KR20060119736A - 영상 신호의 인코딩 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 신호를 인코딩 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는, 영상 신호를 인코딩 할 때, 인트라 베이스 모드로 오차 데이터가 생성된 16x16 매크로 블록을 8x8 블록으로 나누어 DCT 변환하고, 상기 DCT 변환된 8x8 블록의 DC 변환 계수를 선택하여 하다마드 행렬을 이용하여 변환한다. DCT 변환에 의해 대다수의 고주파 성분이 0이 되는, 인트라 베이스로 오차 데이터가 생성되는 매크로 블록에 대해서, 블록을 크게 나누어 DCT 변환하고, DC 변환 계수에 대해 하다마드 변환을 한다. 따라서, 작은 블록의 DCT 변환에 의해 각 블록의 경계에서 발생할 수 있는 블록화 현상을 줄임으로써 영상 왜곡을 줄일 수 있게 되고, 작은 블록 여러 개의 부가 정보를 추가하는데 소요되는 데이터를 줄임으로써 코딩 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
AVC, 매크로 블록, 2-D 변환, 하다마드 행렬, DC 변환 계수, 인트라 베이스 모드, 모션 예측

Description

영상 신호의 인코딩 방법 { Method for encoding video signal }
도 1은 AVC의 인코딩 알고리즘을 개략적으로 표현한 것이고,
도 2는 종래의 AVC에 따라 16x16 매크로 블록이 4x4 블록으로 분리되어 2-D 변환되는 과정을 표현한 것이고,
도 3은 하다마드(Hadamard) 행렬을 표현한 것이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 매크로 블록을 2-D 변환하고 하다마드 변환하는 과정을 표현한 것이다.
본 발명은 영상 신호의 인코딩 방법에 관한 것이다.
스케일러블 영상 코덱(SVC : Scalable Video Codec) 방식은 영상 신호를 인코딩 함에 있어, 최고 화질로 인코딩 하되, 그 결과로 생성된 픽처 시퀀스의 부분 시퀀스(시퀀스 전체에서 간헐적으로 선택된 프레임의 시퀀스)를 디코딩 하여 사용해도 어느 정도 화질의 영상 표현이 가능하도록 하는 방식이다.
스케일러블 방식으로 인코딩 된 픽처 시퀀스는 그 부분 시퀀스만을 수신하여 처리함으로써도 어느 정도 화질의 영상 표현이 가능하지만, 비트 레이트(bitrate)가 낮아지는 경우 화질 저하가 크게 나타난다. 이를 해소하기 위해서, 낮은 전송률을 위한 별도의 보조 픽처 시퀀스, 예를 들어 소화면 및/또는 초당 프레임 수 등이 낮은 픽처 시퀀스를 제공할 수도 있다.
보조 픽처 시퀀스를 베이스 레이어(base layer)로, 주 픽처 시퀀스를 인핸스드(enhanced) 레이어 또는 인핸스먼트(enhancement) 레이어라고 부른다. 베이스 레이어와 인핸스드 레이어는 동일한 영상 신호원을 인코딩 한 것으로, 두 레이어의 영상 신호에는 잉여 정보(리던던시(redundancy))가 존재한다. 따라서, 베이스 레이어를 제공하는 경우에는, 코딩 효율을 높이기 위해 레이어 간 예측 방법(interlayer prediction method)을 사용할 수 있다.
SVC는 AVC(Advanced Video Codec : 'H.264'라고도 함)로부터 확장된 코덱으로, 도 1은 AVC의 인코딩 알고리즘을 개략적으로 표현한 것이다. AVC 디코딩은, 모션 예측 과정을 제외하고는, 도 1의 인코딩 과정의 역순으로 진행된다.
입력되는 영상 신호는, 공간적(spatial) 및/또는 시간적(temporal)으로 영상의 움직임(motion)이 예측되고(motion prediction) 보상되어(motion compensation), 이를 기초로 오차(residual) 데이터를 갖는 영상 블록으로 생성된다.
