KR100759722B1 - 영상 프레임의 크기에 따라 계층 간의 영상 프레임들을서로 다른 예측 구조로 움직임 보상을 수행하는 ｈ.264기반 스케일러블 부호화 방법 - Google Patents

영상 프레임의 크기에 따라 계층 간의 영상 프레임들을서로 다른 예측 구조로 움직임 보상을 수행하는 ｈ.264기반 스케일러블 부호화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 H.264 기반 스케일러블(scalable) 부호화 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 계층 간 영상 프레임을 영상 프레임의 크기에 따라 적절한 예측 구조로 움직임을 보상하여 영상 프레임을 스케일러블하게 부호화하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법은 영상 프레임의 크기에 따라 계층 간의 영상 프레임들을 서로 다른 예측 구조로 움직임 보상함으로써, 저기능 수신 단말기에서 수신된 영상 신호의 복호화 부하(load)를 줄이고 전력 소비 효율을 증가시킬 수 있다.
H.264, 스케일러빌리티, 예측 신호, SVC, 메인 프로파일, 베이스라인 프로파일

Description

영상 프레임의 크기에 따라 계층 간의 영상 프레임들을 서로 다른 예측 구조로 움직임 보상을 수행하는 Ｈ.264 기반 스케일러블 부호화 방법{H.264-based scalable encoding method for performing motion-compensation using different prediction structure according to frame size based layers}
도 1은 H.264 기반 스케일러블 부호화/복호화 방식을 이용하는 통상의 영상 전송 시스템을 도시하고 있다.
도 2는 스케일러블 영상 데이터를 생성하는 H.264 기반 SVC 부호화부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 상응하는 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 상위 계층의 영상 프레임과 하위 계층의 영상 프레임의 프레임 간 예측을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 상응하는, H.264 기반 스케일러블 부호화 장치의 기능 블록도를 도시하고 있다.
본 발명은 H.264 기반 스케일러블(scalable) 부호화 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 계층 간 영상 프레임을 영상 프레임의 크기에 따라 적절한 예측 구조로 움직임을 보상하여 영상 프레임을 스케일러블하게 부호화하는 방법에 관한 것이다.
언제 어디서 누구에게나 영상 정보를 이용하여 통신이 이루어질 수 있도록 하는 이동 통신 서비스나 무선 인터넷 등의 등장으로 사람들은 노트북, 개인 휴대단말기, 핸드폰 등과 같은 다양한 컴퓨터와 접합된 정보 가전을 이용하여 원격지의 영상 정보를 얻기를 원한다. 앞으로는 더욱 다양한 형태의 영상 정보 가전들이 출현될 것이며, 출현할 영상 정보 가전제품의 복호화 능력이나 전송 환경 등은 각각의 수신 단말기가 가져야 하는 특성이나 적응 환경에 따라 다르게 된다.
예를 들어, 수신 단말기의 성능이 우수하고 전송 선로 등의 상태가 좋을 때는 고화질의 동영상을 수신하여 디스플레이할 수 있지만 수신 단말기의 성능이 우수하지 않거나 전송 선로의 상태가 좋지 않을 때는 고화질의 동영상을 수신할 수 없다. 위의 두 경우를 모두 수용하기 위해 H.264 표준안에서는 영상을 부호화하여 전송하는데 있어서 수신 단말기 특성이나 성능에 따라 다양한 화질을 제공할 수 있도록 스케일러블 영상 부호화를 규정하는 중이다.
도 1은 H.264 기반 스케일러블 부호화/복호화 방식을 사용하는 통상의 영상 전송 시스템을 도시하고 있다.
도 1을 참고로, H.264 기반 SVC(scalable video coding) 부호화부(1)는 수신 단말기에서 다양한 화질의 영상을 수신할 수 있도록 영상 신호를 스케일러블한 영 상 데이터로 부호화하여 안테나(3)로 출력한다. 상기 안테나(3)를 통해 출력된 스케일러블한 영상 데이터는 무선 네트워크(5)를 통해 다양한 수신 단말기(6 내지 9)로 전송된다. 상기 수신 단말기(6 내지 9)의 내부에는 H.264 기반 스케일러블 복호화부를 구비하고 있으며 수신된 영상 데이터를 자신에 상응하는 해상도로 복호화한다. 즉, 전송되는 영상 데이터가 스케일러블하다면 다양한 종류의 수신 단말기가 존재할 수 있게 되어 휴대폰(6)과 같은 저성능 수신기는 하위 계층의 영상 데이터로 복호화하여 디스플레이하고 고화질 텔레비젼(9)과 같은 고성능 수신 단말기는 상위 계층의 영상 데이터로 복호화하여 디스플레이할 수 있다.
