KR0170934B1 - 프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치에 관한 것으로서, 1프레임이 다수의 부블록(D1-D16)으로 분할되며, 부블록들의 화소 데이타들을 소정 횟수의 아핀 변화시켜 출력하는 상기 부블록과 동일한 개수의 연산부와; 연산부들로부터 출력되는 아핀 변환된 화소 데이타의 수렴도에 따라 제어 신호를 선택적으로 출력하는 제어부와; 연산부들로부터의 아핀 변환된 화소 데이타들을 각각 입력하며, 제어 신호의 인가시에 입력된 아핀 변환 화소 데이타를 최종적으로 변환된 아핀 변환 화소 데이타로서 출력하는 상기 연산부와 동일 개수의 레지스터부를 구비한다.

Description

프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치
제1도는 종래의 프랙탈 영상 부호화 및 복호화 장치의 동작 상태를 도시적으로 설명기이 위한 흐름도.
제2도는 본 발명에 따른 프랙탈 영상 부호화를 위한 아핀 변환 장치의 동작 상태를 도시적으로 설명하기 위한 블럭도.
제3도는 본 발명에 따른 프랙탈 영상 부호화를 위한 아핀 변환 장치를 구성하는 매트릭스 계산부의 블럭도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
210,220,230 : 연산부 201,221,231 : 선택부
205,225,235 : 매트릭스 승산부 240,250,260 : 레지스터
310,320,330 : 승산부 340,350,360 : 덧셈부
본 발명은 프랙탈(Fractal) 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환(Affine Transformantion) 장치에 관한 것이다.
최근의 정보화 사회의 도래와 함께 디지탈 영상 압축 기술이 영상의 저장과 전송에 관련된 여러 분야에서 연구되고 있다. 영상 압축 기법은 크게 정지 영상과 동 영상으로 구분할 수가 있으며, 정지 영상에서의 영상 압축 기법은 화소간의 공간적인 중복성을 제거하여 압축하는 것으로, 이러한 방법으로는 주파수 영역에서 수행되는 변환 부호화(transform coding)기법과, 벡터 양자화(vector quantization) 기법이 널리 알려져 있다.
통상적으로, 화상 전화기나 디지탈 텔레비젼 등에서 사용되는 동 영상의 경우에는 정지 영상의 기법에 화면간 프레임간 부호화 기법 즉, 연속되는 화면 사이의 시간적(temporal)중복성을 제거하는 기법이 주로 사용된다.
여기에서, 변환 부호화의 경우, 이 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, Karhuunen-Loeve 변환(KLT)이 이론적인 한계로 알려져 있으며, 이는 구현에 어려움이 있어 실제로는 KLT성능에 가장 근접하는 이산 코사인 변환(Discrete Cosine tansform : 이하 DCT라 약칭함)방법이 널리 사용되고 있다.
또한, 벡터 양자화 기법은 화상의 일부분을 미리 정해진 부호책(code book)의 화상과 비교하여 가장 유사한 부호책의 번호를 화상 데이타 대신에 전송하는 기법으로, 이러한 부호화 방법은 압축비를 크게하는 경우 화질의 급격한 열화를 수반하는 단점이 있다.
이와 같은 종래의 방법에 대한 한계를 극복하기 위해 사람의 시각 체계에 충실한 화상 압축 방법이 최근들어 활발하게 연구되고 있으며, 이를 2세대 부호화 기법이라 한다.
이러한 부호화 방법은 사람의 시각 체계가 대비에 민감하고, 특히 에지(edge) 정보에 잘 반응한다는 특성을 이용하여 에지 영역은 충실하게 하고, 그 이외의 영역은 압축을 많이 함으로써 사람의 시각에 잘 반응하면서도 전체적으로 압축율을 높일 수 있는 방식이다.
그러나, 이러한 방법에 의한 복원 영상 화질의 평가는 극히 주관적이고 또한 일반적인 야외 영상이나 복잡한 영상의 경우에는 화질의 열화를 초래하거나 압축율이 급격하게 감소되는 단점이 있다.
또한, 제한된 대역폭을 갖는 통신 채널에 사용하기 위한 매우 높은 압축율을 갖는 영상 부호화 방법으로서, 이러한 종래의 연구 또는 2세대 부호화 기법은 실전에서의 적용에 한계가 있기 때문에 이를 극복하기 위한 시도의 하나로서 프랙탈(Fractal)기법을 이용한 영상 압축에 관한 연구가 최근들어 진행되고 있다.
