KR100711025B1 - The method for filtering a residual signal to improve performance in the standard coding mode of motion picture - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방법에 관한 것으로, 특히 H.264를 기반으로 양자화 오류와 인접된 블록의 화소와 현재 화소 사이의 상관관계를 이용하여 현재 블록의 화소를 필터링하여 입력영상으로부터 생기는 노이즈 제거와 비트율 문제를 해결하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a residual signal filtering method for improving the performance of a video standard coding scheme. In particular, the present invention relates to quantization error based on H.264 and to correlations between pixels of adjacent blocks and current pixels. The present invention relates to a method for removing noise from an input image and filtering a bit rate problem by filtering.
본 발명의 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방법은 잔여신호 전처리 필터가 입력영상과 움직임 보상된 영상 또는 입력영상과 인트라 예측된 영상과의 오차신호를 얻는 제1단계; 상기 잔여신호 전처리 필터가 오차신호를 저주파 필터링하여 고주파 성분을 제거하는 제2단계; 저주파 필터링된 오차신호를 DCT(Discrete Cosine Transform)하는 제3단계; DCT된 오차신호를 양자화하는 제4단계; 양자화된 오차신호에서 노이즈를 얻는 데5단계; 및 상기 노이즈의 평균 에너지를 구하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Residual signal filtering method for improving the performance of the video standard coding method of the present invention comprises the steps of: a residual signal preprocessing filter to obtain an error signal between the input image and the motion-compensated image or the input image and the intra-predicted image; A second step of removing the high frequency component by low frequency filtering the error signal by the residual signal preprocessing filter; A third step of performing a discrete cosine transform (DCT) on the low frequency filtered error signal; A fourth step of quantizing the DCT error signal; Obtaining noise in the quantized error signal; And a sixth step of obtaining an average energy of the noise.
동영상, 부호화, 잔여신호, 필터링 Video, Encoding, Residual Signal, Filtering
Description
도 1은 본 발명의 부호화부에서 잔여신호 전처리 필터를 이용한 필터링 방법을 나타낸 것이다.1 shows a filtering method using a residual signal preprocessing filter in an encoder of the present invention.
도 2는 본 발명의 1차원 필터의 형태를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the form of the one-dimensional filter of the present invention.
본 발명은 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방법에 관한 것으로, 특히 H.264를 기반으로 양자화 오류와 인접된 블록의 화소와 현재 화소 사이의 상관관계를 이용하여 현재 블록의 화소를 필터링하여 입력영상으로부터 생기는 노이즈 제거와 비트율 문제를 해결하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a residual signal filtering method for improving the performance of a video standard coding scheme. In particular, the present invention relates to quantization error based on H.264 and to correlations between pixels of adjacent blocks and current pixels. The present invention relates to a method for removing noise from an input image and filtering a bit rate problem by filtering.
1997년 이후 차세대 동영상 압축방식으로 개발되어 온 JVT 방식은 종래의 H.263 및 MPEG4 방식보다 성능면에서 우월성이 입증되었다. JVT 방식과 H.263 및 MPEG4 방식과의 주요한 차이점은 JVT 방식이 4 ×4 블록 기반의 변화 및 부호화를 사용하고, 변환블록 크기의 움직임 추정, 보상 및 한 개의 VLC(Variable Length Code)를 사용하는 점에 있다.The JVT method, which has been developed as the next generation video compression method since 1997, has proved superior in performance compared to the conventional H.263 and MPEG4 methods. The main difference between the JVT method and the H.263 and MPEG4 methods is that the JVT method uses 4 × 4 block-based change and encoding, transform block size motion estimation, compensation, and one variable length code (VLC). Is in point.
H.264는 4 ×4 블록 크기의 정수 DCT 변환방식과 함께, 부호화시 많은 계산을 요구하는 가변 블록의 크기의 움직임 벡터 예측, 다양한 방향성을 갖는 인트라 부호화 방식 및 다중 참고 프레임 움직임 추정방식 등을 특징으로 하고 있다. 영상 부호화에서는 정보의 정확한 보존이 아니라, 정보의 근사화에 목적을 두기 때문에 복원된 영상은 어느 정도의 왜곡을 수반하게 된다.H.264 features an integer DCT transform with a 4 × 4 block size, a motion vector prediction with variable block size that requires a lot of computation when encoding, intra coding with various directions, and multiple reference frame motion estimation. I am doing it. In image encoding, the purpose of the information is not to preserve the information but to approximate the information. Therefore, the reconstructed image is accompanied by some distortion.
