KR100612828B1

KR100612828B1 - 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100612828B1
Application number: KR1020010040706A
Authority: KR
Inventors: 김도균; 정석윤; 우상옥
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-07-07
Publication date: 2006-08-18
Also published as: KR100590522B1; KR20020031029A; EP1650975A1; ES2417529T3; EP1650975B1; KR20020031028A

Abstract

본 발명은 오리엔테이션 보간 노드(orientation interpolator node) 정보의 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다. 삼차원 공간에서 물체의 회전 정보를 나타내는 오리엔테이션 보간 노드 정보는, 회전 이동이 발생한 시각을 나타내는 "키(key) 정보"와, 그 시각에 대한 회전 위치를 나타내는 "키값(key value) 정보"로 이루어져 있으며, 예측 부호화(predictive coding) 장치 등에 의해 그것들의 정보량을 압축하기 위한 부호화 처리를 거치게 된다. 이에 따라, 입력되는 오리엔테이션 보간 노드 정보를 예측 부호화 방식이라는 정보량 압축 기법으로 부호화함에 있어서 부호화 효율이 향상되며, 손실부호화(lossy coding)에 의한 부호화 오차로 인해 회전방향이 뒤바뀌는 현상을 보정할 수 있다.

Description

오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치 및 방법{Coding apparatus and method for orientation interpolator node}

도 1은 일반적인 DPCM을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도면이다.

도 8 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도면이다.

MPEG-4 BIFS(BInary Format for Scenes)는 애니메이션 정보를 키(Key)와 키값(KeyValue)으로 표현한 필드(field) 데이터로 구성된 보간 노드(Interpolator node)를 사용하는 키 프레임 방식 애니메이션 기법을 지원한다. 키 프레임은 컴퓨터 애니메이션에서 중심이 되는 장면을 의미하며, 키 프레임 방식 기법은 자연스러운 애니메이션을 제공할 수 있도록 대량의 키와 키값 데이터들간의 구분적 (piecewise) 선형 보간을 요구한다. 이같은 특성에 따라, MPEG-4 BIFS는 각 보간 노드 내의 필드 데이터를 양자화 과정을 거쳐 압축함으로써 데이터 전송 효율을 높이고 있다.

보간방법 중 하나로서 물체의 회전 정보를 이용한 보간 방법은 회전 정보를 회전축과 회전각으로 표현한다. MPEG-4 BIFS는 가상 현실 모델언어(VRML:Virtual Reality Modeling Language)와 마찬가지로 오리엔테이션 보간 노드를 통해 전술한 바와 같이 회전축과 회전각으로 표시되는 회전 정보를 지원한다. 회전 정보로 제공되는 오리엔테이션 보간 노드는 구분적 선형 보간의 특성에 따라 자연스러운 애니메이션을 표현할 경우에, 연속하는 키값 정보 간의 차이가 작게 분포된다.

선형 보간 특성을 갖는 데이터는 인접 데이터 간의 상관도가 높으므로, 인접 데이터간 차분값을 사용하는 차분 부호화 방법(differential coding)을 사용하는 것이 효율적이다. MPEG-4 BIFS에서, 처리할 대상 데이터인 오리엔테이션 보간 노드의 키와 키값으로 표현된 필드 데이터를 부호화하는데 있어서 크게 두 가지 방법이 이용되었다. 차분 펄스 코드 변조(DPCM:Differential Pulse Coded Modulation)을 이용하지 않는 방법과 DPCM을 이용하는 방법이 그것이다.

먼저, DPCM을 이용하지 않는 방법은 부호화할 데이터에서 키나 키값의 최대/최소값에 따라 선형 양자화만을 수행한다. 따라서, 부호화할 데이터의 고유 특성이 고려되지 않아 비효율적이다. DPCM을 이용하지 않는 방법에 대해 간략히 설명하면, 오리엔테이션 보간 노드의 필드 데이터를 입력하여 키값을 쿼터니언(quaternion) 공간에서의 값으로 변환한다. 다음에, 키나 키값의 데이터 정밀도를 조정하여 선형 양자화하고, 양자화된 필드 데이터를 이진 형태의 데이터로 출력한다. 이어서, 양자화 결과를 확인하기 위해 출력된 이진 형태의 데이터를 필드 데이터로 역 양자화하여 복원하고, 복원된 쿼터니언 값을 회전축과 회전각으로 구성된 키값 형식으로 각각 매핑시킨다. 다음으로, 복원된 오리엔테이션 노드 의 필드 데이터를 저장하고, 이를 화면에 출력하며, 또한 이로부터 양자화 오차에 대한 시각적 왜곡 정도를 측정하게 된다. 왜곡 정도는 다음 수학식 1을 이용하여 측정할 수 있다.

여기서, N은 필드 데이터의 수를 나타내고,

는 현재 부호화할 값(

)과 복원한 값(

)과의 차를 나타낸다.

다음에, DCPM을 사용하는 방법은 데이터간의 상관성을 고려함으로써 전술한 DPCM을 이용하지 않는 방법보다 부호화 효율을 높일 수 있다. DPCM을 사용하는 방법을 DPCM을 사용하지 않는 방법과 비교하여 그 차이점을 간략히 설명하면 다음과 같다. 즉, DPCM을 사용하는 방법은 선형 양자화를 수행하기에 앞서, 이전에 복원된 키값과 현재 부호화할 키값 간의 차이값을 계산하고, 그 값을 선형 양자화함으로써 선형 보간에서 발생하는 데이터 특성을 부호화 효율에 어느 정도 반영하게 된다.

도 1은 일반적인 DPCM의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

DPCM부(100)는 가산기(102)를 통해 이전에 복원된 값(

)과 현재 부호화할 값()간의 차이값(

)을 계산한다. 계산된 값은 양자화기(120)에서 양자화 된 후(

) 수신지로 전송되고, 한편 역양자화기(140)를 통해 역양자화된다(

). 역DPCM부(160)는 가산기(162)를 통해 역양자화된 값(

)에 이전에 복원된 값(

) 을 더해 현재 부호화된 값의 복원값(

)을 계산한다.

한편, DPCM을 사용하여 필드 데이터를 부호화하는 방법은 쿼터니언 공간 상에서 회전각을 처리하는데 있어 효율적이지 못한 특성을 갖고 있는 바, 그 특성은 쿼터니언 표현식으로 정의할 수 있다. 즉, 3차원 공간 상에 존재하는 임의의 한 점 q는 쿼터니언 공간 상에서 회전축과 그 회전각의 조합 형태로 정의된다. 다음 수학식 2는 일반적인 쿼터니언 표현식으로 s는 회전각, (x,y,z)는 공간상에서의 회전축 벡터를 나타낸다.

q = s + xi + yj + zk

수학식 2와 같이, 쿼터니언 공간은 복소수 표현식을 이용하여 정의된다. 따라서, 쿼터니언 공간 상에서 임의의 한 점 p가 다른 점 q로 회전 이동할 경우에, 회전 경로의 길이에 따라 두 가지 형태로 표시된다. 회전체의 회전 방향에 따라 회전각 역시 다르게 표현되기 때문이다. 두가지 형태로 표시된 회전 이동을 비교하면 실제로는 회전 경로의 길이 정보에만 차이가 존재한다.

