KR20040046055A - 동영상 전송 비트율 조절방법 - Google Patents

동영상 전송 비트율 조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 IMT-2000과 같은 양방향 신호 전송 시스템에서 정해진 전송 비트율에 따라 적응적으로 프레임 스킵 여부를 판단하고, 이전에 부호화된 프레임당 비트 정보를 이용하여 계산의 복잡성을 줄이면서 영상 품질을 향상시킬 수 있는 동영상 전송 비트율 조절방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 영상 신호를 부호화하는 과정에서 전송 타겟 비트(T)와 전송 프레임율(F)의 정보를 이용하여 각각의 영상 프레임 당 기준 타겟 비트(Ftarget) 값을 계산하는 단계; 상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인가를 판단하는 단계; 상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인 경우에 부호화되는 영상 프레임을 스킵하는 단계; 상기 스킵을 진행하면서, 영상 신호에 대하여 초기 인트라 Q 값에 따라 부호화를 진행하는 단계; 상기 부호화 진행에 따라 부호화된 영상 프레임의 비트 정보(Fout) 값이 영상 프레임 당 전송 비트대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)와 상기 영상 프레임 기준 타겟 비트 값의 곱보다 큰가를 판단하여 큰 경우에는 양의 Q값을 종래의 Q값에 더하여 QP 값을 크게 조절하는 단계; 및 상기 조절된 QP 값에 따라 부호화를 진행하여 영상 신호를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

동영상 전송 비트율 조절방법{METHOD FOR ELECTRICAL TRANSMISSION BIT RATE CONTROL OF MOVING PICTURE}
본 발명은 동영상 전송 비트율 조절방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양방향 신호 전송 채널에서 프레임 스킵과 이전 부호화 영상 프레임의 비트 정보를이용하여 계산을 단순화시키면서 영상 품질을 향상시킬 수 있는 동영상 전송 비트율 조절방법에 관한 것이다.
현재, 그리고 미래의 통신 환경은 유선과 무선의 영역 구분이나, 지역 국가의 구분을 초월할 만큼 급변하고 있으며, 특히 IMT-2000 등으로 대별되는 미래 통신 환경은 영상과 음성은 물론 사용자가 필요로 하는 다양한 정보를 실시간으로, 또는 종합적으로 제공하는 환경으로 구축되어 가는 추세이다.
또한, 개인 휴대 통신 시스템의 발달은 현재 셀룰러폰이나 PCS등에서도 단순히 음성 통신만을 수행하던 차원에서 벗어나서 문자 정보의 전송은 물론, 개인 휴대 통신 단말기를 이용해서 무선으로 인터넷에 접속하거나, TV에서나 보던 동영상들을 송신할 수 있도록 개발되어지고 있다.
특히, 동영상을 디지털 데이터로 가공하여 실시간으로 전송하고 또 이 것을 수신하여 디스플레이 하는 디지털 텔레비전 시스템과, 실시간으로 전송되는 동영상을 IMT2000을 이용한 개인 휴대 단말기 등에서는 필수적인 요소로 자리 잡아 가고 있는 실정이다.
이것은 종래에는 휴대 단말기가 사람의 음성만을 송수신하도록 되어 있었으나, 멀티 미디어의 개발과 디지털 정보처리 기술의 발달로 인하여 음성, 영상등 다양한 정보들을 송신할 수 있게 되었다.
이와 같은 기술이 상용화될 수 있었던 것은 무엇보다도 아날로그 영상 신호를 양자화, 가변장부호화등 특수한 디지털 처리를 한 다음, 이를 디지털 정보에 포함시켜 송신하고, 수신되는 단말기에서는 이를 반대로 디코딩함으로써 빠른 전송속도와 보다 풍부한 정보량을 송수신하도록 한 동영상 압축기술의 발달이 크게 기여하였다.
최근 디지털 신호처리 기술의 발전에 힘입어 제한된 대역폭의 전송 채널을 통해 많은 양의 동영상 정보를 압축, 전송하는 방식들이 개발되어 왔으나, 전송 채널 상의 오류가 발생하면 복원 영상의 화질이 크게 저하되는 문제가 생긴다.
이때 제한된 대역폭을 최대한으로 이용하기 위해 오류 정정 부호를 사용하지 않고, 정상적으로 복원된 주변의 정보들로부터 잃어버린 정보를 보완하여 원 영상에 가깝게 복구하는 오류 은폐 기법들이 연구되고 있다.
