專利名稱：利用一個(gè)權(quán)函數(shù)的塊匹配運(yùn)動(dòng)估算裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于圖象信號(hào)編碼系統(tǒng)中的一種運(yùn)動(dòng)估算裝置；更具體地，涉及利用一個(gè)權(quán)函數(shù)檢測(cè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的一種運(yùn)動(dòng)估算裝置。
當(dāng)以數(shù)字形式表示包含一圖象“幀”序列的一個(gè)圖象信號(hào)時(shí)，會(huì)生成可觀的數(shù)據(jù)量用于傳輸，尤其是在高清晰度電視系統(tǒng)中。然而，由于可利用的傳統(tǒng)傳輸信道的頻帶寬度是有限的，為了通過(guò)有限的信道帶寬來(lái)發(fā)送可觀的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量，不可避免地要壓縮或減少傳輸數(shù)據(jù)的容量。在各種視頻壓縮技術(shù)中，利用兩個(gè)鄰接的視頻幀之間的視頻信號(hào)的時(shí)間冗余來(lái)壓縮信號(hào)的一種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g編碼技術(shù)是已知的有效壓縮技術(shù)之一。
在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間編碼方案中，當(dāng)前幀數(shù)據(jù)是根據(jù)當(dāng)前與前面諸幀之間的運(yùn)動(dòng)的一種估算、從前面的幀數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)的。這種估算的運(yùn)動(dòng)可用表示前面的與當(dāng)前的幀之間的象素的位移的二維運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)描述。
在本技術(shù)中已提出的運(yùn)動(dòng)矢量估算方案之一為塊匹配算法。按照塊匹配算法，將一個(gè)當(dāng)前幀分成多個(gè)大小相等的搜索塊。一個(gè)搜索塊的大小通常在8×8與32×32個(gè)象素之間的范圍內(nèi)。為了確定當(dāng)前幀中一個(gè)搜索塊的運(yùn)動(dòng)矢量，執(zhí)行當(dāng)前幀的搜索塊與包含在一個(gè)前面的幀中的一個(gè)通常較大的搜索區(qū)中的大小相等的多個(gè)候選塊中每一個(gè)之間的相似性計(jì)算。將一個(gè)利用MSE(均方誤差)的誤差函數(shù)用來(lái)執(zhí)行當(dāng)前幀的搜索塊與搜索區(qū)中各候選塊之間的相似性測(cè)定。該誤差函數(shù)可表示如下MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2]]>其中H×V表示搜索塊的大小；I(i，j)表示搜索塊中在坐標(biāo)(i，j)上的一個(gè)象素的亮度級(jí)；而P(i，j)則表示一個(gè)候選塊中在坐標(biāo)(i，j)上的一個(gè)象素的亮度級(jí)。
根據(jù)定義，一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量表示該搜索塊與一個(gè)得出最小誤差函數(shù)值的候選塊之間的位移。然后，在一個(gè)接收器中利用該運(yùn)動(dòng)矢量在逐塊的基礎(chǔ)上從前面的幀中構(gòu)造一個(gè)畫面。
然而，在這一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀間編碼方案中，由于利用了表示塊之間的相互關(guān)聯(lián)的誤差函數(shù)而并不考慮相鄰的塊之間的連續(xù)性。結(jié)果，由于塊邊界為直線并且是高紋理的，因而塊邊界可能是可見的，并且其不連續(xù)性對(duì)觀察者特別醒目。這種分塊效應(yīng)出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的相鄰的塊之間的邊界上，并且由分塊效應(yīng)導(dǎo)致的塊結(jié)構(gòu)人為現(xiàn)象趨向于降低編碼圖象的質(zhì)量。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種能降低分塊效應(yīng)的改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)估算裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供一種用于檢測(cè)保持相鄰的塊之間的邊界區(qū)的連續(xù)性的運(yùn)動(dòng)矢量的改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)估算裝置。
按照本發(fā)明，提供了一種裝置，該裝置估算當(dāng)前幀中的一個(gè)搜索塊相對(duì)于前面的一幀中的各候選塊的一個(gè)位移以生成運(yùn)動(dòng)矢量與表示該搜索塊與一候選塊之間的相似性的誤差函數(shù)值。本運(yùn)動(dòng)估算裝置利用一個(gè)權(quán)函數(shù)來(lái)加權(quán)根據(jù)一次MSE測(cè)定的若干誤差函數(shù)值，并選擇一個(gè)帶來(lái)最小誤差的加權(quán)誤差函數(shù)值以生成一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。
