KR102633460B1 - 비디오 분산 부호화 장치 및 방법 - Google Patents

비디오 분산 부호화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비디오 분산 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 영상 화면 분할 기반 비디오 분산 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

비디오 분산 부호화 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DISTRIBUTED VIDEO ENDODER}
본 발명은 비디오 분산 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 영상 화면 분할 기반 비디오 분산 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 HD(High Definition) 해상도를 지원하는 방송 시스템이 국내뿐만 아니라 세계적으로 확대되면서, 많은 사용자가 고해상도, 고화질의 영상에 익숙해지고 있으며, 이에 따라 많은 기관들이 차세대 영상기기에 대한 개발에 박차를 가하고 있다. 또한, HDTV와 더불어 HDTV의 4배 이상의 해상도를 지원하는 UHD(Ultra High Definition)에 대한 관심이 증대되면서, 더욱 높은 해상도, 고화질의 영상에 대한 압축 기술이 요구되고 있다.
특히 영상 디스플레이 화면의 대형화와 더불어 고해상도 영상을 고효율로 압축하고자 하는 시장의 요구에 의해 JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding)은 기존 AVC/H.264 코덱 대비 50% 이상 압축성능이 향상된 HEVC(High Efficiency Video Coding)로 명명한 차세대 코덱 표준화 작업을 2013년에 완료하였다.
HEVC의 압축성능은 향상되었으나 코덱 특히 부호화기의 복잡도는 크게 증가하였다. 또한 4K 등의 고해상도 비디오 혹은 프레임 레이트(frame rate)를 높인 대용량 비디오를 HEVC로 부호화하여, 방송 서비스나 VOD(Video on Demand) 서비스에 활용하기 위해서는 고속 HEVC 부호화기가 필수적이다.
이러한 고속 부호화기를 구현하기 위해서는 효과적인 분산 병렬처리가 중요한 기술이다. 특히 부호화기가 사용될 응용분야마다 요구되는 성능 및 운영될 하드웨어 플랫폼이 다르기 때문에 그에 따라 적응적으로 분산 병렬 처리를 적용할 필요가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 제2011-0107478호 (2011년 10월 4일 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 초고해상도 비디오 부호화를 고속으로 처리하기 위하여 영상을 화면 분할 한 후, 다수의 부호화기로 나누어 분산 부호화하는 비디오 분산 부호화 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 비디오 분산 부호화 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 비디오를 화면 분할하는 화면 분할부, 화면 분할된 영상을 분산하여 미리 설정된 주기로 부호화하는 분산 부호화부, 분산 부호화된 결과를 정렬하고 병합하는 부호화 결과 병합부 및 각 분산 부호화 결과를 병합하여 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정하는 부호화 헤더 정보 수정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 비디오 분산 부호화 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 방법은 비디오를 화면 분할하는 단계, 화면 분할된 영상을 분산하여 미리 설정된 주기로 부호화하는 단계, 분산 부호화된 결과를 정렬하고 병합하는 단계 및 각 분산 부호화 결과를 병합하여 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 영상을 슬라이스 단위로 분산 부호화하지 않고 개별 부호화기와 개별 복호화기가 필요하도록 설계되었고, 슬라이스 경계를 넘어 참조하지 않도록 제안함으로써 하나의 부호화기로 부호화한 기초스트림과 동일하도록 설계하여 부호화기 장치만을 위한 복호화기가 필요 없이 표준 HEVC 디코더로 재생이 가능하다.
또한 본 발명은 분산 부호화한 경계의 화질을 개선하기 위한 방법을 포함하고 있어 저지연 고화질용 부호화기 설계에 적합하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 방법을 설명하기 위한 도면들.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 장치를 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 초고해상도 비디오 영상을 화면 분할 한 후, 각 분할된 영상을 다수의 부호화기로 나누어 분산 부호화하고 분산 부호화된 결과를 하나의 스트림으로 생성한다.
도 1을 참조하면, 비디오 분산 부호화 장치는 화면 분할부(110), 분산 부호화부(120), 부호화 결과 병합부(130) 및 부호화 헤더 정보 수정부(140)를 포함한다. 여기서, 분산 부호화부(120)는 여러 대의 노드에 포함되어 구성될 수 있으며, 부호화 결과 병합부(130) 및 부호화 헤더 정보 수정부(140)는 여러 대의 노도와 네트워크로 연결된 마스터에 포함되어 구성될 수 있다.
