KR100217751B1 - Moving picture compression/decompression apparatus and method - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
영상신호 처리장치에 관한 것이다.A video signal processing apparatus.
2 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2 technical problem to be solved by the invention
한 장면을 구성하는 모든 프레임들에 대한 정보가 없더라도 몇개의 프레임만으로 충분히 원래의 동영상을 복원할 수 있는, 용장성이 큰 동영상정보의 고효율 압축/복원장치 및 방법을 제공함에 있다.The present invention provides a highly efficient compression / restoration apparatus and method for highly redundant video information that can restore an original video sufficiently with only a few frames even without information on all frames constituting a scene.
3. 발명의 해결방법의 요지3. Summary of Solution to Invention
프레임 단위로 동영상정보를 입력하여 압축/복원하는 장치에 있어서, 하나의 장면에 대한 동영상정보의 최초 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리와, 상기 동영상정보의 인접한 두 프레임을 저장하는 제2 및 제3프레임 메모리와, 상기 제2 및 제3프레임 메모리로부터 제공되는 인접한 두 프레임의 동영상정보로부터 장면경계를 검출하는 장면경계검출기와, 상기 최초 프레임과 최종 프레임의 동영상정보로부터 움직임 벡터를 추정하는 움직임 벡터 검출기와, 상기 검출한 장면경계와 움직임 벡터에 따라 임의의 한 장면을 이루는 데 필요한 데이터를 생성하는 제어부와, 상기 제어부에서 생성되는 데이터로써 생략된 프레임을 재생하여 상기 최초 프레임과 최종 프레임 사이에 삽입시키는 화면재생기로 구성됨을 특징으로 한다.An apparatus for compressing and restoring video information by frame unit, the apparatus comprising: a first frame memory for storing an initial frame of video information of a scene, and second and third devices for storing two adjacent frames of the video information; A scene boundary detector for detecting a scene boundary from frame video, video information of two adjacent frames provided from the second and third frame memories, and a motion vector detector for estimating a motion vector from the video information of the first and last frames. And a control unit for generating data necessary to form an arbitrary scene according to the detected scene boundary and the motion vector, and a frame omitted from the data generated by the control unit to be inserted between the first frame and the final frame. It is characterized by consisting of a screen player.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
동영상정보의 압축/복원에 이용한다.Used to compress / restore video information.
Description
제1도는 GOP내의 화면 형태(type) 배치 예치도.1 is a diagram showing the arrangement of screen types in a GOP.
제2(a) 및 2(b)도는 화면 형태와 부호화 순서도.2 (a) and 2 (b) are screen shapes and encoding flowcharts.
제3(a) 및 제3(b)도는 비행기가 화면 좌측 하단부에서 우측 상단부로 움직이는 장면의 가상도.3 (a) and 3 (b) are virtual views of a plane moving from the lower left of the screen to the upper right.
제4도는 본 발명의 실시예에 따른 압축 동영상정보 복원장치의 구성도.4 is a block diagram of an apparatus for restoring compressed video information according to an embodiment of the present invention.
제5도는 움직임 블록의 이동에 따른 움직임 벡터의 형태도.5 is a shape of a motion vector according to the movement of a motion block.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 프레임 메모리 20 : 최초 프레임메모리10: frame memory 20: first frame memory
30 : 장면 경계 검출기 40 : 움직임 벡터 검출기30: scene boundary detector 40: motion vector detector
50 : 제어부 60 : 화면 재생기50: control unit 60: screen player
본 발명은 영상신호 처리장치에 있어서 동영상정보를 압축/복원하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특이 움직임 벡터(motion vector)를 이용한 동영상정보 압축/복원장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and method for compressing / restoring video information in a video signal processing apparatus, and to an apparatus and method for compressing and restoring video information using a motion vector.
