KR960007264B1 - 동영상 압축 시스템 - Google Patents

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인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

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Description

동영상 압축 시스템
제1도는 일련의 픽쳐 그룹(Group of Pictures : GOP)들의 예를 도시한 도면.
제2도는 픽쳐의 매크로블럭(Macroblock : MB) 부분할을 예시한 도면.
제3도는 프레임 또는 픽쳐의 슬라이스(slice) 분할을 도시한 도면.
제4도는 매크로블록의 블록 분할을 도시한 도면.
제5도는 MPEG에 사용된 GOP내의 픽쳐중에서 2-레벨 동(움직임) 보상(two-level motion compensation)을 설명하는 도면.
제6도는 본 발명에 따른 기술을 구현하기 위한 3개 성분의 서브 시스템을 포함하는 MPEG 엔코더의 블럭선도.
제7도는 MPEG 표준화 노력에 이용되는 2개의 테스트 시퀸시로 이루어진 영상 시퀀스(vidio sequence)에서 모든 픽쳐들의 전체 시퀀스에 대한 코딩 난이도 요소(인자)(coding difficulty factors)를 도시한 도면으로서, 픽쳐 시퀀스들은 정원 시퀀스인 첫 60프레임, 그 다음에 이어지는 테이블 테니스 시퀀스인 첫 60프레임(정지 장면을 시뮬레이션 하기 위한), 그 다음에 이어지는 테이블 테니스의 61번째 프레임의 30번 반복으로 이루어지며, 본 발명의 방법을 사용하는데 이용되는 도면.
제8도는 제7도 시퀀스의 각 픽쳐에 대한 계산된 비트 할당을 도시한 도면.
제9a도 및 제9b도는 제7도의 시퀀스의각 픽쳐에 대한 타켓 및 실제적인 비트 레이트(bit rate)를 도시한 도면.
제10도는 제7도의 시퀀스를 코딩하는데 이용되는 양자화(QP)요소를 도시한 도면.
제11도는 제6도의 AQ/RC 픽쳐 코더 서브시스템을 보다 상세히 도시한 도면.
제12a도 내지 제12d도는 MPEG 테스트 시퀀스의 정원 및 테이블 테니스의 세그먼트들로부터 얻은 I픽쳐와 P픽쳐의 전형적인 클래스 분포를 도시한 도면.
제13a도 내지 제13d도는 테스트 시퀀스의 프레임 16, 22, 61, 67의 각 열(row)에 있는 평균 QP와 QPlow을 도시한 도면.
제14a도 내지 제14d도는 열 단위로 생성된 비트 대 타켓과의 관계를 도시한 도면.
제15도는 제6도에 도시한 QP 적응 전처리기(QP-Adaptive Pre-Processor)의 상세부를 도시한 도면.
제16도는 제15도에 도시한 QP적응 전처리기의 3개의 가능한 필터 상태(FS)를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
GOP : 픽쳐 그룹 MB : 매크로블록
B : 양방향 동보상 픽쳐(B-픽쳐) P : 예측 동보상 픽쳐(P-픽쳐)
I : 모드내 픽쳐 Y : 휘도
M : P-픽쳐 사이의 거리 Cr : 적색 색도차
N : I-픽쳐 사이의 거리 Cb : 청색 색도차
DCT : 이산 코사인 변환
[발명 분야]
본 발명은 데이타 압축 분야에 관한 것으로서, 특히, 국제 표준 기구의 동화상 전문가 그룹(International Standards Organization's Moving Picture Experts Group )(MPEG)이 제안한 새로 부각된 MPEG 표준과 유사한 알고리즘으로 디지탈 동영상 신호(motion vidio signal)를 압축하는 시스템 및 기술에 관한 것이다.
[환경]
디지탈 전송망,디지탈 기억 매체, 초대규모 집적(VLSI) 소자, 영상 및 음성 신호의 디지탈 처리에 있어 기술적 진보는 다양한 분야에서 디지탈 영상의 전송 및 기억을 경제적으로 하는데 집중된다. 디지탈 영상 신호의 기억 및 전송은 여러가지 응용에서 중심적인 것이고, 또한 압축되지 않은 영상 신호를 표현하려면 큰 기억 용량이 필요하기 때문에, 이러한 진보적인 기술에서는 디지탈 영상 압축 기술의 사용이 필수적이다. 이와 관련하여, 디지탈 영상 압축에 대한 여러가지 국제 표준이 지난 10년간 출현되었고 현재도 개발중인 것이 많이 있다.
이러한 표준들은 영상 전화 및 전자 회의(video-telephpony and teleconferencing), 동축망 및 광섬유 망과, 지상 통신(broadcast) 및 직접 동시 위성을 통한 고품질 디지탈 텔레비젼 전송을 포함하는 각종 응용과, CD-ROM, 디지탈 오디오 테이프 및 원체스터(Winchester) 디스크 드라이브에 관한 대화식(interactive) 멀티미디어 제품에서의 압축 디지탈 영상의 전송 및 기억을 위한 알고리즘에 적용된다.
이들 표준 중 몇몇은 압축 기술의 공동 핵심, 즉 CCITT(국제 전신 전화 자문 위원회(Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony) 권고 H. 120, CCITT 권고 H. 261 및 ISO/IEC MPEG 표준에 기초한 알고리즘을 포함한다. MPEG 알고리즘은 국제 표준기구(ISO)와 국제 전기 기술 위원회(IEC)의 합동 기술 위원회(joint technical committee)의 부서인 동화상 전문 그룹(MPEG)에 의해 개발되었고 MPEG 위원회는 영상 및 관련 음성 신호의 멀티플렉스되고 압축된 표현을 위한 표준을 개발해 오고 있다. 그 표준은 압축 비트 스트림(열)의 신택스(syntax)와 디코딩 방법을 규정하고 있지만 엔코더에서 이용되는 알고리즘의 신규성 및 다양성에 대해서는 상당한 개발의 여지가 남아 있다.
본 발명이 본 발명에 대한 이해를 쉽게 하게 하기 위해 상기 엔코더와 관련하여 적용되고 있으므로, MPEG 영상 압축 알고리즘의 어떤 관련 형태에 대해서 검토하기로 한다. 그러나 본 발명은 MPEG 알고리즘의 몇가지 특징을 공유하는 다른 영상 코딩 알고리즘에도 적용될 수 있음에 주목하기 바란다.
[MPEG 영상 압축 알고리즘]
우선, 텍스트의 페이지, 영상, 음성 세그먼트(a segment of speech) 또는 영상 시퀀스와 같은 데이타 대상(오브 젝트)(object)의 압축은 다음과 같은 일련의 단계로 생략할 수 있다. 즉 상기 대상을 토큰의 수집(a collection of tokens)으로 분해(decompostion)하는 단계인 제1단계와, 그 토큰을 어떤 의미에서 최소 길이를 갖는 2진 스트링(string)으로 표현하는 단계인 제2단계와, 스트링을 양호하게 정의된 순서로 연결하는 단계인 제3단계로 생각할 수 있다고 이해해야 할 것이다.
제2단계 및 제3단계에서 손실이 없다. 즉 원래의 데이타는 역변환(reversal)시에 충실히 복구 가능하며, 제2단계를 엔트로피 코딩이라고 한다. (뉴져지 Englewood Cliffs 소재의 Prentice-Hall사 발행(1977년) T. Berger의 "레이트 왜곡 이론(rate distortion theory)"과, 메사츄세츠 소재의 Addison-Wesley사 발행(1971)년 R. McEliece의 "정보 및 코딩 이론(The Theory of Information and Coding)"과 1952년 9월 발행 Proc. IRE의 1098-1101 페이지에 게재된 D.A.Huffman의 "최소 리던던시(redundany) 코드 구성 방법(A method for the Construction of Minimun Redundancy)"과, 1984년 3월 발행 IBM J. Res. Develop. 제28권 135-149 페이지에 게재된 G.G. Langdon의 산술 코딩의 소개(An Introduction to Arithmetic Coding)"를 참조). 단계 1에서 일반적으로 손실이 없거나 있을 수 있다. 대부분의 영상압축 알고리즘은 엄격한 비트 레이트의 요건으로 인해 손실이 있다. 성공적인 손실 압축 알고리즘에서는 리던던트(redundant) 정보 및 무 관련(irrelevant) 정보가 배제되고 있는데 가시적으로는 심각할것 같지 않는 비교적 큰 오류가 허용되고, 인간 관찰자에게는 매우 민감한 시퀀스의 형태가 세심하게 표현되고 있다. 단계 1에서 이용되는 MPEG 알고리즘 기술은 예측/보간 동-보상(predictive/interpolative motion-compensated) 하이브리드 DCT/DPCM 코딩으로 서술될 수 있다. 단계 2에서는 가변장 코딩으로 알려진 Huffman 코딩(상기 Huffman의 1952년 논문을 참조)이 이용된다. 상기한 바와같이 MPEG-1 표준이 디코더와 압축 비트 스트림의 신택스의 진정한 명세일지라도, MPEG 명세에 대한 다음 설명은 설명의 편의를 위해서 주로 엔코더의 관점에서 기술된다.
MPEG 영상 표준은 1991년 ISO-IEC JTCI/SC2/WG11 NPEG CD-11172, MPEG 위원회 초안에 기술된 바와 같이 디지탈 기억 매체를 위한 영상의 코딩된 표현을 규정하고 있다. 알고리즘은 넌인터레이스(noninterlaced) 성분의 영상에서 동작하도록 설계되어 있다. 각각의 픽쳐는 3개의 성분, 즉, 휘도(Y), 적색차(Cr)와 청색차(Cb)를 갖는다. Cr과 Cb 성분은 각각 수평 및 수직 방향으로 Y성분 샘플의 반을 갖는다. 입력 데이타 형식에 대한 이와 같은 규정을 제외하곤, 압축을 위한 준비로서 소오스 영상 시퀀스에서 실행되는 전처리(pre-processing)의 양 또는 크기에 있어 제한은 없다. 이러한 전처리 방법이 본 발명의 하나의 목적이다.
[MPEG 시퀀스의 계층 구조]
MPEG 데이타 스트림은 시스템 정보 및 가능하게는 다른 비트 스트림과 함께 계층화된 것으로 간주될 수 있는 시스템 데이타 스트림으로 패킹(packing)된 영상 스트림 및 음성 스트림으로 구성된다. MPEG 데이타 스트림의 영상 계층내에서, 압축된 데이타는 추가로 계층화된다. 층의 구조에 관한 설명이 본 발명을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이러한 MPEG 영상계층 구조의 층들이 제1도 내지 제4도에 도시되었다.
제1도는 픽쳐 그룹(Groups of Pictures)(GOP)의 쌍을 예시하고, 제2도는 전형적인 한 픽쳐의 매크로블록(Macroblock) 부분할(subdivision)을 예시하며, 제3도는 전형적인 한 픽쳐의 슬라이스 부분할을 예시하고, 제4도는 매크로 블록의 블록 부분할을 도시하고 있다.
상기 계층들은 압축 알고리즘의 동작과 압축된 비트 스트림의 합성과 관련이 있다. 최상위 계층은 영상 시퀀스층이며, 전체 시퀀스에 대한 제어 정보와 파라미터를 수용하고 있다. 처음 층에서는, 시퀀스는 픽쳐 그룹(GOP)으로 알려진 연속 픽쳐들의 셋트로 분할된다. 이 계층의 일반적 그림이 제1도에 도시된다. 디코딩은 전 GOP과 무관하게 어느 GOP의 시작부에서 시작 가능하며, GOP내의 픽쳐의 수에는 제한이 없으며, 모든 GOP가 동일한 픽쳐수를 가져야만 하는 것도 아니다.
제3층 즉, 픽쳐층은 단일 픽쳐이다. 이 층의 일반적인 그림이 제2도에 도시된다. 각 픽쳐의 휘도 성분은 16×16 영역으로 분할되고, 색차 성분은 16×16 휘도 영역과 공간적으로 동일 위치에 위치한 8×8 영역으로 분할된다. 이러한 동일 위치의 휘도 영역은 색차 영역이 매크로블록(MB)으로 알려진 제5층을 구성한다. 한 픽쳐의 매크로블록들은 매크로블록 1로 시작하는 사전 편집순으로 연속적으로 번호가 매겨진다.
픽쳐층과 MB층 사이에는 제4층 즉, 슬라이스(slice) 층이 있다. 각각의 슬라이스는 임의의 수를 연속 MB들로 구성된다. 슬라이스는 픽쳐내에서 또는 픽쳐마다 크기가 균일할 필요는 없다. 슬라이스는 크기가 불과 몇개의 매크로블록이거나 또는 제3도에 도시한 바와 같이 MB의 복수의 열을 가로질러 연장할 수 있다.
마지막으로, 각 MB는 제4도에 도시한 바와같이 4개의 8×8 휘도 블록과, 2개의 8×8 색도 블록으로 구성된다. 만일 각 휘도 픽쳐(화상 요소, 즉 화소에서)의 폭을 C로 표시하고, 높이를 R로 표시하는 경우(C는 행에 해당하고 R은 열에 해당됨), 한 픽쳐의 폭은 CMB=C/16 MB이고, 높이는 RMB=R/16 MB이다. 마찬가지로 폭은 CB=C/8블록이고, 높이는 RB=R/8블록이다.
시퀀스, GOP, 픽쳐 및 슬라이스층들은 모두 그들과 관련된 헤더를 갖는다. 헤더는 바이트 정렬 스타트 코드로 시작하며, 대응층에 포함된 데이타와 관련한 정보를 포함하고 있다.
