KR20070084686A - Fast multiple reference frame selection method in motion estimation for h.264 video encoding - Google Patents

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Abstract

A fast multiple reference frame selection method in a motion estimation for H.264 coding is provided to solve difficulty in embodying a real-time encoder by reducing a calculation quantity of the motion estimation which occupies most of time during the coding according to H.264 standard. A motion estimation of a macro block is performed for N available reference frames in an inter 16x16 mode(S100). Costs of the N available reference frames are calculated, and the certain number of the reference frames is selected in order that costs of the reference frames are low(S110). The motion estimation of the macro block is performed for the selected reference frames in an inter 16x8 mode(S120). An optimum reference frame is selected in the inter 16x8 mode(S130). The motion estimation of the macro block is performed for the selected reference frames in an inter 8x16 mode(S140). An optimum reference frame is selected in the inter 8x16 mode(S150). The motion estimation of the macro block is performed for the optimum reference frame selected in the inter 16x8 mode and the optimum reference frame selected in the inter 8x16 mode in an inter 8x8 mode or less(S160).

Description

Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법{Fast multiple reference frame selection method in motion estimation for H.264 video encoding}Fast multiple reference frame selection method in motion estimation for H.264 video encoding

도 1은 H.264 부호화기의 블록도이다.1 is a block diagram of an H.264 encoder.

도 2는 움직임 추정시의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법의 순서도이다.2 is a flowchart of a fast multi-reference frame selection method in motion estimation.

도 3은 움직임 추정시의 고속 다중 참조 프레임 선택을 수행하는 일례를 도시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of performing fast multi-reference frame selection at the time of motion estimation.

도 4a 내지 도 4d는 인터 8×8 모드에서의 움직임 추정에 사용할 참조 프레임 선택의 일례를 도시하는 도면이다.4A to 4D are diagrams showing an example of reference frame selection for use in motion estimation in inter 8x8 mode.

본 발명은 H.264 부호화에 관한 것으로, 보다 상세하게는 움직임 추정(motion estimation)에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있는 H.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법에 관한 것이다.The present invention relates to H.264 encoding, and more particularly, to a fast multiple reference frame selection method in motion estimation for H.264 encoding that can reduce the time required for motion estimation.

H.264 부호화는 부호화 효율을 향상시키기 위하여 다수의 새로운 기술을 채택하고 있다. 이들 중 가변 블록 크기 움직임 추정 기법과 다중 참조 프레임 채택 은 부호화 효율의 향상에 있어 큰 효과를 가져올 수 있으나, 이에 따른 계산량의 증가도 동시에 야기하고 있다.H.264 coding employs a number of new techniques to improve coding efficiency. Among them, the variable block size motion estimation technique and the adoption of multiple reference frames can have a great effect on the improvement of the coding efficiency, but also increase the amount of computation.

움직임 추정은 동영상 부호화시에 시간적 중복성(temporal redundancy)을 제거하여 비트율을 줄이기 위해 수행되는 것으로, 한 개의 참조 프레임 사용시 전체 부호화 시간의 약 60~70%를 차지하며, 이러한 계산량은 다중 참조 프레임 채택으로 인해 움직임 추정에 사용되는 참조 프레임의 개수에 비례하여 더욱 증가한다. 여기서, 참조 프레임은 현재 프레임을 부호화하거나 복호화하는데 참조되는 프레임을 의미한다.Motion estimation is performed to reduce the bit rate by eliminating temporal redundancy in video encoding, which takes about 60 to 70% of the total encoding time when using one reference frame. It is further increased in proportion to the number of reference frames used for motion estimation. Here, the reference frame refers to a frame referenced to encode or decode the current frame.

