KR100830960B1 - 역다중화 방법 및 비트율 조정 방법 - Google Patents

역다중화 방법 및 비트율 조정 방법 Download PDF

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Abstract

복호를 위하여 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 고정 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로 역다중화에는 스무딩 버퍼(smoothing buffer)를 사용하며, 여기에 상기 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림에서 추출된 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로부터의 픽쳐를 복호하기 이전에, 소정 시간 간격 이후에 가능한 빨리 고정 비트율로, 바람직하게는 복호 시간 보다 적어도 고정된 수초 먼저 입력시킨다. 상기 고정 비트율 단일 프로그램 전송 스트림은 복호될 필요가 있을 때 복호기로 전달되고, 버퍼 넘침의 경우, 상기 넘침이 종료될 때까지 B형 픽쳐가 널 B형 픽쳐로 대체되고, 이전 픽쳐가 복호기에 의해 반복된다.
Figure R1020010014903
비디오압축, 다중화, 역다중화, 비디오엘리먼트리스트림, 픽쳐, 복호, 스무딩버퍼

Description

역다중화 방법 및 비트율 조정 방법{A DEMULTIPLEXING METHOD AND A METHOD OF ADJUSTING BIT RATE}
도 1은 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림을 갖는 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 나타내는 도면이다.
도 2는 입력 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림과 본 발명에 따른 스무딩 버퍼(smoothing buffer)를 사용하여 생성되는 고정 비트율 단일 프로그램 전송 스트림 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 복호 시간 이전 또는 복호 시간 이후 가능한 빨리 고정된 시간에 시작하는 고정 비트율로 스무딩 버퍼에 픽쳐(picture)의 적재(loading)를 나타내는 타이밍도이다.
본 발명은 비디오 압축(video compression)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림(MPEG transport stream; MPTS)을, 비디오 엘리먼트리 스트림(video elementary stream)을 변경시킴이 없이 고정 비트율(constant bit rate; CBR) 단일 프로그램 전송 스트림(single program tranport stream; SPTS)으로 역다중화하는 간편한 방법에 관한 것이다.
MPTS 내의 비디오 엘리먼트리 스트림은 모두 일반적으로 가변 비트율(variable bit rate; VBR)로 부호화(encoding)된다. 고정 비트율이 너무 느리지만 않다면, 비디오 엘리먼트리 스트림을 변조시키지 않고 MPTS에서 단일 스트림을 역다중화할 수 있다. VBR 스트림의 평균 비트율이 CBR 스트림의 고정 비트율보다 큰 경우라면 이것은 자명하다. 이 경우에 있어서도, 보통 B형 픽쳐를 널 B형 픽쳐(null B-type picture)로 대체함으로써 잠재적인 비주얼 아티팩트(potential visual artifact)를 개선시킬 수 있다.
통계적으로 다중화된 MPTS를 다중(multiple) CBR SPTS로 역다중화하는 종래의 방법은 비디오 스트림을 변조(변환부호화(transcoding))함으로써 행하였다. 좀 더 일반적으로, 이는 훨씬 계산 집약적인 처리(compute intensive process)이고 출력된 비디오의 질(quality)에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 상기 제품들의 예로는 미국의 산타클라라주에 위치한 Terayon Communication 사의 Cherry Picker 7000 video re-multiplexer와 캐나다의 온타리오주 워털루에 위치한 PixStream 사의 PS5030 Multiplexer Module이 있다.
