KR20020026198A

KR20020026198A - 비디오 압축

Info

Publication number: KR20020026198A
Application number: KR1020017016592A
Authority: KR
Inventors: 브룰스윌헬르머스에이치.에이.; 클라인건위크라이니어비.엠.
Original assignee: 요트.게.아. 롤페즈; 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-04-06
Also published as: US7010034B2; WO2001084850A1; EP1279295A1; JP2003533103A; US20010048718A1; CN1366778A

Abstract

B-프레임들의 컨셉은 높은 인코딩 효율을 MPEG 비디오 압축 기준에 제공하는 것이다. 그러나, B-프레임 인코딩은 MPEG 인코더보다 대략 두배정도 복잡하다. 그 관점에서, MPEG 인코더들은 단지 I-프레임들 및 P-프레임들을 생성하도록 개발되어 왔다. 그들은 덜 복잡하지만 역시 덜 효율적이다. 그러한 "IPP 인코더들"의 효율을 개선시키기 위해서, 선택된 P-프레임들은 예를 들어, 종래의 양자화 스텝 사이즈에 1.4를 곱함으로써 다른 P-프레임들보다 더 조잡하게 양자화된다. 고립된 프레임들("가상 B-프레임들") 내의 이러한 결과들이 보다 낮은 품질로 인코딩되고, 전반적인 지각의 품질은 영향을 받지 않는다. 보다 조잡한 양자화에 의해 얻어진 비트 전송 속도의 이득은 다음의 프레임들이 보다 낮은 품질의 프레임들에 대해 인코딩될지라도, 다음의 P-프레임들에서 손실된다는 것이 발견되었다.

Description

비디오 압축{Video compression}

서론에 정의된 바와 같은 비디오 압축 방법이 Motion Frames Expert Group에 의해 규격화되어 있고, MPEG1 또는 MPEG2로서 잘 공지되어 있다. 그 공지된 방법은 비디오 픽셀들을 주파수 계수들, 상기 계수들의 양자화, 및 상기 양자화된 계수들의 가변 길이 코딩으로 변환하는 것을 포함한다. 그 양자화는 압축된 신호의 소망의 품질 또는 비트율을 달성하기 위해 제어된다.

MPEG 압축 방법은 I, P, B-프레임들을 생성한다. I-프레임들은 자발적으로 즉, 또 다른 프레임에 관계없이, 인코딩된다. P-프레임들은 이전의(가능하게는 이동 보상된) I 또는 P-프레임에 대해 인코딩된다. B-프레임들은 이전 및 다음 I 또는 P 프레임에 대해 양방향으로 예측적으로 인코딩된다. B-프레임들은 다른 프레임들을 그들 자신들이 인코딩하기 위한 참조로서 사용되지는 않는다.

MPEG에서 B-프레임들의 컨셉은 최대 인코딩 효율을 제공한다. 그러나, B-프레임들의 사용은 복잡성, 메모리 용량, 및 메모리 대역폭의 대략 두배정도이다. 그 관점에서, MPEG 인코더들은 단지 I-프레임들 및 P-프레임들("IP 인코더들")을 생성하는 것만 개발되어 왔다. IP 인코더들의 단점이 그들의 효율성에 있다. 그들은 IPB 인코더들보다 대략적으로 10 내지 20%정도 더 빠른 비트율을 필요로 한다.

본 발명은 비디오 신호를 압축하는 방법에 관한 것이며, 그 방법은 예측 프레임에 대해 상기 비디오 신호의 프레임들을 예측적으로 인코딩하는 단계와, 각각의 인코딩된 프레임에 대한 양자화 파라미터를 계산하는 단계와, 상기 양자화 파라미터에 따라 인코딩된 프레임들을 양자화하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 압축 장치, 전송 또는 기록 방법 및 장치, 압축 비디오 신호 및 그 신호를 포함하는 저장 매체에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비디오 신호 인코더를 압축하기 위한 장치의 바람직한 실시예의 개략도를 도시한 도면.

도 2a 및 도 2b는 종래 기술 분야의 장치 성능과 비교되는 본 발명에 따른 장치의 성능을 설명하는 다이어그램들을 도시한 도면.

도 3은 비디오 신호를 전송하고 수신하기 위한 장치들의 실시예들의 블록 다이어그램을 도시하는 도면.

도 4는 저장 매체 상의 비디오 신호를 기록하고 저장 매체로부터 재생하기 위한 장치들의 실시예들의 블록 다이어그램을 도시하는 도면.

