KR100302129B1 - 제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치 - Google Patents

제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어그리드보간 방식에 의한 움직임 추정시에 벡터양자화 기술을 이용하여 제어점(Control point )의 움직임 벡터 (Motion Vector)를 검출하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 장치는 현재 프레임 메모리(302), 이전 프레임 메모리(304), 벡터양자화 검색기(306), 움직임 보상기(308), 오차계산기(310), 오차판정기(312), 반복검색기(314), 제어점 움직임 벡터 메모리(316)로 구성된다. 움직임 보상기(308)는 벡터양자화 검색기(306)에 의해 산출된 움직임 벡터(MV)를 이용하여 이전 프레임에서 해당 위치의 데이터를 읽어와 움직임 보상된 데이터를 출력한다. 오차계산기(310)는 움직임 보상기(308)로부터 입력된 움직임 보상된 데이터와 현재 프레임 메모리(302)로부터 현재 블럭의 데이터를 입력받아 보상오차를 산출하고, 오차판정기(312)는 오차계산기(310)로부터 입력된 보상오차를 소정의 문턱값과 비교하여 보상오차가 문턱값보다 작으면 상기 벡터양자화 검색기로부터 입력된 제어점의 움직임 벡터를 출력하고, 보상오차가 문턱값보다 크거나 같으면 반복검색기로 반복검색요구신호를 출력한다.

Description

제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치{ Apparatus for acquiring motion vectors of control points in control grid interpolation }
본 발명은 제어그리드보간(Control grid interpolation ) 방식에 의한 움직임 추정시에 벡터양자화 기술을 이용하여 제어점(Control point )의 움직임 벡터 (Motion Vector)를 검출하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벡터양자화(VQ) 검색과 반복검색을 혼합(hybrid)하는 방식의 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 영상신호 처리기술에서 '움직임 추정(motion estimation)'이란 연속되는 영상신호에서 현재 프레임(current frame)의 화소(pixel)들이 이전 프레임(previous frame)에 비해 어느 정도 움직였는지를 벡터로 표시한 움직임 벡터 (motion vector)를 추정하여, 전체 영상을 전송하는 대신에, 이들 움직임 벡터를 전송함으로써 전송정보를 줄이는 기술(즉, 영상압축)을 말하는 것이다.
이러한 움직임 추정에서 널리 사용되는 블럭 정합 알고리즘(BMA: Block Matching Algorithm)은 도 1에 도시된 바와 같이, 화면의 움직임이 수평 또는 수직으로 평행 이동한 것으로 가정하여, 움직임이 일어난 프레임(즉, 현재 프레임)의 블럭영상이 움직임이 일어나기전 프레임(즉, 이전 프레임)의 어느 위치에 있는 블럭영상과 가장 일치하는가를 추정하여 그 위치를 움직임 벡터로서 추정하는 방법이다. 이때, 블럭의 크기로는 8 x 8, 16 x 16( 가로 픽셀 수 x 세로 픽셀 수 )을 주로 사용한다. 여기서, 현재 프레임의 레퍼런스 블럭(reference block 혹은 current block)과 가장 유사한 이전 블럭을 찾기 위하여 이전 프레임(previousframe)에서 레퍼런스 블럭의 위치를 중심으로 일정 범위 안을 찾게 되는데, 이러한 범위를 '서치 윈도우(search window 혹은 area)'라 하고, 이러한 서치 윈도우안에서 각 후보블럭(candidate block)과의 차를 디스토션(distortion; 또는 절대에러(AE)라고도 한다)이라 하며, 두 블럭간의 유사정도를 나타낸다.
