TWI383687B - 實現移動估計的視訊編碼器與其移動估計方法 - Google Patents

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Description

實現移動估計的視訊編碼器與其移動估計方法
本發明係關於視訊編碼，特別係關於視訊編碼器與移動估計方法。
以塊(block)為基礎的視訊編碼標準(例如MPEG 1/2/4與H.26x)，主要藉由縮減多個視訊幀之間之時間冗餘以及一視訊幀內之空間冗餘來實現資料壓縮。符合一類標準之編碼器所產生之位元流，可藉由符合其它標準之解碼器解碼。這些視訊編碼標準提供編碼器以靈活性來開拓最佳技術以增進視訊質量。
提供給編碼器的靈活性其中之一係幀類型。對於以塊為基礎的視訊編碼器，可編碼三种類型幀，亦即I、P與B幀。I幀係幀內編碼幀，不需要任何移動補償預測(motion-compensated prediction，MCP)。P幀係利用先前參考幀之移動補償預測之預測幀，B幀係利用先前參考幀與將來參考幀之移動補償預測之雙向預測幀。通常來說，I幀與P幀係移動補償預測之參考幀。
幀間編碼幀，包含P幀與B幀，經由先前編碼幀之移動補償來預測以縮減時間冗餘，因此，獲得高的補償效率。每一視訊幀包含像素陣列(array of pixel)。宏區塊(macroblock，MB)係一組像素，例如16x16, 16x8, 8x16,與8x8像素塊。8x8像素塊可進一步分塊成8x4, 4x8,或者 4x4尺寸的像素塊。因此，共支持7种塊類型。通常情況下，估計在多個幀之間圖像如何移動(以宏區塊為基礎)，亦即移動估計。移動估計通常包含比較當前幀之宏區塊與多個來自其他參考幀之宏區塊之相似性。當前視訊幀之宏區塊與參考幀之最相似之宏區塊之間的空間位移係移動向量(Motion vector)。可由分數像素來估計移動向量，其中該分數像素可藉由將來自參考幀的像素進行內插得到。
第1a圖與第1b圖繪示了習知移動估計程序，搜尋(先前)參考幀13之搜尋視窗(search window)14以尋找當前幀11之圖像塊12之匹配圖像塊15，其中圖像塊16藉由移動向量17從先前位置15移動至新位置16。移動向量代表圖像塊自參考幀至當前幀之位移。可利用塊匹配量度(block matching metric)來判斷當前塊與參考幀之圖像塊之相似度，例如利用絕對誤差總和(Sum of Absolute Differences，SAD)或者均方誤差(Mean Squared Error，MSE)。產生最小絕對誤差總和或者均方誤差的參考幀位置係作為最佳匹配位置，並且最小絕對誤差總和或者均方誤差係作為移動向量。當前幀之圖像塊係宏區塊。
除了利用搜尋視窗來縮減空間冗餘，MPEG 4編碼亦利用多個參考幀來縮減移動估計之時間冗餘。因此，需要一種藉由多個參考幀與搜尋視窗之適應性組合來進行移動估計之視訊編碼器及其方法。
為了解決現有技術中需要藉由多個參考幀與搜尋視窗之適應性組合來進行移動估計的技術問題，本發明提供一種實現移動估計的視訊編碼器及其移動估計方法。
依據本發明之一方面，其提供一種實現移動估計的視訊編碼器，包含：存儲單元，用來接收當前圖像塊以及自至少兩個參考幀接收多個搜尋視窗；以及整數像素移動估計單元，耦接至存儲單元，用來依據當前圖像塊與多個搜尋視窗計算多個整數移動向量；其中多個參考幀的數量與多個搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變，使得其空間需求小於或者等於存儲單元之可用空間。
依據本發明另一方面，其提供一種移動估計方法，包含：提供存儲單元，來接收當前圖像塊以及自至少兩個參考幀接收多個搜尋視窗；以及提供整數像素移動估計單元，來依據當前圖像塊與多個搜尋視窗計算多個整數移動向量；其中多個參考幀的數量與多個搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變，使得其空間需求小於或者等於存儲單元之可用空間。
本發明提供的實現移動估計的視訊編碼器及其移動估計方法，藉由適應性的改變參考幀的數量與搜尋視窗的尺寸，能夠在硬體資源有限的情況下，實現視訊編碼的移動估計，因此可產生緊湊的電路設計並且縮減製造成本。
