CN104683812B - 用于移动估计的视频预处理方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本提案提供用于移动估计的视频预处理方法与装置。首先接收视频中的第一图像，其由多个第一区块组成，各对应第一像素矩阵。对每一第一区块计算相似性描述，亦计算视频中第二图像的第二区块的相似性描述，此第二区块对应第二像素矩阵和前述第一区块中的参考区块。相似性描述用以指示像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同。最后判断第二区块与参考区块的相似性描述是否相同，以产生判断结果，并据以选择性地对第二区块进行移动估计。

Description

用于移动估计的视频预处理方法与装置
技术领域
本提案涉及视频处理，特别涉及移动估计（motion estimation）的运算资源用量的预处理装置与方法。
背景技术
移动估计是视频压缩的重要步骤之一。视频编解码器中的移动估计功能区块以移动矢量（motion vector）描述视频在连续两帧（frame）之间的变化。一般而言，移动估计功能区块自视频源取得待处理的帧，但用以与之比较的前一帧已离开视频源，需自帧缓冲器（frame buffer）取得，此举往往占去帧缓冲器有限对外频宽的大部，影响视频编解码效能。
高阶视频编码（Advanced Video Coding，简称AVC）和后继的高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，简称HEVC）等标准对三维（three-dimensional，简称3D）视频的扩充章节在拍摄而得的一般图像之外亦会压缩描述视频中各区块与摄影机距离的深度图（depth map），对于视频编解码器要求更甚。
发明内容
鉴于上述问题，本提案旨在提供用于移动估计的视频预处理的一种方法与一种装置，藉描述图像中像素的相似性，选择性地执行视频压缩中移动估计。
本提案提供的用于移动估计的视频预处理方法包含：接收视频中的第一图像，其由多个第一区块组成，各对应第一像素矩阵；对每一第一区块计算相似性描述，其用以指示第一像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同；计算视频中第二图像的第二区块的相似性描述，此第二区块对应第二像素矩阵和前述第一区块中的参考区块，其相似性描述用以指示第二像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同；判断第二区块与参考区块的相似性描述是否相同，以产生判断结果；以及依据该判断结果，选择性地对第二区块进行移动估计。
本提案提供的用于移动估计的视频预处理装置包含相似性描述模块、存储模块、判断模块和移动估计模块。相似性描述模块用以接收视频中的第一图像，其由多个第一区块组成，各对应第一像素矩阵，用以对每一第一区块计算相似性描述，以及用以计算视频中第二图像的第二区块的相似性描述，此第二区块对应第二像素矩阵和前述第一区块中的参考区块。每一个第一区块对应着第一像素矩阵，且其相似性描述用以指示第一像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同。第二区块对应第二像素矩阵，且其相似性描述用以指示第二像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同。存储模块耦接相似性描述模块，用以存储第一区块与第二区块的相似性描述。判断模块耦接存储模块，用以判断第二区块与参考区块相似性描述是否相同，以产生判断结果。移动估计模块受控于判断结果，用以对第二区块进行移动估计。
综上所述，本提案提供的用于移动估计的视频预处理方法与装置通过比较相似性描述快速判断是否对第二图像的某一区块进行移动估计。不需进行移动估计时可以不需要额外地载入第一图像。在一实施例中，如果需进行移动估计，则依据第一图像各区块的相似性描述重建第一图像，只在必要时才载入部分的第一图像。
以上的关于本提案内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本提案的精神与原理，并且提供本提案的权利要求书更进一步的解释。
