CN1183768C - 采用双向运动矢量的格式转换器及其方法 - Google Patents
采用双向运动矢量的格式转换器及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
提供一种格式转换器及其相应的方法,包括:(a)采用当前帧和前一帧之间的运动矢量为要插补的帧估计双向运动矢量,其中:(a-1)检测当前帧和前一帧之间的运动矢量,并将该运动矢量分配给要插补的帧;(a-2)根据块栅格,调整要插补的帧中的在步骤(a-1)中所分配的运动矢量;(b)在要插补的帧中在步骤(a)所估计出的运动矢量中,将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量;和(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的帧;其中步骤(a-2)用于估计一个平均绝对差作为要插补帧中的要插补的帧块的双向运动矢量,这个平均绝对差是通过按块栅格形成的块的中点的前一帧和当前帧的块中具有最小误差的值。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像信号格式转换器以及相应的方法,特别涉及一种采用双向运动矢量来进行帧速率转换和解交织的格式转换器以及相应的方法。
背景技术
一般地,在PC或高分辨率TV(HDTV)中,需要对格式进行转换以便调换具有不同信号标准的节目,其中的格式转换例如帧速率转换和解交织等。
图1是传统的帧速率转换设备的方块图。
参考图1,图像划分单元110将图像分成变化区和不变区以便进行图2所示的有效运动估计。不变区又被分成覆盖区、未覆盖区、背景和对象。
运动估计单元120采用视频编码中常用的块匹配算法来生成块的运动矢量。在现有的典型块匹配算法中,如图3所示,假设在预定大小的块中的像素仅仅作移动而不作旋转、放大或缩小,则可找到适用于每个块的运动矢量。在图3中,假设在距离前一帧(fp)±P个像素的范围内估计当前帧(fc)中位于任意坐标(xc,yc)处的N×N大小的基本块的运动矢量。那么,在前一帧中的搜索范围为(N+2P)×(N+2P)。因此,将运动矢量确定为所有(2P+1)2个候选位置中具有最大相关性的那个位置。此时,由下面的公式1计算当前帧中的基本块和前一帧中的候选块之间的差,作为平均绝对差(MAD):
在此,将最终块的运动矢量确定为搜索范围中的位置(m,n),其当前块和候选块之间的平均绝对差最小。
时空平滑单元130对运动估计单元120中所得到的不合适的运动矢量进行改进,并且修整运动矢量的平滑性,如图4所示。
运动补偿插补单元140为需要插补的图像的前一帧和下一帧找到一个前向运动矢量,并且使用所得到的这个运动矢量,根据图像划分单元110中生成的区域分类信息来进行双向插补。此时,如图5所示,采用前向运动矢量的运动补偿插补会引起交叠和空洞,其中,由于在一个需要插补的帧中分配有两个或多个运动矢量所以多个块被交叠,在没有分配运动矢量的位置产生空洞。这些交叠和空洞直接影响到图像的画面质量并使画面质量下降。同样,由于这些交叠和空洞具有不规则的形状,所以应该逐个像素来进行处理。因此,对于传统的设备,应该执行复杂的信号处理过程以及采用复杂的硬件来消除交叠和空洞。
同样,对于常规的电视视频信号,采用两个场组成一帧的交织方法来压缩频带。近来,在通常采用逐行扫描进行显示的PC或HDTV中,为了显示经交织处理后的图像,采用任意方法来生成经解交织后为空的图像行以便用于逐行扫描。
图6是常规的解交织过程的概念性示图。
参考图6,解交织过程将仅含有奇数像素或仅含有偶数像素的场变换成一帧。此时,由下面的公式2确定输出帧
图7是一个3×3的窗口,使用不采用运动补偿的基于边缘行平均(edge-based line averaging,ELA)解交织算法。
参考图7,按照下面的公式3,考虑到与要插补的像素位置之间的方向(x,y),ELA解交织过程利用像素之间的相关性。也就是说,输出要插补场的前一场和下一场中的要插补像素的相邻像素与要插补像素的平均值。
