KR100601615B1 - Apparatus for compressing video according to network bandwidth - Google Patents

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Abstract

시간적으로 변화하는 네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는 입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기, 상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기, 입력되는 이전 프레임들로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기, 상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하는 제어기를 포함한다.Disclosed is an image compression apparatus adaptive to a network bandwidth that changes in time. The apparatus of the present invention is a quantizer for quantizing input image data to a predetermined quantization value, a transmitter for buffering and transmitting image data generated by the quantizer, a complexity predictor for predicting complexity from previous frames inputted, And a controller configured to adaptively determine the quantization value of the quantizer within the network bandwidth by inputting the amount of data buffering occupied by the transmitter, the complexity value predicted by the complexity predictor, and bandwidth information allocated to the network.

Description

네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치{Apparatus for compressing video according to network bandwidth}Apparatus for compressing video according to network bandwidth}

도 1은 본 발명이 적용되는 TM-5에서 제안된 MPEG 부호화기의 블럭도이다. 1 is a block diagram of an MPEG encoder proposed in TM-5 to which the present invention is applied.

도 2는 본 발명에 따라 도 1의 장치에 양자화값(Q)을 조절하는 압축 부호화장치의 블럭도이다. 2 is a block diagram of a compression encoding apparatus for adjusting a quantization value Q in the apparatus of FIG. 1 according to the present invention.

도 3은 본 발명을 적용하여 영상을 전송한 경우 영상의 품질을 보이는 그래프이다. 3 is a graph showing the quality of an image when the image is transmitted by applying the present invention.

도 4는 본 발명을 적용하여 영상을 전송한 경우 대역폭 이용도를 보이는 그래프이다.4 is a graph showing bandwidth utilization when an image is transmitted by applying the present invention.

본 발명은 영상 전송 시스템에서 효율적인 영상 압축 장치에 관한 것으로서, 특히 시간적으로 변화하는 네트워크 대역폭에 적응적인 영상 압축 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an efficient image compression apparatus in an image transmission system, and more particularly, to an image compression apparatus that is adaptive to time-varying network bandwidth.

일반적으로 영상 부호화기는 영상을 전송할 때 그 영상의 화질 저하를 최소화하면서 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 할 수 있도록 부호화되어야한다. 영상 부호화기에서 영상 압축 기술과 관련된 종래 기술은 "ISO/IEC MPEG working group"에서 제정한 "표준 ISO/IEC 13818-2: 비디오"에 "TEST model(TM)-5"서 서술되어 있다. In general, an image encoder should be encoded to maximize the utilization of bandwidth while minimizing deterioration of image quality when transmitting an image. Conventional techniques related to image compression techniques in a video encoder are described in "TEST model (TM) -5" in "Standard ISO / IEC 13818-2: Video" established by the "ISO / IEC MPEG working group".

이러한 MPEG WG에서 제시하는 TM-5의 전송률 제어 방식은 기본적으로 CBR(Costant Bit Rate) 영상 시퀀스를 생성하는 것이다. 이를 위해 하나의 GOP(Group of Picture)마다 전송 가능한 데이터량을 할당하여 각 장면마다 이를 다시 분배하고 있다. The rate control method of TM-5 proposed by the MPEG WG basically generates a CBR (Costant Bit Rate) video sequence. To this end, the amount of data that can be transmitted is allocated to each group of pictures (GOP) and redistributed for each scene.

TM-5 알고리듬은 우선 각 장면이 전송할 수있는 데이터 양으로 부터 목표 데이터 크기를 설정한다. 목표치의 크기는 영상의 특성과 고정된 네트워크 대역폭을 기준으로 결정된다. 그 후 가상 버퍼의 점유량에 따라 양자화 값의 기준을 정한다. TM-5에서는 하나의 장면에 하나의 양자화값이 사용되는 것이 아니므로 양자화 값을 기준을 정하고, 각각의 매크로블럭(Macro Block)마다 다른 양자화 값을 사용하게 된다. The TM-5 algorithm first sets the target data size from the amount of data each scene can transmit. The size of the target value is determined based on the characteristics of the image and the fixed network bandwidth. The quantization value is then determined based on the occupancy of the virtual buffer. In the TM-5, since one quantization value is not used in one scene, the quantization value is determined and a different quantization value is used for each macro block.

