KR100269113B1

KR100269113B1 - 압축부호화장치및방법

Info

Publication number: KR100269113B1
Application number: KR1019970031725A
Authority: KR
Inventors: 전종구
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR19990009352A

Abstract

본 발명은 인트라(Intra) 부호화에 있어서 양자화 스텝사이즈 설정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적을 위하여 입력 영상 데이터의 복잡도에 따라 슬라이스 단위로 제1양자화스텝사이즈를 생성하는 제1과정, 입력 영상 데이터를 DCT하여 양자화된 영상 데이터 DCT 블록을 영상 특성에 따라 복수개의 영역별로 구분하는 제2과정, 상기 제2과정에서 각 영역별 DCT 개수에 따라 상기 제1과정의 제1양자화스텝사이즈를 가감한 제2양자화스텝사이즈로 양자화를 수행하는 제3과정을 포함한다. 본 발명에 의하면, 피드백 루프(Feedback Loop)가 존재하지 않음으로 버퍼제어가 필요하지 않으며, 인트라 프레임 코딩을 함으로서 인터 프레임을 위한 장치가 필요하지 않아 하드웨어 사이즈를 감소시키며 인트라 프레임 코딩에 의한 프레임 단위의 편집이 용이한 이점이 있다.

Description

압축 부호화 장치 및 방법{Compression coding apparatus and method}

본 발명은 압축 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 MPEG-2의 인트라(Intra) 부호화에 있어서 양자화 스텝사이즈 설정 장치 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로 MPEG-2는 비트율 4 - 10 Mbits/sec의 데이터량으로서 NTSC, PAL, SECAM등의 기존 방송 화질 또는 CCIR601의 디지털 텔레비젼 화질을 기본 목표로하고 있다.

도 1은 일반적인 MPEG-2의 압축 부호화 장치의 블록도이며, 입력되는 영상 신호를 필터링하는 전처리기(112), 영상간 예측을 위한 이동 추정기(ME)(114), 프레임 단위로 저장하는 프레임 메모리(124), 추정된 움직임 벡터를 이용해 움직임을 보상하는 움직임 보상기(MC)(126), 공간 중보성을 얻기 위해 8 × 8 블록에 대해 DCT(Discrete Cosine Transform) 변환하는 DCT기(116), 공간 중복성을 제거하는 양자화기(Q)(118), 역양자화하는 역양자화기(120), 역 DCT하는 IDCT(122), 통계적 중복성을 제거하기 위한 VLC(Variable Length Coding)(128), 전송률 조정을 위한 순방향 분석기(132), 데이터를 전송하기 위한 버퍼(130)로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이 MPEG-2의 압축 부호화는 인트라(Intra), 인터(Inter) 프레임 코딩을 채택하고 있다. 인트라 프레임 코딩은 예측 부호화를 행하지 않고 DCT기(116)에서 DCT를 행한 후 양자화기(118), VLC기(128)를 통해 부호화된다. 인터 프레임 코딩은 예측 부호화를 행하며, P(Predictive) 프레임 코딩과 B(Bidirectional) 코딩을 포함하고 있다. 예측 부호화는 이동 추정기(ME)(114), 프레임 메모리(124), 움직임 보상기(MC)(126)를 통해 화상간의 움직임을 검출하여 움직임 벡터를 부호화한다. 따라서 P 프레임은 I 프레임을 기본으로 움직임 벡터를 검출하고, B 프레임은 P 프레임 및 I 프레임을 기본으로 움직임 벡터를 검출한다. 또한 버퍼(130)에서 발생하는 데이터량은 입력되는 영상의 특성에 따라 프레임간 및 프레임내의 매크로 블록별로 불규칙하게 발생한다. 이와 같이 불규칙하게 발생되는 데이터를 고화질을 유지하며 일정한 전송 속도를 갖는 전송로를 통해서 전송하기 위해서는 순방향 분석기(132)에서 전송률 조정이 필요하며, 피드백 루프를 구성하여 양자화 스케일 벡터인 MQUANT(Modified quantizer) 값을 조정한다. 이 MQUANT는 화질을 결정하는 중요한 요소중의 하나인 양자화 스텝 사이즈이다. MPEG-2에서는 양자화 스텝 사이즈를 결정하기 위해 다음의 3단계를 거친다. 제1단계는 글로벌 복잡도(Activity) 측정에 의하여 전체 복잡도를 구하게 되고 각각의 I,B,P 픽쳐에 대하여 이전에 발생한 비트량과 현재의 목표 비트율, 및 1개의 GOP(Group Of Picture)내에 남아있는 각각의 픽쳐수에 대하여 비트할당이 이루어진다. 제2단계는 현재 버퍼(130)의 내용(Fullness)에 따라서 매크로 블록 단위의 기준 MQUANT값이 결정된다. 제3단계는 현재 매크로 블록의 복잡도가 계산되고 정규화되어 기준 MQUANT값과 곱해져 실제 매크로 블록에 적용되는 MQUANT값을 계산하여 양자화에 적용된다. 이와 같이 MPEG-2의 부호화 과정은 인터 프레임 코딩을 수행하고, I,B,P 픽쳐의 발생 비트로 인한 피드백 루프 때문에 프레임 단위의 편집이 불가능하고 하드웨어도 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적과제는 인트라 프레임 부호화 장치로서 슬라이스 단위의 복잡도에 의해 제1MQUANT를 구하고, 제1MQUANT와 DCT계수에 대해 복수개의 영역으로 나누어 구해진 제2MQUANT를 이용하여 최종 양자화스텝사이즈를 결정하는 장치를 제공하는 데있다.

