KR100478069B1 - 비디오신호엔코딩방법및비디오신호엔코더 - Google Patents

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Abstract

비디오 엔코딩 방법과 그 장치가 개시되어 있다. 비디오 엔코더, 예컨대 MPEG 엔코더(2)는 움직임 보상된 예측 이미지(PRED)를 생성한다. 엔코딩에 앞서, 움직임 보상 예측 이미지는 입력 이미지와 조합되고(1), 입력 이미지에서 잡음과 양자화 잡음 모두를 효과적으로 감소시킨다. 예측 메모리(28)내에서 가장 유사한 화소 블록을 검색하기 위해 잡음 감소량은 움직임 추정기(29)에 의해 이용된 것과 동일 파라미터(MAD)에 응답하여 양호하게 제어된다(15).

Description

비디오 신호 엔코딩 방법 및 비디오 신호 엔코더
본 발명은 비디오 신호를 엔코딩하는 방법에 관한 것으로, 엔코딩 방법은 잡음 감소된 신호를 얻기 위해 비디오 신호의 잡음을 감소시키는 단계와, 상기 잡음 감소된 신호를 엔코딩하는 단계와, 예측 신호를 얻기 위해 엔코딩 신호를 디코딩하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더에 관한 것이다.
서두에서 언급된 방법을 실행하는 종래 장치는 유럽 특허 출원 EP-A 0 614 312호에 개시되어 있다. 그 장치는 움직임 보상된 잡음-감소 회로와 프레임간(interframe) 엔코딩 회로의 종속 접속(cascade connection)을 포함한다. 엔코딩하기에 앞서 비디오 신호의 잡음을 감소시킴으로써, 코딩 효율이 상당히 개선된다. 공지된 장치의 잡음 감소 회로는 복수의 프레임 메모리들 및 연속하는 입력 프레임들간의 움직임량을 측정하는 움직임 추정기(motion estimator)를 포함한다. 엔코딩 회로는 움직임 보상 예측 이미지를 얻기 위해 또 다른 움직임 보상기 및 또 다른 프레임 메모리를 포함하고 있다. 잡음 감소된 이미지 및 종국적으로 엔코딩되는 이 움직임 보상된 예측 이미지간에는 차이가 있다.
종래 비디오 엔코딩 시스템에서, 잡음 감소 회로 및 엔코딩 회로간의 임의의 시너지(synergy) 양은 잡음 감소된 이미지의 엔코딩을 돕기 위해 잡음 감소 회로에서 엔코딩 회로로 움직임 벡터들을 인가함으로써 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더를 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 잡음 감소 회로의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 잡음 감소 계수 제어 수단의 동작을 도시하는 도면.
도 4는 비디오 신호 엔코더의 대안적인 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 잡음 감소를 갖는 MPEG 비디오 엔코더의 블록도.
도 6은 잡음 감소를 갖는 MPEG 비디오 엔코더의 대안적인 실시예를 도시하는 도면.
(발명의 목적 및 요약)
본 발명의 목적은 비용면에서 보다 효율적인 방식으로 비디오 신호를 엔코딩하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 이 방법은 잡음 저감 단계가 비디오 입력 신호를 예측 신호와 산술적으로 조합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프레임간 엔코딩하기 위해 엔코더에 의해 생성된 예측 신호가 잡음 감소를 위해서도 이용될 수 있다는 인식을 근거로 한다. 그러므로 잡음 감소를 위한 특별한 메모리가 생략되고 동시에 잡음 감소 기능이 추가 비용 없이도 얻어진다. 특별한 이점은 단지 입력 비디오 신호의 잡음만이 감소되는 것은 아니라는 것이다. 또한, 잡음 감소는 본질적으로 엔코딩 처리에 의해 야기되는 양자화 잡음에도 이용된다.
예측 엔코딩 단계는 움직임 추정 및 움직임 보상된 예측 신호를 얻기 위한 보상을 포함할 수 있다. 개선된 코딩의 효율뿐만 아니라 잡음 감소는 상당히 양호한 수행성능을 갖고 있다. 더욱이, 잡음 감소 기능은 MPEG 규격에 따라 동작하는 엔코더에 효과적으로 내장될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 잡음 감소량은 어느 정도까지 예측 신호가 입력 신호와 유사한가를 나타내는 제어신호에 의해 제어된다. 예측 신호가 입력 신호에 더 근사할 수록, 잡음 감소가 가능해지고 실제로 이루어지게 된다. 움직임 추정 및 보상을 포함하는 실시예는 특히 이 점에 관심을 갖게 되는데, 그 이유는 제어 신호가 이미 이용가능하며 개별적으로 발생될 필요가 없기 때문이다. 즉, 움직임 추정 단계는 그러한 제어 신호에 의해 움직임 보상된 예측 신호를 검색하는 단계를 포함한다. 입력 신호와 (움직임 보상된) 예측 신호간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차가 제어 신호를 구성한다.
