CN101945276A - 在视频解码器处基于重构基准帧估计运动的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于在视频解码器处基于B帧或P帧中的重构的基准图来应用运动估计(ME)的方法和系统。对于P帧而言，可以执行投影ME以获得当前输入块的运动矢量(MV)。在B帧中，可以执行投影ME和镜像ME以获得当前输入块的MV。可以在输入块的子分区上执行ME过程，这可以在不增加比特流中的MV信息量的情况下降低预测误差。解码器侧ME能够被应用于现有帧编码模式之间的预测，并且传统ME或解码器侧ME可被适应性地选择以基于率失真优化(RDO)标准预测编码模式。

Description

在视频解码器处基于重构基准帧估计运动的方法和系统
背景技术
视频编码中的运动估计(ME)可以用来通过去除或减少视频帧之间的时间冗余而提高视频压缩的性能。为了对输入块进行编码，可以在基准帧中的指定搜索窗口内在编码器处执行传统的运动估计。这可以允许对运动矢量进行确定以最小化在输入块和基准块之间的绝对误差和(SAD)。运动矢量(MV)信息接着可以被传送到解码器以用于运动补偿。可以为分数像素单元确定所述运动矢量，并且能够使用插值滤波器来计算分数像素值。
运动估计可以是前向、后向或者双向的，其中后向和双向ME可以在双向预测帧(本文称作B帧)的编码中使用，而前向ME能够用于B帧和预测帧(本文称作P帧)。图1示出了用于B帧110的ME的示例，其中MV0是通过前向基准帧120中的搜索窗口160内的前向运动搜索所获得的前向运动矢量。MV1可以是通过后向基准帧130中的搜索窗口170内的后向运动搜索所获得的后向运动矢量。在前向ME中，MV0所指向的基准块150被用作与当前块140相关联的预测。在后向ME中，MV1所指向的基准块180可在后向方向上被用作当前块140的预测。在双向ME中，MV0和MV1所指向的两个基准块的平均值可以被用作当前块140的预测。考虑到诸如块140的当前块具有与它的时间和空间相邻块类似的运动，所以可以使用相邻块的MV执行MV预测来得到当前块的预测MV。预测MV能够被用作搜索中心，并且在熵编码过程中，仅对所搜索的MV和预测的MV之间的差进行编码以减少MV冗余。
附图说明
图1说明了双向视频帧的运动估计。
图2说明了根据一个实施例的在解码器处的镜像运动估计。
图3是说明了根据一个实施例的镜像运动估计的过程的流程图。
图4说明了根据一个实施例的在解码器处的投影运动估计。
图5是说明了根据一个实施例的在解码器处的投影运动估计的过程的流程图。
图6说明了根据一个实施例的基于多个块分区的投影运动估计。
图7是说明了根据一个实施例的运动估计模式选择的过程的流程图。
图8是说明了根据一个实施例的本文所描述的系统和方法的计算环境的框图。
具体实施方式
数字视频片断包括连续的视频帧。连续帧中对象或背景的运动可以形成平滑轨线，并且连续帧中的运动可以具有相对强的时间关联。通过利用这种关联，能够通过从重构的基准图中估计运动来针对当前编码的块得出运动矢量。相对于在编码器处执行的运动估计，在解码器处的运动矢量的确定可以减少传输带宽。
在无法在解码器处获得原始的输入帧的情况下，能够使用重构的基准帧来执行在解码器处的ME。当对P帧进行编码时，在前向基准缓冲器中可以有多个基准帧。当对B帧进行编码时，在前向基准缓冲器中可以有多个基准帧并且在后向基准缓冲器中可以有至少一个基准帧。
以下讨论根据一个实施例的在解码器处执行ME以便获得当前块的MV。对于B帧编码而言，可以执行镜像ME或投影ME以得到MV。对于P帧编码而言，可以执行投影ME以得到MV。
解码器处的镜像ME
镜像ME可以使用前向和后向基准帧，并且作为结果，其通常可应用于B帧编码。图2示出了如何根据实施例200来执行镜像ME。在图2的实施例中，在前向基准帧220和后向基准帧230之间可以有两个B帧210和215。帧210可以是当前编码帧。当对当前块240进行编码时，可以执行镜像ME以通过分别在基准帧220和230的搜索窗口260和270中执行搜索来得到运动矢量。如以上所提到的，在无法在解码器处获得当前输入块的情况下，可以利用两个基准帧来执行镜像ME。
