KR20070076166A - 영상의 변화율에 따른 적응적 비트율 제어 장치 및 방법 - Google Patents

영상의 변화율에 따른 적응적 비트율 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR20070076166A
KR20070076166A KR1020060005238A KR20060005238A KR20070076166A KR 20070076166 A KR20070076166 A KR 20070076166A KR 1020060005238 A KR1020060005238 A KR 1020060005238A KR 20060005238 A KR20060005238 A KR 20060005238A KR 20070076166 A KR20070076166 A KR 20070076166A
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Abstract

본 발명은 비디오 압축에서 화질을 개선하기 위한 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 고정 비트율(constant bit rate) 환경에서 화면간의 변화율에 따라 비트율을 달리 적용하는 적응적 비트율 제어하는 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비디오 신호 부호화 장치는 이전 영상 및 현재 영상을 받아 들이는 데이터 입력부;
상기 현재 영상에 대해 이산 코사인 변환을 수행하는 이산 코사인 변환부;
상기 데이터 입력부의 출력 데이터를 이용하여 화면간의 변화를 산출하여 목표 비트 수를 할당하고, 현재 프레임과 이전 프레임의 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 구하고, 상기 목표 비트수와 모양 파라미터에 상응하여 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 제어부;
상기 이산 코사인 변환부의 출력값을 상기 비트율 제어에 따라 양자화를 수행하는 양자화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
비트율 제어, 프레임 변화율, 모양 파라미터, 왜곡 파라미터, 양자화 파라미 터

Description

영상의 변화율에 따른 적응적 비트율 제어 장치 및 방법{ Adjustive bit rate control system depending on the variation rate of the image}
도 1은 본 발명의 실시에 따른 비트율 제어 장치의 블록도
도 2는 본 발명의 실시에 따른 비트율 제어 방법의 전체 흐름도
도 3은 본 발명의 실시에 따른 목표 비트수 결정의 상세 흐름도
도 4는 본 발명의 실시에 따른 모양 파라미터 결정의 상세 흐름도
도 5는 본 발명의 실시에 따른 양자화 파라미터 결정의 상세 흐름도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 데이터 입력부 20 : DCT부
30 : 양자화부 40 : 부호화부
50 : 가변 비트율 제어부 51 : 프레임 변화율 결정부
52 : 모양 파라미터 결정부 53 : 목표 비트 할당부
54 : 피라미터 정보 결정부 55 : 양자화 파라미터 결정부
본 발명은 비디오 압축에서 화질을 개선하기 위한 부호화 장치 및 방법에 관 한 것으로, 특히 고정 비트율(constant bit rate) 환경에서 화면간의 변화율에 따라 비트율을 달리 적용하는 적응적 비트율 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 눈부신 통신 인프라 및 기술의 발전에 따라 멀티미디어 데이터를 응용한 많은 제품 및 기술들을 우리 주위에서 많이 접할 수 있다. 특히, 멀티미디어의 핵심이라 할 수 있는 비디오 압축 기술의 발전으로 인해 영상 전화 및 동영상 스트리밍 등의 서비스들이 통신 사업자들의 주요 사업 부문으로 떠오르고 있다.
동영상의 처리에 있어서 중요한 요소는 화질이라 할 수 있다. 네트워크상에서 손실되는 데이터들을 고려하지 않을 경우, 제한된 채널의 대역폭 내에서 가장 높은 압축 효율을 가지고서 개선된 화질을 제공하는 것이 중요하다. 이는 비디오 인코더의 구성요소 중, 비트율 제어 부분에 의해서 수행이 된다.
MPEG-2, MPEG-4 및 H.263과 같은 디지털 비디오 압축 표준의 출력 비트 스트림은, 사용목적에 따라서 고정 비트율(constant bit rate, CBR), 또는 가변 비트율(variable bit rate, VBR)이 사용될 수 있다.
