KR100228549B1 - 채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법에 관한 것으로, 채널 버퍼의 채널율과 비디오 버퍼의 충만도 및 입력 프레임 영상의 목표 비트율을 이용하여 가변 비트율을 제어하는 방법에 관한 것이며, 디코더 측에 포함되는 채널 버퍼에서 얻을 수 있는 채널 레이트 값을 이용해, 레이트 제어기에서 ATM 망으로 전송할 가변 비트율을 ATM 망에서 가변되는 비트율과 유사하게 전송할 수 있도록 하므로써, 비트율이 상호 차이가 나므로 인해 발생되는 에러를 제거할 수 있어, 전송의 신뢰도를 향상시키는 잇점이 있다.

Description

채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법
본 발명은 채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법에 관한 것으로, 채널 버퍼의 채널율과 비디오 버퍼의 충만도 및 입력 프레임 영상의 목표 비트율을 이용하여 가변 비트율을 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 코덱 시스템은 인코더, 디코더 및 각각의 송수신 버퍼로 구성되는 바, 여기에 전송채널이 포함되어 전체적인 영상통신 시스템이 구성된다.
이산 코사인 변환/차분펄스부호변조(이하 DCT/DPCM 이라 칭한다)를 이용한 엠펙2(MPEG-2) 인코더에서 사용되는 영상 코딩 모드(picturecoding type)는 인트라모드(intra : 이하 I라 칭한다), 예측 모드(predictive : 이하 P라 칭한다), 쌍방향 보간 모드(bidirectionally interpolative : 이하 B라 칭한다)의 3가지 모드가 있으며, 이들 모드의 사용은 영상정보의 압축률 및 서비스와 깊은 관계가 있다.
영상회의나 영상전화 및 방송 등과 같은 등시성 영상서비스의 경우, B모드의 사용은 더욱 높은 데이터 감축률을 보이므로 이는 트레이드 오프(trade-off)로 작용 되어진다.
버퍼모델에서는 비디오 버퍼 검증기(video buffering verifier : 이하 VBV라 칭한다)의 개념이 사용되며 이를 통해 비트 발생율이 제어된다.
즉, VBV는 인코더의 후단에 접속된 가상적 디코더이며, 따라서 인코더의 VBV에서 넘침 또는 부족이 발생하지 않음은 디코더에서 안정적인 디코딩을 보장함을 의미한다.
버퍼사용시의 가장 중요한 문제점은 넘침 또는 부족현상이 발생해서는 안된다는 것이다.
따라서 인코더에서는 비트 스터핑(bits stuffing) 및 양자화기 스텝 사이즈(step size)를 조절하여, 상기와 같은 현상을 방지한다.
이러한 비트율 제어기법은 주로 고정 비트율(Constant Bit Rate : 이하 CBR이라 칭한다) 채널 전송시 사용된다.
제1도는 일반적인 VBV 버퍼에서 딜레이되는 시간을 나타내는 그래프로, 디코더의 VBV는 초기 충만도가 0(t=T0)인 상태에서 일정레벨까지 데이터를 축적한 후 데이터를 디코딩하므로써 버퍼의 부족, 넘침현상을 방지해 주는 역할을 한다.
이때, 일정 레벨까지 데이터를 축적하는데 소요되는 시간을 VBV 지연이라 하는데, 제1도에서는 T2까지의 시간이 최초의 VBV 지연이 되고, 이는 채널지연을 제외한 인코딩-인코딩 지연이 된다.
여기서 보다 정량적인 방법으로 CBR 및 가변 비트율(Variable Bit Rate : 이하 VBR이라 칭한다) 전송시의 버퍼상태에 대해서 설명하면 다음과 같다.
T를 한 프레임 주기라 하면, i번째 프레임 주기[(i-1)T, T]동안 발생하는 비트량 Ei는
Figure kpo00002
이고, 채널로 전송되는 비트량 R(i)는
Figure kpo00003
이다.
따라서 인코더의 초기의 버퍼충만도는
Figure kpo00004
이므로, 시간 t에서는
Figure kpo00005
이고, i프레임을 코딩한 후의 인코더 버퍼충만도는
Figure kpo00006
이다.
이는 다음의 식으로 정리된다.
Figure kpo00007
이식을 다시 순환적으로 표현하면,
Figure kpo00008
가 된다.
