KR100228542B1 - 비디오 인코더의 비트발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당 방법 - Google Patents

비디오 인코더의 비트발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 비디오 인코더에서 비트 발생율을 제어하기 위하여 영상에 비트를 할당하는 경우 영상의 장면이 전환되어도 화질이 저하되지 않도록 비트를 할당시키는 비디오 인코더의 비트 발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당방법에 관한 것으로, 인트라모드 매크로 블록의 개수가 차지하는 면적의 비율에 따라서 비트 할당량을 증가시키기 때문에 영상의 전면적인 장면전환뿐만 아니라 일부만 장면 전환되어도 그에 상응하도록 비트 할당량을 증가시키므로써 화질을 개선하는 잇점이 있으며, 별도의 장면전환 검출을 위한 회로없이도 장면전환되는 영상의 화질을 개선할 수 있는 잇점을 수반한다.

Description

비디오 인코더의 비트발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당 방법
본 발명은 비디오 인코더의 비트 발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당 방법에 관한 것으로, 특히 디지털 비디오 인코더에서 비트 발생율을 제어하기 위하여 영상에 비트를 할당하는 경우 영상의 장면이 전환되어도 화질이 저하되지 않도록 비트를 할당시키는 비디오 인코더의 비트 발생율 제어용 장면전환 적응 비트 할당 방법에 관한 것이다.
미래의 정보화 사회에서 영상 정보는 매우 중요한 정보원이 될 전망이며, 디지털 영상 압축을 이용한 통신, 저장 매체의 수요는 폭발적으로 증가할 것이다. 특히 MPEG(Moving Picture Experts Group) 비디오 알고리즘은 향후 각종 디지털 영상 통신 매체, 저장매체 , 멀티 미디어 및 HDTV 등을 위한 영상 압축방법에의 응용 범위가 매우 광범위하기 때문에 미래의 활용성과 시장 규모가 매우 크다.
세계 각국에서는 MPEG2 관련 기술의 우위를 확보하기 위해서 표준화 참여는 물론 관련 기술의 축적과 노하우(know how) 확보에 많은 노력을 기울이고 있다 그 중 전송율 제어방법은 표준화와는 관련이 없으며 복원 영상의 화질과 직접 연관되기 때문에 관련 기술의 확보가 시급하다.
일반적으로 컬러 동영상(움직이는 영상) 데이터를 디지털 방식으로 표현할 경우에 필요한 데이터량은 매우 방대해지므로 이를 그대로 전송 또는 저장할 시에 전송 채널이나 저장 장치의 심한 낭비를 초래하게 된다. 따라서 전송 또는 저장시의 데이터량을 줄이기 위한 압축 및 복원 방법이 이용된다.
상기 영상 압축방법은 중복성이 많은 영상 데이터의 성질을 이용하여 영상 데이터의 중복성을 제거하므로써 전송 또는 저장시의 데이터량을 줄이는 방법이며, 현재 국제기구에서 압축 부호화방법에 대한 표준화를 진행중이다.
디지털 비디오 신호는 데이터량이 매우 방대하기 때문에 방송, 통신 또는 저장을 위해서는 비디오 인코더에서 디지털 비디오 신호의 대역을 전송 용량에 맞도록 적절히 압축하여 전송하여야 하며, 이를 전송받는 비디오 디코더에서 대역 압축된 신호를 다시 복원하여야 한다. 디지털 비디오 신호 대역의 압축방법은 국제 표준화 기구인 ISO/IEC 산하 MPEG에 의해서 표준화가 완료되었거나 일부는 현재 진행중이다.
MPEG 동영상 압축방법의 영상 부호화 모드에는 인트라(Intra : 이하 I라 칭한다)모드, 예측 부호화(Rredictive : 이하 P라 칭한다)모드, 양방향 예측 부호화(Bi-directional Predictive : 이하 B라 칭한다)모드의 세가지 부호화 모드가 있다.
상기 I 모드에서는 영상 데이터의 공간적 중복성을 제거하기 위하여 영상 데이터를 블록 단위로 이산 여현 변환(Discrete Cosine Transform : 이하 DCT라 칭한다)한 후 DCT 계수를 양자화 하여 전송한다.