고정 비트율(constant bit rate) 방식은 DTV(digital television) 방송 신호와 같이 일정 시간에 대하여 정해진 비트수로 인코딩하는 방식으로서, 정지 영상의 비디오 데이터 및 움직임 영상의 비디오 데이터가 모두 같은 비트수로 인코딩하므로, 큰 비트수를 할당해야할 움직임 영상의 화질이 상대적으로 나쁘다. 가변 비트율(variable bit rate) 방식은 대역폭(bandwidth)이 충분하거나 DVD(digital video disk) 등의 저장 매체를 사용하는 상황과 같이, 데이터 전송율이 가변적일 때, 움직임 영상의 비디오 데이터에 더 큰 비트수로 할당하는 것이 가능하므로 고정 비트 율(constant bit rate) 방식에 비해 화질을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 비디오 카메라에서 촬상된 비디오 데이터가 비디오 인코딩에 의하여 압축된 데이터는 무선랜(wireless LAN)이나 DTV 송신기 등에서 변조되어 RF(radio frequency) 신호로 출력될 수 있다. 또한, 압축된 비디오 데이터는 DVD 광디스크 등에 코드화되어 기록될 수 있다.
고정 비트율 인코딩 기술은 구현의 용이성 때문에 지금까지 널리 이용되어 왔으나, 프레임간의 변화가 심한 실제 비디오 시퀀스에서는 화질이 저하되는 단점을 가진다. 예를 들어 가장 많이 사용되는 H.263 비디오 코덱의 경우, 모든 프레임들에 대해 균등한 비트 수를 할당한 후에, 버퍼의 충만도를 고려하여 조절을 한다. 또한, 기존의 MPEG-4나 H.263에서 사용하는 양자화 파라미터 결정 방법은 부호화 되기 위한 데이터의 특성을 하나의 단일 모델만을 고려하므로 화면의 변화에 적응즉으로 대처하지 못하는 문제점이 있고 지나친 대략화로 인해 화질의 열화가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 극복하기 위한 것으로서, 비트율 제어의 구성 요소인 목표 비트 수 할당과 최적의 양자화 파라미터 결정과 관련하여 새로운 방법을 제안하여 비트율 제어를 효율적으로 할수 있는 비트율 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 이전 화면과 현재 부호화되기 위한 화면간의 변화를 고려하여 비트수를 할당하는 비트율 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 분포 모델 파라미터를 이용하여 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 효율적인 비트율 제어를 통해 화질의 열화를 방지하고 더불어 균등한 화질을 제공할수 있는 비트율 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 비트율 제어 장치는,
이전 영상 및 현재 영상을 받아 들이는 데이터 입력부;
상기 현재 영상에 대해 이산 코사인 변환을 수행하는 이산 코사인 변환부;
상기 데이터 입력부의 출력 데이터를 이용하여 화면간의 변화를 산출하여 목표 비트 수를 할당하고, 현재 프레임과 이전 프레임의 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 구하고, 상기 목표 비트수와 모양 파라미터에 상응하여 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 제어부;
상기 이산 코사인 변환부의 출력값을 상기 비트율 제어에 따라 양자화를 수행하는 양자화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 비트율 제어부는 현재 프레임과 이전 프레임의 화소들 간의 차이를 근거로 프레임간의 변화율을 결정하는 프레임 변화율 결정부;
상기 프레임 변화율에 따라 목표 비트율을 결정하는 목표 비트 할당부;
상기 현재 프레임과 이전 프렘임의 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 구하는 모양 파라미터 결정부;
상기 할당된 비트율 및 상기 모양 파라미터에 상응하여 양자파 파리미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 비트율 제어부는 상기 목표 비트율 및 상기 모양 파라미터에 상응하여 파라미터 정보를 결정하는 파라미터 정보 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 파라미터 정보 결정부는 모델 파라미터 결정부와 왜곡 파라미터 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 모델 파라미터 결정부는 상기 모양 파라미터, 이전 영상을 부호화할 때 사용된 비트수와 목표 비트수의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 적응적으로 보정하기 위한 적응값 및 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 블록에 대한 표준 편차를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 왜곡 파라미터 결정부는 픽셀당 사용하고자 하는 비트수와 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 브록에 대한 표준 편차를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 프레임 변화율 결정부는 Ki가 프레임 변화율을 나타내고, n은 픽셀의 수를 나타내고, M(i, i-1)은 i번째 프레임과 i-1번째 프레임 사이의 MAD를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00001
에 의해 프레임 변화율을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 목표 비트 할당부는 Ri 가 목표 비트수, Ki가 현재 프렘임의 변화율, R이 초당 목표 비트수에서 이전 프레임을 부호화하기 위해 사용된 비트수를 뺀 잔여 비트수, F가 남은 프레임 수, Δ는 버퍼의 충만도를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00002