따라서 이와 같은 TM-5에서는 영상의 품질을 유지하면서 CBR 채널에 영상을 전송하는 데 유용하게 사용될 수있다. 그러나 종래 기술의 TM-5에서는 장면의 변화에 따라 잘못된 연산으로 인해 어긋난 대역폭 할당을 할 수있다. 즉, GOP 기준으로 영상의 목표 데이터 크기를 결정하는 경우 어긋난 대역폭 할당이 장기간 지속되어 데이터 손실이 지속될 가능성이 크다. 또한 전화망과 같은 회선망과는 달리 데이터망에서는 하나의 데이터 전송 패스(path)를 다수의 엔드-유저(end-user)로 사용하기 때문에 하나의 엔드-유저의 전송량 변화로 인해 각 네트워크 엔드-유저가 가질 수있는 대역폭의 크기가 변화하게 된다. Therefore, the TM-5 can be useful for transmitting an image to a CBR channel while maintaining the image quality. However, in the TM-5 of the prior art, it is possible to perform a bandwidth allocation deviated by a wrong operation according to the change of the scene. In other words, when determining the target data size of an image based on the GOP, misalignment of bandwidth allocation is likely to continue for a long time, and data loss is likely to continue. In addition, unlike a network such as a telephone network, the data network uses one data transmission path as multiple end-users. The amount of bandwidth you have will change.

따라서 TM-5에서는 시변 네트워크 환경에서 영상 데이터를 전송하는 경우 불가피하게 영상 데이터의 손실이 발생하고 이에 따라 QoS가 저하되므로 VBR(Variable Bit Rate)환경에서 이용될 수없는 문제점이 있다. Accordingly, in case of transmitting video data in a time-varying network environment, TM-5 inevitably loses video data, and thus QoS is degraded. Therefore, the TM-5 cannot be used in a variable bit rate (VBR) environment.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 데이터망을 이용하는 영상 전송 시스템에서 영상을 압축하여 전송하는데 있어서 데이터양을 네트워크 대역폭 상태에 맞게 양자화값을 조절해 줄수 있는 영상 압축 장치를 제공하는 데있다. An object of the present invention is to provide an image compression device that can adjust the amount of data according to the network bandwidth state in compressing and transmitting an image in an image transmission system using a data network.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 데이터 네트워크를 구비한 영상 전송 시스템에 있어서, In order to solve the above technical problem, the present invention provides a video transmission system having a data network,

입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기;A quantizer for quantizing input image data to a predetermined quantization value;

상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기;A transmitter for buffering and transmitting the image data generated by the quantizer;

입력되는 이전 프레임들로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기;A complexity predictor for predicting complexity from previous frames inputted;

상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하는 제어기를 포함하는 영상 압축 장치이다. And a controller configured to adaptively determine a quantization value of the quantizer within the network bandwidth by inputting a data buffering amount occupied by the transmitter, a complexity value predicted by the complexity predictor, and bandwidth information allocated to the network. It is a video compression device.

이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명이 적용되는 TM-5에서 제안된 MPEG 부호화기의 블럭도이다. 1 is a block diagram of an MPEG encoder proposed in TM-5 to which the present invention is applied.

먼저, 영상 데이터는 GOP(Group of Picture)단위로 구성되며, I(Intra) 프레임과 합산기(110)에 의한 P(Predictive), B(Bidirectional) 프레임으로 구분되어 선택적으로 입력된다. DCT 변환기(DCT:120)는 공간 중복성을 얻기 위해 8×8 블럭에 대해 DCT(Discrete Cosine Transform)를 수행한다. 양자화기(Q:130)는 DCT된 영상 데이터의 공간 중복성을 제거한다. 역양자화기(150)은 양자화된 영상 데이터를 역양자화한다. IDCT(160)은 역양자화된 영상 데이터를 역DCT한다. 프레임 메모리(FM:170)는 역DCT된 영상데이터를 프레임 단위로 저장한다. 움직임추정기(ME:180)는 현재 프레임과 이전 프레임을 이용하여 움직임 벡터(MV)를 발생한다. VLC(Variable Length Coding)(140)는 움직임벡터(MV)에 따라 양자화된 영상데이터에서 통계적 중복성을 제거한다. 따라서 도 1의 MPEG 부호화기를 이용하여 시변 네트워크에서 영상 데이터를 전송하기 위해서는 양자화기(130)의 양자화값을 적절하게 선택하여 가능한 데이터 손실을 최소로 하고 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 해야한다. First, the image data is composed of GOP (Group of Picture) units, and is selectively inputted into I (Intra) frames and P (Predictive) and B (Bidirectional) frames by the summer 110. The DCT transformer (DCT) 120 performs a discrete cosine transform (DCT) on 8 × 8 blocks to obtain spatial redundancy. The quantizer Q 130 removes spatial redundancy of the DCT image data. The inverse quantizer 150 inverse quantizes the quantized image data. The IDCT 160 inverts the dequantized image data. The frame memory FM 170 stores the inverse DCT image data in units of frames. The motion estimator ME180 generates a motion vector MV using the current frame and the previous frame. Variable Length Coding (VLC) 140 removes statistical redundancy from quantized image data according to a motion vector (MV). Accordingly, in order to transmit image data in a time-varying network using the MPEG encoder of FIG. 1, it is necessary to appropriately select a quantization value of the quantizer 130 to minimize possible data loss and to maximize bandwidth utilization.

