KR20070115552A - 양자화 파라미터가 확장된 Ｎ ｂｉｔ 영상 데이터부호화/복호화 방법 및 장치 - Google Patents

양자화 파라미터가 확장된 Ｎ ｂｉｔ 영상 데이터부호화/복호화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터의 부호화 방법이 개시된다. 이 N bit 영상 데이터 부호화 방법은 입력된 영상 데이터에서 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 생성하고, 생성된 차분 데이터를 주파수영역으로 변환하고, 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 변환된 차분 데이터를 양자화하므로, 하드웨어 스펙(Specification)을 최소한만 변경하여 확장된 비트심도를 갖는 영상 데이터를 부호화할 수 있고, 확장된 비트심도에 관계없이 동일한 화질을 얻을 수 있다.

Description

양자화 파라미터가 확장된 Ｎ ｂｉｔ 영상 데이터 부호화/복호화 방법 및 장치{A method and apparatus for encoding/decoding of N bit video data with quantization parameter extension}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AVS(Audio and Video coding Standard) 부호화기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 변환 및 양자화부(113)와 역 변환 및 역 양자화부(114)의 보다 자세한 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 변환 및 양자화부(113)의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변환 및 양자화부(413)와 역 변환 및 역 양자화부(414)의 보다 자세한 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 변환 및 양자화부(413)의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 AVS 복호화기의 구성을 도시한의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역 변환 및 역 양자화부(614)의 보다 자세한 구성을 도시한 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 역 변환 및 역 양자화부(614)의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 역 변환 및 역 양자화부(914)의 보다 자세한 구성을 도시한 블록도이다.
도 10은 도 9에 도시된 역 변환 및 역 양자화부(914)의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 PSNR(Peak Signal to Noise) 및 비트율(bit rate)간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 12A 및 12B는 본 발명의 제2 실시예에 따른 PSNR 및 비트율간의 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명은 영상 처리기술에 관한 것으로, 특히 8 bit이상의 다양한 비트심도를 갖는 영상 데이터를 부호화 및 복호화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
영상 통신 시스템 및 장치에서 대형 스크린에 대한 요구 및 그에 따른 고 해상도에 대한 요구가 증가하는 추세이다. 전자제품 시장에 있어서도 대형 CRT, LCD, PDP 및 고화질 프로젝터 TV(High-Definition)에 대한 소비자들의 수요가 증가하고 있다. 더욱이 MPEG, DVD, DV 등의 디지털 방식으로 처리되어 저장되는 영상 데이터의 확산은 이를 더욱 가속화하고 있다. 그에 따라, 고 해상도를 갖는 대형 스크린 에서 디스플레이되는 이미지 또는 동영향의 화질을 개선하는 것이 매우 중요한 문제로 부각되었다.
비디오 부호화 장치의 측면에서 살펴보면, 디스플레이되는 영상의 화질을 그 영상 데이터 값을 표현하는 비트 수에 영향을 받는다. 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(bit depth) 즉, 영상 데이터 값을 표현하는 비트 수가 증가할수록 더욱 다양한 레벨로 데이터를 표현할 수 있기 때문이다.
그러나, 종래의 오디오 및 비디오 코딩 표준(AVS; Audio and Video coding Standard)에 따르면, 종래의 부호화 장치는 8 bit 데이터와 같이 일정한 비트심도를 갖는 데이터에 대해서만 부호화가 수행되었다. 그러나, 비디오 압축기술이 발전함에 따라, 입력되는 비디오 데이터의 타입(type) 또는 고화질 디스플레이 응용 제품의 요구에 따라 8 bit 이상의 예를 들어, 10bit 또는 12bit와 같은 더 높은 비트심도를 갖는 데이터를 처리할 수 있는 부호화 장치의 성능이 요구된다. 그러나, 더 높은 비트심도를 갖는 데이터를 처리하기 위해 하드웨어의 스펙을 높이는 것을 가격 상승을 야기하므로 바람직하지 못하다. 따라서, AVS에 따른 부호화 장치 및 방법에 있어서, 동일한 하드웨어 스펙을 유지하면서 다양한 비트심도를 갖는 N bit 영상 데이터를 부호화 하여, 디스플레이 되는 영상 데이터의 화질을 개선할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 오디오 및 비디오 코딩 표준(AVS)에 있어서, 하드웨어 스펙을 최소한만 변경하여 8 bit 이상의 N bit 영상 데이터를 부호화할 수 있고, 동시에 부호화 효율이 개선되는 부호화 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 그에 더하여, 비트심도에 비례하여 양자화 파라미터의 범위를 확장하므로, 확장된 양자화 파라미터에 해당되는 양자화 스텝에 기초하여 양자화를 수행하므로, 비트심도와 무관하게 동일한 양자화 파라미터에서 일정한 전송율 및 PSNR을 얻을 수 있는 N bit 영상 데이터 부호화/복호화 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터 부호화 방법은 (a) 입력된 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 생성하는 단계, (b) 상기 생성된 차분 데이터를 주파수영역으로 변환하는 단계 및 (c) 상기 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 부호화 방법은 (d) 상기 비트심도(N)에 대한 정보 및 양자화된 결과를 부호화하여 비트스트림을 생성하고, 출력하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 확장된 양자화 파라미터(QP')의 범위는 상기 비트심도(N)에 비례하여 확장되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c)단계는 상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화스텝에 기초한 소정 연산을 수행함으로써, 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, (c1) 상기 변환된 차분 데이터를 제1 소정값으로 나누는 단계, (c2) 상기 제1 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 s를 곱하는 단계, (c3) 상기 소정 계수 s를 곱한 결과를 제2 소정값으로 나누는 단계, (c4) 상기 제2 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 q를 곱하는 단계 및 (c5) 상기 소정 계수 q를 곱한 결과에 소정값 k를 더하고, 상기 소정값 k를 더한 결과를 소정 비트 우측으로 이동시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 소정값은 상기 비트심도에 대응하여 결정되는 값이고, 상기 (c1) 및 (c3)단계는 정수 연산인 것이 바람직하다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터 부호화 장치는 입력된 영상 데이터에서 상기 입력된 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 생성하는 차분 데이터 생성부, 상기 생성된 차분 데이터를 주파수영역으로 변환하는 변환부 및 상기 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 양자화부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 부호화 장치는 상기 비트심도(N)에 관한 정보 및 상기 양자화된 결과를 부호화하여 비트스트림을 생성하고, 출력하는 엔트로피 부호화부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터 복호화 방법은 (a) 입력된 비트스트림을 복호화하여 상기 비트스트림에 포함된 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 관한 정보 및 양자화 데이터를 복원하는 단계, (b) 상기 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양 자화하는 단계 및 (c) 상기 역양자화된 결과를 시간영역으로 역변환하여 상기 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 복원하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기(b)단계는 상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화스텝에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화 하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 복원된 양자화 데이터에 소정 계수 r을 곱하는 단계 및 (b2) 상기 소정 계수 r을 곱한 결과를 소정 계수 n으로 나누는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 데이터 복호화 장치는 입력된 비트스트림을 복호화하여 상기 비트스트림에 포함된 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 관한 정보 및 양자화 데이터를 복원하는 엔트로피 복호화부, 상기 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화하는 역양자화부 및 상기 역양자화된 결과를 시간영역으로 역변환하여 상기 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 복원하는 역변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 역양자화부는 상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화스텝에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화 하는 것이 바람직하고, 상기 역양자화부는 상기 복원된 양자화 데이터에 소정 계수 r을 곱하는 제3 곱셈부 및 상기 소정 계수 r을 곱한 결과를 소정 계수 n으로 나누는 제 3 나눗셈부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 부호화 방법 및 복호화 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하겠다. 본 발명은 앞으로 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위로부터 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양하게 변환할 수 있으며, 이러한 변환은 본 발명의 범위에 속한다.
