KR100203294B1 - 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법 및 장치 - Google Patents

동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 동영상부호화시스템에서 동영상신호의 노이즈를 줄이기 위하여 필터링하는 데 있어 하드웨어 구성을 간단히 하면서 제어가 용이할 수 있도록 한 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 필터링에 필요한 현재프레임, 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 입력받아 저장하고 있는 프레임버퍼와, 이전프레임과 이후프레임 영상신호를 각각 기준으로 하여 현재프레임 영상신호와의 움직임추정 및 보상을 수행하는 복수개의 움직임추정 및 보상기와, 각각의 움직임 보상된 프레임과 현재프레임과의 매크로블록당 평균자승오차를 구하는 복수개의 뺄셈기, 및 각각의 구한 매크로블록의 평균자승오차와 일정값을 비교해서 필터링된 프레임을 구하는 연산기로 구성된다. 따라서, 본 발명은 입력되는 현재프레임의 영상신호를 부호화하기 전에 따로 필터링하여 부호화시의 압축효율을 높이면서 제어가 간단해지고 메모리양을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

Description

동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법 및 장치
본 발명은 디지탈 동영상처리에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 영상신호를 압축 부호화하기 전에 영상신호에 포함된 노이즈(noise)를 줄이기 위해 필터링하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
디지탈로 표현된 동영상을 CD-ROM과 같은 매체에 저장하거나 ISDN과 같은 통신채널을 통하여 전송하는 데 있어 데이타량을 줄이기 위해서 부호화한다. 부호화방식은 ITU의 H.263, ISO의 MPEG-1, MPEG-2의 국제적 표준들에 근거한다.
만약, 영상(image)에 노이즈가 있으면 부호화시의 압축 효율을 떨어뜨린다. 그래서, 영상신호를 부호화할 때 높은 압축효율을 보장할 수 있도록 영상신호의 노이즈를 줄이는 선행기술들이 제시되고 있다. 그중 영상신호를 필터링하여 노이즈를 줄이는 선행기술이 미국특허번호 제 5,438,374호의 System and Method for Filtering Video Signals에 개시되어 있다. 이에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 간략하게 설명하며, 보다 구체적인 내용은 공보를 참조하기 바란다.
선행기술은 부호화방식 즉, I-픽쳐(Intra coded picture; 인트라부호화화상), P-픽쳐(Predictive-coded picture; 전방예측부호화화상), B-픽쳐(Bidirectionally predictive-coded picture; 양방향예측부호화화상)에 대해 필터링방식이 다르며, 도 1은 B-픽쳐를 위한 필터링을 구현한 블록도를 나타낸다.
도 1에서, 프레임버퍼(Frame Buffer)(11)는 필터링에 필요한 프레임들을 저장한다. B-픽쳐 프레임을 필터링할 때는 현재프레임에 대해 시간적으로 이전에 위치한 P-픽쳐 프레임을 이전 기준프레임으로, 시간적으로 이후에 위치한 P-픽쳐 프레임을 이후 기준프레임으로 하여 프레임버퍼(11)에 저장된다. 제 1움직임추정 및 보상기(Motion Estimator and Predictor)(12)는 프레임버퍼(11)로부터 이전프레임과 현재프레임의 영상신호를 입력받으며, 입력된 이전프레임의 영상신호를 기준으로 해서 움직임추정 및 보상을 하여 움직임 보상된 프레임을 만든다. 움직임 보상된 프레임을 입력받는 제 1스위치부(Switch Rule)(13)는 하기 수학식 1과 2와 같이 현재프레임(fn)과 이전 기준프레임과의 매크로블록(macroblock; MB)단위의 평균자승오차(mean square error)(nomcSE)와 현재프레임(fn)과 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임과의 매크로블록단위의 평균자승오차(mcSE)를 구한다.
[수학식 1]
Figure kpo00001
[수학식 2]
Figure kpo00002
여기서, Xn(i,j)는 현재프레임(fn)의 화소, Xr(i,j)는 이전 기준프레임의 화소, Xr′(i,j)는 움직임 보상된 프레임의 화소이다.
