KR101527150B1 - 동영상 부호화/복호화 장치 및 그를 위한 화소 기반 적응중첩 블록 움직임 보상 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동영상 부호화/복호화 장치 및 그를 위한 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법은, 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실이, 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하는 단계; 상기 이득과 상기 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 잔여화소의 절대치 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 단계; 및 입력된 화소 또는 수신된 잔여화소의 절대치를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소 또는 상기 수신된 잔여화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 단계를 포함한다.
영상, 압축, 부호화, 복호화, 블록 움직임 보상, 중첩 블록 움직임 보상

Description

동영상 부호화/복호화 장치 및 그를 위한 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치 및 방법 {Video encoding/decoding apparatus and pixel-based adaptive overlapped block motion compensation method and apparatus}
본 발명은 비디오 데이터의 압축/복원 기술에 관한 것으로서, 특히 중첩 블록 움직임 보상(OBMC: Overlapped Block Motion Compensation) 시 유발되는 흐림 효과(Blurring Artifact) 또는 과-평탄 문제(Oversmoothing Problem)를 해결하기 위한, 동영상 부호화/복호화 장치 및 그를 위한 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 현존하는 대부분의 상용 비디오 압축 방식 및 그 장치에서는, 블록 움직임 추정/보상 (Block Motion Estimation/Compensation) 방식 및 그 장치를 사용함으로써, 자연 비디오에 존재하는 시-중복성을 효과적으로 제거하고 있다. 이러한 블록 움직임 추정/보상 방식은, 하나의 블록에 포함된 모든 화소들이 기본적으로 같은 움직임을 가진다는 가정에 기반을 두고, 부호화 수행 대상인 현재 영상의 각 블록 화소들을 이전에 압축되어 전송 된 영상(들)을 이용하여 예측/복원 한다. 이러한 블록 움직임 보상 방식은, 간단하지만 능률적인 그 기본 가정에 힘입어, 부호화해 전송해야 할 움직임 모수 (Motion Parameter)의 수가 적고, 따라서 비디오 데이터의 압축 효율 향상에 크게 기여하고 있다. 하지만, 기본 모델에 부합하지 않는 블록 내 일부 화소들(일반적으로 블록 경계부의 화소들)의 부적합성에 의해 블록 현상(Blocking Artifact)을 유발하는데, 여기서 블록 현상이란 움직임 추정/복원의 단위인 각 블록의 경계에서 격자 모양의 부자연스런 인위적 부호화 오류가 관찰되는 것을 의미한다. 이와 같은 블록 현상을 해결하기 위해 다양한 종래 기술들이 제시되었는데, 중첩 블록 움직임 복원(Overlapped Block Motion Compensation)은 그러한 종래 기술의 한 범주이다.
중첩 블록 움직임 복원 기법은, 각 블록에 움직임 복원을 수행할 시, 주변 블록들의 움직임에 의한 현 위치에서의 복원 화소들을 현재 블록의 복원 화소들과 가중 합하여 움직임 복원을 수행하는 방식으로, 주변 블록들의 움직임을 현재 블록의 움직임 복원에 반영함으로써 블록 경계면의 움직임 복원 오차를 크게 줄여줄 수 있는 능률적 기법이다. 하지만, 인접한 블록의 움직임이 현재 블록과 큰 차이를 가지는 경우, 혹은 인접한 두 블록 중 한 블록만 윤곽선 정보를 포함하고 있는 경우, 중첩 움직임 복원 방식에 의한 움직임 복원은 기존의 블록 움직임 복원에 비해 더 열화 된 결과를 나타내거나, 블록의 윤곽선 정보를 흐릿하게 만드는 흐림 효과(Blurring Artifact)를 유발하는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 때로는 과-평탄 문제(Oversmoothing Problem)라 불리는데, 블록 움직임 추정 방식의 기본 가정이 잘 만족되어 비교적 올바르게 예측된 블록 경계면의 화소 값이 중첩 블록 움직임 복원에 의해 오차가 큰 주변 블록의 화소와 가중 합 됨으로써 발생된다. 일반적으로, 인접한 두 블록의 움직임이 큰 차이를 보이게 되는 것은 각 블록에 속하는 대부분의 화소들이 가지는 실제 움직임이 서로 다르기 때문인데, 이렇게 화소들의 실제 움직임에 불연속이 나타날 수 있는 것은 이들 각 블록에 속하는 화소들이 영상 내 상이한 물체에 속하게 되며, 각 물체의 움직임이 서로 다른 경우가 나타나기 때문이다. 따라서 이러한 과-평탄 문제는 일반적으로 영상 내에 존재하는 물체의 윤곽선 부분에서 발생하게 되고, 이러한 윤곽선 정보는 시각적으로 더욱 중요한 영상 정보에 해당되기 때문에 과-평탄 문제를 해결하는 것은 비디오 데이터의 압축 성능을 더욱 향상시키고, 보다 우수한 화질의 복원 영상을 얻는데 매우 중요한 일이라 할 수 있다.
이와 같은 과-평탄 문제를 해결하기 위하여 다양한 기법들이 종래 기술의 형태로 존재하는데, 이들 대부분은 각 블록의 움직임 복원에 중첩 블록 움직임 보상과 기존의 블록 움직임 보상을 적응적으로 선택하여 적용하는 방식들이다. Ji Zhongwei, Jiang Wenjun , and Zhu Weile("Wavelet-based video coding using adaptive overlapped block motion compensation", in Proc. ICCCS'02, 29 June - 1 July, 2002, vol.2, pp.1090-1093)은 부호화를 수행할 때 각 블록에 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 모두 수행해 본 후, 각 방식의 평균 제곱 에러(Mean-Squared-Error)를 비교하여, 그 값이 더 적은 방식을 그 블록의 움직임 보상 방식으로 결정하도록 하였다. 이 기법은 언제나 움직임 보상의 오차가 더 적은 방법으로 시-처리를 수행함으로써 개선된 움직임 복원 성능을 얻을 수 있었지만, 부호기에서의 선택 기준인 각 방식의 평균 제곱 에러를 복호기에서는 재현할 수 없기 때문에 각 블록이 어떤 방식으로 움직임 복원 되어야 하는지를 부가 정보의 형태로 전송해야 하는 문제를 가지고 있다.