동영상(moving image) 데이터는 움직임 예측 기술에 의하여 부호화/복호화 된다. 움직임 예측(motion prediction)은 과거(previous) 프레임 또는 과거(previous) 및 미래(future) 프레임 모두를 참조하여 수행된다. 현재(current) 프레임을 부호화/복호화할 때, 참조되는 프레임을 참조(reference) 프레임이라고 명칭한다. 블록기반 동영상 부호화에 있어서, 동영상을 구성하는 정지 이미지(still image) 또는 정지 프레임은 일반적으로 16× 16 단위의 매크로 블록(MB; Macro-block)으로 분할되며, 매크로 블록은 더 작은 단위의 서브 블록들로 분할된다. 따라서, 정지 이미지간의 움직임은 블록 대 블록으로서 예측되고, 부호화된다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터 부호화 장치 및 방법을 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자화 파라미터가 확장된 N bit 영상 데이터 부호화 장치의 구성을 도시한 블록도로서, 분할부(100), 예측부(110), 제1 가산기(112), 부호화 제어부(120), 변환 및 양자화부(113) 및 엔트로피 부호화부(130)를 포함한다.
8-bit의 비트심도를 갖는 로 데이터(raw data)가 입력되면, 분할부(100)는 부호화 제어부(120)의 제어에 따라 부호화할 프레임(frame) 또는 필드(field)를 선택하며, 선택된 각 프레임 또는 필드를 매크로 블록으로 분할한다. 각 매크로 블록은 16× 16 화소(pixel)들로 구성된다. 16× 16 화소의 매크로 블록은 영상 데이터의 휘도 또는 색차 정보가 담긴 복수 개의 16× 16 블록 및/또는 복수 개의 8× 8 블록으로 구성된다.
부호화 제어부(120)는 입력 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 관한 정보를 추출하고, 부호화 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
제1 가산기(112)는 분할부(100)에서 출력된 로 데이터 및 프레임내 예측부(117, intra prediction module) 또는 프레임간 예측부(118, inter prediction module)에서 예측된 예측 데이터를 전송받고, 로 데이터에서 예측 데이터를 제거하여(subtract) 차분 데이터(X, differential data)를 출력한다.
변환 및 양자화부(113)는 차분 데이터(X)를 정수 DCT(Discrete Cosine Transform, 이상여현변환) 변환하고, 변환된 차분 데이터(X)를 양자화하여 양자화 데이터를 생성한다. 또, 생성된 양자화 데이터를 예측부(110)로 출력한다.
예측부(110)는 역 변환 및 역 양자화부(114), 제2 가산기(111), 디블록킹부(115), 메모리(116), 프레임내 예측부(117, intra prediction module), 프레임간 예측부(118, inter prediction module) 및 움직임 추정부(119)를 포함한다.
역 변환 및 역 양자화부(114)는 변환 및 양자화부(113)에서 출력된 양자화 데이터에 대해 역 정수 DCT 변환 및 역 양자화을 수행하여 복원된 차분데이터(X)를 생성하고, 출력한다.
제2 가산기(111)는 현재 프레임의 복원된 차분 데이터(X)에 프레임내 예측부(117) 또는 프레임간 예측부(118)에서 예측된 예측 데이터를 합하고, 그 결과를 디블록킹부(115)로 출력한다.
디블록킹부(115)는 블록 왜곡현상을 감소시키기 위해 각각의 복원된 매크로 블록에 필터링을 수행하고, 필터링이 수행된 각 결과를 메모리(116)로 출력한다.
메모리(116)는 디블록킹부(110)에서 출력된 데이터를 후에 프레임내 예측부(117) 또는 프레임간 예측부(118)에서 사용할 수 있도록 저장한다.
프레임내 예측부(117, intra prediction)는 프레임내 예측을 수행하고, 프레임간 예측부(118, inter prediction))는 프레임간 예측을 수행한다. 이들 예측은 움직임 보상이라고도 불린다.
움직임 추정부(119)는 메모리(116)에서 매크로 블록에 대한 참조 프레임을 검색하고, 검색된 참조 프레임의 매크로 블록에서의 이미지와 현재 프레임의 매크로 블록에서의 이미지간의 위치 차이를 움직임 벡터로 표현하여, 제1 가산기(112)로 출력한다.
엔트로피 부호화부(130)는 부호화 제어부(120)의 제어 신호, 움직임 추정부(119)의 움직임 데이터 및 변환 및 양자화부(113)의 양자화 데이터를 전송받고, 이들을 조합(group)하여 출력 비트스트림을 생성한다.
변환 및 양자화부(113)는 차분 데이터(X)를 영상 데이터의 비트심도(N)에 대응하여 변환하고, 양자화한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 변환 및 양자화부(113)의 동작을 설명하겠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부호화 장치의 변환 및 양자화부(113)의 구성을 도시한 블록도로서,변환 및 양자화부(113)는 DCT 변환부(210), 제1 나눗셈부(220), 제1 곱셈부(230), 제2 나눗셈부(240), 제2 곱셈부(250) 및 시프팅부(260)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변환 빛 양자화 과정을 설명하기 위한 플로우차트로서, 차분 데이터(X)를 주파수 영역으로 변환하는 제 310단계, 비트심도(N)에 따라 하드웨어의 스펙에 맞게 변환된 차분 데이터(X)의 크기를 조절하는 제 320 내지 제 350단계 및 변환되고, 크기가 조절된 차분 데이터(X)로부터 양자화 데이터를 생성하는 제 360 및 제 370단계를 포함한다.
도 3을 참조하여, 변환 및 양자화부(113)의 동작을 살펴보자.
일반적으로 차분 데이터(X)는 행렬 형태로 처리되므로, 설명의 편의를 위하여 차분 데이터(X)를 차분 행렬(X)로 표현하기로 하자.
제 300단계에서, 변환 및 양자화부(113)는 입력된 영상 행렬의 비트심도(N)에 관한 정보를 전송받는다.
제 310단계에서, 제1 가산기(112)는 입력되 영상 행렬의 예측에 의한 차분 행렬(X)을 생성한다.
