KR100242637B1 - 동보상된 영상의 블록화효과 및 링잉노이즈 감소를 위한 루프필터링방법 - Google Patents

동보상된 영상의 블록화효과 및 링잉노이즈 감소를 위한 루프필터링방법 Download PDF

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Abstract

신호적응루프필터는 동보상된 영상데이터의 블록화효과(blocking effects) 및 링잉(ringing)노이즈를 감소시킨다. 루프필터내에서, 동보상된 영상에 대하여 포괄문턱화(global thresholding) 및 국소(local)문턱화가 반영된 이진에지지도정보는 기설정된 크기의 필터윈도우내의 이진에지지도정보가 등질영역(homogeneous area)과 에지(edge)영역중의 어느 것인지를 판단하는데 사용된다. 등질영역인 것으로 판단되면, 그에 대응하는 기설정된 제1가중값들이 해당 필터윈도우에 대응하는 필터링된 화소값을 발생하는데 사용된다. 에지영역인 것으로 판단되면, 기설정된 제2가중값들이 화소에 대응하는 이진에지지도정보에 따라 가변되며 가변된 제2가중값들을 갖는 필터윈도우가 해당 개별 화소에 대응하는 필터링된 화소값을 발생에 사용된다.

Description

동보상된 영상의 블록화효과 및 링잉노이즈 감소를 위한 루프필터링방법
제1도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 루프필터를 채용한 부호화장치를 나타낸 블록도.
제2도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 루프필터를 설명하기 위한 블록도.
제3도는 제2도의 이진에지지도작성부에 의해 생성된 이진에지지도를 보여주는 개념도.
제4(a)도는 본 발명에 의해 제시된 3×3필터들을 위한 필터윈도우, 제4(b)도는 3×3평균필터를 위한 가중값들을, 그리고 제4(c)도는 3×3가중필터를 위한 가중값들을 각각 보여준다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 영상저장부 20 : 경사도영상발생부
30 : 포괄에지지도작성기 40 : 국소에지지도작성기
50 : 논리합연산기 60 : 필터결정부
70 : 평균필터 80 : 가중필터
100 : 이진에지지도작성부 200 : 신호적응필터부
309 : 예측부호화기 310 : 루프필터
[발명의 목적]
본 발명의 목적은, 부호화/복호화시스템내의 화상메모리에 저장된 동보상된 영상데이터를 적응적으로 필터링하므로써, 블록화노이즈 및 링잉노이즈를 크게 줄일 수 있는 루프필터링방법을 제공함에 있다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 블록화효과(blocking effects) 및 링잉(ringing)노이즈의 감소할 수 있는 루프필터링방법에 관한 것으로, 특히, 동보상된 영상의 블록화효과 및 링잉노이즈를 감소할 수 있는 루프필터링방법에 관한 것이다.
ITU의 H.263, ISO의 MPEG-1, MPEG-2를 포함하는 대부분의 화상(picture) 부호화 표준들은, 움직임 추정 및 이산코사인변환(DCT)을 위하여 블록에 기초한(block-based) 처리를 사용한다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
블록에 기초한 처리는 특히, 영상(image)이 고능률로 압축되는 때에 잘 알려진 블록화효과 및 링잉노이즈를 야기시킨다. 블록화효과는 압축복원되어 화면상에 디스플레이되는 화상을 바라보는 사람이 블록들간의 가장자리를 시각적으로 느낄 수 있게 된다는 문제를 유발한다. 대표적인 블록화효과로는 단색조영역(monotone area)에서의 격자노이즈(grid noise)와 영상에지들에 동반되는 계단노이즈(staircase noise)가 있다. 링잉노이즈는 영상에 에지근처에서 사인(sine)함수 형태의 흔적을 유발시킨다..
