KR100189523B1 - 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축 장치 및 방법과 그 복원 방법 - Google Patents

영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축 장치 및 방법과 그 복원 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 영상압축장치 및 방법과 그 복원방법에 관한 것이다.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
본 발명의 목적은 입력되는 영상을 적응적으로 처리하여 압축률을 향상시킨 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축장치 및 방법과 그 복원방법을 제공함에 있다.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 영상 압축 방법에 있어서, 일정범위의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받아, 상기 입력되는 처리영상블럭의 명암도를 판단하여 배경블럭 또는 중간블럭 또는 문자블럭으로 구분하여 블록정보를 생성하는 블록구분단계와, 상기 블록구분된 영상데이타를 DCT 변환하는 DCT변환단계와, 상기 DCT변환된 계수들을 양자화하는 양자화단계와, 상기 처리영상블럭이 배경블럭이면, 처리블럭내에서 DC데이타를 기준으로 근접한 소정 객수의 데이터만을 선택하여 블록정보를 포함하여 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 배경블럭압축단계와, 상기 처리영상블럭이 문자블럭이면, 블록내 DC데이타를 중심으로 문자블럭재배열정보에 대응하여 블록정보를 포함하여 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 문자를 블록압축단계와, 상기 처리 블록이 중간블럭이면, 블록내 DC 데이터를 중심으로 지그재그선택하여 블록 정보와 함께 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 중간블럭압축단계로 구성한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 영상처리장치에서 중요히 사용될 수 있다.

Description

영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축 장치 및 방법과 그 복원방법
제1도는 종래의 영상압축장치의 블록구성도이다.
제2도는 8×8 블록내에서 64개 양자화 계수들의 주파수영역에서의 분포특성을 나타내는 분포도이다.
제3도는 문자블럭내의 양자화계수들의 분포특성을 나타내는 주파수영역에서의 분포상태도이다.
제4도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상 압축 장치의 블록구성도이다.
제5도는 제4도의 구성중 메모리(250)의 메모리맵을 나타내는 상태도이다.
제6도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축 과정을 보여주는 수행흐름도이다.
제7도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블록구분의 히스토그램 유형을 나타내고 있는 상태도이다.
제8도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축데이타의 영상복원과정을 보여주는 수행흐름도이다.
본 발명은 영상압축방법에 관한 것으로서, 특히 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축장치 및 영상 압축방법과 그 복원방법에 관한 것이다.
근래에 들어 영사에 의한 다양한 정보의 전달이 요구되는 시점에서 많은 양의 영상데이타를 처리하는 기술의 개발이 필연적이 되었다. 이에 국제 표준화 기구(ISO)와 국제전신전화자문위원회(CCITT)가 공동으로 그레이스 케일과 칼라영상 연속계조 정지영상을 압축하기 위한 JPEG(Joint Photographic Experts Group)이라 불리는 국제표준을 제안하게 되었다. 상술한 JPEG은 예측기를 이용한 무손실 영상압축방법과 이산 여현 변환(Discrete Cosine Transfrom : 이하 DCT라함)을 이용한 손실 영상압축방법을 제시하고 있다. 상기 DCT에 기반을 둔 영상압축방법은 압축한 영상을 복원하였을 때, 비록 원래의 영상과는 데이터 손실이 있더라도 인간의 시각적으로 거의 차이가 없도록 압축하는 방법이며, 최소한의 기본적 요구에 충실한 베이스라인 모드(Baseline Moed)와 상기 베이스라인 모드에 다른 여러 가지 기능을 부가하여 보다 넓은 응용범위에서 사용가능하도록한 확장 모드(Extended Mode)로 구분된다.
일반적으로 화상이나 음성을 디지털신호로 효율적인 전송과 축적을 위해서 데이터량을 압축하는 코딩방법(일례로 엔트로피코딩 : Entropy Coding)을 사용하고 있으며, 전송에 있어서는 역으로 압축시의 코딩과 디코딩 원리를 사용한 방법에 의해 복호화하는 방법이 사용되고 있으며, 상기 확장모드에서는 상술한 엔트로피 코딩방법으로 산술부호화를 제시하고 있다.
