CN1201577A - 运动估计的方法 - Google Patents

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Abstract

在经受运动补偿(19)和基于分段的目标的位平面编码(23)的数字运动图象的传输中,位平面以减小的有效位平面次序被传送。一个增量运动估计(15,17)和分段(11,13)在发射机(1)和接收机(5)中在运动图象的帧的每个被传送位平面之后被执行。由于必须被传送的运动参数急剧减少,因此它的必须被传送的信息,特别是分段信息,尤其在低传输速率情况下被大大减少。这个方法尤其十分适合于低速率传输系统例如公众电话网中使用。

Description

运动估计的方法
技术领域
本发明涉及在视频编码中的运动补偿和分段的运动估计的使用，具体来说涉及使用位平面编码的运动图象的运动估计、运动补偿和分段。
发明背景
运动数字图象的压缩，例如视频图象的压缩，在图象将被传送时是成为最受关注的一个领域。这是由于大量信息与运动图象的单个图象或帧有关，且受到传送信息的信道带宽的限制。因此，当所用信道的容量小于运动图象被传送所要求的传送运动图象的容量时，将需要某种类型的压缩。
幸好有许多与运动图象有关的冗余度，无论在单个帧内的空间冗余度，或者在运动图象的邻帧之间的时间冗余度。这些冗余度的利用将导致信息的减小，因此将要求一个低的比特速率。技术状态
基于分段，即一个运动图象的帧的分段之目标，其中段边界跟随有意义目标的边缘，以及基于这样一个分段的运动估计是为了利用运动图象中邻帧的冗余度有效地进行运动补偿的研究中一个常用技术。
这样的方法从下列参考文献获知：
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这一技术现有方法的一个最主要缺点是与运动参数和段形状有关的信息需要被编码和传送。这导致特别是当非常低的比特速率可获得时可能要求50％可用带宽那么多的一个位流。
使用位平面编码的压缩图象，特别是压缩运动图象的方法，在我们的瑞典专利申请No.9502557-3、9503735-4和9503736-2中已作了描述。
发明概述
本发明的目的是提供一种方法和装置，通过基于分段和运动估计的目标提供当传送数字运动图象时可以减小所必需的比特速率的一种运动补偿，而不必传送段的形状和运动参数，从而大大减小所用信道的所要求容量。
这一目的用位平面编码技术来实现，使用基于不同位平面、位平面挨着位平面的分段和运动估计的一个增量目标，其中运动估计在每个被传送的位平面之后被更新和改进。由于进行图象的分段，因而段边界跟随在图象内的目标的边界，即在每个被传送的位平面之后基于分段的目标也被更新和改进。
传送位平面编码运动图象的方法可以被分成下列子步骤：
1.图象例如运动图象的一个帧的最高有效位平面被按照某种适当的编码算法编码，可能不使用任何分段或运动补偿，然后该位平面被所指定的接收机接收和译码。编码最高有效位平面所使用的方法可以是任何适当的算法，例如按照上面提到的瑞典专利申请No.9502557-3、9503735-4和9503736-2中所述的任何一种算法的方法。
2.根据由这个最高有效位平面所提供的信息，无论编码器或者译码器，即传输系统的发送部分和接收部分以这样的方式执行分段，以致使所获得的段相应于图象内的目标，即基于分段的目标，以及基于这个分段的运动估计。
3.其后，紧挨着最高有效位平面的位平面采用在步骤2中所执行的基于运动估计的运动补偿在信道内被编码和传送。紧挨着最高有效位平面的位平面则被接收机译码。
4.根据在发射机和接收机中目前已有的信息，即图象的最高有效位平面和紧挨着最高有效位平面的位平面，一个新的和被改进的分段以及一个新的和被改进的运动估计被执行。
5.然后对较低的有效位平面重复步骤3和4，以便将它们的有效位平面次序降低到将被传送的最低有效位平面。附图简介
本发明下面将通过一个详细的实施例并参照下列附图来加以说明：
图1是说明位平面编码技术的示意图。
