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KR0134489B1 - 적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치 - Google Patents

적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치

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KR0134489B1
KR0134489B1 KR1019940000757A KR19940000757A KR0134489B1 KR 0134489 B1 KR0134489 B1 KR 0134489B1 KR 1019940000757 A KR1019940000757 A KR 1019940000757A KR 19940000757 A KR19940000757 A KR 19940000757A KR 0134489 B1 KR0134489 B1 KR 0134489B1
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KR
South Korea
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motion
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motion compensation
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KR1019940000757A
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Original Assignee
배순훈
대우전자주식회사
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Abstract

본 발명은 적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치에 관한 것으로서, 본 발명은 현재 부호화하고자 하는 프레임으로부터의 제1입력 영상 데이타와 이전에 부호화되어 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임으로부터의 제2입력 영상 데이타를 입력으로 하여 큰 움직임이 발생한 블록을 분류하기 위한 움직임 분류기를 포함하며, 상기 움직임 분류기에서 출력되는 움직임 분류 정보와, 부호화하고자 입력되는 현재 프레임의 영상 데이타와 상기 메모리에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 벡터 정보를 추출하고, 상기 움직임 벡터 정보와 상기 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 보상 예측을 수행하도록 한다. 따라서 큰 움직임이 발생한 영역을 고려하여 움직임 보상을 수행함으로써 정확한 움직임 정보가 추출되어 보다 효율적으로 영상 압축을 수행할 수가 있다.

Description

적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치
제1도는 움직임 보상형 예측과 이산 코사인 변환을 포함하는 종래의 움직임 보상형 동영상 부호화 장치를 도시하는 블록도.
제2도는 움직임 정보를 추출하는 예를 도시한 도면.
제3도는 본 발명에 따른 움직임 보상형 동영상 부호화 장치의 일실시예에 따라 구성된 블록도.
제4도는 제3도에 도시된 움직임 분류기의 상세 블록도.
제5도는 MC/no MC 결정 규칙을 예시하는 그래프.
제6도는 MC/no MC 영역을 설명하기 위한 도면.
제7도는 탐색 영역에서의 변위 블록 차 신호의 측정을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 감산기 12 : 이산 코사인 변환기
14 : 양자화기 16 : 역양자화기
18 : 역이산 코사인 변환기 20 : 가산기
22 : 메모리 24 : 움직임 보상형 예측기
26 : 움직임 추정기 28 : 움직임 분류기
281 : 영역 분할기 283 : 큰 움직임 영역 추출기
본 발명은 동영상 부호화 장치에 관한 것으로, 특히 영상간 움직임 물체의 움직임 이동량에 응답하여 움직임 보상 예측 방식을 적용하여 보다 효율적으로 데이타 압축하기 위한 적응적 움직임 보상 동영상 부호화 장치에 관한 것이다.
근래에 디지탈 영상 기술의 눈부신 발전에 힘입어 영상 회의(Video Conference), 디지탈 방송 코덱(CODEC), 영상 전화(Video Phone)등과 같은 다양한 전자통신 분야에의 응용에 디지탈 영상 압축 기술의 이용이 가능하게 되었다.
제1도에는 움직임 보상 예측(Motion Compensated Prediction : MCP)과 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform : DCT)을 포함하는 종래의 동영상 부호화 장치를 예시하는 블록도가 도시된다. 동 도면에서 입력 신호는 8비트, 즉 0∼255의 레벨을 갖는 PCM 데이타로 가정한다.
먼저 입력 신호는 일정 크기의 거대 블록(Macro Block), 예를 들어 16×16화소(Block Pixel) 블록들로 분할되어 각 블록 단위로 움직임 벡터 정보가 추출되고, 각 블록들을 다시 서브 블록(sub block), 예를들어 8×8화소 블록들로 분할되어 움직임 보상 예측과 이산 코사인 변환이 수행된다.
이때, 거대 블록내의 서브 블록들의 움직임 벡터 정보는 거대 블록의 움직임 벡터(Motion Vector)정보와 같은 것으로 추정하여 움직임 보상 예측에 이용된다. 움직임 보상 예측의 수행은 프레임간(Inter Frame) 물체의 이동을 예측함으로써 프레임간 중복성을 제거하여 영상 압축을 도모하는 것이고, 이산 코사인 변환은 각 서브 블록내의 화소들의 주파수에 따른 에너지 집중도를 이용하여 프레임내 즉, 공간적인(Intra Frame) 중복성을 제거함으로써 영상 압축을 도모하는 것이다.
