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KR100304103B1 - 비트율이급변되는재양자화계단크기선택방법및그를이용한비트율제어방법 - Google Patents

비트율이급변되는재양자화계단크기선택방법및그를이용한비트율제어방법 Download PDF

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KR100304103B1
KR100304103B1 KR1019980019935A KR19980019935A KR100304103B1 KR 100304103 B1 KR100304103 B1 KR 100304103B1 KR 1019980019935 A KR1019980019935 A KR 1019980019935A KR 19980019935 A KR19980019935 A KR 19980019935A KR 100304103 B1 KR100304103 B1 KR 100304103B1
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이계철
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윤덕용
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 재양자화 계단 크기 선택 방법 및 그를 이용한 비트율 제어 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기를 선택하기 위한 재양자화 계단 크기 선택 방법 및 그 방법을 이용하여 효율적으로 비트율을 제어하기 위한 비트율 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 2·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 1 단계; 입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 4·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 2 단계; 입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 3·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 3 단계; 및 입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 5·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 4 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 트랜스코딩시 비트율 제어 알고리즘 등으로 사용 가능.

Description

비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기 선택 방법 및 그를 이용한 비트율 제어 방법{Method for finding re-quantization step sizes resulting in abrupt bit-rate reduction and rate control method using it}
본 발명은 VOD(Video On Demand), MCU(Multipoint Control Unit) 등의 이산여현변환(DCT) 영역에서 MPEG-2(Moving Picture Expert Group-2) 등의 영상신호를 트랜스코딩하는 환경 등에 있어서, 불연속적인 선형적 감소모델(Piecewise linearly decreasing model)에서 비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기를 선택하는 방법 및 그를 이용하여 비트율을 제어하기 위한 비트율 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 "불연속적인(Piecewise)"이란 용어는 연속적인 또는 계속적인의 반대 개념으로 사용된 것이 아니라, 모델링된 선의 기울기가 소정의 구간마다 서로 다르다는 것을 의미한다.
앞으로 실시될 대부분의 비디오 서비스는 MPEG-2를 기반으로 하고 있으며, 이 비디오 서비스들의 상당 부분은 이미 압축 저정된 비디오를 이용하는 방식이 적용될 전망이며, VOD(Video On Demand) 서비스를 그 전형적인 예로 볼 수 있다.
이러한 비디오 서비스의 주된 문제점은 비디오를 압축하여 저장할 때 나중에 그 비디오가 전송되어질 채널의 대역폭 특성을 미리 고려하여 비디오를 압축 저장할 수 없다는 점이다. 이러한 문제점은 서로 이질적인 대역폭을 가지는 채널을 통해 서비스가 이루어질 때 보다 분명해진다. 즉, 압축 저장된 비디오의 비트율보다 낮은 대역폭을 갖는 채널의 경우에 좋은 품질의 서비스를 보장할 수 없고, 각 채널의 대역폭에 맞는 다양한 비트율로 압축된 비디오를 준비할 수 없다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 비디오 서버와 사용자 사이에 비트율 변환기를 설치하여 비트율을 변환시키는 방법이 도입되었다. 즉, 높은 비트율로 압축되어 저장된 비디오를 더 낮은 비트율로 전송을 요구하는 사용자에게 서비스하기 위해 중간에 비트율을 낮추는 비트율 변환기를 설치하는 것이다. 이렇게 해서 도입된 메커니즘이 트랜스코더(Transcoder)이다. 이러한 트랜스코더는 비트율 변환기, 영상 크기 변환기 등의 다양한 기기를 포함하는 개념의 용어이다.
기존에 연구된 비트율을 변환하기 위한 트랜스코더에 관한 연구의 공통점으로는 비트율을 변환시키기 위하여 재양자화(re-quantization) 방법이 이용되고, 비트율을 제어하기 위해서 기존의 MPEG-2 TM5(Test Model5) 방법이 그대로 이용된다는 점이다.
그러나, 종래의 TM5 방법을 그대로 사용할 경우에는 트랜스코더에 입력되는 비트스트림으로부터 얻을 수 있는 양자화 계단 크기(quantization step size)에 대한 정보를 충분히 활용하지 못하고, 목표비트량을 제대로 맞추지 못하는 문제점이 있었다.
그리고, 종래의 방법은 장면 전환(scene change)과 적응적 양자화(adaptive quantization) 등 화질 향상 기법이 포함된 입력스트림을 트랜스코더의 입력으로 받아서 TM5 방법으로 비트율을 제어할 경우에 다시 화질 향상 기법을 포함시켜 주어야 하는 등의 비효율적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래보다 간단한 알고리즘으로 더 정확히 목표비트율로 부호화할 수 있는 기반이 되는 새로운 모델을 설정한 후에 그 모델에서 비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기를 선택하기 위한 재양자화 계단 크기 선택 방법 및 그 방법을 이용하여 효율적으로 비트율을 제어하기 위한 비트율 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 재양자화 특성을 이용한 비트율 변환기의 구성예시도.
