KR20020081973A - Adaptive temporal scalability using b-frame selection - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비디오 코딩의 스케일러빌러티 기법 중 시간 스케일러빌러티 (temporal scalability)에 관한 것으로, 특히 확장 계층의 B 프레임을 적응적으로 선택하는 시간 스케일러빌러티를 사용하여 부호화 효율을 향상시키고 시간적 연속성을 극대화시키는데 적당하도록 한 B-프레임 선택을 이용한 적응적 시간 스케일러빌러티 방법에 관한 것이다.The present invention relates to temporal scalability among scalability techniques of video coding, and in particular, to improve encoding efficiency and temporal continuity by using temporal scalability to adaptively select B frames of an enhancement layer. An adaptive time scalability method using B-frame selection to be suitable for maximization.
저전송율(VLBR: low and very low bitrate)의 비디오 코딩에서, 기대되는 전송률을 만족시키기 위한 방법은 입력되는 프레임 시퀀스(frame sequence)로부터 일정 간격으로 프레임을 선택하고, 즉, 프레임 레이트(frame rate)를 줄이고 선택된 프레임 셋인 기본 계층(base layer)에 대해 수용할 만큼의 화질을 보장하는 부호화를 행함으로써 가능하다.In low and very low bitrate (VLBR) video coding, a method for satisfying the expected rate is to select frames at an interval from an input frame sequence, i.e., frame rate. This can be done by reducing the encoding and guaranteeing an image quality that is acceptable for the base layer, which is the selected frame set.
예를 들어, 초당 30 프레임의 프레임 레이트를 갖는 시퀀스에 대해 저전송률 비디오 코딩에서는 초당 5∼10 프레임의 레이트를 갖을 수 있다. 이러한 프레임 레이트의 감소는 시간 해상도(temporal resolution)를 떨어뜨리는 결과를 낳게 된다. 더욱이, 입력된 프레임 시퀀스로부터 선택되지 않은 프레임이 특정한 오브젝트를 포함하고 있을 때 부호화된 시퀀스에서는 이 오브젝트의 손실이 발생하게 된다.For example, a low rate video coding for a sequence having a frame rate of 30 frames per second may have a rate of 5-10 frames per second. This reduction in frame rate results in poor temporal resolution. Moreover, loss of this object occurs in the encoded sequence when a frame not selected from the input frame sequence contains a particular object.
이러한 시간 해상도의 손실을 막고 또한 부호화된 시퀀스의 움직임 연속성을 유지하기 위해, 이전에 선택되지 않은 프레임으로 구성된 확장 계층(enhancementlayer)을 제공하는 기법이 바로 시간 스케일러빌러티(temporal scalability)이다. 원래의 스케일러빌러티 정의는 기본 계층에 확장 계층의 정보를 더한 하나의 비트열로부터 복호기의 성능에 따라 다양한 레벨의 화질을 선택적으로 서비스하는 메커니즘을 말한다. 이러한 스케일러빌러티는 이종의 네트워크(heterogeneous) 환경에서도 서로 다른 전송율의 프레임 셋을 재 부호화할 필요가 없고 다른 버전의 시퀀스를 따로 저장할 필요가 없게 되므로 계산량 및 저장 공간을 크게 절약하는 효과를 얻을 수 있다.In order to prevent this loss of temporal resolution and also to maintain the motion continuity of the encoded sequence, it is temporal scalability to provide an enhancement layer of previously unselected frames. The original scalability definition refers to a mechanism for selectively serving various levels of image quality depending on the performance of the decoder from one bit string plus base layer information. This scalability can greatly reduce computation and storage space by eliminating the need to recode frame sets of different rates and storing different versions of sequences even in heterogeneous environments. .
시간 스케일러빌러티는 두 개의 부호화된 기본 계층의 프레임 사이에 위치한 양방향 예측 가능한 B 프레임을 확장 계층으로 부호화 함으로써 정의된다(도 1 참조). 종래 기술에 의한 시간 스케일러빌러티는 기본 계층에 포함되지 않은 프레임들 중에서 일정한 간격으로 프레임을 선택하여 확장 계층에 포함시켜 구성하였다.Temporal scalability is defined by encoding a bi-directional predictable B frame located between frames of two coded base layers into an enhancement layer (see FIG. 1). The time scalability according to the prior art is configured by selecting a frame at regular intervals from among frames not included in the base layer and including the frame in the enhancement layer.
