KR100316763B1 - 영상부호화방법및장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 부호화방법 및 장치에 관한 것으로서, 소스화상에 대하여 움직임 보상을 수행하여 차영상을 출력하는 움직임 보상수단, 차영상을 이산여현변환하는 이산여현변환기, 이산여현변환된 차영상을 소정의 양자화간격으로 양자화하는 양자화기, 양자화된 신호를 가변장부호화하는 가변장부호화기와, 가변장부호화된 신호를 일정한 비트스트림으로 출력하는 버퍼를 구비한 영상 부호화장치에 있어서, 소스화상의 매크로블럭내에 존재하는 영상신호에 대한 색신호특성 및 복잡도특성을 근거로 하여 n개의 매크로블럭 클래스로 분류하기 위한 매크로블럭 분류기와, 매크로블럭 클래스와 버퍼의 충만도에 의해 양자화간격을 제어하기 위한 레이트 제어기로 구성된다. 따라서, 밝기 성분 및 색 성분을 고려하여 동화상을 압축함으로써 인간의 시감특성에 더욱 가까운 고효율의 압축을 달성할 수 있다.

Description

영상 부호화방법 및 장치
본 발명은 영상 부호화방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 YUV 색영역에서의 사람의 시감 색차범위를 정의한 룩업테이블과 텍스쳐 마스킹(texture masking) 및 칼라 마스킹(color masking)을 이용하여 화상을 특성별로 분류하여 부호화하기 위한 영상 부호화방법 및 장치에 관한 것이다.
디지탈 영상신호는 정보량이 많기 때문에 제한된 용량의 전송로를 통해 전송하기 위해서는 디지탈 영상신호를 부호화할 필요가 있다. 부호화방식의 국제 규격을 결정하기 위한 모임으로서, MPEG(Moving Picture Experts Group)이 결성되어 1.5 Mbps의 전송로를 이용한 MPEG1 방식과 4∼15Mbps의 전송로를 위한 MPEG2 방식을 정하였다. 여기서, MPEG2 방식은 DPCM(Differential Pulse Coded Modulation)과 DCT(Discrete Cosine Transform)을 결합한 하이브리드(Hybrid) 부호화방식으로서, 매크로블럭(macroblock;이하 MB라 약함) 단위로 양자화간격을 결정한다. 이 DPCM과 DCT는 효율적인 부호화를 위한 전단계로서 신호들간의 중복성을 줄일 뿐이고, 실질적인 신호의 압축은 최종 양자화간격에 의한 양자화과정에서 발생하기 때문에 부호화성능은 양자화간격의 결정방식에 의해 크게 좌우된다. 특히, 화질의 열화를 최소로 하면서 신호의 압축효과를 최대로 하기 위해서는 인간의 시감특성을 충분히 반영하는 양자화간격 설정과 영상분포에 따른 적절한 비트할당이 요구된다. 즉, 원하는 전송량을 만족시키기 위해 실제로 가변장부호화된 현재까지의 비트발생량에 의해 현재 MB의 양자화간격을 결정하는 것에 의해 적절한 비트할당이 이루어진다. 이러한 MPEG2 방식에서는 부호화방식을 제시하고는 있지만 제약을 두지 않고, 단지 디코더에서 수신되어 해석될 비트스트림만을 규정한다. 따라서 엔코더의 부호화방식에 따라 복원된 화질의 차이가 발생할 수 있다.
