KR20140022122A - 율―왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 방법 및 장치 - Google Patents

율―왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화법에 있어서, 비디오 부호화 장치의 인루프 필터 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용하지 않고, 인루프 필터로부터 출력되는 영상에 대해 율-왜곡 최적화를 사용함으로서 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 최종적으로 디코딩되는 복원 영상과 원본 영상간 차이를 복원하기 위해 필요한 비트량을 줄일 수 있도록 하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 한다.

Description

율―왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 방법 및 장치{VIDEO ENCODING APPARATUS AND METHOD USING RATE DISTORTION OPTIMIZATION}
본 발명은 비디오 부호화 장치에 관한 것으로, 특히 율-왜곡 최적화(Rate Distortion Optimization : RDO)를 이용한 비디오 부호화(video encoding)에 있어서, 비디오 부호화 장치의 인루프 필터(in-loop filter) 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용하지 않고, 인루프 필터로부터 출력되는 영상에 대해 율-왜곡 최적화를 사용함으로서 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 최종적으로 디코딩되는 복원 영상과 원본 영상간 차이를 복원하기 위해 필요한 비트량(bit rate)을 줄일 수 있도록 하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 하는 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근들어, 비디오 부호화 표준화 과정에서, 적응적 인루프 필터링(Adaptive in-loop filtering) 기법이 제안되고 있다. 적응적 인루프 필터링 기법은 부호화기에서, 복원 영상(reconstructed image)에 위너 필터(Wiener filter)를 적용함으로써 원본 영상과 필터링된 복원 영상과의 오차를 줄이고, 부호화 성능을 높인다.
이때, 적응적 인루프 필터링 기법은 복원 영상을 복호화된 영상 버퍼(Decoded picture buffer, DPB)에 저장하기 전에 위너 필터에 기초하여 인루프 필터를 설계하고, 복원 영상에 필터를 적용한다. 또한, 적응적 인루프 필터링 기법은 복원 영상의 필터링에 사용된 필터 계수 정보를 비트 스트림에 포함시켜 부호화함으로써, 복호기에서도 동일한 필터를 사용할 수 있도록 한다.
위와 같은 비디오 부호화기에서의 비디오 부호화는 부호화 되는 기본 단위의 특성에 따라 화면내 예측(Intra Prediction), 화면간 예측(Inter Prediction) 모드 중 하나로 부호화된다. 각 부호화 모드는 다시 부호화되는 기본 단위의 분할 모드, 화면내 예측에서는 참조하려는 방향에 대한 모드, 화면간 예측에서는 참조하려는 픽쳐에 대한 모드에 따라 다양한 부호화 모드을 가질 수 있다. 이때 최종적으로 적용할 부호화 모드을 구하기 위해서 율-왜곡 최적화 방법이 사용된다. 율-왜곡 최적화 방법은 원본영상과 복원된 영상간의 차이값과 영상을 복원하기 위해서 필요한 비트량을 이용해서 이루어진다. 아래의 [수학식 1]은 이러한 관계를 나타낸다.
Figure pat00001
D(Distortion)는 원본 영상과 복원된 영상의 차이를 나타내는 값으로 일반적으로 SSE(Sum of Square Error) 값을 많이 사용한다. R(Rate)은 영상을 복원하기 위해 필요한 비트량으로 실제 필요한 비트량 값 또는 필요한 비트량을 예측한 값을 사용한다. λ는 rate과 distortion과의 관계를 나타내는 값으로 R을 D로 환산했을 때 어느 정도의 D값이 될지 예측하기 위해 필요한 상수로 QP(Quantization Parameter)와 여러가지 부호화 정보를 이용해서 구해지는 값이다. 최종적으로는 다양한 부호화 모드를 통해 구해지는 J(Cost) 값 중에서 최소의 cost를 갖게하는 부호화 모드가 최종 부호화 모드로 선택된다.
