KR100484333B1 - 영상신호프로세서를위한메모리관리 - Google Patents

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Abstract

MPEG 호환가능 디코더는 영상 표시 픽셀 블록들의 형태로 인코딩되고 압축된 데이터를 수신한다. 디코더는 디코딩 처리에 흔히 있는 재구성된 픽셀 블록들을 저장하기 위한 프레임 메모리(20)를 포함한다. 이전에 압축 해제된 데이터는 메모리에 기록되기 전에 재압축된다(30). 저장된 압축 해제 데이터는 디스플레이(34, 26)를 위해 압축 해제되거나, 움직임 보상 처리(32, 22)와 같은 기능들을 디코딩하기 위해 필요에 따라 압축 해제된다. 메모리에 데이터를 기록하기 전에 수행되는 압축은 주어진 픽셀 블록을 동시에 압축하는 2개의 상이한 압축 경로들 중 하나로부터의 압축된 데이터를 사용하는 블록 단위 압축이다.

Description

영상 신호 프로세서를 위한 메모리 관리
본 발명은 영상 표시 디지털 신호를 처리하기 위한 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 MPEG 호환가능 영상 신호 디코더에서의 메모리 관리 기술에 관한 것이다.
디지털 신호 처리 기술에서의 급속한 발전은, 예를 들어, 직접 방송 위성 및 고선명 텔레비전(HDTV. high definition television)을 포함하여 많은 분야에서 디지털 영상 신호 처리 분야의 기술 발전을 이룩하였다. MPEG(Motion Picture Experts Group) 신호 처리 표준(ISO/IEC 13818-2, 1994년 5월 10일)이 관련 기술 개발된 것이다. 이것은 광범위하게 수용된 영상 처리 표준으로서 HDTV 시스템을 포함하여 위성, 케이블, 지상 방송 시스템과 함께 사용하는데 특히 관심을 끄는 것이 되었다.
MPEG 비디오 신호 디코더에서, 일반적으로 공지된 바와 같이 I. P. B. 영상프레임들을 나타내는 MPEG 코딩된 디지털 데이터 스트림을 디코딩하기 위해 메모리의 하나 이상의 영상 프레임이 필요하다. 메모리의 3개의 프레임들은 일반적으로 MPEG 데이터 스트림을 디코딩하는데 필요하고, 메모리의 2개의 프레임들은 레퍼런스 I 또는 P 프레임 데이터를 저장하는데 필요하며, 메모리의 1개의 프레임은 B 프레임 데이터를 저장하는데 이용된다. 예를 들면, 직접 방송 위성 수신기 디코더에서 종래의 MPEG 디코더는 16Mbits의 RAM을 포함하고, 미국에서 Grand Alliance에 의해 제안된 바와 같은 HDTV 시스템에서의 MPEG 디코더는 약 80Mbits의 RAM을 필요로 할 것이다. 현재 그만한 양의 RAM 가격은 중요한 요소가 된다. 특히, 비디오 및 TV 시스템과 같은 소비자 생산품에서, 메모리 요건을 제한해야 하는 것은 적당한 수준으로 그러한 생산품의 가격을 유지하는데 중요한 것이다.
본 발명의 원리에 따라, 본 명세서에서, 특히 소비자 생산품들에 광범위하게 이용될 수도 있는 MPEG 호환가능 시스템의 경우에, 디지털 영상 처리 시스템의 메모리 요건들을 효율적으로 관리하는 것이 바람직한 것으로 인식된다.
본 발명의 원리를 사용하는 영상 신호 디코더에서, 사전에 압축 해제된 영상 데이터는 디코딩 처리에 이용된 메모리에 기록되기 전에 압축된다. 개시되어 있는 MPEG 호환가능 디코더 실시예에서, 데이터는 영상 프레임 메모리에 기록되기 전에 압축되고, 저장된 데이터는 움직임 보상 처리와 같은 MPEG 디코딩 기능을 위해 필요할 때나 표시를 위해 압축 해제된다.
본 발명의 특징에 따라, 압축은 상이한 2개의 압축 경로들 중 하나로부터 압축된 데이터를 이용하는 블록 단위 압축(block-based compression)이다.
도 1은 TV 수상기 또는 위성 수신기에서 볼 수 있는 비디오 신호 프로세서의 일부를 도시하고 있다. 비디오 프로세서는 블록들(10, 12, 14, 16, 18, 20, 22)로 구성된 종래의 MPEG 디코더를 포함한다. MPEG 인코더 및 디코더는, 예를 들면, Ang 등에 의한, "Video Compression Makes Big Gains", IEEE Spectrum, October 1991에 설명되어 있다. 본 발명의 원리에 따라, MPEG 디코더는 부가적으로 프레임 메모리에 기록되기 전에 데이터를 압축하기 위한 블록 압축기 유닛(30)을 포함한다.
도 1의 시스템은 입력 신호의 복조 후에 데이터 패킷들을 분리하는, 예를 들어, 전송 디코더와 같은 선행 입력 프로세서로부터 MPEG 코딩된 압축 데이터의 제어된 데이터 스트림을 수신한다. 수신된 데이터는 8×8 픽셀(화소)을 나타내는 데이터 블록의 형태이다. 이 데이터는 코딩된 인트라프레임 정보 및 인접 화상 프레임들 간의 영상 차를 나타내는 인터프레임 예측 움직임 코드화 잉여 영상 정보 모두를 나타낸다. 인터프레임 움직임 코딩은 처리되고 있는 현재 블록과 앞서 재구성된 영상의 블록간의 오프셋을 나타내는 움직임 벡터들의 발생을 포함한다. 현재 및 이전 블록들 간의 최상의 일치(match)를 나타내는 움직임 벡터는 코딩되어 전송된다. 또한, 각 움직임 보상된 8×8 블록과 이전에 재구성된 블록 간의 차이(잉여)는 전송되기 전에 DCT 변환되고, 양자화되고, 가변 길이 코딩된다. 이 움직임 보상된 코딩 처리는 Ang 등에 의한 전술한 논문에서 보다 상세히 설명되어 있다.
