KR100928045B1 - 영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법 및 시스템과 그를위한 영상 분석 장치 - Google Patents

영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법 및 시스템과 그를위한 영상 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명은 영상을 수집하여 영상에 대한 프레임을 전달하는 영상 수집기; 영상 수집기로부터 영상에 대한 프레임을 전달받으면 영상의 복잡도를 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 전달하는 영상 분석기; 및 영상 분석기로부터 영상 분석 정보를 수신하고 영상 분석 정보를 이용하여 프레임의 발생 비트량을 예측하며 프레임의 비트 발생률을 조절하여 영상을 부호화하는 부호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 영상 분석 장치가 단시간 내에 여러 개의 프레임을 시간적, 공간적으로 분석하여 영상의 복잡도를 검출하면 부호화기가 영상을 부호화할 때 미리 검출된 영상의 복잡도를 이용하여 각 프레임에 최적으로 비트를 할당함으로써 비트 발생률 제어의 효율을 증가시키며 이를 통해 영상의 화질을 개선할 수 있다.
영상, 시간, 공간, 분석, 복잡도, 프레임, 비트, 조절, 부호화, SAD, IDR

Description

영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치{Method and System for Encoding by Using Image Analyzer and Image Analyzer Therefor}
본 발명은 영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 영상을 압축하여 부호화하는 데 있어서, 부호화기가 영상을 부호화하기 전에 영상 분석 장치가 수정 개수의 프레임에 대한 영상의 복잡성 정도를 미리 분석하여 부호화기로 전달하면 부호화기에서 영상의 복잡성 정도에 따라 비트 발생량을 조절하여 영상의 화질을 개선하기 위한 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치에 관한 것이다.
일반적인 무선 통신 환경에서는 대역폭이 제한된 채널을 통해 많은 양의 정보를 포함하는 영상 데이터를 전송할 때, 가변적인 네트워크의 상황에 따라 데이터 량을 제어하여 전송하기 위한 비트율 제어 방법이 사용된다.
비트율 제어(Bit Rate Control) 기법에는 입력 영상의 특성을 고려하여 비트율을 할당하는 방식인 포워드 제어(Forward Control) 기법과 버퍼(buffer)의 상태 전송율 등과 같이 소스 부호화기(Source Encoder)의 후단부의 특성을 고려하여 부 호화기의 파라미터를 결정하는 백워드 제어(Backward Control) 기법이 있다.
화상 통신이나 비디오 폰과 같은 저속 전송 매체용 비디오 부호화기는 압축 효율 면에서도 우수한 성능을 가져야 하며 부호화기의 복잡도도 낮아야한다. 그래서 대부분의 저속 전송 매체용 비디오 부호화기를 위한 비트율 제어 기법은 버퍼의 상태를 고려한 양자화 파라미터(QP: Quantization Parameter)를 조정하여 비트율을 제어하는 백워드 기법을 주로 사용한다.
한편, 데이터 전송을 위한 대역폭과 데이터를 압축하는 압축 효율이 일정하다고 가정할 때, 부호화기의 비트 할당 기법이 비디오의 주관적 및 객관적 화질을 향상시키는 데 있어서 가장 중요한 요소가 된다.
주문형 비디오와 같은 저장 매체용 비디오를 부호화하는 경우와는 달리 실시간 방송과 같은 방송 매체용 비디오를 부호화하는 경우에는 부호화기가 비디오를 구성하는 각 프레임들을 수요자(즉, 비디오를 복호화하여 출력하는 단말기)에게 제한된 시간 내에 전송해야 하고 단말기에서 재생되는 시점까지의 과정 및 시간을 추정하여 비트 생성량을 조절해야 한다.
이때, 부호화기는 생성할 수 있는 비트량을 정확하게 계산하고 가용 비트량에 일치하는 데이터를 높은 정확도로 생성하여 데이터를 전송하는 데 있어서의 안정성을 보장해 주어야 한다.
하지만, 통상적인 부호화기는 비디오를 부호화하는 과정에서 과거의 프레임과 연관성이 낮은 영상을 부호화해야 하는 경우 진행 중이던 부호화 과정을 중단하거나 부호화 과정을 모두 수행한 후 다시 양자화 값들을 수정하여 부호화함으로써 비트 발생량을 조절한다.
