KR100905059B1 - 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한블록 모드 결정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법 및 장치에 관한 것으로, IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화에서 비트 발생 가능성 예측을 통해 우선적으로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드인지를 먼저 판단하여 불필요한 연산량을 줄이도록 한 것에 특징이 있으며, 이에 따라 블록 모드 결정을 위한 연산을 최소한으로 줄여 부호화 속도를 향상시킬 수 있으며 화질 저하도 최소화할 수 있는 효과가 있다.
H.264, CBP, 블록 모드, 평균, 분산, 비트 발생 가능성, 스킵(SKIP), 직접 예측(Direct)

Description

동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법 및 장치{The method and apparatus for block mode decision using predicted bit generation possibility in video coding}
본 발명은 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화에서 각 블록의 평균값과 분산값을 이용하여 비트 발생 가능성을 예측하고 이를 이용하여 스킵 모드 또는 직접 예측 모드를 결정함으로써 H.264 부호화 연산량과 화질 저하를 최소한으로 줄일 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-022-02, 과제명: 임베디드 SW 기반 Smar Town 솔루션 기술 개발].
화상회의, 고화질 텔레비전, 주문형 동영상(VOD) 수신기, MPEG(Moving Picture Experts Group) 영상을 지원하는 퍼스널 컴퓨터, 게임기, 지상파 디지털 방송 수신기, 디지털 위성 방송 수신기 및 케이블 텔레비전(CATV) 등에서 사용되는 디지털 영상 데이터는 영상 자체의 특성과 아날로그 신호를 디지털화하는 과정에서 데이터량이 크게 늘어나기 때문에 그대로 사용되기보다는 효율적인 압축방법에 의해 압축된다.
디지털 영상 데이터의 압축은 크게 3가지 방법을 이용하고 있다. 시간적인 중복성(temporal redundancy)을 줄이는 방법과 공간적인 중복성(spatial redundancy)을 줄이는 방법, 그리고 발생 부호의 통계적 특성을 이용하여 줄이는 방법이 주로 이용된다. 이 중에서 시간적인 중복성을 줄이는 대표적인 방법이 바로 움직임 추정 및 보상 방법으로서 MPEG, H.263 등 대부분의 동영상 압축 표준안에서 사용되고 있다.
현재 화면의 특정 부분에 대해 이전 또는 이후의 기준 화면으로부터 가장 유사한 부분을 찾고, 두 부분의 차이 성분만을 전송하는 움직임 추정 및 보상 방법은, 가능한 한 움직임 벡터를 정밀하게 찾을수록 전송할 차이 성분이 줄어들어 데이터를 더욱 효과적으로 줄일 수 있지만, 이전 또는 이후의 화면에서 가장 유사한 부분을 찾기 위해서는 상당한 추정 시간과 계산량이 요구된다. 따라서 동영상의 부호화시 시간이 가장 많이 소요되는 움직임 추정 시간을 줄이려는 노력이 계속되고 있다.
한편, 움직임 추정 방법은 크게 화소 단위(pixel-by-pixel basis)의 추정방법과 블록 단위(block-by-block basis)의 추정방법이 있으며, 이 중에서 블록 단위 추정방법이 가장 많이 사용되는 대표적인 알고리즘이다.
블록 단위 추정방법은 영상을 일정한 크기의 블록으로 분할하고 이전 영상의 탐색 영역내에서 현재 영상의 블록과 가장 잘 정합되는 블록을 찾는 방법이다. 찾 은 블록과 현재 영상블록과의 차이를 움직임 벡터라고 하는데 이를 부호화하여 처리한다. 두 블록간의 정합 계산에는 여러 가지 정합 함수들이 사용될 수 있는데 가장 일반적으로 사용되는 것은 두 블록간 화소들 차의 절대값을 모두 합한 값인 SAD(Sum of Absolute Difference)이다.
H.264 코덱의 경우에는 기존의 SAD 위주의 탐색 방법 대신 RDO(Rate Distortion Optimization)에 기반한 Cost 함수를 통해 탐색을 수행한다. H.264에서 사용하는 Cost 함수는 기존의 SAD 값에 부호화된 계수의 개수에 라그랑지안 멀티플라이어를 곱한것의 합으로 이루어진 비트율 왜곡값(Rate Distortion Cost)을 사용하여 탐색을 하게된다. 이때 부호화된 계수의 개수는 양자화 계수값에 비례하는 값으로 치환되어 결정되며, 여기에 고정된 라그랑지안 멀티플라이어 값을 곱하여 Cost값을 결정하여 탐색을 수행한다.
