KR20040029029A - 비디오 프레임의 필드들을 부가 - Google Patents

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KR20040029029A
KR20040029029A KR10-2004-7002726A KR20047002726A KR20040029029A KR 20040029029 A KR20040029029 A KR 20040029029A KR 20047002726 A KR20047002726 A KR 20047002726A KR 20040029029 A KR20040029029 A KR 20040029029A
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조한 씨. 탈스트라
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

일부 비디오 처리 응용들에 대해, 즉 가장 현저한 워터마크 검출(40)에 대해, 프레임을 구성하는 2개의 인터레이스된 필드들(의 부분들)을 부가하거나 평균할 필요가 있다. 이 동작은 프레임-인코딩된 DCT 블록들의 존재에 기인하여 MPEG 도메인에서 사소한 것이 아니다. 본 발명은 프레임 메모리 또는 온-더-플라이 역 DCT를 요구하지 않고 필드들을 부가하는 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 목적을 위하여, 역 수직 DCT(321) 및 부가(322)의 수학적으로 요구되는 동작들이 기초 변환(323)으로 결합된다. 이 기초 변환은 결합된 동작이 스팔스 매트릭스(32)와의 곱에 의해 물리적으로 대체되도록 선택된다. 상기 스팔스 매트릭스 곱은 온-더-플라이로 쉽게 실행될 수 있다. 역 기초 변환(35)은 요구되는 부가(33,34)가 완료된 후 까지 연기된다.

Description

비디오 프레임의 필드들을 부가{Adding fields of a video frame}
일부 비디오 처리 응용들은 부가될 또는 평균화될 인터레이스 비디오 프레임의 두 개의 필드들을 요구한다. 그러한 응용들의 실시예는 워터마크 검출이다. 국제 특허 출원 WO-A-99/45705호는 동일한 워터마크가 비디오 신호의 연속적인 필드들에 삽입되는 비디오 워터마킹 시스템을 개시한다. 이 시스템의 워터마크 검출기는 다수의 프레임들 상에 필드들을 축적하고 그래서 비디오 신호는 0으로 평균되고 반면에 워터마크는 구조적으로 부가된다.
인터레이스된 비디오 프레임의 2개의 필드들을 부가하는 것(또는 평균하는 것)은 픽셀 도메인에서는 사소한 것이지만, 디지털 (MPEG) 도메인에서는 사소한 것과 거리가 멀다. 그 이유는 MPEG 인코더들이 인코딩 전에 프레임의 필드들을 결합했을 수 있고 홀수와 짝수 필드들로부터 정보를 포함하는 DCT 블록들로 소위 프레임_화상들을 생성할 수 있기 때문이다.
도 1 및 2는 본 발명에 존재하는 문제를 도시하는 블록다이어그램을 보여준다. 도 1은 인코딩 화상들의 MPEG의 모드들 중 하나를 보여준다. 이 인코딩 모드에서, 프레임_인코딩된 메크로블록들을 갖는 프레임_화상들로 알려진 두 개의 필드들(11 및 12)이 2개의 필드들로부터 라인들을 인터레이스하여 프레임(13)에 같이 결합된다. 두 필드들은 삽입된 동일한 워터마크(W)를 갖는다. 그러면 프레임은 이산 코사인 변환(DCT)을 겪게되며, 이는 8X8픽셀들의 블록들을 8X8 계수들의 블록들로 변환한다. 4개의 DCT 블록들은 메크로블록(14)을 집합적으로 구성한다. 각각의 DCT 블록은 제 1 필드(11)로부터 픽셀들의 반과 제 2 필드(12)로부터의 픽셀들의 반을 나타낸다.
DCT가 선형 변환이기 때문에, DCT-계수들을 부가하는 것의 효과는 대응하는 픽셀들을 부가하는 것과 동일하다. 따라서, 워터마크 검출기에 의해 수행된 프레임들의 축적은 DCT 도메인내에서 수행될 수 있을 것이다. 역 DCT는 축적이 완료된 후 까지 연기될 수 있을 것이다. 그러나 축적은 프레임-기반 메모리를 요구한다. 따라서, 128X128 워터마크 패턴들이 각각의 필드 상에 타일(tiled)된 WO-A-99//45705에 개시된 시스템의 워터마크 검출기는 256X128 버퍼를 요구한다.
