KR0157467B1 - Moving image encoding method and device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a video encoding method and apparatus according to a buffer state.
본 발명은 버퍼의 충만정도에 따라 프레임타입에 상관없이 부호화할 DCT계수의 영역을 가변시키는 기능과, I프레임일 경우 DC성분만 부호화하는 기능과, B, P프레일 경우 DCT계수를 하나도 부호화하지 않고 동벡터만 전송하는 기능, 및 프레임타입에 상관없이 부호화할 DCT계수의 갯수를 스캔-패턴의 스캔순서대로 제한하는 기능을 구비한다.According to the present invention, a function of varying an area of a DCT coefficient to be encoded regardless of a frame type according to the fullness of a buffer, a function of encoding only a DC component in an I frame, and no DCT coefficient in a B or P frame A function of transmitting only the same vector, and a function of limiting the number of DCT coefficients to be coded regardless of the frame type in the scan order of the scan-pattern.
따라서, 버퍼의 오버플로우를 방지할 뿐 아니라 화질에 손상을 입히지 않고 데이타를 복원할 수 있는 효과를 제공한다.Thus, not only the buffer overflow is prevented, but also the effect of restoring data without damaging the image quality is provided.
Description
제1도는 본 발명에 의한 버퍼상태에 따른 동영상부호화장치를 나타내는 블록도.1 is a block diagram showing a video encoding apparatus according to a buffer state according to the present invention.
제2도는 제1도 장치에서 버퍼 충만도에 따른 영역구분을 나타내는 개념도.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating region classification according to buffer fullness in the apparatus of FIG.
제3(a)-(c)도는 제1도 장치에서 버퍼의 오버플로우를 방지하기 위한 동영상부호화방법을 설명하기 위한 개념도.3 (a) to 3 (c) are conceptual views illustrating a video encoding method for preventing overflow of a buffer in a FIG. 1 device.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
12 : 로우패스필터 13 : 양자화부12 low pass filter 13 quantization unit
19 : 가변장부호화부 20 : 버퍼19: variable length encoding unit 20: buffer
본 발명은 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 버퍼에 오버플로우발생위험이 있을 경우 부호화할 계수의 갯수를 제한하여 데이타발생량을 줄이므로써 버퍼에 오버플로우가 생기는 것을 방지할 수 있도록 한 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a video encoding method and apparatus according to a buffer state. More particularly, when a buffer overflow occurs, an overflow occurs in a buffer by limiting the number of coefficients to be encoded to reduce the amount of data generated. The present invention relates to a video encoding method and an apparatus according to a buffer state.
최근 HDTV, HD VTR, 디지탈 VTR, 디지탈 캠코더, 멀티미디어(Multimedia), 비디오폰, 비디오 컨퍼런스(Conference)등과 같은 시스템에서는 영상신호와 음성신호를 디지탈신호로 부호화하여 전송하거나 매체에 기록하고, 이를 다시 복호화하여 재생하는 방식이 주로 사용되고 있다. 이러한 디지탈 동영상처리시스템에서, 부호화측이 MPEF(Moving Picture Expert Group)에서 권고한 바와 같이 IBBPBBPI…형태인 GOP(Group of Picture) 구조를 갖는다면, 복호화측에서는 이 GOP구조에 의해 랜덤억세스(random access)처리가 가능하다. 좀더 구체적으로 설명하면, MPEGII 동영상압축부호화기에서는 프레임을 인트라(Intra; I), 양방향예측(Bidirection; B), 전방예측(Predictive; P)타입으로 구분하여 부호화하고, 그 순서는 IBBPBB…I의 순이다. 처음 I프레임에서 그 다음 I프레임 바로 전까지의 프레임을 합쳐 GOP라 부르며, 통상 12내지 15프레임으로 구성된다.Recently, in systems such as HDTV, HD VTR, digital VTR, digital camcorder, multimedia, videophone, video conference, etc., video signals and audio signals are encoded into digital signals, transmitted or recorded on media, and decoded again. Playback is mainly used. In such a digital video processing system, the IBBPBBPI... Code as recommended by the moving picture expert group (MPEF). If a GOP (Group of Picture) structure is present, the decoding side can perform random access processing by this GOP structure. More specifically, in the MPEGII video compression encoder, frames are classified into Intra (I), Bidirection (B), and Predictive (P) types, and the order thereof is IBBPBB. I'm in order. The frames from the first I frame to just before the next I frame are called GOPs and are usually composed of 12 to 15 frames.
