KR100381204B1 - 칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법에 관한 것으로, 칼라 정지화상의 원색계(RGB)를 변환하여 DCT 좌표계 신호를 생성하고, 생성된 DCT 좌표계 신호에 대해 수평방향과 수직방향으로 1차원 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)을 반복적으로 수행하여 화상의 크기에 따라 소정의 분해 가능 레벨까지 분해하고, 이에 의해 생성된 계수 전체를 양자화하고, 생성된 계수 전체를 양수이면 짝수로, 음수이면 홀수로 매핑하고, 매핑된 데이타를 산술처리하여 압축된 데이타를 얻고, 압축 신장시는 이의 역과정을 수행함으로써 기존의 JPEG, MPEG 등의 칼라 정지화면의 부호화 및 복호화 방식보다 압축률 및 압축률 대비 화질이 우수하도록 한 것이다.

Description

칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법 {The encoding and decoding method for a colored freeze frame}

본 발명은 칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.

급격한 인터넷 통신 기술의 발달과 더불어 멀티미디어에 대한 관심이 점점 고조되고 있다.

이러한 멀티미디어에 대한 관심의 증대는 낮은 전송속도에서도 보다 빠르게 보다 좋은 화질을 얻을 수 있는 영상 부호화(Coding) 및 복호화(Decoding) 방법에대한 필요성을 점점 더 고조시켰고 이에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.

디지탈 영상분야에서 가장 문제시되는 것은 영상을 압축하지 않고 직접적으로 표현하고자 할 경우 방대한 저장공간이 필요하다는 것이다. 따라서, 디지탈 영상을 저장매체에 기록하거나 유무선 통신을 통해 원격지로 전송하기 위해서는 디지탈 영상에 포함된 정보의 손실을 최소화하면서 영상데이타내의 중복성을 효과적으로 제거하는 영상압축 처리가 필수 불가결하다.

영상압축 알고리즘은 크게 2가지 방식으로 나눌 수 있다. 하나는 무손실부호화(Lossless coding)방식이고, 다른 하나는 손실부호화(Lossy coding)방식이다.

상기 무손실부호화방식은 압축(Compression), 신장(Decompression)의 과정을 거쳐도 원래의 정보를 보존할 수 있는 방식이고, 상기 손실부호화방식은 압축, 신장의 과정에서 왜곡이 생겨 완전히 원래대로 재생되지 않는 방식이다.

즉, 무손실부호화방식은 손실부호화방식에 비해 영상 품질은 좋으나 압축률이 떨어지며, 손실부호화방식은 무손실부호화방식에 비해 압축률은 좋으나 영상 품질이 떨어지는 서로 상반된 장,단점을 가진다.

초기의 정지 영상의 압축 방식의 경합 과정에서 유럽의 이산여현변환(DCT : Discrete Cosine Tranform)방식과, 일본의 벡터 양자화(VQ : Vector Quantization)방식과, 미국의 산술부호화(Arithmetic Coding)방식이 경합을 벌였으며, 현재는 응용분야에 따라 상기 방식을 적절하게 혼합하여 부호화하고 복호화하는 알고리즘 들이 등장하고 있다.

원색계(RGB)에서는 각 칼라 성분간의 상관도가 매우 높고, 색을 표현할때 R,G, B 각 성분에 똑같은 대역폭을 주기 때문에 영상의 압축 관점에서 효율적이지 못하다.

따라서, 압축의 효율을 높이기 위해서 색차계(YCbCr)를 사용하여 칼라 정지 영상에 대한 코딩 방식을 취해왔다.

이러한 종래의 색차계(YCbCr)를 사용한 방식중 가장 대표적인 것으로는 JPEG, JPEG-2000, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263 등이 있었다.

최근들어, 인터넷을 통한 화상 전달의 수요가 급증함에 따라 종래의 JPEG, JPEG-2000, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263 등을 대체할 수 있는 보다 빠른 속도로 최소의 손실을 가진 화상 데이타 기술에 대한 필요성이 점점 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 취지하에 발명된 것으로, 기존의 방식보다 압축률 및 압축률 대비 화질이 우수한 칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 부호화 방법의 흐름도이다.

