CN1127971A - 可变块匹配运动估算装置 - Google Patents

Abstract

一种根据块匹配运动估算法检测视频信号中的一个当前帧与前一帧之间的运动矢量的装置，包括一个可变块形成部分，用于从当前帧中定义一个可变搜索块，所述可变搜索块是从当前帧内没有目标边线的平滑画面块的一个选择的搜索块扩展的；以及一个运动估算部分，用于估算该可变搜索块相对于包含在前一帧中的各候选块的运动，以提供与之对应的若干运动矢量及误差函数，所述运动矢量表示搜索块与得出最小误差函数的一个候选块之间的象素的位移。

Description

可变块匹配运动估算装置

本发明涉及用在图象信号编码系统中的一种运动估算装置；更具体地，涉及根据一种块匹配算法检测一个可变块的运动矢量的一种运动估算装置。

当用数字形式表示包含一序列图象“帧”的一个图象信号时，要生成可观数量的数据需要传输，尤其是在高清晰度电视系统的情况中。然而，由于一条传统的传输信道的可利用的频带宽度是有限的，为了通过该有限的频带宽度发送这些可观数量的数字数据，不可避免地要压缩或减少传输的数据量。在各种视频压缩技术中，一种将两个邻接的视频帧之间的视频信号的时间冗余用于信号压缩的运动补偿帧间编码技术是已知的有效压缩技术之一。

在运动补偿帧间编码方案中，当前帧数据是根据当前与前面帧间的运动的一种估算从前面帧数据中预测的。这种估算的运动可用表示前面与当前帧之间的象素的位移的二维运动矢量来描述。

本技术中提出过的运动矢量估算方案之一为块匹配算法。按照块匹配算法，将一个当前帧分成多个大小相等的搜索块。一个搜索块的大小通常在8×8与32×32个象素之间的范围内。为了确定来自当前帧的一个给定的搜索块的位移，在当前帧的搜索块与包含在前一帧内的一个通常较大的搜索区中多个大小相等的候选块中的每一个之间执行相似性计算。在进行相似性测定中，有许多误差函数可供利用，诸如MSE(均方误差)或MAE(平均绝对误差)。

按照定义，一个运动矢量表示搜索块与得出一个最小误差函数值的候选块之间的位移。然后在接收机中利用该运动矢量从前一帧中在逐块的基础上重构一个画面。

在这种逐块基础上的运动估算中，利用大小相等的搜索块是合意或方便的。有时，在当前帧中的若干相邻的块上可能有一个没有任何边线的一个目标的平滑的画面模式或者其中只有轻微的边线。在前一情况中，块匹配运动估算可能为各块得出互相不同的运动矢量；而在后情况中，可能生成一个与没有边线的平滑画面模式的一运动矢量相同的运动矢量。

因此，本发明的一个主要目的为提供一种通过利用一种可变的块能够精确地检测出一个运动矢量的改进的运动估算装置。

按照本发明，提供了利用一种块匹配运动估算方法检测视频信号的当前帧与前一帧之间的运动矢量的一种装置，其中的当前帧是分成若干大小相等的搜索块的，而前一帧则是分成对应数目的搜索区的，每一个搜索区具有多个所述相等大小的候选块，该装置包括：一个可变块形成部分，用于从当前块中定义一个可变搜索块，所述可变搜索块是从当前帧中没有目标边线的一个平滑画面块的选中的搜索块扩展而成的；以及一个运动估算部分，用于相对于各候选块估算该可变搜索块的运动以提供与之对应的一个运动矢量及一个误差函数，所述运动矢量表示该搜索块与得出最小误差函数值的一个候选块之间的象素的位移。