전형적인 프랙탈 형상은 간단하게 결정된 알고리즘에 의해 표현할 수 있는 적은 정보량을 가질지라도 대단히 복잡한 시각 특성을 갖고 있다. 따라서, 이들은 자신의 일부 또는 그들 자신 각각의 변환된 복사본에 의해 구성된다는 점에서 중복된 형상을 갖는다. 영상 압축의 관점에서 볼 때, 프랙탈 형상에 존재하는 영상의 중복성을 모델링함에 의하여 영상의 중복성을 효율적으로 이용할 수 있다고 가정한다.
이 기술 분야에 잘 알려진 바와같이, 프랙탈 기하학은 1970년대 중반에 Benoit Mandelbrot에 의해 그 이름이 명명된 것으로서, Mandelbrot는 일상의 자연에 있는 해안선, 눈송이, 구름, 낙엽, 산 봉우리 등을 프랙탈에 의해 자연스럽게 표현할 수 있음을 알았다. 그러나, 직선 또는 부드러운 곡선을 사용하는 것으로는 자연에서 발견되는 복잡한 형상을 모델링하거나 이해하는데에 어려움이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위한 시도로서 새로운 수학 분야인 프랙탈 기하학이 생겨났다.
프랙탈은 두 가지 특징을 갖는 기하학적인 형태로 정의할 수 있는데, 첫째는 물체가 자기 유사성을 갖는 것이고, 둘째는 물체가 부분적인 차원(fractional dimension)을 갖는다는 것이다.
여기서, 프랙탈 블럭 부호화 방법의 수학적 기초가 되는 반복 함수계(Iterated Function Systems)에 대해 설명하기로 하자.
먼저, Barnsley는 다양한 자기 유사성을 갖는 프랙탈을 생성하기 위한 간단한 체계를 기술한 Hutchinson의 논문에 근거해 역변환의 문제를 풀기 위한 알고리즘을 제안하였다. 또한, Barnsley는 집합(F, δ,ω1,....,ωn)을 기술하기 위해 반복 함수계라는 용어를 만들어 내었다. 여기에서 F는 척도(metric) δ을 갖는 완전한 척도 공간을 나타내고, ω1,....,ωn은 수축 변환의 집합이다. 척도 공간 F로부터 변환 w : F → F 가 아래의 (1)식을 만족하는 양의 실수 s 1가 존재한다면 수축 가능이라고 판단한다.
여기에서, w는 수축 변환을 의미하고, s 는 수축도를 의미한다.
한편, 블럭 단위로 분할된 영상을 프랙탈 근사화 방법을 이용하여 압축하기 위해서는 (x, y)좌표의 수렴과 더불어 계조도 z값을 고정점으로 수렴시키는 방법을 구현해야 한다. 여기서 적용한 아핀 변환(Affine Transformation)은 블럭을 4개의 균일한 크기를 갖는 타일에 적용하여 사용하였고, 효율적인 압축과 복원을 위해 블럭을 평탄(shade), 텍스쳐(texture) 및 에지(edge)로 구분할 수 있는 분류기를 구현하였다.
일반적으로, 블럭의 크기가 작을수록 최대 신호대 잡음비(peak signal to noise ratio :이하 PSNR 이라 약칭함)가 높아지고 블럭의 크기가 클수록 압축비가 높아지므로, 이러한 특성을 고려하여 최적으로 영상을 부호화해야 한다.
제1도의 (a)도는 상기한 바와 같이 구현한 전형적인 프랙탈 부호화 과정을 도식적으로 설명하기 위한 흐름도인데, 입력 영상을 16×16 블럭으로 초기화하는 단계(101)와, 분류기를 통하여 평탄 블럭, 텍스쳐 및 에지로 구분하는 단계(102)와, 평탄 블럭인 경우, 블럭에 대한 평균 계조도를 계산하여 전송하는 단계(103)와, 텍스쳐인 경우, 아핀(Affine)변환을 적용하여 프랙탈 계수 a1 (k), a2 (k), a3 (k), b(k)를 계산하는 단계(104)와, 단계(104)에서 계산된 각 계수에 대해 양자화를 통해 4:1 압축을 실시하여 전송하는 단계(105)와, 그리고 에지인 경우, 8×8 블럭으로 분할하여 단계(102) 내지 단계(104)를 4×4 블럭이 될 때까지 반복 수행하는 단계(106)로 구성된다.
지연영상에 나타나는 평탄한 배경에 대해서 압축율을 높이기 위해 16×16 크기의 블럭으로 초기화를 실시한다. 텍스쳐인 경우는 실제로 아핀 계수를 구한다. 에지인 경우, 높은 품질의 화질을 얻기 위해 다시 부블럭으로 나누어 최종적으로 4×4 블럭이 될 때까지 반복한다.
