KR100219133B1 - 변환부호화시스템의 변환계수선택방법및그장치 - Google Patents

변환부호화시스템의 변환계수선택방법및그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정지영상/동영상의 변환부호화시스템의 변환계수선택방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 입력 블록을 입력받아서, 각 변환계수에 대하여 상기 국부복호기에 의하여 복원된 블록과 입력 블록간의 오차에 의한 블록변화량 및 각 변화계수를 선택함에 의하여 발생하는 비트량변화량을 고려하여 기설정된 개수의 변환계수들을 선택함으로써 복원 영상의 화질을 보다 양상시킬 수 있도록 하는 변환부호화시스템의 변환계수선택방법 및 그 장치를 제공한다.

Description

변환부호화시스템의 변환계수선택방법 및 그 장치
제1도는 국제표준의 정지영상 부호화시스템(JPEG)을 나타내는 구성도.
제2도는 국제표준의 동영상 부호화시스템(MPEG)을 나타내는 구성도.
제3도는 본 발명에 의한 변환부호화시스템을 나타내는 구성도.
제4도는 제3도에서 계수선택부(50)를 나타낸 상세구성도.
제5도는 본 발명의 일 실시예에 의한 변환계수선택방법을 설명하기 위한 순서도.
제6도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 변환계수선택방법을 설명하기 위한 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
50 : 계수선택부 52 : 비트량계산부
54 : 국부복호기 56 : 제어부
본 발명은 정지영상/동영상의 변환부호화시스템의 변환계수선택방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 선택된 계수들에 의한 비트 발생량에 대한 복원 화질의 변화량을 고려하여 소정 갯수의 변환 계수들을 선택하므로써 복원 영상의 화질을 보다 향상시킬 수 있도록 하는 변환부호화시스템의 변환계수선택방법 및 그 장치에 관한 것이다.
디지털 전송매체의 발전으로 최근 디지털 영상의 저장 및 전송을 위한 국제표준화가 활발하게 진행되어 왔다. 최근 들어 이러한 표준화 작업의 결과로 JPEG, MPEG-1, MPEG-2와 같은 정지 영상 및 동화상 부호화 방식에 대한 국제 표준이 결정되었다.
일반적으로, 영상신호의 중복성(redundancy)을 없애서 데이터량을 줄이기 위하여 변환부호화를 수행한다. 변환부호화에서는 한 화면을 N×N 화소 크기의 블록들로 분할하고 각 블록마다 변환 부호화를 행하여 공간영역의 영상신호를 주파수 영역의 신호로 변환한다. 이러한 변환부호화에 의하여 신호의 에너지(변환 계수값들)는 주로 저주파 대역에 집중된다. 이러한 변환부호화에서 이산 코사인 변환(DCT, Discrete Cosine Transform)이 가장 널리 사용된다. 변환부호화 방식은 또한, 변환 계수를 양자화하고 양자화된 데이터를 가변장부호화하여 데이터량을 더욱 압축시키는 부호화 기술을 제시한다.
제1도는 정지영상 부호화시스템으로 국제 표준화된 JPEG의 구성을 보여준다. 제1도의 장치에서, 영상분할부(1)는 입력영상신호를 N×N 크기의 블록들로 분할하여 출력한다. DCT변환부(2)는 영상분할부(1)로부터 입력 받는 N×N블럭들을 2차원 DCT변환하여 DCT계수들을 발생한다. 양자화부(3)는 DCT변환부(2)로부터 DCT계수들을 입력받아 양자화한다. 그리고, 가변장부호화부(4)는 양자화된 DCT 계수들에 대한 가변장 부호를 생성하여 채널을 통하여 복호기(미도시)로 가변장 부호를 전송한다. 복호기측에서는 부호화된 데이터를 입력받아 역과정을 통하여 영상을 복원한다.
