KR0159374B1 - 서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치 - Google Patents

서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 움직임 보상 영상신호 부호기에 사용되며, 사전설정된 수의 동일한 크기의 서치 그리드들을 사용하여 디지탈 영상신호의 현재 프레임과 이전 프레임을 가지고 예측된 현재 프레임을 결정하는 장치인 것으로, 상기 서치 그리드들의 각각은 상기 현재 프레임 내에 형성되는 한 세트의 서치 블럭들을 가지고, 상기 서치 그리드들의 각각에 대하여 한 세트의 움직임 벡터를 검출하며, 각각의 움직임 벡터는 각각의 상기 서치 블럭들과 상기 이전 프레임에 형성된 다수의 후보 블럭들 간에 오차를 계산하여 최소 오차를 발생하는 하나의 후보 블럭을 선택함으로써 결정되는 서치 그리드 움직임 벡터 검출수단; 상기 서치 그리드들의 각각에 포함되어 있는 모든 서치 블럭에 대하여 상기 최소 오차를 누적하여 상기 서치 그리드들 각각에 대한 누적 최소 오차 신호를 발생하는 수단; 상기 누적 최소 오차 신호를 이용하여 상기 서치 그리드들 비교하여 가장 적은 누적 최소 오차 신호를 발생하는 하나의 서치 그리드를 선택하기 위한 서치 그리드 선택신호를 발생하는 수단과; 상기 서치 그리드 선택 신호에 응답하여, 선택된 서치 그리드에 대응하는 한 세트의 움직임 벡터를 선택하는 수단; 상기 선택된 한 세트의 움직임 벡터를 통해 상기 현재 프레임의 화소중 하나에 대응하는 상기 이전 프레임의 하나의 화소값을 상기 현재 프레임의 상기 하나의 화소값으로 배정함으로써 상기 예측된 현재 프레임을 결정하는 화소값 배정 수단을 구비한 것이다.

Description

서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현재 프레임 예측 블럭을 포함한 영상부호기의 블럭구성도.
제2a도 내지 2c도는 서치 그리드를 규정하기 위한 예시적인 프레임을 도시하는 도면.
제3도는 제1도의 현재 프레임 예측 블럭의 상세한 블럭구성도.
제4도는 제3도에 도시된 움직임 추정 블럭의 상세한 블럭구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 제1프레임 메모리 105 : 영상신호 부호기
107 : 엔트로피 부호기 113 : 영상신호 복호기
124 : 제2프레임 메모리 150 : 현재 프레임 예측 블럭
312 : 제1움직임 추정 블럭 314 : 제2움직임 추정 블럭
316 : N번째 움직임 추정 블럭 318,322,326 : 오차 누적 블럭
320,324,328 : 버퍼 330 : 그리드 선택 블럭
332, 418 : 스위치 324 : 움직임 보상 블럭
402 : 서치 블럭 결정 블럭 406 : 제1후보 블럭 결정 블럭
408 : 제2후보 블럭 결정 블럭 410 : N번째 후보 블럭 결정 블럭
412,414,416 : 오차 평가 블럭 418 : 스위치
420 : 최소 오차 선택 블럭
본 발명은 영상신호를 부호화 하는 장치에 관한 것으로서, 특히 움직임 예측 기법을 이용하여 영상신호를 부호화 하는 장치에 관한 것이다.
이 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 이산화된 화상신호의 전송은 아나로그 신호보다 좋은 화질을 유지할 수 있다. 일련의 이미지 프레임 으로 구성된 이미지 신호가 디지탈 형태로 표현될 때, 특히 고품질 테레비젼의 경우 상당한 양의 데이타가 전송되어야 한다. 그러나, 종래의 전송 채널의 사용가능한 주파수 영역은 제한되어 있으므로, 많은 양의 디지탈 데이타를 전송하기 위해서는 전송하고자 하는 데이타를 압축하여 그 양을 줄일 필요가 있다. 다양한 압축 기법중에서, 확률적 부호화 기법과 시간적, 공간적 압축기법을 결합한 하이브리드 부호화 기법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다.