한 GOP 내에서 세가지 형태의 픽쳐가 나타날 수 있다. 픽쳐 형태들중에서 뚜렷한 차이는 사용된 압축 방법이다. 제1형태인 인트러모드(Intramode) 픽쳐들 또는 I-픽쳐들은 다른 픽쳐와는 무관하게 압축된다. I-픽쳐들간 거리에 대해 고정된 상한 (fixed upper bound)은 없지만, 무작위 액세스(random access)과 다른 특별한 동작 모드를 용이하게 하기 위해 시퀀스에 걸쳐서 I-픽쳐들은 빈번히 산재될(intersperse) 것이 예상된다. 각각의 GOP는 I- 픽쳐로 시작되어야만 하고, I- 픽쳐가 GOP 내에 부가적으로 나타낼 수 있다. 다른 2가지 형태의 화상, 즉, 예측 동-보상 픽쳐(predictively motion-compensated pictures)(P-pictures)와 양방향 동-보상 픽쳐(bidirectionally motion-compensated pictures)(B-pictures)는 다음의 동 보상에 관한 설명서에서 기술될 것이다.
한 GOP에서 I-픽쳐, P-픽쳐 및 B-픽쳐의 번호 및 순서에 관한 어떤 규칙들이 적용된다. 접합적으로 앵커픽쳐(anchor picture)라 불리우는 I-픽쳐 및 I-픽쳐와 관련하여, GOP는 적어도 또 하나의 앵커 픽쳐를 포함해야만 하며, 그 이상을 포함할 수도 있다. 또한, 앵커 픽쳐의 각각의 인접쌍 사이에는 영 또는 그 이상의 B-픽쳐들이 존재한다. 전형적인 GOP의 그림이 제5도에 도시되어 있다.
[I-픽쳐에서의 매크로블록 코딩]
매우 유용한 영상 압축 기술의 하나가 변환 코딩이다. (뉴저지 Englewood Cliffs, 소재의 Prentice-Hall사발행(1984) N. S. JAYANT와 P. NOOL의 "파형이 디지탈 코딩, 원리 및 음성과 영상의 응용(Digital Coding of Waveforms, Principles and Applications to Speech Vidio)", 뉴욕주 New York 소재의 Academic Press사가 발생한 편집인이 W. K. Pratt인 Image Transmission Techniques의 113-155 페이지에 게재된 A. G. TESCHER의 "변환 영상 코딩(Transform Image Coding)"을 참조). MPEG 및 몇가지 다른 압축 표준에서, 이산 코사인 변환(discrete cosine transform)(DCT)의 선택의 변환이다(캘리포니아 San Diego 소재의 Academic Press사 발행(1990) K. R. RAO와 P. YIP의 "이산 코사인 변환, 알고리즘, 이점, 응용, Computers에 관한 IEEE Transactions(1974. 1)의 90-93 페이지에 게재된 N. AHNED, T. NATARAJAN과 K. R. RAO의 "이산 코사인 변환"을 참조). I-픽쳐의압축은 1) 화소의 블록의 DCT를 취하고, 2) DCT 계수를 양자화하며, 3) 그 결과를 허프만 코딩(Huffman coding)하는 단계로 달성된다. MPEG에서, DCT 동작에 의해 n×n 화소의 블록이 n×n 세트의 변환 계수로 변환된다. 수개의 국제 압축 표준과 같이, MPEG 알고리즘은 8×8의 DCT 블록 사이즈를 이용한다. DCT 변환은 자체적으로 무손실(lossless) 동작하며, 무손실 동작은 실행되는 계산 장치 및 알고리즘의 정밀도내에서 역으로 가능하다.
제2단계인 DCT 계수의 양자화는 MPEG 알고리즘의 주요 손실원이다. m과 n이 0과 7 사이에 있고, DCT 계수의 2차원 배열의 요소를 csubmm으로 표시하면, 절단(truncation) 또는 반올림(rounding) 정정과는 별도로, 양자화는 각각의 DCT계수 Cmn을 WmnxQP로 나누므로써 달성되는데, Wmn은 가중요소(인자)(weighting factor)이고 QP는 양자화기 파라미터이다. QP는 각각 DCT 계수에 적용됨에 주지하라, 가중요소 Wmn에 의해 조악한(coarser) 양자화가 가시적으로 덜 중요한 계수에 적용된다. 2개의 가중(weight) 세트가 있을 수 있는데, 하나는 I-픽쳐에 대한 것이고, 또 하나는 P-픽쳐 및 B-픽쳐에 대한 것이다. 커스텀가중(custom weight)이 영상 시퀀스층내에 전송되거나 디폴트 값이 이용될 수 있다. 양자화기 파라미터(QP)는 MPEG에서 품질 대 비트율을 트레이프 오프(trade-off)하는 주요 수단이다. QP는 한 픽쳐내에서 MB마다 변할 수 있음에 주목하는 것이 중요하다. 적응 양자화(adaptive quantization : AQ)로 알려진 이러한 특징에 의해 각 픽쳐의 각기 상이한 영역이 상이한 단계 사이즈로 양자화될 있도록 하며, 각 픽쳐상에서, 그리고 픽쳐마다 시각적으로 품질을 등화(equalize)(및 최적화)하는데 이용될 수 있다. 비록 MPEG 표준에 의해 적응 양자화가 가능할지라도, 시각적 품질을 향상시키기 위해 AQ의 사용에 대한 룰(rule)로 이루어진 알고리즘은 표준화 되지 않았다. AQ에 대한 룰의 클래스가 본 발명의 한 목적이다.
양자화 다음에, 허프만 코드 세트를 사용하여 각각의 MB에 대한 DCT 계수 정부가 구성되고 코딩된다. 이 단계의 상세한 사항은 본 발명르 이해하는데 있어 필수적이지 않으며 종래 기술에서 일반적이므로 여기서 더 이상 설명하지 않는다. 이와 관련하여 더 이상의 정보를 알기 원하면 전술한 허프만의 1952 논물을 참조하기 바란다.
[동 보상(Motion Compensation)]
대부분의 영상 시퀀스는 연속 픽쳐들 사이에서 고도의 상관도를 보인다. 픽쳐를 코딩하기 전 이러한 리던던시를 제거하기 위한 유용한 방법이 "동(움직임) 보상((motion compensation)"이다. 동 보상을 하려면 한 장면의 움직임을 모델링하고 추정하기 위한 어떤 수단이 필요하다. MPEG에 있어, 각 픽쳐는 매크로블록으로 구분되고 각 MB는 예측 픽쳐 또는 픽쳐들의 동일한 일반적인 공간 위치에 있는 16×16 영역과 비교된다. 어떤 의미에서 MB와 가장 잘 부합하는 예측 픽쳐의 영역이 예측(prediction)에 이용된다. MB의 공간적 위치와 MB의 예측자의 공간적 위치 사이에 차이를 동백터(motion vector)라고 한다. 이와 같이 MB에 대한 동(움직임) 추정 및 보상 출력이 동벡터 및 동보상차 매크로블록이다. 압축된 형태에서 일반적으로 본래의 MB 자체 보다 더 적은 비트를 필요로 한다. 과거의 단일 예측 픽쳐를 이용하여 예측적으로 동보상된 픽쳐들을 P-픽쳐라고 한다. 이러한 종류의 예측을 또한 MPEG에서 시간의 진행에 따른 예측이라고 한다.
전술하 바와 같이 P-픽쳐와 그의 픽쳐간의 시간 간격은 하나의 픽쳐 간격 보다 클 수 있다. I-픽쳐와 P-픽쳐 사이에 또는 P-픽쳐들 사이에 있는 픽쳐들에 대해서 시간의 진행에 따른 예측에 부가하여 시간의 역진행에 따른 예측이 이용 가능하다(제5도 참조). 이러한 픽쳐들을 양방향 동보상 픽쳐, 즉 B-픽쳐라고 한다. 즉 B-픽쳐에 대해 순방향 및 역방향 예측에 부가하여 예측자가 이전 예측 픽쳐로부터의 한 블럭과 장래 예측 픽쳐로부터의 한 블럭의 평균인 보간 동보상이 가능하다. 이 경우, 2개의 동벡터가 필요하다. 양방향 동보상을 사용하므로써 제5도에 도시한 바와 같이 2개 레벨의 동보상 구조로 된다. 각각의 화살표는 도트와 접촉하는 픽쳐를 이용한 화살표 머리와 접촉하는 픽쳐의 예측을 가리킨다. 각각의 P-픽쳐는 이전의 앵커 픽쳐(I-픽쳐 또는 P-픽쳐)를 이용하여 동보상된다. 각각의 B-픽쳐는 B-픽쳐 바로 전후의 앵커 픽쳐들에 의해서 동보상 된다. MPEG에서 앵커 픽쳐들간 또는 I-픽쳐들간의 간격에 대한 제한을 규정하고 있지 않다. 사실상, 이들 파라미터는 한 시퀀스 전체에 걸쳐서 일정할 필요는 없다. I-픽쳐들간의 간격 N과 P-픽쳐들간의 간격 M과 관련하여, 제5도에 도시한 시퀀스는 (N,M-=(9,3)이다. 3개의 픽쳐 형태를 코팅하는데 있어, 재구성된 픽쳐 품질의 유사한 레벨에이르기 위해서는 압축된 데이타의 상이한 양들이 필요하다.
정확한 비율은 시퀀스의 공간적인 디테일양과 시퀀스의 움직임양 및 보상 능력을 포함한 여러가지 요인들에 따른다.
그러므로 MPEG-1 시퀀스는 I-픽쳐들 사이에 샌드위치된 하나 이상의 P-픽쳐들을 가지거나 P-픽쳐들을 가지지 않은 일련의 I-픽쳐로 이루어진다. 여러 I-픽쳐 및 P-픽쳐는 그들 사이에 샌드위치된 B 픽쳐를 가지지 않거나 하나 이상의 B-픽쳐들을 가질 수 있으며, 후자의 경우에는 앵커(anchor) 픽쳐로서 동작한다.
[P-픽쳐와 B-픽쳐의 매크로블록 코딩]
B-픽쳐들의 MB들에 적용될 수 있는 동 보상에는 세가지 종류, 즉, 순방향(forward), 역방향(backward)및 보간(Interpolative) 보상이 있다. 엔코더는 이들 모드중의 하나를 선택해야만 한다. 어떤 MB에 대해서는, 동보상 모드중의 어느 것도 정확한 예측은 주지 못한다. 그러한 경우에, MB는 I-픽쳐에서의 매크로블록(즉, 인트러모드 MB)과 같은 방식으로 처리될 수 있다. 이것이 또다른 가능한 MB 모드이다. 이처럼, P-픽쳐 및 B-픽쳐의 다양한 MB 모드가 존재한다.
각 MB를 코딩하는데 이용되는 MB모드 및 상기 모드와 관련된 어떤 동벡터와 관한 코드측 정보가 필요하다는 것외에는, 동보상된 매크로블록의 코딩은 인트러모드 MB들의 코딩과 유사하다. 양자화에 있어서는 약간의 차이가 존재하지만은 Wmn xQP에 의해 분할 모델이 여전히 유지된다. 또한, 적응 양자화(AQ)가 이용될 수 있다.
[레이트 제어]
MPEG 알고리즘은 주로 고정 비트 레이트의 기억 매체와 함께 이용되도록 고안되었다. 그러나, 각 픽쳐의 비트수는 다른 형태의 픽쳐 처리와 코딩되는 장면의 공간 일시적 복잡성(the spatio-temporal complexity)의 시간에 따른 고유의 변화로 인해 정확히 일정하지는 않게 된다. MPEG 알고리즘은 버퍼 기준의 레이트 제어 방법을 이용하여 허용된 비트 레이트의 변동 범위에서 의미있는 경계(바운드)(bounds)를 정한다. 영상 버퍼검증기(Vidio Buffer Verifier : VBV)는 가상 버퍼 형태로서 고안되었는데, 이것이 유일한 테스트는 각 픽쳐를 코딩하는데 이용되는 비트수의 경계를 정하여, 비트 레이트 전체가 타겟 할당과 같게 하고 타겟과의 단기간의 편차가 구분지어 지도록 하는 일이다. 이러한 레이트 제어 방법을 다음과 같이 설명할 수 있다. 가설의 디코더가 이어지는 한 버퍼로 구성되는 시스템에 대해 고려해 보자. 버퍼에는 일정한 비트 레이트로, 기억 매체로부터의 비트 스트림에 있는 압축된 데이타가 채워진다. 버퍼 사이즈와 비트 레이트는 둘다 압축된 비트 스트림으로 전송되는 파라미터이다. 비트 스트림의 정보로부터 유도되는 초기 지연후, 가설의 디코더는 첫번째 픽쳐와 관련된 모든 데이타를 버퍼로부터 순간적으로 제거한다. 그후, 시퀀스의 픽쳐 레이트와 같은 간격으로, 디코더는 버퍼에 있는 초기 픽쳐와 관련된 모든 데이타를 제거한다. 비트 스트림이 MPEG 레이트 제거 요건들을 만족시키기 위해서는 각 픽쳐의 모든 데이타는 디코더가 필요로 하는 순간에 버퍼에서 가용한 것이어야 한다. 이러한 요건이란 곧 각 픽쳐에서 허용된 비트수의 상한 및 하한(UVBV및 LVBV)이다. 소정 픽쳐의 상한 및 하한은 선행하는 모든 픽쳐에 이용된 비트수에 따른다. 인코더의 기능은 이러한 요건을 만족하는 비트 스트림을 생성 하는 것이다. 전술한 바와 같은 방식으로 실제의 디코더가 구성되거나 동작하리라는 기대되지 않는다. 가설의 디코더 및 이와 결합된 버퍼는 단순이 압축된 픽쳐의 사이즈에 대해 계산 가능한 한계를 부여하는 수단이다.
