KR20030005319A

KR20030005319A - 신호를 압축하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030005319A
Application number: KR1020027014778A
Authority: KR
Inventors: 반데르블루텐레나투스제이.
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-01-17
Also published as: KR100869657B1; WO2002071622A3; WO2002071622A2; US20030179938A1; JP2004531924A; US7171053B2; JP4037271B2; CN1314206C; CN1457551A; EP1368898A2

Abstract

두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호는 두개 이상의 비트들의 유닛을, 두개 이상의 비트들의 유닛의 최상위 비트를 포함하는 MSB 부분과, 두개 이상의 비트들의 유닛의 최상위 비트를 포함하지 않는 LSB 부분으로 분할(3)함으로써 압축된 신호로 압축된다. MSB 부분은 무손실 방식(7)으로 압축된다. LSB 부분은 압축된다(8). 압축된 MSB 및 LSB 부분들은 압축된 신호로 결합된다(10).

Description

신호를 압축하는 장치 및 방법{Device and method for compressing a signal}

고성능 및 낮은 복잡성으로, 신호를 무손실 압축하는 것은, 신호가 있는 응용에 압축 방식이 특히 적합하다면, 가능하다. 다른 한편으로, 스케일링가능한 압축 방식들은 유연성이 있다.

비디오 신호들의 음악과 같은, 디지털 신호의 무손실 압축은 가변적이고 신호 의존적인 비트 속도를 갖는 압축된 신호를 발생시킨다. 그러나, 실제적으로, 고정된 비트 속도 또는 고정된 압축 비가 종종 요구된다. 고품질 응용들을 위해, 무손실 압축을 가능한 많이 원하게 된다.

원하는 압축 비가 무손실 압축에 의해 얻어질 수 없다면, 준-무손실 압축(near-lossless compression)이 허용된다.

영상을 손실없이 압축하는 것은, 영상 콘텐트에 의존하여, 가변적인 수의 비트들을 생성한다. 그러나, 어떤 응용들에 대해 고정된 최대 수의 비트들 또는 어떤 보증된 압축 비가 요구된다. 예를 들어, 고정 및 제한된 저장 공간만이 압축된 영상을 저장하는데 이용가능하거나 또는, 고정된 대역폭만이 그것을 전송하는데 이용가능한 경우이다. 통상적으로, 이러한 저장 공간 또는 대역폭은 (어떤 안전 마진을 가진) 평균적인 무손실 압축 비에 기초하여 필요한 크기로 된다(dimensioned). 최악의 경우에(즉, 영상이 랜덤한 데이터를 포함하고 손실없이 압축될 수 없을 때) 필요한 크기로 되었다면, 압축을 적용하는 것은 전혀 의미가 없다. 그와같은 응용들에 대해서, 양호하게 무손실 압축이 이용되지만, 무손실 압축이 요구되는 압축 비를 달성할 수 없을 때, 준-무손실 압축이 필요하다.

근년에, 비트 스트림이 원하는 비트 레이트(또는 압축비)(예[1]참조)에서 간단히 절단되는 것을 가능케 하는 압축 방식들이 이용가능하게 되었다. 그와 같은 압축 방식들은 비트-레이트 스케일링가능한 압축 방식들(bit-rate scalable compression schemes)이라 불린다. 반전가능한 "정수-정수(integer-to-integer)" 변환들을 이용할 때(예[2]참조), 이들 압축 방식들은 원하는 압축 비에서 무손실 압축으로부터 준-무손실 압축으로의 미세한 입도의 스케일링가능성(fine-granularity scalability)을 제공할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 공지된 스케일링가능한 방식들은 또한, 특히 무손실 또는 준-무손실 압축을 원하는 경우에, 결점들을 가진다. 이들 결점들중 하나는 공지된 스케일링가능한 방식들은 무손실 압축의 성능을 위해 최적화되지 않는다는 사실이다. 또한, 공지된 스케일링가능한 압축 방법들은 전용의 무손실/준-무손실 압축 방법들에 비해 높은 복잡성을 가진다. 예를 들어, JPEG2000은 어떤 세트의 손실없이 압축된 영상들을 압축해제(decompress)하기 위해 JPEG-LS보다 4.3배 많은 CPU 시간을 요구한다. 따라서, 공지된 스케일링가능한 압축 방법들은 무손실 압축과 준-무손실 압축에 대해 이상적이지 않다.

다른 한편으로, JPEG-LS와 같은, 공지된 전용의 무손실/준-무손실 압축 방식들은 스케일링가능하지 않으며, 비트 레이트가 너무 높을 때, 요구되는 압축비가 얻어질 때까지, 신호는 더 낮은 비트 레이트에서 (아마도 다수의 횟수동안) 완전히 재-인코딩되어야 한다. 이것은 이들 방식들을 이용하는 것의 복잡성을 현저히 증가시킨다.

상기 결점들이 명백히 드러나는 장치 및 방법의 예는 미국 특허 제 5,884,005호에서 발견될 수 있다. 상기 특허 명세서는 신호를 압축하는 장치를 개시하며, 상기 장치는 신호의 무손실 압축을 위한 제 1 압축 장치와 신호의 준-무손실 압축을 위한 제 2 압축 장치를 포함한다. 두개의 압축된 신호들은 개별적으로 매체에 기입된다.