또한, H.264 동영상 부호화에서는 압축효율과 높은 화질을 동시에 얻기 위하여 기존의 동영상 부호화에서는 16×16 혹은 8×8의 블록 단위로 부호화를 수행한 것과 달리, 모두 8가지의 서로 다른 블록화 모드 중에서 최소값을 갖는 블록 모드를 선택하도록 구성되어 있다.
그러나, 8가지의 서로 다른 블록 모드를 결정하기 위해서 각 모드에 대하여 정화소, 부화소 탐색뿐 아니라, 각종 부호화 연산이 모두 독립적으로 수행되어야 하기 때문에 기존의 동영상 부호화 알고리즘에 비하여 많은 계산량과 계산시간을 소비하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화에서 비트 발생 가능성 예측을 이용하여 블록 모드를 결정함으로써, 블록 모드 결정을 위한 연산을 최소한으로 줄이면서 화질 저하를 최소화할 수 있는 블록 모드 결정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법은, H.264 동영상 부호화에 있어서 인터(Inter) 프레임인 P 프레임과 B 프레임에 대한 매크로 블록의 블록 모드를 결정하는 방법에 있어서, (a) 입력된 영상 프레임에 대하여 움직임 추정을 행하여 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록을 결정하는 단계; (b) 상기 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 계산하는 단계; (c) 상기 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산하는 단계; (d) 상기 계산된 비트 발생 가능성 예측값에 따라 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드인지 추가의 움직임 추정이 불필요한 블록 모드인지 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 장치는, H.264 동영상 부호화에 있어서 인터(Inter) 프레임인 P 프레임과 B 프레임에 대한 매크로 블록의 블록 모드를 결정하는 장치에 있어서, 입력된 영상 프레임에 대하여 움직임 추정을 수행하는 움직임 추정부; 및 상기 움직임 추정을 통해 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 구한 후, 상기 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산하여 상기 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값에 따라 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드인지 추가의 움직임 추정이 불필요한 블록 모드인지 결정하는 블록 모드 결정부로 구성된 움직임 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화에서 비트 발생 가능성 예측을 통해 우선적으로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드인지를 먼저 판단하여 불필요한 연산량을 줄일 수 있으며, 이에 따라 블록 모드 결정을 위한 연산을 최소한으로 줄여 부호화 속도를 향상시킬 수 있으며 화질 저하도 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법 및 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화기(1)를 도시한 블록도이다.
도 1에서, 현재 영상(11)은 Fn(Current)으로 표기되고, 1 단위 시간 전에 인코더내의 움직임 보상기(102)에 의하여 복원된 영상들(12)은 F'n - 1(Referenced)으로 표기되고, 현재 영상에 대한 복원 영상(13)(디코더에서 디코딩 영상과 동일한 영상)은 F'n 으로 표기되며, 여기서 n은 시간 인덱스를 나타낸다.
도 1에 도시된 동영상 부호화기(1)는 현재 입력되는 매크로 블록 단위의 영상(11)을 인트라 모드(Intra Mode)와 인터 모드(Inter Mode)로 부호화하며, 이를 위해 H.264는 SKIP, 16×16, 16×8, 8×16, 8×8, 8×4, 4×8, 4×4의 8개 인터 모드를 지원하고, Intra4×4, Intra8×8, Intra16×16의 3개의 인트라 모드를 지원한다. 이 때, 인터 모드에서 8×8, 8×4, 4×8, 4×4의 4개 모드를 P8×8라 통칭한다.
도 2(a)는 H.264의 인터 모드를 나타낸 도면으로, 인터 모드에서는 SKIP, 16×16, 16×8, 8×16, P8×8 블록 단위로 움직임 예측을 통해 현재 매크로 블록을 예측하며, 도 2(b)는 H.264의 Intra4×4 인트라 모드를 나타낸 도면으로, Intra4×4 인트라 모드에서는 4×4 블록 단위로 총 9가지 예측 방향을 이용하여 현재 매크로 블록을 예측한다.
