KR20070065481A - 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화기법 - Google Patents

다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화기법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법에 있어서, 스케일러블 스테레오 비디오 부호화기(Scalable Stereoscopic Video Encoder)로 영상신호를 부호화하는 방법에 있어서, 공간적 기본 해상도와 완전한 해상도를 표현하기 위해 입력된 스테레오 영상을 하향 샘플링하고, 공간적 기본 해상도의 좌 영상은 비계위 MPEG-2 부호화기(Non-Scalable MPEG-2 Encoder)를 사용하여 부호화하며, 시간적 해상도를 표현하기 위해 B프레임 분할(B frame Partition)을 거쳐 각각 기본계층(BL) 및 제1확장계층(EL1) 비트 열을 생성하는 것으로, 이질적인 수신 단말들의 효율적인 디스플레이 제공을 위한 시공간적 계위 기술을 이용한 스테레오 영상 부호화 기술이다.
더욱이 효율적인 스테레오 영상의 재현을 위하여, 하나의 기본계층(Base Layer: BL)과, 하나 혹은 복수개의 확장계층(Enhancement Layer: EL)을 갖는다. 또한, 기술적인 특징들로는 스테레오 비디오 부호화 효율을 높이기 위해 ECSC(Enhanced Compatible Stereoscopic Coding; 확장 호환을 갖는 스테레오 비디오 부호화) 방법을 제안하고, 유연성 있는 스테레오 영상 서비스의 제공을 위해 시공간적 계위를 이용한 스테레오 비디오 부호화기를 제공한다.
스테레오 비디오, 시공간적 계위, 스케일러블, 부호화, 영상

Description

다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화기법{A Scalable Stereoscopic Video Coding method for Heterogeneous Environments}
도 1은 본 발명에 따른 스케일러블 스테레오 비디오 서비스의 전체 구성도다.
도 2는 본 발명에 관한 시공간적 계위 구성도로서, 도 2a는 I프레임과 P프레임 사이에 3개의 B프레임이 존재하는 경우(즉 M=3)를 나타낸 것이고, 도 2b는 I프레임과 P프레임 사이에 5개의 B프레임이 존재하는 경우(즉 M=5)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스케일러블 스테레오 비디오 부호화기를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 ECSC(Enhanced Compatible Stereoscopic Coding)를 이용한 B-프레임의 예측과정을 나타낸 설명도이다.
본 발명은 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법 및 그 장 치에 관한 것으로, 다양하고 이질적인 네트워크 환경 및 디스플레이 환경을 갖는 수신단말의 허용대역폭, 디스플레이 시스템과, 그 처리능력을 고려하여 적합한 시공간적 해상도의 스테레오 비디오 서비스를 제공하기 위한 스테레오 비디오 부호화 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 인터넷망 및 멀티미디어 서비스의 발전과 더불어 멀리 떨어져있는 사용자들 사이에서 3차원 영상이나 파노라마 영상 등을 포함하는 고화질의 실감미디어를 제공하기 위하여 동시적인 공동작업 환경이 가능해졌다.
그러나 상기 3차원 영상의 고화질 실감미디어의 데이터를 송수신하거나 사용할 수 있는 기반에는 네트워크 인프라가 구축되어 있어야 하고, 그리고 3차원 영상 데이터를 가시적으로 보여줄 수 있는 디스플레이 장치들이 수반되어야 한다. 또한, 현재 구축되어 있는 네트워크 인프라들과 각 수신 장치들은 서로 이질적이거나 각각 전송하거나 처리할 수 있는 데이터의 양이 각각 상이하다.
따라서 상기 측면들을 고려하면, 네트워크에서 고려되어야 하는 다양한 지원 가능한 범위와 수신 장치의 능력을 고려한 3차원 영상 데이터 부호화 기법이 고려되어야 한다.
이와 같이 다양한 네트워크와 수신 장치들의 성능에 따른 차별적인 서비스 제공을 위해서 많은 부호화 기법들에 대한 연구가 이루어지고 있다. 더욱이 향후, 예를 들어 2015년 까지 상용화를 목표로 현재 국내에서 추진하고 있는 실감방송에 대한 적극적인 연구지원으로 산업체, 학교 및 연구소 등에서 연구가 활발하게 진행 중에 있다.