본 발명은 두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호를 압축된 신호로 압축하는 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 무손실 신호 압축을 위한 제 1 압축 장치와 신호 압축을 위한 제 2 압축 장치를 포함한다.

본 발명은 또한 두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호를 압축된 신호로 압축하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 예를 도시한 도면.

도 2는 JPEG-LS 무손실 압축을 이용하는 본 발명에 따른 방법 및 JPEG-LS의 준-무손실 압축 성능을 도시한다.

본 발명의 목적은, 전용의 무손실 압축 방식들의 무손실 압축의 높은 성능과 낮은 복잡성의 장점들을 결합하고, 또한 무손실 압축으로부터 준-무손실 압축으로의 미세한 입도의 비트-레이트 스케일링가능성의 특징을 갖는, 압축 방식을 제공하는 것이다.

이 목적을 위해, 본 발명에 따른 장치는, 두개 이상의 비트들의 한 유닛내의 분할 위치(splitting position)에서, 두개 이상의 비트들의 유닛의 최상위 비트(most significant bit)를 포함하는 MSB 부분과, 두개 이상의 비트들의 유닛의 최상위 비트를 포함하지 않는 LSB 부분으로, 두개 이상의 비트들의 유닛을 분할하는 수단을 포함하고, 제 1 압축 장치는 MSB 부분의 무손실 압축을 위해 분할 수단의 제 1 출력에 접속되고, 제 2 압축 장치는 LSB 부분의 압축을 위해 분할 수단의 제 2 출력에 접속되고, 압축된 MSB 및 LSB 부분들을 압축된 신호로 결합하기 위해, 제 1 압축 장치 및 제 2 압축 장치의 출력에 접속되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 유닛의 최하위 부분이 언제나 실제적으로 구분할 수 없는(indiscriminate) 것이어서, 그것의 무손실 압축은 거의 가능하지 않다는 관찰에 기초한다. 결과적으로, 상기 최하위 부분인 LSB 부분에 대한 성능 손실 (performance loss)은 분할되지 않은 신호(unsplit signal)에 대하여 동작하는 무손실 압축 장치와 비교하여 작을 것이다. 다른 한편으로, 원하는 스케일링가능성을 얻는 것이 가능하다. 그러나, 스케일링가능성은 제한되는데, LSB 부분의 스케일링가능성은 그 부분을 절단함으로써만 얻어질 수 있기 때문이다. 결과적으로, 본 발명은 고품질 압축으로, 즉 손실없거나 또는 준-무손실 압축으로, 이용될 때, 가장 유리하게 이용된다.

본 발명은, 영상의 최하위 비트들이 통상적으로 대략 랜덤하여, 그것들이 손실없이 현저하게 압축될 수 없다는 관찰에 또한 기초한다. 그러므로, 분할되지 않은 신호에 대하여 동작하는 무손실 코더에 비해 성능 손실이 작다. 그 결과로, 원하는 스케일링가능성 성질이 얻어진다.

본 발명에 따른 장치의 양호한 실시예는 제 2 압축 장치가 LSB 부분의 스케일링가능한 압축을 위해 배열되는 것을 특징으로 한다.

결과로서, 신호의 서술(description)은 임의의 원하는 점에서 절단될 수 있어서, 원하는 압축 비로 압축의 연속적인 스케일링이 가능하다.

양호하게, 본 발명에 따른 압축 방식은 프레임 기초에서 작용하며, 이것은 몇몇 음악 또는 비디오 샘플들이 동시에 하나의 유닛으로서 처리된다는 것을 의미한다. 프레임이 분할되는 방식은 각각의 프레임에 대해 적응성있게 결정될 수 있다. 부가하면, 최종적 처리 단계는 다중 프레임들에 대한 스케일링가능한 서술(scalable description)을 생성하도록 실행될 수 있다. 예를 들어, 영상이 프레임들로 분할된다면, 무손실 압축을 행한 모든 개별적인 프레임들의 부분들을 서술에 먼저 놓고 개별적인 프레임들의 적합하게 결합된 스케일링가능한 부분들이 뒤따르게 함으로써 전체 영상에 대한 스케일링가능한 서술을 생성하는 것이 가능하다. 스케일링가능한 부분들은, 무손실 부분과 스케일링가능한 부분으로 번갈아 구성되는, 전체 영상에 대해 서술이 생성되는 방식으로 결합될 수 있다. 그렇게 하면서, 임의의 원하는 점에서 스케일링가능한 부분을 절단하는 가능성이 생성되며, 이것은 가장 중요한 정보가 스케일링가능한 부분에서 먼저 나타나게 함으로써 구현된다.

본 발명에 따른 장치의 양호한 실시예는 제 1 및 제 2 압축 장치사이에 접속이 있고, MSB 부분에 관한 정보가 LSB 부분의 압축에 영향을 줄 목적으로 상기 접속을 통해 제 2 압축 장치에 전달될 수 있는 것을 특징으로 한다.

결과로서, 압축 장치는, 최하위 부분의 더 효율적인 압축을 달성하기 위한 스케일링가능한 압축 동작을 위해, 최상위 부분에 대한 정보 및/또는 그것의 무손실 압축을 이용할 수 있다. 이것은 당해 정보가 절단되지 않기 때문에 가능하다. 예를 들어, 제 2 압축 장치는, LSB 부분에서 샘플들의 지각적 관련성(perceptual relevance)을 결정하고, 스케일링가능한 압축을 그에 적응시키는 정보를 이용하거나 필요로 할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 이제 설명될 것이다.

