本发明涉及图象信号编码方法和装置；具体地涉及预测当前帧信号的方法 和装置，以减少传输的数据量。

众所周知，数字图象信号的传输可获得的视频图象的质量比模拟信号的传 输要高。当包括图象帧序列的图象信号以数字形式压缩时，产生基本的数据量 用于传输，特别是在高清晰度电视系统中。可是，由于常规传输频道可获得的频 带宽度是有限的，为了传输数字数据的基本量，不可避免地要压缩或减少传输 数据的量。在各种视频压缩技术中，将时间和空间压缩技术与统计编码技术组 合的所谓混合编码技术是最有效的。

大多数混合编码技术采用运动补偿DPCM(差分脉冲编码调制)，两维DCT(离 散余弦变换)，DCT系数的量化，和VLC(可变长度编码)。运动补偿的DPCM是这 样的过程，它估算当前帧和先前帧或将来帧即参考帧之间的物体的运动，并按 照物体的运动流来预测当前帧，以产生代表当前帧与其预测之间差别的差别信 号。该方法在下列文章中描述了：例如，Staffan Ericsson所撰的″用于混合预 测/转换编码的不变的及自适应预测器”，IEEE通信学报，COM-33，No。 12(December 1985)；以及Ninomiya和Ohtsuka所撰的″一种运动补偿帧内编码 方案″，IEEE通信学报，COM-30，No.1(January 1982)。

减少或使用图象数据之间的空间多余度的两维DCT将数字图象数据块例如 8×8象素块转换成一组变换系数数据。该技术在下述文章中描述了：Chen和 Pratt撰写的″场景适应编码器″，IEEE通信学报，COM-32，No.3(March 1984)。 用量化器，锯齿扫描和VLC来处理这种变换系数数据，要发射的数据量可有效地 压缩。

具体地，在运动补偿的DPCM中，基于当前帧和参考帧之间的运动之估算，从 相应参考帧信号中预测当前帧信号。这种估算的运动可用代表参考帧与当前帧 之间象素位移的两维运动矢量来描述。

有两种基本方法来估算物体的象素位移：一是一块一块地估算，另一个是 一象素一象素地估算。

在一块一块运动估算时，当前帧中的块与其参考帧的块比较，直到确定了 最好的匹配。由此，可以估算出要发射的当前帧的整块的帧间位移矢量(它指明 象素块在帧之间怎样运动)

包括在帧序列中的预测的P和B帧中，可采用这种块匹配技术，如下述文章 所揭示的：ITU电信标准部分研究组15，低级比特率视频技术工作组织15/1 专家组发表的″视频编码测试模式TMN4 Revl″，(October 25，1994)，其中P或预 测帧表示从其先前帧(作为参考帧)预测的帧，而B或双向预测帧是从其先前帧 和将来帧(作为参考帧)预测的。具体地，在编码所谓的B帧时，采用了双向运动 估算技术，以产生向前和向后的位移矢量，其中向前的位移矢量是通过估算B帧 与其先前帧(I)或预测帧(P)(作为参考帧)之间的运动而获得的，向后的位移矢 量是基于B帧和其将来(I)或P帧(作为参考帧)而产生的。

在块匹配技术中，为了对当前帧中每个搜索块确定运动矢量，要在当前帧 的搜索块与每个相同尺寸的志愿块之间进行类似性计算，志愿块包括在参考帧 中较大的搜索区域中。误差函数比如平均绝对误差或平均平方误差用于在当前 帧的索块和搜索区域中一个志愿块之间进行类似性测量。通过定义，运动矢量 代表搜索块与志愿块之间具有最小″误差″或差别的位移。每个运动矢量被编码 然后由具有运动补偿编码方案的发射机通过传输频道发射到接收机，使用所发 射的运动矢量，接收机重建当前帧。

在运动补偿的DPCM中，可能出现这样的情况，即帧序列中的运动被定位于 一个物体上，其周边或背景基本上是静止的，或该运动是简单的平移，例如摄像 机扫换的情况。在这种情况下，帧序列的实际值与预测值之间可能只有小的差 别。因此，许多运动矢量具有相同的位移。可是，由于在该运动补偿编码方案中， 在发射之前所有的运动矢量都被编码，包括具有相同位移的运动矢量，这就导 致数据压缩系统的低效率。