통계적으로 다중화된 MPTS에서, 비디오 스트림은 픽쳐(picture)당 광범위한 비트율을 가진 VBR로 부호화된다. 주어진 비디오 스트림에 대한 전송 패킷(transport packet; TP)은 약간의 스무딩(smoothing)이 있지만, 거의 버스티(burtsty)한 패턴으로 수신된다. 어떠한 방식으로도 재부호화(recoding)나 변조를 하지 않고, CBR 네트워크 접속 내에서 VBR 비디오 및 CBR 오디오에 완전한 SPTS를 만들어 주는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 비디오를 어떠한 식으로도 재부호화나 변조시키지 않고, 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 CBR 단일 프로그램 전송 스트림으로 역다중화하는 간편한 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 픽쳐를 부호화하기 전 또는 부호화 이후 가능한 빨리, 수십 내지 수백 밀리초(millisecond)의 일정 간격으로 픽쳐(picture) 송신을 시작한다. 개별 논리 스무딩 버퍼(logical smoothing buffer)를 VBR 단일 전송 스트림용으로 사용한다. 복호할 시점에 도달한 때, 상기 픽쳐는 복호를 위해 스무딩 버퍼로부터 전송된다. 버퍼 넘침(buffer overflow)의 경우, B형 프레임을 널 B형 프레임(null B-type frame)으로 대체하고, 넘침 상태가 종료될 때까지, 이전에 복호된 픽쳐를 반복하여 동결 프레임(freeze frame)의 효과를 얻는다.
본 발명의 목적, 장점 및 다른 특징들은 첨부한 청구 범위와 도면을 참고하여 읽을 때 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
도 1은 전부 다중화된 복수의 가변 비트율 프로그램을 갖는 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림(MPTS)을 나타내는 도면이다. 음영 표시된 패킷(shadowed packet)은 단일 프로그램 전송 스트림(프로그램 1)을 나타내고, 프로그램 패킷 모두는 동일 프로그램의 일부이다. PCR 0ms와 PCR 1.8048ms 사이에 도시한 바와 같 이, 프로그램 1은 10Mbs의 MPTS 스트림 속도, 즉 MTS 패킷당 0.1504ms로 다른 프로그램의 패킷 사이에 인터리빙(interleaving)되는 패킷의 3분의 1을 갖는다. 상기 간격(interval)에 대한 프로그램 1의 비트율은 3.33333Mbs이다. 다음 2개의 PCR 1.8048ms와 2.1056ms 사이에는 인터리빙되는 패킷이 없이 오직 2개의 프로그램 1이 있으므로, 프로그램 1의 비트율은 MTS 스트림 속도, 즉 10Mbs이다. 프로그램 1의 서로 다른 속도는, 예를 들면 이미지 복잡도(image complexity)와 MPEG 프레임 유형(I, P, B)에 의존한다.
SPTS(VBR)는 패킷 PID에 기초하여 MTS에서 분리되고, CBR을 갖는 SPTS를 생성하도록 바람직한 고정 비트율로 논리 스무딩 버퍼에 입력된다. 이후, SPTS(CBR)는 비디오 스트림에서 원래 이미지를 재생하기 위하여 각 프레임에 대해 복호 시간 스탬프(decode time stamp; DTS)가 지시하는 시간에 복호될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 원하는 CBR 이하의 평균 비트율(Average Bit Rate; ABR)를 갖는 SPTS(VBR)는 상기 CBR을 초과하는 때가 있다. 본 발명이 없을 경우, 이는 초과한 픽쳐가 복호되지 못하게 하고, 결과적으로 다음 프레임이 해독되지 않을 경우 이전 프레임이 반복되므로 반복 프레임을 초래한다. 상기 정지 프레임(still frame)은 관련 복호 시간 스탬프(DTS)가 지시하는 시간에 복호기(decoder)로 다음의 완전한 이미지나 프레임이 입력될 때까지 유지된다. 이러한 변칙적인 바람직하지 못한 상태를 방지하기 위한 본 발명에 따른 해결책은 도 3에 도시하여 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 먼저 버퍼에 프레임에 대한 패킷을 적재를 시작하여 복호 시간이 되었을 때, 프레임에 대한 전체 데이터가 복호 될 수 있도록 하는 것이다.
