KR100200227B1 - 동영상 부호화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초저속 전송에 알맞는 고압축 영상 부호화 시스템에 관한 것으로, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 제1 프레임 메모리(20)와; 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 단자(a)를 통하여 부호화 장치(100)에 인가하며, 연속적인 프레임 모두를 다른 단자(b)로 출력하는 선택기(10)와; 선택기(10)의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호와 제1 및 제2 프레임 메모리(20),(30)의 프레임 영상 신호들간의 움직임 벡터들을 검출하며, 검출된 움직임 벡터들에 의한 움직임 보상 영상 신호들중 선택기(10)의 단자(b)로부터 제공되는 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 검출하여 제2 움직임 보상 영상 신호로서 출력하고, 제2 움직임 보상 영상 신호를 지시하는 움직임 벡터를 엔트로피 부호기(48)에 제공하는 특징점 움직임 예측부(60)와; 특징점 움직임 예측부(60)의 제2 움직임 보상 영상 신호와 선택기(10)의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호를 감산하여 제2 차분 영상 신호로서 출력하는 감산기(72)와; 감산기(72)의 제2 차분 영상 신호를 이산 코사인 변환시켜 출력하는 DCT부(74)와; DCT부(74)의 출력을 양자화하여 엔트로피 부호기(48)에 인가하는 양자화기(76)를 구비한다.

Description

동영상 부호화 장치
제1도는 동영상 신호를 압축하여 부호화하는 종래 장치의 개략 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 동영상 부호화 장치의 개략 블록도.
제3도는 제2도의 세 종류의 움직임 보상 방법을 도시한 도면.
제4도는 특징점이 아닌 점에 대한 움직임 벡터를 검출하는 방법을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,31 : 감산기 12,34 : DCT
14,36 : 양자화기 16,38 : 역양자화기
18,40 : 역 DCT 42 : 제2 프레임 메모리
22,24 : 움직임 추정부 24,46 : 가산기
26,48 : 엔트로피 부호기 30 : 선택기
50 : 제1 프레임 메모리 60 : 특징점 움직임 예측부
70 : 제1 부호화기
본 발명은 초저속 전송에 알맞도록 물체의 움직임이 큰 변위를 보다 효율적으로 부호화하는 동영상 부호화 장치에 관한 것이다.
화상 전화기나 고화질 텔레비젼인 경우에서는 디지탈 데이타로 영상 신호를 처리하기 때문에 방대한 량의 데이타가 발생된다. 하지만 이 방대한 량의 데이타를 한정된 전송 채널을 통해 전송할 수 없기 때문에 이 데이타를 압축해야 한다.
예를 들면, 기존이 아날로그 신호로 영상 신호를 처리하는 텔레비젼인 경우에 비해 고화질 텔레비젼(HDTV)은 약 1/160로의 데이타 압축이 필수적이다. 따라서, 차세대용으로 개발되는 고화질 텔레비젼은 한정된 전송 채널에 맞게 데이타를 압축하는 기법이 계속적으로 연구되고 있다.
