CN1045859C - 使用块匹配进行运动估算的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用块匹配进行运动估算的方法和装置，使用双侧块匹配。搜寻窗(BSW和FSW)在两个输入场(BF，FF)之间以这种方式共享，使得与候选象素块(CPBB和CPBF)相关的各候选运动矢量都经过要被内插的场(IF)中的相同的点。当前块成为要被内插的场中的一个名义上的区域，每个搜寻窗都在每个方向上扩展至最大运动矢量的一半。每个运动矢量向前指向前向场(FF)至其值的一半(FHMV)，并向后指向后向场(BF)至其值的一半(BHMV)。其解决了位置误差问题，及间隙和冲突的问题。

Description

使用块匹配进行运动估算的方法和装置
本发明涉及一种使用块匹配进行运动估算的方法和装置。
众所周知，块匹配是用于电视图象处理的一种强有力且直观简单的运动估算方法。图7示出了用于其范围为每场在垂直方向和水平方向上±2象素，到整数精度的单侧块匹配运动估算器的一种可能的结构。这种结构以多个处理单元为基础，每个候选运动矢量有一个处理单元。每个处理单元PE将到达其两个输入端的各象素(它们形成一个分别与候选块位置和矢量有关的组)间的误差累加起来，并存储各个分结果以便对每个块得到一个总误差。这些处理单元用图中未示出的装置连接在一起，以对每个块找出哪一个处理单元产生了最小的误差。
这些处理单元可以计算最小绝对值误差或最小均方误差。
在图7中的单侧运动估算器中，所有的处理单元PE有一个公用的输入端INP，这相应于当前块。通过一个在连到输入端INP的场延迟FD后面的行延迟LD和采样延迟SD的网络，来提供搜寻窗中的象素间的相对位移。
美国专利US-A-5162907示出了单侧块匹配，其中参照图象不是要被内插的图象。
但是，当运动估算的目的是提供图象间的精确内插时，例如在50到100Hz向上变换器中时，常规的块匹配有这样的问题，即各块位于原始的场中，而不是位于要被内插的场中，从而导致在计算的运动场中可能出现误差。
在常规的或“单侧的”块匹配中，如图1所示，图象的当前场(或帧)CF被分成块，典型的为矩形块。对每个当前块CB，在前一场(或帧)PF中的同样大小的重叠的各块中进行一次搜寻，以找到与当前块CB匹配最佳的一个块，这通常是使用对块中的各象素求和的均方误差准则或平均绝对误差准则来进行的。前一帧中的最佳匹配块的相对位置给出了当前块的所选位移矢量，或运动矢量，即矢量MV。对一给定当前块CB，已知在前一帧中所涉及的象素组被作为相应于那一块的搜寻窗SW。因此，块匹配过程利用了当前块和该搜寻窗。
当应用于场速率向上变换时，单侧块匹配的问题是对其进行运动矢量搜寻的各块位于输入的场中，而不是位于要内插的场IF中。这在用来估算运动矢量的信息中导致一个位置误差PE(相对于当前块的位置PCB)，如图2所示，它随着运动速度而增大。当块匹配应用来确定运动区域之间的边界位置时，这个误差变得更加重要，如同本发明申请人在欧洲专利EP93402188中所述的那样。
位置误差PE可以通过按运动矢量适当地移位内插场IF中的块而修正，但是这导致了间隙(gaps)GP(无运动矢量存在的内插场中的区域)的出现，并同样导致有两个或更多运动矢量相互冲突的区域CT的出现，如图3中所示。
本发明的一个目的是提供一种块匹配方法，它克服了单侧块匹配的上述问题，解决了位置误差问题，及间隙和冲突的问题，改进了主观的图象质量。
本发明的另一个目的是提供一种块匹配装置，克服了单侧块匹配的上述问题，解决了位置误差问题，及间隙和冲突的问题，改进了主观的图象质量。
