CN1201590C - 使用块匹配处理的视频编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二维子带编码技术的领域，该技术通过使用运动估值和补偿在分解中包括时间域而被扩展到视频数据。本发明涉及一种方法，该方法允许保持运动矢量信息的总量相当地低，以及把更多的比特分配给非运动区域中的组织结构。所述方法首先执行初步分析，这允许识别图象的一些部分而不需要对运动信息的精确说明，接着根据这个初步信息进行运动估值。然后，在最后的运动补偿操作之前，根据高频时间滤波的子带的能量，为了选择最适合的运动矢量而作出判决。

Description

使用块匹配处理的视频编码方法
技术领域
本发明涉及用于压缩以接连的帧的组(GOF)的形式组构的视频序列的编码方法，所述方法包括：借助三维(3D)小波变换的分解步骤，以便得出给定数目的接连的分辨率级别；借助在每个分解级别上执行的运动补偿操作的运动补偿步骤；以及编码步骤。
本发明也涉及考虑到为了实施所述编码方法而在计算机可执行的处理步骤中被组构的、并且被存储在计算机可读的贮存媒体中的一组指令，以及涉及到通过实施所述编码方法或所述处理步骤而得到的编码的信号。
背景技术
近年来，通过把时间域包括在子带分解内，二维子带编码技术已被扩展到视频数据。在首先提出的解决方案中(诸如在C.I.Podilchuk等的“Three-dimensional subband video coding of video(视频的三维子带视频编码)”，IEEE Transactions on Image Processing，vol.4，pp.125-139，Feb.1995中描述的那样)并不包括运动补偿，它利用这样的事实：在小的运动的情形下，信号能量很好地集中在低频时间子带中(或近似子带)中。这样的没有运动补偿的编码方案具有某些优点，诸如低的计算复杂性，很少的运动人为产物(除了出现模糊(blurring)以外)，或有限的错误传播。然而，在对象具有大的位移的情形下，空间频率沿着时间轴被共享，以及高频时间子带(或详细的子带)包含高的能量。而且，较低的时间子带非常可能变得模糊，这在以时间可缩放性为要想达到的目标的情况下(从单个编码的比特流中产生具有多个帧速率的视频)是主要的缺点。
所以，运动估值和运动补偿可被看作为在设计有效的可缩放视频编码方案时的关键的部件。大多数已知的运动补偿的子带编码方案可以实施基于块的运动估值(块匹配算法(即BMA)其原理在S.R.Ely，“MPEG video coding：a basic tutorial introduction(MPEG视频编码：基础性导论)”，Research and Development Report，BBC-RD-1996/3中被这样描述：当前的图象It中的每个块与参考图象It-1中的搜索区域相匹配，以及在属于同一个块的所有的象素之间共享的被保持的运动矢量相应于在测量窗口中导致最高相关值(通过对绝对差值求和而测量出的)的运动矢量)。
还存在其他的方法，例如，包括基于可变尺寸块的运动估值的方法，它产生更密集的接近连续的运动区，但无论哪种方法，运动分析的精确度是重要的，因为运动补偿的滤波操作提供较低的帧速率子带，这些子带将被进一步编码。因此，在这些子带中任何运动人工产物将损害重新构建的低的帧速率视频的质量。对于运动估值和补偿技术的主要折衷要求是提供良好的时间预测(真实运动)，而同时保持运动信息附加开销(预测错误和运动参量)相当低，以便不会剧烈地减小对于组织结构编码可供使用的比特预算。
当利用基于固定的尺寸的块的运动估值时，通常产生两种运动矢量。例如，在16×16象素的宏块的情形下，可产生一个或四个运动矢量(在宏块中每个8×8象素块一个运动矢量)：图1的左面部分相应于第一种情形，其中四个块共享同一个运动矢量(16×16宏块运动矢量)，而图1的右面部分相应于第二种情形，其中四个8×8象素块的每个象素块具有它自己的运动矢量(8×8象素块运动矢量)。通常通过查看失真(例如，由在从参考帧的运动预测的宏块与要被预测的当前的帧中原先的宏块之间的绝对差值的和值(SAD)给出的失真)，可作出在这两个模式之间的决定。如果8×8象素块通常产生一个较好的运动区，则它们产生的、必须被编码和发送的运动矢量比起16×16象素宏块大四倍。这在低比特速率应用的情形下会导致有害于组织结构的相当大的信息附加开销。
发明内容
所以，本发明的一个目的是提出一种更好地适合于低比特速率的视频编码的方法，其中运动矢量信息的总量相对于组织结构信息来说，保持为相当低。
