KR950007304B1 - 비디오 인코우더의 최적한 데이타 압축 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비디오 인코우더의 최적한 데이타 압축 방법

제1도는 일반적인 디지탈 비디오 데이타 신호를 압축시키기 위한 인코우더의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도.

제2도는 본 발명에 따른 최적한 양자화 스텝 크기를 결정하기 위한 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : DCT부 13 : 양자화기

14 : 가변 길이 부호화부 15 : 전송 버퍼

17 : 프레임 메모리 19 : 움직임 보상부

21 : 역 DCT부 23 : 역양자화기

25 : 코팅 제어기 27 : 스위칭부

29 : 감산기

본 발명은 디지탈 비디오 신호에 대한 데이타 압축을 위한 인코우더(incoder)에 있어서, 특히 인코우더내의 적응 양자화기(adaptive quantizer)의 양자화 스텝 크기를 최적하게 제어하는 방법에 관한 것이다.

지금까지 대부분의 전자 기기에 대하여 아나로그 방식으로 구현되었던 많은 신호 처리 과정이 이제는 디지탈 방식으로 바뀌어 가고 있으며, 콤팩트 디스크, ADT, 영상 전화기, HDTV등의 기술을 발전되고 있다.

상기 화상 전화기, 더나아가 HDTV 분야에서는 아나로그 형태의 비디오 신호를 디지탈 신호를 변환시켜서 변환된 대량의 디지탈 비디오 신호에 의한 정보 전송을 최적화 시키기 위하여 비디오 인코우더에서 데이타 압축 처리하고 있다. 이는 통상의 전송 채널의 이용 가능한 주파수 대역폭이 제한적이므로, 영상 신호를 통상의 전송 채널을 통해 전송하기 위해서는 전송 데이타량을 압축하거나 줄여야 하기 때문이다.

다양한 압축 기법중에서 움직임 보상 인터 프레임 부호화 기법이 효과적인 압축 기법의 하나로 알려져 있는데, 이것은 신호의 압축을 위해 두 인접 비디오 프레임 사이의 비디오 신호의 시간적 리던던시를 사용한다.

제1도를 참조하면 일반적인 영상 전화기, 또는 HDTV등에서 사용되는 데이타 압축 전송 장치인 인코우더의 전체 블록도가 도시된다.

인코우더 외부에서 디지탈화된 비디오 신호는 블럭 단위, 예를 들어 8*8, 16*16 또는 16*32 화소 단위로 분할되어 입력되는데, 이때 입력되는 비디오 신호는 인터(inter) 프레임 비디오 신호와 인트라(intra) 프레임 비디오 신호로 구별된다. 인트라 프레임 비디오 신호는 프레임내 부호화 기법을 적용하기 위한것이고, 인터 프레임 비디오 신호는 상기에서 설명한 움직임 보상 인터 프레임 부호화 기법을 적용하기 위한 것으로, 먼저, 움직임 보상 인터 프레임 부호화 기법에 대해 설명한다.

이산 여현 변환부(Disrete Cosine Transform; 이하 DCT 라함) (11)는 입력되는 비디오 신호를 이산 여현 변환함으로써, 영상의 공간 영역에서의 화소 구획을 새로운 변환 계수의 구획으로 변환한다. 이것은 실제 영상의 공간 영역에서의 화소값과 이 신호를 DCT 변환했을 경우, 공간 영역에서의 신호보다 변환 계수 영역에서의 계수들이 에너지 집중 효율면에서 훨씬 높기 때문이다. 즉, 비디오 신호를 DCT 변환하면 저주파 영역에서의 계수들은 상당히 큰값을 갖고, 고주파 성분의 계수일수록 작은 값을 갖으므로 DCT 계수의 저주파 성분만을 부호화 할 경우 압축이 가능해진다.

DCT부(11)에 의해 변환된 DCT 계수들은 양자화기(13)에서 기설정된 가중치에 의해 나누어진 후, 다시 양자화 계수에 의해 나누어지는데, 양자화 계수는 장면의 복잡도와 지각적인 특성에 근거하여 주기적으로 맞추어진 양자화 레벨에 의해 결정된다.

양자화기(13)에 의해 양자화된 신호는 가변 길이 부호화부(14)에 의해 데이타 압축이 이루어지며 압축된 신호는 전송 버퍼(15)에 일시 저장된 후 수신측에 전송된다. 한편, 역양자화기(23)는 양자화된 디지탈 신호를 수신한 후 이를 양자화기(13)에서와는 반대의 과정을 수행하여 역양자화하고, 역 DCT부(21)에서는 역 양자화된 신호를 다시 역 DCT하여 공간 영역의 신호를 역변환하며 프레임 메모리(17)는 역변환된 신호를 프레임 단위로 저장한다.

