KR100939510B1 - 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율제어 방법 - Google Patents

영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비트율 제어 장치 및 비트율 제어 방법에 의하면, 망을 통해 서비스되는 영상에 대하여 양자화 계수(Qc)를 1차적으로 결정한 뒤, 상기 영상 특성에 따라 양자화 계수를 실험을 통해 얻어진 최적의 상한값(Thigh), 하한값(Tlow), 또는 상수(k)를 고려하여 재조정함을 특징으로 한다.
즉, 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 ① 상한값 이상이면 양자화 계수를 상한값으로 재조정하고(Qc>Thigh이면 Qc｀=Qc(Thigh)), ② 하한값 이하이면 양자화 계수를 하한값으로 재조정하고(Qc<Tlow이면 Qc｀=Qc(Tlow)), ③ 상한값과 하한값 사이이면 상기 양자화 계수를 상수를 고려하여 재조정(Tlow < Qc < Thigh 이면 Qc｀=Qc+k)함으로써, 전환된 영상 또는 균질한 영상의 화질을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
비트율, 양자화 계수, 레지듀얼, 히스토그램, SAD

Description

영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법{Bit rate control device of video encoder and bit rate control method the same}
본 발명은 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영상의 특성에 따라 양자화 계수를 재조정하여 영상 화질을 높일 수 있도록 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법에 관한 것이다.
통신 기술의 눈부신 발달로 인해, 네트워크를 이용한 영상 정보의 전송 및 저장은 현대 사회를 살아가는 데 없어서는 안 될 필수적인 생활 아이템으로 자리 잡고 있다.
그러나 영상 서비스의 경우 사용망의 용량이 한정되어 있다. 따라서, 영상 정보의 전송 및 저장 효율을 극대화시키기 위해서는 주어진 사용망의 용량 한도 내에서 최적의 영상 화질을 얻을 수 있도록 하는 영상 압축 기술이 필요하다.
영상 압축의 대표적인 기술로서, 정지 영상의 압축 기술은 JPEG, 동영상의 압축 기술은 H.261, H263, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 등으로 표준화되어 있다. 따라서, 정지 영상은 JPEG, 동영상은 MPEG로 압축되어 전송되고 있다.
이러한 영상 정보 압축 표준에서는 시간적 또는 공간적으로 중복되어 있는 정보를 제거하는 방법을 이용하고 있다.
상기 시간적 중복 제거 방법은 움직임 보상을 이용한 이전 장면과의 레지듀얼(residual) 영상만을 이용하여 데이터를 줄이는 방법이고, 공간적 중복 제거 방법은 색상 정보를 줄이거나 영상의 주파수적 특성을 이용하여 데이터를 줄이는 방법이다.
따라서, 움직임이 크고 장면의 복잡도가 클수록 데이터량이 커지게 되는데, 특히 영상 서비스의 경우에는 영상의 움직임 변화와 영상의 복잡도가 다양하므로, 영상 부호화기를 통하여 나오는 출력 비트율의 변동이 심해지게 된다.
또한, 제한된 망의 용량과 부호화, 복호화기의 한정된 버퍼 용량으로 인하여 출력 비트율의 변동이 더욱 악화되기도 한다. 특히, 영상 전환시 이전 영상들의 통계적 데이터들은 새로이 전환된 장면의 특성과는 다르기 때문에 급격한 화질의 변화가 발생할 가능성이 커지므로 이에 적절히 대처할 수 있는 방법이 필요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 분야에서는 영상 부호화기에서의 출력 비트율의 변동을 줄이고, 영상 데이터를 효율적으로 할당하기 위한 방안으로서, 비트율 제어 기법을 적용하고 있다.
상기 비트율 제어 기법에 의하면, 망의 용량이 제한되어 있는 고정 비트량을 제어하기 위한 버퍼가 사용되며, 버퍼의 넘침이나 부족을 막기 위하여 발생 비트량을 적절한 영역 내에서 제한한다. 즉, 영상 전환시, 현재의 버퍼 상태와 이전에 부호화된 영상들의 통계적 데이터에 기초하여 부호화될 영상의 복잡도를 미리 예측하 여 양자화 계수를 결정한 뒤, 상기 결정된 양자화 계수의 몇 단계 위의 양자화 계수를 설정하여 부호화하는 것이다.
