KR100194793B1 - 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비디오 부호화 장치에 있어 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어 방법에 관한 것으로, 버퍼의 넘침/결핍 현상을 VBV (Video Buffering Verifier)조건을 이용하여 미리 예측함으로써 버퍼의 넘침/결핍 현상을 방지할 수 있는 비디오 비트율 제어방법을 제공하기 위하여 비디오 부호화 장치에 적용되는 비디오 비트를 제어방법에 있어서, VBV 조건을 이용하여 목표 비트의 최대, 최소값을 결정하고, 부호화 하려는 프레임에 대한 목표할당값을 계산한 후 상기 목표 할당값과 상기 목표 비트의 최소, 최대값을 비교하여 최종 목표 비트 수를 결정하는 제 1 단계(9,10); 상기 VBV 조건을 이용하여 버퍼의 넘침/결핍 조건의 충족 여부를 조사하면서 프레임내 부호화 블록별 양자화 파라메타를 결정하여 부호화부(2)로 전송하고, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되었는지를 판단하는 제 2 단계(11 내지 13); 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되지 않았다면 상기 제 2 단계를 반복하여 수행하고, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 완료되었으면 최종적으로 상기 VBV 조건을 만족하는지 조사하여 결핍이 발생할 것인지를 판단하는 제 3 단계(14, 15); 및 상기 제 3 단계에서 결핍 상태가 예상되지 않으면 초기 상태로 복귀하고, 결핍 상태가 예상되면 제로(zero) 비트를 삽입하고 초기 상태로 복귀하는 제 4 단계(16)를 포함하여 실제 동영상 부호화에서 발생하기 쉬운 버퍼의 넘침/결핍 상태를 해결 할 수 있으며 MPEG-2 비디오 부호화 알고리즘을 이용하는 각종 고정 비트율 전송 시스템에 널리 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어 방법

제1도는 본 발명이 적용되는 일반적인 비디오 부호화 장치의 구성도.

제2도는 종래의 비디오 비트율 제어 흐름도.

제3도는 본 발명에 따른 전체 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 비디오 프레임 입력부 2 : 부호화부

3 : 버퍼부 4 : 비트율 제어부

본 발명은 비디오 부호화 장치에 있어 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어 방법에 관한 것으로, 특히 MPEG-2 비디오 부호화 방법을 사용하는 비디오 부호화 장치에서 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위하여 MPEG-2의 VBV (Video Buffering Verifier)의 조건을 이용하여 비디오 비트율을 제어하는 방법에 관한 것이다.

MPEG-2 비디오 부호화 방법은 비디오 압축 방법의 특성으로 인하여 화면당 발생되는 비트 수가 가변적이다. 그리하여 고정 비트 전송율의 방송 서비스 등에 MPEG-2 부호화 방법을 사용하는 경우에는 채널 전단에 버퍼를 두어 가변적으로 버퍼로 입력되는 비트열을 버퍼에 저장하였다가 일정 비트율로써 출력하는 방법을 이용하여 고정 비트 전송을 서비스를 구현하고 있다. 그러나 이러한 방법 또한 장면 전환이 자주 일어나거나 아주 단순한 영상이 계속될 경우 버퍼의 넘침/결핍 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

