KR20110024971A - 율 제어 방법 및 장치와 그를 이용한 영상 부호화 방법 및 장치 - Google Patents

율 제어 방법 및 장치와 그를 이용한 영상 부호화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 율 제어 방법 및 장치와 그를 이용한 영상 부호화 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 입력 영상의 영상 특징 정보와 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하고, 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하며, 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 영상을 부호화할 때 영상의 특징 및 통신망의 환경을 고려하여 부호화 비트율을 조절할 수 있으므로, 부호화된 영상을 복원하여 재생할 때 안정적으로 재생하면서도 복원 영상의 화질을 적절하게 유지할 수 있다.
영상, 부호화, 복호화, 율 제어, 특징, 관심 영역, 버퍼, 통신망

Description

율 제어 방법 및 장치와 그를 이용한 영상 부호화 방법 및 장치{Rate Control Method and Apparatus and Video Encoding Method and Apparatus Using Same}
본 발명은 율 제어 방법 및 장치와 그를 이용한 영상 부호화 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 영상을 부호화할 때 영상의 특징 및 통신망의 환경을 고려하여 부호화 비트율을 조절함으로써, 부호화된 영상을 복원하여 재생할 때 안정적으로 재생하면서도 복원 영상의 화질을 적절하게 유지할 수 있도록 하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
율 제어(Rate Control)는 전송 대역폭이 제한되어 있는 통신망이나 한정된 자원을 갖는 하드웨어에서 영상 정보를 효율적으로 부호화해서 전송하거나 저장하기 위해 사용되는 기술이다. 통상적인 율 제어를 위한 알고리즘은 정해진 목표 발생 비트량과 복호화기에 구비된 버퍼의 상태를 예측하여 매 프레임(Frame) 또는 매 초마다 발생시켜야 하는 비트량을 결정하고 부호화 결과로서 발생하는 비트량이 결정된 비트량이 될 수 있도록 양자화 파라미터(Quantization Parameter)와 같은 부호화 정보를 부호화기에 제공한다.
더욱 구체적으로 설명하면, 부호화기에서의 영상을 부호화하는데 이용하는 최소 처리 단위는 매크로블록인데, 영상의 한 프레임은 수십에서 수백 개의 매크로블록으로 구성된다. 또한, 영상 여러 프레임들이 모여 픽처 그룹(GOP: Group of Picture)을 형성하는데, 픽처 그룹 내에는 화면내 예측 프레임(Intra Prediction Frame, 'I Frame'이라고도 칭함), 화면간 예측 프레임(Inter Prediction Frame, 'P Frame' 또는 'B 프레임'이라고도 칭함)으로 구분되는 여러 프레임들이 존재한다. 율 제어 알고리즘은 전술한 매크로블록 또는 프레임과 같은 각 단위들에 할당되어야 하는 비트량을 복호화기의 버퍼 상태를 고려하여 예측하고 부호화기에서 복호화기의 버퍼 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 범위 안에서 부호화 정보가 생성될 수 있도록 양자화 파라미터를 조절한다.
도 1은 통상적인 버퍼를 사용하는 부호화 및 복호화 시스템을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 영상의 프레임들을 불변 프레임율(Constant Frame Rate)로 입력받은 부호화기(110)는 입력되는 영상의 프레임들을 부호화하여 가변 비트율(Variable Bitrate)로 비트스트림을 출력하고, 출력되는 비트스트림은 송신 버퍼(120)에 저장되었다가 유무선 통신망의 채널(130)을 통해 불변 비트율(Constant Bitrate)로 전송된다.
