專利名稱：一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像壓縮傳輸技術(shù)領(lǐng)域，涉及圖像壓縮中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的方法，特別涉及一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)實(shí)中的視頻信號(hào)中含有大量的冗余信息，可以通過數(shù)據(jù)壓縮來去除冗余，即去除這些信息數(shù)據(jù)之間時(shí)間空間函數(shù)的自相關(guān)性和互相關(guān)性，保留相互獨(dú)立的信息分量。去除這些冗余信息，可以節(jié)約存儲(chǔ)空間，提高傳輸效率，同時(shí)使視頻信息在較低速率的信道上進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送成為可能。冗余信息中主要是空間冗余和時(shí)間冗余，其中時(shí)間冗余占整個(gè)視頻壓縮編碼量的60％～80％，直接影響著編碼的速度和效率，而運(yùn)動(dòng)估計(jì)能夠有效的去除視頻信息之間的時(shí)間冗余，是視頻編碼中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
運(yùn)動(dòng)估計(jì)采用的通常為塊匹配法，塊匹配法大致包括搜索策略和搜索匹配準(zhǔn)則兩大部分的內(nèi)容。搜索匹配準(zhǔn)則就是在搜索過程中需要找到與當(dāng)前幀數(shù)據(jù)最為匹配的參考數(shù)據(jù)所采用的比較準(zhǔn)則，目前，衡量最佳匹配的準(zhǔn)則有很多，如均方差(Mean Square Error，MSE)，絕對(duì)平均差(Mean AbsoluteDifference，MAD)和絕對(duì)差和(Sum of Absolute Difference，SAD)等。但是，這些匹配準(zhǔn)則都有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是計(jì)算量太大，從而使得硬件實(shí)現(xiàn)的難度大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，相對(duì)于現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，在大大降低了計(jì)算量的同時(shí)保持了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的準(zhǔn)確性，并且易于硬件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，該方法按以下步驟進(jìn)行，首先，將每幀圖像劃分成N×N的宏塊；然后，將當(dāng)前幀的每一個(gè)圖像塊與參考幀中對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域的所有圖像塊按下述公式進(jìn)行匹配計(jì)算，DSAD(i,j)=Σi=0N-1|Sk(i,i)-Sk+1(i,i)|+Σj=0N-1|Sk(j,N-j)-Sk+1(j,N-j)|]]>式中，Sk(m，n)為第k幀位于(m，n)的象素值，i，j分別為水平和垂直方向的偏移量找到DSAD最小的值，并將其作為在參考幀的對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域內(nèi)與當(dāng)前幀的最佳匹配塊；最后，將上步找到的最佳匹配塊的行列坐標(biāo)即運(yùn)動(dòng)向量MV輸出，即完成了運(yùn)動(dòng)估計(jì)。
本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法采用對(duì)角線匹配只需要對(duì)兩個(gè)比較圖像塊的處于兩條對(duì)角線上的象素點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，而不需要進(jìn)行每一點(diǎn)的比對(duì)，所以大大降低了計(jì)算量和計(jì)算難度。


圖1是幾種匹配準(zhǔn)則匹配點(diǎn)分布圖，其中，a是全匹配，b是本發(fā)明中的對(duì)角線匹配，c是框架匹配，d是十字匹配；圖2是四種匹配準(zhǔn)則的效果對(duì)比，其中，橫軸表示測(cè)試序列中圖像的幀數(shù)(Frame)，縱軸為圖像的峰值信噪比(PSNR)；
圖3是本發(fā)明中的對(duì)角線匹配在多種搜索策略中的表現(xiàn)，其中，橫軸表示測(cè)試序列中圖像的幀數(shù)(Frame)，縱軸為圖像的峰值信噪比(PSNR)。
具體實(shí)施例方式
