CN1135147A - 利用基于特征点的运动估算编码视频信号的方法 - Google Patents
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Abstract
选取特征点的方法，包括：从当前帧象素值中减去先前帧象素值得到差分象素值；将该值与第一阈值比较并选取具有大于该阈值的差分象素值的处理区；检测先前帧处理区中各象素的运动矢量；根据运动矢量提供当前帧象素值；从处理区的当前帧象素值中减去先前帧象素值以提供误差象素值；将该值与第二阈值比较并选取具有大于该阈值的误差象素值的网格区；生成对应处理区的第一网格及对应网格区的第二网格；检测先前帧中的边缘点；基于第一和第二网格及边缘点选取特征点。
Description
本发明涉及一种编码视频信号的方法；并且，更具体地，涉及一种可通过根据目标的运动自适应地选取特征点而有效地编码视频信号的方法。
众所周知，数字视频信号的传输可获得比模拟信号传输质量高得多的视频图象。当包括有一序列串图象“帧”的图象信号以数字形式表示时，将生成大量需要传输的数据，特别是在高清晰度电视系统的情况中。然而，一常规传输信道的可用频带宽度是有限的，因此，为了发送大量的数字数据，必须压缩或减少传输数据的量。在各种视频压缩技术中，将时间及空间压缩技术与统计编码技术相结合的所谓的混合编码技术是所知最为有效的。
大多数混合编码技术采用运动补偿DPCM(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DPCM是对在一当前帧和一先前帧之间的目标的运动进行估算，并根据该目标的运动流预测当前帧以产生一个代表当前帧及其预测之间的差的误差信号的处理。这种方法在例如Staffan Ericsson的“用于混合预测/变换编码的固定及自适应预测器，”IEEE Transations on Communications COM-33，NO12(1985年12月)及在Ninomiya和Ohtsuka的“一种用于电视画面的运动补偿帧间编码方案”，IEEE Transactions on Communications，COM-30，NO.1(1982年1月)中被描述。
二维DCT减少或利用图象数据间的空间冗余，将一例如为8×8象素块的数字图象数据块变换成一组变换系数数据。这种技术在例如Chen和Pratt的“场景自适应编码器”IEEE Transactions on Communications，COM-32，NO.3，(1984年3月)中被描述。通过量化器、折线扫描及VLC对这些变换系数数据的处理，侍传输的数据量可被有效地压缩。
特别地，在运动补偿DPCM中，基于对当前帧及先前帧间的运动的估算，当前帧数据自相应的先前帧被预测。
该被估算的运动可用代表先前帧及当前帧间的象素的位移的二维运动矢量描述。
已有两种基本方法估算目标的象素的位移：一种是逐块估算，另一种是逐象素的方法。
在逐块运动估算中，将一当前帧中的一块与其先前帧中的各块进行比较直至确定最佳匹配。由此，可以为被传输的当前帧估算整个块的帧间位移矢量(代表该象素块已在帧间移动了多少)。然而，在逐块运动估算中，如果块中所有象素不以相同的方式移动，可导致差的估算，从而降低了整个画面的质量。
在另一方面，采用逐象素的方法，可确定用于各个及每个象素的位移。这种技术可取得象素值的更精确的估算并能容易地处理标度改变(例如变焦、垂直于图象平面的运动)。然而，在逐象素的方法中，由于是确定各个及每个象素的运动矢量，因此几乎不可能将所有的运动矢量数据传输给一接收机。
引入的用于改善涉及由逐象素方法导致的剩余或多余的传输数据的问题的一种技术是基于特征点的运动估算方法。
在该基于特征点的运动估算技术中，用于一组被选取的象素，即特征点的运动矢量被传输给一接收机，其中特征点被定义为能够代表目标的运动的一先前帧或一当前帧的象素以便当前帧中的象素的全部运动矢量可从接收机中特征点的运动矢量中被还原或近似。在采用在美国流水号为08/367,520，题目为“用逐象素运动估算编码视频信号的方法和装置”的共有未决申请中公开的基于特征点的运动估算技术的编码器中，首先从包含在从先前帧中的全部象素中选取一些特征点。接着，通过使用常规的块匹配技术确定被选取的特征点的运动矢量，其中各个运动矢量代表先前帧中的一特征点与当前帧中的一对应匹配点即最相似的象素间的空间位移。特别地，在当前帧内的一搜索区中搜索对于各个特征点的匹配点，其中搜索区被定义为包围了对应特征点的位置的预定区域的一个区。然后，基于特征点的运动矢量确定对于当前帧中所有象素的全部运动矢量。