이와 같이 통신망의 채널(130)을 통해 전송되는 비트스트림은 불변 비트율로 수신 버퍼(140)에 수신되어 저장되고, 복화기(150)는 수신 버퍼(140)로부터 가변 비트율로 비트스트림을 전달받아 복호화함으로써 영상 프레임들을 복원한다. 이때, 복원되는 영상 프레임들은 불변 프레임율로 출력된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 영상을 압축하여 전송하고 압축을 해제하여 영상을 복원하는 시스템에서는 복호화기(150)의 수신 버퍼(140)와 같은 하드웨어 자원의 상황이나 비트스트림이 전송되는 통신망의 채널(130)의 전송 대역폭 등과 같은 복호화 환경에 따라 비트스트림의 전송 효율이나 복원 영상의 화질이 영향을 받는다. 하지만, 통상적인 율 제어에서는 이와 같은 복호화 환경을 고려하지 않고 이상적인 환경만 고려하기 때문에, 부호화기에서 생성된 비트량이 통신망의 채널(130)이나 복호화기(150) 또는 수신 버퍼(140) 등과 같은 하드웨어에 의해 제한되는 비트량을 초과할 수 있어서, 비트스트림을 복호화하는 과정에서 재생되는 복원 영상이 끊기거나 복원 영상의 화질이 열화가 될 수 있는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 영상을 부호화할 때 영상의 특징 및 통신망의 환경을 고려하여 부호화 비트율을 조절함으로써, 부호화된 영상을 복원하여 재생할 때 안정적으로 재생하면서도 복원 영상의 화질을 적절하게 유지할 수 있도록 하는 데 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 영상을 부호화하는 장치에 있어서, 입력 영상의 영상 특징 정보와 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하고, 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하는 율 제어기; 및 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화하는 부호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 영상을 부호화하는 방법에 있어서, 입력 영상의 영상 특징 정보와 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 단계; 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하는 단계; 및 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적에 의하면, 영상을 부호화하기 위한 비트율을 제어하는 장치에 있어서, 입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하고, 영상 특징 정보를 기초로 입력 영상의 관심 영역을 결정하는 관심 영역 결정기; 영상 특징 정보 및 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 비트량 결정기; 및 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 율 제어 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적에 의하면, 영상을 부호화하기 위한 비트율을 제어하는 방법에 있어서, 입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하는 단계; 영상 특징 정보를 기초로 관심 영역을 결정하는 단계; 영상 특징 정보 및 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 단계; 및 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 율 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 영상을 부호화할 때 영상의 특징 및 통신망의 환경을 고려하여 부호화 비트율을 조절할 수 있으므로, 부호화된 영상을 복원하여 재생할 때 안정적으로 재생하면서도 복원 영상의 화질을 적절하게 유지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되 거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하에서 후술할 영상 부호화 장치(Video Encoding Apparatus), 영상 복호화 장치(Video Decoding Apparatus) 및 율 제어 장치(Rate Control Apparatus)는 개인용 컴퓨터(PC: Personal Computer), 노트북 컴퓨터, 개인 휴대 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대형 멀티미디어 플레이어(PMP: Portable Multimedia Player), 플레이스테이션 포터블(PSP: PlayStation Portable), 이동통신 단말기(Mobile Communication Terminal) 등과 같은 사용자 단말기이거나 서버 컴퓨터 등일 수 있으며, 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신 장치, 영상을 부호화하거나 복호화하거나 부호화를 위한 비트율을 제어하기 위한 각종 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 마이크로프로세서 등을 구비하는 다양한 장치를 의미한다.
또한, 영상 부호화 장치에 의해 비트스트림으로 부호화된 영상은 실시간 또는 비실시간으로 인터넷, 근거리 무선 통신망, 무선랜망, 와이브로망, 이동통신망 등의 유무선 통신망 등을 통하거나 케이블, 범용 직렬 버스(USB: Universal Serial Bus) 등의 통신 인터페이스를 통해 영상 복호화 장치로 전송되어 영상 복호화 장치에서 복호화되어 영상으로 복원되고 재생될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 영상 부호화 장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 부호화 장치(200)는 영상을 부호화하는 장치로서, 율 제어기(Rate Controller, 210) 및 부호화기(Encoder, 220)를 포함하여 구성될 수 있다.
율 제어기(210)는 입력 영상(Input Video)의 영상 특징 정보(Video Feature Information)와 입력 영상의 관심 영역(Region of Interest)을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량(Bitrate)을 결정하고, 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상의 양자화 파라미터(Quantization Parameter)를 결정한다. 즉, 율 제어기(210)는 입력 영상을 분석하여 영상의 특징에 대한 정보인 영상 특징 정보를 생성하고, 영상 특징 정보를 기초로 입력 영상의 관심 영역을 결정하며, 영상 특징 정보와 관심 영역을 기초로 영상 복호화 장치에서 비트스트림을 복호화하여 복원되는 영상의 화질이 적절하게 유지될 수 있도록 하고 통신 채널(Communication Channel)의 제한된 환경에서도 비트스트림이 원할하게 전송되고 복호화되어 복원 영상이 안정적으로 제어될 수 있도록 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하여 결정된 비트량을 위한 양자화 파라미터를 결정한다. 이러한 율 제어기(210)에 대해서는 도 3을 통해 상세히 설명한다.