입력 압축된 픽셀 데이터 블록들은 유닛(10)에 의해 버퍼링되고 나서 유닛(12)에 의해 가변 길이 디코딩된다. 버퍼(10)는 메일 레벨, 즉b 메인 프로파일 MPEG 데이터 스트림의 경우에 1.75Mbits의 저장 용량을 나타낸다. 유닛(12)으로부터 디코딩되고 압축된 데이터는 역양자화 유닛(14) 및 역이산 코사인 변환(DCT) 유닛(16)에 의해 압축 해제된 후에 가산기(18)의 한 입력에 인가된다. 역양자화기(14)에 의해 제공되는 스텝 사이즈는 스무스 데이터 플로우(smooth data flow)가 되도록 버퍼(10)로부터의 신호에 의해 제어된다. 디코딩된 움직임 벡터들은 하기에서 설명되는 것처럼 디코더(12)로부터 움직임 보상 유닛(22)으로 제공된다. 디코더(12)는 또한 공지된 바와 같이, 도면의 간결성을 위해 생략한 인터/인트라 프레임 모드 선택 제어 신호를 만들어낸다. 유닛들(12, 14, 16)에 의해 수행되는 동작들은 인코더에서, 예를 들면, 전송기에서 수행되는 해당 동작들의 반대이다. 도 1의 MPEG 디코더는 하기에서 간략히 설명되는 공지된 MPEG 처리 기술들을 이용하여 수신된 영상을 재구성한다.
재구성된 픽셀 블록은 프레임 메모리(20)의 내용에 기초한 움직임 보상 유닛(22)의 출력에 제공된 예측 영상 데이터와 유닛(16)으로부터의 잉여 영상 데이터를 합함으로써 가산기(18)의 출력에 제공된다. 픽셀 블록들의 전체 프레임이 처리되었을 때, 최종 재구성된 영상이 프레임 메모리(20)에 저장된다. 인터프레임 모드에서, 디코더(12)로부터 얻어진 움직임 벡터들은 유닛(22)으로부터 예측 블록들의 위치를 제공하기 위해 이용된다.
가산기(18), 메모리(20), 및 움직임 보상 유닛(22)을 포함하는 영상 재구성 처리는 유리하게는 본 발명의 원리에 따라 블록 단위 압축기(30)를 이용함으로써 메모리 요건을 상당히 감소시켰음을 보여준다. 구체적으로, 프레임 메모리(20)의 필요한 메모리량은 유닛(30)에 의해 수행된 압축 기능으로서 소정의 양, 예를 들면, 50%(또는 그 이상)만큼 감소된다. 압축기(30)의 부가적인 상세한 설명은 도 3을 참조하여 논의될 것이다.
메모리 디바이스(20)의 감소된 메모리 요건의 도해가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서, 좌측의 메모리 맵은 전체 사이즈 메모리 내의 픽셀 블록들의 매핑을 나타낸다. 우측의 맵은 50% 더 작아진 메모리가 유닛(30)에 의해 압축된 블록을 저장하는데 어떻게 이용되는가를 설명하고 있다. 도 3에 도시된 압축 네트워크에 대한 하기의 논의에서 고찰되겠지만, 각각의 블록(예를 들어, 블록 C)은 전체 사이즈 메모리에 정상적으로 필요한 공간의 50% 이내에 또는 그 보다 작게 적합하도록 된다. 즉 유닛(30)에 의해 제공된 압축은 50% 이상이 된다. 본 예에서, 압축 이후에 남아 있는 모든 미사용 메모리 공간은 미사용된 채 남아 있으므로, 임의의 블록에 대한 데이터의 시작 위치는 공지된 위치 또는 시작 어드레스가 된다.
전체 사이즈 메모리에서, 임의의 특정 픽셀은 비디오 프레임 픽셀들 및 메모리 픽셀 어드레스들간의 고정 매핑 때문에 위치가 정해질 수 있고 액세스될 수 있다. 감소된 사이즈의 메모리는 픽셀 단위 매핑을 나타내지 못한다. 대신에, 픽셀 블록들이 메모리에 매핑된다. 한 특정 블록 내로부터의 특정 픽셀이 요구되는 경우, 데이터의 전체 블록을 액세스하는 것이 필요할 수도 있다.
종래의 MPEG 2 메인 레벨, 즉, 메인 프로파일 시스템(720×480 픽셀)은 3개의 비디오 프레임들을 저장하는데 12,441,600bits의 프레임 메모리 용량을 필요로 한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른, 저장에 앞서 이 프레임들의 50%를 압축함으로써, 메모리의 7,970,800bits 만이 MPEG 디코딩에 필요하게 된다. 즉, 그것은 유닛(20)에 대해 프레임 메모리의 6,220,800bits, 유닛(10)에 대해 버퍼 메모리의 1,750,000bits 이다. 그러므로, 시스템이 전형적인 16MBit의 외부 메모리 디바이스를 사용하는 경우, 약 8MBits의 메모리 공간만이 MPEG 디코딩을 위해 필요하게 되고, 온스크린 디스플레이, 마이크로프로세서 RAM, 전송 버퍼들, 또는 다른 특수 버퍼들과 같은 다른 목적을 위해 이용될 수 있는 잉여 외부 메모리 용량을 남기게 된다. 보다 작은 집적 회로들이 개발됨에 따라, 다른 디코더 네트워크들과 함께 동일한 집적 회로 상에 디코더 메모리를 집적시키는 것이 가능하다. HDTV 디코더 시스템에서 메모리 요건을 감소시키는 것은 상당한 절약을 초래할 것이다. 예를 들면, 미국의 Grand Alliance에 의해 제안된 HDTV 시스템에서, 프레임 메모리 요구량은 1920×1080×12×3=75,202,560bits이다. 50%로 압축하면, 메모리 요구량은 37,601,280bits로 감소된다.