특히 MPEG(Moving Picture Experts Group)와 같은 경우 에러(error)가 발생하면 다음 동기 신호인 슬라이스 헤더를 찾을 때까지의 모든 정보를 손실하게 된다. 또한, 움직임 보상 부호화기법을 이용하기 때문에 손상된 부분의 영향이 이후 계속된 여러 장의 프레임에 걸쳐 계속된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전송 비트율을 조절하는 동영상 부호화기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 외부로부터 인가되는 비디오 신호는 외부 전송을 위하여 부호화를 진행하고, 또한 부호화된 영상을 다시 복원하고 저장하여 외부로부터 인가되는 비디오 신호를 계속적으로 부호화하는데, 계산량과 부호화 효율을 높인다.
이와 같은 동영상 부호화기는 외부로부터 전송해오는 비디오 신호를 이산여현변환을 하는 DCT(Discrete Cosine Transform: 1)와, 상기 DCT에서 이산여현변환된 비디오 신호를 주파수 형태로 양자화하는 양자화부(3)와, 상기 양자화부(3)에서 양자화된 영상 프레임의 복원을 위하여 역양자화와 역DCT 변환을 시키는 역양자화부(5), 역DCT(7)와, 양자화된 영상 블록 들을 가변장(엔트로피) 부호화를 하여 외부로 전송하도록 하는 VLC(Variable Length Coding: 10)와, 외부로부터 인가되는 비디오 신호들 중에서 움직임이 발생한 영상에 대하여는 움직임 예측 및 보상을 위한 움직임 예측기(9)와, 상기 움직임 예측을 위하여 참조 영상을 제공하는 영상 메모리(8)와, 상기 양자화부(3)에서 양자화된 영상 프레임의 비트율을 조절하여 전송하는 비트율 컨트롤러(11)로 구성되어 있다.
도면에서는 도시하였지만, 설명하지 않은 12a와 12b는 신호들을 합산하는 가산기를 나타낸다.
상기와 같은 구조를 갖는 동영상 부호화기는 비디오 신호가 최초 영상 프레임인 경우에는 이산여현변환, 양자화를 한 다음, 참조 영상이 부호화되지 않았으므로 자신의 영상 프레임 내에서 영상 블록을 예측할 수 있는 인트라(Intra) 모드 부호화 과정을 진행한다.
하지만, 이후에 입력되는 비디오 신호는 상기 인트라 모드 부호화를 한 영상 프레임을 기준으로 움직임이 발생한 P 픽쳐라고 할 때, 각각의 움직임이 발생한 블록에 대하여 인트라 부호화를 할 것인지, 움직임 예측 값을 구하여 최초 부호화된 영상 프레임 내의 블록 들을 사용하여 영상을 재현할 것인지를 적절히 선택하여 부호화 성능을 높인다.
상기 인트라 모드에 의하여 최초 부호화가 진행된 영상 프레임은 이전 영상프레임이 존재하지 않으므로 자체내에서 예측을 한 후 부호화가 진행된다. 따라서 하나의 영상 프레임에 대한 비트율이 매우 큰 것이 일반적이다.
그리고 상기 인트라 영상 프레임(I-프레임)이후에 오는 영상 프레임은 P 픽쳐라고 하는데, P 픽쳐의 부호화 방법은 움직임 추정에 의하여 이루어지므로 I 프레임에 비하여 상대적으로 작은 비트량으로 부호화가 된다.
인코더에서는 부호화가 진행된 비트스트림을 채널에 따라 적당한 전송 비트율로 보내게되는데, 이를 조절하기 위하여 상기 비트율 컨트롤러(11)가 조절한다. 즉 상기 비트율 컨트롤러(11)는 부호화가되는 영상 프레임의 비트율이 큰 경우에는 영상 프레임 단위 또는 매크로 블록 단위로 양자화 Q 값을 크게 하여 부호화를 줄이거나, 부호화가 된 영상 프레임들의 스킵하는 방식으로 전송 비트율을 맞춘다.
그러나, 종래와 같이 영상 비트율을 조절하는 방식 중에서 Q 값을 크게 하여 부호화 비트를 줄이는 것은 화질 저하를 가져오고, 영상 프레임들의 스킵 방식은 자연스러운 영상을 얻는데 문제가 있었다.