화면 분할부(110)는 비디오를 화면 분할한다. 화면 분할부(110)는 예를 들면, 4K 비디오를 4개의 슬라이스로 나눌 수 있다. 여기서, 화면을 공간적으로 분할하는 이유는 부호화 장치의 지연시간을 최소화하기 위함이다.
분산 부호화부(120)는 복수로 구성되며, 화면 분할된 영상을 분산하여 부호화 한다. 분산 부호화부(120)는 예를 들면, 4개의 슬라이스로 나누어진 4K 비디오를 4개로 분산하여 부호화 할 수 있다. 분산 부호화부(120)는 매 화면단위가 아닌 일정한 주기(period)로 분산 부호화한다. 분산 부호화부(120)는 매 화면마다 분할하여 부호화한 후 병합하는 경우 부호화 결과 병합부(130) 간의 통신 및 동기 횟수로 인한 지연이 증가하여 효율적인 실시간 부호화기 설계에 적합하지 않기 때문에 일정한 주기로 분산 부호화 한다. 여기서, 일정한 주기는 예를 들면, 인프라(Intra) 프레임이 삽입되는 단위 즉 인프라(Intra) 주기 단위일 수 있다.
부호화 결과 병합부(130)는 각 분산 부호화부(120)로부터 부호화된 결과를 정렬하고 병합한다. 부호화 결과 병합부(130)는 부호화 결과를 병합하여 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하게 병합한다. 부호화 결과 병합부(130)는 예를 들면, 슬라이스 별 인트라(Intra) 주기 단위로 부호화를 한 결과를 같은 화면의 슬라이스끼리 병합한다.
도 3을 참조하면, 부호화 결과 병합부(130)는 예를 들면, 2개의 ES(Elementary Stream)를 같은 화면의 슬라이스 ES 순으로 정렬 후 병합할 수 있다.
부호화 헤더 정보 수정부(140)는 각 분산 부호화 결과를 병합하여 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
단계 S410에서 비디오 분산 부호화 장치는 비디오를 화면 분할한다.
단계 S420에서 비디오 분산 부호화 장치는 화면 분할된 영상을 일정한 주기로 분산하여 부호화 한다. 여기서, 일정한 주기는 예를 들면, 인프라(Intra) 프레임이 삽입되는 단위 즉 인프라(Intra) 주기 단위일 수 있다. 일정한 주기는 분산하여 부호화 하는 이유는 통신 및 동기 횟수로 인한 지연이 방지하여 효율적인 실시간 부호화를 실행하기 위함이다.
단계 S430에서 비디오 분산 부호화 장치는 일정한 주기로 부호화된 결과를 정렬하고 병합한다. 비디오 분산 부호화 장치는 예를 들면, 슬라이스 별 인트라(Intra) 주기 단위로 부호화를 한 결과를 같은 화면의 슬라이스끼리 병합한다.
단계 S440에서 비디오 분산 부호화 장치는 각 분산 부호화 결과를 병합하여 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정한다. 비디오 분산 부호화 장치는 예를 들면, SPS(Sequence Parameter Set), PPS(Picture Parameter Set) 및 슬라이스 헤더를 각 노드에서 실제 부호화기에서 사용한 헤더 정보와는 별개로 부호화할 수 있다. 비디오 분산 부호화 장치는 예를 들면, 4K 영상을 4개의 슬라이스로 나누어 부호화 하는 경우 SPS에 영상 크기를 4K (3840x2160)으로 설정하고, PPS에 타일 관련 정보도 4K 영상에 대해 설정할 수 있다. 또한 비디오 분산 부호화 장치는 각 슬라이스 헤더에서는 각 슬라이스 별로 슬라이스 세그먼트 주소(slice_segment_address)를 설정할 수 있다. 이는 기존 인코더의 수정을 최소화하면서 화면 분할 분산 부호화기로 활용하기 위함이다.