메모리(20)에 데이터를 저장하기 전에 압축기(30)에 의한 압축을 이용하기 위해서는 데이터가 움직임 보상 처리 루프에서 유닛(22) 이전에 압축 해제되어야 할 필요가 있다. 이것은 압축기(32)에 의해 나타내어진 동작의 역을 나타내는 블록 단위 압축 해제기(32)에 의해 이루어진다. 블록 단위 압축 해제기(34)는 유닛(32)과 유사하고, 표시된 프로세서(26)에 전송되기 전에 저장된 픽셀 블록을 압축 해제한다. 프로세서(26)는, 예를 들면, 표시용 픽셀 데이터를 조절하는 회로, 표시 구동 네트워크, 및 영상 재생 디바이스를 포함할 수도 있다.
전술된 메모리 감소 기술은, CCIR 601(720×480픽셀)까지의 영상 해상도로 MPEG 2 데이터 스트림들을 디코딩할 수 있는 MPEG 2 메인 레벨의 메인 프로파일 디코더와 함께 이용될 수도 있다. 상기 기술은 MPEG 1 데이터 스트림들에 동일하게 응용 가능하고, 방송, 케이블, 위성 TV 신호들 및 다른 종류의 정보 보유 신호들과 관련되는 것과 같은 고선명 포맷들을 포함하는 다른 영상 해상도에 응용 가능하다.
I 프레임들과 같은 저장된 앵커 프레임들로부터의 데이터는, 대개, 입력 압축된 데이터 스트림으로 수신된 움직임 벡터들에 따라 랜덤 형태로 액세스된다. 블록 단위 압축 방법은 프레임 메모리로부터 픽셀 데이터의 적당한 액세스 능력을 유지한다. 8×8 픽셀 블록은 전술한 압축 방법에 따라 양호하게 작동된다. 보다 큰 픽셀 블록들은 감소된 픽셀 액세스 능력의 비용으로 복잡한 압축 기술의 이용을 가능하게 한다. 그 보다 작은 블록들은 압축을 위한 더 작은 옵션들의 비용으로 픽셀을 액세스하는데 더욱 미세한 입상(granularity)을 가능하게 한다. 양자화 및 변환을 포함하여, 다양한 종류의 압축이 특정 시스템의 요건에 따라 압축기(30)의 기능을 구현하는데 이용될 수도 있다.
이용된 압축 유형은 가급적 어떤 특성들을 나타내야 하며, 반드시 나타내야 하는 것은 아니다. 각 블록은 소정 양 또는 그 이상 압축되어야 하므로 각 압축된 블록의 위치는 도 2에 도시된 메모리 매핑과 관련하여 전술된 바와 같이 쉽게 결정된다. 각 블록은 다른 블록들과는 무관하게 압축/압축 해제되어야 한다. 따라서 모든 블록은 어떤 다른 블록을 판독해야될 필요없이 액세스될 수 있다. 이상적으로, 압축/압축 해제 처리는 손실이 없어야 하지만, 이것은 모든 사이즈 블록에 대해 보증될 수는 없다. 따라서, 압축/압축 해제 처리는 재생된 영상에서 장애가 될 수 있는 아티팩트들(artifacts)을 만들어내서는 안된다.
특히, 압축기(30)를 이용하기 위한 압축 기술의 장점이 도 3에 도시되어 있다. 이 압축 기술은 고정 압축 네트워크와 병렬로 가변 압축 네트워크를 이용한다. 압축 네트워크들은 동일한 픽셀 블록에 대해 동일하게 동작한다. 가변 압축 네트워크는 손실이 없거나 또는 거의 손실이 없다는 장점이 있으며, 바람직한 압축 네트워크이다. 소정의 원하는 양의 데이터 압축을 달성하는데 가변 압축 네트워크가 성공하지 못하는 경우, 고정 압축 네트워크의 출력이 대신 사용된다. 고정 압축 네트워크가 원하는 양의 압축을 얻을 수 있는 반면, 이 압축 네트워크는 손실이 있다는 단점이 있다.
도 3에서, 소스(18)로부터의 데이터는 병렬의 독립 데이터 압축 경로들(314, 320)을 포함하는 데이터 압축 네트워크의 입력 단자(312)에 인가된다. 경로(314)는 거의 손실이 없는 경로로, 가변 압축 프로세서(316)를 포함하고, 이 프로세서(316)는 압축된 데이터를 멀티플렉서(MUX)(325)의 신호 입력들 중 하나, 및 비트 카운터(318)에 제공한다. 카운터(318)는 유닛(316)에 의해 압축된 각 데이터 블록의 비트 카운트를 모니터하고, MUX(325)의 제어 입력에 스위칭 제어 신호를 제공한다. 압축 경로(314)의 부가적인 상세한 것들이 도시되어 있고 도 4와 관련하여 논의될 것이다. 경로(320)는 도 5에서 보다 상세히 도시된 바와 같이 고정 압축 프로세서(322)를 포함하는 손실성 경로이다. 유닛(322)으로부터의 압축된 출력 데이터는 MUX(325)의 또다른 신호 입력에 제공된다. MUX(325)는 경로(314)로부터의 압축된 데이터 또는 경로(320)로부터의 압축된 데이터 중 하나를 하기에서 상세히 논의되는 것처럼 압축 네트워크의 출력 단자(328)에 제공된다. 출력 압축 데이터는 도 1의 프레임 메모리(20)에 제공된다.