움직임 보상부(19)는 입력되는 현재 프레임의 영상과 프레임 메모리(17)에 저장된 이전 프레임의 영상을 비교하여 이전 프레임 영상으로 부터 현재 프레임 영상으로의 물체의 이동에 관한 정보, 즉 움직임 벡터를 추출한 후 움직임 벡터로 부터 예측된 현재 프레임을 재구성하고 이를 감산기(29)로 출력한다. 따라서, 감산기(29)는 현재 프레임과 움직임 보상부(19)에서 출력한 예측된 현재 프레임의 차를 검출하여 차분 신호를 DCT부(11)에 출력한다.

이때 코딩 제어기(25)는 입력되는 현재 프레임 신호가 인터 프레임 신호이면 감산기(29)에서 출력되는 차분 신호가 DCT부(11)에 입력되도록 스위칭부(27)를 제어하고, 입력되는 현재 프레임 신호가 인트라 프레임 신호이면 감산기(29)를 거치지 않고 바로 DCT부(11)에 입력되도록 스위칭부(27)를 제어한다. 따라서 인트라 프레임 비디오 신호는 프레임내 부호화되고, 인터 프레임 비디오 신호는 움직임 보상 인터 프레임 부호화 되어 수신측에 전송된다.

한편, 코딩 제어기(25)는 전송 버퍼(15)에 저장된 유효 데이타량을 참조하여 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 조절하는데, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

즉, DCT부(11)에 의해 변환된 DCT 계수들은 양자화기(13)에서 기설정된 가중치에 의해 나누어진 후, 다시 양자화 스텝 크기에 대해 결정된 양자화 계수에 의해 나누어지는데, 비디오 신호가 DCT 변환되면 저주파 영역에서의 DCT 변환 계수들은 상당히 큰 값을 갖고, 고주파 성분의 DCT 변환 계수 일수록 작은 값을 갖는다. 따라서 DCT 변환 계수를 기 설정된 가중치로 나누면 비디오 신호의 고주파 영역의 DCT 변환 계수들은 제로(zero)에 가깝게 되고, 이를 다시 양자화 계수로 양자화하면 고주파 영역의 DCT 변환 계수들은 대부분 제로가 된다. 가변 길이 부호화부(14)는 상기와 같이 양자화된 신호중 연속된 제로의 갯수와 뒤따르는 제로가 아닌값을 가지고 부호화하는데, 기설정된 코드북을 이용하여 연속되는 제로의 갯수를 하나의 부호어로 변환함으로서, 데이타 압축을 수행하는 것이다.

따라서 DCT 변환 계수가 양자화기(13)에 의해 양자화된 후 연속되는 제로의 갯수가 많을수록 가변 길이 부호화부(14)에 의해 데이타 압축율이 높아진다. 물론 연속되는 제로의 갯수는 양자화 계수에 의해 조절되고, 양자화 계수가 크면 제로가 많아지고 양자화 계수가 작으면 제로가 줄어들게 된다.

가변 길이 부호화부(14)에 의해 가변 길이 부호화된 데이타는 전송 버퍼(15)에 일시 저장된 후 수신측에 전송되는데, 전송 버퍼(15)는 일반적으로 선입 선출 방식의 버퍼로 구성되어 있어서, 전송 버퍼(15)에 입력되는 순서대로 출력되지만 데이타가 전송 버퍼(15)에 입력되는 속도와 출력되는 속도는 다를수 있다. 즉 전송 버퍼(15)에서 출력되는 데이타는 일정 속도로 출력되는데 가변 길이 부호화부(14)에서 출력되는 데이타량이 많게되면 전송 버퍼(15)의 용량을 초과하게 되는 경우가 발생되는 것이다. 따라서 전송 버퍼(15)내의 저장 상태를 일정하게 조절해주기 위해 코딩 제어기(25)는 전송 버퍼(15)의 스택 포인트를 참조하여 전송 버퍼(15)내의 저장 상태를 검출하여 전송 버퍼(15)내의 저장 정도에 따라 양자화기(13)의 양자화 스텝을 조절함으로서 전송 버퍼(15)에 들어가는 데이타량을 적응적으로 조절한다.

즉, 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량이 많으면 코딩 제어기(25)는 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 크게하여 양자화된 데이타중 그값이 제로인 데이타의 갯수가 많도록 함으로서 가변 길이 부호화부(14)에 의해 데이타 압축율을 높이고, 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량이 적으면 양자화기(13)의 스텝 크기를 작게 하여 양자화된 데이타중 그 값이 제로가 아닌 데이타가 많도록 함으로써 가변 길이 부호화부(14)에 의해 데이타 압축율이 낮아지도록 하여 전체적으로 전송 버퍼(15)에 입력되는 데이타가 일정하도록 제어한다.

