KR0152013B1 - 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치 - Google Patents

가변장부호화를 고려한 움직임추정장치

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KR0152013B1 KR1019920007757A KR920007757A KR0152013B1 KR 0152013 B1 KR0152013 B1 KR 0152013B1 KR 1019920007757 A KR1019920007757 A KR 1019920007757A KR 920007757 A KR920007757 A KR 920007757A KR 0152013 B1 KR0152013 B1 KR 0152013B1
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Abstract

본 발명은 HDTV, HD-VCR, 디지탈 VCR, 디지탈캠코더, 멀티미디어, 비디오폰, 화상회의 등과 같이 화상과 음향을 디지탈부호화하여 전송하거나 저장한 후 다시 복호화하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 모션벡터가 가변장부호화될때에도 최종 데이타량이 작아지는 위치에서 모션벡터가 결정되도록 한 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치는, 기준화면과 현재화면의 화소데이타의 평균오차를 산출하는 평균오차산출수단, 및 상기 평균오차산출수단에서 출력되는 평균오차와 버퍼의 충만도에 따라 발생되는 양자화스텝사이즈를 인가받아 가변장부호화 될 최종 전송데이타량이 최소가되는 수평/수직변위를 움직임벡터로 설정하는 움직임벡터설정수단으로 구성된다.
따라서, 본 발명은 최소의 데이타량을 발생시키는 최적의 움직임벡터를 구할 수 있게 되어 움직임벡터가 가변장부호화되어 전체 전송데이타량이 증가하는 문제점을 해결할 수 있다.

Description

가변장부호화를 고려한 움직임추정장치
제1도는 일반적인 움직임보상 부호화장치의 블럭구성도.
제2도는 종래의 움직임추정장치의 블럭구성도.
제3도는 본 발명에 따른 움직임추정장치의 블럭구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : N*N 변환부 2 : N*N 역변환부
3 : 양자화기 4 : 역양자화기
5 : 가변장부호화기 6 : 버퍼
7 : 프레임메모리 8 : 움직임추정부
9 : 움직임보상부 10 : 제1 N1*N2블럭형성부
20 : M1*M2블럭형성부 30 : 제2 N1*N2블럭형성부
40 : 평균오차계산부 50 : 최소치탐색부
60 : 가변장부호데이타량추정부 70 : 지연기
80 : 가변장부호길이연산부 100 : 평균오차산출수단
200 : 움직임벡터설정수단 A1~A2 : (전체시스템에서의) 혼합기
A10~A30 : (동추정장치에서의) 가산기
SW1 : 리프레쉬스위치 S/W : 스위치
본 발명은 화상과 음향을 디지탈 부호화하여 전송하거나 저장한 후 다시 복호화하는 장치에 관한 것으로서, 특히 모션벡터(motion vector)가 가변장부호화될때에도 최종 데이타량이 작아지는 위치에서 모션벡터가 결정되도록 한 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치에 관한 것이다.
최근 영상 및 음성을 디지탈로 부호화하여 저장하거나 전송하고, 이를 다시 복호화하여 재생하는 방법이 관심을 끌고 있다.
HDTV(High Definition Television), HD-VCR, 디지탈 VCR, 디지탈캠코더, 멀티미디어(multi-media), 비디오폰, 화상회의(Video conference)등과 같은 장치에도 이용을 위하여 국제적으로 표준화 활동이 활발하며, 각 응용분야에 적합한 표준부호화방식을 결정하기 위해 노력 중이다.
제1도는 동화의 부호화를 위해 널리 쓰이고 있는 전형적인 부호화장치의 블럭구성도로서, 영상신호에 들어있는 중복성(Redundancy)을 없애고 데이타량을 줄이기 위해 변환부호화, DPCM, 벡터양자화, 가변장부호화(Variable Length Coding)등을 행한다.
제1도에 의하면, N*N 변환부(1)는 화면내에서 데이타압축을 하기 위하여 화면을 N*N(일예로 N=8)의 작은 블럭들의 모임으로 나누고, 각 블럭마다 변환을 행하여 시간영역의 영상신호(VS)를 주파수영역의 신호로 변환한다. 이 변환에 의해 신호의 에너지는 주로 저주파쪽으로 모인다. 이 변환에는 DCT(Discrete Cosine Transform), WHT(Walsh-Hadamard Transform), DFT(Discrete Fourier Transform), DST(Discrete Sine Transform)등이 쓰이고 있는데, 이중 DCT가 가장 널리 쓰이고 있다.
