KR20040046892A - 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동영상 부호화/복호화기에서 움직임 벡터의 예측 부호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.
본 발명은 동영상 압축 부호화를 위한 움직임 벡터의 예측에 있어서, 매크로 블록 타입을 기 정의된 종류별로 판별하는 단계, 상기 판별된 매크로 블록 타입에 따라 각각 다른 움직임 벡터 예측 모듈을 통해서 움직임 예측을 수행하는 단계 및, 상기 각각의 모듈을 통해서 예측된 움직임 벡터를 기반으로 움직임 보상 및 부호화/복호화를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명은 매크로 블록 타입에 최적화된 각각의 모듈별로 구분하여 최적화된 매크로 블록 움직임 벡터 예측을 수행하기 때문에 부호화 성능은 그대로 유지하면서 계산량을 줄일 수 있는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 제공할 수 있다.

Description

움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법{METHOD OF VIDEO CODING AND DECODING FOR MOTION VECTOR PREDICTION}
본 발명은 동영상 압축 부호화/복호화 시스템에서, 차세대 영상 통신 규약으로 표준화를 이루고 있는 H.26L에서 움직임 벡터 예측(Motion Vector Prediction)을 적은 계산량을 필요로 하는 IMT-2000 VOD 서비스용 단말에서 구현하기 위한 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 움직임 예측 부호화/복호화를 수행함에 있어, 매크로 블록 타입을 움직임 예측 부호화/복호화 알고리즘의 특성(인접 후보 벡터의 이용 확률)과 해당 함수(모듈)의 실제 수행 빈도 수에 따라 몇 가지 종류(group)로 구분하고, 각각의 매크로 블록 모드에 따라 최적화된 여러 개의 움직임 벡터 예측 모듈로 나누어 움직임 예측을 수행하도록 함으로써, 부호화 성능은 그대로 유지하면서 계산량을 줄일 수 있도록 한 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.
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.
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), 역DCT변환부(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.
도1에 나타낸 바와 같이, 영상을 부호화하기 위해서는 일반적으로, 입력된 영상신호를 DCT 변환부(101)에서 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform)을 수행하고, 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.
상기 영상 부호화 및 복호화기에서 예측 부호화란 어떤 화소의 신호치를 인접한 신호치 또는 다른 시간(통상, 이전 프레임)의 신호치로 나타내는 것을 의미하며, 영상(동영상/이미지)의 압축 전송, 통신 등을 위한 규약 중에서 차세대 영상 통신 규약을 표준화가 이루어지고 있는 H.26L에서는 주변 4개의 움직임 벡터를 예측을 위한 후보 벡터로 이용하고 있다. H.26L은 기존의 동영상 압축 표준들보다 압축률이 뛰어난 영상 표준 규약으로 자리 매김하고 있으며, 그 중에서도 움직임 벡터의 예측을 기반으로 하는 동영상 압축기술이 구현되고 있다.
또한 H.26L에서는 도2에 나타낸 바와 같이 매크로 블록 타입(macro block type)에 정의된 모드(mode)에 따라 왼쪽 블록 혹은 위쪽 블록들을 이용할 수 있는 예외 규정을 두고 있다.
도2를 참조하면 H.26L에 규정된 매크로 블록 타입은 16 ×16, 16 ×8, 8 ×16, 8 ×8의 매크로 블록 모드(MB Modes)와 8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4의 8 ×8 모드(8 ×8 Modes)로 기술되고 있으며, 도2에 나타낸 바와 같은 H.26L 매크로 블록 타입 중에서 16 ×8 및 8 ×16 매크로 블록 타입의 경우는 방향성에 따라 위쪽 움직임 벡터 또는 왼쪽 움직임 벡터를 예측 벡터로 사용할 수 있고, 16 ×8 및 8 ×16 매크로 블록을 제외한 대부분의 나머지 매크로 블록들은 주변의 4개의 후보 벡터의 중간값 필터(median filter)를 통한 중간값을 예측 벡터로 사용할 수 있다.
이와 같이 구해진 예측 벡터와 현재 벡터의 차(MVD: Motion Vector Difference)를 가지고 움직임 보상(motion compensation)을 행하게 된다.