블록 단위 압축 네트워크(314, 320)는 각각의 픽셀 블록을 독립적으로 압축하고 각 블록이 소정의 압축 인자 또는 그 이상의 것에 의해 압축될 것을 반드시 보장해 준다. 압축 경로(314 또는 320)의 출력은 메모리(20)로의 입력을 위해 선택되어, 만족스러운 화질 및 원하는 압축 인자(본 예에서는 50%)를 제공한다. 50%보다 큰 압축 인자들 역시 이용 가능하다. 그러나, 50%를 초과하지 않는 압축 인자들이 양호한 결과들을 생성한다고 결정되어졌다. 25%의 압축 인자는 상기와 같은 압축이 없는 종래의 디코더 처리와 비교하여 본질적으로 투명해진다. 50%의 압축에서 그 결과들은 덜 투명해지지만, 그 결과들은 수용 가능하고 메모리의 감소없이 종래의 디코더 처리와 비교하여 상당히 차이가 나는 것으로 생각되지는 않는다.
압축 네트워크의 다경로 특징은 높은 화질을 얻고, 적어도 고정 압축 인자가 달성될 것이라는 것을 보장한다. 가변 압축 경로(314)는 손실없는 또는 거의 손실없는 압축을 나타내지만, 경로(314)에 의해 제공된 출력 비트수는 가변적이다. 경로(314)로부터의 압축 블록의 출력 비트수는 카운터(318)에 의해 모니터된다. 압축된 블록 비트(314)의 수가 소정의 압축 인자와 연관된 소정의 타겟 비트 카운트 이하인 경우에, 경로(314)로부터의 압축된 데이터 출력이 MUX(325)에 의해 선택되어 메모리(20)에 전송된다. 그렇지 않으면, 고정 압축기(322)로부터 출력된 압축 블록이 사용된다. 고정 압축기(322)는 고정 타겟 비트 출력을 생성하기 위해 양자화와 함께 손실성 압축 루틴을 사용한다. 압축 해제를 용이하게 하기 위해, 각 압축된 블록에 대해, 각 압축 네트워크는 데이터 스트림 내에 시그널링 정보(signalling information)를 삽입하여 블록에 대해 수행된 압축의 유형을 나타낸다. 시그널링 정보는 각 압축된 데이터 블록의 시작, 예를 들어, 헤더에 삽입된 하나 이상의 비트일 수 있다. 시그널링 비트들은 주어진 시그널링 비트들과 연관된 블록을 압축하기 위해 사용되었던 압축의 역을 수행하는 압축 해제 네트워크들(32, 34)(도 1)에 의해 감지된다. 헤더는, 예를 들면, 양자화 제어 정보와 같은 다른 제어 정보를 포함할 수도 있다.
가변 압축은 불량의 윤곽 아티팩트들(annoying contouring artifacts)을 방지하기 위하여 영상의 스무스 영역들(smooth areas)에서 사용되는 것이 바람직하다. 화질은 상기 영역들에 걸쳐 본질적으로 높게 보장되는데, 이는 가변 압축기(316)는 거의 손실이 없는 처리인 양자화를 거의 또는 전혀 이용하지 않기 때문이다. 다른 한편으로, 고정 압축기(322)는 매우 상세한 정보를 포함하는 영상 영역들에 이용될 수도 있다. 이러한 영역들에서의 양자화 잡음은 매우 인식 가능한 에러를 발생시킬 것 같지 않으므로, 경로(320)에서의 고정 압축에 의한 영상 영역의 인식된 화질은 매우 양호할 것이다. 그러나 대부분의 시스템들에서 상기의 방식으로 가변 및 고정 압축을 선택적으로 이용하는 것이 유익할지라도, 필수적인 것은 아니다. 2개의 압축된 블록들 중 어느 것을 이용해야 하는가의 선택은 간단히 가변 압축기(316)로부터 압축된 블록의 비트 카운트에 기초한다. 비트 카운트는 압축기(16)가 원하는 압축을 달성했다는 것을 나타내는 경우에, 그것이 이용된다. 그렇지 않는 경우에는 압축기(22)가 이용된다.
압축 네트워크(314, 320)에 의해 수행된 블록 단위 압축, 및 모든 블록에 대한 독립적 압축은 디코더로 하여금 임의의 다른 블록에 관련되는 정보를 필요로 하지 않으면서도 모든 블록을 디코딩할 수 있도록 한다. 각 블록이 소정의 압축 인자에 의해 압축되기 때문에, 각 블록의 제 1 픽셀의 메모리 어드레스는 미리 공지된다. 따라서, 각 블록은 다른 블록에 관련되는 정보없이 메모리로부터 액세스될 수 있다. 이것에 관해서, 영역들이 각 블록에 대한 메모리에 확보되어 있음을 유의한다. 50% 압축의 경우에, 각각의 확보된 영역은 원래 블록의 1/2 사이즈이다. 따라서, 각 압축된 블록은 비트들이 카운트되고 압축기(322)의 출력이 필요한 경우 이용된다는 사실에 기인하여 압축된 블록을 위해 확보된 메모리 영역에 부합될 것이다. 바람직한 압축기(316)가 목표 압축량보다 큰 압축을 달성하는데 성공한 경우, 압축기(316)의 출력이 이용되고, 확보된 메모리 공간의 일부는 압축된 블록 데이터에 의해 이용되지 못한다. 즉, 각각의 압축된 블록은 소정의 시작 어드레스로 시작되고 그 블록을 위해 확보된 마지막 어드레스보다 작은 어드레스까지 계속되는 확보된 메모리 영역을 채우기 시작한다. 이 처리는 도 2와 관련지어 논의된다.
블록 단위 압축이 픽셀 블록의 각 픽셀에 대해 용이한 액세스 및 높은 압축효율을 달성할 수 있는 것이 바람직하지만, 상기 두 결과들은 본질상 경합한다. 즉, 높은 압축 효율은 큰 블록 사이즈를 요구하는 반면, 픽셀들에 대한 용이한 액세스는 작을 블록 사이즈를 필요로 한다. 상기 두 특성들은 8×8 픽셀 및 16×4 픽셀의 픽셀 블록 사이즈에 의해 실질적으로 달성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 블록들은 전술된 바와 같이 유닛(10)에서 필요한 N×N 픽셀 사이즈로 형성된다.