在此,a=|F(x-ux-uy,n)-F(x+ux+uy,n)|
b=|F(x-ux+uy,n)-F(x+ux-uy,n)|
c=|F(x-uy,n)-F(x+uy,n)|………………(3)
图8是用于解释常规的时间递归(TR)解交织方法的概念性示图。
参考图8,采用运动矢量的TR解交织过程假设前一场(n-1)完全解交织,并且用运动矢量补偿当前场(n)的丢失数据。要插补的像素可能是前一场的原始像素或者是前面插补过的像素。因此,可以按照下面的公式4来表示要插补的像素:
然而,由于ELA解交织方法没有采用运动补偿,所以在运动存在的区域会发生闪烁,由于TR解交织方法进行连续地解交织,所以发生在任意一个场中的误差可能传播到其他场。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的一个目的是提供一种帧速率转换方法,该方法通过为要插补的像素直接得到两个连续帧的双向运动矢量来改进画面的质量。
另一个目的是提供一种采用该帧速率转换方法的帧速率转换器。
另一个目的是提供一种解交织方法,该方法通过为要插补的像素估计两个连续帧之间的双向运动矢量,容易实现而且具有极好的保持轮廓的性能。
另一个目的是提供一种采用解交织方法的解交织设备。
另一个目的是提供一种解交织设备,该设备能够根据输入图像的运动程度,通过在运动补偿插补值和时空插补值之间进行自适应选择来提高运动信息的可靠性并减少要插补像素中的误差。
为了实现本发明的上述目的,提供一种帧速率转换方法,包括以下步骤:(a)采用当前帧和前一帧之间的运动矢量为要插补的帧估计双向运动矢量,其中:(a-1)检测当前帧和前一帧之间的运动矢量,并将该运动矢量分配给要插补的帧;(a-2)根据块栅格,调整要插补的帧中的在步骤(a-1)中所分配的运动矢量;(b)在要插补的帧中在步骤(a)所估计出的运动矢量中,将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量;和(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的帧;其中步骤(a-2)用于估计一个平均绝对差作为要插补帧中的要插补的帧块的双向运动矢量,这个平均绝对差是通过按块栅格形成的块的中点的前一帧和当前帧的块中具有最小误差的值。
为了实现本发明的另一个目的,提供一种解交织的方法,包括:(a)采用前一场和下一场之间的运动矢量为要要插补的场估计双向运动矢量,其中:(a-1)检测当前场和前一场之间的运动矢量,并将该运动矢量分配给要插补的场;(a-2)根据要插补的场中的块栅格,调整步骤(a-1)中所分配的运动矢量;(b)将步骤(a)中相邻误差失真最小的运动矢量设置为要插补的场的运动矢量;(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的场;其中,步骤(a-2)用于估计一个位置平均绝对差作为要插补的场的块的双向运动矢量,这个位置平均绝对差是通过要插补场中按块栅格所形成的块中心的前一场和当前场的多个块中具有最小误差的值。为了实现本发明的上述目的,提供一种帧速率转换方法,包括以下步骤:(a)采用当前帧和前一帧之间的运动矢量为要插补的帧估计双向运动矢量;(b)在要插补的帧中的在步骤(a)所估计出的运动矢量中,将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量;和(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的帧。
为了实现本发明的另一个目的,还提供一种帧速率转换器,包括:双向运动估计装置,用于得到当前帧和前一帧之间的运动矢量,将该运动矢量分配给要插补的帧,并为要插补的帧估计所分配的运动矢量;时空平滑单元,用于估计所述双向运动估计装置中的要插补帧中当前块的运动矢量的准确性,然后将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量;插补单元,用于扩展要插补的块,并用不同权重在交叠区中用在时空平滑单元中所得到的运动矢量进行插补。
