CN1871859A - 功率最佳化的共位运动估测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在适用于对帧序列进行处理的设备中的运动估测方法，帧被分成数据样本块。所述运动估测方法包括根据包含在当前帧(CF)中的当前块(cb)和包含在参考帧(RF)内的参考块(rb)计算与运动向量候选对象(MV)相关的残余误差块的步骤，所述参考块在参考帧中的位置与当前块在当前帧中的位置相同。运动向量候选对象定义包含参考块的第一参考部分(rbp1)的虚拟块(vb)关于所述参考块的相对位置。然后由下述值计算残余误差块：第一参考部分的数据样本与相应的当前块的第一当前部分(cbp1)的数据样本之间的第一差值，和虚拟块的与第一参考部分互补的第二参考部分(pred)的数据样本的预测值与当前块的与第一当前部分互补的第二当前部分(cbp2)的数据样本之间的第二差值。

Description

功率最佳化的共位运动估测方法
技术领域
本发明涉及一种适用于处理帧序列的运动估测方法和设备，其中帧被分成数据样本块。
本发明涉及包括这种运动估测方法的基于预测块的编码方法。还涉及相应的编码器。
本发明最后涉及一种用于实现所述运动估测方法的计算机程序产品。
本发明尤其与内置有数字视频编码器的产品有关，比如，家用服务器、数字视频记录器、摄放像机，尤其是移动电话或个人数字助理，包括内置相机的所述设备能够获取视频数据和能够在发送视频数据之前对视频数据进行编码。
背景技术
在常规的视频编码器内，大多数存储器转储(因而大部分的能量消耗)来自于运动估测。运动估测是依据率失真标准、当前决与候选参考块之间的差来寻找当前块与一组数个候选参考块之间的最佳匹配，其中当前块与候选参考块之间的差形成残余误差块，失真值由该残余误差块得出。不过，这样的运动估测方法并不是最佳的，尤其是在视频编码器嵌入在功率有限的便携设备中的情况下。
有几个设计者开发出了低功率方法。他们中的一些人提议进行计算简化：这些方法不够用了。其他人试图最小化存储器存取。
在空间域中，N.Chaddha和M.Vishwanath所著的标题为《A LowPower Video Encoder with Power，Memory and BandwidthScalability》的文章(9th International Conference on VLSIDesign，第358-263页，1996年1月)提出了基于分级向量量化的技术，这种技术赋予了编码器依据可用带宽和所需的视频质量改变其功耗的能力。
在时域中，C.De Vleeschouwer和T.Nilsson所著的标题为《Motion Estimation for Low-Power Devices》(ICIP2001，第953-959，2001年9月)提出了对常规的运动估测进行简化，但是要以降低压缩性能为代价。
这些现有技术的缺点要么是运动估测方法过度降低视频质量，要么就是并不能实现足够的存储器转储节约。
发明内容
本发明的目的是提出一种在保持满意的显示质量的同时减少存储器转储的有效方式。
为此，按照本发明的运动估测方法的特征在于，它包括根据包含在当前帧中的当前决和包含在参考帧内的参考决计算与运动向量候选对象相关的残余误差块的步骤，所述参考块在参考帧中的位置与当前块在当前帧中的位置相同，运动向量候选对象定义包含参考块的第一参考部分的虚拟块关于所述参考块的相对位置，残余误差块是由下列值计算出来的：
-第一参考部分的数据样本与相应的当前块的第一当前部分的数据样本之间的第一差值，和
-虚拟块的与第一参考部分互补的第二参考部分的数据样本的预测值与当前块的与第一当前部分互补的第二当前部分的数据样本之间的第二差值。
另一方面，按照本发明的运动估测方法仅仅使用范围有限的数据样本集，这个数据样本集是在参考帧中的位置与当前块在当前帧中的位置相同的参考块。所述参考块也称为共位块(collocated block)。由于使用了所述经过减小的数据样本集，按照本发明的运动估测方法是一种减小编码器和解码器中的存储器转储的有效方式。而且，降低相应视频编码电路的能耗提高了所述电路的可靠性，并且能够实现冷却强度的明显减弱。因此大大降低了生产成本。
