KR102309918B1 - 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치 및 이를 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비디오 부호화기에서 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 비디오 압축 표준과 상이한 보간 필터를 사용해서 움직임 벡터를 도출하는 움직임예측부과, 보간 필터를 사용해서 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하는 움직임보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치와, 이를 위한 방법을 제공한다.

Description

비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치 및 이를 위한 방법{Apparatus for performing fast motion estimation using interpolation filter in video encoder and method thereof}
본 발명은 비디오 부호화 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
ISO/IEC가 제정한 예컨대, MPEG-2, MPEG-4, AVC, HEVC, SVC, SHVC 등과 같은 비디오 표준 및 예컨대, XVID, Dirac, Theora, Daala, VP8, VP9 등과 같은 공개 비디오 표준의 부호화기는 시간 축 상의 중복 요소를 제거하기 위해 블록단위 움직임 예측 방법(Motion estimation)을 공통적으로 갖추고 있다.
한국공개특허 제2000-0055899호 2000년 09월 15일 공개(명칭: 실시간 영상압축을 위한 고속 움직임 예측방법)
본 발명의 목적은 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치는 비디오 압축 표준과 상이한 보간 필터를 사용해서 움직임 벡터를 도출하는 움직임예측부와, 보간 필터를 사용해서 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하는 움직임보상부를 포함한다.
상기 움직임예측부는 서로 다른 필터 탭 크기를 가지는 복수의 보간 필터 중 어느 하나를 선택하여 필터 탭 크기 조절을 통해 움직임 예측 연산 속도를 가변하여 움직임 벡터를 도출하는 것을 특징으로 한다.
상기 보간 필터는 H.264/AVC 6-탭/2-탭 필터 및 H.265/HEVC 8-탭/4-탭 필터를 포함한다.
상기 움직임보상부는 상기 비디오 압축 표준과 동일한 보간 필터를 사용해서 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하여 잔여 예측 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법은 비디오 압축 표준과 상이한 보간 필터를 사용해서 움직임 벡터를 도출하는 움직임 예측 단계와, 보간 필터를 사용해서 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하는 움직임 보상 단계를 포함한다.
상기 움직임 예측 단계는 서로 다른 필터 탭 크기를 가지는 복수의 보간 필터 중 어느 하나를 선택하여 필터 탭 크기 조절을 통해 움직임 예측 연산 속도를 가변하여 움직임 벡터를 도출하는 것을 특징으로 한다.
상기 보간 필터는 H.264/AVC 6-탭/2-탭 필터 및 H.265/HEVC 8-탭/4-탭 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 움직임 보상 단계는 상기 비디오 압축 표준과 동일한 보간 필터를 사용해서 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하여 잔여 예측 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 비디오 화질은 최대한 유지하면서도 비디오 부호화기의 움직임 예측 속도 개선 할 수 있다. 또한, 본 발명은 움직임 예측 과정의 필터 탭 크기 조절을 통해 움직임 예측 연산 속도를 가변시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 움직임 예측 및 보간 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 채택할 수 있는 보간 필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
본 발명은 비디오 부호화 기에서의 임의 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측 방법에 관한 것이다. 움직임 예측 방법(Motion estimation)은 시간 축 상의 중복 요소(Temporal redundancy)를 제거하여 부호화 효율을 높이는 방법으로, 보간 필터 (Interpolation filter)를 이용해 부-화소 단위의 예측 블록을 보간해 움직임 예측을 수행하면 더욱 우수한 압축 성능을 제공하는 부호화 기술이다. 본 발명은 이 움직임 예측 방법에서 연산 복잡도가 낮은 보간 필터를 사용하여 연산 복잡도를 개선하고, 추후 움직임 보상을 수행하는 방법을 통해 표준에 위배되지 않는 (standard-compliant) 잔여 신호를 생성하는 고속 움직임 예측 장치와, 이러한 고속 움직임 예측 방법을 제공한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치에 대해서 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 블록도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 움직임 예측 및 보간 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 채택할 수 있는 보간 필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치는 움직임예측부(100) 및 움직임보상부(200)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 움직임예측부(100)는 대상 블록(BL) 및 대상 블록의 이전인 참조 프레임이 입력되면, 제1 보간 필터를 사용해서 움직임 벡터를 도출한다. 여기서, 제1 보간 필터는 비디오 압축 표준과 상이한 보간 필터가 될 수 있다. 움직임예측부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 현재 프레임의 블록(BL)과 가장 유사한 블록(SBL)을 참조 프레임(이전 프레임)의 탐색 영역 내에서 예측한다. 움직임예측부(100)는 움직임 예측을 수행 할 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 보간 필터(Interpolation filter)를 이용해서 부-화소(Sub-pel) 단위의 블록을 생성해 움직임 예측을 수행할 수 있다. 도 3은 2-탭 보간 필터를 이용해서 부-화소 블록 (1/2 화소 위치)을 생성하는 예이다. 4x4 크기를 갖는 부-화소 블록은 부-화소 주위의 좌/우 정수 화소의 픽셀 값을 평균내서 얻을 수 있다. 여기서, 비디오 압축 표준은 MPEG-2, MPEG-4, AVC, HEVC, SVC, SHVC 등과 같은 비디오 표준 및 예컨대, XVID, Dirac, Theora, Daala, VP8, VP9 등과 같은 공개 비디오 표준을 모두 포함한다. 특히, 제1 보간 필터는 복잡도가 소정 수치 미만인 보간 필터(Simple-tap filter)가 될 수 있다. 다른 말로, 제1 보간 필터는 보간 필터 탭 크기가 소정 수치 미만으로 작은 보간 필터가 될 수 있다.