제1도는 종래의 부호화 장치를 도시한 도면으로, 현재 입력되는 프레임과 움직임 추정부(22)에서 검출한 움직임 보상 신호와의 차분을 구하는 감산기(10), 감산기(10)의 프레임간의 차분 영상 신호를 주파수 영역의 변환 계수로 처리하는 DCT(12), DCT(12)의 DCT 변환 계수를 양자화하는 양자화기(14), 양자화된 계수를 원래의 변환 계수로 복원하는 역양자화기(16), 역영자화된 변환 계수를 역이산 여현변환하는 역DCT(18), 이전 프레임을 저정하는 프레임 메모리(20), 현 프레임과 프레임 메모리(20)에서 복원된 이전 프레임간의 움직임을 예측하여 움직임 벡터 및 움직임 보상 영상 신호를 출력하는 움직임 추정부(22), 움직임 추정부(22)의 움직임 보상 영상 신호와 역DCT된 계수를 합산하여 이전 프레임의 영상 신호로서 프레임 메모리(20)에 인가하는 가산기(24), 양자화된 변환 계수들을 부호화하여 도시하지 않은 송신기로 전송하는 엔트로피 부호화기(26)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 부호화 장치에서는, 블록 단위(Block based)로 물체의 움직임을 부호화하기 때문에 일정 전송 속도(64kbps) 이상으로 부호화할 경우에는 약 1/160으로 데이타를 압축, 전송하기에는 적당하나, 전송 속도(64kbps미만)의 경우일 때는 전송 속도에 맞는 효과적인 압축이 안되기 때문에 물체의 움직임 큰 변위인 경우에는 정확한 화상이 구현되지 않는다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 초저속 전송에 알맞도록 물체의 움직임이 큰 영상 신호를 보다 효율적으로 부호화되는 동영상 부호화 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이전 프레임 영상 신호가 저장된 제2 프레임 메모리의 영상 신호와 입력 프레임 영상 신호간의 제1 움직임 보상 영상 신호를 검출하고, 제1 움직임 보상 영상 신호와 입력 프레임 영상 신호간의 제1 차분 영상 신호를 검출한 후, 제1 차분 영상 신호를 DCT 및 양자화한 후 엔트로피 부호기로 엔트로피 부호화하여 송신하며, DCT 및 양자화된 제1 차분 영상 신호를 복호하여 제1 움직임 보상 영상 신호와 가산 후 제2 프레임 메모리 내에 이전 프레임 신호로서 저장하는 영상 부호화 장치에 있어서, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 제1 프레임 메모리와; 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 단자(a)를 통하여 부호화 장치에 인가하며, 연속적인 프레임 모두를 다른 단자(b)로 출력하는 선택기(10)와; 선택기의 단자(b)로 부터의 프레임 영상 신호와 제1 및 제2 프레임 메모리의 프레임 영상 신호들간의 움직임 벡터들을 검출하며, 검출된 움직임 벡터들에 의한 움직임 보상 영상 신호들중 선택기의 단자(b)로부터 제공되는 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 검출하여 제2 움직임 보상 영상 신호로서 출력하고, 제2 움직임 보상 영상 신호를 지시하는 움직임 벡터를 엔트로피 부호기에 제공하는 특징점 움직임 예측부와; 특징점 예측부의 제2 움직임 보상 영상 신호와 선택기의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호를 감산하여 제2 차분 영상 신호로서 출력하는 감산기와; 감산기의 제2 차분 영상 신호를 이산 코사인 변환시켜 출력하는 DCT부와; DCT부의 출력을 양자화하여 엔트로피 부호기에 인가하는 양자화기를 더 구비한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 동영상 부호화 장치의 개략 블록도이고, 제3도는 제2도에서 사용되는 두 종류의 움직임 보상 방법을 도시한 도면이다.
제2도에서 , 본 발명의 동영상 부호화 장치는 감산기(32), DCT(34), 양자화기(36), 역양자화기*38), 역DCT(40), 제 2 프레임 메모리(42), 움직임 추중부(44), 가산기(46), 엔트로피 부호화기(48)기는 제1도에 도시된 종래의 부호화 장치(100)와 동일한 구성이며, 본 발명에서는 이러한 부호화 장치에 선택기(30), 제1프레임 메모리(50), 특징점 움직임 예측부(60) 및 부호화기(70)가 더 포함되어 있음을 알 수 있다.
더욱 상세히 설명하면, 선택기(30)는 제2도에 도시된 바와 같이 연속적으로 입력되는 프레임 신호(#1, #2, #3, #4,...)들 모두는 단자(b)를 통하여 출력하나, 예컨대, 홀수 프레임(#1, #3, #5,..)들은 단자(a)를 통하여 출력한다. 여기서, 홀수 프레임(#1, #3, #5,...)들은 종래의 부호화 장치(100)에 의하여 압축 부호화됨을 알 수 있다.
즉, 프레임(#1,#3, #5,..)영상 신호는 라인(61)을 통해 가산기(32)와 움직임 추정부(44)로 제공되고, 움직임 추정부(44)에서는 라인(61)을 통해 입력되는 현재 프레임 영상 신호와 제2 프레임 메모리(42)에서 복원되는 이전 프레임이 영상 신호간의 움직임 벡터 및 움직임 벡터에 의한 움직임 보상 영상 신호를 검출, 출력한다. 여기서, 현재 입력되는 프레임이 (#3)이라면, 제2 프레임 메모리(42)에 저장되어 있던 이전 프레임(#1)이 될 것이다.
