KR100853143B1

KR100853143B1 - Ｉ 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원방법

Info

Publication number: KR100853143B1
Application number: KR1020070015798A
Authority: KR
Inventors: 송영준; 안재형; 남 김
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-20
Also published as: WO2008100000A1

Abstract

I 프레임을 기준으로 장면 전환 표시 비트와 유사 프레임 위치 표시 비트등을 포함시켜 동일하게 장면이 전환되는 동영상에 대하여 효과적으로 압축을 수행할 수 있도록 하기 위한 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법이 개시된다. 본 발명은 장면 전환이 되는 I 프레임 중에서 이전에 사용되었던 프레임과 비슷할 경우 I 프레임을 대치하여 I 프레임 태그를 압축함으로써 압축률을 높임으로써 IP TV와 같이 동영상 스트리밍 서비스와 같이 일정량의 데이터를 사용자가 저장할 수 있는 시스템에서 전송 압축량을 감소시키고 사용자의 기기에서 버퍼에 저장된 일정 크기의 데이터를 재활용하게 하여 통신상의 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있다.

Description

Ｉ 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원방법{method for moving picture compressing and decompressing using the tag of I frame}

도 1은 종래의 동영상 압축 방법에서 GOP 구조를 보여주기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 I 프레임 태그와 GOP 구조를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 동영상 압축 과정을 보여주기 위한 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 동영상 복원 과정을 보여주기 위한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : I 프레임 102 : B 프레임

103 : P 프레임

본 발명은 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법에 관한 것으로, 특히 I 프레임을 기준으로 장면 전환 표시 비트와 유사 프레임 위치 표시 비트등을 포함시켜 동일하게 장면이 전환되는 동영상에 대하여 효과적으로 압축을 수행할 수 있도록 하기 위한 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 동영상 압축은 압축 데이터를 주파수 변환하여 주파수 영역에서 압축하는 방법과 공간 영역에서 각 화소를 일정 방법에 의해 서브 샘플링하고 이를 압축하는 방법으로 구별되고 있다.

동영상 압축은 국제 표준 기구의 동영상 전문가 그룹(International Standards Organization's Moving Picture Experts Group)이 제안한 MPEG 표준이 있다. MPEG 영상 압축 알고리즘은 1991년 ISO JTC1/SC2/WG11에서 초안한 규정을 따르고 있으며, 주요 알고리즘은 한 번에 화면을 모두 출력하는 넌-인터레이스(Non-interlaced : 순차주사)성분의 영상에서 동작하도록 설계되어 있다. 휘도(Y), 적색성분(Cr), 청색성분(Cb)을 갖는 픽쳐로 구성이 되어 있고, Y:Cr:Cb의 비트 구성은 대략 4:2:2 비율로 압축된다. 또한 MPEG에서는 GOP(Group of Picture; 이하 GOP라함) 구조로 동영상을 압축하고 있으며, GOP 구조는 I, P, B 픽쳐로 구성된다.

I 픽쳐(Intra-Picture)는 전후의 화면과는 관계없이 그 화면내에서 독립적으로 부호화하여 얻어지는 화면이다. 즉, 시간 방향의 움직임 예측을 적용하지 않으며 화면 내 정보만을 사용해서 부호화 처리를 수행한다.

P 픽쳐(Predictive-Picture)는 화면간의 순방향 예측부호화에 의해 얻어지는 화면이다. 즉, I 픽쳐 또는 P 픽쳐는 예측 영상으로써, 화면(프레임)간 예측에 사용하여 부호화 처리가 수행된다. 다만 하나의 매크로블록 예측에 사용할 수 있는 것은 시간축 상에서 해당 프레임(예측 화면:P픽쳐) 보다 과거에 존재하는 매크로 블록을 사용하는 순방향 예측뿐이다.

B 픽쳐(Bi-directional Predictive-Picture)는 과거와 미래의 양방향으로부 터의 예측 부호화에 의해 얻어지는 화면이다. 즉, I 픽쳐 또는 P 픽쳐를 예측 영상으로 사용해서 시간축 상에서 해당 프레임보다 과거, 미래, 또는 양방향에 존재하는 매크로블록을 사용한 양방향 예측이 가능하다.

