[发明专利]降低电影信号运动不连续之运动向量估测装置

说明书

技术领域

本发明涉及影像处理技术领域，特别是一种用于降低电影信号运动不连续之运动向量估测装置。

背景技术

在拍摄电影时，电影信号是以逐行扫描方式拍摄。而电影信号要于电视系统(例如NTSC(National Television Standards Committee，美国国家电视标准委员会)或PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)电视系统)传输时，则将一个逐行扫描的帧(frame)分成多个场(field)，当要显示于电视时，去交错扫描装置可将原属同一个帧的多个场重新组合，还原原来的逐行扫描画面。

然而，相较于电视节目的拍摄场(field)频率(60Hz)，电影拍摄时的帧(frame)频率通常较低(24Hz)，以致于电影信号的运动不连续(film judder)的情形较为严重。降低因帧频率较低产生的运动不连续，可利用运动估测(motionestimation)找出物体移动的速度，再利用运动补偿(motion compensation)将原有帧中其它的时间点，利用运动向量(motion vector)及前后时间的帧数据内插产生，以提高最后的帧频率。

应用在这种帧频率转换(frame rate convert)的运动估测技术，需要找出物体真正的运动向量，而非仅只找出影像相似的部份。真正的运动向量通常会具有较高的空间和时间的关连性，美国专利第5,221,926号公告揭露一种利用附近已找到的运动向量，加上不同的更新运动向量(update vector)，产生数个候选向量(candidate vector)，对选出之候选向量进行区块匹配计算(blockmatching)，得到每个候选向量的匹配代价(matching cost)，匹配代价最小的向量即为该区块的最佳向量。虽然每一个区块只有有限的候选向量个数及有限大小更新运动向量，但利用递归方式，可以收敛到最佳的运动向量。

IEEE transactions on circuits and systems for video technology.VOL.3，NO.5，October 1993，“True-Motion estimation with 3-D recursive search blockmatching”论文进一步提出从空间及时间上选出候选向量，如此可同时在空间上及时间上进行递归处理，加速收敛到真正运动向量的时间。同时，每一次只对数个候选向量进行区块匹配计算，可以大幅度降低在运动估测时所需的运算量。

如前所述，利用空间和时间的递归式区块匹配可以大幅降低运动估测的运算量，并且保持运动向量在空间上和时间上的关连性，而收敛到正确的运动向量的速度，会决定递归式运动估测的质量。影响运动向量收敛速度有三个主要的因素：一为是否可以将正确的运动向量放进候选向量中，二为更新运动向量大小的决定，三为决定每一个候选向量的处罚代价(penalty)。处罚代价指对于不同来源的候选向量的偏好，藉由这样的偏好，使递归运算可以更快速的收敛到正确的运动向量。在现有技术中应用于电视的运算处理的技术方案中，由于受限于电视扫描方式为由左至右、由上而下，这使得候选向量的来源只能由左方或上方已做完区块匹配的部份而来，或是前一个时间的运动向量而来。当目前不管从空间上或时间上选到的运动向量，都不是正确的运动向量的情况下，通常影像像素是位于不同速度物体的交界，需要靠更新目前现有运动向量来趋向正确的运动向量。那么，更新运动向量的大小就会决定改变到正确向量的速度，更新运动向量越大，趋向正确向量的速度就会越快。然而，较大的更新运动向量所产生的缺点是分辨率较差，当物体间运动向量改变较小的时候，较大的更新运动向量可能造成收敛精确度较差或是向量振荡的问题。

由于此运动估测技术主要用于解决电影帧频率较低产生的运动不连续的技术问题。如前所述，电影信号拍摄为逐行扫描的形式，当需要转换为隔行扫描的形式传输时，会将一个完整(同时间拍摄)逐行扫描的画面分成数个奇场(odd field)及偶场(even field)后传送，例如一个画面分一个奇场及一个偶场的方式，称为2:2下拉(pull down)。图1是一现有的2:2pull down之示意图。参照图1，原始电影信号为F0，F2，F4....，传输时会转换为E0，O0，E2，O2，E4，O4.....，经过运动估测及运动动补偿后，会输出F0，F1，F2，F3，F4....，其中，F0为结合E0及O0而产生，F1为E0、O0、E2、O2经过运动估测及补偿后的结果，依此类推。