KR19990060799A - 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법에 관한 것으로서 특히, 노이즈를 포함하는 입력 동영상신호에서 노이즈 필터링된 신호성분을 미리 추출하고 그 나머지 신호만을 1-a로 대표되는 이득 제어경로상에서 이득을 제어함으로써 블럭화 현상을 발생시키지 않고 노이즈 필터링을 수행할 수 있도록 한 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법에 관한 것이다.
본 발명은 도3에 도시한 바와같이, 입력영상신호에서 노이즈를 제거한 순수한 신호성분을 추출하는 수단과, 상기 추출된 신호와 이전 프레임의 예측된 신호와의 차분신호를 구하고 이 차분신호에 대하여 그 레벨에 대응하는 이득제어 필터링을 수행하는 수단과, 상기 필터링된 신호에 상기 추출되어 보전되어 있던 원래의 순수한 신호성분을 가산하여 해상도를 회복시켜주는 수단으로 구성하여 노이즈 필터링을 수행함으로써, 종래의 블럭킹 현상을 저감시키고 또한 화질의 향상을 기 할 수 있도록 하였다.

Description

동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법
본 발명은 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법에 관한 것으로서 특히, 노이즈를 포함하는 입력 동영상신호에서 노이즈 필터링된 신호성분을 미리 추출하고 그 나머지 신호만을 1-a로 대표되는 이득 제어경로상에서 이득을 제어함으로써 블럭화 현상을 발생시키지 않고 노이즈 필터링을 수행할 수 있도록 한 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법에 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 이득제어를 수행하는 이득 제어기(102)와, 상기 이득 제어된 신호의 DCT변환과 양자화를 수행하는 DCT/양자화부(103)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 역변환하는 IQ/IDCT변환부(104)와, 상기 역변환된 신호와 움직임추정보상부(107)의 출력을 가산하여 출력하는 가산기(105)와, 상기 가산된 신호를 저장하는 메모리(106)와, 상기 메모리(106)의 출력신호에 대하여 움직임 추정과 보상을 수행하는 움직임 추정보상부(107)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 비트스트림으로 변환하여 출력하기 위한 출력부(VLC/FIFO)(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.
그래서 이 부호화기에서는 f(i,j,k)=f(i,j,k-1)+(1-a){g(i,j,k)-f(i,j,k-1)}의 방법으로 노이즈 제거를 수행한다.
즉, 현재 프레임의 화소(g(i,j,k))에서 이전 프레임의 화소(f(i,j,k-1))를 감산하여 그 차값을 구하고, 이 차값에 따라서 이득값(a)를 제어하는 것으로, 현재 프레임과 이전 프레임의 화소값의 차가 크면 이득(a)을 즈가시켜서 노이즈 성분을 감소시키는 방법으로 노이즈 제거를 수행하는 것이다.
입력신호(g(i,j,k))는 감산기(101)에서 이전 프레임의 화소(f(i,j,k-1)와 감산되어 이득 제어기(201)에 입력되고, 그 차값의 대소에 따라서 이득(a)이 증감됨으로써 노이즈를 저감시키며, 여기서 인트라/인터모드(Intra/Inter Mode)에 따른 이득 제어수행 여부를 스위칭제어한다.
이득 제어되어 노이즈가 저감된 신호는 DCT/양자화부(103)에 입력되어 이산코사인변환(DCT:Discreetre Cosine Transform) 및 양자화됨으로써 주파수정보로 변환되고 또 양자화된 신호는 IQ/IDCT변환부(104)에서 역양자화 및 역DCT변환되어 가산기(105)를 통해 메모리(106)에 입력된다.
메모리된 신호는 움직임 추정보상부(107)에서 움직임 추정과 보상이 수행된 다음 해당 신호를 출력하게되며, 출력부(108)는 노이즈 제거와 양자화된 신호를 가변장부호화(VLC:Variable Length Coding) 및 FIFO메모리를 거처서 비트스트림으로 출력하게 된다.
이와같은 종래의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기는 인터모드에서만 노이즈 필터링을 수행하기 때문에 필터링을 하지않는 경로에서는 노이즈가 그대로 남게되는 단점이 있고, 또한 이전 1화소만 사용하기 때문에 노이즈 제거가 불완전하며 더구나 블럭킹 현상(Blocking Effect)을 크게한다.
