[发明专利]一种基于前后两帧参考帧产生内插帧的双向运动估计器

说明书

技术领域

本发明涉及视频图像处理技术领域，具体来讲，涉及一种基于前后两帧参考帧产生内插帧的方法及其双向运动估计器。

 

背景技术

运动估计算法是现有各种视频图像编码技术的核心，也是基于运动估计与运动补偿(ME/MC)的视频图像后处理技术的核心，其性能的好坏直接决定了视频图像处理的质量，对视频处理系统具有重要意义。同时，运动估计器也是视频压缩编码芯片或视频图像后处理芯片中最消耗计算资源的模块，一般来说，在视频编码或视频图像后处理硬件系统中, 运动估计器要占用40% ~ 50%的硬件开销。如何提高运动估计器的运算速度与运算精度, 同时尽量简化运动估计器的结构并提高数据的利用率, 一直是视频图像编码和视频图像后处理领域的研究热点。

帧频提升，也称为时间内插或帧速率上变换，是指在原视频图像两原始帧之间插入中间帧以实现视频图像帧速率的提升，是视频图像后处理技术中的重要组成部分。随着多媒体技术特别是数字电视技术的快速发展，帧频提升得到了广泛的应用。例如，将以24帧/秒拍摄得到的电影胶片在高清晰度电视上播放必须将帧频提升至50或60帧/秒。在低比特率视频编码中，为了降低码率常通过下采样即跳过某些视频帧的方式将传输帧率降低至每秒10或15帧，在接收端则需要进行帧频提升以恢复原帧速率，以恢复原有的视频质量。此外，在液晶显示器（LCD）中，常通过将帧频提升至100或120帧/秒，减少液晶显示屏的保持时间，从而消除液晶显示器在显示动态画面时容易出现的拖尾现象，确保更加流畅的动态效果。不同于压缩编码，帧频提升对运动估计的精度要求更高。在众多帧频提升算法中，基于块匹配运动估计和运动补偿的帧频提升算法由于计算简单、便于实现而被广泛采纳。其中，基于块匹配的运动估计算法可以分为单向运动估计和双向运动估计两类。单向运动估计即传统的用于视频压缩编码中的运动估计算法，将两个连续帧中的其中一帧作为参考帧并划分为若干块，然后将该帧中的参考块对应到另一帧中寻找匹配块，相应地，该对匹配块对应的位移即为该参考块对应的运动矢量。由于视频压缩的目的是为了得到最小的残差图像，故单向运动估计可以满足视频压缩的要求。但是，对于帧频提升来讲，其目的是为了获取质量好的内插图像，而单向运动估计用于帧频提升存在的问题是会在内插帧中产生空洞和重叠现象。基于这个原因，双向运动估计应运而生。它将内插帧划分为若干块，对应于内插帧中的当前块到前后两帧中对称地寻找匹配块作为当前块的运动矢量，从而简单地避免了空洞和重叠问题。正是基于这个原因，双向运动估计得到了普遍应用。

在块匹配运动估计的搜索算法中，常用的有全搜索算法、三步法、交叉搜索算法及菱形搜索算法等。其中，三步法、交叉搜索算法和菱形搜索算法属于快速搜索算法，具有搜索速度快的特点，但其缺点是容易陷入局部最小值，搜索准确率低。相对而言，全搜索算法虽然需要的硬件资源较大，但由于其搜索精度高，控制逻辑简单的优点，在运动估计器的硬件实现领域得到了广泛的应用。目前已经有许多基于全搜索块匹配算法（Full-Search Block Matching Arithmetic, FS-BMA）的单向运动估计器的实现架构相继提出, 它们中的大多数都是基于运算单元（PE）阵列来构建, 以适应运动估计时大量并行运算和高速处理的内在要求。如，文献[1]（Hangu Yeo, Yu Hen Hu. A Novel Modular Systolic Array Architecture for Full-Search Block Matching Motion Estimation[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 1995, vol. 5(5):407-416）提出了一种低资源消耗，低带宽需求，可级联工作的运动估计器结构；文献[2]（陈孙阳，陈颖琪. 一种改进的奇偶阵列结构运动估计器设计[J]. 信息技术. 2010, 8：01-05）提出了一种基于lai结构改进的，采用了奇偶阵列寄存器的单向运动估计器的实现架构。该结构能够高效地复用数据从而减少访问存储器的次数。但是，上述结构由于是基于单向运动估计的设计而使其应用受到了限制，对于像帧频提升这样的应用其结果尚不尽人意。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于前后两帧参考帧产生内插帧的双向运动估计器，本估计器能够灵活地执行全搜索双向运动估计算法，并且具有较高的执行效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：