CN1136728C - 用于检测最优运动矢量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种确定视频信号的当前帧和其参考帧之间运动矢量的方法和设备。根据其相应搜寻区域来运动估算一搜寻块，由此在包含于相应搜寻区域的候选块中选择一预定数的候选块，其中被选的候选块的误差函数不大于落选候选块的误差函数。然后，获得各所选候选块的误差信号并把它变换为一组变换系数。接着，基于这些组变换系数选出一个最优误差信号，选出在搜寻块和与最优误差信号相应的候选块之间的象素的位移作为搜寻缺的运动矢量。

Description

用于检测最优运动矢量的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定运动矢量的方法和设备，更具体地说，涉及一种通过利用运动补偿块信号的帧间的时间关系及象素间的空间关系确定运动矢量的改进的方法和设备。
背景技术
数字化视频信号的传输比模拟信号的传输能够提供更高的质量的视频图象。当一个含有一序列图象“帧”的图象信号以数字形式表达时，就生成了大量的传输数据，尤其是在高清晰度电视(HDTV)系统的情况下。然而，由于一个传统传输信道的可用频率带宽是有限的，为了通过有限的信道带宽传输大量的数字数据，有必要压缩或者减少传输数据量。在各种视频压缩技术中，所谓的混合编码技术是已知最有效的，它把时间及空间压缩技术和统计编码技术结合在了一起。
大多数混合编码技术使用一种运动补偿DPCM(差分脉冲码调制)、二维DCT(离散余弦变换)、DCT系数的量化以及VLC(可变长度编码)。运动补偿DPCM是一种处理，它确定当前帧和比如先前帧的参考帧之间一个目标的运动，并且根据该目标的运动流预测当前帧从而产生一个代表当前帧和其预测之差的差分信号。
减少或去除诸如运动补偿DPCM数据的图象数据之间的空间冗余的二维DCT将一数字图象数据块，例如一8×8象素块，转换成一组DCT系数数据。此项技术被描述于Chen和Pratt的“景物自适应编码器”，IEEETransactionson Communications。COM-32，第3期225-231页(1984年3月)，通过用量化器处理这样的DCT系数数据、进行钮齿扫描和VLC，待传输的数据量可被有效地压缩。
特别是，在运动补偿DPCM中，基于在当前和先前帧之间运动的估算，例如，通过利用块匹配算法，当前帧数据可从参考帧数据预测出来。(例如：参见J.R.Jain等人的“位移测量及其在帧间图象编码中的应用”，IEEETansactions of Communications，COM-29，第12期，1799-1808页。(1981年12月)。借助于代表参考帧和当前帧之间象素的位移的二维运动矢量，可以描述出被这样估算的运动。
根据块匹配算法，当前帧被分成许多搜寻块。搜寻块的大小典型地介于8×8和32×32象素之间。为了给一个在当前帧中的搜寻块确定一个运动矢量，在当前帧的搜寻块和包含于参考帧内一通常较大的搜寻区域中的许多相同大小的候选块中的每一个之间进行类似的计算。利用诸如平均绝对误差或均方误差的一个误差函数，在当前帧的搜寻块和该搜寻区域中每一个候选块之间来进行相似性测量。经定义，运动矢量代表了在搜寻块和一个产生最小误差函数的候选块之间的位移。
虽然该最小误差反映了搜寻块和一个产生运动矢量的候选块之间的最大时间相互关系，它并不可以使由运动补偿DPCM提供的一个误差信号的象素间的空间关系最优化。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种改进的方法和设备，用于通过利用搜寻块和相应搜寻区域内的每一个候选块之间的相似性测量、以及通过利用从搜寻块和基于该相似性测量选出的候选块所产生的每一个误差信号中的象素数据之间的空间关系测量来提供一个最优运动矢量。