두 필드들을 부가하는 또 다른 사소한 방법은 도달할 때 매 블록들 상에 역 DCT를 수행하고 그후 홀수 라인들을 짝수 라인들에 부가하고, 메모리에 결과를 저장하는 것이다. 이 옵션은 필드-기반 메모리(즉, 워터마크 검출기 내에 128??128 버퍼)만을 요구하지만, 매 DCT 블록 상에 온-더-플라이 역 DCT 변환을 요구하며,이것은 구현의 측면에서 매력적이지 않다.
도 2는 인코딩 화상들의 MPEG의 모드들 중 또 다른 하나를 보여준다. 이 인코딩 모드에서, 필드_인코딩된 메크로블록들을 갖는 프레임_화상들로 알려진 두 개의 필드들(11 및 12)이 제 1 필드(11)로부터 8개의 연속적인 라인들을 취하고 그 뒤에 제 2 필드(12)로부터 동일한 8 라인들을 취하여 프레임(15)에 같이 결합된다. 이 프레임은 DCT 변환된다. 4개의 DCT 블록들은 메크로블록(16)을 집합적으로 구성한다. 이 인코딩 모드에서, 메크로블록은 한 필드로부터의 블록들과 다른 필드로부터의 블록들을 포함하지만 하나의 DCT 블록에 의해 나타나는 모든 픽셀들은 동일 필드로부터이다. DCT가 선형 변환이기 때문에, DCT-계수들을 부가하는 효과는 대응하는 픽셀들을 부가하는 것과 같다. 따라서, 각각의 메크로블록(16)의 두 개의 수직적으로 인접하는 DCT 블록들은 DCT 도메인에 같이 부가될 수 있다. 이 동작은 필드-기반 메모리를 요구한다. 이 역 DCT는 모든 프레임들의 축적이 완료된 후까지 연기될 수 있다. 그러나, 이 직접적인 해법은 프레임-인코딩된 메크로블록들의 필드들을 부가하는 위에 언급된 해법들과 쉽게 결합될 수 없다.
실무에서, MPEG 프레임 화상들은 프레임-인코딩된 메크로블록들과 필드-인코딩된 메크로블록들의 혼합을 포함한다. 이 메크로블록들의 대다수는(70..85%) 프레임 인코딩된다. 따라서 기술적으로 가장 무딘 상황이 또한 가장 보편적인 것이다.
본 발명은 이미지 변형에 의해 얻어진 프레임 인코딩된 변형 블록들의 형식으로 수신된 인터레이스 비디오 프레임 이미지의 필드 이미지들을 부가하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 복수의 인터레이스 비디오 프레임들의 필드들 내에 삽입된 워터마크를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1 및 2는 본 발명을 배경으로 한 문제를 도시하기 위한 다이어그램들을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따라 프레임-인코딩된 메크로블록들을 축적하기 위한 장치의 개략적인 다이어그램을 보여준다.
도 4는 본 발명에 따라 프레임-인코딩된 블록들과 필드-인코딩된 블록들의혼합을 축적하기 위한 장치의 실시예의 개략적인 다이어그램을 보여준다.
발명의 목적 및 요약
본 발명의 목적은 위에 언급한 문제들을 경감하는 인터레이스된 비디오 이미지 프레임의 필드들을 부가하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들을 성취하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 역 이미지 변환, 필드 부가, 및 미리 정해진 기초 변환을 나타내는 스팔스 매트릭스(sparse matrix)로 프레임-인코딩된 블록들을 곱하는 단계; 및 상기 곱의 결과가 상기 미리 정해진 기초 변환의 역을 겪도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명은 역 DCT와 필드 부가의 동작들이 상기 기초 변환의 역에 의해 다음에 원상태가 되는 기초 변환이 뒤따를 수 있다는 수학적 통찰을 이용한다. 조립된 동작들(역 DCT, 필드 부가, 및 기초 변환)은 이제 단일 매트릭스 곱에 의해 물리적으로 대체된다. 이 기초 변환은 상기 매트릭스 곱이 스팔스 매트릭스 즉, 드문 비-0 요소들을 갖는 매트릭스와의 곱이 되도록 선택된다. 스팔스 매트릭스 곱은 온-더-플라이에서 수행되지만, 온-더-플라이 역 DCT보다 구현하기가 더 쉽다. 이 방법은 필드-기반 메모리 만을 요구한다. 본 발명의 또 다른 중요한 장점은 역 기초 변환의 실행이 모든 프레임들(워터마크 검출에 대해 20 정도)이 필드 메모리에 축적된 후 까지 연기될 수 있다는 것이다.