현재의 3차원 영상 데이터는 스테레오 영상이 주류를 이루고 있다. 스테레오 영상을 효율적으로 부호화하고, 이를 네트워크의 대역폭이나 수신 장치의 수용 범위에 따라 차별적인 서비스의 제공이 요구된다. 더욱이 이러한 점들을 고려하여 제안한 스테레오 부호화 기법은 스케일러빌러티(scalability; 사용자 수의 증대에 유연하게 대응할 수 있는 정도의 확장성) 부호화 방식을 기반으로 하는 차별화된 서비스의 제공이 가능하도록 하는 기술적 의미를 갖는 것이다.
종래에 스테레오 영상 부호화 기술들은 양안차 예측(Disparity Estimation)의 효율 측면에서 문제들을 접근하고 있다. 양안차 예측의 복잡도를 단순화하기 위한 속도적 개선과 양안차 예측의 정확도를 높이기 위한 기술들이 연구되고 있다. 그러나 이와 같은 기술들은 전체적인 부호화 효율의 향상은 꾀할 수 있지만, 다양한 구성을 갖는 현재의 네트워크 환경에는 적합하지 않은 실정이다. 각각의 네트워크 환경이 보장할 수 있는 대역폭이 다를 뿐만 아니라, 가변적이기 때문에 다양한 변화에 대처하기는 힘들다. 더불어 3차원 영상 데이터를 보여주기 위한 장치들도 각각 그 성능이 다르다. 따라서 지나치게 처리과정이 복잡한 방법을 적용하는 경우에는 실제적으로 해당 장치를 이용하여 실시간으로 처리하는 것에는 곤란한 문제가 내재되어 있었다.
본 발명은 상기 종래기술들이 갖는 이질적이면서 공동작업 환경에 대한 적응 적인 측면에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 다양한 네트워크의 상황에 부합되는 수준의 데이터 처리가 가능하도록 하고, 수신 단말에서 지원 가능한 수준의 스테레오 비디오 서비스를 제공하기 위한 것이 목적이다.
더욱이 본 발명은 이질적인 수신 단말들의 효율적인 디스플레이 제공을 위한 시공간적 계위 기술을 이용하여 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 효율적인 스테레오 영상을 재현하기 위한 방법에 있어서,
입력된 기준영상(좌 영상)의 기본 해상도를 제공하기 위한 하나의 기본계층(BL; Base Layer)과,
기본 해상도의 우 영상과 고해상도의 좌우 영상을 지원하기 위한 추가정보들을 제공하기 위한 하나 이상의 확장계층(EL; Enhancement Layer)을 갖는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법을 제공한 것이 특징이다.
본 발명은 또한 3차원영상 부호화수단과 공간적계위 부호화수단 및 시간적계위 부호화수단을 포함하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 장치를 제공하고자 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법 및 그 장치에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 부호화 장치를 이용하는 스테레오 비디오 서비스시스템을 나타낸 구성도이다.
비디오 영상을 단말기측으로 제공하는 서버측에 포함된 부호화기에서 스테레오 영상을 하나의 기본계층(BL)과 복수의 확장계층(EL1-EL5)으로 나누어 부호화를 수행한다.
각기 상이한 수신 단말기들(Client A-D)의 네트워크 대역폭 및 처리환경에 따라 차별적으로 기본계층(BL) 비트열 또는 기본계층(BL)과 확장계층(EL)의 비트열을 함께 전송한다.
수신 단말기(Client A-D)는 전송받은 여러 계층의 비트열을 결합하여 수신 단말기(Client A-D)에서 지원 가능한 수준의 시공간적 해상도를 갖는 영상을 디스플레이 한다.
예를 들어, 제1수신 단말기(Client A)는 저해상도의 모노 타입의 비디오 데이터만 필요한 경우로서, 기본계층에 해당하는 비디오 비트 열을 제공받는다. 그리고 이와는 반대로 제4수신 단말기(Client D)는 고해상도의 3차원 데이터가 필요한 경우로서, 이 경우에는 모든 계층의 비트 열을 제공받는다.
