CN101267556B - 快速运动估计方法及视频编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速运动估计方法及视频编解码方法，解决了现有技术中运动估计操作耗时较大的问题。本发明所述快速运动估计方法及视频编解码方法结合视频序列自身的特性，设置了搜索半径不同的搜索模板，根据当前块与其参考块绝对误差和的最小值所在的位置选择不同的搜索模板进行搜索，在不增加搜索复杂度的前提下，能够快速找到最佳匹配块，从而大大提高了视频编码的速度和效率。

Description

快速运动估计方法及视频编解码方法

技术领域

本发明涉及数字视频编解码技术，具体地说，是涉及一种视频编码技术中的快速运动估计方法及应用所述运动估计方法的视频编解码方法。

背景技术

视频压缩方法包括帧内压缩和帧间压缩，其中帧间压缩能够显著提高压缩比，是压缩比的主要来源。因此，现有的视频压缩标准，如数字音视频编解码技术标准AVS、动态图像专家组MPEG等视频编解码标准，大多采用基于运动估计的帧间压缩方法。其原理就是先将当前帧分成若干大小相同的块，然后对每个块在参考帧一定大小的范围内搜索与之最相似的匹配块，称为最佳匹配块。当前需要压缩编码的块称为当前块，当前块和匹配块之间的位置差称为运动矢量，它们之间的像素差称为残差块。这样，当前块就可用其运动矢量和残差块表示。由于残差块中接近零的矢量很多，通过离散余弦变换、量化和熵编码后，就可以大幅度提高压缩比。

绝对误差和(Sum of Absolute Difference，简称SAD)匹配准则是运动估计块匹配中常用的准则之一，其核心思想是在参考帧的一个范围内找到当前编码块的最佳匹配块，使得当前块与参考块的绝对误差之和最小。SAD的值越小，进行变换后的残差系数的个数一般也越少，从而达到更高的压缩效率。

运动估计是编码系统中十分耗时的一个模块，而且直接影响压缩效果，成为视频压缩技术中的关键和瓶颈。常用的全搜索方法精度较高，但搜索时间长，效率低。菱形搜索虽然是比较理想的搜索路径，但该方法不能根据视频图像的特点自动选择搜索模式；而且在固定步长的搜索模板中，水平方向和垂直方向的搜索半径相同，对于视频序列来说，由于大多数情况下其水平方向的运动要大于其垂直方向的运动，如果采用搜索半径相同的搜索模板，会导致搜索时间较长。

基于以上原因，如何结合视频序列自身的特性，找到一种适合于视频编码过程中的快速运动估计方法，提高视频编码效率，是本发明所要解决的主要问题。

发明内容

本发明针对现有技术中运动估计方法操作耗时较大的问题，结合视频序列自身的特性，提供了一种快速运动估计方法，在不增加搜索复杂度的前提下，能够快速找到匹配块，提高了视频编码的速度和效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种快速运动估计方法，包括以下步骤：

a、根据当前块的相邻块的运动矢量预测所述当前块的运动矢量，获得当前块的运动矢量预测值，以该当前块的运动矢量预测值作为运动搜索的起点；

b、计算所述当前块的运动量，根据该运动量确定搜索步长；

c、根据所述当前块与其参考块的绝对误差和SAD最小值所在位置选择不同搜索半径的搜索模板进行搜索，直至所述SAD最小值位于搜索模板的中心点，结束搜索。

其中，在上述步骤b中计算当前块的运动量包括下述步骤：

b1、定义一个变量l_i： $l_i=\sqrt{{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2},$

其中，(x，y)为所述当前块的相邻块的运动矢量的平均值，(x_i，y_i)表示第i个相邻块的运动矢量的值；所述当前块的相邻块为当前块的左边块、上方块及右上方块；

b2、定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

b3、若中间变量L小于等于第一阈值，则定义当前块的运动量为Low；若中 间变量L大于第一阈值小于等于第二阈值，则定义当前块的运动量为Median；若中间变量L大于第二阈值，则定义当前块的运动量为High；所述第一阈值和第二阈值根据图像质量确定。

在所述步骤c中，若SAD最小值位于搜索模板的中心点的垂直方向，则选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的搜索模板；否则，选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的搜索模板。

b2、定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

b3、若中间变量L小于等于第一阈值，则定义当前块的运动量为Low；若中 间变量L大于第一阈值小于等于第二阈值，则定义当前块的运动量为Median；若中间变量L大于第二阈值，则定义当前块的运动量为High；所述第一阈值和第二阈值根据图像质量确定。