즉, i번째 프레임 코딩 후의 버퍼 충만도는 그 주기동안 발생한 비트량과 채널로 전송된 비트량과의 차와, 이전 프레임 코딩후의 버퍼충만도와의 합으로 표현된다.
디코더에서는 인코딩지연 L과 채널지연 D가 더해진 디코더의 시간 지수 t가 정의되는데, 인코더의 시간지수 t와의 관계는 다음과 같다.
Figure kpo00009
L은 통상적으로 인코더에서 전송되는 값으로 디코딩이 시작되는 시점을 알리는 정보이다. D=0라 가정하면 디코더의 초기 버퍼 충만도는 t=0에서
Figure kpo00010
가 된다.
시간 t=iT에서의 디코더 버퍼충만도는
Figure kpo00011
Figure kpo00012
로 표현된다. 이 식은 이전 프레임에서의 디코더 버퍼 충만도와, 현재 프레임 주기에서의 비트량 변화상태를 이용해 버퍼 충만도를 나타낸 것이다. 여기서 상기 제(8)식과 제(10)식을 이용하면 다음의 두 식을 얻을 수 있다.
Figure kpo00013
상기 제(11)식은 i프레임이 인코딩 되었을 때의 인코더 버퍼 상태와 이전 L프레임 동안의 누적 채널률로 디코더 버퍼상태를 나타낸 것이며, 식(12)는 현재 인코더의 버퍼상태와 지난 L 프레임동안 누적 발생비트량으로 디코더의 버퍼상태를 나타낸 것이다. 따라서 이 식들로 부터 인코더에서 디코더의 버퍼상태를 확인할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 디코더의 경우 i 번째 프레임에서의 채널로 전송된 비트량을 고려한 버퍼충만도는 버퍼 넘침, 부족 현상을 방지하기 위하여 다음의 상태를 만족하여야 한다.
Figure kpo00014
마찬가지로 디코딩한 비트량에 대해서 생각해 보면 현재 프레임에서의 버퍼상태
Figure kpo00015
에서 다음 프레임동안 전송될 전송량 만큼 뺀 값이 되어야 한다. 이는 다음 프레임에서 디코딩되는 데이타가 없을 경우 채널로 유입되는 데이타에 의해 넘침현상이 생기지 말아야 하기 때문이다. 따라서
Figure kpo00016
의 관계가 성립해야 한다. 즉 현재 디코더 버퍼량에 다음 프레임동안 전송될량을 더한 값은 최대 디코더 버퍼량보다 작아야 한다. 또한 i번째 프레임의 디코딩이 끝난 후의 버퍼상태는
Figure kpo00017
의 조건을 만족시킴을 알 수 있다.
상기 제(13)식과 제(14)식을 정리하면 다음의 관계가 성립함을 알 수 있다.
Figure kpo00018
이 식을 제(9)식의 Ei에 대해 정리하면 다음의 식이 된다.
Figure kpo00019
이 식은 전송량 Ri가 일정한 CBR 채널 전송시에 프레임당 발생하는 비트량을 의미하며,
Figure kpo00020
여기서 C 는 평균 프레임당 비트량(C=bit_rate/frame_rate)을 의미한다.
이 식에서 알 수 있는 것은 CBR의 경우 평균비트율과 버퍼의 크기가 프레임당 발생비트율을 결정한다는 사실이다. 실제로 MPEG-2에서는 비트율에 비례하는 크기의 버퍼 사용을 권고하고 있다.
한편, 제(16)식을 제(9)식의 Ri+L에 대해 전개하면
Figure kpo00021
혹은 i aL에 대해
Figure kpo00022
가 된다.
제(19)식은 버퍼의 넘침, 부족 현상을 방지하기 위한 채널율에 대한 제약으로써, 이 식에서 알 수 있는 것은 L 프레임 이전에 부호화된 프레임의 발생 비트율과 다음 프레임을 위한 채널율이 현재의 채널율을 결정한다는 사실이다.
ATM에서의 VBR서비스시 고려되어야 하는 서비스 품질(Quality Of Service : QOS)에서는 채널율을
Figure kpo00023
의 조건으로 만족시켜야 한다.
상기와 같은 조건에 따라 본 발명에서는 가변 비트율을 제어하는 방식으로, 채널율 비트율을 인코더 내의 레이트 제어기에 입력하여 가변율 비디오 인코더에서의 비트율을 제어하는 것을 목적으로 한다.
제1도는 일반적인 비디오 버퍼 검증기(VBV) 버퍼에서 딜레이 되는 시간을 나타내는 그래프.