또한, 서치 윈도우안의 모든 후보블럭과 레퍼런스 블럭을 비교하는 것을 '풀 서치 블럭매칭(full search block matching algorithm)'이라 하며, 수식적으로 가장 일치하는 블럭을 찾기 위하여 연속된 두 프레임의 영상중에서, 이전 프레임을 f1(x,y), 현재 프레임을 f2(x,y)라 했을 때, f2(x,y)와 f1(x-a, y-b)에서 a,b를 변화시켜 가면서 f1(x-a,y-b)와 f2(x,y)의 차를 구하여, 그 차가 최소가 되는 (a,b)를 움직임 벡터로 예측한다. 이와 같이 블럭간의 최소오차를 구하는 방법을 평균절대오차(MAE:Mean Absolute Error) 방법이라 한다.
그런데 이러한 블럭매칭알고리즘(BMA)은 널리 알려진 바와 같이, 블럭단위로 획일적으로 움직임 벡터를 구하기 때문에 구획효과(Blocking effect)가 발생되어 화질이 열화되는 문제점이 있다.
한편, 움직임 추정을 블럭이 아닌 화소(pixel) 단위로 할 경우에 구획효과( Blocking effect)는 방지되나 각 화소의 움직임 벡터를 산출하기 위하여 계산량이 막대하게 증가하기 때문에 실제 사용되기 어려운 문제점이 있다.
따라서 이와 같은 블럭단위의 움직임 추정과 화소단위의 움직임 추정이 갖는 장점들을 결합하여, 계산량을 줄이면서도 화소별로 각각의 움직임 벡터를 구할 수있는 제어 그리드 보간(Control Grid Interpolation) 기술이 제안되어 널리 연구되고 있다. 즉, 제어 그리드 보간( CGI: Control Grid Interpolation)기법은 기존의 블럭 정합 알고리즘(BMA:Block Matching Algorithm)기법과 비교하여 구조는 복잡하나 다양한 모델의 움직임을 표현할 수 있고, 구획효과를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 제어 그리드 보간법은 도 2a에 도시된 바와 같이, 한 프레임의 영상을 소정 단위의 영역으로 구분하여 제어점(CP11~CP67)을 설정하고, 제어점들의 움직임 벡터를 구하는 것이다. 그리고 제어점들의 움직임 벡터가 구해지면 도 2b에 도시된 바와 같이 제어점 사이의 픽셀들의 움직임 벡터를 보간에 의해서 산출한다. 도 2a,b에서 CP11~CP67은 제어점을 나타낸다.
이와 같이 제어그리드보간법은 각 픽셀들의 움직임 벡터를 일일이 구하는 것이 아니라 제어점들의 움직임 벡터만을 구한 후, 보간에 의해 제어점 사이의 픽셀들의 움직임 벡터를 구하므로써 BMA보다는 실제적인 움직임 벡터를 구할 수 있다. 이때 제어점은 NxN 블럭의 경계점으로 정의할 수 있으며, 인접한 제어점의 움직임 벡터 값에 영향을 받는다. 따라서 제어점의 움직임 벡터를 구하기 위해서는 각 제어점에 초기값을 부여한 후, 프레임의 시작부분부터 끝부분까지 순차적으로 최적화 과정을 진행한다. 이때 최적화된 제어점의 움직임 벡터값도 다음 제어점의 움직임 벡터값이 최적화되면서 변함에 따라 다시 최적화될 필요가 있기 때문에, 제어점들에 대한 최적화가 진행되면서 이전 제어점들의 움직임 벡터값도 연쇄적으로 변하게 된다(이와 같은 방식을 간단히 '반복검색'방식이라 한다). 즉, 종래의 반복검색방식은 제어점의 움직임 벡터를 최적화하는 과정에서 인접하는 제어점의 값이 변함에 따라 한 프레임의 전체 제어점에 대한 최적화가 완료될 때까지 순환반복적인 검색이 필요하게 되어 계산량이 증가하게 되는 문제점이 있다.
이와 같이, 제어그리드보간을 적용하는 영상부호기에서 반복검색방식을 사용하여 제어점의 움직임 벡터를 구하기 위해서는 계산량이 증가하기 때문에 보다 간단한 계산으로 제어점의 움직임 벡터를 구하기 위하여 본 발명자에 의해 벡터양자화 검색기술이 제안된 바 있다.
