KR100336497B1 - 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율제어장치 및 방법 - Google Patents

공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동영상을 고정 비트율로 부호화 하는 경우, 양자화 계수를 결정하는 단계에서 공간예측 오차를 적용하여 영상의 복잡도를 구함으로써, 동일 비트율 조건에서 보다 효율적으로 부호화할 수 있는 율 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 동영상을 고정 비트율로 부호화하는 경우, 비트 발생량을 보다 정확히 예측할 수 있는 공간예측 오차를 비트 발생량 모델에 적용함으로써 동일 비트율 조건에서 보다 높은 화질로 부호화할 수 있다.
이러한 본 발명은, 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법에 있어서, 공간예측 오차를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 계산된 매크로 블록의 복잡도를 이용하여 양자화 계수를 결정하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 결정된 양자화 계수를 이용하여 매크로 블록을 부호화하고, 실제 발생한 비트량을 이용하여 비트 발생량 모델을 갱신하는 제 3 단계를 포함한다. 본 발명은 동영상 부호화기, 동영상 편집 및 제작기 등에 이용될 수 있다.

Description

공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어장치 및 방법 {Rate Control Apparatus and Method Using Spatial Prediction Error Model for Moving Picture Coding}
본 발명은 동영상의 공간예측 오차 기반 율 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 동영상을 고정 비트율로 부호화 하는 경우, 양자화 계수를 결정하는 단계에서 공간예측 오차를 적용하여 동일 비트율 조건에서 보다 효율적으로 부호화할 수 있는 율 제어방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 동영상을 고정 비트율로 부호화 하는 경우, 최적의 화질로 부호화된 결과를 얻기 위한 율 제어방법에 관한 것이다. 종래의 율 제어방법은 복잡도 측정방법으로서, 절대값 평균(Mean Absolute Difference ; MAD) 또는 평균 자승 오차(Mean Square Error ; MSE)를 사용하였는 바, 이들 방법들을 사용하여 예측한 비트 발생량은 실제 비트 발생량과 잘 맞지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 동영상을 고정 비트율로 부호화하는 경우, 매크로 블록의 양자화 계수를 결정하는 단계에서 복잡도 척도로 공간예측 오차를 적용하여, 보다 정확하게 비트 발생량을 예측할 수 있고 동일 비트율 조건에서 보다 효율적으로 부호화할 수 있으며, 이로 인해 동영상을 보다 높은 효율로 부호화할 수 있도록 하는 공간예측 오차모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 동영상 부호화 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 동영상 부호화기의 율 제어방법을 도시한 동작 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
101 : 움직임 추정부 102 : 이산코사인변환부
103 : 양자화부 104 : 가변길이 부호화부
105 : 버퍼 106 : 화면내 공간예측 오차부
107 : 화면간 공간예측 오차부 108 : 양자화 계수 산출부
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공간예측 오차모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어장치는, 입력되는 동영상을 움직임 추정부와 이산코사인변환(DCT)부와 양자화부와 가변길이 부호화부와 버퍼를 거쳐 부호화하는 동영상 부호화기의 율 제어장치에 있어서, 상기 입력 영상과 움직임 추정부의 공간예측 오차로부터 화면내 부호화 복잡도(Cintra)를 계산하여 출력하는 화면내 공간예측 오차부와, 상기 입력 영상과 움직임 추정부의 공간예측 오차로부터 화면간 부호화 복잡도(Cinter)를 계산하여 출력하는 화면간 공간예측 오차부, 및 상기 화면내 부호화 복잡도(Cintra)와 화면간 부호화 복잡도(Cinter)로부터 양자화 계수를 결정하여 상기 양자화부로 제공하는 양자화 계수 산출부를 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법은, 공간예측 오차를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 계산된 매크로 블록의 복잡도를 이용하여 양자화 계수를 결정하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 결정된 양자화 계수를 이용하여 매크로 블록을 부호화하고, 실제 발생한 비트량을 이용하여 비트 발생량 모델을 갱신하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 1 단계는, 상기 매크로 블록의 화면내 부호화 복잡도(Cintra)와 화면간 부호화 복잡도(Cinter)를 계산하고, 상기 화면내 부호화 복잡도와 화면간 부호화 복잡도를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 2 단계는 아래의 <수식 1>을 이용하여 양자화계수(QPi)를 계산하는 것을 특징으로 한다.