제 320단계에서, DCT 변환부(210)는 제1 가산기(112)로부터 입력된 차분 행렬(X)을 다음 수학식 1에 의해 정수 DCT 변환하여 제1 행렬(B)을 생성한다.(각 매크로 블록에 대하여, 신호 행렬의 개수 및 구성(organization)은 로(raw) 비디오 포맷 및 매크로 블록의 부호화 모드에 의해 결정된다)
A = T · X
B = A · TT
여기서, "·"는 행렬 곱을 의미하고, T는 정수 DCT 변환 행렬, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬(transpose), X는 차분 행렬, B는 DCT 변환된 제1 행렬을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 다르면, 8× 8 DCT 변환을 위한 정수 DCT 변환 행렬 T으 다음과 같다.
T = [8 8 8 8 8 8 8 8
10 9 6 2 -2 -6 -9 -10
10 4 -4 -10 -10 -4 4 10
9 -2 -10 -6 6 10 2 -9
8 -8 -8 8 8 -8 -8 8
6 -10 2 9 -9 -2 10 -6
4 -10 10 -4 -4 10 -10 4
2 -6 9 -10 10 -9 6 -2 ].
DCT 변환부(210)는 T 행렬 및 TT 행렬을 이용하여, 정수 DCT 변환된 제1 행렬(B)을 제1 나눗셈부(220)로 출력한다.
제 330단계에서, 제1 나눗셈부(220)는 변환된 제1 행렬(B)을 입력 영상 데이터의 비트심도(N)에 대응하여 결정되는 제1 소정값(Shift Tab0)으로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여(rounding) 제2 행렬(C)을 생성한다. 그리고 생성된 제2 행렬(C)를 제1 곱셈부(230)로 전송한다. 제 330단계는 다음 수학식 2로 표현될 수 있다.
C = B//Shift Tab0,
여기서 a//b는 a를 b로 나누고, 라운드(가장 가까운 정수값으로 근사)하는 연산을 의미한다.
제1 곱셈부(230)가 16-bit 멀티플라이어(multiplier)에 의해 구현될 때, 입력된 영상 데이터의 비트심도(N)가 10 bit인 경우, 제1 소정값(Shift Tab0)은 7로 설정되고, 비트심도(N)가 12 bit인 경우, 제1 소정값(Shift Tab0)이 9로 설정되는 것이 바람직하다. 그러나, 제1 소정값(Shift Tab0)은 제1 곱셈부(230)를 구현하는 멀티플라이어의 스펙에 따라 다르게 설정될 수 있다.
제 340단계에서, 제1 곱셈부(230)는 제2 행렬(C)를 소정 계수 s(i)를 원소로 하는 소정 행렬 S와 좌표기반 배열 곱(domain-based array multiplication)하여 제3 행렬(D)을 생성하고, 제3 행렬(D)을 제3 나눗셈부(240)로 전송한다. 제 340단계 는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
D = S.* C
여기서, C는 제2 행렬, s(i)는 다음 수학식 4에 의해 결정되는 소정 계수, ".*"연산은 좌표기반 배열 곱을 의미한다. P.*Q란 P의 각 원소를 그 원소와 동일한 위치의 Q의 각 원소와 곱하는 연산이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 차분 행렬(X)이 8× 8 행렬인 경우, 소정 행렬 S는 다음과 같을 수 있다.
S =
Figure 112006058289675-PAT00001
소정 행렬 S의 각 원소 s(i)는 다음과 같다.
s(i) ≒
Figure 112006058289675-PAT00002
/v(i),
여기서 i는 0 내지 5 사이의 정수이고, "≒"는 거의 동일한 값임을 의미한다. 즉, s(i)는
Figure 112006058289675-PAT00003
/v(i)와 오차 범위내에 있는 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
v(i)는 v = [512× 512, 442× 442, 464× 454, 512× 442, 512× 464, 442× 464] 값을 갖고,
s(i)는 s = [32768, 43969 39898 37958 36158, 41884]의 값을 갖는다.
이제, 좌표기반 배열 곱에 대해 상세히 설명하겠다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제2 행렬(C)과 소정 행렬 S를 좌표 기반 배열 곱하는 과정을 다음과 같다.
우선, 제0 또는 4행이면서 제0 또는 4열인 데이터는 소정(preset) 계수 s(0)에 의해 곱하고, 제1, 3, 5 및 7행 중 어느 한 행이면서 제1, 3, 5, 7열 중 어느 한 열인 데이터는 소정 계수 s(1)에 의해 곱하고, 제2 또는 6행이면서 제2 또는 6열인 데이터는 소정 계수 s(2)에 의해 곱한다. 또, 제0 또는 4행이면서, 제1, 3, 5 및 7행 중 어느 한 행인 데이터 및 제 1, 3, 5 및 7행 중 어느 한 행이면서 제 0 또는 4열인 데이터는 소정 계수 s(3)에 의해 곱하고, 제0 또는 4행이면서 제2 또는 6열인 데이터 및 제2 또는 6행이면서 제0 또는 4열인 데이터는 소정 계수 s(4)에 의해 곱하고, 나머지 데이터는 소정 계수 s(5)에 의해 곱한다.
이후, 제1 곱셈부(230)는 좌표기반 배열 곱에 의해 생성된 제3 행렬(D)을 제2 나눗셈부(240)로 전송한다.
제 350단계에서, 제2 나눗셈부(240)는 제3 행렬(D)를 입력 영상 데이터의 비트심도 N에 대응하여 결정된 제2 소정값(Shift Tab1)에 의해 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사화하여 제4 행렬(E)을 생성한다. 그리고, 생성된 제4 행렬(E)을 제2 곱셈부(250)로 전송한다. 350단계에서의 동작은 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
E = D //Shift Tab1,
여기서 "//"는 수학식 2에서와 같다.
제2 곱셈부(250)가 16-bit 멀티플라이어(multiplier)에 의해 구현될 때, 입 력된 영상 데이터의 비트심도(N)가 10 bit인 경우, 제2 소정값(Shift Tab1)은 17로 설정되고, 비트심도(N)가 12 bit인 경우, 제2 소정값(Shift Tab1)은 15로 설정되는 것이 바람직하다. 그러나, 제2 소정값(Shift Tab1)은 제2 곱셈부(230)를 구현하는 멀티플라이어의 스펙(Specification)에 따라 다르게 설정될 수 있다.
제 310단계에서 생성된 차분 행렬(X)을 320단계에서 DCT 변환하면, 영상 데이터의 중요한 값들이 특정 부분으로 모이게 된다. 예를 들어, DCT 변환하여 생성된 제1 행렬(B)의 좌측상단 부분에 영상 데이터를 복원함에 있어 의미있는 값들이 모이게 된다. 이 값들을 양자화함에 있어서, 한정된 제약하에서 부호화 효율을 개선하기 위해서는 중요한 값들에 더 가중치를 두어 중요한 값들은 더 세밀한 간격으로 양자화하고, 그렇지 않은 값들은 조금 덜 세밀한 간격으로 양자화할 수 있다. 바로 이 340단계에서 소정 계수 s를 곱하는 단계는 변환된 차분 데이터(X)로부터 양자화 데이터를 추출하기 전에 각 데이터마다 다르게 설정된 스케일 팩터를 곱하여, 중요한 데이터들은 더 정밀하게 양자화될 수 있도록 하는 과정이다.
