KR100560101B1 - 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환방법 - Google Patents

블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상의 크기 변환 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축된 형태로 저장된 정지영상이나 동영상을 압축된 환경에서 영상의 크기를 변환하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법은, n (양의 정수)개의 입력 블록(block)의 DCT계수에 대해 각각 역 DCT를 수행하여 n개의 공간 도메인 신호를 얻는 역 DCT 단계; 상기 n개의 공간 도메인 신호를 하나의 신호로 연결하여 1 블록을 만들고, 당해 1 블록에 대해 DCT를 수행하여 DCT 계수를 얻는 DCT 단계; 및 상기 DCT계수의 고주파수 쪽의 계수를 버리고 저주파수 쪽의 계수를 취하여 n-폴드 다운샘플링(downsampling)을 구현하는 다운샘플링 단계;를 포함하여 이루어진다.
DCT, 다운샘플링, 업샘플링, 도메인, 계수

Description

블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법{Arbitrary Image Resizing in Block-DCT Domain}
도 1은 DCT 도메인에서의 다운샘플링에 대한 구현과정을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 2는 DCT 도메인에서의 업샘플링에 대한 구현과정을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
본 발명은 영상의 크기 변환 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축된 형태로 저장된 정지영상이나 동영상을 압축된 환경에서 영상의 크기를 변환하는 방 법에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 정지영상 이나 동영상의 데이타는 매우 크기가 크므로 메모리 공간의 부족, 중앙처리장치의 계산속도 및 데이타 전송속도면에 있어서 상당한 문제가 발생한다. 따라서, 이런 문제들을 해결하기 위해 데이타를 압축함으로서 메모리공간의 효율적 활용, 계산속도 및 전송속도 측면에서 효과를 얻을 수 있게 된다.
영상 신호에 있어서 데이타의 압축은 주파수 스펙트럼을 이용한다. 즉, 영상 신호는 주파수 스펙트럼을 가지고 있고, 화면을 이루는 사물의 윤곽에서만 고주파수를 포함하고 있다. 다시 말해서, 그림의 전체부분에서 비교해 볼때 그림은 저주파수대에 많은 정보를 가지고 있고, 고주파수대에 적은 정보를 가지고 있다는 점들을 이용하여 데이타를 압축하게 된다.
디지털 영상압축 기술들은 정지영상의 경우는 주로 공간상에서의 중복성을 제거하기 위한 DCT(Discrete Cosine Transform)등을 이용한 변환 부호화를 기반으로 하고 있으며, 동영상의 경우는 DCT와 더불어 화면간 물체들의 움직임 보상 (motion-compensation)을 이용한 예측 부호화를 기반으로 하고 있다.
또한, 디지털 영상에 있어서, 사용자들은 여러가지 응용 분야에 대해 각기 다른 크기(해상도)의 영상을 요구한다. 예를 들면, 네트워크 등을 통해 원거리에 있는 사용자에게 영상을 전송하고자 할 때, 처음에는 작은 크기의 영상을 전송하고 사용자가 원하는 경우에만 풀(Full) 사이즈의 영상을 전송하는 것이 효율적이다.
또한, SDTV(Standard Definition Television) 이나 HDTV(High Definition Television) 같은 각기 다른 환경에서 영상을 사용하기 위해서도 영상의 크기 변환은 필수적이라 할 수 있다.
일반적으로 영상신호의 압축은 8×8-블럭 DCT을 하고 엔트로피 코딩을 함으로서 구현된다. 이때, 영상크기 변환을 하기 위해서는 압축을 복원한 다음, 크기 변환을 한 후, 다시 압축을 하는 것이 종래의 방법이었다. 하지만, 종래의 방법은 영상크기 변환 과정이 아닌 압축복원 하는 과정에서도 많은 계산이 필요하기 때문에 속도의 저하를 가져오고 시간이 많이 소요되는 문제가 있었다.
