CN1791216A - 快速多个参考帧的移动估测方法 - Google Patents

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CN1791216A CN 200410098584 CN200410098584A CN1791216A CN 1791216 A CN1791216 A CN 1791216A CN 200410098584 CN200410098584 CN 200410098584 CN 200410098584 A CN200410098584 A CN 200410098584A CN 1791216 A CN1791216 A CN 1791216A
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苏野平
孙明廷
张世锽
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Abstract

本发明提出一种多个参考帧的移动估测方法，其是运用于一当前帧Fn及参考帧Fn－1、Fn－2、…、Fn－(k－1)及Fn－k之间。首先，对当前帧区块与前一个参考帧Fn－1进行特定方式的区块比对，以获得一移动向量，再由当前帧区块至参考帧Fn－(k－1)的移动向量与参考帧Fn－(k－1)至参考帧Fn－k的移动向量，组合而成当前帧区块至参考帧Fn－k的移动向量。再由移动向量组合时所产生的若干个移动向量中，选择具有最小成本函数值的移动向量。最后，依据该具有最小成本函数值的移动向量，进行精细调整，以获得最后移动向量。

Description

快速多个参考帧的移动估测方法
技术领域
本发明涉及一种关于移动估测的技术领域，尤指一种多个参考帧的移动估测(multiple reference frame motion estimation、MRF-ME)方法。
背景技术
在目前的视频编码标准中，其主要利用移动估测(motion estimation、ME)以删除影像序列中的冗余，而达到高的影像压缩效率。在H.264/MPEG-4 AVC视频编码标准中，使用多个参考帧的移动补偿(multiple reference frame motioncompensation)及可变区块大小的移动补偿(variable blocksize motioncompensation)，以达到高的影像压缩效率。
在使用多个参考帧的移动估测(multiple reference frame motion estimation、MRF-ME)时，一个帧(frame)进行会使用许多个参考帧(reference frame)以进行移动估测。由于会对每一个参考帧(reference frame)以进行移动估测(motionestimation、ME)，因此多个参考帧的移动估测(MRF-ME)的计算量会急遽地增加。
针对多个参考帧的移动估测(MRF-ME)其计算量急遽增加的问题，于美国第USP6,782,052号专利案公告中，使用一参考帧预测(reference frameprediction)方法，以作为参考帧决定的依据。如图1所示，参考帧12、14、...、22是依据时间轴24依序排列，图框22是当前帧(current frame)。而图2中，区块26是表示位于当前帧且要执行移动估测(ME)，区块28、30、32及34是位于当前帧中且邻近于区块26的区块。预测参考帧fp是与当前帧(current frame)相距p个参考帧，p值可由公式p＝min(n-1，p0+max(a，b，c，d))决定。其虽可将搜寻图框数目由n减少至p，但是仍须对0至p参考帧进行多个参考帧的移动估测(MRF-ME)，其计算量仍颇为可观。因此公知的多个参考帧的移动估测(MRF-ME)仍有予以改善的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多个参考帧的移动估测方法，以避免公知技术所产生计算量庞大的问题，以增加编码时的效率。
依据本发明的一特色，提出一种多个参考帧的移动估测方法，其是运用于影像图框序列编码中，该影像图框序列包含一当前帧Fn及若干个参考帧，该若干个参考帧在时间上是在当前帧Fn之前，依序标注为Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k，n及k为整数，该当前帧分成若干个区块，方法是找出当前帧中的一区块在若干个参考帧中移动向量(motion vector、MV)，该方法包含区块比对步骤、移动向量组合步骤、选择步骤及精细调整步骤。该区块比对步骤对当前帧区块与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对，以获得一移动向量(motion vector、MV)；该移动向量组合步骤由当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量，组合而成当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量；选择步骤由移动向量组合步骤所产生的若干个移动向量中，选择一具有最小成本函数(cost function)值的移动向量；该精细调整步骤依据具有最小成本函数值的移动向量，进行精细调整，以获得最后移动向量。