부호화기(220)는 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화한다. 즉, 부호화기(220)는 율 제어기(210)에 의해 결정된 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화함으로써 비트스트림을 생성하고 통신 채널을 통해 영상 복호화 장치로 전송한다. 이를 위해, 부호화기(220)는 입력 영상을 예측하는 예측기(Predictor), 입력 영상과 예측된 입력 영상을 감산하여 잔여 영상(Residual Video)을 생성하는 감산기(Subtracter), 잔여 영상을 주파수 영역으로 변환하는 변환기(Transformer), 잔여 영상을 양자화하는 양자화기(Quantizer), 양자화된 잔여 영상을 엔트로피 부호화하는 엔트로피 부호화기(Entropy Coder), 변환된 잔여 영상을 역 변환하는 역 변환기(Inverse Transformer), 역 변환된 잔여 영상을 역 양자화하여 잔여 영상을 복원하는 역 양자화기(Inverse Quantizer), 예측된 입력 영상과 복원된 잔여 영상을 가산하여 복원 영상을 생성하는 가산기(Adder) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 장치는 도 2를 통해 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 부호화 장치(200)에서는 율 제어기(210)로 구현될 수 있으므로, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 율 제어기(210)라 칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어기(210)는 입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하고, 영상 특징 정보를 기초로 입력 영상의 관심 영역을 결정하는 관심 영역 결정기(Region of Interest Determiner, 310), 영상 특징 정보 및 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 비트량 결정기(Bitrate Determiner, 320) 및 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정기(330)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 관심 영역 결정기(310)는 입력 영상을 분석하여 입력 영상의 화소 분포도(Pixel Distribution), 입력 영상의 움직임 양(Motion Amount) 및 입력 영상의 영상 복잡도(Video Complexity) 중 하나 이상을 포함하는 영상 특징 정보를 생성하며, 화소 분포도, 움직임 양 및 영상 복잡도 중 하나 이상을 이용하여 관심 영역을 결정할 수 있다. 이때, 관심 영역 결정기(310)는 입력 영상을 매크로블록 단위로 분할하고, 분할된 매크로블록의 화소 분포도, 영상의 복잡도, 움직임 양을 계산할 수 있다. 이러한 관심 영역 결정기(310)에 대해서는 후술하는 과정에서 도 4를 통해 상세히 설명한다.
비트량 결정기(320)는 입력 영상에 대한 목표 비트율(Target Bitrate)에 따라 결정되는 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는데, 이때 영상 특징 정보와 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결한다. 여기서, 입력 영상에 대한 목표 비트율은 입력되거나 다른 장치로부터 계산되어 전송되는 것일 수 있으며, 이러한 입력 영상에 대한 목표 비트율에 따라 입력 영상에 대한 양자화 파라미터는 기 결정될 수 있다. 따라서, 비트량 결정기(320)는 최초로 입력 영상에 대한 비트량을 결정할 때에는 입력 영상에 대한 목표 비트율에 따라 기 결정된 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정할 수 있으며, 이 때 전술한 바와 같이 영상 특징 정보와 관심 영역을 고려하여 비트량을 결정할 수 있다.
또한, 비트량 결정기(320)는 영상 복잡도, 움직임 양 및 화소 분포도 각각에 가중치(Weight)를 부여하고, 입력 영상에서 관심 영역에 할당되는 비트량을 다른 영역에 할당되는 비트량보다 크게 할당하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정할 수 있다. 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정할 때, 비트량 결정기(320)는 입력 영상의 각 픽처 그룹, 각 프레임 또는 각 매크로블록별로 할당되는 비트량을 결정할 수 있다.