另一方面，所述运动估测方法适用于确定参考块的第一参考部分和当前块的第一当前部分之间的运动向量，即，通过考虑所述当前和参考块中类似的部分来确定所述运动向量。如果参考块包括N×N个数据样本，则所述运动向量可以从(-N+1，-N+1)变化到(N-1，N-1)。此外，该运动估测方法适用于预测缺失的数据样本，即，属于虚拟块的第二参考部分的数据样本。在后面更加详细的介绍中，我们将会看出，这种预测可以按照不同的模式来完成。由于确定了运动向量和预测了相应的缺失数据样本，按照本发明的运动估测方法能够保持满意的显示质量。
从下文中介绍的实施例中，将会明显看出本发明的这些和其它方面，并且将会参照下文中介绍的实施例说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
现在将参照附图借助实例对本发明进行介绍，其中：
附图1是常规视频编码器的框图，
附图2表示常规的运动估测方法，
附图3A和3B表示按照本发明的运动估测方法，
附图4对应于所述运动估测方法的第一实施例，
附图5对应于所述运动估测方法的第二实施例，和
附图6对应于所述运动估测方法的第三实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种用在适用于对帧序列进行处理的设备中的运动估测方法，其中帧被分成数据样本块，例如视频数据样本情况下的像素。所述设备是例如适用于对所述帧序列进行编码的编码器。
本发明尤其专用于视频帧的编码。它可以用在MPEG-4或H.264视频编码器中，或者用在任何等效的基于失真的视频编码器中。不过，对于本领域技术人员而言，有一点是显而易见的，本发明还可以应用于音频帧序列的编码或任何其它等效的编码。
应当注意，本发明并不局限于编码，而是也可以应用于其它类型的处理，比如图像稳定，在这种处理中，计算视频帧不同数据块的平均值，以便确定所述帧的全局运动。这种图像稳定处理可以在摄放像机中、在电视接收机中或者在视频解码器中在进行了图像解码之后进行。
本运动估测方法可以在手持设备中实现，比如移动电话或内置相机，这些设备具有有限功率并且适用于对视频帧序列进行编码。
附图1表示用于对输入数据块IN进行编码的常规视频编码器。所述编码器包括：
-减法器，用于得出主残余误差块，
-离散余弦变换DCT单元(11)和量化Q单元(12)，用于连续变换和量化主残余误差块，
-可变长编码VLC单元(13)，用于给出由经过量化的数据块得出可变长编码的数据块，
-反量化IQ单元(14)和反离散余弦变换IDCT单元(15)，用于由经过量化的数据决得出副残余误差决，
-运动补偿MC单元(16)，用于使用运动向量为加法器和减法器得出经过运动补偿的数据块，减法器适用于从输入数据块中减去经过运动补偿的数据块，
-加法器，用于将经过运动补偿的数据块与副残余误差块相加，
-运动估测ME单元(18)，用于在参考帧中找出与输入数据块相关的参考数据块及其相应的运动向量，和
-外部帧存储器模块MEM(17)，该模块与运动补偿和运动估测单元相连。
这些常规的编码器基于DCT变换、标量量化和运动估测/补偿(ME/MC)。最后一项显然是最耗能的。在对块进行编码时，运动估测单元ME在属于参考帧RF1到RF3中的搜索区域SA的多个决中查找当前帧CF中当前决cb的最佳匹配块块，如附图2所示。这代表着要像素进行多次存取，所以要对存储器进行多次存取。搜索区域越大，存储器的大小越大，从而能耗就越大。
本发明提出用所谓的“共位运动估测”来取代常规的运动估测，这是一种范围受限的进行运动估测的方式，其中搜索区域包括经过缩小的像素组。为了在使用较少数据的同时保持符合标准的编码效率，本发明提出，对运动估测处理过程进行改造，并且将其与缺失像素的空间-时间预测混用。
附图3A和3B表示按照本发明的运动估测方法。
所述运动估测方法包括将帧分成等大小的像素块，例如N×N像素块，其中N是整数。
然后它包括根据包含在当前帧CF内的当前块cb和包含在参考帧RF中的参考块rb计算与运动向量候选对象MV相关的残余误差块的步骤。按照本发明，参考决在参考帧中的位置(i，j)与当前块在当前帧中的位置相同。换句话说，参考决与当前块共位。运动向量候选对象MV定义包含参考块rb的第一参考部分rbp1的虚拟块vb关于所述参考块的相对位置。
然后由下列值计算残余误差块：
-第一参考部分rbp1的数据样本与当前决的第一当前部分cbp1的相应数据样本之间的第一差值，第一当前部分cpb1相当于第一参考部分在当前帧中的投影按照运动向量候选对象MV进行平移的结果，和
-虚拟块的第二参考部分pred(该第二参考部分与第一参考部分互补)的数据样本的预测值与当前决的第二当前部分cbp2(该第二当前部分与第一当前部分互补)的数据样本之间的第二差值。