제 1스위치부(13)는 위의 수학식 1 및 2를 통해 얻어지는 값(nomcSE,mcSE)을 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링에 적합한 프레임을 선택한다. 즉, 작은 값의 매크로블록으로 필터링을 위한 프레임
Figure kpo00003
을 구성한다. 제 1프레임차계산기(Calculate Frame Difference)(14)는 프레임버퍼(11)에서 출력되는 현재프레임(fn)과 제 1스위치부(13)에서 선택된 프레임
Figure kpo00004
과의 차(e)를 계산한다. 제 1비선형연산기(15)는 도 2에 나타낸 그래프와 같은 특성을 갖으며, 이는 제 1프레임차계산기(14)에서 계산한 프레임차(e)에 따라 가중값(weighting factor; α)을 구한다. 이 가중값(α)은 곱셈기(16)를 통해 프레임차(e)에 곱해지고, 덧셈기(17)를 통해 선택된 프레임
Figure kpo00005
에 더해져 필터링값(fn′)을 구한다. 이는 다음 수학식 3으로 표현된다.
[수학식 3]
Figure kpo00006
한편, 제 2움직임추정 및 보상기(18)에서는 프레임버퍼(11)로부터 현재프레임과 이후프레임의 영상신호를 입력받으며, 입력된 이후프레임의 영상신호를 기준으로 해서 움직임추정 및 보상을 하여 움직임 보상된 프레임을 만든다. 제 2스위치부(19)는 이전 기준프레임에서의 처리와 동일한 방식으로 현재프레임(fn)과 이후 기준프레임과의 매크로블록단위의 평균자승오차(nomcSE)와 현재프레임(fn)과 이후 프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임과의 매크로블록단위의 평균자승오차(mcSE)를 구한다. 제 2스위치부(19)는 각각의 평균자승오차(nomcSE,mcSE)를 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링에 적합한 프레임을 선택한다. 즉, 작은 값의 매크로블록으로 필터링을 위한 프레임
Figure kpo00007
을 구성한다. 제 2프레임차계산기(20)는 필터링값(fn′)과 제 2스위치부(19)에서 선택된 프레임
Figure kpo00008
과의 차(e′)를 구한다. 제 2비선형연산기(21)는 제 1비선형연산기(14)와 마찬가지로 도 2에 나타낸 그래프와 같은 특성을 갖으며, 제 2프레임차계산기(20)에서 계산된 차(e′)에 대응하는 가중값(α′)을 계산한다. 이는 곱셈기(22)를 통해 제 2프레임차계산기(20)에서 계산된 프레임차(e′)와 곱해지고, 곱셈기(22)의 출력은 덧셈기(23)를 거치면서 제 2스위치부(19)에서 선택된 프레임
Figure kpo00009
과 더해져서 최종 필터링된 프레임
Figure kpo00010
으로 출력된다. 이는 다음 수학식 4로 표현된다.
[수학식 4]
Figure kpo00011
만약, P-픽쳐를 위한 필터링의 경우에는 이후프레임을 기준으로 해서 움직임추정 및 보상을 하는 도 1의 제 2움직임추정 및 보상기(18)와 제 2스위치부(19) 없이 프레임버퍼(11)에서 출력되는 이후 프레임(fn+1)을 바로 제 2프레임차계산기(20)로 인가하여 필터링한다. I-픽쳐를 위한 필터링의 경우에는 움직임추정 및 보상과정없이 프레임버퍼(11)에서 출력되는 이전 및 이후프레임만을 갖고 필터링한다.