도 2 는 웨이블릿 분해(Wavelet Decomposition)를 도시한 도면

도 3 은 1레벨 웨이블릿 변환의 도면

도 4a 는 수평방향으로 문자를 스캔하는 예시도

도 4b 는 수직방향으로 문자를 스캔하는 예시도

도 5 는 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 복호화 방법의 흐름도

도 6 은 역웨이블릿 변환 도면

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명에 따른 정지영상의 부호화 방법은 입력되는 정지화상의 원색계(RGB)를 변환하여 색차계보다 성능이 좋은 DCT 좌표계 신호를 생성하는 칼라변환 단계와; 상기 칼라변환 단계에 의해 생성된 DCT 좌표계 신호에 대해 수평방향과 수직방향으로 1차원 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)을 반복적으로 수행하여 화상의 크기에 따라 소정의 분해 가능 레벨까지 분해하며, 상이한 해상도를 적용하여 영상을 프로세싱하는 웨이블릿 변환단계와; 상기 웨이블릿 변환단계에 의해 생성된 계수 전체를 소정의 값으로 나누어 소수점에 대하여 사사오입함으로써 작은 값의 수로 표현하는 양자화 단계와; 상기 양자화 단계에 의해 생성된 계수 전체를 양수이면 짝수로, 음수이면 홀수로 매핑하는 서플링(Shuffling)단계와; 상기 서플링 단계에 의해 매핑된 데이타를 산술처리하여 압축된 데이타를 얻는 산술부호화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 본 발명에 따른 정지영상의 부호화 방법의 산술부호화단계는 엔트로피(Entropy) 코딩 방법을 이용해 상기 서플링 단계에 의해 매핑된 데이타 심볼들의 통계적 발생빈도에 따라 각각의 심볼이나 연속된 심볼을 소정의 문자로 표시하되, 심볼들의 분포에 따라 문자를 스캔하는 방향을 결정하는 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계와; 상기 문자발생 및 스캔방향 결정 단계에서 설정한 스캔방향으로 문자를 찾아, 이 찾은 문자를 소정의 문자수로 줄이는 문자 검색 및 양자화단계와; 상기 문자 검색 및 양자화단계에 의해 발생된 문자를 산술 코딩하여 압축된 데이타를 얻는 산술코딩단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명에 따른 정지영상의 복호화 방법은 부호화된 데이타를 산술처리하여 디코딩하는 산술복호화단계와; 상기 산술복호화 단계에 의해 생성된 계수 전체를 짝수이면 양수로, 홀수이면 음수로 매핑하는 역서플링단계와; 상기 역서플링단계에 의해 생성된 계수 전체에 소정의 값을 곱하여 부호량을 늘려 역양자화하는 역양자화단계와; 상기 역양자화단계에 의해 생성된 계수를 분해된 각 주파수대의 정보를 이용해 상위 레벨로 합성하여 DCT 좌표계 신호를 생성하는 역웨이블릿변환단계와; 상기 역웨이블릿변환단계에 의해 생성된 DCT 좌표를 통상 색좌표계로 변환하여 정지화상을 복원하는 칼라변환단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 본 발명에 따른 정지영상의 복호화 방법의 산술복호화단계는 부호화된 데이타를 산술 디코딩하여 문자를 발생시키는 산술디코딩단계와; 상기 산술디코딩단계에 의해 발생된 문자를 소정의 문자수로 늘이는 역양자화단계와; 상기 역양자화단계에 의해 발생된 문자를 매핑된 데이타 심볼로 변환하는 문자변환단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 부호화 방법의 흐름도이다.

본 발명에 따른 칼라 정지영상의 부호화 방법은 칼라변환 단계(S100)와, 웨이블릿 변환단계(S110)와, 양자화 단계(S120)와, 서플링 단계와(S130), 산술부호화단계(S140)를 포함하며, 상기 산술부호화 단계(S140)는 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계(S140a)와, 문자 검색 및 양자화단계(S140b)와, 산술코딩단계(S140c)를 포함한다.

상기 칼라변환 단계(S100)는 입력되는 정지화상의 원색계(RGB)를 변환하여 DCT 좌표계 신호를 생성한다.

원색계(RGB)에서는 각 칼라 성분간의 상관도가 매우 높고, 색을 표현할 때 R,G,B 각 성분에 똑같은 대역폭을 주기 때문에 영상의 압축 관점에서 효율적이지 못한 관계로, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263. JPEG, JPEG-2000 등에서는 압축의 효율을 높이기 위하여 색차계(YCbCr)를 사용하고 있다. 본 발명에서는 보다 효율적인 영상 압축을 위해 색차계(YCbCr) 보다 성능이 좋은 DCT(Discrete Cosine Transform) 좌표계로 변환하여 사용한다. 상기 DCT 좌표계는 DCT의 커널(Kernel)에 그 기반을 두고 있으며, 주어진 신호를 상기 색차계(YCbCr)보다 적은 분산을 갖게한다.