한편, 대부분의 하이브리드 부호화 기법은 움직임 보상 DPCM(차분 펄스 부호 변조), 2차원 DCT(이산 코사인 변환), DCT 계수의 양자화, VLC(가변장 부호화) 등을 이용한다. 여기에서, 움직임보상 DPCM은 현재 프레임과 이전 프레임간의 물체의 움직임을 결정하고, 물체의 움직임에 따라 현재 프레임을 예측하여 현재 프레임과 예측치간의 차이를 나타내는 차분신호를 만들어내는 방법이다. 이러한 방법은, 예를들어 Staffan Ericsson의 Fixed and Adaptive Predictors for Hybrid Predictive/Transform Coding, IEEE Transactions on Communication, COM-33, NO.12(1985년, 12월), 또는 Ninomiy와 Ohtsuka의 A motion Compensated Interframe Coding Scheme for Television Pictures, IEEE Transactions on Communication, COM-30, NO.1(1982년, 1월)에 기재되어 있다.
또한, 이차원 DCT는 이미지 데이타간의 공간적 리던던시를 이용하거나 제거하는 것으로서, 디지탈 이미지 데이타 블럭, 예를 들면 8×8블럭을 DCT 변환계수로 변환한다. 이 기법은 Chen과 Pratt의 Scene Adaptive Coder, IEEE Transactions on Communication, COM-32, NO.3 (1984년, 3월)에 개시되어 있다. 이러한 DCT 변환계수는 양자화기, 지그재그주사, VLC 등을 통해 처리됨으로써 전송할 데이타의 양을 효과적으로 감축할 수 있다.
보다 상세하게, 움직임보상 DPCM 에서는 현재 프레임과 이전 프레임간에 추정된 물체의 움직임에 따라, 현재 프레임을 이전 프레임으로 부터 예측하는 것이다. 추정된 움직임은 이전 프레임과 현재 프레임간의 변위를 나타내는 2차원 움직임벡터로 나타낼 수 있다.
통상적으로, 물체의 화소 변위를 추정하는 데에는 여러가지 접근방법이 있으며, 이들은 일반적으로 두개의 타입으로 분류되는데 하나는 블럭단위의 움직임 추정방법이고 다른 하나는 화소단위의 움직임 추정방법이다.
한편, 상기한 움직임 추정방법중 화소단위 움직임 추정에서는 변위는 각각의 화소 전부에 대해 구해진다. 이 방법은 화소값을 더 정확히 추정할 수 있고 스케일 변화(예를 들어, 영상 면에 수직한 움직임인 주밍(zooming))도 쉽게 다룰 수 있다. 그러나 화소단위 방법에서는, 움직임 벡터가 모든 화소 각각에 대해 결정되기 때문에 사실상 모든 움직임 벡터를 수신기에 전송하는 것은 불가능하다.
다른한편, 블럭 단위 움직임 추정에서는, 현재 프레임이 다수의 서치 블럭으로 분할된다. 현재 프레임 내의 서치 블럭에 대한 움직임 벡터는 현재 프레임의 각각의 서치 블럭과 이전 프레임의 서치 영역에 포함되어 있는 동일한 크기의 다수의 후보 블럭간에 유사도를 계산함으로써 구할 수 있다. 현재 프레임의 서치 블럭과 서치 영역의 후보 블럭 내의 하나의 후보 블럭간의 유사도 계산은 평균 절대 오차 또는 평균 제곱 오차와 같은 오차 함수를 이용한다. 따라서, 움직임 벡터는 서치 블럭과 그 서치 블럭과 최소 오차를 발생하는 후보 블럭간의 변위로 표현된다.
