KR100792318B1 - 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법에 관한 것으로, 적어도 하나의 픽처를 입력하는 제1 단계와, 상기 입력된 화면간 의존 관계를 구성하는 제2 단계와, 상기 구성된 화면간 의존 관계를 검색하여 최적 경로를 탐색하는 제3 단계와, 상기 탐색된 최적 경로 상에 존재하는 최적 의존 양자화 계수 값을 결정하는 제4 단계와, 상기 결정된 최적 의존 양자화 계수 값을 양자화 과정에 적용하는 제5 단계와, 상기 제1 단계에서 제5 단계를 적어도 한 번 수행하는 제6 단계를 포함함으로써, 복호 영상의 화질을 높일 수 있으며, 최적 양자화를 구하는데 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

양자화, 의존 양자화, 부호화기

Description

효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법{DEPENDENT QUANTIZATION METHOD FOR EFFICIENT VIDEO CODING}

도 1은 본 발명의 공간적/시간적/화질적 스케일러빌러티 구조에서의 프레임(픽처)간 예측 의존성을 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명의 의존 양자화 율-왜곡 격자구조를 설명하기 위한 도면.

본 발명은 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스케일러블 비디오 압축 부호화에서 수행되는 양자화 과정을 의존 양자화(Dependent Quantization) 방법을 적용함으로써, 주어진 목표 비트율에서 화질을 최대로 하여 부호화 하거나, 목표 화질에 대해 발생 비트율을 최소화하여 부호화 효율을 극대화하는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 비디오 데이터를 압축하기 위해 양자화 과정을 수행하는 방식 에 있어서 고정된 양자화 값을 초기에 설정한 후 양자화 과정 시에 적용함으로써, 비디오 프레임 부호화 처리에 있어 의존 부호화 과정을 수행한 기존의 비디오 부호화 과정이 최적화되어 수행되지 못하는 단점이 있다.

더욱이, 스케일러블(Scalable) 비디오 부호화 방식은 각 스케일러빌러티(Scalability) 계층 내에 인접 비디오 프레임간 의존 부호화뿐만 아니라 스케일러빌러티 계층 간 의존 부호화 과정을 수행하기 때문에 의존 부호화 정도가 매우 높다고 볼 수 있다.

그럼에도 불구하고 부호화 과정을 수행하기 전에 미리 잔차 신호 또는 원 신호의 변환 계수 값 양자화에 적용할 양자화 값을 미리 고정함으로써, 최적의 양자화 과정을 수행하지 못하여 부호화 효율을 극대화하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 비디오 부호화 시에 의존 부호화 과정에서 부호화 대상 프레임(또는 블록) 데이터에 대해 의존 양자화를 적용함으로써 최적의 양자화 값을 양자화 과정에 사용하여 주어진 목표 화질에 대해 발생 비트양을 최소화함으로써, 부호화 효율을 극대화시킬 수 있는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 양자화 의존성을 검사하기 위한 양자화 격자구조를 구성하고, 양자화 구조 내에서 최소의 율-왜곡 비용을 발생시키는 양자화 경로를 탐색하여 최적의 양자화 파라미터 값을 찾고 이를 프레임 양자화 과정에 적용함으로써, 부호화 효율을 극대화할 수 있는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 적어도 하나의 픽처를 입력하는 제1 단계; 상기 입력된 화면간 의존 관계를 구성하는 제2 단계; 상기 구성된 화면간 의존 관계를 검색하여 최적 경로를 탐색하는 제3 단계; 상기 탐색된 최적 경로 상에 존재하는 최적 의존 양자화 계수 값을 결정하는 제4 단계; 상기 결정된 최적 의존 양자화 계수 값을 양자화 과정에 적용하는 제5 단계; 및 상기 제1 단계에서 제5 단계를 적어도 한 번 수행하는 제6 단계를 포함하여 이루어진 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법을 제공하는 것이다.

여기서, 상기 제2 단계는, 검색 양자화 계수 값에 대해 노드와 가지로 격자 구조를 구성하고, 각 노드는 화면에 대응하며, 상기 가지는 경로를 나타내는 구조로 구성함이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 제3 단계는, 율-왜곡(Rate-Distortion) 비용을 각 노드에서 계산하고, 최소 율-왜곡 비용을 발생하는 경로를 탐색한다.

바람직하게는, 상기 율-왜곡 비용 계산은, 양자화 계수-라그랑지안 승수 관계식을 적용하여 얻어진 라그랑지안 승수를 사용하여 율-왜곡 비용을 계산한다.

바람직하게는, 상기 제3 단계는, 경로 탐색에 소요되는 계산량을 줄이기 위 해 양자화-화질 일방성 성질을 이용하여 양자화 값이 작은 노드를 경유하는 경로를 탐색한다.