에 의해 목표 비트율을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 모양 파라미터 결정부는 β가 모양 파라미터를 나타내고 ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타내고,
Figure 112006003562017-PAT00003
는 현재 프레임의 픽셀과 같은 위치에 있는 참조 프레임의 픽셀을 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00004
Figure 112006003562017-PAT00005
에 의해 모양 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 모델 파라미터 결정부는 σ가 현재 프레임과 이전 프레임의 차이에 대한 표준 편차를 나타내고, γ는 모델 파라미터를 나타내고, δ는이전 매크로 블락을 부호화할때 사용한 비트수와 목표 비트 수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 보정하기 위한 값을 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00006
에 의해 모델 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 왜곡 파라미터 결정부는 c가 왜곡 파라미터를 나타내고, BT는 현재 프레임을 부호화하는데 사용하기 위해 남아 있는 목표 비트수를 나타내고, N은 픽셀 수를 나타내고, ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00007
Figure 112006003562017-PAT00008
에 의해 왜곡 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 양자화 파라미터 결정부는 Ri가 현재 프레임의 i번째 매크로블록을 부호화하기 위해 남아있는 비트수 남아있는 픽셀수로 나누어 얻어진 픽셀당 평균 비트 수를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00009
에 의해 양자화 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 비트율 제어 방법은,
이전 프레임과 현재 프레임의 차분 영상을 구하는 단계;
상기 차분 영상을 이용하여 목표 비트율을 결정하고 이에 따라 비트율을 제어하는 단계;
상기 비트율에 따라 양자화를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 비트율을 제어하는 단계는, 상기 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 결정하는 단계;
상기 차분 영상을 이용하여 프레임 변화율을 결정하는 단계;
상기 모양 파라미터와 프레임 변화율을 이용하여 양자화 파라미터를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 비트율을 제어하는 단계는, 상기 모양 파라미터, 이전 영상을 부호화할 때 사용된 비트수와 목표 비트수의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 적응적으로 보정하기 위한 적응값 및 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 블록에 대한 표준 편차를 고려하여 모델 파라미터를 결정하는 단계;
픽셀당 사용하고자 하는 비트수와 상기 표준 편차를 이용하여 왜곡 파라미터를 구하는 단계;
상기 모델 파라미터와 왜곡 파라미터를 이용하여 양자화 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 목표 비트율을 결정하는 단계는, Ri 가 목표 비트수, Ki가 현재 프렘임의 변화율, R이 초당 목표 비트수에서 이전 프레임을 부호화하기 위해 사용된 비트수를 뺀 잔여 비트수, F가 남은 프레임 수, Δ는 버퍼의 충만도를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00010
에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 모양 파라미터를 구하는 단계는, β가 모양 파라미터를 나타내고 ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00011
Figure 112006003562017-PAT00012
에 의해 모양 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 프레임 변화율을 결정하는 단계는, Ki가 프레임 변화율을 나타내고, n은 픽셀의 수를 나타내고, M(i, i-1)은 i번째 프레임과 i-1번째 프레임 사이의 MAD를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00013
에 의해 프레임 변화율을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 모델 파라미터를 결정하는 단계는, σ가 현재 프레임과 이전 프레임의 표준 편차를 나타내고, γ는 모델 파라미터를 나타내고, δ는이전 매크로 블락을 부호화할때 사용한 비트수와 목표 비트 수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 보정하기 위한 값을 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00014
에 모델 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 왜곡 파라미터를 결정하는 단계는, c가 왜곡 파라미터를 나타내고, BT는 현재 프레임을 부호화하는데 사용하기 위해 남아 있는 목표 비트수를 나타내고, N은 픽셀 수를 나타내고, ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00015
Figure 112006003562017-PAT00016
에 의해 왜곡 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 양자화 파라미터를 결정하는 단계는, Ri가 현재 프레임의 i번째 매크로블록을 부호화하기 위해 남아있는 비트수 남아있는 픽셀수로 나누어 얻어진 픽셀당 평균 비트 수를 나타낼때,
Figure 112006003562017-PAT00017
에 의해 양자화 파라미터를 결정하는 것을 특징으로한다.