附图说明
图1是包含依据本提案一实施例的用于移动估计的视频预处理装置的高阶方块图。
图2是依据本提案一实施例用于移动估计的视频预处理的流程图。
图3是一像素矩阵的示意图。
图4是依据本提案一实施例计算相似性描述的流程图。
图5是依据本提案一实施例重建第一区块的流程图。
【符号说明】
1 用于移动估计的视频预处理装置
10 相似性描述模块
12 存储模块
14 判断模块
16 重建模块
18 移动估计模块
2 视频源
3 帧缓冲器
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本提案的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本提案的技术内容并据以实施，且依据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，本领域技术人员可轻易地理解本提案相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本提案的观点，但非以任何观点限制本提案的范围。
请参见图1。图1是包含依据本提案一实施例的用于移动估计的视频预处理装置的高阶方块图。如图1所示，用于移动估计的视频预处理装置1包含相似性描述模块10、存储模块12、判断模块14、重建模块16和移动估计模块18。存储模块12可以是一个缓冲器（buffer），用以存储相似性描述模块10的运算结果。相似性描述模块10、移动估计模块18和帧缓冲器3皆可自视频源2接收目前待处理的图像。离开视频源2的过去图像暂存于帧缓冲器3。重建模块16可自帧缓冲器3视需求载入这些过去图像的部分位元（bit）。在一实施例中，上述各模块可以集成电路实现。在另一实施例中，用于移动估计的视频预处理装置1还包含处理器，用以自一或多个存储器模块读取至少一份可读取程序代码，以完成上述各模块的功能。
请配合图1参见图2。图2是依据本提案一实施例用于移动估计的视频预处理的流程图。如图2所示，在步骤S20中，相似性描述模块10自视频源2接收视频中的一张第一图像，第一图像可分割为多个第一区块，每个第一区块都对应第一像素矩阵。（同时，第一图像离开视频源2，进入帧缓冲器3。）在步骤S21中，相似性描述模块10计算每一个第一区块的相似性描述，并存储至存储模块12。接着，相似性描述模块10自视频源2接收同一视频中的一张第二图像，以在步骤S23中计算第二图像中第二区块的相似性描述。（同时，第二图像离开视频源2，为移动估计模块18所接收。）一般而言，第一图像和第二图像是视频中连续的两个帧，所谓对第二图像的某个区块进行移动估计是指求出彼区块和第一图像中对应的参考区块（如两个区块显示着同样或近似的物体）在视频进程中的相对移动矢量。在本实施例中，本提案先取在第一图像中和第二区块在第二图像中具有相同相对位置的区块作为参考区块；在其他实施例中，参考区块在第一图像中的相对位置和第二区块在第二图像中的相对位置可由第一或第二图像的坐标系中某个预测的矢量指定。在步骤S25中，判断模块14自存储模块12取得第二区块和参考区块相似性描述。在另一实施例中，判断模块14可连接相似性描述模块10，直接取得第二区块的相似性描述。如果判断模块14认为第二区块和参考区块的相似性描述相同，则指示移动估计模块18跳过对第二区块的移动估计。在参考区块和第二区块的相对位置相同的实施例中，这意味着移动估计模块18在步骤S27中将关联于第二区块的移动矢量直接设为零矢量（null vector）；在其他实施例中，关联于第二区块的移动矢量便是前述预测的矢量。
如果判断模块14认为第二区块和参考区块的相似性描述不相同，则在步骤S29中重建模块16自存储模块12取得所有第一区块的相似性描述，并据以重建第一图像；相似性描述不足以描述的部分由重建模块16自帧缓冲器3载入。重建的第一图像为移动估计模块18所用。请注意判断模块14、重建模块16和移动估计模块18三者有多种连接方式，图1所示仅为一例。在此例中，可能判断模块14指示移动估计模块18需进行移动估计后，移动估计模块18向重建模块16要求第一图像，重建模块16再自存储模块12拿取相似性描述；或者，重建模块16无论如何会依据所有第一区块的相似性描述重建出第一图像，移动估计模块18可视判断模块14的指示拿取或忽略。在另一实施例中，判断模块14同时连接重建模块16和移动估计模块18，因此重建模块16不待移动估计模块18要求就可进行第一图像的重建。