從以下結(jié)合附圖給出的較佳實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的上述與其它目的及特征將是顯而易見的，附圖中

圖1示出利用按照本發(fā)明的一個(gè)權(quán)函數(shù)的一種塊匹配運(yùn)動(dòng)估算裝置的示意性方框圖；圖2示出在其中具有一個(gè)局限的子塊的一個(gè)搜索塊與前面的幀的一個(gè)大搜索區(qū)之間的一種示例性塊匹配方法；以及圖3示出一個(gè)二維梯度濾波器的一個(gè)濾波窗口以產(chǎn)生該權(quán)函數(shù)的另一個(gè)實(shí)施例。
參見圖1，其中示出了包含在一個(gè)運(yùn)動(dòng)估算與補(bǔ)償系統(tǒng)中的一個(gè)塊匹配運(yùn)動(dòng)估算裝置的一個(gè)較佳實(shí)施例，該系統(tǒng)是用于通過(guò)消除接連的幀(即一個(gè)當(dāng)前的幀與其鄰接的即前一幀)之間的冗余而達(dá)到明顯的數(shù)據(jù)壓縮的。這便是說(shuō)，可能在當(dāng)前幀與前一幀之間存在由一個(gè)目標(biāo)的位移或運(yùn)動(dòng)引發(fā)的差別；然而，可以將這種差別限制在一幀內(nèi)的一個(gè)相對(duì)地小的區(qū)域中。因此，沒(méi)有必要將一個(gè)當(dāng)前幀的全部圖象數(shù)據(jù)發(fā)送給一臺(tái)接收機(jī)(未示出)。反之，只要發(fā)送位移信息，即運(yùn)動(dòng)矢量，便足夠了。然后，接收機(jī)利用這些運(yùn)動(dòng)矢量，從其圖象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收機(jī)內(nèi)的一個(gè)幀存儲(chǔ)器中的前一幀中重構(gòu)該當(dāng)前幀。
如圖所示，當(dāng)前幀信號(hào)是通過(guò)一條線路12提供給一個(gè)當(dāng)前幀形成部分10的。該當(dāng)前幀形成部分10起到將當(dāng)前幀分成具有相等大小的多個(gè)搜索塊的作用，每一個(gè)搜索塊包括H×V個(gè)象素。為了說(shuō)明的目的，假定對(duì)于當(dāng)前幀中的各搜索塊的象素，H與V兩者是相等的數(shù)字16。將各順序的搜索塊作用在用于生成一個(gè)權(quán)函數(shù)的權(quán)函數(shù)發(fā)生器18上。該權(quán)函數(shù)發(fā)生器18在搜索塊內(nèi)定義一個(gè)局限的子塊，其中如圖2中所示的概括地用參照數(shù)字74描繪的搜索塊具有沿其邊線延伸的邊線象素及構(gòu)成局限子塊74的邊線象素之外的不在邊線上的內(nèi)部象素。然后，為該局限的子塊74推導(dǎo)一個(gè)局部方差(variance)作為權(quán)函數(shù)。
局部方差的推導(dǎo)如下var(i,j)=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SV(I(i,j)-mean)2]]>其中var(i，j)表示在一個(gè)局限的子塊中的一個(gè)坐標(biāo)(i，j)上的象素的局部方差；SH×SV為一個(gè)局限的子塊的大??；I(i，j)為局限子塊中象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而“mean”則表示局限的子塊內(nèi)的內(nèi)部象素的平均亮度級(jí)。
平均亮度級(jí)的定義如下mean=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SVI(i,j)]]>然后將該權(quán)函數(shù)提供給若干塊匹配部分，其中只示例性地示出了三個(gè)41、42與49。
同時(shí)，將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(未示出)中的前面的幀通過(guò)一條線路13饋送給一個(gè)搜索區(qū)形成部分15。搜索區(qū)形成部分15以相等的大小、形狀與搜索模式限定一個(gè)前面的幀的通常較大的搜索區(qū)，借此進(jìn)行搜索或比較。
在搜索區(qū)形成部分15確定了搜索區(qū)之后，還將搜索區(qū)數(shù)據(jù)作用在若干候選塊形成部分上，其中只示例性地示出了它們中的三個(gè)21、22與29。在各候選塊形成部分中，當(dāng)搜索塊以每次水平移動(dòng)一個(gè)象素位置，然后垂直向下通過(guò)搜索區(qū)每次移動(dòng)一條掃描線以掃過(guò)起始在最左上位置上的搜索區(qū)，直到最終到達(dá)搜索區(qū)內(nèi)的最右下位置時(shí)，便從搜索區(qū)中生成了一個(gè)候選象素塊。在確定的搜索區(qū)內(nèi)形成了大小為H×V個(gè)象素的所有的可能的候選塊。然后，推導(dǎo)各候選塊與當(dāng)前幀的搜索塊之間的相對(duì)位移，然后通過(guò)線路31至39作為該候選塊的一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量提供給一個(gè)多路復(fù)用器60。還從各候選塊形成部分21至29將各候選塊的象素?cái)?shù)據(jù)提供給各塊匹配部分41至49。在各塊匹配部分41至49中，使用權(quán)函數(shù)，在來(lái)自當(dāng)前幀塊形成部分20與來(lái)自各候選塊形成部分21至29之間，計(jì)算采用MSE測(cè)定的誤差函數(shù)。傳統(tǒng)上，在搜索塊與候選塊的對(duì)應(yīng)象素之間進(jìn)行亮度級(jí)或光強(qiáng)度的比較以得出該候選塊的誤差函數(shù)。該誤差函數(shù)表示搜索塊與選擇的候選塊之間的相似程度。