부호화 및 복호화를 수행하기 위해서는 각 프레임을 16×16픽셀(Pixel)로 구성되는 매크로블럭(Macroblock)으로 나누고, 이 매크로블럭을 다시 8×8픽셀로 구성되는 4개의 블럭으로 나누었다. 부호화장치에서 동벡터(Motion Vector)와 양자화레벨(Quantization Level)은 매크로블럭단위로 결정된다.In order to perform encoding and decoding, each frame is divided into a macroblock of 16 × 16 pixels, and the macroblock is divided into four blocks of 8 × 8 pixels. In the encoding apparatus, a motion vector and a quantization level are determined in macroblock units.
일반적으로, 부호화시스템은 현재 부호화하고자 하는 영상데이타를 부호화하여 전송하거나, 영상데이타의 화면간 상관성이 매우 높은 것을 이용하여 프레임데이타 간의 차신호를 부호화한다. 즉, 이전화면으로부터의 움직임량에 의한 동벡터를 검출하고, 이 검출된 동벡터를 이용하여 얻어진 영상데이타와의 차신호를 이산코사인변환(Discrete Cosine Transform; DCT)한다. 이 변환계수들은 버퍼상태와 입력되는 영상데이타의 영상특성에 따라 결정되는 양자화레벨에 의해 양자화된다. 양자화된 계수는 주어진 스캔-패턴의 스캔순서에 따라 스캔하여 [런,레벨]의 형태로 부호화된다. N×N블럭을 스캔할때 저주파성분부터 시작하여 고주파성분으로 스캔하면서 런(Run) 및 레벨을 한쌍으로 하여 부호화시킨다. 여기서, 런은 N×N불럭의 양자화된 계수들에 있어서 0이 아닌 계수간에 존재하는 0의 갯수이고, 레벨은 0이 아닌 계수의 절대값에 해당된다. 이와 같이 [런,레벨] 형태로 부호화된 데이타는 가변장부호화과정을 거쳐서 최종적인 부호화된 영상데이타를 얻게 된다.In general, the encoding system encodes and transmits image data to be currently encoded, or encodes a difference signal between frame data using a very high correlation between screens of the image data. That is, the motion vector is detected by the amount of motion from the previous screen, and the discrete cosine transform (DCT) of the difference signal with the image data obtained using the detected motion vector is performed. These transform coefficients are quantized by the quantization level determined by the buffer state and the image characteristics of the input image data. The quantized coefficients are scanned according to the scan order of a given scan-pattern and encoded in the form of [run, level]. When scanning an N × N block, start with low frequency components and scan with high frequency components to encode run and level pairs. Here, runs are the number of zeros between nonzero coefficients in N × N block quantized coefficients, and the level corresponds to the absolute value of the nonzero coefficient. As described above, the data encoded in the form of [run, level] is subjected to a variable length encoding process to obtain final encoded image data.
양자화레벨을 결졍하는 비율제어부에서 어느 정도까지는 버퍼의 상태에 따라 양자화레벨을 가변시킴으로써 버퍼의 오버플로우가 발생하는 것을 방지할 수 있으나 갑자기 매우 복잡한 영상을 부호화하거나 영상변화(Scene Change)가 발생할 경우 비트발생량이 급격히 증가하여 버퍼에 오버플로우가 발생한다. 그래서, 종래에는 오버플로우가 생길 위험이 있을 경우에 프레임을 부호화하지 않고 그대로 건너 뒤어 비트발생량이 없도록 한다. 복호화측에서는 건너뛴 프레임에 대해서 이전 프레임으로 대체하여 디스플레이한다.To some extent in the rate control section that determines the quantization level, the overflow of the buffer can be prevented by varying the quantization level according to the state of the buffer. The amount of generation increases rapidly, causing an overflow in the buffer. Therefore, conventionally, when there is a risk of overflow, the frame is skipped without being encoded so that there is no bit generation amount. The decoding side displays the skipped frame by replacing the previous frame.
상기는 비트발생량을 크게 줄여 버퍼의 오버플로우는 방지할 수 있지만 프레임에 대한 정보가 전혀 부호화되어 전송되지 않기 때문에 재생시 화질에 손상을 가져올 뿐 아니라 건너뛴 프레임에 중요한 정보가 있을 경우에는 큰 문제가 된다.This can prevent the overflow of the buffer by greatly reducing the amount of bits generated. However, since the information on the frame is not encoded and transmitted at all, not only does it cause damage to the image quality during playback, but also a significant problem when there is important information in the skipped frame. do.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 버퍼를 3가지 상태영역으로 구분하여, 버퍼가 오버플로우위험영역에 잇을 경우 강제로 부호화할 계수를 제한하므로써 오버플로우를 방지할 뿐 아니라 건너뛰는 프레임없이 프레임에 해당정보를 부호화할 수 있는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to divide the buffer into three state areas so as to solve the above-mentioned problem, and to prevent overflow as well as to prevent overflow by limiting coefficients to be forcibly encoded when the buffer is in the overflow risk area. The present invention provides a method of encoding corresponding information in a frame without a frame.
