KR100320454B1 - 화상압축장치와방법및화상복원장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 화상을 압축하여 전송할 수 있도록 하고, 수신측에서 이를 복원 할 수 있도록 하는 화상 압축 장치와 방법 및 화상 복원 장치에 관한 것이다.

종래에는 전송하고자 하는 영상을 다수의 블록으로 분할하고, 각 블록별로 스캐닝하고, 순서대로 호프만 코딩을 하여 하나의 전송단위 즉, 여러개의 블록을 패킷으로 묶어서 전송하게 되므로서, 전송 데이터의 손실이 발생할 경우 블록이 일그러질 수 있으므로 원영상이 손상될 수 있는 소지가 높다.

본 발명에서는 화상을 압축하게 됨에 있어, 전송단위로 묶인 각 블록의 같은 주파수대 데이터를 주파수대별로 모으고, 저주파 성분부터 배열시켜, 배열된 전송단위 전체 블록에 대하여 소정의 스캐닝순서에 따라서 주파수대별로 코딩하도록 하므로써, 압축율을 향상시켜 적은 대역폭의 낮은 데이터 전송률 때문에 발생하는 병목현상을 개선하도록 하며, 전송로에서 데이터 손실이 발생할 경우에도 최대한 원영상과 유사한 화상으로 복원할 수 있도록 하는 것이다.

Description

화상 압축 장치와 방법 및 화상 복원 장치{apparatus and method for compression of video data, and apparatus for decompression of video data}

본 발명은 화상을 압축하여 전송하게 됨에 있어, 압축율은 높이면서, 전송하고자 하는 원영상의 화질을 유지할 수 있도록 하는 것으로, 특히 저전송 통신망을 통해 압축영상을 전송할 경우에 있어, 화질의 손실을 최소로 하면서 원영상을 압축하여 전송할 수 있도록 하는 화상 압축방법과 압축장치에 관한 것이다.

또한, 상기와 같은 과정을 통해 압축 전송되어져 오는 원영상을 복원하는 복원 장치에 관한 것이다.

근래에 들어서 컴퓨터 통신망이나 화상통신의 발전으로 정지영상 또는 동영상을 전송하게 됨에 있어, 전송을 위하여 원영상을 압축하고 복원하는 기술이 중요하게 작용하고 있다.

특히, 원영상을 그대로 유지하면서 압축율을 높이고자 하는 기술이 더욱 중요하게 처리되고 있다.

압축율을 높이면 높일수록 영상의 전송시간 및 전송율을 향상시킬 수 있으나, 압축율을 높이면 높일수록 복원영상의 화질은 저하될 수 뿐이 없게 된다.

특히, 저전송 통신망의 경우 전송로의 대역폭이 작으므로, 병목(bottleneck) 현상이 발생하게 되므로, 이의 해결을 위해 압축율을 높을 경우 전송데이터의 손실시 복원영상의 화질의 손상정도는 커질 수 뿐이 없다.

따라서, 화질을 유지하면서 압축율을 높이는 것이 압축율을 높이기 위해 발생하는 계산량이나 메모리 사용량의 증가보다 중요한 요소로 작용하게 된다.

본 발명에서는 전송단위내 양자화된 각 블록의 데이터를 저주파수 성분부터 순서대로 배열하여 전송단위내 전체 블록에 대하여 스캐닝을 실행하도록 하므로써, 영상의 압축율을 높이면서도 원영상의 손실을 최소화할 수 있도록 하는 압축장치와 방법 및 복원 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 DCT(Discrete Cosine Transform)에 기반을 둔 엔코더(encoder)를 나타낸 것으로, 이를 참조하여 종래 화상 압축 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

8 ×8 블록 단위로 분할된 원영상(source image)의 데이터를 DCT 변환을 하는 DCT부(1)와, DCT변환된 각 블록의 데이터를 양자화(quantization)를 실행하는 양자화부(2)와, 양자화된 각 블록의 데이터를 스캐닝(scanning)한 후, 스캐닝되어 배열된 화상 데이터를 코딩하여 압축된 화상 데이터(compressed image data)를 출력하는 코딩부(3)를 포함하여 구성된다.

미 설명부호 2a는 양자화값을 저장하는 양자화 테이블(Table Specification)이며, 3a는 코딩 정보를 제공하는 코딩 정보 테이블(Table Specification)이다.

먼저, 원영상을 8 ×8 단위의 블록으로 분할한 다음 DCT부(1)를 통해 DCT 주파수변환을 실행하게 된다.

상기 DCT부(1)의 DCT 결과는 도 2에 도시된 바와 같이, 좌측상단부로 갈수록 저주파 성분이 모이게 되고, 하측하단부로 갈수록 고주파 성분의 값을 가진다.

