TW201521429A - 用於移動估計的視訊前處理方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本提案提供用於移動估計的視訊前處理一種方法和一種裝置。首先接收視訊中的第一影像，其由多個第一區塊組成，各對應一個第一像素矩陣。對每一第一區塊計算相似性描述，亦計算視訊中第二影像的一個第二區塊的相似性描述，此第二區塊對應第二像素矩陣和前述第一區塊中的一個參考區塊。相似性描述用以指示像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同。最後判斷第二區塊與參考區塊的相似性描述是否相同，以產生判斷結果，並據以選擇性地對第二區塊進行移動估計。

Description

用於移動估計的視訊前處理方法與裝置
本提案係關於視訊處理，特別係關於移動估計(motion estimation)的運算資源用量的前處理裝置與方法。
移動估計係視訊壓縮的重要步驟之一。視訊編解碼器中的移動估計功能區塊以移動向量(motion vector)描述視訊於連續兩張訊框(frame)之間的變化。一般而言，移動估計功能區塊自視訊源取得待處理的訊框，但用以與之比較的前一訊框已離開視訊源，需自訊框緩衝器(frame buffer)取得，此舉往往佔去訊框緩衝器有限對外頻寬的大部，影響視訊編解碼效能。
高階視訊編碼(Advanced Video Coding，簡稱AVC)和後繼的高效率視訊編碼(High Efficiency Video Coding，簡稱HEVC)等標準對三維(three-dimensional，簡稱3D)視訊的擴充章節在拍攝而得的一般影像之外亦會壓縮描述視訊中各區塊與攝影機距離的深度圖(depth map)，對於視訊編解碼器要求更甚。
鑒於上述問題，本提案旨在提供用於移動估計的 視訊前處理的一種方法與一種裝置，藉描述影像中像素的相似性，選擇性地執行視訊壓縮中移動估計。
本提案提供之用於移動估計的視訊前處理方法 包含：接收視訊中的第一影像，其由多個第一區塊組成，各對應一個第一像素矩陣；對每一第一區塊計算相似性描述，其用以指示第一像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同；計算視訊中第二影像的一個第二區塊的相似性描述，此第二區塊對應第二像素矩陣和前述第一區塊中的一個參考區塊，其相似性描述用以指示第二像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同；判斷第二區塊與參考區塊的相似性描述是否相同，以產生判斷結果；以及依據該判斷結果，選擇性地對第二區塊進行移動估計。
本提案提供之用於移動估計的視訊前處理裝置包含相似性描述模組、儲存模組、判斷模組和移動估計模組。相似性描述模組用以接收視訊中的第一影像，其由多個第一區塊組成，各對應一個第一像素矩陣，用以對每一第一區塊計算相似性描述，以及用以計算視訊中第二影像的一個第二區塊的相似性描述，此第二區塊對應第二像素矩陣和前述第一區塊中的一個參考區塊。每一個第一區塊對應著一個第一像素矩陣，且其相似性描述用以指示第一像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同。第二區塊對應第二像素矩 陣，且其相似性描述用以指示第二像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同。儲存模組耦接相似性描述模組，用以儲存第一區塊與第二區塊的相似性描述。判斷模組耦接儲存模組，用以判斷第二區塊與參考區塊相似性描述是否相同，以產生判斷結果。移動估計模組受控於判斷結果，用以對第二區塊進行移動估計。
綜上所述，本提案提供之用於移動估計的視訊前 處理方法與裝置藉比較相似性描述快速判斷是否對第二影像的某一區塊進行移動估計。不需進行移動估計時可以不需要額外地載入第一影像。在一實施例中，若需進行移動估計，則依據第一影像各區塊的相似性描述重建第一影像，只在必要時才載入部分的第一影像。
以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方 式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。
1‧‧‧用於移動估計的視訊前處理裝置
10‧‧‧相似性描述模組
12‧‧‧儲存模組
14‧‧‧判斷模組
16‧‧‧重建模組
18‧‧‧移動估計模組
2‧‧‧視訊源
3‧‧‧訊框緩衝器
