KR0145426B1 - Method for deciding motion compensation of image signal - Google Patents
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Abstract
운동보상에 의한 영상신호의 예측 부호와 방법에 있어서의 제안된 발명은 입력 영상신호로 부터 얻어진 현재 프레임내의 블럭데이타(A)와 이전 프레임내의 블럭데이타(B) 그리고 상기 이전 프레임에서 도출된 운동벡터의 위치에 해당되는 블럭데이타(C)중에서 상기 블럭데이타(A)와 상기 블럭데이타(B,C)를 각기 이진 패턴매칭에 의해 상기 운동보상을 결정하는 것에 의해 화질을 개선할 수 있게 된다.The proposed invention in the prediction code and method of the image signal by the motion compensation is obtained from the block data (A) in the current frame, the block data (B) in the previous frame and the motion vector derived from the previous frame. Among the block data (C) corresponding to the position of the block data (A) and the block data (B, C), the image quality can be improved by determining the motion compensation by binary pattern matching, respectively.
Description
제1도는 종래의 운동보상에 의한 예측 부호와의 전체 블러도.1 is an overall blur of prediction code with conventional motion compensation.
제2도는 제1도에 따른 블럭데이타의 탐색영역의 구조도.2 is a structural diagram of a search area for block data according to FIG.
제3도는 종래의 운동보상 결정에 대한 예시도.3 is an exemplary view of a conventional exercise compensation determination.
제4도는 본발명에 따른 운동보상 결정에 대한 예시도.4 is an exemplary view of the determination of exercise compensation according to the present invention.
본 발명은 영상신호의 예측 부호화 방법에 있어서의 운동보상 결정방법에 관한것으로, 특히 운동보상에 의한 영상신호의 예측 부호화를 행할 시 프레임간의 상관이 보다 많은 데이타를 결정하여 부호화함으로써 화질을 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of determining motion compensation in a method of predictive encoding of video signals. In particular, when predictive encoding of video signals by motion compensation is performed, image quality can be improved by determining and encoding data having more correlations between frames. It is about how.
전형적으로, 디지탈 영상신호를 압축 전송하는데에는 시간축 방향으로의 상관성(correlation)을 이용하는 프레임간 예측(interframe prediction)방법이 널리 사용된다. 이러한 부호와 기술에 있어서의 단점은 영상의 운동이 빠른 경우에 재생된 영상의 화질(quality)이 떨어진다는 것이다.Typically, an interframe prediction method using correlation in the time axis direction is widely used for compression transmission of a digital video signal. The disadvantage of this code and technique is that the quality of the reproduced image is poor when the motion of the image is fast.
이러한 근본적인 이유는 프레임간의 움직임이 속도가 크거나 복잡한 형태의 움직임인 경우 프레임간의 상관성이 감소하기 때문이다. 따라서 이러한 문제를 해결하는 방법으로 운동보상(motion compensation)방법이 등장하였다. 이것은 프레임간의 움직임 또는 운동이 있는 경우 운동벡터(motion vector)를 검출하여 프레임간의 운동을 예측함으로써 화면간의 물체의 이동이 있는 경우에도 화질을 일정 수준으로 유지하면서 높은 데이타 압축률을 얻을 수 있도록 한 방법이다.This fundamental reason is that the inter-frame correlation decreases when the inter-frame motion is a high speed or complex motion. Therefore, a motion compensation method has emerged as a way to solve this problem. This method detects motion vectors when there is motion or movement between frames and predicts motion between frames so that high data compression ratio can be obtained while maintaining image quality at a constant level even when there is movement of objects between screens. .
제1도는 종래의 운동보상에 의한 예측 부호와 방법에 나타낸 것이다.1 is a diagram illustrating a prediction code and a method using conventional motion compensation.
