KR100498332B1

KR100498332B1 - 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR100498332B1
Application number: KR10-2002-0065319A
Authority: KR
Inventors: 서광덕
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2005-07-01
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: US20040081236A1; US7106796B2; KR20040036343A

Abstract

본 발명에 따른 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치 및 방법은 입력되는 영상의 특성에 맞도록 적응적인 R-Q특성을 얻는 로가리드믹(logarithmic) R-Q모델을 제안하고, MPEG-1과 MPEG-4간의 부호화 효율차이를 보상해주는 파라미터(β)를 특정한 값으로 고정시키지 않고 영상의 특성에 맞게 적응적으로 변화시키는 방안을 제안한다. 따라서, 상기 제안된 개념들을 바탕으로 본 발명은 MPEG-1의 비트스트림을 MPEG-4의 비트스트림으로 변환할 때 영상특성에 따라 비트율을 적응적으로 제어한다.

Description

비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ADAPTIVE RATE IN VIDEO TRANSCODER}

본 발명은 비디오 트랜스코더(Transcoder)의 비트율 변환에 관한 것으로서, 특히 로가리드믹(Logarithmic) R-Q모델에 기반한 적응적인 비트율 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

비디오 압축 기술(technology)의 등장(advent)으로 인터넷, 무선망 및 ATM망을 포함하는 다양한 종류의 채널들을 통해 디지털 비디오신호의 전달이 가능해졌다. 따라서, 미래의 비디오 서비스는 이종(heterogeneous)의 네트워크환경은 물론이고 이종의 비디오 코딩표준이 고려되어야 한다.

지금까지 디지털 저장매체와 CD-ROM 어플리케이션을 위한 보편적인 비디오 코딩표준으로서 MPEG-1이 사용되어 왔으며, 수많은 비디오 컨텐츠(contents)들이 MPEG-1 비트 스트림으로 생성(create)되었다. 또한, 이동환경과 같이 낮은 비트율에서의 비디오 전송의 요구가 증대되어 MPEG-4가 채널에러에 강한 메인 스트림 기법중의 하나로 등장하였다.

그런데, MPEG-1은 약 1.5Mbit정도의 높은 비트율(bit-rate)을 가지고 있어, 낮은 비트율이 요구되는 무선환경에는 적합하지 않다. 이에 비하여 MPEG-4는 높은 압축율 가지며 다양한 에러내성 기법을 채택하고 있기 때문에 오류율이 높고 채널 대역폭이 낮은 무선환경에 적합하다.

따라서, 서버에 저장되어 있는 MPEG-1 비디오 콘텐츠들을 낮은 비트율을 갖는 MPEG-4로 트랜스코딩(transcoding)함으로써 무선환경을 통하여 서버로부터 MPEG-4 디코더가 탑재된 이동단말기까지 각종 비디오 콘텐츠들을 효과적으로 전송할 수 있다. 상기와 관련된 구체적인 응용분야로서 주문형 비디오(Video on Demand : VOD) 또는 스트리밍(Streaming) 비디오 서비스에서 이미 압축되어 저장되어 있는 MPEG-1 비디오 콘텐츠를 MPEG-4가 탑재된 이동 단말기에서 서비스 받을 수 있도록 할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 서비스를 제공하기 위해서는 이미 압축되어 저장된 MPEG-1 콘텐츠의 높은 비트율을 MPEG-4가 탑재된 이동 단말기가 요구하는 낮은 비트율의 MPEG-4 비트스트림으로 변환해야 하는데, 이러한 변환동작은 수행하는 장치로서 비디오 트랜스코더(Video trasncoder)가 제안되고 있다.

도 1은 비트율 변환을 위한 종래의 비디오 트랜스코더의 구조이다.

도 1을 참조하면, 종래의 비디오 트랜스코더는 VLD(variable length decoder : VLD)(10), 역 양자화기(inverse quantizer : IQ₁)(12), 가산기(14), 양자화기(16), VLC(variable length coder : VLC)(18), 역 양자화기(IQ₂)(20), 가산기(22), 프레임 메모리(24), 움직임 보상부(26), 비트율 제어기(28) 및 MPEG-4 신택스(Syntax)발생기(30)로 구성된다.

상기 VLD(10)는 비트율(R1)을 갖는 MPEG-1비트스트림을 디코딩하여, 양자화 파라미터(Quantization Parameter : QP)와 DCT계수(coefficient)를 출력한다.

역 양자화기(12)는 DCT계수를 양자화 파라미터(QP)로 역 양자화하여 가산기(14)로 출력하고, 가산기(14)는 움직임 보상부(26)에서 출력된 DCT영역(domain)에서의 움직임 보상값과 역 양자화기(12)에서 출력된 DCT계수를 가산한다.

