随着高清数字电视和高端多媒体系统的蓬勃发展，现有的视频节目源已不能满足人们的视觉需求。帧率上转换作为一种视频后处理技术，通过在原有视频帧中插入中间帧的方式，将低帧率视频转变成高帧率视频，使得观看者在观看高清数字电视时可以观赏到更加自然流畅的运动场景；而且帧率上转换技术可以在解码端恢复在某些传输带宽受限场合下而跳过的视频帧，减小视觉上的停滞感和跳跃感，提供更好的视觉质量。现在大多数帧率上转换采用运动补偿的方法，本文的研究重点是其中的运动估计部分，以确保为后面的插值算法提供真实可靠的运动矢量。首先，考察了在矢量一致性方面有较大优势的三维递归块匹配搜索算法，并以此为基础，提出了一种结合多层搜索的块匹配运动估计算法以提高运动估计的准确性，该算法利用多层策略将可能的运动矢量场逐级精确到真实的运动矢量场，再结合收敛性判断，可以自适应的退出多层搜索，不仅加快了收敛速度，而且保证了运动矢量场的平滑性。其次，由于在遮挡区域求得的运动矢量不准确，本文提出了一种矢量场后处理方法，利用前向预测与后向预测得到的运动矢量场，得到遮挡区域及运动矢量不准确标记图，再根据空间相关性及匹配残差对不准确运动矢量进行校正，得到修正后的运动矢量场，在此基础上再进行矢量中值滤波，最终得到准确平滑的运动矢量场。实验结果表明，本文提出的算法较当前已有的部分类似算法，得到的插值帧的主观和客观质量均有所提高。