KR20040083511A - 비동일 에러 보호를 이용한 데이터 스트림의 코딩 - Google Patents

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KR20040083511A
KR20040083511A KR10-2004-7012578A KR20047012578A KR20040083511A KR 20040083511 A KR20040083511 A KR 20040083511A KR 20047012578 A KR20047012578 A KR 20047012578A KR 20040083511 A KR20040083511 A KR 20040083511A
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KR10-2004-7012578A
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스테파노 올리비에리
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

패킷화된 프레임 내의 개별적인 분할부의 활성을 검출하는데 적응된 방법이 개시된다. 본 방법은 적은 활성을 갖는 데이터 스트림의 부분보다 더 높은 활성을 갖는 데이터 스트림의 부분의 인코딩을 제공한다. 이는 스트림의 특정 부분 내의 데이터의 중요성에 따라 에러 보호 차이(비동일 에러 보호)를 가능하게 한다.

Description

비동일 에러 보호를 이용한 데이터 스트림의 코딩{CODING A DATA STREAM WITH UNEQUAL ERROR PROTECTION}
무선 채널을 통한 비디오 송신은 유선을 통한 송신보다 훨씬 더 에러 있는 송신이 된다. 무선 채널에서, 10%에 이르는 평균 에러율은 매우 일반적이어서, 수신된 비디오 응용의 용인할 수 없는 품질이 된다. 그러므로, 비트 에러율을 허용가능한 레벨로 낮추기 위해 채널 코딩이 필요하다는 것을 이해할 것이다. 고전적으로, 소스 여분을 제거한 후에, 채널 코딩은 새논(Shannon)의 분리 법칙과 같은 기술에 따라, 소스 압축 구성과 독립적으로 수행된다.
그러나, 대역폭 및 지연에 관한 엄격한 제약을 특징으로 하는 고려된 채널이 주어지고, 소스 압축 구성에서 잔류 여분이 주어지면, 결합 소스-채널 코딩 접근법이 타당함을 이해할 것이다. 더 엄밀히, 채널 코딩 및 디코딩은 이러한 잔류 여분을 이용할 수 있다. 무선 채널 및 응용 모두의 특성을 고려하는 적합한 기술이 이에 따라 고려되어야 한다.
특히, 채널 에러에 대한 소스 비트의 상이한 민감도에 대한 정보는 불균형 에러 보호를 통해 이용되어야 한다. 이러한 기술은 에러에 대한 소스 비트의 인지된 민감도에 따라 에러 보호를 수행하는 것이고: 더 민감한 비트는 더 낮은 비율 코드로 보호되고, 덜 중요한 비트에 대해, 더 높은 비율 코드가 사용된다.
고전적인 순방향 에러 정정에 비해, UEP는 소스의 특성의 이용을 통해 동일한 비트율이 주어진다면 더 높은 인지된 비디오 품질을 달성하도록 한다. 그러한 기술은, 통신 시스템에서의 송신을 위한 정보를 처리하기 위한 방법 및 장치를 기재하는 모토롤라의 EP 1 018 815에 기재되어 있다.
이러한 접근법은, "MPEG-4 표준의 개요"(2000, 5월-6월, 제네바, ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N3444), MPEG-4 비디오 그룹에 기재된 바와 같이, MPEG-4 표준에서 이용가능한 데이터-분할 도구와 유리하게 조합될 수 있다: 여기서 각 패킷에 포함된 정보 비트는 3개의 분할부(partition)로 분리되고, 분할부 각각은 채널 에러에 대한 상이한 민감도를 갖는다. 도 1에 도시된 예를 이용하여, 기존의 P 프레임(100)은, 헤더(101) 앞의 패킷 시작(STRT)과, 움직임 마커(104)로 분리된 움직임 분할부(102) 및 텍스처 분할부(103)로 구성된 분할부를 포함한다. 이와 유사하게, I 프레임(120)에 대해, 분할부는 헤더(121)와, DC 마커(124)로 분리된 DC 분할부(122) 및 AC 분할부(123)를 포함하고, 3개의 분할부는 상이한 코드율을 이용하여 보호된다. 각 예에서의 3개의 분할부는 관련 정보의 주관적인 중요성에 따라 상이한 코드율로 보호된다.