그런데 상기 벡터양자화 검색을 이용하여 제어점의 움직임 벡터를 구할 경우에 계산량이 감소되어 신속하게 처리할 수 있는 잇점이 있으나 반복검색에 비해 정확한 움직임 벡터 산출이 어려운 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 제어그리드 보간 기법에 따른 제어점(control points)들의 움직임 벡터들을 벡터 양자화(VQ: vector quantization) 검색이나 반복검색중 보다 효율적인 검색방법을 선택하여 수행할 수 있는 하이브리드방식의 제어점 움직임 벡터 산출장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 현재 프레임의 영상 데이터를 저장하기 위한 현재 프레임 메모리; 이전 프레임의 영상 데이터를 저장하고 있는 이전 프레임 메모리; 상기 현재 프레임 메모리와 이전 프레임 메모리로부터 영상데이터를 입력받아 벡터양자화 방식으로 제어점의 움직임 벡터를 산출하는 벡터양자화 검색기; 상기 벡터양자화 검색기에 의해 산출된 움직임 벡터를 이용하여 이전 프레임에서 움직임 보상된 데이터를 출력하는 움직임 보상기; 상기 움직임 보상기로부터 입력된 움직임 보상된 데이터와 현재 프레임 메모리로부터 현재 블럭의 데이터를 입력받아 오차를 산출하는 오차계산기; 상기 오차계산기로부터 입력된 오차를 소정의 문턱값과 비교하여 백터양자화 검색으로 판정되면 상기 벡터양자화 검색기로부터 입력된 제어점의 움직임 벡터를 출력하고, 반복검색으로 판정되면 반복검색요구신호를 출력하는 오차 판정기; 상기 오차판정기로부터 반복검색요구신호가 입력되면, 상기 현재 프레임 메모리와 이전 프레임메모리로부터 영상 데이터를 읽어와 순환반복방식으로 제어점의 움직임 벡터를 산출하는 반복검색기; 및 상기 오차판정기로부터 입력된 벡터양자화 방식으로 정해진 제어점의 움직임 벡터와 상기 반복검색방식으로 정해진 제어점의 움직임벡터를 저장하는 제어점 움직임 벡터 메모리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 블럭정합알고리즘(BMA)을 설명하기 위하여 도시한 개념도,
도 2a,2b는 제어그리드보간(CGI) 방식에 따른 움직임 추정 기술을 설명하기 위하여 도시한 개념도,
도 3은 본 발명에 따라 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치의 구성을 도시한 블럭도,
도 4는 도 3에 도시된 벡터양자화 검색기의 일실시예이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: BMA처리부 20: MV메모리
30: 벡터양자화기 40: 코드북
302: 현재프레임 메모리 304: 이전프레임 메모리
306: 벡터양자화 검색기 308: 움직임 보상기
310: 오차계산기 312: 오차판정기
314: 반복검색기 316: 제어점 움직임벡터 메모리
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 위하여 벡터 양자화 기술에 대해 간단히 설명한다.벡터양자화(VQ)는 K 공간의 벡터를 유한개의 코드북(codebook)에 매핑(mapping)시키는 방식으로서, 특히 복호기(Decoder)의 구조가 간단하다. 이러한 VQ는 벡터의차원이 커질수록 그 성능이 향상되나, 실제 부호화 과정상에서 계산량이 차원의 증가에 따라 급격히 증가하고, 코드북의 설계가 어려워지기 때문에 벡터의 차원은 적정 수준으로 제한된다.
앞서 설명한 바와 같이, VQ는 K공간의 벡터를 유한개의 코드북으로 매핑시키는 것이므로, 다음 수학식<1>과 같이 표현된다.
