KR100371868B1 - 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체마스크 추적 장치 - Google Patents

영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체마스크 추적 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MPEG(Moving Picture Experts Group)-2 인코더(encoder)에서 인트라 프레임(intra frame)에 대하여 객체 마스크를 생성/전송하고 MPEG-2 디코더(decoder)에서 이를 이용하여 인터 프레임(inter frame)에 대한 객체 마스크를 추적해 내는 장치에 관한 것이다. 도 5와 같이 MPEG-2 시스템에서 대화형 멀티미디어 서비스를 구현을 할 경우 도 4의 구조보다 부가적인 객체 마스크 전송 데이터가 크게 감소한다. 도 4의 경우 초당bits 의 객체 마스크 정보를 부가적으로 전송되어야 한다. 도 5의 경우는 인트라 프레임의 객체 마스크 정보만을 전송하기 때문에, 인트라 프레임이 P 프레임마다 반복되는 경우 초당의 객체 마스크 데이터가 부가적으로 전송된다. 즉 도 4의 구조에 비하여 부가적인 전송 데이터 양이

Description

영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치{OBJECT MASK TRACKING APPARATUS FOR OBJECT-BASED ACCESS IN IMAGE ENCODING/DECODING SYSTEM}
본 발명은 영상 압축/복원 시스템(image encoding/decoding system)에서 객체 기반 액세스(object-based access)를 위한 객체 마스크 추적 장치(object mask tracking apparatus)에 관한 것으로, 특히, MPEG(Moving Picture Experts Group)-2 인코더(encoder)에서 인트라 프레임(intra frame)에 대하여 객체 마스크를 생성/전송하고 MPEG-2 디코더(decoder)에서 이를 이용하여 인터 프레임(inter frame)에 대한 객체 마스크를 추적해 내는 장치에 관한 것이다.
현재 MPEG-2 시스템을 이용하여 대화형 서비스를 위한 객체 기반 액세스 방법은 소개가 되지 않았다. 하지만 MPEG-4와 유사하게 모든 프레임에 대하여 객체를 규정할 수 있다면 객체를 통한 사용자 접근이 가능하다. 프레임 내에서의 객체를 규정하는 방법으로 각각의 프레임에 대하여 객체 마스크가 존재하면 된다. 즉, 기존의 MPEG-2 부호화/역부호화 방식을 그대로 이용하고 부가적으로 객체 마스크를 MPEG-2 인코더에서 생성 후 원래의 비디오 신호와 같이 다중화 해서 보내면 된다.
도 4는 MPEG-2 시스템에서의 객체 마스크 생성/전송 후 복원 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
동 도면에 있어서, MPEG-2 인코더는 각각의 프레임에 대하여 객체 마스크를 생성하고 이를 인코딩하는 과정에서 원래의 부호화 된 비디오 스트림(video stream) 안에 다중화 시켜 전송한다. 이 후, MPEG-2 디코더는 부호화 된 비디오 스트림 내의 각각의 프레임을 디코딩 하는 과정에서 해당 프레임에 대한 객체 마스크를 역다중화 하여 얻어낸다. 결과적으로 영상 프레임과 모든 프레임에 대한 객체 마스크가 존재하므로 동화상 내에서의 객체를 규정할 수가 있다.
상술한 MPEG-2 인코더에서는 모든 프레임에 대하여 객체 마스크를 생성 전송하게 된다. 하나의 객체 마스크의 데이터 량은, 프레임 사이즈가일 경우, 이진 표현으로bits 가 생성된다. MPEG-2 인코더에서 초당 30 프레임을 부호화 한다면bits가 초당 생성되게 되며, 이를 부호화 효율 10%의 CAE(Context-based Arithmetic Encoding)로 부호화 한다면, 초당의 객체 마스크 정보가 원래의 비디오 부호화 데이터와 더불어 부가적으로 전송/저장되어야 한다. 따라서, 객체 기반 액세스를 위해서, 원래의 비디오 부호화 데이터에 상당한 양의부가적인 객체 마스크 정보를 생성/전송해야 하는 문제점이 있다.