그런데, 기존의 H.26L 코덱(CODEC)(부호화/복호화기)에서는 움직임 예측 부호화/복호화를 위해서 상기 매크로 블록 타입의 종류에 관계없이 1개의 부호화/복호화 모듈(Module=Function)에서 모든 움직임 벡터 예측을 수행하는 구조로 되어 있다. 이와 같은 움직임 벡터 예측 모듈 1개에서 각각의 매크로 타입에 따라 움직임 벡터 예측을 수행하기 때문에 그 모듈(함수)의 기술(description) 내용은 많은 조건문, 브랜치(branch) 구문을 가지고 있게 되고, 따라서 상당히 복잡한 계산량을가지고 있다.
즉, 일반적으로 1개의 함수가 어떤 CPU에서 호출되어 수행될 때 그 계산량은 그 함수(function)가 호출될 때마다 그대로 반복하여 가중된다. 다시 말하면, 움직임 벡터의 예측을 1개의 모듈(module = function)에서 수행하게 되면, 앞서 기술한 도2와 같은 다양한 매크로 블록 각각의 상황을 모두 포함하는 1개의 함수로 처리되기 때문에 특정 루틴을 처리할 때, 다른 루틴(다른 특정한 매크로 블록 움직임 벡터 예측 부호화/복호화)에서나 필요한 불필요한 여러 루틴을 거치게 되므로 계산상의 중복으로 인하여 그 처리 속도가 떨어지게 된다.
그러므로, 통신 채널의 제한 등과 같은 주변 환경을 고려할 때 실제로 적은 계산량을 필요로 하고 있는 IMT-2000 VOD 단말 서비스와 같은 임베디드 시스템에서 움직임 예측 부호화/복호화를 구현하기 위해서는 복잡한 계산량을 줄이고 그 움직임 예측 부호화를 최적화하기 위한 과정이 필요하게 된다.
본 발명은 움직임 예측 부호화/복호화를 수행함에 있어서, 매크로 블록의 타입별로 최적화된 움직임 벡터 예측 모듈 각각에서 해당 타입에 대한 움직임 예측 부호화/복호화를 수행함으로써 부호화 성능 저하없이 계산량을 줄일 수 있도록 한 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 매크로 블록을 16 ×16, 16 ×8, 8 ×16 및 그 밖의 모드(8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4)로 구분하고, 각각의 모드에 적합하게 기술된 움직임 벡터 예측 모듈(함수)에서 해당 타입별로 움직임 예측을 수행할 수 있도록함으로써, 기존에 1개의 모듈에서 모든 움직임 벡터 부호화/복호화를 수행할 때 발생하였던 계산상의 중복성을 제거하고, 이를 통하여 계산량을 최소화하면서 부호화 성능을 그대로 유지할 수 있도록 한 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 제공하는데 있다.
도1은 일반적인 영상 부호화 및 복호화기의 개략적인 구성을 나타낸 도면
도2는 H.26L에 규정된 매크로 블록 타입을 나타낸 도면
도3은 본 발명에 따른 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 설명하기 위한 블록도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
301: 매크로 블록 타입302: 움직임 예측 모듈
303: 16 ×16 모드304: 16 ×8 모드
305: 8 ×16 모드306: 기타 모드
307: 16 ×16 움직임 벡터 예측모듈
308: 16 ×8 움직임 벡터 예측모듈
309: 8 ×16 움직임 벡터 예측모듈
310: 제너럴 움직임 벡터 예측모듈
본 발명은 동영상 압축 부호화를 위한 움직임 벡터의 예측에 있어서, 매크로 블록 타입을 기 정의된 종류별로 판별하는 단계, 상기 판별된 매크로 블록 타입에 따라 각각 다른 움직임 벡터 예측 모듈을 통해서 움직임 예측을 수행하는 단계 및, 상기 각각의 모듈을 통해서 예측된 움직임 벡터를 기반으로 움직임 보상 및 부호화/복호화를 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법이다.
