KR100213014B1 - 동화상신호의 고능률 부호화를 위한 레이트 콘트롤 장치 - Google Patents

동화상신호의 고능률 부호화를 위한 레이트 콘트롤 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 데이타형성기, 이산여현변환기, 레이트제어기, 양자화기, 가변장부화기, 엔코더 버퍼를 구비하여 영상신호를 압축하는 부호화장치의 레이트제어장치에 관한 것으로, 양자화기의 출력과 가변장부호화기의 출력을 입력하여 현 화면의 세그먼트의 복잡도를 에측하는 세그먼트 복잡도 예측부와 세그먼트복잡도 예측부의 출력을 입력히여 레이트제어 조정계수를 산출하는 레이트제어 조정계수 산출부와 레이트제어 조정계수와 엔코더 버퍼의 출력상태를 입력하여 기준양자화계수를 산출히는 기준양자화계수 산출부와 데이타형성기의 출력을 입력하여 매크로블럭 별로 활성도를 계산하고, 이를 기준양자화계수 산출부의 출력과 연산하여 양자화계수를 출력하는 활성도계산부를 구비하여 레이트 제어(Rate Contro1)를 수행한다.

Description

동화상신호의 고능률 부호화를 위한 레이트 콘트롤 장치
제l도는 종래의 레이트제어방식에 따른 영상신호의 부호화장치를 도시한 불럭도이고,
제2도는 본 발명에 의한 화면 구성의 예를 도시한 것이고.
제3도는 본 발명에 따른 영상신호의 부호화장치를 도시한 블럭도이고,
제4도는 본 발명의 장치에 사용되는 조정계수의 특성을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔코더 2 : 엔코더 버퍼
10 : 데이타 형성기 20 : 이산여현 변환기(DCT)
30, 30' : 레이트 콘트롤 장치 31, 31' : 기준양자화계수 산출부
32 : 활성도 계산부 33 : 세그먼트복잡도 예측부
34 : 레이트제어 조정계수 산출부
35 : 메모리 40 : 양자화기
50 : 가변장부호화기
본 발명은 영상신호를 가변장 부호화 하여 압축한 후 일정한 속도로 전송하기 위한 레이트 제어에 관한 것으로, 특히 영상신호를 세그먼트로 분할하여 세그먼트의 복잡도에 따라 목표부호량을 다르게 할당하여 고화질을 유지할 수 있는 동화상신호의 고능률부호화를 위한 레이트콘트롤 장치에 관한 것이다.
최근들어, 마이크로 프로세서, 반도체 및 디지탈신호처의 눈부신 발전에 힘입어, 영상호를 디지탈화하여 저장 및 전송하 기법이 급속히 확대되고 있다. 그런데 영장신호를 디지탈 방식으로 저장 또는 전송하는 경우, 그에 따른 비트량이 아날로그방식에 비해 매우 방대해지므로, 전송채널 및 저장매체의 경제적인 활용을 위해 영상신호가 가지고 있는 잉여정보(redundancy)를 제거하는 데이타 압축이 필요하게 된다. 이를 위하여 이산여현변환(DCT)된 영상신호를 가변장부호화(VLC)를 통해 압축할때, 불균일하게 발생하는 영상신호의 비트들을 시스템의 안정화 측면에서 일정한 전송속도로 유지하기 위하여 레이트 제어(Rate Contro1)가 필요하게 된다. 즉, 이산여현변환(DCT)을 이용한 영상부호화의 장점은 변환을 통한 영상신호의 에너지가 저주파부분에 집중되어 있으므로, 이 부분을 보다 충실히 부호화함으로써 적은 수의 비트들로 원래의 영상신호가 갖고 있는 정보를 충실히 표현할 수 있다는 점이다. 또한 가변장부호화(VLC) 기법은 영상정보가 갖고있는 확률밀도를 참조히여 주어진 코드워드(code word)를 가변적으로 할당하여 그 가변길이의 코드워드를 전송하는 방법으로서, 처리해야 하는 영상정보들이 불균일하게 분포해 있을 때 적합한 방법이다. 따라서 불균일한 영상정보들이 분포되어 있는 동영상 신호를 충분히 표현하기 위한 압축 기법으로, DCT변환 부호화를 통한 가변장 부호화 기법이 널리 사용된다. 그러나 영상정보들을 가변장부호화하여 압축된 영상정보들을 저장 또는 전송해야 하는 경우, 단위 시간당 발생하는 정보량(비트들)이 일정해야 하므로 버퍼를 설치 하고, 이를 이용하여 전방(forward) 또는 후방(backward)의 레이트(Rate) 제어를 실행하므로서 양자화기의 스텝 사이즈(Step Size)를 조절하여 산출 비트들을 조절해야 한다.