[발명의 구성 및 작용]
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 신호적응루프필터링방법은, 동보상된 영상을 포괄문턱화(global thresholding) 및 국소(local)문턱화하여 이진에지지도정보를 생성하는 제1단계, 기설정된 크기의 필터윈도우내에 속한 이진에지지도정보를 사용하여, 개별 화소에 대응하는 필터윈도우내의 이진에지지도정보가 등질영역(homo geneous area)과 에지(edge)영역중의 어느 것인지를 판단하는 제2단계, 제2단계에서 등질영역인 것으로 판단되면 그에 대응하는 기설정된 제1가중값들을 갖는 필터윈도우를 사용하여 해당 화소에 대응하는 필터링된 화소값을 발생하는 제3단계, 제2단계에서 에지영역인 것으로 판단되며, 그 개별화소에 대응하는 이진에지지도정보에 따라 기설정된 제2가중값들을 가변시키는 제4단계, 및 제4단계에서 가변된 제2가중값들을 갖는 필터윈도우를 사용하여 해당 개별 화소에 대응하는 필터링된 화소값을 발생하는 제5단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구현한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 루프필터를 구비한 부호화장치를 나타낸 블록도로서, H.263에 관련된 부호화장치를 보여준다. 제1도의 부호화장치에서, 본 발명에 의해 제시된 루프필터(310)를 제외한 블록들은 동보상-예측부호화기를 포함하는 고능률부호화시스템에 관련된 당업자에게 잘 알려진 것이므로, 그러한 블록들에 관해서는 그 동작을 간단히 설명한다.
제1도에서, 입력 비데오신호는 감산기(301), 제1스위치(302) 및 예측부호화 기(309)로 입력된다. 감산기(301)는 입력 비데오신호부터 루프필터(310)에 의해 필터링된 신호를 감산하며, 감산기(301)의 출력 신호는 제1스위치(302)로 인가된다. 제1스위치(302)는 부호화제어기(305)의 제어에 따라 입력 비데오신호 및 감산기(30 1) 출력신호중의 하나를 선택하며, 선택된 신호는 직교변환기(303)로 인가된다. 부호화제어기(305)는 제1스위치(302)를 제어하여, 인트라(intra)부호화모드인 경우 입력 비데오신호가 직교변환기(303)로 인가되도록 그리고, 인터(inter)부호화모드인 경우 감산기(301)의 출력신호가 직교변환기(303)로 인가되게 한다. 직교변환기(303) 및 양자화기(304)를 통과한 신호는 비데오다중화부호기(video multiplex encoder; 미도시) 및 역양자화기(306)로 인가된다. 역양자화기(306)는 인가된 신호를 역양자화시키며, 역양자화된 신호는 역직교변환기(307)로 인가된다. 가산기(308)는 제2스위치(311)의 출력신호와 역직교변환기(307)의 출력신호를 가산하며, 가산된 신호는 예측부호화기(309)로 인가된다. 예측부호화기(309)는 입력된 비데오신호와 내부 메모리에 저장된 화상신호를 이용하여 동보상예측부호화를 수행하며, 동보상예측부호화의 결과로 얻어진 신호를 내부의 메모리에 저장시킨다. 예측부호화기(309)는 또한 동보상예측부호화에 의해 얻어진 동벡터(motion vector;v)를 비데오다중화부호기로 출력한다. 아래에서 설명될 본 발명에 따른 루프필터(310)는 예측부호화기(309)에 저장된 화상에 대한 필터링을 수행한다. 루프필터(310)의 출력신호는 감산기(301) 및 제2스위치(311)로 공급된다. 제2스위치(311)는 부호화제어기(305)에 의해 제어되는 것으로, 인트라부호화모드인 경우 입력신호가 가산기(308)로 공급되는 것을 차단시키며, 인터부호화모드인 경우 입력신호가 가산기(308)로 공급되게 한다. 부호화제어기( 305)는 제1도의 장치의 전술한 동작을 제어하는 것으로, 인트라(intra)/인터(inter)모드를 나타내는 플래그(p), 양자화기표시기신호(qz) 및 신호의 전송여부를 나타내는 플래그(t)를 발생시킨다.