(특허문헌)
대한민국 등록특허번호 10-0904447호 등록일자 2009년 06월 17일에는 디지털 방송 시스템 및 데이터 처리 방법에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 기존의 비디오 부호화기는 인루프 필터(In-loop Filter) 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용함으로 인해서 최종적으로 디코딩되는 복원 영상 및 필요한 비트량과는 차이를 갖게 됨으로써, 비디오 부호화 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 방법에 있어서, 비디오 부호화 장치의 인루프 필터 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용하지 않고, 인루프 필터로부터 출력되는 영상에 대해 율-왜곡 최적화를 사용함으로서 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 최종적으로 디코딩되는 복원 영상과 원본 영상간 차이를 복원하기 위해 필요한 비트량을 줄일 수 있도록 하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 하는 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 비디오 부호화 장치로서, 참조 영상을 이용하여 부호화 대상이 되는 입력 영상에 대한 예측 영상을 생성하는 영상 예측부와, 입력 영상에서 영상 예측부에 의해 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성하는 차분신호 생성부와, 상기 예측 영상을 이용하여 상기 입력 영상에 대한 제1 복원 영상을 생성하는 복원영상 생성부와, 상기 제1 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 제2 복원 영상을 산출하고, 상기 제2 복원 영상의 복원에 필요한 비트량 정보를 산출하여 율-왜곡 최적화를 수행한 후, 율-왜곡 최적화를 수행한 결과 정보를 상기 영상 예측부로 제공하는 인루프 필터부를 포함한다.
또한, 상기 영상 예측부는, 상기 율-왜곡 최적화가 수행된 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용할 부호화 모드를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비트량 정보는, 상기 입력 영상과 제2 복원 영상간 차이를 복원하기 위한 비트량 정보인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 비디오 부호화 방법으로서, 참조 영상을 이용하여 부호화 대상이 되는 입력 영상에 대한 예측 영상을 생성하는 단계와, 상기 입력 영상에서 영상 예측부에 의해 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성하는 단계와, 상기 예측 영상을 이용하여 상기 입력 영상에 대한 제1 복원 영상을 생성하는 단계와, 상기 제1 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 제2 복원 영상을 산출하는 단계와, 상기 제2 복원 영상을 복원하기 위해 필요한 비트량 정보를 산출하는 단계와, 상기 인루프 필터링된 상기 제2 복원 영상과 상기 비트량 정보를 이용하여 율-왜곡 최적화를 수행하는 단계와, 상기 율-왜곡 최적화를 수행한 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용할 부호화 모드를 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 비트량 정보는, 상기 입력 영상과 제2 복원 영상간 차이를 복원하기 위한 비트량 정보인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화법에 있어서, 비디오 부호화 장치의 인루프 필터 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용하지 않고, 인루프 필터로부터 출력되는 영상에 대해 율-왜곡 최적화를 사용함으로서 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 최종적으로 디코딩되는 복원 영상과 원본 영상간 차이를 복원하기 위해 필요한 비트량을 줄일 수 있도록 하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 율-왜곡 최적화를 위한 비디오 부호화기의 상세 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 율-왜곡 최적화를 위한 비디오 부호화기에서의 신호 처리 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 장치의 상세 회로 구성을 도시한 것이다.
위 도 1을 참조하면, 비디오 부호화 장치(150)는 영상 예측부(100), 차분신호 생성부(108), 변환부(110), 양자화부(112), 엔트로피 부호화부(124), 역양자화부(114), 역 변환부(116), 복원영상 생성부(118), 인루프 필터부(120) 등을 포함한다.
영상 예측부(100)는, 참조 영상을 이용하여 현재 부호화 대상이 되는 원본 입력영상에 대한 예측 영상을 생성한다. 이때, 참조 영상은 인루프 필터부(120)로부터 출력되는 인루프 필터링된 영상을 의미한다.
영상 예측부(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 움직임 예측부(106), 인트라 예측부(intra prediction)(102), 움직임 보상부(104)를 포함하여 구성될 수 있다. 움직임 예측부(106)는 참조 영상으로부터 원본 입력 영상의 움직임의 움직임 벡터(motion vector)를 산출하여 움직임을 예측하고, 움직임 보상부(104)는 움직임 예측부(106)로부터 산출된 움직임 벡터를 이용하여 예측 영상을 생성한다.