종래의 전방 레이트제어(Forward Rate Contro1)방식은 저장 또는 전송매체에 의한 오차가 주어진 고정장 단위내에서만 전파되는 장점이 있는 반면, 발생 비트들을 고정장 단위의 목표 비트(Target Bits)에 정확히 일치시키기 어려워 부호화 효율을 감소시키는 단점이 있다. 또한 후방 레이트제어(Backward Rate Contro1)방식은 버퍼의 상태를 일정 주기로 확인하여 버퍼의 충만도에 따라 양자화기의 스텝 사이즈를 결정하기 때문에 저장 혹은 전송되는 발생 비트들을 목표 비트들과 일치시켜줄 수 있는 장점이 있는 반면에, 양자화 스텝 사이즈가 인간의 시각특성과 무관하게 결정되므로 시각적 화질 열화가 발생되기 쉽다.
또한, 최근에는 제1도에 도시한 바와 같이 후방 레이트제어(BacKward Rate Contro1)방식에 의해 발생한 화질 일화를 개선히기 위해 갱신(Update)되는 양자화 스텝 사이즈를 레퍼런스로 하여 전방 예측이라는 국부적인 영상의 복잡도 판별에 의해 최종 튜닝하는 방식이 제안되고 있다. 제1도에 있어서, 엔코더(1)는 데이타형성기(10), 이산여현 변환기(20), 레이트제어장치(30), 양자화기(40) 및 가변장부호화기(50)를 구비하여 영상 데이타를 압축한 후 엔코더 버퍼(2)로 출력한다. 또한 레이트 콘트롤 장처(30)는 엔코너 버퍼(2)로부터 버퍼 충만도(dj)를 입력하여 기준양자화계수(0j)를 출럭하는 기준양자화계수 산출부(31)와 데이타 형성기(1O)의 출력을 입력하여 매크로블력(MB) 단위로 현 화면의 활성도를 예측하고, 이를 기준양자화계수(Oj)와 연산하여 새로운 양자화계수(Q'j)를 출력하는 활성도 계산부(32)를 구비하여 엔코너 버퍼(2)의 출력을 일정 속도로 유지하도록 하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 종래의 레이트제어방식은, 비교적 낮은 전송속도를 갖는 시스템의 경우에, 기준 양자화 계수(Qj)가 영상의 국부적인 성질을 전혀 반영하고 있지 않으므로, 전방 예측(forward estimation)에 의한 화질 개선의 효과가 감소하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 영상의 국부적인 성질을 고려한 동화상신호의 고능률 부호화를 위한 레이트콘트롤 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 데이타형성기, 이산여현변환기, 레이트제어기, 양자화기, 가면장부화기, 엔코터 버퍼를 구비하여 영상신호를 압축하는 부호화장치에 있어서, 상기 레이트제어기는 상기 양자화기의 출력과 상기 가변장부호화기의 출력을 입력하여 현 화면의 세그먼트의 복잡도를 예측하는 세그먼트복잡도 예측부와, 상기 세그먼트복잡도 예측부의 출력을 입력하여 레이트제어 조정계수를 산출하는 레이트제어 조정계수 산출부와, 상기 레이트제어 조정계수와 상기 엔코더 버퍼의 출력을 입력하여 기준양자화계수를 산출하는 기준양자화계수 산출부와, 상기 데이타형성기의 출력을 입력하여 매크로블럭별로 활성도를 계산하고, 이를 기준양자화게수 산출부의 출력과 연산하여 양자화계수를 출력하는 활성도계산부를 구비하여 레이트 제어(Rate Contro1)를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 대한 이해의 편의를 위하여 레이트 제어에 대한 일반적인 사향을 기술한다. 일반적으로 전송채널폭은 고정되어 있는 반면, 영상 데이타들은 가변장부호화(VLC)되므로 발생되는 데이타의 량은 시간에 따라 달라진다. 