不过，在上述基于特征点的运动估算技术中，特征点被确定时没有充分考虑到两个目标间可能不同的运动的细节，因此，不是总可以充分地估算运动或准确地再现图象。
本发明的主要目的是提供一种改进的视频信号编码方法，这种方法能通过根据目标的运动自适应地选取特征点，从而更有效地对视频信号进行编码。
根据本发明，提供有一种方法，它可用于视频信号编码器中，根据基于特征点运动估算技术，通过根据当前帧与先前帧间目标的运动自适应地选取特征点编码数字视频信号；所述的数字视频信号有一序列包括一当前帧和一先前帧的帧，该方法包括有以下步骤：(a)在逐象素的基础上，从当前帧的象素值中减去先前帧的象素值，从而提供在当前帧与先前帧中相同位置的象素间的差分象素值；(b)在逐象素的基础上，将该差分象素值与第一个阈值TH1进行比较并选取一个或多个处理区，各处理区由具有各自的差分象素值大于第一个阈值TH1的象素构成；(c)检测用于先前帧中处理区的各个象素的在当前帧与先前帧之间的运动矢量；(d)基于先前帧中处理区的各象素的运动矢量提供当前帧的象素值；(e)在逐象素的基础上，从当前帧的象素值中减去所述先前帧中处理区的各象素值，从而提供一误差象素值；(f)将该误差象素值与第二个阈值TH2进行比较并选取一个或多个网格区，各个网格区由具有各自的误差象素值大于第二个阈值TH2的象素构成；(g)在先前帧中生成用于各处理区的第一网格并生成用于所述各网格区的第二网格，其中第二网格是由一部分第一网格的网格点及新增网格点形成，各个新增加的网格点位于水平或垂直方向上第一网格的相邻的一对网格点的中心处；(h)自先前帧检测边缘点；(i)基于第一、二网格点及边缘点，选取先前帧中的多个象素作为特征点。
本发明的上述及其它目的和特征通过对下面结合有附图的优选实施例的说明将变得很明显：
图1是根据本发明的一视频信号编码装置的方框图。
图2表示的是图1中当前帧预测块的详细方框图。
图3表示的是图2中处理区选取块的详细方框图。
图4说明的是在先前帧中围有较大差分象素值的处理区。
图5表示的是图2中特征点选取块的详细方框图。
图6说明了在处理区中自适应的网格生成处理。
图7示出了根据本发明的特征点选取操作的说明图。
图8给出了根据本发明的一视频信号解码装置的方框图。
图9表示的是图8中所示的当前帧预测块的详细方框图。
参照图1，示出了根据本发明的一视频信号编码装置10的方框图。一输入数字视频信号作为当前帧信号存储在第一帧存储器100中，第一帧存储器100通过线L11与减法器102连接，并通过线L10与当前帧预测块150连接。
在当前帧预测块150，取自第一帧存储器100的在线L10上的当前帧信号及取自第二帧存储器124在线L12上的先前帧信号被处理以在逐象素的基础上预测当前帧，以生成一预测的当前帧信号至线L16上、生成一表示具有目标运动的区的位置的处理区信息到线L17上、生成表示具有目标的不规则及局部运动的区的位置的网格信息至线L18上，其中需要有详细的运动补偿。并生成一组特征点的运动矢量到线L19上。当前帧预测块150的细节将在后面参照图2和图9进行说明。
在减法器102，从线L11上的当前帧信号中减去线L16上的预测的当前帧信号，且结果数据，即表示当前帧与预测的当前帧之间的差分象素值的误差信号，被传送至图象信号编码器105，其中该误差信号通过利用DCT及任可所知的量化方法被编码成一组量化变换系数。
接着，该量化变换系数被传送至熵编码器107及图象信号解码器113。在熵编码器107，通过利用例如可变长度编码技术，来自图象信号编码器105的量化变换系数、通过线17被传输的处理区信息、通过线L18被传输的网格信息及通过线L19被传输的运动矢量被一起进行编码；并以恒定的传输速率通过缓冲器109传送至发射机(未示出)进行发射。同时，通过采用逆量化及离散反余弦变换，图象信号解码器113将来自图象信号编码器105的量化变换系数转换回为一重建的误差信号。