按照本發(fā)明，在各塊匹配部分41至49中，將從權(quán)函數(shù)發(fā)生器18推導(dǎo)出的權(quán)函數(shù)加權(quán)到誤差函數(shù)上，借此檢測(cè)出給待重構(gòu)的鄰接的塊帶來(lái)平滑連接的一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。
加權(quán)的誤差函數(shù)“W-MSE”的定義如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×var(i,j)]]>其中H×V為一個(gè)搜索塊的大??；I(i，j)為該搜索塊中一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而P(i，j)則為一個(gè)候選塊中的一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)。
將所有來(lái)自塊匹配部分41至49的加權(quán)誤差函數(shù)提供給一個(gè)最小誤差檢測(cè)器50。最小誤差檢測(cè)器50比較這些加權(quán)的誤差函數(shù)以選擇一個(gè)具有最小誤差的加權(quán)誤差函數(shù)。
最小誤差檢測(cè)器50輸出一個(gè)表示與最小誤差函數(shù)對(duì)應(yīng)的塊的選擇信號(hào)到運(yùn)動(dòng)矢量選擇器60。具有一個(gè)傳統(tǒng)的多路復(fù)用器的運(yùn)動(dòng)矢量選擇器60響應(yīng)該選擇信號(hào)，選擇與最小誤差函數(shù)對(duì)應(yīng)的候選塊的位移矢量。如上所述，如果一個(gè)候選塊具有最小的誤差函數(shù)，該候選塊與搜索塊最相似；結(jié)果，便將該候選塊的位移矢量選擇為運(yùn)動(dòng)矢量。
圖3示出用來(lái)推導(dǎo)權(quán)函數(shù)的另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)二維梯度濾波器的一個(gè)濾波器窗口。
在權(quán)函數(shù)生成器18中，由該二維梯度濾波器濾波搜索塊以生成一個(gè)梯度函數(shù)作為權(quán)函數(shù)。該梯度函數(shù)的定義如下▿(i,j)=Σk=-11Σl=-11I(i+k,j+1)×F(k,l)]]>其中(i，j)表示搜索塊中一個(gè)坐標(biāo)(i，j)上的梯度；I(i＋k，j＋l)表示坐標(biāo)(i＋k，j＋l)上的一個(gè)象素的亮度級(jí)；而F(k，l)表示一個(gè)梯度濾波器的一個(gè)濾波器系數(shù)。
用類似于上面提出的方式，將這一權(quán)函數(shù)提供給分塊匹配部分41至49以加權(quán)在塊匹配部分41至49中計(jì)算出的誤差函數(shù)，而生成加權(quán)的誤差函數(shù)。加權(quán)的誤差函數(shù)可表示如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×|▿(i,j)|]]>其中H×V為一個(gè)搜索塊的大??；I(i，j)為該搜索塊中一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而P(i，j)則為一個(gè)候選塊中象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)。
將所有通過(guò)濾波器推導(dǎo)出的加權(quán)誤差函數(shù)提供給最小誤差檢測(cè)器50去選擇一個(gè)得出最小誤差的運(yùn)動(dòng)矢量，如上所述。
雖然上面參照特定的實(shí)施例展示與描述了本發(fā)明，但對(duì)于熟悉本技術(shù)的人員將十分清楚，可以在不脫離所附的權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的精神與范圍的條件下，做出許多改變與修正。
權(quán)利要求
1.一種利用塊匹配運(yùn)動(dòng)估算技術(shù)檢測(cè)視頻信號(hào)的一個(gè)當(dāng)前幀與一個(gè)前面的幀之間的運(yùn)動(dòng)矢量的裝置，其中該當(dāng)前幀是分成大小相等的多個(gè)搜索塊的，而前面的幀是分成對(duì)應(yīng)數(shù)目的搜索區(qū)的，各搜索區(qū)又進(jìn)一步分成所述相等大小的多個(gè)候選塊，該裝置包括用于估算一個(gè)搜索塊相對(duì)于各候選塊的運(yùn)動(dòng)以生成與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量及誤差函數(shù)的裝置，各運(yùn)動(dòng)矢量表示一個(gè)搜索塊與各候選塊之間的象素的位移；用于在一個(gè)搜索塊中限定一個(gè)局限的子塊而為該局限的子塊生成一個(gè)局部方差的裝置，所述局限的子塊具有搜索塊的內(nèi)部象素；用權(quán)函數(shù)加權(quán)各誤差函數(shù)以生成加權(quán)的誤差函數(shù)的裝置；以及用于選擇一個(gè)得出最小誤差的加權(quán)誤差函數(shù)以生成一與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量的裝置。