为此，本发明涉及诸如在本说明的引言部分中规定的编码方法，并且其特征在于，所述运动补偿步骤被应用到可被划分成宏块的帧上，所述宏块本身又可被再划分成块，对于每个接连的帧的组，所述步骤本身包括以下子步骤：
(A)首先，对当前的GOF执行时间上的强滤波，而不使用任何运动估值和补偿；
(B)然后，把运动补偿的时间滤波应用到所述GOF上，其中包括以下操作：
(1)对于这样得到的高频时间子带的每个宏块，把它的均方误差(MSE)与整个子带的均方误差进行比较，并且只对于其MSE大于所述整个子带的MSE的那些宏块作出标记；
(2)对于所述GOF的每对帧，对带有标记的宏块的每个块执行基于块的运动估值，以及对不带有标记的宏块执行基于宏块的运动估值；
(3)鉴于最后的运动补偿子步骤，执行以下的选择步骤：
(a)对带有标记的宏块，根据最小的绝对差值的和值(SAD)，按照宏块与块运动矢量之间的最后判决来选择运动矢量；
(b)对不带有任何标记的宏块，按照基于宏块的运动估值来选择运动矢量。
这个方法首先对于不进行运动补偿而得出的高频时间子带进行初步分析，以便识别不需要详尽地处理以及不需要非常精确地说明运动信息的图象部分。然后，考虑到这个初步信息，按常规施加运动估值和补偿，以便促成在块或宏块运动估值之间的判决。判决准则是根据高频时间滤波后的子带的能量。这个判决导致：
-由于允许对较小的块执行较少的基于块的运动估值步骤，从而减小运动估值的计算负荷；
-通过减小要被编码的运动矢量的数目，从而增加用于组织结构编码的比特预算。
这样提出的技术解决方案允许分配更多的比特来用于在不需要真正的运动区的图象区域(也就是非运动区域)中的组织结构，而不用对于需要对更小的块(例如运动对象的边界)进行更精确的运动分析的区域的处理进行修正。
附图说明
现在参照附图，作为例子来描述本发明，其中：
图1显示对于同一个16×16象素的宏块，16×16和8×8象素块的运动矢量之间的比较(分别为所述图1的左面和右面部分)；
图2显示在按照本发明的编码方法中使用的、不具有运动估值和补偿的时间滤波的原理：对在这种情形下得到的高频时间于带(LLH，LH，H)进行分析以便作出判决：对于每个宏块，是否需要基于8×8象素块的运动估值；
图3显示在不具有运动补偿的时间滤波步骤后得到的高频时间子带的分析中所导出的8×8判决变换(decision map)的例子；
图4给出按照本发明的编码方法的总的流程图。
具体实施方式
在按照本发明的编码方法中实施的技术解决方案包含把动态预选择准则引入到块或宏块的判决中，这允许在选择运动矢量时选择如图1所示的两种模式中的一种模式。图2上显示借助对视频信息进行时间子带分解的分解处理过程。将具有运动补偿的分解应用到帧的组(GOF)，这些帧被标记为F1到F8：输入的视频中的每个GOF首先被运动补偿(MC)，然后通过使用Haar子波进行时间滤波(TF)(在图中，点线箭头相应于高通时间滤波，而其他箭头相应于低通时间滤波)。在图2上，显示了三级分解(L和H＝第一级；LL和LH＝第二级；LLL和LLH＝第三级；)。在本例中，首先对输入的帧的组实行不具有运动估值和补偿的时间滤波运行(即，不执行图2上标记为MC的操作)，运动矢量被任意地设置为零，所述操作导致产生一个高频时间子带(一个图象的大多数部分通常仍旧处在两个接连的原先的帧It，It-1之间，固此不需要精确的运动估值)。建议的预选择准则就是基于这个高频时间滤波的子带的能量。对于这样的子带的每个16×16象素宏块，计算均方误差。然后，对于其MSE大于整个子带的MSE的那一个宏块(也就是说，对于代表具有高的运动活动性的图象区域的宏块)，设置一个能够执行块判决(在本例中，是8×8判决)的标志。如图3的例子所示，8×8判决变换关系是基于这样得到的所有的基于8×8象素块的运动估值标志(用打叉符号表示)而组成的：只有与这样的标志相联系的那些宏块才利用8×8象素块来进行估值。
由于提供了以8×8判决变换关系的形式的这种附加信息，于是可对输入的GOP进行修正的运动补偿的时间滤波操作。对于每对原先的帧(It-1，It)，按照8×8判决变换关系利用8×8或16×16象素BMA执行运动估值。对于一个在其上执行8×8象素BMA的宏块，在16×16和8×8象素块运动矢量之间的最后判决被保持为相同的(根据 SAD = 1 N Σ t = 1 N Σ j = 1 N | I t - 1 ( t + m , j + n ) - I t ( i , j ) | , 对于N×N象素(宏)块，其中(m，n)是该(宏)块的运动矢量，以及It-1，It分别是在时间t-l的参考图象和在时间t的当前的图象的亮度函数)。最后，所被保持的运动代表是给出最小SAD的运动代表。