또한 본 발명의 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 움직임 벡터 예측 부호화/복호화시의 매크로 블록 타입별 수행 빈도 수를 기반으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 움직임 벡터 예측 부호화/복호화 알고리즘의 특성(인접 후보 벡터의 이용 확률)을 기반으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 16 ×16, 16 ×8, 8 ×16, 그리고 나머지(8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4)의 4개 종류로 나누는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도3은 본 발명의 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법을 도식적으로 나타낸 블록도이다. 매크로 블록 모드(301)는 본 발명에서 그 알고리즘의 특성 및 실제 수행 빈도 수를 고려해서 4개의 종류(303,304,305,306)로 구분하였고, 이 것들 각각에 대응하여 움직임 벡터 예측 모듈(302) 또한 4개의 움직임 벡터 예측 모듈(307,308,309,310)로 나누었다.
매크로 블록 모드(301)는 16 ×16 모드(302), 16 ×8 모드(303), 8 ×16 모드(304) 및, 8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4를 포함하는 그 밖의 모드(306)로 구분하였으며, 이에 대응하여 움직임 벡터 예측 모듈(302) 또한 16 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(307), 16 ×8 움직임 벡터 예측 모듈(308), 8 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(309), 그 밖의 제너럴(general)한 움직임 벡터 예측 모듈(310)로 구분하였으며, 각각의 움직임 벡터 예측 모듈은 실제로는 움직임 벡터 예측을 위한 알고리즘 기술상에서 호출되어 실행될 함수(function)를 의미한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 적은 계산량을 필요로 하는 IMT-2000 VOD 단말 서비스와 같은 임베디드 시스템에서, H.26L 움직임 벡터 예측 구현 시, 최적화를 위하여 알고리즘 특성 및 실제 수행 빈도 수에 따라 각각의 매크로 블록 모드에 따른 여러 개의 움직임 벡터 예측 모듈로 나눈다는 것을 그 기술적 사상으로 하고 있다.
즉, 일반적으로 1개의 함수가 어떤 CPU에서 호출되어 수행될 때 그 계산량은그 함수(function)가 호출될 때마다 그대로 반복하기 때문에 가중되는데, 본 발명에서는 특정 루틴이 수행되는 함수를 그 특성에 따라 여러 개로 나누어 실행함으로써 해당 루틴이 실행되는데 필요한 시간을 최소화하는 것이다. 이렇게 하면 전체적으로 계산량의 감소를 얻을 수 있으며, 본 발명에서 도2에 나타낸 각각의 매크로 블록 타입별로 모두 나누지 않고 도3에 나타낸 바와 같이 16 ×16 모드(302), 16 ×8 모드(303), 8 ×16 모드(304) 및, 8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4를 포함하는 그 밖의 모드(306)로 나눈 것은 다음과 같은 특성을 기반으로 하기 때문이다.
먼저, 16 ×16 모드인 경우는 움직임 벡터가 1개만을 가지고 있으므로 각 블록에 대한 위치 정보 판별루틴은 필요없다. 따라서, 이 경우는 매우 간단한 함수로 표현될 수 있으므로 16 ×16 모드에 대해서는 간단한 함수로 표현되는 16 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(307)에서 처리하도록 한다. 또한 16 ×16 모드인 경우가 확률, 통계상 매우 많이 발생한다는 알고리즘 특성으로 인해 호출 수에 있어서도 그 빈도 수가 많으므로 16 ×16 모드에 대한 움직임 벡터 예측 모듈(307)을 분리한 것이다.
다음, 16 ×8 모드(304) 및 8 ×16 모드(305)에 대한 각각의 움직임 벡터 예측 모듈(308)(309)을 할당한 것은, 이 2가지 모드의 경우 중간값 필터(median filter)가 적용될 확률보다 위쪽 움직임 벡터 및 왼쪽 움직임 벡터를 이용할 확률이 높고, 그 빈도 수가 많지 않으므로 대부분의 블록들이 처리되는 루틴에서 16 ×8 움직임 벡터 예측 모듈(308)과 8 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(309)을 분리한 것이다.