따라서, 주어진 전송률에 맞추어 발생하는 데이타량을조절하는 레이트 제어(혹은 버퍼제어라고도 한다)가 필요하다. 이러한 레이트 제어는 주로 버퍼의 충만도에 따라 양자화기의 스텝 사이즈를 가변하므로서 데이타의 발생량을 조절한다. 즉, 발생한 비트 수가 기준치 이상이면, 버퍼에 채워지는 데이타량이 증가하므로 양자화 스텝사이즈를 증가시켜 다음에 발생할 비트 수를 감소시키고, 기준치 이하로 데이타가 발생하면 그 반대로 수행하여 전체적으로 버퍼의 상태가 일정치를 유지할 수 있도록 조절한다. 이때 양자화 스텝사이즈에 따라서 양자화 에러가 발생하게 되고, 이는 곧 화질에 직접적인 영향을 미치게 되므로 레이트제어는 영상의 화질을 좌우하는 매우 중요한 요인중의 하나라고 할 수 있다. 레이트 제어방법은 영상신호 압축방식에 따라 다소 차이가 있는데, MPEG에서는 목표 비트(target bits)를 설정해 놓고, 실제 발생한 데이타로써 가상적인 버퍼의 충만도를 계산하고, 이에 따라 양자화 스텝사이즈를 결정하고, 계속하여 목표 비트(target bits)를 업데이트(Update)시켜 나가는 방법을 사용하고, Digicipher, CCDC, DSC-HDTV등에서는 매 슬라이스(Slice)마다 실제 버퍼의 상태에 따라 결정되는 스텝 사이즈를 궤환 받아서 다음 슬라이스를 부호화해 가는 방법을 사용한다. 한편, MPEG에서는 기본적으로 화면을 I(intra), B(bidirectional interpolative), P(predictive)모드로 나누어 각각 서로 다른 목표비트를 설정한다. 각 모드에 대해 슬라이스(혹은 세그먼트)당 목표비트를 계산하고, 실제로 한 슬라이스(혹은 세그먼트)에서 발생되는 비트와의 차이에 해당하는 만큼으로 각 모드에 대해 가상버퍼로 업데이트하고, 이 가상버퍼의 상태에 따라 다음에 부호화될 슬라이스의 양자화 스텝 사이즈를 결정하여 부호화 한다. 이렇게, 한 프레임의 부호화가 끝나고 난뒤, 프레임당 발생한 비트량과 남아 있는 화면의 모드를 감안하여 다음 프레임의 목표비트를 계산하며 계속적으로 부호화해 간다. 반면, 실제버퍼의 충만도에 따라 양자화 스텝사이즈를 결정하는 방법에 있어서는, 한 슬라이스에서 발생한 데이타를 버퍼에 채워넣고, 그동안 채널을 통하여 데이타가 전송되어 빠져 나가고난 후의 버퍼상태에 비례하여 다음 슬라이스의 양자화 스텝사이즈를 결정한다.
제2도는 본 발명에 따른 세그먼트 복잡도를 판별하기 위해 화면을 구성한 예를 도시한 개략도이다. 제2도에 있어서, (A)는 N개의 세그먼트로 분할된 전 화면(previous picture)을 나타내고, (B)는 N개의 세그먼트로 분할된 현 화면(current picture)을 나타낸다.
또한, 제2도의 (A)에서 PS1, PS2, ... PSn은 이전 화면의 세그먼트를 나타내고, 제2도의 (B)에서 CS1, CS2, ... CSn은 현 화면의 세그먼트를 나타내며 현 화면의 각 세그먼트의 복잡도는 이전화면의 세그먼트로부터 예측한다. 즉, 본 발명은 한 화면당 할당된 목표비트를 양자화 파라메터 갱신 단위(통상적으로, 매크로블럭)로 버퍼의 충만도에 따라 일방적으로 분배하는 것이 아니라, 한 화면을 N개의 세그먼트로 분할한 후 각각의 세그먼트의 복잡도를 이전 영상으로부터 예측하여 차등적으로 한 화면당 목표비트량을 분배하는 것이다. 여기서, 본 발명에서 구성된 세그먼트는 적어도 양자화 파라미터 갱신단위(즉, 매크로 블럭)보다 크게 구성한다. 현재 화면(current picture)의 n번째 세그먼트의 복잡도(αn)는 다음 식 1과 같이 계산 할 수 있다.