图2是说明每个象素有8位的一个位平面编码数字图象的示意图。
图3是说明一个实施例的不同部分的示意图。
优选实施例叙述
图1示出一个具有m×n象素的数字图象。每个象素由k位组成，例如象在下面例子中的8位。位被如此排列，以使每个象素的最高有效位代表第一个(最高有效)位平面。每个象素的紧接着最高有效位的位代表第二个(次于最高有效)位平面，如此直到每个象素的最低有效位，它构成最后一个最低有效位平面。
图2示出一个数字图象，它已按照参考图1所述的方法进行位平面编码，由m×n象素组成，或者每个象素由8位组成，它们已被排列成8个位平面，从最高有效位平面7到最低有效位平面0。
在图3中示出传输系统的各个部分。最高有效位平面，即已在方块23中被位平面编码(BPC-Bit piane coded)的图2中的平面7，则可能被编码器7按照某种适当的技术例如利用一种熵代码进行压缩和编码，可是在压缩中毋需使用任何分段或运动补偿。用于编码最高有效位平面的方法可以是任何适当的算法，包括无损方法如行程编码以及有损方法，其可以或不可以包括运动补偿和分段的使用。
用于编码最高有效位平面的方法被对这个位平面的单独编码最佳化。在接收机上最高有效位平面的正确译码所需的所有参数必须被传送。
平面7然后由信道3上的发射机1发送，并由接收机5接收，接收机具有与发射机相应的装置以便在译码器9中精确地译码所接收的位平面。该位平面由接收机5译码，从而发射机1和接收机5都具有至最高有效位平面(图2的平面7)的入口。
根据由这个位平面(图2的平面7)所提供的信息，发射机1的编码器7和接收机5的译码器9都按照相同的算法完成基于图2的平面7的分段算法和运动估计的一个目标，因而，编码器7和译码器9都执行相同的运动估计和分段，即发射机1和接收机5将具有当前帧的位平面的相同分段。分段分别在方块11和13中执行，运动估计分别在方块15和17中执行。
执行运动估计和分段的任何适当的算法可以被使用。这包括作为一特殊情况的方法，其中预定义方块结构被用于分段，并且仅执行运动估计。因此，在采用基于分段的目标的情况下，前面谈到在(A)和(B)中所述的方法也可以被使用。在采用定义方块结构的情况下，在A.N.Netravali和B.G.Haskell的“Digital pietures(数字图象)”，第二版，Plenum press 1995，P.340中所述的字块匹配法(block matchingmethod)可以被采用，该法在ITU-T建议H261，日内瓦，1990年8月中也被采用和描述。
发射机1的编码器7执行分段的时间是不重要的，即在编码器7中分段可以预先被执行，以减小传输期间编码器上的计算负担，只要它使用在接收机5的译码器9上可获得的相同信息，因而对系统两端相同的位平面和帧完成相同的分段。
在系统的两端上，即在发射机1的编码器7上和在接收机5的译码器9上，运动估计然后被执行，其采用基于分段的目标。运动估计按照某些适当的已知方法被执行，编码器7和译码器9都使用相同的方法。
接着，携载紧挨着象素或象元的最高有效位的位平面被传送。为了减小传送图2的这个平面6所必须的位，根据在图2的平面7上所执行的分段和运动估计在方块19中完成运动补偿。所采用的运动补偿方法可以是任何适当的方法。图2的平面6然后在信道了上被传送，并由接收机5接收以及由接收机的译码器9译码。
编码器7和译码器9然后执行基于图象或帧的分段的一个增量和改进的目标，基于改进的分段的一个增量和改进的运动估计也被执行。也就是说，一个新的基个分段的目标和一个相应的运动补偿由编码器7和译码器9根据由图2的位平面7和6所提供的信息被执行。这个新的基于分段的目标和这个新的运动补偿将更好，因为更多的信息可获得。就第一个基于分段的目标和相应的运动估计来说，编码器7何时执行分段和运动估计是不重要的，只要所使用的唯一信息是来自图2的平面7和6，因此在图2的平面6传送之后分段和运动估计在编码器7中和在译码器9中是相同的。
