KR19990007787A

KR19990007787A - 비디오 신호를 엔코딩하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR19990007787A
Application number: KR1019970707310A
Authority: KR
Inventors: 웰헤르무스 헨드리쿠스 아폰수스 브륄스; 리차드 페트러스 크레이호르스트; 데르 웨르프 알버트 반
Original assignee: 요트.게.아.롤페즈; 코닌클리케필립스일렉트로닉스엔.브이.
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1999-01-25
Also published as: EP0821855A1; ES2180919T3; DE69712836D1; US6122314A; TW359059B; WO1997030545A1; KR100478069B1; ATE218260T1; MY119048A; DE69712836T2; JPH11504490A; EP0821855B1

Abstract

비디오 엔코딩 방법과 그 장치가 개시되어 있다. 비디오 엔코더, 예컨대 MPEG 엔코더(2)는 움직임 보상 예측 이미지(PRED)를 생성한다. 엔코딩에 앞서, 상기 움직임 보상 예측 이미지는 입력 이미지와 결합되고(I), 입력 이미지에서 잡음과 양자화 잡음을 모두 효과적으로 저감한다. 잡음 저감량은 움직임 계산기(29)에 의해 예측 메모리(28)내 가장 근사한 화소 블록을 탐색하기 위해 이용될때의 동일 파라미터(MAD)에 응답하여 양호하게 제어된다(15).

Description

비디오 신호를 엔코딩하기 위한 방법 및 장치

서두에서 언급된 방법을 실행하는 종래 장치는 유럽 특허 명세서 EP-A O 614312호에 개시되어 있다, 상기 장치는 움직임이 보상된 잡음 저감 회로와 프레임간 엔코딩 회로의 종속 결합을 포함하고 있다. 엔코딩 하기에 앞서 비디오 신호의 잠음을 저감하므로써, 코딩 효율이 상당히 개선된다. 상기 공지된 장치의 잡음 저감 회로는 복수의 프레임 메모리와 연속하는 입력 프레임들간의 움직임량을 측정하는 움직임 계산기를 포함하고 있다. 엔코딩 회로는 또다른 프레임 메모리와 움직임이 보상된 예측 이미지를 얻기 위한 또다른 움직임 보상기를 포함하고 있다. 잡음이 저감된 이미지와 이 움직임 보상 예측 이미지(종국에는 엔코딩된다)간에는 차이가 있다.

종래 비디오 엔코딩 시스템에서, 잡음 저감 신호와 엔코딩 회로간의 임의의 시너지(synergy) 크기는 상기 잡음 저감 이미지의 엔코딩을 돕기 위해 상기 잡음 저감 회로로부터 움직임 벡터를 엔코딩 회로에 인가함으로써 얻어진다.

본 발명은 비디오 신호의 엔코딩 방법에 관한 것으로, 상기 엔코딩 방법은 상기 비디오 신호의 잡음을 저감하여 저감된 잡음 신호를 얻기 위한 스텝과 상기 저감된 신호를 엔코딩하는 스텝과 상기 엔코딩 신호를 디코딩하여 예측 신호를 얻기 위한 디코딩 스텝을 포함한다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더.

도 2는 도 1에 도시된 잡음 저감 회로의 또다른 실시예를 도시하는 도면.

도 3은 도 1에 도시된 잡음 저감 계수 제어 수단의 움직임을 설명하는 도면.

도 4는 비디오 신호 엔코더의 대안적인 실시예를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 잡음 저감을 이루는 MPEG 비디오 엔코더의 블록도.

도 6은 잡음 저감을 구현한 MPEG 비디오 엔코더의 대안적인 실시예를 도시하는 도면.

본 발명의 목적은 비용면에서 보다 효율적인 비디오 신호 엔코딩 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이를 달성하기 위해, 상기 방법은 잠음 저감의 스텝이 산술적으로 비디오 입력 신호를 예측 신호와 결합하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 프레임간을 엔코딩하기 위해 엔코더에 의해 생성된 예측 신호가 잡음 저감을 위해서도 이용될 수 있다는 인식을 근거로 한다. 그러므로 잡음 저감을 위한 특별한 메모리가 생략되고 동시에 잡음 저감 기능이 추가 비용없이도 얻어진다. 특별한 이점은 단지 입력 비디오 신호의 잡음만이 저감되는 것은 아니라는 것이다. 잡음 저감은 또한 엔코딩 과정에서 초래되는 양자화 잡음에도 해당된다.

예측 엔코딩의 스텝은 움직임 계산과 움직임 보상 예측 신호를 얻기 위한 보상을 포함하고 있다. 개선된 코딩의 효율 뿐만 아니라 잡음 저감은 상당히 양호한 특성을 갖고 있다. 더욱이, 잡음 저감 기능은 MPEG 규격에 따른 엔코더 트겅에 실제로 추가될 수 있다.