MPEG 엔코더의 중요한 한 기능은 이것이 생성하는 영상 비트 스트림이 이들 경계(상한 및 하한)를 만족시킬 수 있도록 하는 것이다. 픽쳐들을 시퀀스로 코딩하는데 이용되는 비트수에 대해서는 다른 제한들은 없다. 이러한 허용 범위란 최종적으로 재구성된 화상의 가시적 품질을 등화(및 최적화)하는 것에 대한 방식으로 상기 비트를 할당하는데 이용되어야만 한다. 이러한 비트 할당 문제의 해결책은 본 발명의 또다른 목적이기도 한다.
[문제]
그러므로, 상술한 MPEG 알고리즘에 관한 설명으로부터, MPEG 표준의 목적이 압축된 비트 스트림의 신택스 및 이것을 디코딩하는데 이용되는 방법을 규정하는 것임을 알 수 있다. 시스템 응용의 특정 요구에 시스템을 마추도록 엔코더 알고리즘 및 하드웨어 설계자들에게 상당한 허용 범위가 주어진다. 엔코더의 복잡도는 특정 응용에 적합하도록 특별한 비트 레이트의 가시적 품질을 고려하여 트리이드 오프(trade off)된다. 다양한 압축 비트 레이트 및 영상 크기도 가능하다.
이는 낮은 비트 레이트의 비데오폰으로부터 VHS 비데오 카세트 레코딩에 견줄만 한 품질의 폴스크린 멀티미디어(full-screen multimedia) 표현에 이르는 응용들을 수용한다. 따라서, 본 발명의 해결하고자 하는 문제는 MPEG 표준에 따라 디지탈 영상 시퀀스의 압축을 행하고, 압축된 시퀀스의 가시적 품질을 최적화하여 비트 스트림이 MPEG 고정 비트 레이트 요건들을 만족시키는 방식으로 적응 양자화 및 비트 레이트 제어를 통해 상술한 형태의 기술을 적용하는 것이다.
[종래 기술]
서두에서, 적응 양자화와 비트 레이트 제어에 관한 문제의 어떤 양상들에 관한 여러 방법을 밝혔다. 예컨대, W-H CHEN 및 W. K. PRATT는 그들의 논문 "Scene Adaptive coder"(IEEE Trans. Communications. Vol, COM-32, PP-225-232, 1984년 3월)에서 변환 계수에 대한 레이트 제어 양자화 인자(요소)의 개념에 대해 기술하고 있다. 여기서 이용되는 레이트 제어 방법은 일반적으로 화상 및 영상 압축 알고리즘에 적용되어 코딩시 생성되는 가변 비트 비율을 일정한 비트 레이트 채널에 정합시킨다. 이 기술에 관한 세부 사항은 상기 인용한 TESCHER 1979 북 챕터에서 찾아볼 수 있다.
CHEN 및 PRATT는 그들의 1984년 논문에서 화상 코딩을 다루고 있지만, 여기에서 설명하고 있는 개념들은 영상 코딩에도 적용가능하다. 그러나, 화상 자체의 성질에 따라 양자화 인자를 적용시키는 메카니즘은 없다. C-T, CHEN 및 D. J.LleGALL은 그들의 논문 "A K-th Order Adaptive Transform Coding Algrorithm for Image DataCompression" (SPIE Vol, 1153, Applications of Digital Image Processing XII. Vol. 1153, PP. 7-18, 1989)에서 각 블록의 k 번째 최대 DCT 계수의 크기를 토대로 양자화 인자를 선택하기 위한 적응 방법을 기술하고 있다.
H. LOHSCHELLER은 그의 논문 "A Subjectively Adapted Image Communication System", (IEEE Trans. Communications. Vol. COM-32, PP. 1316-1322, 1984년 12월)에서 블록을 분류하는 기술을 제안하고 있다. 이 기술은 적응 존 샘플링(adapive zonal sampling) 및 적응 벡터 양자화의 관련된다.
K. N. NGAN, K. S. LEONG 및 H.SINGH는 논문 "A HVS-weighted Cosine Transform Coding Scheme with Adaptive Quantization" (SPIE Vol. 1001 Visual Communications and Image Processing, Vol. 1001, PP. 702-708, 1988)에서 적응 양자화 변환 영상 코딩 방법을 제시하고 있는데, 여기서는 라스터 주사 순으로 가장 근접한 이웃 블록에 대하여 각 블록의 DC항(term)의 콘트라스타와 레이트 제어 버퍼가 양자화 인자에 적응하도록 결합하여 이용된다.
H. HOELZLWIMMER은 그의 논문 "Rate Control in Variable Transmission Rate Image Coders" (SPIE Vol. 1153 Applications of Digital Image Processing XII, Vol. 1153, pp. 77-89, 1989)에서, 결합된 비트 레이트 및 품질 제어기에 관해 기술하고 있다. 재구성 에러 및 레이트, 양자화기 스텝 사이즈 및 공간해상도를 제어하는데 2개의 파라미터가 이용된다. 상기 파라미터를 제어하기 위해 공간 영역의 가중된 평균 자승에러량(a spatial domain wighted mean sqare error measure)이 이용된다.
본 발명자에 의해 1991년 5월 24일자로 출원되어 동시 계류중인 미국 특허출원 제 705, 234호는 적응 양자화 문제에 관한 것이다. 여기에 개시된 기술은 본 발명의 서브 시스템 중 하나, 즉 적응 양자화 레이트 제어(AQ/RC) 픽쳐 코더로서 이용되고 있다.
[목적]
전술한 종래 기술의 시스템 및 알고리즘과는 대조적으로, 본 발명의 목적은 압축된 픽쳐들 중에서 비트를 영상 시퀀스로 할당하는 시스템 및 기술을 제공하는 것으로, 상기 시스템 및 기술은 특히 고정된 비트 레이트로 압축된 데이타 스트림을 생성하도록 의도된 영상 압축 알고리즘에 적용되며, ISO/IEC MPEG 영상 압축 표준과 거의 같은 동 보상(motion compensation)을 이용하고 있다.
본 발명의 다른 목적은 픽쳐에 고정된 비트 수를 그 픽쳐에 최적으로 할당하기 위해 영상 시퀀스로 픽쳐의 각기 다른 영역에서 변환 계수의 적응 양자화를 위한 시스템 및 기술을 제공하고 이용되는 실제 비트 수가 픽쳐에 할당된 수와 밀접하도록 하는 비트 레이트 에러 피드백 기술을 제공하는 것이다. 원리상으로, 이 스시템은 가변 비트 레이트 코더 뿐만 아니라 고정 비트 레이트 코더에서 이용될 수 있다.
본 발명의 또다른 목적은 코딩전 디지탈 동영상 시퀀스의 적응 전처리를 위한 시스템 및 기술을 제공하는 것으로써, 전처리의 특성은 시퀀스의 최근 픽쳐의 타겟 비트 레이트에 부합하는데 필요한 양자화의 엄격성에 다른다.
본 발명의 또다른 목적은 전술한 3개의 시스템의 조화로운 결합 동작으로 MPEG 표준에 적합한 개선된 엔코더 시스템을 형성하는 기술을 제공하는 것이다.
[발명의 개요]
본 발명은 수신 디지탈 동영상 시퀀스를 적응적으로 전처리하고, 비트를 시퀴스로 픽쳐들에 할당하고, 그리고 한 영상 시퀀스로 한 픽쳐의 상이한 영역의 변환 계수들을 양자화하도록 동작함으로써 상기 픽쳐에 할당된 비트의 수로 주어지는 최적의 가시적 품질을 제공하는 3개의 협동 구성요소(components) 또는 서브 시스템을 포함하는 제안된 ISO/IEC MPEG 표준에 사용하기 적합한 엔코더를 구현하는 시스템 및 방법을 포함하고 있다.
특히, 하나의 구성 요소에 의해 필요한 양자화의 전반적인 조악성(coarseness) 에 따라 일련의 전처리 동작들 중 한 동작을 영상 시퀀스에 적용하는 적응 전처리 서브 시스템이 실현된다.
또 다른 구성 요소에 의해 픽쳐 비트 할당 방법을 실행하는 서브 시스템이 실현된다. 이 방법은 고정 비트 레이트 압축 데이타 스트림을 생성하기 위한 영상 압축 알고리즘에도 적용될 수 있으며 동보상이 이용된다. 이러한 알고리즘의 한 예는 MPEG 영상 압축 표준이다. 비데오 시퀀스로 연속 픽쳐들 중에서 비트를 할당하는 이 방법은 픽쳐간의 가시적 품질을 등화(equalize)하며, MPEG 영상 버퍼 검증기(VBV)의 비트 레이트 제한을 충족시킨다.
제3구성 요소에 의해 한 영상 시퀸스로 픽쳐의 서로 다른 영역에서 변환 계수의 적응 양자화를 위한 알고리즘과, 실제 이용 비트 수가 픽쳐에 할당된 수에 근접하도록 비트 레이트 에러 피드백 기술을 구현하는 서브 시스템이 실현된다.
이들 3개의 협동 구성 요소 또는 서브 시스템은 서로 호환적으로 동작하며, 이들 각각은 다른 서브 시스템의 각각의 변형을 요구치 않고 동일한 타스크를 달성하도록 개별적으로 변형된다. 적응적 양자화 서브 시스템은 그 자체로 이용이 가능하며, 서브 시스템 각각은 또한, 다른 엔코더로 이용될 수 있다.
[양호한 실시예의 상세한 설명]
우선, 상기한 바와 같이, ISO/IEC MPEG 표준의 중요한 특징은 압축된 비트 스트림의 신택스와 그것을 디코딩 하는 방법이 상세히 규정되었다는 것이다. 따라서, 상이한 엔더룰르 갖는 것이 가능하며, 이 엔코더들은 모두 표준의 신택스와 호환성이 있는 비트 스트림을 발생시키지만, 그것들은 복잡도가 상이하며 결과적으로 소정의 비트 레이트로 상이한 레벨의 가시적 품질을 얻는다. MPEG 표준은 압축된 데이터 스트림의 평균 레이트가 고정된 상황에 주로 적용되지만 반드시 그러한 것은 아니다. MPEG 명세에는 용어 "고정 비트 레이트"의 정확한 정의가 내려져 있다. 그러나, 비록 평균 레이트가 일정해야만 하지만, 한 MPEG 영상 시퀀스의 각각의 픽쳐에 할당된 비트수는 모든 픽쳐에 대해 동일할 필요는 없다. 더우기, 한 픽쳐내의 비트의 할당은 균일할 필요가 없다. 저속의 비트 레이트로 고품질 시퀀스를 발생시키는 엔코더를 설계하는데 있어서 연구 부분은 픽쳐들중에서 그리고 픽쳐내에서 전체 비트 예산(total bit budget)을 할당하는 기술을 개발하는 것이다.
또한 명심할 것을 MPEG 표준에서 다른 중요한 코딩 특징, 즉, 적응 양자화(AQ)이다. 이 기술에 의해 각각의 픽쳐의 상이한 영역이 가변 충실도(varying degrees of fidelity)로 코딩될 수 있으며, 상기 기술은 각각의 픽쳐에 대해 그리고 픽쳐간의 가시적 품질을 등화(equalize) (및 최적화)하도록 영상 및 동(움직임) 영상 압축에 사용될 수 있다. 비록 MPEG 표준에 의해 적응 양자화가 가능할지라도 가시적 품질을 향상하기 위해 AQ 사용 규칙(rule)으로 이루어진 알고리즘은 MPEG 표준에서 규정되고 있지 않다.
MPEG 또는 유사한 엔코더에 적용될 수 있는 다른 광범한 부류의 기술을 일반적으로 전처리(preprocessing)라 한다.
샘플들의 기본적 공간 관계를 서로 변경시키지 않는 디지탈 화상 시퀀스의 어떠한 종류의 전처리로 압축된 시퀀스의 가시적 품질을 향상하도록 MPEG-호환 엔코더에 결합될 수 있다.
이것의 예들에는 선형 또는 비선형 프리-필터링(linear or nonlinear pre-filtering)이 포함된다.
본 발명으로 돌아와서, 본 발명에 따른 상기 기술을 구현하기 위해 3개의 구성요소(components) 즉 서브 시스템을 포함한 MPEG 엔코더의 블록도가 제6도에 도시되어 있다.
제6도에 도시된 바와 같이, 우선, 시퀀스에서 k번째 픽쳐를 나타내는 픽쳐 데이타(Pk)는 전처리가 일어날 수 있는 QP-적응-전처리기(3)인 한 서브 시스템에 입력된다. 전처리의 특성은 사전 코딩된 픽쳐의 양자화 레벨(QPPREV)에 의해 제어되고 데이타 시퀀스의 코딩의 과정에서 적응 양자화 레이트 제어(AQ/RC) 픽쳐 코더(1)로부터 서브 시스템(3)으로 사전에 통신된다. 서브 시스템(3)에 의해 출력된 가능한 전처리 픽쳐 데이타(Fk)는 다음의 서브 시스템인 AQ/RC 픽쳐 코더 CD(1)에 입력되며, 이 코더(1)에서 동(움직임) 추정 및 MB 분류가 일어난다. AQ/RC 픽쳐 코더(1)(Dk)내의 이러한 동작 결과중의 어떤 것은 나머지 서브 시스템인 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)으로 패피스되며, 픽쳐 데이타(Fk)는 비트 타겟수는 AQ/RC 픽쳐 코더(1)로 다시 패스된다. (Ak, Sk, Ck). 코딩은 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 진행된다. 궁극적으로, 픽쳐 데이타(Fk)의 압축된 데이타 (CDk)는 AQ/RC 픽쳐 코더(1)로 부터 출력된다. 또한, Fk(Bk)를 코딩하는데 필요한 비트수에 관련된 데이타와 재구성 오류(에러)(reconstruction error)(Er)는 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)으로 패스되고, 평균치(QPavg)일 수 있는 사전 양자화 레벨(QPPREV)은 차후 프레임을 처리하는데 사용하기 위해 QP 적응 전처리 서브 시스템(3)으로 패스된다.
