KR100261251B1 - 영상신호 특성분류를 이용한 양자화 간격 결정방법 및 장치 - Google Patents

영상신호 특성분류를 이용한 양자화 간격 결정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명인 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정방법 및 장치는 인간의 시각특성을 반영하는 양자화간격을 결정하기 위하여, 입력되는 영상신호의 휘도신호를 이용하여 엣지특성 및 균일특성을 분류하고, 입력되는 영상신호의 휘도신호 및 색신호를 이용하여 색신호특성을 분류하여 세가지 특성분류로부터 각각의 분류에 해당하는 가중치를 선택하여 종래의 방법에서 구한 기준 양자화간격을 재조정함으로써 정보의 압축효과가 크고 화질도 상당히 우수하다.

Description

영상신호 특성분류를 이용한 양자화 간격 결정방법 및 장치
제1도는 본 발명에 사용되는 단위를 설명하기 위한 도면이다.
제2도는 본 발명의 개략적인 구성 블럭도이다.
제3도는 엣지특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
제4도는 균일특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
제5도는 색신호특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
제6도는 본 발명에 따른 일 실시예의 개략적인 구성 블럭도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
200 : 엣지특성 분류부 202 : 균일특성 분류부
204 : 색신호특성 분류부 206 : 양자화간격 결정부
본 발명은 디지탈 영상신호 처리 방법 및 장치에 있어서, 특히 화질의 손상을 최소로 하면서 정보량을 최대한 압축하는 효율적인 부호화를 위한 양자화 간격 분류방법 및 장치에 관한 것이다.
디지탈 영상신호는 정보량이 많기 때문에 제한된 용량의 전송로를 통해 전송하기 위해서는 디지탈 영상신호를 부호화해야 한다. 화질의 손상을 최소로 하면서 정보량을 최대한 압축하는 효율적인 부호화 방식으로는 영상신호의 움직임 검출과 보상을 이용하여 차영상을 구하는 미분펄스코드변조기법(Differential Pulse Coded Modulation; 이하 DPCM 이라고 함)과 이상여현변환기법(Discrete Cosine Transform; 이하 DCT 라고 함) 등을 이용한 변환 부호화 기법이 많이 사용되고 있다.
이러한 기법들은 효율적인 부호화를 위한 선행조건으로써 신호들간의 용장도(Redundency)를 최소로 할 뿐이고, 실질적인 정보의 압축은 양자화를 통해 이루어진다. 따라서, 효율적인 부호화를 위해서는 어떠한 방식으로 디지탈 영상신호를 양자화할 것인가가 매우 중요한 문제가 되며 화질의 열화 정도를 결정한다.
화질열화를 최소로 하면서 정보를 최대한 압축하기 위해서는 인간의 시각특성을 충분히 반영하여 양자화 간격을 결정해야 한다. 즉, 인간의 시각 특성상 화질열화를 잘 느끼지 못하는 영상신호에 대해서는 양자화 간격을 크게하여 양자화함으로써 정보를 많이 압축하고, 화질열화를 잘 느끼는 영상신호에 대해서는 양자화 간격을 작게하여 양자화함으로써 화질열화를 작게해야 한다.
종래의 변환 부호화 기법을 이용한 부호화 방식에서는 일반적으로 프레임(100)을 16x16 매크로블럭(102)으로 분할하여 각각의 매크로블럭에 대해 양자화 간격을 결정하는데, 이 결정방법에서는 단순히 제한된 전송속도를 만족하기 위해 버퍼 점유량을 고려한다. 이때 인간의 시각특성을 반영한 양자화 간격을 결정하기 위하여 매크로블럭(102)을 다시 4개의 8x8 블럭(104)으로 분할한 후, 각각의 블럭에 대한 분산값(Variance)을 계산하여 양자화 간격을 재조정하거나 블럭(104)의 영상신호의 엣지(Edge) 성분을 추출하는 기법을 이용하여 양자화 간격을 재조정하기도 한다.
그러나, 이러한 종래의 방법들은 인간의 시각특성을 충분히 반영하지 못하기 때문에 화질의 열화가 많고 정보의 압축효과가 작다.