한편, 제2도는 동영상 부호화시스템으로 국제표준화된 MPEG의 구성을 보여준다. 제2도에서 영상분할부(11)는 입력 영상을 M×M크기의 블록으로 분할하여 각 분할 블록을 움직임검출부(20)와 오차생성부(12)로 출력한다. 움직임검출부(20)에서는 운동 예측을 수행하여, 현재 입력되는 M×M 크기의 블록과 가장 잘 매치되는 블록을 프레임 메모리(19)내에 저장된 이전 영상으로부터 추출한다. 오차생성부(12)는 현재 입력블럭과 움직임검출부(20)로부터 출력되는 예측블럭과의 차신호를 DCT변환부(13)로 출력한다. DCT변환부(13)에서는 M×M크기의 차신호에 대하여 이를 N×N크기의 작은 블록들로 나누어 N×N블럭 단위로 DCT변환을 수행한다. DCT변환된 N×N 계수들은 양자화부(14)에 의해 양자화되고, 양자화된 신호는 가변장 부호화부(15)를 통하여 가변장부호화되어 채널을 통하여 복호기로 전송된다. 또한 양자화된 차신호들은 역양자화부(16) 및 역DCT변환부(17)를 통하여 복원되며 복원된 차신호는 움직임검출부(20)로부터 출력되는 예측 블록과 더해져서 메모리(19)에 저장된다.
그러나, 이상에서 상술한 정지영상 부호화장치 및 동영상 부호화장치에서는 DCT 변환계수들에 대한 양자화를 수행하여 0이 아닌 양자회된 변환계수들을 가변장부호화부를 통하여 전송한다. 따라서 DCT 변환계수들을 선택하는 단계를 거치지 않으므로 복원 화질과 무관하게 전송되는 계수들이 결정되고, 또한 가변장부호화기에서 발생되는 비트량을 고려하지 않고 전송되는 계수들이 결정된다. 따라서 종래의 방식은 변환계수에 의하여 발생하는 비트량과 그에 의한 복원 화질의 변화량을 고려하지 않은 것인 점에서 변환계수 선택에 있어서 비효율적인 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 변환부호화 시스템에서 변환 계수들에 의한 비트 발생량에 대하여 복원 화질의 변화량을 고려하여 소정 갯수의 변환 계수들을 선택하므로써 변환부호화 시스템을 최적화할 수 있는 변환부호화시스템의 변환 계수선택방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은, 본 발명은 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택장치에 있어서, 입력블록에 대응하는 DCT변환된 계수들의 비트량을 계산하는 비트량계산부와, DCT변환된 계수들을 복원하여 복원블럭을 생성하는 국부복호기, 및 입력 블록에 대응하는 각 변환계수에 대하여 국부복호기에 의하여 복원된 복원블록과 입력 블록간의 오차에 의한 블록변화정도 및 각 변환계수를 선택함에 의하여 발생하는 비트변화량을 고려하여 기설정된 개수의 변환계수들을 선택하는 제어부에 의하여 달성된다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 목적은, 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택방법에 있어서, 입력블록에 대응하는 DCT 변환계수들 중 임의의 계수를 '0'으로 세팅하는 제1단계와, 제1단계에서 '0'으로 세팅된 계수를 제외한 나머지 변환 계수들에 의하여 복원된 블록과 입력 블록과의 블록변화 정도에 대한 비트변화량의 비로 정의된 화질열화비를 계산하는 제2단계와, 모든 변환 계수들에 대하여 제1단계 및 제2단계의 과정을 수행하여 모든 변환계수들에 대한 화질열화비를 산출하는 제3단계와, 제3단계에서 산출된 화질열화비가 최소인 변환계수를 소거하는 제4단계, 및 제2단계 내지 제4단계의 과정을 반복하여 남은 변환계수의 수가 기설정된 값과 동일할 때까지 반복하는 제5단계를 포함한다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 목적은, 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택방법에 있어서, 입력블록에 대응하는 모든 변환계수들을 '0'으로 세팅하는 제1단계와, '0'으로 세팅된 변환계수들 중 임의의 변환계수를 '0'으로 세팅되기전 원래의 변환계수 값으로 변환함에 의하여 '0'이 아닌 변환계수를 첨가하는 제2단계와, 제2단계에서 첨가된 변환계수에 의하여 복원된 복원블록과 입력블록과의 평균제곱오차와 이때의 비트량증가량의 비율에 의하여 정의되는 화질향상비를 계산하는 제3단계와, '0'으로 세팅된 모든 변환 계수들에 대하여 상기 제1단계 및 제2단계의 과정을 수행하여 상기 입력블록에 대응하는 모든 변환계수들에 대한 화질향상비를 산출하는 제3단계와, 제3단계에서 산출된 화질향상비가 최대인 변환계수를 선택하는 제4단계, 및 제2단계 내지 제4단계의 과정을 반복하여 선택된 변환계수의 수가 기설정된 값과 동일할 때까지 반복하는 제5단계를 포함한다.
