KR20130053645A - 적응적 루프 필터를 이용한 비디오 부호화/복호화 방법 및 장치 - Google Patents

적응적 루프 필터를 이용한 비디오 부호화/복호화 방법 및 장치 Download PDF

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김종호
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Abstract

본 발명에 따른 적응적 루프 필터링 방법은 부호화기로부터 필터 탭 정보, 필터 계수 정보 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 수신하는 단계, 필터 탭 정보를 이용하여, 복수의 필터 탭 후보 중 현재 프레임에 대응하는 필터 탭을 선택하는 단계, 필터 계수 정보를 이용하여 필터 탭의 필터 계수를 결정하는 단계, 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여 현재 프레임 내의 복원 블록에 대한 필터링 적용 여부를 결정하는 단계 및 복원 블록에 대해 필터링이 적용되는 것으로 결정되는 경우, 선택된 필터 탭 및 도출된 필터 계수를 이용하여 복원 블록에 대한 필터링을 수행하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 영상 부호화/복호화 효율이 향상되고 연산 복잡도가 감소될 수 있다.

Description

적응적 루프 필터를 이용한 비디오 부호화/복호화 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR VIDEO ENCODING/DECODING USING ADAPTIVE LOOP FILTER}
본 발명은 영상 처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적응적 루프 필터를 이용한 비디오 부호화/복호화 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 HD(High Definition) 해상도를 가지는 방송 서비스가 국내뿐만 아니라 세계적으로 확대되면서, 많은 사용자들이 고해상도, 고화질의 영상에 익숙해지고 있으며 이에 따라 많은 기관들이 차세대 영상기기에 대한 개발에 박차를 가하고 있다. 또한 HDTV와 더불어 HDTV의 4배 이상의 해상도를 갖는 UHD(Ultra High Definition)에 대한 관심이 증대되면서 보다 높은 해상도, 고화질의 영상에 대한 압축기술이 요구되고 있다.
영상 압축을 위해, 시간적으로 이전 및/또는 이후의 픽쳐로부터 현재 픽쳐에 포함된 픽셀값을 예측하는 인터(inter) 예측 기술, 현재 픽쳐 내의 픽셀 정보를 이용하여 현재 픽쳐에 포함된 픽셀값을 예측하는 인트라(intra) 예측 기술, 출현 빈도가 높은 심볼(symbol)에 짧은 부호를 할당하고 출현 빈도가 낮은 심볼에 긴 부호를 할당하는 엔트로피 부호화 기술, 복원 영상에서 발생되는 왜곡, 오차(error), 블록킹 현상(blocking artifact) 등을 감소시키기 위한 필터링(filtering) 기술 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 영상 부호화/복호화 효율을 향상시키고 연산 복잡도를 감소시킬 수 있는 비디오 부호화 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 영상 부호화/복호화 효율을 향상시키고 연산 복잡도를 감소시킬 수 있는 비디오 복호화 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 영상 부호화/복호화 효율을 향상시키고 연산 복잡도를 감소시킬 수 있는 적응적 루프 필터링 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시 형태는 적응적 루프 필터링 방법이다. 상기 방법은 부호화기로부터 필터 탭 정보, 필터 계수 정보 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 수신하는 단계, 상기 필터 탭 정보를 이용하여, 복수의 필터 탭 후보 중 현재 프레임에 대응하는 필터 탭을 선택하는 단계, 상기 필터 계수 정보를 이용하여 상기 필터 탭의 필터 계수를 결정하는 단계, 상기 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여 상기 현재 프레임 내의 복원 블록에 대한 필터링 적용 여부를 결정하는 단계 및 상기 복원 블록에 대해 필터링이 적용되는 것으로 결정되는 경우, 상기 선택된 필터 탭 및 상기 도출된 필터 계수를 이용하여 상기 복원 블록에 대한 필터링을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 필터 탭 선택 단계에서는, 양자화 파라미터 값이 클수록 적은 개수의 필터 탭 후보 중에서 현재 프레임에 대응하는 필터 탭을 선택한다.
본 발명에 따른 비디오 부호화 방법에 의하면, 영상 부호화/복호화 효율이 향상되고 연산 복잡도가 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 비디오 복호화 방법에 의하면, 영상 부호화/복호화 효율이 향상되고 연산 복잡도가 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 적응적 루프 필터링 방법에 의하면, 영상 부호화/복호화 효율이 향상되고 연산 복잡도가 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 영상 부호화 장치의 일 실시예에 따른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 영상 복호화 장치의 일 실시예에 따른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 부호화기에서의 적응적 루프 필터링 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 계층적 코딩 구조의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5는 복호화기에서의 적응적 루프 필터링 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있으나, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 아울러, 본 발명에서 특정 구성을 “포함”한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
또한, 일부의 구성 요소는 본 발명에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 발명은 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 발명의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 영상 부호화 장치의 일 실시예에 따른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 영상 부호화 장치(100)는 움직임 예측부(111), 움직임 보상부(112), 인트라 예측부(120), 스위치(115), 감산기(125), 변환부(130), 양자화부(140), 엔트로피 부호화부(150), 역양자화부(160), 역변환부(170), 가산기(175), 필터부(180) 및 참조 픽쳐 버퍼(190)를 포함한다.