제1도는 MPEG2 방식에서 제시한 부호화장치의 구성도로서, 영상신호를 입력되는 프레임의 순서에 따라 I,P,B 처리방식 중에서 한가지 처리방식으로 부호화한다. 여기서, I 프레임은 인트라 픽쳐(Intra Picture)로서 자체정보만을 이용하여부호화하고, B 프레임은 쌍방향 예측부호화된 픽쳐(Bidirectionally Predictive-coded Picture)로서 현재 프레임의 이전, 이후 프레임을 참조해서 움직임정보를 추출하여 부호화하고, P 프레임은 예측부호화된 픽쳐(Predictive-coded Picture)로서 이전 프레임에서 움직임정보를 추출하여 부호화한다. 다시 말하면, I 프레임은 DPCM을 하지 않고 원화상을 직접 DCT 변환하며, P 및 B 프레임은 DPCM에 의한 차영상을 DCT 변환한다. 또한, P 프레임은 단방향 움직임벡터(Forward Motion Vector)만을 이용하여 차영상을 구하지만, B 프레임은 쌍방향 움직임벡터(Bidirectional Motion Vector)를 이용하여 차영상을 구한다.
그러나, 제1도에 도시된 MPEG2 영상 부호화장치에서는 인간의 시감특성을 반영하는 양자화간격을 결정하기 위하여 매크로블럭 액티비티라는 척도를 사용한다. 여기서, 매크로블럭 액티비티(act MB)는 다음 (1)식에서와 같이 매크로블럭내의 4개의 휘도신호 블럭의 분산값(var sblk)을 각각 계산하여 그 중 최소값을 선택하는 척도이다.
일반적으로 인간의 시감특성은 단순한 영역에 대해 민감하고, 복잡한 영역에 대해 둔감하다. 그런데 영상신호의 분산값은 영상신호의 복잡도와 비례하므로 인간의 시감특성을 어느 정도 나타낸다고 할 수 있다. 그러므로 영상신호의 분산값을이용하는 매크로블럭 액티비티는 인간의 시감특성을 어느 정도 반영하기는 하지만 충분히 반영하는 것은 아니다. 즉, 제6도의 예에서와 같이 (a)와 (b)의 분산값은 같지만 (a)에 비해 (b)의 복잡도는 2배나 되므로 영상의 분산값만으로는 인간의 시감특성을 충분히 반영시킬 수 없는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 YUV 색영역에서의 사람의 시감 색차범위를 정의한 룩업테이블을 이용하여 텍스쳐 마스킹 및 칼라 마스킹에 의해 화상을 특성별로 분류하여 부호화하기 위한 영상 부호화방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 영상 부호화방법은 부호화하고자 입력되는 영상신호를 구성하는 매크로블럭에 대한 각 화소값의 색차특성을 저장하고 있는 제1 칼라 룩업테이블과, 상기 매크로블럭의 평균색의 분류를 위해서 사용되는 제2 칼라 룩업테이블을 구비한 영상 부호화장치에 있어서,
상기 제1 칼라 룩업테이블에 저장된 각 화소값의 색차특성을 근거로 하여, 상기 매크로블럭을 텍스쳐 마스킹을 사용하여 소정의 텍스쳐 클래스로 분류하는 제1클래스 분류과정;
상기 매크로블럭을 4개의 서브블럭으로 나누어 상기 각 서브블럭의 평균색을 구하고, 상기 평균색에 대한 분류를 실시하여 상기 각 서브블럭의 분류값 중 최소값을 상기 매크로블럭의 칼라 클래스로 결정하는 제2클래스 분류과정; 및
상기 제1 및 제2클래스 분류과정에서 분류된 클래스를 조합하여 상기 매크로블럭의 최종 클래스를 분류하는 제3클래스 분류과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소스화상에 대하여 움직임 보상을 수행하여 차영상을 출력하는 움직임 보상수단, 상기 차영상을 이산여현변환하는 이산여현변환기, 상기 이산여현변환된 차영상을 소정의 양자화간격으로 양자화하는 양자화기, 상기 양자화된 신호를 가변장부호화하는 가변장부호화기와, 상기 가변장부호화된 신호를 일정한 비트스트림으로 출력하는 버퍼를 구비한 영상 부호화장치에 있어서,
상기 소스화상의 매크로블럭내에 존재하는 영상신호에 대한 색신호특성 및 복잡도특성을 근거로 하여 n개의 매크로블럭 클래스로 분류하기 위한 매크로블럭 분류기; 및
상기 매크로블럭 클래스와 상기 버퍼의 충만도에 의해 상기 양자화간격을 제어하기 위한 레이트 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명에 의한 영상 부호화장치를 나타낸 블럭도로서, 제1도에 도시된 영상 부호화장치에 비하여 점선으로 나타난 매크로블럭 분류기(17)와 레이트 제어기(18)가 상이한 요소이다.
