KR100466596B1 - 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의적응적 율제어 방법 - Google Patents

인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의적응적 율제어 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 비디오 부호화기에 인트라 리프레쉬가 적용될 경우 마크로블럭 타입을 반영하여 율제어를 수행함으로써, 마크로블럭 타입의 변화에 적응적으로 대응할 수 있어, 주위의 인터 마크로블럭과의 화질 차이를 방지하여 주관적 화질을 향상시키기 위한, 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법을 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기에서 발생 비트량에 따라 다음 부호화되는 마크로블럭의 양자화 간격을 조절하는 율제어 방법에 있어서, 율제어 모델 설정시, 부호화하고자 하는 마크로블럭의 타입(T_i)을 변수에 반영하되(B_i = g(QP_i, MAD_i, T_i), 여기서 B_i는 i번째 마크로블럭의 목표비트량 , QP _i는 i번째 마크로블럭의 양자화 계수, MAD_i는 변환기에 입력되는 i번 째 마크로블럭, T_i는 i번째 마크로블럭의 타입임), 상기 마크로블럭의 타입이 인트라 마크로블럭의 경우, 보다 많은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인트라 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제1 소정의 값(C1)을 빼주고(B_i = f( QP _i, MAD_i) - C1, 여기서 C1은 상수임), 상기 마크로블럭의 타입이 인터 마크로블럭의 경우, 보다 적은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인터 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제2 소정의 값(C2)을 더해주는(B_i = f( QP _i, MAD_i) + C2, 여기서 C2는 상수임)것을 특징으로 함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 비디오 부호화기 등에 이용됨.

Description

인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법{Method for Improvement of Adaptive Rate Control in Based Block Video Coder using Intra Refresh}
본 발명은 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 동영상 부호화기에서 인트라 리프레쉬(IR : Intra Refresh)를 적용함으로써 발생하는 복호된 영상에서의 주관적 화질 저하를 최소화할 수 있는 적응적 율제어 방법에 관한 것이다.
인트라 리프레쉬(IR)는 채널의 오류로 인하여 발생하는 복호기에서의 빠른 복호기 화질 회복 능력을 증대시키기 위하여 부호기에서 결정한 일정 개수의 인트라 마크로블럭(Intra Macroblock)을 강제적으로 삽입하는 방법이다.
그러나, 비디오 부호화기에 인트라 리프레쉬를 적용한 경우는 인트라 리프레쉬를 적용하지 않은 경우에 비해 많은 인트라 마크로블럭이 존재하고, 또한 인트라 마크로블럭 주위의 인터 마크로블럭과의 화질 차이가 발생함으로써 복호된 영상에 잡음이 낀듯한 현상이 발생하여 화질 저하를 초래시키는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 비디오 부호화기에 인트라 리프레쉬가 적용될 경우 마크로블럭 타입을 반영하여 율제어를 수행함으로써, 마크로블럭 타입의 변화에 적응적으로 대응할 수 있어, 주위의 인터 마크로블럭과의 화질 차이를 방지하여 주관적 화질을 향상시키기 위한, 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 비디오 부호화기의 구성예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 비디오 부호화기의 적응적 율제어를 이용한 화질 개선 방법에 대한 일실시예 설명도.
도 3 은 본 발명에 따른 인트라 리프레쉬가 적용된 비디오 부호화기의 적응적 율제어를 이용한 화질 개선 방법에 대한 일실시예 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
201 : 예측기 202 : 스위치 블럭
203 : 변환기 204 : 양자화기
205 : 가변길이 부호화기 206 : 역양자화기
207 : 역변환기 208 : 마크로블럭 결정기
209 : 율제어기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기에서 발생 비트량에 따라 다음 부호화되는 마크로블럭의 양자화 간격을 조절하는 율제어 방법에 있어서, 율제어 모델 설정시, 부호화하고자 하는 마크로블럭의 타입(T_i)을 변수에 반영하되(B_i = g( QP _i, MAD_i, T_i), 여기서 B_i는 i번째 마크로블럭의 목표비트량 , QP _i는 i번째 마크로블럭의 양자화 계수, MAD_i는 변환기에 입력되는 i번째 마크로블럭 , T_i는 i번째 마크로블럭의 타입임), 상기 마크로블럭의 타입이 인트라 마크로블럭의 경우, 보다 많은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인트라 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제1 소정의 값(C1)을 빼주고(B_i = f( QP _i, MAD_i) - C1, 여기서 C1은 상수임), 상기 마크로블럭의 타입이 인터 마크로블럭의 경우, 보다 적은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인터 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제2 소정의 값(C2)을 더해주는(B_i = f( QP _i, MAD_i) + C2, 여기서 C2는 상수임)것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 일반적인 비디오 부호화기의 구성예시도이다 .