다시 도 1을 참조하면, 움직임 추정기(Motion Estimation)(100)는 현재 입력되는 매크로 블록 단위의 영상(11)에 대하여 이전에 복원된 참조 영상(12)을 제공받아 움직임 추정을 수행하여 움직임 벡터(motion vector)를 구하며, 움직임 보상기(102)는 움직임 추정기(100)로부터 구해진 움직임 벡터와 이전에 복원된 참조 영상(12)을 이용하여 움직임 보상된 영상을 생성하여 이를 감산기(110)로 출력한다.
이 때, 인트라 예측 모드 결정기(104)는 현재 입력되는 매크로 블록 단위의 영상 프레임과 이전에 복원된 참조 영상을 제공받아 인트라 예측 모드를 결정하여 이를 인트라 예측기(106)로 출력하며, 인트라 예측기(106)는 예측 모드 결정기(104)로부터 결정된 인트라 예측 모드에 따라 색차 및 휘도 보상된 영상을 생성 하여 이를 감산기(110)로 출력한다.
감산기(110)는 입력 매크로 블록과, 움직임 보상기(102)로부터 움직임 보상된 매크로 블록 및 인트라 예측기(106)로부터 색차 및 휘도 보상된 영상과의 차분 영상(Dn)을 출력하며, 출력된 차분 영상(Dn)은 DCT(Discrete Cosine Transform, 이산 코사인 변환)(120) 및 양자화기(130)를 거쳐 블록 단위로 양자화된다.
블록 단위로 양자화된 영상 프레임은 가변 길이 부호화(Variable Length Coding) 압축을 위해 재배열기(Reorder)(140)를 통해 재배열되며, 재배열된 영상은 엔트로피 인코더(Entropy Encoder)(150)에 의해 엔트로피 부호화되어 NAL(network abstraction layer) 유닛 데이터의 형태로 출력된다.
이와 같은 부호화가 진행되는 동안, 양자화기(130)로부터 출력된 양자화된 영상은 역양자화기(160)와 IDCT(Inverse Discrete Cosine Transform, 역 이산 코사인 변환)(170)를 거쳐 복호화되고, 복호화된 영상은 가산기(180)로 입력되어, 움직임 보상기(102)로부터 출력된 움직임 보상된 매크로 블록 및 인트라 예측기(106)로부터 출력된 색차 및 휘도 보상된 매크로 블록과 더해져 영상 복원(움직임 보상)이 이루어지게 된다.
복원된 영상은 화질 개선을 위해 필터(190)를 거친 후 F'n(13)으로 저장되며, 이는 다음 영상을 인코딩할 때 F'n - 1 로서 참조된다.
본 발명은 상기 도 1과 같이 구성된 H.264 동영상 부호화기(1)에 있어서 움직임 추정기(100)에서 비트 발생 가능성 예측을 통해 블록 모드를 빠르게 결정하여 부호화 연산을 최소한으로 줄이면서도 화질이 저하되지 않도록 한 것에 가장 큰 특징이 있으며, 이에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 도 1에 도시된 동영상 부호화기(1)에서 움직임 추정기(100)의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4는 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 위한 DCT 및 확률밀도 함수의 유사성에 대한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 움직임 추정기(100)는 움직임 추정을 위한 움직임 추정부(310)와, 움직임 추정 결과에 따라 블록 모드를 결정하는 블록 모드 결정부(320)를 포함하며, 움직임 추정부(310)는 정화소 추정모듈(311)과 부화소 추정모듈(312)을 포함하고, 블록 모드 결정부(320)는 비트 발생 가능성 예측부(321)와 블록 모드 판단부(322)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 종래 기술과 본 발명의 차이점을 살펴보기로 한다.
종래에는 4×4 DCT 및 양자화를 수행하고 그 결과를 통해 부호화 블록 패턴(Coded Block Pattern : CBP)을 구한 뒤 이를 이용하여 P 프레임에서 스킵(SKIP) 모드를 판단하거나 혹은 B 프레임에서 직접 예측(Direct-predictive) 모드를 판단하였다. 그리고, 스킵 모드와 직접 예측 모드 이외의 나머지 모드에 대해서는 정화소 및 부화소 추정을 수행하고 그에 따른 비트율-왜곡(Rate Distortion) 연산을 수행하여 최소의 비트율 왜곡값을 갖는 블록 모드를 선택하는 방식이었다. 따라서, CBP값을 구하기 위한 DCT 및 양자화 연산으로 인해 계산량이 불필요하게 많아지는 문제점이 있다.