따라서, 통상적인 부호화기는 과거의 프레임과 연관성이 낮은 영상을 부호화하는 경우, 부호화하는 효율이 저하되거나 부호화한 영상의 화질이 급격하게 변화하는 등의 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 영상을 압축하여 부호화하는 데 있어서, 부호화기가 영상을 부호화하기 전에 영상 분석 장치가 소정 개수의 프레임에 대한 영상의 복잡성 정도를 미리 분석하여 부호화기로 전달하면 부호화기에서 영상의 복잡성 정도에 따라 비트 발생량을 조절하여 영상의 화질을 개선하기 위한 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치를 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 영상을 수집하여 영상에 대한 프레임을 전달하는 영상 수집기; 영상 수집기로부터 영상에 대한 프레임을 전달받으면 영상의 복잡도를 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 전달하는 영상 분석기; 및 영상 분석기로부터 영상 분석 정보를 수신하고 영상 분석 정보를 이용하여 프레임의 발생 비트량을 예측하며 프레임의 비트 발생률을 조절하여 영상을 부호화하는 부호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 영상 수집기 및 부호화기와 연결되어, 부호화기에서 부호화하는 영상을 분석하는 장치에 있어서, 영상 수집기로부터 영상에 대한 프레임을 수신하면 프레임에 대한 움직임 벡터(Motion Vector)와 차분 절대치의 합(SAD: Sum of Absolute Difference, 이하 'SAD'라 칭함)을 계산하는 움직임 예측부; 영상 수집기로부터 영상에 대한 프레임 수신하면 프레임을 필터링하여 윤곽선 맵(Edge Map)을 생성하는 윤곽선 맵 생성부; 및 움직임 벡터, 차분 절대치의 합 및 윤곽선 맵을 분석하여 영상의 장면 전환, 자막 영역 및 장르 중 적어도 하나 이상을 검출하는 특성 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화를 위한 영상 분석 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적에 의하면, 영상 수집기, 영상 분석기 및 부호화기를 포함하는 시스템에서, 영상을 부호화하는 방법에 있어서, (a) 영상 분석기가 영상 수집기로부터 영상의 프레임을 수신하는 단계; (b) 영상 분석기가 프레임을 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 부호화기로 송신하는 단계; 및 (c) 부호화기가 영상 분석 정보를 이용하여 프레임의 발생 비트량을 예측하고 프레임의 비트 발생률을 조절함으로써 영상을 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 영상 분석 장치가 단시간 내에 여러 개의 프레임을 시간적, 공간적으로 분석하여 영상의 복잡도를 검출하면 부호화기가 영상을 부호화할 때 미리 검출된 영상의 복잡도를 이용하여 각 프레임에 최적으로 비트를 할당함으로써 비트 발생률 제어의 효율을 증가시키며 이를 통해 영상의 화질을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 시스템을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 시스템은 영상 수집기(Image Capturer, 110), 영상 분석기(Image Analyzer, 120) 및 부호화기(Encoder, 130)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 수집기(110)는 영상을 수집하여 전달하는 수단으로서, 동영상 등의 영상을 수집하여 영상에 대한 프레임을 영상 분석기(120)로 전달한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 수집기(110)는 영상이 수집되는 순간의 시각에 대한 정보인 수집 시간 정보를 생성하여 영상 분석기(120)로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석기(120)는 영상의 프레임을 분석하고 분석 정보를 전달하는 분석 수단으로서, 영상 수집기(110)로부터 영상에 대한 프레임을 전달받으면 해당 프레임에 대한 영상의 복잡도를 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 부호화기(130)로 전달한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석기(120)는 부호화기(130)에서 영상을 부호화하기 전에 부호화기(130)에서 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성한다.