잡음 감소 단계는 입력 신호의 부분(α)과 (움직임-보상된) 예측 신호의 부분(1-α)을 조합하는 단계를 포함할 수 있다. 그러한 실시예는 1차 순환적 시간 필터링 프로세스(first-order recursive temporal filtering process)에 의해 잡음 감소가 구현된다. 그러한 필터는 E.Dubois 등의, "Noise Reduction in Image Sequences Using Motion-Compensated Temporal Filtering",(IEEE 정보기술지, Vol.COM-32, No7, 1994년 7월, pp826-831) 에 공지되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더를 도시한 도면이다. 비디오 신호 엔코더는 연속 8*8 화소 블록들의 형태로 디지털 비디오 신호를 수신한다. 블록들은 잡음 감소 회로(1)에 인가되고 그 후에 엔코딩 회로(2)에 의해 엔코딩된다.
엔코딩 회로(2)는 잡음 감소 회로(1)로부터 잡음 감소된 이미지와 예측 이미지(PRED) 간의 차를 얻기 위한 감산기(20)를 포함한다. 그후, 차 신호는 이산 코사인 변환 회로(discrete cosine transform circuit:21)에 의해 스펙트럼 계수들로 블록형으로(blockwise) 변환된다. 계수들은 양자화기(22)에 의해 양자화되고 가변길이 코더(coder:23)에 의해 가변 길이로 코딩된다. 원하는 비트레이트(bitrate)를 얻기 위한 비트레이트 제어 회로(24)는 양자화기(22)의 스텝사이즈(stepsize)를 제어한다. 예측 이미지(PRED)를 발생하기 위해, 엔코딩 회로는 역 양자화기(25)와, 역 이산 코사인 변환 회로(26)와 가산기(27)와 예측 프레임 또는 필드 메모리(28)를 더 포함하고, 엔코딩 회로(2)를 구성하는 각종 회로 소자는 기술분야에서 공지된 것임을 알 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예측 이미지(PRED)는 잡음 감소 회로(1)에 인가된다. 이 회로에서, 현재의 입력 신호(INP)와 예측 신호(PRED)는 아래의 수학식에 따라 잡음 감소된 신호(NR)를 구성하기 위해 선형적으로 조합된다.
[수학식 1]
Figure pct00001
예측 이미지를 저장하는 메모리(28)가 비디오 신호 엔코더의 피드백 루프에 포함되어 있으므로, 잡음 감소 회로는 사실상 1차 순환적 시간 필터이다. 이는 잡음 감소의 효과적이고 흥미 있는 실시예로서 공지되어 있다.
도 1에 도시된 잡음 감소 회로(1)는 예측 신호 블록의 화소들을 계수 α로 웨이팅하기 위한 제 1 승산기(11)와, 입력 신호 블록의 화소들을 계수 1-α로 웨이팅하기 위한 제 2 승산기(12)와, 웨이팅된 화소들을 함께 가산하기 위한 가산기(13)를 포함한다. 이 실시예는 수학식 1를 바로 구현한 회로이다. 도 2는 단일 승산기(18)와 2개의 가산기들(16,17)을 이용하는 대안의 실시예를 도시한다. 이 실시예는
[수학식 2]
Figure pct00002
를 계산하고, 이는 수학식 1의 등가식이다.
비디오 신호 엔코더의 매우 단순한 실시예에서, 웨이팅 계수 α는 0<α<1 의 범위에 있는 상수이다. 예컨대, α=0.5를 사용하면, 정적 신호들(stationary signals)에 대해 6dB의 잡음 감소가 얻어진다. 그러나, 양호하게는 웨이팅 계수 α는 비디오 신호의 특성에 따라서 적절하게 제어된다. 이를 위하여, 잡음 감소 회로(1)는 입력 화소 블록의 화소들(Ii,j)의 서브 블록(S)과 대응하는 화소(Pi,j)의 서브 블록간의 평균 절대 차(MAD)를 계산하기 위해 적응된 계수 제어 수단(14)을 포함하고 있으며, MAD는:
Figure pct00003
로서 정의되고, 또는 계수 제어 수단(14)은 현 입력 신호의 대응하는 서브 블록과 예측 신호간의 평균 제곱 오차(MSE)를 계산하기 위해 적응되고, MSE는:
Figure pct00004
로서 정의되고 그 응답에서 α값을 조정한다. 각 서브 블록(예컨대 2*2 화소들)에 대한 α값을 제어하여 제어 기구 상의 잡음의 영향을 감소한다.