도 2a 내지 2d 는 'Flower Garden' 영상의 I화면에 대한 재양자화(re-quantization)시의 비트율 감축 특성도.
도 3a 내지 3d 는 다양한 영상의 I화면에 대한 비트율 감축 특성도.
도 4a 내지 4d 는 다양한 영상의 P화면에 대한 비트율 감축 특성도.
도 5 는 화면내 부호화 블록(intra mode block)을 위한 양자화 매트릭스와 지그재그 스캔의 순서도.
도 6a 내지 도 6c 는 각각 본 발명에 따른 불연속적인 선형적 감소모델(Piecewise linearly decreasing model)의 감축 특성 및 그 메커니즘과 재양자화 구조에 대한 설명도.
도 7 은 본 발명에 따른 비트율 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도.
도 8 은 제1 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 피크신호대 잡음비(PSNR) 비교도.
도 9 는 제1 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 이탈율 비교도.
도 10 은 제2 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 피크 신호대 잡음비(PSNR) 비교도.
도 11 은 제2 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 이탈율 비교도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 가변장 복호화기 12 : 역양자화기
13 : 재양자화기 14 : 가변장 부호화기
15 : 비트율 제어기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 재양자화 계단 크기 선택 방법은, 비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기를 선택하기 위한 장치에 적용되는 재양자화 계단 크기 선택 방법에 있어서, 입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 2·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 1 단계; 입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 4·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 2 단계; 입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 3·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 3 단계; 및 입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 5·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 4 단계(여기서, nint(·)는 가장 가까운 정수값으로 만드는 연산자이고, p와 q는 각각 소정의 상수임)를 포함한다.
그리고, 상기 재양자화 계단 크기 선택 방법의 상기 각 단계는, 재양자화 계단 크기 정보를 취한 후에, 취한 재양자화 계단 크기 정보에서 소정의 값을 감산하여 다시 재양자화 계단 크기 정보를 취하는 제 5 단계를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 비트율 제어 방법은, 비트율 제어기에 적용되는 비트율 제어 방법에 있어서, 변수를 초기화한 후에 입력영상에 대하여 정규화비트발생량(Rr)의 크기가 속하는 구간을 판단하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 판단 결과에 따른 각 선형방정식으로부터, 입력영상의 양자화 계단 크기 정보(Q1)를 이용하여 재양자화 계단 크기를 구하는 제 2 단계; 및 각 매크로블록에 할당된 재양자화 계단 크기로 각 매크로블록을 재양자화하여 부호화하는 제 3 단계를 포함한다.
그리고, 상기 비트율 제어 방법은, 다음 순서의 슬라이스에 대한 변수를 업데이트(update)한 후에 상기 제 1 단계의 판단 과정부터 반복 수행하는 제 4 단계를 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 재양자화 특성을 이용한 비트율 변환기의 구성예시도이다.
도면에서 R1과 R2는 각각 입력 영상의 비트율과 출력 영상의 비트율을 나타내고(R1>R2), VLC와 VLC-1는 각각 가변장 부호화기(variable length coder)(14)와 가변장 복호화기(variable length decoder)(11)를 나타낸다. Q1-1는 입력 영상의 비트열을 Q1으로 역양자화하는 역양자화기(12)를 나타내고, Q2는 새로운 양자화 계단 크기 Q2로 재양자화하는 재양자화기(13)를 나타낸다.
그리고, 비트율 제어기(15)는 출력 영상의 비트율 R2를 만족시키기 위한 적당한 재양자화 계단 크기(re-quantization step size)인 Q2 값을 선택하는 알고리즘을 실장하여 비트율을 제어한다. 즉, 본 발명에 따른 비트율 제어 알고리즘이 비트율 제어기(15)에 실장된다.
이제, I화면과 P화면 각각에 대해 전체 매크로블록을 동일한 양자화 계단 크기 Q1으로 부호화한 영상 비트열을 비트율 변환기에서 새로운 양자화 계단크기 Q2(Q2>Q1)로 재양자화하였을 때의 비트율 감축 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.
먼저, I화면에서의 비트율 감축 특성을 살펴보면, 도 2a 내지 2d 는 "Flower garden" 영상의 I화면에 대한 재양자화(re-quantization)시의 비트율 감축 특성도로서, "Flower garden" 영상의 I화면에 대하여 Q1 값이 4, 8, 12, 17일 경우에 Q2 값을 증가시켰을 때의 비트발생량을 각각 나타낸다.