移动估计模块18以重建的第一图像对第二区块进行移动估计。具体来说，移动估计模块18可实作区块比对（block matching）、像素递回（pixel recursion）、相位相关（phase correlation）或一般化的光流（optical flow）演算法等技术，凡本提案所属领域技术人员应可自由设计。
第一或第二区块的相似性描述是对其对应的像素矩阵运算所得。像素矩阵沿第一轴向具有m排，沿第二轴向具有n排，m是不小于1的正整数，n是大于1的正整数。图3所示即像素矩阵的一例。在图3中，第一轴向指的是横向，因此m=5，m排又可称为m列（column）；第二轴向指的是纵向，因此n=4，n排又可称为n行（row）。请注意在其他实施例中，第一轴向也可以指纵向，而第二轴向可以指横向，甚或其他非直交的基矢量（basis）。图3亦将行和列的序数标记于像素矩阵的边上；此序数可被任意掉换。
请配合图3参见图4。图4是依据本提案一实施例计算相似性描述的流程图。如图4所示，在步骤S41中，相似性描述模块10判断第1行上的5个像素是否具有相同的像素值；如果是则设第一真伪值（truth value或Boolean value）为1，如果否（有任何一个像素和其他的不一样）则第一真伪值为0。这里所谓的像素值指的是像素所存的数据。在全彩图中像素值可能指色相（hue）、色调（tone）、饱和度（saturation）和／或亮度（lightness）等等，在深度图中像素值可能指的是灰阶（grayscale）值。由于第1行是所有的值都是32，关联于此像素矩阵（和对应此像素矩阵的图像区块）的第一真伪值为1。实务上计算第一真伪值可先判断第1行中两两相邻的像素是否具有同样的像素值，以求得多个真伪值（以图3的像素矩阵为例为m-1=4个），再比对这些真伪值（如「且」［AND、相乘］或其他逻辑运算），得到第一真伪值。
接着，相似性描述模块10判断第i行和第i-1行是否完全相同（i是大于1且不大于n的正整数）。细部而言，假设i=3，在步骤S43中，相似性描述模块10比较第3行上第一个像素（65）和第2行上对应的像素；在一实施例中，对应的像素指的是同一列上的像素，也就是第2行上最左边的48。65不等于48，所以关联于第3行上第一个像素的第三真伪值是0。以此类推，事实上第3行上所有像素的第三真伪值都是0，但第4行上所有像素的第三真伪值都是1，因为第3行和第4行完全相同。在步骤S45中，相似性描述模块10比对一行上所有的第三真伪值（如逻辑「且」运算），得到第二真伪值。由于第3行上有第三真伪值是0，关联于第3行的第二真伪值也是0；第4行和第3行完全相同，因此关联于第4行的第二真伪值是1。最后在步骤S47中，相似性描述模块10将上述的第一真伪值、（每一行的）第二真伪值和锚点像素的像素值作为对应此像素矩阵的图像区块的相似性描述存储至存储模块12。锚点像素是第1行上的任意像素，如第1行第1列的像素（32）。在此例中，相似性描述可以数组(32，h=1，v2=0，v3=0，v4=1)表示，其中h为第一真伪值，vi为关联于第i行的第二真伪值。
有了全部第一区块的相似性描述，重建模块16便可逐区块重建出完整的第一图像。图5即依据本提案一实施例重建第一区块的流程图。配合图3，如图5所示，重建模块16自存储模块12取得某第一区块的相似性描述后，在步骤S500中，重建模块16判断第一真伪值是否为1；如果否则代表此第一区块的像素矩阵第1行的像素不全然相同，重建模块16在步骤S506中自帧缓冲器3读入第1行的诸位元；如果是则代表第1行包括锚点像素的所有像素的像素值相同，重建模块16在步骤S503中复制相似性描述中锚点像素的像素值即可还原出第1行。在步骤S510中，重建模块16依序判断各第二真伪值是否为1。承上段例，v2=0，亦即第2行和第1行不完全相同，因此重建模块16在步骤S516中自帧缓冲器3读入第2行的诸位元(bit)。第3行的情形类似，但v4=1，重建模块16可在步骤S513中复制第3行还原出第4行。