제3도는 제2도에 도시된 매크로블럭 분류기(17)의 세부 블럭도로서, 부호화하고자 입력되는 영상신호를 구성하는 매크로블럭에 대한 각 화소값의 색차특성을 근거로 하여, 매크로블럭을 텍스쳐 마스킹을 사용하여 소정의 텍스쳐 클래스로 분류하는 텍스쳐 마스킹부(31), 매크로블럭을 4개의 서브블럭으로 나누어 각 서브블럭의 평균색을 구하고, 평균색에 대한 분류를 실시하여 각 서브블럭의 분류값 중 최소값을 매크로블럭의 칼라 클래스로 결정하는 칼라 마스킹부(32), 텍스쳐 마스킹부(31)에서 사용되는 입력 영상신호의 각 화소값의 색차특성을 저장하고 있는 제1 칼라 룩업테이블(33), 칼라 마스킹부(32)에서 매크로블럭의 평균색의 분류를 위해서 사용되는 제2 칼라 룩업테이블(34), 텍스쳐 마스킹부(31)에서 출력되는 텍스쳐 클래스에 대하여 소정의 가중치(n)를 곱하기 위한 승산기(35)와, 승산기(35)와 칼라 마스킹부(32)에서 분류된 클래스를 조합하여 해당 매크로블럭의 최종 클래스로 분류하는 가산기(36)로 구성된다.
제4도와 제5도는 각각 제3도에 있어서 제1 칼라 룩업테이블1(LUT1;33)과 제2 칼라 룩업테이블2(LUT2;34)의 구성예를 나타낸 것이다.
그러면 본 발명의 작용 및 효과에 대하여 제2도 내지 제8도를 참조하여 설명하기로 한다.
통상적으로, 영상의 복잡도 뿐만 아니라 매크로블럭의 평균색이 어느색인가에 따라 인간이 인지하는 색차를 느끼는 정도가 달라진다. 즉, 일반적으로 어두운 부분이 밝은 부분에 비해 민감하므로 처리하고자 하는 매크로블럭의 시감특성을 반영해서 시감에 덜 민감한 부분은 양자화간격을 크게 하고, 민감한 부분은 상대적으로 양자화간격을 적게 함으로써 기존의 방법보다 압축율을 갖는 부호화를 달성할 수 있다. 즉, 같은 정도의 비트발생량을 보이더라도 시감적으로는 더욱 양호한 화질의 복원영상을 얻을 수 있는 것이다.
제2도에 있어서, 매크로블럭 분류기(17)는 소스화상의 매크로블럭내에 존재하는 영상신호에 대한 색신호특성 및 복잡도특성을 근거로 하여 n개의 매크로블럭 클래스로 분류하기 위한 것이다. 이를 제3도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
즉, 매크로블럭 분류기(17)에서 수행되는 색신호특성 및 복잡도 특성에 따른 분류를 살펴보면, 우선 MPEG2와는 달리 복잡도 계산을 위해서 Y, Cb, Cr 신호를 받아들이고, 텍스쳐 마스킹부(31)에서 다음 (2)식에 근거하여 매크로블럭내의 텍스쳐 마스킹값을 구한다.
상기 (2)식에서H n 은 가로방향으로 현재 화소와 인접한 다음 화소 사이의 차에 대해 제1 칼라 룩업테이블(33)에 저장된 문턱값(th)과 비교한 결과 문턱값을 초과한 갯수이고,V n 은 세로방향으로 계산한 것이다. 이때, 텍스쳐 마스킹값은 가로 및 세로방향의 값을 더한 것으로서, 제8A도(클래스 0), 제8B도(클래스 1), 제8C도(클래스 2), 제8B도(클래스 3)의 실시예를 참조하면
의 4가지로 나눌 수 있다.