또 다른 구현 방법으로 기본 계층에 포함되지 않은 프레임들 모두를 일방적으로 포함시키는 방법을 들 수 있다. 이때, 확장 계층의 B 프레임에 대한 예측 부호화 방법에는 순방향(forward), 역방향(backward), 양방향(bidirectional), 다이렉트(direct), 그리고 인트라(intra) 등 5가지 모드가 있다.Another implementation is to unilaterally include all frames not included in the base layer. In this case, there are five modes of a prediction encoding method for B frames of an enhancement layer, such as forward, backward, bidirectional, direct, and intra.
그러나, 이와 같은 종래의 시간 스케일러빌러티는 낮은 프레임 레이트를 갖는 단일 계층 전송 기법에 비해 향상된 시간적 연속성을 얻을 수 있는 반면, 전자의 구현 방법에서는 확장 계층에 포함되지 않은 프레임이 별개의 오브젝트를 갖고 있으므로 시간적 연속성을 보장할 수 없고, 또한 후자의 구현 방법에 있어서는 기본 계층의 두 프레임 사이에 움직임이 거의 없는 경우 확장 계층으로 포함시킬 필요가 없는 프레임을 부호화 하게 되므로 비트량을 낭비하게 되는 결함이 있었다.However, such a conventional time scalability can achieve improved temporal continuity compared to a single layer transmission scheme having a low frame rate, while in the former implementation, since frames not included in the enhancement layer have separate objects, In the latter implementation method, it is not possible to guarantee temporal continuity, and when there is little motion between two frames of the base layer, a frame that does not need to be included as an enhancement layer is encoded, which wastes a bit amount.
따라서, 본 발명의 목적은 시간 스케일러빌러티의 요구 조건인 시간 해상도를 향상시킴과 동시에 부호화 효율을 극대화하기 위하여, B 프레임 선택 여부를 현재 프레임의 비트율 할당문제 및 기본 계층의 두 프레임 사이의 움직임 변화정보를 고려하여 결정하는 B-프레임 선택을 이용한 적응적 시간 스케일러빌러티 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to determine whether to select a B frame and to change the motion between two frames of the base layer in order to improve the temporal resolution, which is a requirement of temporal scalability, and to maximize the coding efficiency. The present invention provides an adaptive time scalability method using B-frame selection that determines information.
도 1은 시간 스케일러빌러티의 설명도.1 is an explanatory diagram of time scalability.
도 2는 본 발명에서= 5fps일 때의의 확률값 설명도.2 is in the present invention = 5 fps Probability diagram of.
도 3은 본 발명에 의한 B-프레임 선택을 이용한 적응적 시간 스케일러빌러티 방법의 신호 흐름도.3 is a signal flow diagram of an adaptive time scalability method using B-frame selection in accordance with the present invention.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명****** Description of the symbols for the main parts of the drawings ***
S1-S9 : 제1-9단계S1-S9: Steps 1-9
본 발명에 의한 B-프레임 선택을 이용한 적응적 시간 스케일러빌러티 방법은, 기본 계층의 첫 프레임(I프레임)과 두 번째 프레임(P프레임) 사이의 중간 위치에 있는 프레임을 B 프레임으로 강제적으로 선택하는 제1과정과; 기본 계층의 다음 두 P 프레임 사이의 중간 위치에 있는 프레임에 대한와값을 근거로를 구한 후 그 값이 드레쉬홀드값()보다 작을 때는 현재 프레임를 선택하지 않고 다른 후보 프레임을 검사하는 제2과정과; 상기값이 드레쉬홀드값()보다 클 때는 현재 프레임를 B로 선택하고 이후 프레임(,,)에 대해서도 같은 방법으로 B 프레임의 선택 여부를 결정하는 제3과정으로 이루어지는 것으로, 이와 같은 본 발명의 작용을 첨부한 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.In the adaptive time scalability method using B-frame selection according to the present invention, a frame located at an intermediate position between the first frame (I frame) and the second frame (P frame) of the base layer is forcibly selected as a B frame. A first process of doing; Frame in the middle position between the next two P frames in the base layer For Wow Based on value After finding, the value is the threshold value ( Less than) the current frame A second process of inspecting another candidate frame without selecting a; remind Value is the threshold value ( Is greater than) Is selected as B and subsequent frames ( , , ) Is a third step of determining whether or not to select the B frame in the same way, with reference to Figures 2 and 3 attached to the operation of the present invention in detail as follows.
