CN1125567C - 运动估算的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于块方式的运动估算的设备，它包括估算误差函数的阵列矩阵(300)。该阵列包含多个当前像素块(a，a′)的存贮元件(s，406，407)，及在存贮元件间转换用的装置(403)，与所述阵列相连并将搜寻窗口的像素馈送到所述阵列的存贮器(801)。其中存贮器(801)是随机存取存贮器，且容纳相应存贮在阵列(300)中当前块的一个搜寻窗口条带。该设备还包括读取地址的装置(812)，它读取存贮器的条带部分的局部地址，所述部分逐列地被引入到阵列。
Description
本发明涉及图像压缩领域以及标准转换，特别涉及系统中块方式(blockwise)运动估算的方法，该系统包含b个阵列的一些行，用以计算当前块和搜寻窗口块之间的误差函数，每个阵列具有与x个块并列的存贮装置，为此，误差函数的求值在x遍过程(pass)期间被分别执行。本发明还涉及实现此方法的设备。
此专利申请与下面所述关于阵列的系列，题为“运动估算系统中以矩阵阵列处理数据的方法”专利申请联合提交。
有许多根据块方式处理像素的图像压缩系统。降低图像间时间冗余的手段是采用运动估算，这方法是逐块地确定待压缩的图像块，那些块与前面的或后面的图像最相象。当前块和其它图像的最相似块之间的关系由运动矢量定义，此矢量的坐标相应于两个块的坐标差。
确定运动矢量的各种处理是众所周知的，它们需要较大或较小的计算量，以及产生较高或较低的矢量精度。这些处理中的一种(称作“块区配”)是将当前块与前面图像搜寻窗口相似尺寸的所有块作系统地比较，此窗口例如以在参照前面图像的当前块为中心。
比较是通过对每个区配的误差函数值的计算来实现的。运动矢量对应于该组匹配中误差函数的最小值。通常所使用的函数是被匹配块之间像素差的绝对值之和，或者是差值的平方和。
运动估算通常需要高的计算能力，并且它随要求的精度和允许的运动矢量幅度而增加。法国专利申请FR9410158叙述了适应于执行高比特率计算的运动估算处理器。此文件特别涉及用于计算误差函数的元件阵列。这种阵列的优点是模块化，并且易于串联或并联。同时，每个阵列能并行处理两个块。
以这样的阵列来组织当前块是着眼于改善其性能。
本发明涉及系统中块方式运动估算的方法，该系统包含b个阵列的一些行，用以计算当前块和搜寻窗口块之间的误差函数，每个阵列具有与x个块并列的存贮装置，对这些块，误差函数的求值在x遍过程期间被分别执行。所述的方法其特征在于包括如下步骤：
-从当前图像中选取x*a*b个块的一组，并将这个组分成x个a*b个块的垂直片(slices)，
-相应同一过程，在存贮装置中存贮每个片，
-相应于这些块的整体，将搜寻窗口的一个条带(band)装入到所述阵列的馈送存贮器(feed memory)，
-在一过程期间，将所述馈送存贮器地址读到条带部分的所述阵列。该条带对应于此过程期间被处理块的片。
搜寻窗口的像素条带存贮在将馈送给计算阵列的存贮器中，存贮的条带包含存贮在阵列中的整个当前块的搜寻窗口的像素。
根据本发明方法，为了执行一个相应过程的计算，仅相应于在此过程中被处理的块片(block slice)的条带部分被读出，没有必要读取被单独与另外过程连接的条带部分。
处理垂直块片使得能够减小每个过程中从相应存贮器读出的有用条带的宽度。于是，按这种方式，每个过程计算的周期数得以降低。
按照详细实施例，所选取的当前块组具有矩形形状，其形状因子选得接近于相应块的搜寻窗口的形状因子。
可以看到，此特点使得能够降低为处理全部块需要执行的计算周期数。
本发明也涉及用于块方式运动估算的设备，它一方面包括计算误差函数的矩阵阵列，该阵列包含为当前像素的多个块的存贮元件，以及为对应于不同的块在存贮元件之间转换的装置。另一方面包括以搜寻窗口的像素馈送给所述阵列的存贮器，此存贮器联接到所述阵列，其特征在于：
所说存贮器是随机存取存贮器，
所述存贮器包含相应于存贮在阵列中的整个当前块的搜寻窗口的条带，
所述的设备包含用于读作为所述阵列处理的块的函数的所述存贮器条带部分局部地址的装置，所述的部分被逐列地引到所述阵列。
本发明另外的特点和优点，通过附图和详细的非限定实施例的说明，将得以显现。在这些图中，
-图1表示图像中有关当前块位置处的搜寻窗口，