즉, 영상 분석기(120)는 부호화기(130)가 영상을 부호화하여 압축하기 전에 미리 10 프레임 내지 15 프레임 정도를 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 부호화기(130)로 전달하면 부호화기(130)가 미리 분석된 영상 분석 정보를 이용하여 현재 부호화할 프레임 또는 앞으로 부호화할 프레임에 할당할 비트 발생량을 고려하여 비트 발생률을 조절함으로써 화질 대비 최소의 비트율로 영상을 부호화할 수 있도록 한다.
여기서, 영상 분석 정보란 영상의 각 프레임을 시간적, 공간적으로 분석하여 측정한 영상의 시간적, 공간적 복잡도에 대한 데이터이다. 영상 분석 정보에 대해서는 도 5를 통해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 영상을 부호화하는 부호화 수단으로서, 영상 분석기(120)로부터 영상 분석 정보를 수신하면 영상 분석 정보를 이용하여 영상의 각 프레임의 발생 비트량을 예측하며 해당 프레임의 비트 발생률을 조절하여 영상을 부호화한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 영상의 소정의 윈도우 크기 내에서 비트 할당량에 가중치를 부가하여 비트 발생률을 조절한다.
이를 위해 부호화기(130)는 프레임마다 수학식 1로 정의되는 목표 비트량을 계산하고 목표 비트량에 따라 비트 발생률을 조절한다.
Figure 112007076594350-pat00001
여기서, T는 목표 비트량, Rb는 윈도우 그룹의 비트량, Rf는 윈도우 그룹의 프레임 개수, Rw는 윈도우에 남아있는 비트량, Sw는 윈도우의 크기, α는 프레임 종류별 가중치, β는 화질 평탄화 계수이다.
종래의 통상적인 부호화기는 영상의 특성에 따라 목표 비트율보다 적은 비트만을 사용하는 문제점이 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 정해진 대역(즉, 170 kbps와 같은 저대역)에서 동작 특성을 파악하여 저대역 내에서 최대의 화질을 유지할 수 있도록 하기 위해 화질의 평탄화 작업을 수행하는데, 화질의 변동을 최소화하기 위한 화질의 평탄화 작업을 위해서 수학식 1과 같이 정의된 목표 비트량을 계산하여 비트 발생률을 조절한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 영상의 전체 프레임 중 소정 개수의 인트라 프레임(Intra Frame)을 감소시켜 나머지 인트라 프레임 또는 인터 프레임(Inter Frame)에 할당되는 비트량을 증가시킴으로써 비트 발생률을 조절한다.
영상의 전체 프레임은 화면 내 부호화 기법인 인트라 모드로 부호화된 프레 임인 인트라 프레임과 화면 간 부호화 기법인 인터 모드로 부호화된 프레임인 인터 프레임으로 구분할 수 있다. 통상적으로 인트라 프레임은 각 프레임을 이전 프레임과 관계없이 부호화하기 때문에 이전 프레임에 대한 변화 정보만을 부호화하는 인터 프레임에 비해 데이터 크기가 5배 내지 10배 정도 크다. 따라서, 인트라 프레임의 개수를 줄이면 인트라 프레임을 위해 할당된 비트량을 획기적으로 줄여 다른 인트라 프레임 또는 인터 프레임에 더 많은 비트량을 할당할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 수학식 2에 정의된 바와 같이, 프레임 타입(인트라 프레임 또는 인터 프레임)별로 주어지는 가중치인 프레임 종류별 가중치와 화질 평탄화 계수를 인트라 프레임의 개수를 결정하는데 반영하여 각 프레임에 대한 비트 발생률을 조절한다.
BGOP = BINTRA + (BINTER * N)
BINTRA = BINTER*α*β
여기서, BGOP는 전체 프레임의 개수, BINTRA는 인트라 프레임의 개수, BINTER는 인터 프레임의 개수, α는 프레임 종류별 가중치, β는 화질 평탄화 계수이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 각 프레임의 비트 발생률과 영상의 화질 평탄화를 위한 버퍼(Buffer)의 크기에 따라 최대 발생 비트량을 조절한다.