이와 같은 부가 정보 전송에 따른 압축 비트율 증가에 대한 문제를 해결하면서, 적응적으로 중첩 블록 움직임 보상을 수행할 수 있는 다양한 형태의 종래 기술들이 존재하는데, 우선, Tien - ying Kuo and C.-C. Jay Kuo("A hybrid BMC/OBMC motion compensation scheme", in Proc. ICIP'97, 26-29 Oct. 1997, vol.2, pp.795-798)는 이전에 복호된 2장의 영상으로부터 차이 영상(Displaced Frame Difference)을 구해, 이를 기반으로 움직임 보상 방식을 전환하는 적응 기법을 제안하였다. 움직임 보상을 수행할 현재 블록과 같은 위치의 차이 영상 블록이, 특정 문턱치 (Threshold)를 넘는 화소를 많이 가지는 경우에 한해서만 중첩 블록 움직임 보상을 수행하도록 함으로써 부가 정보 없이 복호기에서 적응적으로 블록 움직임 보상과 중첩 블록 움직임 보상을 선택할 수 있도록 한 것이다. 이와 유사하게, 다른 여러 종래 기술들에서도 각 기술마다의 독창적인 선택 기준에 따라, 별도의 부가 정보 없이 각 블록의 움직임 보상 방식을 선택할 수 있도록 하였는데, 이영수("엠펙4 데코딩 시의 동작화면 보상 장치", 대한민국 특허, 제 10-280498-0000, 2000년 11월 10일)는 전송되어 복호된 DCT(Discrete Cosine Transform) 계수의 고대역 주파수 에너지 값을 기준으로, Sung - hee Lee and Bong - soo Hur("Apparatus to provide block-based motion compensation and method thereof", US Patent, PN US2004/0252896, Dec. 16, 2004)와 Seung Hwan Kim , Dong - il Chang , Choong Woong Lee, and Sang Uk Lee("Complexity reduction method for overlapped block motion compensation based on spatio-temporal correlation", in Proc. ISCAS'99, 30 May-2 June 1999, vol.4, pp.211-214) 등은 복호되는 현재 블록과 그 주변 블록들의 움직임 벡터 차이 값을 기준으로 삼았으며, Jun Zhang("Adaptive overlapped block matching for accurate motion compensation", US Patent, PN US2006/0083310, Apr. 20 2006)은 움직임 복원되는 블록의 내부 영역과 외부 영역의 통계적 표준 편차를 기준으로 중첩 블록 움직임 복원을 선택적으로 적용하고 있다.
이상에서 설명한, 부가 정보 없이 적응적으로 움직임 보상 방식을 선택하는 모든 종래 기술들은 각기 나름대로의 선택 기준을 마련함으로써 과-평탄 문제를 완화하는데 성공적으로 기여했지만, 이들은 모두 한 가지 중요한 단점을 공유한다고 할 수 있다. 이는, 각 방식들이, 각 블록을 단위로 움직임 복원 방식을 선택하고, 그 선택된 방식을 적용하여 블록 내 모든 화소들의 움직임 복원을 수행하기 때문에, 각 블록의 경계면을 기반으로 혹은 블록 내 각 화소를 기반으로 하는 보다 세밀한 단위의 움직임 복원이 불가능하고, 따라서 과-평탄 문제의 해결 능력이 제한적일 수 있다는 점이다.
이와 같은 문제는, Jiro Katto("Overlapped motion compensation using a window function which varies in response to an input picture", US Patent, PN 5602593, Feb. 11 1997)에 의해 제안된 방식에 의해 일부 해결될 수 있는데, 이 방식에서는 입력 영상과 움직임 보상 오차의 통계적 특성에 따라 가중 합에서 사용할 가중치를 조절하고 있다. 즉, 중첩 블록 움직임 보상이 사용할 가중치의 값을, 입력되는 특정 비디오, 또는 입력 비디오의 특정 영상, 심지어는 입력 영상의 특정 경계면의 통계적 특성에 따라 가변 할 수 있도록 한 것인데, 가중치의 값이 0인 경우 이 방식은 기존의 블록 움직임 보상 방식에 해당되기 때문에, 이 기법은 기존의 블록 기반 적응 움직임 보상 방식을 확장하여 블록 경계면 단위까지 보다 세밀하게 적응적으로 움직임 복원 방식을 선택할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 하지만, 이 방식에서 가중치 조절의 기준으로 사용하는 통계적 특성이라는 것이, 입력 영상, 혹은 영상 일부에 해당하는 일군의 화소들이 가지는 통계적 표준 편차(Standard Deviation) 및 상관도(Correlation), 그리고 움직임 복원 오차의 통계적 기대치(Expectation) 등을 의미하기 때문에, 그 추정에 많은 계산양이 소요될 뿐 아니라 블록의 경계면과 같이 영상의 작은 영역에 이 방식을 적용하는 경우에는 추정 정확도의 불확실성이 높아져 결국 그 성능에 한계를 보일 수 있다는 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 가중치 조절에 사용되는 이와 같은 통계적 모수들은, 복호기에서 계산을 통해 재현할 수 있는 값이 아니기 때문에, 부가 정보의 형태로 복호기에 전송되어야 한다는 문제 또한 존재한다.