따라서, 단순히 현재와 다음 위치간의 차이값만을 이용하는 종래의 DPCM 방식에서는 회전 경로의 길이 정보, 즉 회전축과 회전각의 상관관계가 고려되지 않으므로, 데이터의 상관성이 낮게 나타나며 이에 부호화 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 구면 상에서의 물체의 회전 이동에 있어 그 물리적인 특성을 표현할 수 없다는 단점이 있다. 이에 따라, 수학식 1을 이용한 왜곡 측정은 실제 발생된 시각적 화질 왜곡 정도를 객관적으로 측정할 수 없게 된다.

한편, 선형 보간 특성을 갖는 데이터는 인접 데이터 간의 상관도가 높으므로, 인접한 이전 입력 정보들로부터 현재 입력되는 부호화 대상 정보를 예측하고, 예측값과 입력값 사이의 차분값, 즉 예측 오차를 구하여 부호화 하는 예측 부호화(predictive coding) 방식에 의해 정보량에 대한 압축 효율을 향상시키기도 한다.

종래 DPCM 방식에 있어서 차분 쿼터니언 연산은 다음과 같이 수행된다. 먼저, 이전에 복원한 값과 현재 부호화할 값 간의 차분회전값을 계산한다. 계산된 차분회전값은 양자화한 후 가변장 부호화되며, 한편으로 역양자화되어 쿼터니언 곱셈을 통해 이전에 복원된 값에 곱해져서 현재 부호화한 값에 대한 복원값을 계산하여 다음 입력 신호를 부호화할 때 사용한다. 차분 쿼터니언을 구하는 방법으로는, 4개의 원소로 이루어진 쿼터니언 인자들끼리 뺄셈을 수행하여 구하는 방식과, 두개의 쿼터니언간의 회전차를 구하여 그 값을 차분값으로 사용하는 방식이 있다. 먼저, 쿼터니언 인자들간 뺄셈으로 차분값을 구하는 경우는 다음과 같이 단순한 뺄셈에 의해 간단하게 구할 수 있다.

그러나 이에 따르면 쿼터니언 값이 갖는 특성 즉 회전운동이 나타내고 있는 물리적 의미가 전혀 고려되지 않아 부호화할 때 발생하는 부호화 오차에 의해 회전위치 오차가 크게 발생할 가능성이 있다. 이를 극복하기 위해 차분 쿼터니언값으로 회전차를 사용하기도 한다. 회전차를 구하는 경우 현재 입력값을

라 하고, 이전 복원값을

이라 할 때 차분 쿼터니언값은 다음 식에 의해 구해진다.

이와 같이 오리엔테이션 보간 노드 정보 부호화를 수행함에 있어서, 입력되는 회전 정보에 대하여 이전 복원값을 사용하여 차분 쿼터니언값을 구한 다음 양자화 및 가변장 부호화하는 방법은 연속되는 쿼터니언값들 간의 높은 상관성을 고려할 때, 적당한 예측 방식에 의하여 현재 입력되는 값을 예측할 수 있다면 차분 쿼터니언값의 분포도를 줄일 수 있으므로 양자화 및 가변길이 부호화의 효율을 향상시켜 정보 압축 효율을 높일 수 있을 것으로 생각된다.

이에 따라, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 회전차분 행렬변환을 이용한 적응형 DPCM 처리로 오리엔테이션 보간 노드의 필드 데이터를 부호화함으로써, 시간 영역에서 데이터 중복성을 제거하며, 또한 부가적으로 산술 부호화에 의해 양자화된 심볼간의 비트 중복성을 제거하고, 또한 쿼터니언 공간에서 회전 이동의 물리적 특성을 반영하면서 구성요소를 위한 부가 정보를 제거하여 데이터 전송 효율을 보다 향상시키며, 시각적 화질 왜곡도를 보다 객관적으로 측정하는, 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 향상된 예측 방식을 도입하여 차분 쿼터니언값을 구함에 있어 그 분포도를 감소시키고 양자화 및 가변길이 부호화로 이어지는 정보량 압축처리의 효율을 향상시키는 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

나아가, 예측 부호화를 포함하여 모든 손실부호화 과정에서 필연적으로 발생하는 부호화 오차에 의해 회전 정보가 왜곡되어, 수신자측에서 복호한 회전 정보에 의해 물체를 회전시켰을 때, 원래 회전 정보에 의한 회전과 반대방향으로 회전운동이 일어나는 현상을 보정할 수 있는 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 물체의 회전 정보를 제공하는 오리엔테이션 보간 노드의 쿼터니언 표현 방법 및 데이터 특성을 이용하여 키값의 중복성을 높여 데이터 전송 효율을 보다 향상시킬 수 있는 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 데이터 압축시 오차로 인해 발생하는 시각적 화질 왜곡도를 객관적으로 측정할 수 있는 오류 측정 방법을 제시한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 장치의 개략적인 블럭도이다.

본 실시예에 따른 부호화 장치는 크게 오리엔테이션 보간 보드의 필드 데이터 입력부(200), 필드 데이터의 적응형 DPCM 처리부, 양자화부(220), 압축된 이진 필드 데이터 출력부(230)를 구비하며, 부가적으로 엔트로피 부호화부(225)를 더 포함한다. 여기서, 적응형 DPCM 처리부는 쿼터니언 변환부(205), DPCM부(210) 및 회 전차분 변환부(215)를 구비한다. 또한, 출력된 데이터의 복원 결과를 화면상에서 확인하고, 양자화 오차에 대한 시각적 왜곡도를 측정하기 위해, 복호화부를 구비한다. 복호화부는 엔트로피 복호화부(235), 역 양자화부(240), 역 DPCM부(245), 역 회전차분 변환부(250), 역 쿼터니언 변환부(255), 복원된 오리엔테이션 보간 노드의 필드 데이터 출력부(260) 및 왜곡 측정부(265)를 구비한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 오리엔테이션 보간 노드의 부호화 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다. 도 2 및 도 5를 참조하여 본 발명의 부호화 장치의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 부호화할 오리엔테이션 보간 노드의 필드 데이터를 입력한다(제500단계). 구체적으로, 필드 데이터 입력부(200)는 입력된 VRML 데이터에서 오리엔테이션 보간 노드를 파싱하여 키와 키값으로 구성된 부호화할 필드 데이터를 추출한다. 키는 시간축상에서 회전 이동의 변이가 발생한 위치 정보를 나타내며, 키값은 위치 정보에 대응하는 회전 정보를 나타낸다.