따라서, 본 발명의 목적은 인간의 시각특성을 충분히 반영하는 양자화 간격을 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 영상신호 특성분류를 이용한 양자화 간격 결정 방법은 매크로블럭에 포함되어 있는 서브블럭 각각의 휘도신호 분산값이 소정의 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하여 출력하는 엣지특성 분류과정; 매크로블럭에 포함되어 있는 블럭 각각의 휘도신호 분산값 중에서 최소값을 구한후 상기 최소값을 상기 매크로블럭의 휘도신호 분산값으로 나누어 구한 값이 소정의 제2임계값 이상인 경우에는 균일분류에 따른 값을 출력하고 상기 제2임계값보다 작은 경우에는 불균일분류에 따른 값을 출력하는 균일특성 분류과정; 매크로블럭에 포함되어 있는 화소의 민감성을 판단하기 위하여 공지의 민감성판단식을 이용하여 상기 민감성판단식의 조건을 만족하는 화소의 수를 산출하고, 산출된 화소의 수가 소정의 제3임계값보다 작은 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 둔감분류에 따른 값을 출력하고 상기 제3임계값 이상인 경우에는 시각적으로 민감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 민감분류에 따른 값을 출력하는 색신호특성 분류과정; 및 상기 엣지특성 분류과정, 균일특성 분류과정, 및 색신호특성 분류과정으로부터의 각각의 분류값의 조합을 이용하여, 각각의 조합에 따른 가중치를 달리하여 상기 가중치를 종래의 양자화간격에 곱한 값을 출력함으로써 최종적인 양자화간격을 결정하는 양자화간격 결정과정을 포함함을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정장치는 입력되는 영상신호중 휘도신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 서브블럭 각각의 상기 휘도신호 분산값이 소정의 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하여 출력하는 엣지특성 분류부; 입력되는 영상신호중 휘도신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 블럭 각각의 휘도신호 분산값 중에서 최소값을 구한후 상기 최소값을 상기 매크로블럭의 휘도신호 분산값으로 나누어 구한 값이 소정의 제2임계값 이상인 경우에는 균일분류에 따른 값을 출력하고 상기 제2임계값보다 작은 경우에는 불균일분류에 따른 값을 출력하는 균일특성 분류부; 입력되는 영상신호중 휘도신호 및 색신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 화소의 민감성을 판단하기 위하여 공지의 민감성판단식을 이용하여 상기 민감성판단식의 조건을 만족하는 화소의 수를 산출하고, 산출된 화소의 수가 소정의 제3임계값보다 작은 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 둔감분류에 따른 값을 출력하고 상기 제3임계값 이상인 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 민감분류에 따른 값을 출력하는 색신호특성 분류부; 및 상기 엣지특성 분류부, 균일특성 분류부, 및 색신호특성 분류부로부터의 각각의 분류값의 조합을 이용하여, 각각의 조합에 따른 가중치를 달리 하여 종래의 양자화간격에 곱한 값을 출력함으로써 최종적인 양자화간격을 결정하는 양자화간격 결정부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명의 개략적인 구성 블럭도로서, 제2도에 의하면 본 발명은 엣지특성 분류부(200), 균일특성 분류부(202), 색신호특성 분류부(204), 및 양자화 간격 결정부(206)로 구성되어 있다.
각 구성부분의 동작을 설명하기 위하여 동작의 흐름을 도시한 흐름도인 제3,4,5도를 참조로 하면 다음과 같다.
엣지특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도인 제3도에 의하면, 엣지특성 분류부의 개략적인 동작설명은 다음과 같다.
16x16 매크로블럭을 4x4 서브블럭으로 분할한 후 각각의 서브블럭의 휘도신호의 분산값을 계산한다. 16개의 서브블럭 중에서 실험적으로 구한 문턱값 ETH보다 큰 분산값을 갖는 서브블럭의 수를 구한다.
이렇게 구하여진 서브블럭의 수를 ENO라고 하면 ENO의 값에 의해 매크로블럭의 EDGEclass 를 결정한다. 즉, 엣지특성 분류부에 의해 분류되는 클래스의 총수를 N 이라고 하고 각각의 클래스를 E1, E2, ...., EN-1, EN이라고 하면, ENO의 크기에 의해 E1부터 EN까지의 클래스 중에서 한가지를 선택한다.