양자화기(3)는 버퍼상태에 따라 결정되는 양자화스텝사이즈(q)에 의해 N*N 변환부(1)에서 출력되는 변환계수들을 양자화한다. 즉, 양자화과정을 통해 인간의 눈으로 느끼기 어려울 정도까지 변환수대표값들로 바꾸어준다. 이 때, 버퍼상태에 따라 변하는 양자화스텝사이즈(q)는 양자화를 제어하여 비트레이트(Bit Rate)를 조절하고, 수신단에도 전송된다.
가변장부호화기(5)는 양자화기(3)에서 양자화된 대표값들의 통계적특성을 살려 가변장부호화하므로써 데이타를 압축한다.
버퍼(6)는 가변장부호화기(5)로부터 입력되는 데이타의 전송속도를 조절하면서 출력(CVS)함과 동시에 충만도에 따른 양자화스텝사이즈(q)를 피드백시켜 양자화기(3)의 출력데이타량을 조절하여 오버플로우나 언더플로우가 발생하지 않도록 한다.
한편, 양자화기(3)에서 출력되는 데이타의 양은 움직임보상(Motion Compensated) 방식에 의해 더욱 압축될 수 있다. 즉, 화면과 화면간의 유사성을 이용하여 데이타의 양을 더욱 압축할 수 있다. 특히, 정지화의 경우 화면간에 변화가 없으므로 데이타의 양을 더욱 압축할 수 있게 된다. 움직임이 있는 화면은 움직임을 추정하여 모션벡터를 구하고, 상기 모션벡터를 이용해 움직임을 보상해 주는데, 그 차신호는 매우 작아지므로 데이타압축을 할 수 있게 된다.
이와 같은 성질을 이용하여 제1도에서도 화면간에는 움직임보상 DPCM 방식을 채택하고 있다. 움직임보상은 프레임메모리(7)와 움직임추정부(8) 및 움직임보상부(9)로 구성된 DPCM 루프에 의해 수행된다. 움직임보상을 수행하기 이전에 역양자화기(4)에서는 양자화된 데이타를 역양자화시키고, N*N 역변환부(2)에서는 주파수영역의 신호를 시간영역의 영상신호로 변환한다.
움직임추정부(8)는 입력되는 영상신호와 프레임메모리(7)에 저장되어있는 이전화면의 영상데이타를 인가받아 현재 부호화하고자 하는 블럭이전화면의 어느 위치에서 왔는지 움직임을 추정하고, 이에 따른 움직임벡터(MV)를 구하여 복호화부로 전송함과 동시에 움직임동보상부(9)로 출력한다. 움직임보상부(9)는 움직임추정부(8)에서 얻어진 움직임벡터(MV)에 따라 프레임메모리(7)의 해당위치에서 화상데이타를 읽어들여 움직임을 보상한다. 보상된 화상은 제2가산기(A2)에서 N*N역변환부(2)의 출력과 가산되어 프레임메모리(7)로 입력된다.
움직임보상부(9)에서 보상된 화상은 또한 제1혼합기(A1)에 입력되어 현재화면신호로부터 감산하여 오차신호를 발생한다. 이때, 제1,2,스위치(SW1,SW2)는 DPCM루프에서 발생하는 양자화잡음이 누적되어 복원된 화상에 오류가 커지는 것을 방지하기 위해 블럭 또는 프레임단위로 움직임보상부(9)의 출력신호를 오프시켜 화면내(Intra Frame) 부호화가 이루어지도록 하는 역할을 한다.
한편, 전술한 움직임추정부(8)에서 모션벡터를 구하는 방법으로서 널리 쓰이는 것이 블럭매칭방법이다. 즉, 현재 화면을 N1*N2의 모션블럭으로 구분한 후, 이 블럭이 기준화면의 어느위치로부터 왔는가는 M1*M2의 탐색영역내에서 찾는데, 이때 보통 평균절대오차(MAE;MEAN Absolute Error)나 평균자승오차(MSE;Mean Square Error)를 최소화하는 위치를 모션벡터로 결정한다.
제2도는 모션벡터를 결정하는 종래의 움직임추정부의 구성블럭도이다.
