KR100317412B1 - 잡음감소를이용한비디오신호압축장치 - Google Patents
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Abstract
예측 DPCM 압축 형태의 비디오 신호 압축 장치의 잡음 감소 회로는 예측 영상 신호와 실제 영상 신호 사이의 잉여치를 제거하도록 DPCM 루프(12,15,16,18,1333)내에 단일 비선형 처리 소자(500)를 구비하고 있다. 이러한 잉여치를 제거함으로써 적당한 잡음량을 포함한 신호에 대해 발생된 압축된 데이타의 량을 상당히 감소시킬 수 있다.
Description
본 발명은 차동 펄스 코드 변조(DPCM) 비디오 신호 압축 장치의 잡음 감소에 관한 것으로, 특히 DPCM 루프내에 사용하기 위한 잡음 감소 장치에 관한 것이다.
비디오 신호의 압축을 위한 예측 코딩(predictive coding)은 현재 영상이 시간적으로 인접한 영상들로부터 쉽게 예측되는 경우 최상의 기능을 한다. 그러나, 원 영상이 잡음을 포함하고 있는 경우, 정확한 예측이 어렵게 되고 압축 효율이 떨어지거나 재생 영상의 화질이 저하된다. 그러므로, 압축 처리 이전에 압축될 비디오 신호의 잡음을 최소화하는 것이 바람직하다.
종래 기술의 예측 영상 코딩 시스템을 예시한 제1도에서는 여러 구성요소들(12∼22)에 의해 후술되는 실제 예측 부호화기를 형성하고 있다. 이러한 종래 기술의 잡음 감소 시스템은 통상 압축 이전에 비디오 신호를 사전 처리하기 위해 순환형 잡음 감소 필터(10)를 구비하고 있다. 필드 또는 프레임 순환형 필터는 활성 신호의 대역폭 내에서의 잡음 성분을 효과적으로 감소시킬 수 있어 선호되어 왔다. 그러나, 이러한 필터는 메모리 집약적이며, 동영상 주변에 바람직스럽지 못한 아티팩트(artifact)를 나타내지 않고 잡음을 현저히 감소시키기 위해 비교적 복잡한 처리 회로를 필요로 한다.
본 발명의 목적은 최소의 추가 하드웨어로 예측 인코더용의 고효율 잡음 감소 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 소정값보다 적은 예측 영상 신호와 실제 영상 신호간의 잉여치(residue)를 제거하기 위해 간략한 비선형 처리 소자가 DPCM 루프에 포함되는 예측 DPCM 압축 장치를 구비하고 있다. 이러한 잉여치를 제거함으로써 적당한 양의 잡음을 포함한 신호에 대해 발생된 압축 데이타 양이 현저히 감소될 것이다.
본 발명은 국제 표준화 기구(ISO)의 동화상 전문가 그룹(MPEG)에 의해 확립된 표준에 기술된 것과 유사한 비디오 압축에 관련하여 설명될 것이다. MPEG 프로토콜에 기술된 형태의 움직임 보상 예측 인코딩은 인트라프레임 인코딩(intraframe encoding) 및 인터프레임 인코딩(interframe encoding)을 필요로 한다. 즉, 모든 N 프레임은 규칙적인 시간 신호 공급을 보장하기 위해 인트라프레임 인코딩된다. 개재 프레임(intervening frame)은 이전 프레임(prior frame)에 좌우되는 후속 프레임의 압축된 데이타로 인터프레임 또는 DPCM 예측 인코딩된다. 인트라프레임 인코딩 프레임은 Ⅰ 프레임으로 지정되고, 인터프레임 인코딩프레임은 순방향으로만 예측되는지 또는 순방향과 역방향 양쪽으로 예측되는지에 따라 P 프레임 또는 B 프레임의 하나로 지정된다. 예측 코딩의 처리 방법은 각 영상을 소영역으로 분할하는 단계와, 인접 영상내의 동일 영역 또는 거의 동일한 영역을 위치 확인하기 위해 인접 영상들을 탐색하는 단계를 수반한다. 인접 영상내의 영역의 위치와, 현재 영상의 영역과 이에 대응하는 인접 영상의 동일 영역 또는 거의 동일한 영역간의 차분이 전송을 위해 코딩된다. 대응하는 영역이 실제로 동일하다면, 모든 차분들은 제로가 될 것이고, 영역은 대응하는 영역의 위치를 식별하는 벡터 및 모든 차분들이제로라는 것을 나타내는 코드로 간편하게 코딩될 수도 있다. 따라서, 압축된 동일 또는 거의 동일한 영상은 비교적 소수의 코드워드로 실현될 수 있다. 이와 달리, 영상이 상당한 잡음을 포함한 경우, 영상 영역의 프레임 대 프레임의 상관(correlation)은 잉여 데이타의 부수적인 증가 및 이에 대응하는 압축 코드워드의 증가로 악화될 것이다.