그러나, 블럭 단위 움직임 추정에서는 블럭 내의 모든 화소가 한방향으로 이동하지 않는 경우에는 추정 값이 올바르지 않아서 그 결과 부호화 효율이 감소한다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 본 발명에 따른 서치 그리드를 이용하는 개선된 움직임 예측 기법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 움직임 보상 영상신호 부호기에 사용되며, 사전 설정된 수의 동일한 크기의 서치 그리드들을 사용하여 디지탈 영상신호의 현재 프레임과 이전 프레임을 가지고 예측된 현재 프레임을 결정하는 장치로서, 상기 서치 그리드들의 각각은 상기 현재 프레임 내에 형성되는 한 세트의 서치 블럭들을 가지는 상기 장치에 있어서, 상기 서치 그리드들의 각각에 대하여 한 세트의 움직임 벡터를 검출하며, 각각의 움직임 벡터는 각각의 상기 서치 블럭들과 상기 이전 프레임에 형성된 다수의 후보 블럭들 간에 오차를 계산하여 최소 오차를 발생하는 하나의 후보 블럭을 선택함으로써 결정되는 서치 그리드 움직임 벡터 검출 수단; 상기 서치 그리드들의 각각에 포함되어 있는 모든 서치 블럭에 대하여 상기 최소 오차를 누적하여 상기 서치 그리드들 각각에 대한 누적 최소 오차 신호를 발생하는 수단; 상기 누적 최소 오차 신호를 이용하여 상기 서치 그리드들을 비교하여 가장 적은 누적 최소 오차 신호를 발생하는 하나의 서치 그리드를 선택하기 위한 서치 그리드 선택 신호를 발생하는 수단; 상기 서치 그리드 선택 신호에 응답하여, 선택된 서치 그리드에 대응하는 한 세트의 움직임 벡터를 선택하는 수단; 및 상기 선택된 한 세트의 움직임 벡터를 통해 상기 현재 프레임의 화소중 하나에 대응하는 상기 이전 프레임의 하나의 화소 값을 상기 현재 프레임의 상기 하나의 화소 값으로 배정함으로써 상기 예측된 현재 프레임을 결정하는 화소값 배정 수단으로 이루어진 서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치를 제공한다.
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현재 프레임 예측 블럭을 가진 영상신호 부호화 장치의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 동도면에 도시된 바와 같이, 현재 프레임 신호가 제1프레임 메모리(100)에 저장된다. 현재 프레임 메모리(100)는 라인 L11을 통해 감산기(102)와 연결되고, 또한 라인 L10을 통해 현재 프레임 예측 블럭(150)에 연결된다.
먼저, 현재 프레임 예측 블럭(150)에서는, 제1프레임 메모리(100)로 부터 검색된 라인 L10상의 현재 프레임과 제2프레임 메모리(124)로 부터 검색된 라인 L12상의 재구성된 이전 프레임 신호를 처리하여 예측된 현재 프레임 신호를 라인 L30 상으로 발생시키고, 하나의 서치 그리드에서 발생하는 움직임 벡터 세트를 라인 L20 상으로 발생시키며, 서치 그리드에 대한 정보를 라인 L21 상으로 발생시킨다. 서치 그리드에 대한 정의와 현재 프레임 예측 블럭의 상세한 것은 제2a도, 제2b도, 제2c도 및 제3도에서 상세히 설명될 것이다.
한편, 감산기(102)에서는 라인 L30 상의 예측된 현재 프레임 신호와 라인 L11로 부터의 현재 프레임 신호의 차이가 계산되고, 그 결과 데이타, 즉, 차분 화소값을 나타내는 오차 신호는 영상신호 부호기(105)로 입력되어, 이산 코사인 변환(DCT)등과 양자화 방법을 이용하여 일련의 양자화된 변환계수로 부호화 된다. 그런다음, 이와같이 양자화된 변환계수는 엔트로피 부호기(107)와 영산신호 복호기(113)로 전송된다.
