DE19825042A1 - Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 - Google Patents
Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Codierung eines be
wegten Bilds bei MPEG-4 (MPEG = Moving Picture Experts
Group). Dabei geht es insbesondere um die Verbesserung des
Codierungswirkungsgrads bei einem Videoverifiziermodell (VM)
gemäß MPEG-4, dessen Standardisierung derzeitig fortschrei
tet.
Im allgemeinen muß die Redundanz von Bilddaten sowohl in
der Zeitdomäne als auch in der zweidimensionalen Raumdomäne
entfernt werden, um wirkungsvoll eine Abfolge von Videodaten
zu komprimieren, die sich im Verlauf der Zeit ändern. Zum
Entfernen von Redundanz in der zweidimensionalen Raumdomäne
wird diskrete Cosinustransformation (DCT) verwendet, und zum
Entfernen von Redundanz in der Zeitdomäne wird bei MPEG ein
Bewegungskompensationsverfahren verwendet.
DCT ist ein Verfahren zum Beseitigen der Korrelation zwi
schen Daten durch zweidimensionale räumliche Transformation.
Jeder Block in einem Bild wird unter Verwendung von DCT
räumlich transformiert, nachdem ein Bild in Blöcke unter
teilt wurde. Es besteht die Tendenz, daß räumlich transfor
mierte Daten in einer bestimmten Richtung driften.
Bilder, die in der Zeitdomäne aufeinanderfolgen, bilden im
Zentrum eines Vollbilds Bewegungen eines Menschen oder eines
Objekts ab. Diese Eigenschaft wird dazu verwendet, beim Be
wegungskompensationsverfahren Redundanz in der Zeitdomäne zu
beseitigen. Das zu übertragende Datenvolumen kann dadurch
minimiert werden, daß ein ähnlicher Bereich aus dem voran
gegangenen Bild herausgenommen wird und im aktuellen Bild
ein Bereich, der sich nicht geändert hat (oder in dem nur
eine sehr kleine Änderung vorliegt), durch den ähnlichen Be
reich im vorangegangenen Bild aufgefüllt wird. Der Vorgang
des Herausfindens der ähnlichsten Blöcke in Bildern wird als
Bewegungsabschätzung bezeichnet. Der Versatzwert, der das
Bewegungsausmaß repräsentiert, wird als Bewegungsvektor be
zeichnet. Der Bewegungsvektor ist ein zweidimensionaler Vek
tor, der den Versatz zwischen den Koordinaten eines Bezugs
vollbilds oder Bezugshalbbilds und den Koordinaten eines
vorangegangenen Vollbilds oder Halbbilds für Bewegungskom
pensation im Bild kennzeichnet.
Innerhalb eines Suchfensters von ±2,5 Pixeln wird bei MPEG-4
auf Grundlage eines 16×16-Bewegungsvektors eine 8×8-Block
suche für Bewegungsabschätzung hinsichtlich ganzzahliger Pi
xel ausgeführt. Wenn im 8×8-Modus ein spezieller Makroblock
erzeugt wird, liegen jeweilige Bewegungsvektoren bezüglich
vier Blöcken im Makroblock innerhalb einer speziellen Um
grenzung.
Fig. 1 zeigt eine Umgrenzung, wie sie Bewegungsvektoren von
vier Blöcken bilden können, wenn ein Makroblock gemäß dem
Stand der Technik im 8×8-Modus erstellt wird. Diese Umgren
zung von vier Bewegungsvektoren trägt stark zu einer Erhö
hung des Codierungswirkungsgrads für den Bewegungsvektor
bei. Innerhalb des Makroblocks sind maximal vier Bewegungs
vektoren zulässig. Wenn sie als solche übertragen werden,
ist die Bitmenge groß. Die Bitmenge kann dadurch verringert
werden, daß eine Codierung mit variabler Länge (VLC = Va
riable Length Coding) für nur die Bewegungsvektordifferenz
gegenüber dem Bewegungsvektor im vorangegangenen Makroblock
vor der Übertragung ausgeführt wird. Dabei wird die Diffe
renz zwischen Bewegungsvektoren als Bewegungsvektordifferenz
(MVD = Motion Vector Difference) ausgedrückt.
Wie es in den Fig. 2a bis 2d dargestellt ist, wird ein tat
sächlicher Bewegungsvektor eines Blocks unter Verwendung der
Differenz (MVDX, MVDY) zwischen dem Median von drei benach
barten Bewegungsvektorkandidaten und einem Bewegungsvektor
im relevanten Block abgeschätzt. Dies wird wie folgt ausge
drückt:
PX = Median(MV1X, MV2X, MV3X)
PY = Median(MV1Y, MV2Y, MV3Y)
MVDX = MVX - PX MVDY = MVY - PY.
PY = Median(MV1Y, MV2Y, MV3Y)
MVDX = MVX - PX MVDY = MVY - PY.