상술한 바와같은 과정을 수행하여 생성된 각 계수에 대해 압축을 하기 위해 Monro는 프랙탈 계수값들이 복원 될 수 있는 적절한 함수값들의 집합을 계산하여 간단히 하였다. 즉, 먼저 항상 블럭의 귀퉁이가 되는 wk의 고정점이 되는 ak를 선택하여 4개의 f(ak)를 계산하여 저장한다. 16개의 프랙탈 계수들이 16개의 함수값으로 대치될 수 있도록 vk(ai,f(ai))(여기서, i=k)의 값들을 저장한다. 복원시 프랙탈 계수들을 4개의 선형 방정식의 4개의 집합을 풀어서 함수값을 구함으로서 계수들을 복원하게 된다. 그러나, 실험 결과 정확한 원래의 값을 계산하기 불가능하기 때문에 각 계수에 대해 양자화를 실시하여 1바이트의 크기로 압축한다.
각 계수에 대해 1바이트로 압축한 후 부호화(coding)된 영상정보를 전송할 때 블럭의 크기로 형태를 구분하기 위해 각 블럭에 대해 1 내지 2 비트의 정보가 소요된다.
제1도(a)는 제1(b)도에 도시된 단계(101 내지 106)를 통해 부호화된 정보를 전송받아, 복호화하는 과정을 도식적으로 설명하기 위한 흐름도로서, 전송된 정보로부터 평탄, 텍스쳐 및 에지를 구분하는 단계(151)와, 평탄 블럭인 경우, 전송되어온 평균 계조도 값을 해당 블럭 크기로 채우는 단계(152)와, 텍스쳐인 겨우, 양자화된 계수값들을 복원하고, 블럭 크기에 따라 υk값을 계산하여 블럭을 복원하는 단계(153)와, 에지인 경우, 양자화된 계수값들을 복원하고 quadtree에 따라 나뉘어지는 부블럭에 대해서는 단계(151) 내지 단계(153)를 반복 수행하는 단계(154)와, 복원된 영상에 대해 수렴할 때 까지 반복하여 단계(151) 내지 단계(154)를 반복 수행하는 단계(155)로 구성된다.
8×8 크기의 블럭에서는 4 내지 5의 반복 수행으로 수렴하게 된다. 프랙탈 기법을 이용하여 영상에 대한 고유의 수렴 계수를 구하게 되면, 영상 복원의 특성은 초기 영상 f0즉, 초기의 영상에 상관없이 반복수행이 진행됨에 따라 아핀 계수에 의해 구해진 고유의 영상으로 수렴한다는 특성을 지니고 있다.
그런데, 상술한 바와 같은 프랙탈 영상 부호화 과정에 대한 알고리즘 및 방법은 이미 널리 알려진 바이지만, 프랙탈 영상 부호화를 수행하기 위한 장치, 특히 아핀 변환 장치는 구체적으로 제시된바 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 프래탈 영상 부호화시에 고속으로 아핀 변환을 행할 수 있는 아핀 변환 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 1프레임이 다수의 부블럭으로 분할이 가능한 프레임의 프랙탈(Fractal) 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치에 있어서, 부블록들과 대응되며, 부블록들의 화소 데이타들을 소정 횟수의 아핀 변환시켜 출력하는 부블록과 동일한 개수의 연산부와; 연산부들로부터 출력되는 아핀 변환된 화소 데이타의 수렴도에 따라 제어 신호를 선택적으로 출력하는 제어부와; 연산부들로부터의 아핀 변환된 화소 데이타들을 각각 입력하며, 제어 신호의 인가시에 입력된 아핀 변환 화소 데이타를 최종적으로 변환된 아핀 변환 화소 데이타로서 출력하는 연산부와 동일 개수의 레지스터부를 구비한다.
본 발명의 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
프랙탈 영상 부호화에 있어서, 화소 데이타(D)의 아핀 변환은 식(2)에 의하여 수행된다.
여기에서, W 는 식(2)에 의해 연산되어 출력되는 화소 데이타(즉, 아핀 변환된 화소 데이타), A는 화소 데이타의 선형 확대 및 축소, 형태 변환(DEFORMATION)등을 구현하기 위한 제1 변환 계수, D는 입력되는 화소 데이타, 그리고 B는 화소 데이타(D)의 선형 이동 등을 구현하기 위한 제2 변환 계수를 나타낸다.