버퍼 결핍 현상이란 버퍼로 입력되는 비트 수는 적고 출력되는 비트수는 고정 비트율로서 출력되기 때문에 버퍼가 비어 출력시킬 것이 없는 상황이며, 버퍼 넘침 현상이란 버퍼로 들어오는 비트 수가 출력되는 비트 수 보다 너무 많아 버퍼과 완전히 차서 아직 출력시키지 못한 내용에 새로 입력된 내용을 덧씌워 정보를 읽어버린 경우이다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 버퍼의 넘침/결핍 현상을 VBV 조건을 이용하여 미리 예측함으로서 버퍼의 넘침/결핍 현상을 방지할 수 있는 비디오 비트율 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비디오 부호화 장치에 적용되는 비디오 비트율 제어 방법에 있어서, VBV (Video Buffering Verifier)조건을 이용하여 목표 비트의 최대, 최소값을 결정하고, 부호화 하려는 프레임에 대한 목표 할당값을 계산한 후 상기 목표 할당값과 상기 목표 비트의 최소, 최대값을 비교하여 최종 목표 비트를 결정하는 제 1 단계, 상기 VBV 조건을 이용하여 버퍼의 넘침/결핍 조건의 충족 여부를 조사하면서 프레임내 부호화 블록별 양자화 파라메타를 결정하여 부호화부로 양자화 파라메타를 전송하고, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되었는지 판단하는 제 2 단계, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되지 않았으면 상기 제 2단계를 반복하여 수행하고, 프레임의 마지막 메크로 블록까지 완료되었으면 최종적으로 VBV 조건을 만족하는지 조사하여 결핍이 발생할 것인지를 판단하는 제 3 단계, 결핍 상태가 예상되지 않으면 초기 상태로 복귀하고, 결핍상태가 예상되면 제로(zero) 비트를 삽입하고 초기 상태로 복귀하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명이 적용되는 일반적인 비디오 부호화 장치의 구성도로서, 도면에서 부호 1은 비디오 프레임 입력부, 부호 2는 부호화부, 부호 3은 버퍼부, 부호 4는 비트율 제어부를 각각 나타낸다.

비디오 프레임 입력부(1)로부터 비디오 프레임이 입력되면 부호화부(2)에서는 입력된 프레임을 부호화하여 버퍼부(3)로 출력한다. 버퍼부(3)에서는 부호화 결과 값을 저장하였다가 일정한 전송 비트율에 맞추어 외부로 전송하게 된다. 이때 부호화부(2)에서 출력되는 비트율을 조절하기 위해서 비트율 제어부(4)는 버퍼부(3)의 버퍼 충만도에 따라 버퍼 넘침이나 버퍼 결핍이 발생하지 않도록 조절하게 된다.

제2도는 종래의 비디오 비트율 제어 흐름도이다.

임의 갯수의 비디오 프레임 GOP(Group Of Pictures)내에서 남아 있는 비트 여유분, 프레임 특성, GOP 내에 부호화되지 않고 남아 있는 프레임 수 등을 고려하여 프레임에 대한 목표 할당값을 계산하여(5) 상기 프레임에 대한 목표 할당값과 부호화 블록을 부호화 하는 시점에서 버퍼부(3)의 충만도를 고려하여 부호화 블록별로 양자화 파라메타를 결정하여(6) 부호화부(2)로 상기 양자화 파라메타를 전달한다(7). 그리고 프레임의 마지막 매크로 블록인가를 조사하여(8) 마지막 매크로 블록이 아니면 프래임내 부호화 블록별로 양자화 파라메타를 결정하는 과정(6)을 프레임의 마지막 블록까지 반복하고, 마지막 매크로 블록이면 초기 상태로 복귀하여 새로운 프레임에 대해서 다시 반복하게 된다.

상기와 같이 MPEG-2의 부호화 방법은 비록 버퍼부(3)의 상태를 보고 버퍼 충만도가 점점 높아질 경우에 양자화 파라메타 값을 키우고 버퍼 충만도가 낮아지면 다시 양자화 파라메타 값을 줄이는 과정을 통하여 비트수를 조절하지만 버퍼의 넘침/결핍이 발생하는 것을 예방할 수는 없다.

그리하여 MPEG-2 비디오 방법에서는 VBV (Video Buffering Verifier)라 하여 한 프레임에 할당되는 비트 수, 현재의 버퍼 참정도(buffer fullness)등을 이용하여 고정 비트 전송을 서비스의 경우에 반드시 만족시켜야 하는 조건을 제시해 놓고 있다.

먼저 VBV 조건은 버퍼의 초기에는 완전히 비어 있는 것으로 가정한다. 그리고 VBV 지연시간(vbv-delay)동안 버퍼에 비트열을 채운다. 그리고 한 프레임에 할당된 비트 수를 버퍼로부터 제거하기 직전과 직후에 VBV 버퍼의 참정도를 측정하며, 이때 버퍼 참정도는 제로(zero)와 버퍼 크기 내에 있어야 한다. 이를 만족하기 위해서는 아래와 같은 수식이 반드시 만족되어야 한다.