因此，本发明的基本目的是提供一种预测当前帧信号的方法和装置，因此 增强数字图象压缩系统的数据压缩效率。

按照本发明的一方面，所提供的方法，用于图象信号编码系统，以基于当前 帧和参考帧产生预测当前帧信号，其中当前帧和参考帧包括在具有帧序列的图 象信号中，该方法包括下列步骤：(a)检测代表当前帧与参考帧之间空间位移的 方位矢量；(b)基于该方位矢量和参考帧，检测包含可替代区域和不可替代区域 的预测帧，其中可替代区域具有从参考帧选择的象素值，不可替代区域没有象 素值；(c)将参考值与方位矢量的幅度进行比较；和(d)基于预测帧和当前帧和 参考帧，按照步骤(c)的结果产生预测当前帧信号，步骤(d)包括步骤：(d1)如果 方位矢量的幅度小于参考值，通过将位于可替代区域与不可替代区域之间边界 的可替代区域的象素值填充到不可替代区域，来产生预测当前帧信号；和(d2) 如果填充矢量的幅度大于或等于参考值，基于当前帧和参考帧信号，利用不可 替代区域的块匹配技术来产生预测当前帧信号。

按照本发明的另一方面，所提供的装置，用于图象信号编码系统，以基于当 前帧和参考帧产生预测当前帧信号，其中当前帧和参考帧包括在具有帧序列的 图象信号中，该装置包括：方位矢量确定电路，用于检测代表当前帧与参考帧之 间空间位移的方位矢量；预测帧发生器，基于该方位矢量和参考帧，确定包含可 替代区域和不可替代区域的预测帧，其中可替代区域具有从参考帧选择的象素 值，不可替代区域没有象素值；选择控制器，用于将参考值与方位矢量的幅度进 行比较，从而提供选择信息；和第一预测电路，通过将在预测帧中位□ 于可替代 区域的象素值填充到不可替代区域，来产生第一预测当前帧信号；和第二预测 电路，基于方位失量和当前帧和参考帧信号，利用不可替代区域的块匹配技术 来产生第二预测当前帧信号，以及一个选择器，响应选择信息选择第一预测当 前帧信号或第二预测当前帧信号作为预测当前帧信号。

通过下面结合附图对本发明的最佳实施例进行描述，本发明的上述目的和 优点将更清楚。

图1显示了按照本发明的图象编码系统；

图2是按照图1所示本发明的运动补偿单元的详细方框图；

图3表示了跟随其间运动流的三个顺序帧；

图4图示了确定参考值的过程；

图5描述了按照本发明的边界填充过程；

图6A和6B描述了按照本发明实施例的在预测帧中的不可替代区域的运动 矢量检测过程；和

图7显示帧序列的示意图。

参考图1，它显示了按照本发明的图象编码系统的方框图，输入图象信号 提供到帧记录单元100。如图7例子所示，输入图象信号由帧序列组成，它们具 有：一个内(I)帧I1，三个双向预测(B)帧B1，B2，B3，以及三个预测(P)帧 P1，P2，P3，因此，包括11，B1，P1，B2，P2，B3，P3的帧序列被加到帧记录单元100， 帧记录单元100用于将帧序列记录成记录的图象信号比如 I1，P1，B1，P2，B2，P3，B3，产生B帧的双向预测帧信号。记录的图象信号然后被 一帧一帧地提供到帧存贮单元900。

帧存贮单元900存贮送来的每一帧信号；将存贮的帧信号作为当前帧信号 通过线L10提供到运动补偿单元200；并一块一块地将当前帧信号提供到第一 开关750，当前帧被分成具有N×M象素值的多个块，N和M分别为正整数。