움직임 추정부(44)로부터의 움직임 보상 영상 신호는 라인(62)을 통해 감산기(32)로 제공되므로 감산기(32)에서는 현재 입력되는 프레임(#3)으로부터 상기 움직임 보상 영상 신호를 감산한다.
이렇게 감산된 차분 영상 신호는 DCT(34)에 의해 DCT 계수로 변환되고, 이 DCT 계수는 양자화기(36)에 의해 설정된 양자화 스텝 사이즈(QP)에 의해 소정의 크기로 양자화된 후 엔트로피 부호기(48)로 제공된다. 엔트로피 부호기(48)에서는 양자화기(36)에서 양자화된 계수를 엔트로피 부호화하여 송신한다.
한편, 양자화를 거친 데이타는 역양자화기(38)와 역DCT(40)에 의해 영상 프레임 영상 신호의 복호화를 수행한다. 이렇게 복호화된 신호는 움직임 추정부(44)로 부터 제공되는 움직임 보상 영상 신호와 가산기(46)에서 합해진 후에 제2 프레임 메모리(46)에 이전 프레임(#3)의 영상 신호로써 저장된다.
여기서, 감산기(32)에서 출력되는 차분 영상 신호는 움직임 추정부(44)에 의하여 추정된 움직임 보상된 영상 신호와 현재 프레임(#3)의 신호가 서로 동일할 때에 0이 되며, 극히 상이할 때에는 그 값이 크게 됨을 알 수 있다. 따라서, 부호화되는 영상 신호의 부호량을 줄이는 좋은 방법중의 하나는 현재 입력되는 프레임에 대응하는 이전 프레임의 영상 신호를 정확하게 검출하는 것이다. 그러나, 상술한 움직임 추정부(44)는 일반적으로 블록간의 움직임 벡터를 검출하는 방법을 사용하고 있어 정확한 움직임 추정이 불가능하다. 이에 반하여 후술하는 특징점을 이용한 움직임 추정은 화소 단위로 움직임을 추정하는 것으로서 연산량이 많다는 단점이 존재하나 정확한 움직임 추정이 가능하다는 효과가 있다.
한편, 선택기(30)의 프레임(#1) 영상 신호가 제1 프레임 메모리(50)에 저장되고, 이어서 선택기(30)가 단자(b)로 프레임(#2)의 영상 신호를 출력하면, 제1 프레임 메모리(50)는 이 프레임(#1)의 영상 신호를 특징점 움직임 예측부(60)에 인가한다. 이때, 특징점 움직임 예측부(60)에는 선택기(30)로부터 프레임(#2)이 인가되고 있는 상태이므로 특징점 움직임 예측부(60)는 영상 신호의 특징점을 이용하여 제2 프레임 메모리(42)의 프레임(#1)으로부터 프레임(#2)으로의 움직임 벡터를 검출한다.
이후, 선택기(30)가 프레임(#3)을 단자(a,b)로 출력할 때에 특징점 움직임 예측부(60)는 영상 신호의 특징점을 이용하여 선택기(30)의 프레임(#3)으로부터 제1 프레임 메모리(50)에 저장되어 있던 프레임(#2)로의 움직임 벡터를 검출한다. 여기서, 제3도(a)에 도시된 바와 같이 프레임(#1)으로부터 프레임(#2)으로의 움직임 벡터는 포워드 움직임 벡터로, 프레임(#3)으로부터 프레임(#2)으로의 움직임 벡터는 백워드 움직임 벡터라 칭하였다.
여기서 특징점이라 함은 물체의 움직임 나타내는 모든 화소들중 움직임을 나타낼 수 있는 점으로 정의된다. 이렇게 선택된 소정 프레임(#1 또는 #3)의 특징점들과 이 프레임과 비교되는 다른 프레임(#2)의 특징점에 대한 움직임 벡터가 결정되는데, 이때 각 움직임 벡터는 소정의 프레임(#1 또는 #3)의 특징점과 프레임(#2)의 해당 정합점간의 변위를 나타낸다. 각각의 특징점에 대한 정합점은 프레임(#1 또는 #3)의 탐색 영역에서 찾는데, 이때 탐색 영역은 해당 탐색점의 위치를 포함하는 소정의 크기로 정의된다. 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 되는 바, 이는 기존에도 출원된 있다.
