KR100960147B1 - 움직임 보상기의 움직임 보상 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 움직임 보상기의 움직임 보상 방법은, 참조 프레임 정보를 입력받는 단계, 상기 참조 프레임 정보의 코덱에 따라 사용될 저장소의 크기 패턴을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 저장소의 크기 패턴에 따라 상기 참조 프레임 정보에 대한 움직임 보상을 수행하는 단계를 포함한다.
H.264, 통합코덱, 저장소

Description

움직임 보상기의 움직임 보상 방법{MOTION COMPENSATING METHOD OF MOTION COMPENSATOR}
본 발명은 움직임 보상기의 움직임 보상 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부의 IT SoC 핵심설계 인력양성사업(Human Resource Development Project for IT SoC Architech)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: , 과제명: IT SoC 핵심설계인력양성].
동영상 신호의 압축 부호화 및 복호화는 저속 채널(low rate channel)을 통한 동영상 정보의 전송을 가능하게 할 뿐만 아니라 영상을 저장하는데 요구되는 메모리의 용량을 감소시킬 수 있기 때문에, 이러한 압축 부호화 및 복호화 기술은 동영상의 저장(storage), 전송(transmission) 등의 응용(application)을 요구하는 멀티미디어(multimedia) 산업에 있어서 매우 중요한 기술이다. 한편, 멀티미디어 산업의 확대와 정보의 호환성을 위하여 이러한 정보 압축 방법의 표준화 작업의 필요성이 대두되면서 현재까지 다양한 응용을 중심으로 동영상 표준화 방안이 마련되었다.
ITU-T와 ISO가 공동 제정한 차세대 동영상 압축 표준 H.264는 다양한 네트워 크 환경에 쉽게 부응할 수 있는 유연성과 동영상의 부호화 효율성 측면에서 MPEG-2, MPEG-4(Part 2) 등 기존 기술표준들에 비해 많은 진보가 있었다. 표준화 및 구현과정에 참여한 엔지니어들의 평가에 의하면 H.264의 데이터 압축률은 현재 DVD 시스템에 사용된 MPEG-2의 2~3배이고 MPEG-4 보다는 1.5~2배 이상 높다고 한다. 새로운 기술을 이용하면 DVD와 동일한 화질을 약 2Mbps의 코딩률에서 얻을 수 있으며, 1Mbps에서는 가정용 VCR과 같은 화질을 얻을 수 있다.
실제 제품과 서비스에 이 기술을 적용하면 영상 데이터 용량을 대폭 줄이면서 데이터 전송율을 낮출 수 있다. MPEG-2는 디지털 방송에 많이 사용되고 MPEG-4는 휴대폰용 영상 전송에 사용되지만 H.264는 더 높은 압축률을 필요로 하는 애플리케이션에 먼저 사용될 것으로 보인다. 일반적으로 동영상 코딩 방법에서는 전체 영상단위로 움직임 예측 및 보상을 행하는 대신에, 일정한 크기의 픽셀들 즉, 가로 방향으로 M 픽셀, 세로 방향으로 N 픽셀의 집합 단위(M×N 표기)로 움직임 예측 및 보상을 수행하는데, 이러한 픽셀의 집합을 매크로블록(Macroblock)이라 일컫는다. 일반적으로 동영상 코딩 방법에서는 매크로블록의 크기를 가로로 16픽셀, 세로로 16픽셀(16×16 표기)로 규정한다.
한편, H.264/AVC 또는 MPEG-4 Part 10과 같은 차세대 동영상 압축 기술에서의 움직임 예측 및 보상은 보다 작은 픽셀 집합 단위로 수행하게 된다. 16×16 매크로블록 크기부터 16×8, 8×16, 8×8 블록 크기까지 매크로블록 모드타입이 결정되고 8×8 모드는 다시 8×4, 4×8, 4×4 단위까지 서브 모드타입이 결정된다. 따라서 한 개의 매크로블록 내 블록크기가 모두 4×4 단위일 경우 최대 16개의 움직 임 벡터를 가지게 되며, 각 블록별로 움직임 추정 및 예측을 수행해야 한다.
