CN1131874A - 块匹配运动估算方法 - Google Patents

Abstract

一种块匹配运动估算方法，当前帧被分为多个同样大小的搜索块而先前帧被分为相应数目的搜索区，各搜索区又被再分为多个和所述搜索块同样大小的候选块，该方法包含的步骤是：(a)相对于在一对应的搜索区中的各候选块，对一个搜索块进行运动估算以产生对应的位移矢量和误差函数；(b)根据各位移矢量和对应的各误差函数计算一个误差值E；(c)选择一个最小误差值以确定一个对应于此最小误差值的位移矢量作为此搜索块的运动矢量。

Description

块匹配运动估算方法

本发明涉及一种在视频信号编码中使用的块匹配运动估算方法，特别涉及一种通过考虑一个运动矢量的大小而能够改进视频信号编码效率的改进的块匹配运动估算方法。

当一个包含一序列图象“帧”的图象信号以数字形式表示时，会生成大量的用于传输的数据，尤其是在高清晰度电视系统的情况中。然而，由于通常的传输信道的可用的频带宽度是有限的，为了通过有限的信道带宽传输大量的数字数据，不可避免地要压缩或减少传输数据的量。

在所用的各种视频压缩技术中，一种利用两个相邻视频帧之间的视频信号的瞬时冗余的运动补偿帧间编码技术是所知的最有效的压缩技术之一。

在运动补偿帧间编码技术中，当前帧数据是根据当前帧和先前帧中的相对应的象素数据之间的差及运动的估算而从先前帧数据被预测的。这样一个估算的运动可以用代表先前帧和当前帧中相对应的象素之间的位移的二维运动矢量来描述。

在现有技术中已经提出的运动矢量估算方案之一是一种块匹配算法，其中一个当前帧被分为多个相等大小的搜索块，各搜索块的典型大小是从8×8到32×32个象素，而先前帧则被分为数目相对应的大搜索区，各搜索区又被再分为多个与搜索块同样大小的候选块。

为了在当前帧中确定一个搜索块的运动矢量，在当前帧的搜索块和包括在先前帧中的一个对应搜索区里的多个候选块中的各个之间执行一个相似性计算。使用一个误差函数例如一个均方误差(MSE)函数或一个平均绝对误差(MAE)函数来实现当前帧的搜索块和搜索区中的各候选块之间的相似性计算。此MSE函数和MAE函数可以表示如下： $\mathrm{MSE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i,j)-P(i,j))}^2----\left(1A\right)$ $\mathrm{MAE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}|I(i,j)-P(i,j)|----\left(1B\right)$

其中H×V表示一个搜索块的大小；I(i，j)表示在搜索块中坐标(i，j)处的一个象素的亮度电平；而P(i，j)表示位移了一个位移矢量D(k，l)的一候选块中在坐标(i，j)的一相对应象素的亮度电平，其中k和l是位移矢量的x和y分量。

在一个传统的块匹配算法中是选定一个运动矢量作为在搜索块与一个使误差函数为最小的候选块之间的位移矢量。然后此运动矢量和一个表示搜索块与产生最小误差函数的候选块之间的差的误差信号被编码并传送给一个接收机。所传送的经编码的数据在接收机被用于在逐块的基础上从其先前帧重构当前帧。

然而，在现有技术中所用的该运动矢量估算方案中，运动矢量仅根据误差函数被确定，而没有对运动矢量本身的大小给以恰当的考虑，而它也是被编码的；从而，在运动矢量为大的量值的情况下，总的编码效率就会降低。

因此，本发明的一个目的是提供一个通过考虑到运动矢量大小以及在确定此运动矢量时的一个误差函数而能改进视频信号的编码效率的运动估算方法。

按照本发明，提供有一种通过采用一块匹配运动估算技术来检测视频信号的当前帧和先前帧之间的运动矢量的方法，其中当前帧被分为多个同样大小的搜索区而先前帧被分为相应数目的搜索区，各搜索区又被再分为多个和搜索块同样大小的候选块，该方法包括以下步骤：

(a)相对于一个相应的搜索区中的各候选块，对一个搜索块进行运动估算以产生与其对应的位移矢量和误差函数，各位移矢量代表在搜索块中的象素和在各候选块中相对应的象素之间的各位移，而误差函数则根据在搜索块中的象素的亮度电平与在各候选块中相对应的象素的亮度电平之间的差而被计算；

(b)根据各位移矢量和各与其对应的误差函数来计算一误差值；以及

(c)选择一个最小误差值以确定一个对应于此最小误差值的位移矢量作为用于此搜索块的运动矢量。

本发明的上述及其他的目的和特征可以通过对以下结合有附图的最佳实施例的描述而变得显而易见，附图1是按照本发明的一个块匹配运动估算器的示意方框图。

参看附图，示出了一个按照本发明的块匹配运动估算器的方框图。

一个当前帧信号通过一线12被提供给一个搜索块形成部分10，该部分10把当前帧分为相同大小的多个搜索块，各搜索块包含有H×V个象素，并且提供一当前搜索块的象素数据给块匹配部分40-1到40-m。实际上，搜索块的象素数据是按照一个预定的序列的逐块的基础上被提供给块匹配部分的。