양자화 파라미터 결정기(330)는 목표 비트율에 따라 기 결정되는 양자화 파라미터를 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 그대로 결정하지 않고, 복호화 환경을 고려하여 기 결정되는 양자화 파라미터를 그대로 또는 변경하여 최종적인 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정한다. 이와 같이, 복호화 환경을 고려하여 입력 영상에 대한 양자화 파라미터가 결정되면, 그에 따라 입력 영상에 대한 비트량이 조절되어 통신 채널을 통해 전송되는 동안 지연(Latency)이나 오류(Error)를 줄일 수 있고 영상 복호화 장치에서 안정적으로 비트스트림을 수신하고 복호화하여 복원 영상을 안정적으로 재생할 수 있다. 여기서, 양자화 파라미터 결정기(330)는 복호화 환경을 고려하기 위해 복호화 환경 정보를 입력 또는 다른 장치로부터 전달받을 수 있는데, 복호화 환경 정보란 영상 복호화 장치의 버퍼 용량과 같은 하드웨어 자원에 대한 정보 및 유무선 통신망의 대역폭(Bandwidth)에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
이를 위해, 양자화 파라미터 결정기(330)는 입력 영상에 할당되는 비트량을 기초로 영상 복호화 장치의 버퍼의 비트 점유율(Share of Bit)을 계산하고, 버퍼의 비트 점유율이 기 설정된 버퍼 임계값을 초과하는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터(즉, 목표 비트율에 따라 기 결정된 양자화 파라미터)를 변경하며, 다시 변경된 양자화 파라미터에 따라 결정되는 입력 영상에 할당되는 비트량을 기초로 영상 복호화 장치의 버퍼의 비트 점유율을 계산하고 비교하는 과정을 반복해서 수행한다. 또한, 양자화 파라미터 결정기(330)는 버퍼의 비트 점유율이 기 설정된 버퍼 임계값 이하인 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터(즉, 목표 비트율에 따라 기 결정된 양자화 파라미터 또는 영상 복호화 장치의 버퍼의 비트 점유율에 따라 변경되어 결정된 양자화 파라미터)를 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정할 수 있다. 여기서, 버퍼의 비트 점유율이란 영상 복호화 장치의 수신 버퍼에 비트스트림의 비트들이 점유하고 있는 비율을 말하며, 버퍼 임계값이란 버퍼의 상태가 양호한지 여부를 판단할 수 있는 비트 점유율의 임계값을 말한다. 예를 들어, 버퍼 임계값이 90%로 설정되었다고 가정하면, 버퍼의 비트 점유율이 95%인 경우 양자화 파라미터 결정기(330)는 기 결정된 양자화 파라미터를 변경하여 전술한 과정을 반복할 수 있다.
즉, 양자화 파라미터 결정기(330)는 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력되는 복호화 환경 정보를 이용하여 영상 복호화 장치의 버퍼 상태를 예측하고, 예측된 버퍼의 상태를 나타내는 값이 기 설정된 값보다 크면 비트스트림을 복호화하여 복원 영상을 재생할 때 화면의 끊김 현상이 발생하거나 화질의 열화가 발생할 수 있다고 판단하며, 그에 따라 입력 영상에 할당되는 비트량을 줄이기 위해 기 결정된 양자화 파라미터를 변경(예를 들어, 양자화 파라미터의 값을 증가시킴)하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 다시 결정할 수 있다. 양자화 파라미터 결정기(330)는 다시 결정된 입력 영상에 할당되는 비트량을 이용하여 다시 영상 복호화 장치의 버퍼 상태를 예측하고, 예측된 버퍼의 상태를 나타내는 값이 기 설정된 값보다 큰 지 여부를 판단하며, 기 설정된 값보다 작거나 같은 경우에야 비로소 그 때 결정되어 있는 양자화 파라미터를 최종적인 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정할 수 있다.
또한, 양자화 파라미터 결정기(330)는 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 계산하고, 입력 영상에 할당되는 비트량이 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 초과하는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 변경하며, 다시 변경된 양자화 파라미터에 따라 결정되는 입력 영상에 할당되는 비트량을 기초로 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 계산하고 비교하는 과정을 반복해서 수행한다. 또한, 양자화 파라미터 결정기(330)는 입력 영상에 할당되는 비트량이 통신망의 대역폭에 따른 비트량 이하인 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터(즉, 목표 비트율에 따라 기 결정된 양자화 파라미터 또는 통신망의 대역폭에 따른 비트량에 따라 변경되어 결정된 양자화 파라미터)를 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정할 수 있다. 여기서, 통신망의 대역폭이란 통신망의 채널에 따라 결정되는 전송 대역폭을 말하며, 유선 통신망 또는 무선 통신망과 같은 통신망의 종류와 통신망을 구성하는 시스템(유선 통신 시스템 또는 이동통신 또는 무선 통신 시스템 등)의 종류, 통신 서비스 사업자의 정책에 따른 QoS 등에 따라 결정될 수 있다. 복호화 환경 정보에 이와 같은 통신망의 대역폭에 대한 정보가 포함될 수 있다.