여기서, dn 은 n번째 부호화되어 할당된 비트 수이며, B는 버퍼의 크기, Bn은 n 번째 부호화된 비트수가 버퍼로부터 제거된 직후의 버퍼의 참정도이며, R은 비트율이다. Bn^*는 n 번째 프레임이 버퍼에서 출력되기 직전의 버퍼 참정도이다. tn은 VBV 로부터 n 번째 프레임을 부호화한 비트가 출력되는 시점을 나타낸다.

제3도를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 전체 흐름도이다.

먼저 목표 할당값을 구하기 전에 (식 1)과 (식2)를 기본으로 하여 (식 3)에 의해서 다음 프레임을 부호화할 수 있는 목표 비트의 최소값 및 목표 비트의 최대값을 계산한다(9).

여기서 Tmin은 목표 비트의 최소값이며, Tmax 는 목표 비트의 최대값이다. deltal 과 delta2는 넘침이나 결핍이 바로 일어나지 않도록 하는 여유값이다. 일반적으로 delta2는 delta1 보다 더 큰 값을 할당한다. 그 이유는 목표 비트의 최대값을 Bn^*로 할 경우 만일 부호화 후 발생되는 비트가 목표 비트 수를 넘어가는 경우 대책이 전혀 없으므로 (이미 발생된 비트를 버릴 수는 없음) 미리 목표 비트의 최대값에 상당한 여유를 주자는 것이다. 이와는 다르게 결핍을 막기 위해 목표 비트의 최소값을 설정하는 것에 있어 상대적으로 적은 여유를 주는 것은 비록 목표 비트의 최소값 보다 더 적은 비트가 할당되더라도 그 프레임의 부호화가 끝난 후에 제로(zero) 비트를 삽입할 수 있기 때문이다.

이렇게 하여 목표 비트의 최소값과 목표 비트의 최대값을 결정한 후 부호화하려는 프레임에 대한 목표 할당값을 계산한 다음 상기 목표 할당값이 상기 목표 비트의 최대, 최소값 사이에 있는지를 확인한다. 확인 결과 상기 목표 비트의 최소값과 목표 비트의 최대값 사이에 상기 목표 할당값이 존재하면 최종 목표 비트 수를 상기 목표 할당값으로 결정하고, 상기 목표 비트의 최대값 보다 상기 목표 할당값이 더 클 경우에는 최종 목표 비트 수를 상기 목표 비트의 최대값으로 결정하고, 상기 목표 비트의 최소값 보다 상기 목표 할당값이 더 적은 경우에는 최종 목표 비트 수를 상기 목표 비트의 최소값으로 결정한다(10).

상기의 과정을 정리하면 아래와 같다.

목표 할당값 〉Tmax 이면, 최종 목표 비트 수 = Tmax

목표 할당값 〈 Tmin 이면, 최종 목표 비트 수 = Tmin

Tmax 〈 목표 할당값 〈 Tmin 이면, 최종 목표 비트 수 = 목표 비트

이렇게 부호화하려는 프레임에 할당되는 최종 목표 비트 수가 결정되면 VBV 조건을 사용하여 넘침/결핍 조건 충족 여부를 조사하면서 프레임내 부호화 블록별 양자화 파라메타를 결정한다(11). 실제 최종 목표 비트 수가 할당되어 있더라도 부호화되는 영상의 특성에 의해 목표 비트를 훨씬 상회하는 또는 목표 비트에 전혀 못 미치는 비트 수가 발생될 수 있기 때문에 각 매크로 블록별로 부호화하면서도 이 프레임이 부호화가 끝났을 때 버퍼 넘침이나 결핍이 일어날지를 계속적으로 조사하여야 하며, 아래의 식과 같이 버퍼의 넘침/결핍 여부를 조사한다.

여기서는 n 번째 프레임에서 j 번째 매크로 블록까지 부호화하여 발생된 비트 수의 누적된 합이며, j 는 현재까지 부호화한 매크로 블록 수의 합이다.

