KR100793781B1 - Apparatus and method for encoding of real-time moving image - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방송 수신 장치에 저장 매체를 장착하여 수신되는 방송 신호를 상기 저장 매체에 녹화/재생할 수 있는 PVR 장치에서 아날로그 방송의 녹화를 위해 아날로그 방송 신호를 실시간으로 부호화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 비디오의 각 GOP 구간에 대하여 실시간으로 non-zero DCT 계수의 개수를 분석하여 해당 구간에 적합한 비트량을 할당함으로써, 화질 및 비트 효율의 양쪽 측면에서 최적의 MPEG-2 비디오 비트 스트림을 제공한다. 또한 실제 발생할 비트량과 non-zero DCT 계수의 관계를 모델링하는 R-N 모델식을 제안하고 이 모델식과 Q-N 히스토그램을 이용하여 보다 정확한 비트율 제어를 수행함으로써, 화질과 비트 효율 측면에서 우수한 성능을 보인다.The present invention relates to an apparatus and method for encoding an analog broadcast signal in real time for recording an analog broadcast in a PVR device capable of recording / reproducing a broadcast signal received by mounting a storage medium in a broadcast reception device on the storage medium. . In particular, the present invention analyzes the number of non-zero DCT coefficients in real time for each GOP section of the video and allocates an appropriate bit amount to the corresponding section, thereby providing an optimal MPEG-2 video bit stream in terms of both image quality and bit efficiency. to provide. In addition, we propose an R-N model that models the relationship between the actual amount of bits and non-zero DCT coefficients and perform more accurate bit rate control using this model and Q-N histogram, resulting in excellent image quality and bit efficiency.

실시간 동영상 부호화, R-N 모델식, non zero DCT 계수Real-time video coding, R-N model, non zero DCT coefficients

Description

실시간 동영상 부호화 장치 및 방법{Apparatus and method for encoding of real-time moving image}Apparatus and method for encoding of real-time moving image}

도 1은 일반적인 PVR 장치를 이용한 아날로그 및 디지털 방송 녹화의 일 실시예를 보인 구성 블록도1 is a block diagram showing an embodiment of analog and digital broadcast recording using a conventional PVR device

도 2는 일반적인 MPEG-2 부호화 장치의 일 실시예를 보인 구성 블록도2 is a block diagram showing an embodiment of a general MPEG-2 encoding apparatus

도 3은 본 발명에 따른 단일 패스 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치 중 비트율 제어부의 일 실시예를 보인 상세 블록도3 is a detailed block diagram illustrating an embodiment of a bit rate control unit of a single pass variable bit rate MPEG-2 encoding apparatus according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 MPEG-2 부호화 장치에서 기준 양자화 파라미터에 의해 발생하는 non-zero DCT 계수의 개수에 의한 구간별 비트율을 결정하는 함수의 일 실시예를 보인 도면4 is a diagram illustrating an embodiment of a function of determining a bit rate for each section based on the number of non-zero DCT coefficients generated by a reference quantization parameter in the MPEG-2 encoding apparatus according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 MPEG-2 부호화 장치에서 양자화 파라미터 결정 과정의 일 실시예를 보인 흐름도5 is a flowchart illustrating an embodiment of a quantization parameter determination process in an MPEG-2 encoding apparatus according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

201 : 감산기 202,213 : 스위칭부201: subtractor 202,213: switching unit

203 : DCT부 204 : 양자화부203: DCT unit 204: quantization unit

205 : VLC부 206 : 버퍼205: VLC section 206: buffer

207 : 역양자화부 208 : IDCT부207: Inverse quantization unit 208: IDCT unit

209 : 가산기 210 : 프레임 메모리209: Adder 210: Frame Memory

211 : 움직임 보상부 212 : 움직임 추정부211: motion compensation unit 212: motion estimation unit

300 : 비트율 제어부 311 : 선양자화기300: bit rate control unit 311: quantizer

312 : 카운터 313 : 비트율 결정부312: counter 313: bit rate determining unit

본 발명은 디지털 방송 수신 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 방송 수신 장치에 저장 매체를 장착하여 수신되는 방송 신호를 상기 저장 매체에 녹화/재생할 수 있는 개인용 비디오 녹화 장치에서 아날로그 방송의 녹화를 위해 아날로그 방송 신호를 실시간으로 부호화하는 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a digital broadcast receiver, and more particularly, to recording analog broadcasts in a personal video recording apparatus capable of recording / reproducing a broadcast signal received by mounting a storage medium in the broadcast receiving device. An apparatus and method for encoding an analog broadcast signal in real time.

개인용 비디오 녹화 장치(Personal Video Recorder ; 이하 PVR 장치라 함)는 디지털 TV 또는 셋톱 박스 등에 하드디스크(HDD)를 장착함으로써, 디지털 방송을 HDD에 저장할 수 있는 기능을 제공한다. 이는 기존의 VCR(Video Cassette Recorder)이 녹화를 위해 비디오 테이프를 수시로 교체해 주어야 하는 불편을 해소함과 동시에 대용량의 방송 녹화가 가능케 한다. 아울러 상기 PVR 장치는 주 기능인 녹화 기능은 물론 타임 시프트(time-shift), 생방송 시청 중 순간 재생(instant replay), 기타 각종 트릭 플레이 기능을 제공하면서 사용자로 하여금 TV를 보다 다양하게 즐길 수 있는 향상된 기능을 제공한다.A personal video recorder (hereinafter referred to as a PVR device) provides a function of storing a digital broadcast on an HDD by attaching a hard disk (HDD) to a digital TV or a set-top box. This eliminates the inconvenience that the existing VCR (Video Cassette Recorder) has to replace the video tape at any time for recording, and at the same time enables a large amount of broadcast recording. In addition, the PVR device provides not only a recording function, which is a main function, but also a time-shift, instant replay, and other trick play functions. To provide.

이러한 PVR 장치에서 NTSC 또는 PAL 규격에 의한 아날로그 방송 신호를 MPEG(Moving Picture Experts Group)-2 비디오 스트림으로 변환하여 HDD에 녹화하기 위해서는 실시간 MPEG-2 비디오 부호화 장치가 필요하다. In such a PVR device, a real time MPEG-2 video encoding device is required to convert an NTSC or PAL analog broadcast signal into a moving picture expert group (MPEG) -2 video stream and record it on an HDD.

도 1은 PVR 장치에서 아날로그 및 디지털 방송을 HDD에 저장하는 경로를 나타낸다. NTSC나 PAL과 같은 아날로그 방송 신호는 아날로그 튜너(101)에서 튜닝된 후 A/D 컨버터(Analog/Digital Converter)(102)로 출력되어 디지털화된다.1 illustrates a path for storing analog and digital broadcasts in an HDD in a PVR device. An analog broadcast signal such as NTSC or PAL is tuned in the analog tuner 101 and then output to the A / D converter 102 to be digitized.

도 1에서는 NTSC 전송 방식의 아날로그 방송 신호를 실시예로 설명하고 있다. In FIG. 1, an analog broadcast signal of the NTSC transmission method is described as an embodiment.

그러므로 상기 A/D 컨버터(102)에서 디지털화된 아날로그 방송 신호는 NTSC 디코더(103)로 출력된다. 상기 NTSC 디코더(103)에서는 아날로그 방송 신호를 MPEG-2로 부호화하기 위한 4:2:0 포맷으로 변환하여 MPEG-2 엔코더(104)로 출력한다. 상기 MPEG-2 엔코더(104)는 포맷 변환된 방송 신호를 도 2와 같은 MPEG-2 압축 알고리즘에 의해 압축 부호화하여 PVR 모듈(108)로 출력한다. Therefore, the analog broadcast signal digitized by the A / D converter 102 is output to the NTSC decoder 103. The NTSC decoder 103 converts an analog broadcast signal into a 4: 2: 0 format for encoding into MPEG-2 and outputs it to the MPEG-2 encoder 104. The MPEG-2 encoder 104 compresses and encodes the format-converted broadcast signal by the MPEG-2 compression algorithm as shown in FIG. 2 and outputs the encoded signal to the PVR module 108.

한편 디지털 방송 신호는 디지털 튜너(105)에서 튜닝된 후 복조기(106)로 출력된다. 상기 복조기(106)는 튜닝된 방송 신호에 대해 변조 방식의 역으로 복조한다. 예를 들어, 수신된 디지털 방송이 지상파 방송이면 VSB(Vestigial Side Band) 복조를 수행하고, 위성 방송이면 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 복조를 수행하여 트랜스포트 스트림(Transport Stream ; TS) 형태로 TS 디코더(107)로 출력한다. 상기 TS 디코더(107)는 입력되는 트랜스포트 스트림에 복수개 이상의 프로그램이 다중화되어 있는 경우 저장을 원하는 프로그램만을 역다중화하여 PVR 모듈(108)로 출력한다. Meanwhile, the digital broadcast signal is tuned by the digital tuner 105 and then output to the demodulator 106. The demodulator 106 demodulates the inverse of the modulation scheme for the tuned broadcast signal. For example, if the received digital broadcast is a terrestrial broadcast, a VSB (Vestigial Side Band) demodulation is performed, and if the satellite broadcast is a Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) demodulation, a TS decoder in the form of a transport stream (TS) is performed. Output to (107). The TS decoder 107 demultiplexes only a desired program and outputs it to the PVR module 108 when a plurality of programs are multiplexed in an input transport stream.

상기 PVR 모듈(108)은 MPEG-2 엔코더(104)에서 압축 부호화된 아날로그 방송 스트림 또는, TS 디코더(107)에서 역다중화된 디지털 방송 스트림에 오디오 스트림 및 캡션 정보 등을 포함한 데이터 스트림을 함께 다중화(multiplexing)한 후 HDD(110)에 저장한다. 여기서 상기 오디오 스트림 및 데이터 스트림 또한 상응하는 부호화 장치를 이용하여 부호화를 수행하도록 한다.The PVR module 108 multiplexes the data stream including the audio stream and caption information to the analog broadcast stream compressed and encoded by the MPEG-2 encoder 104 or the digital broadcast stream demultiplexed by the TS decoder 107 together. After multiplexing) to store in the HDD (110). In this case, the audio stream and the data stream may also be encoded using a corresponding encoding device.