< 수식 1>
보다 양호하게는, 상기 제 2 단계는 <수식 1>에서 K=2인 경우 방정식의 해가 존재하지 않으면 아래의 <수식 2>를 이용하여 양자화 계수를 계산하는 것을 특징으로 한다.
< 수식 2 >
양호하게는, 상기 제 3 단계는, 상기 매크로블록을 부호화한 결과 발생한 비트량이 0이면 모델 계수를 갱신하지 않고 다음 매크로블록을 부호화하며; 상기 비트량이 0 이 아니고 K=1이면 아래의 수식을 이용하여 모델 계수를 갱신하며; 상기 비트량이 0 이 아니고 K=2 이면 매크로 블록의 복잡도와 양자화 계수 비트 발생량에 대한 과거 20개의 샘플에 대해 선형 회귀법을 이용하여 모델 계수를 갱신하는 것을 특징으로 한다.
< 수식 >
여기서, skip 은 현재 프레임에서 비트율이 0 인 매크로 블록의 수이고,A1_prev는 이전 프레임의 A1이다.
또한, 본 발명에 따르면, 동영상 부호화기에 상술한 바와 같은 율 제어방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 '이산코사인변환 기반 동영상 부호화기의 율 제어장치 및 방법'을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 MPEG과 같은 동영상 부호화 시스템을 도시한 구성 블록도이다. 이러한 동영상 부호화 시스템은, 움직임 추정부(101)와, DCT부(102), 양자화부(103), 가변길이 부호화부(104), 버퍼(105) 등을 거쳐 입력 영상을 부호화 한다. 가변길이 부호화를 수행하기 때문에 영상의 특성에 따라 발생 비트량이 변하며, 고정된 대역폭을 갖는 채널을 통해 압축된 비트 스트림을 보내기 위해서는 비트 발생량을 채널 대역폭에 맞게 조절해 줄 필요가 있다. 출력 비트는 영상의 복잡도가 높을수록, 양자화계수가 작을수록 많이 발생하며 영상의 복잡도가 낮을수록, 양자화계수가 클수록 적게 발생하므로 영상의 복잡도에 따라 양자화 계수를 조절함으로써 비트 발생량을 조절할 수 있다. 종래의 율 제어방식에서는 영상의 복잡도로 이동 보상된 차영상의 평균 절대값 오차를 사용하였으며, 이 값을 입력으로 하는 율 제어모델을 사용하였다.
그러나, 본 발명은 화면내 공간예측 오차부(106)와 화면간 공간예측 오차부(107), 및 양자화 계수 산출부(108)를 더 구비한다. 화면내 공간예측 오차부(106)는 영상의 화면내 부호화 복잡도(Cintra)를 계산하여 출력하고, 화면간 공간예측 오차부(107)는 화면간 부호화 복잡도(Cinter)를 계산하여 출력하며, 양자화 계수 산출부(108)는 이 두 복잡도로부터 양자화 계수를 계산하여 양자화부(103)로 제공한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 율 제어방법의 동작 흐름도이다. 먼저, 텍스쳐 부호화에 할당된 비트량과 화면내 부호화 복잡도, 및 화면간 부호화 복잡도를 각각 입력받는다(S201, S202, S203).
부호화하고자 하는 매크로 블록을 Pi(u,v), (1 ≤u ≤16, 1 ≤v ≤16) 이라 하고, 움직임 추정을 통해 구한 움직임 벡터를 사용하여 참조 프레임으로부터 이동 보상된 차영상 매크로 블록을 Ri(u,v), (1 ≤u ≤16, 1 ≤v ≤16) 라고 하면, 영상의 화면 내 부호화 복잡도 Cintra,i는 수학식 1을 이용하여 구한다.