상기 제1도를 참조하면, 우선 입력단(IN)으로 인가되는 디지탈 영상신호는 작은 크기의 소블럭(예를들면 8×8 또는 16×16,....등)으로 나누어진 신호이다. 상기 블럭의 데이타는 이전 프레임의 블럭과 비교되어 운동벡터가 검출된다. 감산기(2)는 상기 운동벡터에 의해 움직이진 위치의 블럭과 상기 현재 블럭의 차이 신호를 출력한다. 상기 신호는 DCT(Discrete Cosine Transform)(4)에 의해 직교 변환되어 양자화기(Quantizer)(6)에 인가된다. 여기서, 상기 직교변환은 공간영역(spatical domain)신호를 주파수 영역(frequency domain)으로 바꾸어주는 역할을 하는데, 이때 낮은 주파수 영역의 영상신호의 변환 계수값은 크고, 높은 주파수 영역의 계수값은 작게 나타난다.Referring to FIG. 1, first, the digital video signal applied to the input terminal IN is a signal divided into small blocks (eg, 8x8 or 16x16, ..., etc.) of small size. The data of the block is compared with the block of the previous frame to detect a motion vector. The subtractor 2 outputs a difference signal between the block of the position moved by the motion vector and the current block. The signal is orthogonally transformed by a discrete cosine transform (DCT) 4 and applied to a quantizer 6. Here, the orthogonal transformation converts a spatial domain signal into a frequency domain. In this case, a transform coefficient value of a video signal in a low frequency domain is large and a coefficient value of a high frequency domain appears small. .
상기 양자화기(6)는 상기 영상신호 데이타를 일정한 레벨값으로 양자화 시키는 기능을 한다. 상기 양자화기(6)의 스텝사이즈(step size)를 작게 할 수록 복원되었을 때의 오차(error)는 작아지나 발생되는 데이타량은 많아지고, 스텝사이즈를 크게할 수록 오차(error)는 커지거나 발생되는 데이타량은 적어진다. 이러한 양자화기의 스텝사이즈는 버퍼(buffer)(20)로 인가되는 데이타량에 따라 제어된다. 양자화기(6)를 거친 상기 변환계수(transform coefficient)들은 VLC(Variable length coder)(8)에 의해 비트열(bit stream)로 되어 MUX(Multiplexer; 10)를 거쳐 버퍼(20)로 들어간다. 여기서, 높은 주파수의 변환 계수들은 0 또는 0에 가까운 값을 가지므로 상기 VLC(8)에서는 이러한 많이 발생되는 데이타들에 적은 비트를 갖는 코드워드(code word)를 내보내고, 발생빈도가 적은 데이타들에는 비교적 많은 비트를 갖는 코드워드를 내보낸다.The quantizer 6 functions to quantize the video signal data to a constant level value. The smaller the step size of the quantizer 6, the smaller the error when restored, but the greater the amount of data generated, and the larger the step size, the larger the error. The amount of data becomes less. The step size of this quantizer is controlled according to the amount of data applied to the buffer 20. The transform coefficients through the quantizer 6 are bit streamed by a variable length coder (VLC) 8 to enter the buffer 20 via a MUX (Multiplexer) 10. Here, since the transform coefficients of the high frequency have a value of 0 or close to 0, the VLC 8 sends a code word having a few bits to these frequently generated data, and to the less frequently generated data. Export a codeword with a relatively large number of bits.
한편, 상기 양자화된 계수들은 역양자화기(12)에 의해 다시 역양자화된 후 IDCT(14)에 의해 다시 역변환되고, 이것은 가산기(16)에 의해 운동 보상된 신호와 합쳐져서 원래의 영상신호로 복원되게 된다.On the other hand, the quantized coefficients are inversely quantized by the inverse quantizer 12 and then inversely transformed by the IDCT 14, which is combined with the motion compensated signal by the adder 16 to be restored to the original video signal. do.
운동검출비(22)는 프레임 메모리(18)로 부터 인가되는 이전 프레임 데이타를 현재 입력되고있는 프레임데이타와 비교하여 운동벡터(motion vector)를 검출한다. 즉 이전화면으로 부터 현재화면의 블록이 움직여 왔는가 하는 변위를 운동벡터라고 하며 보통 BMA(Block Matching Algorithm)방법이 사용된다.The motion detection ratio 22 detects a motion vector by comparing the previous frame data applied from the frame memory 18 with the frame data currently being input. In other words, the displacement of the block of the current screen from the previous screen is called the motion vector, and the BMA (Block Matching Algorithm) method is usually used.