제1도에서, 예컨대, 카메라에 의해 발생된 비디오 신호는 압축을 위해 비디오 신호를 조절하는 순환형 잡음 감소 필터(10)에 인가된다. 그 외의 장치들은 비교적 잘 알려진 구성이므로 단지 일반적인 설명만이 제공될 것이다. 잡음 감소 필터(10)로부터의 Ⅰ 프레임 픽셀 데이타는 감산기(12)에 의해 인코더(15)에 변경되지 않은 채 통과된다. 인코더(15)는 픽셀 데이타(8×8 픽셀 블록내의)에 대해 이산 코사인 변환(DCT)을 수행하여 이산 코사인 변환 계수를 발생시킨다. 이 계수들은 데이타 레이트를 제어하기 위해 양자화되고, 효과적인 런렝쓰 코딩(run-length coding)을 위해 제로값 계수의 대부분을 합하는 소정의 시퀀스로 배열된다. 그리고 나서, 인코더는 이 계수들을 런렝쓰 및 통계적으로 인코딩한다. 코딩된 픽셀 표시 데이타는 포맷터(formatter)(19)에 인가되며, 이 포맷터(19)는 선택된 압축 프로토콜, 예컨대 MPEG2 에 따라 프레임내의 각 블록의 원위치, 코딩 타입(I, P, B), 프레임 번호, 타임 스탬프 등을 나타내기 위한 정보를 부여한다. 포맷터로부터의 데이타는 전송 프로세서(20)에 제공되며, 전송 프로세서(20)는 포맷된 데이타를 특정 비트수의 페이로드 패킷(payload packet)으로 분할하고, 각각의 페이로드를 추적하기 위한 식별자를 발생시키며, 동기 정보를 발생시켜 에러 정정/검출 코드를 형성하고, 전송 패킷을 구성하기 위해 각각의 페이로드 패킷에 식별자, 동기 정보, 에러 정정/검출 코드 모두를 부가한다. 전송 패킷은 전송을 위해 적합한 모뎀(22)에 제공된다.
인코더(15)로부터의 I 압축 프레임은 인코더(15)의 역기능을 수행하는 디코더(16)에 제공된다. I 압축 프레임은 디코더(16)에 의해 재생된(신장된) I 프레임으로서 출력된다. 신장된 I 프레임은 가산기(18)에 의해 변경되지 않은 채 버퍼 메모리(17)에 제공되어 후속 P 프레임과 B 프레임의 예측 압축을 위해 저장된다. P 프레임과 B 프레임의 예측 인코딩은 유사하므로 P 프레임 압축에 대해서만 논의될 것이다. 현재 압축되는 P 영상 프레임은 움직임 추정기(14)에 제공되고 이 추정기는 프레임을 예컨대 16×16 픽셀의 블록으로 분할한다. 추정기(14)는 선행 I 프레임 또는 P 프레임을 유사한 16×16 픽셀 블록으로 탐색하고, 현재 프레임내의 블록과 탐색되는 프레임내의 가장 동일한 블록의 공간 좌표에서의 상대적인 차분을 나타내는 한 세트의 벡터를 계산한다. 이 벡터를 이용하여 버퍼 메모리(17)내의 대응하는 신장된 프레임으로부터의 대응 블록이 감산기(12)에 제공되고, 이 감산기(12)는 메모리(17)로부터의 예측 블록을 신장되고 있는 현재 프레임의 대응 블록으로부터 픽셀×픽셀에 기초하여 감산한다. 감산기예 의해 제공된 차분 또는 잉여치는 인코더(15)에 제공되어 I 프레임 픽셀 데이타와 유사하게 처리된다. 추정기(14)에 의해 발생된 벡터는 포맷터(19)에 제공되어 각 블록과 관련된 코딩 데이타의 일부로서 포함된다.