在加法器115，来自图象信号解码器113的重建的误差信号与来自当前帧预测块150在线L16上的预测的当前帧信号被组合，从而提供一个重建的当前帧信号，存储在第二帧存储器124中以作为下一帧的先前帧信号。误差信号的重构是为了使编码器监控接收机中解码器的运行性能，防止在编码器重建的当前帧信号与在接收机中解码器的重建当前帧信号出现偏差。
参照图2，举例说明了图1中的当前帧预测块150的细节。如图2中所示，来自第二帧存储器在线L12上的先前帧信号被输入到处理区选取块210、特征点选取块211、特征点运动矢量检测块212及运动补偿块216。
在处理区选取块210，一些具有目标运动的区域被选作处理区。
现在参照图3，给出了在图2中所示的处理区选取块210的详细方框图。在减法器310，从来自图1中所示的第一帧存储器的在线L10上的当前帧信号中减去来自图1所示的第二帧存储器的在线L12上的先前帧信号，其结果数据，即表示当前帧与先前帧中同一位置的象素间的差分象素值的帧差分数据被送至第一比较块312。该第一比较块312在逐象素的基础上将帧差分数据中的各差分象素值与预定的第一阈值TH1相比较。如果差分象素值小于第一阈值TH1，其被设置为变换值0。否则该差分象素值被设置为变换值1。该变换值被传送并存储到第三帧存储器314中。
第一区选取块316从第三帧存储器314中取出各象素的变换值，并选取变换值为1的区为第一区，并且确定各第一区的处理区，其中该处理区是仅能覆盖该第一区的最小矩形；而且，如果在图5所示的基于块运动估算块510中，例如在一宏块即16×16象素的基础上实现运动估算，则处理区的尺寸为(16×M)×(16×N)象素，其中M、N为正整数。
在图4举例表示了包含有变换值为1的第一区A和B的处理区51和53。
表示每个处理区的位置数据的处理区信息，如左上方象素位置和各个矩形区的尺寸，被传输至熵编码器107及特征点选取块211。在特征点选取块211，从先前帧中所包含的象素中选取一些特征点，这些特征点定义为能表示帧中目标运动的象素。
现在参照图5，给出了图2中所示的特征点选取块211的详细方框图。在来自图1中所示的第一帧存储器的在线L10上的当前帧信号被输入至基于块运动矢量估算块510及基于块运动补偿块511，同时来自图1中所示的第二帧存储器124的在线L12上的先前帧信号被输入至基于块运动矢量估算块510、减法器512及边缘检测块517。
响应处理区信息，通过利用已熟知的现有技术中常规的块匹配技术，基于块运动矢量估算块510检测表示先前帧中处理区的各搜索块与当前帧中与其最相似块之间的空间位移的运动矢量。先前帧中处理区的各搜索块的该运动矢量被指定为搜索块中所包括的各象素的运动矢量；没有包括在任一处理区中的象素所对应的运动矢量被设置为0。然后，基于块运动估算块510将该运动矢量提供给基于块运动补偿块511。基于块运动补偿块511通过利用先前帧中所有象素的运动矢量，从图1所示第一帧存储器100中取出象素值，从而提供一个预测信号给减法器512。
在减法器512，从预测信号中减去先前帧信号，且结果数据，即表示预测信号与先前帧信号之间的差分象素值的差分信号，被传送给第二比较块513。第二比较块513在逐象素的基础上将差分信号中包括的各差分象素值与一第二阈值TH2进行比较。该第二阈值TH2可以根据缓冲器的占有率，即图1中所示的缓冲器存储的数据量，被预先设定或自适应确定。如果该差分象素值小于第二阈值TH2，则被设置为变换值为0。否则该差分象素值被设置为变换值为1。该变换值被传送并存储至第四帧存储器514中。
并且第二区选取块515从第四帧存储器514中取出该变换值，并选取变换值为1的区域作为具有不规则或局部目标运动的第二区。且表示第二区象素位置的第二区信息被提供给网格生成块516。