일반적으로 H.264, WMV, Real Video10 등과 같은 동영상 코덱들은 유사한 움직임 보상 방법을 사용하고 있다. 하지만 세부적인 처리 내용에 있어서 차이점이 있다. 이러한 차이점으로 인하여 통합 코덱을 구현하는데 있어서 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 동영상 코덱을 지원하는 움직임 보상기의 움직임 보상방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 움직임 보상 방법은 H.264 코덱을 기반으로 구성된 서브블록 저장소가 H.264 코덱을 제외한 코덱들이 사용될 수 있도록 가변시킨다.
본 발명에 따른 움직임 보상기의 움직임 보상 방법은: 참조 프레임 정보를 입력받는 단계; 상기 참조 프레임 정보의 코덱에 따라 사용될 저장소의 크기 패턴을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 저장소의 크기 패턴에 따라 상기 참조 프레임 정보에 대한 움직임 보상을 수행하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 움직임 보상기의 저장소는 H.264 코덱을 기반으로 구현되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 움직임 보상을 수행하는 단계는, 4×4 서브블록을 기본 단위로 상기 참조 프레임 정보를 처리하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 있어서, 상기 움직임 보상을 수행하는 단계는, 상기 저장소에 저장된 상기 참조 프레임 정보를 서브블럭 단위로 처리하는 단계; 상기 서브블록 단위로 처리된 상기 참조 프레임 정보를 필터링하는 단계; 상기 필터링된 참조 프레임 정보에 대하여 움직임을 예측하는 단계; 및 예측된 참조 프레임 정보 및 현재 프레임 오차 정보를 이용하여 재구성하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 코덱이 H.264 코덱일 경우, 하프 픽셀 및 쿼터 픽셀을 계산하기 위하여 상기 저장소가 재사용되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 움직임 보상 방법은 다양한 코덱들을 사용하여 통합 코덱을 구현하는데 이용가능하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 움직임 보상기의 움직임 보상 방법은, 코덱 정보에 따라 사용될 저장소의 크기 패턴을 결정하고, 상기 결정된 저장소의 크기 패턴에 따라 참조 프레임 정보에 대한 움직임 보상을 수행한다. 따라서, 본 발명에 따른 움직임 보상 방법은 다양한 코덱들에 적용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임 보상기(100)를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 움직임 보상기(100)는 서브블록 저장소(110), 코덱별 단위블록 처리 기(120), 통합 필터(130), 움직임 보상 예측 블록(140), 및 재구성 블록(150)을 포함한다. 본 발명의 서브블록 저장소(110)는 사용된 코덱의 종류에 따라 저장소의 크기 패턴이 가변된다. 달리 표현하면, 다양한 코덱들이 하나의 서브블록 저장소(110)를 공유한다.
서브블록 저장소(110)는 시간 순서에 따라 입력된 참조 프레임 정보를 저장한다. 서브블록 저장소(110)는 코덱의 종류에 따라 결정된 저장소의 크기 패턴에 따라 참조 프레임 정보를 저장한다. 여기서, 서브블록 저장소(110)의 패턴은 서브블록 제어기(도시되지 않음)에서 결정된다. 예를 들어, 서브블록 제어기는 디폴트 값으로 H.264 코덱에 적합한 서브블록 저장소가 구현되도록 제어한다. 또한, H.264 코덱 외에 코덱에 대응하는 참조 프레임 정보가 입력될 때, 서브블록 제어기는 서브블록 저장소의 크기 패턴을 코덱에 대응하도록 가변시킨다. 즉, 본 발명의 서브블록 저장소(110)에서는 입력된 참조 프레임 정보에 사용된 코덱의 종류에 따라 저장소의 크기 패턴이 가변된다.
코덱별 단위블록 처리기(120)는 서브블록 저장소(110)에 저장된 참조 프레임 정보를 단위 블록 단위로 처리한다. 예를 들어, 코덱별 단위블록 처리기(120)에서는 최대 16×16에서부터 최소 4×4 블록 단위로 처리된다. 통합 필터(130)는 코덱별 단위 블록 처리기(120)에서 처리된 프레임 정보에 대한 노이즈를 필터링 한다. 통합 필터(130)에서는 휘도 영역에 대한 움직임 보상을 수행할 경우 1/2. 1/4 표본 위치까지 보간이 가능하고, 색차 영역의 대한 움직임 보상을 수행할 경우 1/8 표본 위치까지 보간이 가능하다. 움직임 보상 예측 블록(140)은 알고리즘에 의하여 현재 프레임의 보상을 예측한다. 재구성 블록(150)은 보상된 프레임 정보와 현재 플레임 오차 정보를 이용하여 프레임을 재구성한다.
