KR20010069018A - 영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상 압축 부호화(복호화) 시스템에서 영상 변환계수의 이중스캔 기법에 관한 것으로서 특히, 변형된 이중스캔(Alternative Double Scan)을 이용해서 영상(변환계수)을 압축 부호화하도록 함으로써, 압축 부호어의 비트수를 줄일 수 있도록 한 변형 이중 스캔 방법에 관한 것이다.

본 발명은 도3과 같이, 4×4 블럭(B)의 변환계수를 스캐닝하여 압축 부호화함에 있어서, 블럭을 2분할 하여 이중 스캔을 수행할 때, 첫번째 영역에 대해서는 그 스캔(301) 순서를 B01→B02→B11→B12→B03→B13→B23→B33 의 순서로 실행하고, 다른 영역에 대해서는 그 스캔(302) 순서를, B00→B10→B20→B21→B22→B30 →B31→B32 의 순서로 실행함으로써, 기존의 이중 스캔으로는 효율적으로 스캔할 수 없는 분포의 신호를 보다 효율적으로 스캔할 수 있고, 비트 수를 절감하여 영상 데이터 압축 부호화의 성능 향상을 가져올 수 있도록 한 영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법이다.

Description

영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법{Alternative Double Scan For Video Coding And Decoding}

본 발명은 영상 압축 부호화(복호화) 시스템에서 영상 변환계수의 이중스캔 기법에 관한 것으로서 특히, 변형된 이중스캔(Alternative Double Scan)을 이용해서 영상(변환계수)을 압축 부호화하도록 함으로써, 압축 부호어의 비트수를 줄일 수 있도록 한 변형 이중 스캔 방법에 관한 것이다.

동영상 혹은 정지영상을 압축 부호화하기 위한 다양한 기술들과 표준안들이 제시되고 있으며, 동영상 혹은 정지영상을 압축 부호화하기 위한 표준안 들에서는 보다 효율적이고 높은 성능으로 영상을 압축 부호화하는 것을 궁극의 목적으로 두고 있다.

현재 동영상 혹은 정지영상 등의 영상 부호화에 관련된 표준안으로 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 및 H.261, H.263, H.26L 등이 제안되었거나 제안(채택)되고 있다.

이와같은 여러 국제표준들과 같이 H.26L 표준에서도 움직임 추정을 행하고, 이 결과로 나타난 잔류신호(Residual Signlal)를 부호화 하기 위해서 영상신호를 시/공간적 변환(Transform) 및 지그재그 스캐닝(Zig-Zag Scanning)에 이은 양자화(Quantization)의 과정으로 부호화를 수행함을 근간으로 할 수 있다.

도1은 Telenor에 의해서 제안된 부호화기의 블럭도를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 영상입력(INPUT)에 대하여 시/공간적 변환(예를 들어 DCT 변환 등)을 수행하고(101), 이 변환계수들을 양자화(102)하며, 양자화된 변환계수들을 단일 스캔(103) 혹은 이중 스캔(104)의 기법으로 스캐닝하여 가변장 부호화(VLC)(105)를 수행함으로써 압축 부호화된 영상신호를 출력(OUTPUT)하고 있다.

특히 H.26L 에서는 잔류신호를 4×4 크기의 블럭(Block)으로 나누고 이를 적절한 조건에 따라서 하나의 영역으로 전체적으로 스캔하거나(Simple Scan), 두개의 영역으로 나누어서 스캔(Double Scan)한 후에 양자화 및 부호화를 행한다.

그런데, 이중 스캔을 하는 이유는 잔류신호의 특성상 '0'이 아닌 계수(Non-Zero Coefficient)들의 값이 많아서 단일 스캔의 특성에 맞게 형성된 가변장 부호화 테이블(VLC Table)로는 특성에 맞게 효율적인 부호화가 어렵기 때문에, 이중 스캔을 통하여 잔류신호를 단일 스캔을 한 경우와 비슷한 특성을 가질 수 있도록 하기 위해서 이다.

그런데, 이러한 목적을 가지는 이중 스캔은 정사각형으로 분포된 변환 계수들(Transform Coefficients)을 수평과 135도의 각도를 가지는 직선으로 나누어 대각선 방향으로 두 영역으로 나눈다.

이렇게 하는 이유는 변환계수들의 분포가 왼쪽 위로 갈수록 DC(직류)성분이 큰 계수들이 존재함에 따라서 이를 균등하게 두 영역으로 나누어 주고자 하는 노력에서 비롯된 것이다.

예를 들어, 도2에 나타낸 바와같이 4×4블럭(B)에 대하여 살펴보면 그 변환계수들의 분포가 왼쪽 상단 모서리(B00) 쪽으로 갈수록 DC 성분이 큰 계수들이 존재하는데 따른 것이다.

도2의 (a)는 기존의 단일 스캔을, (b)는 기존의 이중 스캔을 각각 표현하고 있다.

단일 스캔의 경우 도2의 (a)와 같이 화살표(201)로 표기된 순서로 지그재그 스캐닝을 수행한다.

즉, 4×4 블럭(B)에 대하여 변환계수의 스캐닝을 B00→B01→B10→B20→B11→B02→B03→B12→B21→B30→B31→B22→B13→B23→B32→B3 의 순서로 수행하는 것이다.

이중 스캔의 경우에는 도2의 (b)와 같이 대각선에 따라 두개의 영역으로 나누어 스캐닝(202a,202b)을 수행한다.

한쪽 영역에 대한 스캐닝(202a)의 순서는 B00→B01→B02→B12→B22→B03→B13→B23의 순서로 실행하고 있으며, 다른 한쪽의 영역에 대한 스캐닝(202b)의 순서는 B10→B20→B11→B21→B30→B31→B32→B33 의 순서로 수행한다.

그런데, 부호화되는 영역은 4×4 로 나뉘어진 블럭이므로, 이를 대각선에 따라서 나눌 경우에는 양쪽 영역이 비대칭적인 구조를 가질 수 밖에 없다.

그러나, 부호화되는 영상은 수직방향이나 및 수평방향에 따라서 특정 방향으로 그 분포가 편