또다른 실시예에서, 잡음 저감량은 어느 정도까지 예측 신호가 입력 신호와 근사하는가를 나타내는 제어신호에 의해 제어된다. 더 많은 예측 신호가 입력 신호에 근사하고 더 많은 잡음 저감이 가능해지고 실제 이루어지게 된다. 움직임 계산과 보상을 포함하는 일실시예는 특히 이 점에서 관심을 갖게 되는데, 그 이유는 상기 제어신호가 이미 유용하여 단독으로 발생될 필요가 없기 때문이다. 즉, 움직임 계산의 스텝은 그러한 제어 신호에 의해 움직임 보상 예측 신호를 탐색하는 스텝을 포함하고 있다. 입력 신호와 (움직임 보상) 예측 신호간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차는 제어 신호를 구성한다.

잡음 저감 스텝은 입력 신호의 α 부분과 (움직임-보상) 예측 신호와 (1-α) 부분을 결합하는 단계를 포함하고 있다. 그러한 실시예에서는 1차 재귀형 시간적 필터링 프로세스에 의해 잡음 저감이 구현된다. 그러한 필터는 E. Dubois 저, Noise Reduction in Image Sequences Using Motion-Compensate Temporal Filtering, (IEEE 정보기술지, Vol. COM-32, No7, 1994년 7월, pp826-831)에 공지되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 비디오 신호 엔코더의 블록도를 도시하고 있다. 비디오 신호 엔코더는 연속적인 8*8 화소 블록의 형태로 디지털 비디오 신호를 수신한다. 상기 블록은 잡음 저감 회로(1)에 인가되고 다음 엔코딩회로(2)에 의해 엔코딩된다.

엔코딩 회로(2)는 잡음 저감 회로(1)로부터 잡음이 저감된 이미지와 예측 이미지 PRED 간의 차를 얻기 위한 감산기(20)를 구비하고 있다. 다음, 상기 차 신호는 이산 코사인 변형 회로(21)에 의해 상기 블록마다 고유의 계수로 변형된다. 상기 계수는 양자기(22)에 의해 양자화되고 가변 길이 코더(23)에 의해 가변 길이로 코딩된다. 소망의 비트 속도를 얻기 위한 비트 속도 제어 회로(24)는 양자화기(22)의 스텝사이즈(stepsize)를 제어한다. 예측 이미지 PRED를 발생하기 위해, 엔코딩 회로는 역 양자화기(25)와 역 이산 코사인 변형 회로(26)와 가산기(27)와 예측 프레임 또는 필드 메모리(28)를 추가로 포함하고 있고, 엔코딩 회로(2)를 구성하는 각종 회로 소자는 종래 주지된 것임을 알 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 예측 이미지 PRED는 잡음 저감 회로(1)에 인가된다.이 회로에서, 현 입력 신호 INP와 예측 신호 PRED는:

[수학식 1]

NR+α.PRED+(1-α).INP

에 따라 잡음 저감 신호 NR를 구성하기 위해 선형적으로 결합된다. 메모리(28)는 예측 이미지를 기억하고 있으며 비디오 신호 엔코더의 피드백 루프에 포함되어 있으므로, 잡음 저감 회로는 사실상 1차 재귀형 시간 필터이다. 이는 잡음 저감에 관해 효과적이고 흥미있는 실시예로서 주지되어 있다.

도 1에 도시된 잡음 저감 회로(1)는 예측 신호 블록의 화소를 계수 α로 가중하기 위한 제1승산기(11)와, 입력 신호 블록의 화소를 계수 1-α로 가중하기 위한 제2승산기(12)와 상기 가중된 화소를 함께 가산하기 위한 가산기(13)를 구비하고 있다. 이 실시예는 수학식 1를 바로 구현한 회로이다. 도 2는 1개의 단일 승산기(18)와 2개의 가산기(16, 17)를 이용하는 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는

[수학식 2]

NR=PRED+(1-α).(INP-PRED)

를 계산하고, 이는 수학식 1의 등가식이다.

비디오 신호 엔코더의 매우 단순한 실시예에서, 가중 계수 α는 0α1의 범위에 있는 상수이다. 예컨대, α=0.5를 사용하면, 정적 신호의 경우 6dB의 잡음 저감이 얻어진다. 그러나, 양호하게는 가중계수 α는 비디오 신호의 특성에 따라서 적정하게 제어된다. 이를 위하여, 잡음 저감 회로(1)는 입력 화소 블록의 화소 I_i,j의 서브 블록S과 대응하는 화소P_i,j의 서브 블록간의 평균 절대 차(MAD)의 계산에 적합한 계수 제어 수단(14)을 포함하고 있으며, 상기 MAD는:

로서 정의되고, 또는 상기 계수 제어 수단(14)은 현 입력 신호의 대응하는 서브 블록과 예측 신호간의 평균 제곱 오차(MSE)의 계산에 적합하고, MSE는:

로서 정의되고 그 응답에서 α의 값을 조정한다. 각 서브 블록(예컨대 2*2 화소)에 대한 α값을 제어하으로써 상기 제어 기구에서 잡음의 영향이 저감된다.

