KR20070031755A - 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낮은 복잡도를 가지면서 우수한 성능을 나타낼 수 있는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 관한 것으로서, 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 있어서, (1) 공간적 경계 정합에 의한 4개의 공간 방향 벡터를 검출하는 단계; (2) 공간 방향 벡터들에 따라 보간하는 단계; (3) 주변의 경계화소를 이용하여 모드를 선택하는 단계; 및 (4) 가중치를 둔 평균합을 이용하여 에러를 은닉하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
에러 은닉, 방향성 보간, 공간 방향 벡터, 블록 경계정합 에러

Description

방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법{A Spatial Error Concealment Technique Using Edge-Oriented Interpolation}
도 1은 공간적 경계정합 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 공간 방향 벡터에 따른 가중치를 둔 방향성 보간을 설명하기 위한 도면,
도 3은 주변 블록을 이용한 모드 결정을 설명하기 위한 도면,
도 4는 블록에러에 대한 방향성 경계정합 에러를 설명하기 위한 도면,
도 5는 슬라이스 에러에 대한 방향성 경계정합 에러를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명은 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 낮은 복잡도를 가지면서 우수한 성능을 나타낼 수 있는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 관한 것이다.
네트워크를 통한 영상 데이터 전송 시 에러가 발생하면 복원된 영상의 화질 열화는 매우 심각하다. 따라서 에러가 존재하는 전송환경에서 압축된 영상이 일정한 화질을 유지하기 위해서는 에러 내성 기술과 에러 정정 기술 등 에러 제어 기법이 필요하다. 특히 수신단에서 독립적으로 구현할 수 있는 에러 은닉 기법은 양질의 영상을 얻기 위한 중요한 기술이다.
특히, 정지영상의 경우 에러가 발생했을 때 참조할 수 있는 영상이 없고, MPEG의 인트라 프레임의 경우 움직임 보상 시 기준 프레임으로 사용되기 때문에 에러가 발생하게 되면 시간적 오류의 전파가 나타나게 되므로 공간 영역에서의 에러 은닉 기법이 반드시 필요하다.
공간 영역에서의 에러 은닉 방법 중 가장 간단한 방법은 양선형 보간 방법(Bilinear Interpolation)이다. 상기 양선형 보간 방법은 비교적 낮은 복잡도를 가지고 어느 정도의 성능을 나타내기 때문에 널리 이용하고 있다.
그러나 상기 양선형 보간 방법의 경우 세밀한 에지를 가지는 영역에 대해서는 blurring이나 블록킹 현상 등이 나타날 뿐만 아니라 에지가 흐르는 방향과 관계없는 블록의 경계화소 값들을 이용하게 되므로 선형 보간법보다도 성능이 저하되며, 많은 계산량을 발생시킨다는 문제점이 있다.
그러므로 상기 양선형 보간 방법을 개선하기 위해 단순화된 에지 모델을 이용하는 여러 방향성 보간 방법들이 제안되어 왔다.
그리고 또 다른 에러 은닉 방법으로는 퍼지 이론을 이용해서 저주파 계수와 고주파 계수 모두를 복구하는 방법, 영상 신호의 평활화 척도가 최대가 되도록 손상된 블록들을 복구하는 방법, 블록집합에 투영(Projection Onto Convex Sets: POCS)하는 방법, 픽셀 기반의 통계 모델을 통해 순차적인 보간을 수행하는 방법 등이 있다.
그러나 이러한 공간적 에러 은닉 방법들은 실시간 응용에 적용하기에는 복잡도가 매우 높다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 에러 은닉 방법의 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 에지의 방향을 추정하기 위한 1차원 공간적 경계정합 방법, 가중치를 둔 방향성 보간 방법(Directional Weighting Interpolation), 에지의 흐름을 예측하는 모드 선택하는 방법 및 방향성 경계정합 에러를 가중치로 둔 평균합으로 에러를 은닉하는 방법으로, 낮은 복잡도를 가지면서 우수한 성능을 나타내는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법을 제공함에 있다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 있어서, (1) 공간적 경계 정합에 의한 4개의 공간 방향 벡터를 검출하는 단계; (2) 공간 방향 벡터들에 따라 보간하는 단계; (3) 주변의 경계화소를 이용하여 모드를 선택하는 단계; 및 (4) 가중치를 둔 평균합을 통 해 최종적으로 에러를 은닉하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법은 공간적 경계 정합에 의한 4개의 공간 방향 벡터를 검출하는 단계(S100)와, 상기 공간 방향 벡터들에 따라 보간하는 단계(S110)와, 주변의 경계화소를 이용하여 모드를 선택하는 단계(S120)와, 가중치를 둔 평균합을 이용하여 에러를 은닉하는 단계(S130)의 순서로 진행된다.