영상은 픽쳐로도 불릴 수 있으며 이하, 픽쳐는 문맥과 필요에 따라 영상과 동일한 의미를 가질 수 있다. 영상은 순행 주사(progressive) 방식에서 사용되는 프레임(frame) 픽쳐와 격행 주사(interlace) 방식에서 사용되는 필드(field) 픽쳐를 모두 포함할 수 있다. 이 때, 필드 픽쳐는 탑(top) 필드와 바텀(bottom) 필드를 포함한 두 개의 필드로 구성될 수 있다.
블록은 영상 부호화 및 복호화의 기본 단위를 의미한다. 영상 부호화 및 복호화 시 부호화 혹은 복호화 단위는, 영상을 분할하여 부호화 혹은 복호화 할 때 그 분할된 단위를 말하므로, 매크로 블록, 부호화 유닛 (CU: Coding Unit), 예측 유닛 (PU: Prediction Unit), PU 파티션(PU partition), 변환 유닛(TU: Transform Unit), 변환 블록(transform block) 등으로 불릴 수 있다. 이하, 블록은 현재 부호화가 수행되는 단위에 따라 상술한 블록 타입들 중 하나의 타입을 가질 수 있다.
영상 부호화 장치(100)는 입력 영상에 대해 인트라(intra) 모드 또는 인터(inter) 모드로 부호화를 수행하고 비트스트림을 출력할 수 있다. 인트라 예측은 화면 내 예측, 인터 예측은 화면 간 예측을 의미한다. 인트라 모드인 경우 스위치(115)가 인트라로 전환되고, 인터 모드인 경우 스위치(115)가 인터로 전환될 수 있다. 영상 부호화 장치(100)는 입력 영상의 입력 블록에 대한 예측 블록을 생성한 후, 입력 블록과 예측 블록의 차분(residual)을 부호화할 수 있다.
인트라 모드인 경우, 인트라 예측부(120)는 현재 블록 주변의 이미 부호화된 블록의 픽셀값을 이용하여 공간적 예측을 수행하여 예측 블록을 생성할 수 있다.
인터 모드인 경우, 움직임 예측부(111)는, 움직임 예측 과정에서 참조 픽쳐 버퍼(190)에 저장되어 있는 참조 영상에서 입력 블록과 가장 매치가 잘 되는 영역을 찾아 움직임 벡터를 구할 수 있다. 움직임 보상부(112)는 움직임 벡터를 이용하여 움직임 보상을 수행함으로써 예측 블록을 생성할 수 있다.
감산기(125)는 입력 블록과 생성된 예측 블록의 차분에 의해 잔차 블록(residual block)을 생성할 수 있다. 변환부(130)는 잔차 블록에 대해 변환(transform)을 수행하여 변환 계수(transform coefficient)를 출력할 수 있다. 그리고 양자화부(140)는 입력된 변환 계수를 양자화 파라미터에 따라 양자화하여 양자화된 계수(quantized coefficient)를 출력할 수 있다.
엔트로피 부호화부(150)는, 양자화부(140)에서 산출된 값들 또는 부호화 과정에서 산출된 부호화 파라미터 값 등을 기초로 엔트로피 부호화를 수행하여 비트스트림(bit stream)을 출력할 수 있다.
엔트로피 부호화가 적용되는 경우, 높은 발생 확률을 갖는 심볼(symbol)에 적은 수의 비트가 할당되고 낮은 발생 확률을 갖는 심볼에 많은 수의 비트가 할당되어 심볼이 표현됨으로써, 부호화 대상 심볼들에 대한 비트열의 크기가 감소될 수 있다. 따라서 엔트로피 부호화를 통해서 영상 부호화의 압축 성능이 높아질 수 있다. 엔트로피 부호화부(150)는 엔트로피 부호화를 위해 지수 골룸(exponential golomb), CAVLC(Context-Adaptive Variable Length Coding), CABAC(Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)과 같은 부호화 방법을 사용할 수 있다.
도 1의 실시예에 따른 영상 부호화 장치는 인터 예측 부호화, 즉 화면 간 예측 부호화를 수행하므로, 현재 부호화된 영상은 참조 영상으로 사용되기 위해 복호화되어 저장될 필요가 있다. 따라서 양자화된 계수는 역양자화부(160)에서 역양자화되고 역변환부(170)에서 역변환된다. 역양자화, 역변환된 계수는 가산기(175)를 통해 예측 블록과 더해지고 복원 블록이 생성된다.