可以如图3的过程300中所示的那样进行示例性运动搜索。在320，可以在前向基准帧中指定搜索窗口。该搜索窗口在编码器和解码器处可以相同。在330，可以在前向搜索窗口中指定搜索路径。只要编码器和解码器遵循相同的搜索路径，在这里就可以使用完全搜索或任意的快速搜索机制。在340，对于所述搜索路径中的MV0而言，可以在后向搜索窗口中获得其镜像运动矢量MV1。这里，可以假设运动轨线在相关联的时段期间为直线，所述时段可以相对短。MV1可以作为MV0的下述函数而被获得，其中d0和d1可以是当前帧和各基准帧中的每一个之间的距离。
MV 1 = d 1 d 0 MV 0
在350，可以在(i)前向基准帧中的MV0所指向的基准块和(ii)后向基准帧中的MV1所指向的基准块之间计算诸如绝对误差和(SAD)之类的度量。这些基准块可以在图2中分别被示出为250和280。在360，可以确定在搜索路径中是否存在任何其它的运动矢量MV0。如果存在，则该过程可以返回340。作为这个迭代的结果，可以获得不止一个MV0，其中每个MV0具有相关联的MV1。此外，对于每个这样的相关联对而言，可以获得例如SAD的度量。在370，选择生成所述度量的最优值的MV0，所述度量的最优值例如最小SAD。SAD度量的较低值，即接近于0的值，可以建议优选模式，原因在于为0的SAD度量表示理论上的最优值。该过程在380结束。
给定所获得的运动矢量对MV0和MV1，对于当前块而言，能够利用MV0获得其前向预测P0(MV0)，能够利用MV1获得其后向预测P1(MV1)，并且能够利用MV0和MV1获得其双向预测。例如，所述双向预测可以是P0(MV0)和P1(MV1)的平均，或者加权平均(P0(MV0)*d1+P1(MV1)*d0)/(d0+d1)。可以使用可选函数来获得双向预测。在一个实施例中，编码器和解码器可以使用相同的预测方法。在一个实施例中，所选择的预测方法可以在标准规范中标识或者在编码的比特流中以信号发送。
解码器处的投影运动估计
可以执行投影ME来得出用于对当前块进行编码的MV。图4示出了示例性的投影ME过程400，其可以使用两个前向基准帧：前向基准帧0(示为基准帧420)和前向基准帧1(示为基准帧430)。这些基准帧可用来得出当前帧410中目标块440的运动矢量。可以在基准帧420中指定搜索窗口470，并且可以在搜索窗口470中指定搜索路径。对于搜索路径中的每个运动矢量MV0而言，可以在基准帧430的搜索窗口460中确定其投影运动矢量MV1。对于每对运动矢量(MV0及其相关联的运动矢量MV1)而言，可以在(1)基准帧420中的MV0所指向的基准块480和(2)基准帧430中的MV1所指向的基准块450之间计算诸如绝对误差和之类的度量。接着可以选择产生所述度量的最优值(例如，最小SAD)的运动矢量MV0作为目标块440的运动矢量。
该过程被示出为在图5中的流程图500。在520，可以在第一前向基准帧中指定搜索窗口。该窗口在编码器和解码器处可以相同。在530，可以在该搜索窗口中指定搜索路径。例如，在此可以使用完全搜索或快速搜索机制，以使得编码器和解码器可以遵循相同的搜索路径。在540，对于所述搜索路径中的运动矢量MV0而言，可以在第二搜索窗口中获得其投影运动矢量MV1。这里，假设在该短时段内运动轨线为直线。MV1可以作为MV0的下述函数而被获得，其中d0和d1可以是在当前帧和各基准帧中的每一个之间的距离。
MV 1 = d 1 d 0 MV 0
在550，可以在(i)第一基准帧中的MV0所指向的基准块和(ii)第二基准帧中的MV1所指向的基准块之间计算诸如SAD之类的度量。在560，可以确定在搜索路径中是否剩余有任意其它还没有被考虑到的运动矢量MV0。如果剩余有至少一个MV0，则该过程可以返回540，在那里对于另一个MV0而言，可以确定其相应的投影运动矢量MV1。以这种方式，可以确定MV0和MV1对的集合，并且针对每个对计算例如SAD的度量。在570，可以选择一个MV0，其中所选择的MV0产生所述度量的最优值，例如最小SAD。SAD度量的较低值，即接近于0的值，可以建议优选模式，原因在于为0的SAD度量表示理论上的最优值。该MV0接着可被用来预测当前块的运动。过程500在580结束。