그 밖의 8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4 와 같이 제너럴한 모드(306)의 경우는 매크로 블록을 처리하는 루틴이 대부분 중간값 필터(median filter)를 사용하는 공통 알고리즘을 갖고 있을 뿐만 아니라 주변 후보 벡터들이 프레임 안이나 같은 슬라이스(slice)에서 이용 가능한지의 여부를 판단하는 사항이 공통이므로, 이 경우에는 제너럴 움직임 벡터 예측 모듈(310)로 통합하여 상기한 3가지 종류와 분리한 것이다.
만약 8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4의 매크로 블록에 대한 움직임 벡터 예측 모듈을 개별적으로 분리한다면 같은 루틴을 가진 함수를 경우에 따라 호출해야 하므로 오히려 함수 호출 측면에서 구조상의 복잡도만 증가시키기 때문에 이들을 모두 개별적으로 분리하는 모듈은 고려하지 않았다.
따라서, 본 발명에 따른 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법에서는 매크로 블록의 타입을 도3에 나타낸 바와 같이 알고리즘 특성 및 실제 실행 빈도 수에 따라 기 정의된 종류에 해당하는지를 판별하고, 16 ×16 모드(303)의 경우는 16 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(307)에서 처리하도록 하며, 16 ×8 모드(304)의 경우는 16 ×8 움직임 벡터 예측 모듈(308)에서 처리하도록 하며, 8 ×16 모드(305)의 경우는 8 ×16 움직임 벡터 예측 모듈(309)에서 처리하도록 하며, 그 밖의 모드(8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4)(306)의 경우는 제너럴 움직임 벡터 예측 모듈(310)에서 처리하도록 한다.
부호화기/복호화기에서는 이와 같이 구해진 예측 벡터와 현재 받은 벡터를 이용해서 그 차분(MVD: Motion Vector Difference)을 가지고 움직임 보상을 수행하게 되는 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 적은 계산량을 필요로 하는 IMT-2000 VOD 단말 서비스와 같은 임베디드 시스템에서, H.26L 움직임 벡터 예측 구현 시, 최적화를 위하여 알고리즘 특성 및 실제 수행 빈도 수에 따라 각각의 매크로 블록 모드에 따른 여러 개의 움직임 벡터 예측 모듈로 나누어 실행하고 있다. 따라서, 부호화 성능은 그대로 유지하면서도 계산량을 줄여서 수행 속도를 향상시킬 수 있고, 실제 IMT-2000 단말과 같은 임베디드 시스템에 적용할 때 계산상의 성능 향상을 기할 수 있다.

Claims (5)

  1. 동영상 압축 부호화를 위한 움직임 벡터의 예측에 있어서, 매크로 블록 타입을 기 정의된 종류별로 판별하는 단계, 상기 판별된 매크로 블록 타입에 따라 각각 다른 움직임 벡터 예측 모듈을 통해서 움직임 예측을 수행하는 단계 및, 상기 각각의 모듈을 통해서 예측된 움직임 벡터를 기반으로 움직임 보상 및 부호화/복호화를 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 움직임 벡터 예측 부호화/복호화 시의 매크로 블록 타입별 수행 빈도 수를 기반으로 하여 구분하는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 움직임 벡터 예측 부호화/복호화 알고리즘의 특성(인접 후보 벡터의 이용 확률)을 기반으로 하여 구분하는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 매크로 블록 타입의 기 정의되는 종류는 16 ×16, 16 ×8, 8 ×16, 그리고 나머지(8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4)의 4개 종류로 나누어 각각의 움직임 벡터 예측 모듈별로 예측하는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측부호화 및 복호화 방법.
  5. 움직임 벡터 예측 모듈을 매크로 블록 타입에 대응하여 16 ×16, 16 ×8, 8 ×16 및 위 3가지 종류를 제외한 나머지 매크로 블록 타입(8 ×8, 8 ×4, 4 ×8, 4 ×4)에 대응하는 움직임 벡터 예측 부호화 모듈로 구분하는 단계, 입력된 영상의 부호화/복호화를 위하여 그 매크로 블록 타입의 종류를 판별하는 단계 및, 상기 판별된 결과에 따라 상기 4가지 종류의 움직임 벡터 예측 모듈 중의 하나에 해당 매크로 블록의 부호화/복호화를 실행시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 움직임 벡터 예측 부호화 및 복호화 방법.
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