도 3a 내지 3d 는 다양한 영상의 I화면에 대한 비트율 감축 특성도로서, "Flower garden", "Popple", "Mobile and Calendar" 영상에 대하여 동일한 조건으로 부호화한 경우에, Q2의 변화에 대한 정규화(normalization)된 비트발생량(Rr)을 나타낸다. 여기서, 정규화된 비트발생량 Rr은 Q1에 의한 비트발생량 R1에 대한 Q2에 의한 비트발생량 R2의 비이다(Rr<1).
도 2a 내지 2d 와 도 3a 내지 3d 에 도시된 바와 같이, 재양자화시의 비트발생량과 양자화 계단 크기는 서로 "불연속적인 선형적 감소 관계(piecewise linearly decreasing relationship)"가 있으며, 영상에 관계없이 주어진 Q1 값에 대해 각각 특정한 Q2 값에서 비트발생량이 급격히 감소되는 현상을 보임을 알 수 있다.
다음으로, P화면에서의 비트율 감축 특성을 살펴보면, 도 4a 내지 4d 는 다양한 영상의 P화면에 대한 비트율 감축 특성도로서, 여러 가지 영상에 대하여 P화면의 재양자화 특성을 나타낸다. 도 4a 내지 4d 가 I화면에 대한 비트율 감축 특성 결과인 도 3a 내지 3d 와 비슷한 특성을 보이지만, P화면에 대한 양자화 방법과 I화면에 대한 양자화 방법이 서로 다르기 때문에, 특정 Q1 값에 대해 비트율이 급격히 감소되는 Q2 값이 도 3a 내지 3d 의 결과와 다르게 나타남을 알 수 있다.
한편, 상기와 같이 재양자화시에 나타나는 비트율 감축 특성에 대하여 분석하여 보면 다음과 같다.
먼저, 특정한 Q2 값에서 비트발생량이 급격히 감소되는 원인을 살펴보면, Q1으로 양자화되어 트랜스코더에 입력되는 비트열(bitstream)은 재양자화되기 전에 Q1으로 역양자화(dequantization)된다. 이때, 이 역양자화된 값을 0으로 만들 수 있는 충분한 크기의 Q2가 존재하게 된다.
결국, 이런 충분한 크기의 Q2로 재양자화되는 경우에 각 블록(8화소수×8주사선수)에서 0의 개수가 급격히 증가하게 된다. 도 5 의 양자화 매트릭스(quantization matrix)에서 동일한 가중치(weigting factor)를 갖는 위치계수들은 동일한 양자화 특성을 보인다. 즉, 어떤 위치계수에서 재양자화 후에 0의 개수가 증가했다면, 그 위치계수의 가중치와 동일한 가중치를 갖는 위치계수들에서도 0의 개수가 증가하게 된다. 도 5 에서 동일한 가중치를 갖는 위치계수들은 지그재그 스캔(zig-zag scan)에 의해 서로 묶여져서 스캔된다. 그 결과, 연속되는 0의 개수가 급격하게 증가하게 되어 가변장부호화(variable length coding)에 의해 비트량이 급격히 감소된다.
도 2a 내지 2d, 도 3a 내지 3d, 및 도 4a 내지 4d 에서는 비트량이 급격히 감소하기 전까지 비트량이 조금씩 줄어드는 현상을 보이는데, 그 원인은 Q1으로 역양자화된 값이 Q2로 재양자화된 후에 0이 아닌 약간 줄어든 값이 되어 가변장부호화되기 때문이다.
결론적으로, 재양자화시의 비트율 감축 특성을 도 6a 및 6b 와 같은 "불연속적인 선형적 감소모델"로 모델화할 수 있다. 도 6a 는 재양자화시의 비트량 감소 특성의 전형적인 모양을 보여주는데, 첫 번째로 비트율이 급감하는 부분의 원인은 도 6b 에서의 1이 재양자화에 의해 0으로 되기 때문이고, 두 번째로 비트율이 급감하는 부분의 원인은 도 6b 에서의 2가 재양자화에 의해 0으로 되기 때문이다. Q2=Qf1일 때 첫 번째의 급감이 발생하고, Q2=Qf2일 때 두 번째의 급감이 발생한다.
이제부터, 불연속적인 선형적 감소모델에서 비트율이 급감되는 재양자화 계단 크기를 선택하는 과정을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 도 5 에서 양자화 매트릭스의 (0,1)위치는 이산여현변환(DCT) 계수에서 직류(DC) 성분을 재외하고는 가장 낮은 주파수 성분이며, 가중치로 16을 가진다. 그런데, 그 위치는 가장 낮은 주파수 성분이기 때문에 영상의 특성에 미치는 영향이 크다. 비트량이 급격히 감소하는 지점인 Q2=Qf1과 Q2=Qf2에서는 공통적으로 위치 (0,1)에서 재양자화에 의해 0의 개수가 급격히 증가한다.