도 3은 가중 계수 α가 MAD에 어떻게 의존하는지에 관한 일예를 설명하는 블록도이다. MAD가 작은 경우, α는 소정의 큰 값을 갖고 잡음 저감량은 최대가 된다. 잡음 저감량은 MAD가 증가하면서 점자 저감하고 있다. MAD가 큰 값인 경우, α는 적당히 작은 값으로 점차 근접하고 잡음 저감은 최소가 된다.

도 4는 접음 저감 회로(1)와 감산기(20)(도 1 참조)의 산술 연산이 결합될때 얻어지는 실제 비디오 엔코더의 실시예를 도시하고 있다. 수학식 2에 따르면, 엔코딩될 상기 차 신호(NR-PRED)는 이하에서와 같이 정의될 수 있다:

NR-PRED=(1-α)(INP-PRED)

그러므로, 도 4에 도시된 엔코더는 상기 예측 신호를 상기 입력 비디오 신호로부터 감산하는 감산기와 상기 차 신호를, 계수 제어 수단(14)에 의해 공급되는 계수(1-α)와 승산하는 승산기(18)를 포함하고 있다.

도 5는 비디오 신호 엔코더의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 도 1과 도 4에 도시된 실시예와 예측 이미지가 움직임 보상된다는 점에서 다르다. 개선된 코딩 효율뿐만 아니라 잡음 저감이 상당히 양호해진 특성을 갖는다. 보다 상세하게는, 도 5에 도시된 비디오 신호 엔코더는 공지된 MPEG 규격에 쉽게 일치된다. 다음, 선택된 이미지는 I 화상을 얻기 위해 프레임간 엔코딩되며, 반면에 다른 이미지는 P 또는 B 화상을 얻기 위해 움직임 보상을 이용하여 예측 엔코딩된다. 도시된 실시예에서, 각 연산 모드는 프레임간(I)과 예측(P)위치(position)를 갖는 스위치(31)에 의해 선택된다. 예측형 코딩 모드를 먼저 설명한다.

도 5에 도시된 바와같이, 메모리(28)에 저장된 예측 이미지와 현재의 비디오 입력 이미지는 움직임 계산기(29)에 적용된다. 또다른 주지된 방식에서, 움직임 보상기는 메모리(28)에서 현재 입력 화소 블록과 아주 근사한 화소 블록을 탐색한다. 각종 탐색 알고리즘이 종래 공지되어 있다. 일반적인 경우, 이들 알고리즘은 현재 입력 블록의 화소와 그 블록의 화소와 근사정도가 비교되는 후보 블록의 화소들간의 평균 제곱 오차(MSE) 또는 평균 절대 차(MAD)의 계산을 근거로 한다. 이때 최소의 MAD 또는 MSE를 갖는 상기 후보 블록은 움직임이 보상된 예측 블록으로 선택된다. 현재의 입력 블록의 위치에 관한 상기 예측 블록의 상대적인 위치를 나타내는 것은 엔코딩된 비디오 신호 데이터에 따라 함께 전송되는 움직임 백터MV이다. 상기 움직임이 백터 MV는 또다른 움직임 보상기(30)에 인가되며, 그 보상기(30)는 움직임이 보상된 예측 이미지를 발생한다. 이와같이 움직임이 보상된 예측 이미지는 전술한 바와같이 잡음 저감을 위해 잡음 저감 회로(1)에 인가되는 움직임 보상 예측 이미지 PRED이다.

스위치(31)가 1위치에 있는 경우, 상기 움직임 보상 예측 이미지는 감산기(20)에 인가되지 않는다. 그러나, 움직임 보상 예측 이미지를 발생하기 위한 회로 요소(27-30)들은 잡음 저감을 위해 액티브 상태를 유지한다. 그러므로, 잡음 저감은 마찬가지로 I 화상에 적용되고 예측 엔코딩 모드로부터 프레임간 엔코딩 모드로 전환될때 그리고 그 역의 경우에도 어떤 잡음 저감의 결과를 기대할 수 없다.