Fig. 1 veranschaulicht eine Grenze der Bewegungsvektor-Ab
schätzung. Dabei ist aus den folgenden Gründen keine voll
ständige Unterstützung von MPEG-4 VM möglich.
Hinsichtlich Kandidaten bei der Bewegungsvektor-Abschätzung
in einem in Fig. 2 dargestellten Makroblock im 8×8-Modus
steht ein Fall, gemäß dem der Wert eines als Medianvorhersa
ge verwendeten Bewegungsvektors die Grenze eines Bewegungs
vektors im 8×8-Modus überschreitet, in Zusammenhang mit ei
nem Wert MVD2, der dem Block 2 entspricht. Da nur einer der
drei Bewegungsvektor-Kandidaten innerhalb des Makroblocks im
8×8-Modus liegt, kann der Absolutwert von MVD2 wie aus der
durch den Median erstellten Vorhersage erhalten, die Grenze
von 5,0 überschreiten.
Es kann der Fall existieren, daß die durch den Median er
stellte Vorhersage außerhalb der Grenze liegt. Wenn der Wert
MV des Blocks 2 als MVAKTUELLER BLOCK (Bewegungsvektor eines
relevanten Blocks) definiert wird, der Wert MVL des Blocks 2
als MVINNERHALB DER MV-VORHERSAGE (Bewegungsvektor-Vorhersa
ge innerhalb einer Umgrenzung) definiert wird, und der Medi
an (MVL, MV2, MV3) des Blocks 2 als MVMEDIANVORHERSAGE defi
niert wird, zeigt Fig. 3 den Fall, daß MVMEDIANVORHERSAGE
der Grenze am nächsten liegt. Fig. 3 veranschaulicht den
Fall, daß eine Bewegungsvektor-Medianvorhersage eine Grenze
überschreitet.
Wie oben veranschaulicht, verwendet das herkömmliche Verfah
ren zur Bewegungsvektorcodierung den Median von drei benach
barten Bewegungsvektor-Kandidaten, um einen Bewegungsvektor
abzuschätzen. Da jedoch dieses Verfahren alle Pixel auf
Grundlage des Medians von drei benachbarten Bewegungsvektor-
Kandidaten gleichmäßig abschätzt, ist es nicht optimal. Es
existiert ein Problem dahingehend, daß bei diesem Verfahren
der Codierungswirkungsgrad bei einer komplizierteren Bewe
gungsabfolge merklich abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4 zu schaffen, das die Ge
samtbitrate verringert.
Diese Aufgabe ist durch das Verfahren gemäß dem beigefügten
Anspruch 1 gelöst. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird un
ter drei Bewegungsvektor-Kandidaten derjenige aufgesucht,
der die minimale Differenz gegenüber einem aktuellen Bewe
gungsvektor aufweist, und es werden der Wert des herausge
fundenen Bewegungsvektor-Kandidaten sowie ein Modusbit über
tragen.
Zusätzliche Vorteile, Aufgaben und andere Merkmale der Er
findung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dar
gelegt, und teilweise werden sie dem Fachmann bei der Unter
suchung des Folgenden oder beim Ausüben der Erfindung er
kennbar. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden spe
ziell durch die Maßnahmen erzielt, wie sie in den beigefüg
ten Ansprüchen dargelegt sind.
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Be
schreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Ver
anschaulichung dienen und demgemäß für die Erfindung nicht
beschränkend sind, vollständiger zu verstehen sein.
Fig. 1 zeigt eine Umgrenzung, wie sie Bewegungsvektoren von
vier Blöcken bilden können, wenn ein Makroblock gemäß dem
Stand der Technik in einem 8×8-Modus erstellt wird;
Fig. 2a bis 2d zeigen Bewegungsvektor-Kandidaten in einem
Makroblock gemäß einem 8×8-Modus gemäß dem Stand der Tech
nik;
Fig. 3 veranschaulicht einen Fall, daß eine Bewegungsvek
tor-Medianvorhersage beim Stand der Technik eine Grenze
überschreitet;
Fig. 4 zeigt MVD-Codebits und eine Bitstromsyntax eines Mo
dusbits bei der Erfindung;
Fig. 5a und 5b zeigen Beispiele dahingehend, daß Modusbits
gemäß der Erfindung in einem Codierer und einem Decodierer
verringert werden; und
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm zur Erfindung.
Nun wird im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsbei
spiele der Erfindung Bezug genommen, die in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind.
Als erstes wird aus drei Bewegungsvektorkandidaten derjenige
Bewegungsvektor-Kandidat ausgewählt, der bei Codierung die
minimale Bitrate aufweist. An einen Decodierer werden eine
Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung, die die Differenz zwi
schen einem tatsächlichen Bewegungsvektor und einem vorher
gesagten Bewegungsvektor ist, und Vorhersagemodus-Informa
tion geliefert. Die Anzahl der Kandidaten beträgt im allge
meinen drei. Es kann leicht die Bitrate beim Codieren der
Differenz zwischen den Bewegungsvektoren abgeschätzt werden.