도 1에서, 참조 번호(1)는, 두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는, 압축될 신호가 신호의 압축을 위해 장치(2)에 공급되는 라인을 개략적으로 표시한다. 라인(1)은 분할 모듈(3)의 신호 입력에 접속된다. 라인(1)은 라인(18)을 통해 제어 유닛(4)의 신호 입력에 또한 접속된다. 분할 모듈(3)은 제 1 출력 라인(5)과 제 2 출력 라인(6)을 갖는다. 출력 라인(5)은 라인(5)상의 신호의 무손실 압축을 위해 제 1 압축 장치(7)의 입력에 접속된다. 라인(6)은 제 2 압축 장치(8)의 입력에 접속된다. 제 2 압축 장치(8)는 라인(6)상에서 들어가는 신호의 손실 압축을 위해 배열된다. 제 1 압축 장치(7)의 출력 라인(9)은 결합 유닛 (combining unit)(10)의 제 1 입력에 접속된다. 제 2 압축 유닛의 출력 라인(11)은 결합 유닛(10)의 제 2 입력에 접속된다. 라인들(9 및 11)상의 신호들로 구성된 결합된 신호는 결합 유닛(10)의 출력 라인(12)상에 존재한다. 제 1 압축 장치(7)는 정보 전달 라인(13)을 통해 제 2 압축 장치(8)에 접속된다.

장치(2)의 코어(core)는 분할 모듈(3), 제 1 압축 장치(7), 제 2 압축 장치(8) 및 결합 유닛(10)에 의해 형성된다. 코어 유닛의 동작은 다음과 같다. 분할 모듈(3)은 라인(1)을 통해 두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호를 수신한다. 신호는, 그 자체로 공지된 방식으로, 신호의 두개 이상의 비트들의 유닛의 최상위 비트를 포함하는 MSB 부분과, 상기 최상위 비트를 포함하지 않는 LSB 부분으로, 분할 모듈(3)에 의해 분할된다. MSB 부분은 라인(5)상에서 나타나고 LSB 부분은 라인(6)상에서 나타난다. 압축 장치(7)는 LSB 부분을 손실없이 라인(9)상의 압축된 MSB 부분으로 압축한다. 마찬가지로, 제 2 압축 장치(8)는 라인(6)상의 LSB 부분을 라인(11)상의 압축된 LSB 부분으로 압축한다. 압축된 MSB 부분과 압축된 LSB 부분은, 예를 들어, 압축된 LSB 부분을 압축된 MSB 부분에 직접 연결시킴으로써, 결합 회로에서 압축된 신호로 결합된다.

두개 이상의 비트들의 유닛은 하나 이상의 위치들에서 분할 모듈(3)에 의해 분할될 수 있다. 상기 분할이 일어나는 위치는 다양한 방식들로 결정될 수 있다. 분할 모듈(3)은, 분할 모듈(3)의 부분을 형성하는 제어 신호 유닛(14)에 의해 표시되는 미리 결정된 위치에서, 라인(1)을 통해 들어가는 두개 이상이 비트들의 유닛을 분할하도록 영구적으로 배열될 수 있다. 다른 가능성에 따라, 제어 신호 유닛은 라인(15) 또는 라인(16)에 의해 가리켜진 분할 모듈(3)의 외부에 배열될 수 있다. 라인(16)은 제어 신호 유닛(17)과 분할 모듈(3)의 제어 입력 사이에 접속을 형성한다. 제어 신호 유닛(17)은 라인(1)상에서 신호에 독립인 제어 신호를 발생시킨다. 다른 한편으로, 제어 신호 발생기(4)는 압축될 라인(1)상의 신호의 구성에 의존하는 라인(15)상의 제어 신호를 발생시킨다. 세가지 가능성들중 어느 하나 또는 그것들의 결합이 선택될 수 있다. 특히, 제어 신호 유닛(14) 또는 제어 신호 유닛(4)은 분할 위치가 두개 이상의 비트들의 유닛내에서 적응성있게 결정되도록 배열될 수 있다.

두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하고 분할 모듈(3) 및 제어 신호 유닛(4) 모두에 공급되는 라인(1)상의 디지털 입력 신호는 제어 신호 유닛(4)에 의해 분석되고, 라인(15)상의 제어 신호 유닛(14)에 의해 분할 모듈(3)에 전달되는 제어 신호에 기초하여, 두개의 부분들, 즉, 이후에 MSB 부분 및 LSB 부분이라 또한 불리는, 최상위 부분과 최하위 부분으로 분할된다. 입력 신호 x의 분할은 MSB 부분에 대해 x_m= x div k이고 LSB 부분에 대해 x₁= x mod k일 때 실행될 수 있다. k = 2^m(여기서, m=1,2,...)으로 설정하는 것은 실용적으로 크게 중요한데, 신호 x로부터의 m개의 최하위 비트들의 분할에 대응하기 때문이다.