이처럼 양자화 계수를 상향 조정하는 비트율 제어 기법은 영상 전환이 많은 영상에 대해서는 출력 비트율을 줄일 수 있는 좋은 방법으로 사용될 수 있으나, 양자화 계수가 상향 조정되는 만큼 영상의 화질 열화가 증가되는 단점이 있다. 게다가 양자화 계수가 상위의 계수로 설정되어 있을 경우에 장면 전환이 일어나서 더욱 높은 상위의 양자화 계수로 부호화하게 되면 다음 영상의 화질 열화가 더욱 심해지는 문제점이 있다.
한편, 실질적으로 망을 통해 서비스되는 영상들을 보면 화소들의 값이 비슷한 균질적인 영상들이 많이 포함되어 있다. 영상이 전체적으로 거의 동일한 화소를 가지고 있을 경우에는 적은 비트를 할당해 주어도 주관적 화질의 차이를 거의 느끼지 못하게 된다. 예를 들면, 영상이 전체적으로 검은색이나 흰색의 화소로 이루어져 있을 경우에는, 양자화 계수를 높여 적은 비트를 할당하더라도 주관적 화질의 열화는 거의 없게 된다. 그러나 이처럼 비슷한 화소값을 가지고 있는 균질한 영상에 대해서도 비트 할당을 위한 양자화 계수가 충분히 고려되어야만 영상의 전체적인 화질 향상 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.
그러한 관점에서 볼 때, 영상 전환 시 이전 영상의 통계적 특성을 이용하여 현재 영상의 양자화 계수를 결정하고, 상기 결정된 양자화 계수의 몇 단계 위의 계수를 설정하여 부호화하는 종래의 비트율 제어 기법은 화소들의 값이 비슷한 균질적인 영상의 시각적 화질 향상을 꾀하는데 있어서는 그 실효성이 떨어지게 된다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 서비스되는 영상의 화질 저하를 방지할 수 있도록 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 영상 전환 시 화질 저하를 방지할 수 있도록 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 화소값이 유사한 균질 영상에 대한 화질 저하를 방지할 수 있도록 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치 및 이를 이용한 비트율 제어 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상 부호화기의 비트율 제어 장치는, 망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출하는 영상 특성 검출부, 상기 검출된 영상에 대하여 양자화 계수를 1차적으로 결정하는 양자화 계수 결정부, 상기 영상의 전환 여부 및 영상의 균질성을 판단하는 영상 전환/영상 균질성 판단부, 및 상기 영상이 전환된 영상이거나 화소값이 유사한 균질 영상으로 판단될 경우, 상기 양자화 계수 결정부에서 1차적으로 결정된 양자화 계수를 미리 설정된 상한값과 하한값 사이의 수치로 재조정하는 양자화 계수 재조정부를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상 부호화기의 비트율 제어 방법은, 망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출하는 단계와. 상기 영상에 대하여 양자화 계수를 1차적으로 결정하는 단계와, 상기 영상이 전환되었는지의 여부 및 화소값이 유사한 균질 영상인지의 여부를 판단하는 단계와, 상기 영상이 전환된 영상이거나 화소값이 유사한 균질 영상인 것으로 판단될 경우에는 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수를 상한값, 하한값 또는 상한값과 하한값 사이의 수치로 재조정하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에서는 망을 통해 서비스되는 영상에 대하여 양자화 계수를 1차적으로 결정한다. 그리고 나서, 상기 영상이 전환된 영상이거나 화소값이 유사한 균질 영상일 경우에는 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수를 설정된 상한값(Thigh)이나 하한값(Tlow), 또는 상한값과 하한값 사이에 존재하도록 재조정함으로써, 영상의 화질을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영상 부호화기의 비트율 제어 장치의 블록 구성도가 도시되어 있다. 도 2에는 양자화 계수와 데이터 비트율의 상관 관계가 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 상기 본 발명의 실시예에 따른 비트율 제어 장치(100)는, 영상 특성 검출부(102), 양자화 계수를 결정하는 양자화 계수 결정부(104), 영상 전환 또는 영상의 균질성을 판단하는 영상 전환/영상 균질성 판단부(106), 및 양자화 계수를 재조정하는 양자화 계수 재조정부(108)로 구성되어 있다.