도 3은 웨이팅 계수 α가 MAD에 어떻게 의존하는지의 예를 설명하는 블록도이다. MAD가 작은 경우, α는 소정의 큰 값을 갖고 잡음 감소량은 최대가 된다. 잡음 감소량은 MAD가 증가하면서 점차 감소한다. MAD가 큰 값인 경우, α는 적당히 작은 값으로 점차 근접하고 잡음 감소는 최소가 된다.
도 4는 잡음 감소 회로(1)와 감산기(20)(도 1 참조)의 산술 연산이 조합될 때 얻어지는 비디오 엔코더의 흥미있는 실질적인 실시예를 도시하고 있다. 수학식 2에 따르면, 엔코딩될 차 신호(NR-PRED)는 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure pct00005
그러므로, 도 4에 도시된 엔코더는 예측 신호를 입력 비디오 신호로부터 감산하는 감산기와, 차 신호를 계수 제어 수단(14)에 의해 공급되는 계수(1-α)와 승산하는 승산기(18)를 포함한다.
도 5는 비디오 신호 엔코더의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예는 도 1과 도 4에 도시된 실시예와 예측 이미지가 움직임 보상된다는 점에서 다르다. 개선된 코딩 효율뿐만 아니라 잡음 감소가 상당히 양호해진 수행성능을 갖는다. 보다 상세하게는, 도 5에 도시된 비디오 신호 엔코더는 공지된 MPEG 표준에 쉽게 일치된다. 선택된 이미지들은 I 화상들을 얻기 위해 프레임간 엔코딩되며, 반면에 다른 이미지들은 P 또는 B 화상들을 얻기 위해 움직임 보상을 이용하여 예측적으로 엔코딩된다. 도시된 실시예에서, 각 연산 모드는 프레임간(I)과 예측(P) 위치를 갖는 스위치(31)에 의해 선택된다. 예측형 코딩 모드를 먼저 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 메모리(28)에 저장된 예측 이미지 및 현재의 비디오 입력 이미지는 움직임 추정기(29)에 이용된다. 또 다른 공지된 방식에서, 움직임 추정기는 메모리(28)에서 화소들의 현재 입력 블록과 아주 근사한 화소들의 블록을 검색한다. 각종 검색 알고리즘들이 기술분야에서 공지되어 있다. 일반적인 경우, 이들 알고리즘들은 현재 입력 블록의 화소들과 후보 블록의 화소들간의 평균 절대 차(MAD) 또는 평균 제곱 오차(MSE)의 계산을 근거로 한다. 그후에 최소의 MAD 또는 MSE를 갖는 후보 블록은 움직임 보상된 예측 블록으로 선택된다. 현재의 입력 블록의 위치에 관한 예측 블록의 상대적인 위치는 엔코딩된 비디오 신호 데이터에 따라 함께 전송되는 움직임 벡터(MV)이다. 움직임 벡터(MV)는 또 다른 움직임 보상기(30)에 이용되며, 그 보상기(30)는 움직임 보상된 예측 이미지를 발생한다. 이 움직임 보상된 예측 이미지는 전술한 바와 같이, 잡음 감소를 위해 잡음 감소 회로(1)에 인가되는 움직임 보상된 예측 이미지(PRED)이다.
스위치(31)가 I위치에 있는 경우, 움직임 보상된 예측 이미지는 감산기(20)에 이용되지 않는다. 그러나, 움직임 보상된 예측 이미지를 발생하기 위한 회로 요소(27-30)들은 잡음 감소를 위해 액티브 상태를 유지한다. 그러므로, 잡음 감소는 마찬가지로 I 화상에 이용되고 예측 엔코딩 모드로부터 프레임내(intraframe) 엔코딩 모드로 스위칭될 때 그리고 그 역의 경우에도 눈에 띄는 잡음 감소의 결과를 기대할 수 없다.
또한, 웨이팅 계수 α는 엔코딩된 비디오 신호의 특성에 응답하여 일정하거나 또는 적절히 제어될 수 있다. 후자를 선택할 경우는 예측 이미지와 입력 이미지의 유사 정도(예컨대 MAD 또는 MSE)를 나타내는 신호가 이미 움직임 추정기(29)에서 이용가능하고 개별적으로 발생될 필요가 없기 때문에, 비용면에서 매우 효과적으로 얻어질 수 있다. 도 5에서, 움직임 추정기는 최소의 MAD를 갖는 가장 유사한 화소 블록을 검색하게 된다. 선택된 화소 블록과 관련된 MAD는 도 3과 관하여 위에서 이미 설명한 바와 같이 적절한 웨이팅 계수 α로의 변환을 위해 계수 제어 수단(15)에 이용된다.