다음에, 키값 데이터를 쿼터니언 공간으로 변환한 후, 회전차분 변환식에 따라 ADPCM(Adaptive DPCM) 처리하고, 그 영향하에 키 데이터를 DPCM 처리한다(제510단계). 구체적으로, 필드 데이터 입력부(200)에서 추출된 키값 데이터(KV_i, 0≤i≤N-1)에 대한 데이터간 중복성을 제거하고, 데이터 표현 정밀도를 조정함에 따라 실제 압축 과정을 수행하기 위해 ADPCM 처리를 수행한다. 본 발명에서는 특히, 키값 데이터에 대한 ADPCM 처리에 앞서, 쿼터니언 변환부(205)를 거친다. 쿼 터니언 변환부(205)는 키값 데이터 즉, 회전 정보를 한개의 실수(회전각)와 3개의 허수(회전축)로 표현된 쿼터니언 공간으로 변환한다. 다음에, 회전차분 변환부(215)는 쿼터니언 변환부(205)에서 구면 선형 보간 특성에 따라 변환한 회전축과 회전각의 정보 데이터를 데이터간의 중복성을 높일 수 있도록 가장 짧은 회전 이동 거리로 표현한 회전차분 변환행렬식을 정의한다.

종래에 키값 데이터에 대한 DPCM은 현재의 물체 위치 p와 회전 이동후의 물체 위치 q에 대한 회전 이동 거리를 계산하는데, 이 회전 이동 거리 값은 회전축과 회전각으로 구성된 각 구성요소별 차이값으로 정의한다. 이러한 구성요소별 차이값만을 고려할 경우에, 실제 구면상에서 물체의 회전 이동 경로를 고려한 값을 나타내지 못하여, 부호화할 데이터의 중복성 저하와 더불어 물체 이동에 대한 물리적 특성을 표현할 수 없었다. 이에 따라 부호화 오류에 대한 시각적 효과를 측정하기 어려운 단점이 있었다. 또한, 데이터 복원 측면에서 모든 키값 데이터마다 가장 큰 값을 갖는 구성요소를 표시하기 위해, 도 7 (a)와 같이 2비트의 정보가 부호화장치에서 복호화 장치로 부가적으로 전송되어야 하는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 오리엔테이션 보간 노드의 키값간 회전 이동 거리를 이용한 부호화를 위해 종래의 DPCM과는 다른 처리 방법을 회전차분 변환부(215)를 통해 구현한다. 회전차분 변환부(215)는 쿼터니언 공간에서 물체의 회전은 회전축과 회전각의 조합으로 이루어진다는 사실에 근간하여, 실제 회전 이동 경로에 따른 회전 이동 거리 역시 회전축과 회전각을 이용한 회전차분 변환 행렬식을 통해 정의할 수 있도록, 예를 들면 도 3과 같이 구성한다. 회전차분 변환부(215)에 이용되 는 회전차분 변환 행렬식의 원리는 다음과 같이 정의한다.

물체의 현 위치 벡터를

, 키

에서 키값 key_value를 (

), 물체의 회전 운동에서

에 대한 변위 벡터를

라 할 때, 쿼터니언상에서의 회전 운동식은 다음 수학식 3과 같이 나타낸다.

여기서,

는

에 대한 쿼터니언 표현이다.

같은 방식으로, 키 key=k_i에서 쿼터니언상에서의 회전 운동식은 다음 수학식 4와 같이 나타낸다.

수학식 3 및 수학식 4로부터 회전차분값을 구하는 행렬 관계식을 유도하면 다음 수학식 5와 같다.

따라서, 회전차분을 나타내는 쿼터니언 변환 회전차분 행렬 관계식은 다음 수학식 6과 같이 정의된다.

이와 같은 관계식에 따라, 도 3을 참조하면 회전차분 변환부(215)는 회전차분 변환행렬 생성부(300), 구성요소 조정부(320), 누적부(335) 및 지연부(340)를 구비한다. 회전차분 변환행렬 생성부(300)는 쿼터니언 공간으로 변환된 현재 부호화할 키값 데이터를 입력하여, 수학식 6과 같은 현재 부호화할 회전차분 변환행렬을 정의한다. 구성요소 조정부(320)는 4개의 구성요소(v[0], v[1], v[2], v[3])로 구성된 회전차분 변환행렬 값(즉, 회전각과 회전축)들 중 첫 번째 구성요소의 값(v[0]=cos(θ/2)(단, θ는 회전각))이 항상 크다는 조건을 만족하도록 현재 부호화할 회전차분 변환행렬을 재정의한다. 지연부(340)는 회전차분 변환부(215)의 출력에 대응하여 현재 복원된 회전차분 변환행렬들을 저장하고, 이전 복원된 회전차분 변환행렬을 제공한다. 누적부(335)는 지연부(340)로부터 순차적으로 이전 회전차분 변환행렬을 입력하여 이전까지 복원된 회전차분 변환행렬을 누적시키고, 그 결과를 회전차분 변환행렬 생성부(300)로 출력한다.

구성요소 조정부(320)는 회전 정보를 구성하는 4개의 구성요소(v[0], v[1], v[2], v[3])중 첫 번째 구성요소의 값이 다른 나머지 3개의 구성요소들의 값보다 항상 크다는 조건을 만족시키기 위해서, 도 4에 도시된 원리를 이용한다. 즉, 도 4에서 물체가 A에서 B로 Ω만큼 회전 이동할 때, 이에 대한 회전차분 변환행렬의 구성요소들중 첫 번째 구성요소가 상기의 조건을 만족하지 않을 경우, A에서 θ만큼 최단 이동 경로를 따라 회전한 위치 P(A<P<B, 0<θ<Ω)를 임의로 정의하여 상기의 조건을 만족하도록 회전차분 변환행렬을 재정의하는 방법을 사용한다. 여기서, 물체의 회전 이동시 발생하는 최단 이동 경로의 선정 방법으로서, 두 개의 쿼터니 언의 차에 대한 크기를 비교하는 방법을 사용하는데, 예를 들어, 시작 위치의 쿼터니언 A에서 회전 이동후 위치의 쿼터니언 B로 가는 두 개의 원호에 대한 회전 이동 정보는 쿼터니언 B와 쿼터니언 -B이다. 이 때, 쿼터니언 A에서 각 쿼터니언 B와 쿼터니언 -B간의 거리차들중 가장 작은 크기를 갖는 값이 최단 회전 이동 경로로 선정된다. 따라서, 이와 같은 최단 이동 경로를 만족시키는 회전차분 변환행렬에 관한 관계식은 다음 수학식 7과 같이 정의된다.

아울러, P점의 위치를 A와 B의 중간 위치(θ=Ω/2)로 정의할 경우, 다음 수학식 8과 같이 유도된다.

따라서, 구성요소 조정부(320)에서 키값 발생부(310)는 제1 구성요소가 최대인가를 판단하는 305의 조건을 만족하지 못할 경우, 상기 수학식 8에 따라 305의 조건을 만족시키는 새로운 물체의 키값 즉, 회전 정보를 정의한다. 이때, 정의된 새로운 회전 정보는 프레임 버퍼(315)에 저장됨과 동시에, 회전차분 변환행렬 생성부(300)로 출력된다. 프레임 버퍼(315)는 초기의 쿼터니언 공간으로 변환된 현재 부호화할 키값 데이터를 저장하고, 키값 발생부(310)에서 발생된 키값 데이터를 순 차 저장하여 키값 발생부(310)로 현재 및 이전 회전 정보를 제공한다. 또한, θ에 의한 키값의 발생에 따른 키의 발생을 위해 θ와 Ω 및 해당 키값 인덱스를 키에 대한 DPCM부(210)로 제공한다. DPCM부(210)에서 키의 발생식은 다음 수학식 9와 같다.

