることができる。例えばブロック301の例で
は、格子点303、305、304の動きベクトルを用
いることによって、これらの格子点によって構成される
3角形に対してアフィン変換に基づく予測画像の合成を
行うことができる。また、同様の処理は格子点305、
306、304によって構成される3角形に対しても行
うことができる。ここでは、「従来の技術」の中で説明
した空間変換に基づく動き補償と共通の技術が使用され
ている。この方法は上で述べた方法と比べてさらに処理
が複雑となるが、物体の回転、拡大・縮小に対応できる
重要な特徴を持っている。ただ、ブロック内で動きベク
トルは連続となるので、ブロック内に異なる動きをする
複数の物体が存在するような場合には良い特性は得られ
ない。また、この方法においてもブロックの分割に関し
て2通りの方法が選択できるようにすることによって、
予測特性をさらに改善することができる。
像の合成方法として数5で示した共1次変換を用いた方
法がある。例えば、図2のブロック201の場合、格子
点203、204、205、206の4個の動きベクト
ルを用いることによって数5でbijによって表される8
個のパラメータを決定することができる。こうしてパッ
チ内の画素に対して空間変換に基づく動き補償と共通の
技術を用いて予測画像の合成を行えばよい。この共1次
変換を用いた方法はアフィン変換を用いた方法と良く似
た特性を示すが、処理がやや複雑である。しかし、動き
のパターンによってはアフィン変換を用いた場合より良
い特性を示すことがあるため、予測画像の合成方法の選
択肢の中に入れておくと便利である。
測画像の合成方法を示した例である。格子点402、4
03、404、405によって構成される4角形のブロ
ック401は4個の小ブロック406、407、40
8、409に分割される。そして、例えば小ブロック4
06には格子点402の動きベクトル、小ブロック40
7には格子点404の動きベクトル、小ブロック408
には格子点403の動きベクトル、小ブロック409に
は格子点405の動きベクトルを割り当てることによっ
て4個の小ブロックによるブロックマッチングを実現で
きる。この方法はブロックを4個の部分に分割するた
め、上で述べた方法と比較してより多くの異なる動きを
する物体が存在するような場合にも対応することができ
る。ただし、物体の回転、拡大・縮小には十分に対応す
ることができない。なお、ブロックを4個の部分に分割
する方法として、図4で示した方法以外にも手段がある
ことは明らかである。図4の方式以外の分割においても
それぞれの部分に4個の動きベクトルの中から1個を割
り当てれば同様の処理を実現することができる。
ブロック内の予測画像の合成方式は、それぞれに長所と
欠点を持ち合わせている。動画像は、一般的に画像内の
領域ごとに動きのパターンが大きく異なるという特徴を
持っている。例えば静止領域、平行移動する領域、回転
する領域、動領域と静止領域の境界などでは全く動きの
パターンが異なっている。したがって画像をブロックに
分割して領域ごとの局所的な対応ができるようにしたと
しても、予測画像の合成方法が1通りしかない(=従来
のブロックマッチングなど)では十分な予測特性を得る
ことができない。そこで、上で挙げた多数の予測画像の
合成方法の中からブロックごとに最適な方法を選択する
ことができるようにすることによって、予測特性を向上
させることが可能となる。予測画像の誤差のみを考える
のであれば、異なる特徴を持った予測画像の合成方法を
より多数持った方が特性を上げる上で有利となる。
しも1個のみを選ぶ必要はない。2個の合成方法を選択
し(例えばアフィン変換とブロック4分割)、両者の間
で輝度値の平均値をとったものをブロック内の予測画像
とすることによって、さらに予測特性を向上させること
も可能である。一般に異なる予測画像を平均化すること
によってノイズ除去とローパスフィルタの効果が得ら
れ、予測特性が改善されることが知られている。MPE
G1やMPEG2などの標準動画像符号化方式におい
て、2つの方向(正方向と逆方法)から予測した画像を
平均化する操作を行うこと(=両方向予測)ができるよ
うになっているのはこのためである。なお、本明細書に
記載した発明が、この両方向予測にも適用できることは
明らかである。
処理における予測特性を向上させることができる。
図である。
る。
償を行う方式の例を示した図である。
償を行う方式の例を示した図である。
3…動き推定後の参照画像のパッチと格子点、104、
109…パッチ、105〜107、110〜112、2
03〜206、303〜310、402〜405…格子
点、201、202、301、302、401…ブロッ
ク、406〜409…小ブロック。
Claims (22)
- 【請求項1】動画像符号化において、画像を横n個、縦
m個(n、mは正の整数)の正方形または長方形のブロ
ックに分割して動き補償を行う場合に、 すべてのブロックにそれぞれ4個の動きベクトルが関与
し、その4個の動きベクトルを用いてブロック内の動き
補償予測画像を合成する方法を、各ブロックが2通り以
上の候補の中から選択できることを特徴とする動き補償
方法。 - 【請求項2】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
を3通り以上の候補方法の中から選択できることを特徴
とする請求項1に記載の動き補償方法。 - 【請求項3】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
を4通り以上の候補方法の中から選択できることを特徴
とする請求項1に記載の動き補償方法。 - 【請求項4】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
を5通り以上の候補方法の中から選択できることを特徴
とする請求項1に記載の動き補償方法。 - 【請求項5】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
を8通り以上の候補方法の中から選択できることを特徴
とする請求項1に記載の動き補償方法。 - 【請求項6】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
の候補の1つとして、ブロックに関与する4個の動きベ
クトルの中の1個を用いて、ブロック内のすべての画素
がその動きベクトルに従うようにする方法を含むことを
特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項7】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
の候補の中に、ブロックに関与する動きベクトルの中の
一つをブロック内の画素すべての動きベクトルとする方
法の4通りの選択肢がすべて含まれていることを特徴と
する請求項3乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項8】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
の候補の1つとして、ブロックに関与する4個の動きベ
クトルの平均値を用いて、ブロック内のすべての画素が
その動きベクトルに従うようにする方法を含むことを特
徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項9】ブロック内の動き補償予測画像の合成方法
の候補の1つとして、ブロックに関与する4個の動きベ
クトルの水平成分、垂直成分それぞれ4個ずつの中で最