본 발명의 다른 목적은 전술한 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법을 구현하기 위한 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for implementing a video encoding method according to the buffer state described above.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법은, 버퍼의 충만정도에 따라 버퍼를 언더플로우위험영역, 정상동작영역, 오버플로우위험영역으로 나누는 단계와, 버퍼가 오버플로우위험영역에 있을 경우 필터링대역을 제한하여 소정블럭의 변환계수를 필터링시키는 단계와, 소정블럭의 변환계수 또는 상기 필터링된 변환계수를 양자화하는 단계, 및 버퍼가 오버플로우위험영역에 있을 경우 스캔갯수를 제한하여 상기 양자화된 계수를 사전 설정된 스캔-패턴에서 제한된 갯수만큼 스캔하여 부호화하는 단계를 포함한다.The video encoding method according to the buffer state of the present invention for achieving the above object, the step of dividing the buffer into an underflow risk region, a normal operation region, an overflow risk region according to the fullness of the buffer, the buffer overflow risk Filtering the conversion coefficients of the predetermined block by limiting the filtering band when in the region, quantizing the conversion coefficient of the predetermined block or the filtered conversion coefficient, and limiting the number of scans when the buffer is in the overflow risk region. And scanning the quantized coefficients by a limited number in a preset scan-pattern and encoding the same.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 버퍼상태에 따른 동영상부호화장치는, 전송신호의 비트비를 일정하게 유지하기 위한 버퍼와, 상기 버퍼의 충만정도에 따라 필터링대역을 제한하여 소정블럭의 변환계수를 필터링시키는 로우패스필터와, 소정블럭의 변환계수 또는 필터링된 변환계수를 양자화하는 양자화부, 및 상기 버퍼의 충만정도에 따라 스캔갯수를 제한하여 상기 양자화된 계수를 사전 설정된 스캔-패턴에 따라 제한된 갯수만큼 스캔하여 발생되는 데이타를 부호화하는 가변장부호화부를 포함한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a video encoding apparatus according to a buffer state. A low pass filter for filtering, a quantization unit for quantizing a transform coefficient or a filtered transform coefficient of a predetermined block, and a limited number of scans according to a fullness of the buffer to limit the number of quantized coefficients according to a preset scan-pattern It includes a variable length encoding unit for encoding the data generated by scanning.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명의 버퍼상태에 따른 동영상부호화장치의 일실시예를 나타내는 블록도이다. 제1도에 나타낸 장치는, 입력되는 디지탈영상데이타가 일정 크기의 소블럭(예를 들면, 8×8 또는 16×16)으로 나누어져 들어온다. 그러면, 동추정부(17)는 이러한 입력블럭데이타에 대해 프레임메모리(16)에 저장된 이전 화면의 영상데이타중 현재 입력되는 블럭데이타에 대응되는 부분으로부터의 움직임을 예측하는 동벡터(MV)를 검출하는 동추정(Motion Estimation)을 행한다. 동보상부(18)는 동추정부(17)에서 얻어지는 동벡터(MV)를 이용하여 현재 블럭과 가장 가까운 이전 화면의 블럭을 추출하는 동보상(Motion Compensation)을 행한다. 그러면, 부호화과정은 현재 입력되는 블럭만을 처리하거나(인트라모드), 현재 입력블럭과 동보상된 블력의 차신호를 처리한다(인터모드). 이러한 부호화과정은 N×N변환부(11), 양자화부(13) 및 가변장부호화부(19)에서 이루어지며, 프레임메모리(16)에 이전 프레임의 영상데이타를 저장하기 위해 역양자화부(14) 및 N×N역변환부(15)가 있다.1 is a block diagram showing an embodiment of a video encoding apparatus according to a buffer state of the present invention. In the apparatus shown in FIG. 1, the input digital image data is divided into small blocks (e.g., 8x8 or 16x16) of a predetermined size. Then, the motion estimation unit 17 detects a motion vector MV for predicting a motion from the portion of the image data of the previous screen stored in the frame memory 16 corresponding to the currently input block data with respect to the input block data. Motion Estimation is performed. The motion compensator 18 performs motion compensation by extracting the block of the previous screen closest to the current block by using the motion vector MV obtained from the motion estimation unit 17. The encoding process then processes only the currently input block (intra mode) or processes the difference signal of the compensating block with the current input block (inter mode). This encoding process is performed by the N × N converter 11, the quantizer 13, and the variable length encoder 19, and the inverse quantizer 14 to store the image data of the previous frame in the frame memory 16. ) And an N × N inverse transform unit 15.