-图2表示将搜寻窗口的分成像素条带和分成块，
-图3表示用于计算误差函数值的阵列的方块图，
-图4表示图3阵列的“S”元件的方块图，
-图5表示包含一行8个元件的计算阵列，以及用来图示阵列的操作，
-图6(a)到6(e)表示按照本发明实施示例的块安排，
-图6(f)和6(g)表示按照实施示例，图6(a)到6(f)的块按阵列矩阵方式来存贮，
-图7表示围绕两个相邻块的搜寻窗口条带以及所得条带，
-图8表示一电路原理图，它包含有4×8像素的8个阵列，组织成两个阵列的四个行，
-图9所示的这些直线表示作为块设置的函数的计算周期的误差。
图1说明围绕需要估算运动的当前图像块参照前面图像位置的搜寻窗口的位置。
图2说明在运动估算框架中将搜寻窗口分割成条带。
当使用具有4个像素高的当前块时，第一条带相应于搜寻窗口的第一个4行，而第二条带相应于2到5行。可以看到，在两个相继条带间只有一单个像素行的差别。
如果假定块的尺寸是4像素高及8像素宽，那么28个列及4个行的条带包含21个相同尺寸的块。显然，这些块是相连的，两个相继的块仅有一列像素的不同。当处理此条带时，计算阵列因此需要提供21个误差函数值，对条带中每个可能的块位置提供一个。
根据本发明的实施示例，运动估算电路包括如在法国专利申请FR9410158中所说明的计算元件阵列。为作进一步详述，此申请被作为参考。
计算元件阵列在图3中示出。阵列包含一些由缓冲器B串联连结的S单元行，一加法器“add”与每个S单元列发生联系，每个S单元的输出通过缓冲器B联到相应列的加法器。加法器本身通过三个串联的缓冲器串联连结，三个缓冲器之一可被旁路电路301短接，最后，阵列还包含一最终旁路电路302。
这样一个阵列的功能是计算待压缩图像像素块与同样尺寸的前或后面(Past or future)图像块之间的误差函数值。参考图像块通常相应于搜寻窗口的块，该窗口参照参考图像，围绕当前块位置并以此为中心。
图4是计算单元S的功能原理图。
单元包含直接与输出端402连接的输入端401，该行对应搜寻窗口的像素值。
单元还包含两个缓冲器406和407，其中存放或者同一块的或者两个不同块的像素值。两缓冲器的输出端，由受线405控制的多路器404进行多路转换，送到减法器/绝对值电路403的输入端。403的输出端C直接将联接单元S引到它指定的加法器的缓冲器B(见图1)。电路403的其它输入端连到联结输入端401和输出端402的线上。
当当前图像块的像素被各自存放在S单元时，搜寻窗口的像素通过缓冲器B供给这些S单元。
搜寻窗口被分成4像素高的一些条带，这些条带逐个像素列地被插入到阵列中，如此每计算周期一列地进行传播。
最初假定单个当前块被存放在阵列中，也就是说每个S单元的两个缓冲器206和207之一未被使用。
图5显示一8列1行的计算元件阵列，这个简单阵列示例将用于阐明计算机制(旁路电路301用来对每个加法器对之间的第三缓冲器进行短接)。更大的阵列的操作是完全类似的。
搜寻窗口的像素值用bx表示，而当前块的像素值用ax表示，像素值a已经存贮在阵列中，在每个周期，值b出现在阵列的输入端。表1表示在缓冲器级别上的从每个S单元输出C的进程(course)。
黑体字符代表将被附加的结果，以便最终获得当前块的误差函数值。
表1
| Cycle | C0 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 |
| 0 | … | … | … | … | … | … | … | … |
| 1 | |b0-a0| | … | … | … | … | … | … | … |
| 2 | |b1-a0| | |b0-a1| | … | … | … | … | … | … |
| 3 | |b2-a0| | |b1-a1| | |b0-a2| | … | … | … | … | … |
| 4 | |b3-a0| | |b2-a1| | |b1-a2| | |b0-a3| | … | … | … | … |
| 5 | |b4-a0| | |b3-a1| | |b2-a2| | |b1-a3| | |b0-a4| | … | … | … |
| 6 | |b5-a0| | |b4-a1| | |b3-a2| | |b2-a3| | |b1-a4| | |b0-a5| | … | … |
