KR0123243B1 - 장면 전환시의 비트율 제어 방법 - Google Patents

장면 전환시의 비트율 제어 방법

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KR0123243B1 KR1019940018165A KR19940018165A KR0123243B1 KR 0123243 B1 KR0123243 B1 KR 0123243B1 KR 1019940018165 A KR1019940018165 A KR 1019940018165A KR 19940018165 A KR19940018165 A KR 19940018165A KR 0123243 B1 KR0123243 B1 KR 0123243B1
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Abstract

본 발명은 장면 전환시의 비트율 제어방법에 관한 것으로, 특히 동영산 부호화에 상용되는 MPEG(moving picture expects group) 비디오 부호화에 있어서, 장면 전환 처리시 예기치않은 많은 비트의 발생으로 인하여 이후의 프레임을 처리하는데 필요한 비트수의 부족과 이로인한 화질의 열화, 버퍼의 넘침(overflow)등을 방지하기 위하여, 장면 전환이 발생한 화면을 처리하는데 많은 비트를 할당하고 이렇게 사용되는 비트수를 남아 있는 GOP내의 나머지 화면이나 다음 GOP로부터 가져오지 않고 대부분을 인접 1프레임 내에서 해결함으로서, 장면 전환후 해당 GOP의 화질 저하를 막으면서 장면 전환을 효과적으로 제어할 수 있는 장면 전환시의 비트율 제어방법에 관한 것이다.

Description

장면 전환시의 비트율 제어 방법
제1도는 일반적인 비트율 제어장치의 블럭도.
제2도는 종래의 비트율 제어 흐름도.
제3도 및 제4도 본 발명에 따른 비트율 제어 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 비디오 프레임 입력부 2 : 부호화부
3 : 버퍼부 4 : 비트율 제어부
본 발명은 장면 전환시 비트율 제어 방법에 관한 것으로, 특히 동영상 부호화에 사용되는 MPEG(Moving Picture Experts Group) 비디오 부호화에 있어서, 장면 전환 처리시 예기치 않은 많은 비트의 발생으로 인하여 이후의 프레임을 처리하는데 필요한 비트수의 부족과 이로 인한 화질의 열화, 버퍼의 넘침(overflow)등을 방지하기 위하여 인접한 프레임으로부터 장면 전환 프레임을 얻어오는 장면 전환시의 비트율 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 동영상 부호화 방식의 하나인 MPEG-Ⅱ 비디오 부호화 방식은 움직임 추정/보상 및 이산여현 변환 (DCT)을 이용하여 높은 압축 효과를 얻는 부호화 방식이다.
즉, 연속되는 화면을 일정한 그룹(이하, GOP(Group Of Picture)라 함)으로 나누고 하나의 GOP내에서도 I프레임은 움직임 추정/보상을 이용하지 않고 프레임내에서 이산여현 변환(DCT)과 양자화를 이용하여 공간 영역의 중복성을 제거하여 처리하여, P프레임과 B프레임은 움직임 추정/보상을 수행한 예측 영상과 원영상과의 차(difference)를 이산여현 변환(DCT) 한 후에 양자화하여 전송하며 공간 영역의 중복성뿐만 아니라 시간 영역의 중복성까지 제거하여 처리한다.
따라서, I프레임 부호화시 사용되는 비트수는 B와 P프레임을 부호화하는데 사용되는 비트수보다 상대적으로 크며, 순방향(forward) 움직임 추정/보상만을 이용하는 P프레임을 부호화하는데 필요한 비트수는 양방향(bidirectional) 움직임 추정/보상을 이용하는 B프레임을 부호화하는데 필요한 비트수보다 상대적으로 크다. 이때 I,P,B프레임에서 발생되는 비트수의 비율은 압축율, B 프레임수, 버퍼 제어방식 등에 따라 차이가 있으나 일반적으로 4:2:1 정도의 비율을 가진다.