양자화기(16)는 가산기(14)에서 출력된 DCT계수를 비트율 제어기(28)에서 출력된 양자화 파라미터(QP)로 양자화하여 VLC(18)로 출력한다. 따라서, VLC(18)는 양자화된 DCT계수와 MPEG-4 신텍스 발생기(28)에서 출력된 MPEG-4 신택스와 코딩하여 비트율(R2)을 갖는 MPEG-4 비트 스트림을 출력한다.

이때, 움직임 보상부(26)는 VLD(10)에서 출력된 움직임 벡터(MV)와 프레임 메모리(24)에 저장된 기준 DCT프레임을 이용하여 DCT 영역에서의 움직임 보상값을 생성하고, 가산기(22)는 역 양자화기(12),(20)의 출력값을 감산한 후 해당 감산값을 상기 움직임 보상값과 가산하여 프레임 메모리(24)에 저장할 기준 프레임을 생성한다. 또한, 상기 MPEG-4 신텍스 발생기(30)는 MPEG-1비트스트림으로부터 MPEG-4 신텍스를 생성한다.

상술한 바와같이 비디오 트랜스토더는 고 비트율(R1)의 MPEG-1 비트스트림을 저 비트율(R2)의 MPEG-4 비트스트림으로 트랜스코딩하며, MPEG-4의 목표 비트율은 비트율 제어기(28)의 제어에 의해 수행된다.

상기 비트율 제어기(28)는 VLD(10)에서 디코딩된 MPEG-1의 양자화 파라미터(QP)를 입력받아 MPEG-4의 비트율을 제어하기 위한 양자화 파라미터를 양자화기(16)로 출력한다.

비디오 트랜스코더의 비트율 제어기에서 MPEG-4의 비트율을 제어하는 최근 방법은, 도쿄에서 개최된 IEEE ICME(IEEE Int. Conf. on Multimedia and Expo 2001에서 S. C. Heo, K. D. Seo, K. C. Roh 및 J. K. Kim에 의해 제출된 논문의 13-16페이지에 기재되어 있는 "A new requntization method for MPEG-1 to MPEG-4 transcoder"이다.

상기 논문에서는 MPEG-4의 비트율 제어를 위하여 두 가지 과정을 수행한다. 첫 번째 과정은 기존의 일반적인 R-Q(rate-quantization) 모델을 기반으로 적당한 양자화 파라미터를 결정하는 과정이고, 두 번째 과정은 MPEG-1과 MPEG-4의 압축효율과 양자화방식의 차이를 고려하여 최종적으로 MPEG-4의 양자화 파라미터를 구하는 과정이다.

도 2는 MPEG-4의 비트율 제어를 위한 종래의 비트율 제어기의 블록도이다.

도 2을 참조하면, 종래의 비트율 제어기는 R-Q모델링부(20) 및 양자화 파라미터 결정부(22)로 구성된다.

R-Q모델링부(20)는 입력된 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]에 R-Q모델을 적용하여, MPEG-1의 목표(traget) 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 산출한다. 이때, n은 화면이 순서를 나타내고, m은 화면내 매크로(macro)블럭의 순서를 나타내는 인덱스이다. 상기 R-Q모델(rate-quantization)은 Ding에 의해 IEEE Trans. on circuits and systems for video technology의 97년 2월호에서 제안되었다.

양자화 파라미터 결정부(22)는 목표(traget) 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 입력받아, MPEG-1과 MPEG-4간의 부호화효율 차이와 상기 두 부호화 표준간의 양자화 파라미터의 부호화방법 차이를 고려하여, MPEG-4의 비트율을 얻기 위한 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 산출한다.

즉, MPEG-4의 부호화효율은 MPEG-1의 부호화효율보다 10-20%정도 양호하다. 따라서, 상기 부호화 효율을 반영하기 위하여 양자화 파라미터 결정부(22)에 β라는 파라미터를 도입하였다. 또한, MPEG-4의 경우 급격한 화질변화를 방지하기 위해 이웃하는 매크로블록간의 양자화 파라미터의 변화가능값을 ±2 이내로 제한하는 반면 MPEG-1에서는 상기와 같은 제한이 없다. 따라서, 이러한 차이점을 해결하기 위하여 양자화 파라미터 결정부(22)는 점진적 접근함수(Gradual Approach Function : GAF)를 이용한다.

양자화 파라미터 결정부(22)는 목표(traget) 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]에 β파라미터와 GAF를 적용하여 MPEG-4를 위한 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 산출한다. 또한, 양자화 파라미터 결정부(22)는 1프레임당 목표 비트량과 실제 발생된 비트량과의 차이를 나타내는 α(n)을 검출하여 R-Q모델링부(20)로 피드백시키고, R-Q모델링부(20)는 다음 프레임에서 상기 α(n)을 차이만큼의 비트량 전송을 증가 또는 감소시킨다.

따라서, 양자화기(16)는 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]로 가산기(14)에서 출력된 DCT계수를 양자화함으로써 MPEG-4의 목표 비트율을 얻을 수 있게 된다.

