KR0171122B1 - 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치 - Google Patents

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KR0171122B1 KR1019950010591A KR19950010591A KR0171122B1 KR 0171122 B1 KR0171122 B1 KR 0171122B1 KR 1019950010591 A KR1019950010591 A KR 1019950010591A KR 19950010591 A KR19950010591 A KR 19950010591A KR 0171122 B1 KR0171122 B1 KR 0171122B1
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Abstract

본 발명은 초저속 전송에 알맞도록 움직임 보상오차를 이용한 선택적으로 부호화하는 장치에 관한 것으로, 이를 해결하기 위해 입력되는 영상 프레임 신호를 블록단위 움직임 보상-DCT 방식과 특징점단위 움직임 보상-DCT 방식을 적응적으로 선택하는 멀티플렉서와, 어느 한 움직임 보상-DCT 방식에 의한 부호화가 선택되면, 상기 입력되는 영상 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리와, 영상 프레임과, 제1프레임 메모리에 저장되었던 원래 이전 프레임과 이 다음번째 프레임 및 제2프레임 메모리에서 복원된 이전 프레임과 이복원된 다음번째 프레임을 이용하여 움직임이 큰 특징점에 대한 움직임을 보상할 수 있는 1,2세트의 프레임중 어느 한 프레임을 선택하는 특징점 움직임 예측부와, 특징점 움직임 예측부(220)에서 예측된 프레임을 현재 입력되는 프레임으로부터 감산하고, 이 감산된 데이터를 DCT와 양자화하여 얻어진 정보를 제공하는 제2부호화부를 포함하도록 구성된다.

Description

움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치
제1도는 종래의 영상신호를 압축하는 부호화 장치도.
제2도는 본 발명에 대한 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화 장치도.
제3도는 제2도의 두 종류의 움직임 보상 방법을 도시한 도면.
제4도는 특징점이 아닌 점에 대한 움직임 변위를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101,201 : 감산기 102,202 : DCT
103,203 : 양자화기 104,204 : 역양자화기
105,205 : 역 DCT 206 : 제2프레임 메모리
107,207 : 움직임 추정부 108,208 : 가산기
109,209 : 엔트로피 부호기 200 : 멀티플렉서
210 : 제1프레임 메모리 220 : 특징점 움직임 예측부
230 : 제2부호화부
본 발명은 초저속 전송에 알맞는 고압축 영상 부호화 시스템에 관한 것으로, 특히 화소(특징점)단위별 움직임 예측을 통해 보다 압축된 데이터를 전송될 수 있도록 개선된 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치에 관한 것이다.
일련의 이미지 프레임으로 구성된 이미지 신호가 디지털 형태로 표현될 때, 특히 고품질 텔레비젼의 경우 방대한 양의 데이터가 전송되어야 한다. 그러나 종래의 전송 채널의 사용가능한 주파수 영역은 제한되어 있으므로, 많은 양의 디지털 데이터를 전송하기 위해서는 전송되는 데이터를 압축하여 그 양을 줄일 필요가 있다.
이에, 방대한 데이터를 압축하기 위한 방법으로, 다양한 압축 기법이 있는 바, 특히 확률적 부호화 기법과 시간적, 공간적 압축기법을 결합한 하이브리드 부호화 기법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다.
대부분의 하이브리드 부호화 기법은 움직임 보상 DCPM(차분 펄스 부호 변조), 2차원 DCT(이산 코사인 변환), DCT계수의 양자화, VLC(가변장부호화)등을 이용한다.
움직임보상 DPCM은 현재 프레임과 이전 프레임간의 물체의 움직임을 결정하고, 물체의 움직임에 따라 현재 프레임을 예측하여 현재 프레임과 예측치간의 차이를 나타내는 차분신호를 만들어내는 방법이다.