제 340단계의 과정 전후에, 제 330 및 제 350 단계에서는 비트심도에 대응하여 결정되는 제1 및 제2 소정값으로 데이터를 나누는 과정을 수행한다. 이는 차분 데이터(X)를 소정 연산과정을 통해 양자화함에 있어서, 하드웨어의 스펙(Spec.)에 제한이 있으므로, 이러한 제한 조건하에서 비트심도가 확장된 데이터들을 처리하기 위하여, 데이터 레벨을 조절하는 단계들이다. 따라서, 영상 데이터의 비트심도가 증가하는 경우, 동일한 하드웨어 스펙을 가지는 시스템에서 이를 처리하기 위해서는 제1 소정값이 비트심도에 비례하여 증가하는 것이 바람직하고, 제1 소정값이 증 가함에 따라 반대로 제2 소정값은 비트심도에 비례하여 감소하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제1 및 제2 소정값을 하드웨어 스펙에 맞춰 적절히 조절하여 양자화를 위한 소정 연산과정에서 소정값 또는 소정 계수들을 곱한 결과들이 오버플로우(overflow)되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
구체적인 수치를 예로 들면, 종래의 AVS 부호화 장치에서, 종래의 8 bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우에는, 제1 소정값이 5로 설정되나, 10 bit 또는 12 bit 의 영상 데이터의 경우는 제1 소정값이 7 또는 9로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 차분 행렬(X)의 입출력을 위해 16-bit 메모리, 양자화를 위해 16-bit 멀리플라이어, 소정 연산을 위해 32 bit 산술논리유닛(ALU; Arithmetic Logic Unit)을 사용하는 경우, 종래에 8bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우는, 제1 및 제2 소정값이 5 및 19로 설정되었으나, 비트심도가 10 bit 또는 12 bit로 증가하게 되면, 제1 및 제2 소정값이 각각 7과 17 또는 9와 15로 설정될 수 있다.
제 360단계에서, 제2 곱셈부(250)는 제4 행렬(E)에 소정 계수 q[QP]를 곱하여, 제5 행렬(F)을 생성한다. 그리고, 생성된 제5 행렬(F)을 시프트부(260)로 전송한다. 제 360단계에서의 동작은 다음 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
F = q[QP].E
여기서, "."는 스칼라 곱을 의미한다.
소정 계수 q[QP]는 양자화 파라미터(QP)에 의해 다음과 같이 결정된다.
q[QP]= round[
Figure 112006058289675-PAT00004
/
Figure 112006058289675-PAT00005
]
여기서, 양자화 파라미터(QP)는 0≤QP≤63 사이의 정수이고,
round[X]는 X와 가장 가까운 정수를 의미하며,
" ≒"부호는 근사적으로 동일한 값임을 의미한다.
즉, q[QP]는 양자화 파라미터(QP)에 따라
q[64] = { 32768,29775,27554,25268,23170,21247,19369,17770,
16302,15024,13777,12634,11626,10624,9742,8958,
8192,7512,6889,6305,5793,5303,4878,4467,
4091,3756,3444,3161,2894,2654,2435,2235,
2048,1878,1722,1579,1449,1329,1218,1117,
1024,939,861,790,724,664,609,558,
512,470,430,395,362,332,304,279,
256,235,215,197,181,166,152,140}
의 값을 갖는다.
제 370단계에서, 시프트부(260)는 제5 행렬(F)에 소정값 k를 더하고, 그 결과를 15 bit 만큼 우측으로 시프트(right shift)하여 제6 행렬(G)을 생성한다. 제 6행렬(G)은 양자화 데이터로서 엔트로피 부호화부(130)로 전송된다. 소정값 k는 다음과 같이 정의된다.
프레임내의 블록인 경우, k = (1<<15)*10/31 = *10/31
프레임간의 블록인경우, k = (1<<15)*10/62 =
Figure 112006058289675-PAT00007
*10/62
여기서, <<는 좌측 시프트(left shift)를 의미한다.
프레임내 예측과 프레임간 예측에 따라 k를 다르게 설정하는 이유는, 각 예측 이유에 차분 행렬(X)의 특성이 달라져서, 양자화부의 데드존(dead zone)을 다르게 설정할 필요가 있기 때문이다.
앞서 설명한 전 과정은 다음식으로 표현된다.
A = T · X
B = A · TT
C = B // Shift Tab0
D = S(i).* C
E = D // Shift Tab1
F = q[QP].E
G = (F + k )>> 15(Intra: k = (1<<15)*10/31; Inter: k=(1<<15)*10/62)
여기서, X는 원 데이터의 8× 8 행렬이고, T는 정수 DCT 변환 행렬, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬이다.
양자화 파라미터(QP)는 0≤QP≤63 사이의 정수이고,
s(i)≒
Figure 112006058289675-PAT00008
/v(i)이고(i는 0≤i≤5인 정수),
v = [512× 512, 442× 442, 464× 454, 512× 442, 512× 464, 442× 464]이고,
q[QP] ≒
Figure 112006058289675-PAT00009
/
Figure 112006058289675-PAT00010
이고,
q[QP]*r[QP] ≒
Figure 112006058289675-PAT00011
이다.
여기서, a//b는 a를 b로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사한 연산, P·Q는 행렬 P와 행렬 Q를 행렬 곱한 연산, a.P는 a와 행렬 P를 스칼라 곱 또는 배열 곱(array multiplication)한 연산, P.*Q는 행렬 P와 행렬 Q를 좌표기반 배열 곱(domain-based array multiplication)한 연산, a≒b는 a와 b가 근사적으로 동일한 값임을 의미한다.
이 때, v(i)의 값은 정수 DCT 변환 행렬 T에 따라 결정되며, v(i)가 결정되면 s(i)의 값도 결정된다. 또한, 제1 소정값(Shift Tab0) 및 제2 소정값(Shift Tab1)은 각각 제1 곱셈부(230) 및 제2 곱셈부(250)를 구현하기 위한 멀티플라이어의 스펙(Spec.)에 따라 다르게 설정될 수 있는 값으로, 비트심도에 대응하여 다르게 설정됨이 바람직하다.
도 2에 도시된 역 변환 및 역 양자화부(114)의 동작은 후술할 도 7에 도시된 역 변환 및 역 양자화부(614)와 동일하므로 생략하기로 한다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 기존의 부호화 장치의 하드웨어 스펙 예를 들어, 16 bit 메모리, 16 bit 멀티플라이어 및 32 bit 연산을 지원하는 산술논리유닛(ALU; Arithmetic Logic Unit)등을 그대로 사용하고, 소정 계수들만 변경하여, N bit(10 bit, 12 bit 심지어 14 bit)의 고충실도 로 데이터(raw data)를 부호화할 수 있으며, 동시에 부호화 효율을 개선할 수 있다.