또한, 부호화되어 전송되는 신호의 비트레이트를 일정하게 유지하기 위하여 버퍼(20)를 제어한다. 버퍼의 오버플로우(Overflow)나 언더플로우(Underflow)를 방지하기 위하여 버퍼의 데이타 누적상태에 따라 양자화부(13)의 데이타 발생량을 조절하기 위한 양자화레벨을 슬라이스(Slice)단위로 발생한다. 슬라이스단위의 양자화레벨은 비율제어부(21)로 입력된다. 비율제어부(21)는 입력되는 블럭단위의 영상데이타를 공급받아 영상특성을 판단하고, 그 영상특성에 따라 슬라이스단위의 양자화레벨을 가변하여 매크로블럭단위의 양자화레벨로 발생하여 양자화부(13)로 공급한다. 상술의 설명은 일반적인 동영상부호화장치의 동작설명이고, 버퍼(20)의 오버플로우를 방지하기 위한 동작설명은 다음과 같다.In addition, the buffer 20 is controlled to maintain a constant bit rate of a signal that is encoded and transmitted. In order to prevent overflow or underflow of the buffer, a quantization level for controlling the amount of data generated by the quantization unit 13 is generated in units of slices according to the data accumulation state of the buffer. The quantization level in slice units is input to the ratio controller 21. The ratio controller 21 receives the input image data in the unit of block and judges the image characteristic, and varies the quantization level in the slice unit according to the image characteristic to generate the quantization level in the macroblock unit to the quantization unit 13. Supply. The above description is an operation description of a general video encoding apparatus, and an operation description for preventing an overflow of the buffer 20 is as follows.
우선, 버퍼(20)를 데이타 누적상태에 따라 제2도에 보여진 바와 같은, 세가지 영역으로 나눈다. 첫째, 언더플로우위험영역; 둘째, 정상동작영역; 세째, 오버플로우위험영역이다. 영역구분은 버퍼(20)의 크기와 부호화할 영상픽셀의 총수에 따라 적당한 크기로 결정되어 진다. 특히, 버퍼(20)가 오버플로우위험영역에 있을 경우 부호화하는 과정을 프레임타입(frame type)에 따라서 구분지어 설명한다.First, the buffer 20 is divided into three areas as shown in FIG. 2 according to the data accumulation state. First, underflow risk area; Second, normal operating area; Third is the overflow risk area. The region classification is determined to an appropriate size according to the size of the buffer 20 and the total number of image pixels to be encoded. In particular, when the buffer 20 is in the overflow risk area, the encoding process will be described according to the frame type.
프레임타입중 입력화상 자체를 부호화하는 I프레임의 경우, N×N변환부(11)로부터 발생되는 변환계수(제3(a)도에 도시됨)를 로우패스필터(12)로 인가받아 버퍼(20)의 상태에 따라 결정되는 필터링대역을 통과시켜 부호화할 변환계수를 제한한다. 즉, 다음과 같이 나타낼 수 있다.In the case of an I frame that encodes the input image itself among the frame types, a transform coefficient (shown in FIG. The conversion coefficient to be encoded is limited by passing the filtering band determined according to the state of 20). That is, it can be expressed as follows.
Y(U,V) = X(V,U)·H(U,V)Y (U, V) = X (V, U) · H (U, V)
여기서, X(U,V)는 블럭내의 변환계수로서, 변환계수의 에너지는 주로 저주파쪽으로 모이게 된다. H(U,V)는 필터링대역으로 다음과 같다.Here, X (U, V) is a conversion coefficient in the block, and the energy of the conversion coefficient is mainly concentrated toward the low frequency side. H (U, V) is a filtering band as follows.
H(U,V) = 1 VNU, VNV H (U, V) = 1 V N U , V N V
= 0 그 이외의 범위= 0 other range
NU와 NV는 0에서 7사이의 값을 가지며, 버퍼상태에 따라 결정된다. Y(U,V)는 필터링대역을 통과한 출력값이다.N U and N V have a value between 0 and 7, depending on the buffer status. Y (U, V) is the output value passing through the filtering band.