Bufn는 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림(MPTS) 내의 가변 비트율(VBR) 비디오 엘리먼트리 스트림(n)에 대한 스무딩 버퍼를 나타낸다. 변수 tdn(j)는 시스템의 목표 복호기(system target decoder)에서 비디오 엘리먼트리 스트림(n)의 j 번째 픽쳐에 대한 복호 시간이다. 복호 시간은 초(second)로 측정되고 엘리먼트리 스트림(n)을 포함하는 프로그램의 시스템 클럭(PCR)에 관계있다. 변수 tn i(j)는 엘리먼트리 스트림(n)의 j 번째 픽쳐의 i 번째 전송 스트림(TS)이 스무딩 버퍼(Bufn)에 입력되는 시간이다. 다시 시간은 초로 측정되고 엘리먼트리 스트림(n)을 포함하는 프로그램의 시스템 클럭에 관계있다. Rn은 도 2에 도시한 바람직한 비트율에 기초하고 비디오를 반송하지 않는 SPTS에서의 패킷 비트율 이하의 바람직한 비트율이다. Rn은 비디오 엘리먼트리 스트림을 갖는 TS 패킷이 스무딩 버퍼(Bufn)로 입력하는 일정 속도이다. 상기 속도는 비트/초(bit per second) 단위로 주어진다. 마지막으로 δn은 비디오 엘리먼트리 스트림 TS 패킷이 스무딩 버퍼(Bufn)로 입력할 수 있는 복호 시간 이전의 가장 빠른 시간이다. 다시 시간은 초로 주어진다.
버퍼 크기는 ｜Bufn｜= Rnδn으로 주어진다. 비디오 엘리먼트리 스트림( n)을 포함하는 TS 패킷은 다음의 제약하에 가능한 빨리 Bufn로 입력된다.
1. TS 패킷이 Bufn로 입력할 수 있는 속도는 Rn으로 제한된다.
2. 비디오 엘리먼트리 스트림(n)의 임의의 픽쳐 j와 상기 픽쳐 j를 포함하는 TS 패킷에 대하여, tn i(j)+δn ≥tdn(j).
3. 시간 tdn(j)에서 시간 tn i(j)인 모든 패킷이 제거된다.
4. 스무딩 버퍼(Bufn)가 채워지면, 즉 Rnδn비트를 포함하면, 더 이상 새로운 패킷이 입력될 수 없다.
상기 스무딩 버퍼(Bufn)가 넘치거나 모자라지(overflow or underflow) 않으면 버퍼 모델은 충족된다. 비디오 엘리먼트리 스트림(n)의 임의의 픽쳐 j와 픽쳐 j를 포함하는 임의의 TS 패킷에 대하여, tn i(j)＞tdn(j)일 경우 넘침이나 모자람이 발생한다.
넘침의 경우, Douglas C.Stevens 등의 "Readjustment of Bit Rates When Switching Betwen Compressed Video Streams"라는 명칭으로 출원 계속 중인 미국 특허 출원 제 09/113,669호 개시된 바와 같이, 넘침이 종료될 때까지 B형 프레임이 널 B형 프레임으로 대체되고, 이는 복호기가 이전 비디오 프레임을 반복하는 효과를 가져온다.
가변 비트율을 갖는 일련의 프레임을 도시한 도 3에 전술한 바를 예시한다. 프레임 1에 대한 DTS보다 δ 이전의 시간에서, 프레임 1은 버퍼에 적재된다. 상기 버퍼는 연속적인 DTS 시간 사이에서 복수의 동일한 용량 슬롯(equal capacity slot)을 구비한 것으로 간주될 수 있다. 프레임 1은 슬롯 1개의 용량보다 적은 비트를 가지므로, 다시 한번 프레임 2에 대한 DTS보다 δ 이전의 시간에서, 프레임 2가 버퍼로 적재되기 이전에 갭(gap)이 발생한다. 유사하게 DTS보다 δ 이전의 시간에서, 프레임 3이 적재된다. 프레임 3은 슬롯 1개에 배치되는 비트보다 더 많은 비트를 가지고, 따라서 프레임 4는 그 이후 가능한 빨리 버퍼에 적재된다. 그런 다음 프레임 5가 가능한 빨리 버퍼에 적재된다. 프레임 5의 끝(end)은 프레임 5에 대한 DTS 시간을 거의 초과하고 버퍼는 넘침 상태에 직면한다. 하지만, 다음의 일부 프레임 6, 7 및 8은 각각 슬롯 1개보다 적은 비트를 가져 버퍼의 용량을 경감되도록 한다.
따라서, 본 발명은, 스무딩 버퍼를 사용하여 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 고정 비트율 단일 프로그램 전송 속도로 역다중화하고, 복호될 필요가 있는 픽쳐 이전의 고정 시간 간격까지의 가능한 빨리 원하는 고정 비트율로 스트림 내의 비디오 픽쳐를 스무딩 버퍼에 적재시키는 방법을 제공한다.