헤더에 포함된 정보는 패킷의 연속적인 디코딩에 대해 중요하므로, 이에 따라 정보는 크게 보호되어야 한다. P 프레임의 예를 이용하여, 움직임 정보가 정확히 수신되면, 텍스처 정보가 부분적으로 재구성될 수 있기 때문에, 움직임 데이터가 텍스처 데이터보다 더 많이 보호되어야 하고, 텍스처 정보가 없다면, 디코더는 재구성된 화상이 너무 많이 저하되지 않고도 움직임-보상된 은폐를 여전히 수행할 수 있음을 이해할 것이다.
그러한 구성의 응용에서의 주요 문제는, 분할부와 같은 패킷이 동일한 길이를 갖지 않아서, UEP 구성은 각 패킷에 대해 극적으로 변하지 않아야 하고, 각 분할부 길이를 아는 것이 필요하다는 것이다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 비트스트림에 적절하게 삽입된 필드로부터 판독된 고정된 비율의 길이 또는 길이들을 이용한 기술은, 엠. 지. 마티니(M.G. Martini), 엠. 시아니(M. Chiani)의, "MPEG-4 비디오 송신을 위한 비례적인 비동일 에러 보호(Proportional Unequal Error Protection for MPEG-4 Video Transmission)"{2001년 6월, 헬싱키, 2001 IEEE 국제 통신 회의(ICC) 회보, 1033 내지 1037페이지}와, 엠.지 마티니, 엠. 시아니의, "MPEG-4 비디오의 강력한 송신: 시작 코드 교체 및 길이 필드 삽입 지원 비동일 에러 보호(Robust Transmission of MPEG-4 Video: Start Codes Substitution and Length Field Insertion Assisted Unequal Error Protection)"(2001년 4월, 서울, 화상 코딩 심포지움-PCS 2001)에서 제기되었다.
이러한 기술이 텍스처 데이터보다 많은 움직임 데이터를 보호할 수 있게 하지만, 상이한 유형의 움직임 데이터 또는 텍스처 데이터에 대해 어떠한 보상도 달성되지 않다는 점에서 여전히 손해를 입는다. 높은-움직임 또는 매우 상세한 영역과 같은 장면(scene)의 특정 부분에 대한 에러는 덜 활성인 영역에 대한 에러보다 더 많이 성가시고, 알려진 기술은 그러한 변화를 보상하도록 적응되지 않는다. 그러므로, 낮은-활성 영역보다 높은 움직임 및/또는 텍스처 활성을 갖는 영역을 보호할 필요가 있다.
본 발명은 데이터 스트림의 코딩에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 코딩된 데이터 스트림의 송신 및 수신에 관한 것이다. 본 발명은 특히 비동일 에러 보호(UEP: Unequal Error Protection)를 이용하여 MPEG-4 비디오를 위한 코딩 구성에 관한 것으로, 더 구체적으로 움직임 및/또는 텍스처 활성의 검출에 기초하여 UEP를 구현하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 MPEG-4 패킷의 데이터 분할의 예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라 패킷 활성 편차의 양자화를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 송신 시스템을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 방법을 이용하여 인코딩된 디코딩 데이터 스트림에 사용하기 위한 디코딩 시스템을 도시한 도면.
본 발명의 목적은, 개별적인 분할부의 활성의 분석을 이용하고 낮은 활성 영역보다 높은 활성을 갖는 영역을 더 많이 보호할 수 있게 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 활성 검출기를 제공하고, 패킷 활성에 보호 레벨을 적응시키는 방법을 제공한다. 바람직하게, 검출기 및 방법은 소스-코딩된 도메인에 작용하도록 적응된다. 이 때문에, 본 발명은 독립항에 기재된 바와 같이 코딩, 송신, 데이터 스트림 및 저장 매체를 제공한다. 유리한 실시예는 종속항에 한정된다.