이처럼, 종래에는 동영상부호화시 I, P, B-픽쳐에 대해서 다른 방법으로 필터링을 하므로 최소한 프레임버퍼에 4프레임을 저장해 두어야 한다. 이는 부호화과정이 같이 연결되어서 필터링이 진행되기 때문에 하드웨어가 복잡해지고 제어하기가 어려워지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 부호화과정과 분리해서 I, P, B-픽쳐의 구분없이 이전, 현재, 이후의 3프레임만을 이용하여 필터링을 하도록 하여 하드웨어구성을 간단히 하며, 제어가 용이한 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법을 하드웨어로 구현하기 위한 장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래 영상신호의 노이즈 감소를 위한 필터링장치의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 2는 도 1 장치의 비선형연산기에서 프레임차(e)에 대응하는 가중값(α)을 나타낸 특성 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링장치를 나타내는 블록도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 프레임버퍼 32,33 : 움직임추정 및 보상기
34,35 : 뺄셈기 36 : 연산기
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법은, 동영상부호화시스템에서, 현재프레임과 이전프레임 및 이후프레임을 이용하여 영상신호의 노이즈를 줄이기 위한 필터링방법에 있어서, (1) 이전프레임을 기준으로 하여 현재프레임과의 움직임 추정 및 보상을 수행하는 단계와, (2) 이후프레임을 기준으로 하여 현재프레임과의 움직임 추정 및 보상을 수행하는 단계와, (3) 상기 각각의 움직임 보상된 프레임과 현재프레임과의 매크로블록단위 평균자승오차를 구하는 단계, 및 (4) 상기 각각의 매크로블록단위 평균자승오차와 일정값을 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링된 프레임을 구하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링장치는, 동영상부호화시스템에서, 영상신호의 노이즈를 줄이기 위한 필터링장치에 있어서, 현재프레임과 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 입력받아 저장하는 프레임버퍼와, 상기 프레임버퍼에 저장된 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 각각 기준으로 하여 현재프레임 영상신호와의 움직임 추정 및 보상을 수행하여 각각 움직임 보상된 프레임 영상신호를 출력하는 복수개의 움직임 추정 및 보상기와, 상기 복수개의 움직임 추정 및 보상기에 대응하게 연결되어 각각의 움직임 보상된 프레임 영상신호를 입력받으며, 각각의 움직임 보상된 프레임 영상신호와 현재프레임 영상신호와의 매크로블록단위 평균자승오차를 각각 구하는 복수개의 뺄셈기, 및 상기 복수개의 뺄셈기에서 출력되는 각각의 매크로블록단위 평균자승오차와 일정값을 서로 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링된 프레임을 구하는 연산기를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링장치를 나타내는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 필터링에 필요한 프레임단위 영상신호를 입력받아 저장하고 있는 프레임버퍼(31)와, 프레임버퍼(31)에 저장된 이전프레임과 이후프레임의 영상신호를 각각 기준으로 해서 현재프레임 영상신호와의 움직임 추정 및 보상을 수행하기 위한 복수개의 움직임추정 및 보상기(32,33)를 구비하고 있다. 또한, 움직임추정 및 보상기(32,33)에 대응하게 연결되며 현재프레임과 움직임 보상된 프레임과의 오차를 구하는 복수개의 뺄셈기(34,35)와, 복수개의 뺄셈기(34,35)에서 구한 오차를 이용하여 필터링된 프레임의 영상신호를 구하는 연산기(36)를 구비하도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 필터링장치에서, 프레임버퍼(31)는 필터링에 필요한 현재프레임, 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 입력받아 저장한다. 복수개의 움직임추정 및 보상기(32,33) 각각은 이전프레임과 이후프레임 영상신호를 기준으로 하여 현재프레임 영상신호와의 움직임추정 및 보상을 수행하여 움직임 보상된 프레임(fp,ff)을 만들고, 이를 대응하는 뺄셈기(34,45)로 출력한다. 복수개의 뺄셈기(34,35)는 각각 움직임 보상된 프레임(fp,ff)과 현재프레임과의 매크로블록당 평균자승오차(Ep,Ef)를 다음 수학식 5와 6를 통해 구한다.
[수학식 5]
Figure kpo00012
[수학식 6]
Figure kpo00013
여기서, Xn(i,j)는 현재프레임(fn)의 화소, Xp′(i,j)는 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(fp)의 화소, Xf′(i,j)는 이후프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(ff)의 화소이다.