복원 블록은 필터부(180)를 거치고, 필터부(180)는 디블록킹 필터(deblocking filter), SAO(Sample Adaptive Offset), ALF(Adaptive Loop Filter) 중 적어도 하나 이상을 복원 블록 또는 복원 픽쳐에 적용할 수 있다.
디블록킹 필터는 블록 간의 경계에 생긴 블록 왜곡을 제거할 수 있다. SAO는 코딩 에러를 보상하기 위해 픽셀값에 적정 오프셋(offset) 값을 더해줄 수 있다.
ALF는 원래의 영상을 기초로 복원된 영상에 필터링을 수행할 수 있다. ALF는 적응적 루프 필터로 불릴 수 있으며, 이하 적응적 루프 필터와 ALF는 동일한 의미를 가진다. 적응적 루프 필터는 복원 영상 또는 복원 블록이 참조 픽쳐 버퍼(190)에 저장되기에 앞서 적용될 수 있다. 적응적 루프 필터는 위너 필터(Wiener filter)에 기반하여 복원된 영상과 원래의 영상 간의 왜곡을 감소시키는 적응적 루프 내 필터 계수를 구하여 복원 영상 또는 복원 블록을 필터링할 수 있다. 적응적 루프 필터를 통해 영상 부호화 효율 및 영상의 주관적 화질이 향상될 수 있다.
필터부(180)를 거친 복원 블록은 참조 픽쳐 버퍼(190)에 저장될 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용되는 영상 복호화 장치의 일 실시예에 따른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 상기 영상 복호화 장치(200)는 엔트로피 복호화부(210), 역양자화부(220), 역변환부(230), 인트라 예측부(240), 움직임 보상부(250), 가산기(255), 필터부(260) 및 참조 픽쳐 버퍼(270)를 포함한다.
영상 복호화 장치(200)는 부호화기에서 출력된 비트스트림을 입력 받아 인트라 모드 또는 인터 모드로 복호화를 수행하고 재구성된 영상, 즉 복원 영상을 출력할 수 있다. 인트라 모드인 경우 스위치가 인트라로 전환되고, 인터 모드인 경우 스위치가 인터로 전환될 수 있다. 영상 복호화 장치(200)는 입력 받은 비트스트림으로부터 잔차 블록(residual block)을 얻고 예측 블록을 생성한 후 잔차 블록과 예측 블록을 더하여 재구성된 블록, 즉 복원 블록을 생성할 수 있다.
엔트로피 복호화부(210)는, 입력된 비트스트림을 확률 분포에 따라 엔트로피 복호화하여, 양자화된 계수(quantized coefficient) 형태의 심볼을 포함한 심볼들을 생성할 수 있다. 엔트로피 복호화 방법은 상술한 엔트로피 부호화 방법과 유사하다.
엔트로피 복호화 방법이 적용되는 경우, 높은 발생 확률을 갖는 심볼에 적은 수의 비트가 할당되고 낮은 발생 확률을 갖는 심볼에 많은 수의 비트가 할당되어 심볼이 표현됨으로써, 각 심볼들에 대한 비트열의 크기가 감소될 수 있다. 따라서 엔트로피 복호화 방법을 통해서 영상 복호화의 압축 성능이 높아질 수 있다.
양자화된 계수는 역양자화부(220)에서 역양자화되고 역변환부(230)에서 역변환되며, 양자화된 계수가 역양자화/역변환 된 결과, 잔차 블록(residual block)이 생성될 수 있다.
인트라 모드인 경우, 인트라 예측부(240)는 현재 블록 주변의 이미 부호화된 블록의 픽셀값을 이용하여 공간적 예측을 수행하여 예측 블록을 생성할 수 있다. 인터 모드인 경우, 움직임 보상부(250)는 움직임 벡터 및 참조 픽쳐 버퍼(270)에 저장되어 있는 참조 영상을 이용하여 움직임 보상을 수행함으로써 예측 블록을 생성할 수 있다.
잔차 블록과 예측 블록은 가산기(255)를 통해 더해지고, 더해진 블록은 필터부(260)를 거칠 수 있다. 필터부(260)는 디블록킹 필터, SAO, ALF 중 적어도 하나 이상을 복원 블록 또는 복원 픽쳐에 적용할 수 있다. 필터부(260)는 재구성된 영상, 즉 복원 영상을 출력할 수 있다. 디블록킹 필터, SAO, ALF의 상세는 도 1의 실시예에서 상술된 바와 같을 수 있다.
