KR20030023815A - 가중치를 이용한 움직임 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상 압축 기술에 관한 것으로, 특히 가중치를 이용한 움직임 추정 장치 및 방법에 관한 것이며, 단색이나 일정한 패턴을 가지는 영상에 대한 움직임 추정의 오류를 방지할 수 있는 움직임 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 기존의 움직임 추정 방법에 대한 압축 효율을 증대하기 위해 현재 영상의 블록에 대한 이전 영상의 해당 블록의 차의 절대값을 합산하여 구하는 차의 절대치 합(Sum of Absolute Deference)에 대해 이전 영상의 블록으로부터 현재 영상의 블록이 움직임 변화가 작은 움직임 추정치 벡터에 대한 내용에 대한 가중치를 설정하도록 하였다. 이 때의 가중치 값은 사용자에 의해 설정되도록 상황에 따라 가변성을 둠으로써 고정 단색의 화면의 경우 화질의 열화는 없으면서 압축 효율을 증대시킨다.

Description

가중치를 이용한 움직임 추정 장치 및 방법{Device and method for motion estimation using weighted value}

본 발명은 영상 압축 기술에 관한 것으로, 특히 가중치를 이용한 움직임 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 동영상 압축을 위해 사용되는 방법으로서, N×M 블록 단위로 이전 영상과 현재 영상을 비교하여 이전 영상 블록으로부터 현재 영상 블록이 얼마나 이동되었는지를 추정하여 움직임 만큼의 좌표의 내용과 현재 영상의 차 성분을 구하여 전송하는 방법을 사용하고 있다. 이 경우, 차성분 만을 전송하기 때문에 영상 압축 효율이 크게 증대된다.

첨부된 도면 도 1은 일반적인 움직임 추정 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 이전 영상의 어느 특정한 범위의 탐색 영역(search resion)을 지정하여 현재의 영상 블록(macroblock)에 관하여 최소의 차를 나타내는 블록에 대하여 움직임 벡터(motion vector, (u, v))를 정하고 선택된 움직임 벡터에 해당하는 데이터(best match)와 현재의 영상 데이터의 차성분만을 전송함으로써 '0'에 가까운 영상 데이터로 만들도록 하여 압축의 효율을 높이고 있다.

SAD(Sum of Absolute Difference)와, 최적의 움직임 벡터(MV)를 구하기 위한 식을 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 나타내었다.

여기서, r(m, n)은 기준 블록(현재 영상 블록)의 데이터를 나타내며, s(m+i, n+j)는 후보 블록(이전 영상의 탐색 영역)의 데이터를 나타낸다. 이때, 해당 블록의 움직임 벡터는 탐색 영역 내의 가능한 모든 후보 블록의 움직임 벡터 중에서 가장 작은 값을 갖는 벡터가 최적의 움직임 벡터가 된다.

도 2는 일반적인 움직임 추정기의 블록 다이어그램이다. 도 2를 참조하면, 이전 영상 데이터를 저장하기 위한 이전 영상 버퍼(10)와, 현재 영상 블록의 데이터를 저장하기 위한 현재 영상 버퍼(11)와, 현재 영상 블록의 데이터와 선택된 탐색 영역에 대한 이전 영상 데이터의 차값을 구하기 위한 다수의 프로세싱 엘리먼트(PE)(15)와, 다수의 프로세싱 엘리먼트(PE)(15)로부터 순차적으로 입력된 차값의 절대값을 취하여 더한 SAD값을 출력하는 SAD 다중화기(13)와, SAD 다중화기(13)로부터 출력된 SAD값 중 가장 작은 SAD값에 해당하는 최적의 움직임 벡터(MVX, MVY)를 출력하기 위한 비교기(14)와, SAD 다중화기(13)와 비교기(14)를 제어하기 위한 제어기(12)를 구비한다.

상기와 같은 움직임 추정 방법은 움직임이나 경계가 뚜렷한 영상에 대해서는정확하게 그 움직임을 탐색하여 영상 블록에 대한 움직임 벡터를 추정할 수 있으나, 단색이나 일정한 패턴을 가지는 배경화면 영상에 대해서는 움직임 추정의 내용이 무의미하게 되는 경우가 발생하게 된다.