이때, 8*8*8 룩업테이블인 경우, 현재 처리중인 화소의 칼라(0∼255 사이의 값)값의 상위 3비트를 사용하여 제1 칼라 룩업테이블(33)을 어드레싱하고, 어드레스에 해당하는 구간의 문턱값을 텍스쳐 마스킹부(31)에 인가한다. 이때 문턱값은 색차를 느끼는 정도의 값을 나타낸다.
칼라 마스킹부(32)에서는 16*16 매클로블럭물 8*8 블럭 4개로 분리하고, 각 블럭에 대해 다음 (3)식
에 의해 평균색을 구한다. 구해진 평균색에 대해 제2칼라 룩업테이블(34)에서 구해진 클래스를 참조하여 4개의 블럭 중 클래스가 최소인 것을 해당 매크로블럭의 칼라 클래스로 결정한다.
본 발명에서는 텍스쳐 마스킹부(31)에서 인간의 시감특성을 충분히 반영하기 위하여 공간주파수 계산과 칼라 오차허용도(tolerance)를 혼합한 텍스쳐 마스킹 척도를 사용한다. 칼라 오차허용도 룩업테이블 즉, 제1 칼라 룩업테이블(33)에 의해도출되는 문턱값(th)를 이용하여 매크로블럭의 공간주파수를 상기 (2)식에 의해 계산한다.
즉, 인접 화소간의 휘도신호의 밝기 차이가 문턱값보다 클 경우에만 휘도신호의 밝기변화를 인간이 식별할 수 있으므로 공간주파수를 계산할때 반영하고, 인접 화소간의 휘도신호의 밝기 차이가 문턱값보다 작을 경우에는 공간주파수 계산에 반영하지 않는다.
상기 (2)식과 같은 텍스쳐 마스킹 척도를 사용하면 제6도의 (a)와 (b)를 명확하게 구별할 수 있으므로 영상신호의 복잡도를 MPEG의 액티비티 척도에 비해 정확하게 계산할 수 있다. 또한, 본 발명의 텍스쳐 마스킹 척도는 단순히 인접 화소간의 차이만을 이용하는 것이 아니고, 인간의 시감특성을 고려하므로 MPEG의 복잡도 척도에 비해 매크로블럭의 영상신호에 대한 인간의 시감특성을 충분히 반영할 수 있다.
한편, MPEG에서의 부호화방식이 주로 밝기(Lumimance) 성분에 의존하는데 반해 색차를 인식할때는 밝기 뿐만이 아니라 색상(Chrominance) 성분도 복합적으로 작용하기 때문에 색상의 반영이 필요하다. 따라서 YCbCr 좌표계에서 균등색공간의 값인CIEL * a * b * 나CIEL * u * v * 등으로 변환한 뒤, 칼라 오차허용도를 계산하거나 측정해서 시감과 일치하는 YCbCr 좌표계의 오차허용도를 찾는다. YCbCr 좌표계는 MPEG에서 사용하는 표준 좌표계로 입력 데이타가 YCbCr 좌표값으로 되어 있어 해당하는 YCbCr에 대한 칼라 오차허용도값의 도출이 필요하다.
제7A도는 맥베쓰 차트(Macbeth Chart)의 측색된CIEL * a * b * 값을 사용하여 칼라 측정 위원회(CMC)에서 정한 색차식을 적용하여 각 칼라 칩들의 칼라 오차허용도를 그려본 것이다. 결과를 보면 칼라 칩의 a,b 좌표상의 위치에 따라 오차허용도의 크기가 달라지는 것을 알 수 있다.