따라서, 영상 크기 변환 방법에 있어서, 속도를 빠르게 하기 위해 DCT 도메 인에서 직접 영상의 크기를 변환하는 방법들이 몇 가지 제시되어 있으나, 그러한 방법들도 속도를 빠르게하고 화질의 열화도 적게 가져오는 방법은 특정한 사이즈의 변화에 대해서만 적용가능하므로, 일반적인 다양한 크기의 영상에 적용하기에는 적합하지 않은 문제가 있다.
이러한 방법 중의 하나로 미국특허 제5,708,732호(Fast DCT domain downsampling and inverse motion compensation)가 있다. 여기에서는 n개의 8x8 DCT 블록의 평균을 취하여 1개의 8x8 DCT 블록을 생성함으로써 1/n의 다운샘플링을 구현하고 있다. 그러나, 이 방법에 따르면 전술한 바와 같이 1/n과 같은 축소율은 달성할 수 있지만, m/n과 같은 임의의 축소율은 달성할 수 없다고 하는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, DCT 도메인에서 임의의 영상 크기 변환 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 실시간 영상 크기 변환등의 빠른 속도를 필요로하는 응용 분야에 적용되어 디지털 영상 서비스을 개선하고자 한다.
본 발명의 블록 이산코사인변환 도메인(Discrete Cosine Transform; DCT)에서의 임의의 영상 크기 변환 방법에 따른 다운샘플링(downsampling) 방법은, n (양의 정수)개의 입력 블록(block)의 DCT(Discrete Cosine Transform; 이산코사인변환) 계수에 대해 각각 역 DCT를 수행하여 n개의 공간 도메인 신호를 얻는 역(Inverse) DCT 단계; 상기 n개의 공간 도메인 신호를 하나의 신호로 연결하여 1 블록을 만들고, 당해 1 블록에 대해 DCT를 수행하여 DCT 계수를 얻는 정(Forward) DCT 단계; 및 상기 DCT계수의 고주파수 쪽의 계수를 버리고 저주파수 쪽의 계수를 취하여 n-폴드 다운샘플링(downsampling)을 구현하는 다운샘플링 단계; 를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법에 따른 업샘플링(upsampling) 방법은, 1 블록의 DCT 계수에 대하여 고주파수 쪽으로 제로(zero)를 패딩(padding)하여 다른 DCT 계수를 얻는 패딩 단계; 상기 다른 DCT 계수에 대해 역 DCT를 수행하여 공간 도메인 신호를 얻는 역 DCT 단계; 및 상기 공간 도메인 신호를 m (양의 정수)개의 신호로 나누어 각각 8-샘플 정 DCT를 수행하여 DCT 도메인에서의 m-폴드 업샘플링(upsampling)을 구현하는 업샘플링 단계; 를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 영상 크기변환은 압축된 환경에서 수행되어 진다. 일반적으로, 영상신호의 압축은 8×8 블럭 DCT을 하고 엔트로피 코딩을 함으로서 구현된다.
본 발명에 따른 DCT 도메인에서 다운샘플링(downsampling)을 하는 방법은 DCT 계수들 중 고주파수 쪽 계수들을 버리고, 원하는 크기에 맞게 저주파수 계수들 만을 취함으로써 다운샘플링을 구현할 수 있고, 업샘플링(upsampling)의 경우 고주파수 쪽에 zero를 인서트(insert)함으로써 업샘플링을 구현할 수 있다.
또한, 압축된 영상은 대부분 8×8 블럭 DCT 영상이기 때문에 다운샘플링의 경우 고주파수 계수를 버리거나, 업샘플링의 경우 zero를 삽입한 결과도 8×8 블럭 DCT의 계수를 가져야 한다. 본 발명에서는 8×8 블럭 DCT의 기준으로 인접한 블럭의 계수들도 같이 이용하기 때문에 크기 변환 결과도 8×8 블럭 DCT 계수를 갖는특 징을 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 DCT 도메인에서의 임의의 영상크기 변환 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 DCT 도메인에서의 다운샘플링에 대한 구현과정을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
일반적으로 8×8 샘플 블럭의 2차원 DCT 코딩이 주로 사용되지만, DCT는 분리할 수 있으므로 설명의 편의를 위해 8×1 샘플 블럭의 1차원 DCT 코딩으로 설명한다.