MPEG-Ⅱ 부호화 방식은 프레임마다 발생되는 데이터의 양이 가변적임에 따라 가변적인 비트율을 가지는 부호화 방식을 고정 비트율을 요구하는 서비스에 적용하기 위하여 특정한 버퍼 제어 방식, 즉 비트율 제어 방식을 이용하고 있으며 이러한 비트율 제어 방식은 궁극적으로 발생하는 비트수를 GOP내에서 고정된 비트수가 되도록 제어하는 것이다.
제1도는 종래의 비트율 제어 방법 및 본 발명에 의한 비트율 제어 방법이 적용되는 일반적인 비트율 제어장치의 구성을 나타낸 것으로, 비디오 프레임 입력부(1)로부터 비디오 신호가 입력되면 부호화부(2)는 입력된 프레임을 부호화하고 버퍼부(3)에 부호화된 값을 일시 저장하였다가 일정한 전송 비트율에 맞추어 외부로 전송하게 된다. 이때, 부호화부(2)로부터 출력되는 비트수를 조정하기 위하여 비트율 제어부(4)는 버퍼부(3)의 충만도에 따라 버퍼 넘침이나 버퍼 모자람이 없도록 부호화부(2)를 조절하게 된다.
제2도는 종래의 비트율 제어 방법을 나타낸 것이다.
비트율 제어는 양자화 파라메타의 조정으로 이루어진다. 즉, 양자화 파라메타를 크게 하면 부호화부(2)에서 발생되는 비트수가 감소하여 부호화부(2)로부터 출력되는 비트수가 감소되고 양자화 파라메타를 작게 하면 부호화부(2)에서 발생되는 비트수가 증가된다.
즉, 버퍼 제어부는 초기 상태에서 각종 파라메타를 초기화시키고(201), I,P,B화면에 따라 적당한 화면당 목표 비트수를 계산한다(202). 여기서 Ti는 I화면의 목표 비트수를, Tp는 P화면의 목표 비트수를, Tb는 B화면의 목표 비트수를 의미한다.
상기와 같이 I,P,B화면에 따른 적정한 화면당 목표 비트수를 계산한 후에, 매크로 블럭 단위에서 버퍼 충만도, 이전 매크로 블럭에 실제 할당된 비트수, 입력 영상의 특성을 고려하여 양자화 파라메타를 구하고 (203), 이렇게 구해진 양자화 파라메타값을 부호화부(2)에 전달하여 양자화시 사용한다.
한 화면을 여러 개의 매크로 블럭으로 나누어서 그 화면의 마지막 매크로 블럭까지 처리되면(204) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 비트율 제어 방법은 장면 전환이 발생하지 않은 동영상 처리에서는 상당히 우수한 결과를 나타내지만 장면 전환이 발생하여 예기치 않게 비트수가 증가할 경우에는 잘 대처하지 못하였다.
즉, 장면 전환 프레임을 부호화하는데 많은 비트가 할당되고 그 결과 GOP내에 남은 프레임을 처리하는데 필요한 비트수의 부족으로 해당 GOP내 다른 프레임의 화질이 전반적으로 열화되고 버퍼의 넘침 형상이 발생하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 장면 전환 프레임을 처리한 후에 장면 전환 프레임을 부호화하기 위해 사용한 비트수를 인접 I프레임 내에서 보상함으로써 이후의 프레임을 처리하는데 필요한 비트수의 부족과 이로 인한 화질의 열화, 버퍼의 넘침(overflow)등을 방지할 수 있는 장면 전환시의 비트율 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, B화면을 포함 (M=2 이상)하는 비트율 제어 장치에 적용되는 비트율 제어 방법에 있어서, 버퍼 제어에 사용되는 파라메타를 초기화하고 화면당 목표 비트수를 계산한 후에 현재의 화면이 I,P 또는 B화면인지를 판단하는 제 1단계 : 상기 제 1단계의 판단 결과, 현재의 화면이 I 또는 P화면이면 장면 전환이 발생한 화면의 종류를 판단하여 I화면이면 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하여, P화면이면 목표 비트수를 소정의 배율로 증가시킨 후에 모든 매크로 블럭 모드를 영상내의 압축모드(intra)로 전환한 다음에 화면의 마지막 매크로 블러까지 양자화 파라메타를 계산하는 제 2단계 : 및 상기 제 1단계의 판단 결과, 현재의 화면이 B화면인 경우에는 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생되고 M=3이며 2번째 화면이 B화면이면 기준화면의 기수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 모든 매크로 블럭 모드를 조정한 후에 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, 현재의 화면이 B화면이고 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생하지 않았으면 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는 제 3단계를 포함한다.