제2도에서, 제1 N1*N2블럭형성부(10)는 입력되는 현재화면을 N1*N2크기(N;화소단위)의 블럭으로 구분한다. M1*M2블럭형성부(20)는 프레임메모리(7)에 저장되어 있는 기준화면(이전화면 또는 DPCM 루프에서 재생된 이전화면)에 탐색영역을 설정한다. 즉, N1*N2의 블럭이 기준화면의 어느위치로부터 움직여졌는가를 판단하기 위해 현재 부호화하고자 하는 N1*N2블럭보다 큰 M1*M2의 탐색블럭을 설정한다.
제2 N1*N2블럭형성부(30)에서는 수평/수직변위(k,l)에 따라 N1*N2의 블럭크기의 데이타를 취한다. 가산기(A10)는 상기 제1,2N1*N2블럭형성부(10,30)에서 출력되는 데이타의 오차를 구한다. 평균오차계산부(40)는 가산기(A10)에서 출력되는 오차의 절대평균(또는 자승평균)을 계산한다.
최소치탐색부(50)는 평균오차계산부(40)에서 계산된 오차값들중 가장 작은 오차값을 갖을 때의 수평/수직변위(k,l)를 움직임벡터(MV)로서 선택출력한다. 즉, 수평/수직변위(k,l)를 변화시키면서 오차값을 계산하고, 계산된 오차값이 가장 작을 때의 블럭이 이동된 블럭으로 인식하여, 이때의 수평/수직변위(k,l)를 움직임벡터(MV)로서 인식하여 출력한다.
이때, 평균오차계산부(40)에서 평균오차를 구하는 방식은 각 블럭의 화소들간의 평균절대오차(MAE;Mean Absolute Error) 또는 평균자승오차(MSE;Mean Square Error)등의 방식을 사용하는 것이 보편적이다.
그러나, 상기와 같은 움직임벡터추정에 의한 종래기술은 움직임벡터가 고정길이의 부호로 전송될 때는 효과적이지만, 움직임벡터가 가변장부호화될 때는 부호화된 최종 데이타량이 반드시 최소화된다고 보기 어렵다. 즉, 영상데이타의 데이타량을 최소화하더라도 움직임벡터를 가변장부호화시켰을때 움직임벡터의 부호길이가 길어지면 전체데이타량도 많아지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 움직임벡터를 가변장부호화한 후에 갖는 데이타량과 영상신호의 가변장부호화 데이타량의 합이 최소가 되는 위치에서 움직임벡터가 결정되도록 하는 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치는, 움직임을 추정하여 기준화면과 현재화면의 화소데이타의 평균오차를 산출하는 평균오차산출수단, 및 상기 평균오차산출수단에서 출력되는 평균오차와 버퍼의 충만도에 따라 발생되는 양자화스텝사이즈를 인가받아 가변장부호화될 최종 전송데이타량이 최소가 되는 수평/수직변위를 움직임벡터로 설정하는 움직임벡터설정수단으로 구성된다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 움직임추정장치의 블럭구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 움직임추정장치는 움직임을 추정하여 기준화면과 현재화면의 화소데이타의 평균오차를 산출하는 평균오차산출수단(100)과, 상기 평균오차산출수단(100)에서 출력되는 평균오차와 버퍼(6;제1도 참조)의 충만도에 따라 발생되는 양자화스텝사이즈(q)를 인가받아 가변장부호화될 최종 전송데이타량이 최소가 되는 수평/수직변위(k,l)를 움직임벡터(MV)로 설정하는 움직임벡터설정수단(200)으로 구성된다.
위의 구성중 평균오차산출수단(100)은, 입력되는 현재화면을 N1*N2크기의 화소블럭으로 구분하는 제1 N1*N2의 블럭형성부(10)와, 프레임메모리(7)에 저장되어 있는 기준화면(이전화면 또는 DPCM루프에서 재생된 이전화면)에 탐색영역을 설정하는 M1*M2블럭형성부(20)와, 상기 M1*M2블럭형성부(20)에서 설정된 M1*M2블럭의 화소데이타중 수평/수직변위(k,l)에 따른 N1*N2블럭크기의 화소데이타를 취하는 제2 N1*N2블럭형성부(30)와, 제1 N1*N2블럭형성부(10)와 제2 N1*N2블럭형성부(30)에서 출력되는 데이타의 오차를 구하는 가산기(A10) 및 상기 제1가산기(A10)에서 출력되는 오차의 절대평균(또는 자승평균)을 계산하는 평균오차계산부(40)로 구성된다.