그러나, 제 1실시예에 따르면, N bit 영상 데이터 부호화 장치가 다양한 비트심도를 갖는 영상 데이터를 부호화할 수 있음에도 불구하고, 동일한 양자화 파라 미터(QP) 조건에서 데이터의 비트심도가 다양해짐에 따라 전송 비트율(bit rate) 및 PSNR로 대표되는 화질을 일정하게 유지할 수 없는 문제가 여전히 존재한다. 예를 들어, 8 bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우, QP = 0에서 비트율은 10Mbps, PSNR은 35dB인 반면, 10 bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우, QP = 0에서 비트율은 20Mbps, PSNR은 45dB가 된다. 따라서, 10 bit 영상 데이터를 부호화 할 때도 10Mbps 비트율 및 35dB의 PSNR을 얻기 위해서는 적절한 QP가 설정되어야 하는데 이는 많은 계산량을 필요로하므로 불편을 야기하게 된다.
이하, 도4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 대해 상세히 설명하겠다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 비트심도(N bit)의 확장과 함께 양자화 파라미터(QP)의 확장이 수행된다. 즉, 비트심도(N)에 비례하여 양자화 파라미터의 범위가 확장되는데, 예를 들어, 다음과 같이 확장될 수 있다.
QP' = QP + (비트 심도 N - 8) * 8,
여기서, QP는 종래 사용되던 양자화 파라미터이고, QP'는 새롭게 확장된 양자화 파라미터를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면,
8bit 영상 데이터의 경우는 QP' = QP + (8 - 8) * 8 = [0, 63],
10bit 영상 데이터의 경우는 QP' = QP + (10 - 8) * 8 = [0, 79],
12bit 영상 데이터의 경우는 QP' = QP + (12 - 8) * 8 = [0, 95]의 범위를 갖을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변환 및 양자화부(413) 및 역 변환 및 양자화부(414)의 보다 상세한 구성을 도시한 블록도로서, 변환 및 양자화부(413)는 DCT 변환부(210), 제1 디바이더(220), 제1 멀티플라이어(230), 제2 디바이더(240), 제2 멀티플라이어(450) 및 시프팅부(460)를 포함하고, 역 변환 및 양자화부(414)는제3 멀티플라이어(470), 제3 디바이더(480) 및 IDCT 변환부(290)를 포함한다.
도 5는 도 4에 도시된 변환 및 양자화부(413)의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 변환 및 양자화 과정을 자세히 살펴보자. 도 5의 제 560단계를 제외하고, 제 500 내지 제 550단계 및 제 570단계는 도 3과 동일하므로, 간략히 설명하겠다.
제 500단계에서, 변환 및 양자화부(413)는 입력된 영상 행렬의 비트심도(N)에 관한 정보를 전송받는다.
제 510단계에서, 제1 가산기(112)는 입력되 영상 행렬의 예측에 의한 차분 행렬(X)을 생성한다.
제 520단계에서, DCT 변환부(410)는 제1 가산기(112)로부터 입력된 차분 행렬(X)을 다음 수학식 1에 의해 정수 DCT 변환하여 제1 행렬(B)을 생성한다.
제 530단계에서, 제1 나눗셈부(420)는 변환된 제1 행렬(B)을 입력 영상 데이터의 비트심도(N)에 대응하여 결정되는 제1 소정값(Shift Tab0)으로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여(rounding) 제2 행렬(C)을 생성한다.
제 540단계에서, 제1 곱셈부(430)는 제2 행렬(C)를 소정 계수 s(i)를 원소로 하는 소정 행렬 S와 좌표기반 배열 곱(domain-based array multiplication)하여 제3 행렬(D)을 생성하고, 제3 행렬(D)을 제3 나눗셈부(440)로 전송한다.
제 550단계에서, 제2 나눗셈부(440)는 제3 행렬(D)를 입력 영상 데이터의 비트심도 N에 대응하여 결정된 제2 소정값(Shift Tab1)에 의해 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사화하여 제4 행렬(E)을 생성한다.
제 560단계에서, 제2 곱셈부(250)는 제4 행렬(E)에 소정 계수 q[QP']를 곱하여, 제5 행렬(F)을 생성한다.
여기서, QP'은 0≤QP'≤63+(비트심도 N - 8) * 8인 정수이며,
N= 10인경우, q[QP']는 다음과 같다.
q[80] = { 32768,29775,27554,25268,23170,21247,19369,17770,
16302,15024,13777,12634,11626,10624,9742,8958,
8192,7512,6889,6305,5793,5303,4878,4467,
4091,3756,3444,3161,2894,2654,2435,2235,
2048,1878,1722,1579,1449,1329,1218,1117,
1024,939,861,790,724,664,609,558,
512,470,430,395,362,332,304,279,
256,235,215,197,181,166,152,140,
128, 117, 108, 99, 91, 83, 76, 70,
64, 59, 54, 49, 45, 41, 38, 35 }
제 570단계에서, 시프트부(460)는 제5 행렬(F)에 소정값 k를 더하고, 그 결과를 15bit 만큼 우측으로 시프트(right shift)하여 제6 행렬(G)을 생성한다.
제1 실시예의 과정을 다음식으로 표현된다.
A = T · X
B = A · TT
C = B // Shift Tab0
D = S(i).* C
E = D // Shift Tab1
F = q[QP'].E
G = (F + k )>> 15(Intra: k = (1<<15)*10/31; Inter: k=(1<<15)*10/62)
여기서, X는 원 데이터의 8× 8 행렬이고, T는 정수 DCT 변환 행렬, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬이다.
확장된 양자화 파라미터(QP')의 범위는 0≤QP'≤63 + 8 * (N-8)이고,
N은 영상 데이터의 비트심도(N)이다.
s(i) ≒
Figure 112006058289675-PAT00012
/v(i)이고(i는 0≤i≤5인 정수),
v = [512× 512, 442× 442, 464× 454, 512× 442, 512× 464, 442× 464]이고,
q[QP'] ≒
Figure 112006058289675-PAT00013
/
Figure 112006058289675-PAT00014
이고,
q[QP']*r[QP'] ≒
Figure 112006058289675-PAT00015
이다.
여기서, a//b는 a를 b로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사한 연산, P·Q는 행렬 P와 행렬 Q를 행렬 곱한 연산, a.P는 a와 행렬 P를 스칼라 곱 또는 배열 곱(array multiplication)한 연산, P.*Q는 행렬 P와 행렬 Q를 좌표기반 배열 곱(domain-based array multiplication)한 연산, a≒b는 a와 b가 근사적으로 동일한 값임을 의미한다.
이 때, v(i)의 값은 정수 DCT 변환 행렬 T에 따라 결정되며, v(i)가 결정되면 s(i)의 값도 결정된다. 또한, 제1 소정값(Shift Tab0) 및 제2 소정값(Shift Tab1)은 각각 제1 곱셈부(430) 및 제2 곱셈부(450)를 구현하기 위한 멀티플라이어의 스펙에 따라 다르게 설정될 수 있는 값으로, 비트심도에 대응하여 다르게 설정됨이 바람직하다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따르면 비트심도가 서로 다른 영상 데이터를 부호화 하는 경우에도, 동일한 양자화 파라미터에 대하여 일정한 전송 비트율(bit rate) 및 PSNR이 획득되도록 할 수 있다. 예를 들어, 8 bit 및 10 bit 데이터 코딩에 있어서, QP = 0에 관하여 비트율이 동일하게 10Mbps가 되고, PSNR도 35dB가 된다. 그러므로, 비트심도에 따라 비트율 및 PSNR을 일정하게 유지하기 위해 적절한 QP를 따로 계산해야 하므로, 시스템 설정 등이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이를 통해 비트심도에 관계없이 QP에 불변하는 화질을 얻을 수 있다.