이하에서 첨부된 제3도 내지 제6도를 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 변환계수 선택방법을 채택한 변환부호화시스템을 나타낸 것이다. 제3도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 계수선택부(50)는 양자화부(40)의 출력단에 위치하여 양자화된 DCT계수들중 소정 개수들만을 선택하여 출력한다. 그리고 계수선택부(50)에는 선택된 계수들을 입력받아 부호화하기 위한 가변장부호화부(60)가 연결된다.
제4도는 제3도에서 계수선택부(50)의 상세구성도이다. 도시된 바와 같이, 계수선택부(50)는 양자화부(40)로부터 양자화된 변환계수들을 입력받아 비트량을 계산하기 위한 비트량계산부(52)를 구비한다. 계수선택부(50)는 또한 양자화된 변환계수들을 입력받아 복원블럭을 발생하기 위한 국부복호기(54)를 구비한다. 국부복호기(54)는 역양자화부(542)와 역DCT변환부(544)로 구성된다. 그리고, 비트량계산부(52)와 국부복호기(54)의 출력단에는 이들의 출력신호를 이용하여 비트량발생량에 대한 복원화질의 변화량을 고려하여 변환계수들을 선택하여 출력하는 제어부(56)가 연결되어 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 장치의 동작을 설명한다.
계수선택부(50)의 비트량계산부(52)는 양자화부(40)로부터 입력되는 양자화된 변환계수들에 대하여, 소정 크기의 입력블록에 대응하는 변환계수들마다 총 비트량을 계산한다. 국부복호화기(54)는 변환계수들을 입력받아 이를 역양자화하고, 역DCT변환하여 복원하여 복원블럭을 생성한다. 제어부(56)는 양자화된 변환계수들, 비트량계산부(52)로부터 변환계수들의 총 비트량, 국부복호화기(54)로부터 복원블럭, 및 N×N크기로 분할된 DCT변환전의 입력블럭을 입력받아서, 각 변환계수에 의하여 복원된 블록과 입력 블록간의 오차에 의한 블록변화량과 각 변환계수를 선택함에 의하여 발생하는 비트량변화량을 고려하여 기설정된 개수의 변환계수를 선택하여 출력한다.
제어부(56)에서 기설정된 개수의 변환계수들을 선택하는 방식은 다음에서 설명하는 두가지 실시예들에서 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1실시예에서의 제어부(56)의 동작을 제5도의 순서도를 참조하면서 설명한다.
제어부(56)는 먼저, 입력블록에 대응하는 양자화된 DCT 계수들 중에서, '0'이 아닌 모든 계수들을 선택하여 초기계수 집합으로 셋팅하고, '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)를 카운트한다(단계 100).
그런 다음, 상기 초기계수 집합에 포함된 계수들에 대하여 각 계수를 '0'으로 하였을 때(단계 110)의 복원블럭에 발생하는 화질 열화도를 계산한다(단계 120). 각 계수를 '0'으로 하였을 때의 화질 열화도는 복원화질의 화질변화량에 대한 비트량감소의 비율로서 정의된다. 예를 들어, i번째 변환계수를 '0'으로 하였을 때 복원화질의 화질변화량이 ΔD(i)라고하고, 이로 인한 비트량변화량을 ΔB(i)라고 하면 i번째 변환계수를 '0'으로 하였을 때의 화질 열화도는 -ΔD(i)/ΔB(i)이다.