또한, 본 발명은, M=1인 경우에 비트율 제어 장치에 적용되는 비트율 제어 방법에 있어서, 버퍼 제어에 사용되는 파라메타를 초기화하고 화면당 목표 비트수를 계산한 후에 이전 화면에 장면 전환이 발생되었는지를 판단하는 제 1단계 : 상기 제 1단계의 판단 결과, 이전 화면에 장면 전환이 발생되지 않았으면 현재 화면에 장면 전환이 발생하였는지를 판단하여 장면 전환이 발생하지 않았으면 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하고, 장면 전환이 발생하였으면 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지를 판단하는 제 2단계 : 상기 제 2단계의 판단 결과, 장면 전환이 발생한 현재의 화면이 I화면이면 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하고, P화면이면 해당 화면 그룹 (GOP)의 마지막 P화면인지를 판단하는 제 3단계 : 상기 제 3단계의 판단결과, 마지막 P화면이면 기준화면의 우수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 매크로 블럭 모드를 조정하고 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, 마지막 P화면이 아니면 목표 비트수를 소정의 배율로 증가시키고 모든 매크로 블럭 모드를 영상 내의 압축(intra)모드로 전환한 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는 제 4단계 : 및 상기 제 1단계의 판단결과, 이전 화면에 장면 전환이 발생하였으면 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지 확인하여 P화면이면 기준화면의 우수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 매크로 블럭모드를 조정하고 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, I화면이면 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화한 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는 제 5단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
제3도와 제4도는 본 발명에 따른 비트율 제어 방법에 동작 흐름도를 나타낸 것으로, 제3도는 M=2이상, 즉 B화면을 가지는 경우의 동작 흐름도를 나타낸 것이고, 제4도는 M=1, 즉 B화면이 없고, I,P화면만이 존재할 경우의 비트율 제어방법의 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
제3도와 같이 M=2 이상이면, 먼저 버퍼 제어에 필요한 파라메타를 초기화하고(301) 화면당 목표 비트수를 구한 후에 (302), 현재의 화면 모드가 I, P화면인지 B화면인지를 확인한다(303).
화면 모드가 I 또는 P화면인 경우에는 장면 전환이 발생되었는지 판단하여(304) 장면 전환이 발생되지 않았으면 종래의 제어 방법과 같이 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(309,310) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 화면당 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
한편, 장면 전환이 발생하였으면 장면 전환이 발생된 화면이 I화면인지 P화면인지를 판단하여(305) 장면 전환이 발생된 화면이 I화면이면 부호화하기 위한 비트수면에서는 문제가 없으므로 목표 비트수는 변화시키지 않고 부호화한다. 단지 새로운 내용의 화면이 시작되었으므로 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨다(308). 이렇게 하는 이유는 화면당 목표 비트수는 이전에 부호화된 화면으로부터 발생되는 각종 파라메타를 이용하는데, 화면의 내용이 바뀌었으므로 이전 값은 새로운 화면에 적당하지 못하기 때문이다. 이후, 종래의 제어 방법과 같이 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(309,310) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 화면당 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
그리고, 장면 전환이 발생된 화면이 P화면일 경우에는 구하여진 목표 비트수를 k배 하여 목표 비트수를 높히고(306) 모든 매크로 블럭을 강제적으로 영상내에서 압축(intra)하도록 하는 신호를 부호화부(2)에 전달하고(307), 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라케타를 구한 후에 (309,310) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다. 여기서 k는 1.5~2.0 사이의 값을 가진다.
