KR100216600B1 - 영상 신호 벡터 양자화기를 위한 다중 부호어 전송 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

영상신호 벡터 양자화기를 위한 다중 부호어 전송방법.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

훈련 데이터와 통계적 특성이 다른 입력 영상에 대해서 하나 이상의 부호어를 할당하여 전송하고, 수신측에서 이들을 내삽함으로써 벡터 양자화의 성능을 개선하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 하나의 입력 데이터 패턴을 인코딩하는 데 다수의 부호어를 사용하고, 수신측에서는 수신된 다수의 부호어를 이용하여 원래의 패턴을 복원함으로 벡터 양자화의 성능을 개선한다.

4. 발명의 중요한 용도

영상 신호의 압축 및 전송을 위한 벡터 양자화기에 적용된다.

Description

영상 신호 벡터 양자화기를 위한 다중 부호어 전송 방법

본 발명은 영상 신호를 압축하는 데 이용되는 중요한 요소 기술 중의 하나인 벡터 양자화에 있어서, 성능을 개선하기 위한 방법으로서 다중 부호어 전송 방법에 관한 것이다.

일반적으로 영상 데이터 압축의 목적은 시각적인 정보의 손실없이 영상을 전송하거나 저장하는데 소요되는 비트 수를 줄이는 것이다. 영상 압축을 위한 부호화 기법은 정보 이론에 입각하여 영상 데이터의 시간 혹은 공간 상의 중복성(Redundancy)을 효과적으로 이용하여 영상 데이터를 감축하는 제1세대 영상 부호화 기법과 사람의 시각 특성 또는 패턴 인식 기법을 이용하는 제2세대 영상 부호화 기법으로 분류할 수 있다.

제1세대 영상 부호화 기법에 속하는 대부분의 고전적인 데이터 압축 방식은 크게 예측 방식과 변환방식 두가지로 나누어진다. (예측방식)은 연속 샘플 간의 상호 중복성을 제거하고 오차 정보만을 양자화(quantization)하는 것으로서 중복성이란 현재의 샘플값이 이전의 샘플값에 의해 예측될 수 있는 특성을 말한다.

따라서 예측 방식에서는 어떤 픽셀을 직접 양자화하는 대신에 각 픽셀과 이전에 인코드된 픽셀로부터 구한 예측값의 차이를 양자화한다.(변환 방식에) 의한 코딩에서는 먼저 주어진 영상을 정보가 적은 수의 샘플에 밀집되도록 영상을 변화하고 그 변환 계수를 양자화한다. 보통 이들 두가지 방식을 일반화하거나 결합한 형태의 다양한 영상 데이터 압축 방식이 제안되고 연구되어 왔다. 2세대 영상 부호화 기법은 인간 시각 시스템(haman visual system : HVS)의 특성을 이용한 방식으로서 피라미드(pyramid) 코딩, 방향성 분할기반(directional decomposition-based), 분할 기반(segmentation-based) 코딩 등이 있다. 이러한 코딩 방법의 공통적인 약점은 양자화가 파형이나 영상 픽셀의 개개의 실수값에 대해 스칼라 방식으로 행해진다는 것이다.

벡터 양자화는 프로토타입 패턴으로 구성된 코드북을 사용하여 입력 블록을 인코딩하는 방법으로서 일종의 패턴 매칭 기법이라고도 할 수 있다. Shannon의 rate-distortion 이론에 의하면 스칼라 양자화 방식보다 벡터 양자화 방식이 항상 나은 성능을 가진다고 알려져 있으며 종래의 준최적(sub-optimal) 기법들과 rate-distortion 이론이 제시하는 소스 코딩의 이론적 한계 사이의 공백을 메워준다.

이러한 벡터 양자화를 저 전송율을 갖는 선로에서 동영상 압축에 적용하는 경우에는 코드북의 크기가 작으므로 훈련 데이터와 통계적 특성이 다른 입력 영상에 대해서 화질이 크게 저하되는 것을 막기가 어렵다.

다시말하면, 벡터 양자화에서 입력 데이터 패턴은 코드북에 포함된 프로토타입 패턴인 부호어에 의해 표현되는데, 이때 재생 화질은 코드북에 의해 결정되고 코드북을 학습하는데 사용된훈련 데이터와 유사한 통계적 특성을 가진 입력 데이터 패턴만이 제대로 표현될 수 있다. 따라서 코드북의 크기가 작아야 하는 고압축율 코딩에서 입력 영상의 비교적 적은 부분을 차지하는 에지등의 정보는 제대로 표현되기 어렵다.

