TWI384886B - 移動估測方法 - Google Patents

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Description

移動估測方法
本發明係關於一種移動估測方法，且特別有關於一種加快運算速度與減少硬體成本之移動估測方法。
移動估測(motion estimation)是一種廣泛應用於影像處理領域中的技術，用以決定一圖像相對於其鄰近影像畫面中相似或相同圖像的移動向量。許多新穎的視訊編碼電路(例如與H.26x或MPEG協定相容的系統)通常會採用移動估測來協助於不同影像畫面中找出圖像間的相似性，進而達到影像壓縮等應用功能。
移動估測係用以找出一個最適當的移動向量(motion vector)，來表示某一將進行比對的圖像區塊(比對視窗)在兩個不同畫面之間的相對位移。請參閱圖一，圖一繪示先前技術中移動向量V的示意圖。如圖一所示，移動向量V可以用來表示先前畫面與目前畫面之間，對應某圖像區塊的水平及垂直位移的向量(如圖一中的向量V)。
目前影像處理的技術中，主要透過區塊比對的方法來找出移動向量。請參閱圖二，圖二繪示先前技術中移動估測方法的示意圖。如圖二所示，移動估測方法用以比對第一畫面(frame)10以及第二畫面12。在第一畫面10中先擷取特定的比對視窗(matching window)100，其大小可以例如是16*16、16*8、8*16、8*8、8*4、4*8或是4*4畫素單元(pixel)。於圖二中，以4*4的比對視窗100為例。
接著在第二畫面12中，擷取一個搜尋區域(searching area)120，搜尋區域120中可定義出複數個搜尋區塊(searching block)，例如圖二中的搜尋區塊1200a、1200b。每一個搜尋區塊的大小與比對視窗100相同。例如於圖二中，搜尋區域120的大小為8*10，而每一搜尋區塊大小為4*4。
接著移動估測方法分別將搜尋區域120中的每一個搜尋區塊與比對視窗100進行比對，對單一個搜尋區塊求得單一個差異值，最後找出最小的差異值以得出最相似的搜尋區塊。藉此，得到對應比對視窗100的移動向量。
在傳統的全面搜尋演算法(full search algorithm)中，第一影像中的比對視窗會被拿來和第二影像中之搜尋區域中的所有可能的搜尋區塊逐一比較。全面搜尋的優點在於具有單純的資料處理程序以及精確的比對結果。
然而，傳統的移動估測方法，其全面且逐一搜尋的演算法需要大量的運算資源，例如需要大量的暫存器以容納比對中的比對視窗以及搜尋區塊的影像資訊。此外，逐一比對每一個可能的搜尋區塊亦使運算處理的過程複雜且耗費時間。尤其當搜尋區域變大時，運算處理所需的時間也跟著增加。
另一方面，先前技術中的移動估測方法亦有部分不採用全面搜尋演算法，其採用的演算法並非對搜尋區域中所有的搜尋區塊進行總差異值計算，僅以跳躍或選取部分的搜尋區塊進行比對，而僅得到部分搜尋區塊的總差異值，即藉以判斷移動向量。藉此，雖加速移動估測的流程，但卻導致移動向量的精確度下降。
為了解決上述問題，本發明提出一種移動估測方法，可以加速移動估測流程且節省運算處理所需的資源，另一方面亦可保有全面搜尋的特性，避免犧牲搜尋之精準度，以解決上述問題。
本發明之一範疇在於提供一種移動估測方法，適於對視訊做運算處理，該視訊包含第一畫面及第二畫面。
根據一具體實施例，移動估測方法包含下列步驟：
(a)從第一畫面擷取比對視窗；
(b)從第二畫面擷取搜尋區域，搜尋區域包含複數個搜尋區塊，每一搜尋區塊與比對視窗之大小相同；
(c)從該些搜尋區塊中選取其中一個搜尋區塊，並以選取之搜尋區塊所包含的像素資料與比對視窗所包含的像素資料進行差異計算，進而於進行單一個搜尋區塊的差異計算中，同時得到對應N個不同搜尋區塊的N個總差異值，N係為大於1之整數；以及
(d)至少根據該N個總差異值，找出對應比對視窗之移動向量。
於此實施例中，搜尋區域一共可包含M*N個搜尋區塊，上述方法對單一搜尋區塊完成差異計算。此外，本發明之移動估測方法可反覆執行步驟(c)M次來完成對搜尋區域中的M個搜尋區塊進行差異計算，以得到對應M*N所有搜尋區塊的M*N個總差異值。進而對所有的總差異值進行比較，於所有的搜尋區塊中找出對應該比對視窗的最小差異搜尋區塊。如此一來，便能得知於第一畫面與第二畫面之間對應比對視窗之移動向量。
