KR20040046890A - Implementation method of spatial scalability in video codec - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 동영상 코덱(Video Codec)의 공간 스케일러빌리티(Spatial Scalability) 구현방법에 관한 것으로서, 특히 MPEG4 비디오 표준에서 정의하는 공간 스케일러빌리티를 구현함에 있어서 에러 및 비호환성 비트 스트림에 대한 대응능력을 향상시키고 영상의 품질을 높일 수 있도록 한 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of implementing spatial scalability of a video codec. In particular, the present invention relates to improving the ability to cope with error and incompatible bit streams in implementing the spatial scalability defined by the MPEG4 video standard. The present invention relates to a method for implementing spatial scalability of a video codec to improve image quality.
알려진 바와 같이 일반적으로 동영상 압축 부호화는 DCT, 양자화, 움직임 보상 등의 정보원 부호화를 부호화기에서 수행하고, 다중화 부호화기에서 상기 압축 후의 데이터 포맷을 생성처리하며, 송신 버퍼를 통해 전송 부호화기가 부호화한 상기 영상 정보를 전송한다. 동영상 복호화는 상기 전송된 영상 정보를 전송 복호화기에서 복호화한 후 수신 버퍼를 거쳐 다중 복호화기에서 압축 데이터의 분리 출력을 수행하고 이어서 역DCT(IDCT), 역양자화, 움직임 보상 등의 정보원 복호화를 복호화기에서 수행하여 원 영상을 복원하여 출력하는 프로세스를 거치고 있다.As is known, video compression encoding generally performs encoding of information sources such as DCT, quantization, and motion compensation in an encoder, generates and processes the data format after compression in a multiplex encoder, and encodes the image information encoded by a transmission encoder through a transmission buffer. Send it. Video decoding decodes the transmitted image information in a transmission decoder, and then performs separate output of compressed data in a multiple decoder through a reception buffer, and then decodes information sources such as inverse DCT (IDCT), inverse quantization, and motion compensation. It is going through the process of restoring and outputting the original image.
도1은 일반적인 동영상 부호화기(100a)와 복호화기(100b)의 구성을 개략적으로 보여준다. 부호화기(100a)는 입력된 영상을 블록단위로 처리하여 압축 부호화하며, 이를 위하여 DCT변환부(101), 양자화부(102), 역양자화부(103), 역DCT 변환부(IDCT)(104), 예측 메모리(105)를 포함하고 있으며, 도면에서는 생략되어 있으나 부호화 모드와 양자화율 등에 기초하여 상기 압축 부호화를 제어하는 부호화 제어기가 구비된다. 복호화기(100b)는 입력된 영상을 블록단위로 처리하여 복원하며, 이를 위하여 역양자화부(106), 역DCT 변환부(DCT)(107), 예측 메모리(109)를 포함하고 있으며, 도면에서는 생략되어 있으나 복호화 모드와 양자화율 등에 기초하여 상기 복원 부호화를 제어하는 복호화 제어기가 구비된다.1 schematically shows the configuration of a general video encoder 100a and a decoder 100b. The encoder 100a processes and compresses an input image in block units, and for this purpose, the DCT converter 101, the quantizer 102, the inverse quantizer 103, and the inverse DCT converter (IDCT) 104. And a coding controller for controlling the compression coding based on a coding mode and a quantization rate, although not shown in the drawing. The decoder 100b processes and reconstructs the input image in units of blocks. The decoder 100b includes an inverse quantization unit 106, an inverse DCT transformer 107, and a prediction memory 109. Although omitted, a decoding controller for controlling the reconstruction coding based on a decoding mode and a quantization rate is provided.