为了实现本发明的另一个目的,还提供一种解交织方法,包括:(a)采用前一场和下一场之间的运动矢量为要插补的像素估计双向运动矢量;(b)将步骤(a)中相邻误差失真最小的运动矢量设置为要插补像素的运动矢量;(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的像素。
为了实现本发明的另一个目的,还提供一种解交织设备,包括:双向运动估计装置,用于得到当前场和下一场之间的运动矢量,将该运动矢量分配给要插补的场,并为要插补的场估计所分配的运动矢量;时空平滑单元,用于估计所述双向运动估计装置中要插补的场中当前块的运动矢量的准确性,然后将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设为当前块的运动矢量;信号转换单元,用以下这些值来构成没有数据的行像素,即通过应用时空平滑单元中设置的运动矢量所得到的像素值的中值、所述像素值的平均值和与要插补像素垂直相邻的像素的值。
附图说明
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述,本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚,其中:
图1是传统的帧速率转换设备的方块图;
图2是用于解释图1的图像划分单元中图像划分方法的示图;
图3是用于解释图1的运动估计单元中运动估计方法的示图;
图4表示图1的时空平滑单元中改进前的屏幕和改进后的屏幕;
图5是在图1的运动补偿插补单元中通过运动补偿进行插补后的图像结构的例子;
图6是常规的解交织过程的概念性示图;
图7是一个3×3的窗口,使用不采用运动补偿的基于边缘行平均(ELA)的解交织算法;
图8是用于解释对图6的时空平滑单元中每个块进行运动矢量估计的示图;
图9是根据本发明的帧速率转换设备的方块图;
图10A到图10C是用于得到双向运动矢量的概念性示图;
图11是用于改进图9的时空平滑单元的运动矢量的概念性示图;
图12是用于解释图9的改进的运动补偿插补单元的运动补偿插补方法的概念性示图;
图13是根据本发明的解交织设备的方块图;
图14是用于表示图13的运动估计单元的抽取转换的概念性示图;
图15是用于表示图13的信号转换单元中的运动补偿解交织的概念性示图;
图16是用于表示图13的信号转换单元中采用中值滤波器的时空插补的概念性示图;
图17是根据本发明的解交织设备的另一个实施例。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明的实施例进行详细描述。本发明不仅限于下列实施例,在本发明的精神和范围内可以有很多变化。为了向相关技术人员更全面地解释本发明,提供本发明的这些实施例。
图9是根据本发明的帧速率转换设备的方块图。
图9所示的设备包括运动估计单元210、时空平滑单元220和改进的运动补偿插补单元230。
参考图9,运动估计单元210得到当前帧和前一帧之间的运动矢量,将该运动矢量分配给要插补的帧,并为要插补的帧估计双向运动矢量。
时空平滑单元220估计要插补帧中所估计的当前块运动矢量的准确性,然后将误差失真最小的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量。
改进的运动补偿插补单元230利用在时空平滑单元220中得到的运动矢量,用要插补帧的前一帧和下一帧中多个块的平均构成要插补的块。此时,改进的运动补偿插补单元230扩展要插补的块,并用不同权重(weight)在交叠区中进行插补。
图10A到10C是用于得到双向运动矢量的概念性示图。
首先,在两个相邻帧中,Fn-1是第(n-1)帧,Fn+1是第(n+1)帧,Fn是第n帧。如图10A到10C所示,在第n帧Fn中,双向运动矢量是经过运动矢量初始化阶段(图10A和10B)和运动矢量调整阶段(图10C)得到的。
现在参考图10A说明运动矢量初始化阶段。