필드 데이터 입력부(200)에서 추출된 키 데이터(K_i, 0≤i≤N-1)는 DPCM부(210)로 입력된다. DPCM부(210)는 또한 회전차분 변환부(215)에 의해 새로운 키를 발생한다. DPCM부(210)는 첫번째 키 데이터(K₀)는 그대로 출력하고, 나머지 키 데이터는 이전에 복원된 키(K_i-1)와 현재 부호화할 키(K_i)간의 차이값(KD_i)을 계산하여 출력한다. DPCM부(210)는 데이터간 중복성을 제거하고, 데이터 표현 정밀도를 조정함에 따라 실제 압축 과정을 수행하는 것을 목적으로 한다.

전술한 바와 같이, 구성요소 조정부(320)에서 첫번째 구성요소의 값이 항상 최대가 되도록 조정함으로써, 종래에 모든 키값마다 반드시 제공해야 하는 2비트의 부가정보 즉, 4개의 구성요소중 어느 번째가 최대인가를 표시하는 정보를 초기 키값을 제외하곤 더이상 복호화 장치로 전송할 필요가 없다. 따라서, MPEG-4 BIFS 표준에 따라 도 7 (a)에 도시된 종래의 구문은 도 7 (b)에 도시된 본 발명에 의해 개선된 구문으로 변경될 수 있다. 이로 인해 실제 N개의 키값 데이터를 부호화할 경우에, 종래의 부가 정보에 따른 비트 발생량에 비해 2(N-1) 비트의 정보량을 더 줄일 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 제510단계 후에 ADPCM 처리된 키와 키값 데이터를 양자화하고(제520단계), 양자화된 값의 비트 중복성을 제거하기 위해 양자화된 키와 키값 데이터를 산술 부호화하여 이진 형태의 스트림 데이터로 출력한다(제530단계).

실제 부호화할 데이터량을 보다 효과적으로 감축시키는 측면에서 중요한 요소로 비트 중복성의 제거를 들 수 있다. 즉, 양자화된 비트들은 상호간 중복성을 갖고 있는데, 이를 제거하기 위한 공지된 방법으로서 가변 길이 부호화(VLC:Variable Length Coding) 방법, 심볼 패턴을 이용한 허프만 부호화(huffman coding) 방법 등이 존재한다. 본 발명에서는 심볼의 발생 빈도를 조건부 확률을 이용하여 계산하여 비트 중복성을 제거하는 산술적 부호화 방법을 사용한다. 도 2에서, 엔트로피 부호화부(225)는 이러한 방법을 수행하고, 압축된 이진 필드 데이터 출력부(230)는 부호화된 데이터를 이진 형태의 스트림 데이터로 출력한다.

여기서, 스트리밍 단계에서 고려되는 사항은 스트리밍 서비스의 형태 및 기능에 따른 스트림 데이터의 구조 결정 문제이다. 도 6 (a) 및 (b)는 두가지 형태의 스트림 데이터의 구조를 나타내는 도면들이다. 도 6 (a)는 서비스의 실시간성을 고려하지 않을 경우에 제공되는 가장 간단한 형태의 데이터 구조로서, 키 데이터를 복원하는 동안만큼 복호화 장치에서 지연 현상이 발생한다. 도 6 (a)는 도 6 (b)에 비해 부호화 장치의 처리 비용이 낮고, 복호화 장치의 처리 비용은 높다는 특성을 갖고 있다. 도 6 (b)는 데이터 서비스의 실시간성 및 부가적인 기능성을 제공해 줄 수 있는 데이터 구조로 한 개의 키와 해당 키값을 복원하는 즉시, 이에 대한 시각화가 가능한 구조이다. 또한, 이런 구조하에서 부가 할 수 있는 기능으로 오류 강인성을 들 수 있다. 이는 현재 데이터에 손실이 있어도 이전 데이터와 다음에 복원할 데이터만 있으면 손실이 있는 데이터를 어느 정도까지 복원할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 도 6 (a) 및 (b)에 도시한 데이터 구조를 제공하기 위해서, 부호화할 데이터는 도 2에서 200->205->215->210->220->225의 순서를 거쳐 부호화된다. 단, 225에서 키, 키값 순으로 산술 부호화를 수행하며, 도 6 (a) 및 (b)의 데이터 구조를 고려하여 그 처리 조합만을 달리 가져간다.

다시 도 5를 참조하면, 제530단계 후에, 부호화된 출력 데이터를 전술한 부호화의 역과정으로 복원하고, 그 결과에 따라 부호화 장치의 성능을 평가하기 위한 시각적 왜곡도를 측정한다(제540단계). 왜곡 측정부(265)는 부호화된 출력 데이터를 복원했을 때 부호화전 정보와의 시각적 화질 왜곡도를 회전차분 값에 따라 측정한다. 이를 위해, 복호화부는 도 2에서 235~260과 같이 구성되고, 이들의 처리 과정은 부호화의 역 과정이다.

부호화 장치의 성능은 데이터 감축량에 따른 시각적 화질 왜곡도로 그 특성치를 제공한다. 종래의 부호화 방법은 부호화기의 성능을 측정하기 위해 예컨대, 수학식 1을 이용하여 그 특성치를 제공한다. 그러나, 이 방법은 회전을 위한 각 구성요소별로 양자화 오차를 계산함으로써 전술된 바와 같이 쿼터니언의 특성을 제대로 반영할 수 없어, 실제 회전 운동에 대한 시각적 왜곡도를 객관적으로 표현할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에 의한 부호화 장치는 쿼터니언의 특성을 만족시키면서 양자화에 따른 시각적 왜곡도를 객관적으로 측정할 수 있는 개선된 왜곡 측정부(265)를 더 포함한다. 왜곡 측정부(265)는 물체 표면내의 모든 점을 단위 구면상의 모든 점으로 간주하고 양자화 오차를 측정하는데, 이에 대한 기본 원리는 다음과 같다.

양자화 오차는 이 두 회전 변환의 차이값으로 정의된다, 즉, 오리엔테이션 보간 노드의 키값을 (

), 이를 복호화부를 통해 복원한 키값을 (

)라 할 경우(단,

은 회전축을, θ는 회전각을 각각 나타내며, 회전각의 범위는

를 만족한다),

는 단위 구면상의 임의의 위치벡터로

관계를 만족한다.

와

에 의해

로 부터

및

로의 회전 변환이 이루어 질 때 발생하는 양자화 오차는

과

의 차로 계산된다. 양자화 오차벡터

는

의 관계를 성립시킨다. 이 관계식을 이용하여 단위 구면상의 모든 점들에 대해 양자화 오차벡터

를 구할 때, 구면 전체에 대해 RMS(D_m) 및 최대오차(D_p)는 다음의 수학식 10에 따라 계산된다.

한편,

과

의 관계는 다음의 수학식 11과 같은 회전변환 관계식으로 표 현할 수 있다.

상기의 관계식들로부터 유도되는 양자화 오차 벡터는 다음 수학식 12와 같이 정의된다.

