Algorithmen der Videosignalverarbeitung: Optimierung durch ...
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VIDEOSIGNAL-ALGORITHMEN<br />
PSNR ➞<br />
Halbbild A n<br />
V<br />
r<br />
A n B n<br />
2<br />
26,0<br />
[dB]<br />
25,6<br />
25,4<br />
25,2<br />
25,0<br />
24,8<br />
24,6<br />
24,4<br />
24,2<br />
T − 10 ms<br />
rekursive<br />
Elemente<br />
4.2. Nichtlineare Filter zur<br />
Zwischenbildinterpolation<br />
W<br />
Gewichtungs-Masken<br />
An<br />
N1 N2<br />
N3<br />
W<br />
gewichteter Median<br />
Bn<br />
T0<br />
Referenzwert nach [1]<br />
Referenzwert nach [2]<br />
T + 10 ms<br />
Zwischenbild β n<br />
24,0<br />
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200<br />
Generationen ➞<br />
Halbbild B n<br />
V<br />
r<br />
A n B n<br />
2<br />
Bild 16. Vektorgestützte<br />
gewichtete<br />
Zwischenbildinterpolation<br />
Bild 17. <strong>Optimierung</strong><br />
einer zeitlichen Zwischenbildinterpolation;<br />
Testsequenz<br />
„Football“; dargestellt<br />
sind maximale und<br />
minimale sowie die<br />
mittlere Güte je<strong>der</strong><br />
Population<br />
Neben einer Proscan-Konversion ist die<br />
Interpolation von Zwischenbil<strong>der</strong>n eine<br />
sehr wichtige Aufgabenstellung im Bereich<br />
<strong>der</strong> <strong>Videosignalverarbeitung</strong>. Anwendungen<br />
hierzu liegen zum Beispiel<br />
in <strong>der</strong> Konversion eines 50-Hz-TV-Signals<br />
auf ein 100-Hz-TV-Signal zur<br />
Flimmerreduktion in TV-Geräten (Upconversion),<br />
aber auch in Graphikkarten<br />
bzw. in <strong>der</strong> Studiotechnik (PAL-<br />
NTSC-Konversion) [2]. Auch in diesem<br />
Bereich werden vorteilhaft <strong>Algorithmen</strong><br />
eingesetzt, die vektorgestützte nichtlineare<br />
Interpolationsfilter (gewichtete<br />
Medianfilter) verwenden. Die Vorteile<br />
dieser gewichteten Medianfilter liegen<br />
insbeson<strong>der</strong>e in ihrer Eigenschaft, Fehler<br />
von Bewegungsvektoren in einem<br />
gewissen Maße zu kompensieren [1].<br />
Als weiteres Anwendungsbeispiel für<br />
Evolutionsstrategien im Bereich <strong>der</strong> <strong>Videosignalverarbeitung</strong><br />
wurde deshalb<br />
<strong>der</strong> Entwurf von gewichteten Medianfiltern<br />
zur Zwischenbildinterpolation untersucht.<br />
Bild 16 stellt dar, wie unter Zuhilfenahme<br />
eines vektorgestützten gewichteten<br />
Medianfilters aus zwei Originalbil<strong>der</strong>n<br />
(A n und B n ) und einem Bewegungsvektor<br />
V AB n n<br />
ein Bildpunkt aus dem Zwischenbild<br />
(β n ) berechnet wird. Das Design<br />
<strong>der</strong> Gewichtungsmasken für diese<br />
Interpolation ist Aufgabe des evolutionären<br />
<strong>Optimierung</strong>svorgangs. Ziel ist es<br />
dabei, eine möglichst hohe Bildqualität<br />
(zum Beispiel Kompensation von fehlerhaften<br />
Bewegungsvektoren, Erhalt feiner<br />
Bilddetails usw.) zu erreichen.<br />
Bild 17 zeigt hierzu die Ergebnisse eines<br />
<strong>Optimierung</strong>svorgangs für eine<br />
sehr komplexe Bewegungssituation.<br />