이때 상기한 양자화 스텝은 CCITT H.261권고에 따른 것으로, 양자화기(13)의 스텝 크기의 범위를 2부터 62까지 설정한뒤 이를 2의 단위로 단계적으로 증가하는 값으로 31가지를 명시하고 있다.

이와 같이 종래에는 단지 전송 버퍼의 저장 상태(충만도)에 따라서만 양자화 스텝 크기를 조절하기 때문에, 전송 버퍼가 충만된 상태이면 다음에 양자화되는 화면이 복잡한 화면일지라도, 양자화 스텝 크기를 크게한다. 따라서 복잡한 화면에 대해 양자화 크기를 크게하면 시청자는 단순한 화면에 비해 화면의 열화 정도를 심하게 느끼게 된다.

따라서 본 발명은 화면의 상태와 전송 버퍼의 저장 정도를 고려하여 양자화기의 스텝 크기를 조절함으로서 시청자가 화면의 열화정도를 덜 느낄수 있도록 하는 비디오 인코우더의 최적한 데이타 압축 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 디지탈 비디오 신호가 DCT 변환되면 DCT 변환 계수들이 절대치들의 합을 연산하여, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합이 크면 더 정확한 정보를 수신측에 전송하기 위하여 양자화기의 양자화 스텝 크기를 작게하고, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합이 작으면 양자화기의 양자화 스텝 크기를 크게하여 전송량의 줄이며, 한편, 전송 버퍼의 유효 데이타량을 고려하여 전송 버퍼의 데이타량이 많으면 양자화기의 양자화 스텝 크기를 크게하고, 전송 버퍼의 데이타량이 적으면 양자화기의 양자화 스텝 크기를 작게하는데 그 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제2도를 참조하면 본 발명에 따른 스텝 크기를 제어하기 위한 흐름도가 도시된다.

먼저, DCT부(11)는 기 설정된 블럭 단위, 예를 들어 8*8블럭 단위로 입력되는 디지탈 비디오 신호를 DCT 변환하여 DCT 변환 계수를 양자화기(13)와 코딩 제어기(25)에 각각 출력하면, 양자화기(13)는 코딩 제어기(25)에 의해 설정된 양자화 스텝 크기에 따라 DCT 변환 계수를 양자화한 후 이를 가변 길이 부호화부(14)에 출력하고 가변 길이 부호화부(14)는 이를 가변 길이 부호화한 후 이를 전송 버퍼(15)에 출력함으로써 가변 길이 부호화된 데이타는 전송 버퍼(15)에 일시 저장된 후 수신측에 전송된다.

이때 본 발명에 따르면, 코딩 제어기(25)는 전송 버퍼(15)의 스택 포인트를 참조하여 전송 버퍼(15)내의 저장 상태를 검출하여 전송 버퍼(15)내의 저장 정도에 따라 양자화기(13)의 양자화 스텝을 조절하되, 종래와는 다르게 8*8 블럭 단위로 DCT 변환된 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(제1식 참조)을 검출하여, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합의 크기까지도 고려하여 양자화 스텝을 조절한다.

[수학식 1]

(n, k=기 설정된 정수)

coef_iqj: 블럭 단위내의 각 위치에서의 DCT 계수

T : 블럭내의 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합

즉, 기 설정된 블럭내의 DCT 변환 계수들의 절대치 합이 크면 복잡한 화면을 의미하고, DCT 변환 계수들의 절대치 합이 작으면 단순한 화면을 의미한다. 따라서 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)이 크면 양자화 스텝 크기를 작게하고, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)이 작으면 양자화 스텝 크기를 크게하는 한편, 전송 버퍼(15)에 저장된 유효 데이타를 양자화 스텝 크기를 조절한다.

이에 대해 제2도를 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 코딩 제어기(25)는 디지탈 비디오 데이타가 DCT부(11)에 의해 블럭 단위로 DCT 변환되면(P1) DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)을 연산하여(P2) 화면의 복잡도를 판단한다.

또한 전송 버퍼(15)내의 유효데이타량(υ)의 충만 정도를 검출하는데(P3), 이것은 전송 버퍼(15)의 스택 포인트의 값을 판독함으로써 알수 있다. 이때 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량(υ)이 기설정된 양, 예를 들면 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용량의 50% 이하로 저장되어 있으면(P4) P2단계에서 검출된 화면의 복잡도에 상관없이 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 최소화 하여(P5) 양자화기(13)에서 전송 버퍼(15)로 전송되는 데이타량을 늘린다. 이때 양자화기(13)의 최소 양자화 스텝 크기(ρ)는 시스템에 따라 기설정할 수 있다.