본 발명이 이루고자하는 다른 기술적과제는 인트라 프레임 부호화 방법으로서 슬라이스 단위의 복잡도에 의해 제1MQUANT를 구하고, 제1MQUANT와 DCT계수에 대해 복수개의 영역으로 나누어 구해진 제2MQUANT를 이용하여 최종 양자화스텝사이즈를 결정하는 방법을 제공하는 데있다.

도 1은 일반적인 MPEG-2의 압축 부호화 장치의 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 압축 부호화 장치를 보이는 블록도이다.

도 3은 통상적인 한 개의 매크로블럭(Macro Block)에 대한 4:2:0 영상 포맷도이다.

도 4는 통상적인 한 프레임의 슬라이스(Slice) 포맷도이다.

도 5a는 로우(Low) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 5b는 수평(Horizontal) 에지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 5c는 수직(Vertical) 에지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 5d는 대각(Diagonal) 에지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 5e는 하이(High) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 6은 본 발명에 따른 압축 부호화 방법의 흐름도이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 MPEG-2의 압축 부호화 장치에 있어서, 입력되는 영상 데이터의 슬라이스 단위에 대한 복잡도로 산출되는 제1양자화스텝사이즈에 의해 양자화하는 제1양자화 수단; 상기 복잡도에 따라 매크로 블록 단위로 목표 비트를 계산하는 목표비트계산수단; 상기 제1양자화수단에 의해 양자화된 영상 데이터 DCT 블록을 특성에 따라 복수개의 영역별로 구분하는 DCT블록상태결정수단; 상기 DCT 블록 결정수단에서 결정된 DCT 블록의 영역에 따른 양자화스텝사이즈를 구하는 제2양자화스텝사이즈발생수단; 상기 제2양자화스텝사이즈발생수단의 양자화스텝사이즈에 따라 상기 이산 여현 변환된 영상 데이터를 양자화하는 제2양자화수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 장치이다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 압축 부호화 방법에 있어서, 입력 영상 데이터의 복잡도에 따라 슬라이스 단위로 제1양자화스텝사이즈를 생성하는 제1과정; 입력 영상 데이터를 DCT하여 양자화된 영상 데이터 DCT 블록을 영상 특성에 따라 복수개의 영역별로 구분하는 제2과정; 상기 제2과정에서 각 영역별 DCT 개수에 따라 상기 제1과정의 제1양자화스텝사이즈를 가감한 제2양자화스텝사이즈로 양자화를 수행하는 제3과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 방법이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 압축 부호화 장치를 보이는 블록도이며, 전처리기(210), 복잡도 계산기(212), DCT기(214), 제1MQUANT 발생기(215), 제1양자화기(216), DCT 블록상태결정기(218), 목표 비트 계산기(220), 제2양자화기(222), 제2MQUANT 발생기(224), VLC(226), 가산기(227), 뺄셈기(228), MQUANT 가감기(230)로 구성된다.

도 3은 통상적인 한 개의 매크로블럭(Macro Block)에 대한 4:2:0 영상 포맷도이며, 4개의 휘도 성분(Y1,Y2,Y3,Y4)과 2개의 색차 성분(Cb,Cr)으로 구성된다.

도 4는 통상적인 한 프레임의 슬라이스(Slice) 포맷도이다.