3개의 서브 시스템의 동작 설명을 위해, 픽쳐-대-픽쳐(picture-to-picture) 비트 할당 서브 시스템(2)의 동작이 먼저 설명하고, 다음에 AQ/RC 픽쳐 코더 서브 시스템(1)의 기능이 설명되며, 다음에는 QP-적은 전처리기 서브 시스템(3)이 설명될 것이다. 앞에서 인용된 MPEG CD-11172와 ISO-IEC JTC1/SC2/WG11MPEG 91/74, 1991년도 MPEG 비데오 레포트 초안, 또는 디. 리갈의 ACM 통신, 34권(1991년 4월) "MPEG : 멀티미디어 응용을 위한 영상 압축 표준"을 참조하는 것이 MPEG 영상 압축 알고리즘과 본 발명의 관계를 완전히 이해하는 데에 도움이 될 수 있다.
[픽쳐-대-픽쳐 비트 할당]
영상 압축 알고리즘은 영상 시퀀스의 각각의 픽쳐를 표현하는데 필요한 데이타의 양을 감소시키기 위해 동보상을 이용한다. 고정 비트 레이트 압축 알고리즘은 규정된 타겟 부근에서 전반적인 평균 비트 레이트를 유지 해야만 하지만, 알고리즘은 종종 각각의 픽쳐에 할당된 비트수에 있어 어느 정도의 허용범위(latitude)를 갖는다. 각각의 픽쳐에 동일한 비트수를 정확히 할당하면 시간에 따라서 품질이 변화하는 압축된 시퀀스, 즉 보는 사람에게 가시적인 혼란을 주는 현상을 발생한다. 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)은 한 영상 시퀀스로 압축된 픽쳐중에서 비트를 할당하기 위한 절차를 포함한다. 서브 시스템은 고정 비트 레이트 압축 데이타 스트림을 발생시키고자 하는 영상 압축 알고리즘에 적용 가능하며, 동보상, 예컨대 ISO/IEC MPEG 영상 압축 표준이 이용된다.
이상적으로, 픽쳐 비트 할당 시스템은 코딩된 시퀀스의 인지된 가시적 품질이 픽쳐마다 균일하고 고정 비트 레이트 규칙에 의해 부과된 비트 할당 제한을 받는 소정 비트 레이트로 얻어질 수 있는 최적치와 같도록 각각의 픽쳐에 다수의 비트를 할당한다. 일반적으로, 그러한 시스템은 최초 픽쳐 또는 프레임을 코딩하기 전에 전체 시퀀스의 내용에 대한 지식을 필요로 한다. 시스템은 또한 재구성된 픽쳐들이 소정의 비트할당을 이용하여 코딩되었을 때에 가지는 가시적 품질을 미리 알 필요가 있다. 첫번째 요건은 큰 기억 장치와 지연의 가능성으로 인해 비현실적이다. 두번째 요건은 코딩된 원래의 픽쳐가 이용 가능할 때에도 코딩된 가시적 데이타의 인지된 가시적 품질을 수학적으로 다루기 쉬운 모델이 알려져 있지 않기 때문에 현재로서는 매우 어렵다.
본 발명의 픽쳐 비트 할당 서브 시스템은 근래의 각각의 형태의 픽쳐들을 코딩하는데 있어 난이도량(a measure of the difficulty)을 기록하므로써 이 문제에 대한 실용적 해결책을 제공한다. 코딩 난이도(coding difficulty)라고 지칭되는 이 양은 픽쳐의 공간적 복잡성과 동보상이 픽쳐의 내용을 예측할 수 있는 정도에 종속한다. 비트는 3개 유형(형태)의 상대적 코딩 난이도에 따른 양에 따라서 3개의 픽쳐 유형에 할당된다. 또한, 각각의 픽쳐(각각의 형태중 하나)에서 계산된 3개의 할당은 전체 픽쳐 그룹(GOP)이 그러한 할당을 이용하여 코딩되면 필요 비트수가 타겟 비트 레이트와 같게 되는 할당이다.
제6도에 있어서, 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)은 그 픽쳐에 대한 데이타(Fk)가 AQ/RC 픽쳐 코더(1)에서 분석되고, 그 픽쳐의 코딩 난이도 인자가 AQ/RC 픽쳐 코더(1)로부터 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)으로 패스된 후에, 그러나 픽쳐를 코딩하기 전에 픽쳐(k)에 얼마나 많은 비트가 할당되는 지를 결정한다. 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)는 또한 AQ/RC 픽쳐 코더(1)가 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)에 이미 패스되었다고 추측되는 미리 코딩된 픽쳐에 관한 정보를 이용한다. 특히, 이 정보는 각 유형의 최선 픽쳐(변환 계수 비트와 사이드(side) 비트로 구분됨)를 코딩하는데 사용된 비트수(Bk)와, 최신의 2개의 앵커(anchor) 픽쳐의 재구성 오류(Er)로 구성된다.
특정 픽쳐에 할당할 비트수를 추정할 때, 바로 다음에 오는 고정된 수의 연속 픽쳐, 즉, 고정된 수의 I-픽쳐(nI) P-픽쳐(np) 및 B-픽쳐(nB)를 포함하며 코딩되어야 할 시퀀스의 픽쳐 세트를 선택하고, 고려하는 것이 필요하다.
이 단계에서 고려하여 선택되는 일련의 픽쳐수와 구성(composition)이 시퀀스에서 픽쳐 마다 수행되는 픽쳐 비트 할당 절차에 사용된 픽쳐 수 및 성분과 같으면 유용하지만 반드시 필요한 것은 아니다. 필요한 것은 시간에 따른 최종적인 픽쳐 비트 할당의 평균이 타겟 평균 픽쳐 비트 할당과 같아야 하는 것이다.
비록 최종 결과가 각각의 픽쳐 형태에 대해 한 할당이 주어지는 3개의 픽쳐 비트 할당일지라도, 이제 기술할 할당 연산은 선택된 세트의 화상을 위한 할당을 고려하므로써 시작되며, 코딩될 픽쳐 유형에 대응되는 픽쳐 유형의 픽쳐 비트 할당만이 사용될 것이다. 이처럼, 절차는 타겟 비트 레이트와 일치하는 평균 비트 할당과 동일한 일련의 픽쳐들의 전체 비트 할당(Best)을 계산하므로써 시작된다.
Best=(nI+np+n)×Bavg
여기에서 Bavg는 타겟 비트 레이트와 일치하는 평균 픽쳐 비트 할당이다. 본 명세서의 본 절에서 일예로서 사용된 양호한 실시예에서, 일련의 픽쳐들에 할당된 비트들과 각각의 픽쳐에 할당된 비트들을 2개의 클래스(부류), 즉, 사이드 비트(S)와 계수 비트(C)로 분류된다. 여기에서, S는 코딩된 변환 계수 데이타 이외의 모든 코딩된 데이타를 포함하도록 취해진다.
전체 비트 할당(Best)에서 일련의 픽쳐들(Sset)내의 사이드 정보를 코딩하는데 필요한 비트수를 감산하므로써, 일련의 픽쳐들에 대한 변환 계수 비트 할당(Cset)이 얻어진다. 코딩될 화상의 변환 계수를 코딩하는데 할당된 비트의 수는 Cset의 일부가 될 것이며, 그 일부의 크기는 그 픽쳐와 관련된 코딩 난이도에 대한 추정에 따른다. 특히 코딩 난이도 정보를 이용한 통상의 할당 계산 방법에 대해 설명하기로 한다.
[변환 계수와 사이드 정보 할당]
사이드 비트는 픽쳐 헤더 정보와 모든 사이드 정보, 예로서, 동(움직임) 보상 모드 정보, 동벡터, 및 적응 양자화 데이타를 포함하도록 할당된다. 계수 정보는 픽셀 데이타 자체(I-픽쳐의 경우) 또는 픽셀 차이(차분)데이타(P-및 B-픽쳐의 경우)의 변환 계수를 코딩하는데에 사용된 비트들에만 포함된다. AI, Ap, 및 AB를 I-, P- 및 B- 픽쳐 각각에 대한 비트 할당이라고 하면, AI=SI+CI, AP=SP+CP및 AB=SB+CB이다(여기에 서 S와 C는 각각 사이드 및 계수 비트를 나타낸다). 양호한 실시예에서, 코딩될 다음 픽쳐의 사이드 정보 비트 할당은 동일 유형의 최신의 픽쳐의 사이드정보를 시퀀스로 코딩하는데 필요한 실제 비트수와 같게 설정된다. 사이드 비트 정보 할당을 계산하는 대안의 방법은 동일 형태의 몇개의 픽쳐 또는 모든 지나간 픽쳐를 시퀀스로 코딩하는데 필요한 실제 비트수의 평균을 사용하는 것이다. 이 절차에서 사이드 정보 할당을 무시하고 변환 계수 비트 할당에만 의거하여 픽쳐 비트 할당을 계산하는 것도 가능하다. 변환 계수 비트 할당에 의거한 계산 방법은 모든 사이드 할당 파라미터 Sx를 0이라고 가정하고 행해진다.
픽쳐와 관련된 코딩 난이도 요소(계수)를 계산하는 전형적인 수단에 대해서 아래에 기술되나, 한편, 설명의 편의를 위해서, 일단 계산되면 각각의 형태의 최신 픽쳐(most recent picture)에 대한 코딩 난이도 계수가 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)내에 저장되고, 현재 픽쳐에 대한 변환 계수 할당을 계산하기 위해 다음 절차가 사용된다. 우선, 픽쳐 세트에 대한 사이드 정보 할당은 (SSET+nISI+nPSP+nBSB)에 의해 추정된다.
이 양은 픽쳐 셋트에 할당된 전체 비트수(Best)로부터 감산되며 다음과 같은 픽쳐 변환 계수 할당 세트를 산출한다.
CSeT=BSeT-BSeT
다음에는 CI, Cp및 CB가 방정식의 유일해로서 구해진다.
이 셋트의 초기 방정식(Cset에 대한)에 의해서 전체 셋트 평균이 정확함을 알 수 있다. E'r은 과거와 미래의 재구성된 앵커 픽쳐의 절대 평균 오류의 평균이며, 가중치항 WP와 WB는 다른 항들과 관련하여 P-픽쳐 B- 픽쳐 할당을 디엠퍼사이즈(de-emphasize)하는 역할을 한다. 양호한 실시예에서 WP+1.0 WB=0.5이다. 이러한 가중치와 별개로, 셋트중 후자의 두 방정식(Cp와 CB에 대한)은 그들의 난이도가 (재구성된) 예측 픽쳐의 절대 평균 오류를 초과하는 정도에 비례하여 비트를 P-픽쳐 B-픽쳐에 할당한다.
상이한 픽쳐 형태의 코딩 난이도에 의거한 다른 비트 할당 룰(rule)이 가능하다. 전술한 전형적인 방법이 바람직한데, 상기 방법은, 3개의 코딩 난이도 계수(DI,DP,DB)를 통한 시퀀스의 공간적 복잡성과 Dp와 DB를 통한 동 보상과 달성과, Cset에 대한 초기 방정식의 요건을 통한 타겟 비트 레이트와 Er 및 Er'를 통한 최근 코딩된 픽쳐의 품질을 고려하고 있기 때문이다.
가끔, 상기 비트 할당 방법은 UVBV를 초과하거나 LVBV이하에 속하는 할당으로 된다. 이것이 발생하는 빈도는 VBV 버퍼의 크기와 시퀀스의 특성에 따른다. 통상 VBV 버퍼가 비교적 작고(예, 6개의 평균 픽쳐 또는 미만)동보상이 매우 성공적일 때 발생한다. 이 상황에서, 상기 할당 방법은 한 셋트에 대해 모든 변환 비트를 I-픽쳐에 가상적으로 부여하고자 시도하며, 그 결과 VBV 버퍼 사이즈 보다 큰 개개의 픽쳐에 대해 할당이 이루어진다. 양호한 실시예에서, 상기 상황이 발생할때, I-픽쳐 할당은 대응 VBV 한계내에 소랑이 속하도록 클리프되며, I-픽쳐로부터 취해진 비트는 P-픽쳐에 재할당된다. 이 재할당의 단계는 중요한데, 명시적 재할당(implicit reallocation)이 일어나지 않으면, 평균 비트 레이트가 떨어지기 때문이다. 이것은 궁극적으로 LVBV가 B-픽쳐 할당을 초과하기 시작할때 VBV 오버플로우 문제를 일으킬 것이다. 오버플로우의 결과는 B-픽쳐에 대한 묵시적 재할당(implicit reallocation)이며, 이는 더욱 불량한 전체 화상 품질을 가져온다. 명시적 P-픽쳐 재할당 기술의 부가적 이점은 정지 장면에서 픽쳐 품질이 매우 높다는 것이다. P-픽쳐 또는 B-픽쳐 할당이 VBV 경계 밖에 있는 경우에, 비트 재할당은 이루어지지 않는다.
상기 할당 방법은 단지 nB=0으로 설정하고, 할당을 계산할때, CB를 설정하는 식을 무시하므로써 B-픽쳐가 없는 경우에 적용될 수 있다는 것에 주목하기 바란다. 그것은 P-픽쳐가 존재하지 않는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다. 또한, 한 픽쳐에 대한 모든 비트를 할당하기 위해 코딩 난이도 추정을 이용하여 계수와 사이드 정보 사이의 구분은 무시될 수 있다. 이 경우에, 코딩 난이도 추정은 사이드 정보를 직접 코딩하는 어려움을 고려하거나 사이드 정보를 완전히 무시하고 행해질 수 있다.