수학식 1은 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 부호화 방법에서 적용되는 순 DCT 커널(Forward DCT Kernel)의 식이다. 수학식 1의 D 성분(D Component)은 DCT 커널의 DC 성분에서, C 성분(C Component)은 반주기 성분에서, T 성분(T Component)은 한 주기에서 유도하였다. 색차계(YCbCr)에서는 R 성분에 덜 민감하고, B 성분에 가장 덜 민감한 인간의 시각 특성을 고려하여 G 성분에 가장 많은 가중치를, R 성분에 조금 적은 가중치를, B 성분에 가장 적은 가중치를 주나, 본 발명에 따른 DCT 좌표계에서는 각 성분에 대하여 똑같이 가중치를 준다.

상기 웨이블릿 변환단계(S110)는 상기 칼라 변환단계(S100)에 의해 생성된 DCT 좌표계 신호에 대해 수평방향과 수직방향으로 1차원 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)을 반복적으로 수행하여 화상의 크기에 따라 소정의 분해 가능 레벨까지 분해한다.

웨이블릿(Wavelet)은 그 자체가 함수이고, 이러한 함수에 상이한 스케일과 해상도를 적용하여 영상을 프로세싱하는 것이다. 즉, 웨이블릿은 MPEG처럼 일정한 해상도를 적용하여 영상을 프로세싱하는 것이 아니므로, 스케일을 조절했을 경우 MPEG처럼 픽셀에 손상이 가서 그림이 깨진 것같이 보이지 않으며, 영상에 전혀 손상을 주지않고 디코딩(Decoding)할 수 있다.

1차원 웨이블릿 변환의 예를 간단히 들어보면, 아래의 주어진 데이타는 다음과 같은 분해 과정을 거친다. 이것은 신호를 평균값을 갖는 부분과 미세값을 갖는 부분으로 분류한 것이다.

위의 원본데이타에서 아래로 만들어지는 규칙은 둘씩 묶고, 이 묶어진 수를 각각 a, b라 한다면, (a+b)/2, [(a-b)/2]하여 변환한다.

정지된 화상은 2차원 행렬로 생각할 수 있고, 본 발명에서의 2차원 영상의 웨이블릿 변환은 필터 뱅크구조를 구성하여 상기 칼라변환단계(S100)에서 생성된 DCT 좌표계에 대해 수평방향과 수직방향으로 1차원 이산 웨이블릿 변환을 반복적으로 수행해서 얻어진다.

도 2 는 웨이블릿 분해(Wavelet Decomposition)를 도시한 것으로, 도 5 에 표시된 LL, LH, HL, HH는 분해된 대역을 나타낸다. 각각 L은 수평방향으로, H는 수직방향으로 필터링함을 나타낸다. 이 때 L과 H는 각각 저주파대역 통과필터(h(n))와, 고주파대역 통과필터(g(n))를 이용하여 필터링한다. 따라서, 영상의 크기에 따라 적절한 분해 가능 레벨까지 분해하게 된다.

상기 양자화 단계(S120)는 상기 웨이블릿 변환단계(S110)에 의해 생성된 계수를 양자화한다.

양자화(Quantization)란 어떤값이 취하는 범위를 몇개의 이산적인 구간으로 나누어 표시하는 것이며, 그 구간내의 하나의 값에 의해 대표된다.

즉, 양자화 단계(S120)는 상기 웨이블릿 변환단계(S110)에 의해 생성된 계수 전체를 소정의 값으로 나누어 소수점에 대하여 사사오입함으로써 작은 값의 수로 표현하는 것이다.

상기 서플링 단계(S130)는 상기 양자화 단계(S120)에 의해 생성된 계수 전체를 양수이면 짝수로, 음수이면 홀수로 매핑한다.

서플링 단계(S130)에서 계수를 a라고 할 때, 이것을 프로그램상에서 식으로 표현하면 수학식 2와 같다.

따라서, 수학식 2에 의해 a=0 일때는 0, a=-1 일때는 1, a=1 일때는 2, a=-2 일때는 3 등과 같이 표현된다.

상기 산술부호화단계(S140)는 상기 서플링 단계(S130)에 의해 매핑된 데이타를 산술처리하여 압축된 데이타를 얻는다.

