KR100203707B1

KR100203707B1 - 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템

Info

Publication number: KR100203707B1
Application number: KR1019960013793A
Authority: KR
Inventors: 김종일
Original assignee: 전주범; 대우전자주식회사
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR970073140A

Abstract

본 발명은, 물체의 움직임 추정 및 보상을 통해 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보에 근거하여 현대 부호화하고자 하는 영상의 복잡도를 산출하고, 그 산출결과에 의거하여 양자화시의 고주파 성분에 대한 가중치를 조절함으로써, 부호화후의 비트 발생량을 적응적으로 조절할 수 있도록 한 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 에러신호에 대해 각 매크로 블록 단위로 각 픽셀값을 가산하여 움직임 보상 오차값을 산출하고, 각각 산출된 각 매크로 블록의 움직임 보상 오차값들을 평균하여 기설정된 복수의 이전 프레임에 대한 움직임 평균 오차값을 산출하는 움직임 오차 계산 수단; 및 산출된 복수의 프레임의 평균 오차값을 부호화 수단을 통해 현재 부호화하고자 하는 프레임의 복잡도로서 참조하며, 이산 코사인 변환을 통해 발생된 각 DCT 변환계수 블록들의 저역 통과 필터링시 그 대역폭을 적응적으로 제한하는 기설정된 복수의 가중치들중 산출된 평균 오차값에 대응하는 가중치를 결정하여 부호화 수단에 제공하는 가중치 발생 수단을 더 포함하고, 부호화 수단은, 각 DCT 변환계수 블록들에 대한 양자회전에 결정된 가중치에 의거하여 각 DCT 변환계수 블록들의 통과 주파수 대역을 제한하여, 각 DCT 변환계수 블록들의 고주파 성분을 선택적으로 필터링 함으로써, 양자화 단계에서의 과도한 스텝 사이즈의 증가 없이 부호화후 발생되는 비트량을 효과적으로 조절할 수 있는 것이다.

Description

비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템(IMPROVED IMAGE CODING SYSTEM HAVING FUNCTIONS FOR CONTROLLING GENERATED AMOUNT OF CODED BIT STREEM)

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템의 블록구성도

제2도는 본 발명에 따라 일예로서 8×8 픽셀 블록에 대하여 그 복잡도에 의거하여 결정되는 가중치 결정 영역을 도시한 도면

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100,170 : 프레임 메모리 110 : 감산기

120 : 영상부호화 블록 130 : 엔트로피 부호화 블록

140 : 전송 버퍼 150 : 영상 복호화 블록

160 : 가산기 180 : 현재 프레임 예측 블록

210 : 움직임 오차 계산 블록 220 : 가중치 발생 블록

본 발명은 영상신호를 압축 부호화하는 영상 부호화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 움직임 보상 차분 펄스 부호변조(MC-DPCM) 기법을 이용하여 영상신호를 압축 부호화할 때, 발생하는 움직임 보상 오차값에 근거하여 예측되는 입력 영상신호의 복잡도(Variance)를 참조하여 부호화후의 발생 비트량을 적응적으로 조정하는 데 적합한 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템에 관한 것이다.

이 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 이산된 영상신호의 전송은 아날로그신호보다 좋은 화질을 유지할 수 있다. 일련의 이미지 프레임 으로 구성된 비디오 신호가 디지털 형태로 표현될 때, 특히 고품질 텔레비젼(일명 HDTV 라함)의 경우 상당한 양의 데이터가 전송되어야 한다. 그러나 종래의 전송 채널의 사용 가능한 주파수 영역은 제한되어 있으므로, 많은 양의 디지털 데이터를 전송하기 위해서는 전송되는 데이터를 압축하여 그 양을 줄일 필요가 있다. 이와 같이 데이터를 압축하는 다양한 압축 기법 중에서, 확률적 부호화 기법과 시간적, 공간적 압축기법을 결합한 하이브리드 부호화 기법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있으며, 이러한 기법들은, 예를 들면 세계 표준화 기구에 의해 그 표준안이 이미 제정된 MPEG-1 및 MPEG-2 등의 권고안에 광범위하게 개시되어 있다.

대부분의 하이브리드 부호화 기법은 움직임 보상 DPCM (차분펄스 부호 변조), 2차원 DCT (이산 코사인 변환), DCT 계수의 양지화, VLC(가변장 부호화)등을 이용한다. 움직임 보상DPCM은 현재 프레임과 이전 프레임간의 물체의 움직임을 결정하고, 물체의 움직임에 따라 현재 프레임을 예측하여 현재 프레임과 예측치간의 차이를 나타내는 차분신호를 만들어내는 방법이다. 이 방법은 예를 들어 Staffan Ericsson 의 Fixed and Adaptive Predictors for Hybrid Predictive/Transform Coding, IEEE Transactions on Communication, COM-33, NO.12 (1985년, 12월), 또는 Ninomiy와 Ohtsuka의 A motion Compensated Interframe Coding Scheme for Television Pictures, IEEE Transactions on Communication, COM-30, NO.1 (1982년, 1월)에 기재되어 있다.