수학식 10 및 수학식 12에 따라 새로 유도되는 RMS(D_m) 및 최대오차(D_p)는 다음 수학식 13와 같이 정의할 수 있다.

한편,

를 쿼터니언 공간에서 표현하면,

와 같이 정의되는데, 회전변환을 나타내는 (

)와 (

)를 쿼터니언 공간에서 표현한 것을 각각 Q와 Q'라 할 경우,

의 관계식을 유도할 수 있다. 여기서, A*B는 쿼터니언 곱셈을 나타내며, A^*는 A의 콘쥬게이트를 의미한다. 이 관계식에 따라 다음 식이 유도된다.

Q^''은

과

간 회전변환 관계를 나타내는 값으로 다음 수학식 14와 같이 정의된다.

따라서, 수학식 13 및 수학식 14를 이용하여 단위 구면 전체에 대한 양자화 오차의 RMS(D_m) 및 최대오차(D_p)는 다음 수학식 15 또는 수학식 16으로 정의된다.

또는

수학식 15 및 수학식 16은 쿼터니언 공간에서 물체의 회전 이동에 대한 물리적 특성을 반영함으로써, 수학식 1에 비해 보다 객관적인 측정치를 제공한다. 따라서, 본 발명은 수학식 15 또는 수학식 16을 왜곡 측정부(265)에서 이용하도록 구성함으로써 쿼터니언 공간에서 종래의 방법보다 객관적으로 양자화 오차에 따른 시각적 왜곡도를 정확히 측정할 수 있는 특징을 갖는다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 오리엔테이션 보간 노드 부호화 장치의 블럭도이다.

도 8을 참조하면, 부호화 장치는 쿼터니언 변환부(620), 키 프레임 제거부(650), 차분 쿼터니언 연산부(700), 및 양자화부(810)를 포함한다.

쿼터니언 변환부(62)는 입력된 필드 데이터 중 키값을 쿼터니언 공간 정보로 변환한다. 여기서, 입력된 필드 데이터는 오리엔테이션 보간 노드를 파싱하여, 시간축 상에서 회전 이동의 변이가 발생한 시간 위치 정보를 나타낸 키정보와, 그 시간 위치 정보에서의 회전 정보를 나타낸 키값 정보로 구성된다. 키 프레임 제거부(650)는 연속적인 시간 변화에 따른 회전 변환의 유사성을 이용하여 허용 오차 범위 내에서 키 프레임을 제거한다. 차분 쿼터니언 연산부(700)는 회전 차분 쿼터니언값을 구하여 DPCM값을 생성한다. 양자화부(810)는 차분값을 양자한다.

또한 부호화 장치는 회전 차분 쿼터니언값을 구하는 과정에서 이전에 복호화한 정보들을 사용하여 현재 입력되는 정보를 예측하는 예측부(1000)를 더 포함한다. 예측부(1000)는 차분값의 크기를 줄여서 양자화부(810) 및 가변길이 부호화부(820)에 의한 정보량 압축 효율을 증대시켜준다. 특히, 본 실시예에서의 예측부(1000)는 예측 차수 제어값 β를 사용하여 예측 차수를 가변할 수 있으며, 이에 통해 예측 성능을 조절할 수 있다.

또한, 부호화 장치는 예측부(1000) 및 차분 쿼터니언 연산부(700)에 회전 방향 보정기능을 부가하는 회전 방향 보정부를 더 포함하여 부호화 오차에 의해 발생되는 회전방향 오류를 제거하는 기능을 제공한다. 상세한 설명은 후술한다.

본 실시예에 따른 부호화 장치는 입력되는 회전 정보를 쿼터니언 공간에서 처리하여 정보량 압축을 수행한다. 보다 구체적으로, 입력되는 회전 정보는 다음과 같은 4차원 벡터로 표현된다.

여기서, 아래첨자 i는 i번째 입력 정보임을 나타내며,

는 물체를 회전시킬 때의 회전축 벡터이고,

는 그 회전축을 중심으로 반시계방향으로 회전하는 각도를 나타낸다. 또한 위첨자 T는 행벡터를 열벡터로 나타내기 위한 전치(transpose)를 의미한다. 쿼터니언 변환부(620)는 부호화를 수행하기에 앞서 직교좌표 형식으로 표현된 회전 정보를 쿼터니언 형식으로 변환한다. 직교좌표계에서 쿼터니언 좌표계로 회전 공간 변환하는 원리는 다음과 같다.

다만, [수학식 17]과 같이 표시된 데이터를 실제로 회전 공간 변환하기 위해서는 몇가지 과정이 더 필요하다.

도 9는 쿼터니언 변환부(620)의 일 구현예를 설명하기 위한 블럭도이다.

도 9를 참조하면, 쿼터니언 변환부(620)는 회전각 정규화부(621), 회전축 벡터 정규화부(622), 쿼터니언 공간 변환부(623), 및 쿼터니언 정규화부(624)를 구비한다.

회전각 정규화부(621)는 입력되는 키값 정보 중 회전각을 정규화 처리하고, 회전축 벡터 정규화부(622)는 회전축 벡터를 정규화 처리한다. 이는 입력 정보에 포함될 수 있는 오차를 미리 제거하기 위함이다. 보다 상세히, 회전각 정규화부(621)는 입력되는 회전각 정보를 다음과 같이 정규화 처리한다.

즉, 회전각 정규화 처리는 회전각 정보를 [-π,π] 사이의 값으로 변환시켜주는 것을 의미한다. 이에 의해 회전각 정보를 보존하면서도 이후 처리 과정이 단순화된다. 회전축 벡터 정규화부(622)는 다음과 같이 처리한다.

즉, 회전축 벡터 정규화 처리는 회전축 벡터를 단위 벡터(unit vector)로 만들어 주는 것을 의미한다. 이와 같이 회전각 및 회전축벡터가 정규화된 회전 정보는 [수학식 18]에 의해 쿼터니언 공간으로 변환되며, 변환된 쿼터니언 정보는 다시 쿼터니언 정규화부(624)에 의해 단위 크기를 갖는 쿼터니언값으로 표현된다. 쿼터니언 정규화부(624)의 동작은 다음과 같다.

다음으로, 차분 쿼터니언 연산부(700)는 쿼터니언값으로 표현된 입력 회전 정보와, 이전에 부호화 되었고 복호화된 쿼터니언값 간의 차분 쿼터니언값을 구한다. 차분 쿼터니언값을 구하는 식은 전술한 바와 같이

또는

이다. 본 실시예에서는 후자와 같은 차분 쿼터니언값을 구하여 사용한다.

다시 도 8을 참조하면, 양자화부(810)는 차분 쿼터니언값을 양자화하고, 가변길이 부호화부(820)는 이를 가변길이 부호화한다. 본 실시예의 구현에 있어, 양자화부(810)는 균일 양자화기를 사용하였으며, 가변길이 부호화부(820)는 일반적으로 많이 사용되고 있는 적응산술 부호화기(adaptive arithmetic coding)를 사용하였다.