종래의 코딩방법은 압축/복원을 위해 한 칼라화소당당 8-bpp(bits-perpel or pixel, 혹은 12bpp)인 이미지들을 그대로 압축/복원에 사용하였다. 이를 제1도를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 입력단(101)으로부터 입력되는 영상데이타에 대해 일정범위의 서브블록(n×m 4×4, 8×8)을 취하여 메모리(102)에 저장한다. 이후 DCT처리부(104)는 상기 메모리(102)에 저장된 데이터를 상관성이 높은 영상신호에 대해 좋은 성능을 가지도록 DCT변환한다. 양자화기(106)는 상기 DCT변환된 데이터를 양지화하여 출력한다. 즉, 상기 DCT변환된 값을 양자화기내의 저장수단에 저장된 이미부호화되어 예측된 값과의 차이에 대응하여 양자화처리한다. 상기 양자화기(106)에서 양자화된 값은 에트로피 코더(108)에 입력되어 엔트로피 코딩출력된다.
일반적으로 상술한 바와 같이 영상데이타의 8×8 블록을 DCT변환하면 AC계수들의 분포가 입력블로겡 따라 몇가지 특징을 나타낸다. 그러나 상술한 종래의 영상압축장치는 블록의 입력영상의 특징으로 고려하지 않아 영상의 압축률이 낮다는 단점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 입력되는 영상을 적응적으로 처리하여 압축률을 향상시킨 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 여앙분리와 산술부호화를 이용한 영상압축데이타를 복원하는 영상복원방법을 제공함에 있다.
이하 본 발명의 바람직한 구성 및 동작의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 산술부호화는 데이터열을 0과 1사이의 하나의 실수값으로 나타내는 부호화방법으로써 데이터들의 통계적 특성이 알려지지 않더라도 적응적으로 부호화할 수 있는 것이 큰 장점이다. 또한 산술부호화의 일어날 확률이 높은 심볼들이 입력으로 들어오도록 할 경우 부호의 크기가 감소한다.
또한 일반적인 영상을 8×8블록으로 분리한 후 DCT변환할 경우 다음과 같이 블록단위의 영상에 따라 배경블록, 중간블럭, 문자블럭으로 구분할 수 있다. 제2도는 상술한 바와 같이 8×8 영상블록내에서 64개 양자화 계수들의 주파수영역에서의 분포특성을 나타내는 분포도로써, DCT 변환한 블록단위의 영상은, 제2a도에 도시한 바와 같이 영(0)이 아닌 양자화된 AC계수들이 DC계수주위에 0∼3개 분포되어 있는 배경블록과, 제2b도에 도시된 바와같이 8×8블럭 전체에 변화가 있어 주파수의 모든 영역에 걸쳐 영(0)이 아닌 AC계수들이 분포하고 있는 중간블럭과, 제2c도에 도시한 바와 같이 문자의 모서리블록으로써 DCT의 특성으로 주파수의 특정영역에 해당되는 블록의 수평측이나 수직측에 주로 AC계수들이 분포되어 있는 문자블럭으로 구분할 수 있다.
상기 제2a도에 도시된 바와 같이 배경블럭은 DC계수의 주위에서 AC계수들이 분포할 확률이 매우 높다. 따라서 지그재그 주사를 64RO 계수들에 대해 전부 할 필요가 없으며, 본 발명의 일 실시예에서는 1-2-3-4의 순서로 저주파 대역의 AC계수 3개를 대상으로 하므로, 주사시간을 줄일 수 있어 압축시간을 단축할 수 있다.
또한 제2b도에 도된 중간블럭일경우에는 읽기값의 변화가 블록내에서 일정한 방향을 가지고 있지 않기 때문에 계수들이 모든 주파수를 대역에서 존재할 rksmdd성이 높다. 따라서 지그제그주사는 종래의 방법과 동일한 순서대로 제2b도의 번호순으로 한다.
마지막으로 제2c도에 도시된 문자블럭은 첫 번째 수평측과 첫 번째 수직측에 분포할 확률이 높으며, 블록단위 입력영상의 밝기값 변화방향에 따라 AC계수들의 분포위치가 결정된다.
상술한 블록구분은 1994년 6월에 개최된 대한전자공학회 한국통신학회 부산, 경남지부 춘계합동학술논문발표회 논문집 88∼101쪽에 게재된 확률분포를 이용한 블록단위의 영상분리에 상세히 개시되어 있다.