다른한편, 엔트로피 부호기(107)에서는 영상신호 부호기(105)로 부터의 양자화된 변환계수와 현재 프레임 예측 블럭(150)으로 부터 라인 L20을 통해 입력된 움직임 벡터가, 런렝쓰(run-length) 부호화와 가변길이 부호화의 결합 등의 방법을 통해 부호화 되고 전송된다. 멀티플렉서(109)는 엔트로피 부호기(107)의 출력 신호와 현재 프레임 예측 블럭(150)으로 부터 라인 L21 을 통해 제공되는 서치 그리드에 대한 정보를 다중화한 다음, 이 다중화된 신호를 전송기(도시 안됨)로 제공한다.
한편, 영상신호 복호기(113)는 영상신호 부호기(105)로 부터 입력된 양자화된 변환계수들을 역양자화와 역변환을 통해 복원된 차분 오차 신호로 변환한다. 따라서, 영상신호 복호기(113)로 부터의 복원된 오차 신호와 현재 프레임 예측 블럭(150)으로 부터 라인 L30 을 통해 제공되는 예측된 현재 프레임 신호는 가산기(115)에서 합쳐져서 복원된 현재 프레임 신호가 되어 제2프레임 메모리(124)에 이전 프레임으로 저장된다.
제2a도를 참조하면, 서치 그리드를 정의하기 위한 예시적인 프레임이 도시되어 있다. 서치 그리드는 이동 가능한 동일한 크기의 서치 블럭세트로 규정된다. 서치 그리드의 각각의 셀은 서치 블럭으로 표현된다. 또한, 서치 그리드는 도면에서 빗금친 부분의 마진 내에서는 이동이 가능하기 때문에, 다수의 서치 그리드의 이동 위치가 있을 수 있다. 예를 들면, 제2b도에 도시된 바와 같이, N개의 오프셋에 따라서 N개의 이동위치가 도시되어 있는 데, N개의 오프셋 각각은 프레임의 좌상 귀에 위치한 화소와 서치 그리드의 좌상 귀에 위치한 화소간의 거리이다. 설명의 편의상, 오프셋 #1 은 제1서치 그리드로, 오프셋 #2는 제2서치 그리드 등으로 부른다.
다음에, 서치 그리드를 이용함으로써 나타나는 효과는 제3c도에서 설명된다. 극단적으로, 움직임 물체(빗금친 부분)가 서치 블럭의 크기보다 작고, 서치 그리드의 서치 블럭내의 그 움직임 물체를 충분히 포함할 수 있는 서치 그리드가 선택된다면(예를 들면, 오프셋 #B를 가진 서치 그리드), 그 움직임 물체의 변위는 아주 정확히 표현이 가능해 진다.
제3도를 참조하면, 제1도의 현재 프레임 예측 블럭(150)의 상세한 도면이 제시되어 있다. 라인 L10 상의 현재 프레임 신호와 라인 L12 상의 이전 프레임 신호가 다수의 움직임 추정 블럭(312,314,316)으로 입력된다.
제1움직임 추정 블럭(312)은 제2b도에 도시된 제1서치 그리드에 포함된 서치 블럭들에 대한 제1세트의 움직임 벡터를 결정한다. 현재 프레임에서 형성된 제1서치 그리드 내의 서치 블럭들에 대한 각각의 움직임 벡터는 본 기술 분야에서는 잘 알려진 움직임 정합 알고리즘을 이용함으로써 결정할 수 있다.
여기에서, 하나의 서치 블럭에 대한 움직임 벡터는, 예를 들면, 현재 프레임의 서치 블럭과 이전 프레임에서 서치 블럭 보다 큰 서치 영역에 포함되어 있는 동일한 크기의 다수의 후보 블럭간에 유사도를 계산함으로써 구할 수 있다. 현재 프레임의 서치 블럭과 서치 영역의 후보 블럭내의 하나의 후보 블럭간의 유사도 계산은 평균 절대 오차(MAE) 또는 평균 제곱 오차(MSE)와 같은 오차 함수를 이용한다. 따라서, 움직임 벡터는 현재 프레임의 서치 블럭과 그 서치 블럭과 최소 오차를 발생하는 후보 블럭간의 변위로 표현된다. 마찬가지로, 제2움직임 추정 블럭(314) 및 N번째 움직임 추정 블럭(316)은 제2서치 그리드 및 N번째 서치 그리드에 포함되어 있는 서치 블럭들에 대한 움직임 벡터를 각각 결정한다.
