KR0127329B1 - 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치 - Google Patents

디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치

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KR0127329B1 KR1019930015772A KR930015772A KR0127329B1 KR 0127329 B1 KR0127329 B1 KR 0127329B1 KR 1019930015772 A KR1019930015772 A KR 1019930015772A KR 930015772 A KR930015772 A KR 930015772A KR 0127329 B1 KR0127329 B1 KR 0127329B1
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Abstract

본 발명은 디씨티와 브이엘씨를 사용하는 인트라프레임 압축부호화 기법을 이용하여 압축되는 동영상을 고정 전송채널로 전송하는데 사용되는 버퍼의 제어 기술에 관한 것으로, 간단히 구현할 수 있는 통계적 정귀환 버퍼 제어수단을 제안하고, 이를 기존의 통계적 부귀환 수단과 결합한 새로운 정, 부귀환 버퍼 제어수단을 구현함으로써 장면전환이 발생하는 경우에도 안정되게 버퍼를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 버퍼의 용량 및 사용되는 테이프의 길이를 줄일 수 있고, 정귀한 기법만을 적용하는 경우 기존의 부귀한 기법에 비해 간단하게 구현할 수 있게 한 것이다.

Description

디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치
제1도는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 일반적인 버퍼 제어 블록도.
제2도는 버퍼의 충만도 그래프.
제3도는 DF와 필드당 비트 발생 관계를 보인 그래프.
제4도는 일반적인 정귀환 버퍼 제어 방식을 JPEG 알고리즘에 적용한 것을 보인 블록도.
제5도는 본 발명의 정귀환 방식을 JPEG 알고리즘에 적용한 것을 보인 블록도.
제6도는 SSAD와 블록당 비트발생 관계를 보인 그래프.
제7도는 본 발명의 정귀환 버퍼 제어수단이 일반적인 부귀환 버퍼 제어수단과 결합되어 사용되는 것을 보인 일실시 예시블록도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110, 210 : 엔코더, 111, 211 : 디씨티,
112, 212 : 양자화기, 113, 213 : 브이엘씨,
120 : 정귀환 디에프 선택기, 220 : 버퍼,
230 : 정귀환 디에프 선택기, 240 : 장면전환 검출기,
250 : 부귀환 디에프 선택기, 260 : 모드선택기.
본 발명은 디씨티(DCT : Discrete Cosine Transform)와 브이엘씨(VLC : Variable Length Coding)를 사용하는 인트라프레임(intraframe) 압축부호화 기법을 이용하여 압축되는 동영상을 고정 전송채널로 전송하는데 사용되는 버퍼의 제어 기술에 관한 것으로, 특히 정귀환과 부귀환방식을 결합하여 장면전환이 발생한 경우에도 안정되게 버퍼를 제어하고, 간단히 계산될 수 있는 영상의 복잡도를 사용하여 간단하게 구현할 수 있도록 한 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치에 관한 것이다.
제1도는 디씨티와 브이엘씨 기반의 인트라프레임 영상부호화기를 이용하여 동영상을 압축하는 경우에 사용되는 일반적은 버퍼 제어기법중 부귀한 제어방법의 블록도이며, 제4도는 정귀환 버퍼 제어방식을 JPEG 알고리즘에 대하여 적용한 것을 보인 블록도로서 먼저, 제1도를 참조하여 부귀환 버퍼 제어를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 JPEG 베이스라인 기법에서는 프레임 메모리(10)로부터 입력되는 영상을 디씨티(21)에서 8×8 블록 단위로 디씨티 변환한 후 양자화하며, 이때, 양자화기(22)의 변수로는 스텝크기를 조절하는 DF(Division Factor)가 있다. 부호화기(20)에서 발생하는 데이타양은 양자화기(22) 스텝의 크기에 의해 좌우 되는데, DF를 증가시키면 스텝의 크기가 줄어들게 되어 부호화기(20)에서 많은 데이타가 발생되고, 반대로 DF를 감소시키면 데이타가 적게 발생된다.