도2는 이러한 블럭킹 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도2의 (a)와 같이 원래의 이미지(original image)에 대하여 블럭단위의 움직임 추정보상이 수행되기 때문에 예측된 이미지(predicted image)와는 블럭경계점에서 불연속점(201)이 생기게 된다.
즉, 도2의 (b)와같이 노이즈를 포함하는 입력신호와 예측된 신호의 차값에 해당하는 오차신호(mc error image)가 도2의 (c)와같이 1-a의 이득 제어를 통해서 노이즈 제거된다고 하더라도 도2의 (d)와 같이 필터링된 신호(filtered image)는 인접 블럭간의 경계점에서 불연속점(202)이 여전히 생기게 되어, 블럭 경계점에서의 블럭킹 현상에 의한 화질저하가 초래된다.
종래의 노이즈 제거방법과 이 것을 적용한 동영상 부호화기는 노이즈 제거성능이 움직임 추정/보상부분의 동작과 밀접한 관계가 있다.
즉, 효과적인 노이즈 제거를 위해서는 g(i,j,k)-g(i-dx,j-dx,k-1)=n(i,j,k) -n(i-dx,j-dx,k-1)이 되도록 f(i,j,k)=f(i-dx,j-dx,k-1)을 만족시키는 변위(dx,dy)를 각 화소단위로 정확하게 찾아야 하는 것이다.
그러나, MPEG2 동영상 부호화기에서는 블럭단위로 변위(dx,dy)를 찾기 때문에 화소단위의 정확한 변위를 보장할 수 없고, 따라서 g(i,j,k)-g(i-dx,j-dx,k-1)이 노이즈 성분 이외에 신호성분까지도 상당히 포함하게 되고, 이 것을 1-a의 이득제어를 통해서 제어하는 형태로 노이즈 필터링된 영상에는 필연적으로 블럭간의 불연속점에 의한 블럭킹 현상/화질저하가 초래됨은 물론, 순수한 신호성분 까지도 함께 저감되는 문제점이 초래된다.
본 발명은 노이즈를 포함하고 있는 입력신호에 대하여 순수한 신호성분이라고 판정할수 있는한 최대한의 신호성분을 추출하고(signal preserving), 그 나머지 신호만을 1-a의 이득제어경로의 이득상수(a)를 통하여 제어함으로써 블럭킹현상을 발생시키지 않고 노이즈 제거를 수행할 수 있도록 한 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 순수한 신호성분의 추출시에 소정의 가중치를 줌으로써, 노이즈를 제거할 화소의 인접화소와의 관계를 고려할 때 급격한 신호의 변화가 있을 경우에도 효과적인 노이즈 제거가 가능하도록 한 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법을 제공한다.
도1은 종래의 노이즈 제거방법을 적용한 MPEG2 동영상 부호화기의 블럭도
도2는 종래의 노이즈 제거방법에서의 블럭킹효과를 설명하기 위한 도면
도3은 본 발명의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기의 제 1 실시예의 블럭도
도4는 본 발명의 노이즈 제거방법을 설명하기 위한 파형도
도5는 본 발명의 노이즈 제거방법을 적용한 동영상 부호화기의 제 2 실시예의 블럭도
도3은 본 발명의 제 1 실시예로서, 노이즈를 포함하는 입력신호에서 노이즈를 제거한 신호성분을 추출하기 위한 신호추출부(300)와, 입력신호와 이전 프레임의 신호성분과의 오차신호에 대하여 상기 신호추출부의 추출정보와의 노이즈 제거 연산 및 이득제어 경로를 이루는 감산기(302),이득제어기(303),가산기(304)와, 상기 연산 및 이득 제어된 신호의 DCT변환과 양자화를 수행하는 DCT/양자화부(305)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 역변환하는 IQ/IDCT변환부(306)와, 상기 역변환된 신호와 움직임추정보상부(309)의 출력을 가산하여 출력하는 가산기(307)와, 상기 가산된 신호를 저장하는 메모리(308)와, 상기 메모리(308)의 출력신호에 대하여 움직임 추정과 보상을 수행하는 움직임 추정보상부(309)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 비트스트림으로 변환하여 출력하기 위한 출력부(VLC/FIFO)(310)로 구성되며, 그 동작은 다음과 같은 일련의 연산 수행과정으로 이루어진다.