즉, 다수의 특징점이 현재 프레임 전체에 불규칙적으로 분포해 있는데, 별로 표시된 비특징점에 대한 움직임 벡터는 반지름 dr＋da의 원의 경계에 포함되는 특징점들의 움직임벡터를 평균함으로써 구하게 된다.
이때 dr는 가장 가까운 특징점과 별표시를 한 화소 위치와의 거리이고, da은 움직임 벡터 계산에 이용되는 다른 특징점을 포함하도록 확장된 기설정된 반지름이다. 예를 들어, 가장 가까운 특징점이 Y이고, 특징점 X가 dr＋da의 경계에 포함된다면, 별표한 화소에 대한 움직임벡터(MVx,MVy)는 다음과 같이 계산된다.
여기에서,와는 각각 별표된 화소 위치로부터 특징점 X와 Y 까지의 거리이고; (MVx,MVy)x 와 (MVx,MVy)y는 각각 특징점에 대한 움직임 벡터들이다.
상술한 과정에 의하여 포워드 및 백워드 움직임 벡터를 검출한 특징점 움직임 예측부(60)는 제3도에서와 같이 이 포워드 및 백워드 벡터를 이용하여 움직임 보상된 영상 신호를 검출한다. 즉, 제3도(b)에 도시된 바와 같이 프레임(#1)로 부터 프레임(#2)으로의 포워드 움직임 보상 영상 신호(#1-2) 및 프레임(#3)으로부터 프레임(#2)으로의 백워드 움직임 보상 영상 신호(#3-2)를 각각 검출하고, 이들 신호를 평균한 양방향 움직임 보상 신호(#1-3)를 검출한다.
그리고, 포워드, 백워드 및 양방향 움직임 보상 영상 신호(#1-1), (#3-1), (#1-3)들은 원래 영상 신호 즉, 프레임(#2)과의 노이즈(잡음) 즉, PSNR(signal to noise ratio)을 계산한다.
영상 신호에 대한 노이즈 잡음 계산방식은,
MxN은 프레임의 블록 크기이고; x,y는 각 화소의 좌표 데이타이고; I(x,y)는 원영상의 프레임의 좌표이며; P(x,y)는 구하고자 하는 좌표이며, 255는 화소의 레벨값으로 규정된다.
이와같이 계산된 포워드, 백워드 및 양방향 움직임 보상 영상 신호(#1-1), (#3-1), (#1-3)들중 노이즈 잡음비가 좋은 어느 한 세트에 대한 프레임을 선택하고, 이 선택된 움직임 보상 영상 신호의 프레임에 대한 움직임 벡터는 라인(63)을 통해 엔트로피 부호기(48)로 전송됨과 동시에 제1 보호화기(70)의 감산기(72)로 제공된다. 여기서, 양방향 움직임 보상 영상 신호의(#1-3)의 움직임 벡터는 포워드및 백워드 움직임 벡터를 평균한 것이다.
한편, 프레임(#2)의 영상 신호는 감산기(72)에 제공되므로, 감산기(72)는 특징점 움직임 예측부(60)에서 출력되는 움직임 보상 영상 신호와 프레임(#2) 영상 신호와의 차분 영상 신호를 제1 DCT(74)에 인가한다. 여기서, 상술한 바와 같이 특징점 움직임 예측부(60)가 출력하는 움직임 보상 영상 신호는 프레임(#2)의 영상 신호와 가장 유사한 영상 신호이므로 감산기(72)의 차분 영상 신호는 극히 작은 값이 됨을 알 수 있다. 이러한 차분 영상 신호는 제1 DCT(74)에 의한 변환 계수로 변환 후 양자화기(76)에 의해 양자화되어 엔트로피 부호기(48)에 인가된다.
한편, 상기 특징점 움직임 예측부(60)는 프레임(#3)의 영상 신호가 종래의 부호화 과정이 행하여진 후에 프레임(#2)에 대한 영상 신호의 부호화가 행하여지므로 프레임 영상 신호들의 부호화는 #1→#3→#2→ #5→#4→, 의 순로 진행되며, 복호기에서는 이 원래 순서에 역순으로 복호화를 수행하게 된다.