이를 위해, 본 발명에서는 첫번째의 정화소 및 부화소 추정이 끝난 후 별도의 DCT 연산 및 양자화 연산을 수행하지 않고 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 비트 발생 가능성 예측값을 계산하여 스킵 모드와 직접 예측 모드인지를 결정하는데, 본 발명의 원리를 수학식을 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 X∈R4 ×4를 움직임 보상된 4×4 화소 데이터의 DCT 결과라고 하면, 그 DCT 결과가 양자화된 4×4 화소 데이터(XQ∈R4 ×4)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007058997672-pat00001
상기 수학식 1에서 XQ(i,j)는 양자화된 X∈R4 ×4의 i 번째 열, j 번째 행 요소, X(i,j)는 양자화되기 전의 X∈R4 ×4의 i 번째 열, j 번째 행 요소, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값을 나타낸다.
상기 수학식 1에서 양자화 계수가 하나라도 0이 아니면 4×4 블록의 CBP값은 1이 되고, 그렇지 않으면 0이 된다.
즉, 종래에는 상기 수학식 1에 의해 구해진 CBP값을 이용하여 스킵 모드 또는 직접 예측 모드를 판단하기 때문에 많은 계산량이 필요하게 된다.
이에 비하여, 본 발명의 블록 모드 결정부(320)에서는 도 4에서와 같이 DCT 연산의 결과를 2차원 가우시안 확률 밀도 함수의 결과로 생각하고 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 비트 발생 가능성 예측값을 계산하여 우선적으로 스킵 모드인지 또는 직접 예측 모드인지를 판단하며, 이를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 위한 DCT 출력값 및 2차원 가우시안 확률 밀도 함수의 유사성에 대한 개념도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 DCT 출력값의 분포는 2차원 가우시안 확률 밀도 함수의 분포와 유사한 것을 알 수 있다.
즉, 이와 같은 DCT 출력값과 2차원 가우시안 확률 밀도 함수의 유사성에 따라, 주파수/분산값(X)과 DCT 출력값(Y) 중 주파수/분산값(X)이 0이 되는 부분을 DCT 출력값 중 평균값 혹은 DCT 출력값의 DC 성분값으로 볼 수 있다.
따라서, 4×4 블록의 DCT 출력값에서 블록간 평균값(m4×4)은 다음의 수학식 2과 같이 계산될 수 있으며, 블록간 분산값(V4 ×4)은 다음의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112007058997672-pat00002
Figure 112007058997672-pat00003
상기 수학식 2 및 수학식 3에서, P(i,j,t-k)는 단위 4×4 블록에서 시간 t-k, i 번째 열, j 번째 행에서의 화소값이고,
Figure 112007058997672-pat00004
는 P(i,j,t-k)를 통해 예측된 4×4 블록의 i 번째 열, j 번째 행에서의 화소값이며, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값이다.
이와 같이 계산된 블록간 평균값(m4×4) 및 분산값(V4×4)을 이용하여 다음의 수학식 4에 의해 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))을 계산한다.
Figure 112007058997672-pat00005
상기 수학식 4에 있어서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4 ×4은 단위 4×4 블록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값, u(x)는 x≥0이면 1, x＜0이면 0의 값을 갖는 단위 계단 함수, θ 는 비트 발생 가능성 예측을 위한 임계값으로 최소 자승법에 의해 추정된 2.5에서 3.5 사이의 값을 나타낸다.
상기 수학식 4에 의해 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값은 CBP값와 마찬가지로 0 또는 1의 값을 갖게 되는데, 상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0의 값을 갖게 되는 경우, 블록 모드 판단부(322)는 더 이상의 움직임 추정이 필요없는 스킵 모드 또는 직접 예측 모드로 판단한다.