f(i,j,k)=f(i,j,k-1)+(1-a){{g(i,j,k)-f(i,j,k-1)}-L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}+L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))으로서 그 의미는;
노이즈를 포함하는 현재 프레임의 입력신호(g(i,j,k))와 이전 프레임(k-1)의 예측신호(f(i,j,k-1))의 차이값을 오차신호로서 구하는 과정과, 이 오차신호에 대하여 신호라고 판정될 최대한의 성분을 뽑아내서(signal preserving) 신호성분을 추출하는 과정과, 상기 추출된 신호성분과 상기 오차신호와의 차이값에 대하여 1-a의 이득제어를 수행하여 신호와 노이즈 차이의 레벨에 대응하는 가변이득제어를 통한 노이즈성분의 제거를 수행하는 과정과, 상기 노이즈 성분이 제거된 신호에 상기 추출된 신호성분을 가산하여 노이즈 제거됨과 함께 노이즈 필터링 과정에서 저하된 해상도를 회복할 수 있도록 하는 과정으로 수행되는 것이다.
이러한 본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거작용을 도4를 더 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도4의 (a)와 같이 입력신호(original image)(g(i,j,k))가 감산기(301)에 입력된다.
감산기(301)는 이 입력신호(g(i,j,k))와 예측된 신호(f(i,j,k-1))-움직임 추정 보상부(309)의 출력신호-를 감산하여 도4의 (b)와 같이 오차신호(motion cmpensation error image)를 구하여 출력한다.
이 오차신호에 대하여 신호 추출부(300)는 노이즈를 제거한 순수한 신호라고 판정될 최대한의 성분을 '신호성분'으로 추출하여 소정의 가중치(L)를 주고 출력한다.
이와같이 노이즈를 포함하는 입력신호에서 신호성분만을 추출해내는 방법은 L()로 표현되는 함수로 주어진다. 구체적으로,
1. 오차신호의 평균값을 블럭단위로 취하는 방법,
2. 화소단위로 저역통과필터링을 수행하는 방법,
3. 화소단위로 인접화소의 급격한 변위를 고려하여 적응적 평균값을 취하는 방법 등 3가지의 방법으로 신호성분만을 추출해낸다.
평균값을 블럭단위로 취하는 방법은 가장 간단한 구성과 계산을 수행하게 되며, 화소단위로 저역통과필터링을 수행하는 방법은 평균값을 취하는 방법보다 복잡하나 적응적 가중치 평균값을 취하는 방법보다는 간단하고 적은 계산량으로 화소단위의 노이즈 필터링을 가능하게 하며, 적응적 가중치 평균값을 취하는 방법은 구성이 복잡하고 많은 계산량이 요구되지만, 화소의 급격한 변위가 있을 경우에는 가중치를 줄여주는 방법을 사용함으로써 노이즈 필터링 효과가 가장 우수하게 확보될 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 가중치를 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.
위와같이 하여 도4의 (c)와같이 구한 신호성분 L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))은 노이즈 필터링연산 및 이득제어와 이 과정 수행후의 신호에 순수한 신호성분으로서 보전한 신호로 다시 가산해 주게 된다.
즉, 감산기(302)에서는 오차신호(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))와 상기 순수한 신호성분으로 추출해낸 L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))의 차이값을 연산출력하고, 이득제어기(303)에서는 이 차이값에 대하여 그 차이값의 대소에 따른 이득(a)의 가변제어를 통해서 도4의 (d)와같이 필터링(temporal filtering)된 이득제어된 신호를 출력하게 된다.
위의 과정은 결국, 노이즈가 제거된 신호성분에 1-a의 이득상수(a)로 대표되는 신호경로로부터 순수한 신호성분(f(i,j,k))을 가지고 있는 부분에 대하여 노이즈 필터링 과정에서 저하된 해상도를 회복하기 위한 신호를 추출하는 일련의 과정이되는 것이다.
이렇게 하여 이득제어기(303)에서 출력된 신호에 상기 신호추출부(300)에서 추출된 순수한 신호성분 L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))을 가산기(304)를 이용하여 가산해 줌으로써, 노이즈 필터링 과정에서 저하된 해상도를 회복할 수 있게한다.
