CN1132984A - 块匹配运动估算方法 - Google Patents

Abstract

一种检测运动矢量的方法包括以下步骤：(a)产生多个差分搜索块，各块包括由搜索块中象素的亮度电平与平均亮度电平之间的差值确定的差分象素；(b)产生多个差分候选块，各块包括由候选块中象素的亮度电平与平均亮度电平之间的差值确定的差分象素；(c)相对于与相应搜索区域有关的各差分候选块，对差分搜索块作运动估算，以产生位移矢量及相应的误差函数；(d)选择最小误差函数，以将与其相应的位移矢量确定为搜索块的运动矢量。

Description

块匹配运动估算方法

本发明涉及用于视频信号编码的块匹配运动估算方法；尤其是，涉及用于提高视频信号编码效率的改进的运动估算方法。

当包括一个序列图象“帧”的图象信号用数字形式表达时，将产生出大量的数据以待传输，尤其在高清晰度电视系统中更是如此。但是，因为传统的传输频道中可获得的频带宽度受到限制，为了通过有限的频常宽度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总量。

图象信号通常可被压缩而不会严重影响其整体性，因为在信号帧的某些象素中及相邻帧的象素之间通常存在着一定的相关性或冗余度。

因此，大多数现有技术的图象信号编码装置使用基于利用或减少冗余度形成的各种压缩技术(或编码方法)。在各种视频压缩技术中，所谓混合编码技术被公知为最有效的，它将时间与空间压缩技术与统计编码技术相结合。

在大多数混合编码技术中，首先通过使用作为运动估算及补偿方法的这种时间压缩技术对当前帧数据进行压缩，其中当前帧数据是基于运动估算及当前帧与在先帧中相应象素数据之间的差别由在先帧预测出来的。这种估算的运动可以用代表在先帧及当前帧中相应象素之间位移的两维运动矢量来描述。

在该领域中被提出的运动估算方法中的一种是块匹配算法，其中一个当前帧被划分成多个相等尺寸的搜索块，每个搜索块典型的尺寸在8×8及32×32个象索的范围中，而在先帧被划分成相应数目的大搜索区域，每个搜索区域再被划分成多个其尺寸与搜索块相同的候选块。

为了确定当前帧中用于搜索块的运动矢量，在当前帧的搜索块及包括于在先帧内相应搜索区域中的每个候选块之间进行相似性计算。使用了一种误差函数，诸如均方误差(MSE)函数或平均绝对值误差(MAE)函数来进行当前帧搜索块与搜索区域中每个候选块之间的相似性计算。MSE及MAE函数可用下面的式子表达： $\mathrm{MSE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i,j)-P(i,j))}^2----\left(1A\right)$ $\mathrm{MAE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}|I(i,j)-P(i,j)|----\left(1B\right)$ 式中H×V代表一个搜索块的尺寸，I(i，j)代表该搜索块中象素位置(i，j)处的一个象素的亮度电平；及P(i，j)代表被位移矢量D(k，l)位移的一个候选块中象素位置(i，j))处的一个相应象素的亮度电平，其中k及1是位移矢量的x及y分量。

并且在传统的块匹配算法中位移矢量被选择为使误差函数最小的搜索块及候选块之间的位移矢量。产生运动矢量的代表搜索块及候选块之间差别的误差信号再使用变换技术被进一步压缩，该变换技术利用了在误差信号中存在的空间相关性。这类变换技术中的一种为DCT(离散余弦变换)技术。在DCT技术中，包括在误差信号中的譬如8×8个象素的块被从空间域转换到频率域，产生出一组变换系数，其中包括一个DC系数及多个(例如63个)AC系数。该DC系数反映该块中象素的平均强度，而AC系数代表象素的空间频率分量的强度。接着，这组中的这些转换系数使用相同量化步长进行量化。通过使用扫描宽度编码(RLC)及可变长度编码(VLC)方法处理这些被量化的变换系数，可使待传输的数据量被有效地压缩。

但是在这种传统的块匹配算法中，基于误差函数最小值确定的搜索块的运动矢量相当于产生小DC系数值的误差信号，但带有许多大幅值的AC系数，这可能降低视频信号的编码效率。

因此，本发明的主要目的是提供一种用于检测运动矢量的改进方法，它能够改善视频信号的编码效率，其中每个运动矢量利用这样的方式来确定，即利用测量包括差分象素的差分搜索块及包括差分象素的多个差分候选块中每个之间的位移矢量，使所得出的误差信号产生出其幅值小于现有技术产生的幅值的AC系数，其中，差分搜索块中的每个差分象素具有搜索块中每个象素的亮度电平及搜索块中象素的平均亮度电平之间的差值，及差分候选块中的每个差分象素具有候选块中每个象素的亮度电平及候选块中象素的平均亮度电平之间的差值。

根据本发明，提供了一种利用块匹配估算技术检测视频信号的当前帧及在先帧之间运动矢量的方法，其中当前帧被划分成多个相同尺寸的搜索块，且在先帧被划分成相应数目的搜索区域，每个搜索区域被划分成多个其尺寸与搜索块尺寸相同的候选块，该方法包括以下的步骤：

(a)产生多个差分搜索块，其中每个差分搜索块包括多个差分象素，在所述每个差分搜索块中的每个差分象素具有在搜索块中每个象素的亮度电平及在搜索块中象素的平均亮度电平之间的差值；

(b)产生多个差分候选块，其中每个差分候选块包括多个差分象素，在所述每个差分候选块中的每个差分象素具有在候选块中每个象素的亮度电平及在候选块中象素的平均亮度电平之间的差值；