S20-S516‧‧‧步驟
第1圖係包含依據本提案一實施例的用於移動估計的視訊前處理裝置的高階方塊圖。
第2圖係依據本提案一實施例用於移動估計的視訊前處理的流程圖。
第3圖係一像素矩陣的示意圖。
第4圖係依據本提案一實施例計算相似性描述的流程圖。
第5圖係依據本提案一實施例重建第一區塊的流程圖。
以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵 以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。
請參見第1圖。第1圖係包含依據本提案一實施 例的用於移動估計的視訊前處理裝置的高階方塊圖。如第1圖所示，用於移動估計的視訊前處理裝置1包含相似性描述模組10、儲存模組12、判斷模組14、重建模組16和移動估計模組18。儲存模組12可以是一個緩衝器(buffer)，用以儲存相似性描述模組10的運算結果。相似性描述模組10、移動估計模組18和訊框緩衝器3皆可自視訊源2接收目前待處理的影像。離開視訊源2的過去影像暫存於訊框緩衝器3。重建模組16可自訊框緩衝器3視需求載入這些過去影像的部分位元(bit)。在一實施例中，上述各模組可以積體電路實現。在另一實施例中，用於移動估計的視訊前處理裝置1更包含處理器，用以自一或多個記憶模組讀取至少一份可讀取程式碼，以完成上述各模組之功能。
請配合第1圖參見第2圖。第2圖係依據本提案 一實施例用於移動估計的視訊前處理的流程圖。如第2圖所示，於步驟S20中，相似性描述模組10自視訊源2接收一視訊中的一張第一影像，第一影像可分割為多個第一區塊，每個第一區塊都對應一個第一像素矩陣。(同時，第一影像離開視訊源2，進入訊框緩衝器3。)於步驟S21中，相似性描述模組10計算每一個第一區塊的相似性描述，並儲存至儲存模組12。接著，相似性描述模組10自視訊源2接收同一視訊中的一張第二影像，以於步驟S23中計算第二影像中一個第二區塊的相似性描述。(同時，第二影像離開視訊源2，為移動估計模組18所接收。)一般而言，第一影像和第二影像是視訊中連續的兩個訊框，所謂對第二影像的某個區塊進行移動估計是指求出彼區塊和第一影像中對應的一個參考區塊(如兩個區塊顯示著同樣或近似的物體)在視訊進程中的相對移動向量。在本實施例中，本提案先取在第一影像中和第二區塊在第二影像中具有相同相對位置的區塊作為參考區塊；在其他實施例中，參考區塊於第一影像中的相對位置和第二區塊於第二影像中的相對位置可由第一或第二影像的座標系中某個預測的向量指定。於步驟S25中，判斷模組14自儲存模組12取得第二區塊和參考區塊相似性描述。在另一實施例中，判斷模組14可連接相似性描述模組10，直接取得第二區塊的相似性描述。若判斷模組14認為第二區塊和參考區塊的 相似性描述相同，則指示移動估計模組18跳過對第二區塊的移動估計。在參考區塊和第二區塊的相對位置相同的實施例中，這意味著移動估計模組18於步驟S27中將關聯於第二區塊的一個移動向量直接設為零向量(null vector)；在其他實施例中，關聯於第二區塊的移動向量便是前述預測的向量。
若判斷模組14認為第二區塊和參考區塊的相似 性描述不相同，則於步驟S29中重建模組16自儲存模組12取得所有第一區塊的相似性描述，並據以重建第一影像；相似性描述不足以描述的部分由重建模組16自訊框緩衝器3載入。重建的第一影像係為移動估計模組18所用。請注意判斷模組14、重建模組16和移動估計模組18三者有多種連接方式，第1圖所示僅為一例。在此例中，可能判斷模組14指示移動估計模組18需進行移動估計後，移動估計模組18向重建模組16要求第一影像，重建模組16再自儲存模組12拿取相似性描述；或者，重建模組16無論如何會依據所有第一區塊的相似性描述重建出第一影像，移動估計模組18可視判斷模組14的指示拿取或忽略。在另一實施例中，判斷模組14同時連接重建模組16和移動估計模組18，因此重建模組16不待移動估計模組18要求就可進行第一影像的重建。
移動估計模組18以重建的第一影像對第二區塊 進行移動估計。具體來說，移動估計模組18可實作區塊比對(block matching)、像素遞迴(pixel recursion)、相位相關 (phase correlation)或一般化的光流(optical flow)演算法等技術，凡本提案所屬領域具通常知識者應可自由設計。