그러나, 이러한 움직임 보상 예측의 경우에는 상술한 바와 같이 거대 블록 단위로 검출된 움직임 벡터정보를 이용하는데, 여기서는 프레임간의 움직임이 매우 크지 않은 경우를 가정하였지만, 만일 큰 움직임이 있는 경우에는 정확한 움직임을 검출하는 것이 불가능하다.
즉, 예를 들어 제2도에서와 같이 현재 프레임(t)의 블록(a)는 움직임 정보를 추출하고자 하는 현재 블록을 나타낸다. 또 점선으로 된 사각형은 움직임 정보의 추출을 위한 이전 프레임(t-1)내 탐색 영역(Search Area)을 나타내며, 이전 프레임(t-1)의 탐색 영역내 블록(b)는 현재 프레임(t)의 블록(a)와 공간적 위치가 같은 하나의 후보 블록을 나타낸다. 또한 이전 프레임(t-1)의 탐색 영역내 또다른 후보 블록(c)는 현재 프레임(t)에서 블록(a) 위치로 이동한 블록을 나타낸다. 즉,후보 블록(c)가 탐색 영역내에 있을 경우 움직임 벡터 정보는 비교적 정확하게 추출될 수 있지만, 도시된 바와 같이 탐색 영역밖에 있는 큰 움직임이 발생된 경우에는 정확한 움직임 정보를 추출할 수 없게 되어 영상 압축 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 큰 움직임이 발생한 영역을 고려하여 움직임 보상 예측을 수행하기 위한 적응적 움직임 보상 동영상 부호화 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적응적 동영상 부호화 장치는 : 부호화하고자 현재 프레임 내 블록의 영상 데이타에 대하여 움직임 보상 예측을 수행한 영상 데이타를 감산하여 차이 영상 데이타를 생성하는 감산기; 상기 감산기로 부터 출력되는 차이 영상 데이타를 공간 영역상의 중복성을 제거하기 위하여 주파수 영역의 변환 계수로 변환하는 이산 코사인 변환기; 상기 이산 코사인 변환기로부터의 이산 코사인 변환된 변환 계수를 소정의 양자화 스텝사이즈로 양자화하기 위한 양자화기; 상기 양자화기를 통해 양자화된 영상 데이타를 양자화되기 이전의 변환 계수로 복원하기 위한 역양자화기; 상기 역양자화기를 통해 역양자화된 변환 계수를 상기 이산 코사인 변환되기 이전의 공간 영역상의 블록 화소 데이타로 복원하기 위한 역이산 코사인 변환기; 상기 역이산 코사인 변환기를 통해 공간 영역 변환된 블록 화소 데이타와 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 가산하기 위한 가산기; 상기 가산기를 통해 출력되는 영상 데이타를 이전 프레임으로서 저장하기 위한 메모리; 상기 현재 프레임으로부터의 영상 데이타와 상기 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임으로부터의 영상 데이타를 입력으로 하여 큰 움직임이 발생한 블록을 분류하기 위한 움직임 분류기; 상기 움직임 분류기에서 출력되는 움직임 분류정보와, 상기 현재 프레임의 영상 데이타와 상기 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 벡터 정보를 추출하는 움직임 추정기; 상기 움직임 추정기에서 출력되는 움직임 벡터 정보와 상기 메모리에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 수행하여 상기 감산기와 가산기로 인가하기 위한 움직임 보상 예측기를 포함하며, 상기 움직임 보상 예측을 분류기는 상기 현재 프레임의 블록과 상기 이전 프레임의 탐색 영역 내 다수의 후보 블록들간의 각각의 움직임 변위를 나타내는 변위 블록 차 신호(Displaced Block Difference : DBD)를 구하고, 이들의 평균값을 산출하고, 상기 평균값과 각각의 상기 변위 블록 차 신호(DBD)간의 차 값이 제1문턱값(T1)보다 작은 조건과, 공간적으로 같은 위치에 있는 상기 현재 부호화하고자 하는 프레임의 블록과 상기 이전 프레임 블록간의 블록 차 신호(BD)가 제2문턱값(T2)보다 큰 조건을 만족하면, 상기 큰 움직임 발생 영역으로 판단하며, 상기 제2문턱값(T2)는 0보다 큰 값인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