한편, 현재의 화면이 B화면일 경우에는 현재 화면에 장면 전환이 발생했는지의 여부를 확인하지 않고 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생했는지를 확인한다(311). 이때 장면 전환이 발생하고 M=3일 경우에는 2번째 B화면에서 모든 매크로 블럭을 특수한 모드로 부호화하는 정보를 부호화부(2)에 전송한다(312). 즉 역방향 기준 화면의 기수(odd) 필드를 현재의 기수(odd), 우수(even) 화면에 그대로 복사할 수 있는 모드로 모든 매크로 블럭을 조정하는 것으로, 실제 B화면을 부호화할 때 필요한 비트수의 1/40~1/50정도의 비트수만 사용된다. 이 결과 이전에 장면 전환된 P화면을 처리하기 위한 대부분의 비트를 얻어올 수 있다.
상기와 같이 모든 매크로 블럭을 특수모드로 조정한 수에, 반드시 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화하여야 한다(313). 초기화하지 않으면 이러한 특수한 모드를 부호화하는데 사용된 정보들이 다음 화면을 부호화하는데 사용되어 이상(abnormal) 상태가 발생하기 때문이다. 이러한 특수 모드로 화면을 부호화하는 경우에는 모든 매크로 블럭의 양자화 값들이 부호화하지 않기 때문에 매크로 블럭당 양자화 파라메타를 계산하는 과정을 제외하여도 된다.
한편, 현재의 화면이 B화면이고 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생하지 않았으면(311) 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(309,310) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
제4도와 같이 M=1이면, 버퍼 제어에 사용되는 각종 파라메타를 초기화하고(401) 화면당 목표 비트수를 구한 후에(402) 이전 화면에 장면 전환이 발생되었는지의 여부를 확인한다(403).
이전 화면에 장면 전환이 발생되지 않았으면 현재 화면에 장면 전환이 발생되었는지 판단하여(404) 현재의 화면에 장면 전환이 발생하지 않았으면 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(410,411) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기 과정을 반복수행한다.
한편, 현재의 화면에 장면 전환이 발생하였으면 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지 판단하여(405) 장면 전환이 발생된 화면이 I화면이면 부호화하기 위한 비트수면에서는 문제가 없으므로 목표 비트수는 변화시키지 않고 부호화한다. 단지 새로운 내용의 화면이 시작되었으므로 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨 후에(409) 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(410,411) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
장면 전환이 발생한 현재의 화면이 P화면이면 해당 GOP의 마지막 P화면인지를 확인하여(406) GOP내 마지막 P화면이면 바로 다음 화면으로 I화면이 오기 때문에 이 화면에서 장면 전환 처리를 하지 않고 다음 I화면에서 장면 전환 처리를 하도록 한다. 이렇게 하는 방법은 이전 화면이 장면 전환이 발생할 것처럼 처리해주는 것이다. 즉 GOP의 마지막 P화면이면 순방향 기준화면의 우수(even)필드를 그대로 복사해오는 모드로 매크로 블럭 모드를 조정하고(414) 화면당 목표비트를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화한다(415).
한편, GOP의 마지막 P화면이 아니면 목표 비트수를 일정한 배율로 증가시키고(407) 모든 매크로 블럭모드를 영상내의 압축(intra) 모드로 전환하여(408) 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(410,411) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
한편, 이전 화면에 장면 전환이 발생하였으면(403) 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지 확인하여(412) 현재의 화면이 I화면이면 화면당 목표비트를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화하고(413) 화면내의 마지막 매크로 블럭까지 매크로 블럭 단위당 양자화 파라메타를 구한 후에(410,411) 다시 새로운 화면을 부호화하기 위해 목표 비트수를 구하고 상기의 과정을 반복 수행한다.