상기 방법은 이전 화면에 현재화면 블럭 주위의 탐색영역을 정해놓고, 현재 블록을 움직여 가면서 현재화면의 블럭과 화소단위의 차의 누적합에 의한 오차가 가장 적은 위치를 탐색하는 방법이다.In the above method, a search area around a current screen block is set on a previous screen, and a position is searched for the least error due to the cumulative sum of the difference between the block of the current screen and the pixel unit while the current block is moved.
즉, 이는 상기 움직임이 보통 수직 수평 및 이를 조합한 병진운동(translation motion)이라고 가정하는 것이다. 그러나 실제의 영상신호는 카메라의 각도 변화에 의한 틸팅(tilting)이나 줌잉(zooming)또는 물체의 회전운동등과 같은 복잡한 운동이 있게 되는데, 이러한 경우 상기의 방법은 효과가 떨어진다. 이러한 경우를 방지하기 위해 운동예측(motion estimation)을 하고, 이러한 운동이라고 판단되는 경우는 프레임간 차이 신호를 부호화하지 않고 현화면의 블록을 그대로 부호화하는 방법이 사용된다. (이를 흔히 Intraframe coding 이라고 부른다.)In other words, this assumes that the motion is usually horizontal, horizontal, and translation motion in combination. However, the actual video signal has a complicated motion such as tilting, zooming, or rotational movement of the object due to the change of the angle of the camera. In this case, the above method is ineffective. In order to prevent such a case, motion estimation is performed, and when it is determined that such motion is performed, a method of encoding the block of the current screen without encoding the difference signal between frames is used. (This is often called intraframe coding.)
이를 설명하기 위해 제2도 및 제3도를 참조하면, 제2도는 상기 병진운동에 따른 블럭데이타의 탐색영역의 구조를 나타낸것으로, pf는 현재 프레임의 데이타 이고, sa는 탐색영역을 나타낸다. 또한 제3도는 일반적인 운동보상에 대한 온/오프 결정 구간을 그래프로서 나타낸 것이다.2 and 3 illustrate a structure of a search region of block data according to the translational motion, pf represents data of a current frame, and sa represents a search region. FIG. 3 also shows on / off decision intervals for general exercise compensation as a graph.
제3도에 보여지는 상기 특성그래프는 온중보상에 의해 구해진 프레임간 차를 부호화할 것인지 그렇지 안으면 현재블록과 대응되는 위치의 이전 화면 블록과의 프레임간 차를 부호화하여 전송할 것인지를 결정하는 그래프이다.The characteristic graph shown in FIG. 3 is a graph for determining whether to encode the difference between frames obtained by the on-demand compensation or to encode and transmit the difference between frames with a previous picture block at a position corresponding to the current block.
상기와 같은 부호화방법에 있어서, 제1도의 버퍼(20)에서 전송되는 출력의 비트량은 일정하지만 버퍼(20)로 입력되는 비트량은 가변적인데, 이는 버퍼(20)에 상기 저장된 상기 데이타량에 따라 양자화기(6)의 스탭사이즈가 제어되기 때문이다. 상기 양자화기(6)의 스텝사이즈는 화상의 복잡성이 시간에 따라 변하므로 역시 시간에 따라 변화 되어질 것이다.In the above encoding method, the bit amount of the output transmitted from the buffer 20 of FIG. 1 is constant, but the bit amount input to the buffer 20 is variable, which depends on the amount of data stored in the buffer 20. This is because the step size of the quantizer 6 is controlled accordingly. The step size of the quantizer 6 will also change over time since the complexity of the image changes over time.