한편, 연산기(36)는 프레임버퍼(31)로부터 현재프레임(fi)을 입력받고, 움직임추정 및 보상기(32,33)로부터 움직임 보상된 프레임(fp,ff)을 입력받으며, 뺄셈기(34,35)로부터 현재프레임(fi)과 움직임 보상된 프레임(fp,ff)간의 매크로블록단위 평균자승오차(Ep,Ef)를 입력받아 필터링된 프레임(fo)을 출력한다. 즉, 연산기(36)는 하기에 기술한 방식과 같이 매크로블록의 평균자승오차(Ep,Ef)를 일정값 T와 비교해서 각 경우에 대해 필터링계산을 한다. 여기서, 평균자승오차가 T 보다 클때는 장면전환으로 간주해서 필터링계산을 하지 않는다.
if((Ep〈T) and (Ef〈T))
MBo(i,j) = [MBp(i,j) + MBi(i,j) + MBf(i,j)]/3
else if ((Ep〈T) and (Ef〉T))
MBo(i,j) = [MBp(i,j) + MBi(i,j)]/2
else if ((Ep〉T) and (Ef〈T))
MBo(i,j) = [MBi(i,j) + MBf(i,j)]/2
else
MBo(i,j) = MBi(i,j)
여기서, MBp(i,j)는 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(fp)의 매크로블록, MBi(i,j)는 현재프레임(fi)의 매크로블록, MBf(i,j)는 이후프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(ff)의 매크로블록, MBo(i,j)는 필터링된 프레임(fo)의 매크로블록이다.
위에서 기술한 방식에 근거한 연산기(36)는 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(fp)과 현재프레임(fi)간의 매크로블록단위 평균자승오차(Ep)(이하, 제 1오차라 함)와 이후프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(ff)과 현재프레임(fi)간의 매크로블록단위 평균자승오차(Ef)(이하, 제 2오차라 함)가 모두 일정값 T 보다 작으면 입력된 움직임 보상된 프레임(fp,ff)의 해당 매크로블록과 현재프레임(fi)의 해당 매크로블록의 평균을 취하여 필터링된 프레임(fo)의 해당 매크로블록으로 구한다. 연산기(36)는 또한, 제 1오차(Ep)가 T 보다 작고 제 2오차(Ef)가 T 보다 크면 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(fp)의 해당 매크로블록과 현재프레임(fi)의 해당 매크로블록의 평균을 취하여 필터링된 프레임(fo)의 해당 매크로블록으로 구하며, 반대의 경우에는 이후프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임(ff)의 해당 매크로블록과 현재프레임(fi)의 해당 매크로블록의 평균을 취하여 필터링된 프레임(fo)의 해당 매크로블록을 구한다. 그리고, 연산기(36)는 제 1오차(Ep)와 제 2오차(Ef) 모두 T 보다 크면 현재프레임(fi)의 해당 매크로블록을 그대로 필터링된 프레임(fo)의 해당 매크로블록으로 구한다.