인트라 예측부(102)는 예측 영상을 인트라 모드로 생성하는 경우에 인트라 예측을 수행한다.
차분신호 생성부(108)는, 입력 영상에서 영상 예측부(100)에 의하여 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성한다. 즉, 입력 영상에서 하나의 영상 블록을 부호화 하는 경우, 영상 예측부(100)는 부호화 대상이 되는 영상 블록에 대한 예측 영상 블록을 생성하고, 차분신호 생성부(108)는 부호화 대상이 되는 영상 블록에 대한 차분신호를 생성할 수 있다.
변환부(transform)(110)는 차분신호 생성부(108)를 통해 생성되는 입력영상과 예측영상의 차분에 의해 생성된 차분 영상을 이산여현변환 등의 변환을 수행하여 변환 계수(transform coefficient)를 출력한다. 양자화부(quantization)(112)는 입력된 변환 계수를 양자화 파마리터에 따라 양자화하여 양자화된 계수(quantized coefficient)를 출력한다.
엔트로피 부호화부(entropy coding)(124)는, 변환부(110) 및 양자화부(112)에 의해 생성된 양자화 계수와, 움직임 벡터 등을 엔트로피 부호화 함으로써, 출력 비트 스트림(output bit stream)을 생성한다.
역양자화부(inverse quantization)(114)는, 양자화부(112)로부터 출력되는 신호에 대해 역양자화를 수행한다. 역 변환부(inverse transform)(116)는 역양자화부(114)로부터 출력되는 신호에 대해 역이산여현변환 또는 역이산정현변환을 수행한다. 복원영상 생성부(118)는, 역 변환부(116)로부터 출력되는 신호와 예측 영상을 이용하여 원본 입력 영상에 대한 복원영상을 생성한다.
인루프 필터부(in-loop filter)(120)는 위와 같이 생성된 복원영상과 원본 입력 영상과의 차이를 줄여주기 위한 데이터 처리를 수행하는 장치로, SAO, ALF 또는 디블록킹 필터 등을 포함할 수 있다. 즉, 인루프 필터부(120)는 SAO, ALF 또는 디블록킹 필터 중 1 또는 2 이상의 구성요소를 조합하여 복원영상에 대한 필터링 동작을 수행함으로써, 복원영상과 원본 입력 영상간 오차를 줄여준다.
또한, 인루프 필터부(120)는 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 복원 영상을 산출하고, 인루프 필터링된 복원 영상의 복원에 필요한 비트량 정보를 산출한다. 이어, 이와 같이 산출된 인루프 필터링된 복원 영상과 비트량 정보에 대하여 율-왜곡 최적화를 수행하고, 율-왜곡 최적화 수행된 결과 정보를 영상 예측부(100)로 제공한다. 그러면, 영상 예측부(100)에서는 인루프 필터부(120)에서 제공되는 율-왜곡 최적화 수행된 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용될 부호화 모드를 결정하게 된다.
참조 영상 버퍼(122)는 인루프 필터부(120)를 통해 인루프 필터링된 복원 영상을 임시 저장한다.
한편, 도 1에서 최종 부호화 모드를 선택하기 위해 사용되는 복원 영상은 인루프 필터부(120)의 입력으로 사용되는 영상으로, 인루프 필터부(120) 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용함으로 인해서 최종적으로 디코딩되는 복원 영상 및 필요한 비트량과는 차이를 갖게 되어 비디오 부호화 효율이 낮아지는 문제점이 있었음은 전술한 바와 같다.
따라서, 본 발명에서는 최종 부호화 모드를 선택하기 위해 사용되는 복원 영상을 인루프 필터부(120)에서 인루프 필터링된 후 출력되는 영상으로 사용하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 한다.
즉, 구분을 위해 이후의 설명에서 인루프 필터부(120)의 입력으로 들어가는 영상을 A라 두고, 인루프 필터부(120)의 출력으로 나오는 영상을 B로 둔다.
인루프 필터부(120)에서는 변환(transform) 또는 양자화(quantization)을 통해 발생하는 에러(error)값을 줄여주기 위해서 SAO(Sample Adaptive Offset), ALF(Adaptive Loop Filter)등이 사용될 수 있고, 블록킹 효과(blocking effect)을 줄여주기 위해 디블록킹 필터(deblocking filter)가 사용될 수 있다.
