CN1213254A - 运动画面压缩电路及使用运动矢量的方法 - Google Patents

Abstract

一种运动画面压缩电路及使用运动矢量的方法,运动画面压缩电路包括:第一帧存储器,第二和第三帧存储器,画面边界检测器,运动矢量检测器,控制器,图像再现器,本发明能够在即使没有构成一画面的所有帧的信息时,利用几帧再现最初的运动画面。

Description

运动画面压缩电路及 使用运动矢量的方法

本发明涉及在视频信号处理系统中压缩运动画面信息的电路和方法，特别涉及运动画面压缩电路和使用运动矢量的方法。

为了审视电影或TV的运动画面，需要每秒30-50帧的信息，这样，在电影或视频磁带内的连续帧之间存在着小的时间变化。在数字图像处理中，进行数据压缩以减少连续帧之间的冗余。

压缩视频数据的最一般方法是空间信息压缩，其中一帧被划分为诸多8×8的象素块，并对诸象素块执行离散的富里叶变换(DCT)。这里，对亮度和色度信号进行DCT。另一个方法是时间信息压缩，其中在帧之间发生的运动被预测和补偿。一般而言，对16×16象素块的亮度信号进行运动预测。这些信息压缩方法被独立地执行或组合起来以产生较高的压缩效果。信息压缩是通过预测2-4帧之间的运动完成的，因此依帧的特性存在信息量的差别。然而，对于数据压缩需要知道整帧的信息。

为了执行压缩视频信息的重放，快速向前转或快速反转，使用MPEG建议的画面组(GOP)完成随机存取，以大约0.5秒的GOP组(大约15个画面)为例，依照MPEG-Ⅰ的视频信息的压缩解释如下。图1示出了在GOP组内诸帧的安排，该GOP具有为使GOP独立而必需包括的Ⅰ帧(内编码画面)，在帧之间的前向预测编码的P帧(预测编码画面)，和B帧(双向预测编码图像。)

图2A和2B示出了帧的类型和编码顺序，该Ⅰ帧是内编码的，Ⅰ帧和P帧以与初始图像顺序一致的顺序编码。B帧以I和P帧首先被处理的方式被编码，然后B帧插入它们之间，换言之，I帧和P帧以图2A所示的a1→a2→a3→a4的顺序被编码，B帧以图2B所示的b1→b4→b2→b3顺序被编码。如上所述，没有构成视频信息的整帧信息就不能完成视频信息压缩。这例如在部分变化而背景几乎不变的单调画面中的效率较低。

本发明的目的是为具有大量冗余的运动画面信息提供高效压缩电路和压缩方法，它能在即使没有构成画面的所有帧的信息的情况下，用几帧再现最初的运动画面。

为实现本发明的目的，提供了运动画面压缩电路，用于接收一帧的运动画面信息和对它执行压缩和编码，运动画面压缩电路包括：第一帧存储器，用于存储构成画面的运动画面信息的开始帧；第二和第三帧存储器，用于存储运动画面信息的两个连续的帧；画面边界检测器，用于从由第二和第三帧存储器提供的两个连续帧的运动画面信息中检测图像边界；运动矢量检测器，用于从开始帧和结束帧的运动画面信息中预测运动矢量；控制器，用于依照检测的画面边界和运动矢量产生为形成画面所需的数据；画面再现器，用于使用由控制器产生的数据再现省略的帧，并把它插入在开始帧和结束帧之间。

以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。附图中：

图1示出了GOP内诸帧配置的实例；

图2A和2B示出了帧的类型和编码顺序；

图3A和3B示出了飞机从左下角到右上角运动的想象画面的图；

图4是依本发明的压缩运动画面编码装置的框图；

图5示出了依运动块运动的运行矢量的形式。

应注意，部件标号在所有图中是一致的。在描述本发明时，如果现有功能或结构的详细描述使本发明的要点不明确时，详细的描述将被省略。

图3A和3B是飞机从左下角移动到右上角的想象的画面。图3A示出了飞机在时刻t1位于位置A的开始画面。图3B示出了飞机在时刻t2位于位置B的最终画面。与此同时，运动画面的再现以这样的方式执行，连续的运动被划分为许多停止的画面，停止的画面被迅速地投影出。通过这样做，依据视觉暂留效应，审视者所看到的停止的画面就象平滑连续的画面。

在图3A和3B中，当省略中间画面完成画面传送时，它的接收器依照本发明的实施例能够预测飞机怎样从位置A移动到位置B。

图4是使用运动矢量的压缩运动画面信息编码装置的框图，图5示出了依照运动块运动的运动矢量的形式。运动画面信息的压缩和使用运动矢量的压缩运动画面信息的编码处理将参照图4和5在下面详细地描述。

输入视频信号Ⅵ存储在具有存储一帧视频信息能力的帧存储器10内。构成一运动画面的诸帧的初始帧，即开始帧fⁿ被存储在另外的地方，即f_s帧存储器20内，画面边界检测器30逐象素地比较两个连续帧的亮度信号，并计算亮度信号的平方的平均值。然后，画面边界检测器30比较获得的平均值和原先由实验确定的阀值。从比较结果来看，当平均值高于阀值时，就考虑，这是两帧之间的画面边界。