较低的有效位平面，即图2的平面5、4、3、2、1和0然后以减小有效位平面次序的方式被传送。对于每个所传送的平面，一个新的被改进的运动补偿被执行，以便减小传送那个特定位平面所必须的位的数目，其中运动补偿是根据以前所传送的帧的位平面的基于分段的增量和改进的目标和相应的运动估计来进行。
这样一来，当执行较低有效位平面的分段和运动补偿时将有更多的信息被采用。这是该方法的主要优点，因为可以证明，较低的有效位平面与较高有效位平面相比由于在这些平面中冗余度较少而要求更高的比特速率。因此，对较低有效位平面用来自于当前帧的更多信息的更好的运动补偿将大大减小与该处有关的比特速率。
如上所述的方法说明，所采用的编码技术的压缩方法是无损的，即所传送的位平面可以被接收机5完全重建而没有任何信息损失。
然而，该方法也可以与有损编码技术一起使用。那么一定要确保所译码的被接收位平面与由编码器7用于基于分段的目标和运动估计的位平面携载相同的信息，因而基于分段的目标和运动估计在相同的位平面上被执行。这可以如下来实现，即通过在发射机1的编码器7中采用与译码器9使用的相同的过程或算法重建由译码器9所接收的位平面。这一重建在方块21中被执行。
因此，编码器7和译码器9都将执行编码序列的相同处理，因而当执行基于分段的目标和运动估计时，它们都将具有至相同信息的入口。
上述说明仅指被发送信号的亮度部分。在传送彩色图象情况下，必须传送三种不同的信号分量，一个亮度信号和两个彩色分量信号。这些信号中的每个信号则被表示为在位平面编码(BPC)方块23中编码的一系列位平面。位平面的总数(N)则一般可以为24。
为了应用上述的增量运动估计的方法和分段的方法，位平面被按次序放置，即一系列数字与每个位平面相关。这在方块25中实现。依照在方块27中因而所建立的连续顺序，亮度和彩色位平面可以被混合。
然后，增量运动估计和分段方法被应用于数字M(M≤N)的位平面，它按照在方块27所建立的次序被认为是最高有效位平面，即例如给定最低次序数字的位平面，M一般可以是8。数字M可以由用户预先确定或由传输系统自动设置。其余的位平面采用从M最高有效位平面得来的运动估计和分段参数被编码。
具体来说，所建立的次序可以使M最高有效位平面是亮度位平面。彩色位平面则采用从亮度位平面获得的运动估计和分段参数被编码，同时彩色信号分量不被用作运动估计和分段。
此外，在方块29中一个特定位平面的每个段可以按照成功/不成功运动补偿来分类，即运动补偿的段与正确的段相比较，按照某种算法或准则，获得运动补偿的段有多好的估量。所使用的算法可以例如是均方误差(MSE)算法，其采集位平面的每个象素，然后在整个段上被累加。
由这个过程所获得的值，然后可以与一个门限值相比较，以便确定运动补偿是否成功。如果这个分类的结果是一个段被分为不成功一类，那么不使用运动补偿。这样的段将代之以按照利用特定段内的空间冗余度的某种编码算法来编码。
上述的方法使之有可能克服与采用基于运动估计和分段目标有关的大多数严重问题中一些问题。因而，当采用这里所述的方法时不需要传送关于段形状的运动参数和信息。

Claims (22)

1.从发射机至接收机传送位平面编码和可能被压缩的运动图象的方法，在该方法中运动图象由经受运动估计的图象或帧组成，其特征在于
-图象或帧的第一最高有效位平面被发射机传送，
-最高有效位平面被接收机接收，
-分段和运动估计既在发射机中又在接收机中根据这个最高有效位平面被执行，
-帧或图象的逐个位平面根据运动估计被分段和被运动补偿，并被发射机传送。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于一个新的增量分段和一个新的增量运动估计在图象或帧的每个逐个被传送的位平面之后在发射机中和在接收机中被执行，其中新的分段和新的运动估计仅用于图象或帧的被传送和以前被传送的位平面。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于每个新的增量分段和运动估计被用于帧或图象的逐个位平面的编码。
4.按照权利要求1-3中任一个的方法，在该方法中图象是彩色图象，其特征在于
