KR19990033459A - 프렉탈 면적을 이용한 가변 비트율 비디오 트래픽의 허스트파라미터 추정 방법 - Google Patents

프렉탈 면적을 이용한 가변 비트율 비디오 트래픽의 허스트파라미터 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인코더에의해 단위 시간당 가변 비트율로 압축되는 주기적인 비트 스트림 트래픽 영상 신호의 대역폭 할당을 위한 허스트 파라미터를 추정하는 방법에 관한 것으로, 상기 영상 신호로부터 I 프레임 신호를 추출하는 단계; I 프레임 신호의 비트 스트림 트래픽 펄스에 의해 형성되는 영역에 대하여 프렉탈 면적이 기설정 값에 수렴할때까지 반복적으로 현재 프렉탈 면적( Aε )과 이전 프렉탈 면적( Aε-1 )과의 평균값으로 라인 길이, L(ε) , 를 구하는 단계로서, 상기 라인 길이, L(ε) ,는 하기 수학식을 만족하며, L(ε) = F⋅ε2-D , 상술한 수학식에서, F는 상수이고, D는 프렉탈 차원에서의 라인의 기울기를 나타내며; 라인 피팅 알고리즘을 이용하여 상기 라인 길이의 프렉탈 차원의 기울기를 구하는 단계; 상기 기울기와 허스트 파라미터와의 하기 관계를 갖는 수학식을 이용하여 상기 허스트 파라미터의 추정값을 계산하는 단계로서, H = ρ + 1 - D , 상술한 수학식에서, ρ는 차수를 나타내며; 상기 추정된 값의 허스트 파라미터에 따라 상기 압축된 영상 신호를 액티비티로 분류하여 대역 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 허스트 파라미터 계산 과정을 종래 기술의 R/S 분석법보다 간단히 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

프렉탈 면적을 이용한 가변 비트율 비디오 트래픽의 허스트 파라미터 추정 방법
본 발명은 비동기 전송 모드(Asynchronious Transfer Mode : ATM) 네트워크에서 가변 비트율(Variable Length Rate : VBR) MPEG 비디오 트래픽(video traffic)의 대역할당에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프랙탈 표면적을 이용하여 VBR MPEG 비디오 트래픽의 대역할당을 위한 허스트 파라미터(Hurst parameter)를 추정하는 방법에 관한 것이다.
ATM 네트워크에서, 전형적인 비디오 소스는 상당히 가변적인 비트율의 비디오 트래픽을 생성한다. VBR MPEG 트래픽은 HDTV와같은 용도에서는 수 Mbps의 네트워크 대역폭을 사용한다. 이와같이, 넓은 대역폭을 요구하는 VBR MPEG 비디오 트래픽의 특성은 평균, 분산, 표준 편차, 자기상관함수, 에너지등의 파라미터로서 나타낼수 있으며, 그 특성에 따라 ATM 네트워크 접속에 필요한 대역폭의 양을 할당한다. 이때, ATM 네트워크에서의 대역 할당에 적합한 프렉탈(fractal) 특성을 나타내주는 허스트 파라미터(Hurst parameter)가 필요하다.
허스트 파라미터를 구하는 전형적인 방법은 R/S 분석 방법을 이용한다. R/S 분석 방법은 평균 , 분산 S2(n) 을 가지는 파형 Xk(1≤k≤n) 이 있을때, 하기 수학식 1과 같이 계산된다.
상기 수학식 1에서, 이다.
기대값을 E[⋅] 라 하면, R/S의 기대값은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
E[R(n)/S(n)] ≈ C nH
상기 수학식 2에서, n → ∞ 이고, C는 상수이고, H는 허스트 파라미터이다. 이 허스트 파라미터는 라인 피팅(line fitting) 알고리즘에 의해 기울기를 구하여 계산된다.
그러나, 상술한 R/S 방법에서는 비중첩(non-overlapping) 블록의 크기에 따라 허스트 파라미터의 값이 조금 달리 계산되며, 상당한 계산 시간을 소요한다. 또한, R/S 방법은 근본적으로 ATM 네트워크에서는 적합하지않다는 문제가 있었다.
