KR101196429B1 - 동영상 트랜스코딩 방법 및 그 장치, 이에 사용되는움직임 벡터 보간방법 - Google Patents

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Abstract

하나의 포맷으로 코딩된 동영상을 다른 동영상 코딩 포맷으로 변환하는 트랜스코딩 방법 및 장치, 움직임 벡터 보간방법이 개시된다. 본 발명에 따라, 트랜스코딩 방법은 (a) 소정의 제1부호화 방법에 의해 부호화된 영상을 디코딩하여, 영상을 구성하는 각각의 블록의 부호화 모드 정보 및 움직임 벡터 정보를 수신하는 단계; (b) 상기 부호화 모드 정보에 따라 제2부호화 방법에서의 상기 블록에 대한 부호화 모드를 적어도 하나 선택하는 단계; 및 (c) 상기 선택된 각각의 부호화 모드에서 움직임 예측을 수행하여, 그 결과에 따라 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 화질의 열화가 거의 없이 트랜스 코딩의 복잡도를 줄여 변환시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

동영상 트랜스코딩 방법 및 그 장치, 이에 사용되는 움직임 벡터 보간방법 {Video transcoding method and apparatus, and motion vector interpolation method}
도 1a는 H.264에서 움직임 추정시에 사용되는 블록들을 도시한 도면이다.
도 1b는 MPEG-4에서 움직임 추정시에 사용되는 블록들을 도시한 도면이다.
도 2는 H.264에서 1/4 단위 화소를 탐색하여 움직임 벡터를 결정하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 화소 영역 트랜스코딩 장치의 블록도이다.
도 4a 내지 도 4d는 MPEG-4 블록 부호화 모드를 H.264 블록 부호화 모드로 변환하는 것을 도시한 도면이다.
도 5는 스킵된 프레임의 MPEG-4 움직임 벡터를 이용하여 H.264 프레임의 움직임 벡터를 보간하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 이진 보간 (Binary interpolation) 방법을 이용하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 가중치 이진 보간(Weighted binary interpolation) 방법을 이용하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6c는 제약적 이진 보간(Constrained binary interpolation) 방법을 이용 하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 화소 영역 트랜스코딩 방법의 플로우차트이다.
도 8은 실험영상에 대해서 본 발명의 여러 가지 트랜스코딩 방법을 적용하였을 때의 PSNR을 도시한 그래프이다.
도 9는 이들 두 영상에 대해 트랜스코딩에 소요된 시간을 도시한 그래프이다.
본 발명은 동영상 트랜스코딩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 포맷으로 코딩된 동영상을 다른 동영상 코딩 포맷으로 변환하는 트랜스코딩 방법 및 장치, 이에 사용되는 움직임 벡터 보간방법에 관한 것이다.
컴퓨터와 통신기술이 발전함에 따라서 대용량의 멀티미디어 데이터를 네트워크를 통해 전송할 수 있게 되었다. 네트워크를 통해 대용량의 멀티미디어 데이터를 전송하기 위하여 여러 가지 멀티미디어 데이터 코딩방법들이 소개되고 있으며, 송신측과 수신측의 여건이 다르기 때문에 양측의 QoS(Quality Of Service)를 고려하여, 어느 하나의 코딩 방법으로 코딩된 데이터 포맷을 다른 코딩 포맷으로 변환하는 것이 필요한데, 이를 트랜스코딩(transcoding)이라 한다. 동영상 트랜스코딩은 화소 영역(pixel domain)에서의 트랜스코딩 방법과, 주파수 영역(frequency domain) 예를 들어 DCT(Discrete Cosine Transform) 영역에서의 트랜스코딩 방법이 있다.
화소 영역에서 트랜스코딩을 하기 위해서는 입력된 동영상에 대해 디코딩과 인코딩을 다시 수행하여야 하는데, 따라서 동영상을 구성하는 프레임의 모든 매크로블록에 대해 움직임 예측과정을 다시 수행하여야 한다. 그러므로, 트랜스코딩에 시간이 많이 걸리고 트랜스코딩된 동영상을 실시간으로 전송하기가 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 움직임 예측에 사용되는 블록 부호화 모드와 움직임 벡터를, 트랜스코딩하고자 하는 코딩 방법의 포맷에 맞게 변환하여 효율적으로 트랜스코딩하는 방법, 장치 및 이에 사용되는 움직임 벡터 보간 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따라, (a) 소정의 제1부호화 방법에 의해 부호화된 영상을 디코딩하여, 영상을 구성하는 각각의 블록의 부호화 모드 정보 및 움직임 벡터 정보를 수신하는 단계; (b) 상기 부호화 모드 정보에 따라 제2부호화 방법에서의 상기 블록에 대한 부호화 모드를 적어도 하나 선택하는 단계; 및 (c) 상기 선택된 각각의 부호화 모드에서 움직임 예측을 수행하여, 그 결과에 따라 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법에 의해 달성된다.