본 발명의 움직임 보상기(100)는 H.264 코덱을 기반으로 구성된 서브블록 저장소(110)의 크기 패턴을 H.264 코덱을 제외한 코덱들이 사용할 수 있도록 가변시킨다.
도 2는 본 발명의 움직임 보상기(100)가 H.264 코덱용으로 사용될 때 움직임 보상 방법 및 정수 표본 위치를 보여주는 도면이다.
H.264 코덱에 있어서 1/2 표본 위치에 대한 보간은 6 탭 FIR(tap Finite Impulse Response) 필터 및 가중치(1/32,-5/32,5/8,5/8,-5/32,1/32)를 사용하여 이루어진다.
1/2 표본 위치 보간에 대한 실시예에 있어서, b로 명명된 1/2 표본 위치 표본들은 근처의 정수 위치 표본들을 수평방향으로 6 탭 필터를 적용함으로써 아래의 수학식과 같은 중간 값 b1을 얻는다.
b1 = (E - 5×F + 20×G + 20×H - 5×I + J)
또한, i로 명명된 1/2 표본 위치에 표본들은 수직 방향으로 6 탭 필터를 적용함으로써 아래의 수학식과 같은 중간 값 i1을 얻는다.
i1 = (A - 5×C + 20×G + 20×M - 5×R + T)
또한, 마지막 예측 값은 아래의 수학식을 사용함으로써 유도된다.
b = Clip1Y( (b1 + 16) >> 5 )
i = Clip1Y( (i1 + 16) >> 5 )
또한, k로 명명된 1/2 표본 위치에서 표본들은 가장 가까운 1/2 표본 위치의 중간 값에 6 탭 필터를 수평 혹은 수직 방향으로 적용함으로써 아래와 수학식과 같은 중간 값 k1을 얻는다.
k1 = cc - 5×dd + 20×i1 + 20×m1 - 5×ee + ff, 혹은
k1 = aa - 5×bb + 20×b1 + 20×t1 - 5×gg + hh
여기서, cc, dd, m1, ee,및 ff의 중간 값들은 i1 의 중간 값을 얻는 방법과 동일하게 수직 방향으로 6 탭 필터를 적용함으로써 얻게 된다. 또한 aa, bb, t1, gg, hh의 중간 값들은 b1 의 중간 값을 얻는 방법과 동일하게 수직방향으로 6 탭 필터를 적용함으로써 얻게 된다.
또한, k로 명명된 표본 위치에 표본들은 다음과 같은 수식을 통해 마지막 예측 값을 얻을 수 있다.
k = Clip1Y( (k1 + 512) >> 10 )
또한, a, c, d, n, f, j, l, p, e, g, o, q로 명명된 1/4 표본 위치의 표본들은 정수 및 1/2 표본 위치에서 두 개의 가장 가까운 표본에 대하여 반올림하고 그에 대한 평균 값을 취함으로써 아래의 수학식과 같은 예측 값을 얻게 된다.
a = ( G + b + 1 ) >> 1
c = ( H + b + 1 ) >> 1
d = ( G + h + 1 ) >> 1
n = ( M + i + 1 ) >> 1
f = ( b + k + 1 ) >> 1
j = ( i + k + 1 ) >> 1
l = ( k+ m + 1 ) >> 1
p = ( k + t + 1 ) >> 1
e = ( b + i + 1 ) >> 1
g = ( b + m + 1 ) >> 1
o = ( i + t + 1 ) >> 1
q = ( m + t + 1 ) >> 1
상술된 일련의 수식들을 처리하는 과정에는 다양한 크기의 서브블록 저장소가 필요하다. 예를 들어, 1/2 표본 위치의 중간 값에 대하여 6 탭 필터를 적용하여 중간 값 k1 을 얻는 경우에는, 16 비트 크기의 9×4 단위의 저장소 및 8 비트 크기의 4×4 단위의 저장소가 필요하다. 또한, 정수 및 1/2 표본 위치에서 두 개의 가장 가까운 표본 예측 값을 이용하여 1/4 표본 위치의 예측 값을 구할 경우에는, 8비트 크기의 9×9단위의 저장소가 두 개 필요하다.
또한, WMV 코덱에 있어서는 H.264 코덱과는 달리 1/2 표본 위치의 예측 값을 구하는데 4 탭 필터가 사용된다. 따라서 8 비트의 7×7단위의 저장소 및 16 비트 크기의 4×7 단위 저장소가 필요하다. 여기서 16 비트 크기의 4×7 단위 저장소는 16 비트의 중간 값을 저장하는데 사용된다.