본 발명은 특히 MPEG-4 비디오의 무선 송신 분야에 유리하다. 본 발명자는, 높은 활성을 갖는 비디오 패킷의 부분이 낮은 활성을 갖는 영역보다 더 많은 보호를 필요로 한다는 것을 인식했다. 예를 들어, P 프레임 유형에서, 높은 움직임 및/또는 높은 텍스처를 갖는 분할부는 낮은 활성의 영역에서보다 더 많은 보호를 필요로 하는 반면, I 프레임 유형에 대해, 높은 DC 및/또는 AC 활성을 갖는 분할부는 낮은 활성을 갖는 분할부보다 더 많은 보호를 필요로 한다. 그러한 활성 레벨을 인식하고 적응되는 코딩 구성을 적용함으로써, 본 발명은 데이터 스트림에 대해 개선된 보호를 제공한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 본 발명의 예시적인 다음 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 MPEG-4 표준에 따라 프레임의 데이터 분할을 도시한다.
비디오 패킷 접근법이 병합되며, 여기서 비디오 패킷 길이가 블록의 수에 기초하지 않고, 그 대신 상기 패킷에 포함된 비트의 수에 기초하는 것은 MPEG-4 포맷의 알려진 것이다. 현재 비디오 패킷에 포함된 비트의 수가 미리 결정된 임계치를 초과하면, 새로운 비디오 패킷은 다음 블록의 시작시 생성된다.
본 발명은, 움직임 및/또는 텍스처에 관해 더 많은 활성 영역에 연관된 패킷이 더 적은 수의 블록을 포함한다는 이러한 의미를 이용하는 방법을 제공한다. B 고정된 크기의 블록으로 분할되는 P 프레임의 예를 이용하여, 현재 프레임과 연관된 비디오 패킷의 수를 N이라 가정할 것이다.
패킷당 블록의 평균수는 다음 수학식 1로 주어지며,
이것은 패킷당 평균 움직임 및 텍스처 활성을 나타낸다. 그러므로, 평균값으로부터 임의의 측정된 MPEG-4 비디오 패킷의 활성 편차는 다음 수학식 2로 정의될 수 있다.
여기서 n은 현재 측정된 패킷에 포함된 블록의 실제 수이다. 현재 패킷은, △α>0이면, 평균보다 더 큰 활성이 되고, 그 외 경우는 평균보다 적은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 현재 패킷의 활성이 주로 움직임 또는 텍스처로 인한 것인지 검출하는 기술도 또한 정의될 수 있다.
NBF를, P 프레임을 포함하는 비디오 시퀀스가 MPEG-4 인코더를 이용하여 인코딩된 후의 비트의 총수라 하고, LTX및 LMV를, 각각 텍스처 및 움직임 벡터에 연관된 코딩된 비트의 총수를 나타낸다고 하자. 그러므로, 비디오 패킷에 대한 텍스처 구역의 평균 부분은,
인 반면,
는 동일한 패킷에 비교되는 움직임 벡터 구역의 평균 부분이다.
헤더 구역을 무시함으로써, 다음 수학식 5가 유지된다.
수학식 6, 즉
을 이제 현재 패킷과 비교되는 텍스처 구역의 실제 부분이라 하고, 여기서 NBTX는 텍스처에 연관된 비트의 수이고, NBP는 패킷 길이이고, 현재 패킷에 대해 텍스처 분할부의 부분의 평균값으로부터의 편차를 나타내는 다음 수학식 7,
을 정의하자.
그 다음에, 패킷 활성은 △TX>0이면 주로 텍스처로 인한 것이고, △TX<0이면 움직임으로 인한 것이다.
보호 레벨을 패킷의 활성에 적응시키기 위해, △α의 범위는 양자화될 수 있다. 이러한 방식으로, 상이한 활성 편차 레벨은 △α가 포함되는 결정 영역에 따라 정의될 수 있다.
