专利名称：利用一个权函数的块匹配运动估算装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于图象信号编码系统中的一种运动估算装置；更具体地，涉及利用一个权函数检测一个运动矢量的一种运动估算装置。
当以数字形式表示包含一图象“帧”序列的一个图象信号时，会生成可观的数据量用于传输，尤其是在高清晰度电视系统中。然而，由于可利用的传统传输信道的频带宽度是有限的，为了通过有限的信道带宽来发送可观的数字数据量，不可避免地要压缩或减少传输数据的容量。在各种视频压缩技术中，利用两个邻接的视频帧之间的视频信号的时间冗余来压缩信号的一种运动补偿的帧间编码技术是已知的有效压缩技术之一。
在运动补偿帧间编码方案中，当前帧数据是根据当前与前面诸帧之间的运动的一种估算、从前面的帧数据中预测的。这种估算的运动可用表示前面的与当前的帧之间的象素的位移的二维运动矢量来描述。
在本技术中已提出的运动矢量估算方案之一为块匹配算法。按照块匹配算法，将一个当前帧分成多个大小相等的搜索块。一个搜索块的大小通常在8×8与32×32个象素之间的范围内。为了确定当前帧中一个搜索块的运动矢量，执行当前帧的搜索块与包含在一个前面的帧中的一个通常较大的搜索区中的大小相等的多个候选块中每一个之间的相似性计算。将一个利用MSE(均方误差)的误差函数用来执行当前帧的搜索块与搜索区中各候选块之间的相似性测定。该误差函数可表示如下MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2]]>其中H×V表示搜索块的大小；I(i，j)表示搜索块中在坐标(i，j)上的一个象素的亮度级；而P(i，j)则表示一个候选块中在坐标(i，j)上的一个象素的亮度级。
根据定义，一个运动矢量表示该搜索块与一个得出最小误差函数值的候选块之间的位移。然后，在一个接收器中利用该运动矢量在逐块的基础上从前面的帧中构造一个画面。
然而，在这一运动补偿帧间编码方案中，由于利用了表示块之间的相互关联的误差函数而并不考虑相邻的块之间的连续性。结果，由于块边界为直线并且是高纹理的，因而块边界可能是可见的，并且其不连续性对观察者特别醒目。这种分块效应出现在运动补偿方法的相邻的块之间的边界上，并且由分块效应导致的块结构人为现象趋向于降低编码图象的质量。
因此，本发明的一个目的为提供一种能降低分块效应的改进的运动估算装置。
本发明的另一个目的为提供一种用于检测保持相邻的块之间的边界区的连续性的运动矢量的改进的运动估算装置。
按照本发明，提供了一种装置，该装置估算当前帧中的一个搜索块相对于前面的一帧中的各候选块的一个位移以生成运动矢量与表示该搜索块与一候选块之间的相似性的误差函数值。本运动估算装置利用一个权函数来加权根据一次MSE测定的若干误差函数值，并选择一个带来最小误差的加权误差函数值以生成一个与之对应的运动矢量。
从以下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及特征将是显而易见的，附图中
图1示出利用按照本发明的一个权函数的一种块匹配运动估算装置的示意性方框图；图2示出在其中具有一个局限的子块的一个搜索块与前面的帧的一个大搜索区之间的一种示例性块匹配方法；以及图3示出一个二维梯度滤波器的一个滤波窗口以产生该权函数的另一个实施例。
参见图1，其中示出了包含在一个运动估算与补偿系统中的一个块匹配运动估算装置的一个较佳实施例，该系统是用于通过消除接连的帧(即一个当前的帧与其邻接的即前一帧)之间的冗余而达到明显的数据压缩的。这便是说，可能在当前帧与前一帧之间存在由一个目标的位移或运动引发的差别；然而，可以将这种差别限制在一帧内的一个相对地小的区域中。因此，没有必要将一个当前帧的全部图象数据发送给一台接收机(未示出)。反之，只要发送位移信息，即运动矢量，便足够了。然后，接收机利用这些运动矢量，从其图象数据存储在接收机内的一个帧存储器中的前一帧中重构该当前帧。
如图所示，当前帧信号是通过一条线路12提供给一个当前帧形成部分10的。该当前帧形成部分10起到将当前帧分成具有相等大小的多个搜索块的作用，每一个搜索块包括H×V个象素。为了说明的目的，假定对于当前帧中的各搜索块的象素，H与V两者是相等的数字16。将各顺序的搜索块作用在用于生成一个权函数的权函数发生器18上。该权函数发生器18在搜索块内定义一个局限的子块，其中如图2中所示的概括地用参照数字74描绘的搜索块具有沿其边线延伸的边线象素及构成局限子块74的边线象素之外的不在边线上的内部象素。然后，为该局限的子块74推导一个局部方差(variance)作为权函数。