여기서, 화소 데이타(D)는 N×1의 매트릭스 형태로 입력되는데, 본 실시예에서는 식(3)에서와 같이 3×1의 매트릭스의 형태를 갖는 것으로 하였다. 여기서, x 및 y는 입력 화소 데이타(D)의 프레임내 좌표 위치를 나타내는 값이며, v는 화소 데이타의 값을 의미한다. 한편, 제1변환 계수(A)는 N×N개의 매트릭스 형태를 갖게 되며, 제2변환 계수(B)는 N×1의 형태를 가지나, 본 실시예에서는 화소 데이타(D)와 동일하게 N은 3으로 설정하였다. 따라서, 상기 식(2)는 식(3)과같이 표현된다.
상기 식(2), (3)은 크게 2단계로 수행됨을 알 수 있다. 즉, 제1영상 데이타(D)와 제1변환 계수(A)를 승산하는 제1단계와, 제1단계에서 얻어진 값과 제2변환 계수(B)를 가산하는 제2단계이다.
제2도는 상술한 제1 및 제2단계를 행하는 본 발명의 개략 블록도이다.
본 발명에서는 영상 데이타를 N×N 블록으로 분할하여 병렬처리하게 되며, 본 실시예에서는 프레임의 영상 데이타를 4×4 블록 단위로 분할하여 처리하는 장치를 개시하였다. 즉, 프레임 단위로 입력되는 초기 3차원 영상 데이타를 4×4 즉 16개의 부블록(D1-D16)으로 분할하고, 이들 부블록(D1-D16)들에 대하여 각각 AT 연산을 행하는 것이다.
이러한 부블록(D1-D16)의 화소 데이타드른 도시된 바와 같이 16개의 연산부(210, 220, 230)으로 각각 인가되며, 16개의 연산부(210, 220, 230)내에는 선택부(201, 221, 231) 및 매트릭스 승산부(205, 225, 235)가 구성되어 있다.
여기서, 16개의 선택부(201, 221, 231) 각각에는 부블록(D1-D16)의 화소 데이타들 및 매트릭스 승산부(205-235)의 화소 데이타들이 각각 인가되고, 선택부(201, 221, 231)들은 화소 데이타의 입력을 알리는 선택 신호(S)에 따라 부블록(D1-D16)들의 화소 데이타 또는 매트릭스 승산부(205, 225, 235)의 화소 데이타들을 선택하여 입력한다. 즉, 선택부(201, 221, 231)들은 선택 신호(S)가 인가될 때에 부블록(D1-D16)의 화소 데이타들을 입력하고, 선택 신호(S)가 인가되지 않으면 연산부(210, 220, 230)의 출력을 입력하는 것이다.
선택부(201-231)는 입력된 화소 데이타들을 16개의 매트릭스 승산부(205, 225, 235)에 인가하며, 매트릭스 승산부(205, 225, 235)는 입력 화소 데이타와 변환 계수(A,B)를 이용하여 식(3) 즉, AT 연산을 행하고, 그 결과로 얻어진 아핀 변환 화소 데이타(W)를 출력한다.
연산부(210, 220, 230) 각각에는 16개의 레지스터부(240, 250, 260)이 연결되어 있으며, 레지스터부(240, 250, 260)는 연산부(210, 220, 230)으로부터 각각 인가되는 아핀 변환 화소 데이타들은 저장하며, 제어부(270)로부터의 제어 신호(C)에 따라 저장된 아핀 변환 화소 데이타(W)들을 출력하게 구성되어 있다.
연산부(210, 220, 230)으로부터의 아핀 변환 화소 데이타들은 제어부(270)에도 인가되며, 제어부(270)는 상술한 바와 같이 아핀 변환 화소 데이타(W)의 수렴도에 따라 제어 신호(C)를 선택적으로 출력하게 구성되어 있다.
제3도에는 상술한 매트릭스 승산부(205, 225, 235)들중 매트릭스 승산부(205)의 블럭도가 도시되어 있다. 여기서, 나머지 15개의 매트릭스 승산부(225, 235)들은 매트릭스 승산부(205)와 동일한 구성을 가지며 단지 입력 데이타만이 상이함은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
도시된 바와 같이 매트릭스 승산부(205)에는 부블록(D1)의 화소 데이타(a0-a8) 또는 매트릭스 승산부(205)의 아핀 변환 화소 데이타(w0-w2)들 및 제1변환 계수(x, y, v) 그리고 제1변환 계수(b0-b2)들이 인가된다.
이때, 매트릭스 승산부(205)에는 승산부(310, 320, 330)들이 구성되어 있으며 ,승산부(310)는 제1변환 계수(A)의 제1행(a1,a2, a3)의 영상 데이타(x, y, v)와 승산 (a0×x,a1×y, a2×v)하며, 승산부(320)에서는 제1변환 계수(A)의 제2행(a3, a4, a5)의 영상 데이타(x, y, v)와 승산(a3×x, a4×y, a5×v)하고, 제3승산부(420)에서 제1변환 계수(A)의 제3행(a6, a7, a8)의 영상 데이타(X, Y, V)와 승산(a6×x,a7×y,a8×v)한다.