도 1에 따른 장치는 다음과 같이 기능한다. 압축 방법의 블록도는 도 1에 도시된다. (디지털) 입력 신호는 분석되고 두개의 부분들, 즉 최상위 부분과 최하위 부분으로 분할된다. 입력 신호 x의 분할(split)은 최상위 부분에 대해서는 x_m= x div k 및 최하위 부분에 대해서는 x₁= x mod k로 수학적으로 서술될 수 있다. k = 2^m의 설정(m은 0,1,2...인 정수)은 특히 실용적으로 중요한데, 신호 x로부터 단지 m개의 LSB들을 분할하는 것에 대응하기 때문이다. 그 다음에, 최상위 부분은 JPEG-LS와 같은 전용의 무손실 압축 방법에 의해 손실없이 압축된다. 최하위 부분은 스케일링가능한 인코더(scalable encoder)에 의해, 즉 그 서술이 임의의 원하는 점에서 절단될 수 있는 그러한 방식으로, 압축된다. 스케일링가능한 인코더를 실행하는 실제적인 방식은 실제로 압축을 행하지 않고서 단지 비트 평면들(bit planes)을 재배열하는 것이다. 이것은 스케일링가능한 인코더가 먼저, 각각의 최하위 비트들이 뒤따르는, 스트림에서 (최하위 부분의) 모든 최상위 비트들을 놓는 것을 의미한다. 최종적으로, 손실없이 그리고 스케일링가능하게 인코딩된 부분들은 연결/연쇄적으로 연결된다(joined/concatenated). 신호가 분할된 방식에 대한 정보 및/또는 손실없이 그리고 스케일링가능하게 압축된 부분들의 크기들에 대한 정보는 또한 필요할 때 부가될 수 있다. 압축된 스케일링가능한 데이터의 절단은, 고정된 압축 비를 얻기 위해, 연결 동작동안 또는 시스템에서 이후의 단계에서 수행될 수 있다.

그러나, 스케일링가능성은 제한되며, 그것이 단지 (그것을 절단함으로써) 최하위 부분으로부터 얻어질 수 있기 때문이라는 점이 유의되어야 한다. 무손실 및 스케일링가능한 인코더들 사이의 점선은 스케일링가능한 인코더가 최하위 부분을더 효율적으로 압축하기 위해 최상위 부분 및/또는 최상위 부분의 무손실 압축에 대한 정보를 이용할 수 있음을 가리킨다. 이것은 스케일링가능한 디코더가 이러한 정보를 또한 이용할 수 있을 것이므로 가능하다(이러한 정보는 결코 절단되지 않을 것이므로). 예를 들면, 스케일링가능한 인코더는 최하위 부분에서 데이터의 지각적 관련성을 결정하고 따라서 스케일링가능한 압축을 조정하기 위해 정보를 이용할 수 있다.

제 2 압축 장치가 스케일링가능한 방식으로 그 입력상의 신호를 압축하는, 제 2 압축 장치(8)를 수행하는 실제적으로 관련된 방법은, 실제적으로 압축하지 않고서 비트 평면들을 재배열하는 것이다. 최하위 비트들이 관련되므로, 많지 않은 이점이 압축에 의해 얻어질 것인데, 이들 비트들에는 많지 않은 중복(redundancy)이 있기 때문이다. 비트 평면들의 재배열은 제 2 의 스케일링가능한 압축 장치(8)가 라인(6)상에서 공급되는 비트 스트림내의 LSB 부분들의 최상위 비트들이, 라인(11)상에서 먼저 나타나게 하며, 매번 한 단계 덜 중요한 비트들이 뒤따르는 것을 내재한다. 예는 이것을 분명하게 할 것이다. 두개 이상의 비트들의 3개의 연속적인 유닛들 y, u 및 v의 LSB 부분은, y₃, y₂, y₁, u₂, u₂, v₂, v₁으로 각각 표기될 3개, 2개 및 2개의 비트들로 구성된다고 가정한다. 그 경우에, 제 2 압축 장치는 라인(11)상에서 다음의 배열, 즉, y₃, y₂, u₂, v₂, y₁, u₁, v₁을 최종적으로 발생시키는 재배열을 실행한다. 비트 속도를 스케일링할 수 있기 위해, 결합된 서술 y₃,...,u₁은 원하는 수의 비트들에서 간단히 절단된다. 서술된 재배열은 단지 예이며 재배열의 다른 예들이 가능하다는 것이 유의되어야 한다.

도 1에서, 참조 번호들(19a, 19b 및 19c)은 절단이 발생할 수 있는 LSB 부분의 단일 체인내의 3개의 위치들을 가리킨다. 절단 수단(truncating means)(19a)은 제 2 압축 장치(8)의 부분을 형성한다. 결과로서, 제 2 압축 장치(8)는 사실상 손실 압축 장치이다.

절단 수단(19b)이 제 2 압축 장치(8)의 출력과 결합 수단(10)사이의 라인(11)에 통합되는 경우에, 제 2 압축 장치(8)는 무손실 압축 장치 또는 손실 압축 장치일 수 있다.

라인(12)에서 결합 수단(10)에 후속하는 절단 수단(19c)을 배열하는 것이 또한 가능하다. 선행하는 경우와 유사하게, 제 2 압축 장치(8)는 그 경우에 무손실 압축 장치 또는 손실 압축 장치일 수 있다. 절단 수단(19c)은 또한, 제 1 압축 장치(7)로부터 생겨나는 부분상에서가 아닌, 제 2 압축 장치(8)로부터 생겨나는 압축된 신호의 부분상에서만 절단이 발생하도록 조정되어야 한다.