상술한 바와같이 비트율 제어기는 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]에 R-Q모델을 적요하여 목표 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 얻는다. 그런데, 비트율 제어기의 R-Q모델링부는 입력 영상의 특성을 고려하지 않고 단지 고정된 R-Q모델만을 사용한다.

즉, 종래의 비트율 제어기는 비트율 제어알고리즘의 핵심이 되는 R-Q모델을 영상에 관계없이 변하지 않는 고정된 모델을 사용하기 때문에 정확한 비트율을 제어할 수 없는 문제점이 있었다. 이로 인하여 각 화면에 정확한 비트율이 할당되지 못하여 화질이 저하되거나 또는 화면들간의 화질차이가 심하게 발생되는 문제점이 있었다.

그리고, 비트율 제어기의 양자화 파라미터 결정부는 MPEG-1과 MPEG-4간의 부호화효율의 차이를 반영한 파라미터(β)를 사용한다. 그런데, 상기 β값이 영상의 특성에 따라 가변적임에도 불구하고 양자화 파라미터 결정부는 특정한 값으로 고정된 β를 사용한다. 이로 인하여 종래의 비트율 제어기는 고정된 β를 사용함에 의해 정확한 양자화 파라미터를 결정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 MPEG-1의 비트스트림을 MPEG-4의 비트스트림으로 변환할 때 효과적으로 비트율을 제어할 수 있는 비트율 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 영상의 특성에 따라 적응적으로 R-Q모델을 적용하는 로가리드믹(logarithmic) R-Q모델을 제안하며, 제안된 로가리드믹 R-Q모델을 이용한 비트율 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 파라미터(β)를 영상의 특성에 맞게 적응적으로 선택함으로써 비트율 제어를 정확하게 수행할 수 있는 비트율 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법은 MPEG-1의 비트스트림을 DCT계수로 변환하는 과정과; MPEG-1의 양자화 파라미터에 로가리드믹 R-Q모델과 부호화효율의 차이를 반영하여 MPEG-4의 양자화 파라미터를 생성하는 과정과; 생성된 MPEG-4의 양자화 파라미터로 상기 DCT계수를 양자화하여, MPEG-4 비트스크림을 출력하는 과정으로 구성된다.

바람직하게, 상기 MPEG-4의 양자화 파라미터생성 과정은 제어 파라미터 의 초기값을 설정하는 과정과; MPEG-1의 양자화 파라미터에 로가리드믹 R-Q모델을 적용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터를 결정하는 과정과; MPEG-1과 MPEG-4간의 부호화효율의 보정 파라미터를 이용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터를 조정하는 과정과; 조정된 양자화 파라미터에 점진적 접근함수를 적용하여 MPEG-4의 양자화 파라미터를 출력하는 과정과; 한 화면의 처리가 종료되면 제어 파라미터를 업데이트하는 과정으로 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법은 제어 파라미터의 초기값을 설정하는 과정과; 입력 MPEG-1의 양자화 파라미터에 로가리드믹 R-Q모델을 적용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터를 결정하는 과정과; MPEG-1과 MPEG-4간의 부호화효율의 차이를 나타내는 파라미터를 이용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터를 조정하는 과정과; 조정된 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터에 점진적 접근함수를 적용하여 출력 MPEG-4의 양자화 파라미터를 산출하는 과정과; 각 화면에 대한 목표 비트량과 실제 발생 비트량과의 차이를 계산하여, 양자화 파라미터를 결정과정으로 피드백시키는 과정과; 한 화면의 처리가 종료되면 제어 파라미터를 업데이트하는 과정으로 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치는 입력 MPEG-1의 양자화 파라미터에 로가리드믹 R-Q모델을 적용하여, 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터를 출력하는 로가리드믹 R-Q모델링부와; 부호화효율의 보정 파라미터로 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터 조정하는 양자화 파라미터 조정부와; 조정된 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터에 점진적 접근 함수를 적용하여 출력 MPEG-4의 양자화 파라미터를 출력하는 양자화 파라미터 결정부와; 목표 MPEG-1와 출력 MPEG-4의 n번째 화면간의 비트량 차이를 산출하여 로가리드믹 R-Q모델링부로 피드백시키는 비트량 계산부로 구성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 영상특성에 맞도록 적응적으로 R-Q특성을 얻는 로가리드믹(logarithmic) R-Q모델을 제안하며, MPEG-1와 MPEG-4사이의 부호화 효율차이를 보상해주는 파라미터(β)를 특정한 값으로 고정시키지 않고 영상의 특성에 맞도록 적응적으로 변화시키는 방안을 제안한다. 상기 제안한 개념들을 바탕으로 본 발명은 MPEG-1의 비트스트림을 MPEG-4의 비트스트림으로 변환할 때 비트율을 적응적으로 제어한다.