MPEG 표준화 노력에 이용된 2개의 테스트 시퀀스, 즉, 정원 시퀀스(Flower Garden Sequence)와 테이블 테니스 시퀀스(Table Tennis Sequence)가 본 발명의 기술적 효과를 시험하기 위해 이용되었다. 구체적으로, 그 방법을 설명하기 위해서 정원 시퀀스의 처음 60 프레임과, 이어지는 테이블 테니스 시퀀스의 처음 60 프레임과, 다음에 이어지는 테이블 테니스의 61번째 프레임의 30회 반복(정지 장면을 시뮬레이션하기 위해서)으로 구성된 비데오 시퀀스가 이용될 것이다. 이 스퀸스는 352×240 픽셀 YUV 테스트 시퀀스이다. 코딩은 I-픽쳐 간격 N=15와 앵커 픽쳐 간격 M=3으로 1.15M 비트/초에서 수행되었다. 제7도는 전체 시퀀스에 대한 코딩 난이도 계수를 도시하며, 제8도는 각각의 픽쳐에 대해 계산된 비트 할당을 도시한다.
시퀀스에서 각각의 픽쳐에 대해 도시된 3개의 비트 할당은 그 픽쳐를 코딩하기 바로 전의 할당이지만, 이 할당중에서 하나만이 실제로 사용된다. 할당 방법으로부터 발생된 타겟 비트 레이트는 제9도에 시퀀스에 대한 실제 비트 레이트와 함께 도시되었다.
정지 세그먼트(Still segment)(프레임 121 내지 151)에서 장면 변환(프레임 61)가 안정적이고 P-픽쳐 및 B-픽쳐에 실제 비트 레이트가 거의 0으로 수렴함을 알 수 있을 것이다. 시퀀스를 코딩하는데 사용된 양자화 인자(QP)들이 제10도에 도시되었다. I-픽쳐 및 P-픽쳐가 B-픽쳐 보다 정교한 스텝 사이즈(finer step size)로 코딩된다는 것을 또한 주목하기 바란다.
[AQ/RC 픽쳐 코더]
AQ/RC 픽쳐 코더(1)로 돌아가서, 이 서브 시스템은 각각의 픽쳐를 코딩하는데에 이용된 비트수가 소정 타겟에 확실히 근접하며 향상된 가시적 품질을 달성하도록 비데오 시퀀스의 연속 픽쳐들을 적응적으로 양자화(AQ)하는 절차를 포함한다. 절차는 I-픽쳐, P-픽쳐 및 B-픽쳐에 대해 수행된다. 이 절차들은 동(움직임) 추정과; 화상 영역을 양자화 요소(QP)와 화상 영역의 측정된 특성의 함수로서 코딩하는데 필요한 비트수의 적응적 모델과; 생성된 전체 비트수가 소정 타겟에 근접하도록 픽쳐가 코딩될때 양자화 레벨을 채택하기 위한 방법(scheme)이 협력하여 작용하는 영역 분류 방법을 이용하여 픽쳐를 구성하는 공간적 영역을 처리하는 것을 포함한다. 비록 여기서 설명의 목적상 공간적 영역이 MPEG 매크로블록(MB)으로서 다루어지지만, 상기 절차는 상이한 크기와 형태의 영역에 적용될 수 있다.
제11도는 AQ/RC는 픽쳐 코더(1)의 구성 요소를 일반적으로 도시한다. 이 서브 시스템의 동작은 코딩되는 픽쳐의 형태에 따른다. 도면에 도시된 바와 같이, QP-적응 전처리기(3)에서 전처리되거나 되지 않을 수 있는 픽쳐(k)에 대한 영상 픽쳐 신호 (Fk)는 AQ/RC 화상 코더(1)의 동(움직임) 추정 및 MB 분류 유닛(14)에 입력된다. 그곳에서 픽쳐 신호가 분석되고, 각각의 MB는 아래에 기술된 절차에 따라 분류된다. 픽쳐가 P-픽쳐 또는 B-픽쳐이면, 동(움직임) 추정도 또한 실행된다. 코딩 난이도 계수(Dk)의 형태의 이러한 동작의 결과는 상술된 바와 같이 사용하기 위해 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(12)으로 패스된다. 다음에 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)은 픽쳐(k)에 대한 비트 할당 신호(Ck)를 복귀시킨다. QP 레벨 셋트 유닛(15)은 동 추정 및 MB분류 유닛(14)으로부터 패스된 일련의 정보와 함께 이 비트 할당 신호를 이용하여 각각의 MB를 코딩하는데 사용될 양자화 인자(QP)의 초기값을 결정한다. 부가적으로, QP-레벨 셋트 유닛(15)은 픽쳐의 MB의 각각의 열(row)을 코딩하는데 필요한 비트수의 추정을 계산한다. 이러한 양자화 인자와 열(row) 타겟은 레이트-제어(Rate-controlled) 픽쳐 코더 유닛(16)으로 패스되며, 코더 유닛은 동 추정 및 MB 분류 유닛(14)으로부터 패스된 정보를 사용하여 픽쳐의 코딩을 진행한다. AQ/RC 픽쳐 코더(1)의 동작이 3개의 서브 유닛으로 분할되기 때문에, 그에 따른 설명은 제11도를 주로 참조하면서 행해질 것이다.
[동(움직임) 추정 및 MB 분류 유닛]
동 추정 및 MB 분류 유닛(14)의 주요 목적의 하나는 한 화상의 각 MB를 코딩하는데에 어느 코딩 모드(m,(r,c))가 사용될 것인지 결정하는 것이다. I-픽쳐의 MB에 대해서 한가지 모드(인트러모드)만 있으므로 이 기능은 동 보상 픽쳐에 대해서만 사용된다. 모드 결정은 동 벡터와 동 보상 차이 MB를 발생하는 동 추정 프로세스에 따른다. 동 추정 및 MB 분류 유닛(14)의 다른 중요한 기능은 각각의 MB를 분류하는 것이다. MB(r,c)의 클래스(cl, (r,c))가 궁극적으로는 그 MB를 코딩하는데 사용된 양자화 요소(QP(r,c))의 값을 결정할 것이다. 각각의 픽쳐를 분석하고 코딩될 픽쳐와 예측 픽쳐 사이의 움직임을 추정하여 모드와 클래스를 결정한다. 동일한 정보가 또한 사용되어 코딩 난이도 계수(Dk)를 계산하고 이 계수는 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)으로 전달된다.
MPEG 영상 코딩 알고리즘에서의 움직임 추정의 목적은 동 벡터 mv(r,c)=(rmv, cmv)와 관련 동 보상 차이 MB Mk(r,c)를 얻기 위한 것이다. 동 보상 차이 MB란 현재의 MB와 예측 MB 사이의 픽셀의(pixel-wise)차이이다. 예측 MB를 형상하기 위한 정확한 방법은 사용된 보상 모드에 따르며, 상기 ISO-IEC JTCI/SC2/WG11 MPEG CD-11172, 1991년도 MPEG 위원회 초안에서 상세히 기술하고 있다. 어떤 의미에서 동 벡터는 관련된 픽쳐 부분의 참(true) 움직임을 나타내야 한다. 동 추정 기술의 상세 사항은 1988년 미국 뉴욕주 뉴욕시 소재의 플레넘 출판사가 발간한 에이. 앤. 네트라발리와 비.지. 하스켈(A. N. NETRAVALI AND B. G. HASKELL)저 "디지탈 픽쳐 : 표현 및 압축"에서 찾을 수 있다.
본 설명을 위해서, 수평 및 수직 방향으로 ±7×n 픽셀의 범위를 커버하는 완전한 탐색 동 추정 알고리즘을 이용하고 있다고 가정하며, 여기에서 n은 분석되는 픽쳐와 예측 픽쳐 사이의 픽쳐 간격이 거리이며, 동 벡터는 픽셀의 반의 크기만큼 정확하다. 본 발명은 영상 시퀀스를 코딩하기 위해 동 추정의 결과를 이용하는 기술을 포함하지만, 어느 특정 동 추정 기술로만 사용하는 것에 제한되지 않으며, 보상되는 MB와 동 벡터에 의해 지적된 예측 영역 사이에서 어느 정도의 매칭이 있는지를 나타내는 동 보상의 성공량(동 보상 오류)이 이용 가능하다면 어떠한 동 추정 방법도 이용 가능하다. P-픽쳐에 대해 한 형태의 동 추정(시간의 순방향)이 있고, B 화상에 대해서는 세 형태(시간의 순방향, 시간의 역방향, 시간의 보간)가 있다. MB (c,r)의 순방향(forward) 동 벡터는 mvf(r,c)로 표시되고 역방향(backward) 동 벡터는 mvb(r,c)로 표시될 수 있다. 보간 (interpolate) 모드는 순방향 및 역방향 벡터를 모두 사용한다. 순방향, 역방향 및 보간 동 보상 오류를 각각 △mc,f(r,c), △mc,f(r,c), 및mc,f(r,c)로 표시될 수 있다.
동 보상 오류에 추가하여, 각 MB의 공간적인 복잡성을 측정할 필요가 있다. 즉 복잡성의 척도가 필요하다. 이 척도를 △(r,c)로 표시한다. △(r,c),△mc,f(r,c), △mc,b(r,c), 및mc,i(r,c)는 그들의 수치적 비교가 의미가 있다는 면에서 유사한 척도라는 것이 중요하다. 양호한 실시예에서, 이러한 척도는 모두 아래에 지적된 바와 같이 절대 평균량으로 한정된다. 각각의 MB를 열 및 좌표(r,c)로 표시하면 MB(r,c)의 4개의 8×8 블록의 휘도값은 yk(i,j)(i=0 내지 7이고, j=0 내지 7이고, k는 0 내지 3)으로 표시되며, 각각의 8×8 블록의 평균값은 dck로 표시된다. 그러면, MB(r,c)에 대한 공간적인 복잡도의 척도(양)가 DC로부터의 절대 평균차로 취해지며, 다음식으로 주어진다.
여기에서,
동일한 동 보상 오류는 절대 평균 오류이다. 예측 MB의 4개의 8×8 블록을 Pk(i,j)(i=0 내지 7, j=0 내지 7, k=0 내지 3)으로 나타내면, 이것은 다음식으로 정의된다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)으로 패스된 코딩 난이도 계수는 상기 공간적 복잡성의 척도와 동 보상 오류에 완전히 의거한다. I-픽쳐의 경우, 전체 난이도 계수는 다음과 같다.
P-픽쳐 및 B-픽쳐의 경우, 코딩 모드가 먼저 결정되고, 그 모드와, 관련된 척도가 상기와 비슷한 합산에 사용된다.
다음의 모드가 가능하다.
인트러모드 m(r,c)=1
순방향 mc : m(r,c)=mcf
역방향 mc m(r,c)=mcb
인터플레이티브 mc m(r,c)-mci
난이도 계수는 다음식으로 계산된다.
사용할 모드를 결정하기 위해 여러가지 가능한 룰이 사용될 수 있다. 양호한 실시예에서, 다음의 규칙이 P-픽쳐에 대해 사용된다.
β=1.0의 값이 사용된다. 양호한 실시예에서, B-픽쳐에 대해 사용된 모드 선택 규칙은 하위 △(r,c)를 가진 모드가 MB를 코딩하는데 사용되는 것이다. 비록 절대 평균량이 양호한 실시예에서, 코딩 난이도의 척도로서 사용되었지만, 어떤 유사한 척도(예로서, 평균 제곱량(mean square quantities))도 사용될 수 있다.
MB 모드를 결정하고 코딩 난이도를 계산하는데 사용된 척도는 동 추정 절차의 부산물(by-products)이 되도록 의도되었다. 이것은 부분적으로 상술한 척도가 추정 절차에 있어서 가장 좋은 동 벡터를 찾는데 종종 사용되기 때문에 가능하다.
이 척도는 또한 매크로블록을 분류하는데에서도 사용된다. 양호한 실시예에서, MB들은 다음과 같이 분류된다. 보든 인트러모드 MB의 클래스는 그 MB에 대히 △k(r,c)의 최소값을 양자화하므로써 계산된다. 임계치t를 정의하자면, MB(r,c)의 클래식 cl(c,r)은 다음식으로 주어진다.
동 보상 모드가 동 보상 MB들에 대해 선택된 후에 다음식에 따라 분류된다.
t=2의 값이 양호한 실시예에서 사용된다. 인트러 모드와 보상 척도가 둘다 동 보상 MB들을 분류하는 데에 사용된다. 모드와 클래스 정보는 초기 양자화 레벨을 결정하도록 QP-레벨 셋트 유닛(15)과, 코딩 동안 RC 픽쳐 코더 유닛(16)에 의해 기본적 척도로 사용된다.
제12도에는 시퀀스의 정원 및 테이블 테니스 세그먼트 둘다로부터 취해진 I-픽쳐 및 P-픽쳐에 대한 대표적 클래스 분포가 도시되고 있다.
양호한 실시예에서 계산의 복잡성을 줄이기 위해서, B-픽쳐 MB는 분류되지 않고, Q-레벨 셋트 유닛(15)은 사용되지 않으며, RC 픽쳐 코더 유닛(16)에 사용된 코딩 방법은 I-픽쳐 및 P-픽쳐에 사용된 것보다 간단하다.
QP-레벨 셋트 유닛
QP-레벨 셋트 유닛(15)의 기능은 각각의 클래스에 대해 양자화가 스텝 사이즈의 초기값을 계산하는 것이다. 소정 클래스의 모든 MB에는 동일 양자화 스텝 사이즈가 할당된다. 양호한 실시예에서, 전체 최소 스텝 사이즈에 대한 각각의 클래스의 양자화 스텝 사이즈는 다음식에 따라 할당된다. QP(r,c)=QPlow+△QP×cl(r,c).