이와 같은 Jiro Katto("Overlapped motion compensation using a window function which varies in response to an input picture", US Patent, PN 5602593, Feb. 11 1997)의 제안 방식이 가지는 문제점들은 Byeong - Doo Choi , Jong-Woo Han , Chang - Su Kim , and Sung - Jae Ko("Motion-compensated frame interpolation using bilateral motion estimation and adaptive overlapped block motion compensation", IEEE Trans. Circuits and Syst. for Video Technol., vol.17, pp.407-416, Apr. 2007)가 제안한 방식을 변형함으로써 해결될 수 있을 것으로 기대되는데, 이 방식에서는 복원할 블록의 각 경계에 면한 이웃 블록의 움직임에 의한 화소의 복원이 현재 복원할 블록의 실제 화소와 얼마나 유사한지를 나타내는 신뢰도(Reliability)를 기반으로, 그 정도가 높을수록 더욱 높은 가중치를 사용함으로써 능률적으로 경계 단위의 가중 블록 움직임 보상을 수행하고 있다. 하지만, 이 방식은 기본적으로 영상 보간(Frame Interpolation) 응용에서 사용하도록 설계된 기법이기 때문에, 비디오 압축 응용에서는 가중치 조절의 기준인 신뢰도 정보를 복호기에서 재현할 수 없고, 보다 세밀한 형태의 적응 기법이라 할 수 있는, 화소 단위의 적응 가중 블록 움직임 보상 방식으로는 확장할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
화소 단위로 가중 블록 움직임 보상을 조절할 수 있는 종래 기술로는 Chih-lung Bruce Lin , Ming - Chieh Lee , and Wei - ge Chen("Overlapped motion compensation for object coding", US Patent, PN 5982438, Nov. 9 1999)이 제안한 방식을 들 수 있는데, 이 방식에서는 움직임 보상을 수행할 한 블록 내의 각 화소에 대하여, 그 화소가 가중 합을 구할 때 사용되는 주변 블록의 화소와 같은 물체에 속하게 될 경우에만 중첩 블록 움직임 보상을 수행하도록 함으로써 과-평탄 문제를 완벽히 해결할 수 있도록 하였다. 하지만, 이 방식은 화소 단위의 물체-맵(Object Map)을 구비하고 이를 부가 정보로 전송해야만 하며, 이러한 물체-맵은, 일반적으로, 자연 영상에서 자동으로 생성하는 것이 현재 기술로 매우 제한적이기 때문에, 비디오 정보의 압축 부호화에 이 기법을 도입하는 것은 실용가능성이 매우 떨어진다는 문제를 가지고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 화소 단위의 부가 정보 없이 그리고 기존의 비디오 압축 방식들에 적용가능한 형태로, 블록 단위, 블록 경계 단위는 물론 화소 단위로까지 적응적 중첩 블록 움직임 보상을 수행할 수 있도록 하는, 동영상 부호화/복호화 장치 및 그를 위한 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 블록 움직임 보상(Block Motion Compensation) 및 중첩 블록 움직임 보상(Overlapped Block Motion Compensation)에 의한 오차 잔여 화소(Residual Pixel)의 차이를 정량적으로 분석하고, 이를 이용하여 화소 단위의 부가 정보 없이, 화소 단위의 블록 움직임 보상 및 중첩 블록 움직임 보상을 적응적으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 구하는 이득/손실 산출부; 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 구하는 차이 산출부; 상기 이득과 손실이 상기 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 기준 잔여화소 산출부; 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 정보 기록부; 및 입력된 화소 또는 잔여화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소 또는 잔여화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부를 포함하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치가 제공된다.
상기 기준 잔여화소 산출부는, 제곱 오차를 사용하여 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행할 경우, 상기 기준값이 2HN 2(x,y) X DN 2(x,y)로 설정되고, 여기서 HN(x,y)는 주변 블록의 움직임 벡터로 복원된 화소 블록에 곱해질 (x,y) 위치에서의 가중치이다. 상기 정보 기록부는 상기 일정 단위를 예를 들어 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위 및 영상 단위 중 하나로 설정할 수 있다.
상기 이득/손실 산출부, 상기 차이 산출부, 상기 기준 잔여화소 산출부, 및 상기 정보 기록부는 부호기(또는 부호화 장치라 칭함)내에 구비될 수 있고, 상기 움직임 추정/보상부는 상기 부호기와 이에 대응하는 복호기(또는 복호화 장치라 칭함)에 각각 구비될 수 있다. 상기 부호기는 상기 제 1 정보를 상기 일정 단위로 상기 복호기에 전송할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실이, 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하는 단계; (b) 상기 이득과 상기 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 단계; (c) 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 단계; 및 (d) 입력된 화소 또는 수신된 잔여화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소 또는 상기 수신된 잔여화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 단계를 포함하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법이 제공된다.
제곱 오차를 사용하여 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행할 경우, 상기 기준값은 2HN 2(x,y) X DN 2(x,y)이고, 여기서 HN(x,y)는 주변 블록의 움직임 벡터로 복원된 화소 블록에 곱해질 (x,y) 위치에서의 가중치이다. 상기 일정 단위는 예를 들어 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위 및 영상 단위 중 하나일 수 있다.
상기 단계 (a) 내지 (c)는 부호기에서 수행되고, 상기 단계 (d)는 상기 부호기와 이에 대응하는 복호기에서 각각 수행될 수 있고, 상기 제 1 정보는 상기 일정 단위로 상기 부호기로부터 상기 복호기에 전송될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이를 기반으로 블록 움직임 보상과 중첩 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하여, 영상의 현재 블록의 각 화소의 예측 화소값을 예측하는 움직임 추정/보상부; 상기 현재 블록의 각 화소의 원 화소값과 상기 현재 블록의 각 화소의 예측 화소값의 차이값을 계산하여 잔차신호를 생성하는 감산부; 상기 잔차신호를 주파수 계수들로 변환하는 변환부; 상기 변환된 주파수 계수들을 양자화하는 양자화부; 및 상기 양자화된 주파수 계수들을 비트스트림으로 부호화하는 부호화부를 포함하는 영상 부호화 장치가 제공된다.
상기 움직임 추정 보상부는, 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 구하는 이득/손실 산출부; 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 구하는 차이 산출부; 상기 이득과 손실이 상기 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 기준 잔여화소 산출부; 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 정보 기록부; 및 입력된 화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소의 값이 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부를 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 입력된 잔여화소를 설정된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 잔여화소의 값이 상기 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부를 구비하되, 상기 제 1 정보는 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이를 기반으로 설정된 것을 특징으로 하는 영상 복호화 장치가 제공된다.
상기 제 1 정보는 영상 부호화 장치로부터 제공된 것으로서, 상기 영상 부호화 장치는 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실이 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하 여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 상기 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하고, 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 상기 제 1 정보로 설정하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록할 수 있다.
본 발명에 의하면, 화소 단위의 부가 정보 없이 화소 단위까지 움직임 보상 방식을 적응적으로 선택할 수 있도록 함으로써, 매우 적은 부가 정보만으로 부호화해야 할 블록 경계 부의 잔여 신호 에너지를 크게 감소시켜 비디오 압축 장치의 압축 성능을 크게 향상시키고, 나아가 같은 비트(또는 정보량)를 사용하는 경우 보다 개선된 비디오 화질을 얻을 수 있는 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 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.
동영상 화면은 1초 동안에 30장의 프레임으로 구성되므로 한 프레임과 이웃한 프레임 사이에는 그 차이가 작기 때문에, 인간의 눈으로 구분하지 못한다. 이 때문에, 1초 동안에 30장의 프레임을 뿌리면 인간의 눈은 프레임이 연속적인 것으 로 인식한다.