또한 P 모드에서는 영상과 영상 사이의 시간적 중복성을 제거하기 위하여 매크로 블록단위로 이전 영상으로부터 가장 유사한 부분의 움직임 벡터를 찾아서 이전 영상과 부호화하려는 영상과의 차이를 양자화하여 벡터와 함께 전송한다.
또한 B 모드에서는 부호화 하려는 영상의 전 영상과 후 영상의 양쪽 모두에서 움직임 벡터를 찾아 현재 부호화하려는 영상과 가장 유사한 쪽을 선택한 후, P 모드에서와 같은 방법으로 전송한다.
이때 상기 움직임 벡터 및 기타 정보등과 같은 DCT 계수등은 통계적 특성을 따라 가변 길이 부호를 적용하여 전송한다. I 모드는 영상 자체의 정보를 그대로 보내므로 언제든지 임의 접근하여 복호가 가능하지만, P 모드 또는 B 모드는 움직임 보상을 하므로 참조영상이 반드시 있어야 한다. MPEG에서는 임의 접근의 단위로서 영상 그룹(Group Of Picture : 이하 GOP라 칭한다)을 정의하고 GOP의 첫 영상은 I 모드로 부호화하며, GOP의 나머지 영상들은 P 모드 또는 B 모드로 부호화 한다.
따라서 인코더에서 부호화 되어 나오는 데이터량은 입력 영상의 특성과 부호화 모드에 따라 변하게 되며 이를 항등율로 전송하기 위해서는 비디오 인코더와 비디오 디코더 양쪽에 버퍼를 두어 인코더의 데이터 발생량과 전송 용량과의 차이를 완화시켜 주어야 한다.
그러므로 비디오 인코더에서는 버퍼가 넘치거나 고갈되지 않도록 하기 위해 전체적 데이터 발생량을 전송 용량에 맞도록 제어해야 하는데 이를 비트 발생율 제어 (Bit Rate Control)라고 한다. 상기 비트 발생율 제어는 먼저 부호화 단위 마다 비트를 할당하고 실제로 할당한 만큼 비트가 발생하도록 제어하기 때문에 비트 발생율 제어에서는 비트 할당 방법이 중요한 비중을 차지한다.
또한 비트 발생율 제어는 양자화기의 스텝 크기를 조절하여 수행하게 되는데, 상기 양자화기에서 이루어지는 양자화 과정은 손실부호화이므로 디코더를 통한 영상 복원 후의 화질은 비트 발생율 제어방법에 따라 크게 좌우된다.
즉, 양자화기의 스텝 크기를 크게 하면 버퍼에 전달되는 데이터량은 줄어들지만 양자화된 데이터의 정확도가 떨어져서 원래의 영상에 비해 복원된 영상의 화질이 떨어지고, 양자화기의 스텝 크기를 작게 하면 버퍼에 전달되는 데이터량은 많아지지만 양자화된 데이터의 정확도가 좋아져서 복원된 영상의 화질이 원래의 영상과 동일해진다.
상기 MPEG 표준화는 복호화 과정에서 입력되는 비트열의 구조만을 제정하는 것이므로 비트 발생율 제어방법과는 무관하다.
그러므로 비트 발생율 제어방법은 주어진 대역에서의 화질을 최대로 유지하기 위한 인코더의 노하우가 된다.
일반적으로 동일한 화질의 복호 영상을 유지하는 경우, I모드 영상에서 가장 비트 발생량이 많고 그 다음엔 P모드, B모드 순으로 비트 발생량이 감소한다. 따라서 비트 할당량도 I모드, P모드 및 B모드의 순으로 감소되도록 할당하여야 한다.
그러나 P모드 영상에서 장면전환이 발생되면 움직임 보상의 의미가 없어지므로 대부분의 매크로 블록이 I모드로 부호화된다. 이렇게 P모드 영상에서 대부분의 매크로 블록이 I모드로 부호화될 경우 비트 발생량이 많아지기 때문에 동일한 화질의 복호 영상을 유지하기에는 비트 발생량이 부족하게 된다.