運(yùn)動(dòng)估計(jì)是在對(duì)當(dāng)前塊進(jìn)行編碼時(shí)，只描述當(dāng)前塊相對(duì)于參考?jí)K的位移量而沒有具體描述其內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)了去除視頻信息之間時(shí)間冗余的目的。
將要傳輸?shù)膸鳛楫?dāng)前幀，將已傳輸?shù)淖鳛閰⒖嫉膱D像稱為參考幀，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的具體方法為第一步，首先將每幀圖像劃分成N×N的宏塊。
第二步，將當(dāng)前幀的每一個(gè)圖像塊與參考幀中對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域的所有圖像塊進(jìn)行匹配計(jì)算，找出最佳匹配塊。
第三步，輸出最佳匹配塊的行列坐標(biāo)，也就是運(yùn)動(dòng)向量MV(motionvector)，即完成了運(yùn)動(dòng)估計(jì)。
在上述第二步中，找最佳匹配塊，即在參考幀中找到與當(dāng)前幀的圖像塊最為匹配的參考?jí)K，如何被認(rèn)為是最佳匹配，現(xiàn)在衡量最佳匹配的準(zhǔn)則常用的如均方差MSE，絕對(duì)平均差MAD和絕對(duì)差和SAD等。
各種準(zhǔn)則的定義如下MSE(i,j)=1MNΣm=1MΣn=1N(Sk(m,n)-Sk-1(m+i,n+j))2]]>MAD(i,j)=1MNΣm=1MΣn=1N|Sk(m,n)-Sk-1(m+i,n+j)|]]>SAD(i,j)=Σm=1MΣn=1N|Sk(m,n)-Sk-1(m+i,n+j)|]]>式中，Sk(m，n)為第k幀位于(m，n)的象素值，i，j分別為水平和垂直方向的偏移量。
雖然各準(zhǔn)則之間會(huì)存在一些差異，但搜索的目的都是找到最小的SAD/MAD/MSE對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量。即最佳匹配塊就是在參考幀搜索區(qū)域內(nèi)根據(jù)上述公式計(jì)算得到最小的SAD/MAD/MSE對(duì)應(yīng)的圖像塊。但是，這些匹配準(zhǔn)則都有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是計(jì)算量太大，從而使得硬件實(shí)現(xiàn)的難度大大增加。
本發(fā)明提出了一種使用對(duì)角線絕對(duì)差和(Diagonal Sum AbsoluteDifference，DSAD)的匹配準(zhǔn)則應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法中。
對(duì)角線匹配的計(jì)算公式為DSAD(i,j)=Σi=0N-1|Sk(i,i)-Sk+1(i,i)|+Σj=0N-1|Sk(j,N-j)-Sk+1(j,N-j)|]]>式中，Sk(m，n)為第k幀位于(m，n)的象素值，i，j分別為水平和垂直方向的偏移量。
根據(jù)上述公式，在參考幀的搜索區(qū)域內(nèi)計(jì)算得到最小的DSAD對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量，即認(rèn)為在參考幀中找到了與當(dāng)前幀的圖像塊最為匹配的參考?jí)K。
從上述公式中可以看出，本發(fā)明的對(duì)角線匹配只需要對(duì)兩個(gè)比較圖像塊的處于兩條對(duì)角線上的象素點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，而不需要進(jìn)行每一點(diǎn)的比對(duì)，從而大大的降低了計(jì)算量和計(jì)算難度。
為了說明本發(fā)明使用的對(duì)角線匹配準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的性能，使用了SAD作為比較對(duì)象，因?yàn)镾AD的計(jì)算量小而且易于實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)在最常見的匹配方法，在SAD的計(jì)算過程中，都是對(duì)參考?jí)K和當(dāng)前塊中所有的象素進(jìn)行匹配計(jì)算。另外還尋找了兩種其他的不用全象素匹配而所選擇的象素最能代表圖像塊塊特征的匹配方式來進(jìn)行對(duì)比十字匹配(cross match)，框架匹配(circular match)。這四種匹配準(zhǔn)則的匹配象素分布如圖1，圖中深色點(diǎn)為各種匹配計(jì)算的象素點(diǎn)分布，可以看出，本發(fā)明中采用的對(duì)角線匹配需要進(jìn)行比對(duì)的象素點(diǎn)最少，因此，其計(jì)算量也最少。