이와 같은 값들을 시각적 특성을 반영하여, 시각적 특성에 민감한 저주파 성분의 값은 잘 보존을 하도록 하고, 고주파 성분의 값은 대부분이 '0'의 값을 갖도록 양자화를 실행하게 된다.

이후, 코딩부(3)에서는 코딩을 실행하게 되는 바,

도 2에서와 같이, 블록 내의 데이터를 지그재그(Zig Zag) 스캔을 실행한 후, 스캔된 값들을 호프만(Huffman) 코딩을 실행하여 화상을 압축하게 된다.

이때, DC 값에 있어서는 첫 번째 블록은 그대로 저장이 되고, 두 번째 블록부터는 바로 앞의 블록의 DC 값과의 차이가 저장이 되며, 각 AC값들은 각 블록단위로 호프만 코딩이 이루어지게 된다.

이와 같이, 각 블록의 코딩이 다 끝난 후에 전송할 단위(packet) 크기의 데이터에 들어가는 블록의 수만큼 배열하여 전송로로 보내게 된다.

도 3은 종래 스캐닝 과정에 있어, 한 패킷전송에서의 각 블록의 스캔순서를 나타낸 것으로, 이에 대한 스캔 순서의 배열은 도 8a에 나타낸 바와 같다.

즉, 첫 번째 블록(Block 1)부터 순차적으로 지그재그 스캔을 한 후, 순서대로 마지막 블록(Block n)까지 똑같은 순서로 스캔을 하는 것이다.

이와 같이 스캐닝이 완료되며, 상기에서 설명한 바와 같이 첫 번째 블록(Block 1)의 DC값은 그대로 저장이 되고, 두 번째 블록(Block 2) 부터는 앞 블록의 DC값과의 차이가 저장된다.

그리고, AC값의 경우는 각 블록 단위로 호프만 코딩 방식에 의해서 코딩을 하게 된다.

이때, 각 블록에서 0이 연속되는 정도에 따라 호프만 코딩이 이루어지게 되고, 블록내에서 0이 연속으로 16개 나오면 ZRL 코드를 내보내어 데이터를 줄이고,블록의 끝까지 0이 나오면 EOB(End Of Block)으로 표시하여 데이터의 양을 줄인다.

이와 같은 방법으로 전송되는 압축 화상은 도 4에 도시된 바와 같은 디코더(decoder)를 통해 상기한 과정의 역으로 압축된 화상을 복원하게 되는 바,

전송받은 압축 화상 데이터는 디코더(decoder)(11)를 통해 디코딩되고, 역양자화부(Dequantizer)(12)를 통해 역양자화 복원을 하고, IDCT(Inverse Discrete Cosine Transform)(13)에서 역DCT 변환을 실행하여 원영상을 복원(Reconstructed Image Data)하게 된다.

이때, 상기 디코더(11) 및 역양자화부(12)에서는 디코딩 테이블(11a) 및 역양자화 테이블(12a)을 통해 전송받은 압축 화상 데이터에 포함되어져 있는 코딩 정보 및 양자화 정보로부터 디코딩 정보 및 역양자화 정보를 제공받아 상기와 같이 영상을 복원하게 된다.

이와 같이 종래에는 각 블록별로 스캐닝하여 순서대로 호프만 코딩을 하여 하나의 전송단위 즉, 여러개의 블록을 패킷으로 묶어서 전송하게 되므로써, 전송 데이터의 손실이 발생할 경우 블록이 일그러질 수 있으므로 원영상이 손상될 수 있는 소지가 높다.

또한, 정지화 영상(JPEG) 전송에 있어서는 재시간 표시(Restart marker)라는 헤더를 두어 에러가 발생했을 경우 일정량의 손실후, 그 이후부터는 정상적인 화상이 출력되도록 하고 있으나, 종래의 경우 에러이후의 데이터는 재시작 표시가 나올 때까지 인식할 수 없게 되므로, 재시작 표시가 나오기 전까지의 잃어버린 데이터들에 의해서 복원여상이 심하게 손상되는 문제점이 있다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 화상을 압축하게 됨에 있어, 전송단위로 묶인 각 블록의 저주파 성분부터 주파수대별로 배열하고, 소정의 스캐닝 순서에 따라 주파수대별로 스캐닝하여 코딩하도록 하므로써, 압축율을 향상시켜 적은 대역폭의 낮은 데이터 전송률 때문에 발생하는 병목현상을 개선하도록 하며, 전송로에서 데이터 손실이 발생할 경우에도 최대한 원영상과 유사한 화상으로 복원할 수 있도록 한 것이다.

도 1은 종래 화상 압축 장치(DCT Based Encoder)의 구성을 보인 블록도.

도 2는 종래에 있어, 원영상을 다수의 블록으로 분할했을 때, 블록의 구조 및 지그재그 스캐닝 과정을 보인 도면.

