KR20030017880A - 실시간 처리에 의한 디지털 비디오 데이터의 내용기반요약방법 - Google Patents

실시간 처리에 의한 디지털 비디오 데이터의 내용기반요약방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비디오 요약 기술의 시간적 비효율성 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는 먼저 입력되는 현재 프레임의 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하고, 이렇게 추출된 현재 프레임의 MPEG-7 기술자와 이전에 추출되어 저장되어 있던 이전 프레임의 MPEG-7 기술자 사이의 유사도를 측정하며, 측정된 유사도를 소정의 임계값과 비교하여 샷 경계(shot boundary)를 판정한다.

Description

실시간 처리에 의한 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법{A REAL-TIME VIDEO INDEXING METHOD FOR DIGITAL VIDEO DATA}
본 발명은 디지털 비디오 카메라에서 실시간으로 얻어지는 비디오 프레임에 대하여 MPEG-7 기술자를 추출하여 비디오의 샷 경계(shot boundary) 및 키 프레임(key frame)을 검출하는 방법에 관한 것으로서, 디지털 비디오 데이터의 효율적인 이용을 위한 실시간 비디오 요약 기술에 관한 것이다.
최근 디지털 비디오 데이터의 효율적인 이용 및 관리를 위해서, 디지털 비디오 데이터의 데이터베이스 구축이 요구되고 있다. 이를 위해서는 디지털 비디오 데이터를 내용 기반으로 요약하는 것이 선행되어야 한다. 내용 기반 요약의 목적은 사용자로 하여금 원하는 비디오 정보에 비순차적으로 접근하는 것을 가능하게 하고, 내용 기반으로 검색하는 것이 가능하게 함이다.
도 1은 복수의 프레임으로 구성된 디지털 비디오 데이터에서 샷(shot)과 키 프레임(key frame)을 도시하고 있다. 도 1에서 해칭된 시간 t의 프레임은 해당 샷의 키 프레임에 해당한다. 디지털 비디오 데이터를 내용별로 분할하기 위한 최소 단위는 프레임이며, 몇장의 프레임에 의해 하나의 샷이 구성된다. 하나의 샷은 샷 경계에 의해 인접한 샷과 구별되며, 보통 하나의 장면 전환을 표시한다. 하나의 샷을 구성하는 복수의 프레임 중에서 키 프레임은 각 샷 내의 프레임들 중에서 가장 대표적인 프레임으로서, 해당 샷의 내용을 가장 잘 표현한다고 할 수 있는 프레임을 가리킨다. 따라서, 비디오 정보의 데이터 베이스화에 있어서 비디오의 샷 경계 및 키 프레임 정보 검출은 필수적인 기술이다.
비디오 샷 경계 검출이란 비디오에서 연속적으로 주사되는 각각의 프레임에 담겨있는 정보를 사용하여 샷이 전환되는 지점을 찾아내는 것이다. 기존의 연구는 크게 두 가지로 분류된다. 하나는 비디오를 이루고 있는 영상 자체를 이용하여 샷이 전환하는 경계를 찾는 것이고, 다른 하나는 압축된 비디오 정보로부터 복원 과정을 거치지 않거나 최소한의 복원 처리만을 통하여 바로 샷 경계를 추출하는 방법이다. 후자의 방법은 이미 압축된 비디오 정보로부터 후속적인 절차를 통해 샷 경계 및 키 프레임을 검출하므로 시간적인 면에서 비효율적이라는 문제점이 있다. 또한 어쨋든 디지털 카메라로부터 입력되는 데이터를 저장장치에 일단 저장하여야 하므로, 큰 저장장치를 필요로 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래 비디오 요약 기술의 시간적 비효율성 문제점을 해결하기 위하여, 디지털 비디오 카메라로부터 얻어지는 디지털 비디오 데이터를 저장하면서, 실시간으로 얻어지는 비디오 프레임 데이터의 MPEG-7 기술자 특징값을 추출하여 샷 경계 및 키 프레임 정보를 검출하는 방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 디지털 비디오 카메라로부터 입력되는 비디오 데이터 중에서 꼭 필요한 비디오 데이터를 큰 용량의 저장장치를 사용하지 않고서도 저장할 수 있는 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
도 1은 복수의 프레임으로 구성된 디지털 비디오 데이터에서 샷(shot)과 키 프레임(key frame)을 표시한 도면.