일반적으로, 이차원 DCT 는 영상 데이터간의 공간적 리던던시를 이용하거나 제거하는 것으로써, 디지털 영상 데이터 블록, 예를 들면 8 X 8 블록을 DCT 변환계수로 변환한다. 이 기법은 Chen 과 Pratt 의 Scene Adaptive Coder, IEEE Transactions on Communication, COM-32, NO.3 (1984년, 3월)에 개시되어 있다. 이러한 DCT 변환계수는 양자화기, 지그재그 주사, VLC 등을 처리됨으로써 전송할 데이터의 양을 효과적으로 감축(또는 압축)할 수 있다.

보다 상세하게, 움직임 보상 DPCM에서는 현재 프레임과 이전 프레임간에 추정된 물체의 움직임에 따라, 현재 프레임을 이전 프레임으로 부터 예측한다. 이와 같이 추정된 움직임은 이전 프레임과 현재 프레임간의 변위를 나타내는 2차원 움직임 백터로 나타낼 수 있다.

통상적으로, 물체의 변위를 추정하는 데에는 여러가지 접근방법이 있다. 이들은 일반적으로 두 개의 타입으로 분류되는데, 그중 하나는 블록 매칭 알고리즘을 이용하는 블록단위 움직임 추정방법이고 다른 하나는 화소순환 알고리즘을 이용하는 화소단위 움직임 추정방법이다.

상기와 같이 물체의 변위를 추정하는 움직임 추정방법중, 화소단위 움직임 추정방법을 이용하면 변위는 각각의 화소 전부에 대해 구해진다. 이러한 방법은 화소값을 더 정확히 추정할 수 있고 스케일변화(예를 들어, 영상면에 움직임인 주밍(zooming))도 쉽게 다룰수 있다는 장점을 갖는 반면에, 움직임 벡터가 모든 화소 각각에 대해 결정되기 때문에, 다량의 움직임 벡터들이 발생하는 데 실질적으로 모든 움직임 벡터를 수신기로 전송한다는 것은 불가능하다.

또한, 블록단위 움직임 추정에서는, 현재 프레임의 소정 크기의 블록을 이전 프레임의 소정 범위의 탐색영역내에서 한 화소씩 이덩하면서 대응 블록들과 비교하여 그 오차값이 최소인 최적정합블럭을 결정하며, 이것으로 부터, 전송되는 현재 프레임에 대해 블록 전체에 대한 프레임간 변위 벡터(프레임간에 블록이 이동한 정도)가 추정된다. 여기에서, 현재 프레임과 이전 프레임간의 대응하는 두 블록간의 유사성 판단은, 이 기술 분야에 잘 알려진 바와같은, 평균절대차와 평균 제곱차 등이 주로 사용된다.

한편, 상술한 바와같은 부호화 기법, 즉 움직임 보상 DPCM, 2차원DCT, DCT 계수의 양자화 및 VLC(또는 엔트로피 부호화) 등의 부호화기법을 통해 부호화된 영상 비트 스트림은 영상 부호화 시스템의 출력측에 구비되는 전송 비퍼에 저장 다음 전송시점이 되면 원격지 수신측으로의 송신을 위해 전송기로 보내진다. 이때, 여기에서의 전송시점은 전송 버퍼의 크기(즉, 용량)와 전송율에 관계되며, 전송버퍼에서의 오동작(데이터 오버플로우(overflow) 또는 데이터 언더플로우(underflow)이 발생하지 않도록 제어된다.