도 6은 잡음 감소 회로(1)와 감산기(20)의 산술 연산들이 조합된 비디오 엔코더의 대안의 실시예를 도시한다. 잡음 감소 회로는 단일 승산기(18)와 2개의 가산기들(16,17)을 포함한다(도 2를 참조하라). 스위치(32)의 I 위치에서, 가산기(17)의 출력(즉, 잡음 감소된 신호)이 엔코딩된다. 또 다른 스위치(33)는 이 예측 프레임 메모리(28)가 이 연산 모드에서 갱신되는 것을 방지한다. 스위치(32)의 P 위치에서, 승산기(18)의 출력(즉, 잡음 감소된 신호에서 예측 신호를 감함)이 엔코딩된다.
요약하면, 비디오 엔코딩 방법과 그 장치가 개시되어 있다. 비디오 엔코더, 예컨대 MPEG 엔코더는 움직임 보상된 예측 이미지를 생성한다. 엔코딩에 앞서, 상기 움직임 보상된 예측 이미지는 입력 이미지에서 잡음과 양자화 잡음을 모두 효과적으로 감소시키는 입력 이미지와 조합된다. 잡음 감소량은 예측 메모리 내에서 가장 유사한 화소 블록을 검색하기 위해 움직임 추정기에 의해 이용된 것과 동일한 파라미터에 응답하여 양호하게 제어된다.

Claims (10)

  1. 비디오 신호를 엔코딩하는 방법에 있어서,
    잡음 감소된 신호를 얻기 위해 상기 비디오 신호(INP)와 예측 신호(PRED)를 산술적으로 조합(1,14,16,18,27,28)하는 순환적 잡음-감소 필터(recursive noise-reduction filter)에 의해 상기 비디오 신호를 필터링하는 단계와, 상기 잡음 감소된 신호를 예측 엔코딩하는 단계(21-24)와, 상기 예측 신호를 얻기 위해 상기 엔코딩된 신호를 디코딩하는 단계(25-28)를 포함하고, 상기 엔코딩 및 디코딩 단계들은, 상기 잡음 감소된 신호가 상기 예측 신호를 참조하여 엔코딩되는 예측 엔코딩을 구성하는, 비디오 신호 엔코딩 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 예측 엔코딩 단계는 상기 예측 신호를 구성하는 움직임 보상된 신호(motion compensated signal)를 생성하도록 움직임 추정단계(29) 및 보상단계(30)를 더 포함하는, 비디오 신호 엔코딩 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 움직임 추정 단계는, 움직임 보상된 예측신호가 어느 정도까지 입력 이미지와 유사한지를 나타내는 제어 신호(MAD)의 함수로서 상기 움직임 보상된 예측 신호를 검색하는 단계를 포함하고, 상기 잡음 감소의 양은 상기 제어 신호에 의해 제어되는, 비디오 신호 엔코딩 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어 신호는 입력 신호와 상기 예측 신호의 화소들간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차인, 비디오 신호 엔코딩 방법.
  5. 제 1항, 제 2항, 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잡음 감소 필터링 단계는 상기 입력 신호의 부분(α)과 상기 예측 신호의 부분(1-α)을 조합하는 단계를 포함하는, 비디오 신호 엔코딩 방법.
  6. 비디오 신호 엔코더에 있어서,
    상기 비디오 신호를 수신하고, 잡음 감소된 신호를 얻기 위해 상기 비디오 신호(INP)와 예측 신호(PRED)를 산술적으로 조합(1,14,16,18,27,28)하는 순환적 잡음 감소 필터와, 상기 잡음 감소된 신호를 엔코딩하기 위한 예측 엔코더(21-24)와, 상기 예측 신호를 얻기 위해 상기 엔코딩된 신호를 디코딩하기 위한 디코더(25-28)를 포함하고, 상기 엔코더와 디코더는, 상기 잡음 감소된 신호가 상기 예측 신호를 참조하여 엔코딩되는 예측 엔코더를 구성하는, 비디오 신호 엔코더.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 예측 엔코더는 상기 예측 신호를 구성하는 움직임 보상된 신호를 생성하도록 움직임 추정기(29) 및 보상기(30)를 더 포함하는, 비디오 신호 엔코더.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 움직임 추정기는, 움직임 보상된 예측 신호가 어느 정도 입력 이미지와 유사한지를 나타내는 제어 신호(MAD)의 함수로서 상기 움직임 보상된 예측 신호를 검색하기 위한 수단을 포함하고, 상기 잡음 감소의 양은 상기 제어 신호에 의해 제어되는, 비디오 신호 엔코더.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어 신호는, 상기 입력 신호와 상기 예측 신호의 화소들간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차인, 비디오 신호 엔코더.
  10. 제 6항, 제 7항, 제 8항 또는 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환적 잡음 감소 필터는 상기 입력 신호의 부분(α)과 상기 예측 신호의 부분(1-α)을 조합하는, 비디오 신호 엔코더.
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