그리고 이와 같은 비트율 조절은 대부분이 영상 내 통계적 특성들을 이용하기 위한 여러 가지 다양한 파라미터 값을 구하고, 이를 적용하여 조절하는데 이를 위해서는 많은 계산량을 필요로 하여 효율성이 떨어졌다.
또한, 제안된 방식들이 영상 전화와 같이 양방향 통신을 위해 전송 딜레이를 줄이기 위해 엄격하게 영상 프레임 당 전송 비트율을 맞추는데 중점을 두고 있기 때문에 IMT-2000과 같은 다양한 정보를 송수신하는 시스템에서는 급격한 전송 비트율 변화에 따라 종래 방식을 적용하기가 곤란한 문제가 있다.
그러므로, IMT-2000 무선망을 통한 MMS(Multimedia Messaging Service), 즉 IMT-2000 단말기를 통하여 영상을 취득하고, 이를 단말 MPEG-4 또는 H.263 비디오 코덱을 이용하여 압축 후, 이를 메시지와 함께 전송하는 응용 분야에 있어서의 비트율 조절방법은 종래와 달리 전송 딜레이 조절이 목적이 아니라, 영상 품질 개선이 더 중요하므로 이의 수정 및 보안이 필요하다.
또한, 적은 계산량을 필요로 하는 IMT-2000 단말과 같은 독립장비에서는 계산적 복잡도를 줄이는 간단한 비트율 조절 방법이 필수적이다.
본 발명은, 음성, 영상 등 다양한 종류의 신호를 양방향으로 송수신하는 통신 분야에서 전송 비트율 조절을 위하여 영상 프레임의 스킵 이용을 최소화하고, 이전 영상 프레임의 비트율 정보를 이용하여 영상 품질 개선과 전송 비트율 조절을 위한 계산량을 줄일 수 있는 영상 전송 비트율 조절방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전송 비트율을 조절하는 동영상 부호화기의 구조를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 동영상 전송 비트율 조절방법을 설명하기 위한 플로챠트.
도 3은 본 발명에 따른 W 값을 조절하여 QP 값들을 나타낸 표.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: DCT3: 양자화부
5: 역양자화부7: 역DCT
8: 영상 메모리9: 모션 예측기
10: VLC11: 비트율 컨트롤러
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 동영상 전송 비트율 조절방법은,
영상 신호를 부호화하는 과정에서 전송 타겟 비트(T)와 전송 프레임율(F)의 정보를 이용하여 각각의 영상 프레임 당 기준 타겟 비트(Ftarget) 값을 계산하는 단계;
상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인가를 판단하는 단계;
상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인 경우에 부호화되는 영상 프레임을 스킵하는 단계;
상기 스킵을 진행하면서, 영상 신호에 대하여 초기 인트라 Q 값에 따라 부호화를 진행하는 단계;
상기 부호화 진행에 따라 부호화된 영상 프레임의 비트 정보(Fout) 값이 영상 프레임 당 전송 비트대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)와 상기 영상 프레임 기준 타겟 비트 값의 곱보다 큰가를 판단하여 큰 경우에는 양의 Q값을 종래의 Q값에 더하여 QP 값을 크게 조절하는 단계; 및
상기 조절된 QP 값에 따라 부호화를 진행하여 영상 신호를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값보다 큰 경우에는 영상 프레임 스킵 과정 없이 부호화를 진행하고, 상기 부호화 진행에 따라 부호화된 영상 프레임의 비트 정보(Fout) 값이 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)와 상기 영상 프레임 기준 타겟 비트 값의 곱보다 작은 경우에는 음의 Q값을 이전 부호화를 할 때 사용하던 Q값에 더하여 QP 값을 작게 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)을 조절하여 부호화 QP 값의 범위를 다양하게 조절할 수 있고, 상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)들 중에서 큰 경우에는 QP 값을 높여서 다음 영상 프레임의 출력 비트를 낮추어 계산량을 감소시키며, 상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)들 중에서 작은 경우에는 QP 값을 낮춰서 다음 영상 프레임의 출력 비트를 높여 전송 비트율에 맞추어 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, IMT-2000과 같은 양방향 송수신 과정에서 정해진 전송 비트율에 따라 적응적으로 프레임 스킵 여부를 판단하고, 이미 부호화된 영상 프레임으로부터 비트 정보를 이용하여 가변적으로 Q값을 조절함으로써 영상 품질을 향상시키고, 부호화 계산량을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 동영상 전송 비트율 조절방법을 설명하기 위한 플로챠트이다.