따라서 각 수신 단말기(Client A-D)는 자신의 디스플레이 및 네트워크 환경에 맞는 비트 열을 제공받을 수 있고, 수신 단말기(Client A-D) 환경에 의하여 하 나의 3차원 비디오 소스에 대해서 모노 또는 다양한 스테레오 디스플레이가 가능하다.
본 발명은 스테레오 비디오 부호화 효율을 높이기 위하여 (ECSC; Enhanced Compatible Stereoscopic Coding) 방법을 제공하고, 유연성을 갖는 스테레오 영상 서비스의 제공을 위하여 시공간적 계위를 이용한 스테레오 비디오 부호화기를 제공한다. 이를 위해 기준영상(좌 영상)은 MPEG-2 표준을 사용하여 부호화하고, 우 영상의 P-프레임 및 B-프레임는 MPEG-2 멀티뷰 프로파일에서 정의된 compatible 방식에 양안차 벡터(DV)와 움직임 벡터(MV)를 이용한 보간 기법을 사용하였다.
도 2는 본 발명의 시공간적 계위 구성도이다. 도2a는 I와 P프레임 사이에 3개의 B프레임이 존재하는 경우(즉, M=3)를 나타낸 것으로, 이질적인 다양한 디스플레이 환경을 가지는 시스템들 간에 효율적인 3차원 영상 전송을 위하여 하나의 기본계층(BL)이외에 추가로 복수의 확장계층(EL)을 정의한다. 기본계층(BL)은 입력된 기준영상(좌 영상)의 기본 해상도에 해당하는 비트열이며, 제1확장계층(EL1)은 시간적으로 고해상도의 기준영상을제공하기 위한 추가적인 비트열이다. 제3확장계층(EL2)는 기준영상에 대해 공간적 고해상도를 제공하기 위한 추가적인 비트열이다. 한편, 제3확장계층(EL3)은 기본 해상도에 해당하는 우 영상을 표현하기 위한 비트 열이다. 제4확장계층(EL4) 및 제5확장계층(EL5)는 고화질의 우 영상을 표현하기 위한 비트열을생성한다. 기본계층(BL)에서는 현재 프레임과 이웃한 프레임을 이용한 움직임 보상 예측(MCP; Motion Compensation Prediction)을 기반으로 부호 화를 수행하여 시간적 중복성을 제거한다. 제3확장계층(EL3)에서는 시간적으로 근접한 자신의 r층에 존재하는 영상들로부터 움직임 보상 예측(MCP)을 수행함과 더불어 압축 효율을 높이기 위하여 시간적으로 일치하는 기본계층(BL)의 복호화된 좌 영상과의 양안차 보상 예측(DCP; Disparity Compensation Prediction)을 수행함으로써 생성된다.
제1확장계층(EL1)과 제4확장계층(EL4)은 기본계층(BL)과 제3확장계층(EL3) 비트열에 추가적으로 완전한 시간적 해상도를 제공하기 위한 비트 열이다. 이와 마찬가지로, 제2확장계층(EL2)과 제5확장계층(EL5)은 기본계층(BL)+제1확장계층(EL1)과, 제3확장계층(EL3)+제4확장계층(EL4) 비트열에 추가적으로 완전한 공간적 해상도를 제공하기 위한 비트 열이다.
도2b는 I와 P프레임 사이에 5개의 B프레임이 존재하는 경우(즉, M=5)로서 도 2a의 변형된 실시예를 나타낸다.
이를 위해 본 발명에 의한 스테레오 비디오 부호화 장치는 상기 계층들을 계위적으로 부호화하기 위한 공간적 계위 부호화 수단, 3차원 영상 부호화 수단 및 시간적 계위 부호화 수단을 포함하여 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 스케일러블 스테레오 비디오 부호화기(Scalable Stereoscopic Video Encoder)의 세부적인 구성을 나타낸 것이다.
도 3에 의하면 공간적으로 기본 해상도와 완전한 해상도를 표현하기 위해 입력된 스테레오 영상을 하향 샘플링 한다. 하향 샘플링 된 공간적 기본 해상도의 좌 영상은 기존의 비계위 MPEG-2 부호화기(40, Non-Scalable MPEG-2 Encoder)를 사용하여 부호화 된다. 이 후 시간적 계위 부호화수단(30)을 통해 여러 시간적 해상도를 표현하기 위해 B프레임 분할(B frame Partition)을 거쳐 각각 기본계층(BL), 제1확장계층(EL1) 비트 열을 생성한다.