즉, 종래에는 정화소 및 부화소 추정이 끝난 후 DCT 및 양자화를 수행하고 그 결과를 통해 CBP값을 구한 뒤 이를 이용하여 스킵 모드인지 또는 직접 예측 모드인지를 판단하기 때문에 많은 계산량이 요구되었지만, 본 발명에서는 정화소 및 부화소 추정이 끝난 후 상기 수학식 4에 의해 계산된 16개의 비트 발생 가능성 예측값이 모두 0으로 나타나면 바로 스킵 모드인지 직접 예측 모드인지를 판단할 수 있으므로 계산량을 줄일 수 있게 되는 것이다.
상기 수학식 4에 의해 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 이용하여 P 프레임(Predicted Frame)에 대한 블록 모드를 판단한 결과 대략 75% 이상의 적중률을 나타내는 것으로 확인되었다.
한편, 상기 수학식 4에 의해 블록 모드 판단이 잘못되는 경우는, 첫번째로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드인데도 아닌 것으로 판단되는 경우와, 두번째로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드가 아님에도 스킵 모드 또는 직접 예측 모드로 판단되는 경우이다. 첫번째의 경우에는 부호화 과정에서 스킵 모드 또는 직접 예측 모드로 정정되므로 문제가 없으나, 두번째의 경우에는 화질 저하가 되는 문제점이 발생될 수 있으므로, 상기 수학식 4에서 비트 발생 가능성 예측을 위한 임계값(θ)은 최소 자승법에 의해 추정된 2.5에서 3.5 사이의 값에서 10% 정도 감소된 값을 적용하는 것이 바람직하다.
하지만, B 프레임(Bi-directionallly Predicted Frame)의 경우에는 양방향(전방향, 후방향) 예측에 의해 그 비트 발생 가능성이 대체적으로 정확하게 예측될 수 있으므로, 상기 수학식 4를 간략화한 다음의 수학식 5에 의해 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))을 계산한다.
Figure 112007058997672-pat00006
상기 수학식 5에 있어서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4 ×4은 단위 4×4 블록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값을 나타낸다.
상기 수학식 5에 의해 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 이용하여 B 프레임에 대한 블록 모드를 판단한 결과 대략 97% 이상의 높은 적중률을 나타내는 것으로 확인되었다.
이와 같이, 블록간 평균값과 분산값만을 사용하여 우선적으로 스킵 모드인지 또는 직접 예측 모드인지를 빠르게 판단할 수 있으므로, DCT를 사용하는 종래의 블록 모드 결정 방법 보다 약 50%의 연산량으로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드를 빠 르게 예측할 수 있게 되어 실제 부호화 속도가 10~20% 정도 빨라지게 되는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법을 나타낸 흐름도이며, 도 6은 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 영상 프레임이 입력되면, 움직임 추정부(310)에서는 정화소 추정모듈(311)과 부화소 추정모듈(312)을 통해 정화소 단위 및 부화소 단위의 움직임 추정을 행하여 움직임 벡터를 추정하며(S510), 이와 같은 움직임 벡터 추정에 따라 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록이 결정된다.
그 다음, 블록 모드 결정부(320)에서는 비트 발생 가능성 예측부(321)를 통해 상기 움직임 벡터 추정에 의해 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 계산한 후(S520), 계산된 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산한다(S530).
그 다음, 블록 모드 결정부(320)의 블록 모드 판단부(322)는 상기 S530 단계를 통해 계산된 16개의 비트 발생 가능성 예측값이 모두 0인지를 확인하여(S540), 모두 0이면 추가의 움직임 추정이 불필요한 스킵 모드 또는 직접 예측 모드로 판단한 후(S550), 이를 움직임 추정부(310)로 전달하여 움직임 추정이 종료되도록 한다(S560).
한편, 상기 S540 단계에서, 상기 계산된 16개의 비트 발생 가능성 예측값이 모두 0이 아니면, 블록 모드 판단부(322)는 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모 드인 것으로 판단하여, DCT 및 양자화를 수행하고 그 결과를 통해 CBP값을 구한 후(S570), CBP값을 이용하여 비트율-왜곡(Rate Distortion) 연산을 수행하여(S580), 최소의 비트율 왜곡값을 갖는 블록 모드를 선택한다(S590).
