KR19990060793A - 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법 - Google Patents

동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법에 관한 것으로서 특히, 노이즈 성분과 순수한 신호성분의 에너지를 계산하여 전체 신호성분 대비 노이즈성분의 에너지량에 따라서 필터링 경로의 가변이득제어를 수행하도록 한 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 도4에 나타낸 바와같이, 필터링할 영상신호의 노이즈 성분과 순수한 신호성분을 분리하고, 각각의 에너지를 계산하여 그 에너지비율에 따라서 필터링 경로상의 이득(a)을 가변제어함으로써, 입력 영상신호를 노이즈성분과 순수한 영상신호 성분으로 분리하여 각각의 에너지비율을 고려한 필터링 이득제어를 수행하기 때문에, 실제의 노이즈 성분에 대한 정확한 필터링이 가능하고 또 이에 따른 화질향상을 기 할 수 있도록 하였다.

Description

동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법
본 발명은 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법에 관한 것으로서 특히, 노이즈 성분과 순수한 신호성분의 에너지를 계산하여 전체 신호성분 대비 노이즈성분의 에너지량에 따라서 필터링 경로의 가변이득제어를 수행하도록 한 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법에 관한 것이다.
종래에 동영상 부호화기로서 예를 들면 MPEG2 동영상 부호화기에서 이루어지는 노이즈 제거는 도1과 같이 1-a로 대표되는 신호경로상에서의 이득 제어에 의존하고 있다.
도1은 종래의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기로서, 블럭단위로 처리되는 입력영상신호의 오차신호를 추출하기 위한 감산기(101)와, 상기 감산기(101)의 출력신호에 대하여 1-a(a는 이득)의 이득제어 연산을 수행하는 이득가변부(102)와, 상기 이득 가변제어를 수행하는 이득 제어기(103)와, 상기 이득 가변부(102)의 출력신호의 DCT변환과 양자화를 수행하는 DCT/양자화부(104)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 역변환하는 IQ/IDCT변환부(105)와, 상기 역변환된 신호와 움직임추정보상부(108)의 출력을 가산하여 출력하는 가산기(106)와, 상기 가산된 신호를 저장하는 메모리(107)와, 상기 메모리(107)의 출력신호에 대하여 움직임 추정과 보상을 수행하는 움직임 추정보상부(108)로 구성되며, 그 동작은 다음과 같다.
노이즈를 포함하는 입력신호(g(i,j,k))(i,j는 프레임상에서의 영상처리단위 2차원 좌표, k는 시간축 프레임상의 상기 i,j에 해당하는 시간축정보)는 노이즈 성분(n(i,j,k))과 신호성분(f(i,j,k))의 합으로 본다.
입력신호(g(i,j,k))는 감산기(101)에서 이미 필터링을 거친 이전 프레임의 영상으로부터 g(i,j,k)에 대응하는 화소(f(i-dx,j-dx,k-1)(움직임 추정 보상부(108)에 의해서 예측된다)와 감산되어 이득가변부(102)에 입력되고, 그 차값의 대소에 따라서 이득 제어기(103)가 이득 가변부(102)의 이득(a)을 증감시킴로써 노이즈를 저감시킨다.
즉, 도2에 나타낸 바와같이 입력신호와 예측신호의 차 d(i,j,k)=g(i,j,k) -f(i-dx,j-dx,k-1) = f(i,j,k)-f(i-dx,j-dx,k-1)+n(i,j,k)를 계산하고, 이때 움직임 추정과 보상이 정확하다면 차분신호(d(i,j,k))가 주로 노이즈 성분인 n(i,j,k)로 구성될 것이므로 이득(a)값을 '1'로 가깝게 조절하여 d(i,j,k)를 모두 제거하고, 움직임 추정과 보상이 정확하지 않다면 d(i,j,k)에 f(i,j,k)-f(i-dx,j-dx,k-1)인 신호성분도 많이 포함되어 있을 것이므로 노이즈 성분인 n(i,j,k)를 제거하지 못하여도 이득(a)값을 '0'에 가깝게 조절하여 d(i,j,k)를 제거하지 않는다.
즉, 도2에 설명하고 있는 바와같이 차분신호와 노이즈값의 절대값 연산을 수행한 다음 이 값의 평균값을 기준값(Ref)과 비교하여 그 대소에 따라 이득(a)을 증감 제어하는 것이다.
이와같이 이득 제어되어 노이즈가 저감된 신호는 DCT/양자화부(104)에 입력되어 이산코사인변환(DCT:Discreetre Cosine Transform) 및 양자화됨으로써 주파수정보로 변환되고 또 양자화된 신호는 IQ/IDCT변환부(105)에서 역양자화 및 역DCT변환되어 가산기(106)를 통해 메모리(107)에 입력된다.