그런 다음, 상기 초기계수 집합에 포함된 계수들, 즉 '0'이 아닌 모든 계수들에 대하여 상기에서 정의된 바와 같은 화질 열화도가 계산되었는지를 판단한다(단계 130). 판단 결과 '0'이 아닌 모든 계수들에 대하여 화질열화도가 계산되어 있지 않았으면, 단계 110부터 반복 수행하여 '0'이 아닌 모든 계수들에 대한 화질열화도를 계산한다. 단계 130에서 '0'이 아닌 모든 계수들에 대한 화질열화도가 계산되었다고 판단되면, 이중 화질열화도가 최소인 계수를 선택하여(단계 140), 변환계수들 중 선택된 계수를 '0'으로 한다(단계 150). 화질열화도가 최소인 계수는 상기 초기계수 집합에 포함된 계수들중 즉 '0'이 아닌 DCT계수들 중 화질에 미치는 영향이 가장 작은 계수이다. 화질열화도가 최소인 계수를 '0'으로 하였으므로, 상기 초기계수 집합으로부터 해당 계수를 소거하고, '0'이 아닌 모든 계수들의 총 개수(K)에서 '1'을 뺀 'K-1'을 '0'이 아닌 DCT계수들의 개수(K)로 한다(단계 160). 그런 다음, 상기 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 기설정된 값 'NUM1'과 같은지를 판단한다(단계 170). 여기서, 'NUM1'은 계수선택부(50)에서 선택하여 출력하기 위한 변환계수들의 개수로 사용자에 의하여 설정되는 값이다. 단계 170의 판단 결과 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 'NUM1' 보다 크면 남은 '0'이 아닌 변환계수들에 대하여 상기 단계110 과정부터 반복한다. 단계 170의 판단 결과 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 'NUM1'과 같아지면 계수선택을 종료하고 남은 '0'이 아닌 DCT 계수들을 출력한다.
본 발명의 제2실시예에서의 제어부(56)의 동작을 제6도의 순서도를 참조하면서 설명한다.
상술한 제1실시예에서는 '0'이 아닌 변환계수들 중에서 화질열화도가 낮은 계수들을 소거하여 기설정된 개수의 변환계수들을 출력하는 것임에 반하여, 제2실시예에서는 먼저 입력블록에 대응하는 모든 변환계수들을 '0'으로 셋팅한 후, 화질향상도가 높은 변환계수들을 기설정된 개수만큼 선택하여 출력한다. 먼저, 제어부(56)는 모든 변환계수들을 '0'으로 세팅한다(단계 200). 이때, 모든 변환계수가 '0'이므로, '0'이 아닌 변환계수들의 수(K) 또한 '0'이다. 그런 다음, '0'으로 세팅된 변환계수들 중 임의의 변환계수를 '0'으로 세팅되기전 원래의 변환계수 값으로 변환함에 의하여 '0'이 아닌 변환계수를 첨가한다(단계 210). 그런 다음, 첨가된 변환계수에 대한 화질향상도를 계산한다(단계 220). 첨가된 변환계수에 대한 화질향상도는 첨가된 변환계수에 의하여 복원된 블록과 입력 블록과의 평균제곱오차와 이때의 비트량증가량의 비율에 의하여 정의된다. 즉, 첨가된 변환계수(i)에 의하여 복원된 블록과 입력 블록과의 평균제곱오차를 ΔD(i)라고 하고, 이때의 비트량증가량을 ΔB(i)라고 하면, 첨가된 변환계수(i)에 대한 화질향상도는 -ΔD(i)/ΔB(i)로 정의한다.
그런 다음, 단계 200에서 '0'으로 세팅된 모든 계수들에 대하여 상기에서 정의된 바와 같은 화질 향상도가 계산되었는지를 판단한다(단계 230). 판단 결과 모든 계수들에 대하여 화질향상도가 계산되어 있지 않았으면, 단계 210부터 반복 수행하여 모든 계수들에 대한 화질향상도를 계산한다. 단계 230에서 '0'으로 세팅된 모든 계수들에 대한 화질향상도가 계산되었다고 판단되면, 이중 화질향상도가 최대인 계수를 선택한다(단계 240). 화질향상도가 최대인 계수는 상기 '0'으로 세팅된 계수들중 화질에 미치는 영향이 가장 큰 계수이다. 화질향상도가 최대인 계수를 선택하였으므로, 상기 '0'으로 세팅된 집합으로부터 해당 계수를 소거하고, '0'이 아닌 모든 계수들의 총 개수(K)에서 '1'을 더한 'K+1'을 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)로 한다(단계 250). 그런 다음, 상기 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 기설정된 값 'NUM2'과 같은지를 판단한다(단계 260). 여기서, 'NUM2'은 계수선택부(50)에서 선택하여 출력하기 위한 변환계수들의 개수로 사용자에 의하여 설정되는 값이다. 단계 260의 판단 결과 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 'NUM2'보다 작으면 남은 '0'으로 세팅된 변환계수들에 대하여 상기 단계 210 과정부토 반복한다. 단계 260의 판단 결과 '0'이 아닌 DCT 계수들의 개수(K)가 'NUM2'과 같아지면 계수선택을 종료하고 선택된 '0'이 아닌 DCT 계수들을 출력한다.