본 발명은 훈련 데이터와 특성이 다른 입력 영상에 대해서 하나 이상의 부호어를 할당하여 전송하고 수신측에서 이들을 내삽함으로써 벡터 양자화의 성능을 개선하는 다중 부호어 전송방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 벡터 양자화 시스템 불럭도,

제2도는 본 발명에 따른 영상 벡터 양자화 개념도,

제3도는 본 발명에 따른 다중 부호어 전송 방법의 개념도,

제4도는 본 발명에 따른 다중 부호어 전송 방법의 처리 흐름도.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력 벡터가 들어오면 코드북을 탐색하여 최소의 왜곡을 갖는 부호어를 선택하는 제1단계와, 왜곡이 미리 정해진 임계 값보다 큰 경우에는 다음으로 작은 왜곡을 갖는 부호어 2개를 선택하여 이들을 평균에 의해 내삽하고 내삽된 결과 벡터와 입력 벡터와의 왜곡을 계산하는 제2단계와 상기 왜곡 오차의 값이 제일 처음 선택된 부호어와의 왜곡 오차보다 작다면 3개의 부호어의 인덱스를 모두 전송하고 그렇지 않다면 제일 처음 선택된 부호어의 인덱스 만을 전송하는 제3단계와, 수신측에서 전송된 정보를 복원하는 제4단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제1도와 제2도는 벡터 양자화 시스템의 블록도와 동작 개념도를 나타낸다.

보통 벡터 양자화 시스템에서 인코더와 디코더는 동일한 코드북을 미리 저장하고 있어야 한다.

벡터 양자화 인코딩은 먼저 코드북에 저장된 N개의 부호어와 K차원의 입력 벡터간의 왜곡을 계산하고, 이 왜곡이 최소화되는 부호어를 선택한다. 이러한 과정을 전역(exhaustive) 코드북 탐색이라 한다. 전역 코드북 탐색에서 가장 잘 일치되는 부호어를 찾고 인덱스를 전송한다. 벡터 양자화의 디코더에서도 코드북을 저장하고 있으며 단순히 테이블 참조(table look-up) 과정만이 요구된다. 이때 수신된 인코드의 출력 인덱스는 동일한 코드북에서 해당 코드벡터를 추출하기 위한 어드레스로 이용된다. 이러한 단순한 디코딩 과정 때문에 수신기의 가격이 송신기 보다 낮아야 하는 방송과 같은 응용 분야에 유용하다.

벡터 양자화에서 입력 데이터 패턴은 코드북에 포함된 프로토타입 패턴인 부호어에 의해 표현된다. 이때 재생 화질은 코드북에 의해 결정되고 코드북을 학습하는데 사용된 훈련 데이터와 유사한 통계적 특성을 가진 입력 데이터 패턴만이 제대로 표현될 수 있다. 따라서 코드북의 크기가 작아야 하는 고압축율 코딩에서 입력 영상의 비교적 적은 부분을 차지하는 에지등의 정보는 제대로 표현되기 어렵다.

다중 부호어 방식은 하나의 입력 데이터 패턴을 인코딩하는 데 다수의 부호어를 사용함으로써 이러한 문제점을 극복한다. 수신측에서는 다수의 부호어를 이용하여 원래의 패턴을 복원한다.

제3도는 다중 부호어 방식에 의한 입력 벡터의 인코딩과 디코딩 과정의 블록도를 나타내었다.

도면에서 P_i는 주어진 입력 데이터 벡터이고 W_i= [ W_i1, W_i2...W_iM]는 인코딩된 부호어이며, R_i는 수신측에서의 재생 패턴이다. 수신측에서 R_i는 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서 a_ij는 내삽을 위한 가중치 벡터이다.