도 2는 일반적인 MPEG-2 엔코더의 구성 블록도로서, 매크로 블록 단위로 부호화가 이루어진다. 즉 매크로 블록 단위로 입력되는 영상이 인트라(intra) 타입 즉, I 픽쳐이면 감산기(201)를 거치지 않고 그대로 스위칭부(202)를 통해 DCT부(203)로 출력된다. 반대로 입력 영상이 인터(inter) 타입 즉, P나 B 픽쳐이면 감산기(201)에서 구해진 차분 영상 즉, 입력 영상과 움직임 보상(motion compensation ; MC)부(212)에서 움직임 보상된 영상과의 차분 영상이 스위칭부(202)를 통해 DCT부(203)로 출력한다. FIG. 2 is a block diagram illustrating a typical MPEG-2 encoder, in which encoding is performed on a macroblock basis. That is, if the image input in macroblock units is an intra type, that is, an I picture, it is output to the DCT unit 203 through the switching unit 202 without passing through the subtractor 201. On the contrary, if the input image is an inter type, that is, a P or B picture, the difference image obtained by the subtractor 201, that is, the difference image between the input image and the motion compensated image by the motion compensation MC 212. It outputs to the DCT unit 203 through this switching unit 202.

즉 상기 DCT부(203)로 입력되는 신호는 I 픽쳐의 경우에는 DC값을 기준으로 한 차영상(residual) 신호를 의미하고, P나 B 픽쳐의 경우에는 움직임 추정시 발생하는 차 영상(residual) 신호를 의미한다. That is, the signal input to the DCT unit 203 means a residual image signal based on a DC value in the case of an I picture, and a residual image generated during motion estimation in the case of a P or B picture. Means signal.

상기 스위칭부(202)의 출력 단자(c)는 입력 영상의 타입이 인트라인지, 인터인지에 따라 입력 영상 단자(a)로 절환되거나 감산기(201)의 출력 단자(b)로 절환된다. The output terminal c of the switching unit 202 is switched to the input image terminal a or the output terminal b of the subtractor 201 according to whether the type of the input image is intra or inter.

상기 DCT부(203)는 입력되는 데이터를 블록 단위로 DCT한 후 양자화부(204)로 출력하고, 양자화부(204)는 DCT 계수를 양자화 파라미터에 의해 결정되는 양자 화 스텝 크기에 따라 양자화한다. 이때 전체적인 비트율과 화질에 영향을 끼치는 양자화 파라미터는 비트율 제어부(220)에서 결정된다. The DCT unit 203 DCTs the input data in block units and outputs the result to the quantization unit 204. The quantization unit 204 quantizes the DCT coefficient according to the quantization step size determined by the quantization parameter. In this case, the quantization parameter affecting the overall bit rate and the image quality is determined by the bit rate controller 220.

즉 상기 DCT부(203)는 2차원 축변환을 통해서 데이터의 상관성을 제거하는데, 이를 위해 픽쳐를 매크로 블록 단위로 분할하고, 각 16*16 크기의 매크로 블록을 다시 8*8 크기의 블록 단위로 나눈 후 나누어진 각각의 블록을 DCT식에 따라 축변환시킨다. 이렇게 축변환된 데이터들은 양자화부(204)에서 소정의 양자화 스텝 크기로 양자화되면서 미리 정해진 스캔 방식에 따라 1차원으로 재배치된 후 가변 길이 코딩(Variable Length Coding ; VLC)부(205)로 출력된다. 상기 VLC부(205)는 재배치된 양자화된 DCT 계수에 대해 자주 나오는 값은 적은 수의 비트로, 드물게 나오는 값은 많은 수의 비트로 표시하여 전체 비트 수를 줄이는 엔트로피 부호화(Entropy Coding)를 수행한다. 이때 상기 DCT 계수 뿐만 아니라 픽처 헤더 정보 및 움직임 정보도 함께 부호화된다. That is, the DCT unit 203 removes the correlation of data through 2D axis transformation. To this end, the picture is divided into macroblock units, and each 16 * 16 macroblock is divided into 8 * 8 block units. After dividing, each divided block is transformed according to DCT equation. The axis-converted data are quantized to a predetermined quantization step size by the quantization unit 204 and rearranged in one dimension according to a predetermined scan method, and then output to the variable length coding (VLC) unit 205. The VLC unit 205 performs entropy coding to reduce the total number of bits by displaying a number of bits that appear frequently and a number of bits that rarely appear for the rearranged quantized DCT coefficients. In this case, not only the DCT coefficient but also picture header information and motion information are encoded.

이때, 상기 VLC부(205)에서 VLC된 데이터는 버퍼(206)로 출력되고, 상기 버퍼(206)는 VLC된 데이터를 일시적으로 저장한 후 PVR 모듈(108)를 거쳐 일정한 속도로 HDD(110)로 출력하고, 버퍼의 충만도(buffer fullness)를 계산하여 비트율 제어부(220)로 출력한다.At this time, the VLC data from the VLC unit 205 is output to the buffer 206, and the buffer 206 temporarily stores the VLC data and then passes through the PVR module 108 to the HDD 110 at a constant speed. The buffer fullness of the buffer is calculated and output to the bit rate controller 220.

그리고 상기 양자화부(204)에서 양자화된 DCT 계수는 다시 역양자화(IQ)부(207)로 입력되어 역양자화된 후 IDCT부(208)로 출력된다. 상기 IDCT부(208)는 역 양자화된 DCT 계수를 IDCT하여 가산기(209)로 출력한다. 상기 가산기(209)는 IDCT된 데이터가 인트라 타입이면 그대로, 인터 타입이면 움직임 보상부(212)에서 움직 임 보상된 값을 더하여 최종 픽셀값인 완전한 영상으로 복원한 후 움직임 보상을 위해 프레임 메모리(210)에 저장한다.The DCT coefficients quantized by the quantization unit 204 are again input to the inverse quantization unit (IQ) unit 207, dequantized, and then output to the IDCT unit 208. The IDCT unit 208 IDCTs the inverse quantized DCT coefficients and outputs them to the adder 209. When the IDCT data is an intra type, the adder 209 is added to the motion compensation unit 212 when the IDCT data is an intra type. ).

상기 움직임 보상부(212)는 움직임 추정(Motion Estimation ; ME)부(211)의 추정 결과에 따라 프레임 메모리(210)로부터 읽어온 이전 프레임을 이용하여 움직임 보상을 수행한 후 감산기(201)와 스위칭부(213)로 출력한다. 상기 스위칭부(213)는 IDCT된 데이터가 인트라 타입이면 오프되고, 움직임 보상부(212)에서 움직임 보상된 데이터는 가산기(209)로 출력되지 않는다. 만일 IDCT된 데이터가 인터 타입이면 상기 스위칭부(213)는 온되고, 움직임 보상부(212)에서 움직임 보상된 데이터는 스위칭부(213)를 통해 가산기(209)로 출력된다.The motion compensator 212 performs motion compensation using a previous frame read from the frame memory 210 according to the estimation result of the motion estimator ME 211 and then switches with the subtractor 201. Output to the unit 213. If the IDCT data is intra type, the switching unit 213 is turned off, and the motion compensated data from the motion compensator 212 is not output to the adder 209. If the IDCT data is an inter type, the switching unit 213 is turned on, and the motion compensated data in the motion compensator 212 is output to the adder 209 through the switching unit 213.

상기 움직임 추정부(211)는 입력 영상과 프레임 메모리(210)에 저장된 참조 영상을 이용하여 움직임 벡터를 추정한 후 움직임 보상부(212)로 출력한다.The motion estimator 211 estimates a motion vector using the input image and the reference image stored in the frame memory 210 and outputs the motion vector to the motion compensator 212.

한편 실시간 MPEG-2 비디오 부호화 과정에서 가장 중요한 것은 비트량과 화질이다. 이 두 가지 특성은 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계이며, 이 두 특성을 적절히 조화시켜 최적의 결과를 얻기 위한 과정이 바로 비트율 제어(rate control)이다. On the other hand, the most important thing in the real-time MPEG-2 video encoding process is the bit rate and image quality. These two characteristics are trade-off relations with each other, and the rate control is a process for achieving the best result by combining the two characteristics properly.

상기 비트율 제어는 주어진 비트율을 기준으로 버퍼 모델을 설정하여 비디오 데이터의 GOP(Group Of Picture) 및 각 프레임 단위로 부호화 과정에 필요한 비트량을 할당하는 과정이다.The bit rate control is a process of setting a buffer model based on a given bit rate and assigning a GOP (Group Of Picture) of video data and a bit amount required for the encoding process in each frame unit.

즉 상기 비트율 제어부(220)는 버퍼(206)의 충만도에 따라 양자화 파라미터(Qp)를 계산하여 양자화부(204)로 출력한다.That is, the bit rate controller 220 calculates the quantization parameter Qp according to the fullness of the buffer 206 and outputs the quantization parameter Qp to the quantization unit 204.

상기 양자화부(204)는 입력되는 양자화 파라미터(Qp)로부터 양자화 스텝 크기를 구하여 DCT 계수를 양자화한다. 즉 비트율 제어부(220)는 버퍼의 충만도에 따라 양자화부(204)의 스텝 크기를 가변시켜 데이터의 발생량을 조절하게 된다. The quantization unit 204 quantizes the DCT coefficient by obtaining the quantization step size from the input quantization parameter Qp. That is, the bit rate controller 220 adjusts the generation amount of data by varying the step size of the quantization unit 204 according to the fullness of the buffer.

예를 들어, 발생한 비트 수가 기준치 이상이면 버퍼(206)에 채워지는 데이터량이 증가하므로 양자화 스텝 크기를 증가시켜 다음에 발생할 비트수를 감소시키고, 기준치 이하로 데이터가 발생하면 그 반대로 양자화 스텝 크기를 감소시켜 발생 비트수를 증가시켜 전체적으로 버퍼(206)의 상태가 일정치를 유지할 수 있도록 조절한다. For example, if the number of bits generated is greater than or equal to the reference value, the amount of data filled in the buffer 206 is increased. Therefore, the quantization step size is increased to reduce the number of bits to be generated later. The number of bits generated is increased to adjust the state of the buffer 206 to maintain a constant value.

이때, ISO(International Organization for Standardization)의 산하 기구인 IS/IEC JTC1/SC29/WG11에서 국제 표준화 진행중인 MPEG-2의 자료(문서번호 AVC-491인 TEST MODEL 5)를 참조하면 비트율 제어부(220)는 다음의 3단계의 동작을 수행한다.In this case, referring to the international standardization MPEG-2 data (document number AVC-491, TEST MODEL 5), IS / IEC JTC1 / SC29 / WG11, an organization under ISO (International Organization for Standardization), the bit rate controller 220 Perform the following three steps.