복원 영상은 참조 픽쳐 버퍼(270)에 저장되어 인터 예측에 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 상술한 바와 같이 부호화기 및 복호화기는 복원된 영상에 대해 적응적 루프 필터링을 수행할 수 있다. 적응적 루프 필터는 복원 영상(reconstructed picture or reconstructed frame) 또는 복원 블록이 참조 픽쳐 버퍼에 저장되기 전에 적용될 수 있다. 부호화기는 위너 필터(Wiener filter)에 기반하여 적응적 루프 필터를 도출할 수 있고, 복원 영상에 위너 필터를 적용하여 원래의 영상과 복원 영상 간의 오차를 감소시켜 부호화 성능을 높일 수 있다. 부호화기는 필터 계수 정보를 비트 스트림에 포함시켜 부호화한 후 복호화기로 전송할 수 있다. 이 때, 복호화기도 동일한 적응적 루프 필터를 사용함으로써 부호화 성능을 높일 수 있다.
적응적 루프 필터링 방법이 사용되는 경우, 적응적 루프 필터가 사용되지 않는 경우에 비해 BD 레이트(BD-rate)가 약 4% 이상 향상될 수 있다. 따라서, 적응적 루프 필터링 방법은 부호화 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 적응적 루프 필터링 방법은 연산 복잡도를 크게 높일 수 있으므로, 적응적 루프 필터가 적용되는 경우에는 연산 복잡도를 감소시키고 부호화/복호화 처리 속도를 향상시키는 방법이 사용될 필요가 있다.
일반적으로 율 왜곡 최적화(rate-distortion optimization) 기반 비디오 부호화기에서는, 타겟 비트율(target bitrate)이 낮아질수록 부호화 시간이 감소될 수 있다. 이는 타겟 비트율이 낮은 경우, 율 왜곡 최적화 측면에서 낮은 비트율을 갖는 부호화 모드가 선택될 확률이 높고, 낮은 비트율을 갖는 부호화 모드에서는 양자화 및/또는 변환 등의 일부 처리 과정이 생략될 수 있기 때문이다. 따라서, 율 왜곡 최적화 기반의 비디오 부호화기는 낮은 비트율을 갖는 부호화 모드를 우선적으로 선택하여 부호화를 수행함으로써 부호화 시간을 감소시킬 수 있다.
적응적 루프 필터에는 상술한 바와 같은 율 왜곡 최적화 기반 비디오 부호화기의 비트율 관련 특성이 반영되지 않을 수 있다. 이 경우, 적응적 루프 필터의 필터링 처리 시간은 타겟 비트율에 크게 영향을 받지 않는다.
그러나, 적응적 루프 필터에 비디오 부호화기의 율 왜곡 최적화 특성이 반영된다면, 필터링 처리 시간이 감소되고 연산 복잡도가 감소될 수 있다. 일반적으로 부호화 성능과 연산 복잡도는 트레이드 오프(trade-off) 관계를 가질 수 있다. 그러므로, 비디오 부호화기는, 적응적 루프 필터에 율 왜곡 최적화 특성을 반영시킴으로써, 부호화 성능의 저하를 최소화하면서 연산 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 3은 부호화기에서의 적응적 루프 필터링 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 부호화기는 프레임 단위로 필터 탭 및 필터 계수를 도출할 수 있으며, 이 과정은 프레임 레벨 필터 설계(Frame Level filter design)로도 불릴 수 있다. 또한 부호화기는 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있으며, 이 과정은 블록 레벨 제어(Block Level control)로 불릴 수 있다.
도 3을 참조하면, 부호화기는 적응적 루프 필터의 필터 탭 및 필터 계수를 도출할 수 있다(S310).
부호화기는 소정의 N개의 필터 탭 후보 각각에 대해 필터 계수를 도출할 수 있다. 여기서, N은 자연수이고, N개의 필터 탭(filter tap) 후보들은 서로 다른 크기 및/또는 모양을 가질 수 있다. 필터 계수 도출 과정은 일 실시예로 다음 수학식 1에 의해 나타내어질 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서, x는 원래의 영상 신호를 나타낼 수 있고, z는 필터링이 적용된 후의 복원 영상 신호를 나타낼 수 있다. y는 필터링 적용 전의 복원 영상 신호를 나타낼 수 있으며, c는 필터 계수를 나타낼 수 있다. 필터 계수 도출 과정에서는 원래의 영상 신호와 복원 영상 신호의 차이, 즉 원래의 영상 신호와 복원 영상 신호의 오차(error)가 최소화되는 위너 필터(Wiener filter)의 계수가 구해질 수 있다.
다른 실시예로 필터 계수 도출 과정은 다음 수학식 2에 의해 행렬 형태로 나타내어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002

여기서, C는 필터 계수 벡터를 나타낼 수 있다. Ryy는 복원 영상의 분산 행렬을 나타내고 Rxy는 복원 영상과 원 영상의 상관(correlation) 벡터를 나타낼 수 있다.