먼저, S100 단계인 공간 방향 벡터를 검출하는 단계와 S110 단계인 상기 공간 방향 벡터들에 따라 보간하는 단계에 대해 첨부 도면 도 1 및 도 2를 참조하여 좀더 상세히 기술하면 다음과 같다.
첨부 도면 도 1은 하단 블록 BB와 상단 블록 BTL, BT, BTR 사이의 최상의 정합을 찾기 위해 경계 탐색을 나타낸 도면으로서, 이웃한 상, 하, 좌, 우 블록들의 경계화소 사이에 1차원 경계 정합(Boundary Matching Algorithm: BMA)을 이용하여 손실된 블록에 대해 에지의 방향을 추출한다.
이때, 상기 1차원 경계 정합은 평균 절대 오차(Mean Absolute Difference: MAD)에 의해 추출되며, 수학식 1과 같다.
Figure 112005051804951-PAT00001
여기에서 x, y는 블록 크기가 Nㅧ N일 때 -N에서 N까지의 탐색 벡터이다.
Figure 112005051804951-PAT00002
수학식 2는 공간 방향 벡터(SDV)를 나타낸다. 여기서 argmin(DT(x))은 상단 블록 경계 BT와 하단 블록들 BB, BBL, BBR간의 블록 경계 정합 에러 DT(x)값을 최소화하는 x값을 나타낸다.
2N 개의 평균 절대 오차(MAD) 값을 비교한 후, 상, 하, 좌, 우 블록의 경계화소와 가장 잘 정합하는 반대편 블록 경계화소의 위치를 통해 공간 방향 벡터 (SDV)를 찾을 수 있다. 예를 들어 하단 블록 BB의 경계화소와 가장 잘 정합하는 상단 블록 BTL, BT, BTR 경계화소의 위치를 통해 공간 방향 벡터(SDVB)를 구할 수 있다. 즉 상기 공간 방향 벡터(SDVB)는 손상된 블록 내에 흐르는 에지의 방향을 나타낸다.
이때, 에지의 방향이 0ㅀ~ 45ㅀ라면 최상의 정합은 블록 BT와 블록 BTR사이에 위치하고, 반대로 에지의 방향이 90ㅀ ~ 135ㅀ라면 최상의 정합은 블록 BTL과 블록 BT사이에 위치할 것이다. 마찬가지 방식으로 블록 BT, BL, BR에 대해서도 경계 정합을 통해 공간 방향 벡터 (SDVT, SDVL, SDVR)을 구한다.
후술하는 수학식 3과 4는 SDV 벡터를 이용한 보간식을 나타내며, 추정된 결과 최소 평균 절대 오차(MAD) 값이 문턱치보다 작은 경우는 이웃한 블록들 사이에 큰 에지가 흐르거나 평탄한 영역이므로 손상된 화소들은 공간 방향 벡터(SDV)를 따라서 보간된다.
Figure 112005051804951-PAT00003
Figure 112005051804951-PAT00004
여기서 xT, xB, yL과 yR은 (i, j) 좌표를 지나면서 각 공간 방향 벡터(SDV)의 방향을 따라 상, 하, 좌, 우 경계와 만나는 좌표를 말한다. 또한 dT, dB, dL과 dR은 각 보간 될 화소와 각 공간 방향 벡터(SDV)의 방향을 따라 정합 경계 및 상, 하, 좌, 우 블록 경계 사이에 대한 거리이다. 만약 보간된 화소의 위치가 하단 블록과 가깝다면 하단 블록 BB의 경계 화소의 가중치는 dT의 증가로 커지게 될 것이다.
그리고, 상기 수학식 3, 4에서 에지의 기울기가 수직이거나 수평일 경우에는 단일 방향의 선형 보간을 사용하게 된다. 만일 상하 방향의 경계정합에서 공간 방향 벡터(SDV)가 수직이라면, 수학식 3은 수학식 5와 같이 되어 최단 거리에 있는 이웃한 상하 블록의 경계 화소들을 이용해 에러를 은닉하게 된다.
Figure 112005051804951-PAT00005
그리고, 첨부 도면 도 2는 공간 방향 벡터(SDV)에 따른 가중치를 둔 방향성 보간을 나타낸 도면으로서, 결과적으로 네 개의 공간 방향 벡터(SDV)에 따라 보간을 하면 네 개의 복원 블록이 생성된다. 상기 네 개의 복원 블록들은 커버하는 에지의 각도가 다르고 각기 다른 경계화소들을 이용하여 에지의 방향을 찾는 것이기 때문에 영상의 에지 특성에 따라 화질성능이 다를 수 있다. 따라서 네 개의 복원 블록들을 적절히 조합하여 최종적인 복원 블록을 만드는 과정이 필요하다.