如图1所示，图象编码系统包括第一，第二和第三开关750，770和850，按照 帧编码模式来操作它们。第一和第二开关750和770由来自常规系统控制器比 如微处理器(未显示)的第一帧模式控制信号来操作，以选择性地进行两种帧编 码模式，即帧内编码模式和帧间编码模式。因此，第一开关750在帧内编码模式 时连接到线L70，在帧间模式时连接到线L80。按照第一帧模式控制信号SC1， 第二开关770在帧内编码模式时打开，在帧间编码模式时关闭。同时，第三开关 850的操作响应于第二帧模式控制信号SC2。如果当前帧为P或I帧，第三开 关850关闭，当当前帧为B帧时，它打开。由于开关750，770和850如上所示操 作，下面将详细描述这些开关的连接。

在帧内编码模式，内帧信号，从帧存贮单元900恢复的，比如I1帧信号，作 为当前帧信号通过线L70直接加到图象信号编码器400。

在图象信号编码器400中，当前帧信号比如利用离散余弦变换(DCT)和任何 所知的量化方法被编码成一组量化的变换系数。然后该量化的变换系数被发射 到熵编码器600和图象信号解码器500。

在熵编码器600中，来自图象信号编码器400的量化的变换系数用比如可 变长度编码技术一起编码；并传送到用于发射已编码的图象信号的发射机(未 显示)。

同时，图象信号解码器500采用反量化和反离散余弦变换将来自图象信号 编码器400的量化变换系数变换回到重建的帧内信号。来自图象信号解码器 500的重建帧内信号然后作为参考帧信号被存贮在存贮单元300中，存贮单元 300包括两个帧存贮器310和320，它们通过线L20和L30分别连接到运动补偿 单元200。

在帧内编码模式，即，当当前帧为预测帧时，当前帧信号从帧存贮单元900 通过线L10一帧一帧地提供到运动补偿单元200，并通过第一开关750一块一块 地提供到减法器700。

在运动补偿单元200中，当前帧信号即预测帧基于存贮在存贮单元300中 的参考帧信号被预测，以产生预测的当前帧信号。在预测过程中，如上所述，P帧 是从其前面的帧预测的，而B帧是从其前面和将来的帧预测的。例如，如果当前 帧为P1帧，其先前帧即在记录的图象信号中的I1帧被用作为参考帧。另一方 面，如果当前帧为B1帧，其先前和将来帧，即I1和P1帧被用作为参考帧。

参见图2，它显示了按照本发明的运动补偿单元200的详细方框图，它包括 方位矢量确定部分220，预测帧确定部分230，选择控制部分240，块形成部分 250，块匹配部分260，第一和第二帧产生部分270和280，以及选择部分290。 下面将描述构成该运动补偿单元200的每个装置的工作。

首先，通过线L10从帧存贮单元900恢复的当前帧信号被加到方位矢量确 定部分220和块形成部分250。通过线L20和/或线L30来自存贮单元300的 参考帧信号被输入到方位矢量确定部分220，预测帧确定部分230和块匹配部 分260。

在方位矢量确定部分220，方位矢量被如此检测，即沿着当前帧移动参考帧， 直到找到与参考帧匹配最好的移动参考帧，其中方位矢量代表当前帧与最好匹 配的移动的参考帧之间的空间位移。最好匹配的移动的参考帧与当前帧之间的 空间位移，在其重叠区域的相应的象素值之间具有最小的误差或差别。该误差 被定义为平均绝对误差或平均平方误差，它用于进行参考帧与当前帧之间的类 似性测量。

例如，图3所示，在上述过程中，如果当前帧CF为P帧，当前帧CF与先前帧 PF之间的空间位移被检测为当前帧CF的方位矢量。或者，如果B帧作为当前帧 输入，对于向后的位移矢量BMV1和向前的位移矢量FMV1，对应于具有最小误差 的帧的位移矢量被确定为当前帧CF的方位矢量，其中BMV1代表当前帧CF与其 将来帧SF之间的空间位移，而FMV1则显示当前帧CF与其先前帧PF之间的空 间位移。此后，为了简述的目的，假设FMV1被确定为当前帧CF的方位矢量。在 部分220处产生的方位矢量FMV1被提供到线L50上，并送到预测帧确定部分 230，块形成部分250，块匹配部分260，和选择控制部分240。