즉, 동영상을 촬영하고 있는 카메라가 고정되어 있을 때, 일반적으로 배경화면 등은 움직임 벡터는 (0, 0)으로 움직임이 없다. 그러나, 배경이 고정되어 있다고 할지라도 조명 등의 미미한 변화에도 휘도가 어느 정도 차이가 나기 때문에 (0, 0)의 움직임 벡터가 아닌 (n, m)의 움직임 벡터를 갖는 경우가 흔히 발생하고 있다. 이는 현재 영상을 여러 개의 블록으로 나누고 현재 영상의 한 블록을 중심 좌표하여 이전 영상의 탐색 영역을 설정하여 현재 영상의 블록이 이전 영상의 블록으로부터 이전 영상으로부터 현재 영상의 차성분에 대한 절대치 값의 합을 구하여 제일 작은 값을 갖는 좌표를 움직임 벡터를 추정하기 때문에 배경화면의 경우 거의 대부분의 좌표가 움직임 벡터의 후보가 되기 때문이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단색이나 일정한 패턴을 가지는 영상에 대한 움직임 추정의 오류를 방지할 수 있는 움직임 추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 움직임 추정 방식을 설명하기 위한 도면.

도 2는 일반적인 움직임 추정기의 블록 다이어그램.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임 추정기의 블록 다이어그램.

도 4는 본 발명에 따른 단색 배경 화면에 대한 영상의 움직임 추정 원리를 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명을 적용한 움직임 추정 구현예를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

30 : 이전 영상 버퍼

31 : 현재 영상 버퍼

32 : 제어기

33 : SAD 다중화기

34 : 비교기

35 : 프로세싱 엘리먼트(PE)

36 : 가산기

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 이전 영상 데이터를 저장하기 위한 이전 영상 버퍼; 현재 영상 블록의 데이터를 저장하기 위한 현재 영상 버퍼; 현재 영상 블록의 데이터와 선택된 탐색 영역에 대한 이전 영상 데이터의 차값을 구하기 위한 다수의 프로세싱 엘리먼트; 상기 다수의 프로세싱 엘리먼트로부터 순차적으로 입력된 차값의 절대값을 취하여 더한 SAD값을 출력하는 SAD 다중화기; 상기 SAD 다중화기의 출력에 가중치를 더하기 위한 가산기; 상기 가산기로부터 출력된 값 중 가장 작은 값에 해당하는 최적의 움직임 벡터를 출력하기 위한 비교기; 및 상기 가산기에 가중치를 제공하고 상기 SAD 다중화기 및 상기 비교기를 제어하기 위한 제어기를 구비하는 움직임 추정 장치를 제공한다.

본 발명은 기존의 움직임 추정 방법에 대한 압축 효율을 증대하기 위해 현재 영상의 블록에 대한 이전 영상의 해당 블록의 차의 절대값을 합산하여 구하는 차의 절대치 합(Sum of Absolute Deference)에 대해 이전 영상의 블록으로부터 현재 영상의 블록이 움직임 변화가 작은 움직임 추정치 벡터에 대한 내용에 대한 가중치를 설정하도록 하였다. 이 때의 가중치 값은 사용자에 의해 설정되도록 상황에 따라 가변성을 둠으로써 고정 단색의 화면의 경우 화질의 열화는 없으면서 압축 효율을 증대시킨다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임 추정기의 블록 다이어그램이다.도 3을 참조하면, 이전 영상 데이터를 저장하기 위한 이전 영상 버퍼(30)와, 현재 영상 블록의 데이터를 저장하기 위한 현재 영상 버퍼(31)와, 현재 영상 블록의 데이터와 선택된 탐색 영역에 대한 이전 영상 데이터의 차값을 구하기 위한 다수의 프로세싱 엘리먼트(PE)(35)와, 다수의 프로세싱 엘리먼트(PE)(35)로부터 순차적으로 입력된 차값의 절대값을 취하여 더한 SAD값을 출력하는 SAD 다중화기(33)와, SAD 다중화기(33)의 출력에 가중치(WEIGHT)를 더하기 위한 가산기(36)와, 가산기(36)로부터 출력된 값 중 가장 작은 값에 해당하는 최적의 움직임 벡터(MVX, MVY)를 출력하기 위한 비교기(34)와, 가산기(36)에 가중치(WEIGHT)를 제공하고 SAD 다중화기(33)와 비교기(34)를 제어하기 위한 제어기(32)를 구비한다.