제3도는 문자블럭내의 양자화계수들의 분포특성을 나타내는 주파수영역에서의 분포상태로로써, 제3도의 A는 이글자의 l부분처럼 데이터의 밝기값이 가로방향으로 변할 때 DCT를 하게 되면, 제3도의 D와 같이 계수들이 수평축에 분포한다. 제3도의 B와 같이 세로방향으로 밝기값의 변화가 있을 때 DCT를 하게 되면, 양자화된 계수들은 제3도의 E에 도시된 바와 같이 수직축에 분포한다. 제3도의 C와 같이 밝기값이 가로방향과 세로방향으로 변할때는 계수들이 제3도의 F에 도시된 바와 같이 수평축과 수직축에 공존한다.
상술한 바와 같이 문자블록에 있어서 데이터의 밝기값의 경계가 명확한 경우는 이상적인 경우이며, 실제로는 경계부근에서 밝기값의 변화가 여러 가지로 나타나기 때문에 DCT를 하였을 때 첫 번째 수평측이나 수직측뿐만 아니라 두 번째 측에도 존재할 가능성이 있게 된다. 따라서 A, B, C패턴에 대한 지그재그 주사방법을 각각 제3도의 D, E, F에 도시된 번호순으로 수행하여 일어날 확률이 높은 심볼이 입력으로 들어오도록 한다.
제4도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상 압축 장치의 블록 구성도로써, 색변환된 8×8 화소의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받으며, 상기 입력되는 영상데이타의 히스토그램을 계산하여 상기 서브블럭단위의 영상데이타내 밝기값분포에 따라 특정한 배경블럭, 중간블럭 및 문자블럭으로 구분하여 이에 대응하는 블록구분신호와 상기 서브블록단위의 영상데이타를 출력하는 영상분리기(210)와, 상기 영상분리기(210)로부터 입력되는 8×8 영상블럭데이타를 DCT변환하여 출력하는 DCT변환기(220)와, 상기 DCT변환기(220)으로부터 입력되는 DCT변환값들을 양자화하여 그 양자화계수데이타를 출력하는 양자화기(23)와, 상기 양자화기로부터 입력되는 양자화계수데이타들을 상기 영상분리기로부터의 블록구분신호에 대응하여 재배열하여 출력하는 재배열기(240)와, 상기 재배배열기(240)로부터 입력되는 양자화계수데이타들을 상기 블록구분신호에 대앙하여 저장하고 이를 출력하는 메모리(250)와, 상기 메모리(250)로부터 입력되는 양자화계수데이타들을 산술부호화하여 압축데이타로 출력하는 산술부호화기(260)로 구성된다.
제5도는 제4도의 구성중 메모리(250)의 메모리맵을 나타내는 상태도이며, 제6도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상 압축 과정을 보여주는 수행흐름도이다.
이하 숭술한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상압축과정을 살펴본다. 먼저 제6도의 6-1단계에서 영상분리기(210)는 YCBCR칼라영역으로 색변환된 8×8영상블럭데이타를 입력받는다. 이후 603단계에서 상기 영상분리기(210)는 입력된 영상블럭내의 히스토그램을 계산하고 그 계산결과에 따라 입력영상블럭을 배경블럭, 문자블럭(또는 에지블럭), 중간블럭(또는 영상블럭)으로 구분한다. 이때 상술한 603단계에서 블록구분의 기준은 상술한 히스토그램의 여형에 따른것으로써, 제7도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블록구분의 히스토그램 유형을 나타내고 있는 상태도이다. 상기 제7도를 참조하면, 제7a도에 도시된 바와 같이 2개의 도미넌트(dominant)한 로브(Lobe)가 있을 경우를 문자블럭이라고 구분하며, 제7B도에 도시한 바와 같이 하나의 도미넌트한 로브만이 있을 경우를 배경블럭이라고 구분하며, 제7c도에 도시한 바와 같이 명함도(Intensity)가 거의 모든 레벨에 분포하는 경우를 중간블럭으로 구분한다. 따라서 영상 분리기(102)는 상술한 구분에 의한 블록구분정보를 가지는 블록구분신호를 출력한다.
이후 605단계에서 DCT변환기(220)는 영상분리기로부터 8×8형상블럭 데이터를 입력받아 DCT변환하고, 607단계에서 양자화기(230)는 상기 DCT 변화기로부터 DCT계수를 입력받아 양자화하여 그 양자화데이타들을 출력한다.