종래의 동영상 압축 방법은 도 1에서 보는 바와 같이, 기준 프레임인 I 프레임을 먼저 압축하여 전송하게 되고(1), 다음으로는 순방향 예측에 의해 P 프레임(5), 그리고 양방향 예측에 의해 B 프레임(2,3,4)의 순으로 압축하여 전송하게 된다. B 프레임이 다 압축되어 전송될 경우 다시 기준 프레임인 I 프레임(9)을 압축하여 전송하고 기준 프레임과 P 프레임간의 양방향 예측 프레임인 B 프레임(6,7,8)을 압축하여 전송하게 된다. 이와 같은 방법으로 n번째 I 프레임과 n-1번째 B 프레임까지를 압축하여 전송하게 된다.

즉, 도 1과 같은 종래의 GOP 구조에서 기준 프레임인 I 프레임과 I 프레임에 의해 순방향으로 예측할 수 있는 P 프레임, 그리고 I 프레임과 P 프레임 또는 I 프레임과 B 프레임의 2개 프레임에 의해 양방향으로 예측되는 B 프레임 순으로 압축하게 된다. 그러나 같은 장면이 시간의 경과에 따라 빈번하게 전환되어 이전 I 프레임과 차이가 많이 발생하지 않을 경우, 리던던시(잉여 비트)가 발생하게 된다. 즉, 기존의 기술로는 장면이 빈번하게 전환될 지라도 I 프레임으로 선정된 경우 계속하여 I 프레임 전체에 대해 압축 알고리즘을 적용하게 되어 효율적이 압축이 불가능한 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 장면 전환이 되 는 I 프레임 중에서 이전에 사용되었던 프레임과 비슷할 경우 I 프레임을 대치하여 I 프레임 태그를 압축함으로써 압축률을 높임으로써 IP TV와 같이 동영상 스트리밍 서비스와 같이 일정량의 데이터를 사용자가 저장할 수 있는 시스템에서 전송 압축량을 감소시키고 사용자의 기기에서 버퍼에 저장된 일정 크기의 데이터를 재활용하게 하여 통신상의 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있는 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은

입력된 동영상을 분석하여 장면 전환에 따른 I 프레임을 생성하고, 생성된 I 프레임에 각각 번호를 할당하되 최초의 I 프레임은 플래그 비트를 0으로 설정하는 I 프레임 태그 생성 단계;

I 프레임 태그가 생성된 I 프레임이 입력되면, 입력된 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 화소의 차이값를 구하고, 이 차이값이 전체 화소값의 10%인 임계값보다 작은지를 판단하는 I 프레임 비교 단계;

I 프레임 비교 단계에서 차이값이 임계값보다 작다면, 이전의 I 프레임들중 임계값과의 차이가 제일 작은 I 프레임의 I 프레임 번호로 현재의 I 프레임 태그의 I 프레임 번호를 대체하고 플래그 비트를 0으로 설정하며, 대체된 I 프레임 대신에 I 프레임 태그만을 압축하는 I 프레임 태그 압축 단계;

I 프레임 비교단계에서 차이값이 임계값보다 크다면, 입력된 현재의 I 프레임을 I 프레임으로 설정하고 입력된 현재의 I 프레임의 번호와 플래그 비트가 1인 I 프레임 태그를 생성하고, 설정된 I 프레임과 생성된 I 프레임 태그를 모두 압축하는 I 프레임 압축 단계;

I 프레임 태그 압축 단계 및 I 프레임 압축 단계후에 I 프레임 및 I 프래임 태그의 압축이 종료되면, 다른 B, P 프레임은 전송되어지는 I 프레임을 기준으로 생성되고 압축되어 전송되는 전송단계를 포함하는 압축과정과,

전송 받아 입력되는 동영상에서 압축된 I 프레임을 복원하고, 복원된 I 프레임 태그의 플래그 비트가 0인지 1인지를 판단하여 I 프레임 태그의 플래그 비트가 0이면, I 프레임 태그와 같이 압축되어 기 전송된 해당 I 프레임 번호의 I 프레임을 복원하는 I 프레임 태그 복원 단계;

I 프레임 태그 복원 단계에서 복원된 I 프레임 태그의 플래그 비트가 1이면 압축되어 전송된 I 프레임을 복원하고 복원된 I 프레임을 이용하여 B, P 프레임들을 복원하여 전체적인 동영상을 복원하는 단계를 포함하는 복원과정으로 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면중 도 1은 종래의 동영상 압축 방법에서 GOP 구조를 보여주기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 I 프레임 태그와 GOP 구조를 보여주는 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 동영상 압축 과정을 보여주기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 동영상 복원 과정을 보여주기 위한 흐름도이다.