如图4所述，预测帧确定部分230通过按照方位矢量来移动参考帧，即先前 帧PF来产生包含″可替代区域″和″不可替代区域″的预测帧。″可替代区域″(下 面称为并指定为10)意味着与由参考帧都覆盖的当前帧的一部分的区域。而″ 不可替代区域″(下面称为并指定为20)意味着与没有由参考帧覆盖的当前帧的 一部分的区域。可替代区域10包含从先前帧PF恢复的象素值，而不可替代区 域20不包含任何确定的象素值。在可替代区域10与不可替代区域20之间有 边界B0。该预测帧被传送到选择控制部分240，第一帧产生部分270和第二帧 产生部分280。

选择控制部分240具有偏差计数器241和第一，第二比较器242，243， 和一个选择信号产生器如图2所示。

参看图4，该偏差计数器241计算包括在可替代区域10中边界区域10′ 中的象素值的偏差，其中边界区域10′代表可替代区域10与通过在水平和垂直 方向上移动边界B0到可替代区域10L个象素所形成的区域之间的间隙，L是正 整数。该偏差如下确定： ${\sigma }_D^2=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{(D_i-\overline{D_M})}^2$

                              等式1

其中α表示象素值的偏差；D表示包括在边界区域10′中的象素值；D为 边界区域10′中的象素值的平均值；K为边界区域10′中象素的数量。

该偏差在第一比较器242中与预定阈值TH1进行比较，因此产生第一或第 二比较信号，送到第二比较器243。如果该偏差大于或等于预定阈值TH1，产生 第一比较信号COM1，如果相反，则输出第二比较信号COM1。按照该偏差值，比较 信号COM1或COM2可被用于测量，以确定边界区域10′的象素值分配的复杂 性。即，要注意，当产生第一比较信号COM1时，边界区域10′的象素值分配的复 杂性高于第二比较信号COM2的情况。

响应于按照当前帧即P或B帧的帧类型(FT)而产生的第二帧模式控制信号 SC2，基于第一或第二比较信号，第二比较器243确定参考值，如表1所示例。

                            表1 如表1所示，P帧的参考值大于B帧的参考值，该参考值随偏差值的减小而增加， 即COM2的参考值大于COM1的参考值。因此，在上述情况，当前帧为P帧，表1 中第二列的值被选择，响应于比较信号COM1或COM2来确定参考值。

从表1选择的参考值被输入到选择信号发生器244，并与从方位矢量确定 部分220恢复的方位矢量的幅度进行比较，以提供第一或第二选择信号SS1或 SS2到选择部分290。如果方位矢量的幅度大于或等于参考值则产生第一选择 信号SS1，相反则产生第二选择信号SS2。

同时，按照本发明的实施例，基于从预测帧确定部分230恢复的预测帧信号， 第一帧产生部分270产生第一预测当前帧信号。参见图5，它提供的第一预测当 前帧由填充区域20A，20B和20C和可替代区域10构成。在此，第一填充区域20A 通过水平方向上把沿着垂直边界B1的每个象素值填充到图4中的不可替代区 域20中来确定，第二填充区域20B通过垂直方向上对沿着水平边界B2的每个 象素值进行填充来确定。另一方面，第三填充区域20C填有由第一填充区域20A 的低端的象素值和第二填充区域20B的左侧的象素值的平均而确定的象素值。 第一预测当前帧信号被输入到选择部分290。

在上述过程中，块形成部分250检测搜索块，它用于基于从方位矢量确定部 分220来的填充矢量FMV1和通过线L10提供的当前帧信号而进行的块匹配过 程。

基于来自存贮单元300的参考帧信号，块匹配部分260检测相应于搜索块 和象素值并填充图4的预测帧中的不可替代区域20的运动矢量。

参考图6A和6B，它显示了图4的预测帧中的区域20的运动矢量检测过 程。

按照本发明的实施例，不可替代区域20被分成几个区域例如A，B和C，如图 6A所示，其大小可以是相同的。从当前帧中选择相应于每个区域A，B和C的搜 索块，其中，每个区域的位置和相应的搜索块在一帧中是相同的。区域A，B和C 的搜索块顺序地加到匹配部分260。