이렇게 재생된 재생 패턴 R_i는 코드북에 포함되지 않은 새로운 프로토타입 패턴이 된다. 그러나 이 방식은 선택된 부호어와 함께 내삽을 위한 가중치 벡터 (aij)도 함께 전송해야 하므로 전송 정보의 양을 증가시켜서 압축율을 떨어뜨리는 결과를 초래한다. 따라서 재생 화질과 압축을 사이에 적적한 타협점을 찾을 필요가 있다. 가장 간단한 방법은 3개의 부호어를 선택하고 (M = 3) 가중지 벡터 (aij)를 사용하는 대신 수신측에서 부호어들의 평균에의해 내삽하는 방법을 적용하는 것이다. 이 경우 가중치 벡터(a_ij)는 모두 1/M이 된다.

코드북의 훈련을 위해 신경 회로망 학습 알고리즘을 이용하는 경우 송수신 양측이 필요한 때마다 코드북을 학습하여 갱신하는 적응 벡터 양자화에 매우 유리 하다. 수신측에서는 송신측에서 보내온 인데스 정보에 따라 단일 부호어 또는 다중 부호어로 복원을 한다.

이러한 다중 부호어 방법의 내부 처리절차, 즉 인코딩 및 디코딩 과정은 제4도와 같다.

입력 벡터가 들어오면(1) 먼저 코드북을 탐색하여(2) 최소의 왜곡을 갖는 부호어를 선택한다. 그리고 이때의 왜곡이 미리 정해진 임계 값보다 큰 경우에는 다음으로 작은 왜곡을 갖는 부호어 2개를 선택하여 이들을 평균에 의해 내삽하고 내삽된 결과 벡터와의 왜곡을 계산한다 (4 내지 7). 이 왜곡 오차의 값이 제일 처음 선택된 부호어와의 왜곡 오차보다 작다면 3개의 부호어의 인덱스를 모두 전송한다(8, 9). 그렇지 않다면 제일 처음 선택된 부호어의 인덱스 만을 전송한다(8, 10) 이 때 송신되는 인덱스에는 어떤 방식으로 인코딩 되었는지를 표시해주는 정보가 부가될 필요가 있다.

수신측에서는 단순히 이 정보를 판독하여 단일 코드어에 의해 인코딩된 경우는 수신 인덱스를 어드레스로 하여 복원하고 다중 코드어에 의해 인코딩된 경우는 수신 인덱스를 어드레스로 하여 3 개의 송신 벡터를 구한 다음 이들을 내삽하여 복원한다(11 내지 14).

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.

따라서, 본 발명은 하나의 입력 데이터 패턴을 인코딩하는 데 다수의 부호어를 사용하고, 수신측에서는 수신된 다수의 부호어를 이용하여 원래의 패턴을 복원 함으로 벡터 양자화의 성능을 개선할 수 있다. 또한 이 방식은 선로의 특성이 시간에 따라 변하는 상황에서 가변 비트율 방식으로도 운용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

Claims (3)

1. 입력 벡터가 들어오면 코드북을 탐색하여 최소의 왜곡을 갖는 부호어를 선택하는 제1단계와, 왜곡이 미리 정해진 임계 값보다 큰 경우에는 다음으로 작은 왜곡을 갖는 부호어 2개를 선택하여 이들을 평균에 의해 내삽하고 내삽된 결과 벡터와 입력 벡터 와의 왜곡을 계산하는 제2단계와, 상기 왜곡 오차의 값이 제일 처음 선택된 부호어와의 왜곡 오차보다 작다면 3개의 부호어의 인덱스를 모두 전송하고 그렇지 않다면 제일 처음 선택된 부호어의 인덱스 만을 전송하는 제3단계, 및 수신측에서 전송된 정보를 복원하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 신호 벡터 양자화를 위한 다음 부호어 전송 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는, 송신되는 인덱스에 주가된 인코딩 방식 표시 정보를 단순히 판독하여 정보를 복원하도록 한 것을 특징으로 하는 영상 신호 벡터 양자화를 위한 다중 부호어 전송 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는, 송신측으로 부터의 정보가 단일 코드어에 의해 인코딩된 경우는 수신 인덱스를 어드레스로 하여 복원하고 다중 코드어에 의해 인코딩된 경우는 수신 인덱스를 어드레스로 하여 복원하고 다중 코드어에 의해 인코딩된 경우는 수신 인덱스를 어드레스로 하여 3개의 송신 벡터를 구한 다음 이들을 내삽하여 복원하도록 한 것을 특징으로 하는 영상 신호 벡터 양자화를 위한 다중 부호어 전송 방법.