상기 식1에 있어서, An첨는 이전 화면의 n번째 세그먼트의 발생비트이고, B는 이전 화면 전체의 발생비트이고, cn은 이전 화면의 n번째 세그먼트의 평균 양자화 파라메터이고, d는 이전 화면의 평균 양자화 파라메터이고, n은 1....N까지의 세그먼트번호이고, N은 화면내에 분할된 세그먼트의 총수이다. 이와 같이, 이전 화면의 전체 발생 비트 및 양자화기의 평균값과 세그먼트당 발생 비트 및 양자화기의 평균값과의 정규화로부터 현재 화면의 세그먼트단위의 복잡도를 예측할 수 있다.
또한, 레이트제어 조정계수(Kn)는 상기 식1에서 구한 복잡도 예측계수(αn)로부터 다음 식2와 식3에 따라 구할 수 있다.
상기 식2,3에 있어서,αavg는 각 세그먼트 복잡도 예측계수의 산술 평균값이다.
한편, 기준양자화게수(Qj)는 다음 식4와 같이 구할 수 있다.
상기 식4에 있어서, dj는 현 화면내의 j번째의 양자화 갱신단위까지의 버퍼충만도를 나타내고, r은 버퍼사이즈를 나타내며, Kn은 이전 화면의 n번째 세그먼트의 레이트제어조정계수를 나타낸다. 이때 조정계수에 의한 버퍼의 불안정(유동)을 최소로하기 위하여 조정계수 Kn은 다음 조건으로 클램핑한다. 즉, 조정계수가 상한임계값(TH1)보다 작으면 Kn=TH2이다. 또한 31은 시스템에 따라 결정된 상수이다. 상기 식 4를 살펴보면, 종래에는 기준양자화계수가 버퍼의 충만도(dj)에 따라 결정되었으나, 본 발명에서는 버퍼의 충만도(dj)와 화면의 국부적인 특성을 고려한 조정계수(Kn)에 따라 결정되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해 이전 화면내의 세그먼트의 복잡도 및 그에 따른 레이트제어조정계수의 산출을 통해, 현 화면내의 동일 세그먼트의 복잡도를 예측하여 복잡한 세그먼트에는 좀 더 많은 목표비트를 할당하고, 덜 복잡한 세그먼트에는 좀 더 적은 목표비트를 할당하므로써 한 화면 내의 화질 열화부을 화면내에 골고루 분산시킬 수 있다. 또한, 국부적인 영상에 대한 인간의 시각특성을 반영하여 전방예측의 효과를 극대화할 수 있어 고능률, 고화질의 동영상 압축장치를 구현할 수 있다.
제3도는 본 발명에 따른 동영상의 부호화장치를 도시한 블럭도이다. 본 발명에 따른 동영상의 부호화장치는 데이타 형성기(10), 이산여현 변환기(DCT,20), 레이트제어장치(30'), 양자화기(40) 및 가변장부호화기(50)의 출력을 입력하여 현 화면의 세그먼트의 복잡도(αn)를 예측하는 세그먼트 복잡도 예측부(33)와, 세그먼트 복잡도 예측부(33)의 출력을 입력하여 레이트제어 조정계수(Kn)를 산출하는 레이트제어 조정계수 산출부(34)와, 레이트제어 조정계수 산출부(34)의 출력을 입력하여 저장하는 메모리(35)와, 메모리(35)의 출력(Kn)과 엔코더 버퍼(2)의 출력(즉, 버퍼의 충만도 dj)을 입력하여 기준양자화계수(Qj)를 산출하는 기준양자화계수 산출부(31')와, 데이타형성기(10)의 출력을 입력하여 매크로블럭별로 활성도를 계산하고, 이를 기준양자화계수 산출부(31')의 출력(즉, 기준양자화 계수 Qj)과 연산하여 양자화계수(Q'j)를 출력하는 활성도 계산부(32)를 구비하여 레이트 제어(Rate Control)를 수행한다. 제3도에 있어서, 데이타 형성기(10)는 프레임(혹은 화면이라한다) 단위로 입력되는 영상데이타를 이산여현에 적합한 블럭(예를 들면, 8x8 DCT블럭)으로 변환하여 출력한다. 이산여현 변환기(20)는 데이타형성기(10)의 출력을 입력하여 이산여현 변환하여 출력하고, 양자화기(40)는 이산여현 변환기(20)의 출력을 입력하여 레이트제어장치(30')의 출력(Q'j)에 따라 양자화 스텝 사이즈를 가변하여 양자화한다.