QP가 확장되는 경우에, 크로마(chroma) 블록을 위한 QP 역시 확장된 루마(Luma) QP 범위와 매핑(mapping)된다. 종래 영상 데이터 부호화 장치에서의 특정된 매핑 테이블은 변하지 않고, 그래도 유지될 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 N-bit 영상 데이터의 복호화 장치의 구성을 도시한 블록도로서, 복호화 제어부(620), 엔트로피 복호화부(630), 역 변환 및 역 양자화부(614), 제3 가산기(611), 디블록킹부(615), 메모리(616), 프레임내 예측부(617) 및 프레임간 예측부(618)을 포함한다.
엔트로피 복호화부(630)는 입력 비트스트림을 복호화하여 제어 신호, 움직임 데이터 및 양자화 데이터를 복원하여 생성하고, 제어 신호를 복호화 제어부(620)로, 움직임 데이터를 프레임간 예측부(618)로 양자화 데이터를 역 변환 및 역 양자화부(614)로 각각 출력한다. 이 제어 신호에는 입력 비트스트림에 포함된 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도에 관한 정보가 포함된단.
복호화 제어부(620)는 제어 신호를 전송받고, 복호화 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
역 변환 및 역 양자화부(614)는 엔트로피 복호화부(630)로부터 전송 받은 양자화 데이터를 역 정수 DCT 변환하여 차분 데이터(X)를 복원하고, 이 복원된 차분데이터(X')를 제3 가산기(611)로 출력한다.
제3 가산기(611)는 복원된 차분 데이터(X')와 프레임내 예측부(617) 또는 프레임간 예측부(618)에서 예측한 예측 데이터를 합하고, 블록 단위의 영상 데이터를 생성하고, 그 결과를 디블록킹부(615)로 출력한다.
디블록킹부(615)는 블록 왜곡현상을 감소시키기 위해 각각의 복원된 매크로 블록에 필터링을 수행하고, 필터링이 수행된 각 결과를 메모리(616)로 출력한다.
메모리(616)는 디블록킹부(610)에서 출력된 데이터를 후에 프레임내 예측부(617) 또는 프레임간 예측부(618)에서 사용할 수 있도록 참조 데이터로서 저장한다.
프레임내 예측부(617)는 프레임내 예측을 수행하고, 프레임간 예측부(618)는 프레임간 예측을 수행한다. 이들 예측은 움직임 보상이라고도 불린다. 프레임간 예측부(617)는 메모리(616)의 참조 프레임(reference frame)의 움직임 벡터에 대응하는 예측 매크로 블록을 추출하고, 참조 프레임의 예측 매크로 블록의 움직임을 보상하여 예측 데이터를 출력한다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 7에 도시된 역 변환 및 역 양자화부(614)의 보다 상세한 구성을 도시한 블록도로서, 역 변환 및 역 양자화부(614)는 제3 곱셈부(770) 및 제 3 나눗셈부(780)를 포함하는 역 양자화부 및 역 변환부(790)를 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실예에 따른 역 변환 및 역 양자화 과정을 도시한 플로우차트로서, 800 및 810단계의 역 양자화 과정 및 제 830단계의 역 변환과정을 포함한다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 역 변환 및 역 양자화부(614)에 구체적인 동작에 관해 설명하겠다.
제 800단계에서, 입력된 비트스트림을 복호화 하여 양자화 데이터 즉, 제 6행렬(G)을 복원한다.
제 810단계에서, 제3 곱셈부(770)는 엔트로피 복호화부(630)로부터 전송받은 제6 행렬(G)에 r[QP]를 곱하여 제7 행렬(H)을 생성한다. 810단계에서의 동작은 다음 수학식6과 같이 표현될 수 있다.
H = r[QP].G
여기서, 양자화 파라미터(QP)는 0≤QP≤63 사이의 정수이고,
q[QP]*r[QP] =
Figure 112006058289675-PAT00016
이고,
"."는 배열 곱을 의미한다.
q[QP]가 앞서 수학식 5에서 언급한 값인 경우, r[QP]는 다음 값을 갖는다.
r[64] = { 32768,36061,38968,42495,46341,50535,55437,60424,
32932,35734,38968,42495,46177,50535,55109,59933,
65535,35734,38968,42577,46341,50617,55027,60097,
32809,35734,38968,42454,46382,50576,55109,60056,
65535,35734,38968,42495,46320,50515,55109,60076,
65535,35744,38968,42495,46341,50535,55099,60087,
65535,35734,38973,42500,46341,50535,55109,60097,
32771,35734,38965,42497,46341,50535,55109,60099}
n[64] = { 14,14,14,14,14,14,14,14,
13,13,13,13,13,13,13,13,
12,12,12,12,12,12,12,12,
11,11,11,11,11,11,11,11,
10,10,10,10,10,10,10,10,
9,9,9,9,9,9,9,9,
8,8,8,8,8,8,8,8,
7,7,7,7,7,7,7,7}
제 820단계에서, 제3 나눗셈부(780)는 제7 행렬(H)을 n[QP]으로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여 제8 행렬(I)을 생성한다. 820단계의 동작은 다음 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
I = H//n[QP]
여기서, "//"는 수학식 2에서와 같다.
n[QP]는 수학식 6에서 언급한 값과 같다.
제 830단계에서, 역 DCT 변환부(790)는 제8 행렬(I)를 역 DCT 변환하여 제 12행렬(M)을 생성한다. 본 발명의 제3 실시예에 따라 제8 행렬(I)를 역 DCT 변환하는 과정을 다음과 같다.
제 832단계에서, 제8 행렬(I)에 변환 행렬 T를 곱하여 제9 행렬(J)을 생성한다.
J = I · T
여기서, T는 도 2의 DCT 변환부(210)에서 사용된 정수 DCT 변환 행렬이다.
제 834단계에서, 제9 행렬(J)을 3으로 나누고, 나눗몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여 제10 행렬(K)를 생성한다.
K = J//3
여기서,"//"는 수학식 2와 같다.
제 836단계에서, 제9 행렬(K)에 TT를 곱하여 제11 행렬(L)을 생성한다. 636단계의 동작은 다음 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
L = TT · K
여기서, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬이다.
제 838단계에서, 제11 행렬(L)을 7로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여 제12 행렬(M) 즉, 복원된 차분행렬(X')을 생성한다. 638단계의 동작은 다음식과 같이 표현될 수 있다.
M = L//7
제 3실시예에 과정을 다음식으로 요약된다.