이 산술부호화단계(S140)는 상기한 것처럼 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계(S140a)와, 문자 검색 및 양자화단계(S140b)와, 산술코딩단계(S140c)를 포함한다.

상기 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계(S140a)는 엔트로피 코딩(Entropy coding)방법을 이용해 상기 서플링 단계(S130)에 의해 매핑된 데이타 심볼들의 통계적 발생빈도에 따라 각각의 심볼이나 연속된 심볼을 소정의 문자로 표시하고, 심볼들의 분포에 따라 문자를 스캔(Scan)하는 방향을 결정한다. 즉, 이 단계는 부호화하고자 하는 데이타 심볼들의 값을 조사하여 사용할 문자를 생성하고, 부호화하고자 하는 데이타 심볼의 분포에 따라 문자를 스캔하는 방향을 결정한다.

도 3 은 1레벨 웨이블릿 변환의 도면으로, 도시한 바와같이 원본 이미지를 1레벨 웨이블릿 변환을 거치면 4개의 서브밴드(Sub-band)가 나온다. 이중 LH(Horizontal) 밴드는 세로방향으로 HL(Vertical) 밴드는 가로방향으로 문자를 스캔(Scan)하여 부호화 성능을 높인다.

상기 문자 검색 및 양자화단계(S140b)는 상기 문자발생 및 스캔방향 결정 단계(S140a)에서 설정한 스캔방향으로 문자를 찾아, 이 찾은 문자를 소정의 문자수로줄인다.

스캔방향이 가로이면 도 4a 와 같이 스캔하며, 그렇지 않으면 도 4b 와 같이 세로방향으로 스캔한다. 도 4a 및 도 4b 에서와 같이 문자를 찾고자하는 픽셀이 X 일 때 주위에서 취하는 픽셀을 C0 내지 C5라 하면 이를 이용하여 문자를 찾아낸다.

이렇게 찾은 문자를 수학식 3에 일실시예로 나타낸 프로그램 연산을 통해서 소정의 문자수로 줄인다.

temp = (3*c1+c2+3*c3+c4+c6/3)+(c0||c7)+(c5||c8);

while(temp) {

ctx++;

temp = temp/4;

}

if(ctx>3) ctx=31;

return(ctx);

상기 산술코딩단계(S140c)는 상기 문자 검색 및 양자화단계(S140b)에 의해 발생된 문자를 산술 코딩하여 압축된 데이타를 얻는다.

따라서, 위와같이 문자를 찾아낸 후 그 문자를 양자화(Quantization)해서 산술 코딩(Arithmetic coding)하게 되면 엔트로피(Entropy)가 컨디셔널엔트로피(Conditional entropy)에 접근하게 되어 우수한 압축효과를 얻게된다.

도 5 는 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 복호화 방법의 흐름도이다.

본 발명에 따른 칼라 정지영상의 복호화 방법은 상기에서 설명한 부호화 방법의 역과정으로 진행된다. 이것은 산술복호화단계(S200)와; 역서플링단계(S210)와; 역양자화단계(S220)와; 역웨이블릿변환단계(S230)와; 칼라변환단계(S240)를 포함한다.

상기 산술복호화단계(S200)는 압축된 데이타를 산술처리하여 디코딩하며, 산술디코딩단계(S200a)와; 역양자화단계(S200b)와; 문자변환단계(S200c)를 포함한다.

상기 산술디코딩단계(S200a)는 부호화 과정의 산술코딩단계(S140c)의 역과정으로, 부호화된 데이타를 산술 디코딩하여 문자를 발생시킨다.

상기 역양자화단계(S200b)는 부호화 과정의 문자 검색 및 양자화단계(S140b)의 역과정으로, 상기 산술디코딩단계(S200a)에 의해 발생된 문자를 소정의 문자수로 늘인다.

상기 문자변환단계(S200c)는 부호화 과정의 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계(S140a)의 역과정으로, 상기 역양자화단계(S200b)에 의해 발생된 문자를 매핑된 데이타 심볼로 변환한다.

상기 역서플링단계(S210)는 부호화 과정의 서플링 단계(S130)의 역과정으로, 상기 산술복호화 단계(S200)에 의해 생성된 계수 전체를 짝수이면 양수로, 홀수이면 음수로 매핑한다. 이것을 식으로 표현해보면 수학식 4와 같다.

따라서, 계수 a가 2일 경우엔 1, 5일 경우엔 -3, 6일 경우엔 3, 9일 경우엔 -5 등과 같이 매핑 된다.