도 2에 도시된 바와 같이, IMT-2000과 같은 양방향으로 MMS(Multimedia Messaging Service)를 실시하는데, 이때 사용자 측에서는 채널을 통하여 전송하려는 데이터의 분량이 얼마 정보의 비트로 보낼지와 초당 몇장 정도 영상을 보낼지를 결정하는 것이 일반적이다.
이와 같이, 정보 전송에 대한 수치가 초기화되면, 부호화를 진행하면서 영상신호에 대한 전송 타겟 비트(T)값과 전송 프레임율(F)을 기준으로 비트율을 조절하기 위한 기준 타겟 비트(Ftarget=T/F) 계산한다(S201).
상기 기준 타겟 비트(Ftarget)은 영상 신호를 부호화하여 전송할 때 QP 값을 조절하여 전송 비트율을 조절하기 위하여 사용된다.
먼저, 부호화가 진행된 영상 프레임의 데이터 값에 따라 영상 프레임의 스킵 사용 유무를 판단한다(S202). 영상 프레임당 타겟 비트가 하나의 영상 프레임을 부호화하는데 드는 기준 임계 비트(Fthres) 이하인 경우, 즉 하나의 영상 프레임의 데이터 크기가 매우 큰 경우에는 부호화된 영상 프레임을 스킵하지 않고서는 전송 비트율에 맞추어 전송하기가 불가능하기 때문에 스킵을 진행한다(S203).
또한, 하나의 영상 프레임을 부호화 하는데 드는 최소 비트를 기준 임계 비트(Fthres)라하고, 상기 기준 임계 비트(Fthres) 보다 크면, 즉 하나의 영상 프레임의 데이터 크기가 작은 경우에는 전송 영상 프레임에 대하여 스킵을 하지 않는다(S203).
상기와 같이 영상 프레임의 스킵 여부를 기준 임계 비트를 기준으로 정하는 이유는 IMT-2000의 MMS에서 영상 전송을 실시할 때, 자연스러움 영상을 구현할 수 있게 되어 영상 품질을 향상시킬 수 있기 때문이다.
영상 프레임을 부호화기에서 부호화할 때, 각 영상 프레임당 차지하는 부호화 비트(Fout)는 각각의 부호화 과정에서 알 수 있으므로, 영상 프레임당 기준 타겟비트(Ftarget=T/F) 값과 각각의 영상 프레임당 필요한 부호화 비트(Fout)를 비교하여 QP 값을 조절한다.
따라서, 처음 영상 신호가 들어오면, 인트라 모드이므로 초기화된 Q 값을 사용하여 부호화를 진행하고(S205), 다음에 오는 영상 신호는 P 픽쳐이므로 영상 프레임당 부호화 비트 값과 영상 프레임당 기준 타겟 비트값을 비교한다.
(Fout)＞W*(Ftarget=T/F)인지를 판단한다(S206).
여기서 W는 영상 프레임당 전송 비트 대비 출력된 영상 프레임의 많고 적음의 정도를 나타내는 값이다.
상기 (Fout)＞W*(Ftarget=T/F)인 경우에는 하나의 영상 프레임의 데이터량이 많다는 말이므로 QP를 크게 하여 부호화 계산량을 줄인다(S207). 즉, 새로운 Q값에 Q1을 더하여 QP값을 크게 수정한다. QP=Q+Q1로 조정하여 이후 부호화되는 영상의 계산량을 줄인다(S207).
반대로 (Fout)＜W*(Ftarget=T/F)인 경우에는 영상 프레임의 데이터 량이 작아서 전송 비트율보다 적게되어 Q값을 낮추어 부호화 데이터 량을 증가시킨다.
즉, 새로운 Q 값을 -Q2값을 부호화 Q 값에 더해줘서 QP 값의 크기를 낮춘다. QP=Q-Q2로 수정하여 영상 프레임에 대하여 부호화를 진행한다(S209).