이 외에도, 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임과 현재프레임만으로 오차를 구한 후 그 값에 따라서 필터링을 실시할 수도 있으며, 움직임추정 및 보상을 하지 않고 이전프레임과 현재프레임만으로 오차를 구해서 그 값에 따라서 필터링을 실시할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 동영상부호화시스템에서의 노이즈 감소를 위한 필터링방법 및 장치에 관한 것으로 각 프레임을 부호화할 때처럼 I, P, B-픽쳐로 나누어서 각각 다른 방법으로 필터링을 하며, 부호화과정과 같이 연결되어 필터가 동작하므로 제어하기 복잡하던 종래에 비해서 부호화전에 따로 I, P, B-픽쳐의 구분없이 필터링만을 실시하므로 제어가 간단하고 메모리양도 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (10)

  1. 동영상부호화시스템에서, 현재프레임과 이전프레임 및 이후프레임을 이용하여 영상신호의 노이즈를 줄이기 위한 필터링방법에 있어서,
    (1) 이전프레임을 기준으로 하여 현재프레임과의 움직임 추정 및 보상을 수행하는 단계;
    (2) 이후프레임을 기준으로 하여 현재프레임과의 움직임 추정 및 보상을 수행하는 단계;
    (3) 상기 각각의 움직임 보상된 프레임과 현재프레임과의 매크로블록단위 평균자승오차를 구하는 단계; 및
    (4) 상기 각각의 매크로블록단위 평균자승오차와 일정값을 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링된 프레임을 구하는 단계를 포함하는 필터링방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 (4) 단계는 상기 평균자승오차와 일정값을 비교하여 평균자승오차가 일정값 보다 크면 장면전환의 경우로 판단하여 필터링하지 않는 것을 특징으로 하는 필터링방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 (4) 단계는 이전프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임과 현재프레임간의 매크로블록단위 평균자승오차(Ep)와 이후프레임을 기준으로 움직임 보상된 프레임과 현재프레임간의 매크로블록단위 평균자승오차(Ef) 모두 일정값 보다 작으면 움직임 보상된 프레임들과 현재프레임의 해당 매크로블록의 평균을 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 구하는 것을 특징으로 하는 필터링방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 (4) 단계는 상기 평균자승오차(Ep,Ef)중 하나만 일정값 보다 작으면 그에 해당하는 움직임 보상된 프레임과 현재프레임의 해당 매크로블록의 평균을 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 구하는 것을 특징으로 하는 필터링방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 (4) 단계는 상기 평균자승오차(Ep,Ef) 모두 일정값 보다 크면 현재프레임의 해당 매크로블록을 그대로 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 구하는 것을 특징으로 하는 필터링방법.
  6. 동영상부호화시스템에서, 영상신호의 노이즈를 줄이기 위한 필터링장치에 있어서,
    현재프레임과 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 입력받아 저장하는 프레임버퍼;
    상기 프레임버퍼에 저장된 이전프레임 및 이후프레임 영상신호를 각각 기준으로 하여 현재프레임 영상신호와의 움직임 추정 및 보상을 수행하여 각각 움직임 보상된 프레임 영상신호를 출력하는 복수개의 움직임 추정 및 보상기;
    상기 복수개의 움직임 추정 및 보상기에 대응하게 연결되어 각각의 움직임 보상된 프레임 영상신호를 입력받으며, 각각의 움직임 보상된 프레임 영상신호와 현재프레임 영상신호와의 매크로블록단위 평균자승오차를 각각 구하는 복수개의 뺄셈기; 및
    상기 복수개의 뺄셈기에서 출력되는 각각의 매크로블록단위 평균자승오차와 일정값을 서로 비교하며, 비교결과에 근거하여 필터링된 프레임을 구하는 연산기를 포함하는 필터링장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 필터링장치는 입력되는 현재프레임 영상신호를 부호화하기 전에 따로 필터링하는 것을 특징으로 하는 필터링장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 연산기는 상기 복수개의 뺄셈기에서 출력되는 각각의 매크로블록단위 평균자승오차가 일정값 보다 작으면 상기 복수개의 움직임 추정 및 보상기에서 출력되는 각각의 움직임 보상된 프레임의 해당 매크로블록과 현재프레임의 해당 매크로블록의 평균을 구하여 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 출력하는 것을 특징으로 하는 필터링장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연산기는 상기 복수개의 뺄셈기에서 출력되는 각각의 매크로블록단위 평균자승오차가 일정값 보다 크면 상기 프레임버퍼에서 출력되는 현재프레임의 해당 매크로블록을 그대로 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 출력하는 것을 특징으로 하는 필터링장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 연산기는 상기 복수개의 뺄셈기에서 출력되는 각각의 매크로블록단위 평균자승오차중 하나가 일정값 보다 작으면 상기 복수개의 움직임 추정 및 보상기에서 출력되는 각각의 움직임 보상된 프레임중 그에 대응하는 움직임 보상된 프레임의 해당 매크로블록과 현재프레임의 매크로블록의 평균을 구하여 필터링된 프레임의 해당 매크로블록으로 출력하는 것을 특징으로 하는 필터링장치.
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