보다 상세하게, 여러 가지 요인(예를 들면, 영상의 복잡도)으로 인해 부호화시에 각 프레임마다 발생되는 비트량이 달라지게 되는데, 이러한 점을 고려하여 영상 부호화 시스템에서는, 평균 전송율이 일정하게 유지될 수있도록 출력측 전송 버퍼의 제어를 수행한다. 즉, 영상 부호화 시스템에서는 출력측 전송 버퍼의 테이터 충만상태 정보에 근거하여 현재 부호화하고 있는 프레임 이전까지의 비트 발생량을 조사하고 있다가 현재 프레임에서 할당해야 하는 비트량을 조절한다. 다시말해, 종래의 전형적인 영상 부호화 시스템에서는 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 의거하여 실질적으로 양자화 스텝 사이즈(QP)를 제어함으로써 부호화 시스템에서의 발생 비트량을 조절, 즉 이전까지 비트 발생량이 많으면 양자화 스텝 사이즈를 크게 조절하여 비트 발생량을 졸이고, 이와 반대의 경우에는 양자화 스텝 사이즈를 작게 조필하여 비트 발생량을 늘리는 등의 방법을 통해 비트 발생량을 조절하고 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태정보에 의거하여 양자화 스탭 사이즈를 조절함으로써 비트 발생량을 조절하는 종래방법은, 각 프레임에 해당하는 영상 테이터를 동일한 전송율로 부호화하여 전송하고자 하는 경우에 있어서, 부호화하고자 하는 영상이 복잡한 경우(고주파 성분이 다량 발생)에는 비트 발생량이 많아지게 되는데 이로 인해 양자화 스텝 사이즈가 커져 결과적으로 재생 영상에서의 심각한 화질열화가 야기된다는 문제를 갖는다. 여기에서 발생하는 고주파 성분은 실질적으로 인간의 시각특성에 매우 둔감한 성분(재생 영상의 화질에 거의 영향을 미치지 않는 성분)이다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물체의 움직임 추정 및 보상을 통해 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보에 근거하여 현재 부호화하고자 하는 영상의 복잡도를 산출하고, 그 산출결과에 의거하여 양자화시의 고주파 성분에 대한 가중치를 조절함으로써, 부호화후의 비트 발생량을 적응적으로 조절할 수 있는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력되는 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 매크로 블록단위의 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 에러신호에 대해 이산코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화를 포함하는 부호화 수단을 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 충만상태 정보에 의거하여 그 스텝 사이즈가 조절되는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템에 있어서, 상기 에러신호에 대해 각 매크로 블록 단위로 각 픽셀값을 가산하여 움직임 보상 오차값을 산출하고, 각각 산출된 각 매크로 블록의 움직임 보상 오차값들을 평균하여 기설정된 복수의 이전 프레임에 대한 움직임 평균 오차값을 산출하는 움직임 오차 계산 수단; 및 상기 산출된 복수의 프레임의 복잡도로서 참조하며, 상기 이산 코사인 변환을 통해 발생된 각 DCT변환계수 블록들의 저역 통과 필터링시 그 대역폭을 적응적으로 제한하는 기설정된 복수의 가중치들중 상기 산출된 평균 오차값에 대응하는 가중치를 결정하여 상기 부호화 수단에 제공하는 가중치 발생 수단을 더 포함하고, 상기 부호화 수단은, 상기 각 DCT변환계수 블록들에 대한 양자화전에 상기 결정된 가중치에 의거하여 상기 각 DCT변환계수 블록들의 통과 주파수 대역을 제한함으로써, 상기 각 DCT변환계수 블록들의 고주파 성분을 선택적으로 필터링하는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상부호화 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로 부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템에 대한 블록구성도를 나타낸다. 동도면에 된 바와 같이, 본 발명의 영상 부호화 시스템은 제1프레임 메모리(100), 감산기(110), 영상 부호화 블록(120), 엔트로피 부호화 블록(130), 전송 버퍼(140), 영상 복호화 블록(150), 가산기(160), 제2프레임 메모리(170), 현재 프레임 예측 블록(180), 움직임 오차 계산 블록(210) 및 가중치 발생 블록(220)을 포함한다.

제1도를 참조하면, 입력되는 현재 프레임 신호는 제1프레임 메모리(100)에 저장된 다음 라인 L11을 감산기(110)와 현재 프레임 예측 블록(180)에 각각 제공된다.

먼저, 감산기(110)에서는 라인 L11을 통해 제1프레임 메모리(100)에서 제공되는 현재 프레임 신호로 부터 라인 L19를 통해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(180)으로 부터 제공되는 이동 물체에 대하여 움직임 보상된 예측된 현재 프레임 신호를 감산하며, 그 결과 테이타, 즉 차분화소값을 나타내는 에러신호를 라인 L12 상에 발행한다. 그런다음, 라인 L12상의 에러신호는 영상 부호화 블록(120)을 통해 이산 코사인 변환(DCT)과 이 기술 분야에서 잘 알려진 양자화 방법들중의 어느 하나를 이용함으로서, 일련의 양자화된 DCT 변환계수들로 부호화된다. 이때, 영상 부호화 블록(120)에서의 에러신호에 대한 양자화는 라인 L21을 통해 후술되는 출력측 전송 버퍼(140)로 부터 제공되는 테이타 충만상태 정보에 따라 결정되는 양자화 파라메터(QP)에 의거하여 그 스텝 사이즈가 조절된다.

또한, 본 발명에 따라, 라인 L12상의 에러 신호는 후술되는 움직임 오차 계산 블록9210)으로 제공되며, 움직임 오차 계산 블록(210)은 라인 L12상의 에러신호를 가산함으로써, 각 프레임의 움직임 보상 오차값을 산출하는 데, 이와 같이 산출된 움직임 보상 오차값을 이용하여 부호화하고자 하는 프레임의 복잡도를 계산하며, 본 발명에서는 이와 같이 계산된 복잡도에 근거하여 영상부호화 블록(120)에서의 양자화 단계에서 인간의 시각특성에 비교적 둔감한 고주파 성분을 적응적(또는 선택적)으로 제거(즉, 필터링)한다

즉, 제1도에서의 상세한 도시는 생략되었으나 영상 부호화블럭(120)에 구비되는 양자화기에서는, 본 발명에 따라 후술되는 가중치 발생블록(220)으로 부터 제공되는 산출된 움직임 보상 오차값 정보에 근거한 가중치를 이용하여 양자화 단계에서 인간의 시각특성에 비교적둔감한 고주파 성분을 제거(즉, 필터링)를 결정한다. 즉, 영상 부호화블록(120)내의 양자화기에서는 양자화 단계에서의 저역 통과 필터링시에 제한되는 주파수 대역폭을 적응적(또는 선택적)으로 제한한다. 따라서, 본 발명에서는 부호화된 비트 발생량의 증가가 수반되는 복잡한 영상이라 할지라도 재생 영상에서의 화질열화를 야기시키는 양자화 스텝 사이즈를 적절하게 조절할 수 있다. 이와 같이 산출된 움직임 보상 오차값 정보에 근거해 설정되는 가중치를 이용하여 양자화 단계에서의 저역 통과 필터링시에 그 대역폭을 적응적으로 제한하는 구체적인 과정에 대해서는 후에 상세하게 기술될 것이다.

다음에, 라인L13상의 양자화된 DCT 변환계수들은 엔트로피 부호화 블록(130)과 영상 복호화 블록(150)으로 각각 보내진다. 여기에서, 엔트로피 부호화 블록(130)에 제공된 양자화된 DCT 변환계수들은, 예를 들면 가변길이 부호화 기법등을 통해 부호화되어 출력측의 전송 버퍼(140)에 제공되며, 이와 같이 부호화된 영상신호는 수신측으로의 전송을 위해 도시 생략된 전송기로 전달한다.

한편, 영상 부호화 블록(120)으로 부터 영상 복호화 블록(150)에 제공되는 라인 L13상의 양자화된 DCT 변환계수들은 역양자화 및 역이산 코사인 변환을 통해 다시 복원된 프레임 신호로 변환된 다음, 가산기(160)에 제공되며, 가산기(160)에서는 영상 복호화 블록(150)으로 부터의 복원된 프레임 신호와 라인 L19를 통해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(180)으로 부터 제공되는 예측된 현재 프레임신호를 가산하여 재구성된 이전 프레임 신호를 생성하며, 이와 같이 재구성된 이전 프레임 신호는 제2프레임 메모리(170)에 저장된다. 따라서, 이러한 경로를 통해 부호화 처리되는 매 프레임에 대한 바로 이전 프레임 신호가 계속적으로 갱신되며, 이와 같이 갱신되는 재구성된 이전 프레임 신호는 움직임 추정, 보상을 위해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(180)으로 제공된다.

다른한편, 현재 프레임 예측 블록(180)에서는, 전술한 제1프레임 메모리(100)로 부터 제공되는 라인 L11상의 현재 프레임 신호와 상기한 제2프레임 메모리(170)로 부터 제공되는 라인 L15 상의 재구성된 이전 프레임 신호에 기초하여 블록 매칭 알고리즘을 이용해 재구성된 이전 프레임의 기설정 탐색범위(예를 들면, 16×16 또는 32×32탐색범위)에서 소정의 블록(예를 들면, 8×8 또는 16×16 DCT블록)단위로 현재 프레임을 예측한 다음 라인 L19상에 예측된 현재 프레임 신호를 발생하여 상술한 감산기(110)와 가산기(160)에 각각 제공한다. 이때, 라인 L19상의 스위치(SW)는 도시 생략된 시스템 제어기로 부터의 제어신호(CS)에 따라 그 접점이 온/오프되는 것으로, 스위치(SW)가 온 일때는 현재의 부호화 모드가 인터모드임을 의미하고 반대로 오프일때는 현재의 부호화 모드가 인트라 모드임을 의미한다. 따라서, 감산기(110)에서는 인터모드 부호화시에 현재 프레임 신호와 예측 프레임 신호간의 에러신호를 영상 부호화 블록(120)에 제공하고, 인트라 모드 부호화시에 현재 프레임 신호 자체를 영상 부호화 블록(120)에 제공한다.

또한, 현재 프레임 예측 블록(180)은 선택되는 각 블록(8×8 또는 16×16 블록)들에 대한 움직임 벡터들의 세트를 라인 L17 상에 발생하여 전술한 엔트로피 부호화 블록(130)에 제공한다. 여기에서, 검출되는 움직임 벡터들의 세트들은 현재 프레임의 블록(8×8 블록 또는 16×16 블록)과 이전 프레임내의 기설정 탐색영역(예를 들면, 16×16 또는 32×32 탐색범위)에서 예측된 가장 유사한 블록간의 변위이다. 따라서, 전술한 엔트로피 부로화 블록(130)에서는 라인 L17 상의 움직임 벡터들의 세트들과 더불어 라인 L13 상의 양자화된 DCT변환계수들은, 예를 들면 가변길이 부호화 기법등을 통해 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생한다.

한편, 본 발명의 움직임 오차 계산 블록(210)에서는 움직임 보상 과정에서 발생되는 오차를 계산하는 데, 이러한 움직임 보상 오차값은 소정 블록단위(모든 MPEG 스펙에서는 움직임 추정이 16×16 단위(즉, 매크로 블록)의 블록으로 수행되며, 이 경우 이전 프레임내의 탐색블록의 크기는 32×32 단위임)의 움직임 추정에 의해 검출된 움직임 벡터를 이용하여 재구성된 이전 프레임으로부터 움직임 보상을 수행하여 얻은 라인 L19 상의 예측된 현재 프레임 신호와 라인 L11 상의 현재 프레임 신호와의 에러신호를 가산함으로써 산출할 수 있다.

예를 들어, 재구성된 이전 프레임의 영상을Ip하 하고 현재 입력되는 프레임의 영상을Ic라 할 때, (x,y)의 위치에서 각 픽셀의 값은 Ip(x,y),Ic(x,y)가 될 것이다. 이때의 움직음 추정은, 전술한 바와 같이, M×N블록(예를 들면, 16×16의 매크로 블록) 단위로 수행되므로 i,j번째의 매크로 블록에 대한 움직임 벡터를 MVX(i,j),MVY(i,j)라 하면, i,j번째 매크로 블록에 대한 움직임 보상 오차값 E(i,j)는 다음의 (1)식에 의해 계산된다. 이때, 움직임벡터는 전술한 현재 프레임 예측 블록(180)에서의 움직임 추정과정에서 이미 검출된 값이다.

상기한 (1)식에서 L은 매크로 블록의 가로 및 세로의 크기를 의미하는데, 한 프레임의 영상신호가 M×N 크기를 갖으며 한 매크로 블록이 L×L 의 크기를 갖는다면,이 영상신호에 대한 매크로 블록의 개수는 (M/L)/(N/L)이 될 것이다. 예를 들어, 352×288의 입력 영상신호에 대하여 16×16의 매크로 블록을 가정하면, 매크로 블록의 개수는 (352/16)×(288/16)이므로 22×18, 즉 396개에해당한다.

다음에, 움직임 오차 계산 블록(210)에서는 상술한 바와같은 과정을 통해 한 프레임의 각 매크로 블록에 대한 움직임 보상 오차값이 구해지면, 다시 아래의 (2)식을 이용하여 한 프레임의 전체 영상에 대한 평균 오차 AE 값을 산출하는 데, 여기에서 산출되는 한 프레임의 평균 오차 AE 값은 전체 영상에 대하여 그 움직임 보상 오차값을 평균하여 얻은 값이다.

상기한 (2)식에서 P,Q 는 각각 가로 및 세로 방향의 매크로 블록의 개수에 해당하는 값이다. 여기에서, 상기(2)식을 이용하여 계산된 평균 오차 AE 값은 실질적으로 영상 데이터의 복잡성을 잘 반영하는 값이라 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같은 모든 매크로 블록의 움직임 보상 오차값을 평균하여 산출한 평균 오차 AE 값을 부호화를 위해 입력되는 다음 영상신호의 복잡도로서 이용한다. 이때, 산출되는 평균 오차 AE 값은 영상의 정보량(비트 발생량)에 관련된다고 볼 수 있는 데, 만일 현재 부호화된 영상이 복잡한 경우에는 산출되는 평균 오차 AE 값이 상대적으로 커질 것이고, 그 반대의 경우에는 산출되는 평균 오차 AE 값이 작아지게 될 것이다.

또한, 영상신호를 부호화하는 과정에서 산출되는 각 프레임의 평균오차 AE 값이 제로(0)인 경우, 수신측의 복호화 시스템에서는 이전에 부호화되어 전송된 영상만으로 현재의 영상신호를 재생할 수 있으므로, 부호화 시스템에서는 현재의 영상 데이터를 전송할 필요가 없는 것이다. 이러한 관점에 비추볼 때, 부호화시에 산출되는 각 프레임의 평균 오차 AE 값은 곧 전송할 정보량에 관계되는 값으로 해성할 수 있을 것이다. 그리고, 본 바명에 따른 각 프레임의 평균 오차 AE 값 산출에 있어서는, 부호화 시스템이 움직임 보상을 수행하는 과정에서 검축되는 움직임 벡터와 재구성된 이전 프레임 신호를 프레임 메모리에 저장하고 있으므로, 이와 같은 각 부호화 시스템의 일부를 이용하면 추가의 계산을 할 필요없이 단지 위에서 기술한 각 메크로 블록의보상 오차값 E(i,j)를 평균하여 원하는 평균오차 AE값을 쉽게 구현할수 있을것이다. 그런다음, 상기와 같이 움직임 오차 계산 블록(210)에서 산울된 평균 오차 AE값은 다음단의 가중치 발생블럭(220)으로 제공된다.

한편, 가중치 발생 블록(220)은 상기한 움직임 오차 계산 블록(210)으로 부터 제공되는 평균 오차 AE값에 의거하여 2차원 저역 통과 필터링시의 대역폭 제안을 위한 기설정된 복수의 가중치들(예를 들면, 각각 다른필터계수 설정을 위한 4개의 가중치)중 그에 대응하는 가중치를 결정해 라인 L23상에 발생하여 전술한 영상 부호화 블록(120)에 제공한다. 여기에서, 결정되어 영상 부호화 블록(120)으로 제공된 가중치는 입력 영상(즉, DCT 변환계수)의 양자화 바로 전에 다음과 같이 계산되는 주파수 영역 구분값 B 에 따라 주파수값을 나누게 된다. 이때, 주파수 영역을 구분하는 데 필요한 영역 구분값 B는 아래와 같은 방법으로 계산되며, 이 영역 구분값 B를 이용하여 주파수 영역을 설정하는 과정에 대해서는 첨부된 제2도를 참조하여 후에 상세하게 기술될 것이다.

보다 상세하게, 가중치 발생 블록(220)이 움직임 오차 계산블록(210)으로 부터 출력되는 평균 오차 AE 값을 이용하여 영역 구분값 B를 출력하는 과정은 다음의 (3)식과 같다.

B=1 if(AE ≤ MAE)

=2 if(MAE AE ≤ MAE+SAE)

=3 if(MAE + SAE AEMAE + 2*SAE)

=4 if(AE MAE + 2*SAE)--------(3)

상기 (3)식에서 MAE 와 SAE를 구하는 과정은 다음과 같다. 즉, 영상신호의 프레임 전송율이 30인 경우에는 1초동안 계산되는 AE 값 30개를 평균한 값이 MAE 이고, 이 값의 표준편차가 SAE 이다. 따라서, 이와 같이 구한 MAE, SAE 값과 매 프레임에 발생되는 AE 값을 비교함으로써 영역 구분값 B를 구할 수 있다. 즉, 가중치 발생 블록(220)에서는 이전의 30프레임 동안 발생된 AE 값의 평균과 표준편차를 이용하여 영역 구분값 B를 결정하는 것이다. 그 결과, 이러한 과정을 통해 얻어지는 현재 발생된 AE 값은 다시 30개 프레임의 평균값과 표준편차를 구하는 데 이용된다. 따라서, 가중치 발생 블록(220)에서는 이전에 발생된 30개 프레임의 AE 값중에서 처음 구해진 AE 값(시간적으로 가장 오래된 AE값)을 버리고 움직임 오차 계산 블록(210)으로 부터 새로 입력된 AE 값을 이용하여 평균과 표준편차를 구하는 것이다.

물론, 현재 발생된 AE 갑도 31번째 프레임이 지나면 평균과 표준편차를 구하는 데 이용되지 않게 된다.

상기한 (3)식으로 부터 명백한 바와 같이, 영역 구분값 B 는 1부터 4사이의 정수값을 갖는데, 이것은 전술한 감산기(110)로 부터 출력되는 에러신호(라인 L11 상의 현재 프레임과 라인 L19 상의 예측 프레임간의 차분신호)를 이산 코사인 변환한 DCT 변환계수들에 대한 양자화 전의 2차원 저역통과 필터링시에 AE 값에 따라 구 대역폭을 적응적으로 조절하기 위해서이다.

다음에, 상기와 같이 계산된 영역 구분값 B를 이용하여 가중치를 조절하는 과정에 대하여 일예로서 첨부된 제 2도를 참조하게 설명한다. 제2도를 참조하면, 산출된 AE 값보다 커 가중치 발생블록(220)에서 산출되는 B 값이 1인 경우, 영상 부호화 블록(120)에서는 감산기(110)로 부터 입력되는 에러신호를 이산 코사인 변환한 DCT 변환계수들에 대해 주파수 대역 제한을 위한 가중치를 주지 않고, 즉 2차원 저역 통과 필터링을 거치지 않고 전송 버퍼(140)의 테이터 충만상태 정보에 기초하여 결덩되는 소정의 스텝 사이즈로 바로 양자호를 수행하게 된다. 이것은 결국 입력 영상이 복잡하지 않고 단순하여 종래의 방법과 동일하게 2원 저역 통과 필터링 없이 그대로 부호화(양자화)하는 것이다.