1) 로가리드믹(logarithmic) R-Q모델

로가리드믹 R-Q모델을 얻기 위하여, 먼저 다양한 양자화 파라미터(Q_P)값에 따른 비트 발생량의 분포를 몇 가지 테스트영상에 대하여 실험하였다. 사용된 테스트 영상으로는 "모빌(Mobile)", "꽃(flower)", 축구(Football)" 및 미스 아메리카(Miss America : MSAM)등이 있다.

도 3은 복수의 테스트 영상들을 양자화 파라미터(Q_P)를 이용하여 I화면(I-picture)으로 부호화했을 때의 비트 발생량 분포이다.

상기 분포특성을 로가리드믹 스케일로 변환하면 도 4에 도시된 바와같이 logQ_p와 logR과의 관계가 선형적인 특성을 나타낸다. 특히, 상기 Q_P값의 범위를 4-25정도로 한정시킬 경우 도 5에 도시된 바와같이, logQ_p와 logR과의 선형적인 특성이 더욱 두드러짐을 알 수 있다.

도 6은 "꽃(flower)영상의 I-화면에 대한 로가리드믹 R-Q관계도이다.

특히, 도 6은 Q_p값을 4-25까지 변화시키면서 "꽃"영상의 1번째, 16번째, 31번째, 46번째, 61번째 영상을 I-화면으로 부호화했을 때 logQ_p와 logR과의 관계를 관찰한 결과이다.

도 6에서 알 수 있는 바와같이, 직선의 기울기는 동일한 테스트영상의 각 화면들에 대해서 거의 동일함을 알 수 있다. 이는 "꽃"영상이 카메라 패닝(panning)특성을 갖음으로 인하여 화면의 특성이 서로 비슷하기 때문이다. 따라서, 영상의 특성이 급격히 변하지 않는 경우 각 영상들이 갖게 되는 기울기값은 서로 유사함을 알 수 있다.

도 7은 Q_p값을 4-25까지 변화시키면서 "꽃"영상의 2번째, 3번째, 4번째, 13번째 및 14번째영상을 P-화면으로 부호화했을 때 logQ_p와 logR과의 관계를 관찰한 결과이다. 도 7에서 알 수 있는 바와같이, 상기 P-화면의 결과는 1-화면에서와 같이 선형적인 특성을 나타낸다. 이러한 실험결과를 바탕으로 logQ_p와 logR과의 관계를 다음과 같이 선형적인 수학식으로 표현할 수 있다.

log R = δ-γlogQ_p, 4≤Q_p≤25----- 식(1)

상기 수학식을 로가리드믹 R-Q모델이라 부른다. 상기 식(1)에서 δ와γ는 모델 파라미터이며 δ는 상수이다.

또한, 식(1)에서 Q_p가 4에서 25까지의 범위로 한정되어 있는데, 일반적인 영상부호화에서 사용되는 Q_p값은 대부분 상기 범위(4-25)에 속하기 때문에 Q_p값 범위를 한정함으로써 발생되는 제약이나 문제점은 없다

상기 식(1)은 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

R = , 4≤Q_p≤25--------------- 식(2)

이때, 상기 R은 비트율을 나타낸다.

2) 점진적 접근 함수(gradual approach function : GAF)

점진적 접근 함수(GAF)는 MPEG-1와 MPEG-4의 양자화 파라미터의 전송방법의 차이를 고려하기 위하여 고안된 함수이다. MPEG-1에서는 이웃하는 매크로블록의 양자화 파라미터값의 차이에 제약을 두지 않지만 MPEG-4에서는 양자화 파라미터값의 차이가 ±2를 넘지 않도록 하고 있다. 따라서, 다음의 GAF를 이용하여 상기 문제를 해결한다.

Q₂(n,m) = G[Q₁(n,m),Q₂(n,m-1)] --------------식(3)

= Q₂(n,m-1)-2 Q₁(n,m)〈 Q₂(n,m-1)-2,

= Q₁(n,m) if Q₂(n,m-1)-2≤Q₁(n,m)≤Q₂(n,m-1)+2,

= Q₂(n,m-1)+2 Q₁(n,m) 〉Q₂(n,m-1)+2.

위의 식(3)에서 Q₁(n,m)은 MPEG-1의 n번째 화면의 m번째 매크로블럭에 할당된 양자화 파라미터값을 의미하고, Q₂(n,m)은 MPEG-4의 n번째 화면의 m번째 매크로블럭에 할당된 양자화 파라미터값을 의미한다. 상기 관계를 그래프로 도시하면 도 8과 같다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 비트율 제어기의 블록도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 다른 비트율 제어기는 로가리드믹 R-Q모델링부(100), 양자화 파라미터 조정부(120), 양자화 파라미터 결정부(140) 및 비트량 계산부(160)로 구성된다.

로가리드믹 R-Q모델링부(100)는 영상특성에 따라 적응적으로 구해진 로가리드믹 R-Q모델을 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]에 적용하여, 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 출력한다.