본 발명의 제2 측면은, 상술한 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 제공한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

본 발명의 비디오 부호화 방식은 의존 부호화 과정을 거치게 되는데 현재 부호화 하고자 하는 프레임은 이전에 부호화하여 복원한 영상을 참조하게 된다. 이때, 복원된 영상에서 이미 사용한 양자화 값은 현재 부호화하고자 하는 프레임에 영향을 주게 되는데, 이전 부호화 시에 사용한 양자화 값에 대해 현재 프레임 부호화의 최적 양자화 값을 계산하여 적용함으로써, 기존의 고정된 양자화 값을 설정하여 부호화에 이용하는 방법 보다 훨씬 향상된 부호화 효율을 획득할 수 있다.

먼저, 의존 양자화는 시간축 상에서 화면간 움직임 예측으로 인해 현재 양자화 하고자 하는 프레임(또는 블록)은 참조 프레임(또는 블록)의 복원 영상에 대해 의존성을 가진다.

즉, 참조 프레임의 양자화 후 역양자화 과정에서 사용된 양자화 파라미터 값에 의존한다. 뿐만 아니라, 공간적 스케일러빌러티 계층에 대해 현재 계층은 하위 계층의 복원 영상을 참조할 경우, 현재 계층의 프레임 복원 화질은 하위 계층에서 사용한 양자화 값에 의존적이다.

또한, 화질 스케일러빌러티 계층에서도 상위 계층의 화질은 하위 계층의 참조 프레임의 화질에 의존적이며, 결국 해당 하위 계층 참조 프레임의 양자화 값에 영향을 받게 된다. 하기의 표 1은 계층내 또는 계층간 프레임 의존성을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 공간적/시간적/화질적 스케일러빌러티 구조에서의 프레임(픽처)간 예측 의존성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 의존 양자화 율-왜곡 격자구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저, 공간 스케일러빌러티(Scalability)에서 기본 계층 내에 첫 번째 프레임인 I_s0은 독립적으로 부호화되므로, 어떤 프레임의 양자화 값에 영향을 받지 않는다.

따라서, I_s0 (independent)으로 표현되었고, 기본 계층의 P_s0 프레임(픽처)은 I_s0 픽처를 참조하기 때문에, I_s0 픽처 부호화 시에 사용한 양자화 값에 영향을 받게 된다.

여기서, 아래 첨자 s0은 공간 스케일러빌러티의 기본 계층을 나타낸다. 이와 같이 양방향 예측을 수행하는 B4_s0 픽처 예측은 I_s0, P_s0 픽처 양자화 값에 의존적이며, B2_s0 와 B6_s0은 I_s0, P_s0, B4_s0 픽처 양자화 값에 의존적이며, B1_s0 와 B3_s0은 I_s0, P_s0, B4_s0, B2_s0 픽처 양자화 값에, B5_s0 와 B7_s0은 I_s0, P_s0, B4_s0, B6_s0 픽처 양자화 값에 의존적이다.

아래 첨자가 s1인 공간 스케일러빌러티의 향상 계층에 대해서도 기본 계층에서와 마찬가지로 픽처 부호화 시에 예측 프레임의 양자화 값에 의존성을 가지게 된다.

이러한 계층간/계층내 의존 부호화 구조에서는 각 픽처의 부호화 시에 사용된 양자화 값이 복원 픽처 후 이를 참조하는 픽처의 화질에 영향을 주게 된다. 따라서, 각 픽처에 대해 최대의 화질로 부호화하기 위해서 최적의 양자화 파라미터 값을 구하는 것이 매우 중요한 문제가 된다.

따라서, 본 발명은 이러한 스케일러빌러티 구조 내에서 의존 부호화를 최적으로 수행하기 위한 의존 양자화 방법을 두 개의 공간적 스케일러빌러티와 8장의 GOP(Group Of Pictures)를 가지는 MPEG-4 Scalable Video Coding(Scalable Extension to ISO/IEC 14496-10 AVC)에 대해 한 일례로서 제시한다.

즉, 주어진 최대 비트율에서 하나의 GOP내 픽처들의 화질을 최대로 하는 최적의 양자화 파라미터 세트를 하기의 수학식 1과 같이 구한다.

여기서,

는 i번째 픽처의 화질 왜곡을 나타내고,

는 i번째 픽처를 부호화하는데 사용된 양자화 값을 의미하며,

는

값을 사용하여 i번째 픽처를 부호화한 후 발생되는 비트양을 나타내며, R_max는 최대 사용 가능한 비트양을 나타낸다.

상기의 수학식 1은 주어진 제약 조건

에 대해 화질 왜곡의 최소값을 얻을 수 있는 최적화 문제이므로, 하기의 수학식 2, 수학식 3 및 수학식 4와 같이 라그랑지안 최적화 문제로 표현할 수 있다.

여기서,

와

는 주어진 양자화 값에 대한 율-왜곡(Rate-Distortion) 비용함수를 의미하여,

는 라그랑지안 승수를 나타낸다.

상기의 수학식 2 내지 수학식4의 최적화 문제를 풀기 위해서는 주어진

에 대해 수학식 2에 대한 해를 구해야 한다. 수학식 2 최적화 문제의 해를 구하는 것은 양자화 값을 구하는 것이다.