이러한 DF의 결정은 버퍼(30)의 상태에 따라 양자화기 변수 선택기(40)에서 이루어진다.
부귀환 제어기법에는 heuristic 제어와 통계적 버퍼 제어방식이 있다. heuristic 버퍼제어는 버퍼 충만도에 따라 제2도와 같은 BF-DF곡선을 통하여 단순하게 DF값을 조절하게 되는데, 제2도에서 BF=0일때는 버퍼가 완전히 빈상태, BF=1 일때는 버퍼가 완전히 채워진 상태를 나타낸다.
부호화기(20)에서 발생한 데이타 양과 버퍼(30)로부터 방출되는 데이타 사이에 불균형이 발생되면 버퍼(30)의 데이타가 증가하거나 감소하게 되는데, 만약 BF가 증가하면 다음에 부호화하는 프레임에 대해서는 제2도와 같은 BF-DF 곡선을 이용하여 더 작은 DF를 선택하고, 반대로 BF가 감소하면 더 큰 DF를 선택함으로써 부호화기 (20)에서 발생하는 비트율이 버퍼(30)에서 방출되는 비트율과 일치되도록 한다.
부호화를 시작하는 초기 상태나 장면 전환이 발생한 경우에는 적당한 DF값을 선택할 수 없으므로 부호화기(20)에서 발생하는 비트수와 버퍼(30)에서 방출되는 비트수 사이에 불균형이 발생한다.
이런 경우 버퍼(30)의 충만도와 DF값은 버퍼(30)가 안정상태에 접어들때까지 변화하게 된다. 버퍼(30)가 안정상태에 접어들게 되면, 버퍼(30)의 충만도와 DF는 더 이상 크게 변화하지 않고, 거의 일정한 값을 유지하게 된다.
반면, 통계적인 부귀한 버퍼제어기법은 바로전에 부호화한 영상에서 얻어진 데이타의 양과 그때의 DF값을 이용하여 현재 부호화할 영상에서 발생할 데이타의 양을 여러개의 DF값을 가정하여 통계적으로 예측한후 버퍼(30)에서 방출되는 데이타의 양과 가장 유사한 예측치에 대응되는 DF값을 제3도와 같은 DF-Bit곡선을 이용하여 선택한다.
제3도의 값들은 JPEG 베이스라인 알고리즘의 DF를 0에서 12까지 0.1씩 변화시켜 가면서 서로다른 6장의 테스트영상에 적용하여 발생한 데이타양의 평균 및 편차값이다.
일반적으로 영상 시퀀스에서 이웃하는 영상들을 통계적으로 유사한 특징을 갖게 되므로 동일한 DF값에 대해 비슷한 비트수를 발생시킨다. 이미 부호화된 영상에서 얻어진 비트수 nk(m)과 그때의 DF값 m을 이용하여 다음에 부호화한 영상에서 발생할 비트수nk+1(P)는 다음과 같이 표현된다.
이와 같은 식을 이용하여 모든 P에 대해 미리 예측하고, 예측된 비트수가 버퍼(30)에서 방출되는 비트율과 가장 유사하게 되는 DF값을 선택한다. 단, 상기의 (식1)에서 a(P)는 DF=P일때의 데이타양이고, d(P)는 그때의 편차이다.
이러한 기법에서는 버퍼(30)제어시 발생될 수 있는 세가지 경우를 장면 전환상태, 오버플로우 상태, 정상 상태로 구분하여 정상상태에서는 상기에서 설명한 방법을 사용하고, 장면 전환상태일때에는 한 프레임 내에서 여러번 DF값을 바꾸어 가면서 발생 비트수가 버퍼방출 비트수에 근접하도록 조정한다(정상상태에서는 프레임당 1번의 버퍼 제어수행).
만일, 버퍼의 95%가 채워지면 오버플로우 상태가 되어 스텝 크기가 가장 큰 양자화기를 사용한다.