여기서, a0∼a8은 공간예측 계수로서, 상수이다. 이 공간예측 계수는 여러가지 값을 적용할 수 있는데, 주변 점들이 모두 동일한 영향을 준다고 가정하면 a0∼a8은 모두 같은 값으로 1/8 이다.또한,는 화면내 부호화 점 Pi(u,v)에 대한 공간예측값이며 이를 도면으로 표시하면 도 3에 도시된 바와 같다. 부호화 점 Pi(u,v)에 대한 화면내 공간예측 오차는와 같이 정의된다.또한, 영상의 화면간 부호화 복잡도 Cinter,i는 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
여기서,는 화면간 부호화시 차영상 블록의 한 점 Ri(u,v)에 대한 공간예측값이고, 차영상 블록의 한 점 Ri(u,v)에 대한 화면간 공간예측 오차는로 정의된다.
부호화 모드 판정단계(S204)에서는 매크로 블록 Pi의 부호화 모드를 화면내 부호화 모드 혹은 화면간 부호화 모드로 판정하는데, 화면내 부호화 복잡도 Cintra,i가 화면간 부호화 복잡도 Cinter,i에서 상수값(Th)을 뺀 값보다 작으면 화면내 부호화 모드로 설정하고, 그렇지 않으면 화면간 부호화 모드로 설정한다.
위의 단계 S204에서 부호화 모드가 판정되면, 단계 S205 와 S207에서는 양자화 계수를 계산한다. 양자화 계수를 계산하기에 앞서, 부호화할 매크로 블록 Pi의 복잡도 Ci는 수학식 3과 같이 계산된다.
위와 같이 복잡도가 Ci인 매크로 블록의 비트 발생량 모델은 수학식 4와 같이 정의된다.
여기서, Bi' 는 복잡도가 Ci인 매크로블록의 예측된 비트 발생량, QPi는 양자화 계수, A1, A2, A3은 모델 계수이다. 또한, 비트율은 현재 프레임에 할당된 화소 당 비트율을 의미하며, R 은 0.085 bit/pixel 이다. 비트율이 R 이상인 경우 K=1 이고, 비트율이 R 이하인 경우 K=2 이다.
위의 복잡도로부터 양자화 계수를 구하기 위해서는 목표 비트량 T를 수학식 5와 같이 계산해야 한다.
여기에서, T 는 텍스쳐 부호화에 할당된 비트량을 의미하며, N 은 한 프레임에 존재하는 매크로 블록의 수, Wi는 가중치를 의미한다. Wi는 특별히 가중치를 두지 않을 경우 1로 설정되며, 매크로블록의 특성에 따라 비트 할당을 다르게 할 경우, 서로 다른 값을 설정할 수 있다.
양자화 계수는 아래의 수학식 6에 의해 얻어진다.
위의 수학식 6에서 K=2 인 경우, 2차 방정식의 해가 존재하지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 이럴 경우에는 아래의 수학식 7을 이용하여 양자화 계수를 계산한다.
여기에서, A3_X11은 비트 발생량 모델 계수 중 하나이다.
양자화 계수를 결정한 후에는 부호화 모드에 따라 화면내 부호화 또는 화면간 부호화를 수행한다(S206, S208). 다음, 매크로 블록 Pi를 부호화한 결과 발생한 비트량을 Bi라고 하면 이 Bi값을 이용하여 모델 계수를 갱신한다(S209).
즉, Bi 가 0인 경우에는 모델 계수를 갱신하지 않고 다음 매크로 블록 부호화로 넘어간다.
Bi 가 0이 아닌 경우에는 K 값에 따라 달라지는데, K=1이면, 수학식 8과 같이 모델 계수를 갱신한다.
여기서, 상기한 skip 은 현재 프레임에서 Bi=0 인 매크로블록의 수를 나타내며, A1_prev는 이전 프레임의 A1값을 나타낸다.