2차원 DCT는 이미지 데이터간의 공간적 중복성을 이용하거나 제거하는 것으로서, 양자화기, 지그재그스캐닝, 가변길이 부호기(VLC)등을 이용하여 처리됨으로써 전송할 데이터의 양을 효과적으로 감축할 수 있다.
상술하면, 움직임보상 DPCM 에서는 현재 프레임과 이전 프레임간에 추정된 물체의 움직임에 따라, 현재 프레임을 이전 프레임으로부터 예측한다. 추정된 움직임은 이전 프레임과 현재 프레임간의 변위를 나타내는 2차원 움직임 벡터로 나타낼 수 있다.
상기 물체의 변위를 추정하는 데에는 여러 가지 접근방법이 있는바, 하나는 블록단위 움직임 추정방법이고, 또다른 하나는 화소단위 움직임 추정방법이다.
블록단위 움직임 추정방법에서는, 현재프레임의 블록을 이전프레임의 블록들과 비교하여 최적정합블럭을 결정한다. 이로부터, 전송되는 현재 프레임에 대해 블록 전체에 대한 프레임간 변위 벡터 즉, 프레임간에 블록이 이동한 정도를 추정하게 된다.
그러나, 블록단위 움직임 추정에서는 움직임 보상 과정에서 블록경계에 블록킹효과가 발생될 수있고, 블록내의 모든화소가 동일방향으로 이동되지 않는 경우에는 움직임에 대한 추정값이 올바르지 않아서 정확한 부호화를 수행할 수 없다.
그리고, 화소단위 방법을 이용하면 변위는 각각의 화소 전부에 대해 구해지는 바, 이 방법은 화소값을 더 정확히 추정할 수 있고 스케일 변화도 용이하게 다룰수 있다. 그러나, 화소단위 방법에서는 물체 움직임에 대한 움직임 벡터가 모든 화소 각각에 대해 결정되기 때문에 사실상 모든 움직임 벡터를 수신기로 전송하기란 불가능하다.
그래서 물체의 움직임을 대표할 수 있는 특징점에 대한 움직임 벡터들만 수신측에 전송하게 된다. 이에, 수신기에서는 특징점이 아닌 비특징점에 대한 움직임 벡터는 특징점에 대한 움직임 벡터로부터 복원될 수 있는 것이다.
예컨데, 특징점을 이용하여 움직임을 추정하는 부호기에서는 이전프레임에 포함된 모든 화소로부터 특징점을 선택하고, 이 선택된 특징점에 대한 움직임벡터가 결정되는데 이때 각 움직임벡터는 이전 프레임의 하나의 특징점과 현재 프레임의 해당 정합점간의 변위를 나타낸다. 즉, 각각의 특징점에 대한 정합점은 현재 프레임의 탐색영역에서 찾는데 이때 탐색영역은 해당 탐색점의 위치를 포함하는 기설정된 넓이의 정의된다.
그리고 쉽게 구현할 수 있는 또하나의 압축기법으로 프레임 데시메이션(decimation) 방법이 있는데, 이 방법은 비디오 영상의 선택된 프레임만 부호화하여 전송하고, 그 사이에 남는 프레임들은 스킵함으로써 데이터의 양을 줄인다.
제1도는 전형적으로 영상신호를 부호화 장치로서, 제1도에서, 현재 프레임과 예측된 현재 프레임간의 차분신호를 구하는 감산기(101), 감산기(101)에서 제공되는 프레임간의 차분화소값에 대한 시간영역의 영상 신호를 코사인 함수를 이용하여 주파수 영역의 변환계수로 처리하는 DCT(102), DCT(102)로부터의 DCT변환계수를 양자화하는 양자화기(103), 양자화기(!03)에 의해 양자화된 양자화 계수를 원래의 변환계수를 역이산 여현변환하는 역 DCT(105), 이전프레임을 저장하는 프레임 메모리(106), 현재 프레임과 프레임 메모리(106)에 저장되어 있던 이전 프레임간의 움직임을 예측하는 움직임 추정부(107), 움직임 추정부(107)의 움직임 벡터와 역DCT된 데이터를 합하는 가산기(108), 양자화기(103)에서 양자화된 변환계수들을 부호화하는 엔트로피 부호화기(109)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 영상 신호를 압축하는 부호화 장치에서는, 블록단위(Block based)로 물체의 움직임을 부호화하기 때문에 일정속도 이상의 비트율에서의 부호화는 적당하지만, 물체의 움직임 변위가 큰 화소점에 대해서는 전송 속도의 한계성 때문에 효과적인 압축이 되질 않아 복호화시, 화질이 현저하게 떨어진다.