상기 트랜스코딩 방법은, (d) 상기 결정된 부호화 모드하에서 움직임 보상을 수행하여, 상기 디코딩된 영상에 대해 상기 제2부호화 방법에 따른 데이터를 출력 하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계는 상기 부호화 모드가 인터 16x16 이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 인터 16x16, 인터 16x8, 인터 8x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 부호화 모드가 인터 8x8 이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 인터 8x8, 인터 8x4, 인터 4x8 및 인트라 4x4 모드를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (b) 단계는 상기 부호화 모드가 스킵모드이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 스킵모드, 인터 16x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 부호화 모드가 인트라 모드이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 인트라 16x16 및 인트라 8x8 모드를 선택하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계는, 상기 선택된 각각의 부호화 모드에서 움직임 예측을 수행하여, 각각의 블록에 대한 움직임 벡터를 재조정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1부호화 방법은 MPEG-4 부호화 방법이고, 상기 제2부호화 방법은 H.264 부호화 방법인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 기술적 과제는 (a) 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록들과 겹쳐지는 부분의 면적, 겹쳐진 정도 및 겹쳐진 부분이 속한 블록의 부호화 모드 정보에 따라서 상기 현재 블록의 움직임 벡터를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 보간방법에 의해서도 달성된다.
상기 (a) 단계는, 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 각각의 면적과, 그 부분이 속한 다른 블록의 움직임 벡터를 곱한 것 을, 겹쳐진 모든 블록에 대하여 계산하여 그 평균을 내어 움직임 벡터로 정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (a) 단계는 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분이 속한 다른 블록이 16x16 블록이면, 그 16x16 블록의 움직임 벡터에 가중치를 두는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (a) 단계는 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 가로 또는 세로 중 어느 하나의 길이가 한 화소이면 그에 해당하는 다른 블록의 움직임 벡터는 상기 현재 블록의 움직임 벡터 계산에서 제외하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 소정의 제1부호화 방법에 의해 부호화된 영상을 디코딩하여 상기 영상을 구성하는 블록의 부호화 모드 정보 및 움직임 벡터 정보를 출력하는 디코더; 상기 부호화 모드 정보에 따라 제2부호화 방법에서의 부호화 모드를 적어도 하나 선택하고, 상기 선택된 각각의 부호화 모드에서 움직임 예측을 수행하여 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하고, 상기 결정된 부호화 모드하에서 움직임 보상을 수행하여, 상기 디코딩된 영상에 대해 제2부호화 방법에 따른 데이터를 출력하는 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치에 의해서도 달성된다.
상기 인코더는, 상기 부호화 모드가 인터 16x16 이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 인터 16x16, 인터 16x8, 인터 8x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 부호화 모드가 인터 8x8 이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모 드로 인터 8x8, 인터 8x4, 인터 4x8 및 인트라 4x4 모드를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인코더는 상기 부호화 모드가 스킵모드이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 스킵모드, 인터 16x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 부호화 모드가 인트라 모드이면 상기 제2부호화 방법에서의 부호화 모드로 인트라 16x16 및 인트라 8x8 모드를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인코더는 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록들과 겹쳐지는 부분의 면적, 겹쳐진 정도 및 겹쳐진 부분이 속한 블록의 부호화 모드 정보에 따라서 상기 현재 블록의 움직임 벡터를 계산하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 트랜스코딩 장치는 MPEG-4 Simple profile(SP) 포맷으로 코딩된 동영상을, H.264 (ITU-T Recommendation H.264이며 ISO/IEC MPEG-4 Part 10 Advanced Video Coding) Baseline profile(BP) 포맷의 동영상으로 변환하는 장치이다.
H.264는 종래의 동영상 압축 표준인 H.261, H.263, MPEG-2 그리고 MPEG-4 들과의 상호 연관성을 고려하지 않고 만든 표준이다. 따라서 H.264와 MPEG-4는 서로 다른 특징을 가지고 있다. 예를 들어, H.264는 4×4 블록단위로 정수 DCT를 수행하는 반면에 MPEG-4는 8×8 블록단위로 DCT를 수행한다. 또한 움직임 보상(Motion Compensation, MC)에서 1/2 단위 화소(half pixel)의 움직임 예측을 수행하는 MPEG-4와는 달리 H.264는 정확성(accuracy)을 높이기 위해서 1/4 화소 단위(quarter pixel)의 움직임 예측을 수행한다. 또한, MPEG-4는 인트라 예측에서 AC/DC 예측을 수행하는데 비하여 H.264 에서는 공간예측을 수행한다. 그리고, 움직임 추정(Motion Estimation, ME)시 사용되는 H.264의 블록 부호화 모드와 MPEG-4의 블록 부호화 모드도 서로 다르다. 가변길이 부호화(Variable Length Coding, VLC)에 있어서도 MPEG-4는 허프만 테이블(Huffman table)을 사용하지만 H.264에서는 유니버설 가변길이 코드를 사용한다.