换句话说，我们令将要进行编码的位置(x，y)的像素的残余误差块值为r(x，y)。残余误差块值是按照下式计算的：
r(x，y)＝如果(x+vx，y+vy)∈rb
         rb(x+vx，y+vy)-cb(x，y)
否则
         pred(rb，cb(x，y))
其中pred(rb，cb(x，y))是使用参考块和所要编码的当前块的预测器，并且其中(vx，vy)是运动向量的坐标。
总地来说，第二参考部分pred的像素值是由参考决rb的像素值预测出来的，但并非必须如此，后面我们将会看出这一点。
这样的运动估测方法称为共位运动估测方法。按照所述共位运动估测，当前块cb(即，所要编码的块)的最佳匹配块是在参考块rb内搜索的。为此，所述运动估测方法适用于在参考块的第一参考部分与当前块的第一当前部分之间测试不同的运动向量候选对象MV，预定运动向量候选对象对应于预定大小的部分。因此如果参考块包括N×N个像素，则所述运动向量候选对象能够从坐标为(-N+1，-N+1)的运动向量Mvmin变化到坐标为(N-1，N-1)的运动向量Nvmax。
对一组运动向量候选对象重复进行计算残余误差块的步骤。按照本发明的运动估测方法此外还包括针对该组中的运动向量候选对象根据它们的相关残余误差块值计算失真值的步骤。该运动估测方法最后包括选择失真值最小的运动向量候选对象的步骤。
这一处理过程称为块匹配，并且基于例如按照本领域技术人员公知的原理进行的绝对差求和SAD计算。该计算步骤基于(作为其它实例)绝对平均误差MAE计算或者均方误差MSE计算。对本领域技术人员显而易见的是，失真值可以使用其它等价的计算过程来计算。例如，它可以基于残余误差块的熵h的和以及均方误差MSE。
按照常规的编码方案对残余误差块和选定的运动向量进行传送。
除了运动向量候选对象(0，0)之外，某些像素对于失真值的计算总是缺失的。可以使用多种预测缺失像素的方法。
附图4表示称为共位预测的所述运动估测方法的第一实施例。按照这种实施例，第二参考部分pred的像素p’的值是由与第二参考部分的像素按照运动向量候选对象MV的反向进行平移的结果相对应的像素的值得出的。换句话说，缺失像素p’是按照下式根据与当前像素cb(x，y)共位的像素rb(x，y)预测出来的：
pred(rb，cb(x，y))＝rb(x，y)-cb(x，y)。
注意，在附图4到6中，箭头diff1代表第一参考部分rbp1的像素与第一当前部分cbp1的相应像素之间的第一差值的计算，箭头diff2代表第二差值的计算。
附图5表示称为边缘预测的运动估测方法的第二实施例。按照这种实施例，第二参考部分的像素值是根据参考块的像素值的第一插值预测出来的。所述预测定位为下式：
pred(rb，cb(x，y))＝rb(proj(x)，proj(y))-cb(x，y)，
其中proj()函数适用于确定第二参考部分pred的像素p’关于参考块的水平和/或垂直边缘的对称像素p”和采用所述对称像素p”的值作为参考值rb(x”，y”)，如附图5所示。
附图6表示所述运动估测方法的第三实施例。它称为空间插值预测。按照这种实施例，第二参考部分pred的像素值是由第一参考部分的多个像素的像素值的插值得出的。例如，第二参考部分的像素p’的值是由属于参考块rb的与像素p’在同一行或同一列上的像素插值出来的。
按照本发明的另一种实施例，单独一个预测值pred_value是由参考块rb得出的。相应的残余误差块值是按照下式计算出来的：
r(x，y)＝cb(x，y)-pred_value
将pred_value设定为参考决rb值的平均值或参考块rb值的中值。
按照本发明的另一种实施例，进行严格的空间预测。在这种情况下，不使用参考块。预测值pred_value是当前块顶部的像素行L或当前块左侧的像素列C的平均值或中值，如附图3A所示。另一种可选方案是，预测值可以是恒定值，例如，如果像素值包含在0和255之间，则该恒定值为128。
对本领域的技术人员显而易见，也可以给出其它的确定预测值的方法。例如，可以是最频繁出现的值，即参考块rb的直方图的峰值，或者与行L、列C和/或参考块rb相关的值。
前文中的附图以及它们的说明适用于解释说明，而不是对本发明进行限定。对于本领域的技术人员，显然，有很多落在所附权利要求的范围之内的其它可选方案。
例如可以利用仅仅一个预测函数使用按照本发明的运动估测方法，或者利用前面所述的多个预测函数使用按照本发明的运动估测方法，各个预测函数是共同起作用的，而且运动向量本身也是共同起作用的，并且是借助失真标准选定的。