이와 같이, 이전 프레임과 현재 프레임이 비슷하다면, 이전 프레임을 구성하고 있는 이미 알고 있는 화소값으로부터 다음 프레임의 화소값을 예측할 수 있다(이를 화면간 예측(interprediction)이라 함).
이러한 동영상 데이터의 부호화 및 복호화는 움직임 예측(motion prediction) 기술을 기반으로 이루어진다. 움직임 예측은 시간 축을 기준으로 과거 프레임을 참조하거나 과거 프레임과 미래 프레임을 모두 참조하는 방식으로 수행된다. 현재 프레임을 부호화하거나 복호화하는데 참조되는 프레임을 참조 프레임이라고 한다. 그리고, 블록 기반 동영상 부호화에서 동영상을 구성하는 하나의 정지영상(프레임)은 매크로블록과 매크로블록을 구성하는 서브블록으로 나누어져, 블록단위로 움직임이 예측되고 부호화가 수행된다.
또한 동일한 프레임 내에서 화소신호의 상관관계를 사용해 다음 화소를 예측하고 그 예측오차를 부호화할 수도 있다(이를 화면 내 예측(intraprediction)이라 함).
도 1은 화면간 예측에 사용되는, 동영상을 구성하는 동영상 프레임들을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 동영상 데이터는 일련의 정지영상으로 구성되어 있다. 이 정지영상들은 GOP(Group of Picture) 단위로 구분되어 있다. 정지영상 하나하나를 프레임이라 한다. 하나의 GOP에는 I 프레임(110), P 프레임(120), B(130) 프레임이 포함되어 있다. I 프레임(110)은 참조 프레임을 사용하지 않고 자체적으로 부호화 되는 프레임이며, P 프레임(120)과 B 프레임(130)은 참조 프레임을 사용하여 움직임 추정 및 보상을 수행하여 부호화되는 프레임이다. 특히, B 프레임(130)은 과거의 프레임과 미래의 프레임을 각각 순방향 및 역방향(양방향) 예측하여 부호화되는 프레임이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동영상 부호화 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 동영상 부호화 장치(200)는 움직임 추정/보상부(210), 감산부(220), 변환부(230), 양자화부(240) 및 부호화부(250)를 포함한다.
이러한 동영상 부호화 장치(200)는 개인용 컴퓨터(PC: Personal Computer), 노트북 컴퓨터, 개인 휴대 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대형 멀티미디어 플레이어(PMP: Portable Multimedia Player), 플레이스테이션 포터블(PSP: PlayStation Portable), 이동통신 단말기(Mobile Communication Terminal) 등일 수 있으며, 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신 장치, 영상을 부호화하기 위한 각종 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 마이크로프로세서 등을 구비하는 다양한 장치를 의미한다.
움직임 추정/보상부(210)는 위에서 설명한 바와 같이 움직임 예측을 기반으로 하는 화면간 예측이나 동일한 프레임 내에서 화소신호의 상관관계를 사용해 다음 화소를 예측하는 화면 내 예측 중 어느 하나 또는 둘의 조합을 이용하여 현재 블록(또는 매크로블록)을 예측할 수 있다.
예를 들어, 움직임 추정/보상부(210)는 움직임 추정부(미도시)와 움직임 보상부(미도시)로 나누어 구성될 수 있다. 움직임 추정부는 현재 프레임의 매크로 블록의 움직임 예측치를 참조 프레임에서 찾아 그 움직임의 차이를 움직임 벡터로써 출력한다. 즉, 찾고자 하는 매크로 블록을 참조 프레임의 소정의 탐색영역 내에서 탐색하여, 가장 유사한 매크로 블록을 찾아 그 이동정도를 움직임 벡터로써 출력한다. 움직임 보상부는 구해진 움직임 벡터에 해당하는 예측 매크로 블록을 참조 프레임으로부터 얻는다.
또 다른 예로, 움직임 추정/보상부(210)는 현재 프레임의 현재 매크로 블록을 영상 내에서 현재 매크로 블록의 주변 매크로 블록을 이용하여 예측하는 인트라예측부로, 하나 이상의 주변 매크로 블록의 하나 이상의 화소값(Pixel Value)을 이용하여 현재 매크로 블록의 각 화소의 예측 화소값(Predicted Pixel Value)을 계산함으로써 예측 매크로 블록을 예측한다. 여기서, 주변 매크로 블록은 현재 매크로 블록 이전에 압축되고 현재 매크로 블록의 주변에 위치한 하나 이상의 주변 매크로 블록일 수 있다.
감산부(220)는 원 영상 프레임의 매크로 블록에서 예측 매크로 블록을 빼서 그 차이값을 계산하여 잔차신호(Residual Signal)를 생성한다.
변환부(230)는 감산부(220)에 의해 생성된 잔차신호를 주파수 영역으로 변환하여 주파수 계수들을 얻는다. 여기서, 변환부(230)는 이산 코사인 변환(DCT: Discrete Cosine Transform, 이하 'DCT 변환'이라 칭함) 또는 웨이블릿 변환(Wavelet Transform) 등의 시간축의 화상 신호를 주파수축으로 변환하는 다양 한 변환 기법을 이용하여 잔차신호를 주파수 영역으로 변환한다. 도1을 참조하여 설명한 I 프레임의 경우, 변환부(230)는 원 영상 프레임의 매크로 블록을 주파수 영역으로 변환한다.
양자화부(240)는 변환부(230)에 의해 주파수 영역으로 변환된 주파수 계수들을 양자화(Quantization)한다.
원 영상 프레임의 매크로 블록에서 예측 매크로 블록을 뺀 것을 잔차신호(residual signal)라고 하는데 부호화시의 데이터량을 줄이기 위해서 이 잔차신호값을 부호화한다. 양자화 과정에서 에러가 발생하므로, 비트스트림으로 만들어지는 동영상 데이터에는 변환 및 양자화 과정에서 발생한 에러가 포함되어 있다.
또한, 참조 프레임을 얻기 위해, 동영상 부호화 장치(200)는 역양자화부(360)와 역변환부(370)를 추가로 포함할 수 있다.
참조 프레임을 얻기 위해, 양자화된 잔차신호는 역양자화부(360)와 역변환부(270)를 거쳐 예측부(210)에서 예측된 영상과 합쳐져 참조 프레임 저장부(미도시)에 저장된다. I 프레임의 경우, 역양자화부(360)와 변환부(370)를 거쳐 예측부(210)의 참조 프레임 저장부에 저장된다. 즉, 원 영상을 A 라고 하고, 예측된 영상을 B 라고 하면 변환부(230)는 원 영상과 예측된 영상과의 차이인 A-B를 입력받아 변환을 수행한다.