在本提案一实施例中，相似性描述尚记录有关联于第1行的第二真伪值v1。v1可以是相似性描述模块10以其之前处理的区块的最后一行和现在区块的第1行比较所得。在如图5的重建区块的流程中，重建模块16也可在步骤S500前先判断v1是否为1；如果是则依据前一区块还原第1行并执行步骤S510；如果否则执行步骤S500。
综上所述，本提案提供的用于移动估计的视频预处理方法与装置以相似性描述为图像的摘要，藉比较摘要即可快速判断是否对第二图像的某一区块进行移动估计，直接或间接地减少移动估计的运算资源用量，对压缩色彩单纯平坦的深度图特别有效。

Claims (20)

1.一种用于移动估计的视频预处理方法，包含：
接收视频中的第一图像，该第一图像由多个第一区块组成，每一该第一区块对应第一像素矩阵；
对每一该第一区块，计算该第一区块的相似性描述，该第一区块的相似性描述用以指示该第一像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同；
计算该视频中第二图像的第二区块的相似性描述，该第二区块对应这些第一区块中参考区块，该第二区块对应第二像素矩阵，该第二区块的相似性描述用以指示该第二像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同；
判断该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述是否相同，以产生判断结果；以及
依据该判断结果，选择性地对该第二区块进行移动估计,
其中这些第一像素矩阵或该第二像素矩阵沿第一轴向具有m排，沿第二轴向具有n排，m是不小于1的正整数，n是大于1的正整数，计算这些第一区块或该第二区块的相似性描述的步骤包含：
判断该n排中第1排上所有的像素是否具有相同的像素值，以获得第一真伪值；以及
判断该n排中的第i排与第i-1排是否特征相同，以获得关联于该n排中第i排的第二真伪值，i是大于1且不大于n的正整数；
其中这些第一区块或该第二区块的相似性描述包含该第一真伪值、该第二真伪值以及该n排中第1排上锚点像素的像素值。
2.如权利要求1所述用于移动估计的视频预处理方法，其中判断该n排中的第i排与第i-1排是否特征相同以获得该第二真伪值的步骤包含：
对该n排中第i排上的每一像素，判断该像素与该n排中第i-1排上对应该像素的另一像素是否具有相同的像素值，以获得第三真伪值；以及
比对这些第三真伪值，以获得该第二真伪值。
3.如权利要求2所述用于移动估计的视频预处理方法，其中比对这些第三真伪值的步骤系计算这些第三真伪值的乘积。
4.如权利要求2所述用于移动估计的视频预处理方法，其中该像素与另一该像素位于该m排其中之一。
5.如权利要求1所述用于移动估计的视频预处理方法，其中当该判断结果指示该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述不相同时，对该第二区块进行移动估计。
6.如权利要求5所述用于移动估计的视频预处理方法，还包含：
依据这些第一区块的相似性描述，重建该第一图像。
7.如权利要求6所述用于移动估计的视频预处理方法，其中依据这些第一区块的相似性描述重建该第一图像的步骤包含：
对每一该第一区块，当该第一区块的相似性描述的该第一真伪值指示真时，依据该锚点像素的像素值，重建该n排中的第1排所对应的部分的该第一区块；
对每一该第一区块，当该第一区块的相似性描述的该第一真伪值指示伪时，载入该n排中的第1排；
对每一该第一区块，当该第一区块的相似性描述的关联于该n排中第i排的该第二真伪值指示真时，依据该n排中的第i-1排，重建该n排中的第i排所对应的部分的该第一区块；以及
对每一该第一区块，当该第一区块的相似性描述的关联于该n排中第i排的该第二真伪值指示伪时，载入该n排中的第i排。
8.如权利要求1所述用于移动估计的视频预处理方法，其中第二区块在该第二图像中的相对位置与该参考区块在该第一图像中的相对位置关联于预测矢量，且当该判断结果指示该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述相同时，关联于该第二区块的移动矢量是该预测矢量。