도 2는 스케일러블한 영상 데이터를 생성하는 H.264 기반 SVC 부호화부(1)의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 2를 참고로, 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 시간적 스케일러블이 가능하도록 계층적(hierarchical) 움직임 보상 구조로 예측 신호를 생성한다(단계 1). 이하 부호하하고자 하는 영상 프레임의 전후 양측에 존재하는 영상 프레임을 기준으로 프레임간 예측하는 것을 양방향 예측 구조라 규정한다. 움직임 보상을 통해 생성된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 상기 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간한다(단계 3). 상기 보간된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 차감하여 잔여 신호를 생성하고(단계 5), 상기 생성된 잔여 신호를 부호화한다(단계 7).
상기 설명한 H.264 기반 스케일러블 부호화 방식에서는 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 모두 동일하게 양방향 예측 구조로 움직임 보상한다. 핸드폰과 같은 저성능의 수신 단말기는 낮은 품질의 하위 계층의 영상 프레임을 복호화하여 디스플레이하더라도 사용자는 충분히 만족함에도 불구하고, 상기 종래의 H.264 기반 스케일러블 부호화 방식에서는 하위 계층의 영상 프레임도 메인 프로파일로 부호화함으로써 저성능의 수신 단말기의 프로세싱 복잡도가 증가하게 되고 이로 인해 보다 많은 전력을 소비하게 된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 목적은 계층 간의 영상 프레임을 서로 다른 예측 구조로 움직임 보상하여 부호화하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법은 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 서로 다른 예측 구조로 움직임 보상하여 상기 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계측의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 각각 생성하고 상기 생성된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 상기 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간하여 상기 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 서로 차감하여 생성된 잔여 영상을 부호화하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임은 단방향 예측 구조를 이용하여 움직임 벡터가 계산되며, 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임은 양방향 예측 구조를 이용하여 움직임 벡터가 계산되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명에 따른 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 상응하는, H.264 기반 스케일러블 부호화 방법을 설명하는 흐름도이다. 본 발명에 상응하는 H. 264 기반 스케일러블 부호화 방법에서는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 서로 다른 예측 구조를 이용하여 영상 프레임 간 예측한다. 이하에서는 본 발명에 따른 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3을 참고로, 단방향 예측 구조를 이용하여 하위 계층 영상 프레임의 움직임을 보상하고(단계 11), 양방향 예측 구조를 이용하여 상위 계층 영상 프레임의 움직임을 보상한다(단계 13).
H.264 기반 스케일러블 부호화 방식에서는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임이 계층적으로 서로 연관되어 있다. 즉 입력 영상 신호를 한 번의 부호화로 서로 다른 비트열, 해상도, 프레임율을 가지는 단일의 영상 비트스트림을 생성한다.
하위 계층의 영상 프레임은 핸드폰과 같은 저기능 수신 단말기에서 사용되는데, 상기 하위 계층의 영상 프레임은 부호화하고자 하는 영상 프레임의 이전에 있는 하나의 영상 프레임만을 이용하거나 부호화하고자 하는 영상 프레임의 이후에 있는 하나의 영상 프레임만을 이용하여 영상 프레임간 움직임을 예측한다. 영상 프레임간 움직임 예측은 부호화하고자 하는 영상 프레임의 이전 또는 이후에 있는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 하고 상기 부호화하고자 하는 영상 프레임과 기준 영상 프레임의 차분이 가장 작은 위치를 선택하여 부호호하하고자 하는 영상 프레임의 움직임 벡터를 계산한다. 이하, 부호화하고자 하는 영상 프레임의 이전 하나의 영상 프레임을 이용하여 움직임 벡터를 계산하거나 이후 하나의 영상 프레임을 이용하여 움직임 벡터를 계산하는 것을 단방향 예측 구조라 규정한다.
한편, 상위 계층의 영상 프레임의 프레임간 예측은 부호화하고자 하는 영상 프레임의 이전 및 이후에 있는 복수의 영상 프레임을 기준 영상 프레임으로, 즉 양방향 예측 구조로 움직임 벡터를 계산한다.
상기 계산된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 움직임 벡터와 상위 계층의 영상 프레임에 대한 움직임 벡터를 이용하여 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 움직임 보상한다. 상기 움직임 보상을 통해 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호가 각각 생성된다.