따라서 기존의 비트 발생율 제어 기법으로는 P모드 영상에서 장면전환이 발생하였을 때 복호 영상의 화질이 현저히 떨어지게 된다. B모드 영상에서는 전후 영상 방향으로부터 움직임 보상을 하기 때문에 장면 전환이 발생하여도 움직임 보상이 가능하여 크게 영향을 받지 않는다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 장면전환을 검출하는 방법들이 발표되었으며 장면전환 여부를 별도로 미리 검출한 후 비트 할당량을 늘리는 방법이 제시되었다.
별도의 장면 전환 검출 알고리즘은 주로 영상 전체의 평균 절대차(Mean Absolute Difference : 이하 MAD라 칭한다) 또는 MAD의 차분치(Difference of MAD : 이하 DMAD라 칭한다)를 이용하여 장면전환 여부를 판단한다. 그러나 MAD 또는 DMAD를 이용한 장면 전환 검출은 모든 종류의 영상에 대하여 정확히 적용된다고 보기 어려우며 영상의 일부만 장면 전환되는 경우에 적용하기 어려운 단점이 있다.
또한 별도의 장면전환검출을 위하여 복잡한 계산을 하여야 하므로 프로그램 또는 하드웨어의 구현이 복잡해지고 지연을 증가시키는 단점이 있다.
비트 할당은 전송 용량에 맞는 범위내에서 해야 하며, GOP 영상 및 매크로 블록과 같이 큰 부호화 단위로부터 작은 부호화 단위의 순으로 실시한다. 가장 큰 단위의 비트 할당량은 전송 용량에 맞추고, 이후의 작은 부호화 단위부터는 상위 부호화 비트 할당량 한도 내에서 다시 할당한다.
가장 큰 부호화 단위라고 할 수 있는 GOP에 대한 초기 비트할당량 TGOP는 식 1과 같이 전송 용량(bit-rate), 초당 영상의 프레임 수(fram-rate) 및 한 GOP 내의 영상 개수 nPinGOP에 의해서 구한다.
한 GOP에 대한 부호화가 끝나고 다음 GOP에 비트를 할당할때에는 TGOP와 실제로 발생된 비트량 BGOP와의 차이를 다음 GOP의 초기 비트 할당량에 더해주므로써 전체적인 비트 발생율을 전송용량에 맞춘다.
GOP를 이루는 각 영상들에 대한 비트 할당은 GOP 내의 영상의 개수와 부호화 모드를 고려하여 GOP에 할당된 비트를 분배하여 할당한다. I 모드, P 모드 및 B 모드 영상의 비트 할당량을 각각 TI, TP TB라고 한다면 식 2와 같이 TI, TP 및 TB의 순으로 많이 할당해야 한다.
매크로 블록에 대한 비트 할당은 영상에 대한 비트 할당량을 한 영상을 구성하는 매크로 블록의 개수로 균등히 나누어 할당한다. 양자화기 스텝 크기는 매크로 블록 마다 정할 수 있으므로 매크로 블록마다 할당량과 실제 발생량을 비교하여 양자화기 스텝 크기를 가감하여 비트 발생율을 제어한다.
식 3은 양자화기 스텝 크기를 조절하기 위한 파라미터를 구하는 식이다.
이때 dj는 j번째 매크로 블록까지의 파라미터 값, d0는 dj의 초기값,는 j번째 매크로 블록까지 발생한 비트량의 누계,는 j번째 매크로 블록까지의 비트 할당량의 누계치를 나타낸다. 양자화기 스텝 크기는 파라미터 dj에 비례하여 결정되므로 실제 비트 발생량이 할당량보다 커지면 dj가 증가하므로 양자화기 스텝 크기도 증가하게 된다.