在所述步骤c中，若SAD最小值位于搜索模板的中心点的垂直方向，则选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的搜索模板；否则，选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的搜索模板。

进一步地，在所述搜索模板的垂直搜索半径和水平搜索半径中，较大的搜索半径是较小的搜索半径的两倍。

又进一步地，所述当前块的运动矢量预测值为当前块的相邻块的运动矢量的矢量中值。

优选地，所述搜索模板为菱形模板。

再进一步地，所述运动量为Low时，确定搜索步长为1；所述运动量为Median时，确定搜索步长为2；所述运动量为High时，确定搜索步长为4。

所述当前块的相邻块优选为当前块的左边块、上方块及右上方块。

基于上述快速运动估计方法，本发明又提供了一种视频编解码方法，包括对视频信号进行编码的过程，其中，所述编码过程中运动估计的方法包括下述步骤：

a、根据当前块的相邻块的运动矢量预测所述当前块的运动矢量，获得当前块的运动矢量预测值，以该当前块的运动矢量预测值作为运动搜索的起点；

b、计算所述当前块的运动量，根据该运动量确定搜索步长；

c、根据所述当前块与其参考块的绝对误差和SAD最小值所在位置选择不同搜索半径的搜索模板进行搜索，直至所述SAD最小值位于搜索模板的中心点，结束搜索。

其中，在上述步骤b中计算当前块的运动量包括下述步骤：

b1、定义一个变量l_i： $l_i=\sqrt{{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2},$

其中，(x，y)为所述当前块的相邻块的运动矢量的平均值，(x_i，y_i)表示第i个相邻块的运动矢量的值；所述当前块的相邻块为当前块的左边块、上方块及右上方块；

b2、定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

b3、若中间变量L小于等于第一阈值，则定义当前块的运动量为Low；若中间变量L大于第一阈值小于等于第二阈值，则定义当前块的运动量为Median；若中间变量L大于第二阈值，则定义当前块的运动量为High；所述第一阈值和第二阈值根据图像质量确定。

在所述步骤c中，若所述SAD最小值位于搜索模板的中心点的垂直方向，则选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的搜索模板；否则，选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的搜索模板。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果为：本发明结合视频序列自身的特性，设置搜索半径不同的搜索模板，根据SAD最小值所在的位置选择不同的搜索模板，在不增加搜索复杂度的前提下，能够快速找到最佳匹配块，从而大大提高了视频编码的速度和效率。

附图说明

图1是本发明快速运动估计方法的流程图；

图2是本发明快速运动估计的一个实施例的示意图。

具体实施方式

首先介绍一下本发明视频编解码方法的基本原理：视频信息处理技术包括在编码端对视频信号进行压缩编码的过程及在解码端对压缩信号进行解码的过程。现在常用的视频编解码标准如AVS、MPEG等都采用了混合视频编码策略，通常包括预测、变换、量化和信息熵编码等四个主要模块。预测模块的主要功能是利用已经编码并重建的图像块(即参考块)对当前要编码的图像块(即当前块)进行预测，或者利用图像中已经编码并重建的图像块变换到另外一个空 间，使输入信号的能量尽可能地集中在低频变换系数上，进而降低视频序列的时间相关性，有利于图像压缩。变换模块是将系数进行变换，变换降低了视频序列的空间相关性。量化模块的主要功能是将变换的系数映射到一个有利于编码的有限元素集上。信息熵编码模块的主要功能是根据统计规律，将量化后的变换系数用变长码表示。视频解码端包含相似的模块，主要是将输入的码流通过熵解码、反量化、反变换等过程重建解码图像。

运动估计是视频编码过程中十分重要的一个模块，运动估计的快慢直接影响视频编码的效率。运动估计的目的是在搜索块(即参考块)中定义一个搜索起点，从搜索起点开始根据某个准则进行搜索，直至满足搜索条件停止搜索，得到当前块的一个最佳匹配块，计算出当前块的运动矢量残差。编码端将运动估计得到的当前块的运动矢量残差进行传输，然后在解码端根据当前块的预测值及运动矢量残差计算出当前块的运动矢量，并对视频流进行解码。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