相較於先前技術，在本發明的移動估測方法中，在單一次的比對視窗與單一搜尋區塊的比對中，可同時得到對應N個總差異值，此N個總差異值可分別對應N個不同搜尋區塊。藉此，本發明的移動估測方法可保持對搜尋區域的範圍中全部可能的搜尋區塊進行全面搜尋，且同時以理論值N倍的速率加速移動估測的計算過程，並減少計算時所佔用的記憶體資源。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
圖三繪示根據本發明之第一具體實施例中移動估測方法的方法流程圖。於此實施例中，移動估測方法適用於一視訊的影像分析處理，此視訊可包含第一畫面及第二畫面。於實際應用中，此處的第一畫面以及第二畫面可為不同時間點、不同影像來源或其它本質上相似或相異的兩組畫面。本發明之移動估測方法用以在兩組畫面中找出對應某個影像區塊(比對視窗)的移動向量，藉此可以得知該影像區塊在兩個不同畫面間的相對移動關係。
請一併參閱圖四A至圖四E，圖四A至圖四E繪示第一具體實施例中第一畫面20以及第二畫面22的示意圖。如圖四A所示，首先本發明的移動估測方法執行步驟S100，從第一畫面20中擷取比對視窗200。接著執行步驟S102，從第二畫面22擷取搜尋區域220。於此實施例中，搜尋區域220包含複數個搜尋區塊2200，每一搜尋區塊2200與該比對視窗200之大小相同。
於此實施例中，為方便說明，圖四中的比對視窗200係包含4*4個畫素資料，而每一個搜尋區塊2200亦包含4*4個畫素資料，搜尋區域220共包含9*11個畫素資料，搜尋區域220共包含6*8=48個不同的搜尋區塊2200，但本發明並不以此為限。
接著本發明的移動估測方法執行步驟S104，在搜尋區域220所包含的複數個搜尋區塊中，選取其中一個搜尋區塊，舉例來說，此時首先選取的區塊為搜尋區塊2200a(如圖四B所示)。
接著，執行步驟S106從比對視窗200選定比對視窗取樣區間200s(如圖四C所示)。接著執行步驟S108於目前選取的搜尋區塊2200a中定義2個搜尋區塊取樣區間(如圖四C中的搜尋區塊取樣區間2200a1、2200a2)，每一搜尋區塊取樣區間與比對視窗取樣區間200s之大小相同。
接著，執行步驟S110將每一搜尋區塊取樣區間2200a1、2200a2分別與比對視窗取樣區間200s作差異計算，進而得到分別對應兩個搜尋區塊取樣區間2200a1、2200a2的兩個總差異值。
其中，上述步驟S110中的差異計算可為絕對差之和(sum of absolute differences,SAD)計算或為絕對轉換差之和(sum of absolute transformed differences,SATD)計算。於此實施例中，比對視窗取樣區間200s與搜尋區塊取樣區間2200a1之間的差異計算以絕對差之和計算為例，進一步包含下列步驟：
1)　將比對視窗取樣區間200s之畫素資料及搜尋區塊取樣區間2200a1之畫素資料分別儲存至不同的暫存器；
2)　對應搜尋區塊取樣區間2200a1，將搜尋區塊取樣區間2200a1的複數個畫素資料分別與該比對視窗取樣區間200s的複數個畫素資料相減取絕對值，得到複數個差異值；以及
3)　將所有計算而得的差異值相加，得到對應搜尋區塊取樣區間2200a1的總差異值。
另一方面，搜尋區塊2200a中的另一個搜尋區塊取樣區間2200a2，亦可經過相同的SAD計算流程得到對應搜尋區塊取樣區間2200a2的總差異值。
在上述的差異計算流程中，因每次計算僅對比對視窗200中的一半的畫素與每一個搜尋區塊取樣區間進行比對，故不需要將比對視窗200中所有的畫素資料都存入暫存器，相較於習知的方法，本發明僅需一半數量的暫存器以對應儲存比對視窗取樣區間200s的畫素資料。