본 발명의 목적 및 요약

본 발명의 목적은 종래 기술의 IP 인코더들의 앞서 언급된 단점을 극복하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 본 발명은 독립 청구항들에서 정의되어 있는 비디오 압축 장치 및 방법, 압축된 신호, 저장 매체, 및 송신 또는 기록 방법 및 장치를 제공한다. 유리한 실시예들은 독립 청구항들에서 정의된다.

본 발명에 따른 방법은 다른 P-프레임들보다 더 조잡하게 선택된 P-프레임들을 양자화시킨다. 이것은 비트 코스트를 절감시키지만, 상기 프레임들의 화질을 저하시킨다. 본 발명은 놀라운 효과를 갖는다. 비트 코스트의 대응하는 이득은 보다 낮은 품질의 프레임들이 연속하는 P-프레임에 대한 예측으로서 사용되기 때문에, 연속하는 P-프레임들에서 손실될 것이다. 그러나, 실험들은 이것이 그 경우가 아님을 도시한다. 모든 다른 P-프레임의 양자화 파라미터가 계수 1.4에 의해 곱해진 IPPP.. 시퀀스의 프레임들이 이 동일한 지각적인 시각적 품질을 갖는 종래의IBPBP.. 시퀀스와 실질적으로 동일한 비트율을 가짐을 알아냈다. 그 관점에서, 보다 낮은 품질의 P-프레임들은 또한 "가상 B-프레임들"로 언급된다.

도 1은 본 발명에 따른 MPEG 인코더의 개략도를 도시한다. 그 도면은 P-프레임들이 인코딩되는 상태의 인코더를 도시한다. 그 인코더는 감산 회로(10)와, 이산 코사인 변환기(DCT)(11)와, 양자화기(Q)(12)와, 가변 길이 코더(VLC)(13)와, 버퍼(BUF)(14)와, 역양자화기(iQ)(15), 역 이산 코사인 변환기(iDCT)(16)와, 가산기(17)와, 프레임 메모리(MEM)(18)와, 이동 추정 및 보상 회로(ME/MC)(19), 및 양자화 어댑터(QA)(20)를 포함한다는 점에서, 종래의 MPEG 인코더이다.

간단하게 요약하면, 공지된 인코더는 다음과 같이 동작한다. 입력 비디오 프레임(X)는 8×8 픽셀들의 블록들로 분할된다. 입력 프레임(X)의 각 픽셀 블록과 예측 프레임(X_p)의 대응하는 블록 간의 차는 8×8 계수들의 블록으로 변환되는 이산 코사인이다. 그 계수들은 연속하여 양자화되고, 지각적으로 부적절한 화상 디테일들은 취소 불가능하게 제거된다(손실 압축(lossy compression)). 그 양자화된 계수들은 가변 길이 인코딩되고, 신호가 전송 채널 또는 기록 캐리어에 인가되는 버퍼에 저장된다. 그 인코딩된 프레임들은 국부적으로 역양자화, 역 이산 코사인 변환, 및 예측 프레임(X_p)을 추가하는 것에 의해서 디코딩된다. 그 재구성된 프레임은 프레임 메모리에 저장되고, 다음의 입력 프레임에 대한 예측 프레임을 구성하기 위해서 이동 추정 및 보상이 요구된다.

그 인코더는 DCT-계수들이 양자화되는 양자화 단계를 계산하기 위한 양자화 어댑터(20)를 포함한다. 이러한 실시예에서, MPEG2 양자화 메카니즘은 8×8 계수 블록의 각각의 계수들에 적용될 스텝 사이즈들을 정의하는 소정의 양자화 메트릭스가 양자화 스케일 계수(q)(여기서, 양자화 파라미터로서 또한 언급됨)와 곱해지는데 사용된다. 그 양자화 파라미터는 프레임에서 프레임으로 적응되지만, 국부적 화상 디테일들의 기능으로서 프레임 내에서 '복조될' 수 있다. 그 양자화 파라미터는 (가변 비트율을 초래하는) 주어진 화질 또는 (가변 화질을 초래하는) 주어진 비트율을 나타내도록 제어될 수 있다. 양자화 어댑터들(또한 비트율 제어기들로 언급됨)의 다양한 실시예들은 본 기술 분야에 공지되고, 본 발명에 따른 인코더에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 선택된 프레임들에 대한 양자화 파라미터(q)를 증가시키므로, 상기 프레임들의 화질을 저하시키지만 비트 코스트를 줄일 수 있다. 이러한 실시예에서, 그 장치는 양자화 어댑터(20)에 의해 계산된 양자화 파라미터(q)를 소정의 계수(F)(예를 들어, F=1.4)에 곱하는 배율기(23)를 포함한다. 스위치(22)는 종래의 양자화 파라미터(q)가 양자화기(12)에 인가되는 위치(P) 및 보다 조잡한 양자화 파라미터(F.q)가 양자화기에 인가되는 위치(P')를 갖는다. 그 스위치는 소정의 방식으로 제어 회로(22)에 의해 제어된다. 예를 들어, 제어 회로는 보다 더 조잡하게 양자화될 모든 다른 P-프레임을 선택한다.