먼저, 제 1 단계는 복잡도를 예측하고 목표 비트를 할당하는 단계이다. 즉, 전송 비트율에 따라 GOP(Group Of Picture) 단위로 일정한 비트율을 할당하고 GOP 내부에서 각 픽쳐에 할당할 비트들을 각 픽쳐(I,P,B 프레임)의 복잡도에 따라 할당한다.First, the first step is to predict complexity and to allocate target bits. That is, a constant bit rate is allocated in units of GOP (Group Of Picture) according to the transmission bit rate, and bits to be allocated to each picture in the GOP are allocated according to the complexity of each picture (I, P, B frame).

제 2 단계는 전송율(즉, 비트율)을 조절하는 단계로서, 가상적인 버퍼(virtual buffer)(206)의 충만도에 따라 각 매크로 블록에 대한 기준 양자화 파라미터를 계산한다. 그리고, 각 픽쳐를 상기 제 1 단계에서 할당받은 비트에 맞게 현재 픽쳐를 부호화할 수 있도록 비트율을 제어한다.The second step is to adjust the transmission rate (i.e., bit rate), and calculate a reference quantization parameter for each macro block according to the fullness of the virtual buffer 206. The bit rate is controlled so that each picture can be encoded according to the bit allocated in the first step.

여기에서는, 각 픽쳐마다 임의의 가상적인 버퍼를 가지고 있다고 가정하고, 상기 버퍼의 상태에 따라 양자화 파라미터를 조절하는 방법을 사용한다.Here, it is assumed that each picture has an arbitrary virtual buffer, and a method of adjusting the quantization parameter according to the state of the buffer is used.

제 3 단계는 적응 양자화 단계로서, 현재 부호화할 매크로 블록의 활성도(activity)를 구하여 정규화한 후 이 정규화된 활성도와 상기 제 2 단계에서 구한 기준 양자화 파라미터를 곱하여 실제로 양자화에 사용할 양자화 파라미터를 구한다. 즉, 적응 양자화는 주관적 화질을 높일 수 있는 방법으로 상기 기준 양자화 파라미터를 현재의 매크로 블록의 복잡도에 따라 변화시키는 방법이다.The third step is an adaptive quantization step. After obtaining and normalizing the activity of the macroblock to be encoded currently, the normalized activity is multiplied by the reference quantization parameter obtained in the second step to obtain a quantization parameter to be actually used for quantization. In other words, adaptive quantization is a method of increasing the subjective picture quality and changing the reference quantization parameter according to the complexity of the current macroblock.

그러나 이러한 종래의 비트율 제어 방법은 화질 또한 비디오의 복잡도에 대한 체계적인 분석없이 주어진 비트량의 효과적인 할당에 주력하여 상대적으로 화질의 최적화가 만족스럽게 이루어지지 않는 단점이 존재하였다. 특히 MPEG-2 비디오 부호화 과정에서 움직임이 많거나 시각적으로 복잡한 구조를 가진 영상으로 이루어진 구간에 대해서는 화질의 저하가 심화되는 경향이 있다. 그리고 이러한 화질 불균형에 의하여 주관적으로 느껴지는 화질 저하의 정도는 수치상의 차이에 비하여 그 정도가 더욱 두드러지게 나타난다. However, the conventional bit rate control method has a disadvantage in that image quality is not optimized satisfactorily by focusing on an effective allocation of a given bit amount without systematic analysis of video complexity. In particular, in the MPEG-2 video encoding process, the deterioration of image quality tends to be intensified for a section composed of an image having a lot of motion or a visually complicated structure. In addition, the degree of deterioration of image quality felt by the image quality imbalance is more pronounced than the difference in numerical value.

따라서, MPEG-2 비디오 부호화에서 균일한 화질의 실현은 매우 중요한 문제이다. 특히 복잡한 영역, 즉 부호화가 까다로운 부분에서의 만족스러운 화질의 확보는 매우 중요하다. 이러한 균일한 화질의 실현을 위하여 종래의 수 많은 가변 비트율 방식이 제안되었으나 이러한 방식들은 영상의 복잡도에 대한 정량적이고 체계적인 측정 방법이 미흡하다는 문제점이 존재한다.Therefore, the realization of uniform picture quality in MPEG-2 video encoding is a very important problem. In particular, it is very important to ensure satisfactory image quality in a complicated area, that is, a difficult part of encoding. Many variable bit rate schemes have been proposed for realizing such a uniform picture quality, but these methods have a problem in that quantitative and systematic measurement methods for image complexity are insufficient.

또한 종래의 가변 비트율 제어 방법의 가장 큰 문제점은 발생하는 비트량에 대한 실시간 예측 방법이 거의 전무하다는 것이다. In addition, the biggest problem of the conventional variable bit rate control method is that there is almost no real-time prediction method for the amount of bits occurring.

따라서, 종래의 방법에서는 이중 패스(two-pass) 방법에 의한 비트량 제어를 수행한다. 즉, 한번 부호화를 수행한 다음 그 결과를 이용하여 다시 부호화를 수행하여 비트량을 제어하는 방법을 사용한다. 그러나 이러한 방법은 실시간 부호화를 필요로 하는 응용 분야에 적용할 수 없다는 문제점이 존재한다.Therefore, in the conventional method, bit amount control by the two-pass method is performed. That is, a method of controlling the amount of bits by performing encoding once and then performing encoding again using the result is used. However, there is a problem that such a method cannot be applied to an application field requiring real time encoding.

그리고 종래의 방법에서는 매크로 블록 단위로 각각의 복잡도에 근거하여 양자화 파라미터 값을 변화시킨다. 그러나 인접한 매크로 블록의 양자화 파라미터 값의 잦은 변화는 비트 효율 측면에서 성능이 저하되는 단점이 존재한다. In the conventional method, the quantization parameter value is changed based on each complexity in units of macro blocks. However, frequent changes of quantization parameter values of adjacent macroblocks have a disadvantage in that performance is degraded in terms of bit efficiency.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 PVR 장치에서 요구되는 실시간 방송 녹화에 적용 가능하도록 실시간으로 각 비디오 구간의 복잡도를 정량적으로 측정하여 해당 구간에 적합한 비트량을 실시간으로 할당하는 단일 패스 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치(one-pass variable bit-rate MPEG-2 encoder) 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to quantitatively measure the complexity of each video section in real time to be applied to the real-time broadcast recording required by the PVR device in real time to determine the appropriate bit amount for the corresponding section A one-pass variable bit-rate MPEG-2 encoder and a method for allocating the same are provided.

본 발명의 다른 목적은 단일 패스 부호화 과정에 의한 정확한 비트율 제어를 위하여 비디오 데이터의 선양자화 과정에서 획득한 데이터를 이용하여 실제 발생할 비트량을 예측할 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for predicting the actual amount of bits to be generated by using data obtained in the process of quantization of video data for accurate bit rate control by a single pass coding process.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치는, 기 설정된 기준 양자화 파라미터 값을 이용하여 현재 매크로 블록의 DCT 계수에 대해 선형 양자화하는 선 양자화(pre-quantization)기; 상기 현재 매크로 블록의 선 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌(non-zero) DCT 계수의 개수를 카운트하여 출력하는 카운터; 및 상기 카운터에서 카운트된 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대한 목표 비트량을 결정하고, 상기 매크로 블록의 목표 비트량을 비트량과 DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정한 후 이 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 상기 매크로 블록의 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 결정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the variable bit rate MPEG-2 coding apparatus according to the present invention comprises: a pre-quantization device for linearly quantizing a DCT coefficient of a current macro block using a predetermined reference quantization parameter value; A counter for counting and outputting a number of non-zero DCT coefficients among the pre-quantized DCT coefficients of the current macro block; And determining a target bit amount for a macroblock to be currently encoded based on the number of non-zero DCT coefficients counted by the counter, and modeling a relationship between the bit amount and the number of DCT coefficients as the target bit amount of the macroblock. A bit rate determination unit configured to determine the number of non-zero DCT coefficients for the target bit amount of the macro block by applying to an RN model, and to determine the quantization parameter of the macro block based on the number of non-zero DCT coefficients. Characterized in that the configuration.

상기 비트율 결정부는 선 양자화된 non-zero DCT 계수의 개수를 기준으로 현재 GOP에 대한 목표 비트량을 할당하고, 결정된 목표 비트량으로부터 각 픽쳐 타입(I,P,B)별 목표 비트량을 할당하며, 하나의 픽쳐 내 목표 비트량으로부터 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 목표 비트량을 할당한 후, 이를 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정하는 것을 특징으로 한다.The bit rate determining unit allocates a target bit amount for the current GOP based on the number of pre-quantized non-zero DCT coefficients, and allocates a target bit amount for each picture type (I, P, B) from the determined target bit amount. After assigning the target bit amount of the macro block to be currently encoded from the target bit amount in one picture, applying the same to the RN model equation to determine the number of non-zero DCT coefficients for the target bit amount of the macro block. It is characterized by.

상기 비트율 결정부는 현재 GOP에 대한 목표 비트량은 이전에 이미 부호화된 일정량의 비디오 구간에 대하여 기준 양자화 파라미터로 계산된 non-zero DCT 계수의 개수의 평균을 이용하여 할당하는 것을 특징으로 한다.The bit rate determining unit allocates a target bit amount for the current GOP by using an average of the number of non-zero DCT coefficients calculated as reference quantization parameters for a predetermined amount of video interval previously encoded.

상기 비트율 결정부는 상기 목표 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식(R = α* NNZC + β)을 정의하며, 이전에 미리 부호화된 데 이터에 대한 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 통계를 이용하여 모델 계수 α,β를 구하고, 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R을 대입하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R에 대한 non-zero DCT 계수의 개수 NNZC를 결정하는 것을 특징으로 한다.The bit rate determining unit defines an RN model equation (R = α * N NZC + β) that models a relationship between the target bit quantity and the number of non-zero DCT coefficients, and includes a bit quantity for previously encoded data. Model coefficients α and β are obtained using statistics of the number of non-zero DCT coefficients, and the number of non-zero DCT coefficients for the target bit amount R of the macroblock is substituted by substituting the target bit amount R of the macroblock N NZC Characterized in determining.

상기 비트율 제어부는 목표 비트량과 실제 부호화하면서 발생하는 비트량의 이격도가 일정 값이상 차이가 나는 경우에 실제 부호화 과정에서 얻어진 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수를 이용하여 상기 R-N 모델식을 갱신하는 것을 특징으로 한다.The bit rate control unit updates the RN model equation by using the number of bits obtained in the actual encoding process and the number of non-zero DCT coefficients when the distance between the target bit amount and the bit amount generated during actual encoding differs by a predetermined value or more. Characterized in that.