도1에 나타낸 바와 같이, 영상을 부호화하기 위해서는 일반적으로, 입력된 영상신호를 DCT 변환부(101)에서 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform)을수행하고, DCT 계수를 양자화부(102)에서 양자화하여 출력하며, 다음 프레임 예측 부호화를 위해서 상기 출력 영상을 역양자화부(103)에서 역양자화하고 역DCT 변환부(IDCT)(104)에서 역DCT 변환하여 영상을 재구성할 수 있도록 하며, 이를 예측 메모리(105)를 이용해서 움직임 보상을 수행하도록 하고 있다. 복호화의 경우는 상기 부호화의 역과정에 해당하며, 역양자화기(106)가 입력 영상신호를 역양자화하고 이를 역DCT 변환부(IDCT)(107)에서 역DCT 변환하여 출력하며 역시 예측 메모리(108)를 이용해서 움직임 보상을 수행하도록 하고 있다.As shown in FIG. 1, in order to encode an image, a discrete cosine transform is performed on the input video signal by the DCT converter 101, and the DCT coefficient is quantized by the quantizer 102. The inverse quantization unit 103 performs inverse quantization on the inverse quantization unit 103 and inverse DCT transformation on the inverse DCT transformer (IDCT) 104 to reconstruct the image. 105) to perform motion compensation. The decoding corresponds to an inverse process of the encoding, in which the inverse quantizer 106 inverse quantizes an input video signal, inversely transforms the inverse DCT by an inverse DCT converter (IDCT) 107, and outputs the prediction memory 108. ) To perform motion compensation.
MPEG4와 같은 비디오 표준에서는 영상의 공간 해상도(Spatial Resolution)를 높이기 위한 공간 스케일러빌리티를 도입하고 있다. 도2는 공간 스케일러빌리티 복호화기(부호화기)의 구성을 보여주며, 도3은 공간 스케일러빌리티의 개념을 도식적으로 보여주고 있다. 공간 스케일러빌리티 복호화기는 기본 계층 디코더(201), 고위 계층 디코더(202), 업샘플링부(203), 스케일러빌리티 프로세서(204)로 이루어진다. 공간 해상도가 낮은 계층을 기본 계층(Base Layer), 높은 계층을 고위 계층(Enhancement Layer)이라고 부르는데, 기본 계층은 통상의 복호화(부호화) 방법을 기반으로 복호화(부호화)된다.Video standards such as MPEG4 introduce spatial scalability to increase the spatial resolution of images. Fig. 2 shows the configuration of the spatial scalability decoder (encoder), and Fig. 3 shows the concept of spatial scalability. The spatial scalability decoder includes a base layer decoder 201, a higher layer decoder 202, an upsampling unit 203, and a scalability processor 204. A layer having a low spatial resolution is called a base layer, and a high layer is called an enhancement layer. The base layer is decoded (encoded) based on a conventional decoding (encoding) method.
이에 비하여 확장 계층에서는 기본 계층의 영상을 업샘플링(upsampling)하여 저해상도 화면의 화소로부터 보간을 통하여 고해상도 화면으로 만들어 고위 계층과 같은 크기의 영상을 만들어내고, 고위 계층의 영상으로부터 뿐만 아니라 보간된 영상으로부터도 예측을 수행함으로써 보다 효율이 높은 복호화(부호화)를 실현하고 있다.On the other hand, in the enhancement layer, upsampling the image of the base layer to make a high resolution image through interpolation from the pixels of the low resolution screen to produce an image of the same size as the high layer, and from the interpolated image as well as from the high layer image By performing the prediction, more efficient decoding (encoding) is realized.
도2 및 도3에 나타낸 바와 같이 복호화기에서는 부호화기에서 보낸 기본 계층(Base Layer) 및 고위 계층(Enhancement Layer)의 비트 스트림을 각각 받게 되어 있다.As shown in Figs. 2 and 3, the decoder receives the bit streams of the base layer and the enhancement layer, respectively, sent by the encoder.
앞서 기술한 바와 같이 기본 계층은 공간 해상도가 낮은 프레임, 예를 들면 QCIF(176 ×144) 해상도의 프레임을 부호화하여 보낸 비트 스트림이고, 고위 계층은 이 보다 공간 해상도를 높인 프레임, 예를 들면 CIF(352 ×288) 해상도의 프레임을 부호화하여 보낸 비트 스트림이다.As described above, the base layer is a bit stream sent by encoding a frame having a low spatial resolution, for example, a QCIF (176 × 144) resolution, and a higher layer is a frame having a higher spatial resolution, for example, CIF ( 352 × 288) is a bit stream sent by encoding a frame having a resolution.