一种用于确定视频信号的一个当前帧和其参考帧之间的运动矢量的方法，其中当前帧被分成许多相同大小的搜寻块，而且参考帧包括对应数量的搜寻区域，每一个搜寻区域也包括许多与搜寻块相同大小的候选块，此方法包括如下步骤：(a)根据与一搜寻块相对应的搜寻区域来确定所述搜寻块；(b)在所述搜寻区域内产生一个与搜寻块相同大小的候选块并产生一个位移矢量，该位移矢量代表搜寻块和所述每个候选块之间的象素的位移；(c)在当前帧的搜寻块的象素数据和从步骤(b)获得的候选块的象素数据之间计算误差函数；(d)比较从步骤(c)获得的这些误差函数并选择多个误差函数，其中被选的误差函数包括一个最小误差函数，且按其量值的升序被选取；(e)选出与被选的误差函数相对应的候选块的一个位移矢量，并且顺序地把选出的位移矢量作为候选运动矢量；(f)产生误差信号，每一个误差信号代表一个在该搜寻块和每一个被选候选块之间象素数据的差；(g)把每一个误差信号变换成一组变换系数，由此提供许多组变换系数；(h)计算每组变换系数的绝对值之和；(i)比较每组变换系数的绝对值之和，并从中选出最小的和；(j)选择一个与最小绝对值之和相应的候选块的候选运动矢量作为最优运动矢量；(k)相对于当前帧之内的每一个剩余搜寻块来重复所述步骤(a)到(j)。
本发明还提供一种执行上述步骤、用于确定视频信号的当前帧和其参考帧之间的一运动矢量的设备。
附图说明
从下面参照附图对优选实施例的描述中，本发明上述和其它目的及特征将变得显而易见，附图中，
图1说明了一种根据本发明的用于压缩输入的数字视频信号的设备的方框图；
图2说明了图1中示出的一个候选运动矢量确定器的方框图；及
图3代表了一个图1中所示的最优运动矢量确定器的方框图。
具体实施方式
参考图1，示出一种根据本发明的包括有一运动估算器15的用于压缩输入的数字视频信号的设备的框图，其中运动估算器15包括一个候选运动矢量确定器20和一个最优运动矢量确定器30。
输入数字视频信号的一个当前帧被送入运动矢量确定器20和30以及一个减法器10。实际上，当前帧的视频信号被存储在一个输入存储器中(未示出)，其中当前帧被分成许多搜索块，这些搜索块在逐块的基础上从该存储器中被顺序地抽取，搜索块大小典型地在从8×8至32×32象素的范围内。在本发明的候选运动矢量确定器20，通过利用传统的块匹配算法，在当前帧的一个搜索块和自一帧存储器95提供的例如一先前帧的参考帧的相应搜寻区域内的每一个候选块之间进行一运动估算。从候选运动矢量确定器20输出到最优运动矢量确定器30的是预定数目的候选运动矢量。最优运动矢量确定器30选择一个候选运动矢量并把被选的最优运动矢量作为搜寻块的一个运动矢量提供给运动补偿器。在后将参考图2和图3对运动矢量确定器20和30进行详细描述。
响应于来自最优运动矢量确定器30的运动矢量，一预测信号，即对应于该运动矢量的候选块的象素数据被从帧存储器95中抽取出来，并经运动补偿器50提供给减法器10和加法中器90。
在减法器10中，从输入数字视频信号的搜索块减去从运动补偿器50来的预测信号，其结果数据，即一个误差信号或一个运动补偿块信号，被送入变换部分60。在变换部分60，通过使用如DCT(离散余弦变换)，误差信号被编码成为一组变换系数。
在量化器70，该组从变换编码器60来的变换系数被量化成一组量化变换系数，该组量化变换系数随后被送入VLC编码器75和一个逆量化器80。在VLC编码器75，从量化器70接收的数据被转换成一组可变长度编码的数据。该组量化变换系数在逆量化器80中被转换回成一组传输系数。该组传输系数然后被提供给反变换部分85并在其中被变换居一象素数据块。在加法器90，将从运动补偿器50来的预测信号与从反变换部分85来的该象素数据块相加以提供待写入帧存储器95的搜寻块的一个重构块信号。帧存储器95有两个存储当前和先前帧数据的帧存储器单元。从加法器90输出的信号由象素数据块组成。当所有代表当前帧的块都被存储在帧存储器95中时，加法器90提供新的帧数据。此时，该新数据被称作当前帧，而以前存在帧存储器95中的当前帧数据被称作先前帧。从VLC编码器75来的已编码数据被送入发送端(未示出)用于发送。