도 2는 패킷 활성 편차의 양자화의 일례를 도시하고, 결정 영역이 평균값과 비교하여 (양 또는 음) 로우(L) 또는 하이(H) 활성 편차일 수 있도록 정의된다는 것을 이해할 것이다. 비편차(no-deviation) 영역이 또한 정의되고, 이는 현재 패킷의 활성이 평균 활성 값과 비교가능하다는 것을 의미한다.
상당한 활성 편차가 발생할 때(즉 △α가 비편차 영역 밖에 있을 때), 텍스처 또는 움직임 활성의 우세(dominance)가 검출되어야 한다. △TX>△'TX이면, 활성이 텍스처로 인한 것인 반면, △TX-△'TX이면, 활성은 움직임으로 인한 것이 되도록 임계치(△'TX)를 고정시키는 것이 유리하다. |△TX|<△'TX인 경우 어떠한 활성 우세도 발생하지 않다고 가정해보자(여기서 △'TX는 실험적으로 결정될 수 있는 임계치이다). 이러한 임계값이 상이한 많은 방식 중 하나로 결정될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 예를 들어, 이러한 임계값을 결정하는 하나의 가능한 방식은, 정보를 보호하기 위해 동일한 크기의 대역폭을 이용하여 비적응 기술과 비교하여 비디오 품질 성능 개선을 최대화하는 것이다. 이러한 튜닝은 다수의 시험 시퀀스를통해 수행될 수 있다. 그 다음에, 이러한 임계값은 미래의 응용을 위해 무기한 사용될 수 있다.
이제, 상이한 코딩율을 상이한 분할부에 할당하는 UEP 기술에 따라, 움직임 벡터 분할부가 비율(RMV)로 보호되어야 하고, 텍스처 분할부가 비율(RTX)로 보호된다고 가정해보자.
표 1은 패킷 활성에 대한 움직임 및 텍스처 분할부의 보호를 적응시키는 메커니즘을 요약한다.
R1 MV<R2 MV<RMV<R3 MV<R4 MV이고, R1 TX<R2 TX<RTX<R3 TX<R4 TX라는 것을 주의하자.
분할부 활성에 따른 보호 레벨
△α △TX 움직임 텍스처
|△α|<△1 RMV RTX
△1<△α<△2 |△TX|<△'TX R2 MV R2 TX
△TX>△'TX RMV R2 TX
△TX<-△'TX R2 MV RTX
△α>△2 |△TX|<△'TX R1 MV R1 TX
△TX>△'TX RMV R1 TX
△TX<-△'TX R1 MV RTX
-△2<△α<-△1 |△TX|<△'TX R3 MV R3 TX
△TX>△'TX R3 MV RTX
△TX<-△'TX RMV R3 TX
△α<-△2 |△TX|<△'TX R4 MV R4 TX
△TX>△'TX R4 MV RTX
△TX<-△'TX RMV R4 TX
본 발명이 추가적으로 RMV>RTX가 되도록 텍스처 분할부에 대조적으로 움직임에 할당될 추가 보호 레벨을 제공한다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명이 보호 레벨에서의 계층을 제공하여, 움직임 데이터를 갖는 분할부가 텍스처를 갖는 분할부보다 더 보호되고, 높은 레벨의 움직임 활성을 갖는 분할부가 적은 활성을 갖는 것보다 더 보호된다는 것을 이해할 것이다.
동일하거나 유사한 기술이 인트라 프레임에 적용될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 이 경우에, DC DCT 계수 및 AC 계수 분할부는 활성 우세 검출에 대해 고려되어야 하고, 더 높은 활성을 갖는 영역은 더 적은 활성을 갖는 영역보다 더 많은 보호가 할당될 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 비디오 시퀀스를 인코딩하기 위한 송신 회로(300)의 개략도이다. 비디오 시퀀스(vs)는 입력으로서 MPEG-4 인코더(301)에 제공되며, 상기 MPEG-4 인코더에서 비디오 시퀀스는 구성 비트스트림(bs) 및 MPEG-4 구문 설명(sd)으로 분리된다. 비트스트림 및 구문 설명 모두 평균값 계산 모듈(302)에 제공되며, 상기 평균값 계산 모듈에서, 블록의 평균수(bar), 및 비디오 패킷()에 대해 텍스처 구역의 평균 부분()이 평가된다. 유사하게, 비트스트림 및 구문 설명은 패킷 값 계산 모듈(303)에 제공되며, 여기서 현재 패킷(lTX)과 비교하여 현재 패킷(n)에서의 블록의 실제 수(n) 및 텍스처 구역의 실제 부분(lTX)이 측정된다.