그 다음, 승산부(310, 320, 330)에서 승산 결과로 얻어진 데이타는 가산기(340, 350, 360)에서 2변환 계수(b0, b1, b2)와 각각 가산되고, 이 결과값 즉, 아핀 변환 화소 데이타(w0, w1, w2)가 레지스터부(240)에 저장된다. 즉, 연산부(210)는 부블록(D1)의 화소 데이타들에 대하여 식(3)의 AT연산식을 행하고, 이 결과값을 레지스터부(240)에 저장되는 것이다. 연산부(210)와 동일하게 나머지 15개의 연산부(220, 230) 역시 선택부(221, 231)로부터 출력되는 부블록(D2-D16)의 화소 데이타에 대하여 AT 연산을 행한 후에 그 연산 결과를 15개의 레지스터부(250, 260) 및 제어부(270)에 각각 인가한다.
상술한 설명에서 본 발명의 장치가 초기 구동하면서 선택 신호(S)에 의하여 부블럭(D1-D16)들의 화소 데이타들이 선택부(201, 221, 231)에 선택, 입력되고, 선택된 부블록(D1-D16)의 영상 데이타들은 연산부(210, 220, 230)를 통하여 AT 연산된다. 그러나, 이와 같이 한번의 AT 연산에 의하여는 원하는 아핀 변환이 정확히 이루어지지 않는다. 즉, 제어부(270)는 연산부(400, 700, 800)의 아핀 변환 화소 데이타(w0, w1, w2)들의 수렴도를 판정하고, 수렴도에 일치하는 경우에 한하여 상기 제어 신호(C)를 출력한다. 즉, 수렴도가 일치할 때에 레지스터부(240, 250, 260)으로 하여금 기저장된 아핀 변환 데이타들(w0, w1, w2)을 출력하게 하는 것이다. 따라서 부블록(D1-D16)내의 화소 데이타들은 수렴도에 일치할 때까지 입력 화소 데이타에 대하여 아핀 연산을 반복적으로 행하는 것이다.
한편, 제어 신호(C)에 의하여 레지스터부(240, 250, 260)는 저장된 아핀 변환 화소 데이타들을 출력한다. 즉, 레지스터부(240, 250, 260)는 수렴도를 만족하는 아핀 변환 화소 데이타(w0, w1, w2)만을 출력하며, 이 출력 데이타는 본 발명에서 궁극적으로 얻고자 하는 아핀 변환 데이타이다.
상술한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명에 따른 프랙탈 영상 부호화를 위한 아핀 변환 장치는 정확하고도 보다 빠르게 입력된 영상 데이타의 아핀 변환을 수행할 수 있다는 커다란 이점이 있다.

Claims (2)

1프레임이 다수의 부블록으로 분할이 가능한 프레임의 프랙탈(Fratal) 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치에 있어서, 상기 부블록들과 대응되며, 상기 부블록들의 화소 데이타들의 소정 횟수의 아핀 변환시켜 출력하는 부블록과 동일한 개수의 연산부와; 상기 연산부들로부터 출력되는 아핀 변환된 화소 데이타의 수렴도에 따라 제어 신호를 선택적으로 출력하는 제어부와; 상기 연산부들로부터의 아핀 변환된 화소 데이타들을 각각 입력하며, 상기 제어 신호의 인가시에 입력된 아핀 변환 화소 데이타를 최종적으로 변환된 아핀 변환 화소 데이타로서 출력하는 상기 연산부와 동일한 개수의 레지스터부를 구비하는 프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치.
제1항에 있어서, 상기 연산부는, 입력되는 화소 데이타들에 대하여 아핀 변환을 행하는 매트릭스 승산부와; 상기 부블록의 화소 데이타의 입력을 알리는 선택 신호의 인가시에 상기 부블록의 화소 데이타를 입력하여 상기 매트릭스 승산부에 인가하며, 상기 선택 신호가 인가되지 않으면 상기 매트릭스 승산부로부터의 출력 데이타를 상기 매트릭스 승산부에 재인가하는 선택부를 구비하는 프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치.
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KR1019940038644A KR0170934B1 (ko) 1994-12-29 1994-12-29 프랙탈 영상 부호화를 위한 고속 아핀 변환 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100924250B1 (ko) * 2001-06-21 2009-10-30 가부시키가이샤 에이치아이 정보처리장치

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