상기 생성된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 상기 생성된 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간한다(단계 15). 상기 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호는 보간 필터를 이용하여 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간된다.
상기 보간된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 상기 상위 계층에 대한 영상 프레임에 대한 예측 신호를 차감하여 잔여 신호를 생성하고(단계 17), 상기 생성된 잔여 신호를 소정의 부호화 방식에 따라 부호화한다(단계 19). 상기 와 같이 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 상기 보간된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호로부터 상위 계층을 부호화함으로써 부호화 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 상응하는, 상위 계층의 영상 프레임과 하위 계층의 영상 프레임의 움직임을 예측하기 위한 예측 구조를 설명하는 도면이다.
도 4(a)는 상위 계층의 영상 프레임 간 움직임을 예측하기 위한 양방향 예측 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)를 참고로, 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임은 이전에 존재하는 영상 프레임과 이후에 존재하는 영상 프레임을 모두 참조하여 부호화된다. 즉, 양방향 예측을 통해 B(Bidirectionally Predictive) 프레임을 생성한다.
도 4(b)는 하위 계층의 영상 프레임 간 움직임을 예측하기 위한 단방향 예측 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(b)를 참고로, 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임은 이전에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 참조하여 부호화되거나 이후에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 참조하여 부호화된다. 즉 순방향 예측 또는 역방향 예측 중 하나를 통해 P(Predictive) 프레임만을 생성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 상응하는 H.264 기반 스케일러블 부호화 장치의 기능 블록도를 도시하고 있다.
도 5를 참고로, 예측부(10)는 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임 이전 및 이후에 존재하는 영상 프레임을 기준 영상 프레임으로 하여, 즉 양방향 예 측 구조로 영상 프레임 간 움직임을 예측하여 움직임 벡터를 계산한다. 움직임 보상부(12)는 예측부(10)를 통해 계산된 움직임 벡터에 기초하여 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임을 움직임 보상한다. 상기 움직임 보상을 통해 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호가 생성된다.
한편, 예측부(13)는 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임 이전에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 하거나 이후에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 하여, 즉 단방향 예측 구조로 영상 프레임 간 움직임을 예측하여 움직임 벡터를 계산한다. 움직임 보상부(15)는 예측부(13)를 통해 계산된 움직임 벡터에 기초하여 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임을 움직임 보상한다. 상기 움직임 보상을 통해 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호가 생성된다.
보간부(16)는 상기 생성된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간하고, 감산부(18)는 상기 보간된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 차감하여 잔여 신호를 생성한다. 부호화부(19)는 상기 생성된 잔여 신호를 소정의 부호화 방식으로 부호화한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 마그네틱 저장 매체(예를 들어, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장 매체를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따른 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법은 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 영상 프레임의 크기에 따라 서로 다른 예측 구조를 이용하여 움직임 보상함으로써, 저기능 수신 단말기에서 수신된 영상 신호의 복호화 부하(load)를 줄이고 전력 소비 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. (a) 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임을 서로 다른 예측 구조로 움직임 보상하여 상기 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계측의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 각각 생성하는 단계;
    (b) 상기 생성된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 상기 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 동일한 해상도로 보간하는 단계; 및
    (c) 상기 보간된 하위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호와 상기 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 차감하여 잔여 영상을 생성하고 상기 생성된 잔여 영상을 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    서로 다른 예측 구조를 이용하여 부호화하고자 하는 하위 계층 영상 프레임과 상위 계층 영상 프레임의 움직임 벡터를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 움직임 벡터에 기초하여 상기 하위 계층 영상 프레임과 상위 계층 영상 프레임의 움직임 보상을 수행하여 하위 계층의 영상 프레임과 상위 계층의 영상 프레임에 대한 예측 신호를 각각 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임은 단방향 예측 구조를 이용하여 움직임 벡터가 계산되며,
    상기 부호화하고자 하는 상위 계층의 영상 프레임은 양방향 예측 구조를 이용하여 움직임 벡터가 계산되는 것을 특징으로 하는 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임은
    하위 계층의 영상 프레임들 중 상기 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임 이전에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 하여 움직임 벡터를 계산하는 것을 특징으로 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임은
    하위 계층의 영상 프레임들 중 상기 부호화하고자 하는 하위 계층의 영상 프레임 이후에 존재하는 하나의 영상 프레임만을 기준 영상 프레임으로 하여 움직임 벡터를 계산하는 것을 특징으로 H.264 기반 스케일러블 부호화 방법.
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