양호한 실시예에서 사용된 △QP의 값은 5와 6이다. 비록 MPEG는 1 내지 31의 범위에서 QP(r,c)의 정수 값만을 허용하지만, 양호한 실시예에서 QPlow의 혀용 범위는 -31 내지 31이다. 따라서, 상기 식의 31 보다 큰 값을 발생시킬 때마다, 31로 클립되며, 1 아래로 떨어지는 값은 1로 클립된다. 가장 정교한 양자화기 스텝 사이즈가 모든 클래스의 MB에 적용될 수 있도록 비트 레이트가 그것을 가능케 한다면, QPlow를 1 보다 적게 하는 것이 좋다. QPlow의 초기치를 선택하는 과정을 아래에 설명한다.
cl(r,c)가 주어졌을 때, 각각의 MB의 등급 cl(r,c)을 계산하고 QP(r,c)를 계산하는 방법에서 반영된 바와 같이 양호한 실시예에 사용된 코딩 오류의 휴먼 감지의 기본적 모델은 유사한 크기의 오류가 픽쳐의 엑티브하지 않은 영역에서 더욱 잘 보인다는 것이다. 이러한 모델은 분명히 지나치게 단순화한 모델이지만 가시적 품질과 계산상의 부담을 절충한 모델이다. 분류를 위해서 MB내의 4개의 휘도 블록상에서 전체 블록의 △대신의 최소 △k를 사용하는 이유는 어느 스므스한 영역을 갖는 MB에는 낮은 양자화기 스텝 사이즈가 할당되어야 한다는 것이다.
MB 모드 m(r,c)와 클래스 cl(r,c)은 초기 양자화기를 낮은 값 QPlow로 설정하기 위해 픽쳐 변환 계수에 대해 △(r,c) 및 △mc(r,c) 값과 타겟 비트 레이트와 함께 이용된다. 이용될 양자화 값과 △(인트러모드 MB의 경우에) 또는 △mc(동보상 MB의 경우에)가 주어졌을때, MB의 변환 계수를 코딩하는데 필요한 비트수를 예측하는 모델이 본 발명에 따라 개발되었다. 실험 데이타에 따라 인트러 모드 MB에 대해서 다음과 같은 형태의 모델이 산출되고,
BI(QP, r,c)=aI△(r,c)QPbⅠ
동보상 MB에 대해서는 다음과 같은 모델이 산출된다.
Bmc(QP, r,c)=ap△mc(r,c)QPbp
지수 bⅠ=-0.75이고 bp=-0.50이다. 그러나, 이들 값은 사용되는 특정 양자화 가중치 Wmn에 절대적으로 의존하며 가중치와 매칭되도록 최적화되어야 한다.
a와 b 파라미터에 대한 적절한 값을 추정하기 위해, 다음의 실험적 방법이 취해졌다. aⅠ와 bⅠ를 추정하는 것이 바람직한 경우 I-픽쳐 모델의 경우를 고려한다. 픽쳐 마다의 변화를 추적하기 위해 모델의 파라미터를 책택하여야 하기 때문에, 주요한 관심사는 픽쳐들의 앙상블(ensemble)보다 개개의 픽쳐에 대한 모델의 정확도 일 것이다. 따라서, 각각의 패스(pass)에 대한 QP의 양자화가 스텝 사이즈의 다른 값을 사용하여 대표적 픽쳐가 수회 엔코딩된다. 각각의 QP값에서 각각의 MB를 코딩하는데 필요한 비트수가 측정된다. 다음에는, 각각의 QP값에 대해, 소정의 △값을 모든 MB를 코딩하는데 필요한 비트수가 평균화된다. 평균화된 결과가 MB의 △값 및 MB를 코싱하는데 사용된 QP 스텝 사이즈의 수로서 MB를 코딩하는데 필요한 평균 비트수를 나타내는 2차원 데이타 셋트이다. 이러한 평균치는 Bij=B(QPi, △j)로서 표시될 수 있다. 이러한 측정치를 다음의 방정식에 맞추는 것이 바람직하다.
이것은 aⅠ와 bⅠ로 표시된 비선형 방정식의 과도하게 결정된 셋트(overdetermined set)이며, 비선형 최소 자승법(nonlinear least square method)을 이용하여 해결될 수 있다. 문제를 선형화하기 위해서 방정식의 양변의 대수를 취한다. 이렇게 하므로써 log(al) 및 bl에서 선형 최소 자승의 문제가 용이하게 해결된다.
비데오 시퀀스의 동적 변화 특성을 추적하기 위해서 선형 파라미터 al와 ap는 각각의 I-픽쳐 또는 P-픽쳐를 코딩한 후에 조정되어야 한다. 이것은 이후의 RC 픽쳐 코더 유닛(16)에 관한 설명에서 상세히 설명되는 방법에 따라 수행될 수 있다(인터러모드 MB의 경우, 이 모델은 DC 계수에 대한 코딩이 별도로 다루어져야 되기 때문에 MB내의 DC항을 코딩하는데 필요한 비트수를 고려하도록 추가함을 부가함으로써 개선될 수 있다).
이러한 비트 레이트 모델에 따라 전체 픽쳐에 대한 변환 계수를 코딩하는데 필요한 예측된 비트수는 다음식으로 주어진다.
로 주어지고, P-픽쳐에 대해서는
로 주어지며, 여기에서 QP(r,c)는 다음식에 따라 개선된다.
QP(r,c)=QPlow+△QP×cl(r,c).
QPlow에 대한 초기치는 B(QP)가 픽쳐 변환 계수 할당(C)에 가장 가까운 QP값으로 취해진다.
양호한 실시예에서,을 찾기 위해 -31과 31 사이에서 1/2 간격의 탐색이 수행된다. 이 절차에서 QP에 대한 상한 및 하한의 역할이 미묘하다. 상한 31에서 엔코더가 표준에서 허용된 가장 조악한 가능 양자화(the coarsest possible quantization)로 충분히 동작 가능하다. 보다 큰 상한은 이후 보다 상세히 기술되는 바와 같이 비트의 과도 생성(over-prouduction)에 대해 더욱 민감하게 하므로써 레이트 제어 알고리즘(rate control algorithm)의 성능을 변경시킬 것이다. QP에 대한 하한에 대해서도 유사한 성질이 있다.
일단 QPlow가 결정되면, QP-레벨 셋트 유닛(15)은 QPlow를 사용하여 MB의 열(r)을 코딩하는데 필요한 예상된 비트수를 다음식에 의해 계산한다.
여기에서, Nrow는 MB의 열 수이다. 이 식의 두번째 항은 QPlow에서 모델에 의해 예측된 비트수와 실제 변환 계수 할당(C) 사이의 차이를 표현하고 있으며, 세번째 항은 사이드 정보 할당(S)의 각각의 열의 몫을 나타낸다. 모든 열상의 타겟(T(r))의 합이 픽쳐 전체에 할당(A)된다. 이러한 예측된 값이 RC 픽쳐 코다 유닛(16)에 대한 타겟 열 비트 레이트가 된다.
레이트-제어된 픽쳐 코더
픽쳐 코딩은 MB를 통한 인덱싱과, 이전 단계에서 결정된 모드와 양자화기 스텝 사이즈에 따른 각각의 코딩에 의해 진행된다. 그러나 비트율 레이트의 부정합과 스퀸스 내용의 계속적인 변화로 인해서, 생성된 실제 비트수는 예측된 수와 정확히 매칭되지 않을 것이다. 픽쳐에 대해 발생된 실제 비트를 타겟에 가깝게 유지하고 또한 VBV 비트 레이트의 한계를 벗어나지 않도록 하기 위해서 이러한 편차를 제어하는 것이 바람직하다. MB의 각각의 열에 끝에서 QPlow를 갱신하는 레이트 제어 피드백 방법이 본 발명에 따라 개발되었다. 많은 요소에 의해 갱신에 결정된다. 한가지 요소는 △(r,c), △mc(r,c) 및 할당된 양자화기 스텝 사이즈의 변화에 기인하여 픽쳐내의 MB의 상이한 열이 동일한 비트수를 생성할 것으로 예상되지 않는다는 것이다. 각각의 열의 끝에서, 생성된 비트수는 QP-레벨 셋트 유닛(15)내에서 계산된 예상된 수(T(r))과 비교된다. QPlow를 갱신하는데 있어 역할을 하는 다른 요소는 픽쳐 할당과 생성된 실제 비트수와의 VBV 한계까지의 밀접성(closeness)이다. 비트 레이트 편차의 함수로서의 QPlow갱신 이득은 오류 방향으로의 VBV 한계의 근접성(proximity)의 함수이다. 예상 비트 레이트에서의 미소한 편차는QPlow에서 변화를 거의 또는 전혀 일으키지 않으며, 픽쳐 비트 레이트를 VBV 한계들중 하나 또는 다른 한계에 가깝게 하는 편차에 의해 QPlow에서 최대로 가능한 조정이 필요케된다. 그러한 방법은 VBV 위반을 방지하고, 따라서, 코딩된 데이타를 드롭시키거나 쓸모없는 바이트를 비트 스트림으로 채우는 것과 같은 바람직하지 않은 엑션을 피하는데 매우 성공적이다.
다음에 방정식은 양호한 실시예에서 구현된 바와 같이 QPlow에 대한 갱신 절차를 기술한다. 열(m)과 모든 선행 열을 코딩하는 데에 사용된 전체 비트수를 B(m)으로, B(m)과 누적 타겟 사이의 차이를 △B(m)으로 표시하면,
이다.
열(m)을 코딩한 후에, △B(m)≠0이면 QPlow는 다음과 같이 갱신된다.
여기에서, △U와 △1은 픽쳐 할당(A)과 픽쳐(n)의 상한 및 하한 VBV 사이의 차이이다.
이 방법은 VBV 기준에 따라 허용된 최대 오류에 관련하기 때문에 전체 비트 할당 오류에 의거하여 QPlow를 현재 열까지 갱신한다.
각각의 I-픽쳐 또는 P-픽쳐가 코딩된 후에, 새로운 비트 레이트 모델 파라미터(aⅠ, ap)는 비트 레이트 모델이 실제로 생성된 변환 계수 비트수(Ca)와 일치하게 계산된다. 각각의 픽쳐를 코딩하는 동안에 I-픽쳐 경우에 대해 이것을 설명하자면 각각의 QP 값으로 코딩된 MB에 대한 모드 △(r,c)의 합이 다음과 같이 발생된다.
aⅠ의 갱신된 값은 다음식으로 계산된다.
α=0.667의 값이 실시예에서 사용될 수도 있다.
한 P-픽쳐를 코딩한 후에 aⅠ와 ap를 모두 갱신시키기 위해 유사한 방법이 사용된다. 그 경우에, α는 갱신되는 비트 레이트 모델 파라미터에 대응하는 모드에서 코딩된 MB의 부분에 비례한다.
최종적으로, 픽쳐의 모든 사이드 정보를 코딩하는데 사용된 비트수는 동일 형태의 다음 픽쳐에 대한 사이드 할당(S)의 값으로서 사용하기 위해 저장된다.
QP 할당과 갱신 방법의 성능이 제13도 및 제14도에 도시되었다. 제13도는 테스트 시퀀스의 각각의 프레임(16,22,61,67) 열의 QPlow와 평균 QP를 도시한다. QPlow와 비트 레이트 모델에 대한 초기 예상이 정확하다면, 열 마다 QPlow의 변화는 전혀 없다는 것을 이해해야 한다. 그러나, QPavg는 픽쳐의 상이한 열의 공간 액티비티(spatial activity)와 동(움직임) 보상에 따라 변동될 것이다. 예컨대, I-픽쳐 QP 값으로부터 정원 세그먼트 열의 하부 절반은 상부 절반보다 공간적인 복잡성이 더함을 볼 수 있다. 결과적으로 P-픽쳐는 동 보상이 QPavg의 변화를 감소하고 제14도가 열과 열을 기준으로 생성된 비트대 타겟의 관계를 보여주고 있다. 그 결과를 볼 때 타겟이 알맞게 잘 트래킹 되어 있다.
B-픽쳐에 대한 레이트 제어 방법 I-픽쳐와 P-픽쳐에 대한 레이트 제어 방법과 는 다르다. MB 분류가 행해지지 않아 각 열의 MB가 생성하게 될 압축된 데이타의 량을 계산하는 시도가 이루어지지 않는다. 그러므로, 픽쳐에 있는 모드 열 타겟은 동일하다. 각 픽쳐의 시작부에서, 양자화기 요소는 이전의 B-픽쳐의 끝에서 가졌던 값과 같게 설정된다. 각 열의 MB 다음에 QP는 다른 픽쳐 형태들 경우에서와 같은 방식으로 여러번 갱신되지만 상한 및 하한은 △U=max(TVBV-A,A), △1=max(O,LVBV)-A.으로 결정된다.
전술한 식은 적용 비트 할당 및 양자화를 이용하여 소오스 재료, 및 비트 레이트 범위에 걸쳐 고품질의 코딩된 시퀀스를 제공하는 동 영상 코더 절차를 나타낸다. 코딩된 데이타는 ISO/IEC MPEG 영상 코딩 표준의 고정된 비트 레이트 요건을 고수한다. 적응적 방법을 구현하는데 필요한 추가된 코더의 복잡성은 동 보상 추정, 이산 코사인 변환, 양자화 및 Huffamn 코딩(이들은 기본적인 코더의 일부분이 됨)의 기본적인 동작과 관련하여 적절하다. 이들 특징들이 플렉시블한 실시간 영상 코덱(codec) 구현에 적합한 알고리즘을 만든다.