동영상의 압축에 관한 H.264 표준에 따라 동영상을 부호화하기 위해서는 하나의 픽처를 매크로 블록으로 나눈다. 그리고, 각각의 매크로 블록을 인터 프리딕션에서의 모든 부호화 모드 및 인트라 프리딕션에서의 모든 부호화 모드에서 부호화해 본 후에 매크로 블록의 부호화에 소요되는 비트율과 원 매크로 블록과 복호화된 매크로 블록과의 왜곡정도, 즉 율-왜곡(Rate-Distortion)에 따라 부호화 모드를 하나 정해 부호화 한다. 이를 율-왜곡 최적화(Rate-Distortion Optimization, RDO)라고 한다.
즉, 율(Rate, R)은 현재 매크로 블록을 부호화하는데 소요된 비트수이다. 반면, 왜곡(Distortion, D)은 부호화가 수행된 영상을 복호화하였을 때의 원래 매크로 블록과 디코딩된 매크로 블록과의 차이이다. 따라서 왜곡(D)은 역양자화 및 역변환부를 거쳐 원래 매크로 블록이 복원되면 알 수 있는 값이다. 이렇게 얻어진 율(Rate)과 왜곡(Distortion)을 가지고 율-왜곡 코스트(RDcost)가 다음 수학식 1에 의하여 계산된다.
Figure 112004010315200-pat00001
수학식 1에서 Distortion은 현재 매크로 블록과 인코딩되었다가 디코딩되어 복원된 해당 매크로 블록과의 화소값의 차이를 의미하며 다음 수학식 2에 의해서 계산된다.
Figure 112004010315200-pat00002
수학식 2에서 B(k,l)과 B'(k,l)은 각각 현재 매크로 블록과 복원된 매크로 블록의 (k,l) 번째 화소값을 나타낸다. λ의 일예는 다음 수학식 3과 같은 수식에 의해서 정해질 수 있다.
Figure 112004010315200-pat00003
수학식 3에서 QP는 0에서 51까지의 정수로, H.264 양자화 값(Quantization value)이다.
인터 모드는 현재 픽처의 매크로 블록을 부호화하기 위해서 참조 픽처에서 선택된 하나 또는 복수개의 블록들의 위치들 나타내는 움직임 벡터정보와 화소값의 차를 부호화하는 인터 프리딕션에서 사용되는 모드이다. H.264 표준에서는 참조 픽처를 최대 5개까지 가질 수 있으므로 참조 픽처를 저장한 프레임 메모리내에서 참조 픽처를 검색하여 현재 매크로 블록이 참조할 블록을 찾는다. 프레임 메모리에 저장되는 참조 픽처는 현재 픽처를 기준으로 과거 픽처 또는 미래 픽처가 될 수 있다.
인트라 모드는 현재 픽처의 매크로 블록을 부호화하기 위해서 참조 픽처를 참조하는 것이 아니라, 부호화하고자 하는 매크로 블록과 공간적으로 인접한 화소값을 이용하여 부호화하고자 하는 매크로 블록에 대한 예측값을 계산한 후, 이 예측값과 화소값의 차를 부호화하는 인트라 프리딕션에서 사용되는 모드이다.
도 1a는 H.264에서 움직임 추정시에 사용되는 블록들을 도시한 도면이다.
도 1a를 참조하면, H.264에서는 16x16 매크로 블록은 7개의 가변블록으로 나누어지고, 각각의 가변블록이 움직임 벡터를 가짐을 알 수 있다. 즉, 하나의 매크로 블록은 16x16, 8x16, 16x8, 8x8 블록으로 나누어질 수 있으며, 8x8 블록으로 나누어진 매크로 블록은 다시 4x8, 8x4, 4x4로 나누어질 수 있다.
도 1b는 MPEG-4에서 움직임 추정시에 사용되는 블록들을 도시한 도면이다.
도 1b를 참조하면, MPEG-4에서는 H.264와는 달리 16x16 블록 또는 8x8 블록 2가지의 블록 부호화 모드만을 사용함을 알 수 있다. 따라서, MPEG-4 포맷으로 코딩된 영상을 H.264 포맷으로 변환하기 위해서는 블록 부호화 모드의 변환이 필요하다.
도 2는 H.264에서 1/4 단위 화소를 탐색하여 움직임 벡터를 결정하는 것을 설명하는 도면이다.
영문 대문자로 표시된 사각형 화소는 정수 단위 화소(integer pixel)를 나타내고, 영문 소문자로 표시된 동그라미 화소는 1/2 단위 화소(half pixel)를 나타내 며, 숫자로 표시된 삼각형 화소는 1/4 단위 화소(quarter pixel)를 나타낸다.
