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CN1078795C - 用在图象编码系统中的改进的运动补偿方法 - Google Patents

用在图象编码系统中的改进的运动补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种能够改善图象质量的方法，包括下述步骤：(a)利用一种块匹配算法为当前帧中的各搜索块检测出一个运动矢量；(b)将一个搜索块分成一个位于该搜索块中央的中心区及一个位于该中心区外侧的边沿区；(c)确定该搜索块的运动矢量作为中心区的一个最佳运动矢量；以及(d)根据该搜索块及其一个或多个相邻的搜索块的运动矢量，为该搜索块的边沿区确定多个最佳运动矢量。

Description

用在图象编码系统中的改进的运动补偿方法
本发明涉及用在图象编码系统中的运动补偿方法；更具体地，涉及一种能够消除出现在解码图象信号中的分块现象的改进的方法。
众所周知，传输数字化视频信号能提供比传输模拟信号质量高得多的视频图象。当包含一序列图象“帧”的一个图象信号以数字形式表示时，便生成大量用于传输的数据，尤其是在高清晰度电视系统的情况中。然而，由于一条传统的传输信道的可利用的频带宽度是有限的，为了通过有限的信道带宽传输大量的数字数据，不可避免地要压缩或减少传输的数据量。在各种视频压缩技术中，将时间和空间压缩技术与统计编码技术组合在一起的所谓混合编码技术已知是最有效的。
大多数混合编码技术采用运动补偿的DPCM9(差分脉冲码调制)、二维DCT(离散余弦变换)、DCT系数的量化、及VLC(可变长度编码)。运动补偿的DPCM为确定一个目标在一个当前帧及其前一帧之间的运动，并根据该目标的运动流预测当前帧以生成表示当前帧与其预测之间的差的一个差分信号的过程。
减少或者除诸如运动补偿的DPCM数据等图象数据之间的空间冗余性的二维DCT将一块数字图象数据(例如，8×8个象素的一块)转换成一组变换系数数据。
具体地说，在运动补偿的DPCM中，当前帧数据是根据当前与前面的帧之间的一种运动估计从前一帧数据中预测的。这种估计的运动可以用表示前面的与当前的帧之间的象素位移的二维运动矢量来描述。
曾经提出过若干种用于估计一个目标在视频序列中的位移的方法。通常，可将它们分成两类：象素递归算法及块匹配算法。本发明主要考虑块匹配算法。
按照块匹配算法，将一个当前帧分成多个搜索块。一个搜索块的大小通常在8×8与32×32个象素之间。为了确定当前帧中的一个搜索块的运动矢量，在当前帧的搜索块与包含在前一帧内的一个通常较大的搜索区中的多个相同大小的候选块的每一个之间执行相似性计算。采用诸如平均绝对误差或均方误差等误差函数来进行当前帧的搜索块与搜索区中的各候选块之间的相似性测定。根据定义，运动矢量代表搜索块与得出最小误差函数的一个候选块之间的位移。
经过编码的图象数据是通过一条传统的传输信道传输到包含在一个图象信号解码系统中的一个图象信号解码器的，它执行编码操作的逆过程，借此重构原来的图象数据。然而，重构的图象数据通常呈现称作分块现象的令人不愉快的人为现象，其中一块的边界线在接收端上成为看得见的。由于一帧是以块为单位编码的，所以出现这种分块后果。
因此，本发明的一个主要目的为提供一种用在图象编码系统中的运动补偿方法，该方法能够消除出现在图象信号的一块的边界上的分块后果，借此改善该系统所生成的图象的质量。
按照本发明，提供了一种确定视频信号的一个当前帧与前一帧之间的最佳运动矢量的方法，其中将该当前帧分成多个大小相等的搜索块，而前一帧中则包含对应数目的搜索区，各搜索区具有多个所述相等大小的候选块，该方法包括下述步骤：
(a)采用一种块匹配算法为当前帧中的各搜索块检测出一个运动矢量；
(b)将一个搜索块分成位于该搜索块中央的一个中心区及位于该中心区外侧的一个边沿区；
(c)确定该搜索块的运动矢量作为中心区的一个最佳运动矢量，
(d)根据该搜索块及其一个或多个邻接搜索块的运动矢量，为该搜索块的边沿区确定多个最佳运动矢量。
从下面结合附图给出的较佳实施例的描述中，本发明的上述与其它目的与特征将是显而易见的，附图中：
图1是提供采用本发明的运动补偿装置的一个图象信号编码系统的方框图；
图2示出图1的运动补偿装置的详细方框图；以及
图3示出说明在本发明的运动补偿装置中所进行的边沿区形成的图。
参见图1，其中示出用于压缩一个数字视频信号的编码装置10的方框图，它包括本发明的运动补偿装置150，其中该数字视频信号包含视频信号的多个帧。
编码装置10包括一个第一帧存储器100、一个减法器102、一个图象信号编码器105、一个熵编码器107、一个图象信号解码器113、一个加法器115、一个第二帧存储器124以及该运动补偿装置150。
将包含在一个输入视频信号中的一个当前帧存储在第一帧存储器100中，该存储器通过线路L9连接在减法器102上并通过线路L10连接在运动补偿装置150上。所存储的当前帧是在逐块地基础上读取的，其中块大小通常在8×8与32×32个象素的范围内。