실시간 방송과 같이 실시간 전송이 필요한 동영상은 장면 전환이 이루어지거 나 장면에 대한 복잡도가 급격히 상승하는 경우 순간적으로 화질의 열화가 발생하며, 특히 화질 평탄화를 위해 사용하는 버퍼의 초기 상태가 불충분한 상태에서 그 발생 빈도가 증가한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 화질 평탄화를 위해 사용하는 버퍼의 절대적 크기가 부족한 경우 화질의 열화나 끊기는 현상을 억제하기 위해 비트 발생률과 화질 평탄화를 위해 사용하는 버퍼의 크기에 따라 최대 발생 비트량을 제한하도록 비트 발생률을 조절한다.
즉, 초당 최대 발생 비트량은 비트 발생률에 버퍼 크기를 곱한 값으로 정의되며, 예를 들어 비트 발생률이 200kbit이고 버퍼 크기가 2초라면 초당 최대 발생 비트량은 400kbit가 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화기(130)는 영상에서 관심 영역으로 설정한 영역에 대한 발생 비트량을 증가시킴으로써 비트 발생률을 조절한다. 본 발명에서 관심 영역은 얼굴 영역 및 자막 영역 중 어느 하나 이상일 수 있다.
여기서, 부호화기(130)는 현재 프레임 내에서 관심 영역이 차지하는 비율에 따라 관심 영역에 할당하는 비트량을 다르게 조절하는데, 이때의 비트량은 수학식 3과 같이 결정된다.
B = T × R
여기서, B는 관심 영역을 위한 추가 비트량, T는 현재 프레임을 위해 할당된 총 비트량, R은 현재 프레임 내에서 관심 영역이 차지하는 비율이다.
따라서, 예를 들어 현재 프레임을 위해 할당된 총 비트량(T)이 100byte이고, 현재 프레임 내에서 관심 영역이 차지하는 비율(R)이 1/4라면, 관심 영역을 위한 추가 비트량(B)는 25byte가 된다. 즉, 현재 프레임 위해 할당된 총 비트량 100byte 중 75byte는 현재 프레임의 전체 영역에 할당하고 25byte는 관심 영역에만 추가로 할당한다.
이를 위해, 부호화기(130)는 영상에서 피부색의 특성을 기반으로 얼굴 영역을 검출하며 검출된 영역의 매크로 블록(MB: Macro Block)의 양자화 파라미터(QP: Quantization Parameter)를 감소시킴으로써 화질을 개선한다.
또한, 부호화기는 영상 분석기(120)에서 생성한 윤곽선 맵의 윤곽선에 대한 정보와 움직임 벡터의 경향이 기 설정한 임계값 이상일 경우 자막 영역으로 검출하고 검출된 영역의 화질을 최대한 유지하기 위한 양자화 파라미터를 결정하며 대비(Contrast)를 높여 자막을 쉽게 읽을 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화를 위한 영상 분석 장치의 전자적인 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부호화를 위한 영상 분석 장치는 도 1을 통해 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 시스템의 영상 분석기로 구현될 수 있다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화를 위한 영상 분석 장치를 영상 분석기(120)라 약칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석기(120)는 움직임 예측부(210), 윤곽선 맵 생성부(220) 및 특성 검출부(230)를 포함하여 구성된다.
움직임 예측부(210)는 영상을 분석하여 영상의 시간적 복잡도를 측정 및 계산하며 결과 데이터를 저장 및 관리하는 분석 및 계산 수단으로서, 영상 수집기(110)로부터 영상에 대한 프레임을 수신하면 프레임에 대한 움직임 벡터(MV: Motion Vector)와 차분 절대치의 합(SAD: Sum of Absolute Difference, 이하 'SAD'라 칭함)을 계산한다. 움직임 예측부에 대해서는 도 3을 통해 상세히 설명한다.
윤곽선 맵 생성부(220)는 영상을 분석하여 영상의 공간적 복잡도를 측정 및계산하며 결과 데이터를 저장 및 관리하는 분석 및 계산 수단으로서, 영상 수집기(110)로부터 영상에 대한 프레임을 수신하면 프레임을 필터링(Filtering)하여 윤곽선 맵(Edge Map)을 생성한다.