Fig. 4 zeigt MVD-Codebits und eine Bitstromsyntax eines Mo
dusbits bei der Erfindung. Bewegungsvektor-Codierung erfolgt
bezüglich X und Y. Das Modusbit zeigt an, welcher der drei
Bewegungsvektor-Kandidaten beim Codieren einer MVD verwendet
wird. Die dem Modusbit vorangehende MVD-Minimalrate kann un
ter Verwendung von MVD-Minimalbit-Information verringert
werden. Der Bewegungsvektor X wird unter Verwendung eines
Minimalrate-Vorhersagewerts wie folgt codiert. Die Komponen
te Y (Helligkeit) wird auf dieselbe Weise codiert.
Die Fig. 5a und 5b zeigen Beispiele dafür, daß Modusbits
gemäß der Erfindung in einem Codierer und einem Decodierer
abnehmen. Fig. 5a gilt für den Codierer. Wenn MV1 = 0, MV2 =
0, MV3 = 3 gelten und für den Bewegungsvektor des aktuellen
Blocks MV = 5 gilt, wird als Bewegungsvektor-Kandidat der
Vektor MV3 ausgewählt, der nahe bei MV5 liegt, abweichend
von MVL und MV2, die entfernt von MV5 liegen. Dabei hat die
MVD-Minimalrate (MVD_min_rate) den Wert 2.
Wie oben beschrieben, codiert der Codierer den Wert MVD_min_rate
unter Verwendung des Minimalrate-Vorhersagewerts. Dann
prüft der Codierer, ob der Decodierer den tatsächlichen Be
wegungsvektor erkennen kann, was unter Verwendung minimaler
Information erfolgt.
Wie es in Fig. 5b dargestellt ist, die für den Decodierer
gilt, existieren bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
nur zwei Kandidaten. Jedoch unterscheidet sich das Ergebnis
der Decodierung für den Kandidaten 1 mittels MVD_min_rate,
wie vom Codierer empfangen, vom Decodierungsergebnis betref
fend denselben mit dem tatsächlichen MVD_min_rate, woraus
geschlossen wird, daß der Kandidat 1 nicht der tatsächliche
Bewegungsvektor ist. In diesem Fall ist es nicht erforder
lich, ein Modusbit an den Decodierer zu liefern, um aus den
drei Bewegungsvektor-Kandidaten den tatsächlichen Bewegungs
vektor herauszufinden. Ein Algorithmus des erfindungsgemäßen
Bewegungsvektor-Codierverfahrens ist der folgende:
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung
bei MPEG-4 unter Verwendung eines derartigen Algorithmus
wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 6 dargestellte
Flußdiagramm beschrieben.
Aus drei Bewegungsvektor-Kandidaten wird derjenige Kandidat
ausgesucht, der im Codierungsfall die minimale Bitrate auf
weist. An einen Decodierer werden die Bewegungsvektor-Vor
hersageabweichung und Vorhersagemodus-Information geliefert.
Die Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung ist die Differenz
zwischen einem tatsächlichen Bewegungsvektor und einem vor
hergesagten Bewegungsvektor. Es wird die minimale Bitrate
zum Codieren der Bewegungsvektordifferenz abgeschätzt. Wenn
einmal ein Bewegungsvektor bezüglich der Komponenten X und
Y, unter Verwendung eines Minimalrate-Vorhersagewerts, co
diert ist, ist die Bewegungsvektorcodierung abgeschlossen.
Dieses Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4
verringert die Gesamtbitrate durch Herausfinden desjenigen
Kandidaten aus drei benachbarten Bewegungsvektor-Kandidaten,
der die minimale Differenz gegen einen Bewegungsvektor auf
weist, und durch Übertragen des Werts des herausgefundenen
Bewegungsvektor-Kandidaten sowie eines Modusbits, um dadurch
den Wirkungsgrad bei der Kompression eines bewegten Bilds zu
verbessern.
Claims (3)
1. Verfahren zur Bewegungsvektorcodierung bei MPEG-4, ge
kennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- - Auswählen desjenigen Kandidaten, der bei Codierung unter drei Bewegungsvektor-Kandidaten die minimale Bitrate auf weist;
- - Senden einer Bewegungsvektor-Vorhersageabweichung und von Vorhersagemodus-Information an einen Decodierer;
- - Abschätzen der minimalen Bitrate zum Codieren einer Bewe gungsvektordifferenz, und
- - Codieren eines Bewegungsvektors bezüglich Komponenten X und Y unter Verwendung eines Minimalrate-Vorhersagewerts.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Codierung des Bewegungsvektors bezüglich der Komponente
X durch den folgenden Algorithmus ausgeführt wird:
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß ein Verfahren zum Codieren des
Bewegungsvektors bezüglich der Komponente Y dasselbe wie das
Verfahren des Codierens des Bewegungsvektors bezüglich der
Komponente X ist.
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