도 1에 도시된 바와 같이, 비디오 부호화기는 입력된 현재 영상과 예측기(101)에서 얻어진 예측 영상과의 차영상을 변환하기 위한 변환기(103), 변환기(103)에서 출력된 영상신호를 양자화하기 위한 양자화기(104), 양자화기(104)에서 출력되는 계수들을 가변길이로 부호화하는 가변길이 부호화기(VLC)(105), 양자화기(104)에서 출력되는 양자화된 영상신호를 역양자화하기 위한 역양자화기(106), 역양자화기(106)에서 출력되는 역양자화된 영상신호를 역변환하기 위한 역변환기(107), 역변환기(107)에서 출력된 영상신호의 움직임 추정 및 보상을 통해 다음 영상에 대한 예측 영상을 얻기 위한 예측기(101), 마크로블럭이 인터 마크로블럭인지 인트라 마크로블럭인지를 결정하기 위한 마크로블럭 타입 결정기(108), 마크로블럭 타입 결정기(108)의 결정에 따라 스위칭하는 스위치(102), 그리고 가변길이 부호화기(105)에 출력되는 비트량을 관찰하여 양자화기(104)의 양자화 간격을 결정하는 율제어기(RC)(109)를 포함한다.
입력된 현재 영상과 예측기(101)에서 얻어진 예측 영상과의 차영상이 변환기(103), 양자화기(104)를 거쳐 가변길이 부호화기(VLC)(105)에서 계수들이 가변길이 부호화되고, 역양자화기(106)와 역변환기(107)를 통해 복원된 차영상은 예측기(101)의 입력으로 사용되어 다음 영상에 대한 예측 영상을 얻는데 사용된다.
그리고, 마크로블럭이 인터 마크로블럭인지 인트라 마크로블럭인지를 결정하는 것은 마크로블럭 타입 결정기(108)에서 수행하여, 인트라 마크로블럭으로 결정된 경우에는 스위치블럭(102)의 단자 A에 변환기(103)가 연결되며, 인터 마크로블럭으로 결정된 경우에는 스위치블럭(102)의 단자 B에 변환기(103)가 연결된다.
여기서, 상기 마크로블럭의 정의를 살펴보면 다음과 같다.
기존의 일반적인 동영상 부호화 방법 및 장치에서는 영상 전체 단위 대신에 가로방향으로 M화소, 세로방향으로 N화소(일반적으로 M×N으로 표시)인 일정한 크기의 화소(picture element 또는 pixel)의 집합 단위로 움직임 예측 및 보상 등을 수행하며 이를 '마크로블럭(macroblock)'이라 일컫는다.
한편, 비디오 부호화기에서는 채널의 오류로 인하여 발생하는 비디오 복호기에서의 빠른 복호기 화질 회복 능력을 증대시키기 위하여 부호기에서 결정한 일정 개수의 인트라 마크로블럭(Intra Macroblock)을 강제적으로 삽입하는 방법인 인트라 리프레쉬(IR)를 적용하는데, 만약 인트라 리프레쉬(IR)가 적용되는 경우에는 마크로블럭 타입 결정기(108)가 인트라 리프레쉬(IR)의 패턴을 함께 고려하여 스위치블럭(102)의 단자를 연결한다.
또한, 양자화기(104)는 변환기(103)의 계수들을 양자화하는 역할을 수행하는 장치로서, 사용될 양자화 간격(quantization step size)은 율제어기(109)에 의해 결정된다.