따라서 상기 양자화기(6)에 의해서 복원된 화상은 원래 화면과 오차가 생기게 되므로 정확히 운동벡터를 검출하기 위해서는 상기 운동보상기(20)의 온/오프의 결정이 필요함을 알 수 있다. 즉, 상기 운동보상의 온구간은 구해진 운동벡터(X,Y)를 사용하는 것이고, 오프구간은(0,0)을 사용하는 것을 의미한다.Therefore, since the image reconstructed by the quantizer 6 has an error with the original screen, it can be seen that the on / off determination of the motion compensator 20 is necessary to accurately detect the motion vector. That is, the on-period of the motion compensation is to use the obtained motion vector (X, Y), and the off-period is to use (0,0).
제3도에서, x축은 현재 블록(A)와 이전화면의 (0,0)위치의 블록(B)와의 차분값을 평균한 것이고, y축은 A와 (X,Y)위치의 블록(C)과의 차분값의 평균이다. 즉, 운동벡터가 (X,Y)일지라고 양자화 오차를 고려하여 상기 오프 조건을 만족하는 경우는(0,0)으로 운동벡터를 바꾸는 것을 의미한다. 이 경우(X,Y)의 A의 오차, y는 (0,0)의 위치의 블럭과 A의 오차 x보다 작다.In FIG. 3, the x-axis is the average value of the difference between the current block A and the block B at the (0,0) position of the previous screen, and the y axis is the block C at the A and (X, Y) positions. Is the average of the difference between That is, when the OFF vector is satisfied considering the quantization error and whether the motion vector is (X, Y), it means that the motion vector is changed to (0,0). In this case, the error of A in the (X, Y), y is smaller than the block of the position at (0,0) and the error x in A.
이와 같은 형상은 상기 BMA에 의해서 현재 블록과 오차를 최소로하는 위치의 이전 화면 블록을 찾았더라고 양자화 잡음 때문에 이것이 최적의 운동벡터가 아닐 수 있음을 의미한다. 즉, 일반적으로는 yx인 경우에 운동보상기 오프, 그 반대인 경우 온 이라고 생각할 수 있으나 양자화에 의한 잡음의 영향때문에 기울기를 약간 조정한 것을 의미한다.This shape means that the BMA finds the previous screen block at the position that minimizes the error with the current block, but this may not be the optimal motion vector due to quantization noise. In other words, in the case of yx, it can be considered that the motion compensator is off and vice versa, but it means that the slope is slightly adjusted due to the influence of noise caused by quantization.
그런데, 상기의 블럭 오차의 합의 크기를 비교하는 방법은 평균적인 양자화 스텝사이즈가 작은 경우는 별 문제가 없으나 평균 양자화 스텝사이즈가 큰 경우는 양자화 오차에 의해 복원된 영상의 원화상과의 오차도 커지므로 결과적으로는 복원화상의 화질을 높이는데 큰 효과가 없게 된다.However, the method of comparing the sum of the sums of the block errors has no problem when the average quantization step size is small, but when the average quantization step size is large, the error with the original image of the image reconstructed by the quantization error also becomes large. Therefore, as a result, the image quality of the reconstructed image does not have a great effect.
상기한 바와 같이 종래와 같은 방법은 양자화의 스탭사이즈가 클 경우 복원되는 화상을 열화시키는 문제점이 있었다.As described above, the conventional method has a problem of deteriorating an image to be restored when the quantization step size is large.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above conventional problems.
본 발명의 다른 목적은 화질을 개선할 수 있는 운동보상 결정방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of determining the motion compensation that can improve the image quality.
본 발명의 또다른 목적은 예측 부호화시의 운동보상을 결정할 수 있는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for determining the motion compensation during prediction encoding.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 상기 영상신호로 부터 얻어진 현재 프레임내의 블럭데이타(A)와 이전 프레임내의 블럭데이타(B)그리고 상기 이전 프레임에서 도출된 운동벡터의 위치에 해당되는 블럭데이타(C)중에서 상기 블럭데이타(A)와 상기 블럭데이타(B,C)를 각기 이진 패터매칭에 의해 상기 운동보상을 결정하는 방법이 회로적으로 마련된다.According to the present invention for achieving the above object, a block corresponding to the position of the block data (A) in the current frame, the block data (B) in the previous frame and the motion vector derived from the previous frame obtained from the video signal. In the data C, a method of determining the motion compensation by binary pattern matching of the block data A and the block data B and C, respectively, is provided.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 본 발명에 따른 온둥보상 결정에 대한 일실시예도이다.4 is an exemplary diagram for the determination of the whole round compensation according to the present invention.
