KR20020066498A - 동영상 부호화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 웨이블릿변환(Wavelet Transform)방식을 채용한 동영상 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로, 비디오 입력신호인 RGB신호를 동영상 압축 대상 신호(YUV)로 변환하고, 변환된 소정 크기의 동영상 압축 대상신호를 입력하여 웨이브릿 변환 및 양자화하여 얻어진 데이터를 엔트로피 코딩하여 출력함으로써 화면내 부호화를 수행한다. 그리고 상기 동영상 압축 대상신호를 입력하여 현재 프레임과 이전 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 움직임 발생 여부를 판단하여 그 판단결과를 모션 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하고, 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하는 한편, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는 모션벡터를 구하여 허프만 코딩하여 출력하고, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 블록을 상기 화면내 부호화 단계와 동일 방식으로 부호화하여 출력함으로써 화면간 부호화를 수행함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 동영상 부호화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 웨이블릿변환(Wavelet Transform)방식을 채용한 동영상 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.
동영상 부호화 장치는 현재 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 대표적인 예를 들면 인터넷상에서의 영화 서비스와 같은 VOD(Video On Demand) 등을 들 수 있다. 현재 동영상 부호화 장치에 관한 국제 표준안은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263 등이 있다. MPEG-2는 고화질 디지털 TV 방송용 및 DVD에 적용되어 사용되고 있으며, MPEG-4는 인터넷 방송용으로 가장 많이 사용되고 있다. 이러한 MPEG 시스템에서는 도 1에 도시한 바와 같이 DCT변환방식을 이용하여 동영상을 압축 부호화 하고 있다.
예를 들어 MPEG-2 방식에 따라 동영상을 부호화하는 장치의 화면내 부호화(intra frame coding) 블럭에서는, 우선 디지털 영상 데이터(휘도신호와 색차신호)를 16×16 화소의 매크로 블럭으로 분할하고, 그 매크로 블록을 8×8 화소의 블럭으로 더 분할하는 블럭화 처리를 행한다. 그리고 각 블록마다 이산 코사인 변환(DCT)을 실시하여 DCT 변환계수를 구한다. 그리고 얻어진 DCT 변환계수에 대하여 양자화폭과 각 주파수 성분에 대응한 8×8의 양자화 행렬로 제산하는 양자화(quantize)처리를 함으로서 양자화 변환 계수를 생성한다. 그리고 생성된 양자화 변환 계수를 허프만 코딩(Huffman coding)을 통해 부호화하여 출력한다.
상술한 바와 같이 DCT 변환방식을 근간으로 하는 MPEG 방식에 비해 일반적으로 알려진 웨이블릿 변환방식은 인트라 프레임 코딩에서 2배 가까운 압축율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 웨이블릿 변환방식을 근간으로 하는 부호화 시스템은 DCT에 비해 메모리 사용량이 많고 하드웨어 설계 구현이 어려운 점이 상업화에 하나의 걸림돌로 작용하고 있다.
또한 DCT 변환방식을 근간으로 하는 일반적인 동영상 부호화 장치에서는 움직임이 발생한 블록을 모션벡터로 표현할 수 없는 경우 텍스쳐 코딩을 수행하는데, 이러한 텍스쳐 코딩 역시 DCT변환을 근간으로 하기 때문에 웨이블릿 변환에 비해 상대적으로 데이터 압축율이 낮아지는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 움직임이 발생한 블록을 모션벡터로 표현할 수 없을 경우 수행되는 텍스쳐 코딩을 웨이블릿 변환방식을 이용하여 부호화함으로써 데이터 압축율을 향상시킬 수 있는 동영상 부호화 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 화면간 부호화는 물론, 화면내 부호화 과정에서 웨이블릿 변환방식을 이용토록 함으로써 DCT를 근간으로 하는 동영상 부호화 시스템에 비해 유사 화질 대비 2배 가까운 압축율을 가질 수 있는 동영상 부호화 장치 및 방법을 제공함에 있다.