第一或第二區塊的相似性描述係對其對應的像 素矩陣運算所得。像素矩陣沿第一軸向具有m排，沿一第二軸向具有n排，m係不小於1的正整數，n係大於1的正整數。 第3圖所示即像素矩陣之一例。在第3圖中，第一軸向指的是橫向，因此m=5，m排又可稱為m行(column)；第二軸向指的是縱向，因此n=4，n排又可成為n列(row)。請注意在其他實施例中，第一軸向也可以指縱向，而第二軸向可以指橫向，甚或其他非直交的基向量(basis)。第3圖亦將行和列的序數標記於像素矩陣的邊上；此序數可被任意掉換。
請配合第3圖參見第4圖。第4圖係依據本提案 一實施例計算相似性描述的流程圖。如第4圖所示，於步驟S41中，相似性描述模組10判斷第1列上的5個像素是否具有相同的像素值；若是則設第一真偽值(truth value或Boolean value)為1，若否(有任何一個像素和其他的不一樣)則第一真偽值為0。這裡所謂的像素值指的是像素所存的資料。於全彩圖中像素值可能指色相(hue)、色調(tone)、飽和度(saturation)和/或亮度(lightness)等等，於深度圖中像素值可能指的是灰階(grayscale)值。由於第1列是所有的值都是32，關聯於此像素矩陣(和對應此像素矩陣的影像區塊)的第一真偽值為1。實務上計算第一真偽值可先判斷第1 列中兩兩相鄰的像素是否具有同樣的像素值，以求得多個真偽值(以第3圖的像素矩陣為例為m-1=4個)，再比對這些真偽值(如「且」〔AND、相乘〕或其他邏輯運算)，得到第一真偽值。
接著，相似性描述模組10判斷第i列和第i-1列 是否完全相同(i係大於1且不大於n的正整數)。細部而言，假設i=3，於步驟S43中，相似性描述模組10比較第3列上第一個像素(65)和第2列上對應的像素；在一實施例中，對應的像素指的是同一行上的像素，也就是第2列上最左邊的48。65不等於48，所以關聯於第3列上第一個像素的第三真偽值是0。以此類推，事實上第3列上所有像素的第三真偽值都是0，但第4列上所有像素的第三真偽值都是1，因為第3列和第4列完全相同。於步驟S45中，相似性描述模組10比對一列上所有的第三真偽值(如邏輯「且」運算)，得到第二真偽值。由於第3列上有第三真偽值是0，關聯於第3列的第二真偽值也是0；第4列和第3列完全相同，因此關聯於第4列的第二真偽值是1。最後於步驟S47中，相似性描述模組10將上述的第一真偽值、(每一列的)第二真偽值和一錨點像素的像素值作為對應此像素矩陣的影像區塊的相似性描述儲存至儲存模組12。錨點像素是第1列上的任意像素，如第1行第1列的像素(32)。在此例中，相似性描述可以數組(32,h=1,v 2=0,v 3=0,v 4=1)表示，其中h為第一真偽值，v i 為關 聯於第i列的第二真偽值。
有了全部第一區塊的相似性描述，重建模組16 便可逐區塊重建出完整的第一影像。第5圖即依據本提案一實施例重建第一區塊的流程圖。配合第3圖，如第5圖所示，重建模組16自儲存模組12取得某第一區塊的相似性描述後，於步驟S500中，重建模組16判斷第一真偽值是否為1；若否則代表此第一區塊的像素矩陣第1列的像素不全然相同，重建模組16於步驟S506中自訊框緩衝器3讀入第1列的諸位元；若是則代表第1列包括錨點像素的所有像素的像素值相同，重建模組16於步驟S503中複製相似性描述中錨點像素的像素值即可還原出第1列。於步驟S510中，重建模組16依序判斷各第二真偽值是否為1。承上段例，v 2=0，亦即第2列和第1列不完全相同，因此重建模組16於步驟S516中自訊框緩衝器3讀入第2列的諸位元。第3列的情形類似，但v 4=1，重建模組16可於步驟S513中複製第3列還原出第4列。
在本提案一實施例中，相似性描述尚記錄有關聯 於第1列的第二真偽值v 1。v 1可以是相似性描述模組10以其之前處理的區塊的最後一列和現在區塊的第1列比較所得。 在如第5圖的重建區塊的流程中，重建模組16亦可於步驟S500前先判斷v 1是否為1；若是則依據前一區塊還原第1列並執行步驟S510；若否則執行步驟S500。
綜上所述，本提案提供之用於移動估計的視訊前 處理方法與裝置以相似性描述為影像的摘要，藉比較摘要即可快速判斷是否對第二影像的某一區塊進行移動估計，直接或間接地減少移動估計的運算資源用量，對壓縮色彩單純平坦的深度圖特別有效。
雖然本提案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (22)