먼저, ±16 화소 영역의 정수 단위 화소에 대해 정수 단위의 움직임 벡터 검색을 수행하여 최적의 정수 단위 화소를 결정한다. 정수 단위 화소의 움직임 벡터에 대응하는 화소가 A 라고 하면, 다음으로 A 화소와 인접한 1/2 단위 화소 즉, b, c, d, e, f, g, h, i의 8개의 1/2 단위 화소들에 대하여 움직임 벡터를 검색하여 최적의 1/2 단위 화소를 결정한다. 1/2 단위 화소의 움직임 벡터에 대응하는 화소가 b라고 하면, 상술한 바에 의해 정해진 1/2 단위 화소와 인접한 1/4 단위 화소, 2, 8, 6, 7, 4, 5, 3, 1의 8개의 1/4 단위 화소들에 대하여 움직임 벡터를 검색하여 최적의 1/4 단위 화소를 결정한다.
이하에서는 MPEG-4 포맷에 따라 코딩된 동영상을 H.264 포맷으로 변환할 때, MPEG-4의 움직임 예측 모드를 H.264의 움직임 예측 모드로 어떻게 변환할 것인가와 각각의 블록에 대한 움직임 벡터를 어떻게 결정할 것인가에 대하여 상세히 설명한다.
화소 영역에서 트랜스코딩을 수행하는 방법으로 캐스캐이드 화소 영역 트랜스코딩(Cascaded Pixel-domain Trancoding) 방법이 있다. 캐스캐이드 화소 영역 트랜스코딩 방법은, 입력된 MPEG-4 비트 스트림을 모두 복원하고 복원된 영상에 대해 H.264에 따라 다시 인코딩을 수행하는 방법이다. 프레임의 모든 매크로블록에 대한 움직임 예측 과정이 H.264 부호화시에 다시 수행되어야 하기 때문에 트랜스코딩 시간과 비용이 많이 들어 실시간 전송에 적합하지 않다.
도 3은 본 발명의 화소 영역 트랜스코딩 장치의 블록도이다.
본 발명의 트랜스코딩 장치는 트랜스코딩 소요시간을 줄여 실시간 전송이 가능하도록 하기 위하여 MPEG-4 디코더(310)에서 MPEG-4 비트 스트림을 디코딩하여 얻어진 블록 부호화 모드 및 움직임 벡터 정보를 H.264 인코더(320)에서 이용한다. 트랜스코딩 장치는 MPEG-4 디코더(310)와 H.264 인코더(320)를 구비하여 MPEG-4 비트 스트림을 화소 영역으로 모두 디코딩한 후에 H.264 비트 스트림으로 변환한다.
가변길이 디코더(311)는 MPEG-4에 따라 코딩된 비트 스트림(bitstream)을 입력받아 가변길이 디코딩(Variable Length Decoding, VLD)을 수행하여, 현재 복원되고 있는 디코딩된 비트스트림의 프레임 형식, 매크로블록 정보 및 움직임 벡터 정보를 출력한다. 프레임 형식은 I 프레임, P 프레임 등의 형식을 나타내고 매크로블록 정보는 어떠한 블록을 사용하여 매크로블록에 대한 움직임 추정이 수행되었는가 하는 정보이다. 움직임 벡터 정보는 MPEG-4 디코더(310)내의 움직임 보상부(314)와 H.264 인코더(320)내의 움직임 보상부(326)로 전달된다. 매크로블록 정보도 H.264 인코더(320)내의 움직임 보상부(326)로 전달된다.
역양자화 및 IDCT 수행부(312)는 가변길이 디코딩된 비트스트림을 역양자화하고 IDCT를 수행한다. 이렇게 화소 영역으로 변환된 프레임은 H.264 인코더(320)로 출력될 뿐 아니라, 프레임 메모리(313)에 저장되었다가 움직임 보상부(314)로 입력되어 움직임 보상에 사용된다. 움직임 보상부(314)는 가변길이 디코더(311)에서 수신한 움직임 벡터 정보를 사용하여 움직임 보상을 수행한다.
H.264 인코더(320)는 화소 영역으로 변환된 동영상 데이터를 H.264 인코딩 방법에 따라 DCT 및 양자화부(321) 및 가변길이 인코더(322)를 거쳐 H.264 비트스 트림으로 만든다. H.264 인코더(320)에서도 움직임 보상이 필요한데, H.264 인코더(320)에서의 움직임 보상부(326)는 MPEG-4 디코더(310)로부터 수신한 움직임 벡터 정보와 매크로 블록 정보를 이용하여 움직임 보상을 수행하다. 움직임 보상을 수행하기 위해 움직임 보상부(326)는 DCT 및 양자화된 비트 스트림이 역양자화 및 IDCT 수행부(323)와 루프필터(324)를 거쳐 프레임 메모리(325)에 저장된 프레임을 이용한다.