역양자화부(910)는 양자화된 차분 쿼터니언값을 역양자화한다. 이 값은 다음 입력 쿼터니언값을 부호화하기 위한 복호화값을 만들어내는데 사용된다. 복호화값은 쿼터니언 곱셈부(820)의 출력과 역양자화부(910)의 출력을 쿼터니언 곱셈하여 지연기(430)에 의해 지연됨으로서 얻어진다. 쿼터니언 곱셈부(920)의 동작을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서,

는 이전 복호화값으로서, 지연부(930)을 거쳐 쿼터니언 곱셈부(920)에 공급되는 값이고,

는 역양자화부(910)의 출력값으로서 쿼터니언 곱셈부(920)에 공급되는 값이며, 쿼터니언 곱셈부(920)의 출력은 복호화된 쿼터니언값이다. 여기서, 복호화된 쿼터니언값은 쿼터니언 역변환되어 복호화된 회전 정보값으로 출력될 수 있다.

예측부(1000)는 부호화 효율을 향상시켜준다. 즉, 차분 쿼터니언 연산부(700)가 지연부(930)의 출력을 입력받아 차분 쿼터니언을 구하는 과정에서 그 값들의 분포도를 작게 하여 양자화부(810) 및 가변길이 부호화부(820)에서 정보량 압축 효율이 높아지도록 한다. 나아가, 본 실시예의 예측부(1000)는 예측차수를 제어할 수 있는 기능을 제공한다.

도 12는 예측부(1000)의 상세 블럭도이다.

도 12를 참조하면, 예측 차수 β를 공급받아 다음 식과 같은 예측값을 생성한다.

즉 이전 복호화값

으로부터

만큼 더 회전시킨 값을 현재 입력되는 쿼터니언값에 대한 예측값으로 사용하는 것이다.

더불어, 예측부(1000)는 다음과 같은 과정을 통해 예측 차수를 제어한다. 다만, 도 12의 지연부(930)는 예측값만을 생성한다. 예측 차수를 제어하는 과정을 살펴보면, 회전 이득 제어부(1040)는 예측 차수를 나타내는 신호를 통과시켜주는 것으로 보았을 때 지연부(1030), 쿼터니언 회전차 연산부(1020), 및 회전 이득 제어부(1040)로 구성된 블럭은 [수학식 23]으로 표시되는 동작을 수행하고, 이에 쿼터니언 곱셈부(1050)는 동작 결과를 출력값으로 가진다. 이 때, 예측 차수가 입력되면, 회전 이득 제어부(1040)의 동작이 가해져서, 다음 식으로 표현되는 이득제 어 작용을 수행한다.

여기서,

이면

이 되고,

이면

이 된다. 따라서

이면 쿼터니언 곱셈부(1050)에서는 지연부(930)의 출력을 그대로 출력시키게 되므로, 도 12의 예측부(1000)의 출력은 지연부(930)의 그것과 같아진다. 그리고

이면 쿼터니언 곱셈부(1050)의 동작은 지연부(930)의 출력값과 쿼터니언 회전차 연산부(1020)의 출력값을 곱하므로 [수학식 23]과 같은 값을 출력하게 된다. 이와 같이 예측 차수 β를 통해 예측부(1000)의 출력값은

인 경우에서부터

인 경우까지 연속적으로 변화시킬 수 있다. 정리하면, 본 실시예에서 제공하는 예측부(1000)는 예측 차수 제어기능을 가지고 있으며, 이에 본 발명에 따른 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치는 예측 차수 제어기능을 갖게 된다.

키 프레임 제거부(650)는 연속적인 시간 변화에 따른 회전 변환의 유사성을 이용하여 허용 오차 범위 내에서 키 프레임을 제거한다. 키 프레임 제거부(650)는 각각의 키 프레임을 비교적 높은 비트로 양자화하되 시각적 화질 저하에 영향을 적게 주는 순서로 키 프레임을 제거하여 종래의 방법과 비슷한 양의 정보를 발생하면서도 매우 좋은 화질을 유지할 수 있게 한다.

도 16 내지 21은 키 프레임 제거부(650)의 키 프레임 제거과정을 설명하기 위한 참고도이다.

1 단계: 도 16를 참조하면, 검정색 점은 원래의 애니메이션 경로상에서 n+1개의 시간에 따른 각각의 키 프레임에서의 키값(= Q₀,Q₁,Q₂,....Q_n)을 표시한다.

2 단계: 도 17에 도시된 바와 같이, 먼저 애니메이션 경로 상에 있는 각각의 키 프레임 중에서 양 끝에 해당하는 키 프레임 2개(= Q₀,Q_n)를 선택한다. 선택된 점은 흰색으로 표시되어 있다.

3 단계: 도 18에 도시된 바와 같이, 선택된 양 끝 키 프레임을 제외한 나머지 키 프레임 중에서 하나의 키 프레임을 선택한다. 이 때 하나의 키 프레임을 선택하는 방법은 모두 n-1가지가 있다. 도 18에서는 두 가지의 후보를 선택한 예를 보여주고 있는 바, 이들(= Q₁,Q_k)은 빗금을 친 점으로 표시된다. 다음으로 n-1개의 후보에 대해서, 선택되지 않은 키 프레임의 키값들을 선택된 총 3개의 키 프레임들(Q₀,Q₁,Q_n,또는 Q_0,Q_k,Q_n)을 이용하여 구면 선형 보간(spherical linear interpolation)을 수행한다.

4 단계: 원래의 애니메이션 경로와 보간된 n-1개의 애니메이션 경로를 비교하여 애니메이션 궤적의 오차가 가장 적은 애니메이션 경로를 선택하고 이로부터 n-1개의 후보 키 프레임으로부터 선택된 애니메이션 경로에 대응하는 키 프레임을 선택한다. 궤적 간의 오차는 상기에 기술한 평균 오차

를 이용하여 구한다.

5 단계: 도 19는 일 예로서 후보 2의 궤적이 선택되었음을 보여주고 있다.

6 단계: 도 20에 도시된 바와 같이, 선택된 3개의 키 프레임을 제외한 나머지 키 프레임 중에서 하나의 키 프레임을 선택한다. 다음으로 상기 3 내지 4 단계를 수행한다.

7 단계: 도 21는 일 예로서 후보 1의 궤적이 선택되었음을 보여주고 있다.

8 단계: 상기 6 내지 7 단계를 평균 오차가 허용 오차보다 작아질 때까지 반복하여 수행한다.

한편, 4 단계에서 언급된 평균 오차

는 다음과 같이 구할 수 있다.

양자화 오차는 원래의 회전 변환과 복원된 회전 변환의 차분 회전 변환에서 차분 회전각으로 정의된다. 즉, 오리엔테이션 보간 노드에 속하는 하나의 키값을

, 복호화부를 통해 복원된 키값을

라고 할 경우(단

은 회전축을,

는 회전량을 나타내며 그 범위는 θ∈[-π,π]을 만족한다),

와

에 의해 삼차원 공간 상의 임의의 위치

로부터

및

로의 회전 변환이 이루어질 때 발생하는 양자화 오차는

와

의 차로 계산된다. 이는 양자화 오차 벡터

의 관계를 성립시킨다.