상술한 도 4에 따른 MPEG-2 시스템에서의 객체 마스크 생성/전송 후 복원 과정은 공지된 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 기술의 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 인코더에서 일정 프레임 간격의 인트라 프레임에 대해서만 객체 마스크를 전송하고, 디코더에서 이를 이용해서 연속적인 나머지 객체 마스크를 추적하는 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일정 프레임 간격의 인트라 프레임에 대해 생성된 객체 마스크가 압축 및 부호화 된 비디오 스트림 안에 다중화 되어 전송되는 신호를 제공받아 연속적인 나머지 객체 마스크를 추적하는 영상 압축/복원 시스템에 있어서: 상기 제공받은 신호에서 비디오 스트림과 인트라 프레임 객체 마스크를 분리해 내는 신호 분리부; 상기 신호 분리부로부터 제공되는 비디오 스트림으로부터 압축 및 부호화 된 영상을 역부호화 하여 재생 가능한 영상으로 복원해내는 비디오 디코더; 상기 신호 분리부로부터 인트라 프레임 객체 마스크가 주기적으로 제공되는 동안마다 현재 프레임 객체 마스크를 참조하여 다수의 인터 프레임 객체 마스크를 생성해서 기준 객체 마스크로 출력하는 기준 객체 마스크 생성기; 상기 비디오 디코더로부터 제공되는 움직임 벡터를 참조하여 상기 기준 객체 마스크 생성기로부터 제공되는 기준 객체 마스크로부터 현재 프레임 객체 마스크를추적하고 이 현재 프레임 객체 마스크를 상기 기준 객체 마스크 생성기로 되돌려 주는 객체 마스크 추적기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 객체 마스크 추적기의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 3은 도 2에 도시된 마스크 에러 제거부의 일 실시예를 나타낸 블록도,
도 4는 MPEG-2 시스템에서의 객체 마스크 생성/전송 후 복원 과정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 도 1에 도시된 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치를 사용한 MPEG-2 시스템에서 객체 마스크 생성/전송 후 복원 과정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 6은 재건 후의 객체 마스크를 나타낸 도면,
도 7은 도 6에 따른 객체 마스크에 워터세드 알고리즘을 적용한 결과를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : MPEG-2 비디오 디코더 시스템
12 : MPEG-2 비디오 디코더
14 : 기준 객체 마스크 생성기
16 : 객체 마스크 추적기
20 : 워터세드 알고리즘 수행부
21, 22, 23 : 제 1, 제 2, 제 n 재건부
24, 25, 26 : 제 1, 제 2, 제 n 워터세드 알고리즘 수행부
27, 28, 29 : 제 1, 제 2, 제 n 마스크 에러 제거부
30 : 병합부
32 : 면적 계산부
34 : 에러 제거부
이하, 이와 같은 본 발명의 실시 예를 다음과 같은 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도로, MPEG-2 비디오 디코더 시스템(10)은 MPEG-2 비디오 디코더(12), 기준 객체 마스크 생성기(14), 및 객체 마스크 추적기(16)로 구성된다.
동 도면에 있어서, MPEG-2 비디오 인코더(도면 중에 도시되지 않음)는 일정 프레임 간격의 인트라 프레임에 대해 생성된 객체 마스크를 압축 및 부호화 된 비디오 스트림 안에 다중화 하여 MPEG-2 비디오 디코더 시스템(10)으로 전송한다. 상기 객체 마스크는 화면상에서 사용자가 액세스 할 수 있는 비디오 객체의 형태와 위치를 나타내기 위해서, 순수 비디오 신호 외적으로 전송되어 지는 값으로 객체에 해당하는 부분은 '1', 객체가 아닌 부분은 '0'으로 표현되는 이진 마스크이다.