본 예에서, 각각의 필드 단위 픽셀 블록은 아래쪽 방향으로 좌측에서 우측으로, 도 6에 도시된 바와 같은 레스터 방식으로 스캐닝(scan)된다. 이 스캐닝은 하기에서 논의되는 것처럼, 도 4 및 도 5 각각에서 도시된 바와 같이 지연 소자들(452 내지 256) 및 지연 소자들(552 내지 556)을 이용하여 두 유닛들(316, 322)에서 행해진다. 가변 압축 네트워크는 도 4에 도시되어 있다. 이 네트워크는 적응적 예측과 함께 DPCM 루프를 이용하여, 공지된 기술들을 사용하여 차 신호(잉여)를 생성한다. 이 차는 가변 길이 코딩되고, 코딩된 차 비트들의 최종 수는 원하는 압축 인자가 현재 블록에 대해 달성되었는지의 여부를 나타내기 위해 모니터된다.
도 4에서, 차 네트워크(442)는, 각각 유닛(442)의 비반전 입력(+)에 인가된 입력 픽셀값들 및 유닛(442)의 반전 입력(-)에 인가된 예측 픽셀값들 간의 차(잉여)를 나타내는 출력을 생성한다. 예측값은, 유닛(444)에 의해 수행된 코딩 동작의 역을 수행하는, 차분기(442), 가변 길이 코더(444), 가변 길이 디코더(446)를 포함하는 DPCM 처리 루프를 이용하여 얻어진다. 가변 길이 코더는 손실없는 또는 거의 손실없는 압축을 위해 선택적 고해상도 양자화기 및 엔트로피 인코더(예를 들어, 허프만(Huffman) 코더)를 포함할 수 있다. 가변 길이 디코더는 역양자화기 및 엔트로피 디코더를 포함한다. 유닛(446)으로부터 역으로 디코딩된 출력은 예측기(450) 및 연관된 픽셀 지연 소자들(452, 454, 456)을 포함하는 예측 네트워크로부터의 출력과 함께 유닛(448)에서 합해진다. 이 소자들은 각각 1개 픽셀, 7개 픽셀, 및 1개 픽셀의 지연을 제공한다. 유닛(450)으로부터 출력된 예측 픽셀값은 가산기(448) 및 차분기(442)의 입력들에 인가된다.
도 7은 DPCM 네트워크의 예측 처리 및 코딩 동작과 관련된 4개의 픽셀들(A, B, C, X)(예측될 픽셀)의 그룹에 대한 예시적인 구성예를 도시하고 있다. 이 픽셀들의 그룹은 또한 도 6에 도시된 픽셀 블록에서 참조된다. 본 예에서, 픽셀(B)은 픽셀(C)에 관련되는 1개 픽셀 간격만큼 지연되고, 픽셀(A)은 픽셀(B)에 관련되는 7개 픽셀 간격만큼 지연되고, 픽셀(X)은 픽셀(A)에 관련되는 1개 픽셀 간격만큼 지연된다. DPCM 예측 처리는 널리 공지되어 있고, 이어서 논의될 것이다. 가변 길이 코더(444)의 출력으로부터의 압축된 픽셀 데이터는 도 3의 MUX(325)에 제공되기 전에 유닛(460)에 의해 버퍼링된다. 버퍼(460)는 전체 블록이 처리될 때까지 가변 압축 처리의 출력을 저장하고, 그 때에 목표 압축 인자에 도달하였는지의 여부가 결정될 수 있다.
코더(444)로부터 출력된 각각의 압축 블록의 비트 카운트는 비트 카운터(418)에 의해 모니터되고, 이는 여러 공지된 기술들에 의해 구현될 수 있다. 각 픽셀 블록이 가변적으로 압축된 후에, 카운터(418)는, 원하는 양의 압축이 가변 압축기에 의해 도달되었는지 또는 초과했는지를 나타내는, 압축된 비트 카운트가 소정의 임계치 이하인 경우에 제어 출력 신호를 제공한다. 이 제어 신호는 가변 길이 압축기로부터 이용 네트워크까지 MUX(325)가 출력을 전송하도록 MUX(325)의 스위칭 제어 입력에 인가된다. 그렇지 않으면, 고정 길이 압축기로부터 출력된 압축 블록(동일한 픽셀 블록에 대해)이 이용 네트워크에 전송된다.
고정 압축 네트워크는 도 5에 도시되어 있다. 이 네트워크 또한 가변 압축기의 경우에서처럼 적응적 예측과 함께 DPCM 루프를 이용한다. 도 5에서, 소자들(548, 550, 552, 554, 556)은 도 4에서의 대응하는 소자들과 같은 기능을 수행한다. 차 네트워크(542)는 또한 잉여 픽셀값을 생성하기 위해 도 4에서의 유닛(442)과 동일한 목적에 소용되지만, 하기에서 논의되는 바와 같이 문맥상 약간 차이가 있다.
고정 압축 네트워크는 DPCM 처리의 결과로서 유닛(542)의 출력에서 제공되는 차(잉여) 픽셀값들의 비선형 양자화를 이용한다. 유닛(542)의 비반전 입력(+)은 64-픽셀 지연 소자(555)에 의해 64 픽셀의 간격 지연된 입력 픽셀값들을 수신한다. 유닛(542)의 반전 입력(-)은 예측기(550)로부터 예측 픽셀값들을 수신한다. 유닛(542)으로부터 출력된 잉여 픽셀값은 유닛들(556, 558) 각각에 의해 양자화 및 역양자화된다. 유닛(556)에 의해 제공된 양자화는 고정되고 원하는 고정 데이터 압축량을 보장한다. 예를 들면, 8 비트 데이터 워드의 50% 압축을 위해, 유닛(556)은 마지막 4개의 최하위 비트들을 제거한다. 고정 압축량은 원하는 압축량보다 작지 않다. 유닛들(556, 558)은 각 픽셀 블록에 대한 최소 및 최대 픽셀값들을 결정하는 Min/Max 비교 네트워크(560)의 제어하에서 동작한다.