여기서, 윤곽선 맵 생성부(220)는 각 프레임에 표 1 및 표 2와 같은 수직 필터(Vertical Filter) 및 수평 필터(Horizontal Filter)를 각각 컨볼루션(Convolution)하여 수직 윤곽선 맵(Vertical Edge Map) 및 수평 윤곽선 맵(Horizontal Edge Map)을 생성하고, 이를 이용하여 수직 윤곽선 및 수평 윤곽선을 각각 계산한 후 합산하여 윤곽선의 크기를 생성한다.
또한, 윤곽선 맵 생성부(220)는 프레임 내에서 하나의 매크로 블록 내에 있는 모든 윤곽선 성분을 합산하여 매크로 블록 수준의 윤곽선 맵을 생성한다.
Figure 112007076594350-pat00002
Figure 112007076594350-pat00003
여기서, 윤곽선 맵을 생성하기 위해 원본 프레임에 컨볼루션하는 수직 필터 및 수평 필터는 소벨 마스크(Sobel Mask)일 수 있으며, 그를 통해 생성되는 윤곽선 맵은 소벨 윤곽선 맵(Sobel Edge Map)일 수 있다.
특성 검출부(230)는 데이터를 분석하여 영상의 특성을 검출하는 분석 및 검출 수단으로서, 움직임 예측부(210)에서 계산한 움직임 벡터 및 SAD와 윤곽선 맵 생성부(220)에서 생성한 윤곽선 맵을 분석하여 영상의 장면 전환, 자막 영역 및 장르 중 적어도 하나 이상을 검출한다.
이와 같이 특성 검출부(230)에서 검출한 장면 전환에 대한 정보는 GOP(Group of Pictures)의 크기 또는 IDR(Instantaneous Decoding Refresh)의 간격을 조절하는 데 사용된다. 시간적으로 유사성이 매우 낮은 장면 전환이 있는 경우 P 프레임(Previosly-Decoded Reference Pictures Frame)을 사용하여 부호화하면 비트 사용 효율이 현저히 저하되는 반면 IDR 프레임으로 부호화하면 추후에 발생하는 주기적 IDR 프레임의 위치를 수정할 수 있으므로 비트 절감 및 화질 향상의 효과가 있다.
또한, 특성 검출부(230)는 영상 컨텐츠의 특성 및 움직임 정도에 따라 영상의 장르를 스포츠, 광고, 드라마 등으로 분류한다. 이와 같이 분류된 영상의 장르에 따라 가장 효율적인 부호화 방식과 비트 할당 정책을 사용하여 영상을 부호화한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석기(120)는 부호화기(130)에서 영상을 부호화하기 전에 부호화기(130)에서 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성하여 부호화기(130)로 전달한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임 예측부의 전자적인 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 움직임 예측부(210)는 프레임 지연부(310), 움직임 추정부(320), 움직임 보상부(330) 및 SAD 계산부(340)를 포함하여 구성된다.
프레임 지연부(310)는 데이터 지연 수단으로서, 영상 수집기(110)로부터 영상에 대한 원본 프레임(Fn)을 수신하면 기 저장된 이전 프레임(Fn-1)을 움직임 추정부(320) 및 움직임 보상부(330)로 전달한다.
움직임 추정부(320)는 영상 수집기(110)로부터 영상에 대한 원본 프레임(Fn-1)을 수신하고 프레임 지연부(310)로부터 이전 프레임(Fn-1)을 수신하면 이전 프레임(Fn-1)을 기준으로 원본 프레임(Fn-1)을 분석하여 원본 프레임(Fn-1)에 대한 움직임을 추정함으로써 움직임 벡터를 생성하여 저장하고 움직임 보상부(330)로 전달한다.
움직임 보상부(330)는 움직임 추정부(320)로부터 움직임 벡터를 수신하고 프레임 지연부(310)로부터 이전 프레임(Fn-1)을 수신하면 이전 프레임(Fn-1)을 움직임 벡터로 보상하여 예측 프레임(F'n)을 생성하여 SAD 계산부(340)로 전달한다.
SAD 계산부(340)는 영상 수집기(110)로부터 원본 프레임(Fn)을 수신하고 움직임 보상부(330)로부터 예측 프레임(F'n)을 수신하면 원본 프레임(Fn)과 예측 프레임(F'n)을 이용하여 SAD을 계산하고 저장한다.