현재 프레임이 B 프레임에 선택될지의 여부를 결정함에 있어서, 현재 프레임의 비트율 할당 문제 및 기본 계층의 두 P 프레임 사이의 움직임 변화 정보를 고려하여 결정하게 되는데, 이를 위한 B 프레임 결정 함수를 다음과 같이 정의한다.In determining whether the current frame is selected in the B frame, the current frame is determined in consideration of a bit rate allocation problem of the current frame and motion change information between two P frames of the base layer. define.
여기서,는 현재 프레임,는 B 프레임으로 부호화 될 프레임의 결정 함수,는 확장 계층의 비트율 할당에 기반한 프레임의 확률,는 프레임양쪽에 있는 기본 계층의 P 프레임들 사이의 움직임 변화를 근거로 측정된 프레임의 확률, 그리고,는 스칼라 가중치로서가 된다. 이때, 프레임에 할당될 비트율이 움직임 요소보다 중요하게 작용하므로값을값보다 크게 설정한다. 그리고, 프레임 결정 함수가 임의의 값보다 크다면 현재 프레임가 B 프레임으로 최종적으로 선택되어진다.here, Is the current frame, Frame to be encoded as a B frame Deterministic function, Frame based on the bit rate allocation of the enhancement layer Probability of Frame Frame measured based on the change in motion between P frames of the base layer on both sides And the probability of Is a scalar weight Becomes At this time, the frame The bit rate to be assigned to is more important than the motion factor. Value Set greater than the value. And the frame determination function Is any value Is greater than Is finally selected as the B frame.
우선, 프레임 결정 함수에서 중요한 역할을 하는 비트량 할당(bitrate allocation)에 관해 살펴보기로 한다. 스케일러빌러티 기법을 사용할 때는 기본 계층 및 확장 계층을 위한 비트량이 초기에 결정되어 있으므로 B 프레임 선택에 있어서도 이런 조건을 만족하여야 한다.First, the bitrate allocation, which plays an important role in the frame determination function, will be described. When the scalability technique is used, the bit amount for the base layer and the enhancement layer is initially determined, and thus, the B frame selection must satisfy this condition.
즉, H.263+의 프레임 레이어 레이트 콘트롤(frame layer rate control)과 마찬가지로 B 프레임으로 선택된 확장 계층의 프레임들은 각각 정규화된 크기의 비트량을 가지고 있어야 하고, 또한 확장 계층의 모든 프레임들의 비트량 합은 초기에 결정된 확장 계층의 비트량보다 작거나 같아야 한다.That is, like the frame layer rate control of H.263 +, the frames of the enhancement layer selected as the B frame must each have a normalized size bit amount, and also the sum of the bit amounts of all the frames of the enhancement layer. Must be less than or equal to the bit amount of the enhancement layer initially determined.
예를 들어, 기본 계층의 움직임 검사를 통해 두 프레임 사이의 움직임이 크다는 정보를 얻어 현재 프레임가 B 프레임으로 선택될 가능성이 높을지라도, 현재 프레임의 비트량이 적게 할당되어 있는 경우에는 현재 프레임를 선택하지 않는다.For example, by checking the motion of the base layer, the current frame is obtained by obtaining information that the motion between the two frames is large. Is most likely to be selected as a B frame, If less bits are allocated, the current frame Do not select
이를 위해, 상기 프레임 결정 함수에 현재 프레임에 할당된 비트량을 확률로 나타내는 요소,를 포함시켰고 기본 계층의 움직임 변화 요소,보다 가중치를 더 크게 설정함으로써 할당될 비트량에 의해 현재 프레임 선택 여부가 결정되도록 하였다. 본 설명의 예에서는,으로 하였다. 현재 프레임의 비트량 할당을의 확률로서 표현하는 방법은 다음과 같다.For this purpose, the frame determination function Current frame at An element representing the amount of bits allocated to The movement change factor of the base layer, By setting a larger weight, whether or not to select a current frame is determined by the amount of bits to be allocated. In this example, , It was made. Bit rate allocation of the current frame The probability is expressed as follows.