,

를 쿼터니언으로 표현하면,

와 같이 정의된다. 회전 변환을 나타내는

와

를 쿼터니언으로 표현한 것을 각각 Q와 Q'라 할 경우

가 유도된다. 여기서, A*B는 쿼터니언 곱셈을 의미하며,

는 A의 공액 복소수(conjugate)를 의미한다. 이에 따라,

가 유도된다. 여기서,

는

와

간의 회전 변환관계를 나타내는 값으로서 다음과 같이 정의된다.

따라서

와

간의 차분 회전각을

라 하면 쿼터니언 변환식과 [수학식 28]에 의해

는 다음과 같이 구해진다.

여기서,

는 내적(inner product)를 의미한다. [수학식 29]는 전체 애니메이션 키 프레임 중 어느 특정 시간에 나타나는 순시 양자화 오차를 나타내는 바, 이를 전체 애니메이션 구간에 대한 양자화 오차를 구하는 식으로 유도하기 위해 특정 시간 t에서의 순시 양자화 오차로 나타내면 다음과 같다.

[수학식 30]을 오리엔테이션 보간 방법을 통해 애니메이션을 수행하는 전체 키 프레임 구간에 대해 확장하여 전체 구간

에 대한 평균 오차

및 최대 오차

를 유도하면 다음과 같다.

여기서,

을 구하기 위해 구간

에서 부분합

를 먼저 구한다.

한편,

이므로

이다. 적분구간 [0,1]에서 함수

의 정적분을 구하기 어려우므로, 다음과 같이 근사화한다.

여기서,

이다.

근사화된 함수를 사용하여 부분합

을 구하면,

이 되고, 다시 정리하면 다음과 같다.

또한, 부분합

을 전체 구간

에 대해 더한 다음 평균 오차

을 구한다.

최대 오차

는 각 구간

에서의 최대 오차

를 다음과 같이 구한 다음 그 중에서 최대값을 찾아내면 된다.

앞서 사용한 근사 함수를 이용하여 근사시키면,

이 되고, 전체 구간

에서 구한 최대값은

으로 표시된다.

도 12는 전술한 설명 중 두 쿼터니언 간 회전차분값을 구하는 연산을 하나의 마크로블럭처럼 구성한 도면이다.

도 12를 참조하여 회전차분값을 구하기 위한 마크로블럭의 동작원리를 설명하면, 두 개의 쿼터니언 입력값중 기준값을 D200, 회전값을 D300이라고 할 때, 기준값의 공액값(conjugate)를 구하는 연산(D130)을 거쳐 회전값과 곱셈을 수행(D110)하고, 쿼터니언 정규화(D120)하여 출력시키게 된다. 이러한 쿼터니언 회전차값 연산 동작은 본 실시예 및 쿼터니언 처리를 필요로 하는 각 부분에서 빈번하게 사용되므로, 이와 같이 하나의 단일 마크로블럭으로 간주하는 것이 편리하다.

도 15는 회전 차분을 이용한 쿼터니언 부호화에 있어서 회전 방향 오차를 설명하기 위한 참고도이다. 회전 방향 오차는 쿼터니언 부호화가 손실 부호화임으로 인해 발생된다.

도 15를 참조하면, 현재 입력되는 회전 정보에 의한 물체의 위치를

라 하고, 이전 위치를

라 할 때, 위치관계는 4가지 영역으로 구분하여 나타낼 수 있다. 즉, 입력되는 원(circle) 신호를 따라 회전할 경우, 두 위치 관계가 영역1 또는 영역3일 때는

에서

로 반시계방향으로 회전하게 된다. 두 위치 관계가 영역2 또는 영역4일 경우에는

에서

로 움직여 갈 때 시계방향으로 회전하게 된다. 부호화되고 복호화된 회전 정보를 사용하여 물체를 회전시킬 경우에는, 원래 회전정보

에 대응하는 복호화정보

와

에 대응하는

두 값에 의해 복호화부 측에서 물체를 회전시키게 된다. 따라서 다시 도 15를 참조하면,

에 대해

의 위치가 영역2와 3일 경우에는 반시계방향으로, 영역1과 4일 경우에는 시계방향으로 회전하게 된다. 이처럼, 원래의 회전 정보에 의해 물체를 회전시키는 경우와, 복호화 된 회전 정보를 사용하여 물체를 회전시키는 경우 영역2와 영역1에서 각각 회전방향이 역전하는 현상이 발생한다. 이는 쿼터니언 부호화시 손실부호화를 수행하기 때문에

와

가 일치하지 않아서 생기는 현상으로, 손실부호화에서는 필연적으로 발생된다. 그런데, 영역1과 영역2는 결코 없앨 수 없는 영역이므로, 회전 방향이 역전되는 현상을 최소화하거나, 회전 방향을 원래 운동방향과 일치시키는 동작이 필요하다. 본 실시예에서는 후자의 동작을 부가하였다.

회전 방향 보정 기능을 간단하게 설명하면, 제15도를 참조하여 회전 방향 오차가 발생하는 영역1과 2를 찾아내어 부호화할 차분 쿼터니언값을 강제로 제어하여 회전방향을 원래 회전방향과 일치시켜주는 것이다. 영역2에서도 회전방향 불일치 현상이 발생하지만, 영역2는 영역1과 달리 원래의 쿼터니언 값과 복호화된 쿼터니언 값이 가까이 수렴하는 영역이므로 회전 방향 보정 기능을 작동시키지 않고, 영역1일 경우만 회전방향 보정기능을 수행한다.

도 13 및 14는 도 8의 부호화 장치의 보정 기능을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 13 및 14를 참조하면, 회전 방향 오차 연산부(750) 및 판별부(760)는 영역1인 경우를 찾아낸다. 회전 방향 오차 연산부(750)는 도 10에 도시된 바와 같이, 3 개의 차분 회전 쿼터니언 값을 연산하는 쿼터니언 회전차 연산부(752, 753, 754)를 구비한다. 구해진 3 개의 회전 차분값 A, B, C는 다음과 같다.

회전차분값 A:

여기서 회전차분값 A는 원래의 회전 정보에 의해 시구간 [t_i-1,t_i]에서 물체의 회전 방향을 나타내게 된다.

회전차분값 B:

여기서 회전차분값 B는 시각 t_i-1에서 부호화 오차에 의한 물체의 회전 위치 오차와 방향을 나타낸다.

회전차분값 C:

여기서 회전차분값 C는 시각 t_i에서 부호화를 위해 공급될 차분 쿼터니언 정보의 방향을 나타낸다.

판별부(760)는 이상 3 개의 회전차분값 A,B,C를 사용하여 도 15에서 설명하는 영역1을 판별하여, 영역1일 경우 선택부(780)는 회전 방향을 포화값으로 설정해주는 회전 방향 포화기(770)로부터 입력을 선택하여 회전 방향이 원래의 회전 방향으로 보정되도록 한다. 영역1이 아닐 경우 선택부(780)는 회전방향 보정기능을 거치지 않도록 쿼터니언 회전차 연산부(740)의 출력을 선택하여 출력시킨다.

