KR100226960B1 - 초저속 전송을 위한 동영상부호화장치 - Google Patents

초저속 전송을 위한 동영상부호화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초저속 전송에 알맞게 동영상 신호를 압축, 부호화하는 장치로서, 차분 에러 신호를 이산 코산인 변환 및 양자화하는 영상 신호 부호화부(60)와, 영상 신호 부호화부(60)의 출력을 엔트로피 부호화하여 송신하는 엔트로피 부호하기(70)와, 영상 신호 부호화부(60)의 출력을 복호하는 영상 신호 복호화부(80)와, 이전 프레임의 영상 신호를 저장하는 제 2 프레임 메모리(30)와, 입력 프레임 영상 신호와 제 2 프레임 메모리(30)의 프레임 영상 신호를 이용하여 블록간 움직임 백터를 검출하여 송신하며, 움직임 벡터에 대응하는 제 2 프레임 메모리(30)의 영상 신호를 출력하는 움직임 추정부(40)와, 움직임 추정부(40)의 출력과 입력 영상 신호를 감산하여 상기 차분 에러 신호로서 출력하는 감산기(50)와, 움직임 추정부(40)의 출력과 영상 신호 복호부(80)의 출력을 가산하여 제 2 프레임 메모리(30)에 이전 프레임 신호로서 인가하는 가산기(90)와, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 제 1 프레임 메모리(20)와; 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 단자(a)로 선택된 프레임을 감산기(50) 및 움직임 추정부(40)에 인가하며, 단자(a)로 선택되지 않은 프레임을 단자(b)로 출력하는 선택기(10)와; 선택기(10)의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호와 제 1 및 제 2 프레임 메모리(20),(30)의 프레임 영상 신호들간의 움직임 백터를 검출하고, 검출된 움직임 백터들중 선택기(10)의 단자(b)의 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 검출 할 수 있는 움직임 벡터를 상기 엔트로피 부호기(70)에 인가하는 프레임간 움직임 검출부(100)를 구비한다.

Description

초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치
제1도는 본 발명에 따른 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치의 개략 블록도,
제2도는 본 발명에 따른 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치에서의 선택적 부호화 방법을 도시한 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 선택기 20 : 제 1 프레임 메모리
30 : 제 2 프레임 메모리 40 : 움직임 추정부
50 : 감산기 60 : 영상 신호 부호화부
70 : 엔트로피 부호기 80 : 영상 신호 복호화부
90 : 가산기 100 : 프레임감 움직임 벡터 검출부
본 발명은 동영상 신호를 부호화하는 영상 처리 장치에 관한 것으로, 특히 초저속 전송에 알맞도록 고압축 부호화하는 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치에 관한 것이다.
고화질 텔레비젼(High Definition Television:HDTV), 화상전화기, 멀티 미디어 등과 같이 디지탈 데이터 전송을 기본으로 하는 고화질 영상 시스템에서는 처리해야 할 데이터량이 상당히 많이 발생한다. 그러나, 데이터 전송을 위해서 사용 가능한 주파수 대역폭은 한정되어 있으므로, 방대한 데이터를 효율적으로 전송하기 위해서는 데이터를 압축하여 부호화해야 한다. 따라서, 데이타의 압축, 부호화는 고화질 영상 시스템 구성의 기본 요소로써, 최근 이에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
종래의 영상 신호 부호화는 영상 신호를 블록(Block)단위로 분할하고, 이 블록들을 일정한 과정 즉, 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transformation:DCT), 양자화(Quantization:Q), 가변길이 부호화(Variable Length Coding:VLC) 등의 과정으로 부호화하였다. 여기서, 블럭이란 N×N화소(pixel) 데이터로 구성되며, 상기 N은 임의의 양의 정수이다.
상술한 방법은 영상 신호의 공간적 상관성을 줄이기 위한 것이며, 동영상 신호에서는 시간적으로 존재하는 영상 신호의 상관성(Correlation)을 제거해야 한다. 이를 위해 통상적으로 사용되는 방법이 프레임간 움직임 보상 예측 부호화 방법이다.