상기 영상 특성 검출부(102)는 망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출하는 기능을 수행한다.
상기 양자화 계수 결정부(104)에서는 상기 망을 통해 서비스되는 영상들의 현재의 버퍼 상태와 이전에 부호화된 영상들의 통계적 데이터에 기초하여 부호화될 영상의 복잡도를 미리 예측하여 양자화 계수를 결정하게 된다.
상기 영상 전환/영상 균질성 판단부(106)에서는 상기 망을 통해 서비스되는 영상에 대하여, 히스토그램과 이전 영상과의 차(SAD:Sum of Absolute Difference)를 이용하여 장면 전환 여부 및 영상에 대한 화소값의 균질성 여부를 판단한다.
상기 양자화 계수 재조정부(108)에서는 상기 영상 전환/영상 균질성 판단부(106)에서의 판단 결과에 따라, 영상 전환이 일어났거나 화소값이 유사한 균질 영상인 것으로 판단될 경우에는 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수를 하기 [표 1]에 기재되어 있는 조건에 따라 재조정하게 된다.
[표 1]
Qc>Thigh Qc｀=Qc(Thigh) ... ①
Qc<Tlow Qc｀=Qc(Tlow) ... ②
Tlow < Qc < Thigh Qc｀=Qc+k ... ③
여기서, 상기 Qc는 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수이고, Qc｀는 상기 양자화 계수 재조정부(108)에 의해 재조정된 양자화 계수를 나타낸다. 그리고 Thigh는 상위 양자화 계수의 제한 값이고, Tlow는 하위 양자화 계수의 제한 값이며, k는 Thigh와 Tlow 사이에 존재하는, 실험을 통해 얻어진 최적의 상수를 나타낸다.
상기 [표 1]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 영상 전환/영상 균질성 판단부(106)에서의 판단 결과, 망을 통해 서비스되는 상기 영상이 전환되었거나 화소값이 유사한 균질 영상일 경우에는, 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 다음과 같이 재조정(Qc｀)된다.
먼저, 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 상한값(Thigh)을 초과하는 경우(도 2의 P1 구간)에는 상기 양자화 계수를 상한값으로 재조정한다(Qc｀=Qc(Thigh)).
그리고, 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 하한값(Tlow) 미만일 경우(도 2의 P2 구간)에는 상기 양자화 계수를 하한값으로 재조정한다(Qc｀=Qc(Tlow)).
그리고, 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 상한값(Thigh)과 하한 값(Tlow) 사이에 존재할 경우(도 2의 P3 구간)에는 실험을 통해 얻어진 최적의 상수(k)를 고려하여 양자화 계수를 재조정(Qc｀=Qc+k)한다.
여기서, 상기 ① 과 같이, 상위 양자화 계수의 제한값 Thigh를 설정한 이유는 다음과 같다.
양자화 계수를 높일수록 비트를 적게 할당할 수는 있지만 다음 영상의 참조 영상으로 사용될 때 좋은 참조 영상을 제공하지 못하게 되어 다음 영상의 화질에 악영향을 주게 된다.
그러나, 양자화 계수에 상한값을 설정하게 되면, 비트량은 다소 증가되더라도 다음 부호화될 영상에 보다 좋은 화질의 참조 영상을 제공할 수 있게 되고, 비트 발생을 감소시킬 수 있기 때문에 상한값을 설정한 것이다.
그리고, 상기 ②와 같이, 하위 양자화 계수의 제한값 Tlow을 설정한 이유는 다음과 같다.