도 2는 본 발명에 따라 도 1의 장치에 양자화값(Q)을 조절하는 압축 부호화장치의 블럭도이다. 2 is a block diagram of a compression encoding apparatus for adjusting a quantization value Q in the apparatus of FIG. 1 according to the present invention.

도 2의 장치는 입력 영상 데이터를 MPEG으로 부호화하는 MPEG 부호화기(210), 완충버퍼를 구비하여 영상 데이터를 전송하는 전송기(220), 네트워크(230), 입력 영상 데이터로 부터 복잡도를 예측하는 복잡도예측기(250), 입력영상 복잡도 예측치 및 완충버퍼의 점유량 및 네트워크 상태 정보를 입력하여 양자화 스케일을 발생하는 전송률제어기(240)로 구성된다. The apparatus of FIG. 2 includes an MPEG encoder 210 for encoding input image data into MPEG, a transmitter 220 having a buffer buffer for transmitting image data, a network 230, and a complexity predictor for predicting complexity from the input image data. 250, a rate controller 240 for inputting an input image complexity prediction value, occupancy amount of a buffer buffer, and network state information to generate a quantization scale.

먼저, 복잡도예측기(250)는 n번째 영상 프레임을 압축하기 위해 n번째 영상 프레임의 복잡도를 예측한다. 즉, 하나의 영상은 동일하거나 비숫한 장면이 수 - 수십초간 지속되는 특성을 가지므로 현재의 영상은 직전의 영상과 특성이 같을 것으로 예측하여 이전 N개의 영상으로 부터 장면 복잡도를 평균한다. 또 장면의 모드(I, P, B)에 따른 복잡도 변화를 없애고 영상 고유의 복잡도 변화만을 검출해내기 위해 이전 영상의 특성을 평균한 값을 이용한다. 따라서 복잡도예측기(250)는 N개의 메모리 영역을 두어 이전 영상의 복잡도 추이를 기록해두어야한다. 여기서 복잡도예측기(250)에서 n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균(

Figure 112006016519372-pat00025
)은 수학식 1과 같이 나타낼수 있다. First, the complexity predictor 250 predicts the complexity of the n th image frame in order to compress the n th image frame. That is, since one image has the same or non-numeric scene lasting for several tens of seconds, the current image is predicted to have the same characteristics as the previous image, and the scene complexity is averaged from the previous N images. In addition, the average value of the characteristics of the previous image is used to eliminate the complexity change according to the mode (I, P, B) of the scene and to detect only the complexity change of the image. Therefore, the complexity predictor 250 needs to record N memory regions to record the complexity of the previous image. In this case, the complexity predictor 250 calculates an average of the complexity prediction values of the nth scene.
Figure 112006016519372-pat00025
) Can be expressed as in Equation 1.

Figure 111999009875515-pat00002
Figure 111999009875515-pat00002

여기서, M:복잡도(Complexity),Where M: Complexity,

N:GOP 단위에서의 프레임 갯수,         N: number of frames in GOP,

n:프레임 갯수.         n: number of frames.