도 1은 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 비트율 제어 알고리즘이 적용된 부호화 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 부호화장치는, 데이터 입력부(10), 이산 코사인 변환부(Dis crete Cosine Transform unit ; 20, 이하 DCT부), 양자화부(quantization unit ; 30), 가변장 코딩부(variable length coding unit ; 40, 이하 VLC부), 가변 비트율 제어부(50)를 포함한다.
상기 데이터 입력부(10)는, 움직임 추정(motion estimation, ME)/움직임 보상(motion compensation, MC) 데이터(11)와 현재 영상 데이터(12) 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 스위칭 수단인 멀티플렉서(13)와, 이전 영상 데이터(14)가 저장된 프레임 메모리(frame memory)를 포함한다.
상기 가변 비트율 제어부(50)는, 프레임 변화율 계산부(frame viriable calculation unit ; 51), 모양 파라미터 결정부(shape parameter decdsion unit : 52), 비트 할당부(bit allocation unit ; 53), 파라미터 정보 결정부(parameter information decision unit ; 54), 및 양자화 파라미터 결정부(quantization parameter decision unit ; 55)를 포함한다.
상기 DCT부(20), 양자화부(30), VLC부(40)는 H.263, MPEG-4 등에서 표준화되어 있는 일반적인 텍스처 부호화(texture encoding)를 수행한다. 텍스처 부호화는 비디오 데이터를 실제로 압축하는 과정으로서, 대부분의 압축손실은 양자화부(30)에서 수행되는 양자화 과정에서 발생하게 된다. 많은 압축 손실의 발생은 부호화 효율의 증대와 화질 열화라는 상반된 효과를 가져오게 된다. 따라서, 부호화 장치는 부호화 효율을 높이면서 화질 열화를 최소화시킬 수 있는 적당한 양자화 파라미터(quantization parameter ; QP) 값을 찾아 부호화를 수행하여야 한다. 따라서 양자화율 값을 결정하는 효율적 제어 알고리즘은 비디오 부호화에서 필수적인 요소라 할 수 있다. 이 같은 비트율 제어를 위해 본 발명에 의한 가변 비트율 제어부(50)는 효율적인 비트예산을 할당하고, 적절한 양자화 파라미터를 결정한다. 이와 같은 동작을 수행하는 가변 비트율 제어부(50)의 상세 구성 및 동작은 다음과 같다.
프레임 변화율 계산부(51)는 현재 프레임을 이전 프레임과 비교하여 프레임 변화율을 계산하며 멀티플렉서(13)로부터 현재 영상 데이터(12)를 받아들이고, 프레임 메모리로부터 이전 영상 데이터(14)를 받아들인다. MAD(means absolute difference)를 이용하여 할 수 있다. MAD는 현재 프레임의 화소들과 재구성된 이전 프레임의 화소들간의 차이(difference)에 대한 절대치를 구하고, 이들에 대한 평균값을 구한다. 이렇게 해서 구해진 MAD 값은 현재 프레임과 이전 프레임의 차이를 수치적으로 나타낸다. MAD를 구하는 수학식1과 같다.
Figure 112006003562017-PAT00018
여기서, N은 픽셀(pixel)의 개수, Xi는 현재 프레임의 픽셀 값, Xi-1는 이전 프레임의 픽셀 값을 각각 나타낸다.
상기 수학식 1에서 구한 MAD값을 이용하여 프레임 변화율 Ki를 수학식 2과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006003562017-PAT00019
상기 수학식 2에서 n은 이전에 부호화된 프레임들의 참조 MAD 개수를 나타내고, M(i, i-1)은 i번째 프레임과 i-1번째 프레임 사이의 MAD를 나타낸다. 즉 현재프레임의 변화율은 현재 프레임과 참조 프레임의 차이 영상에 대한 MAD와 이전에 부호화된 프레임들에 대한 MAD의 평균값의 비율로 나타낼 수 있다.
MAD 계산부(51)에 의해 계산된 MAD 값은 모양 파라미터 결정부(52) 및 비트할당부(53)로 입력된다.
상기 모양 파라미터 결정부(52)는 차분영상에서 각 픽셀들로부터 모양 파라미터를 결정한다. 모양 파라미터 결정 방법은 수학식 3와 같다.