여기서, SAD 계산부(340)는 원본 프레임(Fn)의 각 픽셀(Pixel)의 값과 예측 프레임(F'n)의 각 픽셀의 값의 차이 값을 절댓값으로 취하고 이 절댓값들을 합한 것을 SAD로서 계산한다. 즉, SAD 계산부(340)는 각 매크로 블록별로 원본 프레임과 예측 프레임을 비교하여 SAD를 계산한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
영상 수집기(110)가 영상을 수집하면, 영상 분석기(120)는 영상 수집기(110)로부터 영상의 프레임을 수신하고(S410), 부호화기(130)가 영상을 부호화하기 전에 부호화기(130)가 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임(예를 들면, 10 프레임 내지 15 프레임 정도)을 미리 분석하여 각 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성하여 저장하고(S420), 부호화기(130)로 전달한다(S430).
부호화기(130)는 영상 분석 정보를 수신하면 영상 분석 정보를 이용하여 각 프레임의 발생 비트량을 예측하고(S440), 예측한 각 프레임의 발생 비트량을 이용하여 각 프레임의 비트 발생률을 조절함으로써 화질 대비 최소의 비트율로 영상을 부호화한다(S450).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 정보를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 정보는 부호화기(130)가 영상을 부호화하기 전에 부호화기(130)가 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임을 영상 분석기(120)가 미리 분석하여 영상의 시간적, 공간적 특성을 측정 또는 검출하여 생성하는 정보를 말한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 정보는 도 5에 도시한 바와 같이 수집 시간 정보, 예측 영상 정보, 움직임 벡터 정보, 윤곽선 크기 정보, 자막 영역 검출 정보, 장면 전환 검출 정보 및 IDR 프레임 정보 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
여기서, 수집 시간 정보는 영상 수집기(110)에서 영상을 수집하는 순간의 시각을 측정하여 생성하는 수집 시간에 대한 정보로서, 영상 분석기(120)는 영상 수집기(110)로부터 수집 시간 정보를 수신하여 저장한 후 영상 분석 정보에 포함시켜 부호화기(130)로 전달한다. 이때, 수집 시간 정보는 90Hz 클록(Clock)으로 측정되는 시간 값일 수 있으며, 도시한 바와 같이 'ulTimeStamp'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 이러한 이름에 한정되지 않는다.
예측 영상 정보는 움직임 예측부(210)의 움직임 보상부(330)에서 이전 프레임에 움직임 벡터를 보상하여 생성하는 예측 영상에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'uiTemporalComplexity'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
움직임 벡터 정보는 움직임 예측부(210)의 움직임 추정부(320)에서 두 개의 연속하는 프레임(즉, 원본 프레임(Fn)과 이전 프레임(Fn-1))을 이용하여 움직임을 추정함으로써 생성되는 움직임 벡터에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'uiSumOfAbsoluteMVD'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
윤곽선 크기 정보는 윤곽선 맵 계산부(220)에서 프레임을 소벨 마스크라는 필터를 이용하여 필터링하여 생성되는 프레임 내의 윤곽선 크기를 합한 값에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'uiSpatialComplexity'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
자막 영역 검출 정보는 특성 검출부(230)에서 움직임 벡터와 윤곽선 크기를 영역 특징으로 하여 검출하는 자막 영역에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'uiCaptionInfo'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
장면 전환 검출 정보는 특성 검출부(230)에서 예측 프레임(F'n)을 프레임 특징으로 하여 시간적으로 상관성이 낮은 프레임을 장면 전환으로 검출하여 생성하는 장면 전환 여부에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'ucSceneChangeFlag'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
IDR 프레임 정보는 특성 검출부(230)에서 부호화 파라미터인 IDR 주기와 장면 전환 검출 정보를 이용하여 결정되는 프레임 타입(I, P)에 대한 정보로서, 도시한 바와 같이 'ucFrameType'라는 이름을 갖는 변수로서 생성될 수 있으나, 변수명은 반드시 이에 한정되지 않는다.