메모리된 신호는 움직임 추정보상부(108)에서 움직임 추정과 보상이 수행된 다음 해당 신호를 출력하게된다.
이와같은 종래의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기는 차분신호(d(i,j,k))에 신호성분 f(i,j,k)-f(i-dx,j-dx,k-1)이 어느정도 포함되어 있는지를 판단하는 기준으로 차분신호의 합의 크기를 사용하였다.
그러므로 차분신호의 합이 신호성분과 노이즈 성분 모두를 구분하지 않고 함께 포함하기 때문에, 신호성분이 큰지 아니면 노이즈 성분이 큰지를 구분할 수 없고, 따라서 신호성분 대비 노이즈 성분이 큰 경우나 그 반대의 경우에 각각 대응할 수 없으며 노이즈뿐만 아니라 영상신호도 함께 제거되는 불필요한 필터링이 수행될 우려가 있어서 노이즈 제거효율이 저하되었다.
본 발명은 필터링할 영상신호의 노이즈 성분과 순수한 신호성분을 분리하고, 각각의 에너지를 계산하여 그 에너지비율에 따라서 필터링 경로상의 이득(a)을 가변제어함으로써 노이즈 제거성능의 향상과 화질 향상을 기할 수 있도록 한 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법을 제공한다.
도1은 종래의 노이즈 제거방법을 적용한 MPEG2 동영상 부호화기의 블럭도
도2는 종래의 노이즈 제거방법에서의 문제점을 설명하기 위한 도면
도3은 본 발명의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기의 블럭도
도4는 본 발명의 노이즈 제거방법을 설명하기 위한 도면
도5는 본 발명의 노이즈 제거방법에서 에너지 계산방법 설명을 위한 도면
도3은 본 발명의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기의 실시예로서, 블럭단위로 처리되는 입력영상신호의 오차신호를 추출하기 위한 감산기(301)와, 상기 감산기(301)의 출력신호에 대하여 1-a(a는 이득)의 이득제어 연산을 수행하는 이득가변부(302)와, 상기 입력영상신호의 노이즈성분과 순수 신호성분의 에너지를 산출하여 그 에너지비에 따라 상기 이득의 가변제어를 수행하는 이득 제어기(303)와, 상기 이득 가변부(302)의 출력신호의 DCT변환과 양자화를 수행하는 DCT/양자화부(304)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 역변환하는 IQ/IDCT변환부(305)와, 상기 역변환된 신호와 움직임추정보상부(308)의 출력을 가산하여 출력하는 가산기(306)와, 상기 가산된 신호를 저장하는 메모리(307)와, 상기 메모리(307)의 출력신호에 대하여 움직임 추정과 보상을 수행하는 움직임 추정보상부(308)로 구성된다.
상기 구성의 동영상 부화화기에 적용되는 본 발명의 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법은, 입력영상신호의 노이즈 성분과 순수 신호성분을 분리하는 신호분리과정과, 상기 분리된 노이즈 성분과 순수 신호성분의 각각의 에너지를 산출하는 에너지 산출과정과, 상기 산출된 에너지비에 따라서 필터링 경로상의 이득을 가변제어하는 이득제어과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법이다.
이러한 본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거작용을 도3 내지 도6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
입력신호(g(i,j,k))는 감산기(301)에서 이미 필터링을 거친 이전 프레임의 영상으로부터 g(i,j,k)에 대응하는 화소(f(i-dx,j-dx,k-1)(움직임 추정 보상부(308)에 의해서 예측된다)와 감산되어 이득가변부(302)에 입력되고, 그 차분신호에서의 순수 신호성분과 노이즈 성분의 에너지비에 따라서 이득 제어기(303)가 이득 가변부(302)의 이득(a)을 증감시킴로써 노이즈를 저감시킨다.
즉, 도4에 나타낸 바와같이 입력신호와 예측신호의 차 d(i,j,k)=g(i,j,k) -f(i-dx,j-dx,k-1) = f(i,j,k)-f(i-dx,j-dx,k-1)+n(i,j,k)를 감산기(301)에서 입력받아, 필터링을 수행함으로써 순수 신호성분과 노이즈 성분을 분리해낸다.
예를 들면 저역통과필터링을 수행하면 노이즈 성분이 저감된 신호를 얻을 수 있고 이 것을 순수한 신호성분으로 간주하는 것이다.