MPEG-2 비디오 디코더 시스템(10) 내의 신호 분리부(도면 중에 도시되지 않음)는 MPEG-2 비디오 인코더로부터 전송된 신호에서 비디오 스트림과 인트라 프레임 객체 마스크를 분리해 내어 비디오 스트림을 MPEG-2 비디오 디코더(12)로, 인트라 프레임 객체 마스크를 기준 객체 마스크 생성기(14)로 각기 제공한다. 상기 기준 객체 마스크는 현재의 객체 마스크를 추적하기 위한 직전 프레임의 객체 마스크이다.
MPEG-2 비디오 디코더(12)는 신호 분리부가 제공하는 비디오 스트림으로부터 압축 및 부호화 된 영상을 역부호화 하여 재생 가능한 영상으로 복원해낸다. 부호화 과정에서 움직임 벡터를 계산한다. 상기 움직임 벡터는 움직임 예측기(도면 중에 도시되지 않음)에서 생성되는 세로축과 가로축의 벡터 값으로, 기준 프레임과 현재 프레임 사이의 공간적 변화량을 나타내는 요소이다.
기준 객체 마스크 생성기(14)는 신호 분리부가 인트라 프레임 객체 마스크를 주기적으로 제공하는 동안마다 현재 프레임 객체 마스크를 참조하여 다수의 인터 프레임 객체 마스크를 순차적으로 생성해서 기준 객체 마스크로 순차적으로 출력한다.
객체 마스크 추적기(16)는 MPEG-2 비디오 디코더(12)로부터 제공되는 움직임 벡터를 참조하여 기준 객체 마스크 생성기(14)로부터 제공되는 기준 객체 마스크로부터 현재 프레임 객체 마스크를 추적하고 이 현재 프레임 객체 마스크를 기준 객체 마스크 생성기(14)로 되돌려 준다.
상술한 인트라 프레임에 대한 객체 마스크의 경우 다음의 인터 프레임에 대한 기준 객체 마스크가 됨과 동시에 현재 프레임 객체 마스크가 된다. 이후의 인터 프레임에 대한 객체 마스크는 이 인트라 프레임 객체 마스크를 기준으로 하여 해당 인터 프레임의 움직임 벡터를 이용하여 마스크를 추적하게 된다. 추적된 마스크 역시 현재 프레임의 객체 마스크가 됨과 동시에 다음 프레임의 추적을 위한 기준 객체 마스크가 된다.
도 2는 도 1에 도시된 객체 마스크 추적기(16)의 일 실시예를 나타낸 블록도로, 워터세드 알고리즘(watershed algorithm) 수행부(20), 제 1 내지 제 n 재건(reconstruction)부(21 내지 23), 제 1 내지 제 n 워터세드 알고리즘 수행부(24 내지 26), 제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부(27 내지 29), 및 병합부(30)로 구성된다.
동 도면에 있어서, 워터세드 알고리즘 수행부(20)는 기준 객체 마스크 생성기(14)로부터 제공되는 기준 객체 마스크에 대하여 워터세드 알고리즘을 적용해서 하나의 화면상에 존재하는 각각의 구분되는 객체에 대하여 마스크를 분리해 낸다. 상기 워터세드 알고리즘은 영상을 기하학적으로 해석하여 각각의 칼라나 경계로 구분 지어지는 질 수 있는 불연속적인 영역에 각기 다른 레이블을 할당하는 알고리즘이다.
제 1 내지 제 n 재건부(21 내지 23)는 워터세드 알고리즘 수행부(20)가 분리해 낸 각각의 객체 마스크에 대하여 현재 프레임의 움직임 벡터를 이용한 재건을 통해 움직임을 반영한 객체 마스크를 각기 얻어낸다. 상기 재건은 한 프레임에 대하여 16??16 매크로 블록 단위로 계산된 움직임 벡터의 양만큼 매크로 블록을 이동시켜 생성된 새로운 프레임을 재생해 내는 과정이다.