另一方面，按照本发明的另一实施例，不可替代区域20由覆盖不可替代区 域20的多个相同尺寸搜索块来表示，如图6B所示，其中每个搜索块包含H×V 个象素值，H和V分别为正整数。以类似于图6A中所用的方法，从当前帧中选择 相同尺寸的搜索块。相同尺寸的搜索块被一块一块地传送到块匹配部分260。

基于从块形成部分250产生的搜索块和来自存贮单元300的参考帧信号， 利用已知的块匹配技术，块匹配部分260执行块匹配过程，因此找到相应于搜索 块的运动矢量。一旦检测到该运动矢量，基于参考帧信号，部分260产生补偿的 不可替代区域，它被由该运动矢量确定的象素值覆盖。例如对B帧进行块匹配 过程，如果方位矢量由B帧的先前帧确定，基于B帧的将来帧，将进行块匹配过 程，因为相应于B帧的参考帧包含先前和将来帧。相反也是成立的。如上检测 的运动矢量被输出到线L50，补偿的不可替代区域被传送到第二帧产生部分 280。

在第二帧产生部分280中，从预测帧确定部分230提供的预测帧信号和补 偿的不可替代区域被组合，以提供第二预测当前帧信号到选择部分290。同时， 如果在预测帧的可替代区域与补偿的不可替代区域之间有重叠，那么在重叠区 域，来自补偿的不可替代区域的象素值被抛弃。

响应于从选择信号产生器244产生的选择信号，选择部分290选择第一预 测当前帧信号或第二预测当前帧信号，因此在线L60上提供选择的帧信号，以作 为预测当前帧信号。如果第一选择信号SS1被输入到选择部分290，选择第二预 测当前帧信号，如果相反，选择第一预测当前帧信号，作为预测当前帧信号。

回到图1，预测当前帧信号在减法器700中被减去线L80上的的当前帧信号， 结果数据，即代表差值象素值的误差信号被传送到图象信号编码器400，利用 DCT和任何已知的量化方法，其中误差信号被编码成一组量化的变换系数。然后， 该量化的变换系数被传送到熵编码器600和图象信号解码器500。

在熵编码器600中量化的变换系数与方位矢量和通过线L50来自运动补偿 单元200的运动矢量一起编码，以便被传送到发射编码图象信号的发射机(未显 示)。

同时，采用反量化和反离散余弦变换，图象信号解码器500将量化的变换系 数转换成重建的误差信号。来自图象信号解码器500的重建的误差信号和线 L60上来自运动补偿单元200的预测当前帧通过第二开关770在加法器800处 组合，因此提供重建的帧信号。如上所述，如果当前帧为I或P帧，重建的帧信 号通过第三开关850提供到存贮单元300，以作为参考帧信号存贮。即，如果当 前帧为B帧，重建的帧信号被放弃。

存贮单元300包括比如两个帧存贮器310和320，它们串联连接，如图1所 示。因此，来自加法器800的重建的帧信号首先被存贮在比如第一帧存贮器320 中，然后作为参考帧信号通过线L30提供到运动补偿单元200中，如果来自加法 器800的下一个重建帧信号被输入到第一帧存贮器320，它也被一帧一帧地移 动到第二帧存贮器310。因此，在P帧的帧间编码模式中，存贮在第二帧存贮器 310的重建帧信号作为参考信号通过线L20被传送到运动补偿单元200，对于B 帧，存贮在帧存贮器310和320中的重建帧信号作为参考帧信号分别通过线 L20和L30被传送到单元200。

只要进行图象编码过程，上述过程顺序重复。

如上所示，按照本发明，预测当前帧信号可由来自减法器700的差值信号， 搜索块的方位矢量和运动矢量重建。由于只检测预测帧中不可替代区域的运动 矢量，发射该运动矢量的数据量可以减少。

上面已经结合具体实施例描述了本发明，但不脱离本发明的精神和范围， 普通专业技术人员可作出各种变化和改型，本发明的范围由权利要求确定。