일반적으로 이산여현변환(DCT)된 값이 가장 큰 위치인 (0,1)에서 재양자화에 의한 0의 개수가 증가한다는 의미는 이 보다 작은 이산여현변환된 값을 갖는 다른 계수에도 0의 개수가 동시에 증가함을 의미한다. 결국, 위치 (0,1)에서 0의 개수를 증가시키는 Q2 값을 찾으면, Qf1과 Qf2를 찾을 수 있다. 지금까지 화면내 부호화 블록(intra mode block)을 중심으로 설명을 했는데, 화면간 부호화 블록(inter mode block)에 대해서도 마찬가지 원리로 설명이 가능하다.
결론적으로, 주어진 Q1값에 대해 위치 (0,1)의 가중치 16에 대해 도 6b 에 도시된 바와 같은 비트율 급감에 대한 메커니즘을 만족시키는 Q2 값을 찾으면, Qf1과 Qf2를 구할 수 있다. Qf1과 Qf2는 주어진 Q1 값에 대해 다음의 (수학식1) 내지 (수학식4)의 부등식을 만족하는 Q2의 최소값을 취한 형태로 주어지고, Qd1과 Qd2는 Qf1과 Qf2로부터 각각 1씩 뺀 값이다.
먼저, I화면의 경우에 비트율이 급감하는 재양자화 계단 크기를 살펴보면, (수학식1) 및 (수학식2)와 같다.
2·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 → Qf1= min(Q2) 이고, Qd1= Qf1- 1
4·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 → Qf2= min(Q2) 이고, Qd2= Qf2- 1
그리고, P화면의 경우에 비트율이 급감하는 재양자화 계단 크기를 살펴보면, (수학식3) 및 (수학식4)와 같다.
3·Q1<2·Q2 → Qf1= min(Q2) 이고, Qd1= Qf1- 1
5·Q1<2·Q2 → Qf2= min (Q2) 이고, Qd2= Qf2- 1
여기서, nint(·)는 가장 가까운 정수값으로 만드는 연산자이며, p와 q는 각각 3과 4이다.
이제, 상기 (수학식1) 내지 (수학식4)를 얻는 과정을 도 6c 를 참조하여 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, I화면은 모든 매크로블록이 화면내 부호화이므로 교류(AC) 성분에 대해 다음의 역양자화 및 양자화와 재양자화 방법이 사용된다. 다음의 (수학식5) 및 (수학식6)에서 w(i,j)는 도 5 의 양자화 매트릭스에서 (i,j)위치의 가중치값을 나타낸다.
역양자화 : a'(i,j) = int(b(i,j)·2·Q1·w(i,j)/16)
재양자화 1단계 : ac(i,j) = nint(16·a'(i,j)/w(i,j)
재양자화 2단계 : QAC(i,j) = int((ac(i,j)+sign(ac(i,j))·nint((p·Q2)/q))/(2·Q2))
여기서, int(·)는 소수점 부분을 절삭하여 정수로 만드는 연산자이며, sign(x) 연산자는 x의 값이 음의 값일 경우에 -1로, 양의 값일 경우에 1로, 그리고 0일 경우에 0으로 만들어 주는 연산자이다.
첫 번째로 급감이 발생하는 원인은 도 6b 의 첫 번째 메커니즘에 해당하므로 b(i,j)=1, QAC(i,j)=0, w(i,j)=16을 상기 (수학식5) 내지 (수학식7)에 대입하여 이 식들을 만족하는 Q2를 찾으면 Qf1을 찾게 되는 것이다. 이렇게 하여 얻은 식이 상기 (수학식1)이다. 상기 (수학식1)을 간단히 설명하면, (수학식1)에서 좌측의 부등식을 풀어서 얻은 Q2 값들중 최소값을 Qf1으로 취하고, Qf1에서 1을 뺀 값을 Qd1으로 취한다.
두 번째로 급감이 발생하는 원인은 도 6b 의 두 번째 메커니즘에 해당하므로 b(i,j)=2, QAC(i,j)=0, w(i,j)=16을 상기 (수학식5) 내지 (수학식7)에 대입하여 이 식들을 만족하는 Q2를 찾으면 Qf2를 찾게 되는 것이다. 이렇게 하여 얻은 식이 상기 (수학식2)이다. 상기 (수학식2)를 간단히 설명하면, (수학식2)에서 좌측의 부등식을 풀어서 얻은 Q2 값들중 최소값을 Qf2로 취하고, Qf2에서 1을 뺀 값을 Qd2로 취한다.