제 1 내지 제 n 워터세드 알고리즘 수행부(24 내지 26)는 제 1 내지 제 n 재건부(21 내지 23)로부터 각기 제공되는 움직임을 반영한 객체 마스크에 워터세드 알고리즘을 각각 적용해서 하나의 화면상에 존재하는 각각의 구분되는 객체에 대하여 마스크를 각기 분리해 낸다.
제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부(27 내지 29)는 제 1 내지 제 n 워터세드 알고리즘 수행부(24 내지 26)로부터 각기 제공되는 객체 마스크로부터 재건 과정에서 발생한 에러를 각기 제거한다.
병합부(30)는 제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부(27 내지 29)로부터 각기 제공되는 각각의 객체 마스크를 논리합 연산을 통해 다시 하나의 객체 마스크로 병합시켜 현재 프레임의 객체 마스크를 얻어낸다.
도 3은 도 2에 도시된 마스크 에러 제거부(27 내지 29)의 일 실시예를 나타낸 블록도로, 면적 계산부(32) 및 에러 제거부(34)로 구성된다.
먼저, 도 2에서 재건 후에 워터세드 알고리즘을 적용하면 화면 안의 객체와 에러에 해당하는 영역은 각각 유일한 레이블 값을 갖는다.
면적 계산부(32)는 레이블링 된 마스크 영상에 대해 화소 단위로 카운트하여 해당되는 객체 또는 에러에 대한 면적을 구한다.
에러 제거부(34)는 면적 계산부(32)의 결과로부터 각 레이블링 된 영역의 크기를 서로 비교하여 가장 큰 영역을 차지하는 객체만을 제외한 에러를 제거시킨다.
이와 같은 과정을 통해 단일 객체에 대한 객체 마스크 추적과정이 완료된다.
도 5는 도 1에 도시된 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치를 사용한 MPEG-2 시스템에서 객체 마스크 생성/전송 후 복원 과정을 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 4에 본 발명에 따른 객체 마스크 추적을 채택했을 경우의 구조이다.
동 도면에 있어서, 부호화 할 프레임이 인트라 프레임일 경우에만 객체 마스크를 생성/전송하고 인트라 프레임에 대해서는 객체 마스크 생성 없이 순수 비디오 데이터만 부호화 하여 전송한다.
MPEG-2 디코더에서는 인트라 프레임의 객체 마스크를 받아서 다음 인트라 프레임을 받기 전까지 그 사이의 인터 프레임에 대한 객체 마스크를 추적해 낸다. 이때 도 1에서와 같이 객체 마스크의 추적을 위해서 이전 프레임의 객체 마스크를 기준 객체 마스크로 이용을 한다. 인트라 프레임 직후의 인터 프레임일 경우, 인트라 프레임 객체 마스크를 이용해서 해당 인터 프레임의 객체 마스크를 추적해 내고, 이 추적된 마스크는 현재 프레임의 마스크가 됨과 동시에 이어지는 다음 인터 프레임의 객체 마스크를 추적하는 기준 프레임이 된다.
도 6은 재건 후의 객체 마스크를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6에 따른 객체 마스크에 워터세드 알고리즘을 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
상술한 본 발명은 주로 MPEG-2 비디오 시스템을 이용하여 객체 기반 액세스를 통한 대화형 방송 구현에 이용된다. 구체적으로는 기존의 디지털 방송이나 네트웍을 통한 비디오 압축, 전송 방식에 상업 방송이나 교육 등의 목적으로 대화형 서비스를 추가시키기 위한 모든 영역에 포함됨과 동시에, 단순히 움직임 벡터를 이용하여 객체 마스크를 예측하고자 하는 여타의 모든 응용에 이용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 도 5와 같이 MPEG-2 시스템에서 대화형 멀티미디어 서비스를 구현을 할 경우 도 4의 구조보다 부가적인 객체 마스크 전송 데이터가 크게 감소한다. 도 4의 경우 초당bits 의 객체 마스크정보를 부가적으로 전송되어야 한다. 도 5의 경우는 인트라 프레임의 객체 마스크 정보만을 전송하기 때문에, 인트라 프레임이 P 프레임마다 반복되는 경우 초당의 객체 마스크 데이터가 부가적으로 전송된다. 즉 도 4의 구조에 비하여 부가적인 전송 데이터 양이로 감소한다. 따라서, 적은 양의 데이터를 부가적으로 전송함으로써 MPEG-2 시스템에서 객체 기반 액세스를 통한 대화형 멀티미디어 서비스가 가능하게 된다.