本发明的运动补偿装置150首先通过采用传统的块匹配算法为当前帧的各搜索块检测一个运动矢量，该运动矢量表示该当前帧中的各搜索块与包含在来自第二帧存储器124的前一帧的一个对应搜索区中的与之最相似的候选块之间的空间位移；以及根据该搜索块及其相邻的搜索块的运动矢量，为包含在各搜索块中的象素确定多个最佳运动矢量。此后，运动补偿装置150利用所确定的最佳运动矢量从第二帧存储器124中检索前一帧的对应象素值，借此提供一个预测的当前帧。将搜索块的运动矢量与预测的当前帧信号分别馈送给熵编码器107、减法器102与加法器113。下面参照图2与3描述运动补偿装置150的细节。
在减法器102上从通过线路L9提供的当前帧信号中减去来自运动补偿装置150的预测的当前帧信号，并将表示当前帧的与预测的当前帧的象素值之间的差的得出的数据，即误差信号，发送给图象信号编码器105，在其中用诸如DCT与任何已知的量化方法将该误差信号码编成多组量化的变换系数。
此后，将量化的变换系数传输给熵编码器107与图象信号解码器113。图象信号解码器113利用逆量化及逆离散余弦变换将来自图象信号编码器105的量化的变换系数转换回一个重构的误差信号，在加法器115上，将从图象信号解码器113接收的重构的误差信号及通过线路L30从运动补偿装置150提供的预测的当前帧信号进行组合以提供一个重构的当前帧信号，供作为一个前一帧信号存储在第二帧存储器124中。
在熵编码器107上，用诸如可变长度编码技术将图象信号编码器105供给的量化的变换系数及通过线路L20从运动补偿装置150发送来的运动矢量编码在一起。此后，将编码信号提供给一台发送机(未示出)供其发送。
现在参见图2，其中示出了图1中所示的运动补偿装置150的细节。该运动补偿装置150包括一个运动估计器209、一个存储器210、一个区形成单元213、一个最佳运动矢量确定单元216及一个运动补偿器219。
首先，运动估计器209从第一帧存储器100中检索当前帧信号并从第二帧存储器124中检索前一帧信号，并通过利用本技术中众所周知的传统块匹配技术检测一个表示当前帧中的各搜索块与前一帧中与之最相似的一个块之间的空间位移的运动矢量。将来自运动估计器209的各搜索区的运动矢量提供给图1中所示的熵编码器107及存储器210，在其中存储当前帧的搜索块的运动矢量。
同时，将当前帧信号提供给区形成单元213，在其中将各搜索块分成一个边沿区及一个中心区。在图3中，示出了在按照本发明的较佳实施例的区形成单元213上进行的一种区形成方案。如图3中所示，将诸如16×16个象素的SB5等各搜索块分成诸如12×12个象素的位于搜索块SB5中央的一个中心区CR5，及由位于该中心区CR5外侧的象素构成的一个边沿区，其中该边沿区包含各由2×12个象素构成的四个边区ER5-1至ER5-4及各由2×2个象素构成的四个角区CR5-1至CR5-4。将表示当前帧中的中心、边与角区的位置的区信息提供给最佳运动矢量确定单元216。
最佳运动矢量确定单元216从存储器210中检索当前帧中的搜索块的运动矢量，并响应区形成单元213所提供的区信息，利用各搜索块与其相邻的搜索块的运动矢量为各搜索块的区确定最佳运动矢量。具体地，通过求出诸如SB5与SB2这两个搜索块的运动矢量的平均值而得出位于沿两个搜索块，即SB5与SB2，之间的一条边界上的一个边区ER5-1的一个最佳运动矢量。类似地，通过分别求出两个搜索块SB5与SB4、SB5与SB6及SB5与SB8的运动矢量的平均值而确定边区ER5-2至ER5-4的最佳运动矢量。另一方面，通过求出包含一个角区的一个搜索块的运动矢量与在该角区上与该搜索块相连的搜索块的矢量的平均值而得出该角区的最佳运动矢量。例如求出搜索块SB1、SB2、SB4与SB5的运动矢量的平均值而得出角区CR5-1的最佳运动矢量。同样，角区CR5-2至CR5-4的最佳运动矢量是根据搜索块SB2至SB9的运动矢量确定的。至于诸如CR5等中心区的最佳运动矢量，是指定包含该中心区CR5的搜索块SB5的运动矢量作为其最佳运动矢量的。
以这一方式并按照本发明，诸如CR1-1、CR2-2、CR4-1与CR5-1等互相连接的任何角区具有通过求出包含这些角区的搜索块(诸如SB1、SB2、SB4与SB5)的运动矢量的平均值而确定的相同的最佳运动矢量，而诸如ER2-1与ER5-1等任何相连的边区则共用一个通过求出包含这些边区的搜索块(诸如SB2与SB5)的运动矢量的平均值而计算出的最佳运动矢量。
然后将当前帧的各搜索块的最佳运动矢量提供给一个运动补偿器219。
运动补偿器219利用最佳运动矢量确定单元216所提供的最佳运动矢量从图1中所示的第二帧存储器124中检索各象素值，借此通过线路L30将预测的当前帧信号提供给图1中所示的减法器102与加法器115。
在一个与本发明的编码装置10对应的数字视频信号解码装置中，根据从编码装置10传输来的运动矢量，以相对于区形成单元213及最佳运动矢量确定单元描述的类似方式，重构最佳运动矢量，借此根据所传输的表示误差信号与运动矢量的编码信号便能重构当前帧信号。
虽然已经相对于特定的实施例描述了本发明，熟悉本技术的人员显而易见可以作出各种改变与修正，而不脱离下述权利要求书中所定义的发明范围。