参见图2，示出了一个图1中所示的候选运动矢量确定器20的详细框图。存储在图1中所示的帧存储器95的先前帧信号被提供给搜寻区域形成部分22。搜寻区域形成部分22用一定大小、形状和搜寻图形定义了一个搜寻块的相应搜寻区域，由此进行搜寻块的运动估算。在搜寻区域形成部分22确定了搜寻区域以后，该搜寻区域数据被提供给候选块形成部分24-1至24-n。可以有很多的候选块形成部分，然而为简单起见，只画出了三个。在每一个候选块形成部分24-1至24-n中，在搜寻区域内产生与搜寻块相同大小的一个候选块；并由此把每一个候选块的象素数据输出到各块匹配部分26-1至26-n。候选块离开当前帧的搜寻块的位置相对位移也被作为位移矢量DV(24-1)至(24-n)从候选块形成部分24-1至24-n分别输出到比较器28和多路复用器29。
在各块匹配部分26-1至26-n中，在当前帧的搜寻块的象素数据和从每一个候选块形成部分24-1至24-n来的候选块的象素数据之间计算误差函数，其中，在搜寻块和候选块中相应的象素之间计算MSE(均方误差)或MAE(平均绝对误差)，以生成候选块的误差函数。该误差函数表示了搜寻块和候选块之间的相似程度。
所有来自块匹配部分26-1至26-n的误差函数都被提供给比较器28。比较器28比较这些误差函数并从中选择M个误差函数，且输出给多路复用器29一个表示相应于被选误差函数的候选块的第一选取信号，M是大于1的整数，其中被选的误差函数包括一个最小误差函数，且按其量值的升序被选取。如果，存在多于一个的具有相同量值的误差函数，则根据本发明考虑其相应的位移矢量来进行选取，即，如果有一个最小量值的误差函数和四个次小量值的误差函数，这时M是4，则相互比较对应于四个误差函数的位移矢量，并按其相应位移矢量的升序从四个误差函数中选出三个。
然后，根据第一选取信号，多路复用器29选出与被选的误差函数相对应的候选块的每一个位移矢量，并且顺序地把选出的位移矢量作为搜寻块的候选运动矢量MV(29-1)至MV(29-m)提供给示于图1的最优运动矢量确定器30。
参照图3，说明了如图1所示的最优运动矢量确定器30的详细框图。从示于图2的多路复用器29来的候选运动矢量MV(29-1)至MV(29-M)被送入运动补偿单元31、比较器38和多路复用器39。运动补偿单元31从如图1所示的帧存储器95中抽取与候选运动矢量相应的候选块。被取出的候选块信号分别被送入差分发生器32-1至32-M。
同时，输入数字视频信号的搜寻块数据被送入差分发生器32-1至32-M。在每一个差分发生器中，以与图1所示的减法器10相似的方式，在搜寻块数据和来自运动补偿单元31的每一个候选块信号之间计算一误差信号或运动补偿块信号。
来自差分发生器32-1至32-M的误差信号被分别提供给变换单元34-1至34-M。在每一个变换单元中，通过以与图1所示的变换部分60相同的方式运用例如DCT技术，误差信号被转变成一组变换系数。然后从变换单元34-1至34-M来的各组变换系数被提供到绝对值计算器36-1至36-M。
每一个绝对值计算器计算一组中的变换系数的绝对值之和，并把算出的每一组的绝对值之和提供给比较器38。
比较器38比较来自绝对值计算器36-1至36-M的和，并从中选出最小的和，由此提供给多路复用器39一个表示与所选的和相应的候选运动矢量的第二选择信号。如果两个或更多的和具有最小值，比较器38比较与该两个或更多的和相应的候选运动矢量的量值，并选出与具有最小量值的候选运动矢量相应的一个和。