부호화부(250)는 양자화부(240)에 의해 양자화된 주파수 계수들을 비트스트림으로 부호화한다. 이러한 부호화 기술로서는 엔트로피 부호화(Entropy Encoding) 기술이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정하지 않고 다른 다양한 부호화 기술이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치의 블록도로서, 도 2의 움직임 추정/보상부(210)에 대응하므로 동일 부호를 부가하여 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치(210)는, 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 구하는 이득/손실 산출부(211); 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 구하는 차이 산출부(212); 상기 이득과 손실이 상기 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 기준 잔여화소 산출부(213); 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 정보 기록부(214); 및 입력된 화소 또는 잔여화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소 또는 잔여화소의 값이 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부(215)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동영상 복호화 장치의 블록 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 동영상 복호화 장치(400)는 영상의 현재 블록을 현재 블록의 주변에 있는 하나 이상의 주변 블록을 이용하여 예측하고 영상을 복호화(Decoding)하는 장치로서, 복호화부(410), 역양자화부(420), 역변환부(430), 가산부(440) 및 움직임 추정/보상부(450)를 포함한다.
이러한 동영상 복호화 장치(400)는 도 2를 통해 전술한 동영상 부호화 장치(200)와 같이, 개인용 컴퓨터(PC: Personal Computer), 노트북 컴퓨터, 개인 휴대 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대형 멀티미디어 플레이어(PMP: Portable Multimedia Player), 플레이스테이션 포터블(PSP: PlayStation Portable), 이동통신 단말기(Mobile Communication Terminal) 등일 수 있으며, 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신 장치, 영상을 복호화하기 위한 각종 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 마이크로프로세서 등을 구비하는 다양한 장치를 의미한다.
복호화부(410)는 비트스트림을 복호화하여 양자화된 주파수 계수들을 추출한다. 즉, 복호화부(410)는 영상 부호화 장치(200)에 의해 부호화된 영상인 비트스트림을 복호화하여 영상의 현재 블록에 대한 화소 정보를 포함하고 있는 양자화된 주파수계수들을 추출한다.
역양자화부(420)는 복호화부(410)에 의해 비트스트림으로부터 추출된 주파수 계수들을 역양자화(De-quantization)한다.
역변환부(430)는 역양자화부(420)에 의해 역양자화된 주파수 계수들을 시간 영역으로 역변환(Inverse Trasformation)하여 잔차신호를 생성한다.
가산부(430)는 역변환부(430)에 의해 역변환된 잔차신호와 움직임 추정/보상부(450)에 의해 예측된 현재 블록의 각 화소의 예측 화소값을 더하여 현재 블록의 원 화소값을 복원한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치의 블록도로서, 도 4의 움직임 추정/보상부(450)에 대응하므로 동일 부호를 부가하여 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치(450)는, 입력된 잔여화소를 설정된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 잔여화소의 절대치 값이 상기 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부(455)를 구비한다.
상기 제 1 정보는 도 2의 동영상 부호화 장치(200)의 움직임 추정/보상부(210)로부터 생성되어 제공된 것으로서, 전술한 바와 같이 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이를 기반으로 설정된 것이다. 상기 제 1 정보의 구체적 생성 과정은 도 2-3 및 도 6을 참조로 설명된 실시예와 동일하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법의 흐름도로서, 도 2의 움직임 추정/보상부(210) 즉, 도 3의 화소기반 적응 중첩 블록 움직임 보상장치(210)에 적용하여 설명한다.
먼저, 이득/손실 산출부(211)에서 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 산출하고, 차이 산출부(212)에서 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 산출한 후, 기준 잔여 화소 산출부(213)에서 상기 산출된 이득과 손실이 상기 산출된 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 산출한다(S610).
이어, 기준 잔여 화소 산출부(213)에서 상기 산출된 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 산출한다(S620).
이어, 정보 기록부(214)에서 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위, 예를 들어, 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위 및 영상 단위 중 하나의 단위로 기록한다(S630).
마지막으로, 적응 중첩 움직임 보상부(215)에서, 입력된 화소 또는 수신된 잔여화소의 절대치를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소 또는 상기 수신된 잔여화소의 절대치값이 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시한다(S640).
본 발명의 다른 실시예에 따른 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법으로서, 도 6의 단계 S640은 도 4의 움직임 추정/보상부(450) 즉, 도 5의 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상장치(450)의 적응 중첩 움직임 보상부(455)에서 동일하게 실시된다. 이때, 제 1 정보는 도 2의 동영상 부호화 장치(200)의 움직임 추정/보상부(210)로부터 생성되어 도 4의 동영상 복호화 장치(400)로 제공된다.
이어, 전술된 본 발명에 대한 보다 구체적인 이해를 위해 본 발명에 따른 구체적인 일 예를 설명한다.
본 발명의 상세한 설명을 위하여, 우선 H.263("Video coding for low bit rate communication", Draft, ITU-T Recommendation H.263, Sept. 1997)의 중첩 블록 움직임 보상 기법에 대해 설명한다.
H.263의 중첩 블록 움직임 보상은, 잔여 신호의 이산 여현 변환 (Discrete Cosine Transform) 단위인 8x8 블록을 단위로, 다음의 [식1]과 같은 계산을 통해 이루어진다.
[식 1]
Figure 112015008353830-pat00076
여기서 는 H.263의 중첩 블록 움직임 보상에 의해 생성될 움직임 보상 화소 값을 의미하고, 좌표 (x,y)는 8x8 블록 내 화소의 위치를 표현하는 것으로 블록의 최 좌상 위치를 (0,0)으로 하여 각기 0에서 7까지의 값을 가지게 된다. 또한 q(x,y)는 현재 복원 대상인 8x8 블록의 움직임 보상 화소 값을 의미하는 것으로, 현재 블록을 위해 전송되어 온 움직임 벡터를 (MVx C, MVy C)라 하면, 다음의 [식2]를 통해 구해진다.
[식 2]
q(x,y) = ft-1(x + MVx C, y + MVy C)
여기서 ft-1(x,y)는 이전 복원된 영상의 (x,y) 위치에서의 화소 값을 의미한다.