도 2는 본 발명에서 디지털 비디오에 대한 실시간 비디오 요약을 위한 시스템 구성도.
도 3은 본 발명에서 디지털 비디오에 대한 실시간 샷 경계 검출 및 키 프레임 검출 방법을 설명하는 흐름도.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의해 복수의 프레임으로 구성된 디지털 비디오 데이터를 실시간 처리에 의해 내용 기반으로 요약하는 방법이 제공된다. 본 발명에서는 먼저 입력되는 현재 프레임의 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하고, 이렇게 추출된 현재 프레임의 MPEG-7 기술자와 이전에 추출되어 저장되어 있던 이전 프레임의 MPEG-7 기술자 사이의 유사도를 측정하며, 측정된 유사도를 소정의 임계값과 비교하여 샷 경계(shot boundary)를 판정한다.
샷 경계를 판정하는 단계는 유사도가 임계값보다 크면 현재 프레임과 이전 프레임 사이를 샷 경계가 아닌 것으로 판정하고, 유사도가 임계값보다 작으면 현재프레임과 이전 프레임 사이를 샷 경계인 것으로 판정한다. 판정된 샷 경계에 의해 정해지는 하나의 샷에서 가장 큰 유사도를 갖는 두 프레임 중 어느 하나를 해당 샷에 대한 키 프레임으로 판정한다. 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하는 단계는 별도로 해당 디지털 비디오 데이터의 저장을 동시에 수행한다.
본 기술은 미리 저장된 비디오에 대해서 샷 경계 검출을 하지 않고, 실시간으로 디지털 비디오 카메라로부터 얻어지는 비디오 데이터에 대해서 샷 경계 및 키 프레임을 검출한다. 따라서, 비디오의 내용 기반 요약에 있어서 기존의 비디오 요약 기술보다 매우 큰 시간적 이득을 얻을 수 있다. 또한 디지털 카메라로부터의 디지털 비디오 데이터의 입력에 대해 바로 샷 경계 및 키 프레임 추출 작업을 수행하는 것이 가능하므로, 디지털 카메라로부터 입력되는 모든 디지털 비디오 데이터를 저장장치에 일단 저장할 필요가 없으며, 필요한 샷 경계 및 키 프레임에 대한 정보만을 저장하면 되므로 큰 저장장치를 사용하지 않을 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 도면에서 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 표시한다.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 비디오에 대한 실시간 비디오 요약을 위한 시스템 구성을 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 카메라 비디오 입력부(100)는 먼저 디지털 비디오 카메라에서 디지털 비디오 프레임 데이터를 읽는다. 이 입력된 디지털 비디오 프레임 데이터는 데이터 버퍼를 통해서 비디오 데이터 저장부(200)로 입력되며, 동시에, 이 입력된 디지털 비디오 프레임 데이터는 비디오 요약부(300)로 입력되어 MPEG-7 기술자(descriptor)이 추출되어 연속된 두 프레임간의 유사도 측정에 이용된다. 이 측정된 유사도에 의해서, 비디오의 샷 경계 및 키 프레임이 검출되고, 그 결과 정보가 기록된다.
상술하면, 카메라 비디오 입력부(100)는 비디오 데이터가 입력되는 비디오 데이터 입력부(110)와 입력된 비디오 데이터를 임시적으로 저장하는 비디오 데이터 버퍼(120)로 구성된다. 그리고, 비디오 데이터 저장부(200)는 비디오 데이터 버퍼부(120)로부터 데이터를 획득하는 비디오 데이터 획득부(210)와, 이렇게 획득한 데이터를 실시간으로 저장하는 비디오 데이터 저장부로 구성된다(220). 마지막으로, 비디오 요약부(300)는 크게 MPEG-7 기술자 추출부(310)와 샷 경계 검출 및 정보 저장부(320)와 키 프레임 추출 및 정보 저장부(330)라는 3개의 부분으로 구성되어 있다. 먼저, 비디오 데이터 버퍼부(120)로부터 디지털 비디오 프레임 데이터가 입력되어 MPEG-7 기술자 추출부(310)에서 MPEG-7 기술자가 추출된다. 여기서, MPEG-7 기술자는 색, 질감, 모양, 물체의 움직임 등의 특징을 표현하는 MPEG-7 표준 기술자에 대한 값이다. 다음에는 이렇게 추출된 MPEG-7 기술자를 이용하여, 샷 경계 검출 및 정보 저장부(320)에서 디지털 비디오의 샷 경계를 검출하여 그 정보를 저장한다. 마지막으로, 키 프레임 추출 및 정보 저장부(330)는 검출된 각 샷 내에서 키 프레임을 검출하여 그 정보를 저장한다.