  1. 一種用於移動估計的視訊前處理方法，包含：接收一視訊中的一第一影像，該第一影像由多個第一區塊組成，每一該第一區塊對應一第一像素矩陣；對每一該第一區塊，計算該第一區塊的相似性描述，該第一區塊的相似性描述用以指示該第一像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同；計算該視訊中一第二影像的一第二區塊的相似性描述，該第二區塊對應該些第一區塊中一參考區塊，該第二區塊對應一第二像素矩陣，該第二區塊的相似性描述用以指示該第二像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同；判斷該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描述是否相同，以產生一判斷結果；以及依據該判斷結果，選擇性地對該第二區塊進行移動估計。
  2. 如請求項1所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中該些第一像素矩陣或該第二像素矩陣沿一第一軸向具有m排，沿一第二軸向具有n排，m係不小於1的正整數，n係大於1的正整數，計算該些第一區塊或該第二區塊的相似性描述的步驟包含： 判斷該n排中第1排上所有的像素是否具有相同的像素值，以獲得一第一真偽值；以及判斷該n排中的第i排與第i-1排是否特徵相同，以獲得關聯於該n排中第i排的一第二真偽值，i係大於1且不大於n的正整數；其中該些第一區塊或該第二區塊的相似性描述包含該第一真偽值、該第二真偽值以及該n排中第1排上一錨點像素的像素值。
  3. 如請求項2所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中判斷該n排中的第i排與第i-1排是否特徵相同以獲得該第二真偽值的步驟包含：對該n排中第i排上的每一像素，判斷該像素與該n排中第i-1排上對應該像素的另一像素是否具有相同的像素值，以獲得一第三真偽值；以及比對該些第三真偽值，以獲得該第二真偽值。
  4. 如請求項3所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中比對該些第三真偽值的步驟係計算該些第三真偽值的乘積。
  5. 如請求項3所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中該像素與另一該像素位於該m排其中之一。
  6. 如請求項2所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中當該判斷結果指示該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描述不相同時，對該第二區塊進行移動估計。
  7. 如請求項6所述用於移動估計的視訊前處理方法，更包含：依據該些第一區塊的相似性描述，重建該第一影像。
  8. 如請求項7所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中依據該些第一區塊的相似性描述重建該第一影像的步驟包含：對每一該第一區塊，當該第一區塊的相似性描述的該第一真偽值指示真時，依據該錨點像素的像素值，重建該n排中的第1排所對應的部分的該第一區塊；對每一該第一區塊，當該第一區塊的相似性描述的該第一真偽值指示偽時，載入該n排中的第1排；對每一該第一區塊，當該第一區塊的相似性描述的關聯於該n排中第i排的該第二真偽值指示真時，依據該n排中的第i-1排，重建該n排中的第i排所對應的部分的該第一區塊；以及對每一該第一區塊，當該第一區塊的相似性描述的關聯於該n排中第i排的該第二真偽值指示偽時，載入該n排中的第i排。
  9. 如請求項1所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中第二區塊於該第二影像中的相對位置與該參考區塊於該第一影像中的相對位置關聯於一預測向量，且當該判斷結果指示該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描 述相同時，關聯於該第二區塊的一移動向量係該預測向量。
  10. 如請求項9所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中該預測向量係零向量。
  11. 如請求項1所述用於移動估計的視訊前處理方法，其中像素的像素值係灰階值。