따라서, 복호화 방법을 살펴보면 먼저 기본 계층은 해당 디코더(201)에서 non-scalable 디코딩 방법을 사용하여 복호화하고, 고위 계층은 이를 업샘플링부(203)에서 업샘플링하여 고위 계층과 같은 크기의 영상으로 만들어서 해당 디코더(202)에서 고위 계층의 영상과 상기 업샘플링된 영상을 이용해서 예측을 수행하여 복호화한다.Therefore, referring to the decoding method, first, the base layer is decoded using the non-scalable decoding method in the decoder 201, and the high layer is upsampled by the upsampling unit 203 to make an image having the same size as the high layer. The decoder 202 decodes the prediction by using the higher layer image and the upsampled image.
스케일러빌리티 프로세서(204)는 상기 기본 계층 디코더(201)의 출력(Out_0)과 고위 계층 디코더(202)의 출력(Out_1)을 입력으로 하여 스케일러빌리티 프로세싱을 통해 공간 스케일러빌리티 복호화를 수행하고, 복호화된 해당 출력(Outp_1, Out_0)을 내준다.The scalability processor 204 performs spatial scalability decoding through scalability processing by using the output Out_0 of the base layer decoder 201 and the output Out_1 of the high layer decoder 202 as inputs, and decoded. Gives the corresponding output (Outp_1, Out_0).
그러나, IP 망(Internet Protocol Network) 또는 IMT-2000 무선 망 환경에서 전송되어 온 비트 스트림의 경우는 이러한 고위 계층의 정보가 손실되는 경우가 종종 발생하게 되며, 또한 경우에 따라서 복호화기에서 지원하지 않는 비호환성인 고위 계층 비트 스트림의 경우에는 기본 계층만 가지고 데이터를 복호화해야 하므로공간 해상도를 높이는 공간 스케일러빌리티를 적용할 수 없다는 제약이 따른다.However, in the case of bit streams transmitted in an IP network or an IMT-2000 wireless network environment, such high-layer information is often lost, and in some cases, the decoder does not support the decoder. In the case of incompatible high-layer bit streams, since data must be decoded using only the base layer, there is a constraint that spatial scalability that increases spatial resolution cannot be applied.
따라서, 이와 같은 경우에는 수신단의 재현 영상의 품질이 떨어질 수 밖에 없고, 에러 및 비호환성 비트 스트림에 대한 대응능력이 떨어지게 되어 영상 전화 단말과 같은 시스템에서는 기기의 성능을 제약하는 요인으로 작용하게 되기도 한다.Therefore, in this case, the quality of the reproduced image of the receiver is inevitably degraded, and the ability to cope with errors and incompatible bit streams is deteriorated, which may limit the performance of the device in a system such as a video telephone terminal. .
정리하면, 종래의 공간 스케일러빌리티 구현 방법에서는 비트 스트림 전송 환경에 의해서 고위 계층의 비트 스트림 손실이 발생하는 경우에 대응하기 어렵고, 이에 따라 수신 단말의 성능 제약이 따르며 특히 영상의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.In summary, in the conventional spatial scalability implementation method, it is difficult to cope with a case where a bitstream loss of a higher layer occurs due to a bitstream transmission environment, and accordingly, there is a problem of performance limitation of a receiving terminal and in particular, deterioration of image quality. there was.
본 발명의 목적은 MPEG4 비디오 표준에서 정의하는 공간 스케일러빌리티를 구현함에 있어서, 에러 및 비호환성 비트 스트림에 대한 대응 능력을 증대시키기 위하여 복호화기 내의 에러 처리 루틴 및 일련의 후처리(post-processing) 과정을 통하여 영상의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to implement a spatial scalability defined by the MPEG4 video standard, in order to increase the ability to respond to error and incompatible bit streams, error processing routines and a series of post-processing processes in the decoder. The purpose of the present invention is to provide a spatial scalability implementation method of a video codec to improve the quality of an image.