Claims (8)

  1. 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 고정 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로 역다중화하는 역다중화 방법에 있어서,
    상기 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림으로부터, 각각의 픽쳐가 복호 시간 스탬프(decode time stamp)를 가지고 있는 일련의 픽쳐(a sequence of pictures)로 이루어진 가변 비트율 프로그램을 포함하는 특정의 단일 프로그램 전송 스트림을 분리시키는 단계;
    상기 가변 비트율 프로그램으로부터의 j 번째 픽쳐를 스무딩 버퍼에 고정 비트율로 적재시키는 단계;
    (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지 상기 j 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재가 완료된 경우, 상기 j+1 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간에서, 상기 고정 비트율로 상기 (j+1) 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재를 개시하는 단계;
    (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지 상기 j 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재가 완료되지 않은 경우, 상기 j 번째 픽쳐의 적재가 완료된 후에 상기 고정 비트율로 상기 (j+1) 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재를 개시하는 단계; 및
    상기 복호 시간에 상기 스무딩 버퍼에서 상기 픽쳐를 전송하는 단계를 포함하는 역다중화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스무딩 버퍼가 상기 고정 비트율에 상기 δ를 곱한 것과 동일한 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 역다중화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스무딩 버퍼가 넘침 상태(overflow)인 경우, 상기 넘침 상태가 종료될 때까지, 상기 스무딩 버퍼로의 입력에 B형 프레임(B-type frame)을 널 B형 프레임(null B-type frame)으로 대체하여 제공하는 것을 특징으로 하는 역다중화 방법.
  4. 고정 비트율보다 작은 평균 비트율 및 상기 고정 비트율보다 큰 최대 비트율을 가지며, 각각의 픽쳐가 복호 시간 스탬프를 가진 일련의 픽쳐로 이루어진 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 비트율을 조정하는 비트율 조정 방법에 있어서,
    (a) 상기 일련의 픽쳐 중 j 번째 픽쳐를 스무딩 버퍼에 적재시키는 단계;
    (b) 상기 스무딩 버퍼로부터 상기 j 번째 픽쳐를 복호를 위해 전송하는 단계;
    (c-1) (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지 상기 j 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재가 완료된 경우, 상기 j+1 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간에서, 상기 고정 비트율로 상기 (j+1) 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재를 개시하는 단계;
    (c-2) (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지 상기 j 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재가 완료되지 않은 경우, 상기 j 번째 픽쳐의 적재가 완료된 후에 상기 고정 비트율로 상기 (j+1) 번째 픽쳐의 상기 스무딩 버퍼로의 적재를 개시하는 단계;
    (d) 상기 스무딩 버퍼로부터 상기 (j+1) 번째 픽쳐를 복호를 위해 전송하는 단계
    를 포함하는 비트율 조정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림은, 다중화되어 있는 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 스트림을 가진 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림에 포함된 하나의 스트림이고, 각각의 상기 가변 비트율 단일 프로그램 스트림은 각각의 픽쳐가 복호 시간 스탬프를 가진 일련의 픽쳐로 이루어지며,
    상기 비트율 조정 방법은, 상기 단계 (a)의 전에,
    복수의 스무딩 버퍼를 상기 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 각각 제공하는 단계; 및
    상기 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림으로부터 상기 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림을 분리시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계 (a)에서는, 상기 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 각각에 대해, 각각의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로부터의 j 번째 픽쳐를 그 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 제공된 스무딩 버퍼에 적재시키는 것을 특징으로 하는 비트율 조정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (c-1)에서는, 상기 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 각각에 대해, (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지, 상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 j 번째 픽쳐를 그 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 제공된 스무딩 버퍼로 적재시키는 것이 완료된 경우에, 상기 j+1 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간에서, 상기 고정 비트율로 상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 상기 (j+1) 번째 픽쳐를 그 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 제공된 스무딩 버퍼로 적재시키는 것을 개시하는 것을 특징으로 하는 비트율 조정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c-2)에서는, 상기 복수의 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 각각에 대해, (j+1) 번째 픽쳐의 복호 시간 스탬프가 나타내는 시간보다 δ 이전의 시간까지, 상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 j 번째 픽쳐를 그 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 제공된 스무딩 버퍼로 적재시키는 것이 완료되지 않은 경우에, 상기 j 번째 픽쳐의 적재가 완료된 후에, 상기 고정 비트율로 상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림의 상기 (j+1) 번째 픽쳐를 그 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림에 대해 제공된 스무딩 버퍼로 적재시키는 것을 개시하는 것을 특징으로 하는 비트율 조정 방법.
  8. 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림을 고정 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로 역다중화하는 역다중화 방법에 있어서,
    상기 통계적으로 다중화된 MPEG 전송 스트림으로부터, 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림을 분리시키는 단계;
    상기 가변 비트율 단일 프로그램 전송 스트림으로부터의 픽쳐를, 상기 픽쳐에 대한 복호 시간 이전의 특정 시간 또는 그 특정 시간 이후에, 스무딩 버퍼로 고정 비트율로 적재시키는 단계;
    상기 복호 시간에, 상기 스무딩 버퍼로부터 상기 픽쳐를 전송하는 단계; 및
    상기 스무딩 버퍼가 넘침 상태(overflow)인 경우, 상기 넘침 상태가 종료될 때까지, 상기 스무딩 버퍼로의 입력에 B형 프레임(B-type frame)을 널 B형 프레임(null B-type frame)으로 대체하여 제공하는 단계
    를 포함하는 역다중화 방법.
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