생성된 영상 블록의 오차 데이터는 DCT(Discrete Cosine Transform) 또는 웨이브렛(Wavelet)과 같은 2-D 변환 방법에 의해 계수로 변환되고, 변환 계수는 임의의 양자화 스텝으로 양자화된다.
양자화 과정에서 발생하는 손실을 고려하지 않고 모션을 예측하는 경우, 디코더에서는 인코딩 된 영상 데이터와 동일한 영상 신호를 복원할 수 없다. 따라서, 이를 고려하여, 양자화된 변환 계수를 역양자화와 역변환하여 모션 보상을 하고, 이를 기초로 모션 예측 동작을 수행한다.
변환 동작은 모션 예측 동작에 의해 생성된 데이터 사이의 상관 관계를 줄이기(decorrelate) 위하여 수행되는데, 역변환이 가능한 변환이 적용된다. 또한, 인코더 및 디코더의 하드웨어 설계와 곱셈 연산의 부담(load)을 줄이기 위하여, 정수 변환(integer transform), 16 비트 변환, 및 8x8 대신 4x4 블록 크기의 변환 등이 사용되고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 16x16의 레지듀얼 매크로 블록은 16개의 4x4 블록으로 나뉘고, 각 블록이 4x4 정수 변환된다.
양자화된 변환 계수는, 지그재그(zigzag) 또는 변형된 지그재그와 같은 순서로 스캔 된 후, 가변 길이 코딩(VLC : Variable Length Coding) 또는 산술 코딩(arithmetic coding)과 같은 엔트로피(entropy) 코딩 방법에 의해, 모션 벡터, 헤더 정보, 및 부가적인 정보 등과 함께, 전송하거나 저장하기 용이한 압축된 비트 스트림으로 코딩 된다.
이와 같이, 디코딩 될 영상 신호의 왜곡을 줄이면서 동시에 코딩 효율을 향상시키기 위한 연구가 인코딩 알고리즘의 각 과정에 대해서 계속 진행되고 있다.
본 발명의 목적은, 모션 예측된 영상 데이터를 코딩 효율을 향상시킬 수 있도록 변환하는 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 신호를 인코딩 하는 방법은, 영상 신호를 제 1 방식으로 인코딩 하여 제 1 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계; 및 상기 영상 신호를 제 2 방식으로 인코딩 하여 제 2 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지고, 여기서, 제 1 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계는, 제 2 레이어의 대응되는 블록을 기준으로 오차 데이터가 생성된 제 1 레이어의 16x16 매크로 블록을 8x8 블록으로 나누어 2-D 변환하는 제 1 단계; 및 2-D 변환된 8x8 블록의 소정 변환 계수를 선택하여 하다마드 변환하는 제 2 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예에서, 상기 매크로 블록은 인트라 베이스 모드로 오차 데이터가 생성되고, 상기 2-D 변환은 DCT 변환이고, 상기 소정 변환 계수는 DC 변환 계수인 것을 특징으로 한다.
상기 실시예는, 2-D 변환된 8x8 블록의 DC 변환 계수가 2x2 하다마드 행렬에 의해 변환되었음을 가리키는 정보를 기록하는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 정보는 매크로 블록 헤더 또는 슬라이스 헤더에 기록되는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예에서, 상기 제 1 단계와 제 2 단계는 상기 제 1 레이어의 해상도가 상기 제 2 레이어의 해상도와 동일하거나 2의 정수 배인 경우에만 수행되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
영상 신호는 공간적으로 및/또는 시간적으로 모션이 예측되어 오차 데이터를 갖는 16x16 크기의 매크로 블록이 생성된다. AVC 표준에서는, 오차 데이터의 매크로 블록은 4x4 크기의 블록으로 분할되고 각 분할된 블록에 대해 2-D 변환이 수행된다.