양자화기(556) 역시 고정 양자화 규칙을 이용하도록 배열될 수 있을 것이다. 그러나, 처리중인 블록에 관련된 최소 및 최대 픽셀값들에 따라 양자화 규칙에 적응하는 것이 더 효과적이다. Min/Max 비교 유닛(560)은 상기 값들을 결정한다. 소자(555)는 블록의 제 1 픽셀이 처리되기 전에 검사될 주어진 블록의 모든 64개의 픽셀들의 최소 및 최대값들에 필요한 시간 지연을 제공한다.
도 3에 관해 다시 설명하면, 압축기(322)는 고유 지연을 갖지 않지만, Min/Max 비교 및 지연 소자(555)(도 5)의 조합은 압축기(322)가 1 블록 지연을 나타내도록 하고, 이것은 가변 압축 경로에 의해 나타내어진 1 블록 지연과 일치한다. 고정 길이 압축 네트워크는 각각의 8×8 픽셀 블록의 64개의 픽셀값들 각각을 두 번 평가하여 상기 블록의 최소 및 최대 픽셀값들을 결정한다. 이 처리는 소자(555)에 의해 제공된 64개 픽셀(한 블록) 지연에 의해 용이하게 된다. 최소 및 최대값들은 처리중인 각 블록에 이용될 비선형 양자화 규칙들 사이에서 적응적으로 선택하는데 이용된다. 가변 압축기가 원하는 압축을 달성했는지를 결정할 때, 가변 압축 경로의 버퍼(460)에 의해 나타내어진 1 블록 대기시간(latency) 때문에 각 블록을 두번 평가할 필요가 있는 2 경로 방식은 시스템에 추가적인 대기시간을 부가하지는 않는다.
상기에서 지적한 바와 같이, 압축기들(316, 322)은 병렬로 배열되고 고정 압축기는 Min/Max 비교를 사용하며, 압축기(322)에는 1 블록 지연이 존재한다. 가변 압축기(316)는 고유의 1 블록 지연을 갖지 못하므로, 비트 버퍼(460)는 압축기(322)의 출력을 대기하기 위해서 1 블록 시간보다 길게 비트를 보유한다. 고정 압축기(322)가 Min/Max 비교를 사용하지 않은 경우에, 압축기(322)는 1 블록 지연을 나타내지 않을 것이다. 가변 압축기(316)는 버퍼(460)로 인해 고유의 1 블록 지연을 나타내지 않는다. 버퍼(460)는 가변 또는 고정 압축 출력드루중 어느 것을 이용할 것인지에 관한 결정이 있기 전에 압축기(316)의 비트들을 저장한다. 비트 카운터(318)는 가변 및 고정 압축 네트워크들이 병렬로 배열될 때 어느 출력을 이용할 것인지를 결정한다.
그러나, 압축기들(316, 322)은 도 8에 도시된 바와 같이 병렬로 배열될 필요는 없다. 이 경우에, 전술한 바와 같이, 압축기(316)는 픽셀 블록을 먼저 처리하고, 이와 동시에 Min/Max 비교 유닛(560)이 블록에 대한 최소 및 최대 픽셀값들을 결정한다. 1 블록 지연 후에, 압축기(316)가 목표 압축을 달성했는지의 여부, 및 이에 따라 고정 압축기(322)가 상기 블록을 처리해야 하는지의 여부가 알려질 것이다. 가변 압축기(316)가 목표 압축 인자를 달성한 경우에, 가변 압축된 블록을 프레임 메모리에 출력할 것이다. 그렇지 않으면, 유닛(322)이 상기 블록을 압축할 것이다. 압축기들(316, 322)은 유사한 구조 및 기능적 소자들을 포함하기 때문에 이러한 구현은 유닛(316)에서의 가변 압축에 이용된 것과 유사한 소자들이 유닛(322)에서의 고정 길이 압축에 다시 이용될 수 있도록 하는 것이 가능한 이점이 있다.
도 5의 양자화기(556)에 대한 양자화 규칙들(30)을 적응적으로 변경하는 것이 필요하지는 않다. 간단한 선형 양자화가 이용될 수 있을 것이다. Min/Max 픽셀값들에 따른 양자화 규칙을 적응시키는 것은 손실량을 감소시킨다. 각각의 블록은 최소 및 최대 픽셀값들을 얻기 위해 한번 스캐닝된다. 이들 값을 아는 것은 적절한 양자화 규칙으로 하여금 제 1 (잉여) 값이 양자화되기 전에 선택되도록 한다. 소자(555)는 양자화 규칙이 확립될 때까지 제 1 픽셀을 지연시키고, 상기 규칙은 또한 역양자화기(558)에 의해 이용된다. 이것은 시그널링 비트들이 사용중인 양자화 규칙의 압축 해제 기능을 통지하도록 데이터 스트림에 부가될 필요가 있을 것이다.
양자화기는 어드레스들을 나타내는 유닛(542)으로부터의 출력 비트들과 함께, 룩업 테이블의 형태로서 간주될 수도 있다. 양자화기(556)는 50% 압축의 경우에 4비트 데이터를 출력한다. 양자화기(556)의 출력은 유닛(542)의 출력에 근사하도록 유닛(558)에 의해 이용되는 인덱스이다. 이것은, 유닛(558)으로의 입력이 4비트 데이터만인 경우, 유닛(542)이 256개까지의 가능 출력들을 제공할 수 있는 반면에, 오직 16개의 데이터 조합들만이 가능하므로 손실이 발생할 수도 있다. 도 5의 고정 압축 네트워크는 출력 버퍼를 필요로 하지 않는다.