Figure 112006003562017-PAT00020
Figure 112006003562017-PAT00021
상기 수학식 3에서 β는 모양 파라미터를 나타내며 ω의 범위에 따라 그 값이 달라짐을 알수 있다. ω는 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타내는 변수이다.
Figure 112006003562017-PAT00022
는 현재 프레임의 픽셀과 같은 위치에 있는 참조 프레임의 픽셀을 나타낸다. v는 x와
Figure 112006003562017-PAT00023
의 차이가 작은지 큰지를 판별하기 위한 것으로 만약 2보다 작다면, 1의 값을 갖게 된다. 따라서, 매크로블록에 대한 평균값이 1에 가까우면, β값을 1로 설정하게 되고, 이는 라플라시안(Laplacian)분포의 형태를 나타내게 된다.
비트 할당부(53)는 상기 MAD계산부(51)의 결과를 바탕으로 화면의 변화율에 따라 목표 비트수를 결정한다. 목표 비트수는 수학식 4과 같이 구해진다.
Figure 112006003562017-PAT00024
상기 수학식 4에서 Ri 는 평균 목표 비트수, Ki는 이전 프레임에 대한 현재 프렘임의 변화율, R은 초당 목표 비트수에서 이전 프레임을 부호화하기 위해 사용된 비트수를 뺀 잔여 비트수, F는 남은 프레임 수, Δ는 버퍼의 충만도를 표시하는 것으로서 부호화된 비트가 버퍼에 어느 정도 남아있는가를 관찰하기 위한 것이다.
상기 파라미터 정보 결정부(54)는 상기 모양 파라미터 β와 인접 픽셀의 값 현재 프레임과 이전 프레임의 차이값에 대한 표준 편차를 이용하여 모양 파라미터를 구하며 수학식 5와 같이 구할 수 있다. 또한 상기 파라미터 정보 결정부는 픽셀당 사용하고자 하는 비트수를 고려하여 왜곡 파라미터를 계산한다. 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006003562017-PAT00025
상기 수학식 5에서 σ는 현재 프레임과 이전 프레임의 차이에 대한 표준 편차를 나타내고 γ는 모델 파라미터를 나타낸다. δ는이전 매크로 블락을 부호화할때 사용한 비트수와 목표 비트 수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 보정하기 위한 값이다.
Figure 112006003562017-PAT00026
Figure 112006003562017-PAT00027
상기 수학식 6에서 c는 왜곡 파라미터를 나타내며, BT는 현재 프레임을 부호화하는데 사용하기 위해 남아 있는 목표 비트수를 나타낸다.
상기 양자화 파라미터 결정부(55)는 상기 파라미터 정보 결정부에서 결정된 파라미터 정보들을 이용하여 양자화 파라미터를 결정한다. 이때 양자화 파라미터 값을 크게 설정할 경우 비트율은 낮아지는 반면 화질은 저하되고, 반대로 양자화 파라미터 값을 작게 설정할 경우 비트율은 높아지는 반면 화질은 좋아진다. 양자화 파라미터는 수학식 7과 같이 구해진다.
Figure 112006003562017-PAT00028
상기 수학식 7에서 Ri는 현재 프레임의 i번째 매크로블록을 부호화하기 위해 남아있는 비트수 남아있는 픽셀수로 나누어 얻어진 픽셀당 평균 비트 수를 나타내고, 나머지 문자들도 모두 상기 수식에서 사용된 기호와 동일하다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시에 따른 부호화 과정을 상세히 설명한다.
먼저 부호화할 프레임을 입력 받고(S210) 현재 프레임과 이전 프레임 사이의 차분 영상을 구한다(S211). 상기 차분 영상의 매크로 블락에 대해 모양 파라미터(SP)를 구한다. 모양 파라미터를 구하는 방법은 도 5에 상세히 기술되어 있다.
상기 차분 영상을 이용하여 프레임 변화율을 구한다(S213). 프레임 변화율을 구하는 방법은 수학식 4와 같다. 상기 프레임 변화율을 이용하여 현재 프레임의 목표 비트 수를 결정할 수 있으며 수학식 3에 의해 구할 수 있다. 즉 프레임 변화율은 이전의 부호화된 프레임과 그 프레임에 대한 참조 프레임 사이의 MAD값을 이용하여 계산할 수 있고, 상기에서 얻어진 MAD값은 다음의 사용을 위해 버퍼에 저장되고, 만약 버퍼가 다 찬 경우에는 가장 먼저 저장된 값을 지우고 해당 값을 저장한다. 그리고 현저한 프레임 변화율에 따른 프레임간 목표 비트수가 급격한 차이를 반영하기 위해서 정해진 비율 범위 이내의 값으로 조정한다.