매크로 블록이 인트라 모드 또는 인트라 베이스 모드로 예측되어 생성되는 경우, 해당 매크로 블록 내의 16개의 4x4 블록은 예를 들어 DCT 변환되고, 16개의 4x4 블록에 대한 DC 변환 계수가 선택되어 하다마드(Hadamard) 행렬(H4)에 의해 하다마드 변환된다.
하다마드 변환에 사용되는 하다마드 행렬(Hn)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 행렬의 각 원소가 +1 또는 -1로 구성되는 정방형 행렬로, 각 열이 서로 직교한다(orthogonal). 또한, 하다마드 행렬의 곱(HnHn T)은 하다마드 행렬의 차수(n)만큼 스칼라 곱을 한 단위 행렬(nIn)이 된다.
하다마드 행렬은, 대칭이고 직교성을 갖고 또한 각 원소가 +1 또는 -1이므로, 변환 계산에서 곱셈이 필요 없고, 고속 변환이 가능한 장점을 갖는다.
이러한 하다마드 변환을 통해, 16x16 매크로 블록이 인트라 모드로 선택될 때, 4x4 블록 단위로 DCT 변환된, 16x16 매크로 블록 내의 각 4x4 블록에 대한 DC 성분 사이에 존재하는 상당한 양의 상관 관계를 고려하여 에너지를 집중시킴으로써 코딩 효율을 향상시킬 수 있다.
인트라 모드는, 모션을 예측하려는 매크로 블록을 포함하는 프레임의 앞뒤 프레임 내에 상기 매크로 블록의 영상 데이터와 대응되는 영상 블록(기준 블록)이 검출되지 않는 경우, 상기 매크로 블록을 포함하는 동일한 프레임 내의 다른 영상 데이터를 이용하여 상기 매크로 블록에 대한 모션을 예측하는 것을 가리킨다. 따라서, 매크로 블록이 인트라 모드로 예측되는 경우는 공간적으로만 모션이 예측되는 경우에 해당한다.
또한, 인트라 베이스 모드는, 인핸스드 레이어의 매크로 블록이 베이스 레이어의 대응되는 영상 블록을 기준으로 예측되는 것을 가리킨다.
도 4는 본 발명에 따른 영상 신호의 인코딩 방법에 대한 실시예를 도시한 것이다.
인핸스드 레이어의 매크로 블록은 베이스 레이어의 동시간의 프레임 내의 대응되는 영상 블록을 기준으로 예측되어 오차 데이터가 생성될 수 있는데, 이러한 경우가 인트라 베이스 모드이다.
인핸스드 레이어와 베이스 레이어는, 동일한 영상 소오스를 해상도, 프레임 레이트 등을 달리하여 샘플링 한 영상 신호이므로, 동시간의 프레임 및 대응되는 위치의 영상 데이터(물론 화면 크기가 다른 경우 업샘플링 등을 통해 스케일링 된 후의 영상 데이터)는 각 픽셀 값이 거의 유사하다.
즉, 인트라 베이스 모드로 오차 데이터가 생성된 매크로 블록의 각 픽셀은 그 값이 대부분이 0에 가까운 값으로 크지 않고 균일한 분포를 이루기 때문에, DCT를 이용하여 2-D 변환하는 경우, 고주파 성분의 변환 계수는 거의 0이 된다.
또한, DCT 변환되는 블록의 경계에서는 블록화 현상(blocking artifact)이 발생하여 영상을 왜곡한다. 매크로 블록을 작게 나눌수록 블록 사이의 경계가 많아져 영상 왜곡이 더 많아지고, 이를 해소하기 위한 디블록 필터링(deblock filtering) 동작에 많은 계산이 소요될 수 있다.
이러한 이유로, 오차 데이터를 갖는 16x16 매크로 블록을 굳이 16개의 4x4 블록으로 작게 나누어 DCT 변환을 할 필요가 없고, 매크로 블록을 크게 파티션닝 하여 DCT 변환하는 것이 코딩 효율이 더 좋을 수 있다. 특히, 변화가 적은 부드러운 영상의 경우에는 더욱 그렇다.