제안된 방법의 성능을 평가하기 위해, 브리티시 콜럼비아 대학(University of British Columbia)에 의해 제공된 수행을 이용하여, JPEG-LS로 압축 실험들을 실행하였다. 본 발명자들은, 최상위 비트들에 대한 무손실 압축 방법으로서 JPEG-LS를 이용하고 최하위 비트들을 압축되지 않게 하는 새로운 방법과, JPEG-LS 모두의 손실 및 무손실 성능을 평가하였다. 실험들에 이용된 영상들은 512 x 768 픽셀들의 해상도로 코닥 포토CD PCD0992의 모든 24개의 영상들(휘도 성분만)이다. 표 1은 MSB/LSB 분할 점들의 다양한 선택들에 대한 스케일링가능성 범위 및 압축 효율을 도시한다. 어떤 LSB도 분할되지 않을 때, 방식은 스케일링가능성 없이 보통의 무손실 압축 방법이 된다. 더 많은 LSB 평면들이 스케일링가능하게 됨에 따라, 스케일링가능성의 범위는 증가한다. 또한, 압축 효율이 감소되지만, 비트 레이트 증가는 2 비트 평면들이 분할될 때 단지 4 %이다.

표 1 : 몇몇 MSB/LSB 분할 점들에 대한 미세한 입도 스케일링가능성 범위와 압축 효율

스케일링가능한 JPEG-LS 기반 방식의 준-무손실 압축 성능은, 도 2에 도시된 바와같이, 스케일링가능하지 않은 준-무손실 JPEG-LS 압축의 것과 또한 비교될 수 있다. JPEG-LS에 대해서, 점들은 원래의 및 재구축된 영상들 사이의 상이한 최대의 허용된 절대값 에러들을 이용하여 압축하는 것에 대응한다. 스케일링가능한 방법에 대해, 곡선내의 점들은 모든 LSB들을 절단하고 따라서 무손실 MSB 부분만을 유지함으로써 얻어졌다(이들 점들에 대한 비트 레이트들은 표 1에 열거되어 있다). 디코더는, LSB들의 균일하고 랜덤한 분포를 가정하여, 잃어버린 MSB들을 그것들의 기대값(expected value)으로 대체한다. 예를 들어, 2개의 LSB 평면들이 제거될 때, LSB 부분에 대한 기대값은 (0 + 1 + 2 + 3)/4 = 1.5 이며, 이것은 랜덤하게 LSB 부분을 픽셀들의 절반에 대해 1로 설정하고 다른 절반에 대해 2를 설정함으로써 수행된다. 도 2는, 많은 스케일링가능한 압축 방법들에 대한 경우에서와 같이, 스케일링가능하지 않은 방법(non-scalable method)에 의해 제공되는 이산 점들 (discrete points)에 비해 효율 손실이 있다는 것을 도시한다. 그러나, 스케일링가능하지 않은 경우에서의 품질은, 이용가능한 비트 레이트 또는 저장 용량이 불충분한 경우에는, 다음의 더 낮은 점으로 바로 떨어진다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와같이, JPEG-LS는 픽셀당 2.866 비트에서 49.96 dB의 PSNR을 제공한다. 더 적은 비트들이 이용가능하게 되자마자, JPEG-LS에 대한 PSNR은, 픽셀당 2.267 비트의 레이트에서 다음의 이용가능한 압축 설정에 대응하여, 45.23 dB로 떨어질 것이다. 결과적으로, 픽셀당 대략 2.4와 2.866 비트사이의 레이트들에 대해서, 스케일링가능한 방법은 더 높은 PSNR을 갖는다.

PSNR에 부가하여, 또한 재구축된 영상들의 시각적 품질이 평가되었다. 시각적 검사는 압축 인공물들(compression artifacts)이, 단지 2개의 LSB 평면들이 제거될 때는 몇몇 영상들("푸른 하늘들(blue skies)"을 가진 영상들)에 대해서 또는, 2의 최대 절대값 에러가 허용될 때는 JPEG-LS에 대해서, 이미 보일수 있다는 점을 보여준다. 이 경우에, 두개의 경우들에 대한 PSNR 값들이 대략 동일하지만, 제안된 방법에 대한 인공물들은 그것들이 JPEG-LS에 의해 생성된 "스트립핑(striping)" 인공물들보다 더 잡음과 비슷하므로 더 수용가능하다. 그러나, 다시 PSNR 값들이 대략 동일한, JPEG-LS에 대한 4의 최대의 허용된 절대값 에러에 비해, 3개의 LSB 평면들을 제거하기 위해, 제안된 방법은 JPEG-LS의 스트립핑 인공물들보다 시각적으로 더 많이 교란하는 "윤곽을 그리는(contouring)" 인공물들을 생성한다.