本发明提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中，要被内插的一个当前场或帧被看作具有名义上的象素块，这些象素块覆盖了要被内插的场或帧并被正确地置于该要被内插的场或帧中，并且，其中，在一前向场或帧中的一搜寻窗内的各自的候选象素块与一后向场或帧中的一搜寻窗内的相应候选象素块相匹配，以便对于所述名义上的各象素块中的当前的一个选择一个运动矢量，从而所述双侧块匹配以这种方式进行，即，对于一当前的所述名义上的象素块的所述运动矢量的一个第一部分指向所述后向场或帧搜寻窗中的最佳匹配块的位置，并且所述运动矢量的另一部分指向所述前向场或帧搜寻窗中的最佳匹配块的位置，所述两个矢量部分均依赖于同一候选运动矢量，并由此各候选运动矢量都经过所述要被内插的当前场或帧中的相同的点。
本发明还提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中所述运动矢量的第一部分和另一部分各为该运动矢量的一半。
本发明还提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中在所述后向场或帧和所述前向场或帧中的块匹配使用内插过的半象素值来进行。
本发明提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中所述运动矢量的第一半部和第二半部以这种方式进行舍入取整，即令其相关的和保持为正确的。
本发明还提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中所述方法用于场或帧速率向上变换，慢运动产生，噪声减小或用来控制LCD显示器。
本发明提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的装置，其中，要被内插的一个当前场或帧被看作具有名义上的象素块，这些象素块覆盖了要被内插的场或帧并被正确地置于该要被内插的场或帧中，用于执行上述的方法，并且包括：场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置，用于给每一个当前的所述名义上的象素块提供一前向场或帧的一搜寻窗的所需的各象素位置上的各个象素，该搜寻窗有预选宽度；另外的场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置，用于给当前的所述名义上的象素块提供一后向场或帧的一搜寻窗的所需各象素位置上的各个象素，该搜寻窗有所述的预选宽度；处理单元，每个处理单元有两个输入端并且连到所述场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置与/或所述进一步的场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置，用于通过对到达该处理单元的两个输入端的这些象素间的误差进行累加，使所述前向场或帧中的搜寻窗内的各候选象素块与所述后向场或帧中的搜寻窗内的各相应候选象素块相匹配，并存贮各个结果以便对每个块得到一个总误差；检测装置，与所述各处理单元相连，用于选择一个与来自所述前向场或帧和所述后向场或帧的块的最佳匹配对的位置相关联的运动矢量，以便对所述当前的名义上的象素块选择一个运动矢量，从而所述运动矢量的第一半部指向所述后向场或帧搜寻窗中的最佳匹配块的位置，并且所述运动矢量的第二半部指向所述前向场或帧搜寻窗中的最佳匹配块的位置，所述两个矢量部分均依赖于同一候选运动矢量，并由此各候选运动矢量都经过要被内插的所述当前场或帧中的相同的点。
本发明还提供一种使用双侧块匹配进行运动估算的装置，其中，所述检测装置以这种方式对所述运动矢量的第一半部和第二半部进行舍入取整，使得相关的和保持为正确的。
以下参照附图，对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1示出了单侧块匹配；
图2示出了单侧块匹配中的位置误差；
图3示出了单侧块匹配中的运动矢量的间隙和冲突；