그러므로, 본 발명은 프렉탈 표면적을 이용하여 VBR MPEG 비디오 트래픽 신호의 대역할당을 위한 허스트 파라미터를 추정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로한다.
상술한 목적을 달성하기위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 인코더에 의해 단위 시간당 가변 비트율로 압축되는 영상 신호의 대역폭 할당을 위한 허스트 파라미터를 추정하는 방법이 제공된다. 본 발명의 방법은: 상기 영상 신호로부터 I 프레임 신호를 추출하는 단계; I 프레임 신호의 비트 스트림 트래픽 펄스에 의해 형성되는 영역에 대하여 프렉탈 면적이 기설정 값에 수렴할때까지 반복적으로 현재 프렉탈 면적( Aε )과 이전 프렉탈 면적( Aε-1 )과의 평균값으로 라인 길이, L(ε) , 를 구하는 단계로서, 상기 라인 길이, L(ε) ,는 하기 수학식을 만족하며, L(ε) = F⋅ε2-D , 상술한 수학식에서, F는 상수이고, D는 프렉탈 차원에서의 라인의 기울기를 나타내며; 라인 피팅 알고리즘을 이용하여 상기 라인 길이의 프렉탈 차원의 기울기를 구하는 단계; 상기 기울기와 허스트 파라미터와의 하기 관계를 갖는 수학식을 이용하여 상기 허스트 파라미터의 추정값을 계산하는 단계로서, H = ρ + 1 - D , 상술한 수학식에서, ρ는 차수를 나타내며; 상기 추정된 값의 허스트 파라미터에 따라 상기 압축된 영상 신호를 액티비티로 분류하여 대역 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명을 이용하는 영상 신호 처리 시스템의 개략적인 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 허스트 파라미터 추정 장치의 상세 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 압축 영상 신호의 대역 할당을 위한 허스트 파라미터 추정 장치에 의해 실행되는 과정을 설명하는 플로우차트,
도 4a 및 4b는 각기 I 영상 신호의 펄스의 파형과 이 파형으로부터 형성되는 프렉탈 표면적을 예시하는 도면,
도 5는 도 2의 라인 길이 계산부에서 ε회 계산된 라인 길이를 예시하는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 비디오 소스 20 : 인코더
30 : 허스트 파라미터 추정 장치 110 : I 프레임 픽쳐 추출부
120 : 프렉탈 표면적 계산부 140 : 허스트 파라미터 추정부
150 : 대역 할당부
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러가지 장점은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 바람직한 실시예로 부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 설명될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명을 이용하는 영상 신호 처리 시스템의 개략적인 블록도가 도시된다. 도시된 바와같이, 영상 신호 처리 시스템에서, 비디오 소스(10)는 가변 비트율로 비트 스트림을 발생한다. 비디오 인코더(20)는 비디오 소스(10)로부터 발생한 가변 비트율의 비트 스트림을 인코드하여 가변 비트 레이트의 비디오 트래픽을 출력한다. 이때, 영상의 정보 내용은 프레임마다 상이하기때문에, 비디오 인코더(20)에 의해 출력된 비디오 스트림 트래픽의 비트 레이트는 시간에 따라 가변한다.
비디오 스트림 트래픽이 ATM 네트워크에 제공되는 비트 레이트는 네트워크에 할당된 대역폭에의해 결정된다. 본 발명에 따른 허스트 파라미터 추정 장치(30)는 인가되는 비디오 트래픽에 대하여 허스트 파라미터를 추정하여 시간에 따라 가변하는 비디오 비트 스트림의 대역 할당을 수행한다.
도 2는 도 1에 도시된 허스트 파라미터 추정 장치(30)의 상세 구성을 도시하는 블록도로서, 인트라 픽쳐(Intra coded picture) 또는 I 프레임 픽쳐 추출부(110), 프랙탈 표면적 계산부(120), 라인 길이 계산부(130), 허스트 파라미터 추정부(140), 대역 할당부(150)를 구비한다.