局部方差的推导如下var(i,j)=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SV(I(i,j)-mean)2]]>其中var(i，j)表示在一个局限的子块中的一个坐标(i，j)上的象素的局部方差；SH×SV为一个局限的子块的大小；I(i，j)为局限子块中象素坐标(i，j)上的亮度级；而“mean”则表示局限的子块内的内部象素的平均亮度级。
平均亮度级的定义如下mean=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SVI(i,j)]]>然后将该权函数提供给若干块匹配部分，其中只示例性地示出了三个41、42与49。
同时，将存储在存储器(未示出)中的前面的帧通过一条线路13馈送给一个搜索区形成部分15。搜索区形成部分15以相等的大小、形状与搜索模式限定一个前面的帧的通常较大的搜索区，借此进行搜索或比较。
在搜索区形成部分15确定了搜索区之后，还将搜索区数据作用在若干候选块形成部分上，其中只示例性地示出了它们中的三个21、22与29。在各候选块形成部分中，当搜索块以每次水平移动一个象素位置，然后垂直向下通过搜索区每次移动一条扫描线以扫过起始在最左上位置上的搜索区，直到最终到达搜索区内的最右下位置时，便从搜索区中生成了一个候选象素块。在确定的搜索区内形成了大小为H×V个象素的所有的可能的候选块。然后，推导各候选块与当前帧的搜索块之间的相对位移，然后通过线路31至39作为该候选块的一个运动矢量提供给一个多路复用器60。还从各候选块形成部分21至29将各候选块的象素数据提供给各块匹配部分41至49。在各块匹配部分41至49中，使用权函数，在来自当前帧块形成部分20与来自各候选块形成部分21至29之间，计算采用MSE测定的误差函数。传统上，在搜索块与候选块的对应象素之间进行亮度级或光强度的比较以得出该候选块的误差函数。该误差函数表示搜索块与选择的候选块之间的相似程度。
按照本发明，在各块匹配部分41至49中，将从权函数发生器18推导出的权函数加权到误差函数上，借此检测出给待重构的邻接的块带来平滑连接的一个运动矢量。
加权的误差函数“W-MSE”的定义如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×var(i,j)]]>其中H×V为一个搜索块的大小；I(i，j)为该搜索块中一个象素坐标(i，j)上的亮度级；而P(i，j)则为一个候选块中的一个象素坐标(i，j)上的亮度级。
将所有来自块匹配部分41至49的加权误差函数提供给一个最小误差检测器50。最小误差检测器50比较这些加权的误差函数以选择一个具有最小误差的加权误差函数。
最小误差检测器50输出一个表示与最小误差函数对应的块的选择信号到运动矢量选择器60。具有一个传统的多路复用器的运动矢量选择器60响应该选择信号，选择与最小误差函数对应的候选块的位移矢量。如上所述，如果一个候选块具有最小的误差函数，该候选块与搜索块最相似；结果，便将该候选块的位移矢量选择为运动矢量。
图3示出用来推导权函数的另一个实施例的一个二维梯度滤波器的一个滤波器窗口。
在权函数生成器18中，由该二维梯度滤波器滤波搜索块以生成一个梯度函数作为权函数。该梯度函数的定义如下▿(i,j)=Σk=-11Σl=-11I(i+k,j+1)×F(k,l)]]>其中(i，j)表示搜索块中一个坐标(i，j)上的梯度；I(i＋k，j＋l)表示坐标(i＋k，j＋l)上的一个象素的亮度级；而F(k，l)表示一个梯度滤波器的一个滤波器系数。
用类似于上面提出的方式，将这一权函数提供给分块匹配部分41至49以加权在块匹配部分41至49中计算出的误差函数，而生成加权的误差函数。加权的误差函数可表示如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×|▿(i,j)|]]>其中H×V为一个搜索块的大小；I(i，j)为该搜索块中一个象素坐标(i，j)上的亮度级；而P(i，j)则为一个候选块中象素坐标(i，j)上的亮度级。