예컨대, 영상이 전체적으로 검은색 또는 흰색의 화소들로 이루어져 있는 균질한 영상에 대해서는 적은 비트를 할당해 주어도 주관적 화질의 차이를 거의 느끼지 못하게 된다. 따라서, 이러한 균질적인 영상에 대해서는, 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 하한값 Tlow 이하일 경우에는 상기 양자화 계수를 Tlow로 상향 조정함으로써, 주관적 화질 저하는 야기하지 않으면서도 비트를 절감할 수 있게 된다. 그리고 이처럼 절감된 비트는 균질한 영상 이 후의 영상에 대하여 더 할당함으로써, 화질을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
그리고 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 하한값 Tlow 과 상한값 Thigh 사이에 존재할 경우에는 상기 양자화 계수 결정부(104)에서 결정된 양자화 계수(Qc)에 실험을 통하여 얻어진 상수(k)를 고려하여 양자화 계수를 재조정(Qc=Qc+k)함으로써, 최상의 영상 화질을 제공할 수 있게 된다.
그러면, 하기 도 3을 참조하여, 상기 도 1에 도시되어 있는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치를 기반으로 수행되는 비트율 제어 방법을 일괄적으로 살펴보기로 한다.
도 3을 참조하면, 망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출한다(s200).
이어서, 상기 망을 통해 서비스되는 영상들의 현재의 버퍼 상태와 이전에 부호화된 영상들의 통계적 데이터에 기초하여 부호화될 영상의 복잡도를 미리 예측하여 양자화 계수(Qc)를 결정한다(s202).
이어서, 히스토그램과 이전 영상과의 차(SAD:Sum of Absolute Difference)를 이용하여 상기 망을 통해 서비스되는 영상의 전환 여부 및 화소값이 유사한 균질 영상인지의 여부를 판단한다(s204).
판단 결과, 상기 망을 통해 서비스되는 영상이 전환되었거나 화소값이 유사한 균질 영상일 경우에는 상기 양자화 계수(Qc)를 재조정하게 된다.
먼저, 상기 양자화 계수(Qc)가 상한값(Thigh) 이상인지를 판단하여(s206), 상 기 양자화 계수가 상한값 이상일 경우(Qc>Thigh)에는 양자화 계수(Qc)를 Thigh로 하향 조정(Qc｀=Qc(Thigh))한다(s208).
통상적으로, 양자화 계수가 높아질수록 비트를 적게 할당할 수 있지만 다음 영상의 참조 영상으로 사용될 때 좋은 참조 영상을 제공하지 못하게 되어 다음 영상의 화질에 악영향을 주는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서와 같이 양자화 계수가 상한값 Thigh 이상일 경우에는 양자화 계수를 상한값으로 하향 조정함으로써, 비트량은 좀 더 높아지더라도 다음 부호화될 영상에 보다 우수한 화질의 참조 영상을 제공할 수 있도록 한다.
그리고 상기 양자화 계수(Qc)가 하한값(Tlow) 이하인지를 판단하여(s210), 상기 양자화 계수가 하한값 이하일 경우(Qc<Tlow)에는 양자화 계수(Qc)를 Tlow로 상향 조정(Qc｀=Qc(Tlow))한다(s212).
통상적으로, 영상이 전체적으로 검은색 또는 흰색의 화소들로 이루어져 있는 균질한 영상에 대해서는 적은 비트를 할당해 주어도 주관적 화질의 차이를 거의 느끼지 못한다. 따라서, 이러한 균질적인 영상에 대해서는, 양자화 계수(Qc)가 하한값 Tlow 이하일 경우에는 양자화 계수를 하한값 Tlow으로 상향 조정함으로써, 주관적 화질 저하는 야기하지 않으면서도 비트를 절감할 수 있게 된다. 그리고 절감한 비트는 균질한 영상 이후의 영상에 대하여 더 할당함으로써, 화질을 보다 향상시킬 수 있도록 한다.
그리고 상기 양자화 계수(Qc)가 상한값(Thigh)과 하한값(Tlow) 사이에 존재하는지를 판단하고(s214), 상기 양자화 계수가 상한값과 하한값 사이에 존재할 경우(Tlow < Qc <Thigh)에는 상기 양자화 계수를 Qc+k로 재조정(Qc｀=Qc+k)한다(s216).