可以以不同的方式获得当前块的预测。例如，所述预测可以是P0(MV0)、P1(MV1)、(P0(MV0)+P1(MV1))/2，或者(P0(MV0)*d1+P1(MV1)*d0)/(d0+d1)。在其它实施例中，可以使用其它函数。可以在编码器和解码器处以相同方式获得预测。在一个实施例中，预测方法可以在标准规范中标识或者在编码的比特流中以信号发送。
基于多个块运动估计的分区
在以上由解码器对当前块所执行的ME的讨论中，运动搜索块可以具有与当前块相同的大小。例如，如果当前块为16×8的块，则可以执行16×8的块的运动搜索以得到MV。然而，可以在不同划分的块上执行运动搜索。这被示出为图6的实施例600。假设当前帧610中，当前块640为16×16的块，块640可以被划分为四个均为8×8的子块，其在图中被标记为0...3。接着，可以对每个8×8子块执行投影ME以得到每个8×8子块i的MV，即MVi0，以获得所述子块的8×8预测。该投影ME过程可以与以上关于图4和5所描述的过程类似，但是可以对当前块的每个子块执行。特别地，对于给定子块而言，可以在第一基准帧620中指定搜索窗口670，其中窗口670包括基准块680，并且可以在该搜索窗口中指定搜索路径。对于所述搜索路径中的每个MVi0而言，可以在第二基准帧630的搜索窗口660(其包括基准块650)中确定其投影运动矢量MVi1。可以针对每对MVi0和MVi1计算诸如SAD的度量，以便找出具有最优度量(例如，最小SAD)的对。接着可以对当前块640的其它子块中的每一个执行该过程。在图6中，示出了标记为MV00和MV30的两个这样的运动矢量MVi0。虽然在所示的实施例中可以获得四个MV，但是并不必将它们传送到解码器侧，原因在于解码器可以自己得出它们。因此，由于每个8×8块是独立预测的，所以该基于块分区的ME过程可以降低预测误差。能够以类似的方式来执行基于块分区的镜像ME过程。
对于输入块而言，多种块分区可用于ME。例如，如果最小的块分区被定义为4×4，则在下表中示出了可用的块分区。编码器和解码器可以使用相同的分区。在一个实施例中，所述分区可以在标准规范中指定或者在编码的比特流中以信号发送。
  当前块   可用分区
  16×16   16×16，16×8，8×16，8×8，8×4，4×8，4×4
  16×8   16×8，8×8，8×4，4×8，4×4
  8×16   8×16，8×8，8×4，4×8，4×4
  8×8   8×8，8×4，4×8，4×4
  8×4   8×4，4×4
  4×8   4×8，4×4
  4×4   4×4
编码模式和解码器处的模式选择
在一个实施例中，传统的编码器侧ME可以不被以上的解码器侧ME所替代。在该实施例中，上述的任意解码器侧ME过程都可以被视为附加的MB编码模式。这里，可以基于诸如率失真优化(RDO)标准之类的统计来选择模式。这被示出为图7的过程700。在720，可以首先对当前块执行传统的编码器侧ME以使用该编码模式得到MV。在730，可以计算相应的RDO成本统计。令该成本被称作J0。在740，可以如以上任意实施例中所描述的在解码器处执行ME，以得到该编码模式的MV。在750，相应的RDO成本统计可被计算为J1。在760，可以对两个RDO成本统计进行比较。如果J1＜J0，则在770，可以选择基于解码器侧ME的结果。否则，可以在780选择来自基于传统ME的编码模式的结果。该过程在790结束。在可替换实施例中，可以类似地计算多于两种的模式，其中可以选择具有最低RDO成本统计的模式。可以使用标志在编码器和解码器之间的通信中以信号发送所选择的模式。此外，在可替换实施例中，可以使用不同于RDO标准的一个或多个统计标准或者除RDO标准之外的一个或多个统计标准。
以上所描述的编码器和解码器以及以上所描述的它们所执行的处理可以以硬件、固件、软件或者它们的组合来实现。此外，本文所公开的任意一个或多个特征可以以硬件、固件、软件或者它们的组合来实现，包括离散和集成电路逻辑、专用集成电路(ASIC)逻辑以及微控制器，并且可以被实现为特定领域集成电路封装的一部分，或者集成电路封装的组合。如本文所使用的，术语软件可以指代计算机程序产品，包括具有存储于其中的计算机程序逻辑以使得计算机系统执行本文所公开的一个或多个特征和/或特征的组合的计算机可读介质。