依据本发明的另一特色，是提出一种多个参考帧的移动估测方法，其是运用于一影像图框序列编码中，该影像图框序列包含一当前帧Fn及若干个参考帧，该若干个参考帧在时间上是在当前帧Fn之前，依序标注为Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k，n及k为整数，当前帧分成若干个区块，该方法是找出当前帧中的一区块在若干个参考帧中最佳移动向量(motion vector、MV)，该方法包含区块比对步骤、移动向量组合步骤、选择步骤、精细调整步骤及全域选择步骤该区块比对步骤对当前帧区块与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对，以获得一移动向量(motion vector、MV)；该移动向量组合步骤是由该当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量，组合而成当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量；该选择步骤由移动向量组合步骤所产生的若干个移动向量中，选择一具有最小第一成本函数(cost function)值的移动向量，该精细调整步骤依据具有最小第一成本函数值的移动向量，进行精细调整，以获得最后移动向量；该全域选择步骤是由当前帧区块至参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k的最后移动向量中，选择一具有最小第二成本函数值的移动向量，作为该当前帧中该区块的最佳移动向量。
由于本发明设计新颖，能提供产业上利用，且确有增进功效，故依法申请发明专利。
附图说明
图1是显示一移动向量搜寻时所使用多个参考帧的示意图。
图2是显示一位于当前帧中的影像区块及其邻近的影像区块。
图3是显示本发明快速多个参考帧的移动估测方法的流程图。
图4是显示该影像图框序列的示意图。
图5是本发明移动向量组合的示意图。
图6是本发明快速多个参考帧的移动估测方法与公知技术的平均平方误差长条图。
图7(A)、图7(B)、图7(C)及图7(D)是显示本发明的快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)方法与公知全域搜寻区块比对方法比较的仿真结果示意图。
图号说明
参考帧12、14、16、18、20、22
区块26、28、30、32、34、410、420、430
具体实施方式
图3是显示本发明的一种快速多个参考帧的移动估测(Fast MultipleReference Frame-Motion Estimation、FastMRF-ME)方法的流程图，该方法是运用于一影像图框序列编码中。并请参考图4，其是该影像图框序列的示意图。该影像图框序列包含一当前帧Fn及若干个参考帧，该若干个参考帧在时间上是在当前帧Fn之前，依序标注为Fn-1、Fn-2、Fn-3、...、Fn-(k-1)及Fn-k，该当前帧Fn分成若干个区块(block)，方法是找出当前帧Fn中的一区块410在该若干个参考帧(Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k)中最佳移动向量(motion vector、MV)。
首先，在步骤S310中执行一区块比对步骤，其是对该当前帧Fn中的区块410与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对，以获得一移动向量MVn(1)，其中区块420是区块410在参考帧Fn-1中最佳的比对位置区块。该特定方式的区块比对方法可为全域搜寻区块比对(full-search block-matching)法、钻石搜寻(diamond search)法、三步骤搜寻(three step search)法、四步骤搜寻(four step search)法、六边型搜寻(hexagon Search)法或二维对数(2Dlogarithmic search)法等其中之一。
在步骤S320中，设定k为2，表示该当前帧Fn中的区块410将由参考帧Fn-2中找寻其相对应的移动向量MVn(2)。
在步骤S330中，执行一移动向量组合步骤。是由当前帧Fn中的区块410至参考帧Fn-(k-1)的移动向量的移动向量MVn(k-1)与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-(k)的移动向量MVn-(k-1)(1)，组合而成当前帧Fn区块至参考帧Fn-(k)的移动向量MVn(k)。当k＝2时，表示由当前帧Fn区块410至参考帧Fn-2的移动向量MVn(2)是由当前帧Fn中的区块410至参考帧Fn-1的移动向量的移动向量MVn(1)与参考帧Fn-1至参考帧Fn-2的移动向量MVn-1(1)相加而得到，移动向量MVn-1(1)是参考帧Fn-1中的区块420与其前一个参考帧Fn-2进行特定方式的区块比对所获得的移动向量，其中区块430是区块420在参考帧Fn-2中最佳的比对位置。由于本发明方法是使用于影像图框序列中的每一图框，因此在对该参考帧Fn-1编码时就已经将移动向量MVn-1(1)算出。