도 5a는 로우(Low) DCT 블록 계수 포맷도이며, 도 5b는 수평(Horizontal) 엣지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이며, 도 5c는 수직(Vertical) 엣지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이며, 도 5d는 대각(Diagonal) 엣지(Edge) DCT 블록 계수 포맷도이며, 도 5e는 하이(High) DCT 블록 계수 포맷도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 전처리기(210)는 도 4에 도시된 아날로그-디지탈 변환된 4:2:0의 영상 데이터에 대하여 휘도 신호(Y1,Y2,Y3,Y4)를 대역 제한하기 위하여 로우패스필터링한다. 이때의 로우패스필터링은 원하는 비트 레이트(bit rate)에 고정장 부호화를 할 때 미리 대역 제한을 하기 위하여 사용된다. 복잡도(Activity) 계산부(212)는 전처리기(210)로부터 입력되는 한 프레임의 영상 데이터를 매크로 블록 단위로 복잡도를 계산한다. 이때의 복잡도는 공간 영역상의 데이터에 대한 1 DCT 블록의 데이터에 대한 평균값을 구하여 (픽셀-평균값)²로 구해진다. 제1MQUANT 발생부(215)는 복잡도 계산기(212)에서 계산된 복잡도에 의해 도 4에 도시된 슬라이스 단위로 적용될 초기 양자화 스텝사이즈인 제1MQUANT를 발생한다. 제1MQUANT 발생부(215)의 제1MQUANT는 슬라이스 단위의 복잡도로 구해지며 제1양자화기(216)에서 각각의 매크로 블록 단위로 양자화할시 동일한 1슬라이스내에 양자화 스텝사이즈로서 적용된다. 즉, 제1MQUANT는 슬라이스 개수 × (slice mean_act / mean_act) + α이며, mean_act는 한 프레임에 대한 전체 복잡도이며, slice mean_act는 한 슬라이스에 대한 슬라이스 복잡도이며, α는 제1MQUANT값의 최적값을 위한 실험치로서 α=2.5이다. 다음 DCT기(214)는 MPEG-2의 TM5의 수식을 적용하며, 전처리기(210)로부터 프리필터링되고 난후의 영상 데이터를 이산 여현 변환한다. 즉 DCT는 공간 영역의 영상 데이터를 주파수 영역으로 변환하고 TM5에서 제안하고 있는 지그재그(zig-zag) 방법을 사용한다. 제1양자화기(216)는 DCT기(214)로부터 DCT된 영상 데이터를 제1MQUANT 발생부(215)에서 구해진 초기 MQUANT에 따라 양자화를 수행한다. 이때의 양자화기도 TM5에서 제안하고 있으며 전체 영상 데이터에 대하여 동일한 MQUANT에 의해 양자화를 수행한다. DCT 블록 상태 결정부(218)는 제1양자화기(216)로부터 출력되는 매크로 블록 단위에 대한 각각의 DCT 블록에 대하여 로우(Low), 에지(Edge), 하이(High)의 특성을 결정하게 된다. 즉, 단순한 영역, 복잡한 영역, 에지가 있는 영역으로 구분하여 각각에 대해 MQUANT에 가중치를 부여함으로서 시각적으로 화질이 개선되도록하였다. 도 5a는 로우 DCT 블록을 판정할 때 사용되는 DCT 계수의 개수를 나타내고 있다. 이때의 DCT 계수는 지그-재그순으로 "1,2,3,4,5,6,7,8,9"(빗금친 분분)의 계수에 대하여 합산하게 된다. 도 5b는 수직 에지 DCT 블록을 판정할 때 사용되는 DCT 계수의 개수를 나타내고 있다. 이때의 DCT 계수는 지그-재그순으로 "1,2,4,5,6,7,14,15,27"(빗금친 분분)의 계수에 대하여 합산하게 된다. 도 5c는 수평 에지 DCT 블록을 판정할 때 사용되는 DCT 계수의 개수를 나타내고 있다. 이때의 DCT 계수는 지그-재그순으로 "1,2,3,4,8,9,10,20,21"(빗금친 분분)의 계수에 대하여 합산하게 된다. 도 5d는 대각선 에지 DCT 블록을 판정할 때 사용되는 DCT 계수의 개수를 나타내고 있다. 이때의 DCT 계수는 지그-재그순으로 "1,2,4,12,24,39,51,58,63"(빗금친 분분)의 계수에 대하여 합산하게 된다. 도 5e는 하이 DCT 블록을 판정할 때 사용되는 DCT 계수의 개수를 나타내고 있다. 이때의 DCT 계수는 지그-재그순으로 "11,13,16,18,19,22,23,25,26,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,52,53,54,55,56,57,58,60,61,62"(빗금친 분분)의 계수에 대하여 합산하게 된다. DCT블럭 결정기(218)는 각각의 DCT 계수로 구한 계수의 합에 대하여 로우, 에지,하이의 DCT 블록으로 나타내게 된다. 이때는 로우 계수의 합산과 3개의 에지(수평 수직,대각선) 계수의 합산과 하이 계수의 합산에 2로 나눈값과를 비교하여 가장 큰 값을 갖는 경우에 대해 그 DCT블럭의 특성을 결정짖는다. 도 3에 도시된 바와 같이 한 개의 매크로블럭은 4개의 휘도(Y1,Y2,Y3,Y4) DCT 블록으로 구성되어 있으므로 4개의 휘도 DCT 블록에 대해 구한다.