을 기본 계층의 프레임 레이트,과을 각각 기본 계층과 확장 계층의 초기에 할당된 비트량(bitrate)이라고 가정한다. 우선, 본 설명에서는 기본 계층의 첫 프레임인 인트라 프레임(I frame)과 두 번째 프레임인 인터 프레임(P frame) 사이의 중간 위치에 있는 프레임을 확장 계층의 B 프레임으로 강제적으로 선택한다. 만일 두 프레임의 거리가 홀수라면 중간 위치 바로 오른쪽에 있는 프레임을 선택하기로 한다. 그리고, 그 프레임 뒤에 있는 확장 계층에 포함될 지 여부를 검사하는 모든 프레임에 대해 아래의 식과 같은 값을에 할당한다. The frame rate of the base layer, and Let be assumed to be the initially allocated bitrate of the base layer and enhancement layer, respectively. First, in the present description, a frame at an intermediate position between an intra frame (I frame), which is the first frame of the base layer, and an inter frame (P frame), which is the second frame, is forcibly selected as the B frame of the enhancement layer. If the distance between two frames is odd, the frame right to the middle position is selected. Then, for every frame that checks whether it is included in the enhancement layer after that frame, Assign to
여기서,은 기본 계층의 두 P 프레임 사이에 포함되지 않은 프레임 수가 된다. 이것은 확장 계층에 포함 여부를 검사받는 모든 프레임의 간격이 된다. 도 2에서는일 때의값을 보여주고 있다. 상기값으로부터 기본 계층의 두 프레임 사이의 중간 위치에 있는 프레임이 높은값을 갖고 있으므로 B 프레임으로 선택될 가능성이 높음을 알 수 있다.here, Is the number of frames not included between two P frames of the base layer. This is the interval of all frames that are checked for inclusion in the enhancement layer. In Figure 2 When It is showing the value. remind From the value, the frame in the middle position between the two frames of the base layer is Because it has a value, it can be seen that it is more likely to be selected as a B frame.
즉, 통상의 시간 스케일러빌러티의 구현 방법에서와 같이 기본 계층의 두 프레임으로부터 거리가 동일한 프레임이 시간적 연속성을 유지하는데 적합하다는 이론을 여기에서도 이용하게 된다.In other words, as in the conventional method of implementing temporal scalability, the theory here is that a frame having the same distance from two frames of the base layer is suitable for maintaining temporal continuity.
그러나, 여기에서는 두 프레임 사이의 움직임 변화 정보를 사용하게 되므로 반드시 중간 위치에 있는 프레임이 선택되는 것은 아니다. 예를 들어, 중간 위치에 있는 프레임의가 1이라 할지라도 기본 계층의 두 프레임 사이의 움직임이 거의 없다면 즉,값이 매우 작다면 B 프레임으로 선택되지 않는다. 또는 두 프레임 사이의 움직임이 매우 크다면 즉,과이 큰 값을 갖는 경우과번째 프레임은 B 프레임으로 선택될 가능성이 매우 높아진다. 하지만, 상기에서 지적한 바와 같이 두 프레임 사이의 움직임 값이 매우 클지라도값이 작으므로프레임은 선택되지 않는다. 초당 30 프레임의 프레임 레이트를 갖는 입력 시퀀스에 대해 실제 선택된 B 프레임에 할당되는 비트량은 다음 수식에 의해 결정된다.However, since the motion change information between the two frames is used here, the frame at the intermediate position is not necessarily selected. For example, the frame in the middle position of Is 1, if there is little movement between two frames of the base layer, If the value is very small, it will not be selected as a B frame. Or if the movement between two frames is very large, and If it has a large value and The second frame is very likely to be selected as a B frame. However, as noted above, even if the motion value between two frames is very large Since the value is small The frame is not selected. The amount of bits allocated to the actually selected B frame for an input sequence having a frame rate of 30 frames per second is determined by the following equation.
이 비트량은 선택된 B 프레임이 복호기의 출력단에서 보여질 때 허용할 만한 범위의 프레임 화질을 제공한다.This bit amount provides an acceptable range of frame quality when the selected B frame is viewed at the output of the decoder.
다음으로, B 프레임 결정 함수의 두 번째 요소인 기본 계층의 움직임 변화확률,에 대하여 설명한다. 먼저, 현재프레임 양쪽에 있는 기본 계층의 두 P 프레임 사이의 차영상을 구하고, 그 영상의 히스토그램(HOD: Histogram of Difference Image)에서 0보다 큰 픽셀들의 개수를 구한다. 이런 조건을 만족하는 픽셀들은 두 프레임 사이에 움직임이 발생했을 때 얻어질 수 있다. 움직임이 발생한 픽셀들은 확률로 나타내는 방법은 차영상의 전체 픽셀 개수로 나누는 정규화 과정을 행함으로써 가능하다. 다음의 식은를 정의한 것이다.Next, the probability of change in motion of the base layer, which is the second element of the B frame determination function, It demonstrates. First, present The difference image between two P frames of the base layer on both sides of the frame is obtained, and the number of pixels greater than zero is obtained from a histogram of the image (HOD). Pixels that satisfy this condition can be obtained when a motion occurs between two frames. The method of representing the pixels in which the motion has occurred is possible by performing a normalization process by dividing by the total number of pixels of the difference image. The following formula It is defined.