从以下结合附图给出的较佳实施例的描述中，本发明的上述及其它目的与特征将是显而易见的，附图中：

图1示出用于按照本发明的一种运动估算系统中的可变块运动矢量测定装置的示意性方框图；

图2示出图1中所示的可变块形成部分的详细方框图；以及

图3A与3B表示说明在象素基础上扩展一个可变块的示例性图。

参见图1，其中示出了包含在一种运动估算方案中的一种可变块运动矢量测定装置的一个较佳实施例，该方案利用接连的帧，即当前帧与其邻接帧即前一帧，之间的冗余性来实现明显的数据压缩。这便是说，在当前帧与前一帧之间可能存在着由一个目标的位移或运动引发的差别；然而，这种差别可以局限在一个帧内的一个相对地小的区域中。因此，没有必要将当前帧的全部图象数据发送给一台接收机(未示出)。反之，只要发送位移信息即运动矢量便足够了。然后，接收机从其图象数据存储在该接收机内的一个帧存储器中的前一帧中，利用这些运动矢量重构当前帧。

当前帧信号是通过一条线路12提供给可变块形成部分100的。方差检测部分100用于将当前帧分成若干大小相等的待用于在一个序列中进行块匹配的搜索块。在图3中，总体上作为一个参照数字200描绘的当前帧示出为具有诸如20个分开的搜索块S1至S20，各块包含H×V个象素。为了说明，当前帧200中的每一块象素的H与V两者都是相等的数目16。再者，可变块形成部分100顺序地选择表示当前帧内不包含目标边线的一个平滑的画面块的一个搜索块，并在逐个象素的基础上扩充所选择的搜索块直到搜索块的边界包含一条边线为止。从图3B中可见，当顺序选择了诸如S7与S14这两个搜索块时，便将搜索块S7与S14分别扩展到包含目标202与204的一个边线部分的边界E7与E14为止。

将各扩展的象素块顺序地提供给若干块匹配部分41至49。按照本发明，可为扩展的块计算一个方差(variance)来检测是否包含一条边线，这一点将在下面参照图3进一步描述。

图2示出可变块形成部分100的详细方框图。为了选择一个表示平滑画面的搜索块，可变块形成部分100通过一系列块形成阶段(其中只示例性地示出了它们中的三个111、112与119)将线路12上的当前帧分成若干搜索块，如图3A中所示。在各块形成阶段111、112与119中，一个搜索块在其水平与垂直方向上从步骤1至n每步一个象素地递增扩展。更具体地，第一块形成阶段111生成H×V个象素模式的搜索块；第二块形成阶段112将该搜索块扩展成(H＋1)×(V＋1)个象素的模式；而最后一个块形成阶段119生成(H＋n)×(V＋n)个象素模式的搜索块。由块形成阶段111至119生成与扩展的搜索块被馈送给一个可变块选择器160及一系列方差检测器121至129，它们分别计算这些搜索块的方差以检测其中是否存在边线。方差检测器121至129所计算的各方差的定义如下： $\mathrm{var}(i,j)=\frac{1}{\mathrm{EH}\×\mathrm{EV}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{EH}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{EV}}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i,j)-\mathrm{mean})}^2$ 其中var(i，j)表示搜索块中坐标(i，j)上的一个象素的方差；EH×EV为一个扩展块的大小；I(i，j)为扩展块中坐标(i，j)上的一个象素的亮度级；而mean则表示扩展块中的象素的平均亮度级。

平均亮度级的定义如下： $\mathrm{mean}=\frac{1}{\mathrm{EH}\×\mathrm{EV}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{EH}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{EV}}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

将计算出的全部方差作用在一个方差选择器150上。方差选择器150将这些方差与一个预定的阈值进行比较。按照本发明，该预定的阈值是选定为具有大于且最接近于表示平滑画面的搜索块的方差的一个值的。从而，方差选择器150选择一个满足该阈值的方差，并生成一个指示该选择的方差的选择信号到可变块选择器160。具有一个传统的多路复用器的可变块选择器160响应这一选择信号，选择与所选定的方差对应的搜索块。然后，将来自可变块选择器160的搜索块提供给块匹配部分41至49，如图1中所示。

参见图1，此时，通过一条线路13将存储在一个存储器(未示出)中的前一帧馈送给一个搜索区形成部分10。该搜索区形成部分10以相同的大小、形状与搜索模式定义一个前一帧中的通常较大的搜索区，借此进行搜索或比较。