图5是移动向量组合的示意图，其中，区块410是一4×8大小的区块，移动向量MVn(1)是当前帧Fn中的区块410与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对所获得移动向量，而区块420是区块410在参考帧Fn-1中最佳的比对位置区块。由于区块420在参考帧Fn-1中是跨越区块1、2、3、4、5及6，区块1、2、3、4、5及6是分别为4×4大小的区块。区块1与其前一个参考帧Fn-2的移动向量为MVn-1(1)_1，区块2与其前一个参考帧Fn-2的移动向量为MVn-1(1)_2，同理，区块6与其前一个参考帧Fn-2的移动向量为MVn-1(1)_6。因此在于步骤S330中组合移动向量MVn(2)时，会有MVn(2)_1、MVn(2)_2、...、MVn(2)_6六组候选的移动向量，其中移动向量MVn(2)_1是移动向量MVn(1)与移动向量MVn-1(1)_1相加，移动向量MVn(2)_2是移动向量MVn(1)与移动向量MVn-1(1)_2相加，...，移动向量MVn(2)_6是移动向量MVn(1)与移动向量MVn-1(1)_6相加。
在步骤S340中执行一选择步骤，其是由移动向量组合步骤所产生的六组候选的移动向量(MVn(2)_1、MVn(2)_2、...、MVn(2)_6)中，选择一具有最小成本函数(cost function)值的移动向量，作为当前帧Fn区块410至参考帧Fn-2的选择移动向量SMVn(2)。该成本函数为J(m，λmotion)＝SAD(s，c(m))+λmotion·R(m-p)，m＝(mx，my)T为一移动向量(MV)，p＝(px，py)T为一预测移动向量(PMV)，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2为一修正参数。
步骤S350中执行精细调整步骤，依据于步骤S340中所选取的具有最小成本函数值的选择移动向量SMVn(2)，进行精细调整，以获得最终移动向量。精细调整是将具有最小成本函数值的选择移动向量SMVn(2)进行±I个像素调整，再选出具有最小成本函数值的移动向量作为最终移动向量，其中I为1～5的整数，在本实施例中，I为1。也就是此时可获得当前帧Fn区块410至参考帧Fn-2的最终移动向量MVn(2)。再请参考图4，图中MVn(2)、MVn(3)、...、MVn(k)均指最终移动向量，由图4中可以清楚地看出，本发明快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)的计算只需对当前帧Fn中的区块410与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对比对，即可通过移动向量组合，而获得当前帧Fn中的一区决410在参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k中移动向量(motionvector、MV)。
在步骤S360中，判断是否完成当前帧Fn中的一区块410在参考帧Fn-k中移动向量(motion vector、MV)，若否，将k值加1，再执行步骤S330。若是，则执行步骤S370。
执行步骤S370时，是表示该当前帧Fn区块410至参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k的最后移动向量MVn(2)、MVn(3)、...、MVn(k)均已获得。在步骤S370中，由该当前帧区块至参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k的最终移动向量MVn(2)、MVn(3)、...、MVn(k)中，选择一具有最小成本函数值的移动向量，作为当前帧Fn中区块410的最佳移动向量。对于不同参考帧的成本函数需要考虑R’(ref)，R’(ref)是参考帧的信息，因此此处的成本函数为J(m，ref，λmotion)＝SAD(s，c(m，ref))+λmotion·(R(m-p)+R’(ref))，m＝(mx，my)T为一移动向量(MV)，p＝(px，py)T为一预测移动向量(PMV)，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2为一修正参数，ref为参考帧，R’(ref)是参考帧的信息。
于本实施例中，该当前帧Fn区块410大小16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8及4×4像素。
本发明的快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)主要是利用多个参考帧之间的关连性，该关连性可用移动向量相加的观念予以阐述。也就是MVn(k)＝MVn(k-1)+MVn-(k-1)(1)，其中，MVn(k)代表当前帧Fn中一区块至参考帧Fn-k的移动向量，MVn(k-1)代表当前帧Fn中该区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量，MVn-(k-1)(1)代表参考帧Fn-(k-1)中对应区块至参考帧Fn-k的移动向量。图6是一平均平方误差(mean square error)长条图(histogram diagram)，其是移动向量MVn(2)与组合移动向量MVn(1)+MVn-1(1)的比较。该移动向量MVn(2)是当前帧Fn中一区块至参考帧Fn-2的移动向量，其是通过全域搜寻区块比对(full-search block-matching)而获得。由图6可知，有95.16％的组合移动向量MVn(1)+MVn-1(1)与移动向量MVn(2)的平均平方误差(mean square error)小于一个像素。因此本发明的快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)不仅具有实用性，且可解决全域搜寻区块比对(full-search block-matching)所产生计算量庞大的问题。