목표 비트 계산기(220)는 복잡도 계산부(212)에서 구해진 복잡도에 따라 목표 비트를 할당하게 되는 데 각 매크로 블록 단위의 복잡도와 전체 한프레임의 복잡도의 비율에 따라 한프레임당 주어진 비트 레이트에 대하여 목표 비트를 할당한다. 즉, 목표 비트 = min_activity[mb] / mean_act × (비트율(bit_rate)/30)로 계산되어지며, 여기서 min_activity[mb]는 매크로 블록내에 가장 작은 DCT 블록의 복잡도이며, 이때 할당되어진 비트는 매크로 블록 단위로 양자화되고 가변장 부호화(VLC:Variable Length Coding)되어 발생하는 목표 비트(Target Bit)이다.

제2MQUANT발생기(224)는 DCT 블록 상태 결정기(218)로부터 구해진 로우, 에지, 하이 DCT 블록의 개수와 제1MQUANT 발생기(215)에서 발생하는 제1MQUANT에 대하여 다음과 같이 제2MQUANT를 구하게 된다. 즉, 제2MQUANT = ((로우 DCT 블록 개수/4) × 제1MQUANT) - ((에지 DCT 블록 개수/2) × 제1MQUANT) + (하이 DCT 블록 개수 /2 ) × 제1MQUANT이다.

제2양자화기(222)는 제2MQUANT로하여 DCT(214)기에서 출력되는 DCT된 영상 데이터를 양자화한다. 이때 사용되는 양자화기는 TM5에서 정의된다. VLC기(226)는 제2양자화기(222)를 통하여 양자화된 직류(DC) 및 교류(AC) 계수에 대하여 가변장 부호화를 수행하며, 직류(DC)에 대해서는 DPCM(Differential Pulse Code Modulation) 을 거치고나서 가변장 부호화를 수행한다. VLC기(228)에서 출력되는 데이터가 부호화기의 실제 비트의 발생량이다. 뺄셈기(228)는 VLC기(226)에서 출력되는 비트와 목표 비트 계산기(220)의 매크로블럭단위의 목표 비트를 뺄셈하여 잉여 비트를 발생한다. 이 잉여 비트는 목표비트계산기(220)에 가해져 다음 매크로블럭의 목표 비트에 부가된다. MQUANT 가감기(230)는 뺄셈기(228)에서 발생되는 잉여 비트에 따라서 MQUANT값을 가감한다. 표 1은 가감하게 되는 MQUANT에 대한 일예를 나타낸다.

잉여비트	가감 MQUANT
잉여비트 < 0	-1
0<잉여비트<50	+1
50<잉여비트<100	+2
100<잉여비트<200	+3

또한 MQUANT 가감기(230)에서 발생된 표 1에 나타난 MQUANT의 가감값과 제1MQUANT 발생기(224)에서 발생된 제2MQUANT는 덧셈기(227)에서 더해져 제2양자화기(224)에서 실제로 사용될 양자화 스텝 사이즈인 MQUANT로 사용된다.

도 6은 본 발명에 따른 압축 부호화 방법의 흐름도이다.

610과정은 입력되는 영상 데이터를 대역 제한하기 위한 전처리 과정이다. 620과정은 입력 영상에 따른 복잡도(Activity)를 계산하는 과정이다. 630과정은 입력 영상에 따른 복잡도를 계산하여 제1양자화스텝사이즈(MQUANT)를 계산하는 과정이다. 640과정은 630과정에서 계산된 제1양자화스텝사이즈에 의해 영상 데이터를 제1양자화하는 과정이다. 650과정은 640과정에서 양자화된 영상 데이터 DCT 블록의 특성별로 가중치를 부여하기 위하여 로우,에지, 하이의 영역으로 구분하는 과정이다. 660과정은 650과정에서 구분된 DCT 블록의 로우,에지, 하이 상태의 DCT 개수와 제1양자화스텝사이즈(MQUANT)를 연산하여 제2양자화스텝사이즈를 구하는 과정이다. 670과정은 660과정에서 구한 제2양자화스텝사이즈에 의해 영상 데이터를 제2양자화하는 과정이다. 666과정은 620과정에서 계산된 복잡도에 따라 매크로 블록 단위로 목표 비트를 계산하는 과정이다. 680과정은 부호화 장치에서 발생되는 비트와 666과정에서 계산된 목표 비트의 차를 구하는 과정이다. 690과정은 상기 660과정에서의 제2양자화스텝사이즈에 666과정에서 잉여비트에 따른 양자화 스텝사이즈 가감값을 더한 양자화스텝사이즈에 의하여 다음 매크로 블록에서 제2양자화를 수행하는 과정이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 피드백 루프(Feedback Loop)가 존재하지 않음으로 버퍼제어가 필요하지 않으며, 인트라 프레임 코딩을 함으로서 인터 프레임을 위한 장치가 필요하지 않아 하드웨어 사이즈를 감소시키며 인트라 프레임 코딩에 의한 프레임 단위의 편집이 용이한 이점이 있다.