제4도를 참조하여 본 발명의 원리 및 구성, 동작의 바람직한 실시예를 설명한다.With reference to FIG. 4, preferred embodiments of the present invention will be described.
먼저 본 발명은 인간의 시각 특성상 인간의 눈은 화상의 에지(edge)부분(화상에서 레벨의 변화가 큰 부분)에 민감하다는 것을 이용하여 현재 블록과 에지의 위치가 가장 닮은 블록을 선택하도록 하는 방법이다.First, according to the present invention, the human eye is sensitive to an edge part of the image (a part where a level change is large in the image), so that the current block and the block having the most similar position are selected. to be.
제4도에서, 입력A는 현재 화면의 블럭데이타를 나타내며 B는 이전 화면의(0,0)위치의 블럭데이타, C는 이전화면에서 잦아진 운동벡터(X,Y)위치에 해당하는 블럭데이타를 나타낸다.In FIG. 4, input A represents block data of the current screen, B represents block data of (0,0) position of the previous screen, and C represents block data corresponding to the motion vector (X, Y) position frequently moved from the previous screen. Indicates.
상기 각 블록의 데이타는 한 샘플씩 입력된다. 첫번재 경로, 즉, 제1감산기(101), 제1절대치회로(104), 제1비교기(107), 제1계수기(110), 제3비교기(113) 순의 신호흐름 경로는 상기 A와 B의 블럭데이타를 비교하기 위한 것이고, 두번재의 경로 즉, 제2감산기(102), 제2절대치회로(105), 제2비교기(108), 제2계수기(111), 제4비교기(114)순의 신호흐름 경로는 상기 A와 C의 블럭데이타를 비교하기 위한 것이다.Data of each block is input by one sample. The first flow path, that is, the signal flow paths of the first subtractor 101, the first absolute circuit 104, the first comparator 107, the first counter 110, and the third comparator 113, is the same as A. For comparing the block data of B, the second path, that is, the second subtractor 102, the second absolute circuit 105, the second comparator 108, the second counter 111, the fourth comparator 114 The sequential signal flow path is for comparing the block data of A and C.
상기 A와 B의 데이타는 상기 제1감산기(101)에 의해 감산되고 제1절대치회로(104)에 의해 절대화되어 출력된다. 상기 절대화 출력은 제1비교기(107)에 인가되어 미리 정해진 제1기준값(TH1)과 비교 출력된다. 여기서 상기 제1비교기(107)의 출력조건은 상기 제1절대치회로(104)의 출력이 상기 제1기준값 보다 큰 경우에 1 출력하고 작은 경우에 0을 출력하도록 정하였다.The data of A and B are subtracted by the first subtractor 101 and absoluteized by the first absolute value circuit 104 and output. The absolute output is applied to the first comparator 107 and compared with the predetermined first reference value TH1. Here, the output condition of the first comparator 107 is set to output 1 when the output of the first absolute value circuit 104 is larger than the first reference value and 0 when the output is smaller than the first reference value.
상기 제1계수기(110)는 상기 제1비교기(107)로 부터 출력되는 1의 갯수를 카운팅한다. 이때, 1의 갯수가 많은 경우는 상기 블럭데이타 A와 B가 서로 차이가 크다는 것을 나타낸다. 즉 상기 카운팅 수 NA가 커질 수록 블럭 A와 B의 에지가 일치하지 않는 정도가 크다는 것을 나타낸다.The first counter 110 counts the number of 1s output from the first comparator 107. In this case, a large number of 1s indicates that the block data A and B have a large difference from each other. That is, the larger the counting number NA, the greater the degree that the edges of blocks A and B do not coincide.
