專利名稱：針對隔行掃描視頻信號的編碼方法
技術領域：
本發明涉及數字視頻信號編碼領域，具體來說是一種利用隔行掃描視頻信號的特點，降低運動估計運算量的編碼方法。
背景技術：
目前的模擬電視系統普遍使用光柵掃描方式進行視頻的攝取和顯示的。光柵掃描分兩種方式逐行掃描和隔行掃描。逐行掃描方式如圖1所示，模擬視頻攝像機的電子束或光束連續地掃描圖像區域，從頂部到底部然后再回到下一幀的頂部。圖2所示為隔行掃描方式，每個視頻幀分為兩場，每一場包含一幀中半數的掃描行。電子束或光束從第一行開始掃描，然后每隔一行進行掃描，掃描到底部后再回到第二行的起始點繼續掃描，同樣每隔一行掃描直至整幀掃描完畢。其中所有奇數行的集合稱為奇場(或頂場)，所有偶數行的集合稱為偶場(或底場)。由掃描方式可以看出，奇場和偶場之間有一定的時間間隔Δfield，這個間隔等于相鄰兩幀之間的時間間隔Δframe的一半。采用隔行掃描方式，能夠在一定時間內給定所能記錄總行數的條件下，用降低垂直分辨率的方式來提高時間分辨率。本發明所采用的方法正是利用隔行掃描視頻信號在同一幀的兩場時間間隔比較小，運動方式相關性大的特點。
當前的視頻編碼方法都是利用消除視頻信號時間上和空間上的相關性來達到數據壓縮的目的的。每一個視頻幀被分成16×16像素大小的宏塊，每個宏塊內部的像素點存在空間上的相關性。但是在隔行掃描視頻信號中，每個宏塊由兩個在不同時間點采集的場數據組成，特別當宏塊中包含運動信息的時候，這種空間上的相關性就會減弱，因此一些國際視頻編碼標準如MPEG-2、MPEG-4和H.264/AVC等都提供了專門的編碼工具來提高它們對隔行掃描視頻信號的編碼效率。這些工具包括基于宏塊的場模式編碼方法，如場方式的DCT變換和場預測等。在MPEG-2標準中還提供了一種基于場圖模式的編碼方法，即分別對奇場數據和偶場數據進行編碼，不需要對每個宏塊進行幀模式和場模式的判斷，在節省運算量的同時能夠獲得針對隔行掃描視頻信號較好的編碼效果。
在視頻編碼方法中，運動估計是利用時間相關性提高編碼效率最有效的方法，也是消耗資源最多的單元。目前應用最多的運動估計方法是塊匹配法，即對于當前圖像幀的每一個宏塊，在前一幀搜索與其最匹配的16×16子塊，當前宏塊相對于前一幀匹配塊在二維平面上的位移為運動矢量。對于MPEG-2場圖模式來說，當前幀奇場中的宏塊可以利用前一幀的奇場和偶場進行預測，當前幀的偶場也可以利用前一幀的偶場和當前幀的奇場進行預測。經大量實驗得出，奇場和偶場經運動估計后得到的運動矢量是相似的。
發明內容
本發明提供了一種針對隔行掃描視頻信號的編碼方法，主要是在MPEG-2場圖編碼模式下，利用偶場運動矢量與奇場運動矢量的相似性，在進行偶場編碼過程中降低運動估計的運算復雜度。
一種針對隔行掃描視頻信號的編碼方法，包括以下步驟1)將要編碼的隔行掃描視頻信號分為奇場和偶場，按照場圖模式先對奇場數據進行編碼；2)采用塊匹配法對奇場進行運動估計，分別在前一幀的奇場數據和偶場數據中搜索與當前塊最相似的匹配塊，并分別保存由運動估計得到的最佳匹配塊的運動矢量和最小SAD(差值絕對值和)值，選擇兩種搜索中較小的SAD值對應的子塊為最佳匹配塊；3)對偶場數據進行運動估計，由奇場得到的運動矢量mvoo作為偶場在前一幀偶場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心在前一幀偶場進行扁菱形運動搜索；若搜索到的最小SAD值所對應的點在扁菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行扁菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoo，記下此時的SAD值為SADee，運動矢量為mvee；4)由奇場得到的運動矢量mvoe作為偶場在當前幀奇場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心進行小菱形運動搜索，若搜索到的最小SAD值所對應的點在小菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行小菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoe，記下此時的SAD為SADeo，運動矢量為mveo；5)比較SADee和SADeo，選擇較小SAD值所對應的運動矢量作為最終的運動矢量，并以它所指向的子塊為偶場的最佳匹配塊。
所述的塊匹配法可采用全搜索算法、二維對數搜索法、三步搜索法或PMVFAST搜索法。
本發明編碼方法利用隔行掃描幀奇場的運動信息來作為偶場運動信息的參考，能夠更加快速而準確地找到偶場宏塊的最佳匹配點，大大降低運動估計時的運算量，提高視頻編碼的效率，而在圖像質量上只有很小的降低(PSNR降低0.1～0.3dB)。
圖1為逐行掃描方式示意圖；圖2為隔行掃描方式示意圖；圖3為本發明所采用的奇場運動估計算法流程圖；圖4為本發明所采用的偶場運動估計算法流程圖；圖5為本發明所采用的扁菱形搜索框示意圖；圖6為本發明所采用的小菱形搜索框示意圖。