3차원 영상 부호화수단(20)에서는 우 영상의 압축을 위해 현재의 영상과 시간적으로 일치하는 공간적 기본 해상도를 가지는 좌 영상을 참조하여 부호화 된다. 움직임 벡터(MV) 또는 양안차 벡터(DV) 중 전송 효율이 높은 쪽을 선택한 후, 그에 따라서 움직임 차이 정보(DFD; Displaced Frame Difference) 또는 양안 차이정보(DCD; Displacement Compensated Difference)를 부호화하여 전송한다.
공간적 기본 해상도를 가지는 우 영상을 부호화하기 위한 방법은 다음과 같다.
먼저, 우 영상에서의 I-프레임은 시간적으로 동일한 좌 영상으로부터 구한 양안차 벡터를 이용하여 예측된 블록을 이용하여 부호화한다.
그리고 우 영상의 P-프레임는 동일한 시퀀스 내에서 순방향 예측(Forward Prediction)을 하여 얻어진 움직임 벡터(MV)와 시간적으로 동일한 좌 영상을 참조하여 얻어진 양안차 벡터(DV)를 이용하여 부호화한다.
다음으로 우 영상의 B-프레임는 제4도와 같이 동일한 시퀀스 내에서 순방향 움직임 예측 및 역방향 움직임 예측을 하여 얻어진 매크로블록(MB)과 양안차 예측을 통해서 얻어진 매크로블록(MB)을 이용하여 부호화한다.
완전한 공간적 해상도 표현을 위해 추가적으로 필요한 비트 열(EL2, EL5)은 복호화된 기본 해상도의 영상을 본래 해상도로 상향 샘플링 하여 시간적으로 일치하는 원 영상과의 차이 값을 부호화하여 생성한다. 확장계층의 적용은 수신측의 디스플레이가 지원되는 경우에 대해 고화질을 제공하기 위해서 사용된다.
공간적 계위 부호화수단(10)은 기존 해상도를 가지는 기준영상에 고해상도를 지원하기 위한 추가적인 비트열을 생성한다.
도 4는 본 발명에서 ECSC(Enhanced Compatible Stereoscopic Coding)의 예측방법을 도식화한 것이다. 예측된 우 영상 B-프레임 블록은 우 영상의 I-프레임 및 P-프레임과, 좌 영상의 B-프레임에서 유사블록을 찾아 얻어진 블록들을 가중치를 두어 합한 값이다. P-프레임의 경우 순방향과 양안차 벡터에 대한 가중치는 각각 0.5이고, B-프레임의 경우 순방향과 역방향 벡터에 대한 가중치는 각각 0.25이며, 양안차 벡터는 0.5이다. 하나의 블록의 예측과정에서 모든 가중치의 합은 1이 된다.
(수학식 1)
Figure 112005074395322-PAT00001
상기 수학식에서 w는 가중치를 나타내고, v는 벡터이며, f, b, d는 각각 순방향, 역방향 및 양안차이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다 양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 하나의 부호화 장비로 동시에 여러 이질적인 수신단말들에게 수신환경에 맞는 스테레오 서비스를 제공 가능한 효과가 있다. 특히, 본 발명을 이용한 부호화기로 부호화 된 스테레오 비디오의 경우 수신 단말의 환경에 따라서 재 부호화가 필요치 않으며, 서로 다른 수신 단말의 환경을 미리 알 경우에 각각의 단말의 디스플레이 시스템 및 네트워크 환경에 최적화 된 서비스가 가능하다. 예를 들어, 스테레오 실감 미디어 전송 서비스를 여러 사용자에게 멀티캐스팅 하고자 할 때에 여러 계층으로 확장하여 부호화된 스테레오 비디오 스트림을 요구한 사용자들에게 사용자의 컴퓨팅 환경에 적합한 비트열의 조합으로 전송하여 전송 채널을 낭비하지 않고 효과적으로 사용 가능하다.