第3a圖與第3b圖為依據本發明之實施例之實現移動估計之視訊編碼器之方塊圖。該視訊編碼器包含存儲單元30、整數像素移動估計(integer motion estimation，IME)單元32以及分數像素移動估計(fractional motion estimation，FME)單元34，其中存儲單元30係耦接至整數像素移動估計單元(IME單元)32，並且隨後耦接至分數像素移動估計單元(FME單元)34。
存儲單元30包含記憶體300，用來接收當前圖像塊CB；以及記憶體302，用來接收來自參考幀Ref0與Ref1(至少兩個參考幀)的搜尋視窗SW0與SW1(或多個搜尋視窗)。儘管第3a圖中只繪示兩個搜尋視窗與兩個參考幀，但其中可以包含多個參考幀與多個搜尋視窗。當前圖像塊CB係宏區塊，可能為包含需要搜尋64個像素的8x8的宏區塊。搜尋視窗SW0與SW1包含搜尋之像素以得到與當前圖像塊CB匹配之圖像塊。記憶體300與記憶體302可為任何計算機可存取的記憶體，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)或者快閃存儲器(Flash memory)。
整數像素移動估計單元(IME單元)32包含處理元件陣列(processing element array)320，用來接收當前圖像塊CB與搜尋視窗SW0與SW1，從而計算整數移動向量MV0與MV1(亦可為多個移動向量)。每一處理元件 是最小處理單元，自當前圖像塊CB接收需要搜尋的像素、從搜尋視窗接收搜尋的搜尋範圍、並且計算絕對誤差總和的最小處理單元。每一處理元件中之搜尋範圍可與臨近處理元件中的搜尋範圍相差1個像素。處理元件陣列320藉由計算當前圖像塊CB與搜尋視窗SW0與SW1中之搜尋範圍之間的絕對誤差總和，來獲得每一處理元件之失真值，並且將每一搜尋視窗之最小絕對誤差總和作為整數移動向量。處理元件陣列320計算搜尋視窗SW0與SW1之絕對誤差總和以輸出整數移動向量MV0與MV1。參考幀的數量與搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變，使得所有參考幀內之搜尋視窗的空間需求小於或者等於存儲單元30內之可用空間。例如，當參考幀的數量小時，搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變以覆蓋較大的範圍；而當參考幀的數量大時，搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變以覆蓋較小的範圍。
分數像素移動估計單元(FME單元)34包含處理元件陣列340，藉由將產生整數移動向量的搜尋範圍內的像素與其臨近像素進行內插(interpolate)，來計算分數移動向量，以估計內插搜尋範圍，以及計算當前圖像塊CB與每一內插搜尋範圍之像素之間的絕對誤差總和，以決定其最小絕對誤差總和作為分數移動向量MV。每一處理元件接收來自當前圖像塊CB與具有不同內插位置之內插搜尋範圍的像素，以計算絕對誤差總和。處理元件陣列340計算搜尋視窗SW0與SW1之絕對誤差總和，並選 擇其最小值來作為輸出之分數移動向量MV。
第3a圖與第3b圖所示之視訊編碼器與習知的MPEG標準(例如MPEG2)回溯相容(back-compatible)。如第3b圖所示，其中只利用單一參考幀來進行預測編碼。存儲單元30自記憶體300之當前幀Cf接收當前圖像塊CB並自記憶體302之參考幀Ref0接收搜尋視窗SW。整數像素移動估計單元(IME單元)32自當前圖像塊CB與搜尋視窗SW接收像素，以決定整數移動向量MV。然後分數像素移動估計單元(FME單元)34將產生整數移動向量之搜尋範圍內之像素進行內插以計算分數移動向量MV。由於記憶體302內僅存儲一搜尋視窗SW，搜尋視窗SW的最大尺寸大於搜尋視窗SW0以及搜尋視窗SW1的尺寸。