Claims

압축 부호화 장치에 있어서,

한정되어 입력되는 영상 데이터의 슬라이스 단위에 대한 복잡도로 산출되는 제1양자화스텝사이즈에 의해 양자화하는 제1양자화 수단;

상기 복잡도에 따라 매크로 블록 단위로 목표 비트를 계산하는 목표비트계산수단;

전체 발생 비트와 상기 목표 비트의 차에 따라 제1양자화스텝사이즈를 가감하는 양자화스텝사이즈 가감수단;

상기 제1양자화수단에 의해 양자화된 영상 데이터 DCT 블록을 특성에 따라 복수개의 영역별로 구분하는 DCT블록상태결정수단;

상기 제1양자화스텝사이즈를 상기 DCT 블록 결정수단에서 결정된 DCT 블록의 영역에 따라 가감한 제2양자화스텝사이즈를 구하는 제2양자화스텝사이즈발생수단;

상기 양자화스텝사이즈 가감수단의 양자화스텝사이즈 가감값과 상기 제2양자화스텝사이즈발생수단에서 발생한 제2양자화스텝사이즈값을 더한 값에 따라 상기 이산 여현 변환된 영상 데이터를 양자화하는 제2양자화수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
제1항에 있어서, 상기 양자화스텝사이즈 가감수단의 잉여 비트는 다음 매크로 블록의 목표비트로 사용되는 것임을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1양자화 수단의 제1양자화스텝사이즈(MQUANT)는 슬라이스 개수 × (slice mean_act / mean_act) + α, mean_act는 한 프레임에 대한 전체 복잡도이며, slice mean_act는 한 슬라이스에 대한 슬라이스 복잡도이며, α는 제1MQUANT값의 최적값을 위한 실험치임을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
제1항에 있어서, 목표비트계산수단의 목표비트는 min_activity[mb] / mean_act × (비트율(bit_rate)/30)로 계산되어지며, 여기서 min_activity[mb]는 매크로 블록내에 가장 작은 DCT 블록의 복잡도임을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
제1항에 있어서, 상기 DCT블록상태결정수단은 DCT 블록 단위로 로우 DCT 블록, 에지 DCT 블록, 하이 DCT 블록으로 구분하는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
상기 제5항에 있어서, 에지 DCT 블록은 수평, 수직, 대각선 에지 블록인것을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2양자화스텝사이즈발생수단의 양자화스텝사이즈는 ((로우 DCT 블록 개수 / 4) × 제1양자화스텝사이즈) - ((에지 DCT 블록 개수/ 2) × 제1양자화스텝사이즈) + (하이 DCT 블록 개수 /2 ) × 제1양자화스텝사이즈로 계산되는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 장치.
압축 부호화 방법에 있어서,

입력 영상 데이터의 복잡도에 따라 슬라이스 단위로 제1양자화스텝사이즈를 생성하는 제1과정;

입력 영상 데이터를 DCT하여 양자화된 영상 데이터 DCT 블록을 영상 특성에 따라 복수개의 영역별로 구분하는 제2과정;

상기 제2과정에서 각 영역별 DCT 개수에 따라 상기 제1과정의 제1양자화스텝사이즈를 가감한 제2양자화스텝사이즈로 양자화를 수행하는 제3과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 부후화 방법.
제1항에 있어서, 상기 복잡도에 따라 매크로 블록 단위로 목표 비트를 계산하는 과정;

전체 양자화하여 발생된 비트와 상기 과정에서 계산된 목표 비트의 차인 잉여비트에 따라 양자화 스텝사이즈의 가감값을 구하는 과정;

상기과정에서 구한 양자화 스텝사이즈의 가감값에 따라 상기 제3과정의 제2양자화스텝사이즈를 가감하여 제2양자화를 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 부호화 방법.