9.如权利要求8所述用于移动估计的视频预处理方法，其中该预测矢量是零矢量。
10.如权利要求1所述用于移动估计的视频预处理方法，其中像素的像素值是灰阶值。
11.一种用于移动估计的视频预处理装置，包含：
相似性描述模块，用以接收视频中的第一图像，该第一图像由多个第一区块组成，用以对每一该第一区块，计算该第一区块的相似性描述，以及用以计算该视频中第二图像的第二区块的相似性描述，该第二区块对应这些第一区块中参考区块；
存储模块，耦接该相似性描述模块，用以存储这些第一区块的相似性描述；
判断模块，耦接该存储模块，用以判断该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述是否相同，以产生判断结果；以及
移动估计模块，受控于该判断结果，用以对该第二区块进行移动估计；
其中每一该第一区块对应第一像素矩阵，每一该第一区块的相似性描述用以指示该第一像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同，该第二区块对应第二像素矩阵，该第二区块的相似性描述用以指示该第二像素矩阵中至少一对相邻的像素的像素值是否相同，
其中这些第一像素矩阵或该第二像素矩阵沿第一轴向具有m排，沿第二轴向具有n排，m是不小于1的正整数，n是大于1的正整数，该相似性描述模块用以计算这些第一区块或该第二区块的相似性描述是用以判断该n排中第1排上所有的像素是否具有相同的像素值，以获得第一真伪值，以及用以判断该n排中的第i排与第i-1排是否特征相同，以获得关联于该n排中第i排的第二真伪值，i是大于1且不大于n的正整数；
其中这些第一区块或该第二区块的相似性描述包含该第一真伪值、该第二真伪值以及该n排中第1排上锚点像素的像素值。
12.如权利要求11所述用于移动估计的视频预处理装置，其中该相似性描述模块用以判断该n排中的第i排与第i-1排是否特征相同以获得该第二真伪值用以对该n排中第i排上的每一像素判断该像素与该n排中第i-1排上对应该像素的另一像素是否具有相同的像素值，以获得第三真伪值，以及用以比对这些第三真伪值，以获得该第二真伪值。
13.如权利要求12所述用于移动估计的视频预处理装置，其中该相似性描述模块用以比对这些第三真伪值是用以计算这些第三真伪值的乘积。
14.如权利要求12所述用于移动估计的视频预处理装置，其中该像素与另一该像素位于该m排其中之一。
15.如权利要求11所述用于移动估计的视频预处理装置，其中当该判断结果指示该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述不相同时，该移动估计模块对该第二区块进行移动估计。
16.如权利要求15所述用于移动估计的视频预处理装置，还包含重建模块，耦接该存储模块，用以依据这些第一区块的相似性描述，重建该第一图像。
17.如权利要求16所述用于移动估计的视频预处理装置，其中该重建模块用以依据这些第一区块的相似性描述重建该第一图像是用以对每一该第一区块，在该第一区块的相似性描述的该第一真伪值指示真时，依据该锚点像素的像素值，重建该n排中的第1排所对应的部分的该第一区块，用以对每一该第一区块，在该第一区块的相似性描述的该第一真伪值指示伪时，载入该n排中的第1排，用以对每一该第一区块，在该第一区块的相似性描述的关联于该n排中第i排的该第二真伪值指示真时，依据该n排中的第i-1排，重建该n排中的第i排所对应的部分的该第一区块，以及用以对每一该第一区块，在该第一区块的相似性描述的关联于该n排中第i排的该第二真伪值指示伪时，载入该n排中的第i排。
18.如权利要求11所述用于移动估计的视频预处理装置，其中第二区块在该第二图像中的相对位置与该参考区块在该第一图像中的相对位置关联于预测矢量，且当该判断结果指示该第二区块的相似性描述与该参考区块的相似性描述相同时，关联于该第二区块的移动矢量是该预测矢量。
19.如权利要求18所述用于移动估计的视频预处理装置，其中该预测矢量是零矢量。
20.如权利要求11所述用于移动估计的视频预处理装置，其中像素的像素值是灰阶值。
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