압축 P 프레임은 디코더(16)에서 디코딩되고 가산기(18)에 제공된다. 동시에, 프레임이 예측되었던 영상 프레임의 각 블록은 예측기(13)에 의해 버퍼 메모리로부터 액세스되어 가산기(18)의 제2 입력에 제공되고, 가산기(18)에서는 디코딩된 잉여치 또는 차분이 실제 영상을 복원하기 위해 픽셀×픽셀를 기초로 가산된다. 가산기(18)로부터의 복구 픽셀 P 프레임 데이타는 후속 P 프레임 및 B 프레임을 예측 인코딩/디코딩하기 위해 버퍼 메모리(17)에 저장된다.
I 프레임이 처리되는 경우, 예측기(13)가 감산기(12) 및 가산기(18) 둘다에 제로값을 제공한다는 점에 주목하여야 한다. 따라서, 입력되는 I 프레임은 감산기(12)에 의해 변경되지 않은 채 통과되고, 디코더(16)로부터의 디코드된 I 프레임은 가산기(18)에 의해 변경되지 않은 채 통과된다.
제2도는 본 발명의 제1 실시예를 도시하고 있다. 제2도에서, 압축 장치는 제1도의 구성요소와 유사하고, 제1도의 구성요소와 동일한 도면 부호가 부여된 구성요소들은 동일 기능을 수행한다. 제2도는 제1도에 비해 비선형 소자(500)가 추가되어 있고 제1도의 예측기(13)의 기능을 수행하는 예측기(1333)에 약간의 추가 기능이 부가되어 있다는 두 가지 중요한 차이점이 있다.
비선형 소자(500)는 감산기(12)와 인코더(15) 사이에 접속된다. 이 소자는 소정값 이상의 신호값만을 통과시키도록 구성되어 있다. 비선형 소자(500)로는 제3도의 구분적 선형 함수(곡선 B)에 의해 도시된 바와 같이 소정값 이하의 모든 값에 대해서는 제로값을 출력하고 소정값을 초과하는 모든 값에 대해서는 신호값에서 소정값을 뺀 신호값을 출력시키는 간략한 코어링 회로(coring circuit)가 사용될 수 있다. 이와 달리, 소정값보다 더 적은 모든 신호값에 대해서는 제로값을 출력하고소정값을 초과하는 모든 신호값에 대해서는 신호값을 그대로 출력하는 보다 통상적인 코어링 회로가 사용될 수도 있다. 비선형 소자(500)의 다른 함수로는 제3도에 A 로 표시된 곡선과 같이 더욱 완만하게 곡선을 이루는 함수가 가능하다. 이들 함수는 모두 처리될 신호에 의해 어드레스되도록 배열된 메모리내의 각 어드레스 위치에 함수를 프로그래밍함으로써 제공될 수 있다.
압축기는 두 가지 유형의 압축, 즉 인트라프레임 압축과 인터프레임 압축을 수행한다. 인터프레임 압축에 있어서, 비선형 소자(500)에 제공된 신호는 2개의 독립 프레임의 픽셀 차분을 취함으로써 얻어진 잉여치이다. 인트라프레임 압축에 있어서, 비선형 소자(500)에 제공된 신호는 변경되지 않은 비디오 신호이다. 인터프레임의 잡음 능력은 인트라프레임 잡음 능력보다 2½만큼 크고, 인터프레임의 신호 레벨은 상당히 적다. 그러므로, 인트라프레임 비디오 신호의 신호 대 잡음비는 신호를 열화시키는 잡음양에 관계없이 인터프레임 잉여치의 신호 대 잡음비보다 훨씬 더 크다.