그러나, 종래의 H.264는 제한된 채널 대역폭 및 밴드 대역을 갖는 환경에서 원래의 영상으로부터 영상 획득과정에서 발생하는 노이즈 및 시각적으로 불편한 양자화 노이즈 제거 및 전송 비트율 감소를 위한 방법을 제시하지 못하고 있다.However, the conventional H.264 does not provide a method for removing noise and visually inconvenient quantization noise and reducing a transmission bit rate generated in an image acquisition process from an original image in an environment having a limited channel bandwidth and a band band.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, H.264를 기반으로 양자화 오류와 인접된 블록의 화소와 현재 화소 사이의 상관관계를 이용하여 현재 블록의 화소를 필터링하여 입력영상으로부터 생기는 노이즈 제거와 비트율 문제를 해결하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems, by using the correlation between the quantization error and the pixel of the adjacent block and the current pixel based on H.264 to remove the noise generated from the input image by filtering the pixel of the current block And to provide a solution to the bit rate problem.
본 발명은 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방 법에 관한 것으로, 특히 H.264를 기반으로 양자화 오류와 인접된 블록의 화소와 현재 화소 사이의 상관관계를 이용하여 현재 블록의 화소를 필터링하여 입력영상으로부터 생기는 노이즈 제거와 비트율 문제를 해결하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a residual signal filtering method for improving the performance of a video standard coding scheme. In particular, the present invention relates to a pixel of a current block using a correlation between a quantization error and a pixel of an adjacent block and a current pixel based on H.264. The present invention relates to a method for filtering noise and removing noise from an input image and solving a bit rate problem.
본 발명의 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방법은 잔여신호 전처리 필터(residual pre-filter)가 입력영상과 움직임 보상된 영상 또는 입력영상과 인트라 예측된 영상과의 오차신호를 얻는 제1단계; 상기 잔여신호 전처리 필터가 오차신호를 저주파 필터링하여 고주파 성분을 제거하는 제2단계; 저주파 필터링된 오차신호를 DCT(Discrete Cosine Transform)하는 제3단계; DCT된 오차신호를 양자화하는 제4단계; 양자화된 오차신호에서 노이즈를 얻는 데5단계; 및 상기 노이즈의 평균 에너지를 구하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the residual signal filtering method for improving the performance of the video standard coding method of the present invention, a residual pre-filter obtains an error signal between an input image and a motion compensated image or an input image and an intra predicted image. Stage 1; A second step of removing the high frequency component by low frequency filtering the error signal by the residual signal preprocessing filter; A third step of performing a discrete cosine transform (DCT) on the low frequency filtered error signal; A fourth step of quantizing the DCT error signal; Obtaining noise in the quantized error signal; And a sixth step of obtaining an average energy of the noise.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.
동영상 압축방식은 부호화부에서 공간 및 시간적 과잉 정보를 제거하는 방법을 사용하여 시간 및 공간적으로 압축된 정보와 복호화에 필요한 부가정보를 전송하는데, 복호화부는 상기 부호화부의 역순으로 구성되어 있다.The video compression method transmits temporally and spatially compressed information and additional information necessary for decoding by using a method of removing spatial and temporal excess information from the encoder, and the decoder is configured in the reverse order of the encoder.
본 발명에서는 양자화 오류와 인접 블록의 정보로부터 현재 블록을 필터링 하는 잔여신호 필터방식에 대해 살펴보기로 한다.In the present invention, a residual signal filter method for filtering a current block from information of a quantization error and an adjacent block will be described.
잔여신호 전처리 필터는 입력영상과 움직임 보상된 영상 또는 입력영상과 인트라 예측(intra prediction)된 영상과의 오차 신호(DFD : Displaced Frame Difference, 이하 DFD)를 저주파 필터링 과정을 통해 고주파 성분을 효과적으로 제거하여 양자화 과정 후, 런 렝스(run-length) 과정에서 압축효율을 개선하기 위해 사용된다. 필터링 과정은 각 매크로 블록(macro block)의 부호화 특성에 따라 설명되지 않은 오차(residual error) 분포가 다르기때문에 아래와 같이 3가지의 매크로 블록을 구분하여 필터링한다.The residual signal preprocessing filter effectively removes a high frequency component through a low frequency filtering process to remove an error signal (DFD: Displaced Frame Difference (DFD)) between an input image and a motion compensated image or an input image and an intra prediction image. After the quantization process, it is used to improve the compression efficiency in the run-length process. In the filtering process, since the error error distribution that is not explained differs according to encoding characteristics of each macro block, three macro blocks are classified and filtered as follows.