가변길이 디코더(311)에 입력되어 디코딩된 비트스트림의 프레임 형식이 P 프레임(Predictive frame)이면, H.264 인코더에서 많은 시간을 소모하는 움직임 예측 과정을 생략하기 위하여 매크로블록 내의 블록 부호화 모드와 움직임 벡터를 재사용한다. 그런데 H.264에서는 1/4 단위 화소 움직임 예측 및 움직임 보상, 7개의 가변블록 그리고 11개의 블록 부호화 모드를 가지고 있기 때문에 MPEG-4 디코딩된 단순한 매크로 블록 부호화 모드를 H.264의 복잡한 블록 부호화 모드로 변환하여야 한다.
도 4a 내지 도 4d는 MPEG-4 블록 부호화 모드를 H.264 블록 부호화 모드로 변환하는 것을 도시한 도면이다.
MPEG-4 비트 스트림을 디코딩하여 얻어진 블록 부호화 모드 정보를 H.264 인코더에서 재사용하기 위하여 블록 부호화 모드 변환을 수행한다. H.264 인코더는 매크로 블록내의 각각의 블록에 대하여 움직임 예측을 수행하고 최적의 블록 부호화 모드를 결정하므로, MPEG-4 디코딩을 통해 얻어진 블록 부호화 모드 정보를 이용하면, H.264 인코딩시에 모든 종류의 모드에 대해서 움직임 예측을 수행하지 않 고 몇가지 모드에서만 움직임 예측을 수행하도록 하여 계산량을 줄일 수 있다.
도 4a를 참조하면, MPEG-4의 블록 부호화 모드가 인터 16×16 모드이면 H.264에서는 인터 16×16, 인터 16×8, 인터 8×16 및 인트라 16×16 모드에서의 움직임 예측만을 수행한다. 도 4b와 같이, MPEG-4의 블록 부호화 모드가 인터 8×8 모드이면 H.264에서는 인터 8×8, 인터 8×4, 인터 4×8, 인터 4×4 및 인트라 4×4 모드에서의 움직임 예측을 수행한다. 도 4c와 같이, MPEG-4의 블록 부호화 모드가 스킵(Skip) 모드이면, H.264에서는 스킵 모드, 인트라 16×16 및 인터 16×16 모드에서의 움직임 예측을 수행한다. 스킵 모드는 부호화하고자 하는 블록의 부호화 모드 정보만을 전송 또는 저장하는 모드이다. 영상의 배경부분 등에서는 현재 픽처의 주어진 블록이 참조 픽처의 해당 블록과 화소값이 동일할 확률이 높고, 이 경우에는 잔차 신호나 움직임 벡터 정보와 같이 별도의 부호화된 데이터의 전송 또는 저장의 필요없이 부호화 모드 정보만을 전송하거나 저장하면 되기 때문이다.
또한, 도 4d와 같이 MPEG-4의 블록 부호화 모드가 인트라 모드이면 H.264에서 인트라 4×4 및 인트라 16×16 모드에서 움직임 예측을 수행한다.
이렇게 H.264 부호화 과정에서 모든 부호화 모드에 대해 움직임 예측을 수행하지 않고 몇가지 모드에의 움직임 예측을 수행하기 때문에 계산량이 크게 줄어든다. 또한, 인트라 4×4 블록과 인트라 16×16 블록의 경우에는 율-왜곡(rate-distortion)이 가장 낮은 최적의 모드를 결정하는 율-왜곡 최적화 방법에 따라서 모드를 결정하면 트랜스코딩 장치가 매우 복잡해지기 때문에 율-왜곡 최적화 대신 각각의 모드에 대해 평균 제곱 오차(Mean Square Error, MSE)가 가장 작은 모드를 부호화 모드로 결정한다.
또한, 계산 복잡도를 줄이기 위해 트랜스코딩 시 양자화 계수(Quantization parameter)를 크게 하여 네트워크 대역폭(Network bandwidth)에 맞도록 비트율을 조정할 수도 있으나, 본 발명에서는 프레임 율을 1/2로 낮춤으로써 비트율을 조정하는 움직임 벡터 보간 방법을 사용한다. H.264에서 프레임 율을 1/2로 줄이면 MPEG-4에서 가져온 움직임 벡터를 재사용하기 위하여 움직임 벡터를 보간하는 과정이 필요하다.