예를 들어, 도 2에 도시된 매크로 블록 분할 모드를 기반으로 상기 비트 발생 가능성 예측의 결과가 도 6과 같다고 가정하면, 비트 발생 가능성 예측값이 모두 0인 블록의 경우, 추가적인 다음 블록 모드에 대한 움직임 추정을 수행할 필요가 없는 것을 의미하므로, 바로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드로 그 블록 모드가 결정된다. 따라서, 비트 발생 가능성 예측값이 1인 블록에 대하여만 추가적인 탐색과정을 수행하여 보다 압축효율이 높은 블록 모드를 결정하면 되기 때문에 블록 모드 결정을 위한 연산을 최소한으로 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 매크로 블록의 비트 발생 가능성 예측값이 1이면 추가적인 탐색과정을 통해 블록 모드를 결정하는 것으로 설명하였지만, 당업자가 클러스터링 알고리즘을 도입하여 블록 모드를 결정하는 것도 가능하며, 이 경우 추가적인 탐색과정이 필요한 비트 발생 가능성 예측값의 기준은 당업자에 의해 변경 가능함은 물론이다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 비트 발생 가능성 예측을 통해 우선적으로 스킵 모드 또는 직접 예측 모드인지를 먼저 판단하여 불필요한 연산량을 줄일 수 있으므로, 이에 따라 블록 모드 결정을 위한 연산을 최소한으로 줄이면서 화질 저하도 최소화할 수 있는 잇점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 IP-TV를 위한 H.264 동영상 부호화기를 도시한 블록도이다.
도 2(a)는 H.264의 인터 모드를 나타낸 도면이며, 도 2(b)는 H.264의 Intra4×4 인트라 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 동영상 부호화기에서 움직임 추정기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 위한 DCT 및 확률밀도 함수의 유사성에 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 움직임 추정기 102 : 움직임 보상기
104 : 인트라 예측 모드 결정기 106 : 인트라 예측기
110 : 감산기 120 : DCT
130 : 양자화기 140 : 재배열기
150 : 엔트로피 인코더 160 : 역양자화기
170 : IDCT 180 : 가산기
190 : 필터
310 : 움직임 추정부
311 : 정화소 추정모듈 312 : 부화소 추정모듈
320 : 블록 모드 결정부
321 : 비트 발생 가능성 예측부 322 : 블록 모드 판단부

Claims (13)

  1. H.264 동영상 부호화에 있어서 인터(Inter) 프레임인 P 프레임과 B 프레임에 대한 매크로 블록의 블록 모드를 결정하는 방법에 있어서,
    (a) 입력된 영상 프레임에 대하여 움직임 추정을 행하여 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록을 결정하는 단계;
    (b) 상기 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 계산하는 단계;
    (c) 상기 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산하는 단계;
    (d) 상기 계산된 비트 발생 가능성 예측값에 따라 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드인지 추가의 움직임 추정이 불필요한 블록 모드인지 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
    상기 입력된 영상 프레임에 대하여 정화소 및 부화소의 움직임 추정을 통해 움직임 벡터를 추정하여 상기 움직임 벡터에 의해 현재 매크로 블록 및 대응하는 매크로 블록을 결정하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 블록간 평균값(m4×4)은,
    Figure 112007058997672-pat00007
    (여기에서, P(i,j,t-k)는 단위 4×4 블록에서 시간 t-k, i 번째 열, j 번째 행에서의 화소값이며,
    Figure 112007058997672-pat00008
    는 P(i,j,t-k)를 통해 예측된 4×4 블록의 i 번째 열, j 번째 행에서의 화소값임)
    에 의해 계산되며,
    상기 블록간 분산값(V4×4)은,
    Figure 112007058997672-pat00009
    (여기에서, P(i,j,t-k)는 단위 4×4 블록에서 시간 t-k, i 번째 열, j 번째 행에서의 화소값이며, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값임)
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 입력된 영상 프레임이 P 프레임인 경우,
    상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))은,
    Figure 112007058997672-pat00010
    (여기에서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4 ×4은 단위 4×4 블록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값, u(x)는 x≥0이면 1, x＜0이면 0의 값을 갖는 단위 계단 함수, θ 는 비트 발생 가능성 예측을 위한 임계값으로 최소 자승법에 의해 2.5에서 3.5 사이로 구해지는 값을 나타냄)
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 입력된 영상 프레임이 B 프레임인 경우,
    상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))은,
    Figure 112007058997672-pat00011
    (여기에서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4 ×4은 단위 4×4 블 록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값을 나타냄)
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 입력된 영상 프레임이 P 프레임이고, 상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0인 경우,
    상기 P 프레임에 대하여 추가의 움직임 추정이 불필요한 스킵(SKIP) 모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 입력된 영상 프레임이 B 프레임이고, 상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0인 경우,
    상기 B 프레임에 대하여 추가의 움직임 추정이 불필요한 직접 예측(Direct-predictive) 모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  8. 제 4항 또는 제5항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0이 아닌 경우,
    해당 매크로 블록에 대하여 추가의 움직임 추정을 행하여 추가의 움직임 추정이 행해진 매크로 블록에 대하여 CBP(Coded Block Pattern)값을 계산하는 단계; 및
    상기 CBP값을 이용하여 비트율 왜곡 연산을 수행하여 최소의 비트율 왜곡값을 갖는 블록 모드를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 방법.