영상 분석기(120)는 전술한 바와 같이, 영상 수집기(110)로부터 수신하여 저장한 수집 시간 정보, 움직임 예측부(210)에서 생성하는 예측 영상 정보와 움직임 벡터 정보 및 윤곽선 맵 생성부(220)에서 생성하는 윤곽선 크기 정보를 영상 분석 정보로서 생성하여 부호화기(130)로 전달할 수 있으며, 추가로 필요한 경우 또는 추가적인 요청이 있는 경우 수집 시간 정보, 예측 영상 정보, 움직임 벡터 정보, 윤곽선 크기 정보뿐만 아니라 특성 검출부(230)에서 생성하는 자막 영역 검출 정보, 장면 전환 검출 정보 및 IDR 프레임 정보 중 적어도 하나 이상을 추가로 포함하여 영상 분석 정보로서 생성하여 부호화기(130)로 전달할 수 있을 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 영상을 압축하여 부호화하는 데 있어서, 부호화기가 영상을 부호화하기 전에 영상 분석 장치가 소정 개수의 프레임에 대한 영상의 복잡성 정도를 미리 분석하여 부호화기로 전달하면 부호화기에서 영상의 복잡성 정도에 따라 비트 발생량을 조절하여 영상의 화질을 개선하기 위한 방법 및 시스템과 그를 위한 영상 분석 장치 분야에 적용되어, 영상 분석 장치가 단시간 내에 여러 개의 프레임을 시간적, 공간적으로 분석하여 영상의 복잡도를 검출하면 부호화기가 영상을 부호화할 때 미리 검출된 영상의 복잡도를 이용하여 각 프레임에 최적으로 비트를 할당함으로써 비트 발생률 제어의 효율을 증가시키며 이를 통해 영상의 화질을 개선하는 효과를 발생하는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 시스템을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화를 위한 영상 분석 장치의 전자적인 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임 예측부의 전자적인 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 장치를 이용한 부호화 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 분석 정보를 설명하기 위한 예시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 영상 수집기 120: 영상 분석기
130: 부호화기 210: 움직임 예측부
220: 윤곽선 맵 생성부 230: 특성 검출부
310: 프레임 지연부 320: 움직임 추정부
330: 움직임 보상부 340: SAD 계산부

Claims (15)

  1. 영상을 수집하여 상기 영상에 대한 프레임을 전달하는 영상 수집기;
    상기 영상 수집기로부터 상기 영상에 대한 프레임을 전달받으면 상기 영상의 복잡도를 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 전달하는 영상 분석기; 및
    상기 영상 분석기로부터 상기 영상 분석 정보를 수신하고 상기 영상 분석 정보를 이용하여 상기 프레임의 발생 비트량을 예측하며 상기 프레임의 비트 발생률을 조절하여 상기 영상을 부호화하는 부호화기
    를 포함하되, 상기 부호화기는 상기 영상의 전체 프레임 중 소정 개수의 인트라 프레임(Intra Frame)을 감소시켜 나머지 인트라 프레임 또는 인터 프레임(Inter Frame)에 할당되는 비트량을 증가시킴으로써 상기 비트 발생률을 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 영상 분석기는,
    상기 부호화기에서 상기 영상을 부호화하기 전에 상기 부호화기에서 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부호화기는,
    상기 영상의 소정의 윈도우 크기 내에서 비트 할당량에 가중치를 부가하여 상기 비트 발생률을 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상의 전체 프레임 중 상기 인트라 프레임의 개수는 상기 인터 프레임의 개수에 프레임의 종류별 가중치와 화질 평탄화 계수를 반영하여 결정되는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 부호화기는,
    상기 비트 발생률과 상기 영상의 화질 평탄화를 위한 버퍼의 크기에 따라 최대 발생 비트량을 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 부호화기는,
    상기 영상에서 관심 영역으로 설정한 영역에 대한 발생 비트량을 증가시킴으로써 상기 비트 발생률을 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 부호화기는,
    상기 관심 영역으로서 얼굴 영역 및 자막 영역 중 적어도 하나 이상의 영역을 검출하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 시스템.