이후에는 DCT/양자화부(305)의 양자화 과정을 거쳐서 역변환부(306)에 의해서 역양자화 및 역DCT변환을 수행하고 이 것을 가산기(307)에서 이전 프레임의 예측신호와 가산한 결과를 메모리(308)에 저장하고 이 저장된 신호에 대하여 움직임 추정 보상부(309)에서 움직임 추정 보상하는 과정, 위 과정을 거쳐서 노이즈 필터링된 신호에 대하여 DCT/양자화부(305)의 양자화 과정을 거쳐서 출력부(310) (VLC/FIFO)로 출력(비트 스트림)되는 과정을 수행하게 된다.
도4의 (f)는 최종적으로 노이즈 필터링된 신호(f(i,j,k))(Filtered image)를 나타내며, 블럭 경계점에서의 신호단절이 저감되어 블럭킹 현상이 저감되었음을 보이고 있다.
도5는 본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법을 적용한 노이즈 제거장치의 제 2 실시예로서,
노이즈를 포함하는 입력신호에서 노이즈를 제거한 신호성분을 추출하기 위한 신호추출부(500)와, 상기 추출된 신호성분에 대하여 가변되는 이득(a)으로 제어되는 이득 제어기(501)와, 상기 입력신호에 대하여 가변되는 이득(1-a)으로 제어되는 이득 제어기(502)와, 상기 입력 영상신호와 이전 프레임 영상신호와의 차분신호를 구하기 위한 감산기(511) 및 이 감산기(511)의 차분신호값에 따라서 상기 이득(a)를 가변제어하는 이득 가변기(512)와, 상기 이득 제어기(501,502)의 출력값을 가산하는 가산기(503)와, 상기 가산기(503)의 출력값과 이전 프레임의 신호성분과의 오차신호에 대하여 그 차이값을 출력하는 감산기(504)와, 상기 연산 및 이득 제어된 신호의 DCT변환과 양자화를 수행하는 DCT/양자화부(505)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 역변환하는 IQ/IDCT변환부(506)와, 상기 역변환된 신호와 움직임추정보상부(509)의 출력을 가산하여 출력하는 가산기(507)와, 상기 가산된 신호를 저장하는 메모리(508)와, 상기 메모리(508)의 출력신호에 대하여 움직임 추정과 보상을 수행하는 움직임 추정보상부(509)와, 상기 DCT 및 양자화된 신호를 비트스트림으로 변환하여 출력하기 위한 출력부(VLC/FIFO)(510)로 구성되며, 그 동작은 다음과 같은 일련의 연산 수행과정으로 이루어진다.
f(i,j,k)=f(i,j,k-1)+(1-a){g(i,j,k)}+(a){L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}으로서 그 의미는;
노이즈를 포함하는 현재 프레임의 입력신호(g(i,j,k))와 이전 프레임(k-1)의 예측신호(f(i,j,k-1))로부터 신호라고 판정될 최대한의 성분을 추출하는 과정과, 상기 신호성분과 상기 입력신호에 대하여 오차신호값에 따른 각각의 이득(a,1-a)제어를 수행하는 과정과, 상기 이득제어된 값을 합한 값과 이전 프레임의 예측신호와의 차이값을 구하여 노이즈 필터링된 신호값으로 출력하는 과정을 수행하는 것이다.
이러한 본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거작용은 도3으로부터 출발한다.
즉, 도3의 실시예는
f(i,j,k)=f(i,j,k-1)+(1-a){{g(i,j,k)-f(i,j,k-1)}-L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}+L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))의 과정인데, 여기서 이전 프레임(k-1)의 예측된 신호성분(f(i,j,k))이 그 때 추출된 신호성분(L(f(i,j,k-1))과 동일한 것으로 간주함으로써 도5의 실시예를 구현한 것이다.