도 1은 DCT(Discrete Cosine Transform)를 이용한 일반적인 동영상 부호화 장치의 구성 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동영상 부호화 장치의 구성도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 RGB 영상신호를 동영상 압축 대상 신호로 변환 출력하는 영상신호 변환부를 구비하는 동영상 압축 시스템의 동영상 부호화 장치에 있어서,
상기 동영상 압축 대상신호를 웨이블릿 변환하여 얻어진 변환계수를 양자화하고 이를 엔트로피 코딩하여 출력하는 화면내 부호화부와;
소정 크기의 동영상 압축 대상신호를 입력하여 이전 프레임과 현재 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 각 블록의 움직임이 발생하였는지를 판단하고 판단결과를 모션 맵 정보(motion map information)로서 출력하는 모션 검출부와;
상기 모션 맵 정보를 저장하고 이를 산술 부호화하여 출력하는 모션 맵 정보 부호화부와;
상기 모션 검출부로부터 움직임이 발생한 블록의 값들을 입력받아 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 출력하는 모션 예측부와;
상기 텍스쳐 맵 정보를 저장하고 이를 산술 부호화하여 출력하는 텍스쳐 맵 정보 부호화부와;
상기 모션 예측부로부터 움직임이 발생한 블록에 대한 모션 벡터를 입력받아 저장하고 이를 허프만 부호화하여 출력하는 모션 벡터 부호화부와;
상기 모션 예측부로부터 모션 벡터로 나타낼 수 없는 블록을 입력받아 저장하고 이를 상기 화면내 부호화부와 동일 방식으로 부호화하여 출력하는 텍스쳐 부호화부를 적어도 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 동영상 부호화 방법에 있어서,
RGB신호를 동영상 압축 대상 신호로 변환하는 영상신호 변환 단계와;
변환된 소정 크기의 동영상 압축 대상 신호를 입력하여 웨이브릿 변환 및 양자화하여 얻어진 데이터를 엔트로피 코딩하여 출력하는 화면내 부호화 단계와;
상기 동영상 압축 대상 신호를 입력하여 현재 프레임과 이전 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 움직임 발생 여부를 판단하여 그 판단결과를 모션 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하고, 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하는 한편, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는 모션벡터를 구하여 허프만 코딩하여 출력하고, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 블록을 상기 화면내 부호화 단계와 동일 방식으로 부호화하여 출력하는 화면간 부호화 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명 및 도면에서는 산술 부호화, 허프만 부호화 등과 같이 구체적인 부호화(coding) 방식이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
우선 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동영상 부호화 장치의 구성도를 도시한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 동영상 부호화 장치 역시 크게 영상신호 변환부(100)와 화면내 부호화부(400) 및 화면간 부호화부(500)로 구성된다.
영상신호 변환부(100)는 카메라 렌즈부에서 촬상되어 출력되는 RGB영상신호를 입력받아 YUV420(MPEG-4 시스템) 포맷으로 변환하여 출력한다. 이때 상기 YUV420 포맷의 영상신호는 동영상 압축 대상신호로서, YUV422(MPEG-2 시스템), YUV444 포맷으로 변환될 수도 있다.
한편 화면내 부호화부(400)는 크게 웨이블릿 변환부(410), 양자화부(420) 및 엔트로피 코딩부(430)로 구성된다. 상기 웨이브릿 변환부(410)는 상기 영상신호 변환부(100)에서 출력되는 Y,U,V 각각의 데이터를 웨이블릿 변환 수행하여 얻어진 변환계수를 출력하며, 상기 양자화부(420)는 상기 변환계수를 양자화함으로써 엔트로피 코딩 효율을 높인다. 그리고 엔트로피 부호화부(entropy coding)(430)는 고압축을 위한 전처리 과정으로서의 웨이블릿 변환과 양자화 과정을 거친 데이터를 최종적으로 부호화하여 출력함으로써, 한 프레임 내의 공간적 상관성을 이용하여 한 프레임에 대한 영상 압축을 수행한다. 현재 사용되고 있는 엔트로피 부호화 기술로서는 산술 부호화(arithmetic coding), 허프만 코딩, 콜롬 라이스 부호화(Golomb-Rice Coding:GR 코딩이라고도 함)가 있다. 이들 부호화 방식은 이미 공지된 사항이므로 그에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
한편 화면간 부호화부(500)는 크게 모션 검출부(510), 모션 예측부(540), 모션 맵 정보 부호화부(520, 530), 텍스쳐 맵 정보 부호화부(560,570), 모션 벡터 부호화부(580, 590) 및 텍스쳐 부호화부(600∼630c)로 구성된다.
상기 모션 검출부(510)는 이전 프레임과 현재 프레임간의 8×8 화소 블록간의 차이를 이용하여 각 블록의 움직임이 발생하였는지를 판단하고 판단결과를 모션 맵 정보(motion map information)로서 출력한다. 즉, 이전 프레임에 대하여 현재 프레임의 움직임이 있으면 모션 맵 정보를 "1"로 세팅하여 출력하고 움직임이 없었다면 "0"으로 세팅하여 출력한다. 이러한 모션 맵 정보는 모션 맵 정보 저장부(520)에 저장된후 산술 부호화부(530)를 통해 부호화되어 출력된다.