현재 프레임의 목표 비트수가 결정되면 움직임 예측(motion estimation) 및 움직임 보상(motion compensation)을 하고 잔여 데이터를 획득한다(S214).
상기의 절차에서 프레임의 변화율은 결정되고 하기 절차에서는 프레임당 목표 비트 수를 결정한다.
프레임당 목표 비트수를 계산하기 위해서 각 매크로 블락의 파라미터 정보를 결정한다(S216). 상기에서 파라미터 정보란 현재 프레임의 압축을 수행하기 위한 매크로 블록에 대한 표준편차, 모델 파라미터, 왜곡 파라미터 및 픽셀당 목표 비트를 포함한다. 파라미터 정보를 구하는 상세한 절차는 도 5에 도시되어 있다.
상기 파라미터 정보가 결정되면 이에 근거하여 양자화 파라미터를 결정하고 부호화를 수행한다(S217). 부호화 수행후 모델 파라미터를 위한 적응 값(adjustment value)을 업데이트한다(S218). 적응 값이란 이전 매크로 블락을 부호화할때 사용된 비트수와 목표 비트수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할때 보정하기 위한 값이다.
상기 업데이터 후 매크로 블록의 넘버를 하나 증가시키고 매크로 블록 넘버가 폭*높이/256 보다 작은지 비교하여(S219) 큰 경우에는 프레임의 끝인지 여부를 판단하여(S220) 끝인 경우에는 절차를 종료하고 끝이 아닌 경우에는 프레임 입력 단계(S210)로 되돌아 간다.
상기와 같은 절차를 통해 프레임간 변화율을 고려하여 그에 따라 양자화 파라미터를 적응적으로 설정하여 비트율을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 3은 프레임간 변화율을 계산하는 상세 흐름도이다.
먼저 하나의 프레임을 읽고(S310) MAD 버퍼를 세팅한다(S311). 버퍼의 용량에 따라 달라질 수 있으나 바람직하게 5개의 픽셀을 저장할 수 있는 경우 MAD[5]={1, 1, 1, 1, 1}과 같이 세팅한다.
버퍼 세팅 후 수학식 1과 같이 MAD값을 계산한 후(S312), 이를 이용하여 수학식 2와 같이 프레임 변화율을 계산한다(S313). 프레임 변화율 계산후 이를 MAD 버퍼에 저장한다.(S314)
상기에서 구한 프레임 변화율, 잔여 비트 및 잔여 프레임을 획득한 후(S315), 부호화된 비트가 어느 정도 남아 있는가를 관찰하기 위한 버퍼 충만도를 구하고(S316) 수학식 4을 이용하여 목표 비트수를 결정한다.
도 4는 본 발명의 실시에 따른 모양파라미터를 결정하는 흐름도이다. 도 4와 상기 수학식 2를 이용하여 쉽게 이해할 수 있는바 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 실시에 따른 모델 파라미터, 왜곡 파라미터 및 양자화 파라미터를 구하는 흐름도이다.
모델 파라미터(γ)는 모델 파라미터, 적응 값(adjustment value) 및 표준 편차를 이용하여 수학식 5에 의해 구할 수 있다(514).
왜곡 파라미터(c)는 픽셀당 사용하고자 하는 비트 수를 이용하여 수학식 6에 의해 구할 수 있다(521).
양자화 파라미터(Q)는 상기 모델 파라미터와 왜곡 파라미터 및 표준편차를 이용하여 수학식 6에 의히 구할 수 있다(S515).
상기에서 검토한 본 발명의 특징을 요약하면 다음과 같다.
첫째로, 비트율 제어는 프레임 수준에서 목표 비트 수를 결정하기 위한 비트 할당부(Bit allocation)와 매크로 블록 수준에서 양자화를 위해 필요한 양자화 파라미터 값을 결정하는 양자화부로 구성된다.
둘째로, 상기 비트 할당부에서는 화면간의 화질 변화를 적응적으로 고려할 수 있도록, 이전에 부호화된 화면들과 현재 부호화되기 위한 화면간의 변화를 반영한다.