본 발명은 MPEG4 비디오 표준에서 정의하는 공간 스케일러빌리티를 구현함에 있어서, 입력 비트 스트림에 대하여 고위 계층(enhancement layer)에 해당하는 비트(Bit_1)의 존재 여부 및 호환성을 판단하여, Bit_1이 존재하는 경우는 기존 방법과 동일하게 공간 스케일러빌리티 프로세싱을 수행하고, Bit_1이 존재하지 않는 경우는 기본 계층(base layer)을 업샘플링(upsamlping)하여 출력 영상을 생성하며,선택적으로 상기 영상에 부가적인 후처리(post-processing)를 수행하여 출력 영상의 품질을 높이는 방법으로 공간 스케일러빌리티를 구현하는데 그 목적이 있다.According to the present invention, in implementing the spatial scalability defined by the MPEG4 video standard, it is determined whether the bit Bit_1 corresponding to the enhancement layer is present and compatibility with respect to the input bit stream. Spatial scalability processing is performed in the same manner as the conventional method, and when Bit_1 does not exist, upsampling the base layer to generate an output image, and optionally post-processing additional to the image The purpose is to implement spatial scalability by improving the quality of output image by performing -processing.
도1은 일반적인 동영상 코덱의 개략적인 구성을 나타낸 블록도1 is a block diagram showing a schematic configuration of a general video codec
도2는 기존의 공간 스케일러빌리티 복호화기의 구성을 나타낸 블록도2 is a block diagram showing the configuration of a conventional spatial scalability decoder.
도3은 기존의 공간 스케일러빌리티 복호화를 도식적으로 나타낸 도면3 is a diagram illustrating conventional spatial scalability decoding.
도4는 본 발명의 공간 스케일러빌리티 복호화기의 구성을 나타낸 블록도4 is a block diagram showing a configuration of a spatial scalability decoder of the present invention.
도5는 본 발명의 공간 스케일러빌리티 복호화를 도식적으로 나타낸 도면5 is a diagram illustrating spatial scalability decoding of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
401: 기본 계층 디코더402: 고위계층 디코더401: base layer decoder 402: high layer decoder
403: 판별부404: 업샘플링부403: Determination unit 404: Upsampling unit
405: 스케일러빌리티 프로세서405: scalability processor
본 발명의 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법은, 입력 비트 스트림에 대하여 고위 계층(enhancement layer)에 해당하는 비트 스트림의 존재 여부 및 호환성을 판단하는 단계, 상기 판단 결과 에러 및 비호환성 비트 스트림으로 입력시 기본 계층의 영상신호를 업샘플링하여 출력 영상을 생성하는 단계, 상기 판단 결과 고위 계층에 해당하는 비트 스트림 존재 및 호환성 비트 스트림으로 입력시 고위 계층의 영상신호와 기본 계층의 영상신호를 복호화하여 스케일러빌리티 프로세싱을 수행하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method of implementing spatial scalability of a video codec according to the present invention includes determining whether a bit stream corresponding to an enhancement layer is present and compatibility with respect to an input bit stream, and inputting an error and an incompatible bit stream as a result of the determination. Generating an output image by upsampling a video signal of a time base layer, and as a result of determining the scaler by decoding a video signal of a high layer and a video signal of a base layer when inputting a bit stream corresponding to a high layer and a compatible bit stream Performing capability processing; Characterized in that comprises a.
또한 상기 본 발명의 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법에서, 고위 계층에 해당하는 비트 스트림의 존재 및 호환성에 문제가 없는 경우는 기본 계층 및 고위 계층의 영상에 대하여 스케일러빌리티 프로세싱을 수행하는 것을 특징으로 한다.Further, in the spatial scalability implementation method of the video codec of the present invention, when there is no problem in the existence and compatibility of the bit stream corresponding to the high layer, scalability processing is performed on the video of the base layer and the high layer. do.