본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 서로 다른 분할 영상을 참조하지 않고 부호화할 수 있다. 또한, 비디오 분산 부호화 장치는 영상을 슬라이스 단위로 분할한 실시 예로 부호화 시 다른 슬라이스를 참조하지 않을 수 있다. 이는 분산 부호화부 간 통신 및 동기로 인한 지연을 최소로 하기 위함이다. HEVC(High Efficiency Video Coding)에서 지원하는 슬라이스 인코딩 도구(tool)로 부호화 시 화면 내 참조는 허용하지 않으나 화면간 참조는 슬라이스 간 참조를 허용하여 부복호화하고 있다. 그러나 본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 각 슬라이스 영역 내에서만 화면간 참조가 가능하여 각 분산 부호화부에서는 다른 영역의 슬라이스를 입력으로 받지 않기 때문에 다른 슬라이스의 영상을 참조하지 않는다. 만약 슬라이스 경계를 참조하도록 허용할 경우 병합하여 복호화하면 도 5와 같이 슬라이스 경계(붉은 선)에서 정상 복원되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 슬라이스 단위로 분산 부호화 시 다른 슬라이스를 참조하지 않도록 하기 위하여 움직임 벡터 범위를 슬라이스 경계로 제한할 수 있다. 본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 실시 예로 도 6에서 표시한 CTU(Coding Tree Unit)의 경우 영상(x, y) 위치는 (2752, 0) 즉 상단 경계에 위치한 CTU이다. HEVC 방법으로 움직임을 찾게 허용할 때 L0의 경우 (붉은 화살표) 참조 영상의 (-35.75, -11.75) 즉 y 방향으로 슬라이스 경계 밖까지 움직임 벡터가 넘어간다. 본 발명은 이러한 CTU의 경우 움직임 벡터를 원 영상의 경계까지만 허용하여 최적 움직임 벡터를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 실시 예로 HEVC에서는 화면간 부호화 과정에서 주변 블록과의 움직임 상관성을 이용하여 주변 블록의 움직임 벡터를 예측자로 선정할 수 있다. 주변 블록의 움직임 벡터는 본 발명으로 원 영상의 경계를 넘어가지 않도록 제한한다 할 지라도 움직임 벡터는 현재 CTU 기준의 상대 값이기 때문에 원 영상의 경계를 넘어가는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 현재 CTU 기준으로 원영상의 경계를 넘어가는 예측자를 제한하여 최적의 모드를 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 장치는 화면 분할 단위로 분산 부호화한 부호화 결과를 복원할 때 화질을 개선하는 방법을 포함할 수 있다. 본 발명은 실시 예로 슬라이스 단위로 분산 부호화 시 슬라이스 경계로 인한 화질 저하를 개선하기 위하여 슬라이스 경계의 CTU에서는 다른 CTU에 비해 더 작은 qp를 적용하는 방법을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 실시 예로 슬라이스 단위로 분산 부호화 시 슬라이스 경계로 인한 화질 저하를 개선하기 위하여 디코더에서 In-loop filter(SAO 혹은 Deblocking 필터)를 적용하도록 flag를 부호화기에서 임의로 설정할 수 있도록 한다. 이는 부호화와는 별개로 설정할 수 있다..
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 비디오 분산 부호화 방법은 다양한 서버 등의 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 비디오 분산 부호화 방법을 실행하는 프로그램은 컴퓨터 수단에 설치되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 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 장치가 포함된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 다만, 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 화면 분할부
120: 분산 부호화부
130: 부호화 결과 병합부
140: 부호화 헤더 정보 수정부

Claims (10)

  1. 비디오 분산 부호화 장치에 있어서,
    영상을 슬라이스 단위로 공간적으로 화면 분할하는 화면 분할부;
    상기 화면 분할된 영상을 미리 설정된 주기로 분산 부호화하는 분산 부호화부;
    상기 분산 부호화된 결과를 정렬 및 병합하는 부호화 결과 병합부; 및
    상기 병합된 분산 부호화 결과를 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정하는 부호화 헤더 정보 수정부를 포함하되,
    상기 슬라이스의 헤더에는 상기 슬라이스의 세그먼트 주소를 포함하고,
    상기 슬라이스의 경계에 인루프(in-loop) 필터링이 적용되는지 여부를 나타내는 플래그는 상기 부호화기에서 부호화되고,
    상기 분산 부호화는, 상기 슬라이스의 경계를 기반으로 움직임 벡터의 범위를 설정하는,
    상기 분산 부호화된 결과는, 상기 화면 분할에 의해 생성된 상기 영상의 제1 슬라이스에 대한 제1 ES(Elementary Stream) 및 상기 제1 슬라이스에 인접한 상기 제2 슬라이스에 대한 제2 ES를 포함하고,
    상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스의 슬라이스 순서는, 상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스 순이고,
    상기 정렬 및 병합은, 상기 제1 ES 및 상기 제2 ES를 각각 POC(picture order count) 단위로 분할하여 복수의 ES 부분 유닛들을 획득하는 단계; 및
    상기 제1 ES 및 상기 제2 ES의 복수의 ES 부분 유닛들을 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들끼리 그룹화하여, 상기 제1 ES 및 제2 ES의 ES 순서대로 정렬하는 단계를 포함하되,
    상기 그룹화는, 상기 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들을 상기 슬라이스 순서로 정렬하여 수행되는, 비디오 분산 부호화 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 분산 부호화부는, 화면 간 참조 시 현재 블록의 주변 블록의 움직임 벡터를 현재 블록의 움직임 벡터 예측자로 선정하는, 비디오 분산 부호화 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 분산 부호화부는, 각 슬라이스 영역 내에서만 화면간 참조를 수행하는, 비디오 분산 부호화 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 주기는,
    인트라(intra) 프레임이 삽입되는 인트라 주기 단위인, 비디오 분산 부호화 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 슬라이스의 경계에 인접한 CTU(Coding Tree Unit)에서는 다른 CTU에 비해 더 작은 양자화 파라미터를 적용하는, 비디오 분산 부호화 장치.