[식1]에서, N은 현재 복원 대상인 블록에 인접한 인접 경계 블록 (Neighboring Block)을 지칭하는 것으로, T, B, L, 혹은 R의 값을 가지게 되며, 이는 각각 현재 블록의 위쪽 (Top), 아래쪽 (Bottom), 왼쪽 (Left), 그리고 오른쪽 (Right) 경계에 인접한 블록 인덱스를 의미한다. 따라서 N = T일 때, rN(x,y) 는 rT(x,y) - ft-1(x + MVx T, y + MVy T)와 같이 구해지고, 여기서 (MVx T, MVy T)는 현재 블록 위쪽에 인접한 블록을 위해 전송되어 온 움직임 벡터를 뜻한다. 이와 유사하게, N이 다른 값을 가지는 경우에도 인접 블록의 움직임 벡터와 이전 복원 영상을 이용하여 rN(x,y)를 구할 수 있다. 마지막으로, [식1]에서 HC(x,y)와 HN(x,y)는 현재 블록의 움직임 벡터로 복원 된 화소 블록 q(x,y)과 주변 블록의 움직임 벡터로 복원 된 화소 블록 rN(x,y)에 곱해 질 (x,y) 위치에서의 가중치를 의미하는데, 각 위치에서의 가중치 행렬을 도 7에 나타내었다.
상술한 바와 같이, H.263의 중첩 블록 움직임 보상 방식은 통계적으로 최적화된 고정 가중치 행렬을 이용하여 매 8x8 블록마다 [식 1]을 통한 움직임 보상을 수행함으로써, 기존의 블록 움직임 보상에 비해, 블록 효과를 현저히 줄여주는 효과를 나타낸다. 하지만, 복원 영상의 일부 블록들은 기존의 블록 움직임 보상에 의한 결과보다 현저하게 열화된 잔여 신호를 생성하는 것을 볼 수 있고, 상술한 종래의 기술들은 이와 같은 일부 블록들을 구분할 수 있는 각자의 독창적인 기준을 마련한 것에 해당한다. 또한, 블록 움직임 보상에 의한 결과보다 우수한 결과를 보이는 중첩 블록 움직임 보상된 블록들 중에도 인접한 모든 경계 블록들이 중첩 블록 움직임 보상 결과에 긍정적인 영향을 주는 것이 아니라는 사실을 관찰할 수 있으며, 이는, 보다 높은 성능 개선을 위해서는, 블록 단위가 아닌 블록 경계 단위 또는, 보다 세밀하게, 화소 단위의 중첩 블록 움직임 보상을 적응적으로 적용해야 할 당위성을 제공한다 할 수 있다. 이와 같은 당위적 문제를 해결하기 위하여, 블록 움직임 보상과 중첩 블록 움직임 보상을 수행하는 경우, 한 블록의 각 인접 경계 별로, 잔여 신호가 어떻게 달라지는지 설명한다.
우선, 각 움직임 보상 방식에 의한 블록의 경계 별 잔여 신호 변화를 관찰하기 위하여, 다음과 같이 현재 복원 대상 블록에 적용할 경계 별 가중치 HCN(x,y)를 재 정의한다.
[식 3]
HCN(x,y)+ HN(x,y)=1
여기서, N은 앞서와 마찬가지로 T, B, L, 혹은 R 중 하나의 값을 가진다.
부호화를 수행할 현재 영상의 화소값을 ft(x,y)라 정의하고, 현재 블록의 움직임 벡터를 이용해 블록 움직임 복원 된 화소를 fC(x,y), 그리고 인접 블록 N의 움직임 벡터를 이용해 블록 움직임 복원된 화소를 fN(x,y)라 하면, 블록 움직임 복원을 적용한 경우의 잔여 신호 RBMC(x,y)와 중첩 블록 움직임 보상을 적용한 경우의 잔여신호 ROBMC(x,y)는 각기 다음과 같이 표현될 수 있다.
[식 4]
RBMC(x,y) = ft(x,y) - fC(x,y)
[식 5]
ROBMC(x,y) = ft(x,y) - HCN(x,y)·fC(x,y) - HN(x,y)·fN(x,y)
= ft(x,y) - fC(x,y) + HN(x,y)·(fC(x,y) - fN(x,y))
= RBMC(x,y) + HN(x,y)·DN(x,y)
여기서, 다음의 [식 6]으로 정의 된 DN(x,y)는 인접 블록 N의 움직임 벡터를 통한 현재 블록 위치에서의 움직임 복원이 현재 블록의 움직임 벡터를 이용한 움직임 보상과 얼마나 차이가 나는지를 나타내는 차이(Difference) 측도에 해당한다.
[식 6]
DN(x,y) = fC(x,y) - fN(x,y)
이제, 부호기 즉, 도 2와 같은 동영상 부호화 장치(200)에서 한 블록의 특정 인접 경계 블록에 대하여, 소정의 기준을 통해, 화소 별로 블록 움직임 보상과 중첩 블록 움직임 보상을 적응적으로 적용한다고 가정하자. 이 소정의 기준은 다양한 형태가 될 수 있지만, 본 발명에서는 설명의 구체성 및 편의성을 위해 제곱 오차(Squared Error)를 사용한다. 하지만, 이는 본 발명이 제곱 오차에 국한하여 화소 별 움직임 보상을 적응적으로 선택할 수 있음을 의미하는 것이 아니고, 다양한 다른 형태의 측도에 대해서도, 후술하는 내용과 유사한 유도 과정을 통하여, 적용될 수 있다. 우선, 수신되어 복호된 (x,y) 위치에서의 잔여 신호를 Rr(x,y)라 하고, Rr(x,y) = RBMC(x,y)인 경우를 생각해 보자. 평균 제곱 오차를 기준으로 움직임 보상 방식을 선택했기 때문에, 이는 R2 BMC(x,y) < R2 OBMC(x,y)임을 의미한다. 따라서 [식 5]를 통하여 다음을 알 수 있다.
[식 7]
2HN(x,y)·DN(x,y)·RBMC(x,y) > -HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
or
2HN(x,y)·DN(x,y)·Rr(x,y) > -HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
마찬가지로, Rr(x,y) = ROBMC(x,y)인 경우, 즉 R2 BMC(x,y) > R2 OBMC(x,y)인 경우에도, [식 5]를 통하여 다음을 알 수 있다.