제2도는 본 발명에 의해 구현된 비디오 제어 방법을 적용한 비디오 제어 인코더의 개략적인 블럭도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 이산 코사인 변환기 2 : 양자화기
3 : 가변길이 코더 4 : 비디오 버퍼
5 : 채널 버퍼 6 : 레이트 제어기
7 : 역양자화기 8 : 이산 코사인 역변환기
9 : 움직임 보상기 10 : 움직임 추정기
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 가변 비트율 비디오 제어방법에 있어서, 채널 버퍼에서 출력되는 채널율을 인코더 내의 레이트 제어기에 입력하며, 상기 레이트 제어기에서는 채널율과, 비디오 버퍼의 버퍼 충만도를 이용하여 양자화 계수를 구하며, 이 양자화 계수를 통해 가상 비디오 디코더 버퍼 지연 이전과 이후에 따라 입력 프레임을 가변길이 코딩하므로써 인코더 측의 가변 비트율을 ATM 망측의 가변 비트율을 통해 조절하는 것을 특징으로 한다.
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.
비트율 제어는 프레임당 할당된 비트율을 이용하여 국부영상의 복잡성에 따라 양자화기의 양자화 계수를 조절하므로써 가능하다.
DCT/DPCM을 이용하는 영상 압축에서는 비트율과 영상의 코딩 형식을 이용하여 발생비트율을 조절하는데, 본 발명에서는 그중 MPEG-2의 실험모델(test model : TM) 2에서 제안된 방법을 기본으로 한다.
TM2에서의 비트율 제어는 크게 목표 비트율 설정, 비트율 제어 및 적응적 양자화의 3단계로 구분되며, I프레임이 발생하는 주기인 영상 그룹(Group Of Pictures : 이하 GOP라 칭한다)내에서 기본적인 비트율 제어가 이루어 진다.
목표 비트율의 설정은 이전 프레임이 코딩된 후의 양자화 계수의 평균값과 발생 비트량으로 코딩할 프레임의 복잡도를 예측한 후, 해당 GOP내에서 남아 있는 비트수 및 프레임 수를 이용하여 목표 비트율을 설정하게 된다.
설정된 목표 비트율에 대한 발생 비트율 제어는 매크로블럭 단위로 이루어지며, 이때 가상버퍼의 충만도를 계산하여 양자화 계수를 얻는다.
최종 단계에서는 매크로블럭의 휘도성분의 공간적 복잡도를 계산하여 정규화한 후, 제2단계에서 얻은 양자화 계수를 이용하여 DCT 계수들을 양자화 한다.
본 발명에서는 프레임을 기본 코딩 단위로 설정하였으며, 프레임의 목표비트율 설정을 다음과 같이 하였다. 즉 L프레임 이전의 프레임에 대해서는 계산된 각 프레임의 목표비트율(
Figure kpo00024
)을 계산한 후, 이 값들을 평균 프레임당 비트량(C=bit_rate/frame_rate)과 비교하여 작은 값을 택한다. 이 값들을 각각
Figure kpo00025
라 하면,
Figure kpo00026
여기서 i≤L, 이며, 'MIN'는 비교한 두 값 (
Figure kpo00027
,C) 중 작은 값을 N값으로 선택한다는 것이다.
L프레임 이후부터는 실질적으로 발생하는 비트량과 채널로 전송되는 비트량이 버퍼의 넘침, 부족 현상이 발생하지 않도록 제어되어져야 한다. 이 과정에서 제(15)식의 조건이 지켜져야 한다. 이 값을 Rch이라 하면 제(15)식은 다음의 조건을 만족해야만 한다.
Figure kpo00028
이 값과 계산한 목표비트율을 비교하여 작은 값을 선택한다.
Figure kpo00029
여기서 i 〉L
따라서 제(21)식과 제(23)식을 이용하면 주어진 채널율에 대한 비디오 인코더의 발생 비트율 제어가 가능하며, 본 발명의 방법을 이용하면 가변율 비디오 제어가 가능하게 된다.
제2도는 본 발명에 의해 제시된 목표 비트율값을 구하는 식을 내장하여 구현한 비디오 제어 인코더에 관한 개략적인 블럭도로, 프레임이 입력되면 이 프레임은 이산 코사인 변환기(DCT)(1)를 통해 이산 코사인 변환된 다음, 양자화기(2)를 통해 양자화 된다.