상기 수학식<1>에서 k= 1....N 이고, min-1은 왜곡치를 최소화하는 코드북(codebook)상의 Xk를 나타내며, d는 왜곡계수(distortion measure)를 나타낸다.
VQ 엔코더는 상기 수학식<1>과 같이 입력벡터 X에 대해 코드북으로부터 왜곡치가 최소인 부호벡터 Xk를 찾아(search) 입력벡터 X나 부호벡터 Xk대신에 부호벡터 Xk를 표시하는 지표(INDEX)를 송신하여 고도의 압축을 이룩하게 되고, 수신측의 VQ 디코더에서는 수신된 지표(INDEX)로부터 룩업테이블을 사용하여 송신측과 동일한 코드북으로부터 해당 부호벡터 Xk를 찾아 원래의 정보를 복원하게 된다. 이때, VQ 엔코더는 입력벡터 X로부터 왜곡치가 최소인 부호벡터 Xk를 찾기 위한 과정이 복잡하나 VQ 디코더는 지표(INDEX)로부터 해당 부호를 꺼내기만 하므로 간단하게 구현될 수 있다.
한편, 상기 수학식<1>로 주어지는 VQ의 코드북(codebook)을 만드는 일반적인 방법으로는 LBG(Linde, Buzo 및 Gray)알고리즘이 널리 사용되는데, LBG알고리즘의 개요는 부호벡터는 입력벡터에 가장 가까운(distortion 측면에서) 부호벡터이어야 한다는 조건(nearest neighbor condition)과 같은 부호벡터로 부호화되는 벡터들의 중심점(distortion 측면에서)이 부호벡터이어야 한다는 조건(centroid condition)의 두가지 제한 조건에 따라 반복적으로 코드북을 만들어 나가는 것이다. 이와 같이 코드북이 완성된 후, VQ 엔코더는 입력벡터와 코드북의 부호벡터를 비교하여 왜곡치를 최소로 하는 부호벡터를 찾아 지표(INDEX)를 구한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 제어점 움직임 벡터 산출장치에 관한 것으로, 이 장치는 현재 프레임 메모리(302), 이전 프레임 메모리(304), 벡터양자화 검색기(306), 움직임 보상기(308), 오차계산기(310), 오차판정기(312), 반복검색기(314), 제어점 움직임 벡터 메모리(316)로 구성된다.
도 3을 참조하면, 현재 프레임 메모리(302)는 현재 프레임의 영상 데이터를 저장하기 위한 것이고, 이전 프레임 메모리(304)는 이전 프레임의 영상 데이터를 저장하고 있다.
벡터양자화 검색기(306)는 현재 프레임 메모리(302)와 이전 프레임 메모리(304)로부터 영상 데이터를 입력받아 앞서 설명한 바와 같은 벡터양자화 방식으로 제어점의 움직임 벡터를 산출한다. 이러한 벡터양자화 검색기(306)의 일예의 구성은 후술하는 바와 같이 BMA처리부(10), 움직임벡터메모리(20), 벡터양자화기(30), 코드북(40)으로 구성된다.
움직임 보상기(308)는 벡터양자화 검색기(306)에 의해 산출된 움직임 벡터(MV)를 이용하여 이전 프레임에서 해당 위치의 데이터를 읽어와 움직임 보상된 데이터를 출력한다.
오차계산기(310)는 움직임 보상기(308)로부터 입력된 움직임 보상된 데이터와 현재 프레임 메모리(302)로부터 현재 블럭의 데이터를 입력받아 보상오차를 산출한다. 이와 같이 보상오차를 구하는 방법으로는 평균절대오차(MAE:Mean Absolute Error)와 평균제곱오차(MSE:Mean Squared Error)등이 있다.