상기 모션 예측부(540)는 모션 검출부(510)로부터 움직임이 발생한 블록의 값들을 입력받고 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 출력한다. 또한 모션 예측부(540)는 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는 모션벡터를 구하여 출력하고, 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 모션 블록을 모션 블록 저장부(600)로 출력한다.
비모션(nomotion) 블록 저장부(550)는 움직임이 발생하지 않은 블록의 값들을 저장한다.
한편 텍스쳐 맵 정보 부호화부의 하나인 텍스쳐 맵 정보 저장부(560)(texture map information)는 모션 예측부(540)로부터 출력되는 텍스쳐 맵 정보를 저장한다. 이러한 텍스쳐 맵 정보는 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는 "0"의 값으로 설정되고, 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 "1"로 설정할 수 있다. 이러한 텍스쳐 맵 정보는 산술 코딩부(570)에서 부호화되어 출력된다.
모션 벡터 저장부(580)는 인터 모드(inetr mode)로 부호화되는 모션 벡터(MV)값들이 저장되며, 허프만 부호화부(590)는 엔트로피 코딩의 하나로서 모션 벡터 값들을 허프만 테이블을 이용하여 부호화하여 출력한다. 이와 같은 모션 벡터 저장부(580)와 허프만 부호화부(590)는 모션 벡터 부호화부를 구성한다.
모션 블록 저장부(600)는 인트라 모드(intramode)로 코딩되어야 하는 움직임이 발생한 모션 블록의 값들이 저장된다. 이와 같이 모션 블록 저장(600)에 저장된 모션 블록들은 각각 YUV에 대하여 웨이블릿 변환(610a, 610b, 610c) 및 양자화(620a, 620b, 620c), 그리고 콜롬 라이스(GR) 코딩부(630a, 630b, 630c)를 통해 부호화되어 출력된다.
이하 상술한 구성을 가지는 동영상 부호화 장치의 동작을 설명하면,
우선, 카메라 등의 비디오 입력기(미도시)를 통해 얻어진 프레임 단위의 동영상 압축 대상신호(YUV)는 화면내 부호화부(400)의 웨이블릿 변환부(410)와 화면간 부호화부(500)의 모션 검출부(510)로 입력된다. 웨이블릿 변환부(410)는 입력되는 현재 프레임의 동영상신호를 웨이블릿 변환하여 양자화부(420)로 출력한다. 양자화부(420)는 웨이블릿 변환된 현재 프레임의 동영상 신호에 대하여 기 설정된 양자화 처리를 통해 다양한 레벨들의 대표값들로 변경한다. 이러한 양자화 계수들은 엔트로피 부호화부(430)에서 콜럼 라이스 코딩(Golomb-Rice coding) 및 산술 부호화에 의해 압축되어 출력된다.
따라서 화면내 부호화부(400)로 입력된 현재 프레임의 동영상신호에 대해 웨이블릿 변환, 양자화 및 부호화 과정을 통해 인트라모드의 프레임내 압축 부호화가 이루어지게 되는 것이다.
한편 모션 검출부(510)는 이전 프레임과 현재 프레임간의 8×8 화소 블록간의 차이를 이용하여 각 블록의 움직임이 발생하였는지를 판단한다. 만약 움직임이 발생하였다고 판단되면 모션 맵 정보를 "1"로 세팅하여 출력하고 움직임이 발생하지 않았다면 "0"으로 세팅하여 출력한다. 이러한 모션 맵 정보는 모션 맵 정보 저장부(520)에 저장된후 산술 부호화부(530)를 통해 부호화되어 출력됨으로써, 복호화부에서 압축 데이터의 복원시 이용토록 한다. 그리고 모션 검출부(510)는 움직임이 발생한 모션 블록을 모션 예측부(540)로 출력한다. 모션 예측부(540)는 모션 검출부(510)로부터 움직임이 발생한 블록의 값들을 입력받고 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 출력한다. 즉, 모션 예측부(540)는 모션 블록으로 판단된 블록들에 대하여 이전 프레임의 해당 블록을 기준으로 탐색 영역을 벗어나는 경우와 같이 모션 벡터로표현할 수 없는 경우에는 텍스쳐 맵 정보를 "0"으로 설정하고, 반대로 모션 벡터로 표현할 수 있는 경우에는 텍스쳐 맵 정보를 "1"로 설정하여 텍스쳐 맵 정보 저장부(560)에 저장한후 산술 부호화하여 출력함으로써 압축 데이터의 복원시 이용토록 한다. 그리고 모션 예측부(540)는 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는 모션벡터를 구하여 모션 벡터 저장부(580)로 출력함으로써, 상기 모션 벡터는 허프만 부호화되어 동영상 신호와 함께 전송된다.