본 발명에 따른 실시간 동영상 부호화 방법은, The real-time video encoding method according to the present invention,

(a) 기 설정된 기준 양자화 파라미터 값을 이용하여 현재 매크로 블록의 DCT 계수에 대해 선 양자화(pre-quantization)하는 단계;(a) pre-quantizing a DCT coefficient of the current macro block using a preset reference quantization parameter value;

(b) 상기 현재 매크로 블록의 선 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌(non-zero) DCT 계수의 개수를 카운트하여 출력하는 단계;(b) counting and outputting the number of non-zero DCT coefficients among the pre-quantized DCT coefficients of the current macroblock;

(c) 상기 (b) 단계에서 카운트된 0이 아닌 DCT 계수의 개수를 기반으로 현재 GOP에 대한 목표 비트량을 할당하고, 결정된 목표 비트량으로부터 각 픽쳐 타입(I,P,B)별 목표 비트량을 할당하며, 하나의 픽쳐 내 목표 비트량으로부터 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 목표 비트량을 할당하는 단계;(c) Allocating a target bit amount for the current GOP based on the number of non-zero DCT coefficients counted in step (b), and targeting bits for each picture type (I, P, B) from the determined target bit amount. Allocating a quantity, and allocating a target bit quantity of a macroblock to be currently encoded from a target bit quantity in one picture;

(d) 상기 (c) 단계에서 할당된 매크로 블록의 목표 비트량을 비트량과 DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정하는 단계; 및(d) a non-zero DCT coefficient for the target bit amount of the macro block by applying the target bit amount of the macro block allocated in step (c) to an RN model equation modeling the relationship between the bit amount and the number of DCT coefficients. Determining the number of; And

(e) 상기 (d) 단계에서 결정된 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 상기 매크로 블록의 양자화 파라미터를 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. (e) determining the quantization parameter of the macroblock based on the number of non-zero DCT coefficients determined in step (d).

상기 (e) 단계는 미리 후보로 지정된 다수개의 양자화 파라미터를 각각 적용하여 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대하여 선양자화를 수행한 후 후보 양자화 파라미터별로 non-zero DCT 계수의 개수에 대한 Q-N 히스토그램 데이터를 추출하는 단계와, 후보 양자화 파라미터 중 상기 (d) 단계에서 결정된 non-zero DCT 계수의 개수와 가장 가까운 값을 발생시키는 양자화 파라미터를 현재 부호화 하고자 하는 매크로 블록에 대한 양자화 파라미터로 결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the step (e), a plurality of quantization parameters designated as candidates are respectively applied to perform quantization on a macroblock to be currently encoded, and then QN histogram data of the number of non-zero DCT coefficients for each candidate quantization parameter is extracted. And a quantization parameter for generating a value closest to the number of non-zero DCT coefficients determined in step (d) among the candidate quantization parameters as a quantization parameter for a macroblock to be currently encoded. It is done.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention that can specifically realize the above object will be described. At this time, the configuration and operation of the present invention shown in the drawings and described by it will be described as at least one embodiment, by which the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation is not limited.

그리고 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The same components as in the related art are denoted by the same names and the same reference numerals for convenience of description, and detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 아날로그 방송 신호(예를 들면, NTSC 전송 방식)를 주어진 비트율에서 최적의 화질을 갖는 MPEG-2 비디오 스트림으로 실시간 부호화하기 위한 것이다. 이를 위해 각 장면의 복잡도를 계산한 다음 복잡도와 비트 발생량의 상관 관계를 분석하여 각 구간에 따라 적응적인 방법으로 비트 할당을 수행함으로써, 사용자에게 고화질의 비디오 출력을 제공함과 동시에 비디오 데이터의 비트율을 효율적으로 제어함으로써 저장 공간을 효과적으로 운용할 수 있게 한다. The present invention is to real-time encode an analog broadcast signal (e.g., NTSC transmission scheme) into an MPEG-2 video stream with optimal picture quality at a given bit rate. To do this, the complexity of each scene is calculated, and then the correlation between the complexity and the bit generation is analyzed and bit allocation is performed in an adaptive manner according to each section, thereby providing a high quality video output to the user and at the same time effectively reducing the bit rate of the video data. Can be used to effectively manage storage space.

이와 같이 본 발명은 PVR 장치에서 요구되는 실시간 방송 녹화에 적용 가능하도록 MPEG-2 부호화 장치를 단일 패스(one-pass) 알고리즘으로 구현함으로써, 균일한 화질을 유지할 수 있고, 동시에 부호화 하고자 하는 비디오 데이터에 대한 복잡도를 효과적으로 분석하여 비트량을 할당할 수 있다. As described above, the present invention implements the MPEG-2 encoder by using a one-pass algorithm so that it can be applied to real-time broadcast recording required by the PVR device, thereby maintaining uniform picture quality and simultaneously encoding video data. The amount of bits can be allocated by effectively analyzing the complexity of the

도 3은 본 발명에 따른 단일 패스 가변 비트율 MPEG-2 비디오 부호화 장치의 구성 블록도로서, 도 2의 일반적인 MPEG-2 엔코더에서 비트율 제어부(300)가 달라진다. 3 is a block diagram illustrating a structure of a single pass variable bit rate MPEG-2 video encoding apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the bit rate control unit 300 is different in the general MPEG-2 encoder of FIG. 2.

상기 비트율 제어부(300)는 현재 구간 또는, GOP(Group Of Picture)에 대한 비트량을 결정하기 위한 것으로서, DCT부(203)로부터 DCT 계수를 입력받아 선 양자화(Pre-quantization)를 수행하는 선 양자화기(311), 상기 선 양자화기(311)에서 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌 DCT 계수를 카운트하는 카운터(312), 및 상기 카운터(312)의 카운트 결과와 버퍼(206)의 충만도를 이용하여 최종 양자화 파라미터를 결정하여 양자화부(204)로 출력하는 비트율 결정부(313)로 구성된다. The bit rate control unit 300 is used to determine a bit amount for a current section or a group of picture (GOP), and receives a DCT coefficient from the DCT unit 203 to perform pre-quantization. 311, a counter 312 that counts non-zero DCT coefficients among the DCT coefficients quantized by the line quantizer 311, and the count result of the counter 312 and the fullness of the buffer 206. To determine the final quantization parameter and output it to the quantization unit 204.

상기 선 양자화기(311)에서 DCT 계수를 선 양자화하는 것은 현재 부호화하고 자 하는 비디오 데이터의 비트 발생량을 예측함으로써, 해당 구간의 복잡도를 정량적으로 측정할 수 있으며, 현재 비디오 구간에 대한 적절한 비트의 할당을 수행하기 위함이다. 즉 상기 선 양자화기(311)는 선형(linear) 양자화 과정에서 양자화 파라미터 Q값의 범위가 2에서 62사이라고 할 때(Q는 짝수의 값을 갖는다), 미리 설정한 기준 양자화 파라미터 Qref의 값으로 현재 매크로 블록의 DCT 계수에 대하여 양자화를 수행한다(2 ≤Qref ≤62). The linear quantization of the DCT coefficients in the line quantizer 311 predicts the bit generation amount of video data to be encoded currently, thereby quantitatively measuring the complexity of the corresponding section, and allocating an appropriate bit for the current video section. To do this. That is, the linear quantizer 311 has a value of a preset reference quantization parameter Q ref when the range of the quantization parameter Q value is 2 to 62 (Q has an even value) in the linear quantization process. Next, quantization is performed on the DCT coefficients of the current macroblock (2 ≦ Q ref ≦ 62).

상기 카운터(312)는 현재 매크로 블록의 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌 DCT 계수의 개수를 카운트하여 비트율 결정부(313)로 출력한다. 상기 0이 아닌 DCT 계수의 개수는 해당 매크로 블록의 복잡도 및 비트 발생량에 비례하는 특성을 갖는다. The counter 312 counts the number of non-zero DCT coefficients among the quantized DCT coefficients of the current macro block and outputs them to the bit rate determination unit 313. The number of non-zero DCT coefficients has a property that is proportional to the complexity and bit generation amount of the macroblock.

본 발명에서는 설명의 편의를 위해 0이 아닌 DCT 계수를 non-zero DCT 계수라고 부르기로 한다. 이때 non-zero DCT 계수가 많다는 것은 매크로 블록의 차 영상 신호가 크다는 것을 의미한다. 이는 I 픽쳐의 경우 화면의 공간적 구조가 매우 복잡함을 의미하며, P나 B 픽쳐의 경우 움직임 추정 오차가 크다는 것을 의미한다. 즉, 움직임 추정 오차가 크다는 것은 해당 비디오 데이터에 복잡한 움직임 또는 매우 큰 움직임이 존재한다는 것으로 이러한 구간은 상대적으로 부호화하기가 매우 까다로운 비디오 데이터가 존재한다는 것을 의미한다. 아울러 0의 값을 갖는 양자화된 DCT 계수는 엔트로피 코딩 과정에서 0이 아닌 DCT 계수들에 비해 비트 발생량이 큰 의미를 갖지 않으므로 실제 비트 발생량에 있어서 0이 아닌 DCT 계수의 개수 의 제어가 비트율 제어 측면에서 큰 의미를 갖는다. In the present invention, for convenience of description, a non-zero DCT coefficient will be referred to as a non-zero DCT coefficient. At this time, a large number of non-zero DCT coefficients means that the difference video signal of the macro block is large. This means that the spatial structure of the picture is very complicated for the I picture, and the motion estimation error is large for the P or B picture. That is, a large motion estimation error means that there is a complex motion or a very large motion in the video data. This means that there is video data that is very difficult to encode relatively. In addition, since the quantized DCT coefficient having a value of zero does not have a significant amount of bit generation in comparison to non-zero DCT coefficients in entropy coding, the control of the number of non-zero DCT coefficients in terms of the actual bit generation is in terms of bit rate control. Has a great meaning.

이러한 이유에 의하여 본 발명에서는 하기의 수학식 1과 같이 비트량 R은 non-zero DCT 계수의 개수 NNZC에 비례한다는 가정을 한다.For this reason, the present invention assumes that the bit rate R is proportional to the number N NZC of the non-zero DCT coefficients as shown in Equation 1 below.

R ∝NNZC R ∝N NZC

상기 수학식 1에서 R은 비트량을 의미하며 초당 발생하는 비트 수로 표현된다. 상기 NNZC는 현재 설정된 양자화 파라미터에 의하여 발생하는 non-zero DCT 계수의 개수를 의미한다. In Equation 1, R denotes the amount of bits and is represented by the number of bits generated per second. The N NZC means the number of non-zero DCT coefficients generated by the currently set quantization parameter.