상기 움직임벡터설정수단(200)은, 상기 평균오차산출부(100)에서 출력되는 평균오차와 양자화스텝사이즈(q)에 따라 가변장부호화된 영상신호의 데이타량을 추정하는 가변장부호데이타량추정부(60)와, 현재의 수평/수직변위(k,l)가 움직임벡터로 선택되었을 경우 가변장부호화시의 부호길이를 연산하는 가변장부호길이연산부(80)와, 상기 가변장부호데이타량추정부(60)의 출력데이타(D1)와 상기 가변장부호길이연산부(80)의 출력데이타(D2)를 가산하는 제2가산기(A20)와, 제2가산기(A20)에서 가산된 데이타(D1+D2)를 인가 받고 수평/수직변위(k,l)을 인가받아 가산된 데이타(D1+D2)가 최소가 되는 수평/수직변위(k,l)을 찾아 움직임벡터(MV)로 선택하여 출력하는 최소치탐색부(50)와, 최소치탐색부(50)에서 출력되는 움직임벡터(MV)를 소정시간 지연시키는 지연기(70), 및 지연기(70)에서 지연된 움직임벡터(MV)와 현재의 수평/수직변위(k,l)의 오차를 계산하여 가변장부호길이연산부(80)로 출력하는 제3가산기(A30)로 구성된다.
상기와 같이 구성되어지는 본 발명에 따른 움직임추정장치의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
현재화면의 프레임데이타(VS)가 입력되면, 제1 N1*N2블럭형성부(10)는 현재화면을 N1*N2크기의 화소블럭으로 구분하고, 해당블럭의 화소데이타를 제1가산기(A10)로 출력한다. M1*M2블럭형성부(20)는 제1도에 도시한 바와 같은 프레임메모리(7)로부터 입력되는 기준화면의 프레임데이타를 M1*M2크기의 탐색영역블럭으로 구분한다. 이때, 기준화면은 이전화면 또는 DPCM 루프에서 재생된 이전화면을 의미하나, 단순히 입력되는 영상신호를 별도의 프레임메모리에 저장하여 지연시켜 기준화면으로 삼을 수도 있으며, MN 의 관계를 갖는다. 즉, 현재화면에서 N1*N2의 블럭이 기준화면의 어느 위치로부터 움직여졌는가를 판단하기 위해 현재 부호화하고자 하는 N1*N2블럭보다 큰 M1*M2의 탐색블럭을 설정한다.
제2 N1*N2블럭형성부(30)는 수평/수직변위(k,l)에 따라 M1*M2블럭형성부(20)의 M1*M2탐색영역의 화소블럭을 N1*N2크기의 화소블럭으로 구분하여 화소데이타를 출력한다. 제1가산기(A10)는 제1N1*N2블럭형성부(10)에서 출력되는 데이타와 제2 N1*N2블럭형성부(30)에서 수평/수직변위(k,l)에 따라 출력되는 데이타의 오차를 계산한다. 평균오차계산부(40)는 제1가산기(A10)에서 계산된 오차가 입력되면 화소데이타들의 평균오차를 계산한다. 이때, 평균오차계산부(40)에서 평균오차를 구하는 방식은 각 블럭의 화소들간의 평균절대오차(MAE;Mean AbsoluteError) 또는 평균자승오차(MSE;Mean Square Error)등의 방식을 사용하는 것이 보편적이다. 본 설명에서는 평균절대오차방식을 적용하여 설명한다.
평균절대오차방식의 평균오차계산식은 다음 식1과 같다.
가변장부호데이타량추정부(60)는 상기 식1에서 계산되는 평균오차 E(k,l)와 양자화스텝사이즈(q)가 입력되면, 상기 평균오차 E(k,l)와 양자화스텝사이즈(q)로부터 오차신호 {x(i,j)-y(i+k,j+{x(i,j)-y(i+k,j+l)}를 가변장부호화했을 때 발생되는 데이타량을 추정한다. 이때, 추정된 데이타량(D1)은 대략 평균오차 E(k,l)에 비례하고 스텝사이즈(q)에 반비례하므로 다음 식2와 같이 나타낼 수 있다.
상기 식2에서 k1과 k2는 임의의 양수로서 실험적으로 최적의 값을 결정할 수 있다.
상기 가변장부호데이타량추정부(60)에서 식2에 의하여 추정된 데이타량(D1)은 제2가산기(A20)에 인가된다.