本发明快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)的计算只需对当前帧Fn中的区块410与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对。因为在移动向量组合时，先前的移动向量均已求出。表1是本发明快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)及全域搜寻区块比对(full-search block-matching)法的每一次呼叫时的平均计算次数的比较，表中明显地显示，本发明快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)方法的速度有明显的增加。计算减少(ComputationReduction)比例可由两个方法执行时比例 TFullSearch/ TFastMRF-ME所算出，其中T代表全域搜寻区块比对(full-search block-matching)法所有执行时间，其是在一台具有2GHzP4处理器的个人计算机上执行。
表1
影像序列(Sequence) 分辨率(Resolution)   搜寻范围(SearchRange)   计算减少(ComputationReduction)
  Mobile   CIF，300frame   ±32   2.85
  Tempete   CIF，260frame   ±32   2.77
  Foreman   CIF，300frame   ±32   2.83
  Carphone   QCIF，382frame   ±32   3.07
图7(A)、7(B)、7(C)及7(D)是显示本发明的快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)方法与公知全域搜寻区块比对(full-search block-matching)方法比较的仿真结果。一些CIF大小的影像数据流是用于仿真中。图中，本发明的快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)方法在峰值信号噪声比(peaksignal-to-noise ratio、PSNR)上非常接近使用5个参考帧的全域搜寻区块比对(5refFullSearch)，且其峰值信号噪声比(PSNR)较使用1个参考帧的全域搜寻区块比对(1ref)为佳。
综上所述，本发明快速多个参考帧的移动估测(FastMRF-ME)的计算只需对当前帧Fn中的区块410与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对，再通过移动向量组合，可获得当前帧Fn中的一区块410在参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k中移动向量(motion vector、MV)。而可解决公知技术所产生计算量庞大的问题，增加编码时的效率。
上述较佳具体实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的保护范围自应以权利要求中所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (17)

1.一种多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：运用于一影像帧序列编码中，该影像帧序列包含一当前帧Fn及若干个参考帧，该若干个参考帧在时间上是在当前帧Fn之前，依序标注为Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k，n及k为整数，当前帧分成若干个区块，该方法是找出当前帧中的一区块在若干个参考帧中移动向量，该方法包含：
一区块比对步骤，对当前帧区块与前一个参考帧Fn-1进行特定方式的区块比对，以获得一移动向量；
一移动向量组合步骤，是由当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量，组合而成当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量；
一选择步骤，由移动向量组合步骤所产生的若干个移动向量中，选择一具有最小成本函数值的移动向量；以及
一精细调整步骤，依据具有最小成本函数值的移动向量，进行精细调整，以获得最后移动向量。
2.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：还包含：
一全域选择步骤，当前帧区块至参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k的最后移动向量中，选择一具有最小成本函数值的移动向量，作为当前帧中区块的最佳移动向量。
3.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：特定方式的区块比对可为全域搜寻区块比对法、钻石搜寻法、三步骤搜寻法、四步骤搜寻法、六边型搜寻法或二维对数法其中之一。
4.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：移动向量组合步骤是将当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量相加，而获得当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量。