이때, 양자화 파라미터가 클수록 고주파 성분의 계수가 0으로 트렁케이션(truncation)되며 결과적으로 NNZC는 양자화 파라미터가 클수록 작은 값을 갖게 된다. 양자화 파라미터가 크다는 것은 그만큼의 화질 열화가 발생한다는 것을 의미하며 특히 복잡한 구간에서 다른 구간과 같은 크기의 비트를 할당하게 될 경우에 더 큰 화질 열화를 발생시킨다. 결과적으로 이러한 복잡한 구간에 대하여 더 많은 비트를 할당함으로써 화질을 일정 수준 유지할 수 있다.In this case, the larger the quantization parameter is, the truncated coefficient of the high frequency component is truncated to 0. As a result, the larger the quantization parameter is, the larger the N NZC is. A large quantization parameter means that image quality deterioration occurs, especially when a bit of the same size as another section is allocated in a complex section. As a result, the image quality can be maintained at a certain level by allocating more bits for this complex section.

상기의 수학식 1을 보다 구체적으로 나타내면, 실제 발생하는 비트량과 non-zero DCT 계수의 관계는 다음의 수학식 2와 같은 1차 선형식으로 표현할 수 있다.In more detail, Equation 1 may be expressed in more detail. The relationship between the actual amount of bits and the non-zero DCT coefficient may be represented by a first-order linear equation as in Equation 2 below.

R = α* NNZC + βR = α * N NZC + β

본 발명에서는 상기 수학식 2를 R-N 모델식이라고 정의한다. In the present invention, Equation 2 is defined as an R-N model equation.

상기 수학식 2에서 R은 비트량을 의미하며 단위는 bit, NNZC은 기준 양자화 파라미터로 양자화를 수행했을 때 하나의 매크로블록에서 발생하는 0이 아닌 DCT 계수의 개수를 의미한다.In Equation 2, R denotes a bit amount, a unit is bit, and N NZC denotes the number of non-zero DCT coefficients generated in one macroblock when quantization is performed using a reference quantization parameter.

그리고 가변 비트율에 의한 부호화의 장점은 복잡한 영상에 더 많은 비트를 할당하고 상대적으로 복잡도가 낮은 구간에 대하여 적은 양의 비트를 할당함으로써, 전체적인 화질의 수준을 유지할 수 있다는 점이다. 이때, 각 구간의 복잡도 또한 non-zero DCT 계수의 개수를 통해 유추할 수 있으므로 부호화 하고자 하는 장면 구간에 대한 목표 비트량은 non-zero DCT 계수의 개수에 따라서 하기의 수학식 3과 같이 가변적으로 할당하도록 한다.The advantage of encoding by the variable bit rate is that the overall quality level can be maintained by allocating more bits to a complex image and allocating a small amount of bits in a relatively low complexity section. In this case, since the complexity of each section can also be inferred by the number of non-zero DCT coefficients, the target bit amount for the scene section to be encoded is variably allocated according to Equation 3 below according to the number of non-zero DCT coefficients. Do it.

Rlocal ∝ AVERAGE(NQREF)R local ∝ AVERAGE (N QREF )

상기 수학식 3에서 Rlocal은 현재 구간에 대한 목표 비트량을 의미하며, NQREF는 기준 양자화 파라미터에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 의미한다. 즉, 목표 비트량은 이전에 이미 부호화된 일정량의 비디오 구간에 대하여 계산된 NQREF의 평균을 이용하여 할당한다. In Equation 3, R local means a target bit amount for the current interval, and N QREF means the number of non-zero DCT coefficients for the reference quantization parameter. That is, the target bit amount is allocated using an average of N QREFs calculated for a predetermined amount of video intervals previously encoded.

이때, 기준 양자화 파라미터는 모든 비디오 부호화 과정에서 동일한 값을 사용하며, 본 발명의 실시 예에서는 현재 사용 가능한 모든 양자화 파라미터 값 중에서 가장 작은 값을 선택한다. In this case, the reference quantization parameter uses the same value in all video encoding processes, and in the embodiment of the present invention, the smallest value is selected from all currently available quantization parameter values.

결과적으로 NQREF는 매크로블록과 같은 특정 부호화 단위 내에서 발생 가능한 non-zero DCT 계수의 개수 중에서 가장 큰 값을 나타낸다. 예를 들어, MPEG-2 부호화 과정에서 선형 양자화를 사용할 경우에 기준 양자화 파라미터 값은 2가 된다. As a result, N QREF represents the largest value among the number of non-zero DCT coefficients that can occur in a specific coding unit such as a macroblock. For example, when linear quantization is used in MPEG-2 encoding, the reference quantization parameter value is 2.

이때 상기 Rlocal은 NQREF의 평균에 비례하도록 할당하거나, 불연속적인 함수를 사용하여 해당 구간 예를 들어, GOP의 목표 비트량을 결정하도록 한다.In this case, the R local is allocated to be proportional to the average of N QREF or a discontinuous function is used to determine the target bit amount of the corresponding section, for example, a GOP.

이와 같이 본 발명은 선 양자화 과정을 통해 발생하는 DCT 계수의 개수를 이용함으로써, 해당 GOP 구간의 복잡도에 대한 정량적인 측정을 수행할 수 있다. As described above, the present invention can perform quantitative measurement on the complexity of the corresponding GOP interval by using the number of DCT coefficients generated through the line quantization process.

도 4는 본 발명에 의한 단일 패스 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치에서 사용하는 Rlocal과 NQREF의 관계를 모델링한 함수를 나타낸다. 도 4에서 Rglobal 은 녹화하는 비디오에 대한 전체적인 목표 비트율을 의미한다. 즉, 본 발명에서는 복잡도가 높은 구간에 대하여 보다 많은 비트량을 할당하며 이때 발생하는 비트율의 증가는 복잡하지 않은 구간의 비트율을 감소시킴으로써 해결한다. 4 illustrates a function modeling a relationship between R local and N QREF used in the single pass variable bit rate MPEG-2 encoding apparatus according to the present invention. In FIG. 4, R global denotes an overall target bit rate for video to be recorded. That is, in the present invention, a larger bit rate is allocated to a section having a high complexity, and an increase in the bit rate generated at this time is solved by reducing the bit rate of a section having a low complexity.

결과적으로 non zero DCT 계수의 개수 NQREF를 측정한 후, 도 4에 의하여 정의된 함수를 이용하여 해당 구간에 할당할 비트량을 결정한다. As a result, after measuring the number N QREF of the non-zero DCT coefficients, the amount of bits to be allocated to the corresponding interval is determined using the function defined by FIG. 4.

일반적으로 복잡하지 않은 영역에서 발생하는 화질 저하는 복잡한 영역에서 발생하는 화질 저하에 비하여 시각적으로 크게 느껴지지 않는다. 따라서, 복잡하지 않은 영역에서 비트 소모량을 줄여 이것을 복잡한 영역의 부호화에 사용함으로써 전체적인 시각적 화질을 높이는 효과를 볼 수 있다.In general, image quality deterioration occurring in an uncomplicated region is not visually significant compared to image quality deterioration occurring in a complex region. Therefore, it is possible to reduce the bit consumption in the uncomplicated region and use it for encoding the complex region, thereby improving the overall visual quality.

도 5는 본 발명에 의한 단일 패스 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치에서 비트 율 제어를 위한 양자화 파라미터 계산 과정의 흐름도를 나타낸다.5 is a flowchart illustrating a quantization parameter calculation process for bit rate control in a single pass variable bit rate MPEG-2 encoding apparatus according to the present invention.

즉 단계 501에서는 현재 구간에 대한 목표 비트량을 할당한다. 상기 목표 비트량은 먼저 현재 구간 즉, 현재 GOP에 대한 비트량 RGOP을 결정하는 것이다. 이때 전술한 바와 같이 선 양자화된 non-zero DCT 계수의 개수를 기준으로 도 4 및 수학식 3과 같은 형태로 정의된 함수를 이용하여 현재 GOP에 대한 목표 비트량을 결정한다. 상기 non-zero DCT 계수의 개수는 선양자화 과정에서 양자화 파라미터 Q 값을 기준 양자화 파라미터 Qref로 하였을 때 발생하는 non-zero DCT 계수의 개수 NQREF를 사용한다. That is, in step 501, a target bit amount for the current section is allocated. The target bit amount is to first determine the bit amount R GOP for the current interval, that is, the current GOP. At this time, as described above, the target bit amount for the current GOP is determined using a function defined in the form of FIG. 4 and Equation 3 based on the number of pre-quantized non-zero DCT coefficients. The number of non-zero DCT coefficients uses the number N QREF of the non-zero DCT coefficients generated when the quantization parameter Q value is used as the reference quantization parameter Q ref in the dequantization process.

그리고 나서, 각 픽쳐 타입(I, P, B)에 따라 할당할 비트량을 결정하도록 한다. 결과적으로 하기의 수학식 4와 같은 관계가 성립한다.Then, the bit amount to be allocated is determined according to each picture type (I, P, B). As a result, a relationship as shown in Equation 4 below is established.

RGOP = RI + RP + RB R GOP = R I + R P + R B

이때, RI, RP, RB는 각각 현재 GOP에서 I, P, B 픽쳐가 소모하는 비트량이다. 다시 말해, RP의 경우 현재 GOP에 포함된 모든 P 픽쳐에 할당되는 비트량의 합을 의미한다. 결과적으로 하나의 P 픽쳐에 할당되는 비트량은 RP를 NP로 나눈 값이 되며 NP는 현재 GOP에서 P 픽쳐의 개수를 나타낸다. I나 B 픽처도 마찬가지이다. In this case, R I , R P , and R B are bits used by I, P, and B pictures in the current GOP, respectively. In other words, R P means a sum of bits allocated to all P pictures included in the current GOP. As a result, the bit amount allocated to one P picture is obtained by dividing R P by N P , where N P represents the number of P pictures in the current GOP. The same applies to I and B pictures.

그리고 각 픽쳐에 대한 할당된 목표 비트량을 준수하기 위해서는 적절한 양자화 파라미터 값을 설정해야 하며, 정확한 비트 제어를 위해서는 상기 수학식 2에 의해 정의된 R-N 모델식을 사용한다.In order to comply with the allocated target bit amount for each picture, an appropriate quantization parameter value should be set. For accurate bit control, the R-N model equation defined by Equation 2 is used.