양호한 실시예들의 설명
도 3은 본 발명의 방법에 따른 복수의 프레임-인코딩된 메크로블록들을 축적하는 장치의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 이 장치는 8X8 프레임-인코딩된 DCT 블록(31)(즉, 도 1에 14로 표시된 메크로블록으로부터의 블록들 중 하나)을 수신한다. DCT 블록은 8X4 스팔스 매트릭스(V2)로 곱해진다(32). 이 곱은 중간값들의 8X4 블록을 생산하고, 이는 두 개의 필드들의 합을 나타낸다. 부가기(33) 및 메모리(34)는 문제의 응용(예를 들어 워터마크 검출)에 대해 필요한 만큼 많은 중간 블록들을 축적한다. 이 축적을 완료하면, 축적된 블록들은 매트릭스(U0)로 곱(35)에 의해 역 기초 변환을 다음으로 겪게된다. 마지막으로, 실제 응용(여기서 워터마크 검출(40))이 수행된다.
도 3에서의 축적 메모리(34)는 8X8 메모리(도면에서, 각각의 요소는 예를 들어 8X8, 8X4, 또는 4X4의 실제 매트릭스 사이즈를 갖는 비율로 그려졌음)임을 주의하라. 실무에서, 두 메모리들(34)이 요구되며, 하나는 메크로블록의 상부 DCT 블록으로부터 유도되는 4라인들을 축적하기 위한 것이며, 또 하나는 대응하는 하부 DCT 블록으로부터 유도되는 4 라인들을 축적하기 위한 것이다. 총괄적으로, 이들은 필드-기반 메모리(즉, 워터마크 검출의 경우에 128X128 버퍼)를 구성한다.
도 3에서 점선들로 보여주기를 시도한 것과 같이, 매트릭스(V2)는 3개의 수학적 동작들의 조합을 요구한다. 제 1 및 제 2 동작들은 각각 역 DCT(321) 및 두 개의 필드들의 합(322)이다. 시작 부분에서 설명한 바와 같이, 각각의 수신되는 DCT 블록에 대해 역 DCT를 물리적으로 수행하는 것은 매력적이지 않다. 본 발명의 장치는 두 개의 동작들(321 및 322)의 결과를 수학적으로 기초 변환(323)을 겪게하여 이것을 피한다. 이 기초 변환은 도 3에서으로 나타낸다. 비관습적 개념()은 기초 변환 자체에 대해 본 특허 출원에서 사용되고, 개념()은 역 기초 변환에 대해 사용된다. 그 이유는 기초 변환(323)이 수학적 개념만이고, 역 기초 변환(35)이 장치에 의해 물리적으로 실행되기 때문이다.
또한, 본 발명은 역 DCT(321)가 수직 방향에서만 수행될 필요가 있다는 통찰을 유리하게 이용한다. 역 수평 DCT(응용(40)이 픽셀 도메인내에서 축적된 필드들을 처리하기에 필요하다면 필요함)는 역 기초 변환(35)의 완료 후 까지 연기될 수 있다. 따라서, 역 DCT 동작(321)은 매트릭스()로 DCT 블록(31)을 곱하여 수행된다. 후자의 매트릭스는 잘 알려진 8-포인트 DCT의 역이다:
도 3에서 매트릭스(S)는 홀수 및 짝수 라인들의 합의 매트릭스 표현이다:
물리적으로 3개의 매트릭스들(, S, 및)을 대체하는매트리스(V2)는 다음과 같이 수학적으로 표현될 수 있다:
기초 변환()은 역 변환()이 존재한다면 임의로 선택될 수 있다. 본 발명은 기초 변환을 선택하는데 있으며 이로서 매트릭스(V2)가 스팔스이며 즉, 많은 0들을 갖는다. 본 발명의 발명자들은 기초 변환
이
현명한 선택임을 발견하였으며, 여기서 D4는 4-포인트 DCT(식 1을 보라)이다. 이 선택은 다음의 매트릭스의 결과가 된다:
매트릭스(V2)는 극도로 스팔스하다. DCT 블록(31)과 곱은 DCT 계수 당 단지 하나의 곱을 요구하고, 이것은 온-더-플라이에 의해 쉽게 이루어질 수 있다. 이것보다 더 적은 비-0들을 갖는 매트릭스가 존재한다는 것을 알 수 있다.