각각의 움직임 추정 블럭들(312,314,316)은 각각의 서치 그리드에 포함되어 있는 모든 서치 블럭들에 대해서 두 가지의 신호를 각각 발생한다. 즉, 하나의 신호는 서치 블럭과 최소 오차를 발생하는 후보 블럭간의 최소 오차이고, 다른 하나의 신호는 서치 블럭과 그 최소 오차를 발생하는 후보 블럭간의 상대적 위치를 나타내는 움직임 벡터이다.
한편, 움직임 추정 블럭들(312,314,316)로 부터의 각각의 오차 신호들은 오차 누적 블럭들(318,322,326)로 각각 제공된다. 그리고 움직임 추정 블럭들(312,314,316)로 부터의 각각의 움직임 벡터는 다수의 버퍼(320,324,328)로 각각 입력된다. 각각의 오차 누적 블럭들(318,322,326)에서는 각각의 서치 그리드의 모든 서치 블럭들에 대한 입력 오차 신호가 누적되며, 그 동안 각각의 서치 그리드의 모든 서치 블럭들에 대한 움직임 벡터가 버퍼(320,324,328)에 저장된다.
또한, 오차 누적 블럭들(318,322,326)로 부터의 각각의 출력 신호는 그리드 선택 블럭(330)으로 제공된다. 그리드 선택블럭(330)에서는 입력되는 누적 오차 중에서 최소 누적 오차 값을 발생하는 서치 그리드에 대한 정보를 제1도에 도시된 라인 L21을 통해 멀티플렉서(109), 스위치(332) 및 움직임 보상 블럭(334)으로 제공한다. 스위치(332)는 선택된 그리드 정보에 응답하여, 선택된 그리드에 대응하는 버퍼에 저장된 움직임 벡터를 제1도에 도시된 라인 L20을 통해 엔트로피 부호기(107) 및 움직임 보상 블럭(334)으로 제공한다.
한편, 움직임 보상 블럭(334)에서는, 선택된 그리드 정보 및 선택된 그리드내의 서치 블럭들에 대한 움직임 벡터를 이용하여, 예측된 현재 프레임 신호에 포함될 각각의 화소값을 제2프레임 메모리(124)(제1도에 도시됨)로 부터 판독한다. 그리고, 서치 그리드의 외곽에 위치하는 화소들의 각각의 값은 크기가 영인 움직임 벡터를 이용하여 제2프레임 메모리로 부터 판독한다. 그런다음, 움직임 보상 블럭(334)의 출력은 예측된 현재 프레임 신호로서 제1도에 도시된 감산기(102)로 제공된다.
제4도를 참조하면, 제3도의 움직임 추정 블럭(312)의 상세한 동작이 설명된다. 제4도에 도시된 바와 같이, 라인 L10 상의 현재 프레임 신호가 서치 블럭 결정 블럭(402)으로 제공되며, 여기에서, 제1서치 그리드내의 하나의 서치 블럭이 결정된다. 서치 블럭 결정 블럭(402)의 출력 신호는 라인 L36을 통해 다수의 오차 평가 블럭(412,414,416)으로 제공된다. 한편, 라인 L12 상의 이전 프레임 신호가 서치 영역 결정 블럭(404)으로 입력되며, 여기서 서치 블럭 결정 블럭(402)에서 결정된 서치 블럭에 대응하는 서치 영역이 선택된다.