첫째, 16 ×16 인터(inter) MBFirst, 16 × 16 inter MB
둘째, 16 ×16 인트라(intra) MBSecond, 16 × 16 Intra MB
셋째, 4 ×4 인트라 MBThird, 4 × 4 Intra MB
상기와 같은 매크로 블록에 따라 인접된 이전 매크로 블록과 현재 매크로 블록의 부호화 형태가 다른 경우에는 필터링 과정에서 인접된 화소는 사용하지 않는다.When the encoding form of the adjacent previous macro block and the current macro block is different according to the above macro blocks, the adjacent pixels are not used in the filtering process.
도 1은 본 발명의 부호화부에서 잔여신호 전처리 필터를 이용한 필터링 방법을 나타낸 것이다. 일반적으로, 입력 비디오의 영상정보는 인트라 프레임의 경우에는 DCT(Discrete Cosine Transform)와 양자화(quantization)(100)를 거친 후에 엔트로피 암호화(entropy coding, 200)을 통하여 압축되고, 이 후의 인터 프레임의 경우에는 복호화된 영상정보와 새롭게 입력되는 영상정보와의 차이값을 기준으로 압축됨으로써 종래의 압축된 영상을 압축방식의 역순으로 역양자화(inverse quantization)와 IDCT(Inverse Discrete Cosine Transform)(300)를 거쳐 처리된 영상을 인트라 예측(intra prediction, 400), 움직임 보상(motion compensation, 500) 및 움직임 추정(motion estimation, 600)을 통하여 복호화 또는 부호화하여 처리하며, 이때 발생되는 화소간의 블로킹(blocking) 현상을 디블로킹(deblocking, 700)을 통하여 처리하는 방식을 이용한다.1 shows a filtering method using a residual signal preprocessing filter in an encoder of the present invention. In general, image information of the input video is compressed through entropy coding (200) after going through a discrete cosine transform (DCT) and a quantization (100) in the case of an intra frame, and in the case of an inter frame thereafter. The compressed image is compressed based on the difference between the decoded image information and the newly input image information. The conventional compressed image is subjected to inverse quantization and inverse discrete cosine transform (IDCT) 300 in the reverse order of the compression method. The processed image is decoded or encoded through intra prediction (400), motion compensation (500), and motion estimation (600), and processed to block blocking between pixels. The deblocking process is used.
본 발명에서는 잔여신호 전처리 필터(800)를 DCT의 바로 앞에 위치하게 하여 인트라 블록일 때에는 강도(intensity)값을 필터링하고, 인터 블록일 때에는 DFD, 즉 잔여신호를 필터링하여 영상의 질을 개선하도록 한다.In the present invention, the residual signal preprocessing
획득된 영상은 기본적으로 영상 획득장치에 따라 정도의 차이는 있으나, 첨부된 노이즈가 존재하고 양자화 과정에 의해 화질의 저하현상이 더욱 심각하게 된다. 즉, 양자화 스텝 크기가 커질수록 양자화 오류값은 커지게 되고, 이로 인한 고주파 성분이 손실된다. 본 발명에서 수행한 필터링 과정은 영상의 통계적인 분포가 가우시안 분포(gaussian distribution)를 갖는다는 가정 하에서 필터의 특성이 수학식 1과 같은 1차원 가우시안 모델을 사용하였다.Although the acquired image basically has a degree of difference depending on the image capturing apparatus, the attached noise exists and the degradation of the image quality is more serious due to the quantization process. In other words, as the quantization step size increases, the quantization error value increases, resulting in loss of high frequency components. In the filtering process performed in the present invention, a filter has a one-dimensional Gaussian model such that the characteristic of the filter is represented under Equation 1 under the assumption that the statistical distribution of the image has a Gaussian distribution.