이러한 양자화 값을 구하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 여러 양자화 값에 대해 격자 구조를 구성하고, 격자 구조의 각 노드에서 비용 함수를 계산한다. 따라서, 격자 구조에서 시작 양자화 값 출발 노드에서 모든 경로를 탐색하고, 이 중 각 경로 상에서 율-왜곡 비용의 합이 최소인 경로를 구한다. 이때, 찾아진 경로상의 모든 노드에서의 Qp 값이 하나의 GOP 내에서 총 율-왜곡 비용을 최소화하는 최적의 양자화 파라미터 값의 집합이다.

한편, 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 최적의 양자화 값을 구하기 구성된 격자 구조를 정해진 모든 대상 라그랑지안 승수에 대해 수행해야 함으로 많은 연산량을 요구한다.

따라서, 주어진 양자화 파라미터 값에 대해 대응되는 라그랑지안 승수 값을 미리 계산함으로써, 최적의 라그랑지안 승수 값을 얻기 위한 과도한 연산을 줄일 수 있게 된다. 그리고, 양자화 계수와 라그랑지안 승수와의 관계식은 실험을 통해 얻어진 하기의 수학식 5와 같이 정의하여 적용할 수 있다.

또한, 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 최적의 양자화 값을 구하기 위해 구성된 격자 구조내의 경로를 탐색하는 과정에서 모든 경로를 탐색함으로써, 많은 연산량이 요구되는 단점을 극복하기 위해 양자화-화질 일방성 성질을 이용함으로써 최적 양자화를 구하는데 시간을 단축할 수 있다.

이러한 양자화-화질 일방성 성질이란 예측 픽처에 대한 양자화 값이 주어졌을 경우 현재 부호화 픽처의 양자화 값이 작은 것(fine quantization)은 큰 양자화 값(coarse quantization) 보다 항상 화질이 우수하다는 가정이다.

전술한 본 발명의 핵심 기술요지는, 기존의 의존 부호화 구조에서 부호화 시작 전에 고정된 양자화 값을 사용하여 양자화 함으로써 최대의 화질을 얻을 수 없는 단점이 있었으나, 본 발명은 스케일러블 비디오 부호화 구조에서 최고의 화질을 얻기 위해 계층간/계층내 최적의 의존 양자화 파라미터 값을 결정하는 방법을 제공한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.

예컨대, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 롬(ROM), 램(RAM), 시디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 이동식 저장장치, 비휘발성 메모리(flash memory), 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다.

또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법에 따르면, 스케일러블 비디오 부호화 시에 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 의존 양자화 수행에 있어 최적의 양자화 파라미터 값을 구하고 이를 양자화 과정에 사용함으로써, 복호 영상의 화질을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다양한 양자화 값에 대해 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 최적의 양자화 값을 구하기 위해 격자 구조를 구성하고, 최소의 율-왜곡 비용을 발생하는 최적 경로를 탐색함으로써, 최적의 양자화 파라미터 값을 구할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 최적의 양자화 값을 구하기 위해 구성된 격자 구조를 모든 대상 라그랑지안 승수에 대해 수행함으로써, 많은 연산량이 요구되는 단점을 극복하기 위해 양자화 계수-라그랑지안 승수 관계식을 사용하여 계산량을 크게 줄임으로서 최적 양자화를 구하는데 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 스케일러빌러티 계층간/계층내 각 프레임간 최적의 양자화 값을 구하기 위해 구성된 격자 구조내의 경로를 탐색하는 과정에서 모든 경로를 탐색함으로서 많은 연산량이 요구되는 단점을 극복하기 위해 양자화-화질 일방성 성질을 이용함으로써, 최적 양자화를 구하는데 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 적어도 하나의 픽처를 입력하는 제1 단계;

   상기 입력된 화면간 의존 관계를 구성하는 제2 단계;

   상기 구성된 화면간 의존 관계를 검색하여 최적 경로를 탐색하는 제3 단계;

   상기 탐색된 최적 경로 상에 존재하는 최적 의존 양자화 계수 값을 결정하는 제4 단계;

   상기 결정된 최적 의존 양자화 계수 값을 양자화 과정에 적용하는 제5 단계; 및

   상기 제1 단계에서 제5 단계를 적어도 한 번 수행하는 제6 단계를 포함하여 이루어진 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 단계는,

   검색 양자화 계수 값에 대해 노드와 가지로 격자 구조를 구성하고, 각 노드는 화면에 대응하며, 상기 가지는 경로를 나타내는 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 단계는,

   율-왜곡(Rate-Distortion) 비용을 각 노드에서 계산하고, 최소 율-왜곡 비용을 발생하는 경로를 탐색하는 것을 특징으로 하는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 율-왜곡 비용 계산은,

   양자화 계수-라그랑지안 승수 관계식을 적용하여 얻어진 라그랑지안 승수를 사용하여 율-왜곡 비용을 계산하는 것을 특징으로 하는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 단계는,

   경로 탐색에 소요되는 계산량을 줄이기 위해 양자화-화질 일방성 성질을 이용하여 양자화 값이 작은 노드를 경유하는 경로를 탐색하는 것을 특징으로 하는 효율적 비디오 부호화를 위한 의존 양자화 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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