상기 과정은 네 개의 복원 블록 B1, B2, B3 및 B4 중에서 원본에 가까운 것을 찾기 위해 필요하다. 또한 복원 블록을 조합하여 최종 복원 블록을 만들어낼 때 필요한 가중치 값을 좀 더 정교하게 얻기 위해 필요한 과정이다.
그리고, 주변의 경계화소를 이용하여 모드(mode)를 선택하는 단계인 S120 단계에 대해 좀 더 상세히 기술하면 다음과 같다.
첨부 도면 도 3은 손실된 블록 주위의 에지의 방향성을 예측하기 위해 상, 하, 좌, 우 블록의 2 줄의 최외각 경계화소들을 이용하는 것을 나타내기 위한 것으로서, 손실된 블록 주위 에지의 방향성을 예측하기 위해 방향성 경계 정합 에러를 이용한다.
먼저, 에지가 흐르는 방향을 찾기 위하여 블록 경계와의 수직방향(mode0), 대각선 방향(mode1) 역대각선 방향(mode2)으로 각각 블록 경계 정합 에러를 구하고, 그 중 가장 작은 에러 값을 갖는 방향을 해당 경계의 모드(mode)로 선택한다.
상기와 같이 해당 경계의 모드를 선택하는 것은 에지의 방향성을 세밀하게 나타내기 위한 것이 아니고, 단지 선택된 모드의 네 경계면에서 각각 에지가 대략적으로 어떤 방향으로 흐르는지를 미리 파악하기 위한 것이다. 예를 들어 손실된 블록의 상단 블록의 최외각 경계와 바로 안쪽의 경계가 제2 모드(mode2)라고 가정하면 상단블록에서의 에지의 흐름은 대각선 방향이라고 미리 파악을 할 수 있는 것이다.
그리고, 첨부 도면 도 4는 미리 구한 각각의 mode를 이용하여 블록 경계정합 에러를 구하는 예를 도시한 도면으로서, 네 개의 복원 블록(B1, B2, B3 및 B4)에 대해 각각 블록 경계정합 에러(MAEB1, MAEB2, MAEB3, MAEB4) 값을 산출한다. 이때 에러를 산출하는 방향은 앞서 추출한 모드(mode)를 이용한다. 여기서 각각의 블록 경계정합 에러(MAE) 값은 영상을 복원하는데 가중치로 사용하게 된다.
마지막으로 가중치를 둔 평균합을 이용하여 에러를 은닉하는 단계인 S130 단계에 대해 좀더 상세히 기술하면 다음과 같다.
즉, 최종적인 에러 은닉 단계(S130)는 앞서 산출한 네 개의 블록 경계정합 에러(MAE) 값 중에서 보다 작은 값을 갖는 2개의 복원 블록에 대해 해당 블록 경계정합 에러(MAE) 값을 가중치로 둔 평균합을 산출해 냄으로써 수행된다. 이때 아래와 같은 식으로 원영상의 손실된 블록을 채워 넣는다.
Figure 112005051804951-PAT00006
여기에서 블록 경계정합 에러(MAEA와 MAEB) 값은 네 개의 블록 경계정합 에러(MAE) 중 보다 작은 두 개의 블록 경계정합 에러(MAE) 값이고, 블록(BA와 BB)는 해당 복원 블록을 나타낸다. 이것은 블록 경계정합 에러(MAEB)가 가장 작은 값이라고 하면 복원된 블록(BB)와 주변 상, 하, 좌, 우 블록간의 경계정합 에러가 가장 작다는 것을 의미하므로 손실된 블록이 가장 잘 복원되었다는 것이라고 판단할 수 있다. 따라서 상기 블록 경계정합 에러(MAEB)가 블록 경계정합 에러(MAEA)보다 작기 때문에 두 번째로 잘 복원된 블록 BA의 가중치로 사용되고, 블록 경계정합 에러(MAEA)는 가장 잘 복원된 블록 BB의 가중치로 사용되어 좀 더 좋은 양질의 복원된 블록을 얻을 수 있게 된다.
그리고, 슬라이스 단위의 에러가 발생하였을 경우에는 에러 블록에 이웃하는 좌측 및 우측 블록에 대한 경계 화소값이 없기 때문에 상단 및 하단 블록의 경계 화소값들 만을 이용하여 손상된 블록을 복원해야 한다. 따라서 1차원 경계정합은 상하 블록들 사이에서 두 번 이루어지고, 공간 방향 벡터(SDV)도 SDVT와 SDVB의 2개만 존재한다.