[비데오 시퀀스의 적응 전처리]
본 발명의 QP-적응 전처리기(3)의 동작은 임의 조건하에서 입력 픽쳐들이 전처리되어 고주파수 정보를 감쇠시키거나 코딩에는 불충분하지만 저주파수의 노이즈가 없는 정보 보다 가시적으로 덜 중요한 잡음을 제거할때 저 비트 레이트 코더로 가시적으로 보다 만족한 영상이 생성된다는 관측에 의거하여 있다. 특히, 시퀀스가 공간적으로 매우 복잡한 무시할 수 없는 사이즈의 영역을 포함하거나 어떤 이유로 잡음이 생기게 되었을 경우, 매우 디테일한 영역 및 잡음을 정확히 나타내기 위해서는 과도한 비트수가 필요케 되어 가시적 품질에서 전반적인 저하를 가져오게 된다. 이러한 저하는 종종 플리커링 잡음과 같은 아티팩트를 가시적으로 어지럽히는 형태를 취한다. 선형 또는 비선형 필터링과 같은 전처리에 의해 고주파수 성분을 감소시키는 것은 좋은 트레이드 오프가 되며, 이는 영상을 원래의 영상과 같지 않게 보이게 하지만 아티팩트를 어지럽히지 않고 저주파수 정보를 양호하게 연출한다. 한편, 많은 시퀀스들은 저 비트 레이트에서의 가시적 품질이 고주파수 정보 및 잡음을 감소시키지 않아도 허용 가능한 정도이다. 이와 같은 경우에, 전처리는 불필요하게 저하를 수반한다. 따라서, 필요에 따라서 전처리를 행하거나 행하지 않는 것이 바람직하다.
전처리의 필요성을 지시해 주는 하나의 중요한 지시자는 타겟 비트 레이트 시퀀스를 코딩하는데 필요한 양자화 레벨이다. 전처리 량을 제어하기 위해 양자화 인자에 관한 정보를 이용하는 주된 장점은 이것이 비트 레이트와는 무관하다는 점이다. 일반적으로, 양자화 레벨이 수배로 매우 높다면(이는 조악한 양자화 및 그로인한 열악한 품질의 재구성을 의미함), 장면이 너무 복잡해져 타겟 비트 레이트로 정확히 코딩하는 것이 불가능하다.
본 발명의 제3시스템의 일반적인 동작에 관해서 제16도에 도시한 양호한 동작 실시예와 제15도에 도시한 QP-적응 전처리기(3)의 구성요소와 관련하여 제6도를 참조하여 설명하기로 한다. AQ/RC 픽쳐 코더(1)의 동작과 관련하여 상술한 바와 같이, 각 픽쳐가 코딩될때, 변환 계수를 양자화하는데 이용된 이전의 양자화 인자 QPprev가 계산된다. 이 양자화 레벨은 픽쳐의 각 형태의 MB의 수, 픽쳐 비트 할당 서브 시스템(2)에 의해 픽쳐에 할당된 비트수 및 픽쳐의 전반적인 복잡도를 비롯한 여러가지의 사항에 의존한다. 픽쳐를 코딩하는데 이용되는 평균 QP는 종종 QPprev용으로 이용하기 양호한 양(quantity)이 된다. 각 픽쳐에 대한 코딩이 완료된 후, QPprev는 QP/RC 코더(1)로부터 QP-적응 전처리기(3)로 패스된다. 하나 이상의 이전의 픽쳐로부터의 QPprev값을 토대로, 여러개의 전처리기중 하나가 선택되어, 미래의 어떤 점에서 시작하는 나중의 픽쳐로부터의 새로운 QPprev값에 의해서 전처리기에서 또다른 변화가 야기될 때까지 계속되는 모든 픽쳐에 적용된다. 제15도에 도시된 바와 같이 QPprev신호는 구현 지연(실시 지연) 버퍼(31)에서 수신되어 QPprev신호를 전처리기 유닛(33)으로 신호 전환을 제어하는 전처리기 알고리즘 선택기 유닛(32)으로 패스된다.
전처리기 유닛(33)은 필터 1, 필터2..... 필터 n으로 이루어진 필터 세트로 구성할 수 있다. 전처리기(33)의 양호한 구현이 제16도에 도시되어 있는데, 여기서 전처리기 필터들을 순수하게 선형 필터이며 3개의 가능한 필터 상태(FS)가 존재한다.
1. FS=0 필터 없음
2. FS=1 계수(1/16, 7/8, 1/16)를 갖는 개별적인 3 탭 FIR 필터
3. FS=2, 계수(1/8, 3/4, 1/8)를 갖는 개별적인 3 탭 FIR 필터.
유닛(31) 및 (32)의 제어하에서 필터 상태를 갱신하는데 유용한 하나의 알고리즘은 다음과 같다.
필터 상태 갱신은 I-픽쳐 다음에 발생하며, 다음 I-픽쳐때까지는 새로운 상태가 발생되지 않는다. (이 지연은 구현 지연으로 일컫어진다) T1및 T2의 유용한 값은 각각 10과 5이다.
전술한 필터 세트, 필터 상태, 필터 상태 갱신률 및 구현 지연의 특정한 선택은 본 발명의 범위내에서 여러가지 다양한 가능성들중 단지 하나만을 나타내는 것이다. 임의의 필터수가 있을 수 있으며 그 필터들은 비선형이나 또는 공간적으로 적응적 필터일 수 있다. 또다른 중요한 변형은 필터 상태를 보다 빈번히 갱신하고, 동시에 구현(실시) 지연을 감소하는 것이다. 예컨대, 필터 상태의 갱신은 모든 P-픽쳐 다음에 발생하고 구현 지연은 P-픽쳐들 간의 지연으로 감소된다.

Claims (30)

  1. 일련의 동(움직임) 영상 시퀀스로 (a set of pictures in a motion video sequence) 표현되는 압축 코드 디지탈 데이타 신호들(compression code digital data signals)에 사용되는 비트의 할당 방법으로, 3가지 형태의 I, P, B중 하나로 압축 코딩되는 상기 일련의 픽쳐들을 식별하는 단계와, 상기 시퀀스에 대해서 고정된 타겟 비트 레이트(a fixed target bit rate)에 의거하여 상기 일련의 픽쳐들을 압축 코딩하는데사용되는 총비트수를 결정하는 단계와, 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도(the degree of difficulty of compression coding each picture type)와 상기 일련의 픽쳐들내의 3가지 픽쳐 형태들의 각 픽쳐의 기지의 숫자(number)들을 이용하여 상기 고정된 타겟 비트 레이트와 부합하는 할당을 산출하기 위하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기전에 상기 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태에 대한 할당을 결정함으로써 상기 총 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들중의 한 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용되는 비트를 할당하는 단계를 포함하는 비트 할당 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 총 비트수를 두 부분, 즉 사이드 정보에 관한 부분과, 코딩되는 픽쳐들의 변환 계수 데이타에 관한 부분으로 분할하는 단계를 더 포함하는데 상기 분할 단계는 , 상기 총 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들의 상기 정보에 관한 부분에 대한 비트수를 할당하는 단계와, 상기 변환 계수 데이타에 관한 부분에 대해 상기 총 비트수에서 나머지 비트들을 할당하는 단계로 이루어지며, 상기 나머지 비트들은 또한 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도와 상기 일련의 픽쳐들 중 3가지 픽쳐 형태들의 각 픽쳐의 기지의 숫자를 이용하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태의 할당을 결정함으로써 추가로 할당되는 비트 할당 방법.
  3. 제1항에 있어서, 각 픽쳐 형태에 대한 비트들의 할당은 상기 픽쳐 형태를 압축 코딩하는데 있어서의 난이도에 비례하는 비트 할당 방법.
  4. 제1항에 있어서, 각 픽쳐 형태에 대한 비트들의 할당은 각 픽쳐의 개개의 형태로 사용되는 비트수를 할당 하는 것을 포함하는 비트 할당 방법.
  5. 제1항에 있어서, 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도는 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐의 픽셀 데이타의 압축 코딩의 난이도를 이용하여 결정되는 비트 할당 방법.
  6. 제1항에 있어서, 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도는 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐 차이(차분) 데이타의 압축 코딩의 난이도를 이용하여 결정되는 비트 할당 방법.
  7. 제1항에 있어서, 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도는 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐의 픽셀 차이 데이타의 압축 코딩의 난이도를 측정하는 대응 기준을 이용하여 결정되는 비트 할당 방법.
  8. 일련의 동(움직임) 영상 시퀀스(motion video sequenec)로 표현되는 압축 코드 디지탈 데이타 신호들에서 사용되는 비트의 할당 시스템으로, 3가지 형탱의 I, P, B중 하나로 압축 코딩되는 상기 일련의 픽쳐들을 식별하는 수단과, 상기 시퀀스에 대해서 고정된 타겟 비트 레이트 의거하여 상기 일련의 픽쳐들을 압축 코딩 하는데 사용되는 총 비트수를 결정하는 수단과, 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도(the degree of difficulty of compression coding each picture type)와 상기 일련의 픽쳐들중 3가지 픽쳐 형태들의 기지의 숫자 (number)들을 이용하여 상기 고정된 타겟 비트 레이트와 부합하는 할당을 산출하기 위하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태에 대한 할당을 결정함으로써 상기 총 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들중의 한 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용되는 비트를 할당하는 수단을 포함하는 비트 할당 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 총 비트수를 두 부분, 즉 사이드 정보에 관한 부분과, 코딩되는 픽쳐들의 변환 계수 데이타에 관한 부분으로 분할하는 수단을 더 포함하는데 상기 분할 수단은, 상기 총 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들의 상기 사이드 정보에 관한 부분에 대한 비트수를 할당하는 수단과, 상기 변환 계수 데이타에 관한 부분에 대해 상기 총 비트수에서 나머지 비트들을 할당하며, 상기 나머지 비트들은 또한 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도와 상기 일련의 픽쳐들중 3가지 픽쳐 형태들의 각 형태의 기지와 숫자를 이용하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태의 할당을 결정함으로써 추가로 할당하는 수단을 포함하는 비트 할당 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 비트 할당 수단은 각 픽쳐 형태에 대한 비트들을 상기 픽쳐 형태의 압축 코딩에 있어서의 난이도에 비례하여 할당하는 비트 할당 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 비트 할당 수단은 개개의 형태의 각 픽쳐에 사용되는 비트수를 할당함으로써 각 픽쳐 형태에 대한 비트들을 할당하는 비트 할당 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 비트 할당 수단은 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐의 픽셀 데이타의 압축 코딩 난이도를 이용하여 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도를 결정하는 수단을 포함하는 비트 할당 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 비트 할당 수단은 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐의 픽셀 차분 데이타의 압축 코딩의 난이도를 이용하여 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도를 결정하는 수단을 포함하는 비트 할당 시스템.
  14. 제8항에 있어서, 상기 비트 할당 수단은 코딩되는 픽쳐와 이미 코딩된 상기 일련의 픽쳐들중 적어도 하나의 픽쳐의 픽셀 차분 데이타의 압축 코딩의 난이도를 측정하는 대응 기준을 이용하여 각 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도를 결정하는 수단을 포함하는 비트 할당 시스템.
  15. 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법으로, 상기 동영상 시퀀스의 픽쳐들은 상기 픽쳐들을 구성하는 공간 영역을 나타내는 디지탈 데이타 신호로 표현되며, 3가지 형태의 I, P, B 중 하나로 압축 코딩되는 각 픽쳐를 식별하는 단계와, 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 비트들의 수를 나타내는 각 픽쳐에 대한 비트 할당 신호를 수신하는 단계와, 각각의 픽쳐를 상기 시퀀스로 압축 코딩하는 단계를 포함하고, 상기 압축 코딩은 코딩되는 픽쳐의 각각의 공간 영역을 상기 공간 영역의 픽셀 데이타 또는 픽셀 차분 데이타에 의거하여 분류하는 단계와, 상기 픽쳐의 각 공간 영역을 코딩하는데 사용되는 양자화 스텝 사이즈를 공간 영역의 분류와 상기 픽쳐의 상기 비트 할당 신호 및 상기 픽쳐의 다른 공간 영역의 분류에 의거하여 결정하는 단계와, 상기 픽쳐를 공간 영역의 그룹으로 분할하여 상기 그룹중에서 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 상기 비트수에서 비트들을 할당하는 단계와, 상기 결정된 양자화 스텝 사이즈를 이용하여 상기 공간 영역의 그룹을 연속해서 압축 코딩하는 단계와, 공간 영역의 각 그룹을 압축 코딩한 다음에 상기 픽쳐의 이미 코딩된 그룹을 코딩하는데 사용된 비트수가 상기 이미 코딩된 그룹에 할당된 비트 할당에서 벗어날때, 상기 픽쳐에서 코딩되지 않은 나머지 공간 영역에 적용되는 양자화 스텝 사이즈를 조정하는 단계를 포함하는 압축 코딩 방법.