또한, Real Video 10 코덱에 있어서는 H.264 코덱과 동일한 6 탭 필터가 사용된다. 따라서 8 비트 크기의 9×9단위 저장소 및 16 비트 크기의 4×9단위 저장소가 필요하다. 여기서 16 비트 크기의 4×9단위 저장소는 1차 필터를 통한 중간 값을 저장하는데 사용된다.
상술된 바와 같이, 움직임 보상 방법을 수행할 때 각 코덱에서 요구되는 서브 블록 저장소의 크기와 단위는 차이가 있다. 본 발명의 움직임 보상기는 효율적인 움직임 보상 방법을 제공하기 위하여 코덱에 적합한 형태의 저장소의 크기 패턴을 결정한다. 즉, 본 발명에서는 코덱의 종류에 따라 사용되는 서브블록 저장소의 크기가 가변된다.
도 3은 본 발명에 따른 움직임 보상기의 서브블록 저장소(110)에 대한 실시예를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 서브블록 저장소(110)는 가로로 18×8 비트 및 세로로 9×8 비트의 크기로 구현된다. 도 3에 도시된 서브블록 저장소(120)는 H.264 코덱을 기반으로 구현되었다. 그러나 본 발명의 서브블록 저장소가 반드시 H.264 코덱을 기반으로 구현될 필요가 없다는 것은 당업자에게 자명하다. 본 발명의 서브블록 저장소는 다양한 코덱들에 대하여 사용되는 코덱에 적합한 크기로 가변될 수 있는 저장소로써 다양하게 구현가능하다.
도 4는 H.264 코덱에 있어서 도 2에 도시된 표본 j를 얻기 위한 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 서브블록 저장소(120)는 표준 j을 얻기 위하여 8 비트의 픽셀 값이 9×9 영역만큼 사용된다. 그 후에 서브블록 저장소(120)는 표본 j을 얻기 위하여 16 비트 중간 값들이 업데이트된다. 이때, 8 비트 저장소 및 16 비트 저장소를 따로 두지 않고, 16 비트 저장소의 비트가 맵핑되어 사용될 것이다. 따라서 하프 픽셀(half pel:예를 들어, b) 혹은 쿼터 픽셀(quarter pel:예를 들어, a 혹은 c) 등을 얻기 위해 같은 크기의 저장소가 이용된다.
도 5는 H.264 코덱에 있어서 도 2에 도시된 표본 a 를 얻기 위한 서브 블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다. 표본 a 를 얻기 위하여, 8 비트의 표본 G 및 8 비트의 표본 b이 필요하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 8 비트씩 좌/우로 분할하여 표분 G 및 표본 b를 맵핑하여 표본 a가 계산된다.
아래에서는 동영상 표준으로 많이 사용되는 WMW 코덱 및 Real Video 10 코덱에 대하여 설명하도록 하겠다. H.264 코덱을 제외한 코덱들은 움직임 보상을 위하여 2 차원 필터 과정을 수행한다. 따라서, 첫 번째 필터 후의 결과 값은 최대 16 비트 값으로 조정되고, 두 번째 필터 후의 결과 값은 8 비트 값으로 조정된다.실시예로 사용된 두 코덱들은 도 3에 도시된 서브블록 저장소를 16 비트로 사용한다.
도 6은 WMV 코덱에 있어서 움직임 보상을 위하여 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다. WMV 코덱은 8×8 서브블록 단위로 움직임 보상을 수행한다. 그런데 본 발명의 움직임 보상기(100)는 H.264 기반으로 구현되었기 때문에 4×4 서브블록 단위로 처리된다. 따라서, WMV 코덱이 사용될 경우, 4×4 서브블록 단이 4번의 처리 동작을 수행해야 한다. 한편, 도 6을 참조하면, WMV 코덱 필터의 특성상 주변 픽셀을 4개 이용하기 때문에 H.263 코덱과는 달리 서브블록 저장소가 모두 사용되지 않는다.