따라서, H.264 비디오 표준의 실제 응용 확대를 위해서는 다중 참조 프레임 채택에 의해 증가된 계산량을 감소시키는 것이 필수적이다.Therefore, for the practical application expansion of the H.264 video standard, it is necessary to reduce the amount of computation increased by the adoption of multiple reference frames.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 H.264 표준에 따른 부호화시에 가장 많이 차지하는 움직임 추정의 계산량을 감소시킴으로써 실시간 부호화기 구현의 어려움을 해결하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to solve the difficulty of real-time encoder implementation by reducing the calculation amount of the motion estimation, which occupies the most when encoding according to the H.264 standard.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법은, 가용한 N개의 참조 프레임에 대해 인터 16x16 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서, 상기 가용한 N개의 참조 프레임의 코스트를 계산하여 참조 프레임의 코스트가 낮은 순서로 소정 개수의 참조 프레임을 선택하는 제2 단계와; 상기 제2 단 계에서 선택된 참조 프레임에 대해 인터 16x8 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제3 단계와; 상기 제3 단계에서, 상기 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임을 선택하는 제4 단계와; 상기 제2 단계에서 선택된 참조 프레임에 대해 인터 8x16 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제5 단계와; 상기 제5 단계에서, 상기 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임을 선택하는 제6 단계와; 상기 제4 단계에서 선택된 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임과 제6 단계에서 선택된 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임에 대해 인터 8x8 이하 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of selecting a fast multiple reference frame in motion estimation for H.264 encoding according to the present invention comprises performing a motion estimation of a macroblock in an inter 16x16 mode on available N reference frames. Step 1; In the first step, calculating a cost of the available N reference frames and selecting a predetermined number of reference frames in order of decreasing cost of the reference frame; Performing a motion estimation of a macroblock in an inter 16x8 mode with respect to the reference frame selected in the second step; In the third step, selecting an optimal reference frame in the inter 16x8 mode; A fifth step of performing motion estimation of a macroblock in an inter 8x16 mode with respect to the reference frame selected in the second step; In the fifth step, selecting an optimal reference frame in the inter 8x16 mode; A seventh step of performing motion estimation of a macroblock in an inter 8x8 or less mode with respect to an optimal reference frame in an inter 16x8 mode selected in the fourth step and an optimal reference frame in an inter 8x16 mode selected in the sixth step. Characterized in that.

일반적으로, H.264는 가변 블록 크기의 움직임 추정 모드를 지원하며, 다양한 블록 크기의 움직임 추정 모드에서 선택된 최적의 참조 프레임들은 일정한 상관관계를 유지하는 특성이 있다.In general, H.264 supports a motion estimation mode having a variable block size, and the optimal reference frames selected in the motion estimation mode having various block sizes maintain a constant correlation.

본 발명에서는 이러한 특성을 이용하여 임의의 블록 크기 모드의 움직임 추정에 사용할 참조 프레임을 그보다 큰 블록 크기 모드의 움직임 추정 과정에서 계산된 참조 프레임들의 코스트 정보를 이용하여 사전에 선택함으로써 움직임 추정의 계산량을 감소시키고 있다.In the present invention, by using such a characteristic, a reference frame to be used for motion estimation in an arbitrary block size mode is selected in advance using cost information of reference frames calculated in the motion estimation process in a larger block size mode, thereby calculating the amount of motion estimation calculation. It is decreasing.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 H.264 부호화기의 블록도이다.1 is a block diagram of an H.264 encoder.

도 1을 참조하면, 입력된 영상데이터의 각각의 매크로블록(Macroblock)은 인 트라 모드(Intra Mode)와 인터 모드(Inter Mode)로 부호화된다. 인트라 모드는 입력된 영상 데이터로부터 구성되어지며, 인터 모드는 기준 프레임(Reference Frame)을 이용하여 움직임 추정(ME)과 움직임 보정(MC)에 의하여 구성되어진다. 각 모드에 의해 생성된 값과 입력된 영상 데이터와의 차로 생성된 잔여(Residual) 매크로블록은 정수 변환(T)과 양자화(Q)를 거쳐 양자화된 변환 계수로 변환되며 엔트로피코딩(Entropy Coding)을 거치게 된다. 그와 동시에 생성된 양자화된 변환 계수는 다시 역양자화(Q-1)와 정수 역변환(T-1)을 거치고 인트라 모드 또는 인터 모드로 형성된 값과 더하여진 후 필터를 거쳐 재구성된 기준 영상으로 사용된다. 이러한 부호화 과정 중에서, 본 발명은 움직임 추정에 관련하고 있다.Referring to FIG. 1, each macroblock of input image data is encoded in an intra mode and an inter mode. The intra mode is configured from input image data, and the inter mode is configured by motion estimation (ME) and motion compensation (MC) using a reference frame. The residual macroblock generated by the difference between the value generated by each mode and the input image data is converted into quantized transform coefficients through integer transform (T) and quantization (Q) and entropy coding is performed. Going through. At the same time, the generated quantized transform coefficients are again subjected to inverse quantization (Q -1 ) and integer inverse transform (T -1 ), added to intra or inter mode values, and then used as a reconstructed reference image through a filter. . Among these encoding processes, the present invention relates to motion estimation.