만약에 클래스 분류 결과가 E2였다면 EDGEclass = 2 가 된다.
그러면, 엣지특성 분류방법을 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
ENO를 0으로 초기화시키고, 한 매크로블럭내에 존재하는 서브블럭의 번호를 의미하는 변수 S를 1로 초기화시킨다. (제300단계)
서브블럭의 분산값을 계산하여(제302단계) ETH이상인지를 판단한다. (제304단계) 판단결과 긍정이면 ENO및 S를 각각 1씩 증가시키고(제306단계), 판단결과 부정이면 S를 1만큼 증가시킨다 (제308단계)
제306단계 또는 제308단계에 이어서 S가 16보다 큰지를 판단하여 그렇지 않으면 제302단계로 돌아간다. (제310단계)
여기서, 제302단계로부터 제310단계는 하나의 매크로블럭에 존재하는 16개의 서브블럭의 분산값이 소정의 임계값인 ETH이상인 서브블럭의 수를 구해내는 과정이다.
제310단계의 판단결과 S가 16보다 크면 ENO의 값이 포함되는 Ei의 i값을 EDGEclass값으로 출력한다. (제312단계) 여기서, i는 0을 포함한 양의 정수이다.
균일특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도인 제4도에 의하면, 먼저 A를 아주 큰 정수로, B를 1로 초기화한다. (제402단계) 여기서, B는 각 매크로블럭이 포함하고 있는 블럭의 번호를 의미하는데, 본 발명에서는 각 매크로블럭을 4개로 나누어서 계산하기 때문에 각 매크로블럭이 포함하는 블럭의 번호인 B는 1,2 3,4 중 하나가 된다.
블럭의 분산값(Variance)을 계산한후(제404단계), 아주 큰 정수인 A보다 작은지를 판단하여(제406단계) 작으면 분산값을 변수 A에 대입하고(제408단계), 크면 다음 단계인 제410단계로 바로 넘어간다.
B를 하나 증가시키고(제410단계), 이때의 B값이 4보다 큰지를 판단한다. (제412단계) 제412판단의 결과 B값이 4 이하이면 제404단계로 돌아가고, B값이 4보다 크면 다음 단계인 제414단계로 넘어간다.
제410단계 및 제412단계는 하나의 매크로블럭에 포함되어 있는 4개의 블럭마다의 분산을 계산할 수 있도록 하여 주기 위한 과정이다. 그리고, 제406단계 및 제408단계는 각 블럭의 분산값 중에서 최소값을 구하기 위한 과정이다.
제412단계에 이어서 4개의 블럭을 포함하고 있는 매크로블럭의 분산값을 계산하고(제414단계), 이어 각 블럭의 분산값 중에서 최소값으로 결정된 A를 매크로블럭의 분산값으로 나눈값을 H라 한다. (제416단계)
H가 소정의 HTH이상인지를 판단하여(제418단계), 판단결과가 긍정이면 HOMOclass값을 0으로 출력하고(제420단계) 판단결과가 부정이면 HOMOclass값을 1로 출력한다. (제422단계)
여기서, 소정의 HTH는 화질 전문가들에 의해서 구해진 값으로, 이 값을 경계로 하여 균일과 불균일이 분류된다.
색신호특성 분류부의 동작을 설명하기 위한 흐름도인 제5도에 의하면, YUV 좌표계에서 인간의 시각에 특히 민감한 빨간색, 노란색, 자홍색, 및 살색 계통의 색신호를 판별하기 위해 다음과 같은 YUV 관계식을 도출하여 판별의 근거로써 이용하고 있다.
식 1에서 Y, U, V는 각각 화소의 Y, U, V 성분의 크기를 표시하고 K1, K2, n, l 은 실험적으로 구한 상수값이다.
제5도에 의한 흐름도의 개략적인 동작은 다음과 같다.
16x16 매크로블럭내에서 식 1을 만족하는 색신호를 갖는 화소의 수(CNO)를 산출하여 CNO가 실험적으로 구한 문턱값 CTH이상이면 시각적으로 민감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하고, CNO가 CTH이하이면 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류한다.