도 1의 인코더(20)로부터 출력되는 압축된 MPEG 비트 스트림 트래픽 영상 신호는 허스트 파라미터 추정 장치(30)의 픽쳐 프레임 추출부(110)로 입력된다. 주지하는 바와같이, MPEG에서는 움직임 보상된 영상의 랜덤 억세스 및 보간에 의한 비트율 감축의 중요성을 고려하여 원 영상 신호의 공간적 중복성만을 제거한 프레임내 코딩된 영상(interframe coded picture : I)과, I 영상으로부터 예측하여 에러 신호만을 부호화한 예측(predictive : P) 영상과, I 영상과 P 영상으로부터 양방향 예측을 하여 예측 에러를 부호화한 양방향(bidirectional : B) 영상의 3 가지 형태의 영상들의 조합으로 랜덤 억세스를 보장하는 화면군(Group Of Picture : GOP)을 도입하고 있다. 전송시 이들 영상의 순서는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
IBBPBBPBBPBBPBBIBBPBBPBBPBBPBBI
본 발명에 따른 픽쳐 프레임 추출부(110)는 인코더(20)로부터 GOP로 출력되는 비트 스트림 트래픽 영상 신호으로부터 I 영상만을 추출한다. 추출된 I 영상 신호는 다음단의 프렉탈 표면적 계산부(120)로 제공된다.
프렉탈 표면적 계산부(120)는 픽쳐 프레임 추출부(110)에서 제공된 I 영상 신호의 펄스에 의해 형성되는 영역의 프렉탈 면적( Aε )을 구한다. 프렉탈 면적( Aε )은 차수(ε)에 대응하는 회수를 반복하여 제 1 내지 제 ε차 프렉탈 면적( A1 내지 Aε )을 구한다. 예로, 픽쳐 프레임 추출부(110)에서 제공된 I 영상 신호의 비트 트래픽이 1, -1, 2, 0, 2, . . . 일때, 이들 트래픽의 비트 펄스에 의해 도 4a와 같은 파형이 형성된다. 도 4a의 파형에 대하여 프렉탈 이론을 적용하면, 도 4b와 같으며, 도 4b에서 빗금친 영역의 면적이 프렉탈 면적( A1 )이 된다. 프렉탈 면적( A1 )은 기준 값 "0" 을 기준으로하여 상측 엔벨로프 면(112)에 의해 형성된 상측 영역의 면적( U1 )과 하측 엔벨로프 면(114)에 의해 형성된 하측 영역의 면적( V1 ) 합으로 계산될 수 있다.
상술한 상측 영역의 면적( U1 )은 다음과 같은 과정을 통하여 구할수 있다. 도 4a의 첫번째 비트 신호 1에 α(=1)을 가산하면 비트 신호 2 가 된다. 이 비트 신호 2를 주변 비트 신호 -1과 비교하여 그중에서 큰 값을 선택하면, 비트 신호 2 이다. 마찬가지로, 도 4a의 두번째 비트 신호 -1에 α(=1)을 가산하면 비트 신호 0 가 된다. 이 비트 신호 0를 주변 비트 신호들 1 및 2 와 비교하여 그중에서 큰 값을 선택하면, 비트 신호 2 가된다. 도 4a의 세번째 내지 다섯번째 비트 신호 2, 0, 2 에 대하여도 상술한 과정을 반복하면, 각기 3, 2, 3 의 값이 생성된다. 이들 첫번째 내지 다섯번째 값들의 비트 신호, 즉, 2, 2, 3, 2, 3 에 대응하는 엔벨로프 파형(112)의 면적이 상측부 면적( U1 )이 된다.
한편, 하측 영역의 면적( V1 )은 다음과 같은 과정을 통하여 구할수 있다. 도 4a의 첫번째 비트 신호 1에 α(=1)을 감산하면 비트 신호 0가 된다. 이 비트 신호 0를 주변 비트 신호 -1과 비교하여 그중에서 작은 값을 선택하면, 비트 신호 -1 이다. 마찬가지로, 도 4a의 두번째 비트 신호 -1에 α(=1)을 감산하면 비트 신호 -2 가 된다. 이 비트 신호 -2를 주변 비트 신호들 1 및 2 와 비교하여 그 중에서 작은 값을 선택하면, 비트 신호 -2 가된다. 도 4a의 세번째 내지 다섯번째 비트 신호 2, 0, 2 에 대하여도 상술한 과정을 반복하면, 각기 -1, -1, 0 의 값이 생성된다. 이들 첫번째 내지 다섯번째 값들의 비트 신호, 즉, -1, -2, -1, -1, 0 에 대응하는 도 4b의 하측부에서 구성된 엔벨로프 파형(114)의 면적이 하측 면적( V1 )이 된다.