즉, 양자화 파라미터 결정기(330)는 입력되는 복호화 환경 정보를 이용하여 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 이용하여 통신망을 통해 안정적으로 비트스트림을 전송할 수 있는 비트량을 예측하고, 입력 영상에 할당되는 비트량이 예측된 비 트량보다 큰 경우에는 영상 복호화 장치로 비트스트림이 전송되는 과정에서 지연이나 오류가 발생하여 영상 복호화 장치가 비트스트림을 복호화하여 복원 영상을 재생할 때 화면의 끊김 현상이 발생하거나 화질의 열화가 발생할 수 있다고 판단하여, 입력 영상에 할당되는 비트량을 줄이기 위해 기 결정된 양자화 파라미터를 변경(예를 들어, 양자화 파라미터의 값을 증가시킴)하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 다시 결정할 수 있다. 양자화 파라미터 결정기(330)는 다시 결정된 입력 영상에 할당되는 비트량을 이용하여 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 예측하여 입력 영상에 할당되는 비트량이 예측되는 비트량보다 큰지 여부를 판단하고, 예측되는 비트량보다 작거나 같은 경우에야 비로소 그 때 결정되어 있는 양자화 파라미터를 최종적인 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관심 영역 결정기를 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관심 영역 결정기(310)는 입력 영상의 영상 복잡도를 계산하는 영상 복잡도 계산기(410), 입력 영상의 움직임 양을 계산하는 움직임 양 계산기(420), 입력 영상의 화소 분포도를 계산하는 화소 분포도 계산기(430) 및 영상 복잡도, 움직임 양 및 화소 분포도 중 하나 이상을 이용하여 관심 영역을 결정하고, 영상 복잡도, 움직임 양 및 화소 분포도 중 하나 이상을 포함하는 영상 특징 정보를 생성하는 영역 결정기(440)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 영상 복잡도 계산기(410)는 입력 영상의 매크로블록마다 경계면(Interface)으로 검출되는 화소의 개수를 영상 복잡도로서 계산할 수 있다. 여기 서, 영상 복잡도란 영상의 변화가 큰지 여부를 나타내는 척도를 말한다. 이를 위해, 영상 복잡도 계산기(410)는 캐니 에지 디텍터(Canny Edge Detector) 등과 같은 다양한 경계면 검출 방법을 이용하여 매크로블록마다의 경계면을 검출할 수 있다.
움직임 양 계산기(420)는 입력 영상의 각 매크로블록의 움직임 양의 합을 입력 영상의 움직임 양으로서 계산할 수 있다. 여기서, 매크로블록의 움직임 양이란 매크로블록의 움직임 벡터(Motion Vector)의 크기를 말한다. 이를 위해, 움직임 양 계산기(420)는 매크로블록마다의 움직임 벡터를 검출하고, 검출된 매크로블록마다의 움직임 벡터의 수평 방향 성분(또는 x축 성분)과 수직 방향 성분(또는 y축 성분) 각각을 제곱하여 더한 값의 제곱근을 입력 영상의 움직임 양으로서 계산할 수 있다.
화소 분포도 계산기(430)는 입력 영상에 대해 히스토그램 인터섹션(Histogram Intersection)을 적용하여 각 화소값의 누적 개수를 구하여 화소 분포도를 계산하되, 화소값의 구간을 복수 개로 나누어 히스토그램 인터섹션을 적용할 수 있다. 이때, 화소값의 구간은 16 개로 나누어질 수 있는데, 반드시 이에 한정되지 않고 필요에 따라 가변적인 개수로 나누어질 수 있다. 한편, 전술한 바와 같은 경계면 검출 방법, 움직임 측정 방법, 히스토그램 인터섹션 방법 등은 각각 개량되거나 개량될 방법들로서 선택적으로 대체될 수도 있다.
전술한 바와 같이 계산되는 입력 영상의 영상 복잡도, 움직임 양 및 화소 분포도는 입력 영상의 관심 영역을 결정하고 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는데 이용될 수 있다.