제3도는 본 발명에 의한 적응적 움직임 보상 동영상 부호화 장치의 일실시예에 따른 블록도로써, 이러한 부호화 장치는 부호화하고자 입력되는 현재 프레임의 영상 데이타에 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 감산하기 위한 감산기(10)와, 감산기(10)를 통하여 출력되는 소정 블록의 영상 데이타에 대하여 주파수 영역으로 변환하여 공간 영역의 중복성을 제거하여 데이타 압축 부호화하는 이산 코사인 변환기(12)와, 이산 코사인 변환기(12)를 통하여 변환된 변환 계수를 소정의 양자화 스텝 사이즈(Quantization Step size)로 양자화하기 위한 양자화기(14)를 포함하며, 또한 양자화기(14)를 통해 양자화된 영상 데이타를 양자화되기 이전의 변환 계수로 복원하기 위한 역양자화기(16)와 역양자화기(16)를 통해 역양자화된 변환 계수를 이산 코사인 변환되기 이전의 공간 영역상의 소정의 블록 화소 데이타로 복원하기 위한 역이산 코사인 변환기(18)와, 역이산 코사인 변환기(18)를 통해 역이산 코사인 변환된 영상 데이타와 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 가산하기 위한 가산기(20)와, 가산기(20)를 통해 출력되는 현재 프레임의 영상 데이타를 저장하기 위한 메모리(22)와, 현재 부호화하고자 하는 프레임으로부터의 제1입력 영상 데이타와 이전에 부호화되어 메모리(22)에 저장되어 있는 이전 프레임으로부터의 제2입력 영상 데이타를 입력으로 하여 큰 움직임이 발생한 블록을 분류하기 위한 움직임 분류기(Motion Classifier)(28)와, 움직임 분류기(28)에서 출력되는 움직임 분류 정보와, 부호화하고자 입력되는 현재 프레임의 영상 데이타와 메모리(22)에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 벡터 정보를 추출하는 움직임 추정기(26)와, 움직임 추정기(26)에서 출력되는 움직임 벡터 정보와 메모리(22)에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 보상 예측을 수행하여 감산기(10)와 가산기(20)로 각각 인가하는 움직임 보상 예측기(Motion Compensated Predictor)(24)로 이루어진다.
제4도는 제3도에 도시된 움직임 분류기에 상세 블록도이다.
제4도는 도시된 블록도는 부호화하고자 입력되는 현재 프레임 영상 데이타와 이전 프레임 영상 데이타를 이용하여 CCITT에서 권고한 MC/no MC 결정 규칙에 따라서 영상을 움직임 보상(MC)영역과 비움직임 보상(NO MC)영역으로 분할하기 위한 영역 분할기(281)와, 영역 분할기(281)에서 출력되는 신호에 대하여 큰 움직임이 발생한 영역을 추출하기 위한 큰 움직임 영역 추출기(283)로 이루어진다.
그러면 본 발명의 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제3도를 참조하면, 감산기(10)는 부호화하고자 입력되는 현재 프레임의 영상 데이타에 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 감산하여 이산 코사인 변환기(12)로 출력한다. 이산 코사인 변환기(12)는 감산기(10)를 통하여 출력되는 소정 블록, 예를 들어 8×8화소 블록에 대한 영상 데이타를 주파수 영역으로 변환하여 공간 영역의 중복성을 제거하는 데이타 압축을 수행하여 양자화기(14)로 출력한다. 양자화기(14)는 이산 코사인 변환기(12)를 통하여 변환된 소정의 변환 계수를 소정의 야자화 파라메터인 양자화 스텝 사이즈로 양자화하여 다음단의 가변길이 부호기(도시안됨)등으로 출력하는 동시에 역양자화기(16)로 출력한다. 역양자화기(16)는 양자화기(14)를 통해 양자화된 영상 데이타를 양자화되기 이전의 변환 계수로 복원하여 역이산 코사인 변환기(18)로 출력한다. 역이산 코사인 변환기(18)는 역양자화기(16)를 통해 역양자화된 변환 계수를 이산 코사인 변환되기 이전의 공간 영역상의 소정의 블록으로 복원하여 가산기(20)로 출력한다. 가산기(20)는 역이산 코사인 변환기(18)를 통해 역이산 코사인 변환된 소정 블록의 영상 데이타와 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 가산하여 메모리(22)에 저장한다.
움직임 분류기(28)는 현재 부호화하고자 하는 프레임으로부터의 제1입력 영상 데이타와 이전에 데이타 압축 부호화되어 메모리(22)에 저장되어 있는 이전 프레임으로부터의 제2입력 영상 데이타를 수신하여 큰 움직임이 발생한 블록을 추출한다. 움직임 분류기(28)는 제4도를 통해 상세히 설명하기로 한다.