| 7 | |b6-a0| | |b5-a1| | |b4-a2| | |b3-a3| | |b2-a4| | |b1-a5| | |b0-a6| | … |
| 8 | |b7-a0| | |b6-a1| | |b5-a2| | |b4-a3| | |b3-a4| | |b2-a5| | |b1-a6| | |b0-a7| |
| 9 | |b8-a0| | |b7-a1| | |b6-a2| | |b5-a3| | |b4-a4| | |b3-a5| | |b2-a6| | |b1-a7| |
| 10 | |b9-a0| | |b8-a1| | |b7-a2| | |b6-a3| | |b5-a4| | |b4-a5| | |b3-a6| | |b2-a7| |
| 11 | |b10-a0| | |b9-a1| | |b8-a2| | |b7-a3| | |b6-a4| | |b5-a5| | |b4-a6| | |b3-a7| |
| 12 | |b11-a0| | |b10-a1| | |b9-a2| | |b8-a3| | |b7-a4| | |b6-a5| | |b5-a6| | |b4-a7| |
| 13 | |b12-a0| | |b11-a1| | |b10-a2| | |b9-a3| | |b8-a4| | |b7-a5| | |b6-a6| | |b5-a7| |
| 14 | |b13-a0| | |b12-a1| | |b11-a2| | |b10-a3| | |b9-a4| | |b8-a5| | |b7-a6| | |b6-a7| |
| 15 | |b14-a0| | |b13-a1| | |b12-a2| | |b11-a3| | |b10-a4| | |b9-a5| | |b8-a6| | |b7-a7| |
在周期0期间，值b0被存贮在阵列输入处的第一缓冲器B中(参看501)。仅在周期1由第一S单元给出的结果|b0-a0|被存放在缓冲器502的输出端C0。在周期1期间，值b0由第二缓冲器B503同样地被存贮。
在阵列操作的给定时刻，对应于在参考窗口中当前块(在一行8像素的情况下)的给定位置，全部差的绝对值的和必须在最后加法器的输出端重新得到。在加法器级别上需附加到这些位置的第一位置上的结果，在表中被用黑体指示。
这个累加函数决定延时，该延时需要由加法器之间的缓冲器504引入。很容易看到，为了使在加法器级别上结果的传播能正确地发生，两个周期的延时必须被引入。这说明了在每个加法器前存在二个缓冲器。
在第15周期的末尾，对当前块第一位置的误差函数值，在阵列的输出506处可以被得到。此延时表示要求的时间用于搜寻窗口的像素条带传播到阵列的末端。接着，误差函数的新值在每个周期可以得到，直到搜寻窗口第一条带的最后像素b已经传播到阵列的末端。第二条带将会开始传播，以致在两个相继的条带间没有空闲时间：第二条带的第一误差函数值跟随着相应于第一条带的最后误差函数值。
在估算为计算相应一个条带的结果所要求的周期数时，对应于初始填充阵列的“无结果”周期，将在下面予以忽略。
因此，对一个块，如果一个条带包含Sx个不同的可能位置，当一个块存在n列像素时，则为获得结果所要求的周期数是
NCPP＝Sx+n-1
更一般地，如果假定阵列能包含多于两个串接的块(现有情况为n个)，例如当如图5的两个阵列串联放置，并且以Nx表示块的数目，有
NCPP＝Sx+n*Nx-1
图8显示了8个阵列的安排，它们各自由4行8个计算元件，按每个4行两个阵列的矩阵构成。这些阵列由十个随机存取的行存贮器801通过转换电路802被馈送。在给定时刻，仅8个存贮器801经过电路802接到连接阵列的输入的行上，每个这样的行对应一像素值。当8个存贮器801被读时，两个剩下的存贮器801就用当前正在读取的条带和下面马上需要的条带间不同的行来填充。
位于同一行的两个列阵能被看成形成一水平尺寸加倍的单个阵列，或者两个单独的阵列。根据具体情况，附加在第一阵列末尾的结果或被传送给第二个，或直接由单元“M”恢复。该结果确定给定的当前块的全部误差函数值中的最小值。
同样简单地，对于两个垂直地被重叠形成的双倍垂直尺寸的阵列，可以依靠处在“M”单元上游的加法器来完成误差函数值的相加。