세째로, 양자화시 발생할 수 있는 오버 비트 사용(over-bit use)을 막기 위하여, 초당 목표 비트율을 대비 현재 남아있는 비트 수를 고려한다.
네째로, 상기 양자화부에서는 개선된 화질 및 부호화 효율을 위한 양자화 파라미터를 적응적 비트율-양자화 모델에 기반하여 결정한다.
다섯째로, 상기 적응적 모델의 표현을 위한 모델 파라미터들의 결정에서 프레임간 대응하는 매크로 블록 사이의 차이를 고려한다.
여섯째로, 제 4특징에서 요구되는 데이터의 왜곡 수준을 양자화 파라미터의 관점에서 결정하기 위한 왜곡 파라미터의 결정을 수행한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정 해져야 할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 프레임의 변화 정도를 고려하여 프레임 수준의 목표 비트 수를 결정하므로 균등한 화질을 제공하는 효과가 있고, 또한 각각의 매크로블록 수준에서 사용되는 양자화 파라미터의 값을 실제 데이터의 분포에 따른 예측을 통해 보다 적합한 값으로 결정하므로 화질의 향상을 제공한다.
본 발명은 낮은 비트율의 환경에서 사용되는 비디오 코덱들에 적용시 보다 안정적인 화질의 비디오 서비스 제공을 할 수 있다.

Claims (21)

  1. 이전 영상 및 현재 영상을 받아 들이는 데이터 입력부;
    상기 현재 영상에 대해 이산 코사인 변환을 수행하는 이산 코사인 변환부;
    상기 데이터 입력부의 출력 데이터를 이용하여 화면간의 변화를 산출하여 목표 비트 수를 할당하고, 현재 프레임과 이전 프레임의 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 구하고, 상기 목표 비트수와 모양 파라미터에 상응하여 양자화 파라미터를 결정하는 비트율 제어부;
    상기 이산 코사인 변환부의 출력값을 상기 비트율 제어에 따라 양자화를 수행하는 양자화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비트율 제어부는
    현재 프레임과 이전 프레임의 화소들 간의 차이를 근거로 프레임간의 변화율을 결정하는 프레임 변화율 결정부;
    상기 프레임 변화율에 따라 목표 비트율을 결정하는 목표 비트 할당부;
    상기 현재 프레임과 이전 프렘임의 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 구하는 모양 파라미터 결정부;
    상기 할당된 비트율 및 상기 모양 파라미터에 상응하여 양자파 파리미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 비트율 제어부는
    상기 목표 비트율 및 상기 모양 파라미터에 상응하여 파라미터 정보를 결정하는 파라미터 정보 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 파라미터 정보 결정부는 모델 파라미터 결정부와 왜곡 파라미터 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 모델 파라미터 결정부는 상기 모양 파라미터, 이전 영상을 부호화할 때 사용된 비트수와 목표 비트수의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 적응적으로 보정하기 위한 적응값 및 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 블록에 대한 표준 편차를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 왜곡 파라미터 결정부는 픽셀당 사용하고자 하는 비트수와 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 브록에 대한 표준 편차를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  7. 제 2항에 있어서, 프레임 변화율 결정부는
    Ki가 프레임 변화율을 나타내고, n은 픽셀의 수를 나타내고, M(i, i-1)은 i번째 프레임과 i-1번째 프레임 사이의 MAD를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00029
    에 의해 프레임 변화율을 결정하는 것을 특징으로 하는비트율 제어 장치.
  8. 제 2항에 있어서, 목표 비트 할당부는
    Ri 가 목표 비트수, Ki가 현재 프렘임의 변화율, R이 초당 목표 비트수에서 이전 프레임을 부호화하기 위해 사용된 비트수를 뺀 잔여 비트수, F가 남은 프레임 수, Δ는 버퍼의 충만도를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00030
    에 의해 목표 비트율을 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 모양 파라미터 결정부는
    β가 모양 파라미터를 나타내고 ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타내고,
    Figure 112006003562017-PAT00031
    는 현재 프레임의 픽셀과 같은 위치에 있는 참조 프레임의 픽셀을 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00032
    Figure 112006003562017-PAT00033
    에 의해 모양 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 모델 파라미터 결정부는
    σ가 현재 프레임과 이전 프레임의 차이에 대한 표준 편차를 나타내고, γ는 모델 파라미터를 나타내고, δ는이전 매크로 블락을 부호화할때 사용한 비트수와 목표 비트 수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 보정하기 위한 값을 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00034
    에 의해 모델 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 왜곡 파라미터 결정부는
    c가 왜곡 파라미터를 나타내고, BT는 현재 프레임을 부호화하는데 사용하기 위해 남아 있는 목표 비트수를 나타내고, N은 픽셀 수를 나타내고, ω가 매크로 블 록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00035
    Figure 112006003562017-PAT00036
    에 의해 왜곡 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 장치.