  9. 영상 수집기 및 부호화기와 연결되어, 상기 부호화기에서 부호화하는 영상을 분석하는 장치에 있어서,
    상기 영상 수집기로부터 상기 영상에 대한 프레임을 수신하면 상기 프레임에 대한 움직임 벡터(Motion Vector)와 차분 절대치의 합(SAD: Sum of Absolute Difference, 이하 'SAD'라 칭함)을 계산하는 움직임 예측부;
    상기 영상 수집기로부터 상기 영상에 대한 프레임 수신하면 상기 프레임을 필터링하여 윤곽선 맵(Edge Map)을 생성하는 윤곽선 맵 생성부; 및
    상기 움직임 벡터, 상기 차분 절대치의 합 및 상기 윤곽선 맵을 분석하여 상기 영상의 장면 전환, 자막 영역 및 장르 중 적어도 하나 이상을 검출하는 특성 검출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화를 위한 영상 분석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 영상 분석 장치는,
    상기 부호화기에서 상기 영상을 부호화하기 전에 상기 부호화기에서 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성하여 상기 부호화기로 전달하되, 상기 영상 분석 정보는 수집 시간 정보, 예측 영상 정보, 움직임 벡터 정보, 윤곽선 크기 정보, 자막 영역 검출 정보, 장면 전환 검출 정보 및 IDR(Instantaneous Decoding Refresh) 프레임 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화를 위한 영상 분석 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 부호화기는,
    상기 영상 분석 정보를 이용하여 상기 프레임의 발생 비트량을 예측하여 비트 발생률을 조절함으로써 상기 영상을 부호화하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 움직임 예측부는,
    상기 영상 수집기로부터 상기 프레임을 수신하면 상기 프레임의 이전 프레임을 전달하는 프레임 지연부;
    상기 영상 수집기로부터 상기 프레임을 수신하고 상기 프레임 지연부로부터 상기 이전 프레임을 수신하면 상기 이전 프레임을 기준으로 상기 프레임을 분석하여 상기 프레임에 대한 움직임을 추정함으로써 상기 움직임 벡터를 생성하여 전달하는 움직임 추정부;
    상기 움직임 추정부로부터 상기 움직임 벡터를 수신하고 상기 프레임 지연부로부터 상기 이전 프레임을 수신하면 상기 이전 프레임을 상기 움직임 벡터로 보상하여 예측 프레임을 생성하고 전달하는 움직임 보상부; 및
    상기 영상 수집기로부터 상기 프레임을 수신하고 상기 움직임 보상부로부터 상기 예측 프레임을 수신하면 상기 프레임과 상기 예측 프레임을 이용하여 상기 SAD을 계산하는 SAD 계산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화를 위한 영상 분석 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 윤곽선 맵 생성부는,
    상기 프레임을 소벨 마스크(Sobel Mask)를 이용하여 필터링(Filtering)하여 상기 윤곽선 맵을 생성하는 것을 특징으로 하는 부호화를 위한 영상 분석 장치.
  14. 영상 수집기, 영상 분석기 및 부호화기를 포함하는 시스템에서, 영상을 부호화하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 영상 분석기가 상기 영상 수집기로부터 상기 영상의 프레임을 수신하는 단계;
    (b) 상기 영상 분석기가 상기 프레임을 분석하여 영상 분석 정보를 생성하고 상기 부호화기로 송신하는 단계; 및
    (c) 상기 부호화기가 상기 영상 분석 정보를 이용하여 상기 프레임의 발생 비트량을 예측하고 상기 프레임의 비트 발생률을 조절함으로써 상기 영상을 부호화하는 단계
    를 포함하되, 상기 부호화기는 상기 영상의 전체 프레임 중 소정 개수의 인트라 프레임(Intra Frame)을 감소시켜 나머지 인트라 프레임 또는 인터 프레임(Inter Frame)에 할당되는 비트량을 증가시킴으로써 상기 비트 발생률을 조절하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    상기 영상 분석기는 상기 부호화기에서 부호화할 프레임 이전의 적어도 하나 이상의 프레임에 대한 영상 분석 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 분석기를 이용한 부호화 방법.
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