图4示出了双侧块匹配；
图5示出了如何避免双侧块匹配中的间隙的冲突；
图6示出了对精度问题的克服；
图7示出了单侧块匹配的一种结构；
图8示出了双侧块匹配的一种结构。
本发明采用双侧块匹配。该双侧块匹配的优点是不局限于50Hz到100Hz向上变换，而是可用于任何时间内插，例如50Hz到60Hz或50Hz到75Hz标准变换，这类内插在各输入场之间的各时间点上需要运动矢量。
本发明对上述问题的解决方案是使用双侧块匹配，以下参考图4进行解释。这里，搜寻窗(BSW和FSW)以这种方式在两个输入场BF和FF间共享，即使得所有候选运动矢量(与候选象素块CPBB和CPBF有关的)都经过要内插的场IF中的相同的点。因此，“当前块”成为要内插的场中的一个名义上的区域，并且每两个新的搜寻窗BSW和FSW在每个方向上扩展到最大运动矢量的一半。每个运动矢量以其一半值向前(运动矢量的向前一半FHMV)指向前向场FF，并且以其一半值向后(运动矢量的向后一半BHMV)指向后向场BF。两个矢量部分都依赖于同一候选运动矢量。
双侧块匹配解决了位置误差问题，因为当前块IFB覆盖了内插的场并正确地置于内插场中；它还解决了间隙和冲突的问题，因为内插场中的每一点都精确地有一个运动矢量指定给它，见图5。
双侧块匹配的一个问题是，对一给定的运动矢量精度，象素坐标需要与单侧块匹配一样精确地被表示两次。这在要求运动矢量有整数精度时尤其困难，因为运动矢量的前向和后向指向的一半就将表示为最接近的半整数。这个问题可以下列两种方法之一来克服：
(ⅰ)通过对场进行内插以提供半象素点(对这一方法简单的双线性内插就足够了)；
或者(ⅱ)通过以这种方式来对前向和后向半矢量进行舍入取整，使得它们的和保持为正确的。
方法(ⅰ)带来了硬件复杂性的增加，而方法(ⅱ)避免了需要半象素内插，却再次在用来估算运动矢量的信息中引入了大至半个象素的微小的位置误差(即矢量没有在精确的位置上作计算，但因为目前的矢量位置非常接近于所要求的那个位置，所以理想矢量的方向会与所计算的矢量方向很相近)，已经表明这种误差对最终图象质量的影响可以忽略。这两种方法如图6中所示(只对应一维的情况)。图6A示出了方法(ⅰ)的用内插象素IP的双侧情况，图6B示出了方法(ⅱ)的有微小位置误差SPE(最大的情况)的双侧情况。
图8示出了用于其范围为每场在垂直方向和水平方向上±2象素，到整数精度的双侧的块匹配运动估算器的可能的结构。这种结构以多个处理单元为基础，每个候选运动矢量有一个处理单元。每个处理单元PE将到达其两个输入端的各象素(它们形成一个分别与候选块位置和矢量有关的组)间的误差累加起来，并存储各个分结果以便对每个块得到一个总误差。这些处理单元用图中未示出的装置连接在一起，以对每个块找出哪一个处理单元产生最小的误差。
这些处理单元可以计算最小绝对值误差或最小均方误差。
图8中的双侧运动估算器使用上述的方法(ⅱ)来克服精度问题。这里，用来产生相对搜寻窗位移的行延迟LD和采样延迟SD是在两个场之间共享的，并且每个处理单元PE的两个输入都依赖于正被检测的运动矢量，从而其一个输入包括连到输入端INP的场延迟FD。
更有利的是，采用上述结构，两侧块匹配的实现实际上要比图7的单侧块匹配还要更简单一些。
本发明的运动估算改进了主观的图象质量，并也可用于产生慢运动，减小噪声，转换标准及用来控制LCD(液晶显示)显示器。

Claims (10)