상기에 서술된 실험들에서, MSB/LSB 분할 점(split point)은 수동으로 설정되었고, 각 영상에 대해 동일할뿐 아니라 전체 영상에 걸쳐 일정하였다. 그러나, 분할 점을 자동적으로 및 적응성있게 결정하는 것과 연관된 몇몇 장점들이 있다. 일반적으로, 푸른 하늘과 같은 "플래터(flatter)" 영상 부분들은 다른 영상 부분들보다 압축 인공물들에 훨씬 더 민감하다. 이들 동일한 영상 부분들은 또한 그것들의 LSB들이 분할될 때 압축 효율의 가장 많은 손실을 입는다. 그러므로, 각 영상의 각 라인에 대해 분할할 LSB 평면들의 수를 자동적으로 선택하는 방법이 개시될 것이다. 이 방법은 이전에 서술된 낮은 복잡성의 무손실 영상 압축 방법에 기초한다.

본 발명자들의 무손실 압축 방법은 잘 알려진 DPCM+VLC 셋업을 따르며, 이것은 예측 에러 신호를 압축할 엔트로피 코딩 단계가 뒤따르는, 데이터를 상관해제시킬(decorrelate) 가역적 예측 단계(reversible prediction step)로 구성된다. 그러나, 매우 낮은 복잡성을 얻기 위해, DPCM 및 VLC 부분들 모두에 대해, 매우 낮은 복잡성 해법을 선택한다. 예측을 위해, 잘 알려진 "패쓰(Paeth)" 예측기 (predictor)가 이용된다. 이러한 예측기는 예측될 픽셀의 왼쪽, 왼쪽 위 및 위쪽으로 3개의 픽셀들만을 이용하고 이들 픽셀들중 하나의 값을 현재 픽셀의 값의 예측으로서 선택한다. 패쓰 예측기는 잘 알려진 PNG 무손실 영상 압축 방법에 의해 이용된 예측 필터 타입들중 하나이다.

그 다음에, 패쓰 예측 이후의 예측 에러 신호는 부호처리된 크기 표현(signed magnitude representaion)으로 변환되며, 수정된 "라이스(Rice)" 코드를 이용하여 손실없이 인코딩되고, 이것은, 101회 AES 회의(101st AES Convention),(로스앤젤레스, 캘리포니아), Nov.8-11, 1996. 프리프린트(preprint) 4358, 매우 낮은 복잡성을 가진 적응성 엔트로피 코드에서, A.A.M.L. Bruekers, A.W.J. Oomen, R.J. van der Vleuten 및 L.M. van de Kerhof의 "DVD 오디오를 위한 무손실 코딩(Lossless coding for DVD audio)"에 개시된다. 이러한 엔트로피 코드는 먼저 샘플의 크기의 m개의 LSB들을 제거한다. 나머지 MSB들은 1진법 코드(unary code)를 이용하여 인코딩되며, 즉 k의 MSB 값의 코드워드(codeword)는 1-비트가 뒤따르는 k개의 0-비트들로 구성된다(예를 들어, k=3에 대한 코드워드는 0001이다). 그다음에, m개의 LSB들은, 0이 아닌 크기들에 대한 부호 비트(sign bit)에서와 같이, MSB 코드워드에 첨부된다. 예를 들어, m = 3에 대한 예측 에러 값 15는, k = 15 div 8 = 1에 대한 코드 01과, m개의 LSB들 111과, 부호 비트 0으로 구성된, 코드워드 011110으로 변환된다. 파라미터 m은 m = floor(log2(mean (abs(e))))로서 최적으로 선택되며(즉, 예측 에러 신호를 손실없이 인코딩하는데 요구되는 비트들의 가장 낮은 수를 발생시키도록 선택된다), 여기서 e는 예측 에러 신호이다. 본 발명자들의 수행에서, m에 대한 값은 영상 라인당 한번 선택되지만, 또한 더 빈번하게 갱신될 수 있다.

표 2에서, 본 발명자들의 매우 낮은 복잡성 방법의 압축 효율이 JPEG-LS, PNG 및 JPEG2000의 것과 비교된다. 매우 낮은 복잡성에도 불구하고, 본 방법은 24-영상 테스트 세트를 압축하도록 JPEG-LS보다 단지 9 % 더 많은 비트들을 요구한다(섹션 2.2에서 이용된 것과 동일함). 복잡한 엔트로피 코딩 방법(complex entropy coding method)을 제외한, 매우 낮은 복잡성 예측 필터들을 또한 이용하는, PNG와의 차이는 매우 작다. JPEG2000에 대해서, 본 발명자들은 뉴 사우스 웨일즈 대학에 의해 제공된 수행을 이용하였다. 이러한 실험에 따라, JPEG2000은 거의 JPEG-LS 만큼 효율적이다.

표 2 : 몇몇 다른 무손실 압축 방법들에 비해 매우 낮은 복잡성 방법(새로운 것(NEW))에 대한 무손실 압축 비트 레이트들(절대적이고 상대적임)

이전에 이미 설명된 바와같이, 스케일링가능한 준-무손실 압축 방법을 위해 MSB/LSB 분할 점을 자동적으로 결정하고자 한다. 이것은 도 1에서 "분석(Analyze)" 블록(4)에서 실행된다. 본 명세서에 제안된 분석은 이전에 서술된 매우 낮은 복잡성의 무손실 영상 압축 방법에 기초한다.