영화나 TV에서처럼 실제와 같이 움직이는 영상을 보기 위해서는 초당 30-50프레임의 정보가 필요하다. 그러므로 영화의 필름이나 비디오테이프를 보면 연속된 프레임들 사이에 나타나는 시간적 변화는 거의 차이를 느낄 수 없을 만큼 미미하다. 디지털 영상처리 분야에서는 이러한 인접 프레임 사이의 용장성(redundancy)을 줄이는 방법으로 데이터 압축을 행한다.As in a movie or TV, you need 30-50 frames per second to see a moving picture. Therefore, when looking at a film or video tape of a movie, the temporal change between successive frames is almost insignificant. In the field of digital image processing, data compression is performed in such a way as to reduce redundancy between adjacent frames.
영상데이터를 압축하는 가장 보편적인 방법은 한 프레임을 8×8 화소의 블록으로 나누고 이산여현변환(Discrete Fourier Transform : 이하 DCT라 함)하는 공간적 정보압축이다. 이때 DCT의 대상은 휘도신호와 색차신호이다. 또 하나의 방법은 프레임과 프레임 사이에서 일어나는 움직임을 예측(prediction)하여 보상하는 시간적 정보 압축이다.The most common method of compressing image data is spatial information compression by dividing a frame into blocks of 8x8 pixels and performing a discrete fourier transform (hereinafter referred to as DCT). The target of the DCT is a luminance signal and a color difference signal. Another method is temporal information compression, which predicts and compensates for movements that occur between frames.
통상적으로 움직임 예측은 16×16 화소의 블록에서 휘도신호에 대해 이루어진다. 이러한 정보압축은 개별적으로 이루어지기도 하고 보다 높은 압축 효과를 위해서 융합하여 이용되기도 한다. 그러나 인접한 2∼4 프레임들 사이의 예측을 통해 정보의 압축을 행하므로 각 프레임이 갖는 역할에 따라 정보량의 차이는 있을 수 있지만, 궁극적으로는 전 프레임에 대한 정보가 요구된다.In general, motion prediction is performed on luminance signals in blocks of 16x16 pixels. Such information compression may be performed separately or may be fused and used for a higher compression effect. However, since information is compressed through prediction between adjacent two to four frames, the amount of information may vary depending on the role of each frame, but ultimately, information on all frames is required.
이렇게 압축된 영상을 재생(play), 패스트 포워드(Fast Forward : 이하 FF라함.) 혹은 리와인드(rewind : 이하 REW라 함.)하기 위해서 MPEG에서는 GOP(Group Of Picture) 단위로 불규칙적 액세스(random access)를 할 수 있도록 되어 있다. 상기 GOP는 0.5초 정도(15매 정도의 화면)를 그룹화 한다.In order to play, fast forward (hereinafter referred to as FF) or rewind (hereinafter referred to as REW) in the compressed video, random access is performed in GOP (Group Of Picture) units in MPEG. It is supposed to be. The GOP groups about 0.5 seconds (about 15 screens).
MPEG-1의 경우를 예로 들어 설명하면,If the MPEG-1 case is described as an example,
제1도는 GOP내의 화면 형태(type) 배치 예치도로서, 15 프레임(화면)이 한 그룹(GOP)을 형성한다. 각각의 프레임은 GOP의 독립성을 위해 반드시 포함되는 I화면(Intra-coded picture), 프레임간 순방향 예측부호화 영상인 P화면(Predictive-coded picture) 그리고 쌍방향 예측부호화 영상인 B화면(Bidirectionally predictive-coded picture)으로 구성되어 있다.1 is a diagram showing the arrangement of screen types in a GOP, in which 15 frames (screens) form a group (GOP). Each frame must include an I-picture (Intra-coded picture), P-frame (Predictive-coded picture), which is included for GOP independence, and B-directional (Bidirectionally predictive-coded picture), which is a bidirectional predictive-coded picture. )
제2(a) 및 제2(b)도는 화면 형태와 부호화 순서도이다. I화면은 한 프레임 모두를 프레임내 부호화한 프레임이고, 상기 I 및 P화면은 원래의 영상과 같은 순서로 부호화 된다. 또한 B화면은 상기 I 및 P화면을 먼저 처리한후 그 사이에 삽입되는 형태로 부호화된다. 다시 말해서, 상기 I 및 P화면은 제2(a)도에 도시된 바와같이 a1a2a3a4의 순서로 부호화가 이루어지고, 상기 B화면은 제2(b)도에 도시된 바와 같이 b1b4b2b3의 순서로 부호화가 이루어진다.2 (a) and 2 (b) are screen shapes and encoding flowcharts. The I picture is a frame obtained by intra-frame coding all of one frame, and the I and P pictures are encoded in the same order as the original picture. The B picture is encoded in such a manner that the I and P pictures are processed first and then inserted therebetween. In other words, the I and P screens are a1 as shown in FIG. 2 (a). a2 a3 The encoding is performed in the order of a4, and the B picture is b1 as shown in FIG. 2 (b). b4 b2 The encoding is performed in the order of b3.