然后，多路复用器39选择一个与最小绝对值之和相应的候选块的候选运动矢量作为最优运动矢量，由此，把该最优运动矢量作为搜寻块的运动矢量提供给示于图1的运动比较器50。
虽然本发明已根据具体的实施例进行了示出和叙述，但作出很多改变和修改而不背离如所附本发明的精神和保护范围，这对于本领域的熟练技术人员来说是显而易见的。

Claims (7)

1、一种用于确定视频信号的一个当前帧和其参考帧之间的运动矢量的方法，其中当前帧被分成许多相同大小的搜寻块，而参考帧包括对应数量的搜寻区域，每一个搜寻区域也包括许多与搜寻块相同大小的候选块，此方法包括如下步骤：
(a)根据与一搜寻块相对应的搜寻区域来确定所述搜寻块；
(b)在所述搜寻区域内产生一个与搜寻块相同大小的候选块并产生一个位移矢量，该位移矢量代表搜寻块和所述每个候选块之间的象素的位移；
(c)在当前帧的搜寻块的象素数据和从步骤(b)获得的候选块的象素数据之间计算误差函数；
(d)比较从步骤(c)获得的这些误差函数并选择多个误差函数，其中被选的误差函数包括一个最小误差函数，且按其量值的升序被选取；
(e)选出与被选的误差函数相对应的候选块的每一个位移矢量，并且顺序地把选出的位移矢量作为候选运动矢量；
(f)产生误差信号，每一个误差信号代表一个在该搜寻块和每一个被选候选块之间象素数据的差；
(g)把每一个误差信号变换成一组变换系数，由此提供许多组变换系数；
(h)计算每组变换系数的绝对值之和；
(i)比较每组变换系数的绝对值之和，并从中选出最小的和；
(j)选择一个与最小绝对值之和相应的候选块的候选运动矢量作为最优运动矢量；
(k)相对于当前帧之内的每一个搜寻块来重复所述步骤(a)到(j)。
2、根据权利要求1的方法，其中每一个误差函数是一个平均绝对误差。
3、根据权利要求1的方法，其中每一个误差函数是一个均方误差。
4、根据权利要求1的方法，其中所述步骤(i)包括以下步骤：
(i1)若两个或更多的和具有最小值，则比较对应于所述两个或更多的和的候选运动矢量的量值，从而选择一对应于所选择出的具有最小量值的候选运动矢量的和作为最小值的和。
5.根据权利要求4的方法，其中所述的参考帧是当前帧的一个先前帧。
6、一种用于确定视频信号的当前帧和其参考帧之间的一运动矢量的设备，其中该当前帧被分成许多相同大小的搜寻块而参考帧包括相应数目的搜寻区域，每一个搜寻区域还包括许多所述相同大小的候选块，该设备包括：
确定装置，用于根据与一搜寻块相对应的搜寻区域来确定所述搜寻块；
用于在所述搜寻区域内产生一个与搜寻块相同大小的候选块并产生一个运动矢量的装置，该运动矢量代表搜寻块和所述每个候选块之间的象素的位移；
计算装置，用于在当前帧的搜寻块的象素数据和上述候选块的象素数据之间计算误差函数；
用于比较所述误差函数并选择多个误差函数的装置，其中被选的误差函数包括一个最小误差函数，且按其量值的升序被选取；
装置，用于选出与被选的误差函数相对应的候选块的一个位移矢量，并且顺序地把选出的位移矢量作为候选运动矢量；
用于响应于所述候选运动矢量产生所述误差信号的装置，其中每一个误差信号代表在该搜寻块和每一个被选候选块之间的象素数据之差；
用于把每一个误差信号变换成一组变换系数的装置，由此提供许多组变换系数；
用于计算每组变换系数的绝对值之和的装置；
用于比较每组变换系数的绝对值之和并从中选出最小的和的装置；
用于响应于上述候选运动矢量而选择一个与最小绝对值之和相应的候选块的候选运动矢量作为最优运动矢量的装置。
7、根据权利要求6的设备，其中所述用于比较每组变换系数的绝对值之和并从中选出最小的和的装置，如果多于一个和具有最小值，会比较对应于所述多于一个的和的候选运动矢量的量值并且确定一具有最小量值的候选运动矢量的和作为选择出的和。
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