同时，储存在一存储器(未示出)中的先前帧信号通过一线13被馈给一搜索区形成部分15，该部分15把该先前帧分为和当前帧的搜索块一样多的搜索区，其中各搜索区包括m个与搜索块同样大小的候选块。对应于一当前搜索块的一搜索区的数据被提供给候选块形成部分20-1到20-m，其中m个H×V象素的侯选块从搜索区数据被生成。在候选块形成部分20-1到20-m中，在搜索区中的各候选块中的象素和在当前搜索块中相对应的象素之间的各相对位移矢量D(k，l)被得到并且分别通过线30-1到30-m提供给相对应的位移函数部分50-1到50-m并且也提供到一个多路复用器70。各候选块的象素数据是分别从候选块形成部分20-1到20-m被提供到相对应的块匹配部分40-1到40-m。

在各块匹配部分40-1到40-m，在当前搜索块与搜索区的各候选块之间的各误差函数通过采用公式1中的MSE函数或MAE函数被计算并且分别提供给各相对应的位移函数部分50-1到50-m，其中各位移函数“DIS”是自经过线30-1到30-m被馈给的位移矢量D(k，l)而计算出来的，计算公式如下：

           DIS(k，l)＝(k²+L²)*α

    或    DIS(k，l)＝(|k|+|l|)  *β    (2)

其中k和l分别是位移矢量的x和y分量，而α和β是一位移函数系数。

然后，各位移函数部分50-1到50-m也根据在块匹配部分40-1到40-m中计算的误差函数和位移函数“DIS”生成误差值E，该E值的计算公式如下： $E(k,l)=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}(I(i,j)-P(i,j){)}^2+(k^2+l^2)*\mathrm{\α}----\left(3\right)$ 或 $E(k,l)=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}|I(i,j)-P(i,j)|+\left(\right|k|+|l\left|\right)*\mathrm{\β}$ 于位移函数也取决于误差函数。应该注意到位移函数系数α或β可以依据在一个被编码位流中所占据的运动矢量部分而加以调整，也就是说，如果就被编码位的总数来说，对应于此运动矢量的被编码位部分为最小，位移函数系数α或β可被调整为一个小的值；而且，相反地，如果这个部分是一个可观的值，那么为了反映此运动矢量对总的被编码位函数影响的程度，最好是增大位移系数α或β。

所有来自位移函数部分50-1到50-m的误差值都提供给一个最小误差值检测器60，其中所有的误差值互相比较而选出一个最小的误差值以提供一个选择信号，该信号向多路复用器(MUX)70指明对应于该最小误差值的候选块。

响应于该选择信号，MUX70选择对应于该最小误差值的候选块的位移矢量，以将它提供为此搜索块的运动矢量。

尽管已就此特定实施例对本发明进行了示出及描述，对熟悉本技术领域的人员来说，显然可以作出许多变化和修改而不脱离如所附权利要求书中说明的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1、一种通过使用块匹配运动估算技术检测在视频信号的一当前帧和一先前帧之间的运动矢量的方法，其中该当前帧被分为多个同样大小的搜索块而先前帧被分为相应数目的搜索区，各搜索区又被再分为多个和所述搜索块同样大小的候选块，该方法包含的步骤是：

(a)相对于在一对应的搜索区中的各候选块，对一个搜索块进行运动估算以产生对应的位移矢量和误差函数，各位移矢量代表在搜索块中的象素和在各候选块中的对应象素之间的位移，而误差函数则根据在搜索块中的象素的亮度电平和在各候选块中对应象素的亮度电平之间的差异而被计算；

(b)根据各位移矢量和对应的各误差函数计算一个误差值E；以及

(c)选择一个最小误差值以确定一个对应于此最小误差值的位移矢量作为此搜索块的运动矢量。

2、根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中所述的误差值E是根据下式计算的 $E(k,l)=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i,j)-P(i,j))}^2+(k^2+l^2)*\mathrm{\α}$ 其中H×V是搜索块的大小；I(i，j)是搜索块中的在象素坐标(i，j)处的亮度电平；而P(i，j)是位移了一个位移矢量D(k，l)的一候选块中对应象素的亮度电平，其中k和l分别是位移矢量的x和y分量；而α是一个位移函数系数。

3、根据权利要求1的方法，其中在步骤(b)中所述的误差值E是根据下式计算的： $E(k,l)=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}|I(i,j)-P(i,j)|+\left(\right|k|+|l\left|\right)*\mathrm{\β}$ 其中H×V是搜索块的大小；I(i，j)是搜索块中在象素坐标(i，j)处的亮度电平；而P(i，j)是位移了一个位移矢量D(k，l)的候选块中的对应象素的亮度电平，其中k和l分别是位移矢量的x和y分量；而β是一个位移函数系数。

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