상기 R-N 모델식을 이용하면, 특정 비트량 R을 준수하기 위한 non-zero DCT 계수의 개수 N을 파악할 수 있다. 따라서, 먼저 비트량 R과 non-zero DCT 계수의 개수를 모델링한 수학식 2의 모델 계수 (α,β)를 계산할 필요가 있다. Using the R-N model equation, it is possible to determine the number N of non-zero DCT coefficients for complying with a specific bit amount R. Therefore, first, it is necessary to calculate the model coefficients (α, β) of Equation 2 in which the number of bits R and the number of non-zero DCT coefficients are modeled.

상기 R-N 모델식의 갱신은 비디오의 특성에 변화가 발생하여 기존의 R-N 모델식이 더 이상 R과 N의 관계를 적절하게 나타낼 수 없을 때만 수행한다. The update of the R-N model equation is performed only when a change in the characteristics of the video occurs and the existing R-N model equation can no longer adequately express the relationship between R and N.

상기 R-N 모델식 계수의 계산을 위한 비트량은 매크로 블록 또는 슬라이스 등의 단위를 기준으로 측정할 수 있으며 NNZC 또한 상응하는 비디오 부호화 단위에 따라 측정하도록 한다(단계 502).The bit amount for calculating the RN model coefficient may be measured based on a unit such as a macro block or a slice, and the N NZC is also measured according to a corresponding video coding unit (step 502).

하나의 실시 예에서 상기 수학식 2의 R-N 모델식을 완성하기 위해 매크로블록 단위로 비트량 R과 non-zero DCT 계수를 측정한다고 할 때, 이미 부호화된 N개의 매크로블록에 대한 측정값은 다음 수학식 5와 같이 전개가 될 수 있다. In an embodiment, when the bit rate R and the non-zero DCT coefficients are measured in macroblock units to complete the RN model of Equation 2, the measured values of the N macroblocks already encoded are It can be developed as shown in Equation 5.

Figure 112005002229295-pat00001
Figure 112005002229295-pat00001

이때, RMBj와 NMBj는 각각 j번째 매크로 블록에 대하여 부호화 과정에서 사용된 양자화 파라미터에 의해 발생한 비트량과 non-zero 계수의 개수이다. In this case, R MBj and N MBj are the number of bits and non-zero coefficients generated by the quantization parameter used in the encoding process for the j-th macroblock, respectively.

상기 수학식 5는 다음의 수학식 6과 같이 행렬 형태로 다시 표현될 수 있다.Equation 5 may be represented again in a matrix form as shown in Equation 6 below.

Figure 112005002229295-pat00002
Figure 112005002229295-pat00002

상기 수학식 2의 R-N 모델식을 완성하기 위해 모델 계수 (α,β)를 선형 회귀법에 의하여 계산하면 다음의 수학식 7과 같다.In order to complete the R-N model of Equation 2, the model coefficients (α, β) are calculated by the linear regression method.

Figure 112005002229295-pat00003
Figure 112005002229295-pat00003

결과적으로 모델 계수 (α,β)는 다음의 수학식 8과 같은 값을 갖는다.As a result, the model coefficients α and β have the same values as in Equation 8 below.

Figure 112005002229295-pat00004
Figure 112005002229295-pat00004

Figure 112005002229295-pat00005
Figure 112005002229295-pat00005

상기 수학식 8과 같이 모델 계수 (α,β)를 계산하면 R-N 모델식이 완성되며 이를 이용하여 MPEG-2 부호화 장치의 비트율 제어 과정에서 현재 설정된 양자화 파라미터에 의하여 발생되는 non-zero DCT 계수의 개수를 이용하여 발생하는 비트량을 정확하게 예측할 수 있다. 이때, 양자화 파라미터와 DCT 계수의 개수는 Q-N 히스토그램을 추출하여 파악한다.When the model coefficients (α, β) are calculated as shown in Equation 8, the RN model equation is completed, and the number of non-zero DCT coefficients generated by the quantization parameter currently set in the bit rate control process of the MPEG-2 encoding apparatus is used. It is possible to accurately predict the amount of bits generated by using. At this time, the number of quantization parameters and DCT coefficients is determined by extracting a Q-N histogram.

상기 R-N 모델식은 목표 비트량과 실제 발생하는 비트량의 이격도가 15% 이상 차이가 나는 경우에 갱신을 수행하도록 한다. 예를 들어 j번째 프레임을 부호화하였을 때, 목표 비트량과 실제로 j 번째 프레임을 부호화하는데 소비한 비트량의 차이가 15% 이상 차이가 날 경우에 j번째 프레임을 부호화하는 과정에서 얻어진 비트량과 DCT 계수의 개수를 이용하여 R-N 모델식을 갱신한다. The R-N model formula may perform an update when the separation between the target bit amount and the actual bit amount is 15% or more. For example, when the j-th frame is encoded, when the difference between the target bit amount and the bit amount actually used to encode the j-th frame is 15% or more, the bit amount and the DCT obtained in the process of encoding the j-th frame are different. Update the RN model equation using the number of coefficients.

또한 비디오를 처음 부호화할 때에는 이전의 데이터가 존재하지 않으므로 실험에 의해 얻어진 결과를 이용하여 모델 계수 (α,β)의 초기값은 (0.789x104, 7.56x104)으로 설정한다.In addition, since the previous data does not exist when the video is first encoded, the initial values of the model coefficients (α, β) are set to (0.789x10 4 , 7.56x10 4 ) using the results obtained by the experiment.

그리고 보다 효과적이고 정확한 결과를 위해서 픽쳐 타입에 따라 별도의 R-N 모델식을 설정할 수도 있다.In addition, separate R-N model equations may be set according to picture types for more effective and accurate results.

상기된 과정에 의해 각 픽쳐 즉, 프레임에 대한 목표 비트량이 결정되면 각 프레임 내의 매크로블록 단위로 적응적인 비트 할당 작업이 수행된다. 매크로블록 단위의 비트 할당은 다음의 수학식 9와 같다.When the target bit amount for each picture, i.e., a frame, is determined by the above-described process, an adaptive bit allocation operation is performed in units of macroblocks within each frame. Bit allocation in units of macroblocks is shown in Equation 9 below.

Figure 112005002229295-pat00006
Figure 112005002229295-pat00006

상기 수학식 9에서 MB_CNT는 현재 부호화를 수행하고 있는 프레임에서 현재 매크로 블록을 포함하여 남아 있는 매크로블록의 개수를 의미하고, Rframe은 현재 프레임에 할당된 비트량, Rused는 현재 프레임을 부호화하는 과정에서 지금까지 사용된 비트량을 의미한다. 상기 Nnorm은 정규화된 non-zero DCT 계수의 개수를 의미하며 하기의 수학식 10과 같이 정의한다.In Equation 9, MB_CNT denotes the number of remaining macroblocks including the current macroblock in the frame currently being encoded, R frame is the amount of bits allocated to the current frame, and R used is the current frame encoding. The bit amount used so far in the process. N norm means the number of normalized non-zero DCT coefficients and is defined as in Equation 10 below.

Figure 112005002229295-pat00007
Figure 112005002229295-pat00007

상기 수학식 10과 같이 정규화된 non-zero DCT 계수의 개수를 구하는 과정에서 Navg는 이전 프레임에서 기준 양자화 파라미터에 대한 non-zero DCT 계수의 개수의 평균이며, Ncur는 현재 매크로블록의 기준 양자화 파라미터에 대한 non-zero DCT 계수의 개수이다. 즉, 상기 수학식 10에 의하여 같은 프레임 내에서도 상대적으로 복잡도가 높은 매크로블록에 대해서는 더 많은 비트를 할당하도록 한다.In the process of obtaining the number of normalized non-zero DCT coefficients as shown in Equation 10, N avg is an average of the number of non-zero DCT coefficients for the reference quantization parameter in the previous frame, and N cur is the reference quantization of the current macroblock. Number of non-zero DCT coefficients for the parameter. That is, according to Equation 10, more bits are allocated to macroblocks having a relatively high complexity even in the same frame.

최종적으로 설정된 목표 비트량 R을 R-N 모델식에 대입하여 R에 대한 non-zero DCT 계수의 개수 N이 결정된다(단계 503). N이 결정되면 이에 상응하는 양자화 파라미터 Q를 결정해야 한다. The number N of non-zero DCT coefficients for R is determined by substituting the finally set target bit amount R into the R-N model equation (step 503). Once N is determined, the corresponding quantization parameter Q must be determined.

이를 위해 본 발명에서는 하드웨어 또는 소프트웨어적인 방법으로 선 양자화를 수행하여 각각의 양자화 파라미터에 따른 non-zero DCT 계수의 개수에 대한 히스토그램을 추출한다(이하 Q-N 히스토그램)(단계 504). 상기 Q-N 히스토그램은 현재 부호화하고자 하는 매크로블록에 대하여 모든 후보 양자화 파라미터를 이용하여 선 양자화를 수행한 다음 각각에 대하여 발생하는 DCT 계수의 개수를 추출하는 방법으로 획득한다. To this end, the present invention performs a linear quantization by a hardware or software method to extract a histogram for the number of non-zero DCT coefficients according to each quantization parameter (hereinafter referred to as Q-N histogram) (step 504). The Q-N histogram is obtained by performing linear quantization on all candidate quantization parameters for the macroblock to be encoded and extracting the number of DCT coefficients generated for each.

상기와 같은 선양자화 과정에서 얻어진 Q-N 히스토그램을 이용하여 결정된 N에 상응하는 적절한 양자화 파라미터 Q값을 결정함으로써 해당 비디오 데이터를 주어진 비트율 제어 조건에 만족할 수 있도록 양자화 파라미터를 결정하여 부호화를 수행할 수 있다(단계 505). By determining an appropriate quantization parameter Q value corresponding to N determined by using the QN histogram obtained in the above-described quantization process, the quantization parameter may be determined and encoded to satisfy the given bit rate control condition by encoding the corresponding video data ( Step 505).

상기 Q-N 히스토그램에서 최종적으로 양자화 파라미터를 결정하는 과정은 하기의 수학식 11과 같다.The process of finally determining the quantization parameter in the Q-N histogram is shown in Equation 11 below.