이와 같이 영상을 구성하는 모든 프레임에 대한 정보를 가져야만 그 영상의 압축이 가능하다는 것은 경우에 따라 매우 비효율적일 수 있다. 즉 정보 압축배경이 거의 변화하지 않고 일부분만 변하는 단조로운 장면의 경우가 그것이다.As such, it may be very inefficient in some cases that compression of the image is possible only when the information on all the frames constituting the image is obtained. In other words, this is the case of monotonous scenes where the information compression background is hardly changed but only partially changed.
따라서 본 발명의 목적은 한 장면을 구성하는 모든 프레임들에 대한 정보가 없더라도 몇개의 프레임만으로 충분히 원래의 동영상을 복원할 수 있는, 용장성이 큰 동영상정보의 고효율 압축/복원장치 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly efficient compression / restoration apparatus and method for highly redundant video information capable of restoring an original video sufficiently with only a few frames even without information on all frames constituting a scene. have.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 프레임 단위로 동영상정보를 입력하여 압축하는 장치에 있어서, 하나의 장면에 대한 동영상정보의 최초 프레임을 저장하는 제1프레임 메모리와, 상기 동영상정보의 인접한 두 프레임을 저장하는 제2 및 제3프레임 메모리와, 상기 제2 및 제3프레임 메모리로부터 제공되는 인접한 두 프레임의 동영상정보로부터 장면경계를 검출하는 장면경계검출기와, 상기 최초 프레임과 최종 프레임의 동영상정보로부터 움직임 벡터를 추정하는 움직임 벡터 검출기와, 상기 검출한 장면경계와 움직임 벡터에 따라 임의의 한 장면을 이루는 데 필요한 데이터를 생성하는 제어부와, 상기 제어부에서 생성되는 데이터로써 생략된 프레임을 재생하여 상기 최초 프레임과 최종 프레임 사이에 삽입시키는 화면재생기로 구성됨을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for inputting and compressing video information on a frame-by-frame basis, the apparatus comprising: a first frame memory for storing an initial frame of video information of a scene, and two adjacent frames of the video information Second and third frame memories for storing a scene; scene boundary detectors for detecting a scene boundary from video information of two adjacent frames provided from the second and third frame memories; and video information of the first and last frames. A motion vector detector for estimating a motion vector, a controller for generating data necessary to form an arbitrary scene according to the detected scene boundary and the motion vector, and a frame omitted from the data generated by the controller to reproduce the first; It consists of a screen player to insert between the frame and the final frame It shall be.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 자명하다할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in the following description, many specific details such as components of specific circuits are shown, which are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention may be practiced without these specific details. It will be obvious to those skilled in the art. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제3(a) 및 제3(b)도는 비행기가 차면 좌측 하단부에서 우측 상단부로 움직이는 장면의 가상도로서, 상기 제3(a)도는 시간 t1에서 A위치에 비행기가 보이는 시작화면을 나타낸 것이고 상기 제3(b)도는 시간 t2에서 B위치에 비행기가 보이는 마지막 화면을 나타낸 것이다.3 (a) and 3 (b) are imaginary diagrams of a scene in which the plane moves from the lower left portion to the upper right portion when the plane is full, and the third (a) diagram shows a start screen showing the plane at position A at time t1. FIG. 3 (b) shows the last screen where the plane is seen at position B at time t2.