부호화기는 프레임 레벨에서 N개의 필터 탭 후보 각각에 대해, 적응적 루프 필터가 적용된 후의 율 왜곡 비용(RDO: Rate Distortion Cost)을 구할 수 있다. 부호화기는 상기 구해진 율 왜곡 비용들을 서로 비교한 후, 가장 적은 율 왜곡 비용에 대응하는 필터 탭 후보를 현재 적응적 루프 필터에 적용되는 필터 탭으로 결정할 수 있다.
일 실시예로 N=3인 경우, 소정의 필터 탭 후보들은 5x5 필터 탭, 7x7 필터 탭, 9x9 필터 탭일 수 있다. 부호화기는 필터 탭 후보 각각에 대해 필터 계수를 도출할 수 있다. 부호화기는 필터 탭 후보 각각에 대해 프레임 레벨의 율 왜곡 비용을 구할 수 있다. 부호화기는 구해진 율 왜곡 비용들을 서로 비교한 후, 가장 적은 율 왜곡 비용에 대응하는 필터 탭 후보를 현재 적응적 루프 필터에 적용되는 필터 탭으로 결정할 수 있다.
만일, N개의 필터 탭 후보 각각에 대해 구해진 율 왜곡 비용 모두가 적응적 루프 필터 적용 전의 율 왜곡 비용보다 큰 경우, 부호화기는 적응적 루프 필터링을 수행하지 않을 수 있다.
부호화기는 도출된 필터 탭 정보 및 필터 계수 정보를 부호화하여 복호화기로 전송할 수 있다.
부호화기는 프레임 내의 블록 및/또는 영역별로 적응적 루프 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다(S320).
적응적 루프 필터의 필터 탭 및 필터 계수는 일반적으로 프레임 전체에 대한 통계를 기반으로 도출될 수 있다. 이 때, 프레임 내의 특정 블록 및/또는 특정 영역에서는 적응적 루프 필터에 의한 부호화 성능 향상 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 프레임 내의 다른 특정 블록 및/또는 다른 특정 영역에서는 적응적 루프 필터가 적용되는 것이 효과적일 수 있다.
따라서, 부호화기는 프레임 내의 각각의 블록 및/또는 영역에 대해, 적응적 루프 필터의 적용 여부를 결정할 수 있다. 상기 과정은 블록 레벨 제어 과정으로 불릴 수 있다. 부호화기는 블록 레벨 제어 과정을 통해, 적응적 루프 필터에 의한 성능 향상 효과가 나타나는 블록 및/또는 영역에 대해서만 필터링을 수행할 수 있고, 전체적인 부호화 효율을 향상시킬 수 있다.
블록 레벨 제어 과정은 루마(luma) 성분에 대해서만 수행되고 크로마(chroma) 성분에 대해서는 수행되지 않을 수 있다. 즉, 크로마 성분에 대해서는 블록 레벨 제어 과정 및 프레임 레벨 필터 설계 과정 중 프레임 레벨 필터 설계 과정만이 수행될 수 있다. 루마 성분에서 적응적 루프 필터에 의한 성능 향상 효과가 나타나지 않는 경우, 부호화기는 크로마 성분에 대해서도 프레임 레벨 필터 설계 과정을 수행하지 않을 수 있다.
크로마 성분에 대한 적응적 루프 필터링은 프레임 레벨에서만 수행될 수 있다. 따라서, 크로마 성분에 대해 적응적 루프 필터가 적용되는 경우, 주관적 화질 측면보다는 PSNR(Peak Signal to Noise Rate) 측면이 주로 고려될 수 있다.
부호화기는 필터링 적용 여부 관련 정보를 부호화하여 복호화기로 전송할 수 있다.
부호화기는 도출된 필터 탭, 필터 계수 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여, 복원 영상에 대해 적응적 루프 필터링을 수행할 수 있다(S330).
다음 표 1은 양자화 파라미터(QP: Quantization Parameter)에 따른 적응적 루프 필터의 필터링 처리 시간 및 부호화 시간의 실험 결과를 나타낸다. 표 1은 적응적 루프 필터가 양자화 파라미터에 관계 없이 동일한 처리 과정을 수행하는 경우의 실험 결과를 나타낸다. 상기 실험에서 사용된 양자화 파라미터 값은 22, 28, 32, 37이고, 상기 처리 시간들은 프레임 단위의 처리 시간을 나타낼 수 있다.
[표 1]
Figure pat00003

표 1에서 3번째 열은 양자화 파라미터가 22일 때의 필터링 처리 시간에 대한 현재 필터링 처리 시간의 비율을 나타낸다. 표 1에서 5번째 열은 양자화 파라미터가 22일 때의 부호화 시간에 대한 현재 부호화 시간의 비율을 나타낸다. 6번째 열은 부호화 시간에 대한 필터링 처리 시간의 비율을 나타낸다.
표 1을 참조하면, 양자화 파라미터가 37인 경우의 필터링 처리 시간은 양자화 파라미터가 22인 경우를 기준으로 약 12.6% 정도 증가될 수 있다. 양자화 파라미터가 37인 경우의 부호화 시간은 양자화 파라미터가 22인 경우를 기준으로 약 36% 감소될 수 있다.