Betrachtet wird die Zwischenbildinterpolation<br />
für die Testsequenz „Football“,<br />
bei <strong>der</strong> ein Zoom auf ein Spielfeld dargestellt<br />
ist. Neben <strong>der</strong> vorherrschenden<br />
Zoom-Bewegung treten hier viele unterschiedliche<br />
Partialbewegungen <strong>der</strong><br />
Spieler auf. Die zu dieser Sequenz mittels<br />
eines Bewegungsschätzers [2] ermittelten<br />
Bewegungsvektorfel<strong>der</strong> sind<br />
häufig fehlerhaft. In <strong>der</strong> im Bild 17 dargestellten<br />
Simulation wurde ein stark<br />
fehlerhaftes Bewegungsvektorfeld verwendet.<br />
Aufgabe bei diesem <strong>Optimierung</strong>svorgang<br />
war es, Interpolationsfilter<br />
so zu entwerfen, daß möglichst viele<br />
Vektorfehler kompensiert werden können<br />
und somit eine optimale Bildqualität<br />
für das Zwischenbild erzielt wird. Bild 17<br />
stellt dar, daß die Interpolationsqualität<br />
<strong>der</strong> Referenzverfahren [1,2] <strong>durch</strong> die<br />
für diese Situation entworfenen Interpolationsfilter<br />
deutlich übertroffen werden<br />
kann.<br />
Ein Filterentwurf auf <strong>der</strong> Basis von Evolutionsstrategien<br />
bietet somit eine gute<br />
Möglichkeit, speziell für dedizierte kritische<br />
Situationen Filter zu entwerfen,<br />
um sie dann zum Beispiel in signaladaptiven<br />
Verfahren zu kombinieren.<br />
Da die Berechnung von Zwischenbil<strong>der</strong>n<br />
jeweils an mehreren Bil<strong>der</strong>n einer<br />
Bildsequenz erfolgen muß, erfor<strong>der</strong>t die<br />
Bewertung eines Interpolationsfilters einen<br />
erheblichen Rechenaufwand. Da<br />
ein typisches Entwicklungsumfeld für<br />
<strong>Algorithmen</strong> <strong>der</strong> <strong>Videosignalverarbeitung</strong><br />
allerdings von einer Laborsituation<br />
mit vernetzten Workstations geprägt ist,<br />
bietet es sich an, zur Reduktion <strong>der</strong> hohen<br />
Simulationszeiten diese Workstations<br />
über eine parallele Programmiersprache<br />
zu koppeln.<br />
Zu diesem Zweck wurde für die vorliegenden<br />
Untersuchungen das Softwarepaket<br />
„PVM“ (Parallel Virtual Machine)<br />
eingesetzt. Es ermöglicht dem Programmierer<br />
vernetzte Rechner als sogenannte<br />
Virtual Machine, das heißt als<br />
einen Parallelrechner mit verteiltem<br />
Speicher zu behandeln. Unter Verwendung<br />
dieses Softwarepakets war es<br />
möglich, die vorhandene heterogene<br />
Rechnerstruktur (etwa 15 Workstations)<br />
effektiv zu nutzen. Es konnten so sehr<br />
rechenintensive Simulationen mit einer<br />
für die Konvergenz <strong>der</strong> Evolutionsstrategie<br />
hinreichenden Anzahl von Generationen<br />
<strong>durch</strong>geführt werden.<br />
5. Schlußfolgerungen<br />
Zahlreiche Anwendungen in <strong>der</strong> <strong>Videosignalverarbeitung</strong><br />
verwenden <strong>der</strong>zeit<br />
suboptimale <strong>Algorithmen</strong>, die nicht auf<br />
analytischem Wege optimiert werden<br />
können. Hier bietet sich eine Verwen-<br />
50 FERNSEH- UND KINO-TECHNIK 52. Jahrgang Nr. 1+2/1998