상술한 과정은 도 4b에 대하여 또 다시 반복되는 방식으로 기설정 차수(ε)만큼 반복된다. 따라서, 기설정 차수만큼 반복됨으로써 계산되는 상측 영역의 면적( Uε )과 하측 영역의 면적( Vε )은 하기 수학식 3 및 4 로 각기 표현될 수 있다.
상술한 수학식 3 및 4에서, α는 주기적인 영상 신호 전체의 평균 값의 10 내지 20 %에 해당하는 값을 나타낸다.
따라서, 프렉탈 면적( Aε )은 하기 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
프렉탈 면적은 반복 회수가 증가함에 따라 수렴하므로, 차수(ε)는 대략 10 회 정도가 바람직하다. 상술한 수학식 5에 의해 차수(ε)만큼 반복되어 계산된 프렉탈 면적의 값( A1 내지 Aε )은 라인 길이(line length) 계산부(130)로 제공된다.
라인 길이 계산부(130)는 하기 수학식 6과 같이 현재 프렉탈 면적( Aε )과 이전 프렉탈 면적( Aε-1 )과의 평균값으로 라인 길이, L(ε) , 를 계산한다.
도 5는 라인 길이 계산부(130)에서 ε회 계산된 라인 길이의 값을 예시하는 그래프를 도시한다. 또한, 라인 길이 계산부(130)에서 도 5의 그래프에서 라인 길이 값들에 의해 생성된 라인 길이는 또한 하기 수학식 7과 같은 관계를 가지고 있다.
L(ε) = F⋅ε2-D
상술한 수학식 7에서, F는 상수이고, D는 프렉탈 차원에서의 라인의 기울기를 나타내며, 기울기는 라인 피팅(line fitting) 알고리즘을 이용하여 계산된다. 라인 길이 계산부(130)에서 계산된 기울기(D)는 다음단의 허스트 파라미터 추정부(140)로 제공된다.
허스트 파라미터 추정부(140)는 하기 수학식 8의 관계식에 따라 허스트 파라미터(H)를 계산한다.
H = ρ + 1 - D
상술한 수학식 7에서, ρ는 차수를 나타낸다.
따라서, 상술한 수학식 8에 의해 허스트 파라미터 추정부(140)에서 허스트 파라미터의 값이 계산될 수 있다. 이때, 계산되는 허스트 파라미터의 값은 0.5 부터 1.0까지의 값을 가지며, 다음단의 대역 할당부(150)로 제공된다.
대역 할당부(150)는 허스트 파라미터 값에 따라 입력된 신호를 액티비티(activity)로 분류한다. 즉, 허스트 파라미터 값이 0.5 내지 0.75 의 값을 가지면 로우(low) 액티비티로 대역을 할당하고, 허스트 파라미터 값이 0.75 내지 0.9 의 값을 가지면 미디엄(midium) 액티비티로 대역을 할당하며, 허스트 파라미터 값이 0.9 내지 1.0 의 값을 가지면 하이(high) 액티비티로 대역을 할당한다. 이때, 같은 평균, 분산값에 대해서도 허스트 파라미터 값이 클수록 더 넓은 대역을 할당하여야만 패킷의 손실을 줄일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 허스트 파라미터의 계산 장치에서 실행되는 동작을 설명하기위한 플로우차트를 도시한다.
허스트 파라미터 계산은 I 픽쳐 프레임 추출부(110)를 이용하여 인코더(20)로부터 출력된 비디오 트래픽 영상 신호로부터 I 픽쳐 프레임을 추출하는 단계(300)로부터 시작한다.
단계(310)에서, 픽쳐 프레임 추출부(110)에서 추출된 I 영상 신호의 펄스에 의해 형성되는 영역의 프렉탈 면적( Aε )이 계산되며, 다음 단계(320)에서, 라인 길이 계산부(130)는 현재 프렉탈 면적( Aε )과 이전 프렉탈 면적( Aε-1 )과의 평균값으로 라인 길이, L(ε) , 를 계산한다.