보간 필터를 사용하면, 정수 화소 블록에 더하여 부-화소 블록을 추가적으로 탐색 후보 블록으로 사용할 수 있기 때문에 압축 성능을 크게 개선할 수 있다. 하지만, 보간 필터를 사용한 부-화소 블록 움직임 예측은 연산량이 많아, 이를 개선하기 위해서 먼저, 움직임예측부(100)는 복잡도가 소정 수치 미만인 제1 보간 필터를 사용한다. 그런 다음, 움직임보상부(200)는 움직임예측부(100)가 도출한 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 제2 보간 필터를 이용하여 보간하여(motion compensation) 잔여 예측 값을 산출한다. 여기서, 제2 보간 필터는 비디오 압축 표준에 따른 보간 필터, 즉, 표준 필터(Standard-tap filter)가 될 수 있다.
그러면, 표준 필터(Standard-tap filter)에 대해서 설명하기로 한다. 보간 필터는 휘도(Luma)와 색차(Chroma)에 따라서 다른 크기의 필터를 사용하게 된다. 먼저, 도 4를 참조하면, H.264/AVC 표준 보간 필터 중 H.264/AVC의 표준 휘도 보간 필터는 부-화소 중 1/2-화소 (half-pel)의 위치를 보간하기 위해 6-탭의 필터를 사용하고, 2-탭 필터를 추가로 사용하여 1/4-화소(quarter-pel)의 위치를 보간한다. 도 4에서 1/2-화소인 b를 보간하기 위해서는 E/F/G/H/I/J (6 화소)에 가중치를 곱해 보간하고, 1/4-화소인 a를 보간하기 위해서는 G/b (2 화소)에 가중치를 곱해 보간한다.
도 5를 참조하여 H.264/AVC 표준 보간 필터 중 H.264/AVC의 표준 색차 보간 필터에 대해서 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 색차 보간 필터는 2-탭 보간 필터를 사용한다. A/B/C/D 안의 임의의 한 화소를 보간하고자 할 때, A/B/C/D 네 화소에 xFrac, yFrac, 8-xFrac, 8-yFrac과 같은 가중치를 두어 보간하게 된다.
도 6을 참조하면, H.265/HEVC 표준 보간 필터 중 H.265/HEVC의 표준 휘도 보간 필터는 부-화소의 위치에 관계없이 항상 8-탭 보간 필터를 사용해 부-화소 블록을 보간한다. 도시된 바와 같이, b(0,0)를 보간하기 위해서는 A(-3,0), A(-2,0), A(-1,0), A(0,0), A(1,0), A(2,0), A(3,0), A(4,0)을 사용해서 보간한다. a(0,0)을 보간하기 위해서는 역시 A(-3,0), A(-2,0), A(-1,0), A(0,0), A(1,0), A(2,0), A(3,0), A(4,0)을 사용해서 보간한다. 단지 a(0,0)와 b(0,0)를 보간하기 위해 사용되는 화소에 곱해지는 가중치 값이 달라진다.
도 7을 참조하면, H.265/HEVC 표준 보간 필터 중 H.265/HEVC의 표준 색차 보간 필터에 대해서 설명한다. 색차 보간 과정은 도 7에 도시된 바와 같이, B(0,0), B(1,0), B(0,1), B(1,1) 사이의 한 화소를 보간하고자 할 때, 4-탭 보간 필터를 사용한다. 예를 들어, ab(0,0)의 보간은 B(-1,0), B(0,0), B(1,0), B(2,0)의 화소에 가중치를 곱하여 구한다.
보간 필터의 필터 크기, 연산 복잡도, 부호화 효율 관점에서 분석해보면, H.265/HEVC 휘도 보간 필터는 가장 높은 연산 복잡도를 가지는 반면에, 가장 우수한 부호화 효율을 보인다. H.264/AVC 색차 보간 필터는 가장 낮은 연산 복잡도를 가지는 반면에, 가장 낮은 부호화 효율을 보인다. 즉, 다음의 표 1과 같이, 보간 필터의 크기가 커지면 높은 연산 복잡도를 가지는 반면에 우수한 부호화 효율을 보인다.