한편, 동영상 재생은 연속적인 움직임을 여러 개의 정지된 화면으로 나누어 사람의 눈에 그 상을 빠르게 비춰 보임으로써 잔상효과를 이용하여 마치 매끄럽게 연결된 것처럼 보이게 하는 것인 바, 상기 제3(a) 및 제3(b)도에 도시된 바와같이 중간 화면들을 생략하여 전송한 경우 이를 수신한 측에서는 본 실시예에 따라 비행기가 A위치로부터 어떤 과정을 통해 B위치에 도달했는지 추정할 수 있다.On the other hand, video playback is to divide the continuous motion into a number of still images to quickly see the image in the eyes of the human to make it look as if it is connected smoothly using the afterimage effect, the third (a) and the third As shown in FIG. 3 (b), when the intermediate screens are omitted and transmitted, the receiving side may estimate how the plane has reached the B position from the A position according to the present embodiment.
제4도는 본 발명의 실시예에 따른 움직임 벡터를 이용한 압축 동영상정보 복원장치의 구성도이고, 제5도는 움직임 블럭의 이동에 따른 움직임 벡터의 형태를 나타낸 것이다. 상기 제4 및 제5도를 참조하여 움직임 벡터를 이용한 동영상정보의 압축 및 그 압축된 동영상정보의 복원과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.FIG. 4 is a configuration diagram of an apparatus for recovering compressed video information using a motion vector according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows a shape of a motion vector according to movement of a motion block. Referring to FIG. 4 and FIG. 5, the compression of video information using a motion vector and the restoration process of the compressed video information will be described in detail as follows.
입력되는 비디오신호 VI는 프레임 메모리(10)에 저장된다. 상기 프레임 메모리(10)는 한 화면(프레임)의 영상정보를 저장할 수 있는 용량을 가진다. 한 장면을 구성하는 최초의 프레임은 시작 프레임(start frame, fs)이라 하고 별도로 마련된 장소, 즉 fs 프레임 메모리(20)에 저장한다.The input video signal VI is stored in the frame memory 10. The frame memory 10 has a capacity for storing image information of one screen (frame). The first frame constituting a scene is called a start frame (fs) and is stored in a separate place, that is, the fs frame memory 20.
장면경계검출기(30)는 인접한 두 프레임에 대해서 화소단위로 휘도신호를 비교하여 이들 사이의 제곱평균을 구한다. 그리고 구해진 제곱평균과 사전에 실험적으로 결정해둔 임계치(threshold)를 비교한다. 상기 비교결과 제곱평균이 상기 임계치 이상의 값을 갖는 경우에는 이들 두 프레임 사이에 장면경계가 있는 것으로 간주한다.The scene boundary detector 30 compares luminance signals in units of pixels with respect to two adjacent frames and calculates a root mean square between them. The square mean is then compared with a previously determined threshold. If the result of the comparison is that the mean of the square is greater than or equal to the threshold, it is assumed that there is a scene boundary between these two frames.
부연하면, Ym(x,y)를 m번째 프레임의 (x,y)위치의 휘도성분값(Y)이라고 정의하면, 장면경계 검출기(30)는 하기 식(1)과 같은 결과를 출력하게 된다.In other words, if Ym (x, y) is defined as the luminance component value Y at the (x, y) position of the mth frame, the scene boundary detector 30 outputs a result as shown in Equation (1) below. .
상기 결과가 미리 정해 놓은 임계치를 초과할 때는 해당 프레임을 장면경계로 확정하고 프레임번호 n을 제어부(50)에 전달하여 후술하는 화면재생이(60)가 복호화를 할 때 이용하도록 한다.When the result exceeds a predetermined threshold, the frame is determined as a scene boundary and the frame number n is transmitted to the controller 50 so that the screen player 60, which will be described later, is used for decoding.