그러면, 색신호특성 분류방법을 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
CNO를 0으로 초기화하고, 화소의 수를 의미하는 변수인 P는 1로 초기화한다. (제500단계)
식 1의 판단결과(제502단계) 긍정이면 CNO및 P를 각각 1씩 증가시키고(제504단계), 부정이면 P를 1만큼 증가시킨다. (제506단계)
P가 16x16 보다 큰지를 판단하여 그렇지 않으면 제502단계로 돌아간다. (제508단계) 만약 P가 16x16 보다 크면 다음 단계인 제510단계로 넘어간다.
여기서, 제502단계로부터 제508단계는 하나의 매크로블럭내에서 색신호의 판별식을 만족시키는 화소의 수를 구하는 과정이다.
CNO가 소정의 CTH이상인지를 판단하여 (제510단계), 판단결과가 긍정이면 COLORclass값을 0으로 출력하고(제512단계) 판단결과가 부정이면 COLORclass값을 1로 출력한다. (제514단계)
여기서, 소정의 CTH는 화질 전문가들에 의해서 구해진 값으로, 이 값을 경계로 하여 둔감과 민감이 분류된다.
양자화간격 결정부(106)는 이러한 세가지 특성 분류신호들 및 기준 양자화간격을 입력으로 하여 다음의 표 1과 같이 소정의 가중치를 선택한후 선택된 가중치와 기준 양자화간격과의 곱을 통하여 최종 양자화간격을 출력한다.
[표 1]
상기 표에서는 엣지분류를 4가지인 경우로 하여 구성한 것이다.
본 발명을 동영상 부호화 방식의 국제 표준안인 MPEG phase 2 의 방식에 적용한 일 실시예의 개략적인 구성을 제6도에 도시하고 있다.
본 발명에 따른 일 실시예의 구성 및 동작설명은 다음과 같다.
입력된 영상신호는 변환 부호화를 위해 이산여현변환부(600)로 입력되어 주파수 영역의 신호로 변환된다. 이산여현변환부(600)의 출력은 양자화부(602)와 가변장 부호화부(604)를 거침으로써 정보량을 압축되게 된다.
가변장 부호화부(Variable Length Coding Block)의 출력은 일단 버퍼(606)에 저장된 후 전송되며, 기준 양자화간격 계산부(608)에서는 영상신호를 출력하기 위한 전송로의 전송능력에 따라 결정되는 목표 비트 발생량과 양자화부(602) 및 가변장 부호화부(604)를 통하여 이루어지는 부호화에 의해 실제로 발생된 결과 비트 발생량의 차이를 계산하여 버퍼 점유량을 계산하고 이로부터 기준 양자화간격을 산출한다.
여기서, A는 하나의 매크로블럭에 존재하는 4개의 8x8 블럭 각각의 휘도신호의 분산값 중에서 최소값을 나타내는 변수로서, 균일특성 분류부(102)에서 산출된다. 또한 F는 하나의 프레임에 존재하는 매크로블럭들의 각각의 A값을 평균낸 값을 나타내는 변수이다.
그리고, 이산여현변환부(600)에서 기준 양자화간격 계산부(608) 까지의 처리방식은 동영상 부호화 방식의 국제 표준안인 MPEG(Moving Picture Expert Group) phase 2의 방식을 이용한 것이다.
본 발명에 의하여 첨가된 부분은 엣지특성 분류부(100), 균일특성 분류부(102), 색신호특성 분류부(104), 및 양자화간격 결정부(106)로서, 본 발명에 의한 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정방식을 동영상 부호화 방식의 국제 표준안인 MPEG phase 2의 방식에 적용한 결과 화질이 상당히 향상되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 인간의 시각특성을 반영하는 양자화간격을 결정하기 위하여, 입력되는 영상신호의 휘도신호를 이용하여 엣지특성 및 균일특성을 분류하고, 입력되는 영상신호의 휘도신호 및 색신호를 이용하여 색신호특성을 분류하여 세가지 특성분류로부터 각각의 분류에 해당하는 가중치를 선택하여 종래의 방법에서 구한 기준 양자화간격을 재조정함으로써 정보의 압축효과가 크고 화질도 상당히 우수하다.