여기서, 움직임 보상(Motion Compensation)이라 함은 현재 프레임(Frame)의 영상이 이전 프레임에 비해 어느 방향으로 얼마나 움직였는가를 나타내는 움직임 벡터(Motion Vector:MV)를 소정의 알고리즘으로 추정하고, 이전 프레임의 영상을 움직임 벡터(Motion Vector:MV) 만큼 이동시켜 주는 것이다. 따라서, 프레임간 움직임 보상 예측 부호화는 움직임 보상을 수행하고, 현재 프레임의 영상 신호와 움직임 보상된 영상 신호의 차분 신호를 구하는 것이다.
한편, 동영상 신호에서도 영상 신호의 공간적 중복성이 존재하므로 동영상 부호화 장치에서는 상술한 움직임 보상 예측 부호화 방법 및 공간적 중복성을 제거하기 위한 DCT부호화 및 가변 길이 부호화 방법을 결합시킨 소위 하이브리드 방법이 널리 사용되고 있다.
그러나, 종래의 동영상 부호화 장치에서는 64kbps 이상의 비트율(bit rate)에서의 부호화는 적당하나, 64kbps 미만의 비트율(bit rate) 에서는 부호화의 한계성 때문에 효과적인 압축이 되질 않는다. 즉, 초저속 전송에 알맞게 압축하여 보낼 경우에는 영상을 화질을 현저하게 떨어진다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 연속적으로 입력되는 프레임 영상 신호에서 프레임을 격행적으로 압축 부호화하나, 압축 부호화되지 않는 프레임들은 그 움직임 벡터만을 검출하여 전송하므로써 저속 전송에 알맞게 부호화 량을 감소시킬 수 있는 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차분 에러 신호를 이산 코산인 변환 및 양자화하는 영상 신호 부호화부와, 영상 신호 부호화부의 출력을 엔트로피 부호화하여 송신하는 엔트로피 부호화기와, 영상 신호 부호화의 출력을 복호하는 영상 신호 복호화부와, 이전 프레임의 영상 신호를 저장하는 제 2 프레임 메모리와, 입력 프레임 영상 신호와 제 2 프레임 메모리의 프레임 영상 신호를 이용하여 블록간 움직임 벡터를 검출하여 송신하며, 움직임 벡터에 대응하는 제 2 프레임 메모리 영상 신호를 출력하는 움직임 추정부와, 움직임 추정부의 출력과 입력 영상 신호를 감산하여 차분 에러 신호로서 출력하는 감산기와, 움직임 추정부의 출력과 영상 신호 복호부의 출력을 가산하여 제 2 프레임 메모리에 이전 프레임 신호로서 인가하는 가산기와, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 제 1 프레임 메모리와; 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 제 1 단자로 선택되지 않은 제 2 단자로 출력하는 선택기와; 선택기의 제 2 단자로부터의 프레임 영상 신호와 제 1 및 제 2 프레임 메모리의 프레임 영상 신호들간의 움직임 백터들을 검출하고, 검출된 움직임 백터들중 선택기의 제 2 단자의 프레임 영상 신호와 가장 유사한 움직임 보상된 영상 신호를 검출 할 수 있는 움직임 벡터를 상기 엔트로피 부호기에 인가하는 프레임간 움직임 검출부를 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명한다.
제 1 도는 본 발명에 따른 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치의 개략 블록도이다.
본 발명에서는 일반적인 부호화 장치 즉, 움직임 보상 예측 부호화 방법 및 DCT 부호화를 행하는 일반 하이브리드 부호화 장치외에 선택기(10), 제 1 프레임 메모리(20) 및 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)를 더 구비한다. 즉, 제 1 도에서 제 2 프레임 메모리(30), 움직임 추정부(40), 감산기(50), 영상 신호 부호화부(60), 엔트로피 부호기(70), 영상 신호 복호화부(80) 및 가산기(90)는 일반적인 하이브리드 부호화 장치를 구성함은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 것이다.