따라서, 본 발명은 상기의 단점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 화소간의 정합점들에 대한 움직임 예측을 이용하여 동영상을 부호화하는 움직임 예측을 이용한 동영상 부호화 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 현프레임과 움직임이 예측된 현프레임간의 차분을 구하는 감산기, 이 감산기의 차분신호에 대한 변환계수를 구하는 DCT, 이 DCT 계수를 양자화하는 양자화기, 역양자화하는 역양자화기, 가산기, 이전프레임을 저장하는 제2프레임 메모리, 움직임 추정부 및 엔트로티피 부호기를 구비한 부호화 장치에 있어서 :
입력되는 영상 프레임 신호를 블록단위 움직임 보상-DCT 방식과 특징점단위 움직임 보상-DCT 방식을 적응적으로 선택하는 멀티플렉서와; 상기 멀티플렉서에 의해 어느 한 움직임 보상-DCT 방식에 의한 부호화가 선택되면, 상기 입력되는 영상 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리와; 복원된 이전 프레임(#1)과 현프레임 및 제1프레임 메모리에 저장되었던 원래 이전 프레임을 이용하여 특징점의 움직임을 예측하는 포워드점단위 움직임 보상-DCT의 부호화와, 복원된 다음번째 프레임(#3)과 현프레임 및 제1프레임 메모리에 저장되었던 원래 다음번째 프레임을 이용하여 특징점의 움직임을 예측하는 백워드점단위 움직임 보상-DCT의 부호화를 포함하며, 상기 두 방식에 의한 부호화된 프레임중 신호대 잡음비가 우선되는 프레임을 제공하는 특징점 움직임 예측부와; 상기 특징점 움직임 예측부에서 예측된 프레임을 현재 입력되는 프레임으로부터 감산하고, 이 감산된 데이터를 DCT와 양자화하여 얻어진 정보를 제공하는 제2부호화부를 포함함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 대한 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치이고, 제3도는 제2도의 두 종류의 움직임 보상 방법을 도시한 도면이다.
제2도에서, 입력되는 영상 프레임 신호를 블록단위 움직임 보상-DCT 방식과 특징점단위 움직임 보상-DCT 방식을 적응적으로 선택하는 멀티플렉서(200)와, 멀티플렉서(200)에 의해 어느 한 움직임 보상-DCT 방식에 의한 부호화가 선택되면, 입력되는 영상 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리(210)와, 제2프레임 메모리(206)에서 복원된 이전 프레임(#1)과 멀티플렉서(200)로부터 제공되는 현재 프레임 및 제1프레임 메모리(210)에 저장되었던 원래 이전 프레임을 이용하여 1세트에 대한 특징점의 움직임을 예측하는 포워드점 단위 움직임 보상-DCT의 부호화와, 제2프레임 메모리(206)에서 복원된 이전 프레임(#1)과 멀티플렉서(200)로부터 제공되는 현재 프레임 및 제1프레임 메모리(210)에 저장되었던 원래 다음번째 프레임(#3)을 이용하여 2세트에 대한 특징점의 움직임을 예측하는 백워드점 단위 움직임 보상-DCT의 부호화를 포함하며, 상기 두 방식에 의한 부호화된 프레임중 신호대 잡음비가 우선되는 프레임을 제공하는 특징점 움직임 예측부(220)와, 특징점 움직임 예측부(220)에서 제공되는 프레임을 현재 입력되는 프레임으로부터 감산기(231)에 의해 감산하고, 이 감산된 데이터를 DCT(232)와 양자화기(233)에 의해 얻어진 움직임 정보를 제공하는 제2부호화부(230)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 상세히 설명한다.