도시된 바와 같이, (a)에서 X 1(k)8, X 2(k) 8은 인접한 블럭의 8-샘플의 신호에 대한 각각의 DCT 계수를 나타낸다. (b)에서는 DCT 도메인에서의 2 블럭(2개의 8-샘플)을 역(Inverse) DCT 변환하였을 때의 공간 도메인에서의 신호를 나타낸다. (C)에서는 공간 도메인에서의 2 블럭의 신호를 하나의 블럭 신호(1개의 16-샘플)로 연결하여 나타낸 것이다. (d)에서는 DCT 도메인에서의 16-샘플을 정(Forward) DCT 했을 때의 DCT의 16계수(X(k)16)를 나타낸다. (e)에서는 16 DCT 계수(X( k)16) 중에서 고주파수 쪽의 8-샘플을 버리고, 저주파수 쪽의 8-샘플만을 취하여 1/2 다운샘플링을 구현한 것을 나타낸다. 즉, (d)의 16-샘플은 인접한 2블록 전체에 대해서 DCT를 한 것과 같으므로, 저주파수쪽 8계수만 취하면 2폴드 다운 샘플링을 얻을 수 있다.
도시된 도 1을 참조하여 다운샘플링 구현과정을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
두 블럭의 DCT 계수를 X 1(k)8 와 X 2( k)8라 하면(a), 각각의 블럭 신호에 대해 역 DCT를 수행하면 공간 도메인에서의 블록 샘플 신호인 x 1(n)8 와 x 2(n)8을 얻을 수 있다(b). 상기에서 얻은 두 블럭을 이은 신호를 x(n)16이라 할때, 이 신호는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다(c).
Figure 112003049074450-pat00001
상기 x(n)16 신호를 다시 정(Forward) 16-샘플 DCT를 하면 X(k) 16의 DCT 계수을 얻을 수 있다(d). 여기서, 다운샘플링 시에는 1블럭 8-샘플의 계수를 가지면 되 므로 얻어진 계수의 고주파수 쪽 8-샘플의 계수를 제거함으로서 다운샘플링을 구현할 수 있다. 이 과정을 행렬 형태로 표현하면 수학식 2와 같다.
Figure 112003049074450-pat00002
여기서, y는 다운샘플링된 DCT 도메인에서의 8개의 계수를 가지는 신호, x 1=[X 1(0)8 X 1(1)8 X 1(2)8 X 1(3)8 X 1(4)8 X 1(5)8 X 1(6)8 X 1(7) 8] T , x 2=[X 2(0)8 X 2(1)8 X 2(2)8 X 2(3)8 X 2(4) 8 X 2(5)8 X 2(6)8 X 2 (7)8] T , CU16은 16×16의 포워드 DCT 행렬에서 위의 8개의 행만을 가지는 행렬, C-1 8 은 일반적으로 사용되는 8-샘플 역행렬이다.
상기 수학식 2를 정리하면 다음 수학식 3과 같은 8×16 2-폴드 다운샘플링 행렬을 얻을 수 있다.
Figure 112003049074450-pat00003
또한, 3-폴드 다운샘플링의 경우에도 상기 2-폴드 다운샘플링의 경우와 마찬가지이다. 즉, 입력으로 3 블럭(3개의 8-샘플)이 필요하고 1 블럭으로 만드는 과정이므로 수학식 4와 같이 행렬 형태로 정리될 수 있다.
Figure 112003049074450-pat00004
상기 수학식 4는 상기 수학식 2에서와 같은 행렬 형태이다. 다만, 입력으로 3 블럭이 필요하므로 CU24가 필요하고, 이는 24-샘플의 정 행렬의 상위 8개의 행만을 가지는 행렬이다. 즉, 행렬 크기는 8×24인 행렬이다.
