CN101534440A - 视频信号编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种视频信号编码方法，其中视频信号包含多个参考帧与多个非参考帧，该方法包含：分析第一参考帧的至少一部分的运动向量，其中第一参考帧是非参考帧的后向参考帧；当运动向量统计量小于或者等于阈值时，决定接近该非参考帧的参考帧；以及复制决定的参考帧的至少一部分作为非参考帧的至少一部分。本发明提供的视频编码方法能够降低编码视频帧的计算复杂性。

Description

视频信号编码方法
技术领域
本发明是关于视频编码方法，特别是关于块匹配(block matching)运动估计(motion estimation)编码方法。
背景技术
现代视频编码技术利用预测编码(predictive coding)来编码视频的帧(frame)。最常用的方法之一是块运动估计(block-based motion estimation)编码。当编码帧的现行宏模块(macroblock)时，通过搜索前面帧/宏模块的数据来寻找现行宏模块的最佳匹配。
运动估计非常复杂，能够消耗编码程序90％以上的计算能力。因此，降低运动估计计算复杂性的方法对于视频编码系统的进一步发展至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中运动估计计算复杂度高的问题，本发明提供一种自适应运动估计视频编码方法。
依据本发明的一方面，其提供一种视频信号编码方法，其中视频信号包含多个参考帧与多个非参考帧，该方法包含：分析第一参考帧的至少一部分的运动向量，其中第一参考帧是非参考帧的后向参考帧；当运动向量统计量小于或者等于阈值时，决定接近该非参考帧的参考帧；以及复制决定的参考帧的至少一部分作为非参考帧的至少一部分。
依据本发明另一方面，其提供一种视频信号编码方法，其中视频信号包含多个参考帧与多个非参考帧，该方法包含：针对待编码的非参考帧，判断参考帧的至少一部分是否没有场景变化，其中参考帧是非参考帧的后向参考帧；以及当参考帧的该部分没有场景变化，按比例缩小非参考帧的部分块匹配的搜索范围。
依据本发明再一方面，其提供一种视频信号编码方法，其中视频信号包含多个视频帧，该方法包含：通过比例因子来按比例缩小第一视频帧的至少一部分数据；决定按比例缩小的视频帧的运动信息；以及利用按比例缩小的视频帧的运动信息来按比例缩小视频帧的搜索范围。
本发明提供的视频编码方法能够降低编码视频帧的计算复杂性。通过判断后向参考帧的运动信息，至少一部分的非参考帧能够进行自适应编码，并且至少一部分的非参考帧的搜索范围能够自适应缩放。此外，通过按比例缩小视频帧，可利用视频帧的按比例缩小的运动向量来自适应缩放搜索范围。因此本发明提供了一种高效并且低成本的视频编码方法。
附图说明
图1绘示了视频信号中的多个帧，包含参考帧与非参考帧。
图2为依据本发明第一实施方式的视频编码方法的流程图。
图3为依据本发明第二实施方式的视频编码方法的流程图。
图4为依据本发明第三实施方式的视频编码方法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1。图1绘示了视频信号中的多个帧，包含参考帧(reference frame)与非参考帧(non reference frames)。MPEG-2标准中帧内编码帧(I帧)与预测编码帧(P帧)定义为参考帧，双向预测编码帧(B帧)定义为非参考帧。在其它编码标准中，例如在H.264标准中，B帧也可作为其它帧的参考帧。图1中绘示I帧与P帧为B帧的参考帧。如现有技术所知，当编码多个帧时，编码顺序为：I，P，B，B，P，B，B，I，B，B，如图1所示。换言之，图1中第一个P帧为先前两个B帧的后向参考帧。