이제 그다음의 새로운 블럭 단위의 디지탈 비디오 입력되면(P8) 상기 P1, P2, P3, P4, P5단계의 반복 실행에 의해 전송 버퍼(15)내에 저장되는 유효 데이타량(υ)은 계속 증가하게 된다. 따라서 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량(υ)이 기 설정된 양, 예를 들어 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용량의 50%를 초과하여 저장되어 있으면(P4), P2단계에서 연산된 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)을 검출하여 DCT 변화 계수 계수들의 절대치들의 합(T)에 따라 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 조절한다.

즉, 유효 데이타량(υ)이 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용랑의 50%를 초과하여 저장되어 있으면(P4) 전송 버퍼(15)에 유효 데이타량(υ)을 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)으로 나눈뒤, 무게값인 비례 계수를 곱한다(제2식) (P6).

[수학식 2]

α : 비례 계수

T : DCT 변환 계수들의 절대치들의 합

υ : 유효 데이타량

P7단계에서 P6단계에서 연산된 값(X)에 기설정된 최소 양자화 스텝 크기(ρ)를 곱하여 그 결과치(제3식 참조)를 새로운 양자화 스텝 크기(Y)로 결정하여 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기에 따른 양자화를 수행 할 수 있도록 한다(P7).

[수학식 3]

따라서 (제3식)을 보면 유효 데이타량(υ)이 일정한 상태에서, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)이 크면 양자화 스텝 크기(Y)는 작아지고, DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)이 작으면 양자화 스텝크기(Y)는 커진다.

또한 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)이 일정한 상태에서 유효 데이타량(υ)이 커지면 양자화 스텝 크기(Y)는 커지고, 유효 데이타량(υ)이 작아지면 양자화 스텝 크기는 작아진다.

따라서 본 발명에 따르면 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용량의 50% 이하로 저장되어 있으며(P4) P2단계에서 검출된 화면의 복잡도에 상관없이 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 최소화 하여(P5) 양자화기(13)에서 전송 버퍼(15)로 전송되는 데이타량을 늘리고, 유효 데이타량(υ)이 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용량의 50%를 초과하여 저장되어 있을 경우(P4) DCT 변환 계수들의 절대치들의 합(T)에 따라 양자화 스텝 크기를 조절함으로써 복잡한 화면일수록 데이타를 보존하여 양자화로 인한 화질의 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 기 설정된 블럭 단위로 입력되는 디지탈 비디오 신호를 DCT 변환하여 DCT 변환 계수를 출력하는 DCT부(11), 양자화 스텝 크기에 따라 상기 DCT 변환 계수를 양자화 하는 양자화기(13), 상기 양자화된 데이타를 가변 길이 부호화하여 데이타를 압축하는 가변 길이 부호화부(14), 가변 길이 부호화된 데이타를 일시 저장한 후 수신측에 전송하는 전송 버퍼(15), 상기 양자화기(13)의 양자화 스텝 크기를 조절하는 코딩 제어기(25)를 구비한 인코우더에 있어서, 기 설정 블록 단위로 입력되는 이산적인 디지탈 비디오 신호를 상기 DCT부(11)가 DCT 변환하여 DCT 변환 계수를 출력하는 제1단계, 상기 코딩 제어기(25)가 상기 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합을 연산하는 제2단계, 상기 DCT 변환 계수들을 양자화 스텝 크기에 따라 상기 양자화기(13)가 양자화하고 상기 양자화된 데이타를 가변 길이 부호화부(14)가 가변 길이 부호화하여 상기 전송 버퍼(15)로 전송하는 제3단계, 상기 코딩 제어기(25)가 상기 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량을 판독하고 기설정된 기준량과 비교하는 제4단계, 상기 제4단계의 비교 결과 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량이 기 설정된 비교량보다 작거나 같으면 상기 코딩 제어기(25)는 기설정된 최소 양자화 스텝을 새로운 양자화 스텝으로 갱신하는 제5단계, 상기 제4단계의 비교 결과 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량이 기 설정된 비교량보다 크면 상기 코딩 제어기(25)는 상기 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량을 상기 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합으로 나누는 6단계, 상기 제6단계후 상기 코딩 제어기(25)는 전송 버퍼(15)내의 유효 데이타량을 상기 DCT 변환 계수들의 절대치들의 합으로 나눈값에 기 설정된 최소 양자화 스텝을 곱하여 그 결과치를 상기 양자화기(13)의 새로운 양자화 스텝 크기로 갱신하는 제7단계, 상기 양자화기(13)는 상기 제5단계와 상기 제7단계에 의해 새로운 갱신된 양자화 스텝 크기에 따라 DCT 변환 계수들을 양자화하는 제8단계를 포함하는 비디오 인코우더의 최적한 데이타 압축 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 기 설정된 기준량은 상기 전송 버퍼(15)의 최대 저장 용량의 50%인 비디오 인코우더의 최적한 데이타 압축 방법.