한편, Bi 가 0이 아니고 K=2 이면, 매크로 블록 복잡도, 양자화 계수, 비트 발생량에 대한 과거의 20 개 샘플에 대해 수학식 6을 이용한 선형 회귀방법을 적용하여 모델 계수를 갱신한다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 동영상을 고정 비트율로 부호화하는 경우, 양자화 계수 결정단계에서 사용되는 영상의 복잡도 척도로서 공간예측 오차를 적용하여 동일 비트율 조건에서 보다 높은 효율로 부호화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 입력되는 동영상을 움직임 추정부와 이산코사인변환(DCT)부와 양자화부와 가변길이 부호화부와 버퍼를 거쳐 부호화하는 동영상 부호화기의 율 제어장치에 있어서,
    상기 입력 영상과 움직임 추정부의 화면내 공간예측 오차로부터 화면내 부호화 복잡도(Cintra)를 계산하여 출력하는 화면내 공간예측 오차부와,
    상기 입력 영상과 움직임 추정부의 화면간 공간예측 오차로부터 화면간 부호화 복잡도(Cinter)를 계산하여 출력하는 화면간 공간예측 오차부, 및
    상기 화면내 부호화 복잡도(Cintra)와 화면간 부호화 복잡도(Cinter)로부터 양자화 계수를 결정하여 상기 양자화부로 제공하는 양자화 계수 산출부를 포함한 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어장치.
  2. 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법에 있어서,
    화면내 공간예측 오차와 화면간 공간예측 오차를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계에서 계산된 매크로 블록의 복잡도를 이용하여 양자화 계수를 결정하는 제 2 단계; 및
    상기 제 2 단계에서 결정된 양자화 계수를 이용하여 매크로 블록을 부호화하고, 실제 발생한 비트량을 이용하여 비트 발생량 모델을 갱신하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 단계는, 상기 매크로 블록의 화면내 부호화 복잡도(Cintra)와 화면간 부호화 복잡도(Cinter)를 계산하고, 상기 화면내 부호화 복잡도와 화면간 부호화 복잡도를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 단계는 아래의 수식을 이용하여 화면내 부호화 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 >
    여기서, a0∼a8은 공간예측 계수이고,는 화면내 부호화 점 Pi(u,v)에 대한 공간예측값,는 부호화 점 Pi(u,v)에 대한 화면내 공간예측 오차이다.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 단계는 아래의 수식을 이용하여 화면간 부호화 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 >
    여기서, a0∼a8은 공간예측 계수이고,는 화면간 부호화시 차영상 블록의 한 점 Ri(u,v)에 대한 공간예측값이고,는 차영상 블록의 한 점 Ri(u,v)에 대한 화면간 공간예측 오차이다.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 단계는 아래의 수식을 이용하여 상기 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 >
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 아래의 <수식 1>을 이용하여 양자화 계수(QPi)를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간예측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 1>
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 <수식 1>에서 K=2인 경우 방정식의 해가 존재하지 않으면 아래의 <수식 2>를 이용하여 양자화 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 공간계측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 2 >
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계는, 상기 매크로블록을 부호화한 결과 발생한 비트량이 0이면 모델 계수를 갱신하지 않고 다음 매크로블록을 부호화하며; 상기 비트량이 0 이 아니고 K=1이면 아래의 수식을 이용하여 모델 계수를 갱신하며; 상기 비트량이 0 이 아니고 K=2 이면 매크로 블록의 복잡도와 양자화 계수 비트 발생량에 대한 과거 20개의 샘플에 대해 선형 회귀법을 이용하여 모델 계수를 갱신하는 것을 특징으로 하는 공간계측 오차 모델을 이용한 동영상 부호화기의 율 제어방법.
    < 수식 >
    여기서, skip 은 현재 프레임에서 비트율이 0 인 매크로 블록의 수이고, A1_prev는 이전 프레임의 A1이다.
  10. 동영상 부호화기에,
    공간예측 오차를 이용하여 매크로 블록의 복잡도를 계산하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계에서 계산된 매크로 블록의 복잡도를 이용하여 양자화 계수를 결정하는 제 2 단계; 및
    상기 제 2 단계에서 결정된 양자화 계수를 이용하여 매크로 블록을 부호화하고, 실제 발생한 비트량을 이용하여 비트 발생량 모델을 갱신하는 제 3 단계를 포함하는 율 제어방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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