参见图1所示，本发明所提出的快速运动估计方法具体包括以下步骤：

步骤S101：流程开始。

步骤S102：预测当前块的运动矢量。目前的运动矢量都是从一个预测值为中心开始搜索，这个预测值由当前块的左边块、上方块和右上方块的运动矢量预测得到。取当前块的左边块、上方块和右上方块的运动矢量的矢量中值作为当前块运动矢量的预测值，并以该预测值作为搜索中心开始搜索。

步骤S103：计算当前块的运动量。由于图像相邻块之间的运动矢量具有很强的相关性，采用下述步骤计算当前块的运动量：

首先，定义一个变量l_i：l_i＝|x_i-x|+|y_i-y|，

其中，(x，y)为当前块左边块、上方块及右上方块的运动矢量的平均值，(x_i，y_i)分别表示左边块、上方块及右上方块的运动矢量的值；

然后，定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

则当前块的运动量LMA为： $\mathrm{LMA}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Low},& \mathrm{ifL}\≤L_1\\ \mathrm{Median}& \mathrm{if}{L}_1＜L\≤L_2\\ \mathrm{High}& \mathrm{ifL}>L_2\end{array}\right.,$

其中，L₁为第一阈值，L₂为第二阈值，L₁和L₂的值根据图像质量确定。例如，对于标清视频(720x576)，L₁为2，L₂选为6；对于QCIF(Quarter commonintermediate format，176x144)，L₁为1，L₂为4。

对运动量LMA可以这样理解：如果L的值比较小，可以认为当前块和其左边块、上方块及右上方块属于同一个运动物体，从而具有相似的运动矢量，LMA的值为Low；如果L的值比较大，可以认为当前块和其左边块、上方块及右上方块属于不同的运动物体，从而具有不同的运动矢量，LMA的值为High；而LMA为Median的情况介于Low与High之间。也就是说，相邻块运动矢量相似性越大，当前块的运动量越小；相邻块运动矢量相似性越小，当前块的运动量越大。

需要说明的是，变量l_i的定义不局限于上述方式，也可以采用计算标准方差的方式定义，即： $l_i=\sqrt{{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2},$

步骤S104：根据步骤S103计算的运动量确定搜索步长，选择相应步长的搜索模板，搜索模板可以是菱形搜索模板，也可以是其他形状的搜索模板。LMA为Low，对应的搜索步长设置为1；LMA为Median，对应的搜索步长设置为2；LMA为High，对应的搜索步长设置为4。

步骤S105：判断当前块与其参考块的SAD最小值是否在搜索模板的中心点。如果在中心点，转至步骤S110；否则，执行步骤S106。

步骤S106：判断SAD最小值是否在搜索模板中心点的垂直方向上。如果是，则执行步骤S107；否则转至步骤S108。

步骤S107：选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的模板进行搜索。其中，垂直搜索半径为水平搜索半径的两倍。由于SAD最小值位于中心点的垂直方向上，则视频序列在垂直方向上的运动量较大，选择垂直搜索半径较大的搜索模板进行搜索，能够减小搜索范围，提高搜索速度。转至步骤S109。

步骤S108：选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的模板进行搜索。这样，对于在水平方向上运动量较大的视频序列，也能够减小搜索范围，提高搜索速度，以便迅速找到最佳匹配块。

步骤S109：重复执行步骤S105至步骤S108(即直至SAD最小值位于搜索模板的中心点，然后转至步骤S110)。

步骤S110：搜索流程结束，根据SAD最小值对应的点的位置，得到运动矢量残差，并最终找到当前块的最佳匹配块。

图2为本发明快速运动估计的一个实施例的示意图。图中，当前块的地址为(160，320)，即当前块第一行第一列的像素0在图像中的位置为(160，320)。按照上述方法得到当前块的运动矢量的预测值为(2，3)，其运动量LMA的值为Low，所以采用步长为1的菱形进行搜索。图中的点1的位置为(160+2，320+3)，以该点作为搜索起点，第一步搜索的点为六个点，分别为点11、点12、点13、点14、点15及点16。

假设此时SAD最小值在点16处，而点16位于搜索中心点1的水平方向，则下一步以点16为中心点，选择水平方向搜索半径大于垂直方向搜索半径的模板进行搜索。如图2所示，水平搜索半径为2，垂直搜索半径为1，第二步共搜索四个点，分别为点21、点22、点23和点24。加上原来已经搜索过的点1和点15，这六个点的形状与第一步搜索的六个点的形状相同，只不过已经搜索过的点1和点15在第二步中不再重复搜索，所以，只剩下四个点。

