CN1333634A - 快速视频运动估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高视频运动估计速度与精度的方法,在确定当前块的运动矢量时,根据参考帧中相同位置块和当前帧中相邻块的运动矢量间的相互关系,选择搜索起点和搜索模式;搜索过程中根据搜索结果自适应地确定搜索中止条件,及时中止搜索过程。与现有方法相比,该方法不仅搜索速度快,而且搜索精度高,因而能在保证压缩质量的前提下提高视频压缩的速度。

Description

快速视频运动估计方法
本发明涉及一种提高视频压缩中运动估计搜索速度与精度的方法。
视频编码方法包括帧内压缩和帧间压缩，其中帧间压缩是其压缩比的主要来源，因此现有的视频压缩标准(MPEG1/2/4、H.261/3)大多采用基于运动估计的帧间压缩方案。其原理就是先将当前帧分成若干大小相同的块，然后对每个块(当前块)在参考帧一定大小的窗口内搜索与之最相似的匹配块。当前块和匹配块的位置差称为运动矢量、像素差称为残差块。由于残差块中接近0的像素很多，通过DCT变换、量化、熵编码，就可以大幅度提高压缩比。在上述过程中，运动估计就是搜索最佳匹配块的环节。显然，运动估计不仅最费时，而且直接影响压缩效率，是视频压缩的关键和瓶颈。为此，产生了许多运动估计算法，包括最费时的全搜索法和一系列快速算法。
在众多快速算法中，最有代表性的是一种菱形搜索算法及其改进算法“运动矢量场自适应搜索技术”。但总的说来，这些算法不仅在搜索速度方面不能令人满意，在搜索精度方面与全搜索有较大的差距。
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于视频压缩的运动估计方法，达到既大幅度提高搜索速度，又保证与全搜索相当的搜索精度。
影响搜索算法性能的主要部分有：搜索起点、搜索模式和中止条件。本发明在现有菱形算法及其改进算法的基础上，分别对上述三部分进行了改进。方法的流程图参见附图1～3，其中图1描述了算法的总体框架，图2详细描述了搜索起点的选择，图3详细描述了搜索模式的选择及搜索过程的中止。
下面对这三部分进行详细说明。
搜索起点的选择 多数搜索算法(包括菱形算法)并没有这一步，直接以参考帧中对应块(下称同一位置块)的相对位置(0，0)点作为搜索的起点。实际上，视频图像的运动矢量场存在着很大的相关性，相邻块(左、上、右上块)和参考帧同一位置块的运动矢量(分别记为V1，V2，V3，V4)对应的点都有可能出现在最优匹配点所在的区域。分别计算这些点的SAD(绝对差和)，然后选择SAD最小者对应的点作为搜索起点，能够更快、更准地找到匹配块。由于(0，0)作为运动矢量更有利于压缩，因此，在计算(0，0)点的SAD时，通常要减去一个常数。现有方法在任何情况下都将其减去常数，这样不利于选择真正合适的起点；本发明将它改为：在确定搜索起点过程中，(0，0)点和其它点平等对待，仅当选择的起点为(0，0)时才将其SAD减去常数。
搜索模式的设置 由于当前块的运动矢量是利用相邻块的运动矢量进行差分编码的，在以相邻块运动矢量为中心的一系列菱形区域内，运动矢量所用的编码量最少，因此菱形是比较理想的搜索路径。搜索步长不同的大小菱形就构成了不同的搜索模式。
现有算法不能根据视频图像的特点选择搜索模式，包括初始模式的设置，以及搜索过程中模式的转变。为提高搜索效率，本发明作出如下改进：
(1)在选择初始搜索模式时，若V1、V2、V3、V4相等，则表明运动变化
   小，将初始搜索模式设为小菱形；否则表明运动变化大，初始搜索模
   式设为大菱形。这种分类法不仅有效，而且简单，只引入了极少量的
   计算。
(2)在搜索过程中，本发明不仅允许当大菱形的最优点在中心时转变为小
   菱形，而且还允许当SAD小于某个阈值(图2中的T2)时，直接从
   大菱形转变为小菱形，使搜索过程从“粗调”进入“微调”。该阈值由
   参考帧同一位置块的SAD(图2中记为Prev SAD)乘以某个系数b
   得到，若当前帧为第一个P帧，不存在参考SAD，则令T2＝750。
搜索过程的中止 对基于菱形的搜索算法而言，中止条件有两种情况：一是小菱形搜索结束，二是SAD满足一固定的阈值。
对第一种情况，当初始搜索模式为小菱形时，现有算法不管搜索结果如何都让搜索过程结束，这样会遗漏一些更优点。为此，本发明将它改进为：如果小菱形搜索到的最优点在中心，则搜索过程结束；否则，继续进行小菱形搜索。
对第二种情况，固定的常数作为SAD阈值不具有普适性，难免造成搜索不足或过度搜索；本发明揭示了当前SAD与参考帧同一位置块的SAD间普遍存在的比例关系，以参考帧同一位置块的SAD乘以某个系数a作为SAD阈值(图2中的T1)，使得该阈值的选取具有自适应性，因而能够以较小的搜索代价得到较好的搜索结果。若当前帧为第一个P帧，不存在参考SAD，则令T1＝500。
上述系数a和b的值可根据视频图象的特点和编码压缩的时间要求来设定，如要求压缩时间短时，可将a和b的值可取大一些。一般情况下，可令a＝1.05，b＝1.5。
实验证明，本发明提出的方法充分利用了视频图像相邻块及前后帧的运动矢量、SAD间的关联性，实现的搜索策略灵活、高效，可大大提高视频压缩编码的速度。

Claims (5)

1.一种提高视频压缩中运动估计的速度与精度的方法，其特征包括：
(a)预测搜索起点：在为当前块寻找最佳匹配块时，分别计算其与(0，0)点(即
   参考帧同一位置块)的象素绝对差和(简称SAD)、与以相邻位置(左、
   上、右上)块及参考帧同一位置块的运动矢量为起点的SAD，并选择
   其中使SAD最小者作为搜索窗的起点；
(b)采用自适应搜索模式：小菱形或大菱形；
(c)采用自适应搜索中止准则：一旦SAD达到某个阈值或最优点位于小菱
   形搜索的中心，则中止搜索过程。
2.根据权利要求1(a)所述的方法，其特征是在开始计算(0，0)点的SAD时不减去常数，只有在当(0，0)点被确定为搜索的起点为时才将其SAD减去常数。
3.根据权利要求1(b)所述的方法，在开始搜索时，若相邻位置块的运动矢量相等则采用小菱形搜索模式，否则采用大菱形搜索模式；在搜索过程中，当大菱形搜索得到的SAD小于某一阈值T2时，转化为小菱形继续搜索。
4.根据权利要求1(c)所述的方法，其特征是当初始搜索模式为小菱形且搜索结果不满足中止条件时，还需继续进行新的小菱形搜索；当搜索得到的SAD小于某一阈值T1时，则中止搜索过程。
5.在权利要求3、4所述的方法中，阈值T1、T2为参考P帧同一位置块的SAD乘以某个系数。
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