시작 부분에서 이미 언급한 바와 같이, MPEG의 프레임-인코딩된 화상들은 프레임-인코딩된 메크로블록들(도 1)과 필들-인코딩된 메크로블록들(도 2)의 혼합으로 일반적으로 구성된다. 메모리(34)에 축적된 V2-변환된 프레임-인코딩된 블록들에 필드-인코딩된 블록들을 직접 부가하는 것은 불가능한데, 그 이유는 이들이 다른 기초들에 존재하기 때문이다. 이것은 동일한 프레임의 다른 블록들이 같이 부가될 필요가 있는 때 또는 복수의 프레임들이 같이 부가될 필요가 있을 때(두 경우들은시작 부분에서 언급한 워터마크 검출기에서 발생함) 문제를 발생시킨다.
도 4는 본 발명에 따라 프레임-인코딩된 블록들과 필드-인코딩된 블록들의 혼합을 축적하도록 구성된 장치의 실시예의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 이 실시예에서, 필드-인코딩된 DCT 블록들(36)은 추가의 매트릭스(V1)로 그들을 곱(37)하여 V2-변환된 프레임-인코딩된 DCT 블록들(31)과 동일한 기초로 변환된다. 일관성을 위해, 매트릭스(V1)는 다음과 같아야 한다:
여기서 D4는 4-포인트 DCT 변환(식 (1)을 보라)이며, O4는 4X4 0-매트릭스이다. 불행히도 매트릭스(V1)는 상당히 스팔스한 것은 아니다. 그러나, 이것은 다음에 의해 근사화될 수 있다:
이것이 DCT 계수마다 하나의 곱을 요구한다는 점에서 이는 스팔스하다(모든 곱들은 사인까지 동일함).
식(3)에서의 적절한 정의 대신에 식(4)의 V1-매트릭스를 사용하는 것은 DCT 계수들의 균일한 분배를 가정하면, 프레임-인코딩된 메크로블록들에서 85%의 에너지를 획득한다.
본 발명의 발명자들은 기초 변환()을 약간 변경하여 이보다 더 좋게 하는 것이 가능하고 이로써 비록 그 결과로서 일부 프레임-인코딩된 에너지가 손실되더라도 더 많은 필드-인코딩된 에너지가 획득된다는 것을 발견하였다. 프레임-인코딩된 메크로블록들에서 보다 프레임-인코딩된 메크로블록들에서의 에너지가 상당히 많다고 가정하면, 대응하는 매트릭스들(V2및 V1)은:
여기서 αk는 식(2)에서와 같고, ai및 bi들은 비디오 이미지 통계들에 따라 선택된다. 다음의 식으로, ai및 bi가 프레임-인코딩된 DCT 블록들의 칼럼들의 I 번째 DCT 계수의 변형()과 필드-인코딩된 DCT 블록들의 칼럼들의 I 번째 DCT 계수의 변형()을 갖는 비디오 시퀀스들에 대해 계산될 수 있다:
일반적으로, ai및 bi들은 1에 가깝기 때문에, 매트릭스들은 식들 2 및 4에 정의된 것들과 실질적으로 닮는다.
본 발명은 다음과 같이 요약될 수 있다. 일부 비디오 처리 응용들에 대해, 즉 가장 현저한 워터마크 검출(40)에 대해, 프레임을 구성하는 2개의 인터레이스된 필드들(의 부분들)을 부가하거나 평균할 필요가 있다. 이 동작은 프레임-인코딩된 DCT 블록들의 존재에 기인하여 MPEG 도메인에서 사소한 것이 아니다. 본 발명은 프레임 메모리 또는 온-더-플라이 역 DCT를 요구하지 않고 필드들을 부가하는 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 목적을 위하여, 역 수직 DCT(321) 및 부가(322)의 수학적으로 요구되는 동작들이 기초 변환(323)으로 결합된다. 이 기초 변환은 결합된 동작이 스팔스 매트릭스(32)와의 곱에 의해 물리적으로 대체되도록 선택된다. 상기 스팔스 매트릭스 곱은 온-더-플라이로 쉽게 실행될 수 있다. 역 기초 변환(35)은 요구되는 부가(33,34)가 완료된 후 까지 연기된다.