전송률제어기(240)는 복잡도예측기(250)로 부터 예측된 복잡도 값과 현재 네트워크(2300로 부터 할당 받은 대역폭, 그리고 현재 전송기(220)가 가지고 있는 버퍼의 점유량값을 바탕으로 압축할 양자화값을 수학식2와 같이 선택적으로 결정하게 된다. 여기서 전송기(220)의 버퍼 점유량을 목표값에 유지하기 위해 버퍼점유량이 목표치보다 크면 양자화값을 증가시켜 데이터량을 줄여야하며, 반대로 버퍼점유량이 목표치보다 적으면 양자화값을 감소시켜 데이터량을 증가시켜야 한다. 또한 전송률제어기(240)가 양자화값을 결정할 때 현재 네트워크 대역폭 정보를 포함하게하여 전송기(220)의 버퍼 오버플로우(overflow)로 인한 데이터 손실을 줄일 수있다. 또한 전송률제어기(240)의 양자화값은 일정한 비트수의 제한이 있으므로 H, L에 의해 포화(saturation)된다. The rate controller 240 calculates a quantization value to be compressed based on the complexity value predicted from the complexity predictor 250, the bandwidth allocated from the current network 2300, and the occupancy value of the buffer of the current transmitter 220. In order to maintain the buffer occupancy of the transmitter 220 at the target value, it is determined as Equation 2. If the buffer occupancy is larger than the target value, the quantization value should be increased to reduce the data amount, and conversely, if the buffer occupancy is smaller than the target value, The amount of data must be increased by decreasing the quantization value, and the data loss due to the buffer overflow of the transmitter 220 can be reduced by including the current network bandwidth information when the rate controller 240 determines the quantization value. In addition, since the quantization value of the rate controller 240 has a limited number of bits, it is saturated by H and L.


Figure 112006016519372-pat00026

Figure 112006016519372-pat00026

여기서

Figure 111999009875515-pat00004
: n 번째 장면의 양자화값,here
Figure 111999009875515-pat00004
quantization of the nth scene,

Figure 111999009875515-pat00005
: n번째 장면을 압축할 때 할당된 대역폭,
Figure 111999009875515-pat00005
is the bandwidth allocated when compressing the nth scene,

Figure 111999009875515-pat00006
: 버퍼의 목표값,
Figure 111999009875515-pat00006
Is the target value of the buffer,

Figure 111999009875515-pat00007
: n번째 장면을 압축할 때 버퍼 점유량의 평균,
Figure 111999009875515-pat00007
: average of buffer occupancy when compressing nth scene,

Figure 112006016519372-pat00027
: n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균,
Figure 112006016519372-pat00027
is the average of the complexity estimates of the nth scene,

Figure 111999009875515-pat00009
: 적응(속도) 상수,
Figure 111999009875515-pat00009
= Adaptive (velocity) constant,

Figure 111999009875515-pat00010
:
Figure 111999009875515-pat00011
의 최소, 최대값이다.
Figure 111999009875515-pat00010
:
Figure 111999009875515-pat00011
Is the minimum and maximum value.

따라서 전송률제어기(240)는 이미 네트워크(230)에 할당된 대역폭을 바탕으 로 버퍼의 점유량을 목표값으로 일치시킬 수있도록 양자화 값을 결정하기 때문에 네트워크의 혼잡으로 인한 데이터의 손실을 최대한으로 줄일 수있다. 또한 전송률제어기(240)는 하나의 장면을 압축하기 직전에 항상 양자화값을 계산해주기 때문에 항상 할당된 네트워크 대역폭에 맞추어 적절한 데이터량을 생성한다. Therefore, since the rate controller 240 determines the quantization value to match the occupancy of the buffer to the target value based on the bandwidth allocated to the network 230, the data rate controller 240 can reduce the loss of data due to congestion of the network to the maximum. have. In addition, since the rate controller 240 always calculates a quantization value immediately before compressing a scene, the rate controller 240 always generates an appropriate data amount according to the allocated network bandwidth.

MPEG부호화기(210)는 전송률제어기(240)에서 전송기(220)의 버퍼량 목표치에 맞게 발생하는 양자화값에 따라 입력 영상 데이터를 적절하게 MPEG 부호화한다. The MPEG encoder 210 appropriately encodes the input image data according to the quantization value generated by the rate controller 240 according to the buffer amount target value of the transmitter 220.

도 3 및 도 4는 MPEG에서 제안된 "TEST model(TM-5)"과 본 발명에 제안(Proposed)된 장치로 영상을 각각 전송한 경우 영상의 품질과 대역폭의 이용도를 나타낸다. 도 3은 프레임(frames)에 따른 PSNR(dB)을 나타내며, 도 4는 시간(time)에 따른 대역폭 이용도(utilization(%))를 나타낸다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 영상의 품질이 보다 더 일정하고 동시에 대역폭의 이용도가 크게 유지된다. 3 and 4 show the use of the quality and bandwidth of the image when the image is transmitted to the "TEST model (TM-5)" proposed in MPEG and the device proposed in the present invention, respectively. FIG. 3 shows PSNR (dB) over frames, and FIG. 4 shows bandwidth utilization (%) over time. As shown in Figs. 3 and 4, the quality of the image is more constant and at the same time the bandwidth utilization remains large.