在搜索区形成部分10中确定了搜索区之后，还将搜索区数据作用在对应数目的候选块形成部分上，图1中只示例性地示出了其中的三个21、22与29。在各候选块形成部分中，当搜索块自最左上位置的搜索区每次水平地移动一个象素位置，然后垂直向下通过搜索区每次移动一条扫描线，直到最终到达该搜索区内最右下位置为止时，便从该搜索区中生成了一块候选象素。在该确定的搜索区内便形成了具有H×V个象素大小的所有可能的候选块。然后推算出对应于由可变块形成部分100提供的搜索块的位置的各候选块的相对位移，并随后通过线路31至39作为该候选块的一个运动矢量提供给一个多路复用器60。

还将各候选块的象素数据从各该候选块形成部分21至29提供给各块匹配部分41至49。在各该块匹配部分41至49中，计算来自可变块形成部分100的搜索块与来自各该候选块形成部分21至29的候选块之间的误差函数。传统地，执行搜索块与候选块的对应象素之间的亮度级或光强度的比较，以得出该候选块的误差函数。该误差函数表示搜索块与选择的候选块之间的相似程度。

将来自块匹配部分41至49的所有误差函数作用在一个最小误差检测器50上。该最小误差检测器50比较这些误差函数，从中选择一个具有最小误差的误差函数。

最小误差检测器50输出一个指示与该最小误差函数对应的块的选择信号到运动矢量选择器60。具有一个传统的多路复用器的运动矢量选择器60选择与最小误差函数对应的候选块的位移矢量。如上所述，如果一个候选块具有最小的误差函数，该候选块便是最相似于搜索块的；结果，便选择该候选块的位移矢量作为运动矢量。

就此而论，将在一台发送机及一台接收机中执行的运动补偿是相对于该搜索块而不是扩展块达到的，后者的主要目的为用来精确地测定一个搜索块与一个候选块之间的一个运动位移。

再者，虽然由于这是在本技术中显而易见的而未示出或说明，应能注意到，有关一个扩展块的范围的信息是提供给候选块形成部分的。

虽然本发明是参照特定的实施例展示与描述的，熟悉本技术的人员将会理解，可以在不脱离所附权利要求书中所定义的本发明的精神与范围的条件下，作出许多的改变与修正。

Claims (4)

1、一种利用块匹配运动估算法检测视频信号中的一个当前帧与前一帧之间的运动矢量的装置，其中该当前帧是分成大小相等的若干搜索块的，而前一帧是分成对应数目的搜索区的，各搜索区具有多个所述相等大小的候选块，该装置包括：

用于扩展当前帧内的没有目标边线的一个平滑画面块的搜索块的装置；以及

用于估算扩展的搜索块相对于各候选块的运动以提供与之对应的一个运动矢量与一个误差函数的装置，所述运动矢量表示该搜索块与一个候选块之间的象素产生最小误差的位移。

2、权利要求1的装置，其中所述搜索块扩展装置包括：

用于在逐个象素的基础上在水平与垂直方向上扩展搜索块直到该搜索块的边界包含一条边线为止，借此生成一个扩展的搜索块的装置；

用于推算该扩展的块的方差以检测其中存在一条边线的装置；

用于将各方差与一个预定的阈值进行比较以选择一个小于该预定的阈值的方差的装置，其中该预定的阈值是选择为具有一个高于并最接近于该搜索块的方差的；以及

响应方差的选择，用于选择一个与之对应的可变扩展块并将其提供给该运动估算装置的装置。

3、权利要求1的装置，其中的方差的定义如下： $(i,j)=\frac{1}{\mathrm{EH}\×\mathrm{EV}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{RH}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{EV}}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i,j)-\mathrm{mean})}^2$ 其中Var(i，j)表示一个搜索块中的坐标(i，j)上的一个象素的方差；EH×EV为一个扩展块的大小；I(i，j)为该扩展块中象素坐标(i，j)上的亮度级；而mean则表示该扩展块中的象素的平均亮度级。

4、权利要求3的装置，其中该平均亮度级的定义如下： $\mathrm{mean}=\frac{1}{\mathrm{EH}\×\mathrm{EV}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{EH}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{EV}}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

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