도 5는 스킵된 프레임의 MPEG-4 움직임 벡터를 이용하여 H.264 프레임의 움직임 벡터를 보간하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
MPEG-4에서 H.264로 트랜스코딩 시 프레임 율을 1/2로 줄이는 경우, H.264의 n번째 프레임은 MPEG-4 프레임 2n번에 해당하고 MPEG-4의 2n-1번 프레임은 H.264의 n번째 프레임과 n-1번째 프레임의 중간에 해당된다. MPEG-4의 2n-1번 프레임에서 한 블록의 움직임 벡터는 2n-2번 프레임을 참조하여 얻어진 것이다. MPEG-4의 2n번째 프레임에서 한 블록의 움직임 벡터와 스킵된 2n-1번째 프레임의 한 블록의 움직임 벡터를 더하면, H.264에서 n-1번째 프레임을 참조한 현재 프레임의 한 블록의 움직임 벡터를 구할 수 있다.
이하에서는, 스킵된 프레임의 움직임 벡터를 이용하여 현재 블록의 움직임 벡터를 구하는 움직임 벡터 보간 방법을 설명한다.
도 6a는 이진 보간 (Binary interpolation) 방법을 이용하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
MPEG-4는 움직임 예측 시 각 매크로 블록에 대하여 16×16, 8×8 블록 부호화 모드가 존재한다. 따라서 16×16 블록 움직임 벡터라 할지라도 8×8 블록 단위 움직임 벡터 4개로 나누어서 표현할 수 있으므로 모든 프레임을 8×8 블록 단위 움직임 벡터로 표현이 가능하다. 이렇게 8×8 로 나누어진 블록의 움직임 벡터 정보를 이용하여 현재 블록의 움직임 벡터를 구할 수 있다.
도 6a를 참조하면, MPEG-4에서 움직임 벡터가 8×8 블록 부호화 모드로 표현이 가능하기 때문에 현재 매크로 블록의 8×8 블록의 움직임 벡터는 다음 수학식 4에 의해서 정해질 수 있다.
Figure 112004010315200-pat00004
상기 수학식 4에서 wi, hi는 현재 매크로 블록의 8×8 블록과 i번째 겹친 블록간의 수평, 수직 겹친 길이, MVi는 i번째 겹친 블록의 움직임 벡터를 나타낸다. 즉, MPEG-4의 8×8 블록 부호화 모드로부터 H.264의 16×16, 16×8, 8×16, 8×8에 대응하는 움직임 벡터를 구할 수 있다.
도 6b는 가중치 이진 보간(Weighted binary interpolation) 방법을 이용하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
MPEG-4의 블록 부호화 모드는 16×16과 8×8 두 가지이 있다. 16×16 블록은 8×8 블록보다 화소에 대한 정보를 4배 많이 가지고 있으므로 도 6b와 같이 이진 보간을 할 때 8×8 블록보다 4배의 가중치를 주어 움직임 벡터를 계산한다. 즉, 겹치는 부분은 작더라도 그 부분이 16×16 블록 부호화 모드이라면 가중치를 준다. 따라서, 최종 움직임 벡터는 다음 수학식 5에 의해서 계산될 수 있다.
Figure 112004010315200-pat00005
도 6c는 제약적 이진 보간(Constrained binary interpolation) 방법을 이용하여 움직임 벡터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이진 보간을 할 때 8×8 블록과 겹치는 영역의 면적은 H.264의 8×8 블록의 위치에 따라 다르다. 그러나 wi 또는 hi, (i=1, 2, 3, 4) 중 어느 한 값이 1인 경우 그 블록의 움직임 벡터 영향력은 미미하다. 도 6c에서 겹친 블록 A와 C는 움직임 벡터 계산에서 제외되고 B와 D 블록만이 움직임 벡터의 계산에 사용된다. 즉, wi=1 또는 hi=1인 겹친 블록의 경우 움직임 벡터 보간 시 제외된다. 작은 영역 부분을 차지하는 움직임 벡터를 제거함으로써 움직임 벡터의 계산 정확도를 높인다. 이를 수학식으로 정리하면, 다음 수학식 6과 같다.
Figure 112004010315200-pat00006
상술한, 3가지 움직임 벡터 보간 방법을 사용하여 MPEG-4의 정수 단위 화소 에서의 움직임 벡터를 H.264에서 재사용하여 H.264 정수 화소 단위에서 검색 영역 을 ±2로 줄임으로써 움직임 예측에 필요한 계산량은 줄이면서 좋은 성능의 화질을 얻을 수 있다. 즉 ±16 영역에 대해서 검색을 하지 않고도 움직임 벡터를 효율적으로 찾을 수 있다.
각각의 방법들은 독립적으로 사용될 수 있으며, 두가지 방법이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어 가중치 이진 보간 방법과 제약적 이진 방법이 함께 사용될 수 있다. 또한, 각각의 방법들은 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 상술한 부호화 모드 변환방법과 함께 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 화소 영역 트랜스코딩 방법의 플로우차트이다.