즉, 율제어기(109)는 현재까지 부호화된 결과 비트량을 관찰하고 좀 더 많은 비트를 발생시켜야 한다고 판단한 경우 양자화 간격을 좁게 하고, 좀더 적은 비트를 발생시켜야 한다고 판단한 경우 양자화 간격을 넓게 하여 총 발생 비트량이 일정하도록 조절한다.
이러한 율제어는 한정된 채널을 통해 영상 데이터를 전송하기 위하여 필수적인 요소이다.
한편, 종래의 율제어 방법은 마크로블럭 타입에 상관없이 가변길이부호화기(VLC : Varable Length Coding)(105)에 의해 발생된 비트량을 측정하여 그 양의 많고 적음에 따라 다음 부호화되는 마크로블럭의 양자화 간격을 조절하여 일정한 율의 비트를 발생하도록 한다.
그러나, 비디오 부호화기에 있어서 율제어 과정은 가변길이부호화기(105)의 출력만을 이용하여 양자화기(104)의 양자화 간격을 조절하면, 오류에 대한 강인함을 증대시키기 위해 사용되는 인트라 리프레쉬(IR)가 적용되었을 경우 발생할 수 있는 주관적 화질 저하에 대처할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 마크로블럭 타입 결정기(108)의 결과와 가변길이 부호화기(105)에서 발생한 비트량을 함께 고려함으로써 주관적 화질 저하를 방지하는 방법을 제안한다.
본 발명과 대조적으로, 종래의 비디오 부호화기의 율제어기(109)는 이러한 인트라 리프레쉬(IR) 패턴 정보를 이용하지 않음으로써 주관적 화질 저하 문제를 발생시킨다.
도 2 는 본 발명에 따른 비디오 부호화기의 적응적 율제어를 이용한 화질 개선 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비디오 부호화기는 상기 도 1에서 설명한 일반적인 비디오 부호화기와 같이, 입력된 현재 영상과 예측기(201)에서 얻어진 예측 영상과의 차영상을 변환하기 위한 변환기(203), 변환기(203)에서 출력된 영상신호를 양자화하기 위한 양자화기(204), 양자화기(204)에서 출력되는 계수들을 가변길이로 부호화하는 가변길이 부호화기(VLC)(205), 양자화기(204)에서 출력되는 양자화된 영상신호를 역양자화하기 위한 역양자화기(206), 역양자화기(206)에서 출력되는 역양자화된 영상신호를 역변환하기 위한 역변환기(207), 역변환기(207)에서 출력된 영상신호의 움직임 추정 및 보상을 통해 다음 영상에 대한 예측 영상을 얻기 위한 예측기(201), 마크로블럭이 인터 마크로블럭인지 인트라 마크로블럭인지를 결정하기 위한 마크로블럭 타입 결정기(208), 마크로블럭 타입 결정기(208)의 결정에 따라 스위칭하는 스위치(202), 그리고 가변길이 부호화기(205)에 출력되는 비트량과 마크로블럭 타입 결정기(208)에서 출력되는 신호를 관찰하여 양자화기(204)의 양자화 간격을 결정하는 율제어기(RC)(209)를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 비디오 부호화기는 도 1에서 설명된 일반적인 비디오 부호화기와 같은 구조를 가지고 있으나, 율제어기(209)가 가변길이 부호화기(205)에 출력되는 비트량과 마크로블럭 타입 결정기(208)에서 출력되는 신호를 동시에 관찰하여 양자화기(204)의 양자화 간격을 결정한다는 점이 도 1의 일반적인 비디오 부호화기와의 차이점이다.
기존의 율제어 방법은 i번째 마크로블럭의 목표 비트량(target bits)(이하, "B_i"라 함)과 i번째 마크로블럭의 양자화 계수(quantization parameter)(이하, "QP_i"라 함)에 대한 모델을 사용하는 방법과 B_i와 QP_i를 사용하지 않는 방법으로 크게 나눌 수 있다.
본 발명과 관련있는 율제어 방법은 B_i와 QP_i를 사용하는 방법이다.