도 2는 움직임 추정시의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법의 순서도이며, 도 3은 움직임 추정시의 고속 다중 참조 프레임 선택을 수행하는 일례를 도시하는 도면이다.FIG. 2 is a flowchart of a method for selecting fast multi-reference frames in motion estimation, and FIG. 3 is a diagram illustrating an example of performing fast multi-reference frame selection in motion estimation.

도 2를 참조하면, 먼저 가용한 N개의 참조 프레임에 대해 인터 16x16 모드에서 매크로블록(MB)의 움직임 추정을 수행한다(S100).Referring to FIG. 2, first, motion estimation of a macroblock MB is performed in inter 16 × 16 mode with respect to N available reference frames (S100).

다음에, 단계(S100)에서 각각의 참조 프레임의 코스트를 계산하게 되며, 코스트가 낮은 순서로 소정 개수의 참조 프레임, 예를 들어 4개의 참조 프레임을 선택하게 된다(S110). 여기서, 참조 프레임의 코스트란, 해당 참조 프레임에서 찾은 현재 움직임 추정을 수행하고 있는 블록에 가장 부합되는 블록의 코스트를 뜻한다.Next, in step S100, the cost of each reference frame is calculated, and a predetermined number of reference frames, for example four reference frames, are selected in order of decreasing cost (S110). Here, the cost of the reference frame refers to the cost of the block that most matches the block on which the current motion estimation found in the reference frame is being performed.

다음에, 단계(S110)에서 선택된 4개의 참조 프레임에 대해 인터 16x8 모드에 서 매크로블록의 움직임 추정을 수행한다(S120).Next, motion estimation of the macroblock is performed in the inter 16x8 mode with respect to the four reference frames selected in step S110 (S120).

다음에, 단계(S120)에서, 인터 16x8 모드에서의 두 서브 매크로블록에 대해 최적의 참조 프레임을 선택한다(S130).Next, in step S120, an optimal reference frame is selected for two sub macroblocks in the inter 16x8 mode (S130).

다음에, 단계(S110)에서 선택된 4개의 참조 프레임에 대해 인터 8x16 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행한다(S140).Next, motion estimation of the macroblock is performed in the inter 8x16 mode with respect to the four reference frames selected in step S110 (S140).

다음에, 단계(S140)에서, 인터 8x16 모드에서의 두 서브 매크로블록에 대해 최적의 참조 프레임을 선택한다(S150).Next, in step S140, an optimal reference frame is selected for two sub macroblocks in the inter 8x16 mode (S150).

최종적으로, 단계(S130)에서 선택된 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임과 단계(S150)에서 선택된 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임에 대해 인터 8x8 이하 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행한다.Finally, the macroblock motion estimation is performed in the inter 8x8 or less mode with respect to the optimal reference frame in the inter 16x8 mode selected in step S130 and the optimal reference frame in the inter 8x16 mode selected in step S150.

앞서 언급한 바와 같이, 다양한 블록 크기 모드의 움직임 추정 과정에서 선택되는 최적의 참조 프레임간의 상관관계는 매우 높다. 여기서, 임의의 모드에서 선택된 '최적의 참조 프레임'은 현재 움직임 추정을 수행하고 있는 블록에 가장 부합되는 블록이 존재하는 참조 프레임을 뜻한다. 즉, 임의의 블록 크기 모드에서 선택된 최적의 참조 프레임은 그 보다 작은 블록 크기의 모드에서도 최적의 참조 프레임으로 선택될 가능성이 매우 높다. 본 발명은 이러한 참조 프레임 선택의 통계적 특성을 바탕으로 하여, 각 모드 별로 움직임 추정을 수행할 참조 프레임을 그 상위 모드의 추정결과를 이용하여 사전에 선택하는 기법을 기술한다. 이에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.As mentioned above, the correlation between the optimal reference frames selected in the motion estimation process of various block size modes is very high. Here, the 'optimal reference frame' selected in any mode refers to a reference frame in which a block most matching the block on which the current motion estimation is being performed. That is, the optimal reference frame selected in any block size mode is very likely to be selected as the optimal reference frame even in a mode of smaller block size. The present invention describes a technique of preselecting a reference frame to perform motion estimation for each mode on the basis of the statistical characteristics of the reference frame selection using the estimation result of the higher mode. This will be described in detail below.