즉, 영역 결정기(440)는 움직임 양을 이용하여 관심 영역을 결정하는 경우, 입력 영상에서 움직임 양이 기 설정된 움직임 임계값보다 큰 영역 또는 주변 영역의 움직임 양보다 기 설정된 비교 움직임 임계값 이상으로 큰 영역을 관심 영역으로서 결정할 수 있다. 여기서, 움직임 임계값이란 어느 영역의 움직임 양이 큰지 여부를 절대적으로 판단하기 위해 설정되는 움직임 양에 대한 임계값을 말하며, 비교 움직임 임계값이란 어느 영역의 움직임 양이 큰지 여부를 다른 영역과 비교해서 상대적으로 판단하기 위해 설정되는 움직임 양에 대한 임계값을 말한다. 예를 들어, 어느 영역의 움직임 양이 움직임 임계값보다 큰 경우에는 다른 영역의 움직임 양과 비교할 때 크지 않더라도 관심 영역으로 결정될 수 있으며, 어느 영역의 움직임 양이 움직임 임계값보다 작거나 같은 경우에도 다른 영역의 움직임 양과 비교할 때 비교 움직임 임계값보다 크면 관심 영역으로 결정될 수도 있다.
또한, 영역 결정기(440)는 영상 복잡도를 이용하여 관심 영역을 결정하는 경우, 입력 영상의 매크로블록마다 경계면으로 검출되는 화소의 화소값이 기 설정된 경계면 임계값보다 큰 영역 또는 경계면 주변의 화소의 화소값보다 기 설정된 비교 경계면 임계값 이상으로 큰 영역을 관심 영역으로서 결정할 수 있다. 여기서, 경계면 임계값은 어느 영역의 경계면으로 검출되는 화소의 화소값이 큰지 여부를 절대적으로 판단하기 위해 설정되는 경계면에 대한 임계값을 말하며, 비교 경계면 임계값이란 어느 영역의 경계면으로 검출되는 화소의 화소값이 경계면 주변의 화소의 화소값보다 큰지 여부를 다른 영역과 비교해서 상대적으로 판단하기 위해 설정되는 경계면에 대한 임계값을 말한다. 예를 들어, 어느 영역의 매크로블록마다 경계면으 로 검출되는 화소의 화소값이 경계면 임계값보다 큰 경우에는 경계면 주변의 화소의 화소값보다 크지 않더라도 관심 영역으로 결정될 수 있으며, 어느 영역의 매크로블록마다 경계면으로 검출되는 화소의 화소값이 경계면 임계값보다 작거나 같은 경우에도 경계면 주변의 화소의 화소값과 비교할 때, 비교 경계면 임계값보다 크면 관심 영역으로 결정될 수 있다.
또한, 영역 결정기(440)는 입력 영상에서 화소 분포도가 기 설정된 분포 임계값보다 큰 영역 또는 주변 영역의 화소 분포도보다 기 설정된 비교 분포 임계값 이상으로 큰 영역을 관심 영역으로서 결정할 수 있다. 여기서, 분포 임계값은 어느 영역의 화소 분포도가 큰지 여부를 절대적으로 판단하기 위해 설정되는 화소 분포도 대한 임계값을 말하며, 비교 분포 임계값이란 어느 영역의 화소 분포도가 큰지 여부를 다른 영역과 비교해서 상대적으로 판단하기 위해 설정되는 화소 분포도에 대한 임계값을 말한다. 예를 들어, 어느 영역의 화소 분포도가 분포 임계값보다 큰 경우에는 다른 영역의 화소 분포도와 비교할 때 크지 않더라도 관심 영역으로 결정될 수 있으며, 어느 영역의 화소 분포도가 분포 임계값보다 작거나 같은 경우에도 다른 영역의 화소 분포도와 비교할 때 비교 분포 임계값보다 크면 관심 영역으로 결정될 수도 있다.