신호 대 잡음비의 차를 고려하면, 인트라프레임 압축 동안 가해지는 비선형 함수는 인터프레임 압축 동안 가해지는 함수와 상이해야 한다. 예컨대, 비선형 함수가 구분적 선형 코어링(piecewise linear coring)이라면, 인트라프레임 값이 그 이하에서 코어링될 소정 값은 인터프레임 잉여치의 경우보다 상당히 크게 될 것이다. 이와 달리, 인트라프레임 신호의 신호 대 잡음비가 잉여치에 비해 비교적 클 것이므로, 비선형 소자는 인트라프레임 신호를 변경하지 않은 채 통과시키도록 조절될 수 있다. B 프레임 및 P 프레임 예측 코딩된 프레임의 상대적인 신호 대 잡음비는 또한 P 프레임들간의 B 프레임의 수에 따라 상당히 상이하게 될 수 있다. 따라서, 상이한 형태의 예측 코딩을 위해 소자(500)에 상이한 비선형 함수를 제공하는 것이 적합할 것이다. 비선형 소자를 적응형(adaptive)으로 제어하는 것은 코딩되는 I 프레임, P 프레임 및 B 프레임에 대해 각 제어 신호를 인가하는 예측기(1333)에 의해 수행된다.
제4도는 모든 형태의 압축 인터프레임 및 인트라프레임에 대해 유사한 비선형 함수를 이용하는 실시예를 도시하고 있다. 제4도에서, 제1도의 구성요소와 동일한 도면 부호가 부여되어 있는 구성요소는 동일 기능을 수행한다. 제4도의 회로는 감산기(12)와 인코더(15) 사이에 비선형 소자(50)를 구비하고 있다. 비선형 소자의 함수는 제5도에 도시된 함수(표준 코어링 함수)에 대해 설명된 것과 같은 함수와 유사할 것이다.
인터프레임 프레임의 압축 동안, 스위치(sw1, sw2)는 예시된 위치와 다른 위치에 있다. 이 위치의 스위치를 이용하여, 시스템은 인터프레임 코딩을 위한 제2도의 시스템과 같이 구성되고, 정확하게 제2도의 시스템으로서 동작한다. 따라서, 비선형 소자(50)의 비선형 함수는 인터프레임 코딩을 위한 수행 기대치에 따라 선택될 것이다.
인트라프레임 코딩을 위해서는 디코더(16)로부터의 디코딩된 인트라프레임 신호를 변경되지 않은 채 가산기(18)에 통과시킬 필요가 있다. 이것은 I 프레임의 코딩 동안 제로값을 통과시키도록 예측기(133)에 의해 조절되는 스위치(sw1)를 사용함으로써 효과적으로 달성된다. 동시에, 스위치(sw2)는 제4도에 도시된 위치로 이동된다.
비선형 소자가 비교적 높은 신호 대 잡음비 면에서 I 프레임 신호에 대해 유효한 효과를 갖게 하기 위해, I 프레임 신호는 잡음 처리를 위해 인위적으로 감소되고 잡음 처리후에 복원된다. I 프레임 신호의 감소는 예측 I 프레임을 발생시키고 그 예측 I 프레임을 감산기(12)에 인가함으로써 달성된다. 감산기에 의해 발생된 차분은 인터프레임 잉여치와 동일한 정도의 크기가 될 것이고, 그에 따라 비선형 소자는 차분에 대해 유사하게 동작할 것이다. 예측기(133)로부터 제공된 예측 신호는 입력 I 프레임 신호를 실질적으로 원래 값으로 복원시키기 위해 비선형 소자로부터 제공된 신호에 다시 가산된다.