当第一个P帧的所有或者大部分运动向量(motion vector)统计量等于零或者大体为零并且/或者没有场景(scene)变化时，该第一个P帧大体保持固定，并且在该第一个P帧之前显示的两个B帧也很可能保持固定，因此复制第一个I帧或者第一个P帧作为该多个B帧是合理的。编码系统可以略过该多个B帧的一个或多个编码阶段，其中该多个B帧利用P帧作为参考帧，并且其中略过的编码阶段为离散余弦变换(discrete cosine transform，DCT)、量化(quantization，Q)、反量化(inverse quantization，IQ)以及反离散余弦变换(inverse DCT，IDCT)。本实施方式中，第一个B帧可以从第一个I帧复制，并且第二个B帧可以从第一个P帧复制，或者该多个B帧可以都从第一个I帧复制或者都从第一个P帧复制。上述变形都属于本发明的范围，本发明所主张的范围以权利要求书为准。
在编码程序中，决定每一帧的运动向量。当针对一个B帧编码时，编码系统首先检查预设条件(后向P参考帧的运动向量的统计量大体为零或者低于阈值，并且/或者没有场景变化)是否满足。当预设条件满足时，设定B帧的预测方向，即指向P后向参考帧或者最接近的I/P帧，并且B帧的运动向量以及块编码模式(coded block pattern，CBP)设定为零。因此，尽管与现有的编码系统相比产生同样数量的帧，但是其中一部分B帧是从已存在的I帧或者P帧复制而得到，而没有经过复杂的编码计算。
第一实施方式的变化实施方式更包含将每一帧分块并且针对每块的计算分别应用自适应消除(adaptive reduction)。当只有P帧的特定部分发生运动时，P帧的其它区域固定，B帧相对应于P帧的固定部分的部分可从接近B帧的I帧或者P帧复制而获得，并且运动的块可以独立地编码。也可显著的节省计算时间。
请参阅图2。图2为依据本发明第一实施方式的视频编码方法的流程图。需注意的是，步骤204是可选的。其步骤如下：
步骤202：接收非参考帧(B帧)。
步骤204：将当前帧分块。
步骤206：检查编码顺序中的先前P帧。
步骤208：判断先前P帧满足条件1(没有场景变化并且/或运动向量统计量小于或者等于阈值)还是条件2(场景变化以及/或者显著运动)，如果满足条件1，则执行步骤210，如果满足条件2，则执行步骤212。
步骤210：将两个最接近的参考帧的其中之一复制为当前编码帧，例如，设定运动向量为零(MV＝0)、块编码模式为零(CBP＝0)并节省运动估计(ME)、离散余弦变换(DCT)、量化(Q)、反量化(IQ)以及反离散余弦变换(IDCT)的编码阶段。
步骤212：正常编码(即执行运动估计、离散余弦变换、量化、反量化以及反离散余弦变换)。
本发明的第二实施方式的目的为利用P帧的运动向量来调整相应的B帧的搜索范围。如果B帧的后向参考P帧没有场景变化但具有运动，当编码B帧时，P帧的运动向量可用来按比例的缩小B帧的搜索范围。例如，如果P帧包含运动物体，其中该物体以固定速度沿着固定方向运动，P帧的运动向量可以看作为B帧的运动向量的因子(factor)。以图1所示的帧为例，如果第一个P帧的运动向量为[6，-12]，并以固定速度运动，第一个B帧的相应的前向运动向量与后向运动向量分别为[2，-4]与[-4，8]，并且第二个B帧的相应的前向运动向量与后向运动向量分别为[4，-8]与[-2，4]。在一些实施方式中，P帧的最大运动向量用来作为目标运动向量(target motion vector)，例如，第一个P帧的目标前向运动向量为60，第一个P帧的目标前向运动向量为20，是由60乘以比例因子1/3得到；并且第二个P帧的目标前向运动向量为40，是由60乘以比例因子2/3得到。特定B帧的比例因子是由最接近的I帧与P帧之间的多个B帧及特定B帧的显示顺序决定。每一B帧的搜索范围可相应地依比例决定。例如，第一个B帧与第二个B帧前向预测的搜索范围分别依比例由标准搜索范围缩小到±30(稍大于20)与±50(稍大于40)。