以上所描述的处理的软件或固件实施例在图8中进行图示。系统800可以包括处理器820和存储器体810，所述存储器体810可以包括一个或多个计算机可读介质，所述计算机可读介质可以存储计算机程序逻辑840。例如，存储器810可以被实现为硬盘和驱动器、诸如致密盘和驱动器的可移动介质、或者只读存储器(ROM)设备。处理器820和存储器810可以使用诸如总线之类的本领域普通技术人员已知的若干技术中的任意一种来进行通信。存储器810中包含的逻辑可由处理器820读取和执行。一同被示为I/O 830的一个或多个I/O端口和/或I/O设备也可以连接到处理器820和存储器810。
计算机程序逻辑840可以包括运动估计逻辑845。当被执行时，运动估计逻辑845可以执行以上所描述的运动估计处理。例如，逻辑845可以包括投影运动估计逻辑850，当被执行时，其可以执行以上关于图4-6所描述的操作。例如，逻辑845还可以包括镜像运动估计逻辑860。当逻辑860在处理器820上执行时，可以执行以上关于图2和3所描述的功能。
计算机程序逻辑840还可以包括块分区逻辑870，当被执行时，其可以将当前块划分为如图6所示的子块。在分区之后，例如可以由投影运动估计逻辑850在每个子块上执行运动估计。计算机程序逻辑840还可以包括模式评估和选择逻辑880。当被处理器820执行时，逻辑840可以执行如图7中730和750-780所示的处理。
作为选择，计算机程序逻辑840中所示的任意逻辑模块可以以硬件实现。
本文借助于诸如以上所列出的描述其功能、特征和关系的功能构建块公开了方法和系统。为了便于描述，在本文中已经对这些功能构建块的至少一些边界进行了任意定义。只要适当地执行特定功能及其关系，就可以定义可选边界。此外，以上所描述的编码器和解码器可以包含在各自系统中，所述系统分别使用以上所提到的过程对视频信号进行编码并且对所产生的编码信号进行解码。
虽然本文公开了各种实施例，但是应当理解的是，它们仅仅是以示例而不是限制的方式来给出。对于相关领域技术人员显而易见的是，可以在不背离本文所公开的方法和系统的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节的各种变化。因此，权利要求的宽度和范围不应当由本文所公开的任意示例性实施例所限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在视频解码器处指定在第一前向基准帧中的搜索窗口；
在所述第一前向基准帧的所述搜索窗口中指定搜索路径；
对于所述搜索路径中的每个运动矢量MV0，确定指向第二基准帧中的基准块的相应的第二运动矢量MV1，其中，每个MV0从当前块指向所述搜索窗口中的基准块，所述相应的第二运动矢量MV1是MV0的函数；
为在所述搜索路径中发现的每对MV0和MV1计算度量；以及
选择其度量的相应值与所述度量的最优值最为接近的MV0，其中，所选择的MV0被用作所述当前块的运动矢量。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二基准帧包括后向基准帧，并且每个MV1是镜像运动矢量。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述当前块位于双向预测帧中。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二基准帧包括第二前向基准帧，并且每个MV1是投影运动矢量。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述当前块位于预测帧中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，对于每个MV0，通过如下函数来确定相应的MV1：
MV 1 = d 1 d 0 MV 0