제2도는 제1도의 루프필터(310)를 설명하기 위한 블록도를 보여준다. 제2도의 루프필터(310)는 영상저장부(10), 이진에지지도작성(binary edge mapping unit; 100) 및 신호적응필터부(200)를 포함한다. 영상저장부(10)는 예측부호화기(309)로부터 인가되는 동추정(motion estimation) 및 예측부호화가 수행된 데이터를 저장한다. 이진에지지도작성부(100)는 경사도영상발생부(gradient image generator; 20), 포괄에지지도작성기(global edge mapper; 30), 국소(local)에지지도작성기(40) 및 논리합연산기(50)를 구비하며, 동보상-예측부호화된 영상의 포괄에지들 및 국소에지들이 반영된 이진에지지도정보를 발생한다. 신호적응필터부(200)는 필터결정부(60), 평균필터(average filter; 70) 및 가중필터(weighted filter; 80)를 포함하며, 이진에지지도정보에 근거하여 아래에서 설명된 평균필터와 가중필터중의 하나를 사용하여 동보상-예측부호화된 영상데이터를 필터링한다. 이러한 신호적응필터부(200)에 의해 격자노이즈 및 링잉노이즈가 완화된다.
경사도영상발생부(20)는 영상저장부(10)에 저장된 영상데이터를 사용하여 경사도영상데이터를 발생한다. 경사도영상을 발생하기 위하여, 경사도영상발생부(20)는 수직소벨경사도연산자(vertical sobel gradient operator) 및 수평소벨경사도연산자를 동보상-예측부호화된 영상 즉, 영상저장부(10)에 저장된 영상데이터에 적용한다. 경사도영상발생부(20)에 의해 얻어진 경사도영상데이터는 포괄에지지도작성기(30) 및 국소에지지도작성기(40)로 공급된다.
포괄에지지도작성기(30)는 전체 영상에 대한 포괄에지지도를 작성하며, 국소에지지도작성기(40)는 위의 전체 영상을 임의의 크기를 갖는 블록들로 분할하며, 분할에 의해 얻어진 블록들 각각에 대한 국소에지지도를 작성한다. 보다 상세하게는, 포괄에지지도작성기(20)는 다음의 수학식 1을 사용하여 각 화소에 대응하는 에지값(edge(i, j))을 계산한다.
[수학식 1]
여기서, ▽h및 ▽v는 수평소벨경사도연산자 및 수직소벨경사도연산자에 의해 얻어진 위치(i, j)에서의 수평경사도영상 및 수직경사도영상을 각각 나타내며, │▽h│＋│▽v│는 위치(i, j)에서의 경사도값을 나타내고, Tg는 영상내의 각 화소가 256그레이레벨(gray level)을 가질 수 있는 경우 그 값이“100”인 포괄문턱값이다. 그러므로, 포괄에지지도작성기(30)는 위치(i, j)를 갖는 화소에 대응하는 경사도값이 포괄문턱 값(Tg)보다 크거나 같으면 그 화소에 대응하는 에지값(edge(i, j))을“1”로 결정한다. 반면에, 화소에 대응하는 경사도값이 포괄문턱값(Tg)보다 작으면 그 화소에 대응하는 에지값(edge(i, j))을“0”으로 결정한다. 위의 수학식 1을 전체 영상에 적용하여 얻은 포괄에지지도정보는 논리합연산기(50)로 공급된다.
국소에지지도작성기(40)는 경사도영상발생부(20)의 출력을 사용하여 국소에 지지도를 작성한다. 국소에지지도작성기(40)는 경사도영상의 모든 M1×M2블록들 각각에 대한 국소문턱값을 계산하며, 계산된 국소문턱값을 사용하여 해당 블록에 들어있는 모든 경사도값들에 대하여 국소에지값을 계산한다. 블록에 기초한 처리기법인 DCT변환, 양자화 등은 기본적으로 8×8개의 화소들로 이루어진 8×8블록에 대하여 신호 처리한다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 다른 국소에지지도작성기(40) 역시 8×8블록을 사용하여 국소에지지도를 작성하도록 설계된다. 그러나, 블록의 이러한 크기(size)에 의해 본 발명이 한정되지 않음은 당업자에게 명백할 것이다. 경사도영상내의 n번째 8×8블록에 대한 국소문턱값(Tn)은 다음의 수학식 2-4에 의해 정의된다.