또한 상기 본 발명의 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법에서, 상기 업샘플링된 영상에 대하여 부가적으로 후처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for implementing spatial scalability of the video codec of the present invention, the method may further include performing post-processing on the upsampled image.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 동영상 코덱의 공간 스케일러빌리티 구현방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.A method of implementing spatial scalability of a video codec of the present invention made as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도4는 본 발명의 공간 스케일러빌리티 구현방법을 도식적으로 나타낸다. 기본 계층의 디코더(401)와 고위 계층의 디코더(402), 고위 계층에 해당하는 비트 스트림 Bit_1 존재 유무 및 호환성 판별부(403), 업샘플링부(404), 스케일러빌리티 프로세서(405)가 구비된다. 도5는 본 발명에서 에러 및 비호환성 비트 스트림으로 입력시의 높은 해상도 영상의 출력 관계를 보여준다.4 schematically illustrates a method of implementing spatial scalability of the present invention. The decoder 401 of the base layer and the decoder 402 of the higher layer, the presence or absence of the bit stream Bit_1 corresponding to the higher layer, the compatibility determining unit 403, the upsampling unit 404, and the scalability processor 405 are provided. . Figure 5 shows the output relationship of a high resolution image upon input into an error and incompatible bit stream.
상기 도4 및 도5를 참조하여 본 발명에 따른 공간 스케일러빌리티 복호화 방법을 설명한다.4 and 5, a spatial scalability decoding method according to the present invention will be described.
먼저, 입력된 비트스트림에 대하여 고위 계층(Enhancement Layer)에 해당하는 비트 스트림(Bit_1)의 존재 여부 및 호환성을 Bit_1 존재유무 및 호환성 판별부(403)에서 판단한다.First, the existence and compatibility of the bit stream Bit_1 corresponding to the higher layer (Enhancement Layer) with respect to the input bitstream is determined by the presence or absence of the bit_1 and the compatibility determining unit 403.
상기 판단 결과 비트 스트림(Bit_1)이 존재하고 또 그 비트 스트림의 호환성에 문제가 없는 경우는 기존의 공간 스케일러빌리티 복호화 방법과 동일한 과정을 수행한다. 즉, 기본 계층의 비트 스트림에 대해서는 해당 디코더(401)에서 복호화하여 출력(Out_0)을 내고, 고위 계층의 비트 스트림에 대해서는 해당 디코더(402)에서 복호화하여 출력(Out_1)을 내고, 스케일러빌리티 프로세서(405)가 이들을 입력으로 하여 공간 스케일러빌리티 프로세싱을 수행하여 해당 출력(Outp_1, Outp_0)을 낸다.If the bit stream Bit_1 exists as a result of the determination and there is no problem in compatibility of the bit stream, the same process as in the conventional spatial scalability decoding method is performed. That is, the decoder 401 decodes the bit stream of the base layer and outputs the output (Out_0), and the decoder 402 decodes the output (Out_1) of the high-level bit stream and outputs the output (Out_1). 405 uses these as inputs and performs spatial scalability processing to produce corresponding outputs Outp_1 and Outp_0.
여기서 공간 스케일러빌리티 프로세싱의 의미는 저해상도 디스플레이의 경우 기본 계층의 정보만으로 영상을 표시하는 것이고, 고해상도 디스플레이의 경우는 고위 계층 정보와 기본 계층 정보 양쪽 모두를 이용해서 고해상도 영상을 표시하는 것이다.The meaning of spatial scalability processing is to display an image using only base layer information in a low resolution display, and to display a high resolution image using both high layer information and base layer information in a high resolution display.
그러나, 적용되는 응용(Application)에 따라 실제 회로망(Circuit 망)에 의한 채널 에러인 경우는 신텍스 에러(syntax error)일 확률이 높으므로 이를 보정 처리하는 과정을 거친다. IP 망과 같은 패킷 에러인 경우는 비트 스트림 자체 손실 가능성이 많으므로 이러한 경우는 기존방법과 다른 처리를 행하게 된다.However, in the case of a channel error due to an actual circuit (Circuit network) according to the application (Application), it is likely to be a syntax error (syntax error) is subjected to the correction process. In the case of a packet error such as an IP network, there is a high possibility that the bit stream itself is lost. In such a case, a process different from the conventional method is performed.