首先,以2∶1的比率对笫(n-1)帧/场(Fn-1)和第(n+1)帧/场(Fn+1)进行抽取,并将其重构为第(n-1)帧/场
和第(n+1)帧/场
然后,如图10A所示,第(n+1)帧/场
被分成多个块,并且每个块的搜索范围被确定下来。然后,在搜索范围内,通过应用块匹配算法(BMA),对前向运动矢量(MV)进行估计。然后,如图10B所示,要插补的第n帧/场(Fn)被分成块,并且所估计的前向MV被设置为要插补的第n帧/场(Fn)的初始MV。因此,采用如图10B所示的双向运动矢量,按照每个块的块栅格来补偿运动,则目前的视频信号中就不会发生交叠和空洞。
下面,参考图10C来说明运动矢量调整阶段。首先,由于前向MV被用于初始化阶段中,所以在运动矢量初始化阶段得到的初始MV变化了一点。为了纠正这一点变化,把在运动矢量初始化阶段得到的前向MV当作初始值,新设置一个小搜索范围(±d)。然后,在这个小搜索范围(±d)内再次应用BMA,则在初始阶段中所设置的运动矢量就得到纠正,并且随后生成一个双向运动矢量。为了说明图10C中所示的调整初始MV阶段,考虑要插补的第n帧/场(Fn)中的一个任意块(Bti)。块(Bti)的中点为(x,y),与初始MV((Di)=(h,v))相对应。此时,初始MV(Di)同时表示要对于任意块(Bti)要插补的第n帧/场(Fn)和第(n+1)帧/场(Fn+1)之间的运动以及从第(n-1)帧/场(Fn-1)到要插补的第n帧/场(Fn)的运动。然后,如果在要插补的第n帧/场(Fn)上的任意块(Bti)移动初始MV(Di),则任意块(Bti)由第(n-1)帧/场(Fn-1)的块(Bt1)和第(n+1)帧/场(Fn+1)的块(Bt2)生成。也就是说,初始块(Bt1)和块(Bt2)的中点可以表示为下面的公式5:
Bt1(xt1,yt1)=(x,y)-(h,v)=(x-h,y+v)
Bt2(xt2,yt2)=(x,y)+(h,v)=(x+h,y+v).....................(5)
在此,任意块(Bti)位于固定的位置上,并且块(Bt1)和块(Bt1)各自都从初始位置在搜索范围(±d)内移动。此时,如果第n帧/场(Fn)位于第(n-1)帧/场
和第(n+1)帧/场
之间的中点,那么块(Bt1)和任意块(Bti)之间的运动应该与任意块(Bti)和块(Bt2)之间的运动相同。由于这样,在初始MV的运动轨迹上,块(Bt1)和块(Bt2)从要插补的块(Bti)的中点开始作对称移动。
因此,在具有搜索范围(±d)情况下的可能组合数为(2d+1)2。该步骤进行后,得到用于第n帧/场(Fn)的第(n-1)帧/场
和第(n+1)帧/场
之间的双向矢量。此时,如果第n帧/场(Fn)在第(n-1)帧/场
和第(n+1)帧/场
)之间的中点处,则向各个方向的运动矢量都具有相同的值。
图11是用于改进图9中时空平滑单元220的运动矢量的概念性示图。
参考图11,首先,在要插补的帧/场中,将当前块设为MV0,将围绕当前块的候选MV块设为MVi(i=1,...,8),并且将该块的运动矢量设为D( )。然后,将候选块的运动矢量中具有最小MAD的块的运动矢量设为当前块的运动矢量。也就是说,按照下面的公式6,利用两个相邻帧/场之间的双向运动矢量,得到当前块的移位帧差值(displaced frame difference,DFD),然后将具有最小DFD的候选块的运动矢量设为当前块的运动矢量。最后,时空平滑单元通过删除在运动估计中检测到的不适当的运动矢量来改进画面质量。
图12是用于解释图9的改进的运动补偿插补单元230的运动补偿插补方法的概念性示图。
参考图12,改进的运动补偿插补单元230采用双向得到的运动矢量,按照下面的公式7对两个相邻帧的块进行平均后,构成一个要插补的帧。此时,要插补的帧对初始块的尺寸进行水平地和垂直地扩展,并以不同权重插补到交叠区中。
图13是根据本发明的解交织设备的方块图。
参考图13,首先输入的Fn-1是第(n-1)场,Fn是第n场,Fn+1是第(n+1)场。Fn是由第n场(Fn)转换成的视频信号以便进行逐行扫描。