响应于来自第一区选取块316的在线L17上的处理区信息及第二区信息，网格生成块516分别生成在先前帧中的处理区上的第一网格及在第二区上的第二网格，其中第二网格中网格点的密度要大于第一网格中网格点的密度。在本发明的优选实施例中，首先在先前帧中全部处理区上形成一六角形网格；并构成一用于各第二区的三角形网格，其中的三角形网格是仅覆盖第二区的最小尺寸的网格，并且由六边形网格点中的一部分与附加的网格点组成。各附加网格点是新增加在一水平或垂直方向上一对相邻的六角形网格点的中心处。例如图6中所示，生成一用于第二区域A’的更密的网格即三角形网格61。接着，表示各三角形网格位置数据的网格信息，例如左上方象素位置及网格尺寸通过线L18被送到熵编码器107和特征点定义块518。
同时，现有技术中熟知的边缘检测块517通过利用常规的梯度算子，例如Sobel算子来对先前帧中的边缘点进行检测。例如通过利用水平及垂直Sobel算子计算方向梯度，例如在象素位置(x，y)的水平和垂直梯度Gx(x，y)和Gy(x，y)，在象素位置(x，y)的梯度幅值可由下式获得：g(x，y)＝|Gx(x，y)|＋|Gy(x，y)|
并且然后通过比较先前帧中每个象素的梯度幅值g(x，y)和一预定的阈值Te检测先前帧中的边缘点，即如果g(x，y)大于Te，则象素位置(x，y)变为边缘点。
接下来，各边缘点的梯度幅值g(x，y)与表征边缘点位置的边缘信号eg(x，y)一起被传送到特征点定义块518。在特征点定义块518，从先前帧中包含的象素中选取一些特征点。
参照图7，示出了按照本发明，在特征点定义块518实现特征点选取的说明图。响应于来自第一区选取块316的处理区信息及网格生成块516的网格信息，为其中的各网格点例如G1至G4的最大的且不重叠的圆形搜索区被设置，例如SR1到SR4。然后，基于来自边缘检测块517的边缘点的梯度幅值及表示边缘点位置的边缘信号，设置一在其中心有一边缘点的例如5×5象素的块，用于与搜索区相重叠的各边缘点例如E1至E9。然后，对各块中象素的梯度幅值求和，所得到的和值被指定为在其中心的边缘点的边缘值；且选取搜索区中边缘值最大的边缘点作为搜索区的特征点。如果存在多于一个具有相同的最大边缘值的边缘点，则选取离网格点最近的边缘点作为特征点。如果搜索区中无边缘点，例如SR1或SR3，则选取搜索区中网格点本身，例如G1和G3，作为特征点。
再参照图2和图3，来自特征点定义块518的被选取的特征点的位置的特征点信息经过线L20被输入到特征点运动矢量检测块212和当前帧运动矢量检测块214。并且，线L10上的当前帧信号和线L12上的先前帧信号也被提供至特征点运动矢量检测块212。
在特征点运动矢量检测块212，检测各被选取的特征点的第一组运动矢量。第一组中的各运动矢量表示先前帧中一特征点和当前帧中与之最相似的一象素之间的空间位移。检测完所有特征点的运动矢量后，该第一组运动矢量经过线L19被送至当前帧运动矢量检测块214及熵编码器107(如图1所示)。
在当前帧运动矢量检测块214，当前帧中所有象素的第二组运动矢量是通过利用线L19上的第一组运动矢量及来自特征点选取块211的特征点信息被确定的。为了确定第二组运动矢量，首先要确定用于“准特征点”的一组矢量，准特征点表示的是自先前帧特征点被移过第一组运动矢量的当前帧的象素。对应于准特征点的运动矢量的幅值与其相应的特征点的运动矢量的幅值是相同的，而两矢量方向是相反的。确定完所有准特征点的运动矢量后，当前帧中其余的象素点即非准特征点对应的运动矢量如下被确定。
首先通过各处理区中的连接准特征点的线段定义一序列非重叠的多角形，如三角形。然后，基于形成各多角形的准特征点与其相应特征点间的位置关系，确定对应于当前帧的各多角形中包含的各象素的在先前帧上的预测位置。然后由象素与其预测间的位移来确定当前帧的每个多角形中包含的各象素所对应的运动矢量。同时，未包括在任何多角形内的象素的运动矢量被置为0。这种技术在例如在此引入作为参考的美国流水号为08/434,808于1995年5月4日申请的题目为“用于编码/解码视频信号的方法和装置”的一共有未决申请中被叙述。
运动补偿块216通过利用第二组的各运动矢量从第二帧存储器124中取出存储在预测当前帧中的各象素值，从而提供预测的当前帧信号并经过线L16送至减法器102和加法器115，如图1所示。