양자화 파라미터 조정부(120)는 로가리드믹 R-Q모델링부(100)에서 출력된 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]에 영상특성에 따라 가변적인 파라미터(β)를 적용하여, 조정된 양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]를 산출한다.

양자화 파라미터 결정부(140)는 상기 조정된 양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]에 점진적 접근함수(GAF)를 적용하여 최종적으로 MPEG-4를 위한 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 생성한다.

그리고, 비트량 계산부(160)는 목표 MPEG-1과 출력 MPEG-4의 n번째 화면간의 비트량 차이를 산출하여, 로가리드믹 R-Q모델링부(100)로 피드백시키는 역할을 수행한다.

이와같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 비트율 제어기의 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 9에서 n은 화면의 순서를 나타내는 인덱스(index)이며, n-1은 n번째 화면과 동일한 타입(I 또는 P)을 갖는 가장 최근의 화면을 나타낸다. 즉, IPPPPPPI화면을 예로들면 현재 n번째 화면이 I화면이기 때문에 n-1번째 화면은 P화면이 아니라 맨 처음에 위치하는 I화면을 의미한다.

또한, Q₁(n,m), Q_1T(n,m) 및 Q₂(n,m)들은 각각 입력 MPEG-1, 목표 MPEG-1 및 출력 MPEG-4의 양자화 파라미터를 나타내고, B₁(n), B_1T(n) 및 B₂(n)들은 각각 입력 MPEG-1, 목표 MPEG-1 및 출력 MPEG-4의 n번째 화면의 비트량을 나타낸다. 그리고, Q'_1T(n,m)는 값을 이용하여 Q_1T(n,m)를 조정한 값이며, B'_1T(n)도 값을 이용하여 B_1T(n)를 조정한 값이다.

또한, 도 9에는 비트율 제어를 위한 등의 제어 파라미터가 사용된다. 이때, t는 현재 처리중인 화면의 종류를 나타내며 t∈{I,P}로 표현된다.

는 보정(correction) 파라미터로서, 한 프레임에서 MPEG-1 목표 비트량(bitcount)에서 실제 발생된 MPEg-4의 비트량을 감산한 값으로서 다음과 같이 정의된다.

= B_1T(n) - B₂(n) -------------------식(4)

는 MPEG-1과 MPEG-4사이의 부호화효율차이를 고려한 보호화 효율의 보정 파라미터로서 다음과 같이 정의된다. 이때, 는 항상 1보다 작으며, 대략 0.8-0.95사이에 존재한다.

= -----------------------식(5)

는 식(1)에 도시된 로가리드믹 R-Q모델에 의해 구해진 모델 파라미터이다.

그리고, B_1T(n)는 입력 MPEG-1의 비트율(R₁), 출력 MPEG-4의 비트율(R₂), 및 를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

---------------식(6)

따라서, MPEG-1의 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]가 입력되면, 로가리드믹 R-Q모델링부(100)는 의 값과 식(2)을 이용하여 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 구한다.

Q_1T(n,m) = , t∈{I,P} --식(7)

이때, 상기 FR은 Frame rate이다.

일단. 목표 MPEG-1의 Q_1T(n,m)가 결정되면 MPEG-1과 MPEG-4의 부호화효율 차이를 고려하기 위하여 양자화 파라미터 조정부(120)는 Q_1T(n,m)에 를 적용하여 다음 식과 같이 Q'_1T(n,m)를 구한다.

Q'_1T(n,m) = ------------식(8)

목표 양자화 파라미터 출력부(140)는 GAF방법인 식(3)을 이용하여 출력 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 다음과 같이 구한다.

Q₂(n,m) = G [Q'_1T(n,m), Q₂(n,m-1) --------------식(9)

이때, 비트량 계산부(160)는 목표 MPEG-1의 n번째 화면의 비트량과 출력 MPEG-4의 n번째 화면의 비트량과의 차이를 나타내는 를 산출하여, 로가리드믹 R-Q모델링부(100)로 피드백시킨다.

따라서, 비트율 제어기(140)는 영상의 특성을 반영한 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]을 양자화기로 출력한다.

도 10은 본 발명에 따른 비디오 트랜스코더의 비트율 제어방법을 나타낸 흐름도이다. 이때, 본 발명은 도 1에 도시된 종래의 비디오 트랜스코더를 준용한다.

도 10에 도시된 바와같이, 본 발명은 VLD(10), 역양자화기(12), 가산기(14)를 이용하여 MPEG-1의 비트스트림을 DCT계수로 변환한다(S1). 한편으로 본 발명은 도 9에 도시된 비트율 제어기를 이용하여 MPEG-1을 위한 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]에 로가리드믹 R-Q모델과 부호화효율의 차이 및 GAF를 적용하여 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 생성한다(S2).

상기와 같이 DCT계수와 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]가 생성되면 양자화기(16)에서 상기 두 값을 양자화한 후 VLD(18)에서 부호화함으로써 원하는 비트율을 갖는 목표 MPEG-4 비트스크림이 생성된다(S3).