그리고, P화면은 거의 모든 매크로블록이 화면간 부호화이므로 교류(AC) 성분에 대해 다음의 역양자화 및 양자화와 재양자화 방법이 사용된다. 다음의 (수학식8) 및 (수학식9)에서 w(i,j)는 도 5 의 양자화 매트릭스에서 (i,j)위치의 가중치값을 나타내는데, 화면간 부호화 블록을 위한 양자화 매트릭스의 가중치는 디폴트(default)로 위치에 관계없이 모두 16을 가진다. 즉, w(i,j)=16이다.
역양자화 : a'(i,j) = int((2·b(i,j)+1)·Q1·w(i,j)/16)
재양자화 1단계 : ac(i,j) = nint(16·a'(i,j)/w(i,j))
재양자화 2단계 : QAC(i,j) = int(ac(i,j)/(2·Q2))
첫 번째로 급감이 발생하는 원인은 도 6b 의 첫 번째 메커니즘에 해당하므로 b(i,j)=1, QAC(i,j)=0, w(i,j)=16을 상기 (수학식8) 내지 (수학식10)에 대입하여 이 식들을 만족하는 Q2를 찾으면 Qf1을 찾게 되는 것이다. 이렇게 하여 얻은 식이 상기 (수학식3)이다. 상기 (수학식3)을 간단히 설명하면, (수학식3)에서 좌측의 부등식을 풀어서 얻은 Q2 값들중 최소값을 Qf1으로 취하고, Qf1에서 1을 뺀 값을 Qd1으로 취한다.
두 번째로 급감이 발생하는 원인은 도 6b 의 두 번째 메커니즘에 해당하므로 b(i,j)=2, QAC(i,j)=0, w(i,j)=16을 상기 (수학식8) 내지 (수학식10)에 대입하여 이 식들을 만족하는 Q2를 찾으면 Qf2를 찾게 되는 것이다. 이렇게 하여 얻은 식이 상기 (수학식4)이다. 상기 (수학식4)를 간단히 설명하면, (수학식4)에서 좌측의 부등식을 풀어서 얻은 Q2 값들중 최소값을 Qf2로 취하고, Qf2에서 1을 뺀 값을 Qd2로 취한다.
한편, Ⅰ화면에 대한 (수학식1) 및 (수학식2)는 화면내 부호화 블록(intra mode block)에 적용할 수 있고, P화면에 대한 (수학식3) 및 (수학식4)는 화면간 부호화 블록(inter mode block)에 적용할 수 있다.
도 6a 의 모델 파라미터가 α, β, γ, δ, Qf1, Qf2, Qd1, Qd2인데 Qf1, Qf2, Qd1, Qd2는 상기 (수학식1) 내지 (수학식4)의 절차로 구할 수 있다. 도 3a 내지 3d 와 도 4a 내지 4d 의 결과에 나타난 바와 같이 α, β, γ, δ는 영상에 관계없이 비슷한 값을 나타내므로, I화면에 대해서는 아래의 (수학식11)과 같이 고정시켜 놓고, P화면에 대해서는 (수학식12)와 같이 고정시켜 놓는다.
α=0.85, β=0.45, γ=0.35, δ=0.30
α=0.85, β=0.40, γ=0.30, δ=0.25
그리고, 도 6a 의 선형 방정식 f1,~ f2,~ f3,~ f4,~ f5는 다음의 (수학식13) 내지 (수학식17)과 같이 각각 주어진다.
한편, 상기 (수학식2) 및 (수학식4)의 부등식에 Q2=31을 대입하여 Q1값을 구하면, 각각 Q1<10, Q1<12.4가 된다. 이는 Qf2의 존재를 보장하는 Q1값의 최대치가 화면내 부호화 모드(intra mode)의 매크로블록에 대해서는 9이고, 화면간 부호화 모드(inter mode) 매크로블록에 대해서는 12라는 뜻이다.
따라서, 화면내 부호화 매크로블록에 대해서는 Q1>9 일 때, 그리고 화면간 부호화 매크로블록에 대해서는 Q1>12 일 때 (수학식16)과 (수학식17)의 f4,f5는 존재하지 않고, f1,f2,f3만 존재하게 되며, (수학식15)의 f3는 Qd2값이 31로 대체되고, γ값이 δ값으로 대체된다. 즉, f3가 다음의 (수학식18)과 같이 바뀌게 된다.
이제부터, 도 7 을 참조하여 본 발명에 따른 비트율 제어 방법에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 7 은 본 발명에 따른 비트율 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
각 화면마다 아래의 각 과정을 통해 슬라이스(slice) 단위로 비트율을 제어한다. 도면에서 알고리즘의 루프를 한번 돌게되면 한 슬라이스를 부호화하게 되는 것이다. 현재 부호화하는 매크로블록이 화면내 부호화 모드이면 상기 (수학식1), (수학식2), (수학식11)이 이용되고, 화면간 부호화 모드이면 상기 (수학식3), (수학식4), (수학식12)가 이용된다. 한 슬라이스는 M개의 매크로블록으로 이루어져 있다고 가정한다.