상술된 바 있는 엔트로피 부호기(48)에서는 선택기(30)의 동작이 연동되어 부호화된 데이타를 전송하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연속적으로 인가되는 프레임 영상 신호에 대하여 소정 프레임(예컨대, 홀수 프레임)에 대하여는 일반 부호화 방법 즉, 블록간 움직임 보상 방법을 채용한 방법으로 부호화하나, 짝수 프레임에 대하여는 특징점 움직임 벡터를 백워드 및 포워드로 그리고, 이들의 평균값에 대응하는 움직임 벡터를 및 이 움직임 벡터들에 대응하는움직임 보상 영상 신호를 각각 검출하고, 검출된 움직임 보상 영상 신호들중 현재 입력되는 짝수 프레임과 가장 유사한 움직임 보상 신호를 이 입력 짝수 프레임과의 차분 영상 신호를구한 후 이 차분 영상 신호를 부호화하므로써 이 짝수 프레임의 부호화 데이타 량은 대폭 감소되며, 이에 따라 영상 신호의 전체 부호화 량이 대폭 감소될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 비록 특정 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 첨부된 청구범위의 사상과 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변경하여 실시 할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (3)

  1. 이전 프레임 영상 신호가 저장된 제2 프레임 메모리의 영상 신호와 입력 프레임 영상 신호간의 제1 움직임 보상 영상 신호를 검출하고, 제1 움직임 보상 영상 신호와 입력 프레임 영상 신호간의 제1 차분 영상 신호를 검출한 후, 상기 제1 차분 영상 신호를 DCT및 양자화한 후 엔트로피 부호기(48)로 엔트로피 부호화하여 송신하며, 상기 DCT및 양자화된 상기 제1 차분 영상 신호를 복호하여 상기 제1 움직임 보상 영상 신호와 가산 후 상기 제2 프레임 메모리(42)내에 상기 이전 프레임 신호로서 저장하는 영상 부호화 장치(100)에 있어서, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 제1 프레임 메모리(20)와; 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 단자(a)를 통하여 부호화 장치(100)에 인가하며, 연속적인 프레임 모두를 다른 단자(b)로 출력하는 선택기(10)와; 선택기의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호와 상기 제1 및 제2 프레임(20),(30)의 프레임 영상 신호들간의 움직임 벡터들을 검출하며, 상기 검출된 움직임 벡터들에 의한 움직임 보상 영상 신호들중 선택기(10)의 단자(b)로부터 제공되는 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 검출하여 제2 움직임 보상 영상 신호로서 출력하고, 상기 제2 움직임 보상 영상 신호를 지시하는 움직임 벡터를 엔트로피 부호기(48)에 제공하는 특징점 움직임 예측부(60)와; 상기 특징점 예측부(60)의 제2 움직임 보상 영상 신호와 상기 선택기(10)의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호를 감산하여 제2 차분 영상 신호로서 출력하는 감산기(72)와; 상기 감산기(72)의 제2 차분 영상 신호를 이산 코사인 변환시켜 출력하는 DCT부(74)와; 상기 DCT부(74)의 출력을 양자화하여 상기 엔트로피 부호기(48)에 인가하는 양자화기(76)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 특징점 움직임 예측부(60)는, 상기 제2 프레임(42)에 저장된 프레임의 영상 신호의 특징점으로부터 상기 선택기(30)의 단자(b)으로 출력되는 프레임 영상 신호에 대한 포워드 움직임 벡터를 검출하고, 상기 선택기의 단자(b)로부터 인가되는 프레임의 영상 신호의 특징점으로부터 상기 제1 프레임 메모리(40)로부터의 인가되는 프레임 영상 신호에 대한 백워드 움직임 벡터를 검출한 후, 상기 포워드및 백워드 움직임 벡터에 의한 포워드및 백워드 움직임 보상 영상 신호 및 이들을 이용한 양방향 움직임 보상 영상 신호들중 상기 선택기(10) 일단의 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 상기 제2 움직임 보상 신호로서 상기 감산기(72)에 인가하도록 구성된 동영상 부호화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 특징점 움직임 예측부(60)는, 상기 양방향 단위 움직임 보상-DCT는, 상기 포워드 움직임 보상 영상 신호및 상기 백워드 움직임 보상 영상 신호를 평균하여 구하도록 구성된 동영상 부호화장치.
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