만일, P모드 영상에서 장면 전환이 되면 대부분의 매크로 블록이 I모드로 부호화되며 비트 발생량도 많아진다. 따라서 매크로 블록마다 비트 발생량이 할당량보다 많아지므로 발생량이 할당량에 근접할 때까지 양자화기 스텝 크기를 증가시키게 되고 양자화기 스텝 크기가 증가되면 양자화 손실이 증가되어 복호 영상의 화질이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기에 기술한 바와 같이 종래 문제점을 해결하기 위해, 디지털 비디오 인코더에서 비트 발생율을 제어하기 위하여 영상에 비트를 할당하는 경우 영상의 장면이 전환되어도 화질이 저하되지 않도록 비트를 할당시킨, 비디오 인코더의 비트 발생율 제어용 장면 전환 적응 비트 할당방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1도는 본 발명의 실시예에 의한 MPEG 인코더의 블록도.
제2도는 본 발명의 실시예에 의한 MPEG 디코더의 블록도.
제3도는 본 발명의 실시예에 의한 GOP 내 영성의 개수가 9일 경우 I,P 및 B 모드 영상의 관계를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11,18,25 : 프레임 메모리 12 : 이산 여현 변환부
13 : 양자화부 14 : 가변 길이 코딩부
15,21 : 버퍼 6,23 : 인버터 양자화부
17,24 : 인버터 이산 여현 변환부 19 : 움직임 벡터 추정기
20 : 비트 발생율 제어부 22 : 가변 길이 디코딩부
MPEG : Moving Picture Experts Group
I 모드 : 예측 부호화(Intra) 모드
P 모드 : 예측 부호화(Predictive) 모드
B 모드 : 양방향 예측 부호화(Bi-directional Predictive) 모드
DCT : 이산 여현 변환(Discrete Cosine Transform)
GOP : 영상 그룹(Group Of Picture)
MAD : 평균 절대차(Mean Absolute Difference)
DMAD : MAD의 차분치(Difference of MAD)
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 비디오 인코더의 비트 발생율을 제어하기 위한 비트할당 방법에 있어서, 예측 부호화 모드 영상의 경우, 별도의 장면전환 검출없이 인트라 모드 매크로 블록의 개수를 이용하여 매크로 블록마다 하기 식에 의해 구해지는 비트량을 할당하므로써, 상기 인트라 모드 매크로 블록의 개수에 따라 비트 할당량이 제조정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
(상기 식에서 dj는 j번째 매크로 블록까지의 파라미터 값,
d0는 dj의 초기값,
는 j번째 매크로 블록까지 발생한 비트량의 누계,
TI는 I모드 영상에 할당한 비트량,
nIMB는 j번째 매크로 블록까지 발생한 I모드 매크로블록의 개수,
nMBinP는 한 영상내 매크로 블록의 총개수,
TP는 P모드 영상에 할당한 비트량을 의미함)
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 비디오 인코더의 블록도이다. 인코더에 입력된 데이터는 프레임 메모리(11)에 임시 저장되었다가 매크로블록단위로 처리되기 시작한다. 다음으로 공간적 중복성을 제거하기 위하여 이산여현변환부(12)에서 영상을 블록으로 나누어 2차원 DCT를 한다.
일반적으로 DCT를 하면 데이터는 주파수성분에 따라 분포하게 된다. 대부분의 영상 데이터는 주파수 성분에 따라 분포하게 된다. 대부분의 영상 데이터는 저주파 성분이 많기 때문에 DCT를 거친 영상 데이터는 저주파에 성분이 가장 많게 된다. 따라서 고주파 성분은 많이 생략하고 저주파 성분만 전송하게 되면 많은 데이터 압축효과를 볼 수 있다.
양자화부(13)에서는 DCT의 결과를 양자화한 후, 가변길이 코딩부(14)에서 통계적으로 많이 나오는 값에는 상대적으로 짧은 부호를 붙이고 통계적으로 자주 나오지 않는 값에는 긴 부호를 붙여서 데이터 압축효과를 볼 수 있도록 한다. 가변길이 코딩부에서 처리된 부호는 버퍼(15)에 쌓이고, 버퍼에 쌓인 데이터는 채널에서 전송량만큼 가져간다. 양자회돈 데이터는 다시 역양자화(16)와 역DCT(17)를 거쳐서 프레임 메모리(18)에 다시 보관되는데 이는 다음 영상에서 움직임 보상을 하기 위해서이다.