이와 같이, 영역 결정기(440)에 의해 결정되는 관심 영역은 입력 영상의 각 프레임에서 중요한 부분이라고 판단되는 영역을 의미하며, 도 5에 예시적으로 도시한 바와 같은 화자 영역과 같이, 일반적으로 사람의 시선이 집중되는 영역이 될 수 있다. 따라서, 입력 영상에서 움직임 양이 많거나 영상이 복잡하거나 움직임 양이 적지만 경계면이 주변에 비해 상대적으로 뚜렷한 영역 등이 관심 영역으로 결정될 확률이 높다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 방법에 따르면, 율 제어기(210)는 입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하고, 영상 특징 정보를 기초로 관심 영역을 결정하며, 영상 특징 정보 및 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하며, 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 방법을 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
율 제어기(210)는 입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하고(S610), 영상 특징 정보를 이용하여 입력 영상의 관심 영역을 결정하며(S620), 영상 특징 정보와 관심 영역을 고려하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정한다(S630). 영상 특징 정보는 입력 영상의 영상 복잡도, 움직임 양 및 화소 분포도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
율 제어기(210)는 입력되는 복호화 환경에 따른 비트량을 계산하고, 입력 영상에 할당되는 비트량과 복호화 환경에 따른 비트량을 비교하여(S640), 입력 영상에 할당되는 비트량이 복호화 환경을 고려할 때 적합한지 여부를 판단한다(S650). 즉, 율 제어기(210)는 단계 S530까지의 결과를 기초로 영상 복호화 장치의 버퍼 상 태를 예측하고, 예측된 영상 복호화 장치의 버퍼 상태가 불안정하다고 판단되는 경우 영상 복호화 장치에서 복원 영상을 재생할 때 화면의 끊김 현상이 발생하거나 화질의 열화가 발생하여 안정적인 영상의 재생이 이루어지지 못하는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 율 제어기(210)는 복호화 환경 정보로서 통신망의 대역폭, 지연율, 에러율과 같은 정보에 따라 비트량을 예측하여 입력 영상에 할당되는 비트량이 복호화 환경에 따른 비트량보다 크면 영상 복호화 장치의 버퍼와 통신망에 과부하를 주게 되어 안정적인 영상의 재생이 불가능해 진다고 판단할 수 있다.
따라서, 율 제어기(210)는 단계 S650의 판단 결과, 입력 영상에 할당되는 비트량이 복호화 환경을 고려할 때 적합하지 않다고 판단되는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 변경하여(S652) 단계 S530으로 진행하고, 입력 영상에 할당되는 비트량이 복호화 환경을 고려할 때 적합하다고 판단되는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 입력 영상의 양자화 파라미터로서 결정한다(S660).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 부호화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 영상 부호화 장치(200)는 입력 영상의 영상 특징 정보와 입력 영상의 관심 영역을 기초로 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하고(S710), 입력 영상에 할당되는 비트량과 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하며(S720), 결정되는 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 입력 영상을 부호화한다(S730).
이상에서 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 영상의 특 징 정보와 그를 이용하여 결정되는 관심 영역을 고려하여 율 제어를 수행할 수 있으므로 실제로 부호화되는 비트량과의 오차를 최소화하여 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정할 수 있고 영상 복호화 장치에서 복원되는 영상의 화질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 입력 영상에 할당되는 비트량을 실제 통신망의 제약 사항과 실제의 영상 복호화 장치의 하드웨어 자원 상황을 고려하여 조절할 수 있으므로 영상 복호화 장치에서 영상을 재생할 때 화면이 끊기거나 화질이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 분야에 적용되어, 효과를 발생하는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 통상적인 버퍼를 사용하는 부호화 및 복호화 시스템을 간략하게 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 영상 부호화 장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관심 영역 결정기를 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 결정되는 관심 영역을 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 율 제어 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 부호화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
210: 율 제어기 220: 부호화기
310: 관심 영역 결정기 320: 비트량 결정기
330: 양자화 파라미터 결정기

Claims (15)

  1. 영상을 부호화하는 장치에 있어서,
    입력 영상의 영상 특징 정보와 상기 입력 영상의 관심 영역을 기초로 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하고, 상기 입력 영상에 할당되는 비트량과 상기 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 상기 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하는 율 제어기; 및
    상기 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 상기 입력 영상을 부호화하는 부호화기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 율 제어기는,
    상기 입력 영상을 분석하여 상기 영상 특징 정보를 생성하고, 상기 영상 특징 정보를 기초로 상기 관심 영역을 결정하는 관심 영역 결정기;