此外，本发明的第二实施方式也可应用上述分块方法。当帧以宏模块编码时，该方法特别适合。每一宏模块可能具有不同的运动向量，因此通过对搜索范围应用自适应缩减，将只有部分宏模块需要相对大的搜索范围。
请参阅图3，图3为依据本发明第二实施方式的视频编码方法的流程图。需注意的是，步骤304是可选的。其步骤如下：
步骤302：接收非参考帧(B帧)。
步骤304：将当前帧分块。
步骤306：检查编码顺序中的先前P帧的运动信息。
步骤308：判断先前P帧的运动信息满足条件1(没有场景变化)还是条件2(场景变化)，如果满足条件1，则执行步骤310，如果满足条件2，则执行步骤312。
步骤310：依据P帧的运动向量的统计量以及当前帧与参考帧之间的时间距离(temporal distance)来按比例缩小搜索范围。
步骤312：正常编码(即执行运动估计、离散余弦变换、量化、反量化以及反离散余弦变换)。
本发明的第三实施方式可应用于P帧与B帧。可以根据按比例缩小的帧(down-scaled frame)获得的运动信息来按比例缩小(scale down)搜索范围，代替块匹配利用的预设搜索范围。当通过乘以比例因子来按比例缩小帧时，可进行粗略的搜索来获得运动向量与其它运动信息，并且该运动信息是用来决定适合的搜索范围的大小。举例来说，当按比例缩小帧的最大运动向量是运动信息时，初始大小帧的最大运动向量是通过除以比例因子来决定。因此可依据已决定的初始大小帧的最大运动向量来设定搜索范围，等于或者稍大于该已决定的最大运动向量。显然，如果不断地应用该方法，视频的质量将降低，因此可依据系统开销针对视频质量的关系来选择性的应用该方法。
如同上述第一实施方式与第二实施方式，本发明的第三实施方式也可以利用分块方案，即依据上述方法自适应地缩减当前帧的部分宏模块的搜索范围，并且依据现有技术来编码当前帧的其它宏模块。
请参阅图4，图4为依据本发明第三实施方式的视频编码方法的流程图。需注意的是，步骤404是可选的。其步骤如下：
步骤402：接收帧间编码帧(P帧或B帧)。
步骤404：将当前帧分块。
步骤406：按比例缩小当前帧与参考帧。
步骤408：针对按比例缩小帧进行粗略的搜索。
步骤410：以初始分辨率(resolution)通过缩减的搜索范围执行运动搜索，其中该缩减的搜索范围是按比例缩小帧的放大(up-scaled)的最大运动向量。
需注意的是，本发明的第二实施方式与第三实施方式的方法可同时应用。如果P帧是按比例缩小，并且获得缩小运动向量，假设P帧中物体以不变速度运动，利用P帧作为后向参考帧的B帧的缩小运动向量可依据P帧的缩小运动向量与B帧的显示顺序来进行内插(interpolate)获得。
本发明提供视频编码方法能够降低编码视频帧的计算复杂性。通过判断后向参考帧的运动信息，至少一部分的非参考帧能够进行自适应编码，并且至少一部分的非参考帧的搜索范围能够自适应缩放。此外，通过按比例缩小视频帧，可利用视频帧的按比例缩小的运动向量来自适应缩放搜索范围。因此本发明提供了高效并且低成本的视频编码方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属于本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种视频信号编码方法，其中该视频信号包含多个参考帧与多个非参考帧，该方法包含：
分析第一参考帧的至少一部分的运动向量，其中该第一参考帧是非参考帧的后向参考帧；