또한, 본 발명은 수신 단말기에서 전송 받은 영상의 해상도는 이미 수신단말의 디스플레이 시스템에 최적화 되어있기 때문에 해상도 조정을 위한 별도의 처리과정이 없이 모노 또는 스테레오 비디오의 디스플레이가 가능하여 단말기 컴퓨팅 자원을 절약할 수 있으며, 반응속도의 향상을 가져오며, 해상도 조정시에 야기되는 화질저하를 막을 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 스케일러블 스테레오 비디오 부호화기(Scalable Stereoscopic Video Encoder)로 영상신호를 부호화하는 방법에 있어서,
    입력된 기준영상(좌 영상)의 기본 해상도를 제공하기 위한 하나의 기본계층(BL; Base Layer)과,
    기본 해상도의 우 영상과 고해상도의 좌우 영상을 지원하기 위한 추가정보들을 제공하기 위한 하나 이상의 확장계층(EL; Enhancement Layer)을 갖는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확장계층(EL)은 공간적으로 고해상도를 제공하기 위한 계층과 시간적으로 고해상도를 제공하기 위한 계층으로 이루어진 시공간적 계위로 구성된 것을 특징으로 하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    기본 해상도의 우 영상은 현재의 영상과 시간적으로 일치하는 공간적 기본 해상도를 가지는 좌 영상을 참조하여 부호화하되,
    움직임 벡터(MV; Motion Vector) 또는 양안차 벡터(DV; Disparity Vector) 중 전송효율이 높은 쪽을 선택한 후, 그에 따른 움직임 차이 정보(DFD; Displaced Frame Difference) 또는 양안 차이정보(DCD; Displacement Compensated Difference)를 부호화하여 전송하는 것을 특징으로 하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공간적 기본 해상도를 가지는 우 영상을 부호화 하는 단계는,
    (a) 우 영상에서의 I-프레임은 시간적으로 동일한 좌 영상으로부터 구한 양안차 벡터를 이용하여 예측된 블록을 이용하여 부호화 하는 단계;
    (b)우 영상의 P-프레임는 동일한 시퀀스 내에서 순방향 예측(Forward Prediction)을 하여 얻어진 움직임 벡터(MV)와 시간적으로 동일한 좌 영상을 참조하여 얻어진 양안차 벡터(DV)를 이용하여 부호화 하는 단계;
    (c) 우 영상의 B-프레임는 동일한 시퀀스 내에서 순방향 움직임 예측 및 역방향 움직임 예측을 하여 얻어진 매크로블록(MB)과 양안차 예측을 통해서 얻어진 매크로블록(MB)을 이용하여 부호화하는 단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 I-프레임와 P-프레임 사이에 홀수개의 B-프레임으로 구성되는 시공간적 계위구성법을 적용한 것을 특징으로 하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    예측된 우 영상 B-프레임 블록은 우 영상의 I-프레임 및 P-프레임과, 좌 영상의 B-프레임에서 유사블록을 찾아 얻어진 블록들을 가중치를 두어 합한 값으로 스테레오 비디오 부호화 효율을 향상시킨 확장 호환을 갖는 스테레오 비디오 부호화 예측방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 P-프레임은 순방향과 양안차 벡터에 대한 가중치로서 0.5이고, B-프레임은 순방향과 역방향 벡터에 대한 가중치로서 0.25이며, 양안차 벡터는 가중치로서 0.5이고, 하나의 블록의 예측과정에서 모든 가중치의 합은 1로서 다음의 수학식에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 확장 호환을 갖는 스테레오 비디오 부호화 예측방법.
    (수학식)
    Figure 112005074395322-PAT00002
    (상기 w는 가중치를 나타내고, v는 벡터이며, f, b, d는 각각 순방향, 역방향 및 양안차이다.)
  8. 스케일러블 스테레오 비디오 부호화 장치(Scalable Stereoscopic Video Encoder)에 있어서,
    3차원영상 부호화수단과;
    공간적계위 부호화수단과;
    시간적계위 부호화수단을 포함하는 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화 장치
KR1020050125928A 2005-12-20 2005-12-20 다양한 수신환경을 고려한 스테레오 비디오 부호화방법 및 장치 KR100783722B1 (ko)

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