1、一种使用双侧块匹配进行运动估算的方法，其中，要被内插的一个当前场或帧(IF)被看作具有名义上的象素块(IFB)，这些象素块覆盖了要被内插的场或帧并被正确地置于该要被内插的场或帧中，并且，其中，在一前向场或帧(FF)中的一搜寻窗(FSW)内的各自的候选象素块(CPBF)与一后向场或帧(BF)中的一搜寻窗(BSW)内的相应候选象素块相匹配，以便对于所述名义上的各象素块(IFB)中的当前的一个选择一个运动矢量，从而所述双侧块匹配以这种方式进行，即，对于一当前的所述名义上的象素块(IFB)的所述运动矢量的一个第一部分(BHMV)指向所述后向场或帧搜寻窗(BSW)中的最佳匹配块的位置，并且所述运动矢量的另一部分(FHMV)指向所述前向场或帧搜寻窗(FSW)中的最佳匹配块的位置，所述两个矢量部分均依赖于同一候选运动矢量，并由此各候选运动矢量都经过所述要被内插的当前场或帧(IF)中的相同的点。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述运动矢量的第一部分和另一部分各为该运动矢量的一半。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中在所述后向场或帧(BF)和所述前向场或帧(FF)中的块匹配使用内插过的半象素值(IP)来进行。
4、如权利要求2所述的方法，其中所述运动矢量的第一半部(BHMV)和第二半部(FHMV)以这种方式进行舍入取整，即令其相关的和保持为正确的。
5、如权利要求3所述的方法，其中所述运动矢量的第一半部(BHMV)和第二半部(FHMV)以这种方式进行舍入取整，即令其相关的和保持为正确的。
6、如权利要求1、2或4中任一个所述的方法，其中所述方法用于场或帧速率向上变换，慢运动产生，噪声减小或用来控制LCD显示器。
7、如权利要求3所述的方法，其中所述方法用于场或帧速率向上变换，慢运动产生，噪声减小或用来控制LCD显示器。
8、如权利要求5所述的方法，其中所述方法用于场或帧速率向上变换，慢运动产生，噪声减小或用来控制LCD显示器。
9、一种使用双例块匹配进行运动估算的装置，其中，要被内插的一个当前场或帧(IF)被看作具有名义上的象素块(IFB)，这些象素块覆盖了要被内插的场或帧并被正确地置于该要被内插的场或帧中，用于执行如权利要求1至8中任一个所述的方法，并且包括：
场或帧延迟装置(FD)、行延迟装置(LD)和采样延迟装置(SD)，用于给每一个当前的所述名义上的象素块(IFB)提供一前向场或帧(FF)的一搜寻窗(FSW)的所需的各象素位置上的各个象素，该搜寻窗(FSW)有预选宽度；
另外的场或帧延迟装置(FD)、行延迟装置(LD)和采样延迟装置(SD)，用于给当前的所述名义上的象素块(IFB)提供一后向场或帧(BF)的一搜寻窗(BSW)的所需各象素位置上的各个象素，该搜寻窗(BSW)有所述的预选宽度；
处理单元(PE)，每个处理单元有两个输入端并且连到所述场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置与/或所述另外的场或帧延迟装置、行延迟装置和采样延迟装置，用于通过对到达该处理单元的两个输入端的这些象素间的误差进行累加，使所述前向场或帧(FF)中的搜寻窗(FSW)内的各候选象素块(CPBF)与所述后向场或帧(BF)中的搜寻窗(BSW)内的各相应候选象素块(CPBB)相匹配，并存贮各个结果以便对每个块得到一个总误差；
检测装置，与所述各处理单元(PE)相连，用于选择一个与来自所述前向场或帧和所述后向场或帧的块的最佳匹配对的位置相关联的运动矢量，
以便对所述当前的名义上的象素块(IFB)选择一个运动矢量，从而所述运动矢量的第一半部(BHMV)指向所述后向场或帧搜寻窗(BSW)中的最佳匹配块的位置，并且所述运动矢量的第二半部(FHMV)指向所述前向场或帧搜寻窗(FSW)中的最佳匹配块的位置，所述两个矢量部分均依赖于同一候选运动矢量，并由此各候选运动矢量都经过要被内插的所述当前场或帧(IF)中的相同的点。
10、如权利要求9所述的装置，其中，所述检测装置以这种方式对所述运动矢量的第一半部(BHMV)和第二半部(FHMV)进行舍入取整，使得相关的和保持为正确的。
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