[식 8]
2HN(x,y)·DN(x,y)·Rr(x,y) < HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
[식 7]과 [식 8]에서, 를 결정 인자 2HN(x,y)·DN(x,y)·Rr(x,y)라 놓으면, 중첩 블록 움직임 보상을 적용한 경우와 기존의 블록 움직임 보상을 적용한 경우에, 수신된 잔여 화소 Rr(x,y)을 이용하여 계산될 수 있는 결정 인자 F(x,y)의 범위는 도 8과와 같다. 도 8을 보면, 부호기 즉, 도 2와 같은 동영상 부호화 장치(200)에서 제곱 오차를 기준으로 화소 단위 블록 움직임 보상과 중첩 블록 움직임 보상을 수행하는 경우, 전송된 잔여 화소만으로는 부호기의 판단을 재현할 수 없는 영역이 존재한다는 것을 알 수 있다. 하지만, H.263과 같이 중첩 블록 움직임 보상을 수행하는 경우, 도 8에서 판단이 가능한 영역에서 얻을 수 있는 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 다음의 [식 9] 및 [식 10]과 같이 생각해 보면, 수신된 잔여 신호로 부호기의 적응적 선택을 판단할 수 있는 영역은 큰 이득이나 큰 손실이 발생하는 경우임을 알 수 있다.
[식 9]
G(x,y)= R2 BMC(x,y)- R2 OBMC(x,y)
= -2HN(x,y)·DN(x,y)·Rr(x,y) + HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
> 2HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
[식 10]
L(x,y)= R2 OBMC(x,y)- R2 BMC(x,y)
= 2HN(x,y)·DN(x,y)·Rr(x,y) + HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
> 2HN 2(x,y)·DN 2(x,y)
따라서 과-평탄 문제가 발생하는 영역은, 대부분 영상 내 물체의 윤곽선 부분이나 텍스쳐 영역에 해당되는 것으로, 일반적으로 매우 큰 중첩 블록 움직임 보상의 손실을 발생하는 영역임을 고려하면, 다음과 같은 구체적 실시 예를 통하여 [식 9] 및 [식 10]을 이용한 과-평탄 문제의 해결이 가능하다.
다음은 상술한 잔여 신호 해석 즉, [식 9] 및 [식 10]을 이용하여, 화소 단위 움직임 보상의 방식을 적응적으로 선택할 수 있는 본 발명의 방법의 구체적인 일 예로서, 도 3의 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상장치(210) 및 도 6의 본 발명에 따른 방법에 적용하여 설명한다.
본 발명에서 후술하는 다음의 구체적 실시 예는, 화소 단위의 부가 정보 없이 중첩 블록 움직임 보상 및 블록 움직임 보상 방식을 화소 단위에서 적응적으로 선택할 수 있는 일 예에 해당하는 것일 뿐, 본 발명의 독창성이 후술 하는 실시 예 에 국한되지는 않는다.
구체적 실시예 1
N=T,B에서 아래의 단계 1 내지 단계 4를 수행하고, 수행 된 결과에 N=L,R에서 아래의 단계 1 내지 단계 4를 수행한다.
단계 1: [식 9]와 [식 10]을 만족하는 모든 화소에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여 화소 Rr(x,y)를 구한다. 즉, 도 6의 단계 S610과 같이, 이득/손실 산출부(211)에서 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득 G(x,y)과 손실 L(x,y)을 산출하고, 차이 산출부(212)에서 [식 6]을 이용하여 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 산출한 후, 기준 잔여 화소 산출부(213)에서 상기 산출된 이득 G(x,y)과 손실 L(x,y)이 상기 산출된 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값 2HN 2(x,y) x DN 2(x,y)를 초과하는 화소들에 대하여(즉, [식 9]와 [식 10]을 만족하는 모든 화소에 대하여) 그 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소 |Rr(x,y)|를 산출한다.
단계 2: [식 9]와 [식 10]을 만족하지 않는 나머지 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여 화소 ||Rr(x,y)를 구한다. 즉, 도 6의 단계 S620과 같이, 기준 잔여 화소 산출부(213)에서 상기 산출된 이득 G(x,y)과 손실 L(x,y)이 상기 기준값 2HN 2(x,y) x DN 2(x,y) 이하인 화소들에 대하여(즉, [식 9]와 [식 10]을 만족하지 않는 나머지 화소들에 대하여) 그 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 산출한다.
단계 3: 단계 1과 단계 2에서 구한 상기 제 1 잔여화소 |Rr(x,y)|및 상기 제 2 잔여화소 |Rr(x,y)| 중 더 큰 값을 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록한다. 즉, 6의 단계 S630과 같이, 정보 기록부(214)에서 상기 제 1 잔여화소 |Rr(x,y)| 및 상기 제 2 잔여화소 |Rr(x,y)| 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위, 예를 들어, 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위 및 영상 단위 중 하나의 단위로 기록한다.
단계 4: 마지막으로, 부호단 또는 복호단에서는 수신된 잔여 화소 Rr(x,y)의 절대치를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 수신된 잔여 화소 Rr(x,y)의 절대값이 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 더 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시한다. 즉, 도 6의 단계 S640과 같이, 적응 중첩 움직임 보상부(215,455)에서 수신된 잔여화소 Rr(x,y)의 절대치를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 수신된 잔여화소 Rr(x,y)의 절대값이 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시한다.
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.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 동영상 부호화 및 복호화 기술 분야에 적용되어, 화소 단위의 부가 정보 없이 화소 단위까지 움직임 보상 방식을 적응적으로 선택할 수 있도록 함으로써, 매우 적은 부가 정보만으로 부호화해야 할 블록 경계부의 잔여 신호 에너지를 크게 감소시켜 비디오 압축 장치의 압축 성능을 크게 향상시키고, 나아가 같은 비트(또는 정보량)를 사용하는 경우 보다 개선된 비디오 화질을 얻을 수 있는 효과를 발생하는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 화면간 예측에 사용되는, 동영상을 구성하는 동영상 프레임들을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동영상 부호화 장치의 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치의 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동영상 복호화 장치의 블록도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화소기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치의 블록도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 H.263 중첩 블록 움직임 복원의 가중치 행렬을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신된 잔여 히소로부터 계산된 결정인자의 범위를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
210: 움직임 추정/보상부, 화소기반 적응중첩블록움직임 보상장치
211: 이득/손실 산출부 212: 차이 산출부
213: 기준 잔여화소 산출부 214: 정보 기록부
215: 적응 중첩 블록 움직임 보상부
220: 감산부 230: 변환부
240: 양자화부 250: 부호화부
260: 역양자화부 270: 역변환부
410: 복호화부 420: 역양자화부
430: 역변환부 440: 가산부
450: 움직임 추정/보상부, 화소기반 적응중첩블록움직임 보상장치
455: 적응 중첩 블록 움직임 보상부

Claims (15)

  1. 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 구하는 이득/손실 산출부;
    인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 구하는 차이 산출부;
    상기 이득과 손실이 상기 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 기준 잔여화소 산출부;
    상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 정보 기록부; 및
    입력된 잔여화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 잔여화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 잔여화소 산출부는, 제곱 오차를 사용하여 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행할 경우, 상기 기준값을 2HN 2(x,y) x DN 2(x,y)로 설정하고, 여기서 HN(x,y)는 주변 블록의 움직임 벡터로 복원된 화소 블록에 곱해질 (x,y) 위치에서의 가중치인 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보 기록부는 상기 일정 단위를 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위, 및 영상 단위 중 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득/손실 산출부, 상기 차이 산출부, 상기 기준 잔여화소 산출부, 및 상기 정보 기록부는 부호기내에 구비되고, 상기 움직임 추정/보상부는 상기 부호기와 이에 대응하는 복호기에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부호기는 상기 제 1 정보를 상기 일정 단위로 상기 복호기에 전달하는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 장치.