도 7은 Real video 10 코덱에 있어서 움직임 보상을 위하여 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다. Real video 10 코덱은 주변 6개의 픽셀을 가지고 움직임 보상을 수행하는 H.264 코덱과 매우 유사하다. 다만, Real video 10 코덱의 필터 수행 순서는 H.264 코덱과 달리 일반적인 2D 필터를 사용하여 x 및 y 축으로 한번씩 수행하게 된다. Real video 10 코덱은 도 3에 도시된 서브블록 저장소를 모두 사용하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 움직임 보상 방법에 대한 흐름도이다. 도 3 및 8을 참조하면, 본 발명의 움직임 보상기의 움직임 보상 방법은 아래와 같다.
영상 데이터를 처리하는 데 있어서 움직임 보상이 필요할 경우, 서브블록 제어기는 입력된 참조 프레임 정보의 코덱이 H.264인지 판별한다(S110). 입력된 참조 프레임 정보의 코덱이 H.264라면, 상기 입력된 참조 프레임 정보가 서브블록 저장 소(120)에 저장된다(S120). 한편, 입력된 참조 프레임 정보의 코덱이 H.264가 아니라면, 서브블록 제어기는 입력된 참조 프레임 정보의 코덱에 접합한 서브블록 저장소의 크기 패턴이 결정되도록 서브블록 저장소(120)를 제어한다(S115). 이 후, 서브블록 제어기에 따라 결정된 서브블록 저장소 크기 패턴에 따라 참조 프레임 정보가 저장된다(S120).
서브블록 저장소(120)에 저장된 프레임 정보들은 통합 필터(130)을 통하여 노이즈가 제거된다(S130). 이후 노이즈가 제거된 프레임 정보들은 움직임 보상 예측 블록(140)에서 알고리즘에 의하여 움직임 보상이 예측되어 저장된다(S140). 이후 현재 프레임 오차를 입력받아 움직임 보상 예측 블록(140)에 저장된 프레임 정보는 재구성된다(S150). 이로써, 움직임 보상이 완료된다.
본 발명에 따른 서브블록 저장소의 크기 패턴은 코덱의 종류에 따라 소프트웨어적으로 가변되거나 혹은 하드웨어적으로 가변되도록 구현가능하다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임 보상기를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 움직임 보상기가 H.264 코덱용으로 사용될 때 움직임 보상 방법 및 정수 표본 위치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 움직임 보상기의 서브블록 저장소에 대한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 H.264 코덱에 있어서 도 2에 도시된 표본 j를 얻기 위한 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다.
도 5는 H.264 코덱에 있어서 도 2에 도시된 표본 a를 얻기 위한 서브 블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다.
도 6은 WMV 코덱에 있어서 움직임 보상을 위하여 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다.
도 7은 Real video 10 코덱에 있어서 움직임 보상을 위하여 서브블록 저장소의 사용 위치를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 움직임 보상 방법에 대한 흐름도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 움직임 보상기 110: 서브블록 저장소
120: 코덱별 단위블록 처리기 130: 통합필터
140: 움직임 보상 예측 블록 150: 재구성 블록

Claims (5)

  1. 움직임 보상기의 움직임 보상 방법에 있어서:
    참조 프레임 정보를 입력받는 단계;
    상기 참조 프레임 정보의 코덱에 따라 사용될 저장소의 크기 패턴을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 저장소의 크기 패턴에 따라 상기 참조 프레임 정보에 대한 움직임 보상을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 저장소의 크기 패턴은 움직임 보상을 수행하기 위한 서브블록 단위를 구성하며, 상기 서브블록 단위는 상기 참조 프레임 정보의 코덱에 따라 결정되는 움직임 보상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장소는 H.264 코덱을 기반으로 구현되는 것을 특징으로 하는 움직임 보상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 움직임 보상을 수행하는 단계는,
    4×4 서브블록을 기본 단위로 상기 참조 프레임 정보를 처리하는 것을 특징으로 하는 움직임 보상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 움직임 보상을 수행하는 단계는,
    상기 저장소에 저장된 상기 참조 프레임 정보를 상기 서브블록 단위로 처리하는 단계;
    상기 서브블록 단위로 처리된 상기 참조 프레임 정보를 필터링하는 단계;
    상기 필터링된 참조 프레임 정보에 대하여 움직임을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 참조 프레임 정보 및 현재 프레임 오차 정보를 이용하여 프레임을 재구성하는 단계를 포함하는 움직임 보상 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코덱이 H.264 코덱일 경우, 하프 픽셀 및 쿼터 픽셀을 계산하기 위하여 상기 저장소가 재사용되는 것을 특징으로 하는 움직임 보상 방법.
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