1과정 : 정규화(normalization)된 비트발생량 Rr=R2/R1로 초기화하고, 재양자화에 의해 목표로 하는 비트발생량 BT= 현재 슬라이스 비트수×Rr로 초기화한다(71). 여기서, R1은 트랜스코더에 입력되는 비트스트림의 비트율이고, R2는 트랜스코더에서 출력되는 비트스트림의 목표비트율이다. 그리고, 현재 슬라이스 비트수(Current_slice_bit)는 현재 입력으로 들어오는 슬라이스(slice)의 비트수를 카운트한 값이다.
2과정 : 정규화(normalization)된 비트발생량(Rr)의 크기가 속하는 구간을 판단한다(72).
a) 만약 α≤Rr<1 이면 각 매크로블록에 대해 (수학식13)으로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다(73). 이때, (수학식13)에서 Q1값은 입력비트열로부터 주어지고, Qd1값은 (수학식1) 또는 (수학식3)으로부터 구한다.
b) 만약 β≤Rr<α 이면 3과정으로 이동한다.
c) 만약 γ≤Rr<β 이면 각 매크로블록에 대해 (수학식15)로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다(74). 이때, (수학식15)에서 Qf1과 Qd2는 (수학식1) 내지 (수학식4)중 해당 식으로부터 구한다.
단, 매크로블록이 화면내 부호화 모드이면서 Q1>9일 경우 또는 매크로블록이 화면간 부호화 모드이면서 Q1>12이면 (수학식18)로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다.
d) 만약 δ≤Rr<γ이면 각 매크로블록에 대해서 (수학식16)으로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다(75). 이때, (수학식16)에서 Qf2과 Qd2는 (수학식2) 또는 (수학식4)로부터 구한다.
단, 매크로블록이 화면내 부호화 모드이면서 Q1>9일 경우 또는 매크로블록이 화면간 부호화 모드이면서 Q1>12이면 (수학식18)로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다.
e) 만약 Rr<δ이면 각 매크로블록에 대해서 (수학식17)로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다(76). 이때, (수학식17)에서 Qf2는 (수학식2) 또는 (수학식4)로부터 구한다.
단, 매크로블록이 화면내 부호화 모드이면서 Q1>9일 경우 또는 매크로블록이 화면간 부호화 모드이면서 Q1>12이면 (수학식18)로부터 Q2값을 각각 구해낸 후에 5과정으로 이동한다.
3과정 : 아래의 (수학식19)로부터 Qd1을 Q2값으로 취할 매크로블록의 개수와 Qf1을 Q2값으로 취할 매크로블록의 개수를 구한다(77).
여기서, nint(·)는 가장 가까운 정수값으로 만드는 연산자이다.
그리고, 슬라이스내에서 화질을 균일하게 유지하기 위해 Qd1과 Qf1이 한곳에 몰려서 할당되지 않도록 적절히 혼합해서 각 매크로블록에 할당한다. 예를 들어 살펴보면, M=10, Number_of_Qd1=3, Number_of_Qf1=7 이라면, 다음과 같이 각 매크로블록에 Qd1과 Qf1을 적절히 혼합해서 할당한다.
[Qf1(1) Qf1(2) Qd1(3) Qf1(4) Qf1(5) Qd1(6) Qf1(7) Qf1(8) Qd1(9) Qf1(10)]
여기서, Qf1(n)은 n번째 매크로블록의 Q2값으로 Qf1을 할당하라는 의미이다. 이후, 4과정으로 이동한다.
4과정 : 각 매크로블록의 Q2값으로 할당된 Qf1또는 Qd1을 (수학식1) 또는 (수학식3)을 이용하여 구한 후에(78) 5과정으로 이동한다.
5과정 : 각 매크로블록에 할당된 Q2값으로 재양자화하여 부호화하고(79), 이때 발생된 비트량 BG을 얻는다. 여기서, 한 슬라이스에 대한 비트율 제어가 실질적으로 완료된다. 목표로 하는 비트발생량 BT로부터 벗어난 비트량을 BD=BT- BG로부터 얻는다. 이런 과정을 진행하는 도중에 다음 슬라이스가 트랜스코더에 입력되는데, 이때 다음 슬라이스의 비트카운트 수(Next_slice_bit)를 구해 놓는다. 그리고, 6과정으로 이동한다.
6과정 : 다음 슬라이스에 대한 트랜스코딩을 하기 위한 변수를 다음의 (수학식20)과 같이 업데이트(update)한다(80).
BT= 다음 슬라이스 비트수×Rr
이제, 다음 슬라이스를 트랜스코딩하기 위해 2과정으로 이동한다.