한편, 가변장부호길이연산부(80)는 수평/수직변위(k,l)가 움직임벡터로 선택될 경우, 이를 직접 PCM으로 혹은 이전블럭의 움직임벡터와의 차이를 구하는 DPCM으로 변환시킨 후 가변장부호화하여 부호길이(데이타량;D2)를 출력한다. 이 때, 부호길이(D2)는 통계적 특성에 따라 이미 결정되어 있다. 제2가산기(A20)는 상기 가변장부호길이연산부(80)에서 출력되는 부호길이(D2)와 가변장부호데이타추정부(60)에서 출력되는 영상신호부호데이타량(D1)을 가산한다. 제2가산기(A20)에서 가산된 최종데이타량(D1+D2)은 최소치 탐색부(50)에 입력된다. 최소치탐색부(50)는 수평/수직변위(k,l)을 변화시키면서 최종 데이타량(D1+D2)이 최소가 되는 수평/수직변위(k,l)를 검출하여 움직임벡터(MV)로 출력한다. 지연기(70)는 최소치탐색부(50)에서 출력되는 움직임벡터(MV)를 지연시켜 출력한다.
즉, 상기의 과정으로 검출된 움직임벡터(MV)는 다음 블럭의 움직임벡터(MV)의 DPCM을 위해 지연기(70)에 저장된다. 스위치(SW)는 움직임벡터의 부호화를 위해 PCM/DPCM을 선택한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 움직임추정장치는, 최소의 데이타량을 발생시키는 최적의 움직임벡터를 구할 수 있게 되어 움직임벡터가 가변장부호화되어 전체 전송데이타량이 증가하는 문제점을 해결할 수 있는 효과를 갖는다.
이상에서, 본 발명을 특정한 실시예를 통해 설명하였으나 당업계에 통상의 지식을 가진자라면, 여러가지 변형과 응용이 가능할 것이다. 예를 들어, 제3도의 실시예에서는 풀서치(Full Search)에 의한 블럭매칭의 예를 들었지만 풀서치가 아닌 쓰리스텝서치(Three step search)나 하이어락키컬서치(Hierachical search)등 다른 종류의 움직벡터추정방법을 사용할 때도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 것은 다음 청구범위에 규정한 본 발명의 범위에 포함될 것이다.

Claims (3)

  1. 움직임을 추정하여 기준화면과 현재화면의 화소데이타의 평균오차를 산출하는 평균오차산출수단; 및 상기 평균오차산출수단에서 출력되는 평균오차와 버퍼의 충만도에 따라 발생하는 양자화스텝사이즈를 인가받아 가변장부호화될 최종 전송데이타량이 최소가 되는 수평/수직변위를 움직임벡터로 설정하는 움직임벡터설정 수단을 포함하는 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 움직임벡터설정수단은 평균오차와 양자화스텝사이즈를 인가받아 영상신호가 가변장부호화되었을 경우의 데이타량을 추정하는 가변장부호데이타량추정부; 현재의 수평/수직변위가 움직임벡터로 선택되었을 경우 가변장부호화시의 부호길이를 연산하는 가변장부호길이연산부; 상기 가변장부호데이타추정부의 출력데이타와 상기 가변장부호길이 연산부의 출력데이타를 가산하는 제2가산기; 상기 제2가산기에서 가산된 데이타를 인가받고 수평/수직변위를 인가받아 가산된 데이타가 최소가 되는 수평/수직변위를 맞아 움직임벡터로 선택하여 출력하는 최소치탐색부; 상기 최소치탐색부에서 출력되는 움직임벡터를 소정시간 지연시키는 지연기; 및 상기 지연기에서 지연된 움직임벡터와 현재의 수평/수직변위의 오차를 계산하여 상기 가변장부호길이연산부로 출력하는 제3가산기를 구비함을 특징으로 하는 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 평균오차산출수단은 입력되는 현재화면을 N1*N2크기의 화소블럭으로 구분하는 제1 N1*N2블럭형성부; 프레임메모리에 저장되어 있는 기준화면에 탐색영역을 설정하는 M1*M2블럭형성부; 상기 M1*M2블럭형성부에서 설정된 M1*M2블럭의 화소데이타중 수평/수직변위에 따른 N1*N2의 블럭크기의 화소데이타를 취하는 제2 N1*N2블럭형성부; 상기 제1,2 N1*N2블럭형성부에서 출력되는 데이타의 오차를 구하는 가산기; 및 상기 가산기에서 출력되는 오차의 평균을 계산하는 평균오차계산부를 구비함을 특징으로 하는 가변장부호화를 고려한 움직임추정장치.
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