請一併參閱圖四D。經過上述對單一個搜尋區塊2200a的差異計算流程，可得對應搜尋區塊取樣區間2200a1的總差異值以及對應搜尋區塊取樣區間2200a2的另一個總差異值。其中對應搜尋區塊取樣區間2200a1的總差異值，即可等效視為對應搜尋區塊2200a的總差異值。另一方面，對應搜尋區塊取樣區間2200a2計算而得的總差異值，則可等效視為對應另一個搜尋區塊2200b的總差異值(如圖四D所示)。也就是說，透過對單一個搜尋區塊2200a的差異計算流程，可等效得到對應兩個搜尋區塊2200a、2200b的總差異值。
本發明的移動估測方法，接著執行步驟S112，判斷是否已得到對應搜尋區域220中所有搜尋區塊的總差異值。於此實施例中，目前已得到對應兩個搜尋區塊的總差異值，故可回到步驟S104，選取下一次比對的搜尋區塊(如圖四E中的搜尋區塊2200c)，重覆執行步驟S104至S110，直到得到對應所有搜尋區塊的總差異值。於此實施例中，搜尋區域220共包含6*8=48個不同的搜尋區塊2200(如圖四A所示)，於此實施例中，每一次步驟S104至S110的流程可得到對應兩個搜尋區塊2200的總差異值，也就是說，以習知方法需要重覆48次區塊比對計算，而利用本發明只需重覆24次計算流程(步驟S104至S110)，即可等效計算完成48個(24*2)不同搜尋區塊的總差異值計算。
接著，本發明的移動估測方法可執行步驟S114，根據上述步驟所得的48個總差異值，找出對應比對視窗200之移動向量。例如於實際應用中，可將48個總差異值排序得出最小的總差異值，藉此得知與第一畫面20中比對視窗200差異最小的搜尋區塊，進而依據此最相似的搜尋區塊與比對視窗200的相對位置關係，得到對應比對視窗200於第一畫面20以及第二畫面22之間的移動向量。
需特別說明的是，於此實施例中，步驟S106係選定原先比對視窗200中一半的畫素資料作為比對視窗取樣區間200s，但本發明並不限定畫素資料為原本的一半，且亦不限定畫素資料的排列位置。
請參閱圖五。圖五繪示根據本發明之第二具體實施例中第一畫面30以及第二畫面32的示意圖。於此第二具體實施例中，比對視窗300包含4*6個畫素資料，而每一搜尋區塊3200亦包含4*6個畫素資料，其中與第一具體實施例最大不同之處在於，從比對視窗300選定比對視窗取樣區間300s的步驟中，第二具體實施例從比對視窗300以垂直間隔方式選取1/3的畫素作為比對視窗取樣區間300s。另一方面，在選取的搜尋區塊3200中可定義共3個搜尋區塊取樣區間3200s1、3200s2、3200s3，也就是說，在第二具體實施例中，對單一個搜尋區塊3200與比對視窗300的差異比對流程中，可一次得到等效對應3個不同搜尋區塊的總差異值。
也就是說，當搜尋區域共包含M*N個搜尋區塊時，透過本發明之移動估測方法，可在單一次搜尋區塊與比對視窗的差異計算中得到對應N個搜尋區塊的總差異值(N為大於1之整數，例如在第一實施例中N=2，在第二實施例中N=3)，一共通過M次選取搜尋區塊的差異比對流程，即可完成全數M*N子搜尋區域的差異比對。
也就是說，本發明的移動估測方法，透過調整搜尋區塊中比對畫素的個數，可以在單一次的搜尋區塊與比對視窗的差異比對流程中得到對應N個不同搜尋區塊的總差異值，藉此可以達到理論值N倍的移動估測流程加速效果，且因比對的畫素減少，使差異計算所需使用的暫存器可進一步減少至原本的1/N的數量。於實際應用中，比對畫素的個數與移動估測流程加速倍數的可根據運算所需的精確程度、對運算速度的需求、硬體暫存器的數量以及使用者或設計上的需求而調整。
另一方面，取樣區間的分佈亦不限於先前實施例中的間隔直線取樣，其分佈亦可為塊狀、點狀、斜線等分佈樣式。
請參閱圖六，圖六繪示根據本發明之第三具體實施例中移動估測方法的方法流程圖。於此實施例中，移動估測方法適用於視訊的影像分析處理，此視訊可包含第一畫面40及第二畫面42。本發明之移動估測方法用以計算某個影像區塊在兩個不同畫面間的相對移動關係。
請一併參閱圖七A至圖七D，圖七A至圖七D繪示第三具體實施例中第一畫面40以及第二畫面42的示意圖。如圖七A所示，首先本發明的移動估測方法執行步驟S200，從第一畫面40中擷取比對視窗400。接著執行步驟S202，從第二畫面42擷取搜尋區域420。於此實施例中，搜尋區域420包含複數個搜尋區塊4200，每一搜尋區塊4200與該比對視窗400之大小相同。接著執行步驟S204，在搜尋區域420所包含的複數個搜尋區塊中，選取其中一個搜尋區塊4200a。