판별부(760)의 보다 구체적인 동작 원리는 다음과 같다. 판별부(760)는 5 개의 논리판단부로 구성되어 있어 5 개의 논리값 출력들을 서로 논리곱(AND) 연산하여 출력한다. 판별부(760)를 구성하는 5 개의 논리연산은 다음과 같다.

논리식A:

여기서,

는 도 10의 회전차분값 A를

라 할때

이 되고, 4 개의 원소 중 첫번째

를 제외한 나머지 3개의 원소로 이루어진 3차원 벡터

를 의미한다. 마찬가지로,

는 도 10의 회전차분값 C에서 첫번째 원소를 제외한 3 개의 원소로 이루어진 3차원 벡터를 의미한다.

는 2 개의 3차원 벡터 간의 내적(inner product)를 의미하며, 내적이 음수일 때 논리값 A는 '참'이고, 음수가 아닐 때는 '거짓'으로 정의한다.

논리식 B:

여기서,

는 도 10의 회전차분값 B에서 첫번째 원소를 제외한 3 개의 원소로 이루어진 3차원 벡터

를 의미한다.

는 2 개의 3차원 벡터 간의 내적(inner product)를 의미하며, 내적이 음수일 때 논리값 B는 '참'이고, 음수가 아닐 때는 '거짓'으로 정의한다.

논리식 C:

여기서

는 앞서 논리식 A 및 B에서 설명한 바와 같이, 도 10의 회전차분값 A에서 첫번째 원소를 의미하며, 이 값의 절대값을 사용하여 논리식 C를 수행한 결과 일정한 상수

보다 클 경우 논리식 C는 '참', 그렇지 않을 경우에는 '거짓'으로 정의한다. 이 때 상수

는 0에 가까운 작은 값(예: 0.02)으로 설정되며 실제 동작에 따라 적당한 값으로 조정될 수 있다.

논리식 D:

여기서,

는 앞서 설명한 바와 같이 회전차분값 B에서 첫번째 원소를 의 미하며, 이 값의 절대값을 사용하여 논리식 D를 수행한 결과 일정한 상수

보다 큰 경우 논리식 D는 '참', 그렇지 않을 경우에는 '거짓'으로 정의한다. 이 때 상수

논리식 E:

여기서,

는 앞서 설명한 바와 같이 회전차분값 B에서 첫번째 원소를 의미하며, 이 값의 절대값을 사용하여 논리식 E를 수행한 결과 일정한 상수

보다 큰 경우 논리식 E는 '참', 그렇지 않을 경우에는 '거짓'으로 정의한다. 이 때 상수

이와 같이 구한 5개의 논리값을 다음과 같이 전부 논리곱셈연산을 수행하여 제8도의 판별기(260)의 출력으로 만들어 낸다.

상기 수학식 41의 논리값이 '참'이면 도 13의 선택부(780)는 회전방향 포화기(770)의 출력값을 받아서 출력시키고, '거짓'이면 쿼터니언 회전차 연산부(740)의 출력값을 받아서 출력시킨다. 여기서, 회전방향 포화기(770)의 동작은 다음과 같다. 영역1일 경우, 복호화부에서 수신한 회전 위치 정보는

이고, 현재 입력 되는 회전 위치 정보는

이므로, 복호화부에서는 물체를 시계방향으로 회전시키게 된다. 그러나 원래 회전 방향은

에서부터

로 움직이도록 되어있으므로 반시계방향으로 회전시켜야 한다. 이에, 회전방향 포화기(770)에서는

위치에서 원래 회전방향과 같은 방향, 즉 반시계방향으로 가장 큰 움직임을 갖는 회전 위치로 회전시킨다.

즉,

위치에서 180o에 근접하는 위치까지 회전시키는 새로운 회전정보를 설정한다. 이렇게 함으로서 회전방향을 원래 회전방향과 일치시키면서 회전위치오차를 최소화할 수 있다. 이러한 회전방향 포화기(270)의 동작을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서,

는 도 11의 회전이득 조정값 출력을 의미하며,

는 도 13의 쿼터니언 회전차 연산부(740)의 출력값을 의미하며,

는 0에 가까운 작은 상수(예: 0.001)로서 부호화 정밀도에 따라 정해진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 오리엔테이션 보간 노드 정보의 필드 데이터를 부호화하는데 있어서, 시간 영역에서 데이터 중복성과 양자화된 심볼간의 비트 중복성을 제거하고, 쿼터니언 공간에서 회전 이동의 물리적 특성을 반영하면서도 구성요소를 위한 부가 정보를 제거하여 데이터 전송 효율을 보다 향상시킨다.

Claims

삼차원 공간에서 물체의 회전 정보를 제공하는 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치에 있어서,

키와 키값을 포함하는 필드 데이터 중 상기 키값 데이터를 쿼터니언 공간으로 변환한 후, 회전차분 변환하여 차분펄스 코드변조 처리하는 차분펄스 코드변조 처리부;

차분펄스 코드변조 처리된 키값 데이터를 양자화하여 출력하는 양자화부;

상기 양자화된 차분 키값 데이터를 가변길이 부호화하는 가변길이 부호화부;

상기 양자화된 차분 키값 데이터를 역양자화하여 출력하는 역양자화부;

상기 역양자화한 차분 키값을 쿼터니언 곱셈하고 이전 차분 키값과 곱해서 복호화한 키값을 만들어내는 쿼터니언 곱셈부;

상기 쿼터니언 곱셈기의 출력을 지연시키는 지연부; 및

상기 지연기의 출력을 받아서 다음 부호화해야할 입력값을 예측하고, 상기 예측 차수를 가변제어할수 있는 예측 차수 제어기능을 갖는 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치.
제1항에 있어서,

상기 예측부는,

현재 입력되는 쿼터니언 정보의 시각보다 이전까지 복원된 회전차분 값들을 누적 곱셈한 값을 만들어내는 쿼터니언 곱셈부;

상기 쿼터니언 곱셈부의 출력값들을 다단계 지연시켜 시계열 정보를 생성하는 지연부;

상기 지연부의 출력값들의 쿼터니언 공간상에서 선형조합에 의해 생성되는 현재 회전 위치에 대한 예측값을 생성하는 곱셈기;

상기 쿼터니언 곱셈부 출력과 상기 예측값 간 가중치를 지정해주는 예측 차수를 입력받아 상기 쿼터니언 곱셈부 출력과 상기 예측값 간 가중치를 갖는 선형조합에 의해 차수 가변 예측 작용을 수행하는 예측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 예측기와 상기 차분펄스 코드변조 처리부에서 차분쿼터니언값을 만들때, 원래 회전정보에서 지정하는 회전방향과 같은 방향으로 회전하도록 회전방향 보정기능을 수행하는 회전방향 보정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치.
제1항에 있어서,

상기 차분펄스 코드변조 처리부에 의해 쿼터니언 공간 정보로 변환 된 회전 정보들 중, 어느 키와 그에 대응하는 키값 정보를 제거하였다고 할 때, 제거하기 이전과 비교하여 애니메이션 경로 간의 오차가 일정한 기준보다 작을 경우 그 키와 키값 정보를 제거하는 키프레임 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오리엔테이션 보간 노드 정보의 부호화 장치.