  12. 一種用於移動估計的視訊前處理裝置，包含：一相似性描述模組，用以接收一視訊中的一第一影像，該第一影像由多個第一區塊組成，用以對每一該第一區塊，計算該第一區塊的相似性描述，以及用以計算該視訊中一第二影像的一第二區塊的相似性描述，該第二區塊對應該些第一區塊中一參考區塊；一儲存模組，耦接該相似性描述模組，用以儲存該些第一區塊的相似性描述；一判斷模組，耦接該儲存模組，用以判斷該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描述是否相同，以產生一判斷結果；以及一移動估計模組，受控於該判斷結果，用以對該第二區塊進行移動估計；其中每一該第一區塊對應一第一像素矩陣，每一該第一區塊的相似性描述用以指示該第一像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同，該第二區塊對應一第二 像素矩陣，該第二區塊的相似性描述用以指示該第二像素矩陣中至少一對相鄰的像素的像素值是否相同。
  13. 如請求項12所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該些第一像素矩陣或該第二像素矩陣沿一第一軸向具有m排，沿一第二軸向具有n排，m係不小於1的正整數，n係大於1的正整數，該相似性描述模組用以計算該些第一區塊或該第二區塊的相似性描述係用以判斷該n排中第1排上所有的像素是否具有相同的像素值，以獲得一第一真偽值，以及用以判斷該n排中的第i排與第i-1排是否特徵相同，以獲得關聯於該n排中第i排的一第二真偽值，i係大於1且不大於n的正整數；其中該些第一區塊或該第二區塊的相似性描述包含該第一真偽值、該第二真偽值以及該n排中第1排上一錨點像素的像素值。
  14. 如請求項13所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該相似性描述模組用以判斷該n排中的第i排與第i-1排是否特徵相同以獲得該第二真偽值係用以對該n排中第i排上的每一像素判斷該像素與該n排中第i-1排上對應該像素的另一像素是否具有相同的像素值，以獲得一第三真偽值，以及用以比對該些第三真偽值，以獲得該第二真偽值。
  15. 如請求項14所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該相似性描述模組用以比對該些第三真偽值係用以計算該些第三真偽值的乘積。
  16. 如請求項14所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該像素與另一該像素位於該m排其中之一。
  17. 如請求項13所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中當該判斷結果指示該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描述不相同時，該移動估計模組對該第二區塊進行移動估計。
  18. 如請求項17所述用於移動估計的視訊前處理裝置，更包含一重建模組，耦接該儲存模組，用以依據該些第一區塊的相似性描述，重建該第一影像。
  19. 如請求項18所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該重建模組用以依據該些第一區塊的相似性描述重建該第一影像係用以對每一該第一區塊，在該第一區塊的相似性描述的該第一真偽值指示真時，依據該錨點像素的像素值，重建該n排中的第1排所對應的部分的該第一區塊，用以對每一該第一區塊，在該第一區塊的相似性描述的該第一真偽值指示偽時，載入該n排中的第1排，用以對每一該第一區塊，在該第一區塊的相似性描述的關聯於該n排中第i排的該第二真偽值指示真時，依據該n排中的第i-1排，重建該n排中的第i排所對應的部分的該第一區 塊，以及用以對每一該第一區塊，在該第一區塊的相似性描述的關聯於該n排中第i排的該第二真偽值指示偽時，載入該n排中的第i排。
  20. 如請求項12所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中第二區塊於該第二影像中的相對位置與該參考區塊於該第一影像中的相對位置關聯於一預測向量，且當該判斷結果指示該第二區塊的相似性描述與該參考區塊的相似性描述相同時，關聯於該第二區塊的一移動向量係該預測向量。
  21. 如請求項20所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中該預測向量係零向量。
  22. 如請求項12所述用於移動估計的視訊前處理裝置，其中像素的像素值係灰階值。
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