따라서, YCbCr 좌표계에서 구해진 오차허용도는 제7B도에 도시된 바와 같다. 결과를 보면 각각의 칼라 칩을 YCbCr 좌표의 Cb, Cr(U,V)에 플로트했을 경우 각각 불규칙한 칼라 오차허용도 경계를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 YCbCr 좌표계가 인간의 시감특성과 선형적이지 못하다는 의미이고, 따라서 YCbCr 색은 각 위치에 따라 민감한 부분과 덜 민감한 부분으로 구분될 수 있다. 두 색에 대해 느끼는 차이(색차)는 주로 밝기(Y)성분에 의존하지만 같은 밝기라도 색상성분(Cr,Cb)에 의해서도 그 변이가 많다.
다음 (4)식은 칼라 측정 위원회(CMC)에서 제안한 색차식으로CIEL * a * b * 를 기준으로 두 색 사이의 시감차를 계산하기 위한 것이다.
MPEG에서 사용되는 색좌표계는 균등 색공간이 아니므로 색좌표계내의 어떤 점의 색과 주변색에 대한 차이를 감지할 수 있는 경계가 비선형적인 특성을 내포하고 있어 원화상(Original Image)과 복원영상(Reconstructed Image) 사이의 색차를 적게 하기 위해서는 기존의 밝기(Y)성분과 액티비티에 의해 결정되는 양자화간격에 칼라를 고려해야 할 필요성이 있다. 따라서 기존의 YCbCr 좌표를 균등색공간인CIEL * a * b * 나CIEL * u * v * 등의 공간으로 변환하고, 원화상과 압축/복원화상과의 색차를 구한 후, 양자화간격을 결정하는 것이 시감특성을 더욱 반영하는 방법이다. 그러나, 실제 MPEG 부호화시 YCbCr 좌표를CIEL * a * b * 등으로 실시간 변환하는 것도 복잡도 면에서 불가능할 뿐만 아니라 색차 계산에도 많은 시간이 소요될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 색의 민감도 판별을 위하여 룩업테이블을 사용한다.
먼저, 제1 칼라 룩업테이블(33)을 구성하는 방법에 대하여 설명하면 다음과같다.
YCbCr를 0,32,64 순으로 각 8단계(8*8*8)로 구분하고 각 구간의 중심점의 YCbCr를 사용하여 원하는 색차(△E CMC : CMC가 제안한 색차공식에 의거)의 각 경계를 계산함에 있어서, 다음 세단계를 거쳐 수행된다.
제1단계. YCbCr를 8*8*8(YCbCr 각각 0,32,64,...,255)개의 구간으로 나누고, 각 구간의 중심을 기준으로 -Y 방향, +Y 방향, -Cb 방향, +Cb 방향, -Cr 방향, +Cr 방향의 6 방향으로 변화시키면서 원하는 색차만큼의 경계를 구한다
제2단계. 구해진 구간 마다의 값은 대표값에 대한 차로서 YCbCr의 최대, 최소값이다. 이때, Y의 범위는 16∼235이고, Ch, Cr의 범위는 16∼245까지가 유효하다.
제3단계. YCbCr 값은 영상의 소스가 ITU-R 권고안 709(1990), ITU-R 권고안 624-4 시스템 M, ITU-R 권고안 624-4 시스템 B,G,SMPTE 170M, SMPTE 240M(1987) 중 어떤 것이냐에 따라 각자 구해질 수 있다.
다음, 제2 칼라 룩업테이블(34)은 제5도의 예에서와 같이 크기별로 분류되어 n개의 종류로 나눠진다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 영상 부호화방법 및 장치에서는 밝기 성분 및 색 성분을 고려하여 동화상을 압축함으로써 인간의 시감특성에 더욱 가까운 고효율의 압축을 달성할 수 있다. 또한, 화상의 복잡도를 인간의 시감특성을 근거로 하여 평탄부와 복잡부로 분류함으로써 압축시 화상의 특성을 더욱 반영할 수 있다.또한, MPEG 엔코더 등에 적용되어 화상의 특성에 시감특성을 반영하여 고효율의 압축을 달성하는데 이용할 수 있다.
제1도는 종래의 MPEG2 영상 부호화장치를 나타낸 블럭도.