오차판정기(312)는 오차계산기(310)로부터 입력된 보상오차를 소정의 문턱값과 비교하여 보상오차가 문턱값보다 작으면 상기 벡터양자화 검색기로부터 입력된 제어점의 움직임 벡터를 출력하고, 보상오차가 문턱값보다 크거나 같으면 반복검색기로 반복검색요구신호를 출력한다. 즉, 움직임 보상오차의 평균값이 정해진 문턱값보다 낮을 경우 벡터양자화 검색기(306)에서 구해진 움직임 벡터가 충분히 사용가능할 정도이므로 이를 그대로 출력하고, 움직임 보상오차의 평균값이 정해진 문턱값보다 같거나 크면 벡터양자화 검색기(306)에 의해 구해진 움직임 벡터가 정확도가 떨어져 화질을 열화시킬 우려가 있으므로, 그 제어점은 반복검색에 의해 구하기 위해 반복검색요구신호를 발생한다. 이때 문턱값의 크기에 따라 반복검색으로 판정되는 제어점의 비율이 조절되므로 요구되는 속도와 성능의 기준에 적합하게 문턱값을 설정한다.
이와 같이 문턱값을 설정하는 한 예를 살펴보면 다음과 같다. 각 제어점에서 먼저 VQ검색구조를 이용하여 움직임 벡터를 추출한 뒤, 이 벡터를 이용하여 제어점주위의 소정 블럭에 대한 움직임 보상을 실시한다. 이때 구해진 움직임 보상오차를 D라 하고, 보상오차의 문턱값을 T라고 할 때, 전체 오차를 나타내는 E는 다음 수학식2와 같이 정의할 수 있다.
상기 수학식2에서 k는 비례상수를 나타내고 Ci는 반복검색을 수행하는 데 필요한 계산량을 나타내며, Cv는 VQ검색을 수행하는 데 필요한 계산량을 나타낸다. 그리고 이 값들은 어느 정도 일정하므로 'Ci-Cv'는 상수 C로 표현할 수 있다. 이때 비례상수 k는 오차 판정기(312) 입력에 대한 성능과 계산량의 효과를 조절할 수 있는 비례상수로서, 본 발명의 장치가 응용되는 예에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 또한 오차판정기(312) 입력을 위와 같이 정의할 경우에 문턱값보다 약간 보상오차가 큰 경우에는 계산량 항에 의해서 VQ를 사용하는 것이 반복 순환검색을 사용하는 것보다 작은 판정값을 가질 수 있다. 이를 조절하는 것이 상수 k의 역할로 k를 0으로 할 경우, 단순히 움직임보상 오차를 이용하는 경우와 같아진다. 이 경우 오차 판정기(312)는 새로운 문턱값을 이용하여 판정을 수행한다. 즉, 오차판정의 문턱값에 계산량 항을 추가하여 보다 실제적인 판정을 할 수 있다.
반복검색기(314)는 오차판정기(312)로부터 반복검색요구신호가 입력되면, 상기 현재 프레임 메모리(302)와 이전 프레임 메모리(304)로부터 영상 데이터를 읽어 오고, 제어점 움직임벡터 메모리(316)를 참조하면서 종래와 같이 순환반복방식으로 해당 제어점들의 움직임 벡터를 산출한다. 이때 산출된 제어점의 움직임 벡터는제어점 움직임 벡터 메모리(316)에 저장된다.
제어점 움직임 벡터 메모리(316)는 오차판정기(312)로부터 입력된 벡터양자화 방식으로 정해진 제어점의 움직임 벡터와 상기 반복검색방식으로 정해진 제어점의 움직임벡터를 저장하고 있다.
도 4는 도 3에 도시된 벡터양자화 검색기의 일 실시예로서, 이 검색기는 BMA처리부(10), 움직임 벡터 메모리(20), 벡터 양자화 엔코더(30), 코드북(40)로 구성되어 있다.