Claims (4)

  1. 일정 프레임 간격의 인트라 프레임에 대해 생성된 객체 마스크가 압축 및 부호화 된 비디오 스트림 안에 다중화 되어 전송되는 신호를 제공받아 연속적인 나머지 객체 마스크를 추적하는 영상 압축/복원 시스템에 있어서:
    상기 제공받은 신호에서 비디오 스트림과 인트라 프레임 객체 마스크를 분리해 내는 신호 분리부;
    상기 신호 분리부로부터 제공되는 비디오 스트림으로부터 압축 및 부호화 된 영상을 역부호화 하여 재생 가능한 영상으로 복원해내는 비디오 디코더;
    상기 신호 분리부로부터 인트라 프레임 객체 마스크가 주기적으로 제공되는 동안마다 현재 프레임 객체 마스크를 참조하여 다수의 인터 프레임 객체 마스크를 생성해서 기준 객체 마스크로 출력하는 기준 객체 마스크 생성기;
    상기 비디오 디코더로부터 제공되는 움직임 벡터를 참조하여 상기 기준 객체 마스크 생성기로부터 제공되는 기준 객체 마스크로부터 현재 프레임 객체 마스크를 추적하고 이 현재 프레임 객체 마스크를 상기 기준 객체 마스크 생성기로 되돌려 주는 객체 마스크 추적기를 포함하는 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 객체 마스크 추적기는,
    상기 기준 객체 마스크 생성기로부터 제공되는 기준 객체 마스크에 대하여 워터세드 알고리즘을 적용해서 하나의 화면상에 존재하는 각각의 구분되는 객체에 대하여 마스크를 분리해 내는 워터세드 알고리즘 수행부;
    상기 워터세드 알고리즘 수행부가 분리해 낸 각각의 객체 마스크에 대하여 현재 프레임의 움직임 벡터를 이용한 재건을 통해 움직임을 반영한 객체 마스크를 각기 얻어내는 제 1 내지 제 n 재건부;
    상기 제 1 내지 제 n 재건부로부터 각기 제공되는 움직임을 반영한 객체 마스크에 워터세드 알고리즘을 각각 적용해서 하나의 화면상에 존재하는 각각의 구분되는 객체에 대하여 마스크를 각기 분리해 내는 제 1 내지 제 n 워터세드 알고리즘 수행부;
    상기 제 1 내지 제 n 워터세드 알고리즘 수행부로부터 각기 제공되는 객체 마스크로부터 재건 과정에서 발생한 에러를 각기 제거하는 제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부;
    상기 제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부로부터 각기 제공되는 각각의 객체 마스크를 소정의 연산을 통해 다시 하나의 객체 마스크로 병합시켜 현재 프레임의 객체 마스크를 얻어내는 병합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소정의 연산은 논리합 연산인 것을 특징으로 하는 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치.
  4. 제 2 항 내지 제 3 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 n 마스크 에러 제거부는,
    레이블링 된 마스크 영상에 대해 화소 단위로 카운트하여 해당되는 객체 또는 에러에 대한 면적을 구하는 면적 계산부;
    상기 면적 계산부의 결과로부터 각 레이블링 된 영역의 크기를 서로 비교하여 가장 큰 영역을 차지하는 객체만을 제외한 에러를 제거시키는 에러 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 압축/복원 시스템에서 객체 기반 액세스를 위한 객체 마스크 추적 장치.
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