반대로 상기 NA가 작은 경우는 블록 A와 B의 에지가 잘 일치되는 것을 의미한다. 본 발명에서는 상기와 같은 처리방법을 이진 패턴 매칭(Binary Pattern Matching)이라 칭한다.On the contrary, when the NA is small, it means that the edges of blocks A and B coincide well. In the present invention, the above processing method is referred to as binary pattern matching.
마찬가지고 A와 C의 블럭데이타도 상기 두 번째 경로를 거쳐 NB를 출력한다. 여기서 상기 제2비교기(108)는 상기 제1비교기(107)와 같은 동작을 하며, 제2계수기(111)는 제1계수기(110)와 같은 동작을 한다.Similarly, block data of A and C also output NB through the second path. Here, the second comparator 108 performs the same operation as the first comparator 107 and the second counter 111 performs the same operation as the first counter 110.
제3비교기(113)은 상기 NA와 NB를 비교하여 NA가 NB보다 큰 경우는 1을, 그렇지 않으면 0을 출력한다. 여기서 상기 제3비교기(113)의 출력이 1인것은 상기 블럭 B의 데이타가 A보다는 C에 상관도가 높게 매칭되는 것을 의미한다.The third comparator 113 compares NA and NB and outputs 1 when NA is greater than NB, and 0 otherwise. In this case, the output of the third comparator 113 means that data of the block B is matched with a higher correlation with C than A.
한편, 제4비교기(114)와 운동 판단부(120)는 구해진 운동벡터가(0,0)근처인 경우 즉, 운동벡터 X(수평방향)와 Y(수직방향)값이 작은 경우에 운동벡터의 정확성을 판단하고 교정하기 위한 것이다.On the other hand, the fourth comparator 114 and the motion determining unit 120 is a motion vector when the obtained motion vector is near (0,0), that is, when the motion vectors X (horizontal direction) and Y (vertical direction) values are small. To determine and correct the accuracy of the
상기 구해진 운동벡터 X,Y는 판단부(120)에서 X≤2이고 Y≤2인 경우에 제4비교기(114)의 출력을 인에이블(Enable)시키고, 아닌 경우 디스에이블(Disable)시키도록 되어 있다.The obtained motion vectors X and Y are enabled by the determination unit 120 to enable the output of the fourth comparator 114 when X ≦ 2 and Y ≦ 2, or disable the outputs of the fourth comparator 114. have.
상기 제4비교기(114)는 디스에이블인 경우는 항상 출력이 0이며, 인에이블인 경우는 다음과 같다.The fourth comparator 114 always has an output of 0 when disabled and a case of enabling the fourth comparator 114 as follows.
즉, 인에이블인 경우는 NB TH2 인가를 비교하여 NB TH2인 경우는 출력이 1이며 그렇지 않은 경우는 0을 출력한다.That is, in the case of enable, the output is 1 in the case of NB TH2 compared with the application of NB TH2, and 0 otherwise.
따라서, 운동벡터가 작은 값인 경우는 NB의 값이 제3비교기(113)의 출력에 관계없이 운동보상에 의해 온/오프가 결정되며, 그렇지 않은 경우는 제3비교기(113)의 출력에 의해 온/오프가 결정되는 것이다.Therefore, when the motion vector is a small value, on / off is determined by the motion compensation regardless of the output of the third comparator 113. Otherwise, it is turned on by the output of the third comparator 113. On / off is determined.
여이서, 오아게이트(117)은 상기의 이유에서 접속 되어진다.Thus, the oragate 117 is connected for the above reason.
이상의 설명과 같은 이진 패턴 매칭방법에 의해 B와 C중 A와 가장 비슷한 블록을 찾아 운동보상의 온/오프를 결정 함으로써 시각 특성상 보다 좋은 화질을 얻을 수 있는 것이다.By using a binary pattern matching method as described above, by finding the block most similar to A among B and C to determine on / off of motion compensation, better image quality can be obtained.
상술한 바와 같이 본 발명은 이진 패턴 매칭 방법에 의해 운동보상 결정을 행하므로 복원되는 화질을 개선할 수 있는 이점이 있다.As described above, the present invention has an advantage of improving image quality to be restored since motion compensation is determined by a binary pattern matching method.
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