즉, 본 발명에서는 기존의 일반적인 움직임 추정기에 SAD 다중화기(33)의 출력에 가중치(WEIGHT)를 더하기 위한 가산기(36)를 더 부가하였다.

본 발명에 적용되는 최적의 움직임 벡터를 추정 원리는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 이전 영상과 현재 영상과의 차값을 합산할 때 움직임 벡터가 작은 내용에 대해 적절한 가중치를 설정하여 압축 효율을 증대시킨다. 즉, 본 발명에서는 움직임 추정을 위해 벡터 (0, 0)에 가장 작은 값을 SAD에 더하고 (0, 0)으로부터 멀어지는 벡터에 대해 더 큰 가중치를 더함으로써 움직임이 있는 사물에 영향을 주지 않으면서 단색 배경화면에 효율이 좋은 알고리즘을 제공한다.

도 4는 본 발명에 따른 단색 배경 화면에 대한 영상의 움직임 추정 원리를 설명하기 위한 도면으로, 이정 영상 프레임에서 배경화면에 탐색 영역을 설정한 경우 SAD값이 작은 후보들 중에서 현재 영상 프레임의 움직임 벡터 (0, 0)에 가까운 최적의 블럭을 추정하는 과정을 나타내고 있다.

도 5는 본 발명을 적용한 움직임 추정 구현예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 수학식 1 및 수학식 2에 따른 일반적인 움직임 벡터의 추정은 SAD(-8,-8) = 70, SAD( 0, 0) = 109로 나타나며, 상기 수학식 3을 적용하는 경우(W = 4), SAD(-8, -8) = 70 + 16 * 4 = 134, SAD( 0, 0) = 109 + 0 * 4 = 109로 나타난다.

위의 결과로 보면 움직임 벡터의 값을 MV (-8, -8)로 설정해야 올바른 움직임 추정이 되어야 할 것 같으나, 실제 구현에 대해서는 수학식 3을 이용하여 움직임 벡터의 값을 MV (0, 0)로 구성하는 경우가 화질의 열화 없이 압축 효율을 높일 수 있다. 다음은 ITU-T H.263 표준안에 따른 구현 예이다.

상기 수학식 3에 의해 구성된 움직임 추정에서 배경화면에 관련된 내용을 살펴보면 영상 압축에 사용되는 양자화기를 거치면(양자화 계수를 8 이라고 가정) 위의 두 케이스의 값이 모두 0의 값을 갖는다. 결과적으로, 주변 움직 벡터들의 차에 따라 압축률이 결정된다.

이 때, 움직임 벡터의 차가 0 일때와 -8 일때를 비교한 압축 비트 수를 계산하면 다음과 같다.

가) 0, 0 일 경우

A. COD = '1'을 1로 표현하여 1 비트로 384 Byte를 표현

나) 8, -8 일 경우 (총 26 비트)

A. COD = '0'

B. MCBPC = '1'

C. CBPY = '11'

D. MVDX = '00000011001'

E. MVDY = '00000011001'

따라서, 본 발명에 따르면 1 Bit과 26 Bits로 압축률의 효율을 증대할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 본 발명은 기존에 비해 화질의 열화가 없으면서 SAD 계산 수식에 변형을 줌으로써 허프만(Huffman) 코딩시의 압축효율을 증대할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 이전 영상 데이터를 저장하기 위한 이전 영상 버퍼;

   현재 영상 블록의 데이터를 저장하기 위한 현재 영상 버퍼;

   현재 영상 블록의 데이터와 선택된 탐색 영역에 대한 이전 영상 데이터의 차값을 구하기 위한 다수의 프로세싱 엘리먼트;

   상기 다수의 프로세싱 엘리먼트로부터 순차적으로 입력된 차값의 절대값을 취하여 더한 SAD값을 출력하는 SAD 다중화기;

   상기 SAD 다중화기의 출력에 가중치를 더하기 위한 가산기;

   상기 가산기로부터 출력된 값 중 가장 작은 값에 해당하는 최적의 움직임 벡터를 출력하기 위한 비교기; 및

   상기 가산기에 가중치를 제공하고 상기 SAD 다중화기 및 상기 비교기를 제어하기 위한 제어기

   를 구비하는 움직임 추정 장치.