-彩色图象的每个信号分量是被编码的位平面，
-每个位平面被给定一个相应于它的有效位的次序数字，
-帧或图象的位平面以相应于它们已被给定的次序数字的次序被传送。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于仅帧或图象的第一个M(M是由用户设置或在发射机和接收机中自动设置的一个正整数)位平面被以这个方式传送，其余的位平面按照从第一个M被传送的位平面得来的参数被运动估计和被分段。
6.按照权利要求4-5中任一个的方法，其特征在于相应于图象的亮度分量的位平面被当作最高有效位平面。
7.按照权利要求4-6中任一个的方法，其特征在于相应于彩色图象的彩色分量的位平面不被用作增量分段和增量运动估计。
8.按照权利要求1-7中任一个的方法，其特征在于分段和运动估计既在发射机中又在接收机中按照相同的算法或过程被执行。
9.按照权利要求1-8中任一个的方法，其特征在于发射机重建由接收机接收的位平面。
10.按照权利要求1-9中任一个的方法，其特征在于所使用的分段是基于分段的目标。
11.按照权利要求1-10中任一个的方法，其特征在于位平面的每个运动补偿的段被按照一个成功/不成功过程分类，确定为不成功的运动补偿的段不被运动补偿，并代之以按照利用该段内的空间冗余度的某种算法被编码。
12.传送位平面被编码和可能被压缩的运动图象的装置，运动图象由经受运动估计的图象或帧组成，该装置包括发射机和接收机，其特征在于
-发射机被安排首先传送帧的最高有效位平面，
-接收机被安排接收最高有效位平面，
-该装置包括分段装置和运动估计装置，用于根据最高有效位平面既在发射机中又在接收机中执行分段和运动估计，以及
-发射机包括连接到运动估计装置的装置，用于执行运动补偿以传送根据运动估计被分段和被运动补偿的帧或图象的逐个位平面。
13.按照权利要求12的装置，其特征在于在发射机中和在接收机中的分段和运动估计装置被安排在图象或帧的每个逐个被传送的位平面之后完成一个新的增量分段和一个新的增量运动估计，该装置仅使用来自图象或帧的被传送和以前传送的位平面的信息。
14.按照权利要求13的装置，其特征在于在发射机中连接到分段和运动补偿装置的装置，用于采用基于新的增量运动估计的新的增量分段和运动补偿对逐个位平面进行编码。
15.按照权利要求12-14的任一个的装置，在该装置中图象是彩色图象，其特征在于包括
-用于位平面编码彩色图象的每个信号分量的装置，
-在发射机中用于给每个位平面分配一个次序数字的装置，该次序数字相应于位平面的有效位，以及
-在发射机中用于以相应于帧或图象的位平面已被给定的次序数字的一个次序传送帧或图象的位平面的装置。
16.按照权利要求15的装置，其特征在于传输装置被安排以这个方式仅传送帧或图象的第一个M(M是由用户设置或在发射机和接收机中自动设置的一个正整数)位平面。
17.按照权利要求15-16中任一个的装置，其特征在于分配装置被安排以这样的方式分配次序的数字，以使相应于彩色图象的亮度分量的位平面被当作最高有效位平面。
18.按照权利要求15-17中任一个的装置，其特征在于在发射机中的分段和运动估计装置被安排用于确定相应于图象的彩色分量的位平面不被用于分段和运动估计。
19.按照权利要求12-18中任一个的装置，其特征在于既在发射机中又在接收机中执行分段和运动估计的装置被安排按照相同的算法或过程工作。
20.按照权利要求12-19中任一个的装置，其特征在于在发射机中用于重建由接收机接收的位平面的装置。
21.按照权利要求12-20中任一个的装置，其特征在于在发射机和接收机中的分段装置被安排用于完成基于分段的一个目标。
22.按照权利要求22-21中任一个的装置，其特征在于
-连接到运动补偿装置和不分段装置的装置用于按照成功/不成功过程将位平面的每个运动补偿的段分类，以及
-用于编码运动补偿的段的装置，该段按照利用段内的空间冗余度的某个算法被确定为不成功。
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