B_i와 QP_i를 이용한 율제어 방법은 부호화하고자 하는 마크로블럭의 목표 비트량을 B_i에 대입함으로써 QP_i를 얻는 방식이다. 즉, 하기의 [수학식 1]과 같이 B_i는 QP_i와 MAD_i의 함수로 일반적으로 표현할 수 있다. 여기서, MAD_i는 변환기(203)에 입력되는 i번째 마크로블럭이다. 이 마크로블럭을 U라고 할 때, MAD_i는 하기의 [수학식 2]와 같이 정의된다.
B_i = f(QP_i, MAD_i)
여기서, 함수 f()는 엠펙(MPEG)-4의 경우로서 2차함수를 사용한다.
여기서, N은 마크로블럭의 폭과 높이이다.
상기 [수학식 1]에서 볼 수 있듯이, 기존의 율제어 방법은 함수f()의 변수로서 마크로블럭의 타입을 고려하지 않음으로써 그 타입의 변화에 따른 대응이 힘들다.
인트라 리프레쉬(IR)가 적용되지 않는 경우에는 인트라 마크로블럭이 인터 마크로블럭에 비해 그 수가 매우 적으므로 마크로블럭의 타입을 반영하지 않더라도 영상의 주관적 화질에 영향이 미미하지만, 만약 인트라 리프레쉬(IR)가 적용됨으로써 영상내의 무시할 수 없는 수의 마크로블럭이 인트라 마크로블럭 타입으로 부호화될 경우, 영상의 주관적 화질을 눈에 띄게 저하시키는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 율제어 방법은 다음과 같다.
즉, 기존의 율제어 방법은 인트라 리프레쉬(IR)가 적용됨으로써 무시할 수 없는 수의 마크로블럭이 인트라 마크로블럭 타입으로 부호화될 경우 인트라 마크로블럭이 인터 마크로블럭에 비해 화질이 나빠짐에 따라 복호된 영상에서 잡음이 첨가된 것 같은 현상을 발생시킴으로써 주관적 화질을 크게 떨어뜨린다. 이러한 기존의 방법의 문제점은 상기 [수학식 1]의 율제어 모델에서 마크로블럭의 타입을 고려하지 않음에 기인한다.
따라서, 새로이 발명된 율제어 방법은 마크로블럭의 타입을 모델의 변수에 포함시킴으로써 마크로블럭이 인터 마크로블럭 타입인지 인트라 마크로블럭 타입인지에 따라 적응적으로 율제어를 수행하는 방식이다.
이를 수식으로 표현하면, 하기의 [수학식 3]과 같다.
B_i = g(QP_i, MAD_i, T_i)
여기서, T_i는 i번째 마크로블럭의 타입으로서, 인트라 마크로블럭인지 인터 마크로블럭인지를 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 율제어 방법은 상기 [수학식 3]과 같이 i번째 마크로블럭의 타입(이하, "T_i"라 함)을 반영하여 율제어를 수행함으로써, 마크로블럭 타입의 변화에 적응적으로 대응할 수 있어 마크로블럭 간의 화질 차이를 최소화할 수 있다.
상기 [수학식 3]의 실시예로서, 하기의 [수학식 4]는 T_i가 인트라 마크로블럭인 경우를 나타내고, 하기의 [수학식 5]는 T_i가 인터 마크로블럭인 경우를 각각 나타낸다.
B_i = f(QP_i, MAD_i) - C1
B_i = f(QP_i, MAD_i) + C2
상기 [수학식 4]와 [수학식 5]에서, C1과 C2는 각각 상수로서, 인트라 마크로블럭의 경우 더 많은 비트를 할당하고, 인터 마크로블럭의 경우 더 적은 비트를 할당하기 위한 것이다.
상기 [수학식 4]와 [수학식 5]는 기존의 율제어 방식에는 없는 마크로블럭의 타입에 따른 적응적인 비트 할당을 수행하여 주관적 화질의 저하를 방지하는 효과를 갖는다.
그러나, 바로 이전 마크로블럭의 양자화 계수와 현재 마크로블럭의 양자화 계수의 변화량이 일반적으로 제한되어 있으므로, 마크로블럭 타입의 급작스런 변화에 적응하지 못하는 단점을 갖는다.