이어서, 상기와 같이 재조정된 양자화 계수를 이용하여 영상을 부호화한다(s218).
상기 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 1차적으로 결정된 양자화 계수를 영상의 특성에 따라 탄력적으로 재조정함으로써, 영상의 화질 저하를 방지하는 것이 발명의 핵심 기술이다.
즉, 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 상한값(Thigh) 이상일 경우에는 양자화 계수를 상한값(Thigh)으로 재조정(Qc｀=Qc(Thigh))하고, 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 하한값(Tlow) 이하일 경우에는 양자화 계수를 하한값(Tlow)으로 재조정(Qc｀=Qc(Tlow))하고, 1차적으로 결정된 양자화 계수(Qc)가 상한값과 한한값 사이에 존재할 경우에는 실험을 통해 얻어진 최적의 수치(k)를 고려하여 양자화 계수를 재조정(Qc｀=Qc+k)함으로써, 전환되는 영상 및 화소값이 유사한 균질 영상의 화질 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영상 부호화기의 비트율 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 양자화 계수와 데이터 비트율의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영상 부호화기의 비트율 제어 방법을 나타내는 플로우챠트이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 영상 부호화기의 비트율 제어 장치에 있어서,
    망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출하는 영상 특성 검출부,
    상기 검출된 영상에 대하여 양자화 계수를 1차적으로 결정하는 양자화 계수 결정부,
    상기 영상의 전환 여부 및 영상의 균질성을 판단하는 영상 전환/영상 균질성 판단부, 및
    상기 영상이 전환된 영상이거나 화소값이 유사한 균질 영상으로 판단될 경우, 상기 양자화 계수 결정부에서 1차적으로 결정된 양자화 계수를 미리 설정된 상한값, 하한값 또는 상한값과 하한값 사이의 수치로 재조정하는 양자화 계수 재조정부를 포함하되, 상기 양자화 계수 재조정부에서는 상기 양자화 계수 결정부에서 1차적으로 결정된 양자화 계수가 상한값(Thigh) 이상일 경우에는 상기 양자화 계수를 상한값(Thigh)으로 하향 조정하고, 상기 양자화 계수 결정부에서 1차적으로 결정된 양자화 계수가 하한값(Tlow) 이하일 경우에는 상기 양자화 계수를 하한값(Tlow)으로 상향 조정하고, 상기 양자화 계수 결정부에서 1차적으로 결정된 양자화 계수가 상한값(Thigh)과 하한값(Tlow) 사이에 존재할 경우에는 상기 양자화 계수를 상수(k)를 고려하여 재조정함을 특징으로 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 영상 부호화기의 비트율 제어 방법에 있어서,
    망을 통해 서비스되는 영상의 특성을 검출하는 단계와.
    상기 영상에 대하여 양자화 계수를 1차적으로 결정하는 단계와,
    상기 영상이 전환되었는지의 여부 및 화소값이 유사한 균질 영상인지의 여부를 판단하는 단계와,
    상기 영상이 전환된 영상이거나 화소값이 유사한 균질 영상인 것으로 판단될 경우에는 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수를 상한값, 하한값 또는 상한값과 하한값 사이의 수치로 재조정하는 단계를 포함하되, 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수를 재조정하는 단계는,
    상기 1차적으로 결정된 양자화 계수가 상한값 이상일 경우에는 상기 양자화 계수를 상한값으로 하향 조정하고, 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수가 하한값(Tlow) 이하일 경우에는 상기 양자화 계수를 하한값(Tlow)으로 상향 조정하고, 상기 1차적으로 결정된 양자화 계수가 상한값과 하한값 사이에 존재할 경우에는 상수(k)를 고려하여 상기 양자화 계수를 재조정함을 특징으로 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 영상이 전환되었는지의 여부 및 화소값이 유사한 균질 영상인지의 여부는, 히스토그램과 이전 영상과의 차(SAD)를 이용하여 검출함을 특징으로 하는 영상 부호화기의 비트율 제어 방법.
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