표 1의 실험 결과를 참고하면, 양자화 파라미터 값이 클수록, 즉 타겟 비트율이 낮아질수록 부호화 시간이 짧아질 수 있다. 적응적 루프 필터는 양자화 파라미터에 관계 없이 동일한 처리 과정을 수행하므로, 필터링 처리 시간은 양자화 파라미터가 달라져도 크게 변화하지 않을 수 있다. 따라서, 양자화 파라미터가 클수록 부호화 시간에 대한 필터링 처리 시간의 비율이 커질 수 있다.
상술한 바와 같이 율 왜곡 최적화 기반의 부호화기에서는 양자화 파라미터 값이 클수록, 즉 타겟 비트율이 낮아질수록 낮은 비트율을 갖는 부호화 모드가 선택될 확률이 높을 수 있다. 또한 양자화 파라미터 값이 클수록, 적응적 루프 필터링에 사용되는 필터 탭으로서, 크기가 작은 필터 탭이 선택될 확률이 높을 수 있다. 따라서, 적응적 루프 필터가 양자화 파라미터에 관계 없이 동일한 처리 과정을 수행하는 것은 율 왜곡 최적화 측면에서 시간 낭비를 초래할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 부호화기는 양자화 파라미터 값 및/또는 타겟 비트율에 따라 다른 개수의 필터 탭 후보를 사용할 수 있다. 일 실시예로 양자화 파라미터 값이 커지면, 즉 타겟 비트율이 낮아지면, 부호화기는 필터링 과정에서 사용되는 필터 탭 후보의 개수를 줄일 수 있다. 이 때, 양자화 파라미터 값이 클수록 크기가 작은 필터 탭이 선택될 확률이 높으므로, 부호화기는 크기가 작은 필터 탭 후보를 우선적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 3개의 소정의 필터 탭 후보가 존재하고 필터 탭 후보 각각의 크기는 5x5, 7x7, 9x9라 가정하면, 양자화 파라미터 값이 37일 때, 5x5 크기의 필터 탭만이 필터 탭 후보로 고려될 수 있다.
상술한 적응적 루프 필터링 방법에 의하면, 필터링 처리 속도가 빨라질 수 있고, 적응적 루프 필터의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
비디오 부호화, 복호화에 사용되는 슬라이스에는 I(Intra) 슬라이스, P 슬라이스, B 슬라이스가 있을 수 있다. I 슬라이스는 전후의 픽쳐와는 관계 없이 그 픽쳐 내에서 독립적으로 부호화되는 슬라이스이다. P 슬라이스는 하나의 참조 픽쳐를 이용한 화면 간의 단방향 예측에 의해 부호화될 수 있는 슬라이스이다. B 슬라이스는 2개의 참조 픽쳐를 이용하여 픽쳐 간의 순방향, 역방향 또는 양방향 예측에 의해 부호화될 수 있는 슬라이스이다. 또한 B 슬라이스에는 참조(reference)로 사용되는 B 슬라이스, 참조로 사용되지 않는 B 슬라이스가 있을 수 있다. 이하, 참조로 사용되는 B 슬라이스는 참조 B 슬라이스, 참조로 사용되지 않는 B 슬라이스는 비참조 B 슬라이스라 한다.
동일한 양자화 파라미터 값이 사용되는 경우, I, P, B 슬라이스 중 I 슬라이스가 가장 큰 비트율을 필요로 하고, P 슬라이스가 그 다음으로 큰 비트율을 필요로 하며, B 슬라이스가 가장 적은 비트율을 필요로 한다.
또한, 통상적으로 많이 사용되는 계층적 P 구조(hierarchical P structure) 또는 계층적 B 구조(hierarchical B structure)에서는 시간적 레벨(temporal level)에 따라 시간적 계층(temporal layer)이 구성될 수 있다.
도 4는 계층적 코딩 구조의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 개념도이다. 도 4의 실시예에 따른 계층적 코딩 구조는 4개의 계층 구조를 가질 수 있으며, 계층의 개수는 4개에 한정되지 않는다.
도 4에서 서로 다른 계층의 픽쳐들은 서로 다른 시간적 레벨을 가질 수 있다. 더 낮은 시간적 레벨을 갖는 픽쳐는 더 작은 양자화 파라미터를 사용하여 부호화될 수 있으며, 더 높은 시간적 레벨을 갖는 픽쳐는 더 큰 양자화 파라미터를 사용하여 부호화될 수 있다. 따라서, 계층적 구조에서 시간적 레벨 값이 가장 큰 최상위 시간적 계층은 다른 계층보다 큰 양자화 파라미터 값을 가질 수 있으며, 다른 계층보다 낮은 타겟 비트율을 가질 수 있다.