이후, 도 11을 참조하여 MPEG-4의 양자화 파라미터를 생성과정(S2)의 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

비트율이 R₁인 MPEG-1 비트스트림의 화면이 입력되면(S10), 비트율 제어기는 제어 파라미터의 초기값을 결정한다(S12). 이때, 제어 파라미터의 초기값은 로서 실험적으로 결정된다.

파라미터의 초기값이 설정되면 비트율 제어기는 로가리드믹 R-Q모델을 기반으로 MPEG-1의 목표 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 결정한다(S14). 또한, 비트율 제어기는 MPEG-1과 MPEG-4사이의 부호화효율차이를 고려하기 위해로 상기 목표 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 조정함으로써 Q'_1T(n,m)를 결정한다(S16).

일단 Q'_1T(n,m)가 결정되면 비트율 제어기는 GAF방법을 적용하여 최종적으로 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 구한다(S18).

상기와 같은 과정이 한화면내의 모든 매크로 블록에 대하여 수행되면, 비트율 제어기는 다음의 동일한 타임의 화면에 사용될 제어 파라미터를 업데이트한다.

즉, 매크로 블록에 대한 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]가 결정되면 비트율 제어기는 화면의 마지막 매크로 블록 즉, 1프레임(한 화면)에 대한 한 처리가 완료되었는지 체크한다(S20).

체크결과, 1프레임에 대한 처리가 종료되지 않았으면 상기 과정(S14)이후의 동작을 반복적으로 수행하고, 1프레임에 대한 처리가 종료되면 제어 파라미터의 값을 업데이트한 후(S22) 다음 프레임에 대하여 상기 과정(S12)이후의 동작을 수행한다. 이대, 제어 파라미터들은 다음 식에 의해 업데이트된다.

--------------------식(10)

-------------------식(11)

-------------식(12)

상기 식(15)에서 이고, 이며, M은 화면내의 매크로블럭의 개수를 의미한다.

상기 식(10)-(12)를 통하여 업데이트된 제어 파라미터들은 다음에 처리될 동일한 타입의 화면에 대한 비트율제어에 다시 이용된다.

따라서, 비트율 제어기에서 출력된 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 이용하여 비디오 트랜스코더의 양자화기는 MPEG-4를 양자화하게 된다.

일반적으로 상기 비디오 트랜스코더의 비트율 제어성능을 측정하기 위한 척도는 크게 세가지로 나눌 수 있다.

첫째는 비디오 트랜스코더 또는 수신측 디코더에서 버퍼의 넘침(overflow)이나 고갈(underflow)이 발생되지 않아야 하며, 둘째로 출력된 MPEG-4의 비트스트림의 비트율이 목표 비트율에 정확히 일치해야 한다. 마지막으로 출력된 MPEG-4의 비트스트림이 화질이 양호해야 한다. 이상 세가지 측면에서 본 발명에 다른 비트율 제어방법의 성능을 실험을 통하여 분석하면 다음과 같다.

먼저, 첫번째 실험에서 수신측 디코더 버퍼의 상태를 ICME 2001에서 제안된 방법의 성능과 비교한다. 테스트영상은 "축구"영상이며, 비디오 트랜스코더의 입력 MPEG-1의 비트율은 2mbps이고, 출력 MPEG-4의 비트율은 1Mbps로 가정한다.

도 12a는 이전에 ISME 2001에서 제안된 방법을 적용했을 때의 디코더 버퍼의 상태로서, 버퍼에 쌓이는 데이터가 급격히 증가하여 버퍼의 넘침이 발생되는 것을 확인할 수 있다. 반면에 도 12b에 도시된 바와같이 본 발명에 의해 고안된 방법을 적용했을 경우에는 버퍼의 상태가 안정적으로 제어되고 있음을 확인할 수 있다.

두 번째 실험에서는 화질과 비트율제어의 정확도를 비교한다.

도 13a는 비디오 트랜스코더에서 2Mbps로 코딩된 "축구" 영상을 1Mpbs로 비트율제어를 수행한 경우 각 화면별 PSNR(Peak Sigal-to-Noise ratio)성능을 비교한 도면이다. 이때, 가장 상위에 존재하는 결과(upper bound)는 트랜스 코딩을 거지지 않은 원 영상(original image)을 1Mbps의 MPEG-1로 부호화했을 때의 결과로서 비교대상은 아니다.

도 13a의 결과로부터 본 발명에서 고안된 비트율제어에 의한 화질(PSNR)이 기존의 비트율 제어방법에 의한 화질보다 우수함을 알 수 있다.

또한, 도 13b는 유사한 실험을 "탁구"영상에 적용한 결과로서 도 13a의 실험과 마찬가지로 본 발명에 따른 비트율 제어방법을 적용한 경우 화잘질 향상됨을 알 수 있다. 이때, 트랜스코더의 입력 비트율은 1.2Mbps이며 출력 비트율은 0.6Mbps이다.