與先前第一具體實施例之最大不同之處在於，於第三具體實施例中，移動估測方法接著執行步驟S206，從搜尋區塊4200a中選定搜尋區塊取樣區間4200as(如圖七C所示)。接著執行步驟S208，於比對視窗400中定義兩個比對視窗取樣區間400s1、400s2，每一比對視窗取樣區間與搜尋區塊取樣區間4200as之大小相同。
也就是說，於第三具體實施例中，本發明先對搜尋區塊4200a進行取樣，例如於此實施例中比對畫素的個數為搜尋區塊4200a中全部畫素的1/2。隨後，於比對視窗400中相對應產生兩組用來比對的取樣區間。透過這樣的過程，移動估測方法僅需將搜尋區塊取樣區間4200as之畫素資料以及比對視窗取樣區間400s1、400s2之畫素資料儲存至暫存器中，可以節省運算所需之暫存器。
接著，執行步驟S210將搜尋區塊取樣區間4200as分別與兩個比對視窗取樣區間400s1、400s2作差異計算以分別得到兩個總差異值，其中對應比對視窗取樣區間400s1的總差異值可等效視為搜尋區塊4200a的總差異值，而對應比對視窗取樣區間400s2的總差異值可等效視為搜尋區塊4200b的總差異值(如圖七D所示)。藉此，步驟S210可分別產生對應兩個搜尋區塊4200a、4200b的兩個總差異值。而第三具體實施例中其他詳細的流程步驟以及差異計算之方法與先前實施例所述大致相同，故在此不另贅述。
綜合來說，在本發明的移動估測方法中，在單一次的比對視窗與搜尋區塊的比對中，可得到N個總差異值，此N個總差異值分別對應N個不同的搜尋區塊。藉此，本發明的移動估測方法可保持對搜尋區域的範圍中全部的搜尋區塊進行全面比對，使移動估測的計算速度加快N倍，並減少計算時所佔用的記憶體資源。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
10、20、30、40．．．第一畫面
12、22、32、42．．．第二畫面
100、200、300、400．．．比對視窗
120、220、320、420．．．搜尋區域
1200a、1200b、2200、2200a、2200b．．．搜尋區塊
2200c、3200、4200、4200a、4200b．．．搜尋區塊
200s、300s、400s1、400s2．．．比對視窗取樣區間
2200a1、2200a2、3200s1．．．搜尋區塊取樣區間
3200s2、3200s3、4200as．．．搜尋區塊取樣區間
V．．．移動向量
S100~S114、S200~S214．．．步驟
圖一繪示先前技術中移動向量的示意圖。
圖二繪示先前技術中移動估測方法的示意圖。
圖三繪示根據本發明之第一具體實施例中移動估測方法的方法流程圖。
圖四A至圖四E繪示第一具體實施例中第一畫面以及第二畫面的示意圖。
圖五繪示根據本發明之第二具體實施例中第一畫面以及第二畫面的示意圖。
圖六繪示根據本發明之第三具體實施例中移動估測方法的方法流程圖。
圖七A至圖七D繪示第三具體實施例中第一畫面以及第二畫面的示意圖。
S100~S114．．．步驟

Claims (11)

  1. 一種移動估測方法，適用於一視訊，該視訊包含一第一畫面及一第二畫面，該方法包含下列步驟：(a)從該第一畫面擷取一比對視窗；(b)從該第二畫面擷取一搜尋區域，該搜尋區域包含複數個搜尋區塊，每一搜尋區塊與該比對視窗之大小相同；(c)從該些搜尋區塊中選取一搜尋區塊，並以該選取之搜尋區塊所包含的像素資料與該比對視窗所包含的像素資料進行差異計算，進而於進行單一個搜尋區塊的差異計算中，同時得到對應N個不同搜尋區塊的N個總差異值，N係為大於1之整數；以及(d)至少根據該N個總差異值，找出對應該比對視窗之一移動向量，其中步驟(c)進一步包含下列步驟：(c1)從該比對視窗選定一比對視窗取樣區間；(c2)於該搜尋區塊中定義N個搜尋區塊取樣區間，每一搜尋區塊取樣區間與該比對視窗取樣區間之大小相同；以及(c3)將每一搜尋區塊取樣區間分別與該比對視窗取樣區間作差異計算，進而得到對應N個搜尋區塊的N個總差異值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之移動估測方法，更包含有：(e)重覆步驟(c)來完成對M個搜尋區塊進行差異計算，以得到對應所有搜尋區塊的總差異值，M係為大於等於1之整數；且該步驟(d)更包含有： (d1)根據所有搜尋區塊的總差異值，找出對應該比對視窗之該移動向量；其中該搜尋區域中搜尋區塊的個數係為M*N。