한편, 선택기(10)에서는 제 2 도에 도시된 바와 같이 연속적으로 입력되는 프레임(#1, #2, #3,...)신호들을 격행적으로 선택하여 단자(a,b)로 출력한다. 즉, 선택기(10)는 예컨데, 프레임(#1, #3, #5,...)들은 단자(a)로 출력하고, 프레임(#2, #4, #6,...)들은 단자(b)로 출력하는 것이다.
여기서, 단자(a)로 출력되는 프레임(#1, #3, #5,...)들은 상술한 하이브리드 부호화 즉, 움직임 보상 예측 부호화, DCT 부호화(이하, MC-DCT라 함)를 행하게 되고, 단자(b)로 출력되는 프레임(#2, #4, #6,...)들은 후술하는 바와 같이 움직임 벡터만이 검출된다.
즉, 선택기(10)에 의해 단자(a)로 선택된 프레임(#1, #3, #5,...)들은 움직임 추정부(40)로 입력되며, 움직임 추정부(40)는 이 입력 프레임(#1, #3, #5,...)들의 영상 신호로부터 제 2 프레임 메모리(30)에 저장되어 있는 이전 프레임(#1, #3, #5,...)내 영상 신호로의 움직임 벡터를 검출함과 동시에 이 움직임 벡터에 대응하는 움직임 보상 영상 신호를 감산기(50)에 제공한다. 이 감산기(50)는 현프레임의 영상 신호로부터 움직임 보상 영상 신호를 감산하고, 감산에 의한 결과값 즉, 차분 에러 신호를 영상 신호 부호화부(60)에 인가한다.
영상 신호부 부호화부(60)는 이 차분 에러 신호를 DCT부(62) 및 양자화기(64)를 통하여 DCT 및 양자화하여 출력한다. 영상 신호 부호화부(60)에 의해 부호화된 차분 에러 신호는 엔트로피 부호기(70)에 의하여 엔트로피 부호화 즉, 가변 길이 부호화등이 행하여 진 후에 도시되지 않은 수신 장치에 송신된다.
한편, 영상 신호 부호화부(60)의 부호화된 신호는 역양자화기(82) 및 역DCT부(84)로 구성된 영상 신호 복호화부(80)에 의해 복원된 후에 가산기(90)에 제공한다. 이때, 가산기(90)에는 움직임 추정부(40)의 움직임 보상 영상 신호가 인가되므로 이두 신호가 가산된 후 제 2 프레임 메모리(30)에는 상술한 바와 같이 움직임 추정부(40)에 입력되는 프레임 영상 신호가 이전 프레임의 영상 신호로서 저장되는 것이다.
여기서, 선택기(10)의 단자(a)로 출력되는 프레임들은 종래와 같이 연속된 프레임(#1, #2, #3, #4,...)들이 아니라 격행적으로 선택된 프레임(#1, #3, #5,...)들이며, 이 선택된 프레임들은 프레임간(#1, #3),(#3, #5),..의 움직임 보상이 행하여지고, 움직임 보상된 영상 신호의 공간적 부호화가 행하여짐을 알 수 있다.
한편, 선택기(10)가 단자(b)로 프레임(#2)의 영상 신호를 출력하는 경우를 보면, 제 1 프레임 메모리(20)는 저장하였던 프레임(#1)의 영상 신호를 출력함과 동시에 프레임(#2)의 영상 신호를 저장하게 된다. 이때, 입력 프레임(#2)의 영상 신호는 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)에 인가되며, 제 1 프레임 메모리(20)의 프레임(#1)의 영상 신호화 제 2 프레임 메모리(40)의 프레임(#1) 영상 신호가 동시에 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)에 인가되므로 프레임 움직임 벡터 검출부(100)는 이 신호들을 이용하여 포워드 및 백워드 움직임 벡터를 검출한다.