具體實施例方式
一種針對隔行掃描視頻信號的編碼方法，包括以下步驟首先將要編碼的隔行掃描視頻信號分為奇場和偶場，按照場圖模式先對奇場數據進行編碼。
如圖3所示，采用塊匹配法對奇場進行運動估計，分別在前一幀的奇場數據和偶場數據中搜索與當前塊最相似的匹配塊，并分別保存由運動估計得到的最佳匹配塊的運動矢量和最小SAD值。最后選擇兩種搜索中較小的SAD值對應的子塊為最佳匹配塊。塊匹配法可以是全搜索算法或快速算法如二維對數搜索法、三步搜索法、PMVFAST搜索法等。
如圖4所示，對偶場數據進行運動估計，首先由奇場得到的運動矢量mvoo作為偶場在前一幀偶場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心在前一幀偶場進行扁菱形運動搜索，扁菱形搜索框示意圖如圖5所示。如果搜索到的最小SAD值所對應的點在扁菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行扁菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoo，記下此時的SAD值為SADee，運動矢量為mvee。同樣的，由奇場得到的運動矢量mvoe作為偶場在當前幀奇場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心進行小菱形運動搜索，小菱形搜索框示意圖如圖6所示。如果搜索到的最小SAD值所對應的點在小菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行小菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoe，記下此時的SAD為SADeo，運動矢量為mveo。比較SADee和SADeo，選擇較小SAD值所對應的運動矢量作為最終的運動矢量，并以它所指向的子塊為偶場的最佳匹配塊。
本發明編碼方法已應用到本發明人自主開發的基于雙核DSP的視頻監控系統中。應用本發明中所采用的運動估計方法，在偶場編碼的過程中可以很大程度地降低編碼器的運算復雜度，減少編碼器消耗的資源。
本發明編碼方法也可以應用于H.264/AVC編碼的圖像自適應幀場編碼(picture adaptive field frame)工具中，對降低H.264/AVC對于隔行掃描視頻信號的編碼復雜度有很大幫助。
權利要求
1.一種針對隔行掃描視頻信號的編碼方法，其特征在于包括以下步驟1)將要編碼的隔行掃描視頻信號分為奇場和偶場，按照場圖模式先對奇場數據進行編碼；2)采用塊匹配法對奇場進行運動估計，分別在前一幀的奇場數據和偶場數據中搜索與當前塊最相似的匹配塊，并分別保存由運動估計得到的最佳匹配塊的運動矢量和最小SAD值，選擇兩種搜索中較小的SAD值對應的子塊為最佳匹配塊；3)對偶場數據進行運動估計，由奇場得到的運動矢量mvoo作為偶場在前一幀偶場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心在前一幀偶場進行扁菱形運動搜索；若搜索到的最小SAD值所對應的點在扁菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行扁菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoo，記下此時的SAD值為SADee，運動矢量為mvee；4)由奇場得到的運動矢量mvoe作為偶場在當前幀奇場的最佳預測矢量，并以該運動矢量為中心進行小菱形運動搜索，若搜索到的最小SAD值所對應的點在小菱形的四個搜索點上，則再以該搜索點為中心繼續進行小菱形搜索，直到中心搜索點的SAD值為最小的SAD或者中心搜索點的SAD值小于SADoe，記下此時的SAD為SADeo，運動矢量為mveo；5)比較SADee和SADeo，選擇較小SAD值所對應的運動矢量作為最終的運動矢量，并以它所指向的子塊為偶場的最佳匹配塊。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的塊匹配法可采用全搜索算法、二維對數搜索法、三步搜索法或PMVFAST搜索法。
全文摘要
本發明公開了一種針對隔行掃描視頻信號的編碼方法，主要是在MPEG－2場圖編碼模式下，利用偶場運動矢量與奇場運動矢量的相似性，在進行偶場編碼過程中降低運動估計的運算復雜度。本發明編碼方法利用隔行掃描幀奇場的運動信息來作為偶場運動信息的參考，能夠更加快速而準確地找到偶場宏塊的最佳匹配點，大大降低運動估計時的運算量，提高視頻編碼的效率，而在圖像質量上只有很小的降低(PSNR降低0.1～0.3dB)。
文檔編號H04N7/26GK1976460SQ20061015512
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月11日 優先權日2006年12月11日
發明者陳耀武, 鄭雅羽, 馬漢杰 申請人:浙江大學