  12. 제 2항에 있어서, 상기 양자화 파라미터 결정부는
    Ri가 현재 프레임의 i번째 매크로블록을 부호화하기 위해 남아있는 비트수 남아있는 픽셀수로 나누어 얻어진 픽셀당 평균 비트 수를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00037
    에 의해 양자화 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 양자화 장치.
  13. 이전 프레임과 현재 프레임의 차분 영상을 구하는 단계;
    상기 차분 영상을 이용하여 목표 비트율을 결정하고 이에 따라 비트율을 제어하는 단계;
    상기 비트율에 따라 양자화를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하 는 비트율 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 비트율을 제어하는 단계는,
    상기 차분 영상을 이용하여 모양 파라미터를 결정하는 단계;
    상기 차분 영상을 이용하여 프레임 변화율을 결정하는 단계;
    상기 모양 파라미터와 프레임 변화율을 이용하여 양자화 파라미터를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 비트율을 제어하는 단계는,
    상기 모양 파라미터, 이전 영상을 부호화할 때 사용된 비트수와 목표 비트수의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 적응적으로 보정하기 위한 적응값 및 현재 프레임의 부호화를 수행하기 위한 매크로 블록에 대한 표준 편차를 고려하여 모델 파라미터를 결정하는 단계;
    픽셀당 사용하고자 하는 비트수와 상기 표준 편차를 이용하여 왜곡 파라미터를 구하는 단계;
    상기 모델 파라미터와 왜곡 파라미터를 이용하여 양자화 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 목표 비트율을 결정하는 단계는
    Ri 가 목표 비트수, Ki가 현재 프렘임의 변화율, R이 초당 목표 비트수에서 이전 프레임을 부호화하기 위해 사용된 비트수를 뺀 잔여 비트수, F가 남은 프레임 수, Δ는 버퍼의 충만도를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00038
    에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 양자화 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 모양 파라미터를 구하는 단계는,
    β가 모양 파라미터를 나타내고 ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00039
    Figure 112006003562017-PAT00040
    에 의해 모양 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 양자화 방법.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 프레임 변화율을 결정하는 단계는,
    Ki가 프레임 변화율을 나타내고, n은 픽셀의 수를 나타내고, M(i, i-1)은 i번째 프레임과 i-1번째 프레임 사이의 MAD를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00041
    에 의해 프레임 변화율을 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 모델 파라미터를 결정하는 단계는,
    σ가 현재 프레임과 이전 프레임의 표준 편차를 나타내고, γ는 모델 파라미터를 나타내고, δ는이전 매크로 블락을 부호화할때 사용한 비트수와 목표 비트 수와의 차이를 고려하여 다음 모델 파라미터를 구할 때 보정하기 위한 값을 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00042
    에 모델 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  20. 제 15항에 있어서, 상기 왜곡 파라미터를 결정하는 단계는,
    c가 왜곡 파라미터를 나타내고, BT는 현재 프레임을 부호화하는데 사용하기 위해 남아 있는 목표 비트수를 나타내고, N은 픽셀 수를 나타내고, ω가 매크로 블록을 구성하는 데이터들에 대한 변화의 정도를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00043
    Figure 112006003562017-PAT00044
    에 의해 왜곡 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  21. 제 14에 있어서, 상기 양자화 파라미터를 결정하는 단계는
    Ri가 현재 프레임의 i번째 매크로블록을 부호화하기 위해 남아있는 비트수 남아있는 픽셀수로 나누어 얻어진 픽셀당 평균 비트 수를 나타낼때,
    Figure 112006003562017-PAT00045
    에 의해 양자화 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
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