将所有通过滤波器推导出的加权误差函数提供给最小误差检测器50去选择一个得出最小误差的运动矢量，如上所述。
虽然上面参照特定的实施例展示与描述了本发明，但对于熟悉本技术的人员将十分清楚，可以在不脱离所附的权利要求书中所限定的本发明的精神与范围的条件下，做出许多改变与修正。
权利要求
1.一种利用块匹配运动估算技术检测视频信号的一个当前帧与一个前面的帧之间的运动矢量的装置，其中该当前帧是分成大小相等的多个搜索块的，而前面的帧是分成对应数目的搜索区的，各搜索区又进一步分成所述相等大小的多个候选块，该装置包括用于估算一个搜索块相对于各候选块的运动以生成与之对应的运动矢量及误差函数的装置，各运动矢量表示一个搜索块与各候选块之间的象素的位移；用于在一个搜索块中限定一个局限的子块而为该局限的子块生成一个局部方差的装置，所述局限的子块具有搜索块的内部象素；用权函数加权各误差函数以生成加权的误差函数的装置；以及用于选择一个得出最小误差的加权误差函数以生成一与之对应的运动矢量的装置。
2.权利要求1的装置，其中该局部方差的定义如下var(i,j)=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SV(I(i,j)-mean)2]]>其中var(i，j)表示一个局限的子块中一个坐标(i，j)上的一个象素的局部方差；SH×SV为局限的子块的大小；I(i，j)为该局限的子块中象素坐标(i，j)上的亮度级；而所述“mean”则表示局限的子块中的内部象素的平均亮度级。
3.权利要求2的装置，其中该平均亮度级的定义如下mean=1SH×SVΣi=1SHΣj=1SVI(i,j)]]>
4.权利要求3的装置，其中该加权误差函数计算如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×var(i,j)]]>其中W-MSE为一个加权误差函数；H×V为一个搜索块的大小；I(i，j)为该搜索块中一个象素坐标(i，j)上的亮度级；而P(i，j)则为一个候选块中的象素坐标(i，j)上的亮度级。
5.一种利用块匹配运动估算技术检测视频信号的一个当前帧与一个前面的帧之间的运动矢量的装置，其中该当前帧是分成大小相等的多个搜索块的，而该前面的帧则分成对应数目的搜索区，各搜索区又进一步分成所述相等大小的多个候选块，该装置包括用于估算一个搜索块相对于各候选块的运动以生成与之对应的运动矢量及误差函数的装置，各该运动矢量表示一个搜索块与各该候选块之间的象素的位移；一个滤波器，用于滤波该搜索块而为该搜索块中的象素生成一个梯度函数；用该梯度函数加权各该误差函数以生成加权误差函数的装置；以及用于选择一个得出最小误差的加权误差函数以生成一个与之对应的运动矢量的装置。
6.权利要求5的装置，其中该梯度函数的定义如下▿(i,j)=Σk=-11Σl=-11I(i+k,j+1)×F(k,l)]]>其中(i，j)表示一个搜索块中的一个象素坐标(i，j)上的梯度；I(i＋k，j＋l)表示在象素坐标(i＋k，j＋l)的亮度级；而F(k，l)则表示一个滤波器系数。
7.权利要求6的装置，其中该加权误差函数计算如下W-MSE=1H×VΣi=1HΣj=1V(I(i,j)-P(i,j))2×|▿(i,j)|]]>其中W-MSE为一个加权误差函数；H×V为一个搜索块的大小；I(i，j)为该搜索块中的一个象素坐标(i，j)上的亮度级；而P(i，j)则为一个候选块中的象素坐标(i，j)上的亮度级。
全文摘要
一种块匹配运动估算装置，估算当前帧中的一搜索块相对于一个前面的帧中各候选块的位移，以生成运动矢量与表示该搜索块与一候选块间的相似性的误差函数。该运动估算装置利用一权函数来加权根据MSE测定的若干误差函数，并选择最小误差的一个加权误差函数以生成一与之对应的运动矢量。该权函数包括一定义在该搜索块中的局限的子块的局部方差。权函数的另一例子包括经过一个二维梯度滤波器滤波的搜索块中的象素的梯度。
文档编号G06F17/16GK1127967SQ9510134
公开日1996年7月31日 申请日期1995年1月26日 优先权日1995年1月26日
发明者丁海默 申请人:大宇电子株式会社