Claims (9)

  1. 이미지 변환(DCT)에 의해 얻어진 프레임-인코딩된 변환 블록들의 형식으로 수신되는 인터레이스된 비디오 프레임 이미지의 필드 이미지들을 부가하는 방법에 있어서,
    상기 이미지 변환의 역(), 필드 부가(S), 및 미리 정해진 기초 변환()을 나타내는 스팔스 매트릭스(V2; sparse matrix)로 상기 변환 블록들을 곱하는 단계; 및
    곱해진 변환 블록들이 상기 미리 정해진 기초 변환의 역()을 겪게되는 단계를 포함하는, 필드 이미지들을 부가하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터레이스된 비디오 프레임 이미지는 MPEG 인코딩된 프레임으로서 수신되며; 상기 스팔스 매트릭스(V2)는 실질적으로 다음과 동일하며,
    상기 기초 변환은 4-포인트 이산 코사인 변환인, 필드 이미지들을 부가하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터레이스된 비디오 프레임은 프레임-인코딩된 변환 블록들과 필드-인코딩된 변환 블록들의 혼합으로서 수신되며, 상기 방법은 상기 필드-인코딩된 변환 블록들을 추가의 매트릭스(V1)와 곱하는 단계와 곱해진 필드-인코딩된 변환 블록들을 곱해진 프레임-인코딩된 변환 블록들에 부가하는 단계를 더 포함하는, 필드 이미지들을 부가하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 추가 매트릭스(V1)는
    이며,
    여기서 D4와 D8은 각각 4-포인트 및 8-포인트 이산 코사인 변환인, 필드 이미지들을 부가하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 추가 매트릭스(V1)는 실질적으로,
    와 동일한, 필드 이미지들을 부가하는 방법.
  6. 이미지 변환(DCT)에 의해 얻어진 프레임-인코딩된 변환 블록들(14,31)의 형식으로 수신되는 인터레이스된 비디오 프레임 이미지(13)의 필드 이미지들(11,12)을 부가하는 장치에 있어서,
    상기 이미지 변환의 역(321), 필드 부가(322), 및 미리 정해진 기초 변환(323)을 나타내는 스팔스 매트릭스(V2)로 상기 변환 블록들을 곱하는 수단(32); 및
    곱해진 변환 블록들이 상기 미리 정해진 기초 변환의 역()을 겪게하는 수단(35)을 포함하는, 필드 이미지들을 부가하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 인터레이스된 비디오 프레임은 프레임-인코딩된 변환 블록들(14,31)과 필드-인코딩된 변환 블록들(16,36)의 혼합으로서 수신되며, 상기 장치는 상기 필드-인코딩된 변환 블록들을 추가의 매트릭스(V1)와 곱하는 수단(37)과 곱해진 필드-인코딩된 변환 블록들을 곱해진 프레임-인코딩된 변환 블록들에 부가하는 수단(33)을 더 포함하는, 필드 이미지들을 부가하는 장치.
  8. 이미지 변환(DCT)에 의해 얻어진 프레임-인코딩된 변환 블록들(14,31)의 형식으로 수신되는 복수의 인터레이스된 비디오 프레임들의 필드들에 삽입된 워터마크를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 이미지 변환의 역(), 필드 부가(S), 및 미리 정해진 기초 변환()을 나타내는 스팔스 매트릭스(V2)로 상기 변환 블록들을 곱하는 단계;
    버퍼(34)에 곱해진 변환 블록들 중 공간적으로 대응하는 것들을 축적하는 단계(34);
    축적된 곱해진 변환 블록들이 상기 미리 정해진 기초 변환의 역()을 겪게되는 단계; 및
    상기 버퍼내의 상기 워터마크를 검출하는 단계를 포함하는, 워터마크를 검출하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인터레이스된 비디오 프레임은 프레임-인코딩된 변환 블록들과 필드-인코딩된 변환 블록들의 혼합으로서 수신되며, 상기 방법은 상기 필드-인코딩된 변환 블록들을 추가의 매트릭스(V1)와 곱하는 단계와 상기 버퍼(34)내에 곱해진 필드-인코딩된 변환 블록들 중 공간적으로 대응하는 것들을 축적(33)하는 단계를 더 포함하는, 워터마크를 검출하는 방법.
KR10-2004-7002726A 2001-08-24 2002-08-05 비디오 프레임의 필드들을 부가 KR20040029029A (ko)

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