그 다음에, 텍스처 및 활성 모두의 평균값 및 실제값은 텍스처 편차 모듈(304) 및 활성 편차 모듈(305)에서 평가된다. 그 다음에, 편차량은 보호 적응 모듈(306)에서 경험적으로 결정된 양자와 비교되고, 이것은 각 분할부에 적용될 보호 유형을 결정할 것이다. 그 다음에, 각 분할부에 대한 계산된 보호 레벨은 채널 인코더(307)에서 각 비트 스트림 및 구문 설명에 적용되고, 상기 채널 인코더는 출력으로서 코딩된 비트스트림(cb)을 제공한다.
그런 후에, 이러한 코딩된 비트스트림은 멀티플렉서(308)를 이용하여 구문 설명(RMV, RTX, NBMV, NBTX)과 함께 적합하게 멀티플렉싱되고, 이러한 멀티플렉싱된 신호는 그 다음에 송신된다.
도 4는 적합한 수신 회로(400)의 일례를 도시하며, 상기 수신 회로는 멀티플렉싱된 신호를 수신하고 시청 목적을 위해 상기 신호를 디코딩하도록 적응된다. 비트스트림은 수신되고, 그 다음에 디멀티플렉서(401)를 이용하여 디멀티플렉싱된다. 이것은 코딩된 비트스트림으로부터 구문 설명을 추출하고, 상기 코딩된 비트스트림은 그 다음에 디코딩된 비트스트림을 형성하기 위해 채널 디코더(402)를 이용하여 처리된다. 그 다음에, 이러한 디코딩된 비트스트림은 소스 디코더(403)를 이용하여 디스플레이용 비디오 시퀀스로 변환된다. 이것은, 특정 데이터 스트림 유형에 대한 본 발명의 방법을 적용하는 것에 따라 일반적인 MPEG-4 디코더 또는 대안적인 디코더를 이용하여 달성될 수 있음을 이해할 것이다.
전술한 실시예가 본 발명을 한정하기보다는 예시하고, 당업자가 첨부된 청구항의 범위에서 벗어나지 않고도 많은 대안적인 실시예를 설계할 수 있음을 주의해야 한다. 청구항에서, 괄호 사이에 위치한 임의의 참조 번호는 청구항을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 유사하게, "포함하는"이라는 용어와 "포함하는"이라는 용어는 본 발명을 참조하여 본 명세서에 사용되는 경우 언급된 특징, 완전물(integer), 단계, 성분의 존재를 규정하는데 사용되지만, 하나 이상의 다른 특징, 완전물, 단계, 성분 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 발명은 수 개의 별도의 요소를 포함하는 하드웨어에 의해, 또는 적합하게 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 수 개의 수단을 기재하는 디바이스 청구항에서, 이들 수단 중 하나 이상은 하드웨어의 동일한 항목에 의해 구현될 수 있다. 특정 수단이 서로 상이한 종속항에 언급된다는 간단한 사실은, 이들 수단의 조합이 장점에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 특히 비동일 에러 보호(UEP: Unequal Error Protection)를 이용하여 MPEG-4 비디오를 위한 코딩 구성에 관한 것으로, 더 구체적으로 움직임 및/또는 텍스처 활동의 검출에 기초하여 UEP를 구현하기 위한 방법 및 시스템 등에 이용된다.