그런다음, 서치 영역 결정 블럭(404)의 출력 신호는 다수의 후보 블럭 결정 블럭(406,408,410)으로 제공된다. 후보 블럭 결정 블럭(406)에서는 서치 영역에 포함된 모든 가능한 후보 블럭들 중에서 하나의 후보 블럭이 결정된다. 마찬가지로, 블럭(408) 및 블럭(410)은 제2후보 블럭 및 N번째 후보 블럭을 결정한다. 각각의 후보 블럭 결정 블럭(406,408,410)은 두개의 신호를 발생하는 데, 하나는 결정된 후보 블럭 신호이고, 다른 하나는 주어진 서치 블럭과 결정된 후보 블럭간의 상대적 위치를 나타내는 신호, 즉 움직임 벡터이다. 블럭들(406,408,410)로 부터의 각각의 움직임 벡터는 라인 L40, L42 및 L42를 통해 스위치(418)로 각각 제공된다.
한편, 오차 평가 블럭(412,414,416)에서는, 서치 블럭 결정 블럭(402)에서 결정된 주어진 서치 블럭과 각각의 후보 블럭들이 비교된다. 일반적으로, 유사도를 계산함에 있어서 MAE 또는 MSE가 이용된다. 오차 평가 블럭(412,414,416)으로 부터의 각각의 출력 신호는 최소 오차 선택 블럭(420)으로 제공된다. 최소 오차 선택 블럭(420)은 최소 오차를 선택하여 선택된 최소 오차 및 선택된 최소 오차에 대응하는 움직임 벡터를 나타내는 스위치 제어 신호를 제3도에 도시된 오차 누적 블럭(318) 및 스위치(418)로 각각 제공한다. 여기에서, 스위치(418)는 스위치 제어 신호에 응답하여 라인 L40, L42 및 L42로 제공되는 움직임 벡터들 중 하나의 움직임 벡터를 선택하고 이를 제3도에 도시된 버퍼(320)로 제공한다.
이상 설명한 바와같은 본 발명에 따른 서치 그리드를 이용하는 개선된 움직임 보상 기법을 사용하여, 움직임 물체를 보다 정확히 표현함으로써 영상 신호의 부호화시 특정한 화면의 화질을 개선할 수 있다.

Claims (2)

  1. 움직임 보상 영상신호 부호기에 사용되며, 사전 설정된 수의 동일한 크기의 서치 그리드들을 사용하여 디지탈 영상신호의 현재 프레임과 이전 프레임을 가지고 예측된 현재 프레임을 결정하는 장치로서, 상기 서치 그리드들의 각각은 상기 현재 프레임 내에 형성되는 한 세트의 서치 블럭들을 가지는 상기 장치에 있어서, 상기 서치 그리드들의 각각에 대하여 한 세트의 움직임 벡터를 검출하며, 각각의 움직임 벡터는 각각의 상기 서치 블럭들과 상기 이전 프레임에 형성된 다수의 후보 블럭들 간에 오차를 계산하여 최소 오차를 발생하는 하나의 후보 블럭을 선택함으로써 결정되는 서치 그리드 움직임 벡터 검출 수단; 상기 서치 그리드들의 각각에 포함되어 있는 모든 서치 블럭에 대하여 상기 최소 오차를 누적하여 상기 서치 그리드들 각각에 대한 누적 최소 오차 신호를 발생하는 수단; 상기 누적 최소 오차 신호를 이용하여 상기 서치 그리드들을 비교하여 가장 적은 누적 최소 오차 신호를 발생하는 하나의 서치 그리드를 선택하기 위한 서치 그리드 선택 신호를 발생하는 수단; 상기 서치 그리드 선택 신호에 응답하여, 선택된 서치 그리드에 대응하는 한 세트의 움직임 벡터를 선택하는 수단; 및 상기 선택된 한 세트의 움직임 벡터를 통해 상기 현재 프레임의 화소중 하나에 대응하는 상기 이전 프레임의 하나의 화소값을 상기 현재 프레임의 상기 하나의 화소 값으로 배정함으로써 상기 예측된 현재 프레임을 결정하는 화소값 배정 수단으로 이루어진 서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화소값 배정 수단은, 상기 선택된 서치 그리드 외곽에 위치하는 화소들에 대해서는 벡터의 크기를 영으로 결정하는 수단을 포함하는 서치 그리드를 이용한 영상신호 부호화 장치.
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