즉, 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)는 제 2 프레임 메모리(30)에 저장되어 있던 프레임(#1) 영상 신호에 포함된 화소중 다수의 특징점(움직임을 대표하는 점)들을 선택함과 이 특징점에 대한 프레임 신호(#2)의 움직임 벡터(변위)를 검출한다. 이와 같이 특징점에 대한 움직임 벡터가 검출되면, 특징점이 아닌 비특징점에 대한 움직임 벡터를 구할 수 있다. 즉, 특징점이 아닌 비특징점을 중심으로 일정 반경안에 있는 특징점의 움직임 벡터로부터 거리에 반비례하는 인터폴레이션을 통해 그 점에 대한 움직임 벡터를 구하므로써 비특징점에 대한 움직임 벡터를 검출할 수 있는 것이다.
이와 같이 움직임 벡터(포워드 움직임 벡터)가 구해지면, 제 2 프레임 메모리(30)에서 복원된 프레임(#1)에서 현재 프레임(#2)으로 움직임 보상이 이루어지고, 이 움직임이 보상된 프레임은 결국 포워드 움직임 벡터에 의한 프레임(#2)의 영상 신호가 될 것이다.
또한, 선택기(10)가 단자(a)로 프레임(#3)의 영상 신호를 출력하면, 상술한 바와 같이 제 1 프레임 메모리(20)는 저장하였던 프레임(#2)의 영상 신호를 출력함과 동시에 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)에서는 선택기(10) 단자(a)의 프레임(#3) 영상 신호가 입력된다. 따라서, 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)는 이 프레임(#3) 영상 신호에 포함된 화소중 다수의 특징점(움직임을 대표하는 점)들을 선택함과 이 특징점에 대한 프레임 신호(#2)의 움직임 벡터(변위)를 검출하고, 비특징점에 대한 움직임 벡터를 검출한다.
이와 같이 움직임 벡터(포워드 움직임 벡터)가 구해지면, 제 2 프레임 메모리(30)의 프레임(#2)에서 현재 프레임으로의 움직임 보상이 이루어지고, 이 움직임이 보상된 프레임은 결국 백워드 움직임 벡터에 의한 프레임(#2)의 영상 신호가 될 것이다.
따라서, 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)에는 프레임(#1)에서 프레임(#2)로의 포워드 움직임 벡터 및 프레임(#3)에서 프레임(#1)으로의 백워드 움직임 벡터가 검출되고, 이 움직임 벡터에 의한 움직임 보상된 프레임들이 검출된다. 프레임 움직임 벡터 검출부(100)는 포워드 움직임 벡터 및 백워드 움직임 벡터에 의한 움직임 보상 영상 신호와 프레임(#2)의 영상 신호의 유사 여부를 기존의 PSNR(signal to noise ratio:신호대 잡음비)의 공식에 의해 계산한다.
즉,
MxN 은 블록크기이고; x,y는 각 화소의 좌표데이타이고;
I(x,y)는 원래의 좌표이다. 즉, PSNR는 신호대 잡음비를 나타내는 것으로서, 큰 값은 보다 유사한 화질을 의미한다.
프레임간 움직임 벡터 검출부(100)는 상술한 공식에 의하여 프레임(#2)과 유사한 움직임 보상 신호(포워드 움직임 백터 또는 백워드 움직임 벡터에 의한 움직임 보상 신호들중 하나)를 검출하고, 유사한 움직임 보상 신호를 검출한 포워드 움직임 벡터 신호 또는 백워드 움직임 벡터 신호를 엔트로피 부호기(70)를 통하여 도시하지 않은 수신단에 송신한다.