도 2a는 IPPP.. 프레임들(B-프레임들이 아님)을 생성하는 종래의 MPEG2 인코더의 성능을 설명하는 다이어그램을 도시한다. 각각의 프레임은 양자화 어댑터(20)에 의해 계산되는 바와 같이, 양자화 파라미터(q)에 따라서 양자화된다. 도면들의 보다 낮은 열은 각각의 I-프레임의 비트 코스트의 백분율로 표현되는 각각의 프레임의 비트 코스트를 표시한다. P-프레임들의 비트 코스트는 이 예에서 38%가 되도록 나타난다.

도 2b는 본 발명에 따른 인코더에 대한 유사한 다이어그램을 도시한다. 양자화 어댑터(20)는 도 2a에서 동일한 화질을 생성하도록 설정되었다. 그에 따라서, I-프레임들에 대한 비트 코스트는 도 2a와 동일한 것이다. 모든 다른 P-프레임(도면에서 P'로 표시됨)은 이후 양자화 파라미터(1.4q)로 양자화된다. 그리하여, P'-프레임들의 비트 코스트는 38%에서 26%까지 감소된다. 상기 프레임들의 화질은 그에 비례하여 감소된다. 본 발명의 놀라운 효과는 비트 코스트에서의 이득이 연속하는 '종래의' P-프레임들에서 손실되지 않는다는 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, '종래의' P-프레임들의 비트 코스트는 단지 38%에서 42%까지 증가한다. 그 네트(net) 결과는 동일한 지각적 화질(또는 동일한 비트율에서의 보다 높은 지각적 품질)로 비트율의 상당한 감소이다. 실용적 실험에서, 통상적인 비디오 신호의 비트율은 동일한 지각적 품질로 15.2Mbit/sec에서 12.9Mbit/sec까지 감소된다.

본 발명에 따른 MPEG 인코더에 의해 생성된 비트 스트림이 MPEG 기준을 완전히 따름을 주목해야 한다. 또한 본 발명이 IPP.. 인코더(임의의 B-프레임들)에 대해 기재되었을지라도, 본 발명은 B-프레임 인코딩을 배제하지 않음을 주목해야 한다. 예를 들어, 인코더는 선택된 P-프레임들이 보다 조잡한 양자화 파라미터로 양자화되는 IBPBP.. 시퀀스를 생성할 수 있다. 보다 조잡한 양자화 파라미터는 심지어 그러한 I-프레임들이 연속하는 프레임들에 대한 예측 프레임들로 사용되는 범위까지 I-프레임들에 인가될 수 있다.

도 3은 비디오 신호를 전송하고 수신하기 위한 장치들의 실시예들을 도시한다. 인코더(100)가 입력(102) 상에 화상 신호(I)를 수신한다. 인코더(100)는 바람직하게 도 1의 실시예에 따라서 구성되지만, 지각적으로 인코딩된 프레임들의 선택된 제 1 프레임들(P)을 양자화하기 위한 제 1 품질 또는 비트율을 나타내는 제 1 양자화 파라미터들(q) 및 비디오 신호의 선택된 제 2 프레임들(P')을 양자화하기 위한 제 1 품질 또는 비트율보다 낮은 제 2 품질 또는 비트율을 나타내는 제 2 양자화 파라미터들(F.q)을 포함하는 압축 비디오 신호들을 제공하는 압축 비디오 신호 인코더의 임의의 종류가 될 수 있다. 압축 비디오 신호는 출력(106)에서 송신기(108)로 제공된다. 이어서, 송신기(108)는 그 압축 비디오 신호를 전송 신호로 변환하여, 그 전송 신호를 전송 매체(110)으로 인가한다. 전송기(108) 및 전송 매체(110)은 임의의 공지된 형태, 예를 들어, 방송의 경우, 전송기(108)는 압축 비디오 신호를 무선 주파수(RF) 캐리어 전파 상에서 변조하고, 전송 매체(110)은 무선 전파들을 포함하는 방송 전파(airwave) 또는 무선 전파들을 운반하는 케이블을 포함할 수 있다. 대안으로, 인터넷을 통해 디지털 신호들을 제공하는 것이 공지되어 있다. 그처럼, 송신기(108)는 인터넷을 포함하는 전송 매체(110)을 통해 압축 비디오 신호를 전송하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

이어서, 전송 매체(110)에 결합된 수신기(112)는 전송 신호를 수신하고 디스플레이 소자(118)에 화상 신호를 인가한다.