MPEG-4 영상의 매크로 블록의 부호화 모드 정보와 움직임 벡터 정보를 수신하여(S710), 부호화 모드에 따라서 H.264에서 수행할 부호화 모드를 복수개 선택한다(S720). H.264 부호화 모드를 선택하는 것은 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명한 바와 같다. 그리고, 프레임율을 반으로 줄이고자 하는 경우에는 움직임 벡터를 보간하여 구한다(S730). 움직임 벡터 보간에 대해서는 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명한 바와 같다. 그리고, 율-왜곡 최적화에 따라 최적의 부호화 모드를 결정하여 부호화를 수행한다(S740).
본 발명의 효과를 알아보기 위해, MPEG-4 SP급 영상을 디코딩하는 MoMuSys 복호기와 H.264 BP 급 여상을 인코딩하는 JM42 (Joint Model) 부호기를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 실험은 Pentium-IV 2.66 GHz에서 수행되었으며, 각각 30 Hz 프레임율로 300장씩 저장된 7개의 QCIF(Quarter Common Interface Format, 176×144)와 CIF(Common Interface Format, 352×288) 영상을 이용했다. 실험한 JM42 부호기는 가변 블록 크기(16×16, 16×8, 8×16, 8×8, 8×4, 4×8, 4×4)의 움직임 예측 및 보상, ±16의 정수단위 움직임 벡터 검색 영역, 1/4화소 움직임 예측 및 보상, 4×4 Integer DCT, RDO(Rate-Distortion Optimization)를 사용했다.
각 영상에서 첫 번째 프레임은 인트라 프레임(Intra frame)이고 나머지는 모두 예측 프레임(Predictive frame)으로 코딩되었으며, MPEG-4에서 30 Hz 프레임 율로 만들어진 영상을 H.264에서 프레임을 1장씩 스킵하면서 15 Hz의 프레임 율로 각 영상 300장에 대해 실험하였다. H.264에서 움직임 벡터 보간시 정수 화소 단위에서 MPEG-4의 움직임 벡터를 본 발명에서 개시한 움직임 벡터 보간 방법들을 이용하여 후보 벡터를 찾고 다시 후보 벡터에서 ±2의 검색 영역으로 움직임 벡터를 찾은 후 1/2 화소와 1/4 화소에서 각각 주위 8개의 화소만을 검색하여 1/4화소 움직임 벡터를 찾았다.
상술한 움직임 벡터 보간방법은 블록 부호화 모드 변환방법과 함께 사용될 수도 있고, 프레임율을 줄이고자 하는 경우에 단독으로 사용될 수도 있다.
도 8은 실험영상에 대해서 본 발명의 여러 가지 트랜스코딩 방법을 적용하였을 때의 PSNR을 도시한 그래프이다.
그래프에서 Cascade는 직렬 화소 영역 트랜스코딩 방법을 사용한 경우이고, BI 이진 보간 방법을 사용한 경우이며, WBI 는 가중치 이진 보간 방법을 사용한 경우이고, CBI는 제약적 이진 보간 방법을 사용한 경우이다. WBI+CBI는 가중치 이진보간과 제약적 이진보간이 함께 사용된 경우이다.
도 8을 참조하면, 실험결과 직렬 화소영역 트랜스코딩 성능과 본 발명의 열 러가지 방법의 성능을 비교해 보면 높은 비트율에서는 0.2dB, 낮은 비트율에서는 최대 0.7dB의 PSNR 손실을 보여줌을 알 수 있다. 그리고, 본 발명에서 개시한 방법은 약 70kbps에서 약 33.1dB의 성능을 보이고 있는데, 이는 모바일 단말용 응용을 위하여 적당한 화질을 제공한다고 할 수 있다. 도 8의 아래에서 도시한 CIF 크기의 Mobile & Calendar 영상에서는 본 발명에서 개시한 방법들간에 거의 비슷한 성능을 보여주고, 본 발명에서 개시한 방법들과 직렬 화소영역 트랜스코딩은 높은 비트율에서는 0.2dB, 낮은 비트율에서는 0.9dB의 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
도 9는 이들 두 영상에 대해 트랜스코딩에 소요된 시간을 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 직렬 화소영역 트랜스코딩 성능과 비교했을 때 본 발명의 트랜스코딩 방법들이 QCIF 영상에서는 3.2배에서 4배, CIF 영상에서는 3.3배에서 4배 빠른 수행 시간을 보여주며 제안된 방법들간에 거의 비슷한 수행 시간을 보여줌을 알 수 있다. 도 9의 세로축은 코딩된 300 장의 MPEG-4 비트스트림을 150 장의 H.264로 다시 코딩하는 시간을 나타내며, 가로축 QP는 H.264의 양자화 계수를 나타낸다.