도 3를 참조하면, 먼저 가용한 N개의 참조 프레임(ref0, ref1,..., refN)에 대해 인터 16x16 모드에서 매크로블록(MB)의 움직임 추정을 수행하며(①), 참조 프레임의 코스트가 낮은 순서로 4개의 참조 프레임 ref0, ref1, ref3, ref4을 선택한다.Referring to FIG. 3, first, motion estimation of a macroblock MB is performed in inter 16x16 mode on the N available reference frames ref0, ref1,..., RefN (①), and the cost of the reference frame is The four reference frames ref0, ref1, ref3, and ref4 are selected in descending order.

다음에, 인터 16x8 모드에서 하나의 매크로블록을 2개의 서브 매크로블록으로 나누어 움직임 추정을 수행하며(②,③), 최적의 참조 프레임 ref0, ref3이 선택된다.Next, motion estimation is performed by dividing one macroblock into two sub-macroblocks in the inter 16x8 mode (2, 3), and the optimal reference frames ref0 and ref3 are selected.

다음에, 인터 8x16 모드에서 하나의 매크로블록을 2개의 서브 매크로블록으로 나누어 움직임 추정을 수행하며(④,⑤), 최적의 참조 프레임 ref1, ref4이 선택된다.Next, motion estimation is performed by dividing one macroblock into two sub-macroblocks in the inter 8x16 mode (4, 5), and the optimal reference frames ref1 and ref4 are selected.

즉, 인터 16x8 모드와 인터 8x16 모드에서 선택되는 최적의 참조 프레임은 각 모드 별로 2개씩 선택될 수 있으며, 이렇게 선택된 최적의 참조 프레임은 인터 8x8 서브 블록 모드의 움직임 추정에 사용된다(⑥,⑦,⑧,⑨).That is, two optimal reference frames selected in the inter 16x8 mode and the inter 8x16 mode may be selected for each mode, and the optimal reference frames thus selected are used for motion estimation in the inter 8x8 subblock mode (6, ⑦, ⑧, ⑨).

이와 같이 선택된 참조 프레임들 중, 각 8x8 서브 매크로블록 별로 움직임 추정에 사용할 참조 프레임은 다음의 표 1과 같은 방법으로 다시 선택한다. Among the reference frames thus selected, the reference frames to be used for motion estimation for each 8x8 sub macroblock are reselected as shown in Table 1 below.

Figure 112006012634376-PAT00001
Figure 112006012634376-PAT00001

표 1에 나타낸 바와 같이, 인터 8x8 모드의 각 8x8 서브 매크로블록은 그 위치를 포함하는 16x8 서브 매크로블록과 8x16 서브 매크로블록에서 선택된 최적의 참조 프레임을 사용하여 움직임 추정을 수행한다.As shown in Table 1, each 8x8 sub macroblock in the inter 8x8 mode performs motion estimation using an optimal reference frame selected from a 16x8 sub macroblock including the position and an 8x16 sub macroblock.

만약, 표 1에서의 참조 프레임 1과 참조 프레임 2가 동일한 참조 프레임인 경우에는 해당 참조 프레임 하나에 대해서만 움직임 추정을 수행한다.If reference frame 1 and reference frame 2 in Table 1 are the same reference frame, motion estimation is performed on only one corresponding reference frame.

한편, 도 4a 내지 도 4d는 인터 8×8 모드에서의 움직임 추정에 사용할 참조 프레임 선택의 일례를 도시하고 있다.4A to 4D show examples of reference frame selection to be used for motion estimation in inter 8x8 mode.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 H.264 표준에 따른 부호화시에 가장 많이 차지하는 움직임 추정의 계산량을 감소시킴으로써 실시간 부호화기 구현의 어려움을 해결할 수 있다는 장점을 제공한다.As described above, according to the present invention, it is possible to solve the difficulty of real-time encoder implementation by reducing the calculation amount of motion estimation, which occupies the most when encoding according to the H.264 standard.