이때, 각 필터의 정보를 알아야 디코딩이 가능하기 때문에, 인루프 필터부(120)에서의 필터링 과정을 통하면서 추가로 비트량(bit rate)이 발생한다. 구분을 위해 이후 설명에서 A를 복원하기 위해 필요한 비트량을 R1이라고 두고, B를 복원하기 위해 필요한 비트량을 R2로 둔다. R2는 실제로 부호화를 통해 구해지거나 예측된 값을 사용할 수 있다.
최종적으로 부호화되어 발생하는 비트량은 R2이며 이때 원본 영상과의 차이는 B를 이용해서 구해지는 것이 최종적으로 디코딩되어 재생되는 영상과 원본 영상의 차이를 나타내는 값이다.
따라서 기존의 율-왜곡 최적화를 위해 사용되는 복원 영상 A와 필요한 비트량 R1 대신에, 본 발명에서와 같이 인루프 필터부(120)를 통과한 복원 영상 B와 필요한 비트량 R2를 사용하면 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 결과적으로 비디오 부호화 효율을 높일 수 있다. 또는 실제 인루프 필터부(120)의 출력을 구하는 과정의 복잡도를 줄이기 위해 기존의 율-왜곡 최적화를 사용하는 동일한 위치에서 B와 R2를 예측하여 부호화 모드를 결정할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화 장치에서 비디오 부호화 신호 처리 흐름도를 도시한 것이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 입력 영상이 수신되는 경우(S200) 비디오 부호화 장치(150)내 영상 예측부(100)에서는, 참조 영상 또는 입력 영상을 이용하여 현재 부호화 대상이 되는 원본 입력영상에 대한 예측 영상을 생성한다(S202). 이때, 참조 영상은 인루프 필터부(120)로부터 출력되는 인루프 필터링된 영상을 의미한다.
이와 같이, 영상 예측부(100)를 통해 예측 영상이 생성되는 경우, 차분신호 생성부(108)에서는, 영상 예측부(100)에 의하여 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성한다(S204). 즉, 입력 영상에서 하나의 영상 블록을 부호화 하는 경우, 영상 예측부(100)는 부호화 대상이 되는 영상 블록에 대한 예측 영상 블록을 생성하고, 차분신호 생성부(108)는 부호화 대상이 되는 영상 블록에 대한 차분신호를 생성할 수 있다.
위와 같이 생성된 차분신호는 변환부(110)로 입력되는데, 변환부(110)에서는 차분신호 생성부(108)를 통해 생성되는 입력영상과 예측영상의 차분에 의해 생성된 차분 신호를 이산여현변환 등의 변환을 수행하여 변환 계수(transform coefficient)를 출력하고, 양자화부(112)에서는 입력된 변환 계수를 양자화 파마리터에 따라 양자화하여 양자화된 계수를 출력하여 양자화를 수행한다(S206). 이어, 위와 같이 양자화 수행된 차분 신호는 엔트로피 부호화부(124)를 통해 엔트로피 부호화되어 출력 비트 스트림으로 출력된다.
그런 후, 비디오 부호화 장치(150)내 역양자화부(114)에서는 양자화부(112)로부터 출력되는 신호에 대해 역양자화를 수행하고, 역 변환부(116)는 역양자화부(114)로부터 출력되는 신호에 대해 역이산여현변환 또는 역이산정현변환 을 수행한다(S208).
위와 같이, 역 변환부(116)로부터 역이산여현변환 수행된 신호는 복원영상 생성부(118)로 입력되며, 복원영상 생성부(118)에서는, 역 변환부(116)로부터 출력되는 신호와 예측 영상을 이용하여 원본 입력 영상에 대한 복원영상을 생성한다(S210).
이어, 인루프 필터부(120)는 SAO, ALF 또는 디블록킹 필터 중 1 또는 2 이상의 구성요소를 조합하여 복원영상에 대한 필터링 동작을 수행하여 복원영상과 원본 입력 영상간 오차를 줄인다(S212).