5.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：选择步骤的成本函数为J(m，λmotion)＝SAD(s，c(m))+λmotion·R(m-p)，m＝(mx，my)T：为一移动向量(MV)，p＝(px，py)T：为一预测移动向量，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2：为一修正参数。
6.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：精细调整步骤是将具有最小成本函数值的移动向量进行±I个像素调整。
7.如权利要求6所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：I为1～5的整数之一。
8.如权利要求2所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：全域选择步骤的成本函数为J(m，ref，λmotion)＝SAD(s，c(m，ref))+λmotion·(R(m-p)+R’(ref))，m＝(mx，my)T为一移动向量，p＝(px，py)T为一预测移动向量，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2为一修正参数，ref为参考帧，R’(ref)是参考帧的信息。
9.如权利要求1所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：当前帧区块大小可为下列之一：16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8及4×4像素。
10.一种多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：运用于一影像帧序列编码中，影像帧序列包含一当前帧Fn及若干个参考帧，该若干个参考帧在时间上是在当前帧Fn之前，依序标注为Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k，n及k为整数，当前帧分成若干个区块，该方法是找出当前帧中的一区块在若干个参考帧中最佳移动向量，该方法包含：
一特定方式的区块比对步骤，对该当前帧区块与前一个参考帧Fn-1进行一特定方式的区块比对，以获得一移动向量；
一移动向量组合步骤，是由当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量，组合而成当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量；
一选择步骤，由移动向量组合步骤所产生的若干个移动向量中，选择一具有最小第一成本函数值的移动向量；
一精细调整步骤，依据具有最小第一成本函数值的移动向量，进行精细调整，以获得最后移动向量；以及
一全域选择步骤，是由当前帧区块至参考帧Fn-1、Fn-2、...、Fn-(k-1)及Fn-k的最后移动向量中，选择一具有最小第二成本函数值的移动向量，作为当前帧中区块的最佳移动向量。
  11.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：该移动向量组合步骤是将当前帧区块至参考帧Fn-(k-1)的移动向量与参考帧Fn-(k-1)至参考帧Fn-k的移动向量相加，而获得当前帧区块至参考帧Fn-k的移动向量。
12.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：该特定方式的区块比对可为全域搜寻区块比对法、钻石搜寻法、三步骤搜寻法、四步骤搜寻法、六边型搜寻法或二维对数法其中之一。
13.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：该选择步骤的第一成本函数为J(m，λmotion)＝SAD(s，c(m))+λmotion·R(m-p)，m＝(mx，my)T：为一移动向量，p＝(px，py)T：为一预测移动向量，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2：为一修正参数。
14.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：该精细调整步骤是将具有最小第一成本函数值的移动向量进行±I个像素调整。
15.如权利要求14所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：I为1～5的整数之一。
16.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：该全域选择步骤的第二成本函数为J(m，ref，λmotion)＝SAD(s，c(m，ref))+λmotion·(R(m-p)+R’(ref))，m＝(mx，my)T为一移动向量，p＝(px，py)T为一预测移动向量，R(m-p)为一移动向量信息，λmotion＝(0.85·2QP/3)1/2为一修正参数，ref为参考帧，R’(ref)是参考帧的信息。
17.如权利要求10所述的多个参考帧的移动估测方法，其特征在于：当前帧区块大小可为下列之一：16×16、16×8、8×16、8×8、8×4、4×8及4×4像素。
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