이때 상기 양자화기(2)로는 레이트 제어기(6)에서 출력되는 양자화 계수(QP)가 입력되어 이산 코사인 변환된 신호를 양자화 시킨다.
그런 다음 상기 신호는 가변길이 코더(2)에서 가변길이 코딩된 후 비디오 버퍼(3)와, 채널 버퍼(4)를 거쳐 ATM 망으로 전송된다.
그리고 상기 과정 중 양자화기(Q)(2)에서 출력된 신호는 다시 역양자화기(Q-1)(7)와, 이산 코사인 역변환기(DCT-1)(8)를 거쳐 움직임 보상기(9)로 입력되며, 이때 상기 움직임 보상기(9)는 움직임 추정기(10)에서 입력된 값과 함께 상기 값을 움직임 보상시킨다.
또한, 상기 채널 버퍼(5)에서 출력되는 채널율(
Figure kpo00030
)은 레이트 제어기(6)에 입력되어 본 발명에서 제안한 식을 통해 i번째 영상에서 발생될 비트율(Ei)과, 최종 목표 비트율(Ni) 을 구한다.
그리고 상기 레이트 제어기(6)에서 최종 출력되는 양자화 계수값(QP)이 상기 양자화기(Q)(2)로 입력되어 다음에 보낼 프레임 데이타의 가변길이 비트율을 제어하게 된다.
이를 정리하면, 본 발명에 의한 인코더는 비트율 제어기에 입력된 채널버퍼의 채널율과 비디오 버퍼의 충만도 및 입력 프레임 영상의 목표비트율을 이용하여, 본 발명에서 제안한 판별 방식에 의해 양자화 계수(QP)를 이용하여 비디오 프레임을 코딩하게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 가변 비트율을 제어하는 방법에 있어서 디코더 측에 포함되는 채널 버퍼에서 얻을 수 있는 채널 레이트 값을 이용해, 레이트 제어기에서 ATM 망으로 전송할 가변 비트율을 ATM 망에서 가변되는 비트율과 유사하게 전송할 수 있도록 하므로써, 비트율이 상호 차이가 나므로 인해 발생되는 에러를 제거할 수 있어, 전송의 신뢰도를 향상시키는 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 (5)

  1. 가변 비트율 비디오 제어 방법에 있어서, 채널 버퍼에서 출력되는 채널율을 인코더 내의 레이트 제어기에 입력하며, 상기 레이트 제어기에서는 채널율과, 비디오 버퍼의 버퍼 충만도를 이용하여 양자화 계수를 구하며, 이 양자화 계수를 통해 가상 비디오 디코더 버퍼 지연 이전과 이후에 따라 입력 프레임을 가변길이 코딩하므로써 인코더 측의 가변 비트율을 ATM 망측의 가변 비트율을 통해 조절하는 것을 특징으로 하는 채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 채널 버퍼는 인코더 측의 비디오 버퍼와 접속되며, 인코더 측에 포함하여 구성하는 채널 버퍼임을 특징으로 하는 채널율을 이용한 가변 비트율 비디오 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입력 프레임의 가변길이 코딩시 가상 비디오 디코더 버퍼 지연 이전에서의 비트율 설정 방법은, 프레임을 기본 코딩 단위로 설정한 후, L(인코딩 지연)프레임 이전의 프레임에 대해서 계산된 각 프레임의 목표비트율을 계산한 다음, 상기 값들을 평균 프레임당 비트량(C)과 비교하고, 이 중 작은 값을 택하여 최종 비트율로 설정하는 것을 특징으로 하는 가변 비트율 비디오 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 입력 프레임의 가변길이 코딩시 가상 비디오 디코더 버퍼 지연 이후에서의 비트율 설정 방법은, 프레임을 기본 코딩 단위로 설정한 후, L(인코딩 지연)프레임 이후의 프레임에 대해서 계산된 각 프레임의 목표비트율을 계산한 다음, n번째 영상에서 발생할 각각의 비트율을 계산하고, 상기 각각의 비트율을 상기 목표비트율과 비교하여 작은 값을 최종 비트율로 설정하는 것을 특징으로 하는 가변 비트율 비디오 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 n번째 영상에서 발생할 각각의 비트율을 계산하는 방식은 디코더 버퍼량과 L이후의 전송 채널 레이트를 합하여 구하는 것을 특징으로 하는 가변 비트율 비디오 제어 방법.
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