상기 역양자화단계(S220)는 부호화 과정의 양자화 단계(S120)의 역과정으로 상기 역서플링단계(S210)에 의해 생성된 계수 전체에 소정의 값을 곱하여 부호량을 늘린다.

상기 역웨이블릿변환단계(S230)는 부호화 과정의 웨이블릿 변환단계(S110)의 역과정으로, 상기 역양자화단계(S220)에 의해 생성된 계수를 분해된 각 주파수대의 정보를 이용해 상위 레벨로 합성하여 DCT 좌표계를 생성한다. 즉, 이 단계는 도 6 에 도시한 것처럼 분해된 각 주파수대의 정보를 이용해 상위 레벨로 합성하는 과정이다.

상기 칼라변환단계(S240)는 상기 역웨이블릿변환단계(S230)에 의해 생성된 DCT 좌표를 통상의 색좌표계로 변환(Inverse DCT transform)하여 정지화상을 복원한다.

따라서, 위와같이 함으로써 상기 부호화과정에 의해 압축된 칼라 정지 화상을 복호화과정을 통해 복원할 수 있게된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 칼라 정지영상의 부호화 및 복호화 방법은 기존의 JPEG, MPEG 등의 칼라 정지화면의 부호화 및 복호화 방식보다 압축률 및 압축률 대비 화질이 우수한 효과를 가진다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (4)

1. 입력되는 정지화상의 원색계(RGB)를 변환하여 색차계보다 성능이 좋은 DCT 좌표계 신호를 생성하는 칼라변환 단계와;

   상기 칼라변환 단계에 의해 생성된 DCT 좌표계 신호에 대해 수평방향과 수직방향으로 1차원 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)을 반복적으로 수행하여 화상의 크기에 따라 소정의 분해 가능 레벨까지 분해하며, 상이한 해상도를 적용하여 영상을 프로세싱하는 웨이블릿 변환단계와;

   상기 웨이블릿 변환단계에 의해 생성된 계수 전체를 소정의 값으로 나누어 소수점에 대하여 사사오입함으로써 작은 값의 수로 표현하는 양자화 단계와;

   상기 양자화 단계에 의해 생성된 계수 전체를 양수이면 짝수로, 음수이면 홀수로 매핑하는 서플링 단계와;

   상기 서플링 단계에 의해 매핑된 데이타를 산술처리하여 압축된 데이타를 얻는 산술부호화단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 정지영상의 부호화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산술부호화단계는:

   엔트로피(Entropy) 코딩 방법을 이용해 상기 서플링 단계에 의해 매핑된 데이타 심볼들의 통계적 발생빈도에 따라 각각의 심볼이나 연속된 심볼을 소정의 문자로 표시하되, 심볼들의 분포에 따라 문자를 스캔하는 방향을 결정하는 문자 발생 및 스캔 방향 결정단계와;

   상기 문자발생 및 스캔방향 결정 단계에서 설정한 스캔방향으로 문자를 찾아, 이 찾은 문자를 소정의 문자수로 줄이는 문자 검색 및 양자화단계와;

   상기 문자 검색 및 양자화단계에 의해 발생된 문자를 산술 코딩하여 압축된 데이타를 얻는 산술코딩단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 정지영상의 부호화 방법.
3. 부호화된 데이타를 산술처리하여 디코딩하는 산술복호화단계와;

   상기 산술복호화 단계에 의해 생성된 계수 전체를 짝수이면 양수로, 홀수이면 음수로 매핑하는 역서플링단계와;

   상기 역서플링단계에 의해 생성된 계수 전체에 소정의 값을 곱하여 부호량을 늘려 역양자화하는 역양자화단계와;

   상기 역양자화단계에 의해 생성된 계수를 분해된 각 주파수대의 정보를 이용해 상위 레벨로 합성하여 DCT 좌표계 신호를 생성하는 역웨이블릿변환단계와;

   상기 역웨이블릿변환단계에 의해 생성된 DCT 좌표를 통상 색좌표계로 변환하여 정지화상을 복원하는 칼라변환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 정지영상의 복호화 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 산술복호화단계는:

   부호화된 데이타를 산술 디코딩하여 문자를 발생시키는 산술디코딩단계와;

   상기 산술디코딩단계에 의해 발생된 문자를 소정의 문자수로 늘이는 역양자화단계와;

   상기 역양자화단계에 의해 발생된 문자를 매핑된 데이타 심볼로 변환하는 문자변환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 정지영상의 복호화 방법.