상기 계층적 구조에서는 시간적 레벨이 클수록 큰 양자화 파라미터 값을 적용하는 양자화 파라미터 크기 조절(Quantization Parameter scaling) 기법이 사용될 수 있고, 최상위 시간적 레벨은 비 참조 슬라이스로 사용될 수 있다.
적응적 루프 필터가 사용되는 경우, 필터 계수 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 전송하기 위한 추가 비트가 필요하다. 높은 타겟 비트율을 갖는 I 슬라이스에서는 추가 비트에 의한 부담이 적을 수 있으나, 낮은 타겟 비트율을 갖는 B 슬라이스에서는 추가 비트에 의한 부담이 클 수 있다.
일반적으로 타겟 비트율이 낮은 B 슬라이스에서는 작은 크기를 갖는 필터 탭, 예를 들어 5x5 크기의 필터 탭이 선택될 확률이 높다. 또한 B 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서, 부호화기는 필터링 적용 여부가 결정되는 단위로 주로 큰 블록을 사용하여 제어 정보, 즉 필터링 적용 여부 관련 정보를 감소시킬 수 있다.
적응적 루프 필터링 처리 시간을 향상시키고 필터링 성능 저하를 최소화하기 위해, 부호화기는 상술한 바와 같은 I, P, B 슬라이스의 특성 및/또는 계층적 구조에서의 시간적 계층의 특성을 이용하여 적응적 루프 필터링을 수행할 수 있다. I, P, B 슬라이스의 특성을 이용하여 적응적 루프 필터링을 수행하는 경우, 부호화기는 프레임 레벨의 설계 과정과 블록 레벨 제어 과정의 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예로 I 슬라이스에 대한 프레임 레벨 설계 과정에서 부호화기는 양자화 파라미터 값에 따라 다른 개수 및/또는 다른 크기의 필터 탭 후보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 양자화 파라미터 값이 커지면, 부호화기는 필터링 과정에서 사용되는 필터 탭 후보의 개수를 줄일 수 있다. 또한 I 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서 부호화기는 가장 작은 크기의 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다.
또한 P 슬라이스에 대한 프레임 레벨 설계 과정에서도 부호화기는 양자화 파라미터 값에 따라 다른 개수 및/또는 다른 크기의 필터 탭 후보를 사용할 수 있다. 또한 P 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서 부호화기는 I 슬라이스에서보다 큰 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다.
B 슬라이스에 대한 프레임 레벨 설계 과정에서도 부호화기는 양자화 파라미터 값에 따라 다른 개수 및/또는 다른 크기의 필터 탭 후보를 사용할 수 있다. 또한 B 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서 부호화기는 P 슬라이스에서보다 큰 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다.
비참조 B 슬라이스는 참조 B 슬라이스보다 낮은 타겟 비트율을 가질 수 있다. 따라서, 일 실시예로 비참조 B 슬라이스에 대한 프레임 레벨 설계 과정에서 부호화기는 1개의 필터 탭 후보만을 사용할 수 있으며, 예를 들어 5x5 크기의 필터 탭만이 필터 탭 후보로 사용될 수 있다. 비참조 B 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서 부호화기는 가장 큰 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다.
다른 실시예로 계층적 구조에서 시간적 레벨 값이 가장 큰 최상위 시간적 계층은 다른 계층보다 낮은 타겟 비트율을 가질 수 있다. 최상위 시간 계층 슬라이스에 대한 프레임 레벨 설계 과정에서 부호화기는 1개의 필터 탭 후보만을 사용할 수 있으며, 예를 들어 5x5 크기의 필터 탭만이 필터 탭 후보로 사용될 수 있다. 최상위 시간 계층 슬라이스에 대한 블록 레벨 제어 과정에서 부호화기는 가장 큰 블록 단위로 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다.
상술한 실시예들에서 부호화기는 슬라이스의 종류 및/또는 양자화 파라미터에 따라 다른 개수 및/또는 모양의 필터 탭 후보를 사용할 수 있고, 필터링 적용 여부가 결정되는 단위 블록의 크기를 슬라이스의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다. 상기 방법에 의해 부호화기는 적응적 루프 필터링의 처리 속도를 향상 시키면서 성능 저하를 최소화할 수 있다.
도 5는 복호화기에서의 적응적 루프 필터링 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 복호화기는 적응적 루프 필터의 필터 탭 및 필터 계수를 도출할 수 있다(S510).
복호화기는 부호화기로부터 전송받은 필터 탭 정보를 이용하여 소정의 N개의 필터 탭 후보들 중 현재 적응적 루프 필터에 적용되는 필터 탭을 선택할 수 있다. 여기서, N은 자연수이고, N개의 필터 탭(filter tap) 후보들은 서로 다른 크기 및/또는 모양을 가질 수 있다. 또한 복호화기는 부호화기로부터 전송받은 필터 계수 정보를 이용하여 필터 계수를 획득할 수 있다.