따라서, 본 발명에서는, 인트라 베이스 모드의 16x16 매크로 블록을, 16개의 4x4 블록으로 나누어 각각에 대해서 2-D 변환을 수행하는 대신, 4개의 8x8 블록으로 파티션닝 하여 각각에 대해서 2-D 변환을 수행하고, 4개의 8x8 블록에 대한 DC 변환 계수를 선택하여 하다마드 행렬(H2)을 이용하여 변환한다.
또한, 인트라 베이스 모드의 매크로 블록에 대한 4개의 8x8 블록의 DC 변환 계수가 2x2 하다마드 행렬을 통해 변환되는 것을 가리키는 플래그(hadamard_ibl_flag)를, 예를 들어 '1'로 설정하고, 이를 매크로 블록 헤더 또는 슬라이스 헤더에 기록하여, 디코더에 이를 알릴 수 있다.
또한, 인트라 베이스 모드의 매크로 블록을 8x8 블록으로 2-D 변환하고 각 8x8 블록의 DC 계수를 하다마드 변환하는 본 발명의 실시예는, D베이스 레이어와 인핸스드 레이어의 공간적 해상도가 동일한 경우 또는 인핸스드 레이어가 공간적 해상도가 베이스 레이어의 2의 정수 배인 경우(dyadic case)에만 적용하고, 이 경우 상기 hadamard_ibl_flag와 같은 플래그 정보는 기록하지 않을 수도 있다.
이후, 하다마드 변환된 2x2 계수와 DC 변환 계수가 제외된 4개의 8x8 블록의 계수는 양자화, 스캔닝, 엔트로피 코딩을 통해 비트 스트림으로 인코딩 된다.
지금까지 설명한 방법에 의해 인코딩 된 데이터 스트림은 유선 또는 무선으로 전송되거나 기록 매체를 매개로 하여 전달되며, 이동 통신 단말기에 실장되거나 기록 매체를 재생하는 장치에 실장되는 디코딩 장치는 인코딩 과정의 역과정을 수행하여 인코딩 된 데이터 스트림을 영상 신호로 복원하게 된다.
이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서 또 다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.
따라서, 인트라 베이스 모드의 매크로 블록에 대해서 영상 왜곡을 줄이고 코딩 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 영상 신호를 제 1 방식으로 인코딩 하여 제 1 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계; 및
    상기 영상 신호를 제 2 방식으로 인코딩 하여 제 2 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    여기서, 제 1 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계는,
    제 2 레이어의 대응되는 블록을 기준으로 오차 데이터가 생성된 제 1 레이어의 16x16 매크로 블록을 8x8 블록으로 나누어 2-D 변환하는 제 1 단계; 및
    2-D 변환된 8x8 블록의 소정 변환 계수를 선택하여 하다마드 변환하는 제 2 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 매크로 블록은 인트라 베이스 모드로 오차 데이터가 생성되는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2-D 변환은 DCT 변환인 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소정 변환 계수는 DC 변환 계수인 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    2-D 변환된 8x8 블록의 DC 변환 계수가 2x2 하다마드 행렬에 의해 변환되었음을 가리키는 정보를 기록하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 정보는 매크로 블록 헤더 또는 슬라이스 헤더에 기록되는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 레이어는 상기 제 2 레이어와 해상도, 프레임 레이트 중 적어도 어느 하나가 다른 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 단계와 제 2 단계는, 상기 제 1 레이어의 해상도가 상기 제 2 레이어의 해상도와 동일하거나 2의 정수 배인 경우에만 수행되는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    제 1 레이어의 비트 스트림을 생성하는 단계는,
    변환된 변환 계수를 양자화하는 단계;
    양자화된 변환 계수를 스캔 하는 단계; 및
    상기 스캔된 변환 계수를 엔트로피 코딩 하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 신호를 인코딩 하는 방법.
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