따라서, 인트라 마크로블럭의 패턴을 알고 있을 경우, 미리 주위의 인터 마크로블럭의 할당 비트를 감소시키고, 인트라 마크로블럭과 거리가 먼 곳에 위치한 인터 마크로블럭의 경우에는 할당 비트를 조금만 감소시키는 방법이 있다.
하기의 [수학식 6]은 상기 [수학식 3]의 또 다른 실시예로서, 율제어 모델을 설정할 수 있다.
B_i = f(QP_i, MAD_i) + C(i)
여기서, C(i)는 마크로블럭 번호 i에 따라 변화하는 값(이하, "C(i)"라 함)을 갖는다. 즉, i번째 마크로블럭이 인터 마크로블럭 타입인 경우, 이 마크로블럭을 중심으로 미리 정해진 윈도우(예 : 3×3, 5×5 등) 내에 인트라 마크로블럭의 개수에 비례하여 C(i)의 값을 증가시킨다. 또한, i번째 마크로블럭이 인트라 마크로블럭 타입인 경우, 이 마크로블럭을 중심으로 미리 정해진 윈도우 내에 인터 마크로블럭의 개수에 비례하여 C(i)의 값을 감소시킨다.
상기와 같이, C(i)를 정함으로써 서로 다른 타입의 마크로블럭 사이의 화질 저하를 최소화할 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 인트라 리프레쉬가 적용된 비디오 부호화기의 적응적 율제어를 이용한 화질 개선 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 가변길이부호화기에서 출력되는 비트량을 측정한다(301).
다음으로, 변환기에 입력되는 i번째 마크로블럭(MAD_i)을 상기 [수학식 2]와 같이 연산하고(303), i번째 마크로블럭의 타입(T_i)을 판단한다(304).
상기 판단 결과, 인트라 마크로블럭인 경우, 상기 [수학식 4] 또는 [수학식 6]을 이용하여 i번째 마크로블럭의 양자화 계수(QP_i)를 구하고(305), 인터 마크로블럭인 경우에는 상기 [수학식 5] 또는 [수학식 6]을 이용하여 양자화 계수(QP_i)를 구한다.
다음으로, 상기 구해진 양자화 계수(QP_i)와 상기 측정된 비트량을 이용하여 율제어를 수행한다(307).
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 비디오 부호화기에서 인트라 리프레쉬(IR)를 적용함으로써 발생하는 주관적 화질 저하를 개선하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기에서 발생 비트량에 따라 다음 부호화되는 마크로블럭의 양자화 간격을 조절하는 율제어 방법에 있어서,
    율제어 모델 설정시, 부호화하고자 하는 마크로블럭의 타입(T_i)을 변수에 반영하되(B_i = g(QP_i, MAD_i, T_i), 여기서 B_i는 i번째 마크로블럭의 목표비트량, QP_i는 i번째 마크로블럭의 양자화 계수, MAD_i는 변환기에 입력되는 i번째 마크로블럭 , T_i는 i번째 마크로블럭의 타입임),
    상기 마크로블럭의 타입이 인트라 마크로블럭의 경우, 보다 많은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인트라 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제1 소정의 값(C1)을 빼주고(B_i = f( QP _i, MAD_i) - C1, 여기서 C1은 상수임),
    상기 마크로블럭의 타입이 인터 마크로블럭의 경우, 보다 적은 비트를 할당하기 위하여, 상기 인터 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서, 상기 율제어 모델에서 제2 소정의 값(C2)을 더해주는(B_i = f( QP _i, MAD_i) + C2, 여기서 C2는 상수임)것을 특징으로 하는 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 율제어 모델에서 주위의 마크로블럭 타입에 따라 적응적으로 가감하되,
    상기 인터 마크로블럭의 양자화 계수를 얻는데 있어서 주위의 인트라 마크로블럭 혹은 인터 마크로블럭의 개수에 비례하여 상기 율제어 모델에 반영하는 것을 특징으로 하는 인트라 리프레쉬를 이용한 블럭기반 비디오 부호화기의 적응적 율제어 방법.
  3. 삭제
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