한편, 전술한 트랜스 코딩 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 트랜스 코딩 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 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.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 화질의 열화가 거의 없이 트랜스 코딩과정에서의 복잡도를 줄여 변환시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (24)

  1. (a) 소정의 제1부호화 방법에 의해 부호화된 영상을 디코딩하여, 영상을 구성하는 각각의 블록의 부호화 모드 정보 및 움직임 벡터 정보를 수신하는 단계;
    (b) 상기 부호화 모드 정보에 따라 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중 일부인 복수개의 부호화 모드들을 선택하는 단계; 및
    (c) 상기 선택된 일부 부호화 모드들 각각에 대해 움직임 예측을 수행하여, 그 결과에 따라 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (d) 상기 결정된 부호화 모드하에서 움직임 보상을 수행하여, 상기 디코딩된 영상에 대해 상기 제2부호화 방법에 따른 데이터를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 제1 부호화 방법의 상기 부호화 모드가 인터 16x16 이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인터 16x16, 인터 16x8, 인터 8x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 인터 8x8 이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인터 8x8, 인터 8x4, 인터 4x8 및 인트라 4x4 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 스킵모드이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 스킵모드, 인터 16x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 인트라 모드이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인트라 16x16 및 인트라 8x8 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 선택된 일부 부호화 모드들 각각에 대해 움직임 예측을 수행하여, 각각의 블록에 대한 움직임 벡터를 재조정하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    율-왜곡을 계산하여 율-왜곡 최적화 방법에 따라, 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선택된 일부 부호화 모드들 중 인트라 16x16 또는 인트라 8x8 모드에 대해서는 현재 블록의 화소값과 이전 프레임 블록의 화소값의 평균제곱오차를 계산하여 그 결과에 따라 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    상기 선택된 일부 부호화 모드들 각각에 대해, 현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐지는 부분의 면적과, 그 부분이 속한 블록의 움직임 벡터 정보에 따라 상기 현재 블록의 움직임 벡터를 구하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 각각의 면적과, 그 부분이 속한 다른 블록의 움직임 벡터를 곱한 것을, 겹쳐진 모든 블록에 대하여 계산하여 그 평균을 내어 움직임 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분이 속한 다른 블록이 16x16 블록이면, 그 16x16 블록의 움직임 벡터에 가중치를 두는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 가로 또는 세로 중 어느 하나의 길이가 한 화소이면 그에 해당하는 다른 블록의 움직임 벡터는 상기 현재 블록의 움직임 벡터 계산에서 제외하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1부호화 방법은 MPEG-4 부호화 방법이고, 상기 제2부호화 방법은 H.264 부호화 방법인 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 소정의 제1부호화 방법에 의해 부호화된 영상을 디코딩하여 상기 영상을 구성하는 블록의 부호화 모드 정보 및 움직임 벡터 정보를 출력하는 디코더;
    상기 부호화 모드 정보에 따라 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중 일부인 복수개의 부호화 모드들을 선택하고, 상기 선택된 일부 부호화 모드들 각각에 대해 움직임 예측을 수행하여 상기 블록에 대한 부호화 모드를 결정하고, 상기 결정된 부호화 모드하에서 움직임 보상을 수행하여, 상기 디코딩된 영상에 대해 제2부호화 방법에 따른 데이터를 출력하는 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 인코더는
    상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 인터 16x16 이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인터 16x16, 인터 16x8, 인터 8x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 인터 8x8 이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인터 8x8, 인터 8x4, 인터 4x8 및 인트라 4x4 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 인코더는
    상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 스킵모드이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 스킵모드, 인터 16x16 및 인트라 16x16 모드를 선택하고, 상기 제1 부호화 방법의 부호화 모드가 인트라 모드이면 상기 제2부호화 방법의 모든 부호화 모드들 중에서 인트라 16x16 및 인트라 8x8 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 인코더는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록들과 겹쳐지는 부분의 면적, 겹쳐진 정도 및 겹쳐진 부분이 속한 블록의 부호화 모드 정보에 따라서 상기 현재 블록의 움직임 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 인코더는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 각각의 면적과, 그 부분이 속한 다른 블록의 움직임 벡터를 곱한 것을, 겹쳐진 모든 블록에 대하여 계산하여 그 평균을 내어 움직임 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 인코더는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분이 속한 다른 블록이 16x16 블록이면, 그 16x16 블록의 움직임 벡터에 가중치를 두는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 인코더는
    현재 블록에 대응되는 이전 프레임의 블록이, 다른 블록과 겹쳐진 부분의 가로 또는 세로 중 어느 하나의 길이가 한 화소이면 그에 해당하는 다른 블록의 움직임 벡터는 상기 현재 블록의 움직임 벡터 계산에서 제외하는 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1부호화 방법은 MPEG-4 부호화 방법이고, 상기 제2부호화 방법은 H.264 부호화 방법인 것을 특징으로 하는 트랜스코딩 장치.
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