[수학식 2]
여기서,
[수학식 3]
[수학식 4]
여기서, g(i, j)는 경사도값(gradient value), Rn은 n번째 8×8블록지역(r egion)이고, mn및 σn은 경사도영상의 n번째 8×8블록의 평균값(mean value) 및 표준편차를 각각 나타낸다. Tg는 포괄문턱값이며, 8×8블록의 경우 N=64이다. n번째 8×8블록이 등질이라면, 비율(σn/mn)은“0”이 되는 경향이 있으므로, Tn은 Tg에 매우 가깝게 되어진다. 반면에 n번째 8×8블록이 복잡한 영상의 일부라면, 비율(σn/mn)은 증가되어, Tn이 Tg에 비해 작게되는 결과가 된다. 이 작은 Tn이 Tg에 의한 포괄에지로 분류되지 않는 상세한 에지지도 즉, 국소에지지도의 작성에 이용된다.
국소에지지도작성기(40)는 n번째 8×8블록에 대한 국소문턱값(Tn)과 그 블록내의 일부의 경사도값들을 개별적으로 크기비교한다. 여기서, 일부의 경사도값들은 8×8블록내의 경계 화소들을 제외한 8×8블록내의 6×6화소들에 대응하는 경사도값들이다. 국소에지지도의 작성을 위해 사용되는 경사도값을 이와 같이 한정하면, 흐림현상(blurring)으로부터 상세한(detailed) 정보가 보호되며 격자노이즈가 영상에지로 검출되는 것이 방지된다. 국소에지지도작성기(40)는 n번째 8×8블록지역(Rn)내에서 허용되는 각각의 경사도값이 국소문턱값(Tn)보다 크거나 같으면 그에 대응하는 국소에지값을“1”로 결정하며, 그 반대인 경우 국소에지값을“0”으로 결정한다. 국소에지지도작성기(40)는 경사도영상발생부(20)에 의해 발생된 모든 경사도값들에 대하여 8×8블록분할, 국소문턱값계산, 및 각 블록의 허용된 경사도값들을 사용한 국소에지값을 계산하는 처리절차를 수행하여 국소에지지도정보를 발생한다. 발생된 국소에지지도정보는 논리합연산기(50)로 공급된다.
논리합연산기(50)는 화소위치에 의해 서로 관련되는 포괄에지지도정보와 국소에지지도정보를 논리합연산한다. 논리합연산기(50)는 이와 같은 논리합 연산을 포괄에지지도상의 모든 포괄에지값들 및 국소에지지도상의 모든 국소에지값들에 대하여 수행하며, 그 결과를 나타내는 이진에지지도정보를 필터결정부(60)로 출력한다. 논리합연산기(50)에 의해 작성된 이진에지지도는 제3도에서 개념적으로 도시되었다. 제3도의 이진에지지도에서 그림자진 사각형은 그 에지값이“1”인 에지지점을 나타낸다.
필터결정부(60)는 논리합연산기(50)로부터 공급되는 이진에지지정보를 저장한다. 동보상-예측부호화된 영상은 이진에지지도에 의하여 에지영역(edge area) 및 등질영역(homogeneous area)의 두 영역으로 분류된다. 이러한 분류를 위하여 본 발명은 필터결정부(60)를 사용한다. 나중에 설명할 평균필터(70) 및 가중필터(80)는 3×3크기의 필터윈도우를 사용한다. 그러므로, 필터결정부(60)에서 사용되는 필터윈도우 역시 3×3의 크기를 갖는다. 필터결정부(60)는 기설정된 크기(size) 즉, 3×3크기의 필터윈도우내에 들어 있는 에지값들에 근거하여, 필터윈도우가 위치한 이진에지지도상의 지역에 에지영역인지 등질영역인지를 판단한다. 등질영역으로 판단되면, 필터결정부(60)는 판단에 사용된 필터윈도우내의 중심지점에 대한 위치데이터를 평균필터(70)로 출력한다. 에지영역으로 판단되는 경우, 필터결정부(60)는 판단에 사용된 필터윈도우내의 이진에지지도정보 및 중심지점에 대한 위치데이터를 가중필터(80)로 출력한다. 여기서, 중심지점은 그 지점에 위치된 화소의 값이 필터링에 의해 새로운 값으로 대체되는 지점을 의미한다.