도 14a 및 14b는 도 13a 및 13b의 실험을 통하여 얻어진 평균 PSNR과 출력 비트율의 정확도를 기존의 결과와 비교하기 위한 도면이다.

도 14a에 도시된 바와같이 축구영상에 대하여, 본 발명에 의한 방법이 기존의 방법보다 평균 0.25dB정도 화질이 향상되었고, 비트율 제어도 목표 비트율인 1Mbps에 더욱 접근함을 알 수 있다. 또한, 도 14b에 도시된 바와같이, 탁구영상에 대하여 본 발명에 의한 방법이 기존의 방법보다 평균 0.29dB정도 화질이 향상되었고, 비트율 제어도 목표 비트율인 0.6Mbps에 더욱 접근함을 알 수 있다.

따라서, 도 14a 및 14b에서 수행된 실험결과로부터 본 발명에 의한 비트율 제어방법은 화질(PSNR) 및 출력 비트율의 정확도면에서 모두 기존의 방법보다 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 입력되는 영상의 특성에 맞도록 적응적인 R-Q특성을 얻는 로가리드믹(logarithmic) R-Q특성을 제안하고, MPEG-1의 부화효율과 MPEG-4의 부호화 효율간의 차이를 보상해주는 파라미터(β)를 특정한 값으로 고정시키지 않고 영상의 특성에 맞게 적응적으로 변화시켜 정확한 MPEG-4의 양자화 팔라미터를 생성한다.

따라서, 상기 제안한 개념들을 바탕으로 본 발명은 MPEG-1의 비트스트림을 MPEG-4의 비트스트림으로 변환할 때 비트율을 적응적으로 제어함으로써 화질(PSNR)을 높일 수 있으며 보다 정확한 출력 비트율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서 선행된 실시예들은 단지 한 예로서 청구범위를 한정하지 않으며, 여러가지 대안, 수정 및 변경들이 통상의 지식을 갖춘 자에게 자명한 것이 될 것이다.

도 1은 종래의 비디오 트랜스코더의 블록도

도 2는 도 1에서 비트율 제어기의 상세 구성도.

도 3은 본 발명에서 복수의 테스트 영상들을 양자화 파라미터(Q_P)을 이용하여 I화면(I-picture)으로 부호화했을때의 비트 발생량의 분포

도 4는 도 3에 도시된 분포특성을 로가리드믹(Logarithmic) 스케일로 변환한 로가리드믹 R-Q관계도.

도 5는 양자화 파라미터(Q_P)를 4-25범위로 한정시켰을 때의 로가리드믹 R-Q관계도.

도 6은 "꽃(flower)영상의 여러 I-화면에 대한 로가리드믹 R-Q관계도.

도 7은 "꽃(flower)영상의 여러 P-화면에 대한 로가리드믹 R-Q관계도.

도 8은 본 발명에 다른 점진적 접근함수(GAF)를 나타낸 도면

도 9는 본 발명에 따른 비트율 제어기의 상세 구성도.

도 10은 본 발명에 다른 비디오 트랜스코더의 비트율 제어방법의 흐름도.

도 11은 도 10에서 MPEG-4의 양자화 파라미터를 생성하는 과정의 상세 흐름도.

도 12a는 종래의 비트율 제어방법에 의한 디코더 버퍼의 상태실험 결과를 나타낸 도면

도 12b는 본 발명의 비트율 제어방법에 의한 디코더 버퍼의 상태실험 결과를 나타낸 도면

도 13a는 "축구(Football)"영상에 대한 종래 및 본 발명에 의 비트율 제어방법에 따른 화면별 PSNR화질을 비교한 도면.

도 13b는 "탁구(Table tennis)"영상에 대한 종래 및 본 발명의 비트율 제어방법에 따른 화면별 PSNR화질을 비교한 도면.

도 14a는 "축구(Football)"영상에 대한 종래 및 본 발명의 비트율 제어방법에 따른 평균 PSNR과 비트율 제어의 정확도를 나타낸 도면

도 14b는 "탁구(Table tennis)"영상에 대한 기존 및 본 발명의 비트율 제어방법에 따른 평균 PSNR과 비트율 제어의 정확도를 나타낸 도면

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100 : 로가리드믹 R-Q모델링부 120 : 양자화 파라미터 조정부

140; 양자화 파라미터 결정부 160 : 비트량 계산부

Claims

MPEG-1의 비트스트림을 DCT계수로 변환하는 과정과;

MPEG-1의 양자화 파라미터에 로가리드믹 R-Q모델과 부호화효율의 차이를 반영하여 MPEG-4의 양자화 파라미터를 생성하는 과정과;

생성된 MPEG-4의 양자화 파라미터로 상기 DCT계수를 양자화하여, MPEG-4 비트스크림을 출력하는 과정으로 구성된 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 비트율 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 로가리드믹 R-Q모델은 다음 식에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 비트율 제어방법.