进而，当Y^m(X,Y)被视为第m帧的位置(x,y)的亮度分量值时，画面边界检测器30输出公式(1)所描述的结果。

∑_nΔY^n-1=∑_n[Yⁿ(x,y)-Y^n-1(x,y)]    …(1)

当结果超出阀值时，相应的帧被确定为画面边界，帧号n被输送给控制器50，并当画面再现器执行编码时被使用，这将在下面解释。

如图3A和3B所示：运动矢量检测器40在构成该画面的诸帧当中接收开始帧和结束帧的运动画面信息，并预测在两帧之间的运动目标的轨迹。在该实施例中，关于两帧的数据由16×16的象素块输入，相应块之间的亮度分量被比较。这里，没有运动的部分具有非常小的亮度分量值，而存在运动的部分具有大的值。这样，能获知包括运动目标的块，该信息也被传送到控制器50。

即，运动画面信息从每一画面的开始帧fⁿ和结束帧f^E中获得。这两帧存储在两个帧存储器10和20之中。运动矢量检测器40获得两个帧存储器10和20提供的两个输入之间的差值(每一个输入由16×16象素块为单元构成)，并比较差值和阀值以选取超过阀值的块。该块被称为运动块。使用开始帧和结束帧的运动块的位置获得图5所示的运动矢量MV。

画面再现器60使用从控制器50提供的插在开始帧和结束帧之间的帧号，和指明运动转换的运动矢量再现初始的画面，根据下面公式(2)由开始帧fⁿ和结束帧f^E获得的要被插入的帧号。

要被插入的帧号=fⁿ-f^E-1    …(2)

从运动矢量获得的象素移动距离由下述公式(3)和(4)给出

X分量移动距离=X^E-X^S    …(3)

Y分量移动距离=Y^E-Y^S    …(4)因此，要被插入的第n帧运动块的位置等于下述的公式(5)和(6)

X_m ^*X’+[(X^E-X^S)/(f^E-f^S-1)]^*n…(5)

Y_m ^*Y’+[(Y^E-Y^S)/(f^E-f^S-1)]^*n…(6)

处理开始帧fⁿ和结束帧f^E还有其它方法，使用DCT压缩是最通常的方法。

如上所述，对于具有相对简单背景和大冗余的运动画面信息而言，本发明使用关于画面的开始帧和结束帧、待插入到开始帧和结束帧之间的帧号和运动矢量的信息再现初始的画面，和用构成运动画面的所有帧完成压缩的通常方法相比，本发明的信息压缩效率最高。

应当理解，本发明并不局限于作为完成本发明最好模式的在这里公开的特定实施例，因此本发明并不局限于该说明书中描述的特定的实施例，而应由所附的权利要求来确定。

Claims (5)

1．一种通过帧接收运动画面信息和对此执行压缩和编码的运动画面压缩电路，它包括：

第一帧存储器，用于存储构成一画面的运动画面信息的开始帧；

第二和第三帧存储器，用于存储运动画面信息的两个连续帧；

画面边界检测器，用于从由第二和第三帧存储器提供的两个连续帧的运动画面信息中检测画面的边界；

运动矢量检测器，用于从开始帧和结束帧的运动画面信息中预测运动矢量；

控制器，用于依照检测的画面边界和运动矢量产生形成一画面所需要的数据；和

画面再现器，用于使用由控制器产生的数据再现省略的帧，和把它插入到开始帧和结束帧之间。

2．根据权利要求1所述的运动画面压缩电路，其中所述画面边界检测器包括：

通过象素获得相应帧的亮度分量的平方平均值的装置；

比较平均值和预定阀值和当平均值超过阀值时确定相应的帧为画面边界的装置。

3．根据权利要求1所述的运动画面压缩电路，其中所述运动矢量检测器包括：

以预定的单元接收象素块和获得它们之间的差的装置，其中象素块构成了一画面的开始帧和结束帧；和

比较与预定阀值的差和检测在阀值以上的象素块为运动块的装置；和

依照运动块的位置检测运动矢量的装置。

4．根据权利要求1所述的运动画面压缩电路，其中所述画面再现器包括：

在开始帧和结束帧之间获得要被插入的帧号的装置；

通过象素由运动矢量获得运动距离的装置；

根据运动距离、要被插入的帧号和相应的帧号获得运动块的位置的装置。

5．一种编码压缩的运动画面信息的方法，包括如下的步骤：

通过把帧分为开始帧，结束帧和邻近结束帧的帧来划分运动画面信息，并存储它们；

从两邻近帧的运动画面信息检测画面边界；

从开始帧和结束帧的运动画面信息预测运动矢量；和

依照检测的画面边界、预测的运动矢量和要被插入到开始帧和结束帧之间的帧号产生构成每一画面所需的数据，使用产生的数据再现省略的帧，和将再现的帧插入到开始帧和结束帧之间。

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