그리고, 영상 프레임당 QP 조절만을 진행하여 영상 신호를 부호화하여 전송하고(S208), 영상 프레임에 포함되는 매크로 블록 단위의 QP 조절은 하지 않음으로써, 각각 영상 프레임 당 일정한 화질을 유지하고, 더불어 각 매크로 블록 당 QP 조절을 위한 불필요한 계산량을 줄이도록 하였다(S210).
이로 인하여 부호화를 진행하는 과정에서 계산량을 줄여 부호화 속도가 빨라지게된다.
또한, W값을 다양한 값으로 조절할 수 있도록 하여 QP 값을 다음 영상 프레임을 부호화하기 전에 사용 가능한 QP 값을 1~31사이의 값을 갖한다. 이러한 값을 클립핑하여 사용함으로써 잘못된 QP에 대한 오류를 방지해야한다.
도 3은 본 발명에 따른 W 값을 조절하여 QP 값들을 나타낸 표이다.
도 3에 도시된 바와 같이, (Fout)＞W*(Ftarget=T/F) 공식과 (Fout)＜W*(Ftarget=T/F)에서 각각의 영상 프레임당 차지하는 부호화 비트(Fout) 값과 각각의 영상 프레임당 기준 타겟 비트(Ftarget=T/F)은 부호화 과정에서 알 수 있으므로, W값을 조절함으로써 QP 값을 조절한다.
W 값이 4, 3, 2, 1.75, 1.5, 1.125, 0.3, 0.33, 0.5, 0.57에 따라 QP 값을 조절하기 위하여 기존의 Q 값에 더해지거나 빼지는 새로운(NEW) Q 값(7, 5, 4, 3, 2, 1, -4, -3, -2, -1)을 구하게된다. 그밖에 Q 값은 0으로 한다.
이와 같이 W 값의 조절에 따라 QP 값을 다양하게 조절함으로써 부호화 계산량을 합리적으로 줄이거나 늘려 전송 비트율에 유동적으로 대응할 수 있게되어 양질의 화질을 구현할 수 있게 된다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 동영상을 양방향으로 전송할 때, 영상 프레임의 스킵을 최소화하여 영상 품질을 향상시키고, 데이터 량이 많은 영상 프레임에 대하여는 QP 값을 조절함으로써 부호화 계산량을 줄이도록 하여 효율적으로 전송 비트율을 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 영상 신호를 부호화하는 과정에서 전송 타겟 비트(T)와 전송 프레임율(F)의 정보를 이용하여 각각의 영상 프레임 당 기준 타겟 비트(Ftarget) 값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인가를 판단하는 단계;
    상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값 이하인 경우에 부호화되는 영상 프레임을 스킵하는 단계;
    상기 스킵을 진행하면서, 영상 신호에 대하여 초기 인트라 Q 값에 따라 부호화를 진행하는 단계;
    상기 부호화 진행에 따라 부호화된 영상 프레임의 비트 정보(Fout) 값이 영상 프레임 당 전송 비트대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)와 상기 영상 프레임 기준 타겟 비트 값의 곱보다 큰가를 판단하여 큰 경우에는 양의 Q값을 종래의 Q값에 더하여 QP 값을 크게 조절하는 단계; 및
    상기 조절된 QP 값에 따라 부호화를 진행하여 영상 신호를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산된 영상 프레임 당 기준 타겟 비트 값이 영상 프레임 스킵 결정 기준 타겟 비트(Fthres) 값보다 큰 경우에는 영상 프레임 스킵 과정 없이 부호화를 진행하는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부호화 진행에 따라 부호화된 영상 프레임의 비트 정보(Fout) 값이 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)와 상기 영상 프레임 기준 타겟 비트 값의 곱보다 작은 경우에는 음의 Q값을 이전 부호화를 할 때 사용하던 Q값에 더하여 QP 값을 작게 조절하는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)을 조절하여 부호화 QP 값의 범위를 다양하게 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)들 중에서 큰 경우에는 QP 값을 높여서 다음 영상 프레임의 출력 비트를 낮추어 계산량을 감소 시키는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 프레임 당 전송 비트 대 출력된 영상 프레임 비트 값(W)들 중에서 작은 경우에는 QP 값을 낮춰서 다음 영상 프레임의 출력 비트를 높여 전송 비트율에 맞추어 전송하는 것을 특징으로 하는 동영상 전송 비트율 조절방법.
KR1020020073867A 2002-11-26 2002-11-26 동영상 전송 비트율 조절방법 KR20040046055A (ko)

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