또한, 인루프 필터부(120)는 본 발명의 실시예에 따른 동작으로 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 복원 영상을 산출하고, 인루프 필터링된 복원 영상의 복원에 필요한 비트량 정보를 산출하여 율-왜곡 최적화를 수행한다(S214).
이와 같이 수행된 율-왜곡 최적화 수행된 결과 정보는 영상 예측부(100)로 제공되는데, 그러면, 영상 예측부(100)에서는 인루프 필터부(120)에서 제공되는 율-왜곡 최적화 수행된 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용될 부호화 모드를 결정한다(S216).
따라서, 본 발명에서는 최종 부호화 모드를 선택하기 위해 사용되는 복원 영상을 인루프 필터부(120)에서 인루프 필터링된 후 출력되는 영상으로 사용하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 율-왜곡 최적화를 이용한 비디오 부호화법에 있어서, 비디오 부호화 장치의 인루프 필터 전단계에서 율-왜곡 최적화를 사용하지 않고, 인루프 필터로부터 출력되는 영상에 대해 율-왜곡 최적화를 사용함으로서 보다 정확한 최적 부호화 모드를 구할 수 있고, 최종적으로 디코딩되는 복원 영상과 원본 영상간 차이를 복원하기 위해 필요한 비트량을 줄일 수 있도록 하여 비디오 부호화 효율을 높일 수 있도록 한다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
100 : 영상 예측부 102 : 인트라 예측부
104 : 움직임 보상부 106 : 움직임 예측부
108 : 차분신호 생성부 110 : 변환부
112 : 양자화부 114 : 역양자화부
116 : 역변환부 118 : 복원영상 생성부
120 : 인루프 필터부 122 : 참조 영상 버퍼
124 : 엔트로피 부호화부

Claims (5)

  1. 비디오 부호화 장치로서,
    참조 영상을 이용하여 부호화 대상이 되는 입력 영상에 대한 예측 영상을 생성하는 영상 예측부와,
    입력 영상에서 영상 예측부에 의해 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성하는 차분신호 생성부와,
    상기 예측 영상을 이용하여 상기 입력 영상에 대한 제1 복원 영상을 생성하는 복원영상 생성부와,
    상기 제1 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 제2 복원 영상을 산출하고, 상기 제2 복원 영상의 복원에 필요한 비트량 정보를 산출하여 율-왜곡 최적화를 수행한 후, 율-왜곡 최적화를 수행한 결과 정보를 상기 영상 예측부로 제공하는 인루프 필터부
    를 포함하는 비디오 부호화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 예측부는,
    상기 율-왜곡 최적화가 수행된 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용할 부호화 모드를 결정하는 비디오 부호화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비트량 정보는,
    상기 입력 영상과 제2 복원 영상간 차이를 복원하기 위한 비트량 정보인 비디오 부호화 장치.
  4. 비디오 부호화 방법으로서,
    참조 영상을 이용하여 부호화 대상이 되는 입력 영상에 대한 예측 영상을 생성하는 단계와,
    상기 입력 영상에서 영상 예측부에 의해 생성된 예측 영상을 감산하여 차분신호를 생성하는 단계와,
    상기 예측 영상을 이용하여 상기 입력 영상에 대한 제1 복원 영상을 생성하는 단계와,
    상기 제1 복원 영상에 대해 인루프 필터링을 수행하여 인루프 필터링 수행된 제2 복원 영상을 산출하는 단계와,
    상기 제2 복원 영상을 복원하기 위해 필요한 비트량 정보를 산출하는 단계와,
    상기 인루프 필터링된 상기 제2 복원 영상과 상기 비트량 정보를 이용하여 율-왜곡 최적화를 수행하는 단계와,
    상기 율-왜곡 최적화를 수행한 결과 정보를 이용하여 영상 예측에 적용할 부호화 모드를 결정하는 단계
    를 포함하는 비디오 부호화 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비트량 정보는,
    상기 입력 영상과 제2 복원 영상간 차이를 복원하기 위한 비트량 정보인 비디오 부호화 방법.
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