여기서, 본 발명은 칼라 히스토그램(Color Histogram), 동일 질감(Homogenous Texture), 에지 히스토그램(Edge Histogram) 같은 MPEG-7 기술자를 이용하여 샷 경계 및 키 프레임 검출을 수행한다. 여기서, MPEG-7은 방대한 멀티미디어 데이터의 효율적인 저장 및 검색을 위한 국제 표준이다. MPEG-7 표준은오디오, 음성, 영상, 비디오 등의 멀티미디어 데이터의 특징을 적은 데이터 양으로 효율적으로 표현하는 기술자(Descriptor)와 이런 기술자들의 조합으로 구성되는 기술자 구성안(Descriptor Scheme)으로 이루어진다. 그리고, MPEG-7 기술자는 멀티미디어 데이터가 지니는 내용(색, 질감, 모양, 물체의 움직임 등)에서 특징을 추출하여 특징 벡터 형태로 표현된 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 비디오에 대한 실시간 샷 경계 검출 및 키 프레임 검출 방법을 설명하는 흐름도를 보여준다. 도 3을 참조하면, 비디오 데이터 버퍼로 비디오 데이터를 버퍼링(401)한 후에, 비디오 데이터 버퍼로부터 디지털 비디오 프레임 데이터를 읽는다(403). 이때, 비디오 프레임 데이터가 존재하면 입력된 디지털 프레임 데이터에서 MPEG-7 기술자가 추출된다(405). 이렇게 추출된 MPEG-7 기술자는 다음 수학식 1과 같이 표현된다. 여기서,F t 는 벡터 형태로서 그 구성 요소는f t i 이다. 추출된 MPEG-7 기술자 특징값 벡터는 N개의 구성요소를 갖는다.
F t = (f t 1 , f t 2 , …f t n )
이렇게 생성된 MPEG-7 기술자를 기반으로 샷 경계 및 키 프레임 검출에 이용할 유사도를 측정하게 된다. 우선, 추출된 현재 비디오 프레임 데이터의 MPEG-7 기술자를 다음 프레임 데이터의 기술자와의 유사도 측정을 위해서 메모리에저장한다(407). 그리고, 이전 비디오 프레임 데이터의 MPEG-7 기술자와 현재 비디오 프레임 데이터의 MPEG-7 기술자 사이의 유사도를 측정한다(409). 메모리에 저장되어 있는 이전 비디오 프레임 데이터의 MPEG-7 기술자는 다음 수학식 2와 같이 표현된다. 여기서,F t-1 는 벡터 형태로서 그 구성 요소는f t-1 i 이다. 그리고, N개의 구성요소를 갖는 벡터로 현재 비디오 프레임 데이터와의 유사도 측정에 사용된다.
F t-1 = (f t-1 1 , f t-1 2 , …f t-1 n )
그리고, 이전 비디오 프레임 데이터 특징값과 현재 비디오 프레임 데이터 특징값 사이의 유사도 R은 수학식 3에 의해서 구해진다.
R = 1/d
d = 거리(F t ,F t-1 ) = ∑N i=1｜f i t -f i t-1 ｜
여기서, d는 유사도를 정량적 측정하는 척도이다. 수학식 3은 유사도 측정의 예이고, 이와 같이 유클리디언 거리에 국한하지 않고, 일반적인 두 벡터 사이의 유사도 측정 방법이 유사도 측정을 위해 이용될 수 있다.
다음은 디지털 비디오의 샷 경계를 검출하는 단계이다. 다음 수학식 4와 같이 단계 411에서 구한 유사도가 임계값보다 작으면 해당 비디오 프레임이 샷 경계로 판정하고, 유사도가 임계값보다 작지 않으면 샷 경계가 아닌 것으로판정한다(411). 여기서, T는 유사도 측정 임계값이다. 임계값 T가 커지면 프레임의 비디오 내용이 조금만 바뀌더라도 샷 경계로 판정될 가능성이 커지고, 임계값 T가 작아지면 그 반대이다.