大のものと最小のものを除外した2個の成分の平均値に
よって構成される動きベクトルを求め、ブロック内のす
べての画素がその動きベクトルに従うようにする方法を
含むことを特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償
方法。 - 【請求項10】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックを4個の部分に分割
し、それぞれにブロックに関与する4個の動きベクトル
の中の1個を対応させ、おのおのの部分内の画素が対応
する動きベクトルに従うようにする方法を含むことを特
徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項11】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックを2個の部分に分割
し、それぞれにブロックに関与する4個の動きベクトル
の中の1個を対応させ、おのおのの部分内の画素が対応
する動きベクトルに従うようにする方法を含むことを特
徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項12】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックを4個の部分に分割
し、それぞれにブロックに関与する4個の動きベクトル
の中の1個を対応させ、おのおのの部分内の画素が対応
する動きベクトルに従うようにする方法を含むことを特
徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項13】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックに関与する4個の動き
ベクトルの中の2個を選択し、それぞれの動きベクトル
をブロックの対角線によって分割される2個の直角3角
形に対応させ、おのおのの直角3角形内のすべての画素
が対応する動きベクトルに従うようにする方法を含むこ
とを特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項14】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックをその対角線によって
分割される2個の直角3角形に分割し、それぞれの部分
に対してブロックに関与する4個の動きベクトルの中か
ら3個を選択して、その3個の動きベクトルによって決
定されるアフィン変換によって直角3角形内の動きベク
トルを与える方法を含むことを特徴とする請求項1乃至
5に記載の動き補償方法。 - 【請求項15】ブロックを対角線によって分割する2通
りの方法の両方をブロック内の動き補償予測画像の合成
方法の候補として持つことを特徴とする請求項13乃至
14に記載の動き補償方法。 - 【請求項16】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、ブロックに関与する4個の動き
ベクトルによって決定される共1次変換によって直角3
角形内の動きベクトルを与える方法を含むことを特徴と
する請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項17】ブロック内の動き補償予測画像の合成方
法の候補の1つとして、異なる2通りの合成方法よって
生成されたブロック内の予測画像2枚の平均をブロック
内の予測画像とする方法を含むことを特徴とする請求項
1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項18】ブロックに関与する4個の動きベクトル
の中の1個を用いて、ブロック内のすべての画素がその
動きベクトルに従うようにする方法によって生成された
ブロック内の予測画像と、 ブロックを4個の部分に分割し、それぞれにブロックに
関与する4個の動きベクトルの中の1個を対応させ、お
のおのの部分内の画素が対応する動きベクトルに従うよ
うにする方法によって生成されたブロック内の予測画像
との平均をブロック内の予測画像とする方法を含むこと
を特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項19】ブロックに関与する4個の動きベクトル
の平均値を用いて、ブロック内のすべての画素がその動
きベクトルに従うようにする方法によって生成されたブ
ロック内の予測画像と、 ブロックを4個の部分に分割し、それぞれにブロックに
関与する4個の動きベクトルの中の1個を対応させ、お
のおのの部分内の画素が対応する動きベクトルに従うよ
うにする方法によって生成されたブロック内の予測画像
との平均をブロック内の予測画像とする方法を含むこと
を特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項20】ブロックに関与する4個の動きベクトル
の水平成分、垂直成分それぞれ4個ずつの中で最大のも
のと最小のものを除外した2個の成分の平均値によって
構成される動きベクトルを求め、ブロック内のすべての
画素がその動きベクトルに従うようにする方法によって
生成されたブロック内の予測画像と、 ブロックを4個の部分に分割し、それぞれにブロックに
関与する4個の動きベクトルの中の1個を対応させ、お
のおのの部分内の画素が対応する動きベクトルに従うよ
うにする方法によって生成されたブロック内の予測画像
との平均をブロック内の予測画像とする方法を含むこと
を特徴とする請求項1乃至5に記載の動き補償方法。 - 【請求項21】請求項1乃至20に記載の動き補償方法
を含む動画像符号化方式によって生成された符号化情報
を記録した蓄積メディア。 - 【請求項22】請求項1乃至20に記載の動き補償方法
を含む動画像符号化方式によって生成された符号化情報
を復号化する画像復号化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP361696A JP3700230B2 (ja) | 1996-01-12 | 1996-01-12 | 動画像符号化における動き補償方法 |
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|---|---|---|---|
| JP361696A JP3700230B2 (ja) | 1996-01-12 | 1996-01-12 | 動画像符号化における動き補償方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09200763A true JPH09200763A (ja) | 1997-07-31 |
| JP3700230B2 JP3700230B2 (ja) | 2005-09-28 |
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ID=11562435
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP361696A Expired - Fee Related JP3700230B2 (ja) | 1996-01-12 | 1996-01-12 | 動画像符号化における動き補償方法 |
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|---|---|
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