第3a圖與第3b圖所示之視訊編碼器亦與MPEG編碼之場模式(field mode)相容。第2圖繪示了在MPEG編碼中幀模式與場模式之移動估計程序。第2圖之左手邊繪示了幀模式移動估計，其中當前圖像幀20包含兩個隔行掃描場(interlaced field)，亦即奇數場(odd field)204與偶數場(even field)206。在搜尋視窗202中進行以幀為基礎的(frame based)搜尋，該搜尋從具有最低以幀為基礎的絕對誤差總和的位置的參考圖像幀開始，其中該絕對誤差總和代表與當前圖像塊200以幀為基礎的最佳匹配圖像塊。如第2圖之右手邊所示之場模式移動估計，當前圖像幀之宏區塊分開成兩個塊22與塊24， 每一塊僅包含偶數場(塊22)或者僅包含奇數場(塊24)。搜尋視窗202亦分開為參考圖像塊222與242，其中之一僅包含偶數場列，另一圖像塊僅包含奇數場列，以分別進行移動估計處理。亦即第3a圖與第3b圖所示之視訊編碼器進行移動估計以自偶數參考圖像塊222搜尋偶數當前圖像塊220，自奇數參考圖像塊242搜尋奇數當前圖像塊240。並且整數像素移動估計單元(IME單元)依據當前圖像塊與偶數場計算偶數整數移動向量，並且依據當前圖像塊與奇數場計算奇數整數移動向量，以及計算偶數整數移動向量以及奇數整數移動向量之平均值作為每一參考幀之整數移動向量。在一實施例中，記憶體300接收當前圖像塊CB中的偶數場塊與奇數場塊(未顯示)，並且記憶體302自參考幀接收偶數場塊與奇數場塊之搜尋視窗SW0與SW1。整數像素移動估計單元(IME單元)32之每一處理元件計算並輸出偶數場塊與奇數場塊之最小絕對誤差總和作為移動向量MV0與MV1。並且分數像素移動估計單元(FME單元)34更藉由內插來計算分數移動向量，以產生所有計算中之最小絕對誤差總和作為最終移動向量MV。
第4a圖與第4b圖為依據本發明之另一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。該視訊編碼器包含存儲單元40、整數像素移動估計單元(IME單元)42以及分數像素移動估計單元(FME單元)44，其中存儲單元40係耦接至整數像素移動估計單元(IME單元)42， 並且隨後耦接至分數像素移動估計單元(FME單元)44。
第4a圖與第4b圖所示之視訊編碼器能夠在硬體資源有限的條件下，針對多參考幀與大搜尋視窗尺寸進行預測編碼。例如，在多參考幀的情況下，搜尋視窗SW0與SW1各自順序地進入存儲單元40、整數像素移動估計單元(IME單元)42以及分數像素移動估計單元(FME單元)44。然後，針對搜尋視窗SW0與SW1依次進行資料緩衝(data buffering)、整數移動向量估計以及分數移動向量估計，以輸出當前圖像塊CB之分數移動向量MV。由於僅需要第3a圖與第3b圖所示之視訊編碼器的一半的硬體，因此可產生緊湊的電路設計並且縮減製造成本。同樣的，當搜尋視窗尺寸超出存儲單元40、整數像素移動估計單元(IME單元)42與分數像素移動估計單元(FME單元)44的可用空間時，存儲單元40、整數像素移動估計單元(IME單元)42與分數像素移動估計單元(FME單元)44可依次接收搜尋視窗SWa與SWb的一半的像素，然後依次進行資料緩衝、整數移動向量估計以及分數移動向量估計，以輸出當前圖像塊CB之分數移動向量MV。硬體資源需求縮減的代價為增加資料處理時間。
第5a圖與第5b圖為依據本發明之又一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。該視訊編碼器包含如同第3a圖與第3b圖中所示之存儲單元30、整數像素移動估計單元(IME單元)32以及分數像素移動估計單 元(FME單元)34。第5a圖中之視訊編碼器與第3a圖中所示之視訊編碼器相同，其中當前圖像塊CB以及至少來自兩個參考幀之兩個搜尋視窗SW0與SW1存儲在存儲單元30，然後整數像素移動估計單元(IME單元)32依據當前圖像塊CB與搜尋視窗SW0與SW1來計算多個整數移動向量MVs(例如上述MV0與MV1)，接著分數像素移動估計單元(FME單元)34將整數移動向量MVs(例如上述MV0與MV1)進行內插以獲得分數移動向量MV。參閱第5b圖，由於較小的搜尋視窗尺寸，存儲單元30接收搜尋視窗SW，該搜尋視窗SW僅佔用記憶體302的可用空間的一半。與利用了全部硬體的第3a圖與第3b圖相比，第5a圖與第5b圖僅僅利用了存儲單元30、整數像素移動估計單元(IME單元)32以及分數像素移動估計單元(FME單元)34的一半硬體資源，使得分數像素移動估計單元(FME單元)34進行快速分數移動向量計算。