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中該局部方差的定義如下var(i,j)=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SV(I(i,j)-mean)2]]>其中var(i，j)表示一個(gè)局限的子塊中一個(gè)坐標(biāo)(i，j)上的一個(gè)象素的局部方差；SH×SV為局限的子塊的大?。籌(i，j)為該局限的子塊中象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而所述“mean”則表示局限的子塊中的內(nèi)部象素的平均亮度級(jí)。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中該平均亮度級(jí)的定義如下mean=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SVI(i,j)]]>
4.權(quán)利要求3的裝置，其中該加權(quán)誤差函數(shù)計(jì)算如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×var(i,j)]]>其中W-MSE為一個(gè)加權(quán)誤差函數(shù)；H×V為一個(gè)搜索塊的大??；I(i，j)為該搜索塊中一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而P(i，j)則為一個(gè)候選塊中的象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)。
5.一種利用塊匹配運(yùn)動(dòng)估算技術(shù)檢測(cè)視頻信號(hào)的一個(gè)當(dāng)前幀與一個(gè)前面的幀之間的運(yùn)動(dòng)矢量的裝置，其中該當(dāng)前幀是分成大小相等的多個(gè)搜索塊的，而該前面的幀則分成對(duì)應(yīng)數(shù)目的搜索區(qū)，各搜索區(qū)又進(jìn)一步分成所述相等大小的多個(gè)候選塊，該裝置包括用于估算一個(gè)搜索塊相對(duì)于各候選塊的運(yùn)動(dòng)以生成與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量及誤差函數(shù)的裝置，各該運(yùn)動(dòng)矢量表示一個(gè)搜索塊與各該候選塊之間的象素的位移；一個(gè)濾波器，用于濾波該搜索塊而為該搜索塊中的象素生成一個(gè)梯度函數(shù)；用該梯度函數(shù)加權(quán)各該誤差函數(shù)以生成加權(quán)誤差函數(shù)的裝置；以及用于選擇一個(gè)得出最小誤差的加權(quán)誤差函數(shù)以生成一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量的裝置。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中該梯度函數(shù)的定義如下▿(i,j)=Σk=-11Σl=-11I(i+k,j+1)×F(k,l)]]>其中(i，j)表示一個(gè)搜索塊中的一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的梯度；I(i＋k，j＋l)表示在象素坐標(biāo)(i＋k，j＋l)的亮度級(jí)；而F(k，l)則表示一個(gè)濾波器系數(shù)。
7.權(quán)利要求6的裝置，其中該加權(quán)誤差函數(shù)計(jì)算如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×|▿(i,j)|]]>其中W-MSE為一個(gè)加權(quán)誤差函數(shù)；H×V為一個(gè)搜索塊的大?。籌(i，j)為該搜索塊中的一個(gè)象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)；而P(i，j)則為一個(gè)候選塊中的象素坐標(biāo)(i，j)上的亮度級(jí)。
全文摘要
一種塊匹配運(yùn)動(dòng)估算裝置，估算當(dāng)前幀中的一搜索塊相對(duì)于一個(gè)前面的幀中各候選塊的位移，以生成運(yùn)動(dòng)矢量與表示該搜索塊與一候選塊間的相似性的誤差函數(shù)。該運(yùn)動(dòng)估算裝置利用一權(quán)函數(shù)來(lái)加權(quán)根據(jù)MSE測(cè)定的若干誤差函數(shù)，并選擇最小誤差的一個(gè)加權(quán)誤差函數(shù)以生成一與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。該權(quán)函數(shù)包括一定義在該搜索塊中的局限的子塊的局部方差。權(quán)函數(shù)的另一例子包括經(jīng)過(guò)一個(gè)二維梯度濾波器濾波的搜索塊中的象素的梯度。
文檔編號(hào)G06F17/16GK1127967SQ9510134
公開日1996年7月31日 申請(qǐng)日期1995年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月26日
發(fā)明者丁海默 申請(qǐng)人:大宇電子株式會(huì)社