于是将图8的电路适用于不同尺寸的当前块就变得容易了。如4*8、4*16、8*8、16*16等像素的块。
按照本实施示例，行存贮器是可寻址的随机存取的存贮器，在某中意义上说在这些存贮器的任意地址上像素可被读出。
行存贮器的寻址通过微控制器812来执行，此微控制器也管理“S”单元的多路器404。
按照图5阵列的另一种操作模式，而不是前面结合此图所叙述的操作模式，两个块的像素并列存贮在S单元中，这意味着在并列存贮的两组8个4*8的块之间，转换图8的阵列成为可能，而与引入到这些阵列的搜寻窗口的条带无关。正如已经看到的，对于“S”单元的内部命令，这种转换可在每个像素的级别上起作用。
涉及一个块组的计算下面称作“过程(pass)”。涉及第一块组计算所要求的全部像素，在第一过程期间被插入到阵列中，并先于第二组所要求的像素在第二过程期间被插入。
通过这样的方法审慎地选择这些块，使其搜寻窗口重叠，可以减小为馈送到行存贮器801所需要的过程条带。
16个4*8像素块必须在当前图像中选出，以便存贮到阵列中。假定搜寻窗口是有可能的最小的区域，矩形块将被选择。这样存在五个可能性：
(a)16个块的一行
(b)8个块的二行
(c)4个块的四行
(d)2个块的八行
(e)1个块的十六行
按照本实施例，下列限制用于确定在阵列中16个块的安排：
在一个过程期间，试图处理相邻块所串联的右半部分，而在另一过程期间处理左半部分。
应用此规则的好处会在下面看到。也有不采用此规则的限制情况。
在此情况下，此规则的应用由图6(a)到(g)所表示。图6(a)到6(e)说明当前块的五个前面所定义的安排，而图6(f)到6(g)分别表示在图8的阵列矩阵中这些块的存贮。图6(f)是关于图6(a)、6(b)、6(c)和6(e)的安排，而图6(g)是关于图6(d)的安排。
在情况(a)、(b)和(c)，相邻块的序列总是由四块组成：例如(1/2/3/4)形成相邻块的一个序列，两个最左边的块存贮在相应于第一过程的缓冲器的矩阵阵列的第一行，而两个最右边的块存贮在相应于第二过程的缓冲器中。
相当明显，如果矩阵每行包含4个阵列，相邻块的序列每个应当包含8个块。
为了上面规定的规则在情况(2)中能得以遵守，此时每个块行包含仅两个块，对此同一行的两个块，必须在不同的过程期间被处理，如图6(g)所示：块1和2被存贮在第一行第一阵列，块3和块4在第二阵列中等等。
采用这种块分配提供的好处，结合图7能给予解释。
正如早先所说，搜寻窗口由参照其它图像来说(本例中是前面一个)的当前块的位置所规定。下面假定搜寻窗口以一块为中心，并且搜寻窗口在块的任意一侧具有x个像素的水平边界(见图1)与两相邻块a和a′有关的搜寻窗口的两个条带，在其长度方向重叠相当一部分，这示于图7中。中央条带的阴影部分是对于分别相应于两个块a和a′的两个条带的公共部分。
因此关系到这两个块的运动估算就能合适地实现，存贮在行存贮器801中的条带应当是出现在图7底部的条带。在这种情况下，条带的第一和最后n个列的像素，仅在单个过程期间将分别提供，而在其它过程期间无用。
随着含有像素条带的行存贮器逐个像素列地被寻址，插入阵列矩阵的条带部分，将根据过程在不同的列开始。如果关于图7的块a的计算在第一过程期间执行，则条带在此第一过程期间，从列1开始到列2x+n被插入。类似地，如果关于块a′的计算在第二过程期间执行。在此过程期间插入的条带部分将仅在列n开始，一直到列2x+2n。
因此，与插入整个条带比较在一个过程期间的n个计算周期被省掉了。
在此情况下，每过程的计算周期数为：
NCPP＝Sx+n*Nx/2-1
这里Nx表示水平方向相邻的块数。在图7的例子中Nx是等于2。Nx＝16、Nx＝8和Nx＝4的情况分别由图6的安排(a)、(b)和(c)所显示。对于图6(d)，Nx是等于2。
当不存在相邻块时，这是图6(e)安排的情况，其好处不能被利用。于是，整个条带必须在每个过程期间插进阵列。此时，
NCPP＝Sx+n*Nx-1，并且Nx＝1
需要执行的过程数等于条带数的两倍，该条带是为全部块所要求的搜寻窗口的垂直有效区所需要的，假定每个阵列存贮两个块，则
NPAS＝2*(Sy+m*(Ny-1))
这里Sy表示沿搜寻窗口垂直方向块的位置数，m表示每块的行数，而Ny表示垂直方向相邻的块数。
在提到的五种情况中，每个情况下的计算周期数为：