도 3은 종래에 있어서, 전송단위로 묶인 패킷(packet)내에서의 스캐닝 순서를 나타낸 도면.

도 4는 종래 화상 복원 장치(DCT Based Decoder)의 구성을 보인 블록도.

도 5는 본 발명 화상 압축 장치의 구성을 보인 블록도.

도 6은 본 발명 화상 압축 방법의 전체 실행수순을 나타낸 플로우챠트.

도 7a, 도 7b는 본 발명 화상 압축방법의 실시예로서, 지그재그 스캐닝을 이용한 코딩과정을 나타낸 플로우챠트.

도 8a는 종래 전송단위내 n개의 블록에 대한 스캔순서의 배열을 나타낸 도면.

도 8b는 본 발명에 있어서, 전송단위내 n개의 블록에 대하여 같은 주파수대의 값을 모아 재배열한 상태를 나타낸 도면.

본 발명 화상 압축 장치는 다수의 블록으로 분할된 화상을 주파수 변환하는 DCT 실행수단과, 주파수 변환된 데이터를 일정 기준 양자화값을 이용하여 양자화를 실행하는 양자화실행수단과, 전송단위내 각 블록의 양자화 데이터를 같은 주파수대별로 재배열하여 소정의 스캐닝 순서에 따라 재배열된 데이터를 스캐닝하는 스캐닝 수단과, 스캐닝된 데이터를 코딩하는 코딩수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같은 화상 압축 장치에 의해 이루어지는 본 발명의 화상 압축 방법은,

DCT 실행된 화상 데이터를 양자화한 후, 양자화된 데이터를 스캐닝하여 코딩하도록 하는 화상 압축 과정을 포함하는 화상 압축 방법에 있어서,

전송패킷단위내 각 블록의 동일 주파수의 데이터를 주파수대를 우선 순위로 배열하고, 소정의 스캐닝 순서에 따라서 각 주파수대별로 스캐닝하며, 상기 블록의 개수는 상기 전송패킷의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 특징을 갖는 본 발명 화상 압축 장치와 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5에서와 같이, 다수의 8 ×8 블록으로 분할되어 읽어들인 원영상(Source Image Data)은 DCT부(21)에서 DCT처리되어 주파수 변환되고, 이와 같이 주파수 변환된 화상 데이터는 양자화부(22)에서 양자화 테이블(22a)로부터 제공되는 기준 양자화 값에 따라 양자화 실행된다.

이와 같이 양자화된 데이터는 스캐닝부(23)에서 전송단위인 패킷단위로 묶어, 패킷 단위내 각 블록의 데이터에서 같은 주파수대별로 저주파 성분부터 재배열하게 된다.

즉, 데이터의 재배열이란 스캐닝을 의미하는 것으로, 전송단위인 일정 개수(n)개의 블록에서 같은 주파수대로 묶여 배열된 값을 주파수대별로 스캔하도록 하는 것이다.

코딩부(24)에서는 코딩 정보 테이블(24a)에서 제공되는 정보에 따라 상기와 같이 재배열된 데이터를 호프만 코딩하게 된다.

도 6은 본 발명의 화상 압축 방법의 실행수순을 나타낸 플로우챠트이며, 도 7a, 7b는 본 발명의 화상 압축 방법에 있어, 지그재그 스캐닝을 이용한 데이터 스캔 및 코딩 과정을 나타낸 플로우챠트로서, 도 6과 도 7a 및 도 7b를 참조하여 실행과정을 설명하면 다음과 같다.

전송단위인 패킷이 n개의 블록일 때, n개의 모든 블록을 DCT 및 양자화를 실행한 후, 이와 같이 양자화를 실행한 블록에 대하여 데이터 재배열을 실행하게 된다.

패킷내 각 블록에서 같은 주파수대를 갖는 값을 블록 순서대로 묶어, 주파수대별로 데이터를 배열하게 된다.

이와 같이 배열하면, 도 8b에서와 같이, 각 블록의 DC값들이 먼저 배열되고, 다음에 AC 값들이 배열된다.

따라서, 앞쪽으로는 0이 아닐 확률이 높은 저주파 성분의 데이터들이 모이게 되며, 뒤로 갈수록 0이 될 확률이 높은 고주파 성분의 데이터들이 모이게 되므로써, 많은 양의 '0'을 한번에 모을 수 있게 되어 데이터의 압축량을 줄일 수 있게 된다.