본 실시예에서 도 4 및 도 5의 압축 네트워크들에 의해 동일한 DPCM 예측 코딩 처리가 이용된다. 코딩되는 현재의 픽셀은 이전에 코딩된 픽셀들을 이용하여 예측되고, 이전에 코딩된 픽셀들은 압축 해제기들(32, 34)(도 1)에 공지되어 있다. 예측 처리는 도 7과 관련하여 설명될 수 있고, 픽셀(X)은 예측 코딩될 픽셀값이다. 픽셀들(A, B, C)은 이전에 예측 코딩되었고, 이 픽셀들은 압축 해제부에 공지되어 있다. X의 예측, 즉, Xpred는 사용될 알고리즘을 나타내는, 하기의 의사 코드에 따른 A, B, C의 값들을 사용한다.
if (|A-C| < e1 ＆＆ |B-C| > e2), Xpred = B
else if (|B-C| < e1 ＆＆ |A-C| > e2), Xpred = A
else Xpred = (A+B)/2
값들(e1, e2)은 소정의 임계치들을 나타내는 상수이다. 이 알고리즘은 처리중인 블록의 제 1 칼럼 또는 제 1 로우에 위치하고 있지 않는 픽셀들에 대해서만 이용된다. 일부 예외는 다음과 같이 처리된다. 즉, 블록의 제 1 픽셀은 다른 픽셀들과 관련없이 매우 양호하게 코딩되고, 제 1 로우의 픽셀들은 예측기와 같이 픽셀값(A)을 이용하고, 제 1 컬럼의 픽셀들은 예측기와 같이 픽셀값(B)을 이용한다. 기본적으로, 이 알고리즘은 단부(edge)를 검출하려고 시도한다. 첫 번째 경우에, 수직 단부는 픽셀들(C, B) 간 및 픽셀들(A, X) 간에 제안된다. 따라서 B는 최상의 예측기이다. 두 번째 경우는 수평 단부를 픽셀들(A, C) 간 픽셀들(B, X) 간에 제안한다. 따라서, A는 최상의 예측기이다. 세 번째 경우에, 명확하지 않은 단부가 발견된다. 이 경우에, 두 픽셀들(A, B) 모두 동등하게 양호한 예측기들이고, 따라서, 그 평균값이 이용된다.
개시된 블록 단위 데이터 압축 네트워크는 유리하게는 MPEG 호환가능 데이터 워드들을 처리하는데 이용된다. 이 네트워크는 8×8 휘도 데이터 또는 4×4 U.V(색차) 데이터를 저장하는데 필요한 메모리량을 감소시키기 위해 거의 손실없는 압축을 보여준다. 압축량은 선택적이며, 예를 들면, 25% 또는 50%일 수도 있다. 저대비(low contrast), 저세부(low detail) 영상 블록들이 대개 손실없이 압축되고, 반면에 고대비(high contrast), 고세부(high detail) 데이터 블록들은 약간의 수용할 수 있을 정도의 손실이, 특히, 50% 데이터 압축의 경우에 있을 수도 있다. 몇몇 경우에, 압축 해제된 픽셀 블록들이 원래의 픽셀 블록들과 비교하여 차이를 보일 수도 있지만, 제시된 압축 시스템은 메모리 요건을 감소시키기 위한 수평적 세부 경감에 대해 바람직하다. 도 3에 도시된 압축 시스템은, 다른 디지털 데이터 처리 방법들과 마찬가지로, MPEG 명세의 모든 레벨들 및 모든 프로파일들과 함께 이용될 수 있다.
압축기(30)가 도 3 및 도 8에 도시된 바와 같이 이중 압축 네트워크들을 사용하는 것이 유리하기는 하지만, 이 압축 네트워크들 중 하나는 시스템을 단순화하기 위해 제거될 수 있다. 예를 들면, 하드웨어 설계를 단순화하기 위해서, 고정 길이 압축 네트워크만을 이용하는 것으로 몇몇 시스템들에서는 충분할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 원리를 이용하는 MPEG 디코더의 일부를 도시하는 블록도.
도 2는 전체 및 감소된 메모리 상태를 위한 메모리 매핑(mapping)을 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 MPEG 디코더에 이용하는 압축 네트워크를 도시하는 블록도.
도 4 및 도 5는 도 3의 네트워크에 대해 부가적으로 상세히 도시하는 도면.
도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5에 도시된 네트워크들의 동작에 대한 양상을 이해하는데 도움이 되는 픽셀 구성을 도시하는 도면.