제4(a)-(c)도는 이차원 3×3필터에 관련된 것으로 제4(a)도는 3×3필터를 위한 필터윈도우를 보여준다. 제4(b)도는 3×3평균필터를 위한 가중값들을, 그리고 제4(c)도는 3×3가중필터를 위한 가중값들을 각각 보여준다. 제4(a)도의 필터윈도우에서 필터가중치인덱스값이“5”인 지점이 그 필터윈도우의 중심지점이다. 제4(c)도에 보여진 중심지점의 가중값을“2”로 대체할 수 도 있다.
평균필터(70) 및 가중필터(80)는 2차원 로우패스필터의 일종으로, 이 필터들(70 및 80)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다. 중심지점에 대한 위치데이터가 입력되면, 평균필터(70)는 중심지점의 필터링된 화소값의 계산에 필요한 화소값들을 영상저장부(10)로부터 읽어들인다. 그런 다음, 평균필터(70)는 읽어들인 화소값들 및 제4(b)도에 도시된 가중값들을 사용하여 필터링된 화소값을 계산한다. 계산되어진 필터링된 화소값은 중심지점에 대하여 변경된 화소값으로 사용된다. 가중필터(80)는 필터결정부(60)로부터 공급되는 이진에지지도정보 및 중심지점에 대한 위치데이터에 근거하여 필터링동작을 수행한다. 가중필터(80)의 동작을 보다 잘 이해할 수 있도록 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 중심지점“5”가 에지지점이라면, 가중필터(80)는 제4(c)도에 도시된 가중값들을 사용하여 필터링동작을 수행한다. 임의의 에지지점들이 제4(a)도의 2 및 6, 6 및 8, 4 및 8, 또는 2 및 4에 위치한다면, 그 에지지점들 및 그 바깥쪽 이웃지점의 가중값들은 모두“0”이 된다. 평균필터(70) 및 가중필터(80)에 의해 얻어진 신호적응필터링된 영상데이터는 영상저장부(10)로 공급된다.
영상저장부(10)는 평균필터(70) 및 가중필터(80)로부터 공급되는 영상데이터를 사용하여 대응 화소의 값을 대체한다. 따라서, 영상저장부(10)는 예측부호화기(30 9)로부터 인가된 영상내의 모든 화소들에 대하여 신호적응필터링된 영상데이터를 저장하게 된다. 영상저장부(10)는 제1도의 감산기(301) 및 가산기(308)에서 사용될 영상데이타를 출력한다.
전술의 일 실시예는 예측부호화기로부터 출력되는 영상에 대한 루프필터링을 설명하였으나, 예측부호화기내의 프레임메모리에 저장된 영상에 대하여 루프필터링을 하는 변형도 본 발명의 범주내에서 당업자에게는 자명한 것이다.
그리고, 전술의 실시예는 부호화장치에 관련하여 설명되었으나, 본 발명에 의해 제시된 루프필터(310)를 복호화장치의 동보상된 영상데이터에도 사용할 수 있음은 당업자에게 자명하다. 뿐만 아니라, H.263에 관련하여 설명되었으나, MPEG-4의 VM(Verification Model) 2.1의경우에도 동일하게 사용할 수 있다.
[발명의 효과]
전술한 바와 같이 본 발명에 의한 루프필터링방법은, 동보상된 영상으로부터 블록화효과 및 링잉노이즈를 제거하므로써, 압축복원된 영상의 품질을 개선시키는 효과를 가져온다.