이상의 알고리즘의 구조는 확실한 모델을 근거로 하기 때문에 기존 방법인TM5 방법보다 계산요구량이 훨씬 적다. 한편 "불연속적인 선형적 감소모델"을 근거로 발명된 알고리즘으로 실제 트랜스코딩시의 비트율 제어를 했을 때의 성능과 TM5 방법에 의한 성능을 모의실험을 통해 비교해보면 다음과 같다.
제1 모의실험의 조건
- 테스트 영상 : SIF(Source Input Formal) 포맷인 252x240 화소에 30프레임/초, GOP(Group Of Picture) 크기가 12인 "Susie" 영상 96프레임.
- 비트율 변환 조건 : R1=0.6Mbps, R2=0.36Mbps(40% 비트율 감소)
도 8 은 제1 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 피크 신호대 잡음비(PSNR) 비교도로서, 본 발명의 방법과 TM5 방법에 의해 비트율이 제어되었을 때, 트랜스코딩된 영상의 피크 신호대 잡음비(PSNR)를 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의한 피크 신호대 잡음비(PSNR)가 전체적으로 좋게 나타나며, 특히 GOP 후반부에서 피크 신호대 잡음비(PSNR)의 향상이 두드러지게 나타난다.
도 9 는 제1 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 이탈율 비교도로서, 본 발명의 방법과 TM5 방법에 의한 비트율 제어시 생성되는 비트량이 목표비트량으로부터 얼마나 벗어나는지를 비교한 실험인데, 본 발명의 방법은 이탈율(deviation percentage)이 거의 0% 근처에 몰려 있는 반면에 TM5 방법은 이탈율이 상당히 높다.
제2 모의실험의 조건
- 테스트 영상 : CCIR601 포맷인 720x480 화소에 30프레임/초, GOP 크기가 12인 "Table Tennis" 영상 96프레임.
- 비트율 변환조건 : R1=10Mbps, R2=6.5Mbps(35% 비트율 감소)
제2 모의실험에서는 트랜스코더에 입력으로 들어가는 비트스트림이 장면전환 기법이 고려되어 부호화된 영상이다. "Table Tennis"의 68번째 프레임에서 장면전환이 발생하는데, 도 10 의 결과로부터 본 발명의 알고리즘에 의한 방식은 트랜스코딩 후에도 상기 장면전환 기법이 그대로 고려되어 화질저하를 막아 주고 있다. 이에 대한 이유는 본 발명의 방법은 입력되는 비트스트림의 양자화 계단 크기 정보 Q1을 기반으로 재양자화 계단 크기 Q2를 찾기 때문이다. 반면에 TM5 방식은 이런 정보(Q1)를 완전히 무시한 채 Q2를 찾기 때문에 장면전환에 대처하기 위해서는 트랜스코딩시 부가적인 장면전환 알고리즘의 추가가 요구되어지는 단점이 있다.
도 11 은 제2 모의실험에서 본 발명의 비트율 제어 방법과 TM5 방법의 이탈율 비교도로서, 본 발명의 알고리즘은 이탈율이 거의 0% 근처에 머무르는 반면에 TM5 방식은 상당히 이탈율이 높고, 특히 장면전환이 발생한 68번째 프레임에서의 이탈율이 특히 높게 나타나서 비트율 제어기로서의 역할을 제대로 수행하지 못하고 있다.
한편, 실시간 트랜스코딩을 위한 비트율 제어 방법은 최대한 간단한 알고리즘으로 비트율을 제어하는 것이 필수적이다. 따라서, 상기와 같은 본 발명은 트랜스코딩 환경에 효율적인 비트율 제어 방법으로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명은, 본 발명의 핵심 모델인 "불연속적인 선형적 감소모델"을 이용하여 비트율을 제어할 경우에 기존 방법(TM5)보다 훨씬 적은 계산량으로 성능면에서도 뛰어난 비트율 제어를 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 지연문제와 복잡도 문제가 매우 중요한 영향을 줄 수 있는 실시간 트랜스코딩 환경에서, 입력영상의 화질을 최대한 보장할 수 있는 효율적인 제어 기법으로 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 비트율이 급변되는 재양자화 계단 크기를 선택하기 위한 장치에 적용되는 재양자화 계단 크기 선택 방법에 있어서,
    입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 2·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 1 단계;
    입력되는 화면내 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 4·Q1+nint(p·Q2/q)<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 2 단계;
    입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 3·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 3 단계; 및
    입력되는 화면간 부호화 블록 영상의 양자화 계단 크기 정보 Q1 값에 대해 5·Q1<2·Q2 를 만족하는 재양자화 계단 크기 Q2의 최소값을 재양자화 계단 크기 정보로 취하는 제 4 단계
    (여기서, nint(·)는 가장 가까운 정수값으로 만드는 연산자이고, p와 q는 각각 소정의 상수임)
    를 포함하는 재양자화 계단 크기 선택 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 단계는,
    재양자화 계단 크기 정보를 취한 후에, 취한 재양자화 계단 크기 정보에서 소정의 값을 감산하여 다시 재양자화 계단 크기 정보를 취하는 제 5 단계
    를 더 포함하는 재양자화 계단 크기 선택 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소정의 값은,
    1을 포함하는 것을 특징으로 하는 재양자화 계단 크기 선택 방법.