    상기 영상 특징 정보 및 상기 관심 영역을 기초로 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 비트량 결정기; 및
    상기 입력 영상에 할당되는 비트량과 상기 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 상기 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 관심 영역 결정기는,
    상기 입력 영상의 영상 복잡도를 계산하는 영상 복잡도 계산기;
    상기 입력 영상의 움직임 양을 계산하는 움직임 양 계산기;
    상기 입력 영상의 화소 분포도를 계산하는 화소 분포도 계산기; 및
    상기 영상 복잡도, 상기 움직임 양 및 상기 화소 분포도 중 하나 이상을 이용하여 상기 관심 영역을 결정하고, 상기 영상 복잡도, 상기 움직임 양 및 상기 화소 분포도 중 하나 이상을 포함하는 상기 영상 특징 정보를 생성하는 영역 결정기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 화소 분포도 계산기는,
    상기 입력 영상에 대해 히스토그램 인터섹션을 적용하여 각 화소값의 누적 개수를 구하되, 화소값의 구간을 복수 개로 나누어 상기 히스토그램 인터섹션을 적용하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 영상 복잡도 계산기는,
    상기 입력 영상의 매크로블록마다 경계면으로 검출되는 화소의 개수를 상기 영상 복잡도로서 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 움직임 양 계산기는,
    상기 입력 영상의 각 매크로블록의 움직임 양의 합을 상기 움직임 양으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 영역 결정기는,
    상기 입력 영상에서 상기 움직임 양이 기 설정된 움직임 임계값보다 큰 영역 또는 주변 영역의 움직임 양보다 기 설정된 비교 움직임 임계값 이상으로 큰 영역을 상기 관심 영역으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 영역 결정기는,
    상기 입력 영상의 매크로블록마다 경계면으로 검출되는 화소의 화소값이 기 설정된 경계면 임계값보다 큰 영역 또는 상기 경계면 주변의 화소의 화소값보다 기 설정된 비교 경계면 임계값 이상으로 큰 영역을 상기 관심 영역으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 영역 결정기는,
    상기 입력 영상에서 상기 화소 분포도가 기 설정된 분포 임계값보다 큰 영역 또는 주변 영역의 화소 분포도보다 기 설정된 비교 분포 임계값 이상으로 큰 영역을 상기 관심 영역으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 비트량 결정기는,
    상기 영상 복잡도, 상기 움직임 양 및 상기 화소 분포도 각각에 가중치를 부여하고, 상기 입력 영상에서 상기 관심 영역에 할당되는 비트량을 다른 영역에 할당되는 비트량보다 크게 할당하여 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 양자화 파라미터 결정기는,
    상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 기초로 영상 복호화 장치의 버퍼의 비트 점유율을 계산하여, 상기 버퍼의 비트 점유율이 기 설정된 버퍼 임계값을 초과하는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 변경하고, 상기 버퍼의 비트 점유율이 기 설정된 버퍼 임계값 이하인 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 상기 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 양자화 파라미터 결정기는,
    통신망의 대역폭에 따른 비트량을 계산하고, 상기 입력 영상에 할당되는 비트량이 상기 통신망의 대역폭에 따른 비트량을 초과하는 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 변경하고, 상기 입력 영상에 할당되는 비트량이 상기 통신망의 대역폭에 따른 비트량 이하인 경우에는 기 결정된 양자화 파라미터를 상기 입력 영상에 대한 양자화 파라미터로서 결정하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 장치.
  13. 영상을 부호화하는 방법에 있어서,
    입력 영상의 영상 특징 정보와 상기 입력 영상의 관심 영역을 기초로 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 단계;
    상기 입력 영상에 할당되는 비트량과 상기 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 상기 입력 영상의 양자화 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 입력 영상의 양자화 파라미터를 이용하여 상기 입력 영상을 부호화하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 부호화 방법.
  14. 영상을 부호화하기 위한 비트율을 제어하는 장치에 있어서,
    입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하고, 상기 영상 특징 정보를 기초로 상기 입력 영상의 관심 영역을 결정하는 관심 영역 결정기;
    상기 영상 특징 정보 및 상기 관심 영역을 기초로 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 비트량 결정기; 및
    상기 입력 영상에 할당되는 비트량과 상기 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 상기 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 양자화 파라미터 결정기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 율 제어 장치.
  15. 영상을 부호화하기 위한 비트율을 제어하는 방법에 있어서,
    입력 영상을 분석하여 영상 특징 정보를 생성하는 단계;
    상기 영상 특징 정보를 기초로 상기 관심 영역을 결정하는 단계;
    상기 영상 특징 정보 및 상기 입력 영상의 관심 영역을 기초로 상기 입력 영상에 할당되는 비트량을 결정하는 단계; 및
    상기 입력 영상에 할당되는 비트량과 상기 입력 영상에 대한 복호화 환경에 따른 비트량을 기초로 상기 입력 영상에 대한 양자화 파라미터를 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 율 제어 방법.
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