제4도는 JPEG 알고리즘등에 대하여 일반적인 정귀환 방식을 적용한 경우를 보인 것으로, 이 기법은 동일 입력영상을 여러개의 다른 DF값을 갖는 제1-N양자화기 (61-63)를사용하여 압축한 후 버퍼(80)에서 방출되는 데이타의 양과 가장 유사한 양의 데이타를 발생시킨 양자화기의 출력을 선택하여 전송한다.
그러나, 이와 같은 종래의 제어방법에 있어서는 압축이 덜된 영상의 경우에는 버퍼의 충만도가 너무 큰 상태에서 동작점이 결정되어 오버플로우의 위험이 있으며, 압축이 많이되는 영상은 반대로 언더플로우가 발생할 가능성이 높다. 또한 장면전환이 발생하게 되면, 안정상태에 도달하는데 긴 과도시간을 갖으며, 버퍼는 이경우 잘못된 DF값을 선정하게 되어 부호화기에 발생하는 비트수가 급격히 증가되며, 이러한 변화를 흡수할 수 있도록 버퍼의 용량이 충분히 커야된다. 버퍼의 용량이 작은 경우에는 BF와 DF의 변화가 심하게 되어 화질이 고르지 못한 결함을 나타낸다. 통계적 부귀환 제어기법에서도 장면 전환시 잘못된 비트율 예측을 근거로하여 새로운 DF를 결정하므로 출력 비트수가 급격하게 증가하게 된다. 따라서 이 기법 또한 버퍼의 용량이 커야되며, 이때, 버퍼에서의 지연시간이 늘어나게 된다. 디브이씨알과 같은 응용분야에서 프레임당 필요한 트랙의 갯수는 가장 많은 데이타가 발생한 경우를 고려하여 선정하게 되는데, 부호화된 데이타양의 급격한 변화는 테이프의 낭비를 초래한다. 또한 장면 전환이 일어나는 경우, 한 프레임내에서 여러번 버퍼를 제어하는 것은 복잡하여 구현이 어렵다. 반면에 정귀환 버퍼 제어방식에서는 버퍼에 입력되는 데이타의 양이 출력되는 데이타의 양과 비슷하도록 미리 조정되므로 부귀환 방식과 달리 장면전환등에서의 문제점이 없다. 그러나 일반적으로 정귀환 버퍼제어에는 매우 많은 계산양을 필요로하여 실제적으로 사용하기 어려우며, 부귀환 방식에 비해 훨씬 많은 연산을 필요로하는 문제점 등이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 결함을 해결하기 위하여 정, 부귀환 수단을 결합하여 장면변화가 발생한 경우에도 안정되게 버퍼를 제어하고, 간단히 구현할 수 있게 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명한다.
제5도는 본 발명의 디씨티 기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 통계적 정귀환 버퍼 제어 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 입력영상에 대해 공간적인 정보를 주파수정보로 변환하는 디씨티(111)와, 상기 디시티(111)로부터 입력되는 신호를 유한한 갯수의 값으로 근사화시키는 양자화기(112)와, 상기 양자화기(112)의 출력신호를 공급받아 양자화된 신호의 위치정보와 크기정보를 손실없이 가변장 부호로 변환시키는 브이엘씨(113)와, 상기 디씨티(111)의 출력신호를 공급받아 각 프레임의 복잡도를 계산하여 그에 대한 데이타양을 소정의 디씨티 블록단위로 예측하여 그에 따른 디에프(DF)를 상기 양자화기(112)에 출력하는 정귀환 디에프 선택기(120)로 구성하였다.