분할 점을 결정하기 위해, 먼저 패쓰 예측이 실행되고 예측 에러 신호 e가 얻어진다. 다음에, 파라미터 m이 m = floor(log2(mean(abs(e))))로서 다시 결정된다. 파라미터 m은 이제 분할 점을 직접 제공하며, m개의 LSB들이 스케일링가능한 인코더로 송신되고 나머지 MSB들은 무손실 인코더로 송신된다. 분할 점의 이러한 선택은 이전에 서술된 제안된 매우 낮은 복잡성의 무손실 영상 압축 방법에 적용되는 엔트로피 코드가 이들 비트들에 어떤 압축도 적용하지 않을 것이라는 관찰에 기초한다(그것들은 코드워드로 직접 간단히 복사되기 때문이다). 그러므로, 이들 LSB들은 다소 랜덤하며 따라서 그것들이 MSB들의 무손실 코딩에서 예측에 이용되지 않을 때 압축 효율의 손실이 없다고 가정된다. 이러한 가정은 실험적으로 확인되었다. 예를 들어, 고정된 선택이 모든 24개의 테스트 영상들에 대해 모든 영상 라인들에 대한 m에 대해 이루어져야 할 때, m = 2의 값이 선택될 것이다. 이러한 값은 표 1에 도시된 바와같이 단지 4 %의 압축 효율 손실을 발생시킨다.

지금까지, 휘도 또는 회색-값 영상들(gray-value images)의 압축만을 다루었다. 그러나, 대부분의 영상들은 칼라 영상들이다. 이들 영상들은 RGB 칼라 공간에서 종종 특정되지만, 이러한 칼라 공간은, 성분들간의 상관 때문에, 무손실 압축을 위해서는 최적이 아니라는 점이 잘 알려져 있다. 더 높은 무손실 압축 비가 압축전에 적당한 상이한 칼라 공간으로 영상들을 변환함으로써 얻어질 수 있다. 전체적인 방법은 손실없이 유지되어야 하므로, 칼라 변환은 완벽하게 가역적이어야 한다. 이러한 성질을 가진 칼라 변환들은 또한 무손실 칼라 변환들이라 불린다. 많은 상이한 무손실 칼라 변환들이 압축 문헌에서 제안되었지만, 기존의 무손실 칼라 변환들중 어느 것도 준-무손실 압축을 위해 설계되지 않았다. 준-무손실 압축을 위한 지각적으로 관련된 에러 표준을 이용하기 위해, 본 발명자들은 무손실 RGB-YUV 변환이 적합하다는 것을 발견하였으며, 그래서 (손실있는 영상 압축을 위해 일반적으로 이용되는) YUV 컬러 공간을 위해 개발된 모든 지각적인 에러 표준은 준-무손실 압축에도 적용될 수 있다.

정규 RGB-YUV 변환이 다음 식으로 주어진다.

"F.A.M.L. Bruekers 및 A.W.M. van den Enden의 '완전한 반전 및 완전한 재구축을 위한 새로운 네트워크들(New networks for perfect inversion and perfect reconstruction)'IEEE J.Select.Areas Commun., vol. 10, pp. 130-137, Jan 1992"에 개시된, 반전가능한 네트워크들(invertible networks)의 원리를 적용함으로써, 이러한 변환은 완전하게 가역적(reversible)으로 될 수 있다. 결과적인 새로운 무손실 RGB-LYUV 변환(여기서 손실있는 YUV와 구별하기 위해 LYUV를 이용한다)이 다음과 같이 주어진다.

여기서, [ㆍ]는 가장 가까운 정수로 반올림하는 것을 표시한다. 완전한 반전은 다음과 같이 진행된다.

따라서, U_L및 V_L은 정규 RGB-YUV 변환에 대해 U 및 V와 동일하고, 반면에 Y_L은 변환을 완전하게 가역적으로 하기 위해 Y에 비해 1/0.587의 인자만큼 크기가 증가되었다.

표 3에서, 이전에 이용된 것과 동일한 24 RGB 칼라 영상들을 압축하기 위한 비트 레이트들이 다양한 무손실 칼라 변환들에 대해 열거된다(절대값 비트 레이트들이 샘플당 주어지며, 이것들은 픽셀당 비트들을 얻기 위해 3으로 곱해져야 한다). 본 발명자들은 우리의 새로운 변환을 잘 공지된 "NFJ" 변환, "CREW" 변환, "SHIRCT" 변환, RDCT 변환 및 "LOCO-I" 변환과 비교하였다.

표 3으로부터, 칼라 변환을 적용하는 이점들은 분명한데, RGB 성분들을 직접 압축하는 것은 영상을 최상의 대안의 칼라 공간으로 먼저 변환하는 것보다 35 % 더 많은 비트들을 요구하기 때문이다. 또한, LYUV, LOCO-I 및 CREW 변환들은 다른 변환들보다 우수하다. 매우 현저하게, 다양한 이용가능한 상이한 칼라 변환들을 고려하면, "가장 간단한" 변환(LOCO-I)이 무손실 압축을 위해 가장 좋은 것으로 밝혀진다. 새로운 LYUV 변환의 성능은 무손실 압축을 위한 최상의 변환의 것과 매우 가깝다. 준-무손실 압축을 위해, LYUV 변환은 그것이 손실 압축에 일반적으로 이용되는 YUV 칼라 공간을 제공하므로 바람직하다.

