Оценка и компенсация движения

Одной из важных и часто встречающихся задач обработки изображений является оценка движения различных объектов, при-сутствующих в изображении. Выполнение такой оценки необхо­димо при сжатии движущихся изображений, для коррекции смазывания изображения из-за колебаний видеокамеры в руках оператора, для совмещения изображений объекта в двух смежных поля одного кадра при чересстрочной развертке, для обнаружения движущихся объектов в системах охранного ТВ и т. д.

Простейший вид движения объекта в кадре - плоскопарал­лельное движение, когда объект не приближается, не удаляется не поворачивается. Более сложные виды движения - приближений или удаление объекта, в результате чего изменяются его размеры в кадре, поворот объекта, взаимное перекрытие объектов, деформация, появление или исчезновение объектов в кадре.

В цифровом телевидении широко применяется метод оценку движения в некотором кадре (далее для определенности называемом первым кадром) относительно какого-либо другого кадра (далее - второго кадра), называемый соответствием блоков (block matching). Во времени первый кадр может следовать как по второго кадра, так и до него. В простейшем варианте этого метода, первый кадр разделяется на прямоугольные блоки одинаков размеров. Отметим, что в стандартах МРЕG, о которых пойдёт речь ниже, эти блоки называются макроблоками, чтобы не путать с блоками, используемыми в дискретном косинусном преобразовании.

Для каждого блока первого кадра осуществляется пои наиболее похожей на него прямоугольной области таких же размеров во втором кадре. При этом последовательно перебираются векторы движения (или векторы смещения) (Δ п, Δ т), где Δ п, Δ т - приращения координат по горизонтали и по вертикали, принимающие значения в некоторых заданных интервалах. Для каждого вектора движения берется область во втором кадре, смещенная этот вектор относительно анализируемого блока первого кадра (см. рис. 1.12, где тонкими линиями показаны границы блоков первого кадра, а толстыми - положение смещенной области втором кадре), и рассчитывается сумма S(Δ п, Δ т) абсолютных значений разностей элементов блока первого кадра и смещенной области второго кадра

(1.12)

где х(т,п) - элемент первого кадра; х'(т,п) - элемент второго кадра; т, п — дискретные координаты по вертикали и по горизонт отсчитываемые, например, от левого верхнего угла блока первого кадра. Суммирование производится по всем элементам блока.

Рис. 1.12. Смещение блока на вектор движения

Из всех проверенных векторов (Δ п, Δ т) выбирается тот, ко­торый обеспечивает наименьшее значение суммы в (1.12). Этот вектор и считается далее вектором движения для данного блока. В некоторых случаях вместо суммы абсолютных значений использу­ется корень из суммы квадратов разностей, однако его расчет тре­бует большего объема вычислений.

Полный перебор возможных смещений в заданном диапазо­не обеспечивает нахождение абсолютного минимума суммы в (1.12), но требует выполнения (2W+1)² расчетов по этой форму­ле, где W - максимальное смещение по какой-либо координате, выраженное в количестве пикселов. Существуют различные алго­ритмы (или стратегии) поиска соответствия блоков с уменьшен­ным объемом вычислений. Например, сначала выполняется поиск с большим шагом смещения (в несколько пикселов) по всему диа­пазону смещений, а затем в зоне, где обнаружен минимум, произ­водится поиск с шагом 1 или даже 1/2 пиксела для точного опре­деления вектора движения.

После определения векторов движения для каждого блока текущего кадра может быть выполнена компенсация движения. Каждый блок первого кадра заменяется найденной для него соот­ветствующей областью второго кадра, которая смещается на место этого блока. Величины смещений по горизонтали и по вертикали определяются вектором движения. В результате из элементов вто­рого кадра формируется оценка первого кадра или предсказанный первый кадр. Компенсация движения является одной из основ методов сжатия движущихся изображений МРЕG-1 и МРЕС-2, о которых речь пойдет далее.

Разбиение кадра на прямоугольные блоки фиксированных; размеров в большинстве случаев не позволяет точно описать скомпенсировать движение объектов в изображении. Поэтому в последние годы большое внимание уделяется разработке совершенных методов. В их числе методы, в которых используются блоки с переменными размерами и формами, а также градиентные методы оценки движения, позволяющие определить вектор движения для каждого элемента изображения, и методы, основанные на анализе трехмерного спектра движущегося изображения (две пространственные координаты и время).

Поиск по сайту: