KR100206924B1 - 영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더 - Google Patents

영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더에 관한 것으로, 종래에는 신호 처리 방식에 따라 압축율이 정해지므로 복잡한 영상의 경우 화질이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 엔코더의 입력단에 다운 샘플링을 위한 수단(208)을 부가하여 그 다운 샘플링된 신호를 이산 코사인 변환함에 의한 계수중 고주파 성분의 합이 일정 문턱값을 넘으면 원래의 비트 스트림을 추가로 전송하고 디코더의 출력단에 업 샘플링을 위한 수단(216)을 부가하여 구성한다. 이러한 본 발명은 엔코딩시 다운샘플링을 수행하여 디지탈 영상을 압축하고 디코딩시 업 샘플링을 수행하여 원래의 비트 스트림을 복구함으로써 종래보다 높은 압축율을 구현함과 아울러 같은 비트율에서 우수한 품질의 화상을 얻을 수 있다.

Description

영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더
제1도는 영상 포멧을 보인 예시도.
제2도는 종래의 엔코더의 블럭도.
제3도는 종래의 디코더의 블럭도.
제4도는 본 발명에서 다운 샘플링을 보인 예시도.
제5도는 본 발명의 엔코더의 블럭도.
제6도는 본 발명의 디코더의 블럭도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201 : 이산 코사인 변환기 202 : 양자화기
203 : 가변장 부호화기 204 : 선입선출 메모리
205 : 역양자화기 206 : 역이산 코사인 변환기
207 : 움직임 추정 및 보상부 208 : 다운 샘플링부
211 : 버퍼 212 : 가변장 복호화기
213 : 역양자화기 214 : 역이산 코사인 변환기
215 : 움직임 보상부 216 : 보간부
본 발명은 영상 압축 기술에 관한 것으로, 특히 영상 처리 시스템에서 영상 압축 방식인 MPEG1, MPEG2의 기본 규격을 유지하면서 압축 효율을 향상시킴은 물론 원래 화면의 해상도와 거의 유사하도록 한 영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더에 관한 것이다.
일반적으로 영상 처리 과정에서 원래의 화면을 디지탈 샘플링한 데이타는 그대로 사용하기에는 너무나 데이타의 양이 많아 압축을 하여 사용하게 된다.
이때, 원화면에 얼마만큼 유사한 해상도를 유지하면서 압축율을 향상시키는가가 중요한 과제이다.
따라서, 영상 압축에서는 인간의 시각적 특성을 최대한 이용하여 약간의 데이타 손실이 있더라도 그것을 못느끼도록 압축하는 기법과 손실없이 데이타 자체를 압축하는 기법이 사용된다.
제2도는 종래의 인코더의 블럭도로서 이에 도시된 바와 같이, 비디오 입력 신호와 예측 신호의 차를 이산 코사인 변환하는 이산 코사인 변환기(101)와, 이 이산 코사인 변환기(101)의 출력 신호를 양자화하는 양자화기(102)와, 움직임 벡터를 기준으로 상기 양자화기(102)의 출력 신호를 가변장 코딩하는 가변장 부호화기(103)와, 이 가변장 부호화기(103)의 일시 저장하여 출력함과 아울러 상기 양자화부(102)의 양자화 레벨을 조정하는 선입선출 메모리(104)와, 상기 양자화기(102)의 출력 신호를 역양자화하는 역양자화기(105)와, 이 역양자화기(105)의 출력 신호를 역이산 코사인 변환하는 역이산 코사인 변환기(106)와, 비디오 입력 신호에서 모션 벡터를 추출하여 상기 가변장 부호화기(103)에 출력하고 상기 역이산 코사인 변환기(106)의 출력 신호와 예측 신호가 합산되어 복호된 비디오 신호를 입력으로 다음의 프레임에 대한 예측 신호를 생성하는 움직임 추정 및 보상부(107)로 구성한다.
제3도는 종래 디코더의 블럭도로서 이에 도시된 바와 같이, 입력 데이타를 일시 저장하는 버퍼(111)와, 이 버퍼(111)의 출력 데이타를 가변장 복호 처리하고 양자화 레벨 및 모선 벡터를 추출하는 가변장 복호화기(112)와, 이 가변장 복호화기(112)의 출력 데이타를 역양자화하는 역양자화기(113)와, 이 역양자화기(113)의 출력 데이타를 역이산 코사인 변화하여 원래의 데이타를 출력하는 역이산 코사인 변환기(114)와, 상기 가변장 복호화기(112)에서 추출한 모션 벡터를 기준으로 상기 역이산 코사인 변환기(114)의 출력을 점검하여 데이타 전송율을 조정하는 움직임 보상부(115)로 구성한다.
이와 같은 종래 회로의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1도의 포멧과 같이 샘플링된 화면의 휘도(Y) 및 색성분(Cb,Cr)이 입력되면 예측 신호와의 차가 구해지고 이 차 신호는 이산 코사인 변환기(101)에 입력되어 이산 코사인 변환을 통해 공간 영역에서 주파수 영역으로 바뀌게 된다.
여기서, 이산 코사인 변환(DCT)이란 공간상의 영상 데이타를 주파수상의 에너지 분포로 변환시키는 것으로 일반적인 영상 데이타가 저주파수 영역으로 집중되는 성질을 이용한다.
이 후, 양자화기(102)는 이산 코사인 변환된 계수를 입력받아 양자화 테이블에 의한 양자화 과정을 수행하며 그 양자화된 계수는 데이타 전송이 편리하도록 1차원 배열로 재배열되는데 0이 아닌 값을 가지는 계수를 집중시키기 위해 지그 재그 스캔하여 출력하게 된다.
여기서, 양자화란 이산 코사인 변환된 계수를 유한한 갯수의 값으로 근사화시키는 것으로 비선형 연산이다.
이때, 양자화 과정을 거치면 원신호의 완전한 재생이 불가능하며, 인간의 시각적 특성을 이용하여 눈에 민감하지 않은 고주파수 성분을 제거하게 된다.
이 후, 가변장 부호화기(103)는 움직임 추정 및 보상부(107)의 모션 벡터(MV)를 입력받아 양자화된 계수를 엔트로피 코딩(entropy coding)의 일종인 가변장 코딩을 수행하여 더욱 압축하게 된다.
이때, 가변장 코딩은 빈도가 적은 심볼에는 긴 코드를 할당하고 빈도가 많은 심볼에는 짧은 코드를 할당하여 전체적으로 데이타량을 줄이는 압축 기법이다.
이에 따라, 선입선출 메모리(104)가 가변장 부호화기(103)의 출력 데이타를 일시 저장하여 전송하게 된다.
이때, 선입선출 메모리(104)의 입출력 데이타량의 차이에 따라 양자화기(102)의 양자화 레벨을 조정하므로써 상기 선입선출 메모리(104)의 오버플로어를 방지하게 된다.
한편, 비디오 데이타를 압축하여 전송함에 있어 움직임 추정 및 보상부(107)는 입력 비디오 신호를 입력으로 하여 움직임 벡터(MV)를 추출함과 동시에 역양자화기(106)의 출력 신호로부터 복호화된 데이타를 입력으로 하여 다음 프레임에 대한 예측 데이타를 생성하게 된다.
이에 따라, 움직임 추정 및 보상부(107)에서 생성된 움직임 벡터(MV)는 가변장 부호화기(103)에 출력되며 다음 프레임에 대한 예측 데이타는 이산 코사인 변환기(101)에 입력되는 차성분 및 역이산 코사인 변환기(106)로부터의 출력 신호에서 복호되는 데이타를 생성하는데 이용되어진다.
상기와 같이 부호화 과정을 거친 데이타는 디코더에서 반대의 과정을 통해 복호되어 디스플레이단의 화면에 영상으로 표시되어진다.
즉, 부호화된 데이타가 버퍼(111)를 통해 입력되면 가변장 복호화기(112)는 복호화 과정을 수행하여 압축된 비트 스트림을 신장시키게 된다.
이때, 복호화 과정에서 모션 벡터(MV)와 양자화 레벨이 추출되어 역양자화기(113)와 움직임 보상부(115)에 각기 입력되어진다.
이에 따라, 역양자화기(113)가 가변장 복호화기(112)의 출력을 역양자화 하여 복구하면 역이산 코사인 변환부(114)가 역이산 코사인 변환 과정을 수행하여 원래의 비디오 데이타를 복호하게 되며, 이 복호된 데이타는 디스플레이단(도면 미표시)을 통해 화면에 영상으로 표시되어진다.
한편, 움직임 보상부(115)는 가변장 복호화기(112)에서 추출된 모션 벡터(MV)를 기준으로 역양자화기(114)의 출력을 점검하여 데이타의 오버플로어를 방지하게 된다.
상기 과정에서 데이타 처리의 기분 단위는 8*8 블럭 단위이다.
그러나, 현행 동영상 압축 기술의 표준인 MPEG1, MPEG2는 디코더 블럭에 대한 규격은 정하였지만 엔코더 블럭이나 디스플레이단에 대한 규격은 정해지지 않았다.
이때, 엔코더에서 처음 비트 스트림을 어떻게 처리하느냐 또는 최종 출력 비트 스트림을 디스플레이 단에서 어떻게 처리하느냐에 따라 압축율을 보다 높이며서도 화질을 기존의 표준에 유사하게 할 수 있다.
따라서, 종래에는 신호 처리 방식에 따라 압축율이 정해지므로 복잡한 영상의 경우 화질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 엔코딩 과정에서 다운 샘플링을 수행하여 데이타를 감소시키고 디코딩 과정에서 보간 과정을 수행하여 원래의 데이타를 복호함으로써 압축율을 향상시키도록 창안한 영상 처리 시스템의 엔코더 및 디코더를 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 엔코더의 입력단에 다운 샘플링을 위한 수단을 부가하고 디코더의 출력단에 업 샘플링을 위한 수단을 부가하여 구성한다.
이러한 본 발명은 영상 엔코딩시 다운 샘플링을 수행하여 데이타 량을 감소시킴으로써 압축율을 향상시키고 영상 디코딩시 업 샘플링을 수행하여 원래의 데이타를 복호함으로써 원래 영상의 해상도와 거의 유사하도록 하는 과정을 수행한다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
제5도는 본 발명의 실시예에 따른 엔코더의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 이산 코사인 변환기(201), 양자화기(202), 가변장 복호화기(203), 선입선출 메모리(204), 역양자화기(205), 역이산 코사인 변환기(206) 및 움직임 추정 및 보상부(207)로 제2도의 종래 엔코더와 동일하게 구성하고, 비디오 입력 신호를 다운 샘플링하여 상기 이산 코사인 변환기(201)에 입력시키는 다운 샘플링부(208)를 포함하여 구성한다.
제6도는 본 발명의 실시예에 따른 디코더의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 버퍼(211), 가변장 복호화기(212), 역양자화기(213), 역이산 코사인 변환기(214) 및 움직임 보상부(215)로 제3도의 종래 디코더와 동일하게 구성하고, 상기 역이산 코사인 변환기(214)의 출력 신호를 입력으로 하여 업 샘플링하는 보간기(216)를 포함하여 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 실시예의 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 원 화면에서 MPEG 포멧에 맞게 샘플링된 신호는 다운 샘플링부(208)에 입력되어 인접한 두 화소간의 평균값으로 다운 샘플링되어진다.
이때, 제4a도와 같은 원화면의 비트 스트림에 대해 다운 샘플링 과정이 수행되면 제4b도와 같이 원래의 비트 스트림에 비해 1/4로 줄어든다.
그리고, 이산 코사인 변환기(201)는 다운 샘플링부(208)를 거치지 않은 원화면의 비트 스트림을 이산 코사인 변환하여 그 결과값중 고주파 성분을 합산하고 그 합산값을 일정 문턱값과 비교하게 된다.
이때, 이산 코사인 변환기(201)는 합산값이 일정 문턱값보다 작으면 다운 샘플링부(208)의 출력 비트 스트림을 이산 코사인 변환하여 양자화기(202)에 입력시키게 된다.
만일, 합산값이 일정 문턱값보다 크면 다운 샘플링부(208)의 출력 비트 스프림을 이산 코사인 변환하여 양자화기(202)에 입력시킨 후 추가로 원화면의 비트 스트림 정보를 그 양자화기(202)에 전송하게 된다.
상기에서 이산 코사인 변환은 8*8 화소 단위로 수행하며, 이를 하나의 블럭으로 하여 4개의 블럭이 하나의 매크로 블럭을 형성하게 된다.
따라서, 고주파 성분의 합산값이 문턱값을 넘지않는 매크로 블럭은 다운 샘플링 과정에 의해 하나의 블럭 단위로 계산되어진다.
이 후, 양자화기(202)는 이산 코사인 변환된 계수를 양자화 과정을 통해 유한 갯수의 값으로 근사화하여 출력하게 된다.
이에 따라, 가변장 부호화기(203)가 움직임 추정 및 보상부(207)의 모션 벡터(MV)를 입력받아 양자화된 계수를 가변장코딩하여 압축하면 선입선출 메모리(204)가 일시 저장하여 전송하게 된다.
이때, 선입선출 메모리(204)의 입출력 데이타량의 차이에 따라 양자화기(102)의 양자화 레벨을 조정하므로써 상기 선입선출 메모리(204)의 오버플로어를 방지하게 된다.
한편, 비디오 데이타를 압축하여 전송함에 있어 움직임 추정 및 보상부(207)는 입력 비디오 신호를 입력으로 하여 움직임 벡터(MV)를 추출함과 동시에 역양자화기(206)의 출력 신호로부터 복호화된 데이타를 입력으로 하여 다음 프레임에 대한 예측 데이타를 생성하게 된다.
이에 따라, 움직임 추정 및 보상부(207)에서 생성된 움직임 벡터(MV)는 가변장 부호화기(203)에 출력되며 다음 프레임에 대한 예측 데이타는 이산 코사인 변환기(201)에 입력되는 차성분 및 역이산 코사인 변환기(206)로부터의 출력 신호에서 복호되는 데이타를 생성하는데 이용되어진다.
상기와 같이 부호화된 데이타는 디코더에서 복호되는데, 버퍼(211)를 통해 부호화된 데이타가 입력되면 가변장 복호화기(121)는 복호화 과정을 수행하여 압축된 비트 스트림을 신장시키게 된다.
이때, 복호화 과정에서 모션 벡터(MV)와 양자화 레벨이 추출되어 역양자화기(213)와 움직임 보상부(215)에 각기 입력되어진다.
이에 따라, 역양자화기(213)가 가변장 복호화기(212)의 출력을 역양자화 하여 복구하면 역이산 코사인 변환기(214)가 역이산 코사인 변환 과정을 수행하게 된다.
이 후, 보간부(216)는 역이산 코사인 변환기(214)의 출력 데이타를 입력받아 업 샘플링하여 원래의 비트 스트림을 복구하는데, 코딩시 이산 코사인 변환된 계수의 고주파 성분이 일정 문턱값을 넘어 부가적으로 비트 스트림이 전송된 경우 이 비트 스트림에 의해 물체의 경계 부분과 같은 고주파 성분 부분을 보상하게 된다.
따라서, 보간부(216)에서 복구된 원래 비디오 데이타는 디스플레이단(도면 미표시)에 입력되어 화면에 영상으로 표시되어진다.
한편, 움직임 보상부(215)는 가변장 복호화기(212)에서 추출된 모션 벡터(MV)를 기준으로 역양자화기(214)의 출력을 점검하여 데이타의 오버플로어를 방지하게 된다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 엔코딩시 다운 샘플링을 수행하여 디지탈 영상을 압축하고 디코딩시 업 샘플링을 수행하여 원래의 비트 스트림을 복구함으로써 종래보다 높은 압축율을 구현함과 아울러 같은 비트율에서 우수한 품질의 화상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 화상 통신 시스템과 같은 배경이 단순한 화상에 적합하다.

Claims (3)

  1. 비트 스트림을 다운 샘플링하는 다운 샘플링 수단과, 이 다운 샘플링 수단의 출력 신호를 역이산 코사인 변환하는 이산 코사인 변환 수단과, 이 이산 코사인 변환 수단의 출력 신호를 유한 갯수의 값으로 양자화하는 양자화 수단과, 움직임 벡터를 기준으로 상기 양자화 수단의 출력 신호를 가변장코딩하는 가변장 부호화 수단과, 이 가변장 부호화 수단의 출력 신호를 일시 저장하여 출력하는 선입선출 메모리와, 상기 양자화 수단의 출력 신호를 역양자화하는 역양자화 수단과, 이 역양자화 수단의 출력 신호를 역이산 코사인 변환하는 역이산 코사인 변환 수단과, 비디오 입력 신호에서 모션 벡터를 추출하여 상기 가변장 부호화 수단에 출력하고 상기 역이산 코사인 변환 수단의 출력 신호와 예측 신호가 합산되어 복호된 비디오 신호를 입력으로 다음의 프레임에 대한 예측 신호를 생성하는 움직임 추정 및 보상 수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 영상 처리 시스템의 엔코더.
  2. 제1항에 있어서, 이산 코사인 변환 수단은 이산 코사인된 계수의 고주파 성분을 합산하여 그 값이 일정 문턱값을 넘는 경우 양자화 수단으로 다운 샘플링 수단의 출력 데이타를 전송함과 아울러 부가적으로 원래의 비디오 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 시스템의 엔코더.
  3. 입력 데이타를 일시 저장하는 버퍼 수단과, 이 버퍼 수단의 출력 데이타를 가변장 복호 처리하고 양자화 레벨 및 모션 벡터를 추출하는 가변장 복호화 수단과, 이 가변장 복호화 수단의 출력 데이타를 역양자화하는 역양자화 수단과, 이 역양자화 수단의 출력 데이타를 역이산 코사인 변환하는 역이산 코사인 변환 수단과, 상기 가변장 복호화 수단에서 추출한 모션 벡터를 기준으로 상기 역이산 코사인 변환 수단의 출력을 점검하여 데이타 전송율을 조정하는 움직임 보상 수단과, 상기 역이산 코사인 변환 수단의 출력 신호를 업 샘플링하여 원래의 비디오 신호를 출력하는 보간 수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 영상 처리 시스템의 디코더.
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