為了確定這四種匹配方式的效果，做了以下實(shí)驗(yàn)。在搜索策略為全搜索且搜索塊大小為8×8時(shí)，分別使用全SAD全匹配，對(duì)角線匹配，十字匹配和框架匹配對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列tennis，salesman，garden和susie進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)。得到的平均結(jié)果如圖2。圖中橫軸的表示的是測(cè)試序列中圖像的幀數(shù)(Frame)，縱軸為圖像的峰值信噪比(PSNR)，單位為dB。
由圖2可見，與全搜索SAD計(jì)算的效果相比，三種匹配的效果和全搜索都相差不是很大，雖然其中框架匹配準(zhǔn)則最好，對(duì)角線匹配次之，十字匹配最差，但是框架匹配和對(duì)角線匹配平均只相差0.28dB，而且匹配塊大小為N×N時(shí)，對(duì)角線匹配比框架匹配少計(jì)算(N-2)×2個(gè)象素點(diǎn)，計(jì)算量減少42.86％。
所以綜合考慮計(jì)算量，性能和硬件實(shí)現(xiàn)的困難度，本發(fā)明中的對(duì)角線匹配是最佳快速匹配準(zhǔn)則方案，該準(zhǔn)則相比于全匹配SAD減少了75％的計(jì)算量，而運(yùn)動(dòng)估計(jì)的峰值信噪比在全搜索時(shí)只是減少了2.08％。
為了確定本發(fā)明中的對(duì)角線匹配準(zhǔn)則在各種典型搜索策略中的表現(xiàn)，在全搜索法，三步法，四步法，菱形搜索法中使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則計(jì)算，并與使用相同搜索策略的SAD匹配準(zhǔn)則的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試序列為標(biāo)準(zhǔn)視頻測(cè)試序列tennis，salesman，garden和susie，結(jié)果如圖3，圖中橫軸的表示的是測(cè)試序列中圖像的幀數(shù)(Frame)，縱軸為圖像的峰值信噪比(PSNR)，單位為dB。
從圖3中可以看出，在所有實(shí)驗(yàn)的搜索策略中，本發(fā)明采用的對(duì)角線匹配準(zhǔn)則和全匹配SAD的相差都不大，只平均減少了2.88％。所以本發(fā)明中的對(duì)角線匹配準(zhǔn)則不僅能用于全搜索，還可以應(yīng)用于其他多種搜索策略中，在大量減少計(jì)算量的同時(shí)保持運(yùn)動(dòng)估計(jì)的效果。
權(quán)利要求
1.一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，其特征在于，該方法按以下步驟進(jìn)行，首先，將每幀圖像劃分成N×N的宏塊；然后，將當(dāng)前幀的每一個(gè)圖像塊與參考幀中對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域的所有圖像塊按下述公式進(jìn)行匹配計(jì)算，DSAD(i,j)=Σi=0N-1|Sk(i,i)-Sk+1(i,i)|+Σj=0N-1|Sk(j,N-j)-Sk+1(j,N-j)|]]>式中，Sk(m，n)為第k幀位于(m，n)的象素值，i，j分別為水平和垂直方向的偏移量找到DSAD最小的值，并將其作為在參考幀的對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域內(nèi)與當(dāng)前幀的最佳匹配塊；最后，將上步找到的最佳匹配塊的行列坐標(biāo)即運(yùn)動(dòng)向量MV輸出，即完成了運(yùn)動(dòng)估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種使用對(duì)角線匹配準(zhǔn)則的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，首先將每幀圖像劃分成N×N的宏塊；然后在參考幀的對(duì)應(yīng)搜索區(qū)域內(nèi)按對(duì)角線匹配準(zhǔn)則找到與當(dāng)前幀的最佳匹配塊；最后將找到的最佳匹配塊的行列坐標(biāo)輸出，即完成了運(yùn)動(dòng)估計(jì)。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法采用的對(duì)角線匹配只需要對(duì)兩個(gè)比較圖像塊的處于兩條對(duì)角線上的象素點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，而不需要進(jìn)行每一點(diǎn)的比對(duì)，從而大大的降低了運(yùn)動(dòng)估計(jì)的計(jì)算量和計(jì)算難度，易于硬件的實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04N7/26GK101094403SQ200710018208
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者余寧梅, 廖裕民, 李楊, 王冬芳 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)