运动估计单元410在从第(n-1)场(Fn-1)到第(n+1)场(Fn+1)得到双向运动矢量之后,得到对应于要插补场位置的第n场(Fn)的运动矢量。要在第n场(Fn)中得到的双向运动矢量是经过运动矢量初始化阶段(图10A和10B)和运动矢量调整阶段(图10C),通过计算已执行抽取转换的场而得到的。结果,对于要插补的场,则计算出前一场和下一场之间的双向运动矢量。
如图11所述的,时空平滑单元420得到一个经时空平滑过程处理过的双向运动矢量,因为在运动估计单元410中得到的双向运动矢量都含有一些不连续。
信号转换单元430是一个交织到逐行的转换块,它用像素的平均来恢复第n场(Fn)的无数据行,并输出最终帧(Fn),其中的像素应用了时空平滑单元420中生成的双向运动矢量。
图14是用于表示图13的运动估计单元410的抽取转换的概念性示图。
参考图14,输入第(n-1)场(Fn-1)和第(n+1)场(Fn+1),并且仅用有数据的行,重构为第(n-1)场
和第(n+1)场(Fn+1)。也就是说,通过垂直减半,从输入的第(n-1)场(Fn-1)和第(n+1)场(Fn+1)中减去重构的第(n-1)场和第(n+1)场(Fn+1)。因此,以2∶1的比率进行垂直和水平抽取重构第(n-1)场
和第(n+1)场(Fn+1)。
图15是用于表示图13的信号转换单元430中的运动补偿解交织的概念性示图。
参考图15,利用要插补场(Fn)的双向运动矢量,第n场(Fn)的无数据行被恢复。恢复过程可以由下面的公式8表示:
在此,x和y分别是每个场中的横坐标值和纵坐标值,h和v分别是双向运动矢量的水平分量和垂直分量。
图16是用于表示图13的信号转换单元中采用中值滤波器进行时空插补的概念性示图。
运动估计的结果对解交织方法的性能影响很大。
因此,为了减少运动估计中的误差,采用如图16所示的中值滤波器对要插补的场(Fn)中的无数据行进行插补,可以按下面的公式9表示:
在此,像素A,B,C,和D定义如下:
A=Fn(p-uy),B=Fn(p+uy),C=Fn-1(p-D),D=Fn+1(p+D)
在此,D是一个双向运动矢量,uy是(0,1)T,和(C+D)/2是按照公式(9)进行运动补偿解交织的结果值。
由于这样,如果使用中值滤波器,若该行含有数据则最终输出的帧(Fn)采用初始的像素,否则用下列像素的中值进行插补作为第n场中的像素(Z),即第(n-1)场的像素(C)、第(n+1)场的像素(D)、与第n场中要插补的像素(Z)垂直相邻的像素(A,B)以及解交织像素((C+D)/2)。
图17是根据本发明的解交织设备的另一个实施例。
参考图17,运动补偿插补单元172利用帧的插补值即本发明的图13中所示的运动矢量以像素平均进行插补,或者输出应用了运动矢量的像素值的中值、像素的平均值和与要插补像素垂直相邻的两个像素之间的值。
时空插补单元176将要插补场的前一场和下一场中的与要插补像素相邻的像素和插补位置上的像素的平均值输出,作为帧的插补值。
运动估计单元174用图13的运动估计单元410中计算出的当前块的MAD值,来估计运动的程度。
运动适应单元178根据运动估计单元174中所估计的运动程度,通过自适应地计算运动补偿插补单元172的输出值和时空插补单元176的输出值来设置最终插补的像素的值。
因此,图17的解交织设备可以预防在确定运动存在的过程中使用不准确的运动矢量时所发生的误差。
如上所述,根据本发明,对于要插补的帧,通过得到两帧之间的双向运动矢量,交叠和空洞就不会发生。因此,可以提高画面质量,特别是能够有效地处理含有摄像机运动的拍摄全景和缩放图像。同样,也可以减少现有方法中发生的场间在时间轴上的噪声和行之间的闪烁,并且保持轮廓的能力比现有的解交织方法更好一些。此外,根据输入图像运动的程度,通过在运动补偿插补值和时空插补值之间进行自适应选择,与仅仅使用运动补偿插补值的方法相比较,还可以提高运动信息的可靠性,并且能有效减少人工产物(artifact)。
Claims (13)
1.一种帧速率转换方法,包括以下步骤:
(a)采用当前帧和前一帧之间的运动矢量为要插补的帧估计双向运动矢量,其中:(a-1)检测当前帧和前一帧之间的运动矢量,并将该运动矢量分配给要插补的帧;(a-2)根据块栅格,调整要插补的帧中的在步骤(a-1)中所分配的运动矢量;
(b)在要插补的帧中在步骤(a)所估计出的运动矢量中,将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量;和
(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的帧;
其中步骤(a-2)用于估计一个平均绝对差作为要插补帧中的要插补的帧块的双向运动矢量,这个平均绝对差是通过按块栅格形成的块的中点的前一帧和当前帧的块中具有最小误差的值。
2.如权利要求1所述的方法,其中,在步骤(a-1)中的检测还包括以下步骤:
抽取图像;
从所抽取的图像中估计运动矢量。
3.如权利要求1所述的方法,其中,步骤(b)包括步骤:估计要插补的帧中当前块运动矢量的准确性,并将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量。
4.如权利要求1所述的方法,其中,步骤(b)包括以下步骤:
为要插补的帧分配一个运动矢量;
估计当前块运动矢量的准确性;
将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量。
5.如权利要求1所述的方法,其中,在步骤(c)中,利用要插补帧中所估计的运动矢量,由多个块的平均构成要插补的块。
6.如权利要求1所述的方法,其中,在步骤(c)中,扩展要插补的块并用不同权重插补到交叠区中。
7.一种解交织的方法,包括:
(a)采用前一场和下一场之间的运动矢量为要插补的场估计双向运动矢量,其中:(a-1)检测当前场和前一场之间的运动矢量,并将该运动矢量分配给要插补的场;(a-2)根据要插补的场中的块栅格,调整步骤(a-1)中所分配的运动矢量;
(b)将步骤(a)中相邻误差失真最小的运动矢量设置为要插补的场的运动矢量;
(c)用步骤(b)中所设置的运动矢量构成要插补的场;
其中,步骤(a-2)用于估计一个位置平均绝对差作为要插补的场的块的双向运动矢量,这个位置平均绝对差是通过要插补场中按块栅格所形成的块中心的前一场和当前场的多个块中具有最小误差的值。
8.如权利要求7所述的解交织方法,其中,步骤(b)包括步骤:估计要插补场中当前块运动矢量的准确性,并将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量。
9.如权利要求7所述的解交织方法,其中,步骤(b)包括以下步骤:
为要插补的场调整运动矢量;
估计当前块运动矢量的准确性;
将具有最小误差失真的相邻块的运动矢量设置为当前块的运动矢量。
10.如权利要求7所述的解交织方法,其中,在步骤(c)中,利用要插补的场中所估计的运动矢量,由多个像素的平均构成要插补的像素。
11.如权利要求7所述的解交织方法,其中,在步骤(c)中,要插补场的前一场和下一场中应用所估计运动矢量的像素值的中值、像素的平均值和与要插补像素垂直相邻的两个像素的值,被设为要插补像素的值。
12.如权利要求7所述的解交织方法,其中,在步骤(c)中,如果行有数据,则要插补的场采用原始像素,否则,采用如下像素值的中值及其平均值,即与第(n-1)场位置相同的像素值、与第(n+1)场位置相同的像素值以及与插补在第n场中的像素垂直相邻的像素的值。
13.一种自适应帧速率转换器,包括:
运动估计单元,参考前一帧和当前帧的块之间误差失真最小的运动矢量的值,来估计运动的程度;
运动补偿插补单元,用像素的平均进行插补,其中的像素应用了为要插补帧所检测到的双向运动矢量;
时空插补单元,在要插补帧的前一帧和下一帧中用与要插补像素相邻的像素和要插补的像素的平均值进行插补;
运动适应单元,根据在运动估计单元中所估计的运动程度,在运动补偿插补单元的插补值和时空插补单元的插补值之间进行自适应地选择。
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