상기 수학식 1에서 영상의 국부지역 분산으로 고주파 영역일수록 큰 값을 가지며, 이는 가우시안 필터링 영상의 열화정도를 감소시켜 에지정보를 보존한다. k는 스무딩(smoothing)을 결정하는 매개변수로서 국부지역 평균값을 이용하여 나타내었다. 는 양자화로 인한 노이즈의 분산으로 H.264 부호화부에서 발생하는 양자화 노이즈를 제거하기 위한 특성을 반영한다. 양자화로 인한 노이즈를 결정하기 위하여 다음과 같은 수학식을 기반으로 노이즈 정도를 유추하였다.In Equation 1 The local region of the image is distributed, and the higher frequency region is, the larger the value is. k is expressed using the local mean value as a parameter for determining smoothing. Reflects a characteristic for removing quantization noise generated in the H.264 encoder due to variance of noise due to quantization. In order to determine noise due to quantization, the noise degree was inferred based on the following equation.
H.264 동영상 표준 부호화 방식에서는 DCT와 양자화가 함께 수행된다. H.264 DCT 및 양자화 과정은 다음과 같다.In the H.264 video coding method, DCT and quantization are performed together. The H.264 DCT and quantization process is as follows.
상기 수학식 2에서 X는 입력 4 X 4 행렬이고, Y는 변환된 행렬, Z는 변환과 양자화된 행렬, QE는 H.264 동영상 표준 부호화 방식에서 DCT의 스케일 부분이 포함된 양자화 행렬, qp는 양자화 스텝 사이즈, 는 성분 곱(element product)이다.In Equation 2, X is an input 4 X 4 matrix, Y is a transformed matrix, Z is a transform and quantized matrix, QE is a quantization matrix including a scale part of DCT in the H.264 video standard coding method, and qp is Quantization step size, Is an element product.
일반적인 4 X 4 DCT 과정은 다음과 같다.A typical 4 x 4 DCT process is as follows.
단, only,
상기 수학식 3의 행렬 A는 수학식 4와 같이 분리할 수 있다.Matrix A in Equation 3 may be separated as in Equation 4.
상기 수학식 4는 다음의 수학식 5와 같이 재기술될 수 있다.Equation 4 may be rewritten as Equation 5 below.
상기 수학식 4를 이용한 수학식 5에서 Y는 H.264의 정수 변환방식을 의미한다. 수학식 2의 양자화 과정은 수학식 6과 같이 표현된다.In Equation 5 using Equation 4, Y represents an integer conversion method of H.264. The quantization process of Equation 2 is expressed as Equation 6.
H.264 동영상 표준 부호화 방식에서는 수학식 6의 S가 양자화 과정에 포함되어 입력행렬의 화소위치에 따라 다른 양자화를 수행하는 새로운 양자화 행렬이 된다. H.264 동영상 표준 부호화 방식에서 양자화 행렬은 수학식 6을 이용하여 수학식 7과 같이 표현된다.In the H.264 video coding method, S in Equation 6 is included in a quantization process to form a new quantization matrix that performs different quantization according to pixel positions of an input matrix. In the H.264 video coding method, a quantization matrix is expressed as in Equation 7 using Equation 6.
상기 수학식 7에서 S는 DCT 정수변환을 하기 위해 생긴 스케일 행렬이고, QP는 일반적인 양자화 계수 행렬이다. 따라서, 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.In Equation 7, S is a scale matrix generated for DCT integer conversion, and QP is a general quantization coefficient matrix. Therefore, it may be expressed as Equation (8).
상기 수학식 8에서 은 수학식 9와 같다.In Equation 8 Is the same as Equation 9.
H.264 동영상 표준 부호화 방식에서 양자화 과정은 다음과 같다.The quantization process in the H.264 video coding method is as follows.
상기 수학식 10에 수학식 8을 대입하면, 수학식 11과 같다.Substituting Equation 8 into Equation 10 results in Equation 11.
변환된 행렬은 이므로 상기 수학식 11은 수학식 12와 같다.The transformed matrix is Equation 11 is equal to Equation 12.
상기 수학식 12에서 양자화 오류는 수학식 13과 같다.In Equation 12, the quantization error is represented by Equation 13.
H.264 표준 부호화 방식에서 QE는 수학식 14와 같다. 수학식 14에서 qp%6은 양자화 스텝 사이즈를 6으로 나눈 나머지이다.In the H.264 standard coding scheme, QE is represented by Equation 14. In Equation 14, qp% 6 is the remainder obtained by dividing the quantization step size by six.