도 4를 참조하면, BMA처리부(10)는 프레임 메모리(302)로부터 현재블럭을 입력받아 이전 프레임의 후보블럭과 비교하여 그 블럭의 움직임 벡터를 산출한다. 움직임 벡터 메모리(20)는 블럭정합알고리즘(BMA) 처리부(10)의 움직임 벡터(MV)를 순서대로 저장하고 있고, 벡터양자화 부호기(30)는 움직임 벡터 메모리(20)로부터 산출하고자 하는 제어점에 인접한 블럭들의 움직임벡터({MV})를 입력받아 코드북(40)을 참조하여 제어점의 움직임 벡터값을 출력한다. 이때 제어점의 움직임 벡터값을 직접 출력하지 않고, 대응하는 인덱스를 출력할 수도 있다. 코드북(40)은 제어점에 인접한 블럭의 움직임 벡터들의 값과 해당 제어점의 움직임 벡터 값의 관계를 미리 저장하고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 영상부호화 기술에 제어그리드보간(CGI) 방식을 적용하여 움직임 추정을 할 경우에 계산량 절감효과가 큰 벡터양자화 검색방식과 정확도가 좋은 반복검색방식을 혼합 사용하여 처리속도와 성능이 최적화된 부호화를 가능하게 한다. 특히, 사용자가 임계값을 적절하게 조절하므로써 부호기의 성능을 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (3)

  1. 현재 프레임의 영상 데이터를 저장하기 위한 현재 프레임 메모리;
    이전 프레임의 영상 데이터를 저장하고 있는 이전 프레임 메모리;
    상기 현재 프레임 메모리와 이전 프레임 메모리로부터 영상데이터를 입력받아 벡터양자화 방식으로 제어점의 움직임 벡터를 산출하는 벡터양자화 검색기;
    상기 벡터양자화 검색기에 의해 산출된 움직임 벡터를 이용하여 이전 프레임에서 움직임 보상된 데이터를 출력하는 움직임 보상기;
    상기 움직임 보상기로부터 입력된 움직임 보상된 데이터와 현재 프레임 메모리로부터 현재 블럭의 데이터를 입력받아 보상오차를 산출하는 오차계산기;
    상기 오차계산기로부터 입력된 보상오차를 소정의 문턱값과 비교하여 백터양자화 검색으로 판정되면 상기 벡터양자화 검색기로부터 입력된 제어점의 움직임 벡터를 출력하고, 반복검색으로 판정되면 반복검색요구신호를 출력하는 오차 판정기;
    상기 오차판정기로부터 반복검색요구신호가 입력되면, 상기 현재 프레임 메모리와 이전 프레임 메모리로부터 영상 데이터를 읽어와 순환반복방식으로 제어점의 움직임 벡터를 산출하는 반복검색기; 및
    상기 오차판정기로부터 입력된 벡터양자화 방식으로 정해진 제어점의 움직임 벡터와 상기 반복검색방식으로 정해진 제어점의 움직임벡터를 저장하는 제어점 움직임 벡터 메모리를 구비하는 것을 특징으로 하는 제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벡터양자화 검색기는
    상기 프레임 메모리로부터 소정 크기의 블럭단위로 영상 데이터를 입력받아 블럭정합알고리즘(BMA)에 따라 움직임 벡터를 구하는 블럭정합알고리즘 처리부;
    상기 블럭정합알고리즘 처리부에서 산출된 움직임 벡터를 저장하기 위한 움직임 벡터 메모리;
    소정의 입력벡터에 대한 출력벡터를 저장하고 있는 코드북; 및
    상기 움직임 벡터 메모리로부터 소정 수의 입력벡터들을 입력받아 상기 코드북을 이용하여 제어점의 움직임 벡터를 출력하는 벡터 양자화 부호기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오차판정기가 벡터양자화 검색 혹은 반복검색 방식을 판정함에 있어서 계산량 항을 더 고려하여 판정하도록 된 것을 특징으로 하는 제어 그리드 보간방식에 따른 영상부호기에서 제어점의 움직임 벡터를 구하는 장치.
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