다시, 가중 계수 α는 엔코딩된 비디오 신호의 특성에 따라 일정하거나 또는 적응 제어된다. 후자의 경우는 예측 신호와 입력 이미지의 근사 정도(예컨대 MAD 또는 MSE)를 나타내는 신호가 이미 움직임 계산기(29)에서 유용하고 따로 발생되어야 할 필요가 없기 때문에, 비용면에서 매우 효과적으로 얻어질 수 있다. 도 5에서, 움직임 계산기는 최소의 MAD를 갖는 가장 근사한 화소 블록을 탐색하게 된다. 선택된 화소 블록과 연관된 MAD는 도 3과 관하여 위에서 이미 설명한 바와같이 적절한 가중 계수 α로의 변환을 위해 계수 제어 수단(15)에 인가된다.

도 6은 잡음 저감 회로(I)와 감산기(20)의 산술 연산이 결합된 비디오 엔코더의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 현재의 잡음 저감 회로는 1개의 단일 승산기(18)와 2개의 가산기(16, 17)를 포함하고 있다(도 2를 참조하라). 스위치(32)의 I화상에서, 가산기(17)의 출력(즉, 잡음 저감 신호)은 엔코딩된다. 또다른 스위치(33)는 이 예측 프레임 메모리(28)가 이 움직임 모드에서 갱신되는 것을 방지한다. 스위치(32)의 P위치에서, 승산기(18)의 출력(즉, 잡음 저감 신호에서 예측 신호를 감함)이 엔코딩된다.

요약하면, 비디오 엔코딩 방법과 그 장치가 개시되어 있다. 비디오 엔코더, 예컨대 MPEG 엔코더는 움직임 보상 예측 이미지를 생성한다. 엔코딩에 앞서, 상기 움직임 보상 예측 이미지는 입력 이미지와 결합되고 입력 이미지에서 잡음과 양자화 잡음을 모두 효과적으로 저감한다. 잡음 저감량은 움직임 계산기에 의해 예측 메모리내 가장 근사한 화소 블록을 탐색하기 위해 이용될때의 동일 파라미터에 응답하여 양호하게 제어된다.

Claims

비디오 신호를 엔코딩하는 방법으로서, 잡음 저감 신호를 얻기 위해 상기 비디오 신호의 잡음을 저감하는 단계와, 상기 잡음이 저감된 신호를 엔코딩하는 단계와, 상기 엔코딩 신호를 디코딩하여 예측 신호를 얻기 위한 디코딩 단계를 포함하는 비디오 신호 엔코딩 방법에 있어서,

잡음 저감 단계는 상기 비디오 신호를 상기 예측 신호와 산술적으로 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
제1항에 있어서, 상기 디코딩 단계는 움직임을 보상한 예측 신호를 얻기 위해 움직임 계산과 보상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 잡음 저감량은 어느 정도까지 상기 예측 신호가 상기 입력 신호에 근사하는가를 나타내는 제어 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
제2항에 있어서, 상기 움직임 계산 단계는 어느 정도까지 상기 움직임 보상 예측 신호가 상기 입력 이미지에 근사하는가를 나타내는 제어 신호에 의해 움직임 보상 예측 신호를 탐색하는 단계를 포함하며, 상기 잡음 저감량은 상기 제어 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 입력 신호의 화소와 상시 예측 신호간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차인 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잡음 저감 단계는 입력 신호의 α부분과 예측 신호의 (1-α)부분을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코딩 방법.
잡음 저감 신호를 얻기 위한 잡음 저감 수단과 상기 잡음 저감 신호를 엔코딩하기 위한 엔코딩 수단과 상기 엔코딩된 신호를 디코딩하여 예측 신호를 얻기 위한 디코딩 수단을 구비하는 비디오 신호 엔코더에 있어서,

상기 잡음 저감 수단은 상기 비디오 입력 신호와 상기 예측 신호를 산술적으로 결합하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.
제7항에 있어서, 상기 엔코딩 수단은 움직임을 보상한 예측 신호를 얻기 위한 움직임 계산기와 보상기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.
제7항 또는 제8항에 있어서, 어느 정도까지 상기 예측 신호가 상기 입력 신호에 근사하는가를 나타내는 제어 신호에 응답하여 잡음 저감량을 제어하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.
제8항에 있어서, 상기 움직임 계산기는 어느 정도까지 상기 움직임 보상 예측 신호가 상기 입력 신호에 근사하는가를 나타내는 제어신호에 의해 상기 움직임이 보상된 예측 이미지를 탐색하도록 이용되며, 상기 잡음 저감량은 상기 제어신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 입력 신호의 화소와 상기 예측 신호간의 평균 절대 차 또는 평균 제곱 오차인 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.
제7항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 잡음 저감 수단은 예측 신호의 화소의 α부분과 입력 신호의 화소의 (1-α) 부분을 결합하도록 이용되는 것을 특징으로 하는 비디오 신호 엔코더.