假设此时SAD最小值位于点22处，由于点22位于第二步搜索中心点16的垂直方向，第三步搜索时以点22为搜索中心点，选择垂直方向搜索半径大于水平方向搜索半径的模板进行搜索。如图2所示，垂直搜索半径为2，水平搜索半径为1，第三步共搜索四个点，分别为点31、点32、点33和点34。如果此时SAD的最小值还是在点22处，则结束搜索。得到运动矢量残差为(2，-1)，在解码端，根据预测值(2，3)和运动矢量残差(2，-1)，可以得出当前块的运动矢量为(4，2)。

应当指出，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的修改、变形、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种快速运动估计方法，包括以下步骤：

a、根据当前块的相邻块的运动矢量预测所述当前块的运动矢量，获得当前块的运动矢量预测值，以该当前块的运动矢量预测值作为运动搜索的起点；

b、计算所述当前块的运动量，根据该运动量确定搜索步长；

c、根据所述当前块与其参考块的绝对误差和SAD最小值所在位置选择不同搜索半径的搜索模板进行搜索，直至所述SAD最小值位于搜索模板的中心点，结束搜索；

其中，所述当前块的运动量的计算包括下述步骤：

b1、定义一个变量l_i： $l_i=\sqrt{{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2},$

其中，(x，y)为所述当前块的相邻块的运动矢量的平均值，(x_i，y_i)表示第i个相邻块的运动矢量的值；所述当前块的相邻块为当前块的左边块、上方块及右上方块；

b2、定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

b3、若中间变量L小于等于第一阈值，则定义当前块的运动量为Low；若中间变量L大于第一阈值小于等于第二阈值，则定义当前块的运动量为Median；若中间变量L大于第二阈值，则定义当前块的运动量为High；所述第一阈值和第二阈值根据图像质量确定。

2.根据权利要求1所述的快速运动估计方法，其特征在于，在所述步骤c中，若所述SAD最小值位于搜索模板的中心点的垂直方向，则选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的搜索模板；否则，选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的搜索模板。

3.根据权利要求2所述的快速运动估计方法，其特征在于，在所述搜索模板的垂直搜索半径和水平搜索半径中，较大的搜索半径是较小的搜索半径的两倍。

4.根据权利要求1至3任一项所述的快速运动估计方法，其特征在于，所述搜索模板为菱形模板。

5.根据权利要求1所述的快速运动估计方法，其特征在于，所述当前块的运动矢量预测值为所述当前块的相邻块的运动矢量的矢量中值；其中，所述当前块的相邻块为当前块的左边块、上方块及右上方块。

6.根据权利要求1所述的快速运动估计方法，其特征在于，所述运动量为Low时，确定搜索步长为1；所述运动量为Median时，确定搜索步长为2；所述运动量为High时，确定搜索步长为4。

7.一种视频编解码方法，包括对视频信号进行编码的过程，其特征在于，所述编码过程中运动估计的方法包括下述步骤：

a、根据当前块的相邻块的运动矢量预测所述当前块的运动矢量，获得当前块的运动矢量预测值，以该当前块的运动矢量预测值作为运动搜索的起点；

b、计算所述当前块的运动量，根据该运动量确定搜索步长；

c、根据所述当前块与其参考块的绝对误差和SAD最小值所在位置选择不同搜索半径的搜索模板进行搜索，直至所述SAD最小值位于搜索模板的中心点，结束搜索；

其中，所述当前块的运动量的计算包括下述步骤：

b1、定义一个变量l_i： $l_i=\sqrt{{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2},$

其中，(x，y)为所述当前块的相邻块的运动矢量的平均值，(x_i，y_i)表示第i个相邻块的运动矢量的值；所述当前块的相邻块为当前块的左边块、上方块及右上方块；

b2、定义一个中间变量L：L＝Max{l_i}；

b3、若中间变量L小于等于第一阈值，则定义当前块的运动量为Low；若中间变量L大于第一阈值小于等于第二阈值，则定义当前块的运动量为Median；若中间变量L大于第二阈值，则定义当前块的运动量为High；所述第一阈值和第二阈值根据图像质量确定。

8.根据权利要求7所述的视频编解码方法，其特征在于：在所述步骤c中，若所述SAD最小值位于搜索模板的中心点的垂直方向，则选择垂直搜索半径大于水平搜索半径的搜索模板；否则，选择水平搜索半径大于垂直搜索半径的搜索模板。

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