여러 방법이 예측 I 프레임을 발생시키기 위해 이용될 수 있다. 한가지 방법은 예측기(133)를 단순히 현재 I 프레임과 연결되는 픽셀의 블록을 버퍼(17)내의 최종 디코딩된 프레임(I 프레임이 아닐 수도 있음)으로부터 출력시키도록 조절하는 것이다. 그러나, I 프레임의 보다 정확한 예측을 제공하는 바람직한 방법은 P 프레임 또는 B 프레임을 예측하는 것과 유사한 방식으로 I 프레임을 예측하는 것이다. 예측은 시간적으로 이격된 프레임내의 유사한 픽셀 블록간의 공간적인 대응을 제공하는 움직임 벡터를 필요로 한다. 코팅된 I 프레임은 일반적으로 움직임 벡터를 포함하지 않는다. 그러나, 인코더가 P 프레임과 B 프레임에 대한 벡터를 발생시키기 위한 움직임 벡터 발생 장치를 구비하므로, I 프레임에 대한 움직임 벡터를 발생시키도록 상기 장치를 프로그래밍하는 것은 간단하다. 이들 움직임 벡터는 잡음 감소목적을 위해 예측 I 프레임을 발생시키도록 인코더에서 사용되고 나서 폐기된다. 즉, 코딩된 비트 스트림에 포함되지 않는다. 이와 달리, I 프레임 움직임 벡터는 MPEG 프로토콜에서 제안된 바와 같은 에러 은폐 목적을 위해 코딩된 비트 스트림에 포함될 수도 있다.
비선형 소자(50)가 통상 비교적 작은 값인 T 값보다 더 큰 크기를 갖는 모든 신호 샘플들을 통과시키도록 프로그램된다고 가정한다. 또한, 예측기로부터 제공된 신호가 S(n)이고, 입력 I 프레임 신호가 I(n)이라고 가정한다. 비선형 소자(50)를 무시하면, 스위치(sw2)의 상부 접촉부에 제공되는 신호는 I(n) - S(n) 이다. 이 신호는 가산기(52)의 한 입력단에 인가되고, 신호 S(n)은 가산기(52)의 제2 입력단에 인가된다. 가산기(52)는 신호 I(n) - S(n) + S(n) = I(n)을 제공한다. 이들 값은 인코더(15)에 제공되고, 입력값에서 변경되지 않는다. 감산기(12)에 의해 제공된 차분이 ±T 이내인 출력값 I(n)들만이 비선형 소자(12)에 의해 영향을 받게 될 것이다. 그러므로, 예측기(133)에 의해 제공된 I 프레임 예측이 매우 정확하다면, 즉 ±T 의 편차이내라면 매우 유용하게 되고, 이 경우 비선형 소자(50)는 실질적으로 잡음 성분에만 영향을 미치게 된다.
전술한 설명은 프레임이 인트라프레임 코딩된 프레임 또는 인터프레임 코딩된 프레임으로서 완전히 인코딩된다고 가정하고 있다. MPEG 표준에서, 예컨대, 비디오 신호는 블록×블록을 기초로 코딩되고, 탐색 프레임내의 블록에 대해 밀접한 매칭이 발견될 수 없다면 인트라프레임 코딩 모드에서 P 프레임 또는 B 프레임의 특정 블록을 코딩하도록 규정된다. 이들 예에서, 예측기(13, 133, 1333)는 현재 처리 형태에 따라 블록×블록을 기초로 각각 비선형 처리 소자(15, 50, 500)를 스위치하도록 프로그래밍된다. 따라서, 첨부된 청구범위에서, 인터프레임 처리 모드에 따른 압축 프레임에 대해 기술된 경우, 이러한 프레임내의 픽셀의 블록중 일부가 인트라프레임 처리되는 것으로 이해되어져야 하고, 청구범위는 이러한 혼합 모드 처리 프레임에 적용되는 것으로 간주할 수 있다.
제1도는 종래의 DPCM 압축 장치의 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 잡음 감소 장치를 구비하는 압축 장치의 블록도.
제3도는 제2도에 도시된 잡음 감소 장치의 비선형 전달 함수를 예시하는 도면.
제4도는 본 발명에 따른 잡음 감소 장치를 구비한 다른 압축 장치의 블록도
제5도는 제4도에 도시된 잡음 감소 장치의 비선형 전달 함수를 예시하는 도면.
〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉
12 : 감산기
13, 133, 1333 : 예측기
14 : 움직임 추정기
15 : 인코더
16 : 디코더
17 : 버퍼 메모리
18 : 가산기
19 : 포맷터
50, 500 : 비선형 소자
Claims (7)
- 인트라프레임 코딩 및 인터프레임 코딩을 이용하여 MPEG 등의 포맷으로 비디오 신호를 압축하는 장치에 있어서,비디오 신호를 제공하기 위한 비디오 신호 입력 단자와;상기 비디오 신호 입력 단자에 접속된 제1 입력 단자와, 상대적으로 큰 크기의 값과 상대적으로 작은 크기의 값 사이의 크기값의 범위를 갖는 잉여치를 제공하기 위한 제2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 감산기와;입력되는 신호를 상기 인트라프레임 코딩 및 인터프레임 코딩 모두를 이용하여 인트라프레임 코딩된 출력 데이타와 인터프레임 코딩된 출력 데이타에 상기 잉여치가 포함되도록 압축하기 위한 변환 수단을 구비하는 압축 수단과;상기 감산기의 제2 입력 단자에 접속되며, 상기 압축 비디오 신호에 응답하여 인코드되는 비디오 신호의 예측치를 나타내는 인트라프레임 및 인터프레임 예측 신호를 생성하는 역변환 수단을 포함하는 영상 신호 예측 수단과;상기 감산기의 출력 단자와 상기 압축 수단 사이에 접속되며, 상기 상대적으로 큰 크기를 갖는 잉여치를 상기 상대적으로 작은 크기를 갖는 잉여치 미만으로 감쇠시키는 비선형 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제1항에 있어서,상기 비선형 소자는 코어링 회로인 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제1항에 있어서,상기 비디오 신호는 프레임으로 발생되며,상기 압축 수단은 상기 비디오 신호의 일부 프레임을 인트라프레임 코딩에 의해 압축하고 나머지 상기 프레임을 인터프레임 코딩에 의해 압축하며, 인트라프레임 코딩되는 프레임을 인터프레임 코딩되는 프레임과 상이하게 처리하도록 상기 비선형 소자를 조절하는 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제1항에 있어서,상기 비디오 신호는 프레임으로 발생되며,상기 압축 수단은 상기 프레임의 일부를 인트라프레임 코딩에 의해 압축하고 나머지 상기 프레임을 인터프레임 코딩에 의해 압축하며,상기 영상 신호 예측 수단은 상기 인트라프레임 코딩의 구간 동안 상기 감산기의 제2 입력 단자에 예측 영상 프레임을 통과시키도록 구성되며,상기 감산기의 제2 입력 단자에 접속되는 제1 입력 단자와, 상기 비선형 소자의 출력 단자에 접속되는 제2 입력 단자와, 출력 단자를 갖는 가산기와;상기 비선형 소자의 출력 단자에 접속되는 제1 단자와, 상기 가산기의 출력단자에 접속되는 제2 입력 단자와, 상기 압축 수단에 접속된 출력 단자를 갖는 스위치와;프레임이 인터프레임 코딩될 때에는 상기 스위치로 하여금 자신의 제1 입력단자에 제공되는 신호를 통과시키도록 하고, 프레임이 인트라프레임 코딩될 때에는 상기 스위치로 하여금 자신의 제2 입력 단자에 제공되는 신호를 통과시키도록 상기 스위치를 조절하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제1항에 있어서,상기 비선형 소자의 전달 함수는 상기 영상 신호 예측 수단의 압축 모드에 응답하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제5항에 있어서,상기 비선형 소자는 인트라프레임 압축을 이용하는 제1 압축 모드에서는 제 1 전달 함수를 나타내고, 인터프레임 압축을 이용하는 제2 압축 모드에서는 제2 전달 함수를 나타내는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
- 제5항에 있어서,상기 비선형 소자는 제1의 MPEG Ⅰ 프레임 압축 모드에서는 제1 전달 함수를 나타내고, 제2의 MPEG B 또는 P 프레임 압축 모드에서는 제2 전달 함수를 나타내는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 압축 장치.
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