  8. 삭제
  9. 비디오 분산 부호화 방법에 있어서,
    영상을 슬라이스 단위로 공간적으로 화면 분할하는 단계;
    상기 화면 분할된 영상을 미리 설정된 주기로 분산 부호화하는 단계;
    상기 분산 부호화된 결과를 정렬 및 병합하는 단계; 및
    상기 병합된 분산 부호화 결과를 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정하는 단계를 포함하되,
    상기 슬라이스의 헤더에는 상기 슬라이스의 세그먼트 주소를 포함하고,
    상기 슬라이스의 경계에 인루프(in-loop) 필터링이 적용되는지 여부를 나타내는 플래그는 상기 부호화기에서 부호화되고,
    상기 분산 부호화는, 상기 슬라이스의 경계를 기반으로 움직임 벡터의 범위를 설정하는,
    상기 분산 부호화된 결과는, 상기 화면 분할에 의해 생성된 상기 영상의 제1 슬라이스에 대한 제1 ES(Elementary Stream) 및 상기 제1 슬라이스에 인접한 상기 제2 슬라이스에 대한 제2 ES를 포함하고,
    상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스의 슬라이스 순서는, 상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스 순이고,
    상기 정렬 및 병합은, 상기 제1 ES 및 상기 제2 ES를 각각 POC(picture order count) 단위로 분할하여 복수의 ES 부분 유닛들을 획득하는 단계; 및
    상기 제1 ES 및 상기 제2 ES의 복수의 ES 부분 유닛들을 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들끼리 그룹화하여, 상기 제1 ES 및 제2 ES의 ES 순서대로 정렬하는 단계를 포함하되,
    상기 그룹화는, 상기 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들을 상기 슬라이스 순서로 정렬하여 수행되는, 비디오 분산 부호화 방법.
  10. 비-일시적 컴퓨터-읽기 가능한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서,
    상기 프로그램은, 영상을 슬라이스 단위로 공간적으로 화면 분할하고,
    상기 화면 분할된 영상을 미리 설정된 주기로 분산 부호화하고,
    상기 분산 부호화된 결과를 정렬 및 병합하고,
    상기 병합된 분산 부호화 결과를 하나의 부호화기에서 생성한 결과와 동일하도록 부호화 헤더 정보를 수정하는 프로그램 코드를 실행하되,
    상기 슬라이스의 헤더에는 상기 슬라이스의 세그먼트 주소를 포함하고,
    상기 슬라이스의 경계에 인루프(in-loop) 필터링이 적용되는지 여부를 나타내는 플래그는 상기 부호화기에서 부호화되고,
    상기 분산 부호화는, 상기 슬라이스의 경계를 기반으로 움직임 벡터의 범위를 설정하는,
    상기 분산 부호화된 결과는, 상기 화면 분할에 의해 생성된 상기 영상의 제1 슬라이스에 대한 제1 ES(Elementary Stream) 및 상기 제1 슬라이스에 인접한 상기 제2 슬라이스에 대한 제2 ES를 포함하고,
    상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스의 슬라이스 순서는, 상기 제1 슬라이스 및 상기 제2 슬라이스 순이고,
    상기 정렬 및 병합은, 상기 제1 ES 및 상기 제2 ES를 각각 POC(picture order count) 단위로 분할하여 복수의 ES 부분 유닛들을 획득하는 단계; 및
    상기 제1 ES 및 상기 제2 ES의 복수의 ES 부분 유닛들을 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들끼리 그룹화하여, 상기 제1 ES 및 제2 ES의 ES 순서대로 정렬하는 단계를 포함하되,
    상기 그룹화는, 상기 동일한 POC에 해당하는 ES 부분 유닛들을 슬라이스 순서로 정렬하여 수행되는, 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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