log R = δ-γlogQ_p, 4≤Q_p≤25

이때, R은 rate이고, Q_p는 MPEG-1의 양자화 파라미터이며, δ 및 γ은 모델 파라미터이다.
제1항에 있어서, 상기 MPEG-4의 양자화 파라미터생성 과정은

제어 파라미터의 초기값을 설정하는 과정과;

MPEG-1의 양자화 파라미터[(Q₁(n,m)]에 로가리드믹 R-Q모델을 적용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 결정하는 과정과;

부호화 효율의 보정 파라미터를 이용하여 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 조정하는 과정과;

조정된 양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]에 점진적 접근함수를 적용하여 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 출력하는 과정과;

한 화면의 처리가 종료되면 제어 파라미터를 업데이트하는 과정으로 구성된 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 n번째 화면에 대한 목표 비트량과 실제 발생 비트량과의 차이값으로서, 다음 식에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

= B_1T(n) - B₂(n)

이때, 상기 B_1T(n)와 B₂(n)는 각각 목표 MPEG-1와 출력 MPEG-4의 n번째 화면의 비트량이다.
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 다음 식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

=

이때, 를 고려하여 B_1T(n)를 조정한 값이다.
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 로가리드믹 R-Q모델의 파라미터인 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, n번째 화면에 대한 목표 비트량과 실제 발생 비트량과의 차이를 계산하여, 상기 양자화 파라미터를 결정과정으로 피드백시키는 과정을 추가로 포함하는 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]는 다음 식에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

Q_1T(n,m) = , , t∈{I,P}

이때, FR은 Frame rate이고, 는 각각 MPEG-1 및 MPEG-4의 비트율을 나타낸다.
제8항에 있어서, 상기 n-1은 n번째 화면과 동일한 화면타입을 갖는 가장 최근의 화면을 의미하는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]는 다음 식에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

Q'_1T(n,m) =
제3항에 있어서, 상기 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]는 다음과 같은 점진적 접근함수에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

Q₂(n,m) = G[Q'_1T(n,m),Q₂(n,m-1)]

= Q₂(n,m-1)-2 Q'_1T(n,m)〈 Q₂(n,m-1)-2,

= Q'_1T(n,m) if Q₂(n,m-1)-2≤Q'_1T(n,m)≤Q₂(n,m-1)+2,

= Q₂(n,m-1)+2 Q'_1T(n,m) 〉Q₂(n,m-1)+2
제3항에 있어서, 업데이트된 제어 파라미터는 다음에 처리될 동일한 타입의 화면에 대한 비트율제어에 사용되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 다음 식에 의하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

= B_1T(n) - B₂(n)
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 다음 식에 의하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 다음 식에 의하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어방법.

이때, 이고, 이며, M은 화면내의 매크로블럭의 개수를 의미한다.
MPEG-1의 양자화 파라미터[Q₁(n,m)]에 로가리드믹 R-Q모델을 적용하여 목표 MPEG-1의 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 출력하는 로가리드믹 R-Q모델링부와;

부호화효율 보정 파라미터로 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 조정하여 양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]를 출력하는 양자화 파라미터 조정부와;

양자화 파라미터[Q'_1T(n,m)]에 점진적 접근함수를 적용하여 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 출력하는 양자화 파라미터 결정부와;

목표 MPEG-1와 출력 MPEG-4의 n번째 화면간의 비트량 차이를 산출하여 로가리드믹 R-Q모델링부로 피드백시키는 비트량 계산부로 구성된 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치.
제16항에 있어서, 상기 로가리드믹 R-Q모델링부는 다음 식에 의하여 양자화 파라미터[Q_1T(n,m)]를 생성하는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치.

Q_1T(n,m) = , , t∈{I,P}

이때, FR은 Frame rate이고, 는 각각 MPEG-1 및 MPEG-4의 비트율을 나타낸다.
제16항에 있어서, 상기 양자화 파라미터 조정부는 다음 식을 이용하여 양자화 파라미터[Q'₁(n,m)]를 생성하는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치.

Q'_1T(n,m) =
제16항에 있어서, 상기 양자화 파라미터 결정부는 다음과 같은 점진적 접근함수에 의하여 MPEG-4의 양자화 파라미터[Q₂(n,m)]를 결정하는 것을 특징으로 하는 비디오 트랜스코더의 적응적 비트율 제어장치.

Q₂(n,m) = G[Q'_1T(n,m),Q₂(n,m-1)]

= Q₂(n,m-1)-2 Q'_1T(n,m)〈 Q₂(n,m-1)-2,

= Q'_1T(n,m) if Q₂(n,m-1)-2≤Q'_1T(n,m)≤Q₂(n,m-1)+2,

= Q₂(n,m-1)+2 Q'_1T(n,m) 〉Q₂(n,m-1)+2