(a)、(b)、(c)、(d)NCYCLE＝2*(Sx+n*Nx/2-1)*(Sy+m*(Ny-1))
(e)NCYCLE＝2*(Sx+n-1)*(Sy+m*(Ny-1))
在上面例举的五种情况下执行数值运用，采用4行及8列的块并代入Sx＝KSy，这里K是搜寻窗口的形状因子，我们得到处理此16块的集合的周期数：
(a)NCYCLE＝2*(KSy+63)*Sy＝2[KSy2+63Sy]
(b)NCYCLE＝2*(KSy+31)*(Sy+4)＝2[KSy2+(4K+31)Sy+124]
(c)NCYCLE＝2*(KSy+15)*(Sy+12)＝2[KSy2+(12K+15)Sy+180]
(b)NCYCLE＝2*(KSy+7)*(Sy+28)＝2[KSy2+(28K+7)Sy+196]
(e)NCYCLE＝2*(KSy+7)*(Sy+60)＝2[KSy2+(60K+7)Sy+420]
系数2以及平方项在比较作为Sy和K的函数的计算周期数时是无用的。计算周期数因而可通过直线以相对方式重新表示。
图9显示对于K＝2的相应曲线。
通常采用的形状因子处在1到4之间，情况b和c最具有意义，如果(16-8K)Sy＞56，C的解优于b的解。
另外说明，对于接近方形的搜录窗口，C的解应被选用，也就是说块的集合也有方形排列的。对于宽大于高具有2到4之间的形状因子的搜寻窗口，b的解应被选取。
使得其它解有忌义的形状因子，或大于8(对a的解)，或小于0.5(对d的解)。
Claims (7)
1、用于对搜寻窗口中的像素块进行运动估算的设备，包括：
用来计算当前块和搜寻窗口块之间的误差函数值的装置的矩阵阵列；
用于存储多个相邻像素块组并连接到所述用来计算误差函数值的装置的阵列的存储元件的矩阵阵列；
用于依次选择所述多个像素块组中的每一个并在一个计算过程期间将所选择的组中的像素从所述存储元件的矩阵阵列提供到所述计算误差函数值的装置的矩阵阵列的转换装置；
用于存储包括对应于所述多个相邻像素块组的搜寻窗口的一个复合搜寻窗口的一个条带的存储器，所述存储器输出端连接到所述用于计算误差函数值的装置的矩阵阵列，其中响应为所述条带进行的误差函数值计算来更新所述条带；以及
用来存取所述存储器的装置，以提供所述条带一个局部部分到所述计算误差函数值的装置的矩阵阵列，所述局部部分对应于一个所选的相邻像素块组，其中
所述计算误差函数值的装置的每一个阵列在一个计算过程中执行一个像素块的一个条带的计算。
2、按照权利要求1所述的设备，其特征在于相应整个当前块的所述搜寻窗口，等于相应于逐个取得的块的全部搜寻窗口的集合。
3、按照权利要求1或2所述的设备，其特征在于它包括各自包含b(b为大于或等于1的整数)个串联连接的阵列的一些行，这些阵列行被并联连接到所述的馈送存储器。
4、按照权利要求1所述的设备，其特征在于这些当前块在当前图像中形成一矩形，并且它们以并联方式存储在阵列中，以形成第一块组和第二块组。第一块组对应最左边的组，而第二块组对应最右边的组。
5、在一设备中用于对搜寻窗口中的像素块进行运动估算的方法，此设备包括用于存储相邻像素块组的存储元件的矩阵阵列，用于将所述组之一的像素提供到计算当前块和搜寻窗口块之间的误差函数值的误差函数值计算装置的矩阵阵列的转换装置，以及用于存储包括对应于所述组的搜寻窗口的一个复合搜寻窗口的一个条带的存储器，所述方法包括下列步骤：
从当前图像中选取具有x*a*b个相邻像素块的一个矩形(其中x，a，b均为大于或等于1的整数)；
将所述矩形分成具有a*b个相邻像素块的x组，
在存储元件中存储所述x个块组，
将所述复合搜寻窗口的一个条带装入到存储器中；
依次地选择所述组中的每一个，并通过转换装置将来自所述所选组的像素提供到所述误差函数值计算装置；以及
在一个计算过程中，利用所述误差函数值计算装置，计算所述所选组和所述复合搜寻窗口内的所述条带的一部分的误差函数值，其中所述部分对应于一个所选组。
6、按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述的块组形成一矩形。
7、按照权利要求6所述的方法，其特征在于所述矩形的形状因子被选择得接近于相应块的搜寻窗口的形状因子。
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