부호화기에서와 유사하게, 복호화기는 양자화 파라미터 값 및/또는 타겟 비트율에 따라 다른 개수 및/또는 모양의 필터 탭 후보를 사용할 수 있다. 일 실시예로 양자화 파라미터 값이 커지면, 즉 타겟 비트율이 낮아지면, 부호화기는 필터링 과정에서 사용되는 필터 탭 후보의 개수를 줄일 수 있다. 이 때, 양자화 파라미터 값이 클수록 크기가 작은 필터 탭이 선택될 확률이 높으므로, 복호화기는 크기가 작은 필터 탭 후보를 우선적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 3개의 소정의 필터 탭 후보가 존재하고 필터 탭 후보 각각의 크기는 5x5, 7x7, 9x9라 가정하면, 양자화 파라미터 값이 37일 때, 5x5 크기의 필터 탭만이 필터 탭 후보로 고려될 수 있다.
또한, 복호화기는 슬라이스의 종류에 따라 다른 개수 및/또는 다른 모양의 필터 탭 후보를 사용할 수도 있다. 일 실시예로 부호화기는 낮은 타겟 비트율을 갖는 비참조 B 슬라이스에 대해 1개의 필터 탭 후보를 사용할 수 있고, 예를 들어 5x5 크기의 필터 탭만이 필터 탭 후보로 사용될 수도 있다. 계층적 예측 구조에서 복호화기는 시간적 계층에 따라 다른 개수 및/또는 다른 모양의 필터 탭 후보를 사용할 수도 있다. 일반적인 예측 구조에서의 I, P, B 슬라이스 및 계층적 예측 구조에서의 시간적 계층별 슬라이스에 대한 구체적인 실시예들은 부호화기의 실시예에서 상술한 바와 유사하다.
상기 방법에 의하면, 필터링 처리 속도가 빨라질 수 있고, 적응적 루프 필터의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
복호화기는 프레임 내의 블록 및/또는 영역별로 적응적 루프 필터링 적용 여부를 결정할 수 있다(S520). 복호화기는, 부호화기로부터 전송받은 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여, 프레임 내의 각각의 블록 및/또는 영역에 대해 적응적 루프 필터의 적용 여부를 결정할 수 있다. 이 때, 복호화기는 부호화기에서와 유사하게, 슬라이스의 종류에 따라 필터링 적용 여부가 결정되는 단위 블록의 크기를 다르게 선택할 수 있다. 또한 계층적 예측 구조에서 복호화기는 시간적 계층에 따라 필터링 적용 여부가 결정되는 단위 블록의 크기를 다르게 선택할 수 있다. 일반적인 예측 구조에서의 I, P, B 슬라이스 및 계층적 예측 구조에서의 시간적 계층별 슬라이스에 대한 구체적인 실시예들은 부호화기의 실시예에서 상술한 바와 유사하다.
복호화기는 획득한 필터 탭, 필터 계수 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여, 복원 영상에 대해 적응적 루프 필터링을 수행할 수 있다(S530).
상술한 적응적 루프 필터링 방법에 의하면, 필터링 처리 속도 및 전체 부호화 속도가 향상될 수 있으며, 처리 속도의 향상에 따른 성능 저하가 최소화될 수 있다. 일 실시예로, 일정 조건 하의 시뮬레이션 결과 도 3 및 도 5의 실시예에 따른 적응적 루프 필터링 방법에서의 필터링 처리 시간은 율 왜곡 최적화 특성, 양자화 파라미터, 타겟 비트율 등의 특성이 반영되지 않은 적응적 루프 필터링 방법에 비해 약 1.9배 향상될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 적응적 루프 필터링 방법은 실시간 부호화기/복호화기에도 적용될 수 있다.
상술한 실시예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 실시예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims (1)

  1. 부호화기로부터 필터 탭 정보, 필터 계수 정보 및 필터링 적용 여부 관련 정보를 수신하는 단계;
    상기 필터 탭 정보를 이용하여, 복수의 필터 탭 후보 중 현재 프레임에 대응하는 필터 탭을 선택하는 단계;
    상기 필터 계수 정보를 이용하여 상기 필터 탭의 필터 계수를 결정하는 단계;
    상기 필터링 적용 여부 관련 정보를 이용하여 상기 현재 프레임 내의 복원 블록에 대한 필터링 적용 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 복원 블록에 대해 필터링이 적용되는 것으로 결정되는 경우, 상기 선택된 필터 탭 및 상기 도출된 필터 계수를 이용하여 상기 복원 블록에 대한 필터링을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 필터 탭 선택 단계에서는,
    양자화 파라미터 값이 클수록 적은 개수의 필터 탭 후보 중에서 현재 프레임에 대응하는 필터 탭을 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 루프 필터링 방법.
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