제4도에 있어서, 움직임 분류기(28)는 영역 분할기(281)와 큰 움직임 영역 추출기(283)로 구성된다. 영역 분할기(281)는 CCITT에서 권고한 MC/no MC 결정 규칙에 따라서 영상을 움직임 보상 영역(MC)과 비움직임 보상 영역(no MC)으로 분할한다. 여기서 MC/no MC 결정 규칙은 제5도에 도시된 그래프에 의거한다. 큰 움직임 영역 추출기(283)는 영역 분할기(281)에서의 출력신호에 대하여 큰 움직임이 발생한 영역을 추출하기 위한 것이다. 영역 분할기(281)에 의해 분할된 영역에서 큰 움직임이 발생하였을 때의 특징은 다음과 같다.
첫째, 작은 탐색 영역을 이용하는 블록 정합 알고리즘(Block Matching Algorithm)으로는 정확한 움직임 추정이 불가능하고, 둘째, 첫번째의 특징으로 인해 작은 탐색 영역내의 변위 블록 차 신호(Displaced Block Difference : DBD)의 분포가 불규칙한(random) 형상을 보이고, 셋째, 현재 부호화하고자 하는 프레임의 블록과 공간적 위치가 같은 이전 프레임의 후보 블록과의 차를 나타내는 블록 차 신호(또는 블록 오차 : Block Difference : BD)가 큰 값을 나나낸다. 여기서 DBD는 원신호와 복원된 신호로부터 얻어진 변위 프레임의 거대 블록간의 차이값이다.
본 발명에서는 움직임 영역내에서의 큰 움직임만을 고려하고, 큰 움직임의 블록 위치는 제6도에서와 같이 빗금친(주위)영역들이 MC 영역이고, 빈(Blank)(자신)영역은 no MC 영역인 것으로 나타난다.
제6도에서 있어서, 블록 A, B, C, D가 큰 움직임 발생 특징에 해당하는 전술한 3가지 조건을 만족시킬 경우, 큰 움직임 영역으로 분류된다. 그러므로 전술한 3가지 특징으로부터 수식적인 관계를 도출하면 다음과 같다.
먼저, 제6도에서와 같은 빈영역은 no MC 영역이고, 빈영역 인접의 상, 하, 좌, 우 4개의 블록 중에서 3개 이상이 MC 영역인 경우 DBD의 불규칙성 또는 비일정성(Randomness)조사, 즉, BMA의 첫번째 단계에서 제7도에서와 같이 조사한다.
제7도는 탐색 영역에서의 탐색위치를 나타내는 것으로서, '0'은 공간적으로 같은 블록 위치를 나타내고, 나머지 블록 위치들은 3단계 BMA에서의 첫번째 단계에 해당하는 위치를 나타낸다.
이때 '0'위치의 현재 프레임의 블록과 나머지 '0'가 아닌 위치의 이전 프레임의 후보 블록들과의 DBD를 각각 DBD(1), DBD(2), …,DBD(8)로 나타내기로 한다. 여기서 DBD(i)(i=1, …,8)로 평균 절대치 오차(Mean Absolute Error) 또는 평균 자승 오차(Mean Square Error)일 수 있다.
이때, 평균값(A_DBD)은 다음과 같은 수학식(1)에 의해 산출될 수 있다.
또한, 평균값(A_DBD)과 개별 DBD(i)의 차값(D_DBD(i))은 하기 수학식(2)에 의해 계산된다.
그리고, 하기 수학식(3)으로부터 DBD(i)의 비일정성을 판단한다.
여기서 T1은 문턱값을 나타낸다.
즉, 전술한 수학식(3)으로부터 개별 DBD(i)값과 평균값(A_DBD) 사이의 오차가 모두 기설정된 문턱값 T1이하일 경우, DBD(i)의 분포는 불규칙하다고 판단한다.
두번째 단계로는 세번째의 특징으로부터 공간적으로 같은 위치의 블록간 오차 BD의 크기로부터 불규칙함을 판단하며, 이는 다음과 같은 수학식(4)으로 규정된다.
즉, 블록 오차(BD)가 기설정된 문턱값 T2보다 큰 경우를 나타낸다. 여기서 T2는 0보다 큰 값을 갖는다. 그러므로, 본 발명에서는 수학식(3)과 (4)을 모두 만족하는 블록을 큰 움직임 영역으로 분류하고, 이 분류 정보를 움직임 추정기(26)로 인가한다.