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之移動估測方法，其中該比對視窗取樣區間及該搜尋區塊分別包含複數個畫素資料，其中該步驟(c1)進一步包含下列步驟：(c11)將該比對視窗取樣區間之複數個畫素資料及該搜尋區塊之複數個畫素資料分別儲存至不同的暫存器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之移動估測方法，其中該比對視窗取樣區間包含複數個畫素資料，該複數個搜尋區塊取樣區間包含複數個畫素資料，其中步驟(c3)進一步包含下列步驟：(c31)對應每一搜尋區塊取樣區間，將其複數個畫素資料分別與該比對視窗取樣區間的複數個畫素資料進行差異計算，得到複數個差異值；以及(c32)根據該複數個差異值，得到該對應每一搜尋區塊之該總差異值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之移動估測方法，其中該複數個搜尋區塊取樣區間與該比對視窗取樣區間之間的差異計算為一絕對差之和。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之移動估測方法，其中該複數個搜尋區塊取樣區間與該比對視窗取樣區間之間的差異計算為一絕對轉換差之和。
  7. 一種移動估測方法，適用於一視訊，該視訊包含一第一 畫面及一第二畫面，該方法包含下列步驟：(a)從該第一畫面擷取一比對視窗；(b)從該第二畫面擷取一搜尋區域，該搜尋區域包含複數個搜尋區塊，每一搜尋區塊與該比對視窗之大小相同；(c)從該些搜尋區塊中選取一搜尋區塊，並以該選取之搜尋區塊所包含的像素資料與該比對視窗所包含的像素資料進行差異計算，進而於進行單一個搜尋區塊的差異計算中，同時得到對應N個不同搜尋區塊的N個總差異值，N係為大於1之整數；以及(d)至少根據該N個總差異值，找出對應該比對視窗之一移動向量，其中步驟(c)進一步包含下列步驟：(c1)從該搜尋區塊選定一搜尋區塊取樣區間；(c2)於該比對視窗中定義N個比對視窗取樣區間，每一比對視窗取樣區間與每一搜尋區塊取樣區間之大小相同；以及(c3)將該搜尋區塊取樣區間分別與該N個比對視窗取樣區間作差異計算，進而得到對應N個搜尋區塊的N個總差異值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之移動估測方法，其中每一搜尋區塊取樣區間及該比對視窗分別包含複數個畫素資料，其中該步驟(c1)進一步包含下列步驟：(c11)將該搜尋區塊取樣區間之複數個畫素資料及該比對視窗之複數個畫素資料分別儲存至不同的暫存器。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之移動估測方法，其中該比對視窗取樣區間包含複數個畫素資料，每一搜尋區塊取樣區間包含複數個畫素資料，其中步驟(c3)進一步包含下列步驟：(c31)對應每一比對視窗取樣區間，將其複數個畫素資料分別與每一搜尋區塊取樣區間的複數個畫素資料進行差異計算，得到複數個差異值；以及(c32)根據該複數個差異值，得到該對應每一搜尋區塊取樣之該總差異值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之移動估測方法，其中該複數個比對視窗取樣區間與每一搜尋區塊取樣區間之間的差異計算為一絕對差之和。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之移動估測方法，其中該複數個比對視窗取樣區間與每一搜尋區塊取樣區間之間的差異計算為一絕對轉換差之和。
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