제2도는 본 발명에 의한 영상 부호화장치를 나타낸 블럭도.
제3도는 제2도에 도시된 매크로블럭 분류부의 세부 블럭도.
제4도와 제5도는 각각 제3도에 있어서 칼라 룩업테이블1과 칼라 룩업테이블2의 구성예를 나타낸 도면.
제6도는 복잡도의 예를 설명하기 위한 도면.
제7A,7B도는 각각 멕베쓰 챠트 칼라 오차허용도를 나타낸 그래프.
제8A∼8D도는 본 발명에 의해 각각 클래스 0, 클래스 1, 클래스 2, 클래스 3로 분류된 영상신호의 예를 나타낸 도면.

Claims (3)

  1. 부호화하고자 입력되는 영상신호를 구성하는 매크로블럭에 대한 각 화소값의 색차특성을 저장하고 있는 제1 칼라 룩업테이블과, 상기 매크로블럭의 평균색의 분류를 위해서 사용되는 제2 칼라 룩업테이블을 구비한 영상 부호화장치에 있어서,
    상기 제1 칼라 룩업테이블에 저장된 각 화소값의 색차특성을 근거로 하여, 상기 매크로블럭을 텍스쳐 마스킹을 사용하여 소정의 텍스쳐 클래스로 분류하는 제1클래스 분류과정;
    상기 매크로블럭을 4개의 서브블럭으로 나누어 상기 각 서브블럭의 평균색을 구하고, 상기 평균색에 대한 분류를 실시하여 상기 각 서브블럭의 분류값 중 최소값을 상기 매크로블럭의 칼라 클래스로 결정하는 제2클래스 분류과정; 및
    상기 제1 및 제2클래스 분류과정에서 분류된 클래스를 조합하여 상기 매크로블럭의 최종 클래스를 분류하는 제3클래스 분류과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화방법.
  2. 소스화상에 대하여 움직임 보상을 수행하여 차영상을 출력하는 옴직임 보상수단, 상기 차영상을 이산여현변환하는 이산여현변환기, 상기 이산여현변환된 차영상을 소정의 양자화간격으로 양자화하는 양자화기, 상기 양자화된 신호를 가변장부호화하는 가변장부호화기와, 상기 가변장부호화된 신호를 일정한 비트스트림으로 출력하는 버퍼를 구비한 영상 부호화장치에 있어서,
    상기 소스화상의 매크로블럭내에 존재하는 영상신호에 대한 색신호특성 및 복잡도특성을 근거로 하여 n개의 매크로블럭 클래스로 분류하기 위한 매크로블럭 분류기; 및
    상기 매크로블럭 클래스와 상기 버퍼의 충만도에 의해 상기 양자화간격을 제어하기 위한 레이트 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 매크로블럭 분류기는
    부호화하고자 입력되는 영상신호를 구성하는 매크로블럭에 대한 각 화소값의 색차특성을 근거로 하여, 상기 매크로블럭을 텍스쳐 마스킹을 사용하여 소정의 텍스쳐 클래스로 분류하기 위한 텍스쳐 마스킹부;
    상기 텍스쳐 마스킹부에서 사용되는 상기 인력 영상신호의 각 화소값의 색차특성을 저장하고 있는 제1 칼라 룩업테이블;
    상기 매크로블럭을 4개의 서브블럭으로 나누어 상기 각 서브블럭의 평균색을 구하고, 상기 평균색에 대한 분류를 실시하여 상기 각 서브블럭의 분류값 중 최소값을 상기 매크로블랙의 칼라 클래스로 결정하는 칼라 마스킹부;
    상기 칼라 마스킹부에서 상기 매크로블럭의 평균색의 분류를 위해서 사용되는 제2 칼라 룩업테이블; 및
    상기 텍스쳐 마스킹부와 상기 칼라 마스킹부에서 분류된 클래스를 조합하여 해당 매크로블럭의 최종 클래스로 분류하기 위한 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화장치.
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