따라서, 상기와 같은 방법으로 일반적인 정수배의 다운샘플링 행렬을 쉽게 얻을 수 있으며, 2차원 DCT의 경우도 1차원 DCT의 확장이므로 같은 방법으로 다운샘플링을 얻을 수 있게 된다.
도 2는 DCT 도메인에서의 업샘플링에 대한 구현과정을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, (a)에서 X(k)8 은 1 블럭 8-샘플의 DCT 도메인에서의 계수가 이고, (b)와 같이 상기 X(k)8 계수의 고주파수 쪽에 8-샘플의 zero를 패딩한다. 이어서, (c)와 같이 상기 (b)에서 얻은 DCT 도메인에서의 16-샘플에 대해 역 DCT를 하면 공간 도메인에서의 업샘플링된 16-샘플의 신호를 얻을 수 있다. (d)에서는 상기 16-샘플의 신호를 8-샘플의 2 블럭의 신호로 나눈 신호를 나타내고 있다. (e)는 상기 8-샘플을 가지는 2 블럭에 대해 각각 정 DCT를 하여 2-폴드 업샘플링된 신호를 DCT 도메인에서 얻을 수 있게 된다.
도시된 도 2을 참조하여 다운샘플링 구현과정을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
2-폴드 업샘플링의 경우에도 상기 2-폴드 다운샘플링의 경우와 같은 개념으로 설명할 수 있다. 업샘플링의 경우에는 상기 다운샘플링의 경우와 반대로 DCT계수의 고주파수 쪽에 zero를 패딩함으로써 구현할 수 있다. 즉, 1 블럭의 DCT계수가 있을 때, 고주파수 쪽으로 8개의 zero를 패딩하여 16개의 계수를 가지는 DCT계수를 얻는다. 이것을 16-샘플 역 DCT를 하게 되면, 공간 도메인에서의 16샘플을 얻을 수 있고, 각각 8-샘플 정 DCT를 하면 DCT 도메인에서의 2 블럭의 업샘플링된 신호를 구할 수 있다. 이 과정을 행렬 형태로 표현하면 수학식 5와 같다.
Figure 112003049074450-pat00005
여기서, y는 업샘플링된 DCT 도메인에서의 16개의 계수를 가지는 신호, x 1=[X 1(0)8 X 1(1)8 X 1(2)8 X 1(3)8 X 1(4)8 X 1(5)8 X 1(6)8 X 1(7) 8] T , C-1 L16은 16-샘플 역 DCT의 좌측 8열, C8 은 일반적으로 사용되는 8-샘플 행렬이다.
업샘플링된 y는 16개의 계수를 가지게 되고, 이것의 상위 8행과 하위 8행이 각각 블럭을 구성하게 된다. 또한, C-1 L16은 16 샘플 역 DCT의 좌측 8열을 나타내며, 우측 8열은 zero로 패딩된 신호와의 계산이기 때문에 결과적으로 필요없게 된다.
또한, 3-폴드 업샘플링의 경우에도 상기 2-폴드 업샘플링의 경우와 마찬가지이다. 즉, 상기 수학식 5에서 입력으로 C-1 L16 행렬만 C-1 L24로 표현하여 얻을 수 있다.
따라서, 상기와 같은 방법으로 일반적인 정수배의 업샘플링 행렬을 쉽게 얻을 수 있으며, 2차원 DCT의 경우도 1차원 DCT의 확장이므로 같은 방법으로 업샘플링을 얻을 수 있게 된다.
상기의 다운샘플링 구현과정과 업샘플링 구현과정을 기초로하여 m/n과 같은 임의의 축소(또는 확대)율을 가지는 압축(또는 확대)이 가능하게 된다. 예를 들면, 3/2-폴드의 경우를 고려해 보면, 3-폴드 업샘플링과 2-폴드 다운샘플링의 경우를 조합하여 하나의 3/2 업/다운 샘플링을 구현할 수 있게 된다.