가변장부호화부(60)는 상기한 방식에 의하여 계수선택부(50)에 의하여 선택되어 출력되는 변환계수들만을 가변장부호화하여 출력한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 양자화된 변환 계수들을 선택함에 있어서, 각 변환계수에 의하여 복원된 블록과 입력 블록간의 오차에 의한 블록변화량과 각 변환계수를 선택함에 의하여 발생하는 비트량변화량을 고려하여 기설정된 개수의 변환계수들을 선택함으로써 효율적인 변환부호화시스템을 제공한다.

Claims (5)

  1. 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택장치에 있어서, 입력블록에 대응하는 DCT변환된 계수들의 비트량을 계산하는 비트량계산부; 상기 DCT변환된 계수들을 복원하여 복원블럭을 생성하는 국부복호기; 및 상기 입력 블록에 대응하는 각 변환계수에 대하여 상기 국부복호기에 의하여 복원된 복원블록과 상기 입력 블록간의 오차에 의한 블록변화정도 및 각 변환계수를 선택함에 의하여 발생하는 비트변화량을 고려하여 기설정된 개수의 변환계수들을 선택하는 제어부를 포함하는 변환부호화시스템의 계수선택장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 입력블록에 대응하는 DCT 변환계수들중, 변환 계수를 '0'으로 하였을 때 복원화질의 화질변화정도에 대한 비트량감소의 비율로서 정의되는 화질열화도가 낮은 변환계수들을 소거하고 남은 계수들을 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 변환부호화시스템의 계수선택장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 입력블록에 대응하는 DCT 변환계수들중에서, 각 변환계수를 선택하였을 때, 복원화질의 화질변화 정도에 대한 비트량증가량의 비율로서 정의되는 화질향상도가 큰 변환계수들을 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 변환부호화시스템의 계수선택 장치.
  4. 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택방법에 있어서, 입력블록에 대응하는 DCT 변환계수들 중 임의의 계수를 '0'으로 세팅하는 제1단계; 상기 제1단계에서 '0'으로 세팅된 계수를 제외한 나머지 변환 계수들에 의하여 복원된 복원블록과 상기 입력 블록과의 블록변화정도에 대한 비트변화량의 비로 정의된 화질열화비를 계산하는 제2단계; 모든 변환 계수들에 대하여 상기 제1단계 및 제2단계의 과정을 수행하여 모든 변환계수들에 대한 화질열화비를 산출하는 제3단계; 상기 제3단계에서 산출된 화질열화비가 최소인 변환계수를 소거하는 제4단계; 및 상기 제2단계 내지 제4단계의 과정을 반복하여 남은 변환계수의 수가 기설정된 값과 동일할 때까지 반복하는 제5단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 변환부호화시스템의 계수선택방법.
  5. 소정 크기의 블록들로 분할된 입력영상신호를 DCT변환하여 가변장부호화하는 변환부호화시스템의 계수선택방법에 있어서, 입력블록에 대응하는 모든 변환계수들을 '0'으로 세팅하는 제1단계' 상기 '0'으로 세팅된 변환계수들 중 임의의 변환계수를 '0'으로 세팅되기전 원래의 변환계수 값으로 변환함에 의하여 '0'이 아닌 변환계수를 첨가하는 제2단계; 상기 제2단계에서 첨가된 변환계수에 의하여 복원된 복원블록과 상기 입력블록과의 평균제곱오차와 이때의 비트량증가량의 비율에 의하여 정의되는 화질향상비를 계산하는 제3단계; 상기 '0'으로 세팅된 모든 변환 계수들에 대하여 상기 제1단계 및 제2단계의 과정을 수행하여 상기 입력블록에 대응하는 모든 변환계수들에 대한 화질향상비를 산출하는 제3단계; 상기 제3단계에서 산출된 화질향상비가 최대인 변환계수를 선택하는 제4단계; 및 상기 제2단계 내지 제4단계의 과정을 반복하여 선택된 변환계수의 수가 기설정된 값과 동일할 때까지 반복하는 제5단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 변환부호화시스템의 계수선택방법.
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