한편 모션 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 모션 블록을 모션 블록 저장부(600)로 출력하여 인트라 모드와 동일 방식으로 부호화가 이루어지도록 한다. 즉, 모션 블록 저장부(600)에 저장된 모션 블록들은 각각 YUV에 대하여 웨이블릿 변환 및 양자화, 그리고 콜롬 라이스(GR) 부호화 과정을 통해 압축 부호화가 이루어진다.
상술한 바와 같이 본 발명은 DCT에 비해 압축성능이 뛰어난 웨이블릿 변환방식을 이용하여 화면내 부호화 과정을 수행하고, 화면간 부호화과정에서도 모션 벡터로 표현할 수 없는 모션 블록들에 대하여 화면내 부호화 방식과 동일한 방식으로 부호화를 수행함으로써, 화면의 배경이 고정되고 객체의 움직임이 적은 동영상이나 감시 시스템처럼 움직임이 없는 화면이 많은 동영상에 대하여 뛰어난 압축율을 보일 수 있는 장점이 있다.
한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명 되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (3)
- RGB 영상신호를 동영상 압축 대상 신호로 변환 출력하는 영상신호 변환부를 구비하는 동영상 압축 시스템의 동영상 부호화 장치에 있어서,상기 동영상 압축 대상신호를 웨이블릿 변환하여 얻어진 변환계수를 양자화하고 이를 엔트로피 코딩하여 출력하는 화면내 부호화부와;상기 동영상 압축 대상 신호를 입력하여 현재 프레임과 이전 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 움직임 발생 여부를 판단하여 그 판단결과를 모션 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하고, 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하는 한편, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 블록을 상기 화면내 부호화부와 동일 방식으로 부호화하여 출력하는 화면간 부호화부를 포함함을 특징으로 하는 동영상 부호화 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 화면간 부호화부는;상기 동영상 압축 대상신호를 입력하여 이전 프레임과 현재 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 각 블록의 움직임이 발생하였는지를 판단하고 판단결과를 모션 맵 정보(motion map information)로서 출력하는 모션 검출부와;상기 모션 맵 정보를 저장하고 이를 산술 부호화하여 출력하는 모션 맵 정보 부호화부와;상기 모션 검출부로부터 움직임이 발생한 블록의 값들을 입력받아 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 출력하는 모션 예측부와;상기 텍스쳐 맵 정보를 저장하고 이를 산술 부호화하여 출력하는 텍스쳐 맵 정보 부호화부와;상기 모션 예측부로부터 움직임이 발생한 블록에 대한 모션 벡터를 입력받아 저장하고 이를 허프만 부호화하여 출력하는 모션 벡터 부호화부와;상기 모션 예측부로부터 모션 벡터로 나타낼 수 없는 블록을 입력받아 저장하고 이를 상기 화면내 부호화부와 동일 방식으로 부호화하여 출력하는 텍스쳐 부호화부로 구성함을 특징으로 하는 동영상 부호화 장치.
- 동영상 부호화 방법에 있어서,RGB신호를 동영상 압축 대상 신호로 변환하는 영상신호 변환 단계와;변환된 소정 크기의 동영상 압축 대상 신호를 입력하여 웨이브릿 변환 및 양자화하여 얻어진 데이터를 엔트로피 코딩하여 출력하는 화면내 부호화 단계와;상기 동영상 압축 대상 신호를 입력하여 현재 프레임과 이전 프레임간의 화소 블록 차이를 구하여 움직임 발생 여부를 판단하여 그 판단결과를 모션 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하고, 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는지의 여부를 판단하여 그 판단 결과를 텍스쳐 맵 정보로서 산술 부호화하여 출력하는 한편, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 있는 경우에는모션벡터를 구하여 허프만 코딩하여 출력하고, 상기 움직임이 발생한 블록을 모션 벡터로 나타낼 수 없는 경우에는 해당 블록을 상기 화면내 부호화 단계와 동일 방식으로 부호화하여 출력하는 화면간 부호화 단계를 포함함을 특징으로 하는 동영상 부호화 방법.
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