이제, B 프레임 선택을 이용한 적응적 시간 스케일러빌러티에 대한 전체적인 처리 과정을 설명한다. 상기한 바와 같이는 일정한 패턴을 갖는 확률값이 반복적으로 확장 계층의 후보 프레임에 할당되므로 낮은값을 갖는 프레임에 대해서는 결정 함수를 구할 필요가 없다. 다시 말해서, 기본 계층의 두 프레임 사이의 중간 위치와 왼쪽에 있는 후보 프레임들이 높은값을 갖고 있으므로 이 프레임들에 대해를 적용한를 구하여 선택 여부를 결정하면 된다. 이하, 도 3을 참조하여 B 프레임 선택 과정을 설명한다.Now, an overall process for adaptive time scalability using B frame selection will be described. As mentioned above Since a probability value having a constant pattern is repeatedly assigned to candidate frames of the enhancement layer, Determination function for frames with values There is no need to save. In other words, the middle frame between the two frames of the base layer and the candidate frames on the left are For each of these frames Applied We can determine whether to select by selecting. Hereinafter, a B frame selection process will be described with reference to FIG. 3.
기본 계층의 첫 프레임과 두 번째 프레임 사이의 중간 위치에 있는 프레임을 B 프레임으로 강제적으로 선택한 후 모든 확장 계층의 후보 프레임에를 할당한다(S1,S2).Forces selection of the frame in the middle of the first and second frames of the base layer as B frame, and then to the candidate frames of all enhancement layers. (S1, S2).
기본 계층의 다음 두 P 프레임으로 이동한 후 두 프레임 사이의 움직임 변화확률를 구한다(S3-S5).Probability of movement change between two frames after moving to the next two P frames of the base layer To obtain (S3-S5).
기본 계층의 움직임 변화를 확인하여 변화가 거의 없을 때에는 즉,이 매우 작은 값을 가지고 있고, 이에 따라값이 기 설정된 드레쉬홀드값보다 작을 때에는 현재 프레임를 선택하지 않고번째 프레임으로 이동한다(S8,S9,S11).Check the movement change of the base layer and when there is little change, Has a very small value and accordingly Preset threshold value Less than the current frame Without selecting The first frame moves to the first frame (S8, S9, S11).
그러나, 상기의 확인 결과 기본 계층의 움직임 변화가 많은 것으로 판명되면 이는이 큰 값을 갖고 있는 것을 의미하므로값이 드레쉬홀드값보다 클때는 현재 프레임를 B 프레임으로 선택한다.However, if the above confirmation indicates that there is a lot of change in the movement of the base layer, This means that we have a large value Value is the threshold value Is greater than the current frame Is selected as the B frame.
이후,프레임에 대해을 구하고, 이를 상기와 비교하여 그 비교 결과에 따라 B 프레임으로의 선택 여부를 결정한다.(S8-S11)after, About the frame Obtain and remind it In operation S8-S11, it is determined whether or not to select the B frame according to the comparison result.
여기서,과는 같은 값이고,프레임에 대해 동일한 과정을 적용하게 된다(S8-S11).here, and Is the same value, The same process is applied to the frame (S8-S11).
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 기본 계층의 두 P 프레임 사이에 움직임이 거의 없을 때 중간 위치의 프레임을 확장 계층으로 포함시키지 않으므로 부호화 효율이 향상되는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention does not include a frame at an intermediate position as an enhancement layer when there is little movement between two P frames of the base layer, thereby improving coding efficiency.
또한, 적응적 시간 스케일러빌러티 기법을 적용하여, 기본 계층의 두 프레임 사이에 갑작스건 움직임 변화가 있을 때 중간 위치의 프레임 및 이전 프레임까지 확장 계층으로의 선택 여부를 검사함으로써 시간적 연속성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying the adaptive temporal scalability technique, it is possible to maximize temporal continuity by checking whether the intermediate layer and the previous frame are selected as the extension layer when there is a sudden change in motion between two frames of the base layer. It has an effect.
또한, 선택된 B 프레임에 합리적으로 비트량을 할당 함으로써, 항상 허용할 만한 범위의 화질을 보장할 수 있는 효과가 있다.In addition, by reasonably allocating the bit amount to the selected B frame, there is an effect of ensuring an acceptable range of picture quality at all times.
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