  4. 비트율 제어기에 적용되는 비트율 제어 방법에 있어서,
    변수를 초기화한 후에 입력영상에 대하여 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 속하는 구간을 판단하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계의 판단 결과에 따른 각 선형방정식으로부터, 입력영상의 양자화 계단 크기 정보(Q1)를 이용하여 재양자화 계단 크기를 구하는 제 2 단계; 및
    각 매크로블록에 할당된 재양자화 계단 크기로 각 매크로블록을 재양자화하여 부호화하는 제 3 단계
    를 포함하는 비트율 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    다음 순서의 슬라이스에 대한 변수를 업데이트(update)한 후에 상기 제 1 단계의 판단 과정부터 반복 수행하는 제 4 단계
    를 더 포함하는 비트율 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 단계의 초기화 과정은,
    상기 정규화 비트발생량(Rr)을, 출력비트스트림의 목표비트율(R2)을 입력비트스트림의 비트율(R1)로 나눈 값으로 초기화하는 제 5 단계; 및
    재양자화에 의해 목표로 하는 비트발생량(BT)을, 현재 슬라이스 비트수에 상기 정규화 비트발생량(Rr)을 곱한 값으로 초기화하는 제 6 단계
    를 포함하는 비트율 제어 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    상기 제 1 단계의 판단 결과, 상기 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 제1 소정의 값보다 작고 제2 소정의 값(α) 이상이면, 각 매크로블록에 대해 해당 선형방정식으로부터 재양자화 계단 크기 정보를 각각 구하는 제 7 단계;
    상기 제 1 단계의 판단 결과, 상기 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 상기 제2 소정의 값(α)보다 작고 제3 소정의 값(β) 이상이면, Qd1또는 Qf1을 재양자화 계단 크기로 취할 매크로블록의 개수를 구한 후에, 각 매크로블록에 할당된 재양자화 계단 크기 정보를 구하는 제 8 단계;
    상기 제 1 단계의 판단 결과, 상기 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 상기 제3 소정의 값(β)보다 작고 제4 소정의 값(γ) 이상이면, 각 매크로블록에 대해 해당 선형방정식또는으로부터 재양자화 계단 크기 정보를 각각 구하는 제 9 단계;
    상기 제 1 단계의 판단 결과, 상기 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 상기 제4 소정의 값(γ)보다 작고 제5 소정의 값(δ) 이상이면, 각 매크로블록에 대해 해당 선형방정식으로부터 재양자화 계단 크기 정보를 각각 구하는 제 10 단계; 및
    상기 제 1 단계의 판단 결과, 상기 정규화 비트발생량(Rr)의 크기가 상기제5 소정의 값(δ)보다 작으면, 각 매크로블록에 대해 해당 선형방정식으로부터 재양자화 계단 크기 정보를 각각 구하는 제 11 단계
    를 포함하는 비트율 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 수행 후에 발생된 비트량 BG을 얻는 12 단계;
    목표로 하는 비트발생량 BT로부터 벗어난 비트량 BD를 BT에서 BG를 감산한 값으로부터 얻는 제 13 단계; 및
    다음 슬라이스의 비트카운트 수(Next_slice_bit)를 구하는 제 14 단계
    를 더 포함하는 비트율 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 소정의 값 내지 제5 소정의 값은,
    화면내 부호화 블록의 경우에, 상기 제1 소정의 값은 1이고, 상기 제2 소정의 값(α)은 0.85이며, 상기 제3 소정의 값(β)은 0.45이고, 상기 제4 소정의 값(γ)은 0.35이며, 상기 제5 소정의 값(δ)은 0.30인 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 소정의 값 내지 제5 소정의 값은,
    화면간 부호화 블록의 경우에, 상기 제1 소정의 값은 1이고, 상기 제2 소정의 값(α)은 0.85이며, 상기 제3 소정의 값(β)은 0.40이고, 상기 제4 소정의 값(γ)은 0.30이며, 상기 제5 소정의 값(δ)은 0.25인 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 비트율 제어 방법이 실장된 상기 비트율 제어기는,
    트랜스코더(Transcoder)에 사용되는 것을 특징으로 하는 비트율 제어 방법.
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