R < T : 샷 경계
R ≥T : 샷 경계 아님
현재 비디오 프레임이 샷 경계로 판정되면 그 정보를 기록하고(413), 샷 경계가 아니면 다음 프레임 데이터에 대해 403 단계부터 다시 수행한다. 그리고, 이 때 비디오 프레임 데이터가 존재하지 않으면 상기 추출된 각 샷 내에서 키 프레임을 검출하고 그 정보를 기록한다(415). 각 샷을 가장 잘 대표하는 비디오를 갖는 프레임이 키 프레임이 되는데, 샷 경계로부터 과도기간이 지난 후의 프레임이 되어야 한다. 키 프레임을 선택하는 방법은 여러가지가 있을 수 있다. 가장 단순하게는 샷 경계로부터 몇 프레임이 지난 프레임을 무조건적으로 키 프레임으로 선택하는 방법이 있으나, 이는 절차가 단순하다는 장점은 있으나 때에 따라서 비디오의 내용을 적절히 반영하지 못한다는 단점이 있다. 본 실시예에서는 각 샷 내의 모든 인접 프레임 쌍에 대해 측정된 유사도 중에서 가장 큰 유사도에 해당하는 프레임의 어느 하나를 키 프레임으로 판정하는 방법을 사용한다. 이러한 방법은 샷 경계의 판정을 위해 이미 측정된 유사도를 이용하므로 절차를 크게 복잡하게 하지 않으면서도 적절히 비디오의 내용을 반영할 수 있다는 장점이 있다.
위에서 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 디지털 비디오 카메라로부터 얻어지는 디지털 비디오 데이터를 저장하면서, 실시간으로 디지털 비디오의 샷 경계 및 키 프레임 정보를 검출함으로써 비디오 요약의 시간적 효율성을 증가시킨다. 또한, 국제 표준인 MPEG-7 기술자를 사용함으로써, 내용 기반 비디오 요약 및 검색을 가능하게 한다. 또한 디지털 카메라로부터 입력되는 데이터 중에서 꼭 필요한 프레임만을 선별하여 저장하는 것이 가능하므로 큰 저장장치를 사용할 필요성이 없는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 복수의 프레임으로 구성된 디지털 비디오 데이터를 실시간 처리에 의해 내용 기반으로 요약하는 방법에 있어서,
    입력되는 현재 프레임의 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하는 단계와,
    상기 추출된 현재 프레임의 MPEG-7 기술자와 이전에 추출되어 저장되어 있던 이전 프레임의 MPEG-7 기술자 사이의 유사도를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 유사도를 샷 경계 판정을 위한 소정의 임계값과 비교하여 샷 경계(shot boundary)를 판정하는 단계를
    구비한 것을 특징으로 하는 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샷 경계를 판정하는 단계는 상기 유사도가 상기 임계값보다 작으면 상기 현재 프레임과 상기 이전 프레임 사이를 샷 경계인 것으로 판정하고, 상기 유사도가 상기 임계값보다 작지 않으면 상기 현재 프레임과 상기 이전 프레임 사이를 샷 경계가 아닌 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정된 샷 경계에 의해 정해지는 하나의 샷에서 가장 큰 유사도를 갖는 두 프레임 중 어느 하나를 상기 샷에 대한 키 프레임으로 판정하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하는 단계는 해당 디지털 비디오 데이터의 저장을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법.
  5. 복수의 프레임으로 구성된 디지털 비디오 데이터를 실시간 처리에 의해 내용 기반으로 요약하는 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 있어서,
    상기 디지털 비디오 데이터의 내용기반 요약방법은
    입력되는 현재 프레임의 디지털 비디오 데이터로부터 MPEG-7 기술자를 추출하는 단계와,
    상기 추출된 현재 프레임의 MPEG-7 기술자와 이전에 추출되어 저장되어 있던 이전 프레임의 MPEG-7 기술자 사이의 유사도를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 유사도를 샷 경계 판정을 위한 소정의 임계값과 비교하여 샷 경계(shot boundary)를 판정하는 단계를
    구비한 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능한 기록매체.
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