도 4는 기록 캐리어 상에서 및 기록 캐리어로부터 압축 비디오 신호를 기록 및 재생하기 위한 장치들의 실시예들의 블록 다이어그램을 도시한다. 이 장치는 인코더(100)의 출력(106)에서의 압축 비디오 신호가 기록 소자(120)에 인가되는 것을 제외하고는 실질적으로 도 3에 도시된 것과 유사하다. 이어서, 기록 소자(120)는 그 압축 비디오 신호를 기록 신호로 변환하여 그 기록 신호를 기록 캐리어(122) 상에 기록한다. 그 기록 소자(120) 및 기록 캐리어(122)는 임의의 공지된 형태로 취할 수 있다. 예를 들어, 자기 비디오 테이프인 기록 캐리어(122)의 경우, 기록 소자(120)는 나선형 주사 비디오 테이프 기록기의 형태를 취할 수 있다. 대안으로, 기록 캐리어(122)는 예를 들어, CD-ROM, CD-R, DVD, DVD-ROM, DVD-R/W 등의 광학 디스크가 될 수 있다. 결과적으로, 기록 소자(120)는 광학 디스크 기록기의 형태를 취할 것이다.

기록 신호(RS)를 재생하기 위해, 기록 캐리어(122)는 기록 신호(RS)를 처리하고 화상 신호를 생성하는 재생 소자(124)에 삽입된다. 도 3의 실시예와 같이, 재생 소자(124)는 화상 신호를 디스플레이 소자(118)에 인가한다.

본 발명은 다음과 같이 요약될 수 있다. B-프레임들의 컨셉은 MPEG 비디오 압축 기준에 높은 인코딩 효율을 제공한다. 그러나, B-프레임 인코딩은 대략 MPEG 인코더보다 두배정도 복잡하다. 그 관점에서, MPEG 인코더들은 단지 I-프레임들 및 P-프레임들을 생성하는 것만 개발되어왔다. 그들은 덜 복잡하지만 역시 덜 효율적이다. 그러한 "IPP 인코더들"의 효율성을 개선하기 위해, 선택된 P-프레임들은 예를 들어, 종래의 양자화 스텝 사이즈에 1.4를 곱함으로써 다른 P-프레임들보다 더 조잡하게 양자화된다. 이것이 보다 낮은 품질로 인코딩되는 고립된 프레임들("가상 B-프레임들")을 초래할지라도, 전반적인 지각적 품질은 영향을 받지 않는다. 보다 조잡한 양자화에 의해 획득된 비트율의 이득은, 비록 연속하는 프레임들이 보다 낮은 품질 프레임들에 대해 인코딩될지라도, 그 연속하는 P-프레임들에서 손실되지는 않는다.

앞서 기재된 실시예들이 본 발명을 제한한다기 보다는 설명하는 것이며, 본 기술 분야의 숙련자들이 첨부된 청구항들의 범위에서 벗어나지 않고 많은 대안의 실시예들을 설계할 수 있을 것임을 주목해야한다. 청구항들에서, 괄호 사이에 위치된 임의의 참조 부호들은 그 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 단어 "포함하는(comprising)"은 청구항에서 리스트된 것들과는 다른 요소들 또는 스텝들의 존재를 배재하지 않는다. 요소들에 선행하는 단어 "a" 또는 "an"은 그러한 요소들의 복수의 존재를 배재하지 않는다. 본 발명은 몇가지 구별 요소들을 포함하는 하드웨어 및 적절하게 프로그램된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 몇가지 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이러한 몇가지 수단은 한가지 또는 하드웨어의 동일한 항목에 의해 구현될 수 있다. 임의의 측정들이 서로 다른 종속 청구항들에서 재인용된다는 단순한 사실은 이러한 측정들의 조합도 반드시 유리하게 사용될 수 있음을 나타낸다.