프렉탈 면적( Aε )은, 단계(330)에서와 같이, 차수(ε)에 대응하는 회수를 반복하여 제 1 내지 제 ε차 프렉탈 면적( A1 내지 Aε )을 구한다.
그 다음 단계(340)에서, 라인 피팅(line fitting) 알고리즘을 이용하여 라인 길이 값들에 의해 생성된 라인의 기울기가 계산된다.
단계(350)에서, 허스트 파라미터 추정부(140)는 상술한 수학식 7에 예시된 허스트 파라미터와 기울기와의 관계를 이용하여 허스트 파라미터의 값을 추정한다.
단계(360)에서, 대역 할당부(150)는 추정된 값의 허스트 파라미터에 따라 상기 압축된 영상 신호를 액티비티로 분류하여 대역 할당한다. 즉, 허스트 파라미터 값이 0.5 내지 0.75 의 값을 가지면 로우(low) 액티비티로 대역을 할당하고(단계 370, 375), 허스트 파라미터 값이 0.75 내지 0.9 의 값을 가지면 미디엄(midium) 액티비티로 대역을 할당하며(단계 380, 385), 허스트 파라미터 값이 0.9 내지 1.0 의 값을 가지면 하이(high) 액티비티로 대역을 할당한다(단계 390, 395).
그러므로, 종래 기술의 R/S 분석 방식에서 허스트 파라미터를 추정하기위하여 사용되는 복잡한 계산이 본 발명에 따라서 주로 덧셈과 뺄셈을 이용한 계산에 의하여 수행되므로 계산량이 대폭 줄어들며, 허스트 파라미터 값을 보다 정확히 추정할 수 있는 장점이 제공될 수 있다.

Claims (2)

  1. 단위 시간당 가변 비트율로 압축되는 주기적인 비트 스트림 트래픽 영상 신호의 대역폭 할당을 위한 허스트 파라미터를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 영상 신호로부터 I 프레임 신호를 추출하는 단계;
    I 프레임 신호의 비트 스트림 트래픽 펄스에 의해 형성되는 영역에 대하여 프렉탈 면적이 기설정 값에 수렴할때까지 반복적으로 현재 프렉탈 면적( Aε )과 이전 프렉탈 면적( Aε-1 )과의 평균값으로 라인 길이, L(ε) , 를 구하는 단계로서, 상기 라인 길이, L(ε) ,는 하기 수학식을 만족하며, L(ε) = F⋅ε2-D , 상술한 수학식에서, F는 상수이고, D는 프렉탈 차원에서의 라인의 기울기를 나타내며;
    라인 피팅 알고리즘을 이용하여 상기 라인 길이의 프렉탈 차원의 기울기를 구하는 단계;
    상기 기울기와 허스트 파라미터와의 하기 관계를 갖는 수학식을 이용하여 상기 허스트 파라미터의 추정값을 계산하는 단계로서, H = ρ + 1 - D , 상술한 수학식에서, ρ는 차수를 나타내며;
    상기 추정된 값의 허스트 파라미터에 따라 상기 압축된 영상 신호를 액티비티로 분류하여 대역 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 가변 비트율 압축 영상 신호의 대역폭 할당을 위한 허스트 파라미터 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프렉탈 면적은 하기 수학식에서와 같이 상기 펄스에 의해 형성된 영역에서 기준 값을 기준으로하여 상측 영역의 면적( Uε )과 하측 영역의 면적( Vε ) 합으로 계산되며,
    상기 상측 영역의 면적( Uε )은 하기 수학식을 만족하며,
    Uε= [maxUε-1(i) + α, maxUε-1(j)]
    상기 하측 영역의 면적( Vε )은 하기 수학식을 만족하며,
    Bε= [minBε-1(i) + α, minBε-1(j)]
    상술한 수학식에서, α는 상기 주기적인 영상 신호 전체의 평균 값의 10 내지 20 %에 해당하는 값을 나타내는 것을 특징으로하는 가변 비트율 압축 영상 신호의 대역폭 할당을 위한 허스트 파라미터 추정 방법.
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