其中，d0是在所述当前块和所述第一前向基准帧之间的时间距离，d1是在所述当前块和所述第二基准帧之间的时间距离。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述度量包括在所述搜索窗口中的基准块和所述第二基准帧中的基准块之间的绝对误差和(SAD)。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述当前块是较大分区块的子块。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用可选编码方法来确定第二对MV0和MV1；
确定所述可选编码方法的第一率失真统计；
确定所述相应的第二运动矢量的所述确定、所述计算和所述选择的第二率失真统计；以及
基于所述第一率失真统计和所述第二率失真统计的比较来选择优选的编码方法。
10.一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质具有存储于其中的计算机程序逻辑，所述计算机程序逻辑包括：
运动估计逻辑，用于：
使得处理器为在第一前向基准帧的搜索窗口中的搜索路径中发现的每个运动矢量MV0确定运动矢量MV1，其中，每个MV0从当前块指向所述搜索窗口中的基准块，并且其中，所述MV1是所述MV0的函数；
还使得所述处理器为每对MV0和MV1计算度量；以及
还使得所述处理器选择其度量的相应值与所述度量的最优值最为接近的MV0，其中，所选择的MV0被用作所述当前块的运动矢量。
11.如权利要求10所述的计算机程序产品，其中，所述运动估计逻辑包括镜像运动估计逻辑，并且
其中，所述第二基准帧包括后向基准帧，每个MV1是镜像运动矢量，并且所述当前块位于双向预测帧中。
12.如权利要求10所述的计算机程序产品，其中，所述运动估计逻辑包括投影运动估计逻辑，并且
其中，所述第二基准帧包括第二前向基准帧，每个MV1是投影运动矢量，并且所述当前块位于预测帧中。
13.如权利要求10所述的计算机程序产品，其中，对于每个MV0，通过如下函数来确定相应的MV1：
MV 1 = d 1 d 0 MV 0
其中，d0是在所述当前块和所述第一前向基准帧之间的时间距离，d1是在所述当前块和所述第二基准帧之间的时间距离。
14.如权利要求10所述的计算机程序产品，其中，所述度量包括在所述搜索窗口中的基准块和所述第二基准帧中的基准块之间的绝对误差和(SAD)。
15.如权利要求10所述的计算机程序产品，其中，所述计算机程序逻辑还包括：
模式评估和选择逻辑，用于使得所述处理器：
使用可选编码方法来确定第二对MV0和MV1；
确定所述可选编码方法的第一率失真统计；
确定权利要求1所述的方法的第二率失真统计；以及
基于所述第一率失真统计和所述第二率失真统计的比较来选择优选的编码方法。
16.一种系统，包括：
处理器；以及
与所述处理器通信的存储器，所述存储器用于存储多条处理指令以便指示所述处理器：
在视频解码器处指定在第一前向基准帧中的搜索窗口；
在所述第一前向基准帧的搜索窗口中指定搜索路径；
对于所述搜索路径中的每个运动矢量MV0，确定指向第二基准帧中的基准块的相应的第二运动矢量MV1，其中，每个MV0从当前块指向所述搜索窗口中的基准块，所述相应的第二运动矢量MV1是MV0的函数；
为在所述搜索路径中发现的每对MV0和MV1计算度量；以及
选择其度量的相应值与所述度量的最优值最为接近的MV0，其中，所选择的MV0被用作所述当前块的运动矢量。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二基准帧包括后向基准帧，每个MV1是镜像运动矢量，并且所述当前块位于双向预测帧中。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二基准帧包括第二前向基准帧，每个MV1是投影运动矢量，并且所述当前块位于预测帧中。
19.如权利要求16所述的系统，其中，所述多条指令还指示所述处理器：
使用可选编码方法来确定第二对MV0和MV1；
确定所述可选编码方法的第一率失真统计；
确定权利要求1所述的方法的第二率失真统计；以及
基于所述第一率失真统计和所述第二率失真统计的比较来选择优选的编码方法。
20.如权利要求16所述的系统，其中，所述度量包括在所述搜索窗口中的基准块和所述第二基准帧中的基准块之间的绝对误差和(SAD)。
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