(c)相对于与相应搜索区域有关的每个差分候选块，对差分搜索块作运动估算，以产生位移矢量及与其对应的误差函数，每个位移矢量代表差分搜索块中的差分象素与它们相应的在每个差分候选块中的差分象素之间的位移，及每个误差函数是基于差分搜索单元中差分象素的亮度电平与它们相应的在每个差分候选块中的差分象素的亮度电平之间的差值进行计算的；及

(d)选择最小误差函数，以便将对应于最小误差函数的位移矢量确定为搜索块的运动矢量。

从以下结合附图对优选实施例的说明将会技术发明的上述及其它的目的及特征更加明了。

附图1为根据本发明的一种块匹配运动估算器的概要框图。

参见附图，它表示根据本发明的块匹配运动估算器的框图。

当前帧信号通过线L12被提供到搜索块形成部分10，它将当前帧分成多个相同尺寸的搜索块，每个块包括H×V个象素，并将当前搜索块的象素数据提供给平均值减法部分40-1至40-m。实际上，搜索块的象素数据是根据预定顺序在一个块接一个块的基础上提供给平均值减法部分的。

同时，存储在存储器(未示出)中的在先帧信号通过线L13被提供给搜索区域形成部分15，它将在先帧分成与当前帧的搜索块一样多的搜索区域，其中每个搜索区域包括m个其尺寸与搜索块尺寸相同的候选块。相应于当前搜索块的搜索区域的数据被提供给候选块形成部分20-1至20-m，其中所述n个H×V个象素的待选块是由搜索区域数据产生的。在候选块形成部分20-1到20-m中，在搜索区域中的每个候选块的象素与在当前搜索块中它们的对应象素之间的每个相对位移矢量D(k，l)被取得，并被通过线L30-1至L30-m分别地提供给多路器(MUX)70。每个候选块的象素数据从候选块形成部分20-1到20-m分别地被提供给它们的对应平均值减法部分40-1到40-m。

在每个平均值减法部分40-1到40-m上，首先计算搜索块及每个候选块的平均值，其中每个平均值代表一个搜索块或一个候选块内所有象素的平均亮度电平。然后，将每个象素的亮度电平减去搜索单元的平均值，以产生差分象素。由差分象素组成的虚拟搜索块将被称为差分搜索块。类似地，将候选块中每个象素的亮度电平减去每个候选块的平均值，以产生构成差分候选块的差分象素，即差分候选块将由这些差分象素组成。来自每个平均值减法部分40-1至40-m的差分搜索块及每个差分候选块被分别提供给它们的对应单匹配部分50-1至50-m。在每个块匹配部分50-1至50-m上，对差分搜索块及每个差分候选块之间的每个误差函数利用MSE或MAE函数进行计算，它们表达如下： $\mathrm{MSE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{((I(i,j)-\mathrm{MI})-(P(i,j)-\mathrm{MP}))}^2$ 或 $\mathrm{MAE}=\frac{1}{H\×V}\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}|(I(i,j)-\mathrm{MI})-(P(i,j)-\mathrm{MP})|----\left(2\right)$ 式中H×V代表搜索块的尺寸；I(i，j)代表搜索块中象素位置(i，j)处象素的亮度电平；P(i，j)代表候选块中象素位置(i，j)处象素的亮度电平；MI代表搜索块内象素的平均亮度电平；及MP代表候选块内象素的平均亮度电平。

所有的来自块匹配部分50-1至50-m的误差函数被提供给最小误差检测器60，在其中将所有的误差函数值被互相比较，并选择出最小的误差函数值，以便使表示与获得最小误差函数的差分候选块相对应的候选块的选择信号提供给多路器(MUX)70。

为了响应选择信号，MUX70选择候选块的位移矢量，它对应于获得最小误差函数的差分候选块，并将该位移矢量作为搜索块的运动矢量输出。

虽然本发明是对专门实施例作出图解及描述的，但显然，对于熟悉该技术的人员，在不偏离由附设权利要求书所限定的本发明精神和范围的情况下可以作出许多变化或修改。

Claims (3)

1、利用块匹配估算技术检测视频信号的当前帧及在先帧之间的运动矢量的方法，其中当前帧被划分成多个相同尺寸的搜索块，且在先帧被划分成相应数目的搜索区域，每个搜索区域被划分成多个其尺寸与搜索块尺寸相同的候选块，该方法包括以下步骤：

(a)产生多个差分搜索块，其中每个差分搜索块包括多个差分象素，在所述每个差分搜索块中的每个差分象素具有在搜索块中每个象素的亮度电平及在搜索块中象素的平均亮度电平之间的差值；

(b)产生多个差分候选块，其中每个差分候选块包括多个差分象素，在所述每个差分候选块中的每个差分象素具有在候选块中每个象素的亮度电平及在候选块中象素的平均亮度电平之间的差值；

(c)相对于与相应搜索区域有关的每个差分候选块，对差分搜索块作运动估算，以产生位移矢量及与其对应的误差函数，每个位移矢量代表差分搜索块中的差分象素与它们相应的在每个差分候选块中的差分象素之间的位移，及每个误差函数是基于差分搜索单元中差分象素的亮度电平与它们相应的在每个差分候选块中的差分象素的亮度电平之间的差值进行计算的；及

(d)选择最小误差函数，以便将对应于最小误差函数的位移矢量确定为搜索块的运动矢量。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述误差函数是均方误差。

3、根据权利要求1所述的方法，其中所述误差函数是平均绝对值误差。

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