우선, 멀티플렉서(200)에서는 입력되는 현재 프레임 데이터를 어느 방법으로 부호화할 것인지를 선택하게 된다. 예컨데, 블록단위 MC-DCT로 선택된 경우, 프레임 데이터는 라인(61)을 통해 움직임 예측부(207)로 입력됨과 동시에 제2프레임 메모리(206)의 이전 프레임을 근거로 움직임이 예측된 이 예측된 현재 프레임 데이터는 라인(62)을 통해 감산기(201)로 제공된다. 감산기(201)에서는 멀티플렉서(200)를 통해 입력되는 현재 프레임 데이터로부터 상기 라인(62)를 통해 입력되는 예측된 현재 프레임 데이터를 감산하게 된다.
이렇게 감산된 데이터 즉, 차분화소값을 나타내는 에러신호는 DCT(202)와 양자화기(203)를 거쳐 DCT 계수 및 이 계수의 양자화를 거쳐 엔트로피 부호기(209)로 전달된다.
또한, 양자화를 거친 데이터는 역양자화기(204)와 역DCT(205)를 거쳐 다음의 움직임 추정을 위해 제2프레임 메모리(206)에 이전 프레임으로 저장된다. 한편, 현프레임 데이터는 다음 프레임 데이터의 특징점단위 움직임 보상- DCT에 의해 제1프레임 메모리(210)로 저장된다.
이어서 제2프레임 메모리(206)에서 복원된 영상 프레임은 다음 프레임의 특징점단위 움직임 보상-DCT와 그 다음 프레임의 블록단위 움직임 보상-DCT에 사용된다. 예컨데, 특징점 움직임 예측부(220)의 동작을 설명하면, 다음과 같다.
특징점단위 움직임 보상-DCT는 제3도에 도시된 바와 같이 두가지 모드가 있다. 즉, 포워드점 단위 움직임 보상-DCT와 백워드점 단위 움직임 보상-DCT이 존재하는데, 포워점 단위 움직임 보상-DCT인 경우에는 기존의 블록단위 MC-DCT에 의해서 복원된 제2프레임 메모리(206)의 이전 프레임 데이터(#1 의 복원된 프레임)와 멀티플렉서(200)에서 제공되는 현재 프레임과 제1프레임 메모리(210)에 저장되어있던 원래 이전 프레임 데이터로 1셋트의 특징점에 대한 움직임 변위를 예측하게 된다.
또한, 백워드점 단위 움직임 보상-DCT인 경우에는 기존의 블록단위의 MC-DCT에 의해서 복원된 제 2프레임 메모리(206)의 이전프레임의 다음번째(next) 프레임 데이터와 멀티플렉서(200)에서 제공되는 현재 프레임과 제1프레임 메모리(210)에 저장되었던 원래 다음번째 프레임 데이터를 이용하여 특징점에 대한 2셋트의 움직임을 예측하게 된다.
상술된 1,2세트에 해당되는 프레임은 다음과 같이 구현된다. 즉, 1세트의 프레임 구현을 보면, 특징점 움직임 예측부(220)에서는 제2프레임 메모리(206)에 저장되어 있던 복원된 이전 프레임 데이터로부터 움직임을 대표할 수 있는 특징점들을 선택하게 된다. 이렇게 선택된 특징점들과 멀티플렉서(200)로부터 제공되는 현재 프레임과 제1프레임 메모리(210)의 프레임에 의해 상기 모든 특징점에 대한 움직임 벡터들을 찾게 된다. 그리고 이 특징점에 대한 움직임 벡터외에 비특징점에 대한 움직임 벡터들을 구하게 된다.