상기 수학식 14를 수학식 13에 대입하여 정리하면 표 1과 같은 양자화 노이즈를 얻을 수 있다.By substituting Equation 14 into Equation 13, quantization noise shown in Table 1 can be obtained.
표 1은 본 발명의 양자화 오류를 주파수 영역(frequency domain)으로 본 값을 나타낸 것이다. 시간영역(time domain)에서는 양자화 오류 행렬을 IDCT하여 구한 값이다.Table 1 shows the quantization error of the present invention in the frequency domain. In the time domain, the quantization error matrix is obtained by IDCT.
QP_error_time 행렬은 QP_error_freq 행렬을 IDCT한 값으로 DC주변으로 값이 모이게 된다. QP_error_time 행렬의 (0,0) 계수에 해당하는 계수는 표 2와 같다.The QP_error_time matrix is a value obtained by IDCTing the QP_error_freq matrix and the values are collected around the DC. The coefficients corresponding to the (0,0) coefficients of the QP_error_time matrix are shown in Table 2.
QP_error_time 행렬의 평균 에너지는 수학식 16과 같이 구할 수 있다.The average energy of the QP_error_time matrix can be obtained as shown in Equation 16.
여기서, 는 QP_error_time 행렬의 i, j 번째 계수이다.here, Is the i, j th coefficient of the QP_error_time matrix.
상기 수학식 16으로부터 양자화 노이즈의 평균 에너지를 구하면 표 3과 같다.The average energy of the quantization noise is obtained from Equation 16 as shown in Table 3.
은 양자화 노이즈 평균 에너지인 표 3에 의해 결정된다. Is determined by Table 3, which is the average energy of quantization noise.
도 2는 본 발명의 1차원 필터의 형태를 나타낸 것이다. 는 이전 블록의 화소값이고, 는 현재 블록의 화소값이다. 현재 블록이 입력되었을 때, 수직방향으로 필터링한 후에 수평방향으로 필터링한다. 현재 처리하는 화소값이 이라고 할 때, 필터의 매개변수는 다음과 같다. 상기 수학식 1로부터 인접된 이전 블록과 현재 블록의 화소값 과 를 이용한 국부 지역정보, 평균, 분산 및 스무딩 매개변수는 수학식 17 내지 수학식 19와 같은 식으로 표현된다.Figure 2 shows the form of the one-dimensional filter of the present invention. Is the pixel value of the previous block, Is the pixel value of the current block. When the current block is input, it filters in the vertical direction and then in the horizontal direction. The current pixel value In this case, the filter parameters are as follows. Pixel values of adjacent previous blocks and current blocks from Equation 1 and The local area information, the average, the variance, and the smoothing parameter using are expressed by Equations 17 to 19.
상기 수학식 18과 수학식 19를 이용하여 도 2의 과 를 필터링하면 수학식 20과 같다.2 by using Equations 18 and 19 and Is filtered as shown in Equation 20.
상기 수학식 20에서 p와 q는 처리되지 않은 화소값을 나타내고, Q는 필터링된 화소값을 나타내며, H(0)과 H(1)은 수학식 1에 의해 얻어지는 필터계수 값들이다. 이는 현재 처리하고자 하는 화소에 가중치를 크게 주고, 현재 화소의 좌우에 인접된 화소에는 필터의 대칭성을 이용하여 가중치를 준다.In Equation 20, p and q represent unprocessed pixel values, Q represents filtered pixel values, and H (0) and H (1) are filter coefficient values obtained by Equation (1). This gives a weight to the pixel to be processed currently, and gives a weight to the pixels adjacent to the left and right of the current pixel by using the symmetry of the filter.
이상에서 설명한 내용을 통해 본 업에 종사하는 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용만으로 한정되 는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention through the above description. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited only to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 동영상 표준 부호화 방식의 성능 향상을 위한 잔여신호 필터링 방법은 JVT 동영상 압축방법이 사용되는 디지털 영상기기에서 압축효율을 개선하기 위한 방법으로서 저비트율 또는 고속처리가 요망되는 압축 부호화에 적용될 수 있다.As described above, the residual signal filtering method for improving the performance of the video standard coding method according to the present invention is a method for improving the compression efficiency in a digital video apparatus using the JVT video compression method. It can be applied to the encoding.
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