즉, 본 발명에서는 연속적인 프레임(#1, #2, #3, #4,...)들을 격행적으로 선택하고, 선택된 프레임(#1, #3, #5,..)에 대하여는 일반 움직임 보상 부호화 및 DCT부호화를 행하나, 선택되지 않은 프레임(#2, #4, #6,...)에 대하여 선택된 프레임(#1, #3, #5,..)과 유사하게 움직임 보상된 영상 신호를 복호할 수 있는 포워드 또는 백워드 움직임 벡터를 검출하여 출력하는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 선택된 프레임(#1, #3, #5,..) 부호화 데이터 및 그 움직임 벡터와 선택되지 않은 프레임(#2, #4, #6,..)의 움직임 벡터만을 송신하고, 프레임(#2, #4, #6,..)의 부호화 데이터는 송신하지 않으므로써 송신 데이터량을 대폭 감소 시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 차분 에러 신호를 이산 코산인 변환 및 양자화하는 영상 신호 부호화부(60)와, 상기 영상 신호 부호화부(60)의 출력을 엔트로피 부호화하여 송신하는 엔트로피 부호화기(70)와, 상기 영상 신호 부호화부(60)의 출력을 복호하는 영상 신호 복호화부(80)와, 이전 프레임의 영상 신호를 저장하는 제 2 프레임 메모리(30)와, 입력 프레임 영상 신호와 상기 제 2 프레임 메모리(30)의 프레임 영상 신호를 이용하여 블록간 움직임 벡터를 검출하여 송신하며, 상기 움직임 벡터에 대응하는 움직임 보상 영상 신호를 출력하는 움직임 추정부(40)와, 상기 움직임 추정부(40)의 움직임 보상 영상 신호를 출력하는 움직임 추정부(40)와, 상기 움직임 추정부(40)의 움직임 보상 영상 신호와 상기 입력 영상 신호를 감산하여 상기 차분 에러 신호로서 출력하는 감산기(50)와, 상기 움직임 추정부(40)의 움직임 보상 영상 신호와 상기 영상 신호 복호부(80)의 출력을 가산하여 상기 제 2 프레임 메모리(30)에 이전 프레임 신호로서 인가하는 가산기(90)를 구비하는 영상 부호화 장치에 있어서, 프레임 영상 신호를 입력하여 저장하고, 기저장된 프레임 영상 신호는 출력하는 (제1프레임 메모리(20)와); 연속적인 프레임들을 격행적으로 선택하여 단자(a)로 선택된 프레임을 상기 감산기(50) 및 움직임 추정부(40)에 인가하며, 상기 단자(a)로 선택되지 않은 프레임들을 순차적으로 단자(b)로 출력하는 (선택기(10)와); 상기 선택기(10)의 단자(b)로부터의 프레임 영상 신호와 상기 제 1 및 제 2 프레임 메모리(20),(30)의 프레임 영상 신호들간의 움직임 벡터들을 검출하고, 상기 검출된 움직임 벡터들중 상기 선택기(10)의 단자(b)의 프레임 영상 신호와 가장 유사하게 움직임 보상된 영상 신호를 검출할 수 있는 움직임 벡터를 상기 엔트로피 부호기(70)에 인가하는 (프레임간 움직임 벡터 검출부(100)를 더 구비하는 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치.
  2. 제2항에 있어서, 상기 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)는, 상기 제 2 프레임 메모리(20)에 저장된 프레임의 영상 신호의 특징점으로부터 상기 선택기(10)의 일단(b)으로 출력되는 프레임 영상 신호에 대한 포워드 움직임 벡터를 검출하고, 상기 일단(b)으로부터 인가되는 프레임의 영상 신호의 특징점으로부터 상기 제 1 프레임 메모리(20)로부터의 인가되는 프레임 영상 신호에 대한 백워드 움직임 벡터를 검출한 후, 상기 포워드 및 백워드 움직임 벡터중 상기 선택기(10) 일단의 프레임 영상 신호와 가장 유사하게 움직임 보상된 영상 신호를 검출하는 움직임 벡터를 상기 엔트로피 부호기(70)에 인가하도록 구성된 초저석 전송을 위한 동영상 부호화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 프레임간 움직임 벡터 검출부(100)는, 상기 포워드 움직임 벡터에 의한 움직임 보상된 영상 신호와 백워드 움직임 벡터에 의하여 움직임 보상된 영상 신호들중 상기 선택기(10)의 일단(b)의 영상 신호와 PSNR(signal to noise ratio:신호대 잡음비)가 높은 신호를 선택기(10)의 일단(b)의 영상 신호와 가장 유사한 영상 신호로 선택하도록 구성된 초저속 전송을 위한 동영상 부호화 장치.
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