제7도는 본 발명 디씨티 기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 통계적 정귀환 버퍼제어수단이 부귀환 버퍼 제어수단과 결합하여 사용되는 것을 보인 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 입력영상에 대해 공간적인 정보를 주파수정보로 변환하는 디씨티(211)와, 상기 디씨티(211)로부터 입력되는 신호를 유한한 갯수의 값으로 근사화 시키는 양자화기(212)와, 상기 양자화기(212)의 출력신호를 공급받아 양자화된 신호의 위치정보와 크기정보를 손실없이 가변장 부호로 변환시키는 브이엘씨)(213)와, 상기 브이엘씨(213)의 출력정보를 공급받아 외부로 출력하는 버퍼(220)와, 상기 디씨티(211)의 출력정보를 공급받아 각 프레임의 복잡도를 계산하여 휘도신호와 색조신호에 대한 데이타양을 예측하는 정귀환 디에프 선택기(230)와, 상기 정귀환 디에프 선택기(230)로부터 인접한 두 프레임에 대한 비트율 예측치를 공급받아 이들의 차가 정해진 문턱치를 상회할때 장면이 전환된 것으로 판단하여 그에따른 장면전환 검출신호(SC)를 출력하는 장면전환 검출기(240)와, 상기 장면전환 검출기(240)로부터 장면전환 검출신호(SC)가 입력될때에는 상기 정귀환 디에프 선택기(230)에서 출력되는 디에프(DF1)를 상기 양자화기(212)에 전달하고, 그 이외의 경우에는 상기 부귀환 디에프 선택기(250)에서 출력되는 디에프(DF2)를 상기 양자화기(212)에 전달하는 모드 선택기(260)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 버퍼제어에서 가장 중요한 부분은 압축영상에서의 발생 데이타양을 예측하는 것이다. 부귀환 버퍼제어의 경우 예측값이 이전영상에서 발생한 데이터양에 근거하여 수행하는 반면, 본 발명에서의 정귀환 방식은 현재 압축될 영상의 복잡도에 따라 발생 데이타양을 예측하게 되는데, 즉, 압축부호화기에서 생성되는 데이타양이 대상 영상의 복잡도와 대략적으로 비례한다는 점에 근간을 두고 이들의 관계를 통계적으로 구한후 예측에 이용하는 것으로, 제5도를 참조하여 정귀환 버퍼 제어과정을 설명하면 다음과 같다.
입력영상신호(Vtn)가 공급되면, 디씨티(111)를 통해 공간적인 정보가 주파수 정보로 변환되고, 다시 양자화기(112)를 통해 유한한 갯수의 값으로 근사화된 후 브이엘씨(113)를 통해 양자화된 신호의 위치정보와 크기정보가 가변장부로 변환된다.
이때, 정귀환 디에프 선택기(120)에서는 각 프레임의 복잡도를 계산하고, 그에 대한 데이타양을 예측하게 되는데, 복잡도의 계산과 발생데이타양의 예측을 8×8디씨티 블록단위로 한다.
복잡도를 나타내는 척도로는 여러가지의 방법이 있으나 본 발명에서는
와 같이 계산이 간단한 SSAD(Sum of Squared Absolute Difference)를 사용하며, 상기의 (식2)에서 f(i,j)는 8×8블록내에서 i번째 행, j번재 열의 화소값을 의미한다.
제6도는 서로다른 6장의 테스트 영상으로부터 각각 8×8블록에 대하여 SSAD와 발생비트수를 구하고, 이를 각 SSAD에서 평균적으로 발생하는 비트수를 구한 것이다. 이때, DF값은 2.0으로 고정시켰고, 압축 알고리즘은 JPEG 베이스라인 알고리즘을 사용한 것이다.
그리고, 동일한 DF값에 대하여 휘도신호와 색조신호에서 발생하는 비트수는 상당히 차이가 나므로 이를 반영하기 위해 휘도신호와 색조신호 각각에 대하여 통계를 구한 것이다.
한 프레임에서 발생하는 비트수를 예측하기 위하여 각 8×8블록의 SSAD를 계산하고, 각 블록에서 계산된 SSAD값에 해당하는 비트수는 제6도를 이용하여 예측한다.
이렇게 예측된 각 블록에서의 데이타양을 더하여 DF=2.0일때 한 프레임에서 발생할 데이타양을 예측하고, DF≠2.0일때의 예측치는 제3도의 DF-Bit 곡선과 (식1)을 사용하여 찾는다.