Figure 112005002229295-pat00008
Figure 112005002229295-pat00008

상기 수학식 11에서 Qfinal는 현재 부호화 하고자하는 매크로블록에 대한 최종 적인 양자화 파라미터를 나타내며, H(Qi)는 후보 양자화 파라미터 Qi에 대한 히스토그램, 다시 말해 Qi로 선양자화를 수행하였을 때 발생하는 매크로블록 내의 non-zero DCT 계수의 개수의 합을 의미한다. 그리고 Ntarget은 R-N 모델식에 의하여 결정된 현재 매크로블록에 대한 non-zero DCT 계수의 목표 개수를 의미한다.In Equation 11, Q final denotes a final quantization parameter for a macroblock to be currently encoded, and H (Qi) denotes a histogram of a candidate quantization parameter Qi, that is, a macroblock generated when prequantization is performed using Qi. The sum of the number of non-zero DCT coefficients And N target means the target number of non-zero DCT coefficients for the current macroblock determined by the RN model equation.

이때, 상기 Q-N 히스토그램을 적용하여 부호화하는 단위는 기본적으로 매크로블록을 사용하며 슬라이스로 확대 적용이 가능하다. In this case, the unit for encoding by applying the Q-N histogram basically uses a macroblock and can be extended to a slice.

상기 슬라이스 단위로 확대 적용하는 경우에 Q-N 히스토그램은 슬라이스 내의 모든 매크로블록의 non-zero DCT 계수의 개수의 합을 사용하며 슬라이스 내의 모든 매크로블록은 동일한 양자화 파라미터 Q값을 적용한다. In the case of the application in the slice unit, the Q-N histogram uses the sum of the number of non-zero DCT coefficients of all macroblocks in the slice, and all macroblocks in the slice apply the same quantization parameter Q value.

또한 적응적 비트 할당을 위한 상기 수학식 9와 수학식 10은 슬라이스 단위로 연산을 수행하도록 한다.In addition, Equations 9 and 10 for adaptive bit allocation perform operations in units of slices.

그리고 상기 단계 505에서 결정된 최종 양자화 파라미터는 양자화부(204)로 입력된다. 상기 양자화부(204)는 입력되는 최종 양자화 파라미터로부터 양자화 스텝 크기를 구하여 DCT 계수를 양자화함에 의해 데이터의 발생량을 조절하게 된다. The final quantization parameter determined in step 505 is input to the quantization unit 204. The quantization unit 204 obtains a quantization step size from an input final quantization parameter and quantizes a DCT coefficient to adjust the amount of data generation.

상기 기술한 바와 같이 본 발명에서는 목표 비트량이 결정되면 R-N 모델식을 이용하여 목표 비트량에 해당하는 non-zero DCT 계수의 개수 N을 결정한다. 이어서 결정된 N을 선양자화기에서 추출한 Q-N 히스토그램에 대입하여 적절한 양자화 파라미터 Q 값을 결정함으로써, 정확한 비트 제어를 수행할 수 있다.As described above, when the target bit amount is determined, the number N of non-zero DCT coefficients corresponding to the target bit amount is determined using the R-N model equation. Subsequent substitution of the determined N with the Q-N histogram extracted by the prequantizer determines the appropriate quantization parameter Q value, thereby enabling accurate bit control.

이와 같이 본 발명은 PVR 장치에서 요구되는 실시간 방송 녹화에 적용 가능 하도록 MPEG-2 부호화 장치를 단일 패스(one-pass) 알고리즘으로 구현함으로써, 균일한 화질을 유지할 수 있고, 동시에 부호화하고자 하는 비디오 데이터에 대한 복잡도를 효과적으로 분석하여 비트량을 할당할 수 있다. As described above, the present invention implements the MPEG-2 encoder by using a one-pass algorithm so that it can be applied to real-time broadcast recording required by the PVR device, thereby maintaining uniform image quality and simultaneously encoding video data. The amount of bits can be allocated by effectively analyzing the complexity of the

따라서 본 발명은 아날로그 방송 신호(예를 들면, NTSC 전송 방식)를 주어진 비트율에서 최적의 화질을 갖는 MPEG-2 비디오 스트림으로 실시간 부호화할 수 있게 된다. Accordingly, the present invention enables real-time encoding of an analog broadcast signal (e.g., NTSC transmission scheme) into an MPEG-2 video stream with optimal picture quality at a given bit rate.

그러므로 본 발명은 디지털 TV에 하드 디스크를 장착한 PVR 장치에서 NTSC 및 PAL과 같은 아날로그 방송을 디지털 스트림으로 부호화하여 저장하는 분야에 적용할 수 있으며, 그 외에도 실시간 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치가 필요한 응용 분야에 적용할 수 있다.Therefore, the present invention can be applied to the field of encoding and storing analog broadcasts such as NTSC and PAL as a digital stream in a PVR device equipped with a hard disk in a digital TV, and besides, an application requiring a real-time variable bit rate MPEG-2 encoding device. Applicable to the field.

한편 본 발명에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로써 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terminologies used in the present invention are terms defined in consideration of functions in the present invention and may vary according to the intention or customs of those skilled in the art, and the definitions refer to the overall contents of the present invention. It must be laid down.

본 발명을 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified by those skilled in the art as can be seen from the appended claims, and such modifications are within the scope of the present invention.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 실시간 동영상 부호화 장치 및 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다. The effects of the real-time video encoding apparatus and method according to the present invention described above are as follows.                     

첫째, PVR 장치에서 아날로그 방송을 실시간으로 녹화하기 위한 응용 분야에서 비디오의 각 구간에 대하여 실시간으로 non-zero DCT 계수의 개수를 분석하여 해당 구간에 적합한 비트량을 할당함으로써, 화질 및 비트 효율의 양쪽 측면에서 최적의 MPEG-2 비디오 비트 스트림을 제공한다.First, in an application field for recording analog broadcasting in real time in a PVR device, by analyzing the number of non-zero DCT coefficients in real time for each section of video and allocating an appropriate bit amount for the corresponding section, In terms of aspect, it provides an optimal MPEG-2 video bit stream.

둘째, 실제 발생할 비트량과 non-zero DCT 계수의 관계를 모델링하는 R-N 모델식을 제안하고 이 모델식과 Q-N 히스토그램을 이용하여 보다 정확한 비트율 제어를 수행함으로써, 화질과 비트 효율 측면에서 우수한 성능을 보인다.Second, we propose an R-N model that models the relationship between the actual amount of bits and non-zero DCT coefficients, and perform more accurate bit rate control using this model and Q-N histogram, resulting in excellent image quality and bit efficiency.

셋째, 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수를 이용하여 모델식을 갱신할 수 있으므로 화면의 급격한 변화 또는 그 밖에 비트량 조율 과정에서 발생할 수 있는 돌발 상황에 대비할 수 있는 효과가 있다.Third, since the model equation can be updated using the number of bits and the number of non-zero DCT coefficients, it is possible to prepare for sudden changes in the screen or other unexpected situations that may occur during bit rate tuning.

넷째, 디지털 TV에 하드 디스크를 장착한 개인용 디지털 비디오 녹화기에서 NTSC 및 PAL과 같은 아날로그 방송을 디지털 스트림으로 부호화하여 저장하는 분야에 적용할 수 있으며, 그 외에도 실시간 가변 비트율 MPEG-2 부호화 장치가 필요한 응용 분야에 적용할 수 있다.Fourth, it can be applied to the field of encoding and storing analog broadcasting such as NTSC and PAL as digital stream in personal digital video recorder equipped with hard disk in digital TV. In addition, applications requiring real-time variable bit rate MPEG-2 encoder Applicable to the field.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

Claims (14)

