KR100204069B1 - 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그 양자화 제어방법 - Google Patents

적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그 양자화 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하이브리드 영상 부호화 시스템에 있어서, 입력 현재 프레임의 각 매크로 블록에 포함되는 각 DCT 블록들의 에너지 분포를 이용한 시간 활성도와 현재 입력 프레임과 예측 오차신호간의 움직임 보상 오차값을 이용한 시간 활성도를 참조하여 현재 양자화하고자 하는 각 매크로 블록의 국부특성 정보를 산출하고, 산출된 영상의 국부특성 정보에 근거하여 양자화 단계에서의 양자화 스케일을 적응적으로 조절할 수 있도록 한 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그 양자화 제어방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 부호화를 위해 입력되는 프레임을 N×N 크기의 복수의 블록으로 분할하고 분할된 각 N×N 블록에 대한 공간영역의 영상신호를 코사인함수를 이용하여 각 N×N 블록의 주파수 영역의 DCT 변환계수들로 변환하고 ; 변환된 각 N×N 변환계수 블록들 각각에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 DCT의 특정계수들을 기설정된 복수의 그룹으로 그룹핑하며 ; 그룹핑된 각 N×N 변환계수 블록들 각각을 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역으로 분류하고 ; 영역 분류된 복수의 N×N 변환계수 블록을 포함하는 매크로 블록 각각에 대해 분류된 영역의 계수분포를 이용하여 순차레벨값으로 기설정된 복수의 클레스값들중 특정 클레스값을 할당하며 ; 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록의 클레스값에 대한 정수값의 평균값을 산출하고 ; 산출된 평균 클레스값을 이용하여 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 클레스값을 상향 또는 하향 조절하고; 복수의 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값을 이용하여 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하며; 부호화전의 현재 프레임내 각 매크로 블록과 이에 각각 대응하는 예측 오차신호내 각 매크로 블록간의 움직임 보상 오차값을 산출하며, 산출된 움직임 보상 오차값이 기설정된 임계값보다 클 때 그에 상응하는 가중치신호를 발생하고 ; 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역일 때 발생된 가중치신호에 의거하여 조절된 클레스값을 하향으로 재조절한 다음 재조절된 클레스값을 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 양자화 과정에서의 국부특성 정보로서 제공하며 ; 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 국부특성 정보와 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 의거하여 양자화 과정에서의 양자화 파라메터를 결정함으로써, 인간의 시각특성에 매우 적합한 적응적인 양자화를 수행하여 재생영상에서의 주관적 화질을 높일 수 있는 것이다.

Description

적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그 양자화 제어방법
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적응적인 양자화 조절기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템의 블록구성도.
제2도는 제1도의 활성도 산출 블록의 세부적인 블록구성도.
제3도는 하나의 8×8 블록에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 수평, 수직 및 대각 에너지 그룹으로 그룹핑한 일예로서 도시한 도면.
제4도는 평탄 블록, 에지 블록 및 텍스쳐 블록의 수에 따라 클레스값을 할당한 예를 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 따라 인접하는 주변 매크로 블록의 평균 클레스값을 이용하여 현재 부호화하고자 하는 매트로 블록의 클레스값을 조절하는 일예를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100, 180 : 프레임 메모리 110 : 감산기
120, 2120 : DCT 블록 130 : 양자화 블록
140 : 엔트로피 부호화 블록 150 : 전송 버퍼
160 : 영상 복호화 블록 170 : 가산기
190 : 현재 프레임 예측 블록 210 : 활성도 산출 블록
220 : QP 발생 블록 2110 : 분할 블록
2130 : 블록 그룹핑/분류 블록 2140 : 클레스 결정 블록
2150 : 영역 판단 블록 2160 : 움직임 보상 오차 계산 블록
2170 : ACT 발생 블록
본 발명은 영상신호를 압축 부호화하는 영상 부호화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력되는 프레임 신호에 포함되는 각 매크로 블록에 나타나는 국부특성, 즉 DCT(discrete cosine transform)에너지 분포를 이용하여 산출되는 입력 영상의 공간 활성도(spatial activities)와 움직임 보상 오차값을 이용하여 산출되는 시간 활성도(temporal activities)를 참조하여 양자화 스텝 사이즈를 적응적으로 조절하는 데 적합한 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그의 양자화 제어방법에 관한 것이다.
이 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 이산된 영상신호의 전송은 아날로그 신호보다 좋은 화질을 유지할 수 있다. 일련의 이미지 프레임으로 구성된 비디오 신호가 디지털 형태로 표현될 때, 특히 고품질 텔레비젼(일명 HDTV라 함)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 부화화 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 잘 개시되어 있다.
대부분의 하이브리드 부호화 기법은 움직임 보상 DCPM (차분펄스 부호 변조), 2차원 DCT(이산 코사인 변환), DCT 계수의 양자화, VLC(가변장 부호화)등을 이용한다. 움직임 보상 DPCM은 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 Ericsson의 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 DCT는 영상 데이터간의 공간적 리던던시를 이용하거나 제거하는 것으로써, 디지털 영상 데이터 블럭, 예를 들면 8×8 블럭을 DCT 변환계수로 변환한다. 이 기법은 Chen과 Pratt의 Scene Adaptive Coder, IEEE Transactions on Communication, COM-32, NO. 3 (1984년, 3월)에 개시되어 있다. 이러한 DCT변환계수는 양자화기, 지그재그 주사, VLC 등을 통해 처리됨으로써 전송할 데이터의 양을 효과적으로 감축(또는 압축)할 수 있다.
보다 상세하게, 움직임 보상 DPCM에서는 현재 프레임과 복원된 이전 프레임간에 추정된 물체의 움직임에 따라, 현재 프레임을 이전 프레임으로부터 예측한다. 이와 같이 추정된 움직임은 이전 프레임과 현재 프레임간의 변위를 나타내는 2차원 움직임 벡터로 나타낼 수 있다.
통상적으로, 물체의 변위를 추정하는 데에는 여러 가지 접근방법이 있다. 이들은 일반적으로 두 개의 타입으로 분류되는데, 그중 하나는 블럭 매칭 알고리즘을 이용하는 블럭단위 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 스케일 변화(예를 들어, 영상면에 수직한 움직임인 주밍(zooming)도 쉽게 다룰 수 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, 블럭단위 움직임 추정에서는, 현재 프레임의 소정 크기의 블럭을 복원된 프레임의 소정 범위의 탐색영역내에서 한화소씩 이동하면서 대응 블럭들과 비교하여 그 오차값이 최소인 최적정합블럭을 결정하며, 이것으로 부터, 전송되는 현재 프레임에 대해 블럭 전체에 대한 프레임간 변위 벡터(프레임간에 블럭이 이동한 정도)가 추정된다. 여기에서, 현재 프레임과 복원된 이전 프레임간의 대응하는 두 블럭간의 유사성 판단은, 이 기술분야에 잘 알려진 바와같은, 평균 절대차와 평균 제곱차 등이 주로 사용된다.
한편, 상술한 바와 같은 부호화 기법, 즉 움직임 보상 DCPM, 2차원 DCT, DCT 계수의 양자화 및 VLC(또는 엔트로피 부호화) 등의 부호화 기법을 통해 부호화된 영상 비트 스트림은 영상부호화 시스템의 출력측에 구비되는 전송 버퍼에 저장된 다음 전송시점이 되면 원격지 수신측으로의 송신을 위해 전송기로 보내진다. 이때, 여기에서의 전송시점은 전송 버퍼의 크기(즉, 용량)와 전송율에 관계되며, 전송 버퍼에서의 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 부화화 시스템에서는, 평균 전송율이 일정하게 유지될 수 있도록 출력측 전송 버퍼의 제어를 수행한다. 즉, 영상 부호화 시스템에서는 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 근거하여 현재 부호화하고 있는 프레임 이전까지의 비트 발생량을 조사하고 있다가 현재 프레임에서 할당해야 하는 비트량을 조절한다. 다시 말해, 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 줄이고, 이와 반대의 경우에는 양자화 스텝 사이즈를 작게 조절하여 비트 발생량을 늘리는 등의 방법을 통해 비트 발생량을 조절하고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 의거하여 양자화 스텝 사이즈를 조절함으로써 비트 발생량을 조절하는 종래방법은, 각 프레임에 해당하는 영상 데이터를 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 화질열화, 즉 블록킹 현상이 야기된다는 문제를 갖는다.
여기에서 발생하는 고주파 성분은 실질적으로 인간의 시각에 매우 둔감한 성분(재생 영상의 화질에 거의 영향을 미치지 않는 성분)이다.
잘 알려진 바와 같이, 인간의 시각은 영상이 복잡하지 않은 영역에서의 잡음보다는 영상이 복잡한 영역에서의 잡음에 덜 민감하다.
따라서, 종래의 부호화 시스템에서는 이러한 인간의 시각특성을 이용하여 양자화로 인한 재생 영상에서의 화질열화 개선을 위해 부호화하고자 하는 각 매크로 블록의 공간 활성도를 산출하며, 이와 같이 산출된 영상의 공간 활성도와 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보를 이용하여 양자화 파라메터를 결정하도록 한다.
즉, 종래의 영상 부호화 시스템의 경우, 상기한 인간의 시각특성을 고려하여 복잡한 영역에서는 양자화 스텝을 키워서 데이터 압축을 많이 하고, 단순한 영역에서는 양자화 스텝을 줄여서 데이터 압축을 적게 함으로써, 동일 압축율하에서 전체적인 영상의 주관적인 화질의 향상을 도모하였다. 이러한, 종래 방법에서는 현재 처리중인 매크로 블록의 양자화 파라메터 결정을 위한 공간 활성도(즉, 복잡도) 측정을 위하여 해당 매크로 블록의 분산(variance)을 이용하는 데, 이때 분산이 낮으면 복잡도가 낮은 영역이고, 분산이 높으면 복잡도가 높은 영역으로 분류한다.
그러나, 상술한 바와 같이 각 매크로 블록의 분산을 이용하여 측정되는 공간 활성도를 고려하여 양자화 파라메터를 결정하는 종래의 방법을 적용하게 되는 경우, 물체의 윤곽과 같이 인간의 시각에 매우 민감한 영역을 포함하는 영상까지도 높은 분산을 갖는 것으로 판단함으로써, 시각적으로 중요하지 않은 것으로 분류하는 오류를 범하게 되어, 결과적으로 인간의 시각에 매우 민감한 중요한 정보임에도 불구하고, 양자화 스케일을 크게 하여 재생 영상에서의 화질열화가 야기된다는 문제가 있다.
즉, 인간의 시각은 한 매크로 블록을 독립적으로 분리시켜 보지 않고 인접하는 매크로 블록들과의 관계속에서 종합적으로 영상을 바라보는 데, 이때 인간의 시각이 인지할 수 있는 매크로 블록의 열화는 그 매크로 블록의 공간 활성도 뿐만 아니라 인접한 매크로 블록의 공간 활성도에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, 상기한 종래 방법에서와 같이 양자화 파라메터를 결정할 때 단위 매크로 블록의 공간 활성도만을 고려하는 것은 결코 인간의 시각특성을 충분하고 완전하게 이용했다고 볼 수 없다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하이브리드 영상 부호화 시스템에 있어서, 입력 현재 프레임의 각 매크로 블록에 포함되는 각 DCT블록들의 에너지 분포를 이용하여 얻어지는 입력 영상에 대한 현재 매크로 블록과 그 인접한 매크로 블록의 공간 활성도 및 움직임 보상 오차값을 이용한 시간 활성도를 참조하여 입력 영상의 복잡도를 산출하고,
그 산출결과에 의거하여 양자화 단계에서의 양자화 파라메터를 적응적으로 조절할 수 있는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 입력 현재 프레임의 각 매크로 블록에 포함되는 각 DCT 블록들의 에너지 분포를 이용해 산출되는 입력 영상에 대한 현재 매크로 블록과 그 인접한 매크로 블록의 공간 활성도 및 움직임 보상 오차값을 이용한 시간 활성도를 참조하여 산출되는 입력 영상의 복잡도에 의거하여 각 매크로 블록의 양자화 파라메터를 조절할 수 있는 적응적인 양자화 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일관점에 따른 본 발명은, 인트라 모드시의 입력 현재 프레임 자체신호 또는 인터 모드시에 입력 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 예측 오차신호에 대해 이산 코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화 수단을 포함하는 부호화를 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 데이터 충만상태 정보와 상기 입력 프레임의 국부특성 정보를 참조하여 결정되는 양자화 파라메터에 의거하여 매트로 블록단위로 그 스텝 사이즈가 조절되는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템에 있어서, 부호화전의 상기 현재 프레임을 입력하여 소정의 N×N 크기의 복수의 블록으로 분할하는 블록 분할 수단 ; 상기 분할된 각 NXN 블록에 대한 공간영역의 영상신호를 코사이함수를 이용하여 각 N×N 블록의 주파수 영역의 DCT 변환계수들로 변환하는 이산 코사인 변환수단 ; 상기 각 N×N 변환계수 블록들 각각에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 DCT의 특정계수들을 기설정된 복수의 그룹으로 그룹핑하고, 상기 그룹핑으로 얻어진 각 그룹들에 대한 각 에너지 평균값, 최소값, 최대값, 최대값과 최소값의 비 및 이들 각 값에 대한 정수값의 기설정된 복수의 임계값을 이용하여 상기 각 N×N 변환계수 블록 각각이 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역인지를 각각 결정하여 그 해당 영역을 분류하는 수단 ; 상기 영역 분류된 복수의 N×N 변환계수 블록을 포함하는 매크로 블록 각각에 대해 상기 분류된 영역의 계수분포를 이용하여 순차레벨값으로 기설정된 복수의 클레스값들중 특정 클레스값을 할당하는 클레스 결정 수단 ; 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록들에 할당된 각 클레스값들의 평균값을 이용하여 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하는 영역 판단 블록 ; 상기 부호화전의 현재 프레임내 각 매크로 블록과 이에 각각 대응하는 상기 예측 오차신호내 각 매크로 블록간의 움직임 보상 오차값과 기설정된 임계값을 비교하며, 비교결과 산출된 상기 움직임 보상 오차값이 상기 기설정된 임계값보다 클 때 그에 상응하는 가중치신호를 발생하는 움직임 보상 오차 계산 블록 ; 및 현재 부호화하고자 하는 상기 해당 매크로 블록에 대해 할당된 상기 클레스값을 인접하는 복수의 주변 매크로 블록들의 할당 클레스값을 이용하여 상향 또는 하향 조절하고, 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역이 아닐 때 상기 가중치신호에 의거하여 상기 해당 매크로 블록에 할당된 상기 조절된 클레스값을 하향으로 재조절하며, 상기 재조절된 클레스값을 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 국부특성 정보로써, 상기 양자화 수단에 제공하는 활성도 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 인트라 모드시의 입력 현재 프레임 자체신호 또는 인터 모드시에 입력 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 예측 오차신호에 대해 이산 코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화 수단을 포함하는 부호화를 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 전송 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 데이터 충만상태 정보와 상기 입력 프레임의 국부특성 정보를 참조하여 결정되는 양자화 파라메터에 의거하여 매크로 블록단위로 그 스텝 사이즈가 조절되는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 양자화 제어방법에 있어서, 상기 부호화를 위해 입력되는 프레임을 N×N 크기의 복수의 블록으로 분할한 다음, 상기 분할된 각 N×N 블록에 대한 공간영역의 영상신호를 코사인함수를 이용하여 각 N×N 블록의 주파수 영역의 DCT 변환계수들로 변환하는 과정; 상기 각 N×N 변환계수 블록들 각각에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 DCT의 특정계수들을 기설정된 복수의 그룹으로 그룹핑하는 과정; 상기 그룹핑된 각 N×N 변환계수 블록들 각각을 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역으로 분류하는 과정; 상기 영역 분류된 복수의 N×N 변환계수 블록을 포함하는 매크로 블록 각각에 대해 상기 분류된 영역의 계수분포를 이용하여 순차레벨값으로 기설정된 복수의 클레스값들중 특정 클레스값을 할당하는 과정; 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록의 클레스값에 대한 정수값의 평균값을 산출하는 과정; 상기 산출된 복수의 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값을 이용하여 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 클레스값을 상향 또는 하향 조절하는 과정; 상기 복수의 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값을 이용하여 현재 부호화하고자 하는 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하는 과정; 상기 부호화전의 현재 프레임내 각 매크로 블록과 이에 각각 대응하는 상기 예측 오차신호내 각 매크로 블록간의 움직임 보상 오차값을 산출하며, 산출된 움직임 보상 오차값이 기설정된 임계값보다 클 때 그에 상응하는 가중치신호를 발생하는 과정; 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역일 때 상기 발생된 가중치신호에 의거하여 상기 조절된 클레스값을 하향으로 재조절한 다음 재조절된 클레스값을 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 양자화 과정에서의 국부특성 정보로서 제공하는 과정; 및 상기 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 국부특성 정보와 상기 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 의거하여 상기 양자화 파라메터를 결정하는 과정을 포함하는 개선된 영상 부호와 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법을 제공한다.
본 발명의 기타 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
일반적으로, 영상 부호화시에 적용되는 적응 양자화 기법은, 각 매크로 블록 단위로 영상의 국부특성을 추출하여 시각적 중요도를 결정한다. 즉, 인간의 시각이 양자화 오차(또는 오류)에 대해 텍스쳐(texture) 등의 복잡한 영역에 있어서는 덜 민감하고, 경계 부분이나 평탄한 부분에 있어서는 매우 민감하다는 점을 이용하여 양자화 단계를 영상의 국부특성에 따라 조절하는 것이다. 따라서, 적응 양자화 과정에서는 영상의 국부특성을 인간의 시각특성에 맞게 확실하게 추출하는 것이 무엇보다도 중요한 것이라 할 수 있다.
한편, 전술한 종래의 방법에 따른 적응 양자화 기법에서는 매크로 블록 단위의 분산(variance)을 이용하여 각 매크로 블록의 시각적 중요도를 결정한 후, 이를 양자화 파라메터의 결정에 반영하였으나, 이러한 분산을 이용하여 영상의 시각적 중요도를 결정하는 종래방법의 경우, 물체의 윤곽과 같이 인간의 시각에 매우 민감한 영역을 포함하는 영상까지도 높은 분산을 갖는 것으로 판단하여, 실질적으로 인간의 시각에 매우 민감한 중요한 정보임에도 불구하고, 양자화 스케일을 크게 함으로써, 재생 영상에서의 화질열화가 수반되는 문제를 내포하고 있다.
따라서, 본 발명에서는 분산값보다는 DCT 변환계수들이 영상의 국부특성을 보다 더 잘 반영한다는 사실과 적응 양자화 과정이 재생 영상의 주관적인 화질을 크게 좌우한다는 점 및 상기한 종래 방법에서의 문제점을 고려하여, DCT 에너지 분포를 이용하여 인간의 시각특성을 고려한 적응 양자화 기법을 제안하여 영상 부호화 시스템에 적용하였다. 즉, 본 발명에 따른 개선된 부호화 시스템에서는, 해당 프레임에 대한 부호화 전에 해당 프레임의 시각특성 정보를 추출, 즉 DCT 에너지 분포를 이용하여 각 매크로 블록 단위의 시각적 중요도를 결정하며, 이와 같이 결정된 시각특성 정보와 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보를 참조하여 양자화 단계에서의 최종적인 양자화 레벨을 결정하는 것이다. 다시 말해, 본 발명에서는 양자화 파라메터를 결정하기 위하여 현재 매크로 블록의 시각특성 뿐 아니라 인접한 매크로 블록의 시각특성을 영역기반의 적응 양자화 기법을 제안하는 데, 영상의 화질을 균일하게 유지하기 위해 각 매트로 블록의 시각 민감도(visual sensitivity)를 DCT 에너지 분포로부터 결정하고, 인접한 매크로 블록들의 시간 및 공간 활성도를 이용하여 조절하며, 이와같이 조절된 시각 민감도와 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보 ALCW 주파수 가중치를 사용하여 양자화 파라메터를 결정한다.
즉, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 부호화 전의 입력 프레임의 시각특성 정보를 이용한 영상의 공간 활성도 뿐만 아니라 움직임 보상 오차값에 근거하여 산출되는 시간 활성도를 입력 영상의 최종 복잡도를 결정한다. 이것은 인간의 시각특성이 공간영역의 특성뿐 아니라 물체의 움직임에 따라서도 민감하게 반응한다는 점을 고려하기 위한 것으로, 여기에서 고려되는 움직임 특성은 움직이는 물체가 공간적으로 중요한 영역을 통과할 때 그 움직임 보상 오차가 클 경우 재생 영상에서의 주관적인 화질이 저하되며, 특히 재생 영상에서의 블록킹 현상이 두드러지게 나타난다는 사실이다.
따라서, 본 발명에서는 DCT 에너지 분포를 이용하여 추출되는 공간영역의 특성을 반영하는 적응 양자화 가중치에 물체의 운동특성에 따른 움직임 보상 오차 가중치를 곱하여 이를 최종적인 적응 양자화 가중치로 사용한다. 이때, 움직임 보상 오차 가중치는 각 매크로 블록이 인터(INTER) 모드 방식으로 처리되었을 경우에 한하여 그 움직임 보상 오차가 기설정된 일정 임계값보다 크고 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스춰(texture) 영역이 아닐 경우에 적응 양자화 가중치(DCT 에너지 분포를 이용하여 산출된 공간영역 특성을 반영한 가중치)를 감소시키도록 기능한다.
다시말해, 본 발명에서는 주어진 비트율에서 결과(재생) 영상에 대한 인식할 수 있는 부호화 열화를 최소화하기 위하여 인간의 인지 주파수 응답(perceptual frequency response of the human eye), 부호화 열화의 상대적 가시도(relative visibility), 출력측 전송 버퍼의 데이터 충만상태를 고려하여 각 DCT 변환계수들에 적응 인지 양자화를 수행하게 된다. 그런다음, 이와 같이 양자화된 DCT 변환계수들과 모든 부호화 파라메터들은 통계적 부호화 기법에 의해서 부호화된다.
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템의 블록구성도를 나타낸다. 동도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 개선된 영상 부호화 시스템은, 제1프레임 메모리(100), 감산기(110), 제1 DCT 블럭(120), 양자화 블럭(130), 엔트로피 부호화 블럭(140), 전송 버퍼(150), 영상 복호화 블럭(160), 가산기(170), 제2프레임 메모리(180), 현재 프레임 예측 블록(190), 활성도 산출 블록(210) 및 양자화 파라메터(QP) 발생 블록(220)을 포함한다.
제1도를 참조하면, 입력 영상신호는 제1 프레임 메모리(100)에 저장된 다음 라인 L11을 통해 감산기(110), 현재 프레임 예측 블록(190)으로 제공되며, 또한 라인 L13을 통해 본 발명에서 가장 중요한 특징부를 이루는 활성도 산출 블록(210)에 제공된다.
한편, MPEG에서는 영상신호의 처리단위로서 한 장의 화면을 의미하는 픽쳐를 취급하는 데, 픽쳐에 프레임이 할당되는 경우의 할당방법은 프레임 구조가 될 것이고 필드가 할당되는 경우의 할당방법은 필드 구조가 될 것이다. 이러한 할당방법에 있어서, MPEG1에서는 프레임 구조만을 취급하며, MPEG2에서는 프레임 구조와 필드 구조 모두를 취급할 수 있다.
따라서, MPEG2의 경우 영상 시이퀀스에는 프레임 구조와 필드 구조는 혼재할 수 있고 어느 쪽이든 하나의 구조로만 이루어질 수도 있는데, 프레임 구조와 필드 구조가 혼재하는 경우, 후술되는 제1 DCT 블록(120)에서는, 부호화 모드(인트라(Intra) 모드 또는 인터(Inter) 모드)에 따라 결정되는 입력 영상신호 자체 또는 예측 오차신호에 대하여, 해당 매크로 블록의 두 필드간의 상관도에 따라 적응적으로 프레임 DCT 또는 필드 DCT 블록으로 구분하여 DCT를 수행하게 될 것이다. 그러므로, 본 발명에서는 참조번호 100을 제1프레임 메모리로 명명하였으나, 실제로는 필드/프레임 메모리로서 이해되어야 할 것이다. 본 실시여에서는 설명의 편리와 이해의 증진을 위해 일예로서 픽쳐에 프레임 구조가 할당되는 경우라 가정한다.
먼저, 감산기(110)에서는, 현재의 부호화 모드가 인터 모드인 경우, 라인 L11을 통해 상기한 제1프레임 메모리(100)에서 제공되는 현재 프레임 신호로부터 라인 L19를 통해 후술되는 현재 프레임 예측 블럭(190)으로부터 제공되는 이동 물체에 대하여 움직임 보상된 예측된 현재 프레임 신호를 감산하며, 그 결과 데이터, 즉 차분화소값을 나타내는 예측 오차신호(시간적 중복성이 제거된 프레임 신호)는 라인 L12를 통해 제1 DCT 블록(120) 및 본 발명에 따른 활성도 산출 블록(210)으로 각각 제공된다. 물론, 부호화 모드가 인트라 모드인 경우, 감산기(110)는 현재 프레임 신호와 예측 프레임 신호간의 예측 오차신호가 아닌 입력 프레임 신호 자체를 제 1 DCT 블록(120)으로 제공하게 되는 데, 이 경우에는 본 발명에 따라 라인 L12를 통한 활성도 산출 블록(210 )으로의 프레임 신호 제공은 차단될 것이다.
이것은 본 발명의 부호화 시스템이 인터 모드일 경우에만 양자화 파라메터 결정을 위한 하나의 정보원으로써 움직임 보상 오차값에 의거하여 산출되는 시간 활성도를 사용하기 때문이다.
다음에, 제1 DCT 블록(120)에서는, 이 기술분야에 잘 알려진 이산 코사인 변환기법을 이용하여, 소정 크기의 블록단위(예를 들면, 8×8 크기의 블록단위)로 DCT를 수행하여, 8×8 화소에 분산된 에너지를 DC 성분을 포함한 낮은 주파수의 DCT 계수로 집중시킨다.
여기에서의 DCT 변환은 해당 매크로 블록(MB)이 인트라 MB 인지 인터 MB 인지의 여부에 따라 각각 영상신호 자체 또는 예측 오차신호를 변환하게 되는 데, 인트라 MB 인 경우에는 공간적인 중복성만이 제거되지만 인터 MB 인 경우에는 시간적 중복성이 제거된 신호에 또다시 공간적인 중복성이 제거된 신호가 된다. 이때, 예측 오차신호의 경우에는 공간적인 중복성이 그다지 크지 않으므로 DCT의 에너지 집중효과도 인터 MB 이 인트라 MB에 비해서 다소 떨어진다. 그런 다음, 이와 같이 DCT 변환을 통해 얻어지는 DCT 변환계수들은 다음단의 양자화 블록(130)으로 제공된다.
한편, 양자화 블록(130)에서는 DCT 변환계수들에 대하여 구비된 양자화 매트릭스를 이용하여 일련의 양자화된 DCT 변환계수들로 양자화, 즉 DCT 변환계수를 한정된 비트길이를 갖는 값으로 표현하는 데, 여기에서 양자화를 위한 양자화 스케일의 크기(즉, 양자화 스텝 사이즈)는 후술되는 양자화 파라메터(QP) 발생 블록(220)으로부터 제공되는 QP 값에 의해 결정된다. 또한, 이때 결정되는 QP값은 출력측 전송 버퍼(150)로 부터의 데이터 충만상태 정보와 본 발명에 따라 산출되는 활성도 산출 블록(210)으로부터 제공되는 각 매크로 블록의 국부특성을 추출하여 얻은 공간 활성도 및 움직임 보상 오차값을 이용한 시간 활성도값에 기초하는 데, 상기와 같이 QP를 결정하는 하나의 참조신호로서 이용되는 ACT값을 산출하는 과정에 대해서는 활성도 산출블록(210)의 세부적인 블록구성을 보여주는 제2도를 참조하여 후에 상세하게 기술될 것이다. 따라서, 상기한 바와 같은 과정을 통해 라인 L15 발생되는 양자화된 DCT 변환계수들은 엔트로피 부호화 블록(140)과 영상 복호화 블록(160)으로 각각 보내진다.
여기에서, 엔트로피 부호화 블록(140)에 제공된 양자화된 DCT 변환계수들은, 라인 19를 통해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(190)으로부터 제공되는 각 매크로 블록단위의 움직임 벡터들의 세트와 라인 L25를 통해 후술되는 QP 발생 블록(220)으로부터 제공되는 각 매크로 블록단위의 QP값과 더불어, 예를 들면 가변길이 부호화 기법등을 통해 부호화되어 출력측의 전송 버퍼(140)에 제공되며, 이와 같이 부호화된 영상신호는 수신측으로의 전송을 위해 도시 생략된 전송기로 전달된다.
한편, 양자화 블록(130)으로부터 영상 복호화 블록(160)에 제공되는 라인 L13 상의 양자화된 DCT 변환계수들은 역양자화 및 역이산 코사인 변환(IDCT)을 통해 다시 복원된 프레임 신호로 변환된 다음, 가산기(170)에 제공되며, 가산기(170)에서는 영상 복호화 블록(160)으로부터의 복원된 프레임 신호와 라인 L21를 통해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(190)으로부터 제공되는 예측된 현재 프레임 신호를 가산하여 재구성된 이전 프레임 신호를 생성하며, 이와같이 재구성된 이전 프레임 신호는 제2 프레임 메모리(180)에 저장된다. 따라서, 이러한 경로를 통해 부호화 처리되는 매 프레임에 대한 바로 이전 프레임 신호가 계속적으로 갱신되며, 이와같이 갱신되는 재구성된 이전 프레임 신호는 라인 L17을 통해 움직임 추정, 보상을 위해 후술되는 현재 프레임 예측 블록(190)으로 제공된다. 이때, 제2 프레임 메모리(180) 또한 전술한 제1 프레임 메모리(100)와 마찬가지로 필드/프레임 메모리로서 기능한다.
다른 한편, 현재 프레임 예측 블록(190)에서는, 전술한 제1 프레임 메모리(100)로부터 제공되는 라인 L11 상의 현재 프레임 신호와 상기한 제2 프레임 메모리(180)로부터 제공되는 라인 L17 상의 재구성된 이전 프레임 신호에 기초하여 블록 매칭 알고리즘을 이용해 재구성된 이전 프레임의 기설정 탐색범위(예를 들면, 32×32 탐색범위)에서 소정의 블록(예를 들면, 16×16 DCT 블록)단위로 현재 프레임을 예측한 다음 라인 L21 상에 예측된 현재 프레임 신호를 발생하여 상술한 감산기(110)와 가산기(170)에 각각 제공한다.
또한, 현재 프레임 예측 블록(180)은 선택되는 각 블록(16×16의 매크로 블록)들에 대한 움직임 벡터들의 세트를 라인 L19상에 발생하여 전술한 엔트로피 부호화 블록(140)에 제공한다.
여기에서, 검출되는 움직임 벡터들의 세트들은 현재 프레임의 매크로 블록(16×16 블록)과 이전 프레임내의 기설정 탐색영역(예를 들면, 32×32 탐색범위)에서 예측된 가장 유사한 블록간의 변위이다. 따라서, 전술한 엔트로피 부호화 블록(140)에서는 라인 L17 상의 움직임 벡터들의 세트들 및 라인 L25 상의 QP 값들과 더불어 라인 L15 상의 양자화된 DCT 변환계수들은, 예를 들면 가변길이 부호화 기법 등을 통해 부호화하여 부화화된 비트 스트림을 발생한다.
한편, 본 발명에 따라 제1프레임 메모리(100)로부터 라인 L13상에 발생되는 프레임 신호는 활성도 산출 블록(210)으로 제공되는 데, 이러한 활성도 산출 블록(210)에서는 양자화 과정에서의 양자화 스케일(양자화 스텝 사이즈)을 결정하는 QP 값 결정을 위한 하나의 정보로써 이용되는 공간 활성도(Activities : ACT)값을 산출, 즉 각 블록의 DCT 에너지 분포를 이용하여 공간 ACT 값을 산출하며, 이러한 공간 ACT 값 산출 과정에 대해서 활성도 산출 블록(210)에 대한 세부적인 블록구성을 보여주는 제2도를 참조하여 상세하게 설명한다.
제2도는 제1도에 도시된 ACT 산출 블록(210)의 세부적인 블록구성을 도시한 것으로, 분할 블록(2110), 제2 DCT 블록(2120), 블록 그룹핑/분류 블록(2130), 클레스 결정 블록(2140), 영역 판단 블록(2150), 움직임 보상 오차 계산 블록(2160) 및 ACT 발생 블록(2170)을 포함한다.
제2도에 있어서, 분할 블록(2110)은 라인 L13을 통해 제1도의 제1 프레임 메모리(100)로부터 제공되는 프레임 신호를 소정의 블록단위로 분할하는 것으로, 여기에서는, 일예로서 제3도에 도시된 바와 같이, 다음단의 DCT 수행에 적합한 DCT 블록(예를 들면, 8×8 DCT 블록)으로 분할하며, 이와같이 분할된 각 DCT 블록들은 다음단의 제2 DCT 블록(2120)으로 제공된다.
다음에, 제2 DCT 블록(2120)에서는, 전술한 제1도에 도시된 제1 DCT 블록(120)에서와 마찬가지로, 8×8 크기로 분할된 각 블록들에 대하여 DCT를 수행함으로써, 8×8 화소에 분산된 에너지를 DC 성분을 포함한 낮은 주파수의 DCT 계수로 집중시킨다. 그런 다음, 이와 같이 변환된 8×8 DCT 변환계수 블록들은 다음단의 블록 그룹핑/분류 블록(2130)으로 제공된다.
한편, 블록 그룹핑/분류 블록(2130)에서는, 각 매크로 블록단위의 클레스값을 구하기 위하여, 먼저 DCT, 계수들을 이용하여 매크로 블록내의 8×8 DCT 변환계수 블록을 적어도 세종류 영역중의 어느 하나로 분류, 즉 평탄(smooth) 영역, 에지(edge) 영역 및 텍스쳐(texture) 영역의 세 종류로 분류한다. 여기에서, 평탄 영역이라는 것은 영상내의 화소값들의 변화가 적은, 즉 단순한 영역임을 의미하고, 텍스쳐 영역이라는 것은 그와 반대로 영상이 복잡한 영역임을 의미한다.
또한, 에지 영역이라는 것은 물체의 윤곽과 같이 화소값들이 전체적으로 변화가 적으나 어느 한 부분에서만 급격하게 변하는 영역을 의미한다.
이러한 블록 분류를 위해, 블록 그룹핑/분류 블록(2130)에서는, 각 블록에 대해 DCT의 특정계수들을 몇 개의 그룹으로 그룹핑, 즉 일예로서 제3도에 도시된 바와 같이, DCT 에너지 분포를 이용하여 수평 에너지(h), 수직 에너지(v) 및 대각 에너지(d) 그룹으로 나눈다.
다음에, 수평 에너지(h) 그룹의 DCT 변환계수 총합을 Eh, 수직 에너지(v) 그룹의 DCT 변환계수 총합을 Ev, 대각에너지(d) 그룹의 총합을 Ed라고 각각 정의하고, 이들 세종한 Eh, Ev, Ed을 평균하여 얻은 평균값을 Ea, 세 개의 값중 가장 큰 최대값을 EM, 세 개의 값중 가장 작은 최소값을 Em, 최대값과 최소값의 비율 EM/m이라고 각각 정의한다. 여기에서, 평균값 Ea는 AC 성분 에너지를 나타낸다. 즉, Em가 큰 블록(DCT 블록)은 ACT가 높은 블록이고, Em가 작은 블록은 ACT가 낮은 블록이다. 따라서, Em값으로 낮은 활성도(ACT) 영역인 평탄 영역과 높은 ACT 영역인 텍스쳐, 에지 영역을 구분할 수 있는 근거가 된다.
또한, Eh, Ev, Ed는 특정방향의 AC 성분의 에너지를 나타내는 데, 이러한 점에 근거하여 세 개의 값중 특정한 어떤 값이 다른 값들에 비해 상대적으로 크면 그 영역은 에지 영역이라고 할 수 있을 것이다.
즉, 블록 그룹핑/분류 블록(2130)에서는 제1조건으로서 해당 블록(DCT 블록)을 그룹핑하여 얻은 Eh, Ev 및 Ed 값을 평균하여 구한 평균값 Ea 이 기설정된 임계값 T1보다 작으면 해당 블록이 평탄 영역에 속하는 블록인 것으로 판단하고, 제2조건으로서 해당 블록을 그룹핑하여 얻은 Eh, Ev, Ed의 값중 가장 작은 최소값 Em이 임계값 T2보다 크고 최대값 EM과 최소값 Em의 비인 EM/m이 임계값 T3보다 작으면 해당 블록이 텍스쳐 영역에 속하는 블록인 것으로 판단하며, 해당 블록이 상기한 제2 조건에 충족되지 않으면 해당 블록을 에지 영역에 속하는 블록인 것으로 판단한다. 이때, 상기에서 제시한 임계값 T1, T2, T3으로서는 본원의 발명자들에 의해 수행된 많은 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과로서 각각 5, 2, 2의 값을 사용하였다.
따라서, 이와 같은 과정을 통해 각 매크로 블록내의 각 블록들은 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역으로 분류되며, 이와 같이 분류된 각 블록 정보들은 다음단의 클레스 결정 블록(2140)으로 제공된다.
한편, 클레스 결정 블록(2140)에서는, 일예로서 제4도에 도시된 바와 같이, 각 매크로 블록내의 평탄, 에지 및 텍스쳐 블록의 계수분포를 이용하여 각 매크로 블록에 대한 클레스값을 구한다. 여기에서는 평탄, 에지 및 텍스쳐 블록의 순으로 세 가지 중요도를 부여하는 데, 이때 매크로 블록의 클레스값은 시각적으로 중요한 매크로 블록일수록 작은 값을 가지며, 시각적으로 중요하지 않은 매크로 블록일수록 큰 값을 가지게 된다.
제4도 (가)에 있어서, Ns는 한 매크로 블록내의 평탄 블록의 수를 의미하고, NE는 한 매크로 블록내의 에지 블록의 수를 의미하며, NT는 한 매크로 블록내의 텍스쳐 블록의 수를 의미한다. 또한, 제4도 (나)는 본 발명에 따라 결정되는 1-15사이의 클레스값을 나타내는 데, 이러한 클레스값들은 한 매크로 블록내에 포함되는 평탄 블록, 에지 블록 및 텍스쳐 블록의 수에 따라 각 매크로 블록단위로 결정된다. 즉, 제4도 (가)로부터 알 수 있는 바와 같이, 한 매크로 블록에서 평단 블록의 수를 나타내는 Ns가 4개이고, 에지 블록의 수를 나타내는 NE및 텍스쳐 블록의 수를 나타내는 NT가 제로(0)일 때, 해당 매크로 블록의 클레스값은 1로서 결정될 것이다. 또한, Ns 블록이 2개, NE블록이 1개, NT블록이 1개인 경우 해당 매크로 블록은 5로 결정될 것이다. 그런 다음, 이와 같이 결정되는 각 매크로 블록들의 클레스값들은 라인 L31을 통해 ACT 발생 블록(2170) 및 영역 판단 블록(2150)으로 각각 제공된다.
한편, 영역 판단 블록(2150)은, 본 발명에 따라 시간 활성도를 산출하는 데 필요로 하는 주변영역 판단신호를 발생하는 것으로, 현재 부호화(즉, 양자화)하고자 하는 해당 매크로 블록 주변의 적어도 8개의 각 매크로 블록들의 클레스값들에 의거하여 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하며, 여기에서의 영역 판단 결과신호는 라인 L33을 통해 후술되는 ACT 발생 블록(2170)으로 제공된다. 보다 상세하게, 영역 판단 블록(2150)에서는 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 복수의 주변 매크로 블록들의 각 클레스값들을 가산하여 그 평균값을 산출하고, 산출된 평균 클레스값이 기설정된 임계값, 예를 들면 6보다 높으면 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역이고 6보다 작으면 텍스쳐 영역이 아닌 것으로 판단하며, 그 영역 판단신호는 라인 L33을 통해 ACT 발생 블록(2170)으로 제공된다. 여기에서의 영역 판단신호는 하이 또는 로우 레벨을 갖는 논리신호를 이용할 수 있을 것이다.
다른 한편, 움직임 보상 오차 계산 블록(2160)은 본 발명에 따라, 인터 모드 부호화시에, 시간 활성도를 산출하는 데 필요로 하는 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 움직임 보상오차값을 산출하는 것으로, 라인 L13상의 입력 프레임 신호와 L12 상의 예측 오차신호에 의거하여 각 매크로 블록단위로 그 움직임 보상 오차값을 산출한다. 즉, 움직임 보상 오차 계산 블록(2160)에서는 각 매크로 블록에 대해 픽셀단위로 원신호에서 오차신호를 감산한 값을 제곱하여 얻은 각 픽셀의 움직임 보상 오차값들을 모두 가산, 라인 L13 상의 입력 프레임에서의 각 매크로 블록내의 각 픽셀값과 이에 대응하는 예측 오차신호내의 각 매크로 블록의 픽셀값을 각각 감산하여 각 픽셀에 대한 움직임 보상 오차값을 산출하며, 이와 같이 산출된 각 픽셀에 대한 움직임 보상 오차값을 모두 가산하여 최종적으로 한 매크로 블록(현재 부호화하고자 하는 매크로 블록)에 대한 하나의 움직임 보상 오차값을 산출한다. 그런 다음, 이와 같이 산출된 한 매크로 블록에 대한 움직임 보상 오차값과 기설정된 임계값(예를 들면, 1200)을 비교하며, 그 비교결과 움직임 보상 오차값이 기설정된 임계값보다 큰 것으로 판단되면, 라인 L35 상에 양자화 가중치를 감소, 즉 해당 매크로 블록을 보다 촘촘하게 양자화하도록 하기 위한 움직임 보상 오차 가중치신호를 발생하여 ACT 발생 블록(2170)에 제공한다.
여기에서, 사용되는 움직임 보상 오차 가중치신호로서는, 일예로서 0.7 또는 0.5 정도의 값이 이용될 수 있으며, 이러한 정보값들, 이용하여 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 주변영역이 텍스쳐 영역이고 해당 매크로 블록의 움직임 보상 오차값이 기설정된 임계값보다 큰 경우에 최종적인 양자화 가중치를 낮추므로서 해당 매크로 블록이 보다 촘촘하게 양자화 양자화 파라메터를 결정하게 될 것이다.
상술한 바와 같이, 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 주변영역(적어도 8개의 주변 매크로 블록)이 텍스쳐 영역인지를 체크하고, 또한 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 대한 움직임 보상 오차값을 산출하는 것은, 본 발명에 따라 영상의 시간 활성도를 얻기 위해서이며, 이와 같이 얻어지는 시간 활성도는 전술한 공간 활성도와 더불어 양자화 파라메터 결정을 위한 가중치로서 이용될 것이다. 따라서, 현재 부호화되는 매크로 블록의 주변영역이 평탄한 영역에서 움직임이 많은 물체가 지나가는 경우에 생기는 블록화 현상을 감소시킬 수 있게 되어 재생영상에서의 주관적 화질을 향상시킬 수 있다.
다음에, ACT 발생 블록(2170)에서는 상술한 바와 같은 과정을 통해 얻어진 각 매크로 블록의 공간 활성도와 시간 활성도 정보, 라인 L31 상의 매크로 블록 단위의 클레스값 정보들, 라인 L33 상의 각 매크로 블록의 영역 판단신호 및 라인 L35 상의 각 매크로 블록의 움직임 보상 오차 가중치신호에 의거하여 매크로 블록 단위로 클레스값을 조절한다. 즉, 현재 부호화하고자 하는 특정 매크로 블록에 인접하는 주변 매크로 블록들의 클레스값들과 특정 매크로 블록의 움직임 보상 오차값을 이용하여 해당 매크로 블록의 클레스값을 조절한다.
먼저, 본 발명에 따라 ACT 발생 블록(2170)에서는 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 인접하는 주변 매크로 블록들의 클레스값을 이용하여 해당 매크로 블록의 클레스값을 조절하는 데, 일예로서 제5도에 도시된 바와 같이, 양자화 단계에서의 적응 양자화를 위해, DCT 에너지 분포를 이용하여 ACT 값을 얻고자 하는 해당 매크로 블록이 제5도 (가)의 매크로 블록 n4이고, n1부터 n9까지의 각 매크로 블록의 클레스값이 제5도 (나)에 도시된 바와 같이 1, 2, 2, 1, 4, 1, 1, 4, 1 이라고 가정할 때, 현재 조절하고자 하는 n4 매크로 블록의 클레스값 4를 이 n4를 제외한 n1 내지 n9 매크로 블록의 평균 클레스값으로 대체하는 것이다. 그 결과, n4 매크로 블록의 클레스값은 4 대신에 1로 조절될 것이다. 이때, 해당 매크로 블록에 인접한 주변 8개의 매크로 블록에 대한 클레스값을 평균하여 얻은 조절(갱신)하고자 하는 평균 클레스값 연산에서 소숫점 이하의 값은 버려진다. 이것은 소숫점 이하의 값까지 고려하면서 평균 클레스값 연산을 수행하도록 할 경우, 이를 구현하기 위한 하드웨어가 매우 복잡해 질 뿐만 아니라 그 복잡한 구현 또한 용이하지 않기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 인접하는 매크로 블록의 클레스값을 이용하여 해당 매크로 블록으로의 대체를 위한 평균 클레스값 연산에서 소숫점 이하의 값은 무시한다.
일반적으로, 인간의 시각특성은 부호화하고자 하는 매크로 블록의 특성뿐만 아니라 주변 영역의 특성에 따라 해당 매크로 블록에 대한 민감도가 좌우된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여 주변 영역에서의 시각적 중요도를 추출하기 위하여, 일예로서 제5도 (가) 및 (나)에 도시된 바와 같이, 부호화하고자 하는 매크로 블록(제5도 (가)에서 빗금으로 채워진 n4 매크로 블록)에 인접한 8개의 매크로 블록의 기각적 중요도를 함께 고려한다.
다시 말해, 부호화하고자 하는 매크로 블록에 인접하는 주변 매크로 블록들의 클레스값이 높은 영역(시각적으로 둔감한 영역)인 경우에는 전술한 과정에서 결정되는 해당 매크로 블록(부호화하고자 하는 매크로 블록)의 클레스값을 상향 조절함으로써, 결과적으로 양자화 스텝 사이즈를 키워 해당 매크로 블록이 상대적으로 거친 양자화가 적용되도록 한다. 이와 반대로, 부호화하고자 하는 매크로 블록에 인접하는 주변 매크로 블록들의 클레스값이 낮은 영역(시각적으로 민감한 영역)인 경우에는 해당 매크로 블록의 클레스값을 하향 조절함으로써, 결과적으로 양자화 스텝 사이즈를 줄여 해당 매크로 블록에서 양자화로 인한 데이터 손실이 작아지도록 한다.
예를 들어, 편평한 배경(smooth 영역)에 어떤 물체의 윤곽(edge 영역)이 있는 영역을 포함하는 매크로 블록은 인접한 각 매크로 블록(주변의 8 매크로 블록)의 클레스값들이 낮기 때문에, 즉 평탄(smooth) 영역이므로, 현재의 클레스값보다 낮춰주어야 한다. 즉, 제5도 (가)에 도시된 바와 같은 특성을 갖는 영역은 동도 (나)에 도시된 바와 같이, 해당 매크로 블록(n4)이 4의 클레스값을 갖더라도, 주변 영역의 특성을 고려하는 인간의 시각특성을 고려한다면 4보다 낮은 클레스값으로 낮춰주어야 하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 해당 매크로 블록의 클레스값을 인접하는 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값으로 대체한다.
다음에, ACT 발생 블록(2170)은 상술한 바와 같이 현재 부호화하고자 하는 특정 매크로 블록에 대한 클레스값을 조절한 다음, 라인 L33 상의 영역 판단신호와 라인 L35 상의 움직임 보상 오차 가중치신호를 체크한다. 여기에서의 체크결과, 현재 부호화하고자 하는 특정 매크로 블록의 주변영역이 텍스쳐 영역이 아니고, 즉 주변 매크로 블록의 평균 클레스값이 6 이하이고, 또한 움직임 보상 오차 가중치신호가 입력, 즉 특정 매크로 블록의 움직임 보상 오차값(부호화 전의 입력 프레임내 매크로 블록과 이에 대응하는 예측 오차신호내의 매크로 블록의 각 픽셀 차신호를 제곱하여 모드 합산한 값)이 기설정된 임계값, 예를 들면 1200보다 큰 것으로 판단되면, 상술한 바와같이 특정 매크로 블록의 공간 활성도를 고려하여 조절된 클레스값을 재조절, 즉 적응 양자화 가중치(DCT 에너지 분포를 이용하여 산출된 공간영역 특성을 반영한 가중치)를 감소시키도록 하는 각 매크로 블록에 대한 활성도(ACT) 값을 라인 L14 상에 발생하여 제1도의 QP 발생 블록(220)으로 제공한다.
다시 말해, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 부호화 전의 입력 프레임의 시각특성 정보를 이용한 영상의 공간 활성도 뿐만 아니라 움직임 보상 오차값에 근거하여 산출되는 시간 활성도를 입력 영상의 최종 복잡도를 결정하는 데, 이것은 인간의 시각특성이 공간영역의 특성뿐 아니라 물체의 움직임에 따라서도 민감하게 반응한다는 점을 고려하기 위한 것으로, 이와 같은 움직임 특성의 고려를 통해 움직이는 물체가 공간적으로 중요한 영역을 통과할 때 그 움직임 보상 오차가 클 경우 재생 영상에서의 주관적인 화질이 저하되어 재생 영상에서의 블록킹 현상이 두드러지게 나타나는 현상을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 DCT 에너지 분포를 이용하여 추출되는 공간영역의 특성을 반영하는 적응 양자화 가중치에 물체의 운동특성에 따른 움직임 보상 오차 가중치를 곱하여 이를 최종적인 적응 양자화 가중치로 사용하는 데, 이때, 움직임 보상 오차 가중치는 각 매크로 블록이 인터(INTER) 모드 방식으로 처리되었을 경우에 한하여 그 움직임 보상 오차가 기설정된 일정 임계값보다 크고 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스춰(texture) 영역이 아닐 경우에 적응 양자화 가중치(DCT) 에너지 분포를 이용하여 산출된 공간영역 특성을 반영한 가중치)를 감소시켜 주어진 비트율에서 재생 영상에 대해 인간의 시각이 인식할 수 있는 부호화 열화를 최소화할 수 있다.
따라서, 제1도의 QP 발생 블록(220)에서는 라인 L23을 통해 출력측 전송 버퍼(150)로부터 제공되는 데이터 충만상태 정보와 라인 L14를 통해 상술한 ACT 발생 블록(2170)으로부터 제공되는 DCT 에너지 분포에 근거한 공간 활성도 및 움직임 보상 오차값에 근거한 시간 활성도를 참조하여 최종적으로 얻어지는 ACT 값에 의거하여 제1도의 양자화 블록(130)에서 각 매크로 블록단위로 수행되는 양자화 과정에서의 양자화 스텝 스이즈(양자화 스케일) 결정을 위한 양자화 파라메터(QP)를 라인 L25상에 발생한다.
그 결과, 제1도의 양자화 블록(130)에서는 입력되는 DCT 변환계수들에 대해 상기한 QP 발생 블록(220)으로부터 제공되는 QP 값에 따라 결정되는 양자화 스텝 사이즈로 각 매크로 블록단위로 양자화를 수행함으로써, 일련의 양자화된 DCT 변환계수들을 라인 L15상에 발생하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대해 적응 양자화를 위한 인간의 시각특성 고려시의 영상의 국부특성 산출에 있어서, 종래 방법에서와 같이 각 매크로 블록의 분산을 이용하지 않고 인간의 시각특성에 매우 민감한 DCT 에너지 분포 및 주변 매크로 블록들에 대한 영상정보를 이용하여 추출된 영상의 공간 활성도와 부호화 전의 입력 영상과 예측 오차신호간의 움직임 보상 오차값을 이용하여 추출된 시간 활성도를 참조하여 최종적인 적응 양자화 가중치를 산출하고, 이와 같이 산출된 적응 양자화 가중치 정보를 이용하여 인간의 시각특성에 매우 적합한 적응 양자화를 수행함으로써, 재생 영상에서의 주관적 화질을 높일 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (12)

  1. 인트라 모드시의 입력 현재 프레임 자체신호 또는 인터 모드시에 입력 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임을 이용하는 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 예측 오차신호에 대해 이산 코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화 수단을 포함하는 부호화를 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 데이터 충만상태 정보와 상기 입력 프레임의 국부특성 정보를 참조하여 결정되는 양자화 파라메터에 의거하여 매크로 블록단위로 그 스텝 사이즈가 조절되는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템에 있어서, 부호화전의 상기 현재 프레임을 입력하여 소정의 N×N 크기의 복수의 블록으로 분할하는 불록 분할 수단 ; 상기 분할된 각 N×N 블록에 대한 공간영역의 영상신호를 코사인함수를 이용하여 각 N×N 블록의 주파수 영역의 DCT 변환계수들로 변환하는 이산 코사인 변환수단 ; 상기 각 N×N 변환계수 블록들 각각에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 DCT의 특정계수들을 기설정된 복수의 그룹으로 그룹핑하고, 상기 그룹핑으로 얻어진 각 그룹들에 대한 각 에너지 평균값, 최소값, 최대값, 최대값과 최소값의 비 및 이들 각 값에 대한 정수값의 기설정된 복수의 임계값을 이용하여 상기 각 N×N 변환계수 블록 각각이 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역인지를 각각 결정하여 그 해당 영역을 분류하는 수단 ; 상기 영역 분류된 복수의 N×N 변환계수 블록을 포함하는 매크로 블록 각각에 대해 상기 분류된 영역의 계수분포를 이용하여 순차레벨값으로 기설정된 복수의 클레스값들중 특정 클레스값을 할당하는 클레스 결정 수단 ; 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록들에 할당된 각 클레스값들의 평균값을 이용하여 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하는 영역 판단 블록 ; 상기 부호화전의 현재 프레임내 각 매크로 블록과 이에 각각 대응하는 상기 예측 오차신호내 각 매크로 블록간의 움직임 보상 오차값과 기설정된 임계값을 비교하며, 비교결과 산출된 상기 움직임 보상 오차값이 상기 기설정된 임계값보다 클 때 그에 상응하는 가중치신호를 발생하는 움직임 보상 오차 계산 블록 ; 및 현재 부호화하고자 하는 상기 해당 매크로 블록에 대해 할당된 상기 클래스값을 인접하는 복수의 주변 매크로 블록들의 할당 클레스값을 이용하여 상향 또는 하향 조절하고, 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역이 아닐 때 상기 가중치신호에 의거하여 상기 해당 매크로 블록에 할당된 상기 조절된 클레스값을 하향으로 재조절하며, 상기 재조절된 클레스값을 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 국부특성 정보로써, 상기 양자화 수단에 제공하는 활성도 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 N×N 블록은, 8×8 DCT 블록인 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 N×N 블록 각각은, DCT 에너지 분포를 이용하여 다수의 DCT 변환계수를 각각 포함하는 수평 에너지, 수직 에너지 및 대각 에너지 그룹으로 각각 그룹핑되는 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 N×N 블록 각각은, 제1조건으로 각 블록내의 상기 각 그룹들에 대한 평균값이 상기 기설정된 복수의 임계값중 제1의 임계값보다 작으면 상기 평탄 영역에 속하는 블록으로 분류되고, 제2조건으로 상기 최소값보다 크고 상기 최대값과 최소값의 비보다 작으면 상기 텍스쳐 영역에 속하는 블록으로 분류되며, 상기 제2조건이 충족되지 않으면 상기 에지 영역에 속하는 블록으로 분류되는 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 클레스값은, 그에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록의 클레스값들을 평균하여 얻은 평균값으로 대체되는 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 주변 매크로 블록은, 상기 부호화하고자 하는 매크로 블록에 인접하는 적어도 8개의 매크로 블록인 것을 특징으로 하는 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템.
  7. 인트라 모드시의 입력 현재 프레임 자체신호 또는 인터 모드시에 입력 현재 프레임과, 이 현재 프레임 및 재구성된 이전 프레임를 이용하는 움직임 추정, 보상을 통해 얻어지는 예측 프레임간의 예측 오차신호에 대해 이산 코사인 변환, 양자화 및 엔트로피 부호화 수단을 포함하는 부호화를 통해 압축 부호화하여 부호화된 비트 스트림을 발생하며, 상기 양자화는 출력측 전송 버퍼에 저장되는 상기 비트 스트림의 데이터 충만상태 정보와 상기 입력 프레임의 국부특성 정보를 참조하여 결정되는 양자화 파라메터에 의거하여 매크로 블록단위로 그 스텝 사이즈가 조절되는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 양자화 제어방법에 있어서, 상기 부호화를 위해 입력되는 프레임을 N×N 크기의 복수의 블록으로 분할한 다음, 상기 분할된 각 N×N 블록에 대한 공간영역의 영상신호를 코사인함수를 이용하여 각 N×N 블록의 주파수 영역의 DCT 변환계수들로 변환하는 과정; 상기 각 N×N 변환계수 블록들 각각에 대해 DCT 에너지 분포를 이용하여 DCT의 특정계수들을 기설정된 복수의 그룹으로 그룹핑하는 과정; 상기 그룹핑된 각 N×N 변환계수 블록들 각각을 평탄 영역, 텍스쳐 영역 또는 에지 영역으로 분류하는 과정; 상기 영역 분류된 복수의 N×N 변환계수 블록을 포함하는 매크로 블록 각각에 대해 상기 분류된 영역의 계수분포를 이용하여 순차레벨값으로 기설정된 복수의 클레스값들중 특정 클레스값을 할당하는 과정; 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록에 인접하는 복수의 주변 매크로 블록의 클레스값에 대한 정수값의 평균값을 산출하는 과정; 상기 산출된 복수의 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값을 이용하여 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 클레스값을 상향 또는 하향 조절하는 과정; 상기 복수의 주변 매크로 블록들의 평균 클레스값을 이용하여 현재 부호화하고자 하는 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역인지의 여부를 판단하는 과정; 상기 부호화전의 현재 프레임내 각 매크로 블록과 이에 각각 대응하는 상기 예측 오차신호내 각 매크로 블록간의 움직임 보상 오차값을 산출하며, 산출된 움직임 보상 오차값이 기설정된 임계값보다 클 때 그에 상응하는 가중치신호를 발생하는 과정; 상기 해당 매크로 블록의 주변 영역이 텍스쳐 영역일 때 상기 발생된 가중치신호에 의거하여 상기 조절된 클레스값을 하향으로 재조절한 다음 재조절된 클레스값을 상기 현재 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 양자화 과정에서의 국부특성 정보로서 제공하는 과정; 및 상기 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 국부특성 정보와 상기 전송 버퍼의 데이터 충만상태 정보에 의거하여 상기 양자화 파라메터를 결정하는 과정을 포함하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 N×N 블록은, 8×8 DCT 블록인 것을 특징으로 하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 N×N 블록 각각은, DCT 에너지 분포를 이용하여 다수의 DCT 변환계수를 각각 포함하는 수평 에너지, 수직 에너지 및 대각 에너지 그룹으로 각각 그룹핑되는 것을 특징으로 하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,상기 N×N 블록 각각은, 제1조건으로 각 블록내의 상기 각 그룹들에 대한 평균값이 상기 기설정된 복수의 임계값중 제1의 임계값보다 작으면 상기 평탄 영역에 속하는 블록으로 분류되고, 제2조건으로 상기 최소값보다 크고 상기 최대값과 최소값의 비 보다 작으면 상기 텍스쳐 영역에 속하는 블록으로 분류되며, 상기 제2조건이 충족되지 않으면 상기 에지 영역에 속하는 블록으로 분류되는 것을 특징으로 하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 부호화하고자 하는 해당 매크로 블록의 클레스값은, 상기 인접하는 복수의 주면 매크로 블록의 평균 클레스값으로 대체되는 것을 특징으로 하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
  12. 제7항 또는 제11항에 있어서, 상기 복수의 주변 매크로 블록은, 상기 부호화하고자 하는 매크로 블록에 인접하는 적어도 8개의 매크로 블록인 것을 특징으로 하는 개선된 영상 부호화 시스템에서의 적응적인 양자화 제어방법.
KR1019960011302A 1996-04-15 1996-04-15 적응적인 양자화 조절 기능을 갖는 개선된 영상 부호화 시스템 및 그 양자화 제어방법 KR100204069B1 (ko)

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