609 단계에서 재배열기(240)는 상기 블록구분신호를 입력받으며, 처리블럭이 배경블럭인 경우 611단계에서 상기 양자화데이타중 DC계수주위에 위치하는 3개의 AC 계수들을 RL(Run Length)코딩한다. 즉, 상기 재배열기(240)는 처리블럭이 배경블럭인 경우 609단계에서 상기 DC계수와, 주위에 위치한 3개의 AC계수만을 출력한다. 또한 처리블럭이 문자블럭인 경우, 613 및 615단계에서 상기 재배열기(240)는 제3도의 도시된 a, b, c의 상태에 따라 e, d, f의 번호순으로 지그재그선택하여 재배열 출력한다. 마지막으로 배경블럭 및 문자블럭이 아닌 중간블럭인 경우, 617단계에서 제2b도의 번호순으로 지그재그선택하여 출력한다.
이후 619단계에서 메모리(250)는 상기 블록구분신호에 대응하는 처리블럭의 인덱스정버를 포함하여 입력된 양자화 영상블럭데이타를 출력한다. 621단계에서 산술부호화기(260)는 상기 양자화영상블럭데이타를 산술부호화하여 압축데이타로써 출력한다. 이후 623단계에서 마지막 처리블럭인가를 판단하며, 마지막블럭이 아닌 경우 상술한 601단계로 돌아간다.
상술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구성 및 압축과정에서 본 발명은 배경블럭, 문자블럭과 중간블럭에 대한 순술부화화를 위해 기존의 JPEG에서 제시한 통계영역(Statistcal Area)을 확장하였다. 즉 DC 계수에 대해서는 49개의 저장소를 지닌 1개의 통계영역이 각각 3개씩 필요하다. 즉 영상분리기에서 구한 8×8 블록단위의 영상에 따른 특성을 문자블럭, 중간블럭, 배경블럭으로 구분하고 나서 DCT와 양자화과정을 거친 후 영상의 특성에 맞게 지그재그 주사한 후에 메모리의 선택된 통계영역을 사용한다.
제8도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상복원과정을 보여주는 수행흐름도로써, 이하 상술한 제8도를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축데이타의 복원과정을 살펴본다. 이러한 영상복원과정을 수행하는 구성은 제4도의 구성을 역순으로 응용할 수 있으며, 이는 본 발명을 이해한 통상의 지식을 가진자에 의해 제4도를 참조하여 용이하게 구성될 수 있어 이하에서 복원과정을 중심으로 설명한다.
먼저 81단계에서 8×8 영상압축블럭데이타를 수선하며, 803단계에서 상기 압축데이타를 산술부호화 디코딩한다. 이후 805단계에서 인덱스정보를 통해 디코딩데이타가 배경블럭인가를 판단한다. 이때 배경블럭인 경우, 807단계에서 8×8블럭내의 나머지부분에 양자화데이타 0을 채운다, 한편 문자블럭인 경우, 811단계에서 상기 디코딩 데이터를 재배열한다. 이후 813단계에서 상기 807 또는 811단계를 거친 데이터들을 역양자화하고, 815 단계에서 DCT역변환하여 복원된 영상데이타를 구한다.
817단계에서 마지막 처리블럭인가를 판단하며, 마지막블럭이 아닌 경우 상술한 801단계로 돌아간다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명은 산술부호화를 이용한 영상압축전에 영상을 구분하고, 효율적인 DCT 변환 및 양자화된 데이터들을 재배열함으로써 산술부호화효율을 높여 압축률을 증가시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 영상 압축 방법에 있어서 : 일정범위의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받아, 상기 입력되는 처리영상블럭의 명암도를 판단하여 배경블럭 또는 중간블럭 또는 문자블럭으로 구분하여 블록정보를 생성하는 블록구분단계와; 상기 블록구분된 영상데이타를 DCT 변환하는 DCT변환단계와; 상기 DCT변환된 계수들을 양자화하는 양자화단계와; 상기 처리영상블럭이 배경블럭이면, 처리블럭내에서 DC데이타를 기준으로 근접한 소정 갯수의 데이터만을 선택하여 블록정보를 포함하여 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 배경블럭압축단계와; 상기 처리영상블럭이 문자블럭이면, 블록내 DC데이타를 중심으로 문자블럭재배열정보에 대응하여 블록정보를 포함하여 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 문자를 블록압축단계와; 상기 처리블록이 중간블럭이면, 블록내 DC데이터를 중심으로 지그재그선택하여 블록정보와 함께 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 중간블럭압축단계로 구성함을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배경블럭압축단계가; 상기 양자화된 영상데이타의 DC 데이터를 기준으로 근접한 3개의 데이터와 블록정보를 산술부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 단계임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  3. 제1항에 있어서; 상기 문자블럭재배열정보가 DC데이타를 기준으로 대각선방향으로 수평수직라인의 데이터들을 순차적으로 교번 선택하는 것임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법
  4. 제2항에 있어서; 상기 문자블럭재배열정보가 DC데이타를 기준으로 대각선방향으로 수평수직라인의 데이터들을 순차적으로 교번 선택하는 것임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중간블럭 재배열정보가 DC데이타를 기준으로 지그재그방향으로 순차적으로 선택하는 것임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  6. 제2항에 있어서; 상기 중간블럭 재배열정보가 DC데이타를 기준으로 지그재그방향으로 순차적으로 선택하는 것임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  7. 제4항에 있어서; 상기 중간블럭 재배열정보가 DC데이타를 기준으로 지그재그방향으로 순차적으로 선택하는 것임을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축방법.