第6a圖與第6b圖為依據本發明之再一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。該視訊編碼器包含如同第3a圖與第3b圖中所示之存儲單元30、整數像素移動估計單元(IME單元)32以及分數像素移動估計單元(FME單元)34。第6a圖係另一多個參考MPEG編碼的例子。參考幀Ref0與Ref1包含具有不同搜尋視窗尺寸的搜尋視窗SW0與SW1。搜尋視窗SW0的尺寸超出搜尋視窗SW1的尺寸。因此，與第3a圖以及第3b圖相 比，記憶體302與處理元件陣列320以及處理元件陣列340需要更多的空間與處理單元，來並行地處理搜尋視窗SW0與SW1中的所有像素，並輸出當前圖像塊CB之分數移動向量MV。第6b圖繪示了利用較大搜尋視窗SW(相當於第3b圖所示之搜尋視窗SW)來編碼視訊幀Cf的視訊編碼器的一實施例。由於較大搜尋視窗SW包含較多的圖像像素，因此需要記憶體302具有較大的存儲空間，並且需要整數像素移動估計單元(IME單元)32以及分數像素移動估計單元(FME單元)34具有較多的處理元件來計算當前塊CB與搜尋視窗SW的資料之間絕對誤差總和。編碼器依據搜尋視窗尺寸來配置搜尋視窗中的像素資料需要的存儲空間與處理元件的數量。
第3a圖至第6b圖中所示的處理元件係可重組態的。上述處理元件可並行地處理多幀，共同地處理一幀，或者以適應不同情況的其他方式工作。
儘管上文所描述之實施例使用MPEG標準，熟悉此技藝者可以得知只要做出適當的修改，上述視訊編碼器與移動估計方法在其他視訊編碼標準(例如H.263與H.264)下同樣適用。
上述實施例僅作為本發明舉例說明之用，任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為准。
13‧‧‧(先前)參考幀
14‧‧‧搜尋視窗
11‧‧‧當前幀
12、16‧‧‧圖像塊
15‧‧‧匹配圖像塊
17‧‧‧移動向量
30、40‧‧‧存儲單元
32、42‧‧‧整數像素移動估計單元(IME單元)
34、44‧‧‧分數像素移動估計單元(FME單元)
300、302、400、402‧‧‧記憶體
320、340、420、440‧‧‧處理元件陣列。
第1a圖與第1b圖繪示了習知移動估計程序。
第2圖繪示了在MPEG編碼中幀模式與場模式之移動估計程序。
第3a圖與第3b圖為依據本發明之實施例之實現移動估計之視訊編碼器之方塊圖。
第4a圖與第4b圖為依據本發明之另一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。
第5a圖與第5b圖為依據本發明之又一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。
第6a圖與第6b圖為依據本發明之再一實施例之實現移動估計的視訊編碼器之方塊圖。
30‧‧‧存儲單元
32‧‧‧整數像素移動估計單元
34‧‧‧分數像素移動估計單元
300、302‧‧‧記憶體
320、340‧‧‧處理元件陣列。

Claims (13)

  1. 一種實現移動估計的視訊編碼器，包含：一存儲單元，用來接收一當前圖像塊以及自至少兩個參考幀接收多個搜尋視窗；以及一整數像素移動估計單元，耦接至該存儲單元，用來依據該當前圖像塊與該多個搜尋視窗計算多個整數移動向量；其中該多個參考幀的數量與該多個搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變，使得該多個搜尋視窗的該尺寸和該參考幀的該數量成反比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之實現移動估計的視訊編碼器，其中該整數像素移動估計單元計算該當前圖像塊與該多個搜尋視窗之每一參考圖像塊之間的多個絕對誤差總和，並且決定每一搜尋視窗之一最小絕對誤差總和作為該整數移動向量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之實現移動估計的視訊編碼器，更包含一分數像素移動估計單元耦接至該整數像素移動估計單元，其中該分數像素移動估計單元將相對應於該整數移動向量之該參考圖像塊內之該多個像素與其鄰近多個像素進行內插，以估計多個內插參考圖像塊，並且計算該當前圖像塊與該每一內插參考圖像塊之間之多個絕對誤差總和，並決定每一搜尋視窗之絕對誤差總和之最小值來作為一分數移動向量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之實現移動估計的視 