제4도에 도시된 바와 같이 특징점이 아닌 움직임 벡터는 그 점을 중심으로 일정한 반경안에 있는 특징점의 움직임 벡터로부터 거리에 반비례하는 인터폴레이션(interpolation)을 통해 특징점이 아닌 점에 대한 움직임 벡터들을 구하게 된다.
상기 구하는 방법은 기존에도 출원되 있는데, 즉, 다수의 특징점이 현재 프레임전체에 불규칙적으로 분포해 있는데, 별로 표시된 비유사특징점에 대한 움직임벡터는 반지름 dr+da의 원의 경계에 포함되는 특징점들의 움직임벡터를 평균함으로써 구하게 된다.
이때, dr는 가장 가까운 특징점과 별표시를 한 화소위치와의 거리이고, da은 움직임벡터 계산에 이용되는 다른 특징점을 포함하도록 확장된 기설정된 반지름이다. 예를 들어, 가장 가까운 특징점이 Y이고, 특징점 X가 dr+da의 경계에 포함된다면, 별표한 화소에 대한 움직임벡터 (MVxMVy)는 다음과 같이 계산된다.
여기에서,와는 각각 별표된 화소위치로부터 특징점X 와 Y 까지의 거리이고: (MVx, MVy)X와 (MVx, MVy)Y는 각각 특징점에 대한 움직임벡터들이다.
이와 같이 구해진 특징점 및 특징점이 아닌 점들에 대한 움직임 벡터들을 제2프레임 메모리(206)에서 복원된 프레임에 대응시켜 제1세트의 프레임으로 구현되게 되는데, 이를 포워드점 단위 움직임 보상에 의해 이루어진 프레임이 된다.
또한, 2세트의 프레임 구현을 보면, 1세트에서 구현되는 동작과 동일하게 진행된다. 특징점 움직임 예측부(220)에서는 제2프레임 메모리 (206)에 저장되어 있던 복원된 이전 프레임의 다음번째 프레임 데이터로부터 움직임을 대표할 수 있는 특징점들을 선택하게 된다.
이렇게 선택된 특징점들과 멀티플렉서(200)로부터 제공되는 현재프레임과 제1프레임 메모리(210)의 프레임의 다음번째 프레임 데이터에 의해 상기 모든 특징점에 대한 움직임 벡터들을 찾게 된다.
그리고 이 특징점에 대한 움직임 벡터외에 비특징점에 대한 움직임 벡터들을 구하게 된다. 그리고 상술된 바 있는 특징점 및 비특징점에 대한 움직임 벡터들을 구하는 방법을 근거로 제2세트에 대한 프레임을 생성하게 되는데, 이를 백워드점 단위 움직임 보상에 의해 이루어진 프레임이 되는 것이다.
상기 포워드점 및 백워드점에 의한 움직임 예측이 실시된 후, 생성된 1,2 셋트의 프레임은 원래 영상 신호에 대한 노이즈(잡음) 즉, PSNR(signal to noise ratio)을 계산하게 된다.
영상 신호에 대한 노이즈 잡음 계산방식은,
MxN 은 프레임의 블록크기이고 : x,y는 각 화소의 좌표데이타이고: I(x,y)는 원영상의 프레임의 좌표이며: P(x,y)는 구하고자 하는 좌표이며; 255는 화소의 레벨값으로 규정된다.
이와같이 계산된 1,2세트의 영상신호에 대한 노이즈 잡음비가 좋은 어느 한 셋트에 대한 프레임을 선택하고, 이 선택된 셋트의 프레임에 대한 움직임 벡터들은 라인(63)을 통해 엔트로피 부호기(209)로 전송됨과 동시에 제2부호화부(230)의 감산기(231)로 제공된다.
상기 감산기(231)에서는 멀티플렉서(200)로부터 제공되는 현재 프레임 신호로부터 특징점 움직임 예측부(220)에서 제공되는 움직임 벡터들을 감산한 후 발생된 차분 신호를 DCT(232)에 의한 변환계수로 변환 후 양자화기(233)에 의해 양자화하게 된다.
