[發明專利]運動估計

無效

• 申請號: 00801040.4
• 申請日: 2000-03-21
• 公開（公告）號: CN1314052A
• 公開（公告）日: 2001-09-19
• 發明（設計）人: M·巴克穆特斯基;V·戈恩斯坦
• 申請（專利權）人: 皇家菲利浦電子有限公司
• 主分類號: H04N7/26
• 分類號: H04N7/26
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 王岳,王忠忠

一般來說，MPEG視頻數據流的編碼需要若干步驟。第一步驟包括把每一畫面分成宏數據塊。理論上講，隨后將把該MPEG視頻數據流與全部可能的16×16像素陣列比較，該16×16像素陣列定位在固定畫面中對應位置的當前宏數據塊的規定垂直和水平搜索范圍之內。在理論上，“全檢索算法”(即為了最佳匹配而在搜索區域中搜索每個可能的數據塊)總是產生該最佳匹配，但是其很少使用在實際應用中，因為它要求極大的計算量，例如對于N×N的一個數據塊尺寸和一個(N+2w)×(N+2w)的搜索區域，失真函數MAE必須針對每一數據塊計算(2w+1)²次，這將是一個極大的計算量。實際上是僅把該全檢索算法用作基準或測定判據，使之與能夠快速和以較少計算執行的不同的更實際的運動估計相比較。這些更實際的運動估計算法通常稱作“快速檢索算法”。

上述針對給定預測模式的搜索或“運動估計”過程產生對應于在指定搜索范圍之內的固定畫面中的最接近匹配宏數據塊(根據一個規定的匹配判據)的位置的一個運動矢量。一旦確定了預測模式和運動矢量，就從當前宏數據塊的對應于像素減去最接近匹配宏數據塊的像素值，產生16×16的差像素的陣列隨后被執行一個離散余弦變換(DCT)而被轉變成8×8“數據塊”，其中產生的系數被逐一量化和霍夫曼編碼(按照預測類型、運動矢量和其它關于該宏數據塊的信息)，以便產生MPEG比特數據流。如果在該固定畫面中沒有檢測到充分的宏數據塊匹配，即如果該當前畫面是一個幀內，即“I-”畫面，則上述過程將對于當前宏數據塊的實際像素執行(即不相對于任何其它畫面中的像素提取差值)，并且該宏數據塊被指定為一個“幀內”宏數據塊。

針對所有的MPEG-2預測模式，運動估計的基礎技術包括：把當前宏數據塊與固定畫面中的16×16像素陣列比較，根據指定度量估計匹配的質量，并且針對定位在該搜索范圍之內的這種16×16像素陣列的每一個重復該過程。執行這種搜索的硬件或軟件被通常稱為“搜索引擎”，并且存在若干用于確定該匹配質量的熟知判據。在這些判據當中最熟知的是最小絕對誤差(MAE)，其中的搜索度量包括在該宏數據塊中的256個像素的每一個與在該匹配固定畫面宏數據塊中的對應像素的差值的絕對值取和；以及最小平方誤差(MSE)，其中該度量包括上述像素差值的平方的取和。不論那種狀況，具有對應于取和的最小值的匹配被選擇作為在規定搜索范圍之內的最佳匹配，并且相對于該當前宏數據塊的水平和垂直位置因此構成該運動矢量。然而如果該產生的最小取和被認為太大，則不存在針對該當前宏數據塊的適當匹配，而其被作為一個幀內宏數據塊編碼。為本發明的目的，可用上述兩個判據的任一個或任何其它適當的判據。

各種快速檢索算法僅以該搜索區域之內的該候選運動矢量位置的一個預定子集估算該失真函數(例如MAE函數)，從而減小了總體計算工作量。這些算法是以一種假設為基礎，即在該最佳匹配預測的方向上該失真測量是單調減少的。即使這種假設并不總是真實的，但是仍然能夠用少得多的計算找到一個次最佳的運動矢量。

解決運動估計最常用的方法是通常分成若干處理步驟的一個混合近似法。首先，能夠通過像素平均抽取該圖像。隨后，對于小數目的像素執行快速檢索算法操作，產生一個接近最佳匹配的結果。隨后，圍繞一個較小搜索區域執行獲得運動矢量的一個全檢索算法。如果要求半像素矢量(如利用MPEG-2)，則作為一個單獨步驟或與有限的全部搜索結合執行一個半像素搜索。

即使在運動估計的混合近似法中能夠實現很大的計算節省，但是為了計算MAE的每一迭代仍然必須執行巨量計算。假定對于每一數據塊偏移都必須計算每一時鐘周期的失真函數，其失真函數在要求應用例如其中運動數據塊尺寸是16×16的MPEG-2HDTV中是所希望的，則一個失真函數計算單元(DFCU)將包括若干從8(被用于運動判斷的8比特亮度數據)開始增加比特寬度的簡單電路，以便產生MAE。該數字將等于下面的取和：256每一DFCU的以8開始增加比特寬度的總數為757個電路，256個減法電路、256個絕對值計算電路、255個增加比特寬度的累加電路。

根據畫面清晰度，對于一個實際系統來說需要若干這樣的極端復雜的單元。在一個DFCU內部使用較小數目的電路以便重復使用其硬件是可能的，但是這將實質上增加處理時間，并且在例如HDTV的提出的應用中可能是不可接受的。在此情況中，不得不簡單地增加DFCU的數量以便通過增強的并行處理做補償。

在實現運動估計的混合近似法(粗略搜索)中的第一步驟通常是硬件利用考慮的最需要的步驟，因為該步驟必須覆蓋最大的搜索區域以便產生相當精確的匹配。