움직임 추정기(26)는 움직임 분류기(28)로부터 입력되는 움직임 분류 정보와, 부호화하고자 입력되는 현재 프레임의 영상 데이타와 메모리(22)에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 벡터 정보를 추정하여, 움직임 예측기로 전달함으로써 보다 정확한 움직임 보상 예측을 할 수 있게 된다.
움직임 보상 예측기(24)는 움직임 추정기(26)에서 출력되는 움직임 벡터 정보와 메모리(22)에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 보상 예측을 수행하여 그 결과를 감산기(10)와 가산기(20)로 전달한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 적응적 움직임 보상 동영상 부호화 방법 및 장치에서는 큰 움직임이 발생한 영역을 고려하여 움직임 보상 예측을 수행하여 정확한 움직임 벡터 정보를 추출함으로써, 보다 효율적으로 영상 데이타를 압축할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 영상 부호화 장치에 있어서, 부호화하고자 현재 프레임내 블록의 영상 데이타에 대하여 움직임 보상예측을 수행한 영상 데이타를 감산하여 차이 영상 데이타를 생성하는 감산기; 상기 감산기로부터 출력되는 차이 영상 데이타를 공간 영역상의 중복성을 제거하기 위하여 주파수 영역의 변환 계수로 변환하는 이산 코사인 변환기; 상기 이산 코사인 변환기로부터의 이산 코사인 변환된 변환 계수를 소정의 양자화 스텝사이즈로 양자화하기 위한 양자화기; 상기 양자화기를 통해 양자화된 영상 데이타를 양자화되기 이전의 변환계수로 복원하기 위한 역양자화기; 상기 역양자화기를 통해 역양자화된 변환 계수를 상기 이산 코사인 변환되기 이전의 공간 영역상의 블록 화소 데이타로 복원하기 위한 역이산 코사인 변환기; 상기 역이산 코사인 변환기를 통해 공간 영역 변환된 블록 화소 데이타와 움직임 보상 예측을 수행한 결과값을 가산하기 위한 가산기; 상기 가산기를 통해 출력되는 영상 데이타를 이전 프레임으로서 저장하기 위한 메모리; 상기 현재 프레임으로부터의 영상 데이타와 상기 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임으로부터의 영상 데이타를 입력으로 하여 큰 움직임이 발생한 블록을 분류하기 위한 움직임 분류기와; 상기 움직임 분류기에서 출력되는 움직임 분류정보와, 상기 현재 프레임의 영상 데이타와 상기 메모리에 저장되어 있는 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 벡터 정보를 추출하는 움직임 추정기; 상기 움직임 추정기에서 출력되는 움직임 벡터 정보와 상기 메모리에 저장되어 있던 이전 프레임의 영상 데이타를 이용하여 움직임 보상 예측을 수행하여 상기 감산기와 가산기로 인가하기 위한 움직임 보상 예측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 움직임 분류기는 상기 현재 프레임 영상 데이타와 상기 이전 프레임 영상 데이타를 이용하여 CCITT에서 권고한 MC/no NC 결정 규칙에 따라서 영상을 움직임 보상 영역(MC)과 비움직임 보상 영역(no MC)으로 분할하기 위한 영역 분할기; 상기 영역 분할기에 의해 분할된 영상 신호에 대하여 상기 큰 움직임 발생 영역을 추출하기 위한 큰 움직임 영역 추출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 적응적 움직임 보상 영상 부호화장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 큰 움직임 영역 추출기는 상기 현재 프레임의 블록과 상기 이전 프레임의 탐색 영역내 다수의 후보 블록들간의 각각의 움직임 변위를 나타내는 변위 블록 차 신호(Displaced Block Difference : DBD)를 구하고, 이들의 평균값을 산출하고, 상기 평균값과 각각의 상기 변위 블록 차 신호(DBD)간의 차값이 제1문턱값(T1)보다 작은 조건과, 공간적으로 같은 위치에 있는 상기 현재 부호화하고자 하는 프레임의 블록과 상기 이전 프레임 블록간의 블록 차 신호(BD)가 제2문턱값(T2)보다 큰 조건을 만족하면, 상기 큰 움직임 발생 영역으로 판단하며, 상기 제2문턱값(T2)는 0보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 적응적 움직임 보상 영상 부호화 장치.
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