즉, f(i,j,k) = f(i,j,k-1)+(1-a){{g(i,j,k)-f(i,j,k-1)}
-L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}+L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))
= f(i,j,k-1)+(1-a){g(i,j,k)-f(i,j,k-1)}
+(a){L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}
= f(i,j,k-1)+(1-a){(g(i,j,k)}+(a){L(g(i,j,k)-f(i,j,k-1))}
의 과정으로 하여, 입력신호(g(i,j,k))와 예측된 신호(f(i,j,k-1))로부터 신호추출부(500)에서 순수한 신호성분 L(g(i,j,k))을 추출해내고, 현재 입력영상신호와 이전 프레임의 영상신호에 대하여 감산기(511)에서 차분신호를 구하고, 이 차분신호값에 따라서 이득 가변기(512)가 이득 제어기(501)의 이득(a)을 제어하며, 상기 추출된 순수한 신호성분값을 이득 제어기(501)를 통과시켜 이득(a)을 취하며, 입력신호에 대하여 그대로 이득(1-a)을 취하여 이 두값을 가산한 결과로부터 이전 프레임의 예측된 신호와의 차이값을 구함으로써 노이즈 필터링을 수행하는 것이다.
이후의 양자화, 역양자화, 메모리 및 움직임 추정과 보상, 비트스트림 변환은 상기한 바와 동일하게 수행된다.
도5의 실시예와 도3의 실시예는 다음과 같은 차이점을 가진다.
즉, 필터링할 화소의 관점에서 볼 때 도5의 실시예는 이전 프레임의 화소도 함께 고려하여 필터링을 할 수 있는 경우이고, 도3의 실시예는 차분신호만을 고려하는 차이가 있다.
그래서, 도5의 실시예로 구현할 경우에는 노이즈 필터의 필터 지원 영역의 데이타를 보다 일반화된 방법으로 이용할 수 있기 때문에 노이즈 제거효과를 도3의 경우보다 크게할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 입력 영상에 존재하는 노이즈 성분이 클 경우에 적합하며, 노이즈 성분이 작을 경우에는 도4의 구성이 계산량 면에서 유리하기 때문에 이 노이즈 성분이 작은 경우에 적용하면 유용하다.
도5의 실시예에서 이루어지는 신호추출의 방법은 상기 도4의 그 것과 동일하게 이루어진다.
본 발명의 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법과 그 장치에 의하면, 노이즈 필터링된 신호성분을 미리 추출해내고, 그 나머지 신호만을 가지고 이득제어를 통한 필터링을 한 후에 원래의 순수한 상기 추출 신호성분을 가산해 줌으로써 신호의 해상도를 유지하면서 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
또한, 블럭단위로 영상을 처리함에 있어 이 것을 고려한 노이즈 필터링을 수행하기 때문에 블럭킹 현상을 줄이고, 화질의 향상을 기대할 수 있다.

Claims (6)

  1. 노이즈를 포함하는 현재 입력영상신호와 이전의 노이즈 제거된 영상신호와의 차분신호를 구하는 오차신호 추출과정과, 상기 오차신호에 대하여 노이즈를 제거한 순수한 신호성분만을 추출하는 신호추출과정과, 상기 오차신호와 상기 추출된 신호와의 차이값에 대하여 그 레벨에 따른 가변이득제어를 통해서 노이즈 성분을 저감시키는 노이즈 저감과정과, 상기 노이즈 저감된 신호성분에 상기 추출된 신호를 가산하여 노이즈 제거됨과 함께 노이즈 필터링 과정에서 저하된 해상도를 회복할 수 있도록 하는 과정으로 제어함을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기의 신호추출과정은 블럭단위로 영상신호의 편균값으로 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기의 신호추출과정은 화소단위로 저역통과필터링을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기의 신호추출과정은 필터링될 화소를 기준으로 전후 위치의 화소와의 변위정도를 고려하여 그 변위정도에 대응하는 적응적 가중치를 부여하여 구하는 것을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
  5. 노이즈를 포함하는 현재 입력영상신호와 이전의 노이즈 제거된 영상신호로부터 노이즈를 제거한 순수한 신호성분만을 추출하는 신호추출과정과, 상기 입력 영상신호 및 상기 추출된 신호를 각각 가변이득제어하는 과정과, 상기 추출된 영상신호와 상기 가변이득제어된 신호를 합한 신호와 이전 영상신호와의 차이값으로 노이즈 필터링된 영상신호를 출력하는 과정으로 제어함을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 입력영상신호와 이전 프레임의 영상신호의 차분신호를 구하여 이 차분신호레벨에 따라서 상기의 가변이득제어를 수행함을 특징으로 하는 동영상 부호화를 위한 노이즈 제거방법.
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