만약, NU와 NV가 모두 0이라는 값을 가질 경우에는 DC성분만 통과되어 부호화하여 전송하게 되며, 이러한 경우는 버퍼상태가 오버플로우위험영역의 50% 이상을 넘어선 경우이다. 이 외에도 주어진 스캔-패턴의 스캔할 양자화된 계수의 갯수를 버퍼상태에 따라 제한한다. 예를 들어, 제3(b)도 및 제3(c)도와 같은 스캔-패턴에서, 버퍼상태에 의해 부호화할 게수의 갯수가 5개로 제한되었다고 가정하자. 그리고, 블럭내의 양자화된 계수를 좌표 Z(U,V)라고 하면, 제3(b)도와 같은 스캔-패턴1에서는 [Z(0,0), Z(1,0), Z(0,1), Z(0,2), Z(1,1)] 등의 좌표위치에 있는 5개의 양자화된 계수를 스캔하여 부호화한다. 제3(c)도와 같은 스캔-패턴2에서는 [Z(0,0), Z(0,1), Z(0,X), Z(0,3), Z(1,0)] 등의 좌표위치에 있는 5개의 양자화된 계수를 스캔하여 부호화한다.If both N U and N V have a value of 0, only the DC component passes and is encoded and transmitted. In this case, the buffer state exceeds 50% of the overflow risk area. In addition, the number of quantized coefficients to scan in a given scan-pattern is limited according to the buffer state. For example, suppose that in the scan-patterns shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c), the number of bits to be encoded is limited to five by the buffer state. If the quantized coefficients in the block are referred to as coordinates Z (U, V), in scan-pattern 1 such as the third (b) diagram, [Z (0,0), Z (1,0), Z (0,1) ), Z (0,2), Z (1,1)], and five quantized coefficients at the coordinate positions are scanned and encoded. In scan-pattern 2 as shown in FIG. 3 (c), [Z (0,0), Z (0,1), Z (0, X), Z (0,3), Z (1,0)], etc. The five quantized coefficients at the coordinate positions are scanned and encoded.
반면, 프레임타입중, B, P프레임인 경우 B, P프레임내 인트라매크로블럭에 대해서는 I프레임과 동일한 방식으로 부호화한다. 인터매크로블럭에 대해서도 거의 동일하지만 변환계수를 로우패스필터(12)를 통해 필터링대역을 제한하는 경우 인터모드에서는 DC성분이 존재하지 않으므로 필터링대역(NU, NV)이 0일 경우 필터링되는 데이타가 없게 된다. 필터링되는 데이타가 없을 경우, 양자화부(13) 및 가변장부호화부(19)는 동작을 하지 않는다. 그러나, 인터모드에서는 동벡터(MV)의 정보만 있어도 복호기측에서 매크로블럭의 데이타를 복원할 수 있으므로, 필터링되는 데이타가 없을 경우 동추정부(17)에 의해 얻어지는 동벡터(MV)만 전송한다.On the other hand, in the case of B and P frames among the frame types, intra macro blocks in B and P frames are encoded in the same manner as I frames. The same is true for the inter macroblock, but the filtering coefficient is limited when the filtering band is limited through the low pass filter 12. Since the DC component does not exist in the inter mode, the data to be filtered when the filtering band N U or N V is 0. There will be no. If there is no data to be filtered, the quantizer 13 and the variable length encoder 19 do not operate. However, in the inter mode, even if only the information of the moving vector (MV) can be restored, the macroblock data can be restored on the decoder side, so that only the moving vector (MV) obtained by the tracking unit 17 is transmitted when there is no data to be filtered.
상술한 바와 같이, 본 발명의 버퍼상태에 따른 동영상부호화방법 및 장치는, 버퍼에 오버플로우가 발생할 위험이 있을 경우 프레임을 부호화하지 않고 건너뛰는 종래에 비해 버퍼를 데이타 누적상태에 따라 세가지영역으로 구분하고, 버퍼가 세영역중 오버플로우위험영역에 있을 경우 프레임타입에 따라 DC값 또는 동벡터를 전송하거나 양자화된 계수의 스캔할 갯수를 제한하여 부호화하므로써 버퍼의 오버플로우를 방지할 뿐 아니라 화질에 큰 손상없이 복원할 수 있는 효과를 갖는다.As described above, the video encoding method and apparatus according to the buffer state of the present invention divides the buffer into three areas according to the data accumulation state, compared to the conventional method of skipping without encoding a frame when there is a risk of overflow in the buffer. If the buffer is in the overflow risk area among the three areas, it is possible not only to prevent the overflow of the buffer but also to improve the image quality by transmitting the DC value or the dynamic vector or limiting the number of quantized coefficients to be scanned according to the frame type. Has the effect of restoring without damage.
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