共位运动搜索可以基于三维递归搜索3DRS，或者分级块匹配算法HBMA的算法。可以以同样的方式采用子像素细分。运动并不局限于平移；它例如可以支持仿射模型。
所提出的方法可以应用于任何使用由于带宽有限或由于能耗过高而构成瓶颈的外部存储器的视频编码设备。后一原因在移动设备中尤其严重，在移动设备中，延长电池使用时间是关键要素。它代替任何类型的编码器内的常规运动估测。它可以用在例如家用网络或代码转换应用中。
按照本发明的运动估测方法可以借助硬件或软件产品或者二者来实现。所述的硬件或软件产品可以分别以多种方式实现，比如借助线接电子电路或借助适当程控的集成电路。集成电路可以包含在编码器内。集成电路包括指令集。这样，所述包含在编码器存储器内的指令集可以使编码器执行该运动估测方法的不同步骤。该指令集可以通过读取诸如盘之类的数据载体来加载到程控存储器内。服务提供商还可以使得指令集可以通过诸如因特网之类的通信网络得到。
所附权利要求中的任何附图标记都不应认为是对权利要求的限定。显而易见的，使用词“包括”及其同义词并不排除除了任何权利要求中定义的步骤或单元之外还存在任何其它步骤或单元的可能。置于单元或步骤之前的词“一个”或“一”并不排除存在多个这样的单元或步骤的可能。

Claims (11)

1.一种用在适用于对帧序列进行处理的设备中的运动估测方法，帧被分成数据样本块，所述运动估测方法包括根据包含在当前帧(CF)中的当前块(cb)和包含在参考帧(RF)内的参考块(rb)计算与运动向量候选对象(MV)相关的残余误差块的步骤，所述参考块在参考帧中的位置与当前块在当前帧中的位置相同，运动向量候选对象定义包含参考块的第一参考部分(rbp1)的虚拟块(vb)关于所述参考块的相对位置，残余误差块是由下列值计算出来的：
-第一参考部分的数据样本与相应的当前块的第一当前部分(cbp1)的数据样本之间的第一差值，和
-虚拟块的与第一参考部分互补的第二参考部分(pred)的数据样本的预测值与当前块的与第一当前部分互补的第二当前部分(cbp2)的数据样本之间的第二差值。
2.按照权利要求1所述的运动估测方法，其中第二参考部分的数据样本值是由参考块的数据样本值预测出来的。
3.按照权利要求2所述的运动估测方法，其中第二参考部分的数据样本值是由与当前块的当前数据样本共位的参考块的数据样本值得出的。
4.按照权利要求2所述的运动估测方法，其中第二参考部分的数据样本值是由参考块的至少一个数据样本值的插值得出的。
5.按照权利要求1所述的运动估测方法，其中对一组运动向量候选对象重复进行计算残余误差块的步骤，该运动估测方法此外还包括针对所述组中的运动向量候选对象根据它们的相关残余误差块值计算失真值的步骤。
6.按照权利要求5所述的运动估测方法，还包括选择失真值最小的运动向量候选对象的步骤。
7.按照权利要求6所述的运动估测方法，其中第二差值是按照不同的预测模式计算出来的，这些预测模式对于选择失真值最小的运动向量候选对象是共同起作用的。
8.一种对帧序列进行编码的基于预测块的编码方法，所述编码方法包括权利要求1所述的用于将运动向量计算到期望的精度的运动估测方法，所述编码方法此外还包括对所述运动向量及其相关残余误差块进行编码的步骤。
9.一种适用于对帧序列进行处理的运动估测设备，帧被分成数据样本块，所述设备包括用于根据包含在当前帧中的当前块(cb)和包含在参考帧内的参考块(rb)计算与运动向量候选对象(MV)相关的残余误差块的装置，所述参考块在参考帧中的位置与当前块在当前帧中的位置相同，运动向量候选对象定义包含参考块的一部分(rbp1)的虚拟块(vb)关于所述参考块的相对位置，该计算装置配置为使得残余误差块是由下列值计算出来的：
-第一参考部分的数据样本与相应的当前块的第一当前部分(cbp1)的数据样本之间的第一差值，和
-虚拟块的与第一参考部分互补的第二参考部分(pred)的数据样本的预测值与当前块的与第一当前部分互补的第二当前部分(cbp2)的数据样本之间的第二差值。
10.一种对帧序列进行编码的编码器，包括权利要求9所述的用于将运动向量计算到期望的精度的运动估测设备，和用于对所述运动向量及其相关残余误差块进行编码的装置。
11.一种计算机程序产品，包括用于在由处理器执行所述程序的时候实现权利要求1所述的运动估测方法的程序指令。
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