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 분할된 패킷을 갖는 하나의 프레임을 포함하는 데이터 스트림의 코딩 방법으로서,
    a) 적어도 하나의 패킷의 각 분할부(partition)에 대해 에러 보호율(error protection rate)을 결정하기 위해 적어도 하나의 패킷의 활성(activity)과 상기 프레임에 대한 활성 레벨을 비교하는 단계와,
    b) 상기 결정된 에러 보호율로 각 분할부를 코딩하는 단계와,
    c) 상기 상이한 에러 보호율로 코딩된 적어도 하나의 패킷의 각 분할부를 갖는 데이터 스트림을 출력하는 단계를
    포함하는, 데이터 스트림 코딩 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 패킷의 활성은, 상기 패킷에서 블록의 수를 측정하고 상기 측정된 블록의 수를 프레임에 대해 패킷당 블록의 평균 수와 비교함으로써 결정되는, 데이터 스트림 코딩 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 측정된 블록의 실제 수와 블록의 평균 수를 비교할 때, 편차값이 평가되고, 상기 편차값은 미리 결정된 활성 편차 레벨과 비교되어, 패킷 내에 상기 분할부에 적용될 적합한 에러 보호율을 결정하게 하는, 데이터 스트림 코딩 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패킷 내의 활성이 움직임 또는 텍스처로 인한 것인지를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    a) 상기 프레임에 대해 상기 텍스처 구역에 대한 평균값을 결정하는 단계와,
    b) 적어도 하나의 패킷에 대해 상기 텍스처 구역에 대한 실제 값을 결정하는 단계와,
    c) 상기 측정된 실제 값과 평균값 사이의 변이를 결정하는 단계와,
    d) 상기 실제 값이 상기 평균값보다 더 큰 경우, 주로 텍스처로 인한 것으로 상기 패킷 활성을 할당하는 단계를
    포함하는, 데이터 스트림 코딩 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패킷 내의 활성이 DC 또는 AC 성분으로 인한 것인지를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    a) 상기 프레임에 대해 상기 DC 성분 구역에 대한 평균값을 결정하는 단계와,
    b) 상기 적어도 하나의 패킷에 대해 상기 DC 성분 구역에 대한 실제 값을 결정하는 단계와,
    c) 상기 측정된 실제 값과 평균 값 사이의 변이를 결정하는 단계와,
    d) 상기 실제 값이 상기 평균값보다 더 큰 경우, 주로 상기 DC 성분으로 인한 것으로 상기 패킷 활성을 할당하는 단계를
    포함하는, 데이터 스트림 코딩 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 스트림은 MPEG-4 데이터 스트림인, 데이터 스트림 코딩 방법.
  7. 적어도 하나의 분할된 패킷을 갖는 하나의 프레임을 포함하는 데이터 스트림 코딩을 위한 인코더로서,
    a) 상기 프레임으로부터 제 1 및 제 2 데이터 세그먼트를 형성하는 수단과,
    b) 상기 프레임에 대한 제 1 및 제 2 데이터 세그먼트의 활성을 위한 평균 값을 평가하는 수단과,
    c) 상기 프레임 내의 상기 적어도 하나의 패킷 각각에 대한 상기 제 1 및 제 2 데이터 세그먼트의 활성을 위한 실제 값을 평가하는 수단과,
    d) 단계 b) 및 단계 c)로부터 결과적인 값을 비교하는 수단과,
    e) 에러 보호율을 상기 적어도 하나의 패킷 각각에 적용함으로써 상기 프레임을 인코딩하는 수단으로서, 상기 적어도 하나의 패킷 각각에 대해 선택된 에러 보호율은 단계 d)의 출력에 기초하여 선택되는, 인코딩 수단을
    포함하는, 데이터 스트림 코딩을 위한 인코더.
  8. 적어도 하나의 분할된 패킷을 갖는 프레임을 포함하는 데이터 스트림으로서,
    상기 패킷의 분할부는 각 분할부의 활성에 따라 상이한 에러 보호율로 보호되는, 데이터 스트림.
  9. 제 8항에 기재된 데이터 스트림이 저장되는, 저장 매체.
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