訊編碼器，其中該整數像素移動估計單元同時地或者順序地計算該多個整數移動向量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之實現移動估計的視訊編碼器，其中該多個搜尋視窗具有相同的或者不同的尺寸，使得該存儲單元之可用空間超出或者等於該當前圖像塊與該多個搜尋視窗之空間需求。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之實現移動估計的視訊編碼器，其中每一參考幀之該多個搜尋視窗包含多個偶數場與多個奇數場，並且該整數像素移動估計單元依據該當前圖像塊與該多個偶數場計算多個偶數整數移動向量，並且依據該當前圖像塊與該多個奇數場計算多個奇數整數移動向量，以及計算該多個偶數整數移動向量以及該多個奇數整數移動向量之平均值作為每一參考幀之整數移動向量。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之實現移動估計的視訊編碼器，其中該存儲單元包含多個子存儲單元並且該整數像素移動估計單元包含多個子整數像素移動估計單元，每一子存儲單元接收該當前圖像塊或者自每一參考幀接收每一搜尋視窗，並且每一子整數像素移動估計單元依據該當前圖像塊與每一搜尋視窗計算該整數移動向量。
  8. 一種移動估計方法，包含：提供一存儲單元，接收一當前圖像塊以及自至少兩個參考幀接收多個搜尋視窗；以及 提供一整數像素移動估計單元，依據該當前圖像塊與該多個搜尋視窗計算多個整數移動向量；其中該多個參考幀的數量與該多個搜尋視窗的尺寸可以適應性的改變，使得該多個搜尋視窗的該尺寸和該參考幀的該數量成反比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之移動估計方法，其中提供一整數像素移動估計單元的步驟包含：計算該當前圖像塊與該多個搜尋視窗之每一參考圖像塊之間的多個絕對誤差總和，並且決定每一搜尋視窗之最小絕對誤差總和作為該整數移動向量。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之移動估計方法，更包含提供一分數像素移動估計單元，來將相對應於該整數移動向量之該參考圖像塊內之該多個像素與其鄰近多個像素進行內插，並且計算該當前圖像塊與每一內插參考圖像塊之間之多個絕對誤差總和，並決定每一搜尋視窗之絕對誤差總和之最小值來作為一分數移動向量。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之移動估計方法，其中提供一整數像素移動估計單元的步驟包含同時地或者順序地計算該多個整數移動向量。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之移動估計方法，其中該多個搜尋視窗具有相同的或者不同的尺寸，使得該存儲單元之可用空間超出或者等於該當前圖像塊與該多個搜尋視窗之空間需求。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之移動估計方法，其 中每一參考幀之該多個搜尋視窗包含多個偶數場與多個奇數場，並且提供一整數像素移動估計單元的步驟包含依據該當前圖像塊與該多個偶數場計算多個偶數整數移動向量，並且依據該當前圖像塊與該多個奇數場計算多個奇數整數移動向量，以及計算該多個偶數整數移動向量以及該多個奇數整數移動向量之平均值作為每一參考幀之該整數移動向量。
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