상기의 3/2 업/다운 샘플링을 행렬 형태로 표현하면 수학식 6과 같다.
Figure 112003049074450-pat00006
여기서, y는 업/다운샘플링된 DCT 도메인에서의 신호, x 1=[X 1(0)8 X 1(1)8 X 1(2)8 X 1(3)8 X 1(4) 8 X 1(5)8 X 1(6)8 X 1 (7)8] T , x 2=[X 2(0)8 X 2(1)8 X 2(2)8 X 2(3)8 X 2(4)8 X 2(5)8 X 2(6)8 X 2(7) 8] T , CU16은 16×16의 정 DCT 행렬에서 위의 8개의 행만을 가지는 행렬, C-1 L24은 24-샘플 역 DCT 행렬의 좌측 8열, C8 은 일반적으로 사용되는 8-샘플 행렬이다.
또한, 상기의 다운샘플링 구현과정과 업샘플링 구현과정을 조합하여 m/n과 같은 임의의 축소(또는 확대)율을 가지는 압축(또는 확대)이 가능하고, 바람직하게 는 상기m/n 업-다운샘플링의 상기 n-폴드 다운샘플링과 m-폴드 업샘플링의 구현방법을 조합한 필터에 의해 임의의 영상 크기 변환하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면 크기 변환된 DCT 블록의 크기가 일반적인 압축 표준에서 사용되는 것이므로 역 DCT 변환을 할 필요가 없게 되어 영상 크기 변환의 속도를 개선할 수 있게 된다.
또한, 실시간 영상 크기 변환등의 빠른 속도를 필요로 하는 응용분야에 적용되어 영상 서비스 개선에 도움이 된다.

Claims (6)

  1. n (양의 정수)개의 입력 블록(block)의 DCT(Discrete Cosine Transform; 이산코사인변환) 계수에 대해 각각 역 DCT를 수행하여 n개의 공간 도메인 신호를 얻는 역(Inverse) DCT 단계;
    상기 n개의 공간 도메인 신호를 하나의 신호로 연결하여 1 블록을 만들고, 당해 1 블록에 대해 DCT를 수행하여 DCT 계수를 얻는 정(Forward) DCT 단계; 및
    상기 DCT계수의 고주파수 쪽의 계수를 버리고 저주파수 쪽의 계수를 취하여 n-폴드 다운샘플링(downsampling)을 구현하는 다운샘플링 단계;
    를 포함하는 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
  2. 1 블록의 DCT 계수에 대하여 고주파수 쪽으로 제로(zero)를 패딩(padding)하여 다른 DCT 계수를 얻는 패딩 단계;
    상기 다른 DCT 계수에 대해 역 DCT를 수행하여 공간 도메인 신호를 얻는 역 DCT 단계; 및
    상기 공간 도메인 신호를 m (양의 정수)개의 신호로 나누어 각각 8-샘플 정 DCT를 수행하여 DCT 도메인에서의 m-폴드 업샘플링(upsampling)을 구현하는 업샘플링 단계;
    를 포함하는 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다운샘플링 및 업샘플링은 DCT 매트릭스(matrix)의 관계를 이용하여 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 n-폴드 다운샘플링과 m-폴드 업샘플링을 조합하여 m/n 업-다운샘플링을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 DCT 매트릭스는 각각의 영상 크기의 DCT 매트릭스에서 필요한 행(row)이나 열(column)을 이용하여 크기변환 매트릭스로 구성되는 것을 특징으로 하는 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기m/n 업-다운샘플링은 상기 n-폴드 다운샘플링과 m-폴드 업샘플링의 구현 방법을 조합한 필터에 의해 임의의 영상 크기 변환이 가능한 블록 이산코사인변환 도메인에서의 임의의 영상 크기 변환 방법.
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