예를 들어, 데이터 코딩시 '0'이 32개이상 연속되는 경우에 이를 나타내는 특수코드를 넣고, 다음 한 바이트의 값을 연속된 '0'의 개수로 표시할 수 있게 되므로, 압축되는 데이터의 양을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이후, 이와 같이 배열된 데이터를 종래의 한 개의 블록에서 이루어지는 지그재그 스캐닝과 같은 순서로 상기한 바와 같이 주파수대별로 분류된 데이터를 스캔하게 되는 바,

도 8b에서와 같이 배열된 값에서, 각 블록의 DC 값들만 모인 DC 들을 먼저 스캐닝하고, AC₀₁, AC_10,AC₂₀, AC₁₁, AC₀₂......AC₇₇순으로 스캐닝을 하는 것이다.

즉, 지그재그 스캐닝의 순서에 따라서, 각 블록의 같은 주파수대값을 함께 스캐닝하는 것으로, 각 블록의 DC값들이 먼저 스캐닝되고, 다음으로 AC₀₁에 해당하는 각 블록의 데이터값, AC₁₀, AC₂₀의 순으로 스캔이 되는 것이다.

도 7a와 도 7b는 상기와 같은 지그재그 스캐닝 수순을 표현한 것으로, 여기 서, 'j'와 'k'는 지그재그 스캐닝을 실행하기 위한 계수이다.

도 7a의 과정을 실행하게 되면, AC₇₀까지 스캐닝을 하게 되며, 도 7b의 과정을 실행하면, 각 블록 AC₇₇까지의 데이터 스캐닝이 완료되며, 이와 같이 완료된 데이터를 코딩하게 된다.

이와 같이 압축된 화상 데이터에는 일반적인 화상 압축정보에 상기한 바와 같은 스캐닝 정보가 포함되어 함께 전송된다.

도 9는 본 발명에서와 같은 방법으로 인하여 압축된 화상을 복원할 수 있도록 하는 복원 장치(Decoder)의 구성을 나타낸 블록도로서,

상기한 바와 같이 압축된 화상 데이터를 전송받으면, 디코더(31)에서는 코딩정보 테이블(31a)로부터 제공되는 압축 화상 데이터의 코딩 정보를 입력받아 디코딩하게 되고, 디코딩된 데이터는 데이터 재배열부(32)를 통해 압축당시의 스캐닝정보에 따라 블록순서대로 데이터를 배열하게 된다.

이와 같이 배열된 데이터는 일반적인 복원 장치에서와 마찬가지로 역양자화부(33) 및 IDCT부(23)를 통해 원래의 화상데이터로 복원(Reconstructed)하게 되는 것이다.

상기에서 설명한 바대로 종래에는 DCT연산이 끝난 각 블록을 양자화한 후 바로 블록별로 스캐닝 및 코딩을 하여 전송단위에 따라 압축된 화상 데이터를 전송하게 되지만, 본 발명에서는 양자화된 블록을 전송단위로 묶고, 전송단위내 각 블록의 같은 주파수대의 값을 모아, 전송단위내 블록 전체를 정해진 스캐닝순서에 따라서 코딩하여 전송하게 된다.

즉, n개의 블록을 하나의 전송단위로 볼 때, 종래에는 블록별로 지그재그 스캐닝하여 호프만 코딩을 실행하게 되지만, 본 발명은 전송단위내 블록에서 같은 주파수대의 값을 모아 하나의 블록으로 가정하여 지그재그 스캐닝을 실행한 후, 호프만 코딩을 실행하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 전송단위대 각 블록의 같은 주파수대를 모아 배열하게 되므로써, '0'일 확률이 높은 고주파 성분의 데이터가 한쪽에 모이게 되므로서, 데이터의 압축량을 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 모인 데이터를 저주파 성분부터 배열시키게 되므로써, 뒤쪽으로 갈수록 상기의 고주파 성분의 데이터가 모이게 되므로, 데이터 전송시 중간에 에러가 발생하게 되어 재시작 표시(restart marker)까지 데이터를 잃어버리더라도 먼저 화질에 중요하게 작용하는 저주파 성분의 데이터가 전송되어진 후이므로, 상당 정도 식별 가능한 화상을 복원할 수 있게 된다.

따라서, 압축된 화상 데이터를 전송하게 될 때, 화질을 유지하면서 데이터의 압축량을 줄일 수 있게 되므로, 저전송망을 이용하는 컴퓨터 통신망이나, 전화망을 이용한 화상통신 등에 효과적으로 적용할 수 있다.

Claims (2)

1. DCT 실행된 화상 데이터를 양자화한 후, 양자화된 데이터를 스캐닝하여 코딩하도록 하는 화상 압축 과정을 포함하는 화상 압축 방법에 있어서,

   전송패킷단위내 각 블록의 동일 주파수의 데이터를 주파수대를 우선순위로 배열하는 단계와,

   소정의 스캐닝 순서에 따라서 각 주파수대별로 스캐닝하여 코딩하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화상 압축 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 블록의 개수는 상기 전송패킷의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 화상 압축 방법.