상기와는 달리, 제2도에 도시된 바와 같이, B 값이 2,3 또는 4의 값을 갖는 경우, 영상 부호화블록(120)에서는 각각의 값에 해당하는 점선 이하의 주파수를 모두 2로 나누어 양자화를 수행한다. 즉, B값이4인 경우에, 제2도에서 F(1,7), F(2,6) 등과 같은 점선 이하의 주파수들은 모두 2로 나누어 부호화(양자화)하게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 이와 같은 과정을 통해 부호화(양자화)를 수행하면 시각적으로 중요한 성분인 저주파 신호에 대해 양자화 오차가 적게 생기도록 하면서 부호화할 수 있는 것이다. 만일, 복잡한 영상임에도 불구하고 본 발명에서와 같이 주파수의 저역 통과 대역폭을 제한하는 가중치를 주지 않게 되면, 결과적으로 부호화후에 발생되는 비트량이 많아져 양자화 스텝 사이즈가 커지게 되므로 모든 주파수 대역(고주파에서 저주파 대역)에 대하여 양자화 오차가 많이 발생되고, 그 결과 수신측의 재생 영상에서 양자화로 인한 화질열화가 야기될 것이다.

따라서, 본 발명의 가중치 발생 블록(220)에서는 물체의 움직임 추정 및 보상을 통해 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보를 이용하여 입력 영상의 복잡도를 산출하고, 그 복잡도 산출결과에 의거하여 영상의 고주파 성분에 대한 대역폭을 제한하기 위한 가중치를 발생하여 양자화 전에 저역 통과 필터링(즉, 2차원 저역 통과 필터링)을 통해 영상의 비트량을 일차적으로 감소시켜 주므로써, 비록 복잡한 영상일지라도 양자화 단계에서의 스텝 사이즈가 과도하게 증가되는 것을 억제하면서도 시각적으로 중요한 정보인 저주파 성분을 충분하게 살려 부호화(양자화)할 수 있다. 따라서, 수신측 복호화 시스템에서 복원되는 재생영상에서 양자화 오차로 인한 화질열화를 최대한 억제할 수가 있다.

다음에, 통상적인 DCT 및 양자화를 수행하는 과정과 본 발명에 따라 영상의 복잡도에 의거하여 가중치를 주면서 양자화하는 과정을, 일예로서 한 블록의 영상신호에 대해 본 발명자가 실험한 결과치에 의거하여 설명한다.

하기에서는, 8×8 픽셀로 구성된 블록의 영상신호에 대한 통상적인 DCT, 양자화, 역양자화 및 IDCT 과정을 통해 재생된 일예로서 설명한다. 또한, 여기에서는 DCT 변환계수를 스텝 사이즈 QP*2 로 나누는 연산에 해당하며, 스텝 사이즈가 2(QP=1)인 경우라 가정한다.

하기의 표 1 은 한 블록(8×8 픽셀)에 대한 영상신호를 나타내는 데, 표 1로 부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 픽셀은 0에서 255 사이의 레벨값을 갖음을 알 수 있으며, 이들은 수평, 수직 방향으로의 위치에 대한 각각의 픽셀값을 나타낸다.

하기의 표 2는 상기한 표 1에 도시된 바와같은 픽셀값을 갖는 한 블록의 영상신호에 대하여 수평, 수직 방향으로 8×8 DCT 를 수행한 결과를 나타낸다. 이때의 결과에 대한 각 위치에서의 값은 각 방향에서의 주파수 성분을 의미한다.

하기의 표 3 은 상기한 표 2 에 도시된 바와같은 주파수 성분들을 갖는 DCT 변환계수 블록(8×8)에 대하여 양자화를 수행한 결과를 나타낸다. 이 과정에서의 양자화 스텝 사이즈는 QP*2로서 계산되었으며, QP가 1인, 즉 스텝 사이즈가 2인 경우를 예로 든 것이다. 이 결과, 각 위치에서의 값은 전술한 표 2의 값을 2로 나눈 결과에 해당한다. 따라서, 이러한 연산(양자화)의 수행결과, 각각의 양자화된 DCT 변환계수들은 상기한 표 2에 도시된 각각의 DCT 변환계수들에 비해 그 크기가 작아지고, 또한 0의 값을 갖는 개수가 많아짐을 알 수 있다. 결과적으로, 이것은 부호화후에 전송되어질 정보량이 줄어든다는 것을 의미한다. 만일, 이때의 QP 값이 커진다면 그 결과로서 나타나는 상기한 표 3 에서의 각각의 양자화된 DCT 변환계수들은 그 크기가 더 작아질 뿐만 아니라 0의 값을 갖는 개수가 더 적어지므로, 결국 부호화후에 전송되어질 발생 데이터량은 더욱 줄어들게 될 것이다. 이것은, 앞에서도 이미 기술한 바와 같이, 양자화 단계에서 QP 값을 조절해 주므로써, 전송할 정보량을 조절한다는 통상적인 방법인 것이다.

한편, 본 발명에서는 상술한 바와같은 통상적인 양자화 스텝 사이즈 조절만을 통해 부호화후에 발생되는 비트량을 조절하는 것이 아니라, 물체의 움직임 추정 및 보상을 통해 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보를 이용하여 현재 부호화하고자 하는 영상의 복잡도를 산출하고, 산출된 복잡도에 의거하여, 현재 입력되는 영상이 복잡한 영상(즉, 부호화후에 많은 비트 발생이 야기되는 영상)인 것으로 판단되는 경우, 양자화 단계전에 소정의 고주파 차단레벨을 갖는 복수의 가중치를 적응적으로 주어 DCT 변환계수들의 통과 주파수 대역을 제한한다.

즉, 표 4는, 일예로서 한 블록(8×8 DCT 블록)에 대해 제1도에 도시된 가중치 발생 블록(220)에서 산출된 영역 구분값 B가 4인 경우에 해당하는 가중치를 주어 DCT 변환계수들을 양자화한 결과값을 나타낸다. 이와 같은 나타나는 표 4의 결과는 상기한 표 3의 양자화된 DCT 변환계수 값들과 비교해 볼 때, 표 4에서 점선 이하의 주파수 부분을 2로 나누어 양자화한 결과인 것으로, 0의 레벨을 갖는 개수가 많아지고, 또한 각각의 양자화된 DCT 변환계수 값들의 크기도 2배 작아졌음을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명에서는 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보에 기초하여 판단되는 영상의 복잡도에 근거하는 가중치를 주어 영상의 고주파 성분들을 적응적으로 제거한 다음 양자화를 수행함으로써, 양자화 단계에서의 과도한 스텝 사이즈의 증가 없이 부호화후 발생되는 비트량을 효과적으로 조절할 수가 있는 것이다. 하기의 표 4에서 4의 B값에 따라 결정되는 것으로 도시한 점선은 제2도에서 가중치를 주는 B값이 4인 부분에 상응하는 부분이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 물체의 움직임 추정 및 보상을 통해 매 프레임마다 발생되는 움직임 보상 오차값 정보를 이용하여 현재 부호화하고자 하는 영상의 복잡도를 계산하고, 그 계산결과에 따라 현재 입력영상이 복잡한 영상인 경우, 그에 상응하는 가중치를 주어 인가의 시각에 둔감한 영상의 고주파 성분을 일차적으로 제거한 다음 DCT, 양자화 등의 부호화를 수행하도록 함으로써, 양자화 단계에서의 과도한 스텝 사이즈의 증가 없이 부호화후 발생되는 비트량을 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 부호화된 영상을 복원하여 디스플레이할 때, 재생 영상에서 필연적으로 나타나는 양자화 오차로 인한 화질열화를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

Claims

입력되는 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 매크로 블록단위의 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 에러신호에 대해 이산 코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화를 포함하는 부호화 수단을 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 충만상태 정보에 의거하여 그 스텝사이즈가 조절되는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템에 있어서, 상기 에러신호에 대해 각 매크로 블록 단위로 각 픽셀값을 가산하여 움직임 보상 오차값을 산출하고, 각각 산출된 각 매크로 블록의 움직임 보상 오차값들을 평균하여 기설정된 복수의 이전 프레임에 대한 움직임 평균 오차값을 산출하는 움직임 오차 계산 수단; 및 상기 산출된 복수의 프레임의 평균 오차값을 상기 부호화 수단을 통해 현재 부호화하고자 하는 프레임의 복잡도로서 참조하며, 상기 이산 코사인 변환을 통해 발생된 각 DCT 변환계수 블록들의 역역 통과 필터링시 그 대역폭을 적응적으로 제한하는 기설정된 복수의 가중치들중 상기 산출된 평균 오차값에 대응하는 가중치를 결정하여 상기 부호화 수단에 제공하는 가중치 발생수단을 더 포함하고, 상기 부호화 수단은, 상기 각 DCT 변환계수 블록들에 대한 양자화전에 상기 결정된 가중치에 의거하여 상기 각 DCT 변환계수 블록들의 통과 주파수 대역을 제한함으로써, 상기 각 DCT 변환계수 블록들의 고주파 성분을 선택적으로 필터링하는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기설정된 각 가중치는, 상기 산출된 각 프레임의 움직임 평균 오차값, 상기 각 프레임의 움직임 평균 오차값을 평균하여 얻은 초당 전송되는 복수의 프레임에 대한 평균 에러치 및 이 평균 에러치의 표준편차를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기설정된 복수의 가중치는, 상기 각 DCT 변환계수 블록들의 각각 다른 필터계수 설정을 위한 정수값의 4개의 가중치를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 부호화 수단은, 2차원 저역 통과 필터링을 통해 상기 결정된 가중치에 상응하여 상기 각 DCT 변환계수 블록들의 고주파 성분을 선택적으로 필터링하는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템.
제4항에 있어서, 상기 부호화 수단은, 상기 각 DCT 변환계수 블록들의 고주파 성분에 대한 선택적인 필터링을 위해, 상기 결정된 가중치 이하의 고주파 성분을 2로 나누어 상기 양자화를 수행하는 것을 특징으로 하는 비트 발생량 조절기능을 갖는 영상 부호화 시스템.