H = r[QP] · G
I = H//n[QP]
J = I · T
K = J//3
L = TT · K
M = L//7
여기서, G는 양자화 데이터 즉, 제6 행렬(G)이고, T는 정수 DCT 변환 행렬, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬이다. 여기서, a//b는 a를 b로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사한 연산, P·Q는 행렬 P와 행렬 Q를 행렬 곱한 연산이다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 기존의 부호화 장치의 하드웨어 스펙(Spec.) 예를들어, 16 bit 메모리, 16 bit 멀티플라이어 및 32 bit 연산을 지원하는 산술논리유닛(ALU; Arithmetic Logic Unit)등을 그대로 사용하고, 소정 계수들만 변경하여, N bit(10 bit, 12 bit 심지어 14 bit)의 고충실도 부호화된 로 데이터(raw data)를 복호화할 수 있다. 그러나, 제 3실시예에 따르면, N bit 영상 데이터 부호화 장치가 다양한 비트심도를 갖는 영상 데이터를 부호화할 수 있음에도 불구하고, 동일한 양자화 파라미터(QP) 조건에서 데이터의 비트심도가 다양해짐에 따라 전송 비트율(bit rate) 대 PSNR로 대표되는 화질을 일정하게 유지할 수 없는 문제가 여전히 존재한다. 예를 들어, 8 bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우, QP = 0에서 비트율은 10Mbps, PSNR은 35dB인 반면, 10 bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우, QP = 0에서 비트율은 20Mbps, PSNR은 45dB가 된다. 따라서, 10 bit 영상 데이터를 부호화 할 때도 10Mbps 비트율 및 35dB의 PSNR을 얻기 위해서는 적절한 QP가 설정되어야 하는데 이는 많은 계산량을 필요로하므로 불편을 야기하게 된다.
이하, 도 9 및 10을 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 상세히 설명하겠다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 비트심도(N bit)의 확장과 함께 양자화 파라미터(QP)의 확장이 수행된다. 즉, 비트심도(N)에 비례하여 양자화 파라미터의 범위가 확장되는데, 예를들어, 다음과 같이 확장될 수 있다.
QP' = QP + (비트 심도 N - 8) * 8,
여기서, QP는 종래 사용되던 양자화 파라미터이고, QP'는 새롭게 확장된 양자화 파라미터를 의미한다.
8 bit 로 데이터(raw data)의 경우는 QP' = QP + (8 - 8) * 8 = [0, 63],
10 bit 로 데이터(raw data)의 경우는 QP' = QP + (10 - 8) * 8 = [0, 79],
12 bit 로 데이터(raw data)의 경우는 QP' = QP + (12 - 8) * 8 = [0, 95]의 범위를 갖을 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 역 변환 및 양자화부(914)의 보다 상세한 구성을 도시한 블록도로서, 역 변환 및 양자화부(914)는 제3 곱셈부(970), 제3 나눗셈부(980) 및 역 DCT 변환부(990)를 포함한다.
도 10은 도 9에 도시된 역 변환 및 양자화부(941)의 동작을 설명한 플로우차트이다. 이하, 도 9 및 10을 참조하여, 역 변환 및 양자화부(914)의 동작에 대해 살펴보자. 1000 내지 1030단계는 도 8에 도시된 800 내지 830단계와 유사하므로 간략하게 설명하겠다.
제 1000단계에서, 입력된 비트스트림을 복호화 하여 양자화 데이터 즉, 제 6 행렬(G)을 복원한다.
제 1010단계에서, 제3 곱셈부(970)는 엔트로피 복호화부(630)로부터 전송받은 제6 행렬(G)에 r[QP']를 곱하여 제7 행렬(H)을 생성한다.
H = r[QP'].G
여기서, QP'은 0≤QP'≤63+(비트심도 N - 8) * 8인 정수이며,
q[QP]*r[QP] =
Figure 112006058289675-PAT00017
이고,
"."는 배열 곱을 의미한다.
N = 10인 경우, q[QP']가 제2 실시예에서와 같다면, r[QP'] 및 n[QP']은 다음과 같다.
r[80] = { 32768,36061,38968,42495,46341,50535,55437,60424,
32932,35734,38968,42495,46177,50535,55109,59933,
65535,35734,38968,42577,46341,50617,55027,60097,
32809,35734,38968,42454,46382,50576,55109,60056,
65535,35734,38968,42495,46320,50515,55109,60076,
65535,35744,38968,42495,46341,50535,55099,60087,
65535,35734,38973,42500,46341,50535,55109,60097,
32771,35734,38965,42497,46341,50535,55109,60099,
65535,35852,38832,42380,46086,50535,55193,59933,
65535,35541,38843,42795,46603,51160,55182,59933 }
n[80] = { 14,14,14,14,14,14,14,14,
13,13,13,13,13,13,13,13,
12,12,12,12,12,12,12,12,
11,11,11,11,11,11,11,11,
10,10,10,10,10,10,10,10,
9,9,9,9,9,9,9,9,
8,8,8,8,8,8,8,8,
7,7,7,7,7,7,7,7,
6,6,6,6,6,6,6,6,
5,5,5,5,5,5,5,5 }
제 1020단계에서, 제3 나눗셈부(780)는 제7 행렬(H)을 n[QP']으로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사하여 제8 행렬(I)을 생성한다.
I = H//n[QP']
여기서, "//"는 수학식 2에서와 같다.
n[QP']는 1010단계에서 언급한 값과 같다.
제 1030단계에서, 역 DCT 변환부(790)는 제8 행렬(I)를 역 DCT 변환하여 제 12행렬(M)을 생성한다.
제 4 실시예의 전 과정은 다음과 같이 요약된다.
H = r[QP'] · G
I = H//n[QP']
J = I · T
K = J//3
L = TT · K
M = L//7
여기서, G는 양자화 데이터 즉, 제6 행렬(G)이고, T는 정수 DCT 변환 행렬, TT는 정수 DCT 변환 행렬 T의 전치행렬이다. 여기서, a//b는 a를 b로 나누고, 나눈 몫을 가장 가까운 정수값으로 근사한 연산, P·Q는 행렬 P와 행렬 Q를 행렬 곱한 연산이다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따르면 비트심도가 서로 다른 영상 데이터를 부호화 하는 경우에도, 동일한 양자화 파라미터(QP)에 대하여 일정한 전송 비트율(bit rate) 및 PSNR이 획득되도록 할 수 있다. 예를 들어, 8 bit 및 10 bit 데이터 코딩에 있어서, QP = 0에 관하여 비트율이 동일하게 10Mbps가 되고, PSNR도 35dB가 된다. 그러므로, 비트심도에 따라 비트율 및 PSNR을 일정하게 유지하기 위해 적절한 QP를 따로 계산해야 하므로, 시스템 설정 등이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이를 통해 비트심도에 관계없이 QP에 불변하는 화질을 얻을 수 있다.