즉, (식1)에서의 nk(m)대신에 DF=2.0에서의 예측치를 얻고, DF-Bit 곡선의 통계를 사용하면 임의의 DF값에 대한 예측치를 얻을 수 있다. 최종적으로 양자화기에 사용하는 DF값은 구해진 예측치 중 버퍼에서 방출되는 데이타양과 가장 유사한 예측치에 대응하는 DF값으로 결정된다.
한편, 제7도는 본 발명의 정귀환 버퍼제어수단이 일반적인 부귀환 버퍼제어수단과 결합하여 장면전환 검출에 따라 정, 부귀환이 선택적으로 사용되게 한 것을 보인 일실시 예시도로서 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.
장면전환 검출기(240)는 정귀환 디에프 선택기(230)로부터 인접한 두 프레임에 대한 비트율 예측치를 입력받아 이들의 차값을 비교하여 그 차가 정해진 문턱값을 넘으면 장면전환이 발생한 것으로 판단하여 이때, 소정의 장면전환 검출신호(SC)를 모드선택기(260)에 출력한다.
이에따라 상기 모드선택기(260)는 상기 장면전환 검출신호(SC)가 입력될때에는 정귀환 디에프 선택기(230)에서 구해진 디에프(DF1)를 양자화기(212)에 전달하고, 그 외의 경우에는 항상 부귀환 디에프 선택기(250)에서 얻어진 디에프(DF2)를 양자화기에 전달해준다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼제어 수단에 있어서, 간단히 구현할 수 있는 통계적 정귀환 버퍼제어수단을 제안하고, 이를 기존의 통계적 부귀환 수단과 결합한 새로운 정, 부귀환 버퍼제어수단을 구현함으로써 장면전환이 발생하는 경우에 안정되게 버퍼를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 버퍼의 용량 및 사용되는 테이프의 길이를 줄일 수 있는 효과가 있고 정귀환 기법만을 적용하는 경우 기존의 부귀환 기법에 비해 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 입력영상을 압축부호화하는 엔코더(110)와, 상기 엔코더(110)의 디씨티(111)에서 출력되는 신호를 공급받아 각 영상의 복잡도를 계산하고, 기설정된 영상의 복잡도 대비 발생 비트수에 관한 테이블값을 이용하여 해당 영상의 발생 데이타양을 구한 후, 그에따른 디에프(DF)값을 상기 엔코더(110)의 양자화기(112)에 출력하는 정귀환 디에프 선택기(120)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 정귀환 디에프 선택기(120)는 8×8디씨티 블록단위로 복잡도를 계산하고 발생데이타양을 예측하는 것을 특징으로 하는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 정귀환 디에프 선택기(120)는 에스에스에이디를 이용하여 각 프레임의 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 하는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 정귀환 디에프 선택기(120)는 휘도신호와 색조신호 각각에 대하여 예측 통계를 구하는 것을 특징으로 하는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치.
  5. 입력영상을 압축부호화하는 엔코더(210)와, 상기 엔코더(210)의 출력정보를 공급받아 외부로 출력하는 버퍼(220)와, 상기 엔코더(210)의 디씨티(211)에서 출력되는 정보를 공급받아 각 프레임의 복잡도를 계산하여 휘도신호와 색조신호에 대한 데이타양을 예측하는 정귀환 디에프 선택기(230)와, 상기 정귀환 디에프 선택기(230)로부터 인접한 두 프레임에 대한 비트율 예측치를 공급받아 이들의 차가 정해진 문턱치를 상회할 때 장면이 전환된 것으로 판단하여 그에따른 장면전환 검출신호(SC)가 입력될때에는 상기 정귀환 디에프 선택기(230)에서 출력되는 디에프(DF1)를 상기 엔코더(210)의 양자화기(212)에 전달하고, 그 이외의 경우에는 상기 부귀환 디에프 선택기(250)에서 출력되는 디에프(DF2)를 상기 양자화기(212)에 전달하는 모드 선택기(260)로 구성한 것을 특징으로 하는 디씨티기반의 인트라프레임 동영상 압축을 위한 버퍼 제어장치.
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