움직임 벡터 검출기(40)는 장면을 이루는 프레임중 각각 제3(a) 및 제3(b)도에 도시된 바와 같은 최초 프레임과 최종 프레임 동영상정보를 입력하고, 이 두 프레임 사이의 움직이는 물체에 대한 궤적을 추정한다. 본 실시예에서는 두 프레임에 대한 데이터를 16×16 화소블럭 단위로 입력하여 대응하는 블럭 사이의 휘도성분을 비교한다. 이때 움직임이 없는 부분은 휘도성분 비교값(차이값)으로 아주 작은 값을 갖지만 움직임이 있는 부분은 큰 값을 갖게 되어 움직이는 물체를 포함하는 블럭들을 포착할 수 있다. 이러한 정보 역시 상기 제어부(50)에 전달된다.The motion vector detector 40 inputs the first frame and the final frame video information as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) of the frames constituting the scene, respectively, and moves the moving object between the two frames. Estimate the trajectory. In this embodiment, data for two frames is input in units of 16 × 16 pixel blocks to compare luminance components between corresponding blocks. At this time, the motionless portion has a very small value as the luminance component comparison value (difference value), but the moving portion has a large value to capture blocks including a moving object. This information is also transmitted to the controller 50.
즉, 각 장면의 최초 프레임 fS와 최종 프레임 fE를 통해 구한다. 이 정보는 두 프레임 메모리(10, 20)에 저장되어 있다. 움직임 벡터 검출기(40)는 16×16 화소블럭 단위로 이루어진 두 입력 사이의 차를 구해 임계치와 비교하여 상기 임계치 이상이 되는 블록을 구한다. 이 블럭은 움직임 블럭이라 부르기로 한다. 최초 프레임과 최종 프레임에 대한 움직임 블럭의 위치를 이용하여 제5도에 도시한 바와같은 움직임 벡터 MV를 구한다.That is, the first frame f S and the last frame f E of each scene are obtained. This information is stored in the two frame memories 10 and 20. The motion vector detector 40 obtains a difference between two inputs in units of 16 × 16 pixel blocks and compares the threshold with a threshold to obtain a block that is equal to or larger than the threshold. This block is called a motion block. The motion vector MV as shown in FIG. 5 is obtained using the positions of the motion blocks with respect to the first frame and the last frame.
화면재생기(60)는 제어부(50)로부터 제공되는 최초 프레임과 최종 프레임 사이의 삽입 프레임수와 움직임의 추이를 나타내는 움직임 벡터를 이용하여 본래의 영상을 재현(복원)한다.The screen player 60 reproduces (restores) the original image by using the motion vector indicating the number of inserted frames and the movement of the movement between the first frame and the last frame provided from the controller 50.
즉, 최초 프레임 fs와 최종 프레임 fE로부터 삽입할 프레임수를 다음 식(2)와 같이 구한다.That is, the number of frames to be inserted from the first frame fs and the last frame fE is obtained as shown in the following equation (2).
그리고 다음 단계로, 움직임 벡터로부터 이동거리를 화소단위로 다음 식(3),(4)와 같이 구한다.In the next step, the moving distance is calculated from the motion vector in pixel units as shown in the following equations (3) and (4).
그러므로 삽입될 n번째 프레임에 대한 움직임 블럭의 위치는 다음 식(5),(6)과 같다.Therefore, the position of the motion block with respect to the nth frame to be inserted is as shown in the following equations (5) and (6).
최초 프레임 fS와 최종 프레임 fE에 대한 처리는 여러가지 다른 방법을 생각할 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 DCT를 이용하여 압축하는 것이다.The processing for the first frame f S and the last frame f E can be thought of in many different ways, but the most common method is to compress using DCT.
상술한 바와같은 본 발명은 배경이 비교적 단순한, 용장성이 큰 동영상정보에 대해 종래와 같이 동영상을 구성하는 각각의 프레임을 일일이 압축하지 않고, 한 장면의 양단 즉 최초와 최종 화면(프레임)에 대한 정보와 그 사이에 삽입될 프레임의 수 및 움직임 벡터만을 가지고 원래의 영상을 복원할 수 있도록 함으로써 정보의 압축 효율을 극대화하는 장점이 있다.As described above, the present invention does not compress each frame constituting a moving picture as a conventional one with respect to moving picture information having a relatively simple background, and does not compress each frame of the scene, i.e., the first and last screens (frame). There is an advantage of maximizing the compression efficiency of the information by allowing the original image to be restored only with the information and the number of frames and the motion vector to be inserted therebetween.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
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