当该运动向量统计量小于或者等于阈值时，决定接近该非参考帧的参考帧；以及
复制该决定的参考帧的至少一部分作为该非参考帧的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的视频信号编码方法，其特征在于，复制该决定的参考帧作为该非参考帧的步骤更包含：
复制该决定的参考帧作为多个非参考帧，其中该多个非参考帧利用该第一参考帧作为后向参考帧。
3.根据权利要求2所述的视频信号编码方法，其特征在于，该决定的参考帧包含该第一参考帧与第二参考帧，并且复制该决定的参考帧作为多个非参考帧的步骤更包含：
复制该第一参考帧作为该多个非参考帧中一部分非参考帧；以及
复制该第二参考帧作为该多个非参考帧的剩余非参考帧。
4.根据权利要求1所述的视频信号编码方法，其特征在于，更包含：
将该非参考帧的所有运动向量设定为零。
5.根据权利要求1所述的视频信号编码方法，其特征在于，复制该决定的参考帧的至少一部分作为该非参考帧的至少一部分的步骤包含：
将该非参考帧的该部分的预测方向设定为指向该决定的参考帧，并且将对应于该非参考帧的该部分的运动向量与块编码模式设定为零。
6.一种视频信号编码方法，其中该视频信号包含多个参考帧与多个非参考帧，该方法包含：
针对待编码的非参考帧，判断参考帧的至少一部分是否没有场景变化，其中该参考帧是该非参考帧的后向参考帧；以及
当该参考帧的该部分没有场景变化时，按比例缩小该非参考帧的该部分的块匹配搜索范围。
7.根据权利要求6所述的视频信号编码方法，其特征在于，按比例缩小该非参考帧的该部分块匹配的搜索范围的步骤包含：
依据运动向量的统计量决定该参考帧的目标运动向量；
通过该参考帧的该目标运动向量乘以比例因子来计算该非参考帧的目标运动向量；以及
依据该非参考帧的该目标运动向量来按比例缩小该搜索范围。
8.根据权利要求7所述的视频信号编码方法，其特征在于，该参考帧为多个非参考帧的后向参考帧，并且计算该非参考帧的目标运动向量的步骤包含：
依据多个非参考帧以及对应于该参考帧的显示顺序，来获得每一非参考帧的比例因子。
9.根据权利要求6所述的视频信号编码方法，其特征在于，按比例缩小该非参考帧的该部分的块匹配搜索范围的步骤包含：
将该非参考帧分块；以及
针对每一块独立地按比例缩小该搜索范围。
10.一种视频信号编码方法，其中该视频信号包含多个视频帧，该方法包含：
通过比例因子来按比例缩小第一视频帧的至少一部分；
决定该按比例缩小的该第一视频帧的运动信息；以及
利用该按比例缩小的该第一视频帧的运动信息来按比例缩小该第一视频帧的搜索范围。
11.根据权利要求10所述的视频信号编码方法，其特征在于，更包含：
对该按比例缩小的第一视频帧进行粗略搜索，以决定该按比例缩小的第一视频帧的该运动信息。
12.根据权利要求11所述的视频信号编码方法，其特征在于，对该按比例缩小的第一视频帧进行粗略搜索的步骤更包含：
决定该按比例缩小的第一视频帧的最大运动向量为该运动信息；以及
依据该决定的最大运动向量与该比例因子按比例缩小该搜索范围。
13.根据权利要求12所述的视频信号编码方法，其特征在于，该第一视频帧是多个非参考帧的后向参考帧，并且该方法更包含：
依照该按比例缩小的第一视频帧的该最大运动向量以及每一非参考帧的显示顺序来获得每一非参考帧的目标运动向量；以及
依据每一非参考帧的该目标运动向量来按比例缩小每一非参考帧的搜索范围。
14.根据权利要求10所述的视频信号编码方法，其特征在于，利用该按比例缩小的视频帧的运动信息来按比例缩小该视频帧的搜索范围的步骤包含：
将该视频帧分块；以及
依据每一块的该运动信息来独立地按比例缩小该相应的块的搜索范围。
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