한편, 현재의 화면이 P화면이면(412)순방향 기준화면의 우수(even) 필드를 그대로 복사해오는 모드로 매크로 불럭 모드를 조정하고(414) 화면당 목표비트를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화한다(415).
상기와 같은 본 발명은, 장면 전환이 발생된 화면을 처리하느데 많은 비트를 할당하고 이렇게 사용되는 비트수를 남아 있는 GOP내의 나머지 화면이나 다음 GOP로부터 가져오지 않고 대부분을 인접 I프레임내에서 해결함으로써, 장면 전환후 해당 GOP의 화질 저하를 막으면서 버퍼의 넘침 현상을 방지하여 장면 전환을 효과적으로 제어할 수 있다.

Claims (2)

  1. B화면을 포함(M=2이상)하는 비트율 제어 장치에 적용되는 비트율 제어 방법에 있어서, 버퍼 제어에 사용되는 파라메타를 초기화하고 화면당 목표 비트수를 계산한 후에 현재의 화면이 I,P또는 B화면인지를 판단하는 제1단계 ; 상기 제 1단계의 판단 결과, 현재의 화면이 I 또는 P화면이면 장면 전환이 발생한 화면의 종류를 판단하여 I화면이면 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하며, P화면이면 목표 비트수를 소정의 배율로 증가 시킨 후에 모든 매크로 블럭 모드를 영상내의 압축모드(intra)로 전환한 다음에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계사하는 제2단계 ; 및 상기 제 1단계의 판단 결과, 현재의 화면이 B화면일 경우에는 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생하고 M=3이며 2번째 화면이 B화면이면 기준화면의 기수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 모든 매크로 블럭 모드를 조정한 후에 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, 현재의 화면이 B화면이고 이전에 부호화된 P화면에 장면 전환이 발생하지 않았으면 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는 제 3단계를 포함하여 이루어진 장면 전환시의 비트율 제어 방법.
  2. M=1인 경우에 비트율 제어 장치에 작용되는 비트율 제어 방법에 있어서, 버퍼 제어에 사용되는 파라메타를 초기화하고 화면당 목표 비트수를 계산한 후에 이전 화면에 장면 전환이 발생되었는지를 판단하는 제1단계 ; 상기 제 1단계의 판단 결과, 이전 화면에 장면 전환이 발생되지 않았으면 현재 화면에 장면 전환이 발생하였는지를 판단하여 장면 전환이 발생하지 않았으면 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하고, 장면 전환이 발생하였으면 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지를 판단하는 제2단계 ; 상기 제 2단계의 판단 결과, 장면 전환이 발생한 현재의 화면이 I화면이면 화면당 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시킨 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하고, P화면이면 해당 화면 그룹(GOP)의 마지막 P화면인지를 판단하는 제3단계 ; 상기 제 3단계의 판단 결과, 마지막 P화면이면 기준화면의 우수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 매크로 블럭 모드를 조정하고 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, 마지막 P화면이 아니면 목표 비트수를 소정의 배율로 증가시키고 모든 매크로 블럭 모드를 영상내의 압축(intra) 모드로 전환한 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는 제4단계 ; 및 상기 제 1단계의 판단 결과, 이전 화면에 장면 전환이 발생하였으면 현재의 화면이 I화면인지 P화면인지 확인하여 P화면이면 기준화면의 우수화면을 현재의 기수 또는 우수 화면으로 그대로 복사할 수 있는 모드로 매크로 블럭 모드로 조정하고 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화시키며, I화면이면 목표 비트수를 계산하는데 필요한 파라메타를 초기화한 후에 화면의 마지막 매크로 블럭까지 양자화 파라메타를 계산하는데 제 5단계를 포함하여 이루어진 장면 전환시의 비트율 제어 방법.
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