즉, 기본적으로 기본 계층(Base Layer)에 해당하는 비트 스트림 자체는 non-scalable 방법과 동일하므로 일단 디코더(401)에서 복호화하고, 이 것을 업샘프링부(404)에서 업샘플링(Upsampling) 과정(저해상도 화면의 화소로부터 보간을 통하여 고해상도 화면으로 만드는 과정)을 통하여 높은 해상도의 출력 Outp_1s를 낸다. 그리고, 실제 구현 복잡도를 고려하여 업샘플링된 영상 Outp_1s에 부가적으로 후처리 과정(post-processing)을 통하여 영상 품질의 향상을 기한다.That is, since the bit stream itself corresponding to the base layer is basically the same as the non-scalable method, the decoder 401 first decodes the upstream, and the upsampling process (upsampling) the upsampling process (low resolution). High resolution output Outp_1s through the process of making the high resolution screen through interpolation from the pixel of the screen. In addition, the image quality is improved through post-processing in addition to the upsampled image Outp_1s in consideration of actual implementation complexity.
이와 같은 처리를 함으로써 일단 에러 및 비호환성 스트림 입력 여부에 상관 없이 본 발명이 적용된 동영상 복호화기(디코더)는 항상 일정 품질 이상의 높은 해상도 영상을 제공할 수 있다.By doing this, the video decoder (decoder) to which the present invention is applied can always provide a high resolution image having a certain quality or higher regardless of whether an error or an incompatible stream is input.
도5는 에러 및 비호환성 비트 스트림으로 입력 시 높은 해상도 영상 출력 관계를 나타낸다. 일단 고위 계층(Enhancement Layer)에 대한 정보를 이용하지 않기 때문에 기존의 도2에서 보듯이 P 및 B 픽쳐를 이용하는 대신에, 기본 계층(Base Layer)에 해당하는 정보를 가지고 업샘플링 및 후처리 과정(Upsampling & Post-processing)을 통해 확장된 영상을 구하였다. 즉, 기본 계층의 I 픽쳐 및 P 픽쳐를 가지고 업샘플링/후처리 과정을 행하여 고해상도 출력 영상(Outp_1s)을 생성하였고, 선택적으로 후처리 과정을 통하여 영상 품질의 향상을 기하는 것이다.5 shows a high resolution image output relationship when inputting into an error and incompatible bit stream. Since it does not use information about the enhancement layer, instead of using P and B pictures as shown in FIG. 2, upsampling and post-processing with information corresponding to the base layer (base layer) Extended images were obtained through Upsampling & Post-processing. That is, a high-resolution output image Outp_1s is generated by performing upsampling / post-processing with I pictures and P pictures of the base layer, and selectively improving image quality through post-processing.
본 발명은 MPEG-4 비디오 표준에서 정의하는 공간 스케일러빌리티(Spatial Scalability)를 구현함에 있어서 에러 및 비호환성 비트 스트림에 대한 대응 능력을 최대한 증대시키기 위한 방법을 제안하였다. 즉, 복호화기 내 에러 처리 루틴 및 일련의 후처리 과정을 통하여 영상 품질 향상을 할 수 있는 방법을 제시하였다.The present invention proposes a method for maximizing the ability to cope with error and incompatible bit streams in implementing spatial scalability defined in the MPEG-4 video standard. That is, a method for improving image quality through an error processing routine and a series of post-processing processes in the decoder is presented.
또한, 본 발명의 적용은 IP 및 IMT-2000 무선 망을 통한 공간 스케일러빌리티(Spatial Scalability) 제공 시 에러 및 비호환성 비트스트림 입력 여부에 상관 없이 항상 일정 품질 이상으로 높은 해상도의 영상을 제공할 수 있는 기반을 제공한다.In addition, the application of the present invention can always provide a higher resolution image than a certain quality regardless of whether an error and incompatible bitstream input when providing spatial scalability through IP and IMT-2000 wireless network. Provide the foundation.
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