본 발명은 도2에서 보는 바와 같이 GOP 구조의 동영상 압축 방법을 개선하기 위한 것으로, I 프레임(픽쳐) 태그를 추가하여 압축률을 향상시키는 것이다. 즉, 각 I 프레임마다 플래그 비트를 두어 이전에 압축되었던 I 프레임의 영상과 비슷한 경우 I 프레임 대신에, 해당 I 프레임의 플래그 비트를 사용하여 비슷한 장면이 자주 전환되게 될 경우 획기적으로 압축율을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 프래임 태그 생성은 모든 I 프레임에 대해서 생성이 되고, 프레임 태그가 형성된 각각의 I 프레임은 이전 I 프레임들과의 각 화소들의 차이값을 연산하여, 연산된 차이값이 임계값 즉, 전체 화소값의 10% 이내일 경우에는 현재 I 프레임 영상 대신에 이전 프레임의 태그 번호로 대치하여 결과적으로 현재 프레임 태그 번호와 대치되는 이전 프레임 태그 번호만을 압축하여 전송하는 것이다.

프레임 태그가 형성된 각각의 I 프레임은 이전 I 프레임들과의 각 화소들의 차이값을 연산하여, 연산된 차이값이 임계값 즉, 전체 화소값의 10%가 넘을 경우에는 현재 I 프레임 태그 번호와 현재 프레임의 영상을 압축하여 전송하게 된다.

이를 위하여, 도 3에서 보는 바와 같이 스트리밍 서비스를 하고자 하는 동영상을 압축하기 위해, 입력된 동영상을 분석하여 장면 전환에 따른 I 프레임을 생성한다.(단계 S1) S1단계에서 생성된 I 프레임에 각각 번호를 할당하고, 최초의 I 프레임은 플래그 비트를 0으로 설정하는 I 프레임 태그를 생성한다.(단계 S2)

I프레임 태그가 생성되고 나면, 두 번째 I 프레임부터 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 차이값를 구하고, 이 차이값이 임계값보다 작은지를 판단한다.(단계S3)

즉, 임계값의 연산 과정은 현재 화소값의 합을 구하고, 현재 I 프레임과 이전에 보내지는 I 프레임과의 화소들 차이값의 합을 구해서 그 값이 현재 화소값의 합에 대해서 10% 되는 값이 되는 지를 연산하는 것이다.

단계 S3에서, 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 차이값을 구하고, 이 차이값이 임계값보다 작다면, 이전의 I 프레임들중 임계값과의 차이가 제일 작은 I 프레임의 I 프레임 번호로 현재 I 프레임 태그의 I 프레임 번호를 대체하고, 플래그비트는 O으로 설정하고, 이전 I 프레임 태그를 현재 I 프레임으로 대체한다. (단계 S4) 그리고, 대체된 I 프레임 대신에 플래그 비트 0과 대체된 I 프레임 번호로 구성되는 I 프레임 태그만을 압축한다.(단계 S5)

또한, 단계 S3에서, 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 차이값을 구하고, 이 차이값이 임계값보다 크다면, 현재 I 프레임을 I 프레임으로 설정하고 현재 I 프레임의 번호와 참조 플래그 비트가 1인 I 프레임 태그를 생성하고, 생성된 I 프레임과 I 프레임 태그를 모두 압축한다.(단계 S6~S7)

즉, 단계 S3에서, 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 차이값이 임계값보다 작다면, 플래그 비트 0과 대체된 I 프레임 번호로 구성되는 I 프레임 태그만을 압축하며, 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 차이값이 임계값보다 크다면, 현재 I 프레임의 번호와 플래그 비트가 1인 I 프레임 태그를 생성하는 것이다.

I 프레임 및 I 프래임 태그의 압축이 종료되면, 다른 B, P 프레임은 전송되어지는 I 프레임을 기준으로 생성되고 압축되어 전송된다.(단계 S8)

이와 같이 압축되어 전송된 동영상을 복원하는 과정은 도 4에서 보는 바와 같이, 전송 받아 입력되는 동영상에서 압축된 I 프레임을 복원하고(단계 S11), 복원된 I 프레임이 프레임 태그만 압축되었는 지 판단하여(단계 S12) 즉, I 프레임 태그의 플래그 비트가 0인지 1인지를 판단하여 I 프레임 태그의 플래그 비트가 0이면, I 프레임과 이전 프레임 번호만 압축되어 있는 것이므로 이미 전송되어진 해당 번호의 I 프레임을 복원하게 된다. (단계 S13)