参照图8，示出了本发明的视频信号解码装置800，它与图1中的视频信号编码装置10相对应，从视频信号编码装置10输出的编码的视频信号通过一缓冲器810被馈送至熵解码器820。接着，熵解码器820对编码的视频信号进行解码，以提供特征点运动矢量处理区信息及网格信息到当前帧预测块850，并提供量化的变换系数送至图象信号解码器830。图象信号解码器830执行与视频信号编码装置10中的图象信号解码器113相同的功能，从而提供重建偏差信号给加法器840。当前帧预测块850与图2中所示的当前帧预测块150的结构很相似，只是当前帧预测块850中没有区选取器，例如处理区选取块210；和运动估算器，例如特征点运动矢量检测块212。这是由于来自图1中所示的编码器10的处理区信息、网格信息及特征点运动矢量是通过熵解码器820被提供的。当前帧预测块850包含有特征点选取块、当前帧运动矢量检测块及运动补偿块。这些块的功能与前述被分别说明的当前帧预测块150中的各块基本相似。
特别地，如图9中所示，给出了当前帧预测模块850的细节描述。来自熵解码器820的处理区信息和网格信息及来自帧存储器860的先前帧信号被输入至特征点选取块952以选取一些特征点。这些特征点与在图2所示的特征点选取块210上选取的特征点一样，其中特征点选取块952包括一边缘检测块-和特征点定义块，这些块与编码器的特征点选取块211中所包括的各块是相同的。响应于来自特征点选取块952被选取的特征点及来自熵编码器820的特征点运动矢量，当前帧运动矢量检测块954以与图2中所示的当前帧运动矢量检测块214相同的方式确定当前帧中所包含的所有象素的运动矢量。运动补偿块956提供的预测的当前帧信号与图2中所示的运动补偿块216所提供的预测的当前帧信号相同。
再参照图8，来自当前帧预测块850的预测的当前帧信号以及来自图象信号解码器830的重建误差信号在加法器840被一起相加，以提供重建的当前帧信号至显示单元(未详细图示)及帧存储器860。在帧存储器860，该重建当前帧信号被作为待解码的下一帧的先前帧信号存储起来。
虽然结合优选实施例示出并叙述了本发明，但对于本领域的熟练技术人员在不脱离所附权利所要求的发明的精神和范围的前提下，可明显地作出许多变化和修改。
Claims (3)
1、一种用在视频信号编码器中的方法，根据基于特征点运动估算技术，通过根据当前帧与先前帧之间的目标运动自适应地选取特征点对数字视频信号进行编码。所述数字视频信号有一序列包括一当前帧和一先前帧的帧，包括有以下步骤：
(a)在逐象素的基础上从当前帧的象素值中减去先前帧的象素值，从而提供当前帧与先前帧中同一位置的象素间的差分象素值；
(b)在逐象素的基础上将该差分象素值与第一阈值TH1进行比较并选取一个或多个处理区，各处理区由具有各自大于第一阈值TH1的差分象素值的象素构成；
(c)检测当前帧与先前帧之间在先前帧中的处理区的各象素的运动矢量；
(d)基于先前帧处理区的各象素的运动矢量，提供当前帧的象素值；
(e)在逐象素的基础上从当前帧的象素值中减去所述的先前帧中处理区的各象素值，从而提供一误差象素值；
(f)将该误差象素值与第二阈值TH2进行比较并选取一个或多个网格区，各个网格区由具有其各自大于第二阈值TH2的误差象素值的象素构成；
(g)在先前帧中生成对应于各处理区的第一网格并生成对应于各网格区的第二网格，其中第二网格是由一部分第一网格的网格点及新增的网格点形成，各个新增网格点位于水平及垂直方向上第一网格中相邻的一对网格点的中心处；
(h)从先前帧检测边缘点；
(i)基于第一和第二网格及边缘点选取先前帧中的一些象素作为特征点。
2、根据权利要求1的方法，其中所述用于检测边缘点的步骤(h)包括生成先前帧中各象素的梯度幅值的步骤；所述用于选取特征点的步骤(i)包括有以下步骤：
(i1)指定第一、二网格的各网格点所对应的非重叠的搜索区；
(i2)提供各边缘点的边缘值，其中边缘值是通过对包括有所述各边缘点的象素块内的象素的梯度幅值求和而得到的；且
(i3)确定在其搜索区中不包括有边缘点的各网格点及在一搜索区内一个或多个边缘点中具有一最大边缘值的各边缘点作为特征点，从而提供该特征点。
3、根据权利要求2的方法，其中第一、二网格分别是六角形、三角形网格。
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