상기의 과정에서 각 매크로 블록마다 (식 4)의 최소 요구 조건을 만족하지 못하면 버퍼에서는 넘침 현상이 발생할 가능성이 높아지므로 양자화 파라메타를 적당한 방법을 이용하여 줄여 주어 발생된 비트 수를 늘인다. 또한 (식 4)의 최대 요구 조건을 만족하지 못하는 경우에는 버퍼에서 결핍 현상이 발생될 가능성이 크므로 양자화 파라메타를 늘여 주거나 전처리 필터를 사용하는 등의 방법을 통해 발생되는 비트 수를 줄여 준다. 상기와 같이 프레임 내 부호화 블록별로 양자화 파라메타가 결정되면 이를 부호화부(2)로 전송하고(12), 프레임의 마지막 매크로 블록까지 수행되었는지 판단한다(13). 마지막 매크로 블록까지 수행되지 않았다면 VBV 넘침/결핍 조건의 충족 여부를 조사하면서 프레임내 부호화 블록별 양자화 파라메타를 결정하여 전송하는 과정을 반복수행한다(11,12). 이렇게 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화한 후에는 최종적으로 (식 1)을 사용하여 버퍼의 결핍 여부를 조사하고 (14), 결핍이 일어날 것인가를 판단하여 (15) 결핍이 예상되면 제로(zero) 비트를 삽입해 준다(16). 제로(zero) 비트를 삽입하는 비트 수는 아래와 같다.

여기서 FRAMEBIT 는 한 프레임을 부호화한 후 나온 비트수이다. 제로(zero) 비트가 삽입되는 위치는 모든 매크로 블록을 부호화한 후 다음 프레임의 헤더가 나오기 전에 이루어진다.

상기와 같은 본 발명은 실제 동영상 부호화에서 발생하기 쉬운 버퍼의 넘침 또는 결핍 상태를 해결할 수 있으며 MPEG-2 비디오 부호화 알고리즘을 이용하는 각종 고정 비트율 전송 시스템에 널리 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 비디오 부호화 장치에 적용되는 비디오 비트를 제어방법에 있어서, VBV(Video Buffering Verifier) 조건을 이용하여 목표 비트의 최대, 최소값을 결정하고, 부호화 하려는 프레임에 대한 목표할당값을 계산한 후 상기 목표 할당값과 상기 목표 비트의 최소, 최대값을 비교하여 최종 목표 비트 수를 결정하는 제 1 단계(9,10); 상기 VBV 조건을 이용하여 버퍼의 넘침/결핍 조건의 충족 여부를 조사하면서 프레임내 부호화 블록별 양자화 파라메타를 결정하여 부호화부(2)로 전송하고, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되었는지를 판단하는 제 2 단계(11 내지 13); 프레임의 마지막 매크로 블록까지 부호화가 수행되지 않았다면 상기 제 2 단계를 반복하여 수행하고, 프레임의 마지막 매크로 블록까지 완료되었으면 최종적으로 상기 VBV 조건을 만족하는지 조사하여 결핍이 발생할 것인지를 판단하는 제 3 단계(14, 15); 및 상기 제 3 단계에서 결핍 상태가 예상되지 않으면 초기 상태로 복귀하고, 결핍 상태가 예상되면 제로(zero) 비트를 삽입하고 초기 상태로 복귀하는 제 4 단계(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계의 최종 목표 비트 수는 목표 할당값이 목표 비트의 최소값과 최대값 사이에 존재하면 목표 할당값으로 결정하고, 상기 목표 할당값이 목표 비트의 최대값 보다 크면 상기 목표 비트의 최대값으로 결정하고, 상기 목표 할당값이 상기 목표 비트의 최소값 보다 작으면 상기 목표 비트의 최소값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 삽입되는 제로 비트 수는 목표 비트의 최소값에서 한 프레임을 부호화하여 출력된 비트수를 감산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 버퍼의 넘침/결핍을 방지하기 위한 비디오 비트율 제어방법.