Claims

비디오 신호를 압축하는 방법에 있어서,

예측 프레임(X_p)에 대해 상기 비디오 신호의 프레임들(X)을 예측적으로 인코딩하는 단계(10, 11)와,

각각의 인코딩된 프레임들에 대한 양자화 파라미터(q)를 계산하는 단계(20)와,

상기 양자화 파라미터에 따라서 상기 인코딩된 프레임들을 양자화하는 단계(12)를 포함하고,

상기 양자화 파라미터를 계산하는 단계는 상기 예측적으로 인코딩된 프레임들의 선택된 제 1 프레임들(P)을 양자화하기 위한 제 1 품질 또는 비트율을 나타내는 제 1 양자화 파라미터(q) 및 상기 비디오 신호의 선택된 제 2 프레임들(P')을 양자화하기 위한 상기 제 1 품질 또는 비트율보다 낮은 제 2 품질 또는 비트율을 나타내는 제 2 양자화 파라미터(F.q)를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 방법은,

상기 제 1 프레임들을 예측적으로 인코딩하기 위한 상기 예측 프레임(X_p)을 구성하기 위해 압축된 제 2 프레임들을 압축해제하는 단계(15 내지 18)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 비디오 신호 압축 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 양자화 파라미터를 계산하는 단계는 상기 제 1 양자화 파라미터(q)를 계산하는 단계 및 상기 제 1 양자화 파라미터에 주어진 계수(F)를 곱하는 단계(23)를 포함하는, 비디오 신호 압축 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 예측적으로 인코딩된 프레임들은 일련의 연속하는 프레임들을 구성하고, 상기 제 2 선택된 프레임들은 상기 일련의 모든 다른 프레임이 되는, 비디오 신호 압축 방법.
비디오 신호를 압축하기 위한 장치에 있어서,

예측 프레임(X_p)에 대해 상기 비디오 신호의 프레임들(X)을 예측적으로 인코딩하기 위한 인코딩 수단(10, 11)과,

각각의 인코딩된 프레임들에 대한 양자화 파라미터(q)를 계산하기 위한 계산 수단(20)과,

상기 양자화 파라미터에 따라서 상기 인코딩된 프레임들을 양자화하기 위한 양자화기(12)를 포함하고,

상기 계산 수단(20)은 상기 예측적으로 인코딩된 프레임들의 선택된 제 1 프레임들(P)을 양자화하기 위한 제 1 품질 또는 비트율을 나타내는 제 1 양자화 파라미터 및 상기 비디오 신호의 선택된 제 2 프레임들(P')을 양자화하기 위한 상기 제 1 품질 또는 비트율보다 낮은 제 2 품질 또는 비트율을 나타내는 제 2 양자화 파라미터(F.q)를 계산하도록 배치되고, 상기 장치는,

상기 제 1 프레임들을 예측적으로 인코딩하기 위한 상기 예측 프레임(X_p)을 구성하기 위해 압축된 제 2 프레임들을 압축해제하기 위한 수단(15 내지 18)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 비디오 신호 압축 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 계산 수단(20)은 상기 제 1 양자화 파라미터(q)에 주어진 계수(F)를 곱하기 위한 배율기(23)를 포함하는, 비디오 신호 압축 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 예측적으로 인코딩된 프레임들은 일련의 연속하는 프레임들을 구성하고, 상기 제 2 선택된 프레임들은 상기 일련의 모든 다른 프레임이 되는, 비디오 신호 압축 장치.
압축 비디오 신호에 있어서,

예측 프레임(X_p)과,

상기 예측 프레임(X_p)에 대해 예측적으로 인코딩되어지는 예측적으로 인코딩된(10, 11) 프레임들(X)과,

각각의 인코딩된 프레임들에 대한 각각의 양자화 파라미터들(q)을 포함하고,

상기 인코딩된 프레임들은 상기 각각의 양자화 파라미터들에 따라서 양자화되고(12), 상기 양자화 파라미터들은 상기 예측적으로 인코딩된 프레임들의 선택된 제 1 프레임들(P)을 양자화하기 위한 제 1 품질 또는 비트율을 나타내는 제 1 양자화 파라미터들(q) 및 비디오 신호의 선택된 제 2 프레임들(P')을 양자화하기 위한 상기 제 1 품질 또는 비트율보다 낮은 제 2 품질 또는 비트율을 나타내는 제 2 양자화 파라미터들(F.q)을 포함하는, 압축 비디오 신호.
제 7 항의 압축 비디오 신호가 저장되어진, 저장 매체(122).
비디오 신호를 전송 또는 기록하는 방법에 있어서,

제 7 항의 압축 비디오 신호를 생성하는 단계, 및

상기 압축 비디오 신호를 전송하고 저장하는 단계를 포함하는, 비디오 신호 전송 또는 기록 방법.
비디오 신호를 전송 또는 기록하기 위한 장치에 있어서,

제 7 항의 압축 비디오 신호를 생성하기 위한 수단(100), 및

상기 압축 비디오 신호를 전송 또는 기록하기 위한 수단(108, 120)을 포함하는, 비디오 신호 전송 또는 기록 장치.