  9. H.264 동영상 부호화에 있어서 인터(Inter) 프레임인 P 프레임과 B 프레임에 대한 매크로 블록의 블록 모드를 결정하는 장치에 있어서,
    입력된 영상 프레임에 대하여 움직임 추정을 수행하는 움직임 추정부; 및
    상기 움직임 추정을 통해 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 구한 후, 상기 블록간 평균값과 분산값을 이용하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산하여 상기 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값에 따라 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드인지 추가의 움직임 추정이 불필요한 블록 모드인지 결정하는 블록 모드 결정부로 구성된 움직임 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 블록 모드 결정부는,
    상기 움직임 추정을 통해 결정된 현재 매크로 블록 및 대응하는 참조 매크로 블록에 대하여 블록간 평균값과 분산값을 구하여 블록간 비트 발생 가능성 예측값을 계산하는 비트 발생 가능성 예측부와,
    상기 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0이면 추가의 움직임 추정이 불필요한 블록 모드로 판단하고, 0이 아니면 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드로 판단하는 블록 모드 판단부를 포함하며,
    상기 비트 발생 가능성 예측부는,
    상기 입력된 영상 프레임이 P 프레임인 경우,
    Figure 112009024863916-pat00019
    (여기에서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4×4은 단위 4×4 블록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값, u(x)는 x≥0이면 1, x＜0이면 0의 값을 갖는 단위 계단 함수, θ 는 비트 발생 가능성 예측을 위한 임계값으로 최소 자승법에 의해 2.5에서 3.5 사이로 구해지는 값을 나타냄)
    에 의해 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))을 계산하고,
    상기 입력된 영상 프레임이 B 프레임인 경우,
    Figure 112009024863916-pat00020
    (여기에서, m4×4는 단위 4×4 블록에서 계산된 평균값, V4×4은 단위 4×4 블록에서 계산된 분산값, QP는 H.264의 양자화 계수, Q[(QP+12)%6, i, j]는 QP, i, j의 함수로서 양자화 계수에 12를 더한 값을 6으로 나눈 나머지와 i, j의 요소에 따라 결정되는 양자화 함수, f는 양자화 레벨 오프셋 값을 나타냄)
    에 의해 블록간 비트 발생 가능성 예측값(Eh(m4×4, V4×4, QP))을 계산하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 블록 모드 판단부는,
    상기 입력된 영상 프레임이 P 프레임이고, 상기 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0이면, 상기 P 프레임에 대하여 추가의 움직임 추정이 불필요한 스킵(SKIP) 모드로 판단하고,
    상기 입력된 영상 프레임이 B 프레임이고, 상기 계산된 블록간 비트 발생 가능성 예측값이 0이면, 상기 B 프레임에 대하여 추가의 움직임 추정이 불필요한 직접 예측(Direct-predictive) 모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 블록 모드 판단부로부터 해당 매크로 블록의 블록 모드가 추가의 움직임 추정이 필요한 블록 모드로 판단된 경우,
    상기 블록 모드 결정부는, 상기 움직임 추정부에 의해 추가의 움직임 추정이 행해진 매크로 블록에 대하여 CBP(Coded Block Pattern)값을 계산한 후, 상기 CBP값을 이용하여 비트율 왜곡 연산을 수행하여 최소의 비트율 왜곡값을 갖는 블록 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화에 있어서 비트 발생 가능성 예측을 이용한 블록 모드 결정 장치.
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