매크로 블록 단위로 입력되는 영상을 DCT 변환하고 이어 양자화 파라미터에 따라 DCT 계수를 양자화한 후 가변 길이 코딩(VLC)하여 입력 영상을 압축 부호화하는 실시간 동영상 부호화 장치에 있어서, A real-time video encoding apparatus for DCT transforming an image input in macroblock units, and then quantizing a DCT coefficient according to a quantization parameter and then compressing and encoding an input image by variable length coding (VLC). 기 설정된 기준 양자화 파라미터 값을 이용하여 현재 매크로 블록의 DCT 계수에 대해 선형 양자화하는 선 양자화(pre-quantization)기;A pre-quantization device for linearly quantizing a DCT coefficient of the current macro block using a preset reference quantization parameter value; 상기 현재 매크로 블록의 선 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌(non-zero) DCT 계수의 개수를 카운트하여 출력하는 카운터; 및 A counter for counting and outputting a number of non-zero DCT coefficients among the pre-quantized DCT coefficients of the current macro block; And 상기 카운터에서 카운트된 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대한 목표 비트량을 결정하고, 상기 매크로 블록의 목표 비트량을 비트량과 DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정한 후 이 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 상기 매크로 블록의 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 결정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.Based on the number of non-zero DCT coefficients counted by the counter, the target bit amount for the macroblock to be currently encoded is determined, and the target bit amount of the macroblock is modeled by the relationship between the bit amount and the number of DCT coefficients. Including a bit rate determiner for determining the number of non-zero DCT coefficients for the target bit amount of the macro block by applying to an RN model equation and then determines the quantization parameter of the macro block based on the number of non-zero DCT coefficients. Real-time video encoding apparatus characterized in that the configuration. 제 1 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 The method of claim 1, wherein the bit rate determination unit 선 양자화된 non-zero DCT 계수의 개수를 기준으로 현재 GOP에 대한 목표 비트량을 할당하고, 결정된 목표 비트량으로부터 각 픽쳐 타입(I,P,B)별 목표 비트량 을 할당하며, 하나의 픽쳐 내 목표 비트량으로부터 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 목표 비트량을 할당한 후, 이를 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.Allocates a target bit amount for the current GOP based on the number of pre-quantized non-zero DCT coefficients, and allocates a target bit amount for each picture type (I, P, B) from the determined target bit amount, and one picture. Assigning the target bit amount of the macroblock to be currently encoded from the target bit amount, and applying the same to the RN model to determine the number of non-zero DCT coefficients for the target bit amount of the macroblock. Real time video encoding device. 제 2 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 The method of claim 2, wherein the bit rate determination unit 현재 GOP에 대한 목표 비트량은 이전에 이미 부호화된 일정량의 비디오 구간에 대하여 기준 양자화 파라미터로 계산된 non-zero DCT 계수의 개수의 평균을 이용하여 할당하는 것을 실시간 동영상 부호화 장치.And a target bit amount for the current GOP is allocated by using an average of the number of non-zero DCT coefficients calculated as reference quantization parameters for a predetermined amount of video interval previously encoded. 제 2 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 The method of claim 2, wherein the bit rate determination unit 현재 부호화할 픽쳐에 대한 목표 비트량이 할당되면 상기 픽쳐 내 매크로 블록의 목표 비트량 RMB을 하기의 식을 적용하여 할당하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.And assigning a target bit amount R MB of a macroblock in the picture by applying the following equation when a target bit amount for a picture to be currently encoded is allocated.
Figure 112005002229295-pat00009
Figure 112005002229295-pat00009
상기 MB_CNT는 현재 부호화를 수행하고 있는 픽쳐에서 현재 매크로 블록을 포함하여 남아 있는 매크로블록의 개수, Rframe은 현재 프레임에 할당된 비트량, Rused는 현재 프레임을 부호화하는 과정에서 지금까지 사용된 비트량, 상기 Nnorm은 정규 화된 non-zero DCT 계수의 개수를 의미함. The MB_CNT is the number of remaining macroblocks including the current macroblock in the picture currently being encoded, R frame is the amount of bits allocated to the current frame, and R used is the bits used so far in encoding the current frame. N norm means the number of normalized non-zero DCT coefficients.
제 4 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 The method of claim 4, wherein the bit rate determination unit 하기의 식을 적용하여 non-zero DCT 계수의 개수를 정규화하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.Real-time video encoding apparatus characterized in that the number of non-zero DCT coefficients are normalized by applying the following equation.
Figure 112005002229295-pat00010
Figure 112005002229295-pat00010
상기 Navg는 이전 픽쳐에서 기준 양자화 파라미터에 대한 non-zero DCT 계수의 개수의 평균이며, Ncur는 현재 매크로블록의 기준 양자화 파라미터에 대한 non-zero DCT 계수의 개수임.N avg is an average of the number of non-zero DCT coefficients for the reference quantization parameter in the previous picture, and N cur is the number of non-zero DCT coefficients for the reference quantization parameter of the current macroblock.
제 1 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는The method of claim 1, wherein the bit rate determination unit 상기 목표 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식을 하기의 식으로 정의하며, An R-N model equation that models the relationship between the target bit quantity and the number of non-zero DCT coefficients is defined by the following equation, R = α* NNZC + βR = α * N NZC + β 이전에 미리 부호화된 데이터에 대한 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 통계를 이용하여 모델 계수 α,β를 구하고, 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R을 대입하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R에 대한 non-zero DCT 계수의 개수 NNZC 를 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.Model coefficients α and β are obtained by using statistics on the amount of bits and non-zero DCT coefficients of previously encoded data, and the target bit amount R of the macro block is substituted by substituting the target bit amount R of the macro block. And a number N NZC of non-zero DCT coefficients for the real-time video encoding apparatus. 제 6 항에 있어서, 상기 비트율 제어부는The method of claim 6, wherein the bit rate control unit 하기의 식을 적용하여 모델 계수 α,β를 구하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.A real-time video encoding apparatus characterized by obtaining the model coefficients α, β by applying the following equation.
Figure 112005002229295-pat00011
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Figure 112005002229295-pat00012
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상기 RMBj와 NMBj는 이미 부호화된 N개의 매크로 블록(0~N-1) 중 j번째 매크로 블록에 대하여 부호화 과정에서 사용된 양자화 파라미터에 의해 발생한 비트량과 non-zero 계수의 개수임.R MBj and N MBj are the number of bits and non-zero coefficients generated by the quantization parameter used in the encoding process for the j-th macroblock among the N macroblocks (0 to N-1) that are already encoded.
제 6 항에 있어서, 상기 비트율 제어부는 The method of claim 6, wherein the bit rate control unit 목표 비트량과 실제 부호화하면서 발생하는 비트량의 이격도가 일정 값이상 차이가 나는 경우에 실제 부호화 과정에서 얻어진 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수를 이용하여 상기 R-N 모델식을 갱신하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치. The RN model equation is updated by using the number of bits obtained in the actual encoding process and the number of non-zero DCT coefficients when the distance between the target bit amount and the bit amount generated during actual encoding differs by more than a predetermined value. Real-time video encoding device. 제 1 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 The method of claim 1, wherein the bit rate determination unit 미리 후보로 지정된 다수개의 양자화 파라미터를 각각 적용하여 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대하여 선 양자화를 수행한 다음 각각에 대하여 발생하는 non zero DCT 계수에 대한 Q-N 히스토그램 데이터를 추출한 후, 후보 양자화 파라미터 중 기 결정된 non-zero DCT 계수의 개수와 가장 가까운 값을 발생시키는 양자화 파라미터를 현재 부호화 하고자 하는 매크로 블록에 대한 양자화 파라미터로 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.After pre-quantization is performed on the macroblock to be currently encoded by applying a plurality of quantization parameters designated as candidates in advance, the QN histogram data for the non zero DCT coefficients generated for each is extracted, and then the predetermined among the candidate quantization parameters is determined. and a quantization parameter that generates a value closest to the number of non-zero DCT coefficients as a quantization parameter for a macroblock to be currently encoded. 제 9 항에 있어서, 상기 비트율 결정부는 10. The apparatus of claim 9, wherein the bit rate determining unit 상기 Q-N 히스토그램을 적용하여 부호화하는 단위는 슬라이스로 확대 적용이 가능하며, 이 경우에 Q-N 히스토그램은 슬라이스 내의 모든 매크로블록의 non-zero DCT 계수의 개수의 합을 사용하고, 슬라이스 내의 모든 매크로블록은 동일한 양자화 파라미터 값을 적용하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 장치.The unit for encoding and applying the QN histogram may be extended to a slice. In this case, the QN histogram uses the sum of the number of non-zero DCT coefficients of all the macroblocks in the slice, and all macroblocks in the slice are the same. Apparatus for real-time video encoding, characterized in that for applying a quantization parameter value. 매크로 블록 단위로 입력되는 영상을 DCT 변환하고 이어 양자화 파라미터에 따라 DCT 계수를 양자화한 후 가변 길이 코딩(VLC)하여 입력 영상을 압축 부호화하는 실시간 동영상 부호화 방법에 있어서, In the real-time video encoding method of DCT transform the input image in macroblock unit, and then quantize the DCT coefficient according to the quantization parameter and then compression-coding the input image by variable length coding (VLC), (a) 기 설정된 기준 양자화 파라미터 값을 이용하여 현재 매크로 블록의 DCT 계수에 대해 선 양자화(pre-quantization)하는 단계;(a) pre-quantizing a DCT coefficient of the current macro block using a preset reference quantization parameter value; (b) 상기 현재 매크로 블록의 선 양자화된 DCT 계수 중 0이 아닌(non-zero) DCT 계수의 개수를 카운트하여 출력하는 단계;(b) counting and outputting the number of non-zero DCT coefficients among the pre-quantized DCT coefficients of the current macroblock; (c) 상기 (b) 단계에서 카운트된 0이 아닌 DCT 계수의 개수를 기반으로 현재 GOP에 대한 목표 비트량을 할당하고, 결정된 목표 비트량으로부터 각 픽쳐 타입(I,P,B)별 목표 비트량을 할당하며, 하나의 픽쳐 내 목표 비트량으로부터 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록의 목표 비트량을 할당하는 단계;(c) Allocating a target bit amount for the current GOP based on the number of non-zero DCT coefficients counted in step (b), and targeting bits for each picture type (I, P, B) from the determined target bit amount. Allocating a quantity, and allocating a target bit quantity of a macroblock to be currently encoded from a target bit quantity in one picture; (d) 상기 (c) 단계에서 할당된 매크로 블록의 목표 비트량을 비트량과 DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식에 적용하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량에 대한 non-zero DCT 계수의 개수를 결정하는 단계; 및(d) a non-zero DCT coefficient for the target bit amount of the macro block by applying the target bit amount of the macro block allocated in step (c) to an RN model equation modeling the relationship between the bit amount and the number of DCT coefficients. Determining the number of; And (e) 상기 (d) 단계에서 결정된 non-zero DCT 계수의 개수를 기반으로 상기 매크로 블록의 양자화 파라미터를 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 방법.and (e) determining the quantization parameter of the macroblock based on the number of non-zero DCT coefficients determined in step (d). 제 11 항에 있어서, 상기 (d) 단계는The method of claim 11, wherein step (d) 상기 목표 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 관계를 모델링한 R-N 모델식을 하기의 식으로 정의하며, An R-N model equation that models the relationship between the target bit quantity and the number of non-zero DCT coefficients is defined by the following equation, R = α* NNZC + βR = α * N NZC + β 이전에 미리 부호화된 데이터에 대한 비트량과 non-zero DCT 계수의 개수의 통계를 이용하여 모델 계수 α,β를 구하고, 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R을 대입하여 상기 매크로 블록의 목표 비트량 R에 대한 non-zero DCT 계수의 개수 NNZC를 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 방법.Model coefficients α and β are obtained by using statistics on the amount of bits and non-zero DCT coefficients of previously encoded data, and the target bit amount R of the macro block is substituted by substituting the target bit amount R of the macro block. And determining the number N NZC of the non-zero DCT coefficients for the real-time video encoding method. 제 12 항에 있어서, 상기 (d) 단계는The method of claim 12, wherein step (d) 하기의 식을 적용하여 모델 계수 α,β를 구하는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 방법.Real-time video encoding method characterized by obtaining the model coefficients α, β by applying the following equation.
Figure 112005002229295-pat00013
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상기 RMBj와 NMBj는 이미 부호화된 N개의 매크로 블록(0~N-1) 중 j번째 매크로 블록에 대하여 부호화 과정에서 사용된 양자화 파라미터에 의해 발생한 비트량과 non-zero 계수의 개수임.R MBj and N MBj are the number of bits and non-zero coefficients generated by the quantization parameter used in the encoding process for the j-th macroblock among the N macroblocks (0 to N-1) that are already encoded.
제 11 항에 있어서, 상기 (e) 단계는The method of claim 11, wherein step (e) 미리 후보로 지정된 다수개의 양자화 파라미터를 각각 적용하여 현재 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대하여 선양자화를 수행한 후 후보 양자화 파라미터별로 non-zero DCT 계수의 개수에 대한 Q-N 히스토그램 데이터를 추출하는 단계와,Extracting Q-N histogram data for the number of non-zero DCT coefficients for each candidate quantization parameter by performing quantization on a macroblock to be currently encoded by applying a plurality of quantization parameters previously designated as candidates; 후보 양자화 파라미터 중 상기 (d) 단계에서 결정된 non-zero DCT 계수의 개수와 가장 가까운 값을 발생시키는 양자화 파라미터를 현재 부호화 하고자 하는 매크로 블록에 대한 양자화 파라미터로 결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 동영상 부호화 방법.A quantization parameter for generating a value closest to the number of non-zero DCT coefficients determined in step (d) among the candidate quantization parameters is determined as a quantization parameter for a macroblock to be currently encoded. Coding method.
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