  16. 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템으로, 상기 공영상 시퀀스의 픽쳐들은 상기 픽쳐들을 구성하는 공간 영역을 나타내는 디지탈 데이타 신호로 표현되며, 3가지 형태의 I, P, B중 하나로 압축 코딩되는 각 픽쳐를 식별하는 수단과, 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 비트들의 수를 나타내는 각 픽쳐에 대한 비트 할당 신호를 수신하는 수단과, 각각의 픽쳐를 상기 시퀀스로 압축 코딩하는 수단을 포함하며, 상기 압축 코딩 수단은 코딩되는 픽쳐의 각각의 공간 영역을 상기 공간 영역의 픽셀 데이타 또는 픽셀 차분 데이타에 의거하여 분류하는 수단과, 상기 픽쳐의 각 공간 영역을 코딩하는데 사용되는 양자화 스텝 사이즈를 공간 영역의 분류와 상기 픽쳐의 상기 비트 할당 신호 및 상기 픽쳐의 다른 공간 영역의 분류에 의거하여 결정하는 수단과, 상기 픽쳐를 공간 영역의 그룹으로 분할하여 상기 그룹중에서 상기 픽쳐를 압축 코딩하는데 할당된 상기 비트수에서 비트들을 할당하는 수단과, 상기 결정된 양자화 스텝 사이즈를 이용하여 상기 공간 영역의 그룹을 연속해서 압축 코딩하는 수단과, 공간 영역의 각 그룹을 압축 코딩한 다음에 상기 픽쳐의 이미 코딩된 그룹을 코딩하는데 사용된 비트수가 상기 이미 코딩된 그룹에 할당된 비트 할당에서 벗어날때, 상기 픽쳐에서 코딩되지 않은 나머지 공간 영역에 적용되는 양자화 스텝 사이즈를 조정하는 수단을 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  17. 시퀀스로 픽쳐들을 나타내는 디지탈 데이타 신호가 변환 및 양자화에 의해 처리되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템의 압축 코딩 방법에 있어서, 복수의 전처리 방법중 한 방법에 따라서 상기 시퀀스내의 적어도 한 픽쳐의 디지탈 데이타 신호를 전처리하여 전처리된 픽쳐 디지탈 데이타 신호의 시퀀스를 발생하는 단계와, 변환 및 양자화 방법을 이용하여 전처리된 픽쳐 디지탈 데이타 신호를 압축 코딩하는 단계와, 상기 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 시퀸스로 사전 코딩된 압축 코딩에 이용된 양자화 정도를 표시하는 신호에 응답하여 상기 픽쳐의 디지탈 데이타 신호에 이용하는 전처리 방법을 선택하는 단계를 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법이 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 정도에 따라 랭크되며 적어도 하나의 고임계(high threshold)가 상기 양자화 정도와 관련하여 선택되는 단계와, 이전 픽쳐를 압축 코딩하는데 이용된 양자화 정도가 상기 고임계를 처과하지 않는다면 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 전처리하는데 이용된 방법과 동일하도록 상기 픽쳐를 전처리하는 전처리 방법을 선택함으로써 고도의 전처리 방법이 상기 픽쳐를 전처리하는데 선택되는 단계를 더 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법이 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 장도에 따라 랭크되며 적어도 하나의 저임계가 상기 양자화 정도와 관련하여 선택되는 단계와, 이전 픽쳐를 압축 코딩하기 위해 사용된 양자화 정도가 상기 저임계 보다 작지 않는 한 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 전처리하기 위해 사용된 방법과 동일하게 되도록 상기 픽쳐 전처리하는 전처리 방법을 선택함으로써 저도(lower degree)의 전처리 방법이 상기 픽쳐를 전처리하기 위해 선택되는 단계를 더 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법이 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 정도에 따라 랭크되며 적어도 하나의 임계가 상기 양자화 정도와 관련하여 선택되는 단계와, 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용된 양자화 정도를 상기 임계와 비교하여 상기 픽쳐의 상기 비교 결과에 응답하여 전처리에 사용되는 전처리 방법을 선택하고 상기 전처리 방법의 정도가 변화되는지를 나타내는 판단 신호를 발생하는 단계를 더 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 판단 신호는 상기 시퀀스로 사전 선택된 픽쳐를 압축 코딩하기 전에만 상기 압축 방법의 정도 변화를 표시하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 전처리 방법의 정도 변화는 상기 판단 신호가 변화 정도를 표시하는 픽쳐 다음의 상기 시퀀스로 많은 픽쳐가 지연되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  23. 시퀀스로 픽쳐들을 나타내는 디지탈 데이타 신호가 변환 및 양자화에 의해 처리되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템에 있어서, 복수의 전처리 방법중 한 방법에 따라서 상기 시퀀스로 적어도 한 픽쳐의 디지탈 데이타 신호를 전처리하여 전처리된 픽쳐 디지탈 데이타 신호의 시퀀스를 발생하는 수단과, 시퀀스로 사전 코딩된 픽쳐의 압축 코딩에 이용된 양자화 정도를 표시하는 신호에 응답하여 상기 하나의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 하나의 픽쳐에 대한 디지탈 데이타 신호를 이용하는 전처리 방법을 선택하고, 상기 전처리 수단에 선택된 전처리 방법을 표시하는 한 신호를 공급하기 위한 수단을 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법을 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 정도에 따라 랭크하는 수단과 적어도 하나의 고임계를 상기 양자화 정도와 관련하여 선택하는 수단을 포함하며, 상기 선택 수단은 이전 픽쳐를 압축 코딩하는데 이용된 양자화 정도가 고임계를 초과하지 않는다면 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 전처리하는데 사용되는 방법과 동일하게 픽쳐를 전처리하는 전처리 방법을 선택함으로써 고도의 전처리 방법이 상기 픽쳐를 전처리하도록 선택되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법을 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 방법의 전처리 정도에 따라 랭크하는 수단과 적어도 하나의 저임계를 상기 양자화 정도와 관련하여 선택하는 수단을 포함하며, 상기 선택 수단은 이전 픽쳐를 압축 코딩하기 위해 사용된 양자화 정도가 상기 저임계 보다 작지 않는 한 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 전처리하기 위해 사용된 방법과 동일하게 상기 픽쳐를 전처리하는 전처리 방법을 선택함으로써 저도(lower degree)의 전처리 방법이 상기 픽쳐를 전처리하도록 선택되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 상기 복수의 전처리 방법을 대응 양자화 정도와 관련하여 전처리 정도에 따라 랭크하는 수단과 적어도 하나의 임계를 상기 양자화 정도와 관련하여 선택하는 수단을 포함하며, 상기 선택 수단은 상기 시퀀스로 이전 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용된 양자화 정도를 상기 임계와 비교하여 상기 픽쳐를 전처리 하는 방법을 선택하고, 상기 비교 결과에 응답하여 상기 전처리 방법의 정도가 변화되는지를 나타내는 판단 신호를 발생하는 수단을 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 판단 신호는 상기 시퀀스로 사전 선택된 픽쳐를 압축 코딩하기 전에만 상기 전처리 방법의 정도 변화를 표시하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  28. 제26항에 있어서, 상기 판단 신호가 정도 변화를 표시하는 픽쳐 다음의 상기 시퀀스로 다수의 픽쳐로 상기 전처리 방법의 정도 변화를 상기 판단 신호에 응답하여 지연시키는 수단을 더 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
  29. 시퀀스로 픽쳐들을 나타내는 디지탈 데이타 신호가 변환 및 양자화에 의해 처리되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템 압축 코딩 방법에 있어서, 복수의 전처리 방법중 한 방법에 따라서 상기 시퀀스로 적어도 한 픽쳐의 디지탈 데이타 신호를 전처리하여 전처리된 픽쳐 디지탈 데이타 신호의 시퀀스를 발생하는 단계와, 상기 스퀸스로 사전 코딩된 픽쳐의 압축 코딩에 이용된 양자화 정도를 표시하는 신호에 응답하여 상기 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 픽쳐의 디지탈 데이타 신호에 이용하는 상기 전처리 방법을 선택하는 단계와, 상기 동영상 시퀀스로 일련의 픽쳐들을 표현하는 디지탈 데이타 신호를 압축 코딩하는데 사용되는 비트들을 할당하는 단계를 포함하며, 상기 비트 할당 단계는, 3가지 형태의 I, P, B중 하나로 압축 코딩되는 상기 일련의 픽쳐들에서 각각의 픽쳐를 식별하는 단계와, 상기 시퀀스에 대해서 고정된 타겟 비트 레이트에 의거하여 상기 일련의 픽쳐들을 압축 코딩하는데 사용되는 총 비트수를 결정하는 단계와, 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도 (the degree of difficulty of compression each picture type)와 상기 일련의 픽쳐들중 상기 3가지 픽쳐 형태들의 각 형태의 공지의 수(number)들을 이용하여 고정된 타겟 비트 레이트 부합하는 할당을 산출하기 위하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태에 대한 할당을 결정함으로써 상기 통 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들중의 한 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용되는 비트를 할당하는 단계와, 픽쳐들을 구성하는 공간 영역을 나타내는 디지탈 데이타 신호로 표현되는 픽쳐를 갖는 동영상 시퀀스를 압축 코딩하는 단계를 포함하며, 상기 동영상 시퀀스의 압축 코딩 단계는, 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 비트들의 수를 나타내는 각 픽쳐에 대한 비트 할당 신호를 수신하는 단계와, 각각의 픽쳐를 상기 시퀀스로 압축 코딩하는 단계를 포함하고, 상기 압축 코딩은 코딩되는 픽쳐의 각각의 공간 영역을 상기 공간 영역의 픽셀 데이타 또는 픽셀 차분 데이타에 의거하여 분류하는 단계와, 상기 픽쳐의 각 공간 영역을 코딩하는데 사용되는 양자화 스텝 사이즈를 공간 영역의 분류와 상기 픽쳐에 대한 상기 비트 할당 신호 및 상기 픽쳐의 다른 공간 영역의 분류에 의거하여 결정하는 단계와, 상기 픽쳐를 공간 영역의 그룹으로 분할하여 상기 그룹중에서 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 상기 비트수에서 비트들을 할당하는 단계와, 상기 결정된 양자화 스텝 사이즈를 이용하여 상기 공간 영역의 그룹을 연속해서 압축 코딩하는 단계와, 공간 영역의 각 그룹을 압축 코딩한 다음에 상기 픽쳐의 이미 코딩된 그룹을 코딩하는데 사용된 비트수가 상기 이미 코딩된 그룹에 할당된 비트 할당에서 벗어날때, 상기 픽쳐에서 나머지 코딩되지 않은 공간 영역에 적용되도록 양자화 스텝 사이즈를 조정하는 단계를 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 방법.
  30. 시퀀스로 픽쳐들을 나타내는 디지탈 데이타 신호가 변환 및 양자화에 의해 처리되는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템에서, 복수의 전처리 방법중 한 방법에 따라서 상기 동영상 시퀀스로 적어도 한 픽쳐의 디지탈 데이타 신호를 전처리하여 전처리된 픽쳐 디지탈 신호의 시퀀스를 발생하는 수단과, 상기 영상 비디오 시퀀스로 사전 코딩된 픽쳐들을 압축 코딩하는데 이용된 양자화 정도를 표시하는 신호를 발생하는 수단과, 상기 동영상 시퀀스로 사전 코딩된 픽쳐들을 압축 코딩하는데 이용된 양자화 정도를 표시하는 상기 신호 발생 수단으로부터 신호에 응답하여 상기 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 상기 픽쳐의 디지탈 대해 상기 전처리 수단에 의해 이용되도록 상기 전처리 방법을 선택하는 수단과, 상기 동영상 시퀀스로 일련의 픽쳐들을 표현하는 디지탈 데이타 신호를 압축 코딩하도록 사용되는 비트들을 할당하는 수단을 포함하며, 상기 비트 할당 수단은, 3가지 형태의 I, P, B중 하나로 압축 코딩되는 상기 일련의 픽쳐들에서 각각의 픽쳐를 식별하는 수단과, 상기 시퀀스에 대해서 고정된 타겟 비트 레이트에 의거하여 상기 일련의 픽쳐들을 압축 코딩하는데 사용되는 총 비트수를 결정하는 수단과, 각각의 픽쳐 형태의 압축 코딩의 난이도(the degree of difficulty of compression coding each picture type)와 상기 일련의 픽쳐들의 상기 3가지 픽쳐 형태들의 각 형태의 공지의 수(number)들을 이용하여 상기 고정된 타겟 비트 레이트와 부합하는 할당을 산출하기 위하여 각각의 픽쳐를 압축 코딩하기 전에 일련의 픽쳐들에서 각 픽쳐 형태에 대한 할당을 결정함으로써 상기 총 비트수에서 상기 일련의 픽쳐들중의 한 픽쳐를 압축 코딩하는데 사용되는 비트를 할당하는 수단과, 상기 픽쳐들을 구성하는 공간 영역을 나타내는 디지탈 데이타 신호를 표현되는 픽쳐들을 갖는 시퀀스와 상기 시퀀스로 각 픽쳐를 압축 코딩함으로써 상기 동영상 시퀀스를 압축 코딩하는 수단을 포함하며, 상기 동영상 시퀀스의 압축 코딩 수단은, 각 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 비트들의 수를 나타내는 각 픽쳐에 대한 비트 할당 신호를 발생하는 수단과, 코딩되는 픽쳐의 각각의 공간 영역을 상기 공간 영역의 픽셀 데이타 또는 픽셀 차분 데이타에 의거하여 분류하는 수단과, 상기 픽쳐의 각 공간 영역을 코딩하는데 사용되는 양자화 스텝 사이즈를 공간 영역의 분류와 상기 픽쳐에 대한 상기 비트 할당 신호 및 상기 픽쳐의 다른 공간 영역의 분류에 의거하여 결정하는 수단과, 상기 픽쳐를 공간 영역의 그룹으로 분할하여 상기 그룹중에서 상기 픽쳐를 압축 코딩하도록 할당된 상기 비트수에서 비트들을 할당하는 수단과, 상기 결정된 양자화 스텝 사이즈를 이용하여 상기 공간 영역의 그룹을 연속해서 압축 코딩하는 수단과, 공간 영역의 각 그룹을 압축 코딩한 다음에 상기 픽쳐의 이미 코딩된 그룹을 코딩하는데 사용된 비트수가 상기 이미 코딩된 그룹에 할당된 비트 할당에서 벗어날때, 상기 픽쳐에서 나머지 코딩되지 않은 공간 영역에 적용되도록 양자화 스텝 사이즈로 조정하는 수단을 포함하는 동영상 시퀀스의 압축 코딩 시스템.
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