  6. (a) 블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실이, 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록과 현재 움직임 보상 블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하는 단계;
    (b) 상기 이득과 상기 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 단계;
    (c) 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 단계; 및
    (d) 수신된 잔여화소의 절대치를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 수신된 잔여화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제곱 오차를 사용하여 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행할 경우, 상기 기준값은 2HN 2(x,y) X DN 2(x,y)이고, 여기서 HN(x,y)는 주변 블록의 움직임 벡터로 복원된 화소 블록에 곱해질 (x,y) 위치에서의 가중치인 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 일정 단위는 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위, 및 영상 단위 중 하나인 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 내지 (c)는 부호기에서 수행되고, 상기 단계 (d)는 상기 부호기와 이에 대응하는 복호기에서 각각 수행되는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 정보는 상기 일정 단위로 상기 부호기로부터 상기 복호기에 전달되는 것을 특징으로 하는 화소 기반 적응 중첩 블록 움직임 보상 방법.
  11. 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록인 제1 보상블록과 현재 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록인 제2 보상블록 간의 화소 값의 차이를 기반으로 제2 보상블록을 이용한 블록 움직임 보상과 제1 보상블록 및 제2 보상블록을 이용한 중첩 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하여, 영상의 현재 블록의 각 화소의 예측 화소값을 예측하는 움직임 추정/보상부;
    상기 현재 블록의 각 화소의 원 화소값과 상기 현재 블록의 각 화소의 예측 화소값의 차이값을 계산하여 잔차신호를 생성하는 감산부;
    상기 잔차신호를 주파수 계수들로 변환하는 변환부;
    상기 변환된 주파수 계수들을 양자화하는 양자화부; 및
    상기 양자화된 주파수 계수들을 비트스트림으로 부호화하는 부호화부
    를 포함하고,
    상기 현재 블록의 각 화소마다 상기 블록 움직임 보상 및 상기 중첩 블록 움직임 보상 중에서 하나의 방법을 선택하여 상기 현재 블록의 움직임 보상을 수행하고,
    상기 화소 값의 차이는 상기 현재 블록의 각 화소의 위치에 대응되는 상기 제1 보상블록의 화소 및 상기 제2 보상블록의 화소 사이의 화소값 차이인 것을 특징으로 하는 동영상 부호화 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 움직임 추정 보상부는,
    블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실을 구하는 이득/손실 산출부; 상기 제1 보상블록과 상기 제2 보상블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 구하는 차이 산출부; 상기 이득과 손실이 상기 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하는 기준 잔여화소 산출부; 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값을 제 1 정보로 하여 화소 단위보다 큰 일정 단위로 기록하는 정보 기록부; 및 입력된 화소를 상기 기록된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 화소의 절대치가 상기 기록된 제 1 정보의 값보다 큰 경우 중첩 블록 움직임 보상과 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 그렇지 않은 경우에 대해서는 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 동영상 부호화 장치.
  13. 입력된 잔여화소의 절대치를 설정된 제 1 정보와 비교하여, 상기 입력된 잔여화소의 절대치가 상기 제 1 정보의 값보다 큰 경우 인접한 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록인 제1 보상블록과 현재 블록의 움직임 벡터를 사용하여 움직임 보상된 블록인 제2 보상블록을 이용한 중첩 블록 움직임 보상과 상기 제2 보상블록을 이용한 블록 움직임 보상을 적응적으로 수행하고, 상기 입력된 잔여화소의 절대치가 상기 제 1 정보의 값보다 크지 않은 경우에 대해서는 상기 중첩 블록 움직임 보상을 실시하는 적응 중첩 블록 움직임 보상부를 구비하되,
    상기 제 1 정보는 상기 제1 보상블록과 상기 제2 보상블록 간의 화소 값의 차이를 기반으로 설정되고,
    상기 현재 블록의 각 화소마다 상기 블록 움직임 보상 및 상기 중첩 블록 움직임 보상 중에서 하나의 방법을 선택하여 상기 현재 블록의 움직임 보상을 수행하고,
    상기 화소 값의 차이는 상기 현재 블록의 각 화소의 위치에 대응되는 상기 제1 보상블록의 화소 및 상기 제2 보상블록의 화소 사이의 화소값 차이인 것을 특징으로 하는 동영상 복호화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    블록 움직임 보상에 대한 중첩 블록 움직임 보상의 이득과 손실이, 상기 제1 보상블록과 상기 제2 보상블록 간의 화소 값의 차이 DN(x,y)를 기반으로 설정된 기준값을 초과하는 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 작은 제 1 잔여화소를 구하고, 상기 이득과 상기 손실이 상기 기준값 이하인 화소들에 대하여 화소값의 절대치가 가장 큰 제 2 잔여화소를 구하고, 상기 제 1 잔여화소 및 상기 제 2 잔여화소 중 더 큰 값이 상기 제 1 정보로 설정된 것을 특징으로 하는 동영상 복호화 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 정보는 동영상 부호화 장치에서 블록 경계 단위, 블록 단위, 영상의 일부 단위, 및 영상 단위 중 하나의 단위로 기록되어 상기 동영상 복호화 장치로 전달된 것을 특징으로 하는 동영상 복호화 장치.
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