이때, 양자화기(233)의 양자화스텝 사이즈의 최대치(예:62)로 하는데, 이는 특징점에의한 움직임 보상이 잘못 보상된 부분에 대한 오차를 전송하기 위한 것이다.
상기 특징점 움직임 예측부(220)에서 엔트로피 부호회(209)로 제공되는 움직임 벡터들로 구현된 프레임은, 제3도의 #2와 같은 형태로써 구현되는 것이다. 따라서, 원래 순서대로 재배열하여 디스플레이하는 과정이 필요한 바, 즉, #1→#3→#2→#5→#4→,,로 진행되며, 복호기에서는 이를 원래의 순서로 재배열하여 디스플레이하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 블록단위 움직임 보상-DCT 방식과, 특징점 단위 움직임-DCT 방식을 번갈아 사용함으로써 비트율을 상당히 줄일 수 있으며, 특히 특징점 단위 움직임-DCT 방식에 사용될 경우에 다수의 특징점들중 움직임 큰 움직임 점에 대한 정보를 추가로 전송함으로써 보다 우수한 화질을 복원할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정하지 않고 본원의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 변형 실시 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 현프레임과 움직임이 예측된 현프레임간의 차분을 구하는 감산기, 이 감산기의 차분신호에 대한 변환계수를 구하는 DCT, 이 DCT 계수를 양자화하는 양자화기, 역양자화하는 역양자화기, 가산기, 이전프레임을 저장하는 제2프레임 메모리, 움직임 추정부 및 엔트로티피 부호기를 구비한 부호화 장치에 있어서 : 입력되는 영상 프레임 신호를 블록단위 움직임 보상-DCT 방식과 특징점단위 움직임 보상-DCT 방식을 적응적으로 선택하는 멀티플렉서(200)와; 상기 멀티플렉서(200)에 의해 어느 한 움직임 보상-DCT방식에 의한 부호화가 선택되면, 상기 입력되는 영상 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리(210)와; 상기 멀티플랙서(200)로부터 입력되는 영상 프레임과, 상기 제1프레임 메모리에 저장되었던 원래 이전 프레임과 이 다음번째 프레임 및 제2프레임 메모리(206)에서 복원된 이전 프레임과 이 복원된 다음번째 프레임을 이용하여 움직임이 큰 특징점에 대한 움직임을 보상할 수 있는 1,2세트의 프레임중 어느 한 프레임을 선택하는 특징점 움직임 예측부(220)와; 상기 특징점 움직임 예측부(220)에서 예측된 프레임을 현재 입력되는 프레임으로부터 감산하고, 이 감산된 데이터를 DCT와 양자화하여 얻어진 정보를 제공하는 제2부호화부(230)를 포함함을 특징으로 하는 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 특징점 움직임 예측부(220)는, 상기 복원된 이전 프레임과 현프레임 및 상기 제1프레임 메모리(210)에 저장되었던 원래 이전 프레임을 근거로 부호화를 수행하는 포워드점 단위 움직임 보상-DCT와, 상기 복원된 다음번째 프레임과 현프레임 및 상기 제1프레임 메모리(210)에 저장되었던 원래 다음번째 프레임을 근거로 부호화를 수행하는 백워드점 단위 움직임 보상-DCT를 실시함을 특징으로 하는 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 포워드점 단위 움직임 보상-DCT와 상기 백워드점 단위 움직임 보상-DCT에 의해 생성된 1,2셋트 프레임중 영상 신호대 잡음비가 큰 어느 한 셋트 프레임만을 선택함을 특징으로 하는 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2부호화부(230)는, 상기 움직임 변위가 커서 상기 특징점에 의한 물체의 움직임 보상이 안되는 경우에 상기 움직임 보상 오차만을 부호화함을 특징으로 하는 움직임 보상오차를 이용한 선택적 부호화장치.
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