표 3 : 다양한 손실있는 칼라 변환들을 위한 JPEG-LS 무손실 압축 비트 레이트들(절대적이고 상대적임)

본 발명자들은 전용의 무손실 압축 방법들의 낮은 복잡성 및 높은 압축 효율을 유지하면서 미세한-입도의 스케일링가능한 준-무손실 압축의 특징을 가진 손실 압축을 확장하는 방법을 제시하였다. 본 방법은 신호를 MSB들과 LSB들로 분할함으로써 동작한다. MSB들은 손실없이 압축되며, 한편 LSB들은 스케일링가능한 비트 스트링을 제공한다. 본 발명자들은, 또한 압축 효율에 영향을 주지 않고 준-무손실 압축에 대한 압축 인공물들을 생성하지 않고서 스케일링가능한 비트 스트링이 얻어지도록, MSB/LSB 분할 점을 자동적으로 및 적응성있게 결정하는 방법을 제시하였다. 분할 방법은 매우 낮은 복잡성의 손실있는 영상 압축 방법으로부터 유도되었다. 그것의 단순성에도 불구하고, 이러한 압축 방법은 매우 효율적이다. 최종적으로, 본 발명자들은 손실있는 영상 압축에 일반적으로 이용되는 YUV 변환의 무손실 등가물이며 최상의 무손실 칼라 변환의 것과 매우 가까운 무손실 압축을 위한 성능을 가진 새로운 무손실 칼라 변환인, LYUV 변환을 제시하였다.

모든 종류의 실시예들과 수정들은 앞의 내용을 연구한 후에는 그 분야에 숙련된 자에게 분명할 것이다. 모든 그와같은 수정들 및 실시예들은 본 발명의 부분을 형성하는 것으로 고려된다.

Claims

두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호를 압축된 신호로 압축하는 장치(2)로서, 무손실 신호 압축을 위한 제 1 압축 장치(7)와 신호 압축을 위한 제 2 압축 장치(8)를 포함하는 상기 신호 압축 장치(2)에 있어서,

상기 장치(2)는, 두개 이상의 비트들의 한 유닛내의 분할 위치(splitting position)에서, 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 최상위 비트를 포함하는 MSB 부분과, 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 최상위 비트를 포함하지 않는 LSB 부분으로, 두개 이상의 비트들의 상기 유닛을 분할하는 분할 수단(3)을 포함하고,

상기 제 1 압축 장치(7)는 상기 MSB 부분의 무손실 압축을 위해 상기 분할 수단(3)의 제 1 출력(5)에 접속되고,

상기 제 2 압축 장치(8)는 상기 LSB 부분의 압축을 위해 상기 분할 수단(8)의 제 2 출력에 접속되고,

상기 장치(2)는, 상기 압축된 MSB 및 LSB 부분들을 상기 압축된 신호로 결합하기 위해, 상기 제 1 압축 장치(7) 및 상기 제 2 압축 장치(8)의 출력에 접속되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 장치는 상기 압축된 LSB 부분을 절단하는 절단 수단(truncating means)(19a, 19b, 19c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 절단 수단(19a)은 상기 제 2 압축 장치(8)의 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 절단 수단(19b)은 상기 제 2 압축 장치(8)와 상기 결합 수단(10)사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 절단 수단(19c)은 상기 결합 수단(10)에 후속하여 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 2 압축 장치(8)는 상기 LSB 부분의 무손실 압축을 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 2 압축 장치(8)는 상기 LSB 부분의 손실 압축(non-lossless compression)을 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 2 압축 장치(8)는 상기 LSB 부분의 스케일링가능한 압축을 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 장치는 제어 수단(4, 17)을 포함하고, 상기 제어 수단의 출력(15, 16)은 상기 분할 위치를 결정하기 위해 상기 분할 수단(3)의 제어 입력에 접속되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 9 항에 있어서,

수단(18)은 두개 이상의 비트들의 신호를 상기 제어 수단(4)에 인가하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 10 항에 있어서,

제어 수단(4, 14)은 그 출력상에서 제어 신호를 전달하도록 배열되고, 상기 제어 신호는 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 구성에 기초하는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 제어 수단(4, 14)은 상기 분할 위치의 적응성 결정(adaptive determination)을 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 압축 장치(7)와 상기 제 2 압축 장치(8)사이에 접속(13)이 존재하고, 상기 MSB 부분에 대한 정보는, 상기 LSB 부분의 압축에 영향을 주기 위해, 상기 접속(13)을 통해 상기 제 2 압축 장치(8)에 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는 신호 압축 장치.
두개 이상의 비트들의 유닛들을 포함하는 신호를 압축된 신호로 압축하는 방법에 있어서,

두개 이상의 비트들의 한 유닛이, 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 최상위 비트를 포함하는 MSB 부분과, 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 최상위 비트를 포함하지 않는 LSB 부분으로 분할되고, 상기 MSB 부분은 무손실 방식으로 압축되고, 상기 LSB 부분이 압축되며, 상기 MSB 및 LSB 부분들은 상기 압축된 신호로 결합되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 LSB 부분은 절단되는 것을 특징으로 하는 신호 압축 방법.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,

두개 이상의 비트들의 상기 유닛내의 분할이 일어나야 하는 분할 위치는 두개 이상의 비트들의 상기 유닛의 구성에 의존하는 것을 특징으로 하는 신호 압축 방법.