도5는 이 것을 나타낸 도면으로서 입력영상신호(501)와 움직임 추정 보상부에서 예측된신호(502)의 차이값 감산(503)을 수행하여 차분신호(d(i,j,k))를 구하고, 또 이 것을 저역통과필터링하여 저역통과필터링된 영상신호(504) 및 예측된 신호(505)를 구하고 이 들의 차이값 감산(506)을 수행하며, 필터링하고자 하는 화소 주위에 3*3윈도우를 설정하여 분산값으로부터 각 신호성분(e(k)=원신호, eL(k)는 저역통과필터링된 신호)을 구한다.
에너지를 구하는 것은 상기한 윈도우의 평균값에서 각각의 에너지차의 제곱의 합을 연산함으로써 구한다.
이렇게 하여 구한 신호성분에 대한 에너지 E{{f(i,j,k)-f(i-dx,j-dx,k-1)}2} 및 E({{n(i,j,k)}2}의 비(B/(A+B))에 대응하여 이득(a)을 제어한다.
여기서, A는 신호성분 에너지이고, B는 노이즈성분 에너지이다.
위와같이 각 신호성분의 에너지비에 따라 순수한 영상신호 성분과 노이즈 성분이 상대적으로 필터링 경로상의 가변이득제어에 영향을 미치게 되므로 입력 영상신호에 얼마만큼의 노이즈 성분이 포함되어 있는가의 여부에 따라 최적의 조건으로 노이즈 필터링을 수행할 수 있게된다.
이와같이 이득 제어되어 노이즈가 저감된 신호는 DCT/양자화부(304)에 입력되어 이산코사인변환(DCT:Discreetre Cosine Transform) 및 양자화됨으로써 주파수정보로 변환되고 또 양자화된 신호는 IQ/IDCT변환부(305)에서 역양자화 및 역DCT변환되어 가산기(306)를 통해 메모리(307)에 입력된다.
메모리된 신호는 움직임 추정보상부(308)에서 움직임 추정과 보상이 수행된 다음 해당 신호를 출력하게된다.
한편, 상기한 바와같이 노이즈를 포함하는 입력신호에서 영상신호성분과 노이즈성분을 각각 분리해내는 방법은 상기한 바와같이 화소단위로 저역통과 필터링을 수행하는 방법은 물론, 상기 차분신호의 평균값을 블럭단위로 취하는 방법, 그리고 화소단위로 인접화소의 급격한 변위를 고려하여 적응적 평균값을 취하는 방법 등 3가지의 방법으로 신호성분과 노이즈성분을 추출해낼 수 있다.
블럭단위로 평균값을 구하는 방법은 g(i,j,k)와 f(i,j,k-1)에 대하여 각각의 차이값을 누산하고 그 것을 블럭사이즈로 제산함으로써 간단하게 구해진다.
화소단위로 저역통과필터링을 수행하는 방법은 g(i,j,k)와 f(i,j,k-1)의 차이값에 대하여 i,j위치에 따라 가중치(L)를 주고 이 것들을 필터링될 화소를 기준으로 인접화소와의 폭(-W,+W)에 해당하는 만큼 누산함으로써 간단하게 구해진다.
화소단위로 적응적 가중치 평균을 구하는 방법 또한, 화소단위 저역통과 필터링과 동일하며, 단지 이 경우에는 노이즈의 진폭과 필터링될 화소를 기준으로 전후 위치의 화소와의 변위정도를 고려하여, 노이즈의 진폭과 인접화소의 변위정도의 차이값이 큰 것을 -W,+W 사이에서 누산한 결과를 기준으로 그 차이값이 크면 가중치를 줄여주고, 작으면 가중치를 늘려주는 필터링을 수행한다.
본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법과 그 장치에 의하면, 입력 영상신호를 노이즈성분과 순수한 영상신호 성분으로 분리하여 각각의 에너지비율을 고려한 필터링 이득제어를 수행하기 때문에, 실제의 노이즈 성분에 대한 정확한 필터링이 가능하고 또 이에 따른 화질향상을 기 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 입력영상신호의 노이즈 성분과 순수 신호성분을 분리하는 신호분리과정과, 상기 분리된 노이즈 성분과 순수 신호성분의 각각의 에너지를 산출하는 에너지 산출과정과, 상기 산출된 에너지비에 따라서 필터링 경로상의 이득을 가변제어하는 이득제어과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기의 추출된 신호 성분에 직전/직후의 영상신호와의 변위를 고려한 가중치를 더 부가함을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기의 신호분리과정은 블럭단위로 영상신호의 편균값으로 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기의 신호분리과정은 화소단위로 저역통과필터링을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기의 신호분리과정은 필터링될 화소를 기준으로 전후 위치의 화소와의 변위정도를 고려하여 그 변위정도에 대응하는 적응적 가중치를 부여하여 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화기의 노이즈 제거를 위한 이득제어방법.
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