Claims (6)

  1. 매크로블럭에 포함되어 있는 서브블럭 각각의 휘도신호 분산값이 소정의 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하여 출력하는 엣지특성 분류과정; 매크로블럭에 포함되어 있는 블럭 각각의 휘도신호 분산값 중에서 최소값을 구한후 상기 최소값을 상기 매크로블럭의 휘도신호 분산값으로 나누어 구한 값이 소정의 제2임계값 이상인 경우에는 균일분류에 따른 값을 출력하고 상기 제2임계값보다 작은 경우에는 불균일분류에 따른 값을 출력하는 균일특성 분류과정; 매크로블럭에 포함되어 있는 화소의 민감성을 판단하기 위하여 공지의 민감성판단식을 이용하여 상기 민감성판단식의 조건을 만족하는 화소의 수를 산출하고, 산출된 화소의 수가 소정의 제3임계값보다 작은 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 둔감분류에 따른 값을 출력하고 상기 제3임계값 이상인 경우에는 시각적으로 민감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 민감분류에 따른 값을 출력하는 색신호특성 분류과정; 및 상기 엣지특성 분류과정, 균일특성 분류과정, 및 색신호특성 분류과정으로부터의 각각의 분류값의 조합을 이용하여, 각각의 조합에 따른 가중치를 달리하여 상기 가중치를 종래의 양자화간격에 곱한 값을 출력함으로써 최종적인 양자화간격을 결정하는 양자화간격 결정과정을 포함함을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하는 과정은 한 매크로블럭이 포함하고 있는 서브블럭의 총갯수를 원하는 엣지분류레벨수로 나누고 상기 제1임계값 이상인 서브블럭의 수가 포함되어 있는 레벨번호를 엣지분류값으로 출력하는 과정임을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 민감성판단식은 YUV 좌표계에서 인간의 시각에 특히 민감한 빨간색, 노란색, 자홍색, 및 살색 계통의 색신호를 판별하기 위한 YUV 관계식임을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정방법.
  4. 입력되는 영상신호중 휘도신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 서브블럭 각각의 상기 휘도신호 분산값이 소정의 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하여 출력하는 엣지특성 분류부; 입력되는 영상신호중 휘도신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 블럭 각각의 휘도신호 분산값 중에서 최소값을 구한후 상기 최소값을 상기 매크로블럭의 휘도신호 분산값으로 나누어 구한 값이 소정의 제2임계값 이상인 경우에는 균일분류에 따른 값을 출력하고 상기 제2임계값보다 작은 경우에는 불균일분류에 따른 값을 출력하는 균일특성 분류부; 입력되는 영상신호중 휘도신호 및 색신호를 입력으로 하여 매크로블럭에 포함되어 있는 화소의 민감성을 판단하기 위하여 공지의 민감성판단식을 이용하여 상기 민감성판단식의 조건을 만족하는 화소의 수를 산출하고, 산출된 화소의 수가 소정의 제3임계값보다 작은 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 둔감분류에 따른 값을 출력하고 상기 제3임계값 이상인 경우에는 시각적으로 둔감한 색신호를 포함하는 매크로블럭으로 분류하기 위해 민감분류에 따른 값을 출력하는 색신호특성 분류부; 및 상기 엣지특성 분류부, 균일특성 분류부, 및 색신호특성 분류부로부터의 각각의 분류값의 조합을 이용하여, 각각의 조합에 따른 가중치를 달리하여 종래의 양자화간격에 곱한 값을 출력함으로써 최종적인 양자화간격을 결정하는 양자화간격 결정부를 구비한 것을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1임계값 이상인 서브블럭의 수에 따라 엣지분류값을 결정하는 과정은 한 매크로블럭이 포함하고 있는 서브블럭의 총갯수를 원하는 엣지분류레벨수로 나누고 상기 제1임계값 이상인 서브블럭의 수가 포함되어 있는 레벨번호를 엣지분류값으로 출력하는 과정임을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 민감성판단식은 YUV 좌표계에서 인간의 시각에 특히 민감한 빨간색, 노란색, 자홍색, 및 살색 계통의 색신호를 판별하기 위한 YUV 관계식임을 특징으로 하는 영상신호 특성분류를 이용한 양자화간격 결정장치.
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