测试表明，8×8判决标志被设置在最后判决期间利用8×8象素BMA来进行计算的宏块上。这些宏块的最后的数目总是小于利用经典的运动补偿时间滤波时的数目。在最终的图象中，由于运动分析和预测，只有较少的白和黑的区域是引人注意的。对于那些在其上由于8×8判决变换关系因而只处理16×16象素BMA的其他的宏块，不使用无用的8×8象素BMA，它可以减小运动估值运算的计算复杂性(确实可以认为：相应于不具有运动补偿的时间滤波的高频时间子带的附加计算和8×8判决变换关系的负荷将是很低的)。
图4上给出按照本发明的视频编码方法的总的流程图：由GOF组成的输入视频信号首先被时间分析级40接收，以便用来执行不具有运动补偿(FWMC)的时间滤波步骤41，接着是步骤42(DMC)，在此期间可构成8×8判决变换关系。根据这个信息，利用8×8或16×16象素BMA执行运动估值43(EST)，然后这个运动估值允许对于输入视频信号(当前的GOF)执行修正的时间滤波步骤44，其中包括运动补偿(MCTF)。与传统的编码方案一样，然后对这样地得到的已滤波的信号执行分析步骤45(SPA)(例如，执行DCT变换和量化步骤)，以及在空间分析的后面最终执行编码步骤46(COD)，对已处理的输入视额信号和借助运动估值步骤43而得到的运动矢量执行编码操作。已编码的信号然后被发送到信道50，或被存储。
执行所述流程的步骤的视频编码器也可以是这样的类型：其中相应于以接连的帧的组的形式组构的视频序列的输入的帧信号在频率上被划分成子带，以便可以把所述输入信号的频谱分级分割成多个频带，以及在该序列的各帧之间的运动补偿操作之后，为了进行传输或存储操作而执行可变长度的编码。在这种编码器中，对于每个接连的GOF，施加到被划分成宏块(该宏块本身再被划分成块)的帧的运动补偿步骤包括以下子步骤：
(A)首先，对当前的GOF执行时间上的强滤波，而不用任何运动估值和补偿；
(B)然后，把运动补偿的时间滤波应用到所述GOF上，其中包括以下运行：
(1)对于这样得到的高频时间子带的每个宏块，把它的均方误差(MSE)与整个子带的均方误差进行比较，并且只对于其MSE大于所述整个子带的MSE的那些宏块作出标记；
(2)对于所述GOF的每对帧，对带有标记的宏块的每个块执行基于块的运动估值，以及对不带有标记的宏块执行基于宏块的运动估值；
(3)鉴于最后的运动补偿子步骤，执行以下的选择步骤：
(a)对带有标记的宏块，根据最小的绝对差值的和值(SAD)，按照宏块与块运动矢量之间的最后判决来选择运动矢量；
(b)对不带有任何标记的宏块，按照基于宏块的运动估值来选择运动矢量。
本发明显然不限于所描述的实施例。所提出的时间预分析可以应用到任何为了进行运动补偿而使用BMA的视频压缩方案。无论哪种实施例类型，按照本发明的方法允许得到在需要真正的运动区与要被编码的最终的运动信息的规模之间的良好折衷。

Claims (2)

1.用于压缩以接连的帧的组(GOF)的形式组构的视频序列的编码方法，所述方法包括：借助三维(3D)小波变换以便得出给定数目的接连的分辨率级别的分解步骤；借助在每个分解级别上执行的运动补偿操作的运动补偿步骤；以及编码步骤，所述运动补偿步骤被应用到被划分成宏块的帧上，所述宏块本身又被再划分成块，对于每个接连的帧的组，所述步骤本身包括以下子步骤：
(A)首先，对当前的GOF执行时间上的强滤波，而不使用任何运动估值和补偿；
(B)然后，把运动补偿的时间滤波应用到所述GOF上，其中包括以下操作：
(1)对于这样得到的高频时间子带的每个宏块，把它的均方误差(MSE)与整个子带的均方误差进行比较，并且只对于其MSE大于所述整个子带的MSE的那些宏块作出标记；
(2)对于所述GOF的每对帧，对带有标记的宏块的每个块执行基于块的运动估值，以及对不带有标记的宏块执行基于宏块的运动估值；
(3)鉴于最后的运动补偿子步骤，执行以下的选择步骤：
(a)对带有标记的宏块，根据最小的绝对差值的和值(SAD)，按照宏块与块运动矢量之间的最后判决来选择运动矢量；
(b)对不带有任何标记的宏块，按照基于宏块的运动估值来选择运动矢量。
2.按照权利要求1的编码方法，其中所述宏块具有16×16象素的规模，而所述块具有8×8象素的规模。
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