Claims (6)

가용한 N개의 참조 프레임에 대해 인터 16x16 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제1 단계와;Performing a motion estimation of a macroblock in an inter 16x16 mode on the N reference frames available; 상기 제1 단계에서, 상기 가용한 N개의 참조 프레임의 코스트를 계산하여 참조 프레임의 코스트가 낮은 순서로 소정 개수의 참조 프레임을 선택하는 제2 단계와;In the first step, calculating a cost of the available N reference frames and selecting a predetermined number of reference frames in order of decreasing cost of the reference frame; 상기 제2 단계에서 선택된 참조 프레임에 대해 인터 16x8 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제3 단계와;Performing a motion estimation of a macroblock in an inter 16x8 mode with respect to the reference frame selected in the second step; 상기 제3 단계에서, 상기 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임을 선택하는 제4 단계와;In the third step, selecting an optimal reference frame in the inter 16x8 mode; 상기 제2 단계에서 선택된 참조 프레임에 대해 인터 8x16 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제5 단계와;A fifth step of performing motion estimation of a macroblock in an inter 8x16 mode with respect to the reference frame selected in the second step; 상기 제5 단계에서, 상기 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임을 선택하는 제6 단계와;In the fifth step, selecting an optimal reference frame in the inter 8x16 mode; 상기 제4 단계에서 선택된 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임과 제6 단계에서 선택된 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임에 대해 인터 8x8 이하 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.A seventh step of performing motion estimation of a macroblock in an inter 8x8 or less mode with respect to an optimal reference frame in an inter 16x8 mode selected in the fourth step and an optimal reference frame in an inter 8x16 mode selected in the sixth step. A fast multiple reference frame selection method in motion estimation for H.264 encoding. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제2 단계에서, 참조 프레임의 코스트가 낮은 순서로 4개의 참조 프레임을 선택하는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.4. The method of claim 2, wherein four reference frames are selected in the order of low cost of the reference frame. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제4 단계에서, 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임은 각 16x8 서브 매크로블록 별로 하나씩 선택되는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.In the fourth step, an optimal reference frame in the inter 16x8 mode is selected one by one for each 16x8 sub-macroblock. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제6 단계에서, 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임은 각 8x16 서브 매크로블록 별로 하나씩 선택되는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.In the sixth step, an optimal reference frame in the inter 8x16 mode is selected one by one for each 8x16 sub macroblock, the method of fast multi-reference frame selection in motion estimation for H.264 encoding. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제7 단계에서, 상기 제4 단계에서 선택된 인터 16x8 모드에서의 최적의 참조 프레임과 제6 단계에서 선택된 인터 8x16 모드에서의 최적의 참조 프레임이 동일한 경우에는 해당 참조 프레임 하나에 대해서만 움직임 추정을 수행하는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.In the seventh step, when the optimal reference frame in the inter 16x8 mode selected in the fourth step and the optimal reference frame in the inter 8x16 mode selected in the sixth step are the same, motion estimation is performed on only one reference frame. A fast multiple reference frame selection method in motion estimation for H.264 encoding. 임의 크기별 모드에서 매크로블록의 움직임 추정을 수행할 참조 프레임을 사전에 선택하되, 가용한 N개의 참조 프레임에 대한 인터 16x16 모드에서의 움직임 추정을 통해 각각의 참조 프레임의 코스트를 계산하여 참조 프레임의 코스트가 낮은 순서대로 4개의 참조 프레임을 선택하고, 상기 16x16 모드에서의 움직임 추정을 통해 선택된 4개의 참조 프레임에 대해 인터 16x8, 인터 8x16 모드에서의 움직임 추정을 통해 인터 16x8, 인터 8x16 모드에서의 각각의 최적의 참조 프레임을 선택하며, 상기 인터 16x8, 인터 8x16 모드에서의 움직임 추정을 통해 선택된 각각의 최적의 참조 프레임에 대해 인터 8x8 이하 모드에서의 움직임 추정을 수행하는 것을 특징으로 하는 Ｈ.264 부호화를 위한 움직임 추정에서의 고속 다중 참조 프레임 선택 방법.Select a reference frame to perform the motion estimation of the macroblock in an arbitrary size mode in advance, but calculate the cost of each reference frame by using the motion estimation in the inter 16x16 mode for the available N reference frames. Selects four reference frames in descending order, and selects four reference frames through the motion estimation in the 16x16 mode, respectively. H.264 encoding is performed by selecting an optimal reference frame and performing motion estimation in an inter 8x8 or less mode for each optimal reference frame selected through motion estimation in the inter 16x8 and inter 8x16 modes. A method of fast multi-reference frame selection in motion estimation for the purpose.
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