보간 필터 타입 H.264/AVC 휘도 보간 필터 H.264/AVC 색차 보간 필터 H.265/HEVC 휘도 보간 필터 H.265/HEVC 색차 보간 필터
필터 크기 6-탭 위너 필터 + 2-탭 평균 필터 2-탭 bilinear 8-탭 DCTIF 4-탭 DCTIF
연산 복잡도 중상 낮음 높음 중간
부호화 효율 중상 낮음 높음 중간
따라서, 화질보다는 고속 부호화가 필요한 경우는 움직임 예측 과정에서 H.264/AVC 2-탭 필터를 사용하면 크게 속도를 개선할 수 있으며, 화질을 더 중요시 한다면, H.265/HEVC 8-탭 필터를 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비디오 부호화기에서 보간 필터를 이용한 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 움직임예측부(100)는 S110 단계에서 대상 블록(BL) 및 대상 블록의 이전인 참조 프레임이 입력되면, 제1 보간 필터를 사용해서 움직임 벡터를 도출한다. 여기서, 제1 보간 필터는 비디오 압축 표준과 상이한 보간 필터가 될 수 있다. 특히, 제1 보간 필터는 복잡도가 소정 수치 미만인 보간 필터(Simple-tap filter)가 될 수 있다. 다른 말로, 제1 보간 필터는 보간 필터 탭 크기가 소정 수치 미만으로 작은 보간 필터가 될 수 있다.
다음으로, 움직임보상부(200)는 S120 단계에서 움직임예측부(100)가 도출한 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 제2 보간 필터를 이용하여 보간하여(motion compensation) 잔여 예측 값을 산출한다. 여기서, 제2 보간 필터는 비디오 압축 표준에 따른 보간 필터, 즉, (Standard-tap filter)가 될 수 있다.
종래의 방법에 따르면, 움직임 예측을 수행하면 표준 필터 탭을 사용하기 때문에 잔여 예측 값, 즉, 입력 블록(BL)과 참조 프레임에서 예측된 예측 블록(SBL)과의 차이가 움직임 예측이 끝나도 표준에 위배되지 않는다. 하지만, 본 발명은 표준 필터 이외의 탭 크기를 갖는 보간 필터를 사용해 움직임 예측을 수행하기 때문에 잔여 예측 값이 표준에 위배된다. 이와 같이, 표준에 위배되면 복호화기에서 복원한 영상이 입력 영상과 다른 값을 갖게 된다. 따라서 먼저 복잡도가 낮은 보간 필터(Simple-tap filter)를 이용해 움직임 벡터를 구하고, 해당 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 표준 필터(Standard-tap filter)를 이용하여 다시 보간하여(motion compensation) 잔여 예측 값을 산출한다. 움직임 예측 과정은 탐색 영역 내의 모든 부-화소 위치에 대해서 보간 필터를 사용해 예측 블록을 생성하기 때문에, 움직임 예측이 끝나고 움직임 보상 방법을 추가적으로 한 번 더 수행하는 것은 전체 연산량의 증가에 큰 영향을 주지 않는다. 본 발명은 움직임 보상 과정에서 표준 크기의 보간 필터만 사용하면, 움직임 예측 과정에서 임의의 보간 필터를 사용해도 되기 때문에 목적에 따라서 다양한 필터를 사용해도 된다. 예를 들면, 화질보다는 고속 부호화가 필요한 경우는 움직임 예측 과정에서 H.264/AVC 2-탭 필터를 사용하면 크게 속도를 개선할 수 있으며, 화질을 더 중요시 한다면, H.265/HEVC 8-탭 필터를 사용하면 된다. 움직임 예측 과정은 탐색 영역 내의 모든 부-화소 위치에 대해서 보간 필터를 사용해 예측 블록을 생성하기 때문에, 움직임 예측이 끝나고 움직임 보상 방법을 추가적으로 한 번 더 수행하는 것은 전체 연산량의 증가에 큰 영향을 주지 않는다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법은 다양한 컴퓨터수단을 통하여 판독 가능한 프로그램 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 와이어뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 와이어를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100: 움직임예측부
200: 움직임보상부

Claims (8)

  1. 비디오 부호화기에서 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치에 있어서,
    비디오 압축 표준과 상이하고, 연산 복잡도가 기 설정된 수치 미만인 제1 보간 필터를 이용하여 움직임 벡터를 도출하는 움직임예측부; 및
    상기 비디오 압축 표준에 따른 제2 보간 필터를 이용하여 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하는 움직임보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보간 필터는
    보간 필터 탭 크기가 기 설정된 수치 미만인 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 보간 필터는
    H.264/AVC 6-탭/2-탭 필터; 및
    H.265/HEVC 8-탭/4-탭 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 장치.
  4. 삭제
  5. 비디오 부호화기에서 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법에 있어서,
    비디오 압축 표준과 상이하고, 연산 복잡도가 기 설정된 수치 미만인 제1 보간 필터를 이용하여 움직임 벡터를 도출하는 움직임 예측 단계; 및
    상기 비디오 압축 표준에 따른 제2 보간 필터를 이용하여 상기 도출된 움직임 벡터에 대응되는 예측 블록을 보상하는 움직임 보상 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 보간 필터는
    보간 필터 탭 크기가 기 설정된 수치 미만인 것을 특징으로 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 보간 필터는
    H.264/AVC 6-탭/2-탭 필터; 및
    H.265/HEVC 8-탭/4-탭 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하는 고속 움직임 예측을 수행하기 위한 방법.
  8. 삭제
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