Claims (5)

1、一种用于确定视频信号的一个当前帧与前一帧之间的最佳运动矢量的方法，其中该当前帧是分成大小相等的多个搜索块的，而前一帧中则包含对应数目的搜索区，各搜索区具有所述相等大小的多个候选块，该方法包括下述步骤：
(a)利用一种块匹配算法为当前帧中的各搜索块检测一个运动矢量；
(b)将一个搜索块分成一个位于该搜索块中央的中心区及一个位于该中心区外侧的边沿区；
(c)确定该搜索块的运动矢量作为该中心区的最佳运运矢量；以及
(d)根据该搜索块及其一个或多个邻接搜索块的运动矢量，为该搜索块的边沿区确定多个最佳运动矢量。
2、按照权利要求1的方法，其中该边沿区的最佳运动矢量通过求出该搜索块及其一个或多个相邻的搜索块的运动矢量的平均值而确定的。
3、按照权利要求1的方法，其中该搜索块的边沿区包含四个边区及四个角区，其中各角区位于该搜索块的一个角上，而各边区则位于沿两个角区之间的该搜索块的一条边上，所述各角区具有三个相邻的搜索块，而所述边区则具有一个相邻的搜索块。
4、按照权利要求3的方法，所述各角区的一个最佳运动矢量是根据其相邻的三个搜索块与该搜索块的四个运动矢量确定的，而所述各边区的一个最佳运动矢量是根据其一相邻的搜索块及该搜索块的两个运动矢量确定的。
5、按照权利要求4的方法，所述各角区的最佳运动矢量是通过求出所述四个运动矢量的平均值而确定的，而所述各边区的最佳运动矢量则是通过求出所述两个运动矢量的平均值而确定的。
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