또한, 단계 12에서 복원된 I 프레임의 프레임 태그가 0인지 1인지를 판단하여, 복원된 I 프레임 태그의 플래그 태그가 1이면 압축되어 전송된 I 프레임을 복원하고 복원된 I 프레임을 이용하여 B, P 프레임들을 복원하여 전체적인 동영상을 복원하게 된다.(S14~S15)

이와 같은 본 발명은 디지털 동영상의 스트리밍 서비스를 위한 압축시 GOP 구조로 압축을 하던 방식과는 달리 각 I 프레임마다 플래그를 두어 이전에 압축되었던 I 프레임의 영상과 비슷한 경우 I 프레임 대신에, 해당 I 프레임 플래그를 사용하여 압축율을 높이는 방법이다.

본 발명에 따른 동영상 압축 및 복원 방법은 비슷한 장면이 자주 전환되게 될 경우 획기적으로 압축율을 향상시킬 수 있고, 동영상의 화질은 변하지 않게 한 동영상 압축 방법에 대한 것이다. 이 방법은 IP TV와 같이 일정량의 동영상을 저장 후 재생할 경우 가변 시간에 대한 압축을 할 수 있어 보다 적응적으로 압축할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법은 디지털 동영상의 스트리밍 서비스를 위한 압축시 GOP 구조로 압축을 하던 방식과는 달리 각 I 프레임마다 플래그를 두어 이전에 압축되었던 I 프레임의 영상과 비슷한 경우 I 프레임 대신에, 해당 I 프레임 플래그를 사용하여 압축율을 높임으로써 같은 영상 장면이 시간에 따라 전환이 많이 되는 뉴스나 드라마의 경우 높은 이득을 가지는 효과가 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims

ⅰ)입력된 동영상을 분석하여 장면 전환에 따른 I 프레임을 생성하고, 상기 생성된 I 프레임에 각각 번호를 할당하되 최초의 I 프레임은 플래그 비트를 0으로 설정하는 I 프레임 태그 생성 단계;(S1~ S2)

ⅱ) 상기 I 프레임 태그가 생성된 I 프레임이 입력되면, 입력된 현재의 I 프레임과 이전의 I 프레임들과의 화소의 차이값를 구하고, 이 차이값이 전체 화소값의 10%인 임계값보다 작은지를 판단하는 I 프레임 비교 단계; (S3)

ⅲ) 상기 I 프레임 비교 단계에서 상기 차이값이 임계값보다 작다면, 이전의 I 프레임들중 상기 임계값과의 차이가 제일 작은 I 프레임의 I 프레임 번호로 현재의 I 프레임 태그의 I 프레임 번호를 대체하고 플래그 비트를 0으로 설정하며, 대체된 I 프레임 대신에 I 프레임 태그만을 압축하는 I 프레임 태그 압축 단계; (S4~ S5)

ⅳ)상기 I 프레임 비교단계에서 상기 차이값이 임계값보다 크다면, 입력된 현재의 I 프레임을 I 프레임으로 설정하고 상기 입력된 현재의 I 프레임의 번호와 플래그 비트가 1인 I 프레임 태그를 생성하고, 상기 설정된 I 프레임과 상기 생성된 I 프레임 태그를 모두 압축하는 I 프레임 압축 단계;(S5~S7)

ⅴ)상기 I 프레임 태그 압축 단계 및 I 프레임 압축 단계후에 I 프레임 및 I 프래임 태그의 압축이 종료되면, 다른 B, P 프레임은 전송되어지는 I 프레임을 기준으로 생성되고 압축되어 전송되는 전송단계;(S8)를 포함하는 압축과정과,

ⅵ)전송 받아 입력되는 동영상에서 압축된 I 프레임을 복원하고, 복원된 I 프레임 태그의 플래그 비트가 0인지 1인지를 판단하여 상기 I 프레임 태그의 플래그 비트가 0이면, 상기 I 프레임 태그와 같이 압축된 기 전송된 해당 I 프레임 번호의 I 프레임을 복원하는 I 프레임 태그 복원 단계;(S11~ S13)

ⅵ)상기 I 프레임 태그 복원 단계에서 복원된 I 프레임 태그의 플래그 비트가 1이면 압축되어 전송된 I 프레임을 복원하고 복원된 I 프레임을 이용하여 B, P 프레임들을 복원하여 전체적인 동영상을 복원하는 단계(S14~S15)를 포함하는 복원과정으로 구성된 I 프레임 태그를 이용한 동영상 압축 및 복원 방법.