QP가 확장되는 경우에, 크로마(chroma) 블록을 위한 QP 역시 확장된 루마(Luma) QP 범위와 매핑(mapping)된다. 종래 영상 데이터 부호화 장치에서의 특정 된 매핑 테이블은 변하지 않고, 그래도 유지될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따라 양자화 파라미터를 확장하지 않고, 비트심도만 확장된 경우의 PSNR과 비트율 간의 관계를 도시한 그래프이고, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제4 실시예에 따라 양자화 파라미터를 비트심도에 비례하여 확장하고, 비트심도도 확장한 경우의 PSNR 및 비트율 간의 관계를 도시한 그래프이다. 도 11를 참조하면, 본 발명에 따라 N bit 영상 데이터를 부호화 하는 경우, 종래 기술과 비교하여 부호화 효율이 개선되며, 개선 비율은 이는 PSNR이 높을수록 더욱 증가됨을 알 수 있다. 또한, 도 12a 및 12b를 참조하면, N bit 확장에 비례하여 양자화 파라미터(QP)의 범위를 확장하고, 확장된 양자화 파라미터(QP)에 해당되는 양자화 스텝을 기초로 영상 데이터를 처리하므로 동일한 양자화 파라미터(QP)일 경우, 비트심도가 달라져도 동일한 비트율 및 PSNR을 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위에 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명에 따른 N bit 영상 데이터 부호화/복호화 장치는 오디오 및 비디오 코딩 표준(AVS)에 따른 부호화 장치에 있어서, 종래의 8 bit 영상 데이터만 처리할 수 있었던 부호화/복호화 장치 및 방법을 최소한만 변형하여 다양한 비트심도를 갖는 N bit 영상 데이터를 처리할 수 있는 부호화/복호화 장치 및 방법을 제공하며 ,부호화 효율을 개선할 수 있다.
또한, N bit 확장에 비례하여 양자화 파라미터(QP)의 범위를 확장하고, 확장된 양자화 파라미터(QP)에 해당되는 양자화 스텝을 기초로 영상 데이터를 처리하므로 동일한 양자화 파라미터(QP)일 경우, 비트심도가 달라져도 동일한 비트율 및 PSNR을 유지할 수 있다.

Claims (20)

  1. (a) 입력된 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 생성하는 단계;
    (b) 상기 생성된 차분 데이터를 주파수영역으로 변환하는 단계; 및
    (c) 상기 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 확장된 양자화 파라미터(QP')의 범위는
    상기 비트심도(N)에 비례하여 확장되는 것을 특징으로 하는 확장된 양자화 파라미터를 갖는 부호화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계는
    상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화스텝에 기초한 소정 연산을 수행함으로써, 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 확장된 양자화 파라미터를 갖는 부호화 방법. N bit 영상 데이터 부호화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 변환된 차분 데이터를 제1 소정값으로 나누는 단계;
    (c2) 상기 제1 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 s를 곱하는 단계;
    (c3) 상기 소정 계수 s를 곱한 결과를 제2 소정값으로 나누는 단계;
    (c4) 상기 제2 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 q를 곱하는 단계; 및
    (c5) 상기 소정 계수 q를 곱한 결과에 소정값 k를 더하고, 상기 소정값 k를 더한 결과를 소정 비트 우측으로 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 소정값은 상기 비트심도에 대응하여 결정되는 값이고, 상기 (c1) 및 (c3)단계는 정수 연산인 것을 특징으로 하는 확장된 양자화 파라미터를 갖는 영상 데이터 부호화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 계수 q는
    q[QP'] = round[
    Figure 112006058289675-PAT00018
    /
    Figure 112006058289675-PAT00019
    ] 중 하나인 것을 특징으로 하는 확장된 양자화 파라미터를 갖는 영상 데이터 부호화 방법.(여기서, QP'는 0≤QP'≤63+8*(N-8)인 정수, round[X]는 X와 가장 가까운 정수)
  6. 제1항에 있어서, 상기 부호화 방법은
    (d) 상기 비트심도(N)에 대한 정보 및 양자화된 결과를 부호화 하여 비트스트림을 생성하고 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 방법.
  7. 입력된 영상 데이터에서 상기 입력된 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 생성하는 차분 데이터 생성부;
    상기 생성된 차분 데이터를 주파수영역으로 변환하는 변환부; 및
    상기 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 양자화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 확장된 양자화 파라미터(QP')의 범위는
    상기 비트심도(N)에 비례하여 확장되는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 양자화부는
    상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화스텝에 기초한 소정 연산을 수행함으로, 상기 변환된 차분 데이터를 양자화하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 양자화부는
    상기 변환된 차분 데이터를 제1 소정값으로 나누는 제1 나눗셈부;
    상기 제1 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 s를 곱하는 제1 곱셈부;
    상기 소정 계수 s를 곱한 결과를 제2 소정값으로 나누는 제2 나눗셈부;
    상기 제2 소정값으로 나눈 결과에 소정 계수 q를 곱하는 제2 곱셈부; 및
    상기 소정 계수 q를 곱한 결과에 상수 k를 더하고, 상기 상수 k를 더한 결과를 소정 비트 우측으로 이동시키는 시프팅부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 소정값은 상기 비트심도(N)에 대응하여 결정되는 값이고,
    상기 제1 및 제2 나눗셈부에서 수행되는 연산은 정수 연산인 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 계수 q는
    q[QP'] = round[
    Figure 112006058289675-PAT00020
    /
    Figure 112006058289675-PAT00021
    ] 중 하나인 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.(여기서, QP'는 0≤QP'≤63+8*(N-8)인 정수, round[X]는 X와 가장 가까운 정수)
  12. 제1항에 있어서, 상기 부호화 장치는
    상기 비트심도(N)에 관한 정보 및 상기 양자화된 결과를 부호화하여 비트스트림을 생성하고, 출력하는 엔트로피 부호화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 부호화 장치.
  13. (a) 입력된 비트스트림을 복호화하여 상기 비트스트림에 포함된 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 관한 정보 및 양자화 데이터를 복원하는 단계;
    (b) 상기 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화하는 단계; 및
    (c) 상기 역양자화된 결과를 시간영역으로 역변환하여 상기 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (b)단계는
    상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화 스텝에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화하는 단계인 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 상기 복원된 양자화 데이터에 소정 계수 r을 곱하는 단계; 및
    (b2) 상기 소정 계수 r을 곱한 결과를 소정 계수 n으로 나누는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 계수 r은
    r[QP'] = round[
    Figure 112006058289675-PAT00022
    ]이고,
    상기 계수 n은 n[QP'] = 14 - [QP'/8]인 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 방법(여기서, QP는 0≤QP'≤63+8*(N-8))인 정수, round[X]는 X와 가장 가까운 정수, [X]는 X이하의 정수 중 최대인 정수).
  17. 입력된 비트스트림을 복호화하여 상기 비트스트림에 포함된 영상 데이터의 정밀도를 나타내는 비트심도(N)에 관한 정보 및 양자화 데이터를 복원하는 엔트로피 복호화부;
    상기 비트심도(N)에 비례하여 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP')에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화하는 역양자화부; 및
    상기 역양자화된 결과를 시간영역으로 역변환하여 상기 영상 데이터에서 상기 영상 데이터의 예측 데이터를 제거한 차분 데이터를 복원하는 역변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 역양자화부는
    상기 범위가 확장된 양자화 파라미터(QP') 중 어느 하나에 해당되는 양자화 스텝에 기초하여 상기 복원된 양자화 데이터를 역양자화하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 역양자화부는
    상기 복원된 양자화 데이터에 소정 계수 r을 곱하는 제3 곱셈부; 및
    상기 소정 계수 r을 곱한 결과를 소정 계수 n으로 나누는 제3 나눗셈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 N bit 영상 데이터 복호화 장치.
  20. 제1항 내지 제6항 및 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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