다음 영상이 입력되면 움직임 벡터 추정부(19)가 프레임 메모리의 이전 영상으로부터 움직임 벡터를 찾아서 현재 영상과의 차분값을 다시 DCT 및 양자화하여 전송한다. 양자화기에서는 버퍼(15)가 넘치지 않도록 양자화기의 스텝크기를 조절하는데 이를 비트 발생율 제어(Bit Rate Control)라 하며 비트 발생율 제어부(20)에서 프레임 메모리(11)내에 있는 입력영상의 특성, 버퍼(15)의 데이터량, 또는 가변길이 코딩부에서 발생하는 데이터량 등을 참조하여 제어를 행한다.
제2도는 비디오 디코더의 블록도로서 인코더의 역과정이 된다. 채널로부터 전송된 비트스트림을 버퍼(21)에 저장하였다가 가변길이 디코딩부(22)에서 양자화된 데이터를 생성하고 인버터 양자화부(23)와 인버터 이산여현변환부(24)를 거쳐 역양자화 및 역 DCT를 하여 영상을 복원한다. 복원된 영상은 다시 프레임 메모리(25)에 저장하여 다음에 오는 움직임 벡터와 차분값을 이용하여 다시 다음 영상을 복원한다.
제3도는 GOP 내의 영상의 개수가 9일 경우 I, P, B모드의 관계를 나타내고 있다. P모드는 이전 I 또는 P모드로부터 움직임 보상을 하고 B모드는 이전 또는 이후의 I, P모드 양쪽으로부터 움직임 보상을 한다.
본 발명에서는 미리 장면전환을 검출하지 않고 매크로블록마다 순차적으로 부호화하는 과정에서 I모드 매크로블록의 개수에 따라 전체적으로 비트 할당량을 조절하므로써 별도의 장면전환 검출을 위한 하드웨어적인 부담이나 지연이 불필요하고, 전면적인 장면전환뿐 아니라 부분적인 장면전환에도 효과적으로 대처할 수 있다.
B모드 영상은 전후 양방향으로부터 움직임 보상이 가능하기 때문에 제안되는 비트 할당 기법은 P모드 영상에만 적용한다.
따라서 본 발명에 따른 양자화기 스탭 크기 파라미터의 계산은 다음과 같이 식 4에 의해 정해진다.
여기서 nIMB는 j번째 매크로 블록까지 발생한 I모드 매크로블록의 개수, nMBinP는 한 영상내 매크로 블록의 총개수를 나타낸다.
상기 본 발명에 따른 식 4를 사용하면 식 3을 사용하는 종래의 방법의 비해 I모드 매크로블록이 매크로블록내에서 차지하는 비율에 따라 비트 할당량이 증가하게 되어 화질감소를 방지할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 비트 할당방법에 따르면 별도의 장면전환 검출을 위한 회로없이도 장면전환되는 영상의 화질을 개선할 수 있으며, 인트라모드 매크로블록의 개수가 차지하는 면적의 비율에 의하여 비트 할당량을 증가시키기 때문에 영상의 전면적인 장면전환뿐만 아니라 일부만 장면전환되어도 그에 상응하도록 비트 할당량을 증가시켜 화질이 개선되는 잇점이 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 비디오 인코더의 비트 발생율을 제어하기 위한 비트할당 방법에 있어서, 예측 부호화 모드 영상의 경우, 별도의 장면전환 검출없이 인트라 모드 매크로 블록의 개수를 이용하여 매크로 블록마다 하기 식에 의해 구해지는 비트량을 할당하므로써, 상기 인트라 모드 매크로 블록의 개수에 따라 비트 할당량이 재조정되도록 하는 것을 특징으로 하는 비디오 인코더의 비트 발생율 제어용 장면전환 적응 비트할당 방법.
    (상기 식에서 dj는 j번째 매크로 블록까지의 파라미터 값, d0는 dj의 초기값,는 j번째 매크로 블록까지 발생한 비트량의 누계, TI는 I모드 영상에 할당한 비트량, nIMB는 j번째 매크로 블록까지 발생한 I모드 매크로블록의 개수, nMBinP는 한 영상내 매크로 블록의 총개수, TP는 P모드 영상에 할당한 비트량을 의미함)
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