가변장 부호화기(50)는 양자화기(40)의 출력을 입력하여 가변장부호화 하고, 엔코더 버퍼(2)는 가변장 부호화기(50)의 출력을 일시 저장한 후 출력한다. 이러한 데이타 형성기(10), 이산여현 변환기(20), 양자화기(40), 가면장 부호화기(50) 및 엔코더 버퍼(2)둥은 MPEG2로 제시된 바와 같다.
세그먼트 복잡도 예측부(33)는 양자화기(40)의 출력과 가변장 부호화기(50)의 출력을 입력하여 현재 세그먼트의 복잡도(αn)를 전술한 식1에 따라 구한다. 이때 현 세그먼트의 복잡도(αn)는 이전 화면의 세그먼트의 발생비트로부터 구해진다. 레이트제어 조징계수 산출부(34)는 현 세그먼트의 복잡도(αn)를 입력하여 전술한 식2 및 식3에 따라 조정계수(Kn)를 산출하여 메모리(35)로 출력한다. 기준양자화계수 산출부(31')는 엔코더 버퍼(2)로부더 버퍼의 충만도(dj)를 입력하고, 메모리(35)로부터 조징계수(Kn)를 입력하여 전술한 식4에 따라 기준 양자화 계수(Q'j)를 산출한다. 활성도 계산부(32)는 데이타 형성기(10)의 출력을 입력하여 매크로블럭 단위로 현재 화면의 활성도를 구하고, 이를 기준양자화계수(Qj)에 곱하여 새로운 양자화계수(O'j)를 산출하여 양자화기(40)로 출력한다. 따라서 양자화기(40)는 활성도 계산부(32)의 출력(0'j)에 따라 가변장 부화기(50)의 출력이 목표비트량에 근접한 비트량이 되도록 양자화 스텝 사이즈를 조절한다.
제4도는 본 발명의 레이트제어장치에 사용되는 레이트제어 조정계수 (Kn)의 특성을 도시한 그래프이다. 제4도에 있어서, 횡축은 세그먼트 복잡도(n번째)와 세그먼트 복잡도의 평균과의 차(αn-αavg)를 나타내고, 종축은 레이트제어 조정계수(Kn)를 나타낸다. 그래프를 개략적으로 살펴보면, 복잡도의 차(αn-αavg)가 약 0.6일때 조정계수(Kn)는 약 0.8이고, 복잡도의 차(αn-αavg)가 0일때 1인 것을 알 수 있다. 이러한 관계는 전술한 식2 및 식3으로부터 추정할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 레이트제어장치를 적용한 동영상 데이타 압축장치는 화질 열화 부분을 한 화면내에 골고루 분포시키므로서 전체적인 시각적 화질 왜곡부분을 감소시킬 수 있다. 또한, 영상의 국부적인 복잡도를 예측할 수 있어 전방 예측에 의한 국부적인 복잡도 판별을 시행할 경우, 전송속도 및 시각 특성에 알맞는 양자화 파라메터의 선정이 가능한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 데이타형성기, 이산여현변환기, 레이트제어기, 양자화기, 가변장부화기, 엔코더 버퍼를 구비하여 영상신호를 압축하는 부호화 장치에 있어서, 상기 레이트제어기는 상기 양자화기의 출력과 상기 가면장부호화기의 출력을 입력하여 현화면의 세그먼트의 복잡도를 예측하는 세그먼트복잡도 예측부와, 상기 세그먼트복잡도 예측부의 출력을 입력하여 레어트제어 조정계수를 산출하는 레이트제어 조정계수 산출부와, 상기 레이트제어 조정계수와 상기 엔코더 버퍼의 출력을 입력하여 기준양자화계수를 산출하는 기준양자화계수 산출부와, 상기 데이타형성기의 출력을 입력하여 매크로블럭별로 활성도를 계산하고, 이를 기준양자화계수 산출부의 출력과 연산하여 양자화계수를 츨력하는 활성도계산부를 구비하여 레어트 제어(Rate Contro1)를 수행하는 것을 특징으로 하는 동영상신호의 레이트제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이트제어장치는 상기 레이트제어조정계수 산출부의 출력을 저장하는 메모리를 더 구비한 것을 특징으로 하는 동영상신호의 레이트제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세그먼트는 상기 매크로블럭보다 크게 구성되는 것을 특징으로 하는 동영상신호의 레이트제어장치.
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