Claims (11)

  1. 동보상된 영상을 위한 신호적응루프필터링방법에 있어서, (1) 동보상된 영상을 포괄문턱화(global thresholding) 및 국소(local)문턱화하여 이진에지지도정보를 생성하는 단계; (2) 기설정된 크기의 필터윈도우내에 속한 이진에지지도정보를 사용하여, 개별 화소에 대응하는 필터윈도우내의 이진에지지도정보가 등질영역(homogeneous area)과 에지(edge)영역중의 어느 것인지를 판단하는 단계; (3) 제(2)단계에서 등질영역인 것으로 판단되며, 그에 대응하는 기설정된 제1가중값들을 갖는 필터윈도우를 사용하여 해당 화소에 대응하는 필터링된 화소값을 발생하는 단계; (4) 제(2)단계에서 에지영역인 것으로 판단되면, 그 개별화소에 대응하는 이진에지지도정보에 따라 기설정된 제2가중값들을 가변시키는 단계; 및 (5) 제(4)단계에서 가변된 제2가중값들을 갖는 필터윈도우를 사용하여 해당 개별 화소에 대응하는 필터링된 화소값을 발생하는 단계를 포함하는 신호적응루프필터링방법.
  2. 제1항에 있어서, 제(1)단계는 (1a) 동보상된 영상에 대응하는 경사도영상을 생성하는 단계; (1b) 기설정된 제1문턱값과 경사도영상내의 개별 화소에 대응하는 경사도값을 비교하여, 동보상된 영상의 개별 화소들에 대응하는 에지값들로 이루어진 포괄에지지도정보를 생성하는 단계; (1c) 동보상된 영상을 분할하는 기설정된 크기의 개별 블록내의 경사도값들과 그 블록에 대응하는 기설정된 제2문턱값을 비교하여, 동보상된 영상의 개별 화소들에 대응하는 에지값들로 이루어진 국소에지지도정보를 생성하는 단계; 및 (1d) 포괄에지지도정보의 에지값과 국소에지지도정보내의 대응 에지값을 논리합하여, 이진에지지도정보를 생성하는 단계를 포함하는 신호적응루프필터링 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제(1c)단계는 개별 블록에 대응하는 제2문턱값(Tn)을 다음 수식을 사용하여 계산하면,
    여기서,
    g(i, j)는 경사도값(gradient value), Rn은 n번째 8×8블록이고, mn및 σn은 경사도영상의 n번째 8×8블록의 평균값 및 표준편차를 각각 나타내고, Tg는 포괄문턱값인, 신호적응루프필터링방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제(1c)단계는 8×8블록내의 경계 화소들을 제외한 8×8블록내의 6×6화소들에 대응하는 경사도값들을 대응하는 제2문턱값과 비교하는 신호적응루프필터링방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기설절된 제2가중값들을 필터윈도우의 중심으로부터 그 가장자리쪽으로 갈수록 그 값이 적어지는 신호적응루프필터링방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 필터윈도우는 3×3크기(size)를 갖는 신호적응루프필터링방법.
  7. 제6항에 있어서, 제(3)단계는 동일한 크기(magnitude)의 제1가중값들을 갖는 필터윈도우를 사용하는 신호적응루프필터링방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1가중값들의 크기는 1인 신호적응루프필터링방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중심위치에 대응하는 제2가중값은 2이며, 그 외의 다른 위치에 대응하는 제2가중값들은 1인 신호적응루프필터링방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 중심위치에 대응하는 제2가중값은 3이며, 그 외의 다른 위치에 대응하는 제2가중값들은 1인 신호적응루프필터링방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제(4)단계는 3×3크기 필터윈도우의 중심위치를 제외한 위치들중에서 서로 대각선상에 놓인 위치들에 대응하는 이진에지지도정보들이 동시에 에지위치임을 나타내는 경우, 상기 서로 대각선상에 놓인 위치들에 대응하는 제2가중값들 및 상기 서로 대각선상에 놓인 위치들의 외곽 위치에 대응하는 제2가중값을“0”으로 재설정하는 신호적응루프필터링방법.
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