그리고, 첨부 도면 도 5는 슬라이스 에러에 대한 방향성 경계정합 에러를 산출하는 단계를 설명하기 위한 도면으로서, 두 개의 공간 방향 벡터를 이용하여 방향성 보간을 수행하여 복원 블록 B1과 B2를 구한다. 다음에 블록 단위의 에러 은닉 방법에서 이용했던 것과 마찬가지로 블록 경계 정합 에러를 이용하여 상하 블록 경계에 대하여 모드(mode)를 결정하고, 상기 결정된 모드(mode)에 따라 블록 경계정합 에러(MAE1)과 블록 경계정합 에러(MAE2) 값을 산출한다. 이때, 복원블록이 2 개만 존재하고, 손실된 블록의 왼쪽과 오른쪽 경계면에 대해서는 블록 경계정합 에러(MAE) 값이 존재하지 않으므로, 2개의 복원 블록을 이용하여 최종적으로 에러를 은닉해야 하며, 여기서, 최종 복원 블록은 다음 수학식 7에 의해 산출된다.
Figure 112005051804951-PAT00007
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 낮은 복잡도를 가지면서 우수한 성능으로 에러를 은닉시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 손실된 블록에 대해 방향성 기반의 보간 기법을 이용한 공간적 에러 은닉 방법을 적용하여 손실된 블록을 좀더 효율적으로 복원시킬 수 있도 록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블록 단위의 에러가 발생하였을 경우 상, 하, 좌, 우 블록의 경계를 이용하여 손실된 블록의 에지의 방향을 정교하게 찾을 수 있고, 각 블록의 mode를 기반으로 최적의 방향성 경계정합 에러를 이용해 손실된 블록에 대해서 적절히 복원할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블록 경계정합 에러(MAD) 값, 방향성 보간 값 및 경계정합 에러 값만을 산출하는 정도의 간단한 연산만을 수행하기 때문에 계산량이 적다는 장점이 있다. 따라서 본 발명은 기존의 에러 은닉 기법에 비하여 객관적인 화질 향상을 보일 뿐만 아니라, 복잡도가 낮기 때문에 실시간 응용에 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법에 있어서,
    (1) 공간적 경계 정합에 의한 4개의 공간 방향 벡터를 검출하는 단계;
    (2) 공간 방향 벡터들에 따라 보간하는 단계;
    (3) 주변의 경계화소를 이용하여 모드를 선택하는 단계; 및
    (4) 가중치를 둔 평균합을 이용하여 에러를 은닉하는 단계
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (1) 단계는,
    이웃한 상하좌우 블록들의 경계화소 사이에 1차원 경계 정합(Boundary Matching Algorithm: BMA)을 이용하여 손실된 블록에 대해 에지 방향을 추출한 후 복원된 화소를 추정된 결과를 기반으로 하여 에지 방향을 따라 보간하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 1차원 경계 정합은 평균 절대 오차(Mean Absolute Difference: MAD)를 이용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (2) 단계는,
    2N 개의 평균 절대 오차(MAD) 값을 비교한 후, 상 · 하 · 좌 · 우 블록의 경계화소와 정합하는 반대편 블록 경계화소의 위치를 통해 공간 방향 벡터(SDV)를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 (2) 단계는,
    최소 MAD 값이 문턱치보다 적은 경우 손상된 화소들을 공간 방향 벡터를 따라서 보간하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (3) 단계는,
    블록 경계와의 수직방향(mode0), 대각선 방향(mode1) 역대각선 방향(mode2)으로 각각 블록 경계 정합 에러를 산출하여 에지가 흐르는 방향을 추출하고, 상기 산출된 에러값 중 가장 작은 에러값을 갖는 방향을 해당 경계의 mode로 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 (4) 단계의 가중치는,
    네 개의 복원 블록(B1, B2, B3 및 B4)에 대해 해당 경계의 mode에 따라 각각 산출된 블록 경계정합 에러값(MAEB1, MAEB2, MAEB3와 MAEB4)인 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (4) 단계는,
    상기 산출된 네 개의 블록 경계정합 에러(MAE) 값 중에서 보다 작은 값을 갖는 2개의 복원 블록을 해당 블록 경계정합 에러(MAE) 값을 가중치로 둔 평균합을 취하여 수행되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 (4) 단계는,
    슬라이스 단위의 에러에 대하여 두 개의 공간 방향 벡터를 구하고 이 벡터들 을 이용하여 방향성 보간을 수행하여 복원 블록 B1과 B2를 산출한 후 블록 경계 정합 에러를 이용하여 상하 블록 경계에 대하여 모드를 결정하고 모드에 따라 블록 경계정합 에러값(MAE1, MAE2)을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 보간을 이용한 공간적 에러은닉 방법.
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