본 발명은 상술한 실시예에 한정하지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다. 즉, 본 발명은 네트워크로 영상을 전송하는 모든 시스템에 적용가능하며, 영상을 인터넷과 같은 데이터 망에 전송할 때 모든 하드웨어와 소프트웨어에 알고리듬으로 적용할 수 있다. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and of course, modifications by those skilled in the art are possible within the spirit of the present invention. That is, the present invention can be applied to any system for transmitting an image to a network, and can be applied to all hardware and software algorithms when transmitting an image to a data network such as the Internet.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 영상을 전송할 때 영상의 화질을 최소화하면서 동시에 대역폭의 이용도를 최대로 할 수있으며, 실시간으로 영상 데이터를 압축 전송할 수있기 때문에 시간에 따른 대역폭의 변화에 대한 적응력이 우수하 여 인터넷을 통한 영상 전송이 용이하다. As described above, according to the present invention, it is possible to maximize the utilization of the bandwidth while minimizing the image quality of the image transmission, and to be able to compress and transmit the image data in real time, thereby adapting to the change of bandwidth over time. This makes it easy to transmit video over the Internet.

Claims (3)

데이터 네트워크를 구비한 영상 압축 장치에 있어서, In the image compression device having a data network, 입력되는 영상 데이터를 소정의 양자화값으로 양자화하는 양자화기;A quantizer for quantizing input image data to a predetermined quantization value; 상기 양자화기에서 발생되는 영상 데이터를 버퍼링하여 전송하는 전송기;A transmitter for buffering and transmitting the image data generated by the quantizer; 이전 프레임의 영상 특성에 근거하여 현재 프레임의 복잡도를 예측하는 복잡도예측기;A complexity predictor for predicting the complexity of the current frame based on the image characteristics of the previous frame; 상기 전송기에서 점유하고 있는 데이터 버퍼링양과 상기 복잡도예측기에서 예측된 복잡도값과 상기 네트워크에 할당된 대역폭 정보를 입력하여 상기 네트워크 대역폭 범위내에서 상기 양자화기의 양자화값을 적응적으로 결정하고, 상기 양자화값을 미리 정해진 최대 최소값 범위로 설정하는 제어기를 포함하는 영상 압축 장치. The data buffering amount occupied by the transmitter, the complexity value predicted by the complexity predictor, and bandwidth information allocated to the network are input to adaptively determine the quantization value of the quantizer within the network bandwidth, and the quantization value And a controller for setting a to a predetermined maximum minimum value range. 제1항에 있어서, 상기 제어기에서 양자화값은 네트워크에 할당된 밴드폭을 바탕으로 상기 전송기의 버퍼 점유량을 미리 정해진 목표값으로 일치시켜 결정하는 것임을 특징으로 하는 영상 압축장치. The image compression apparatus of claim 1, wherein the quantization value of the controller is determined by matching a buffer occupation amount of the transmitter with a predetermined target value based on a bandwidth allocated to a network. 제1항에 있어서, 상기 제어기에서 양자화값은 The method of claim 1, wherein the quantization value in the controller is
Figure 112006016519372-pat00028
Figure 112006016519372-pat00028
 로설정되며, Is set to 여기서
Figure 112006016519372-pat00013
: n 번째 장면의 양자화값,
Figure 112006016519372-pat00014
: n번째 장면을 압축할 때 할당된 대역폭,
Figure 112006016519372-pat00015
: 버퍼의 목표값,
Figure 112006016519372-pat00016
: n번째 장면을 압축할 때 버퍼 점유량의 평균,
Figure 112006016519372-pat00029
: n번째 장면의 복잡도 예측값의 평균,
Figure 112006016519372-pat00018
: 적응(속도) 상수,
Figure 112006016519372-pat00019
:
Figure 112006016519372-pat00020
의 최소, 최대값임을 특징으로 하는 영상 압축 장치. here
Figure 112006016519372-pat00013
quantization of the nth scene,
Figure 112006016519372-pat00014
is the bandwidth allocated when compressing the nth scene,
Figure 112006016519372-pat00015
Is the target value of the buffer,
Figure 112006016519372-pat00016
: average of buffer occupancy when compressing nth scene,
Figure 112006016519372-pat00029
is the average of the complexity estimates of the nth scene,
Figure 112006016519372-pat00018
= Adaptive (velocity) constant,
Figure 112006016519372-pat00019
:
Figure 112006016519372-pat00020
The video compression device, characterized in that the minimum, the maximum value.
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