도 8은 대안적인 이중 경로 압축 네트워크를 도시하는 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
10 : 버퍼 18 : 가산기
20 : 비디오 프레임 메모리 22 : 움직임 보상 유닛
30 : 블록 압축기 316 : 가변 길이 압축기
318 : 비트 카운터 322 : 고정 길이 압축기
444 : 가변 길이 코더 446 : 가변 길이 디코더
450 : 예측기 556 : 양자화기
558 : 역양자화기

Claims (15)

  1. MPEG 호환가능 디코더를 포함하는 영상 표시 데이터를 처리하기 위한 시스템으로서, 상기 디코더는,
    - MPEG 코딩된 데이터를 포함하는 입력 데이터 스트림을 압축 해제하여 압축 해제된 데이터를 생성하는 압축 해제기(12, 14);
    - 상기 압축 해제된 데이터를 압축하여 압축된 데이터를 생성하는 압축기(30);
    - 상기 압축기(30)로부터의 상기 데이터를 저장하는 메모리(20); 및
    - 상기 메모리(20)에 의해 저장된 데이터를 처리하는 출력 네트워크(26)를 포함하는, 상기 영상 표시 데이터 처리 시스템에 있어서;
    상기 압축기(30)는,
    - 가변 압축 특성을 나타내는 제 1 서브-압축기(316);
    - 고정 압축 특성을 나타내고, 압축될 데이터를 상기 제 1 서브-압축기(316)와 동시에 수신할 수 있는 제 2 서브-압축기(322); 및
    - 상기 제 1 및 제 2 서브-압축기들(316, 322) 중 하나 또는 다른 하나로부터 원하는 압축 인자를 나타내는 데이터를 상기 메모리(20)에 전송하는 선택 네트워크(325, 560)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 압축은 상기 고정 압축보다 선호되어,
    상기 선택 네트워크(325, 560)가,
    - 상기 가변 압축된 데이터가 소정의 원하는 압축 인자를 나타내거나 더 클 때, 상기 제 1 서브-압축기(316)로부터 가변 압축된 데이터를 선택하고,
    - 상기 가변 압축된 데이터가 상기 압축 인자보다 작은 것을 나타낼 때, 상기 제 2 서브-압축기(322)로부터 고정 압축된 데이터를 선택하도록 하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    - 상기 제 1 서브-압축기(316) 및 제 2 서브-압축기(322)는 블록 단위 압축기이고,
    - 상기 제 2 서브-압축기(322)는 상기 제 1 서브-압축기(316)와 병렬로 동작하고,
    - 상기 압축기(30)는 상기 제 1 및 제 2 서브-압축기들(316, 322) 모두에 영상 데이터의 블록들을 동시에 인가하는 수단(312, 314, 320)을 포함하고,
    - 상기 압축기(30)는, 상기 제 1 서브-압축기(316)에 의해 처리된 데이터 블록이 원하는 압축 인자를 나타내는지를 결정하기 위한, 상기 제 1 서브-압축기(316)에 연결된 수단(318, 418)을 포함하고,
    - 상기 선택 네트워크(325)는 상기 선택된 압축 데이터를 상기 메모리(20)에 선택적으로 전송하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 네트워크(26)에 제공되기 전에, 상기 메모리(20)에 의해 저장된 데이터를 압축 해제하는 압축 해제기(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디코더는 압축 해제된 데이터를 처리하기 위한 움직임 정보 처리 네트워크를 더 포함하고,
    - 상기 압축기(30)는 상기 메모리(20)에 의해 저장되기 전에 상기 움직임 처리 네트워크에 의해 처리된 데이터를 압축하고,
    - 상기 출력 네트워크(26)는 상기 메모리(20)에 의해 저장된 데이터를 처리하기 위한 영상 처리기인 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 움직임 처리 네트워크는,
    - 상기 메모리(20)로부터 저장된 데이터를 수신하는 입력 및 움직임 보상된 데이터를 제공하는 출력을 갖는 움직임 보상 네트워크(22); 및
    - 상기 압축 해제기(12, 14)로부터의 상기 압축 해제된 데이터와 상기 움직임 보상된 데이터를 결합하는 결합기(18)를 포함하고,
    상기 압축기(30)는 상기 결합기(18)로부터 결합된 데이터를 상기 메모리(20)의 입력에 전송하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 움직임 보상 네트워크(22)에 제공되기 전에, 상기 메모리(20)로부터 출력된 데이터를 압축 해제하는 압축 해제기(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(30)는 블록 단위 압축기인 것을 특징으로 하는, 영상 표시 데이터 처리 시스템.
  9. MPEG 코딩된 영상 표시 데이터의 디지털 데이터 스트림을 처리하는 방법으로서,
    (a) 압축 해제된 데이터를 생성하기 위해, MPEG 코딩된 데이터의 상기 입력 데이터 스트림을 압축 해제하는 단계;
    (b) 압축된 데이터를 생성하기 위해, 상기 압축 해제된 데이터를 압축하는 단계;
    (c) 상기 압축 단계 (b)로부터의 상기 데이터를 메모리(20)에 저장하는 단계; 및
    (d) 상기 저장된 압축 데이터를 영상 정보 처리 네트워크(26)에 제공하는 단계를 포함하는, 상기 디지털 데이터 스트림 처리 방법에 있어서;
    상기 단계 (b)는 가변 압축기 특성을 나타내는 제 1 서브-압축기(316)에 의해 가변 압축된 데이터를 생성하고 원하는 압축 인자를 나타내는 데이터를 상기 메모리(20)에 전송하는 단계를 포함하고, 상기 전송된 데이터는 상기 가변 압축된 데이터, 또는 가변 압축기 특성을 나타내는 제 2 서브-압축기(322)에 의해 생성된 고정 압축된 데이터 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정 압축된 데이터는 상기 가변 압축된 데이터와 병렬로 생성되는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    (e) 상기 메모리(20)에 저장된 상기 데이터를, 상기 영상 처리 네트워크(26)에 제공하기 전에 압축 해제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 (e)는,
    (e1) 표시를 위한 출력 영상 정보를 생성하기 위해, 상기 메모리(20)에 저장된 상기 데이터를 압축 해제하는 서브-단계; 및
    (e2) 표시를 위한 상기 영상 정보를 디스플레이 처리기(26)에 전송하는 서브-단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (f) 압축 해제된 저장된 정보를 생성하기 위해, 상기 메모리(20)에 저장된 정보를 압축 해제하는 단계;
    (g) 움직임 정보를 생성하기 위해, 상기 압축 해제된 저장된 정보를 움직임 처리하는 단계; 및
    (h) 상기 압축 단계 (b)에서 압축된 상기 정보를 생성하기 위해, 상기 압축 해제된 데이터와 상기 움직임 정보를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 압축 단계 (b)는 블록 단위 압축을 수행하고,
    - 상기 압축 해제 단계 (a)는 블록 단위 압축 해제를 수행하는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 영상 표시 데이터는 소정의 사이즈의 영상 픽셀 데이터의 블록들(A 내지 D)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디지털 데이터 스트림 처리 방법.
KR1019960082418A 1995-12-27 1996-12-27 영상신호프로세서를위한메모리관리 KR100484333B1 (ko)

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