  8. (삭제)
  9. (정정) 영상 압축 장치에 있어서; 일정범위의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받아 영상블럭내의 명암도 히스토그램을 계산하고 이에 대응하여 에지블럭, 배경블럭, 중간블럭을 알리는 블록구분신호를 출력하며, 상기 입력영상블럭데이타를 출력하는 영상분리수단과; 상기 영상분리수단으로부터 입력되는 영상데이타를 DCT변환하여 그 계수값들 출력하는 DCT변환수단과; 상기 DCT변환수단으로부터 입력되는 DCT 계수값들을 양자화하여 그 양자화데이타를 출력하는 양자화수단과; 소정 블록구분신호의 상태에 대응하는 기억수단의 어드래스 정보인 재배열정보를 구비하고 상기 양자화수단으로부터 입력되는 양자화데이타들을 상기 영상분리기로부터의 블록구분신호에 대응하여 상기 재배열정보에 따라 순차적으로 출력하는 재배열수단과; 상기 재배열수단으로부터 입력되는 데이터들을 상기 블록구분신호에 대응하여 저장하고 이를 출력하는 상기 기억수단과; 상기 기억수단으로부터 입력되는 데이터들을 산출부호화하여 영상압축데이타로 출력하는 산술부호화수단으로 구성함을 특징으로 하는 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축장치.
  10. (정정)제9항에 있어서, 상기 영상분리수단이; 8×8 화소의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받으며, 상기 입력되는 영상데이타를 검색하여 상기 서브블럭단위의 영상데이타내 밝기값분포에 따라 특징한 배경블럭, 중간블럭 및 문자블럭으로 구분하여 이에 대응하는 블럭구분신호와 상기 서브블록단위의 영상데이타를 출력하는 수단임을 특징으로 하는 영상압축장치.
  11. (정정)제9항에 있어서, 상기 영상분리수단이; 8×8 화소의 서브블럭단위로 영상데이타를 입력받으며, 상기 입력되는 영상데이타를 검색하여 상기 서브블럭단위의 영상데이타내 밝기값분포에 따라 특정한 배경블럭, 중간블럭 및 문자블럭으로 구분하여 이에 대응하는 블럭구분신호와 상기 서브블록단위의 영상데이타를 출력하는 수단임을 특징으로 하는 영상압축장치.
  12. 영상 복원 압축방법에 있어서; 영상분리와 산술부호화를 이용한 영상압축데이타를 서브블럭단위로 산술부호화 디코딩하는 산술부호화디코딩단계와; 디코딩된 블럭데이타내의 블럭정보를 검색하여 블럭을 구분하는 블럭구분단계와; 디코딩된 블럭이 배경블럭이면, 블럭내의 빈자리를 0으로 채우고 역양자화하여 DCT역변환하여 영상복원데이타로 출력하는 배경블럭 복원단계와; 디코딩된 블럭이 문자블럭이면, 블럭을 재배열하여 역양자화하고 DCT역변환하여 영상복원데이타로 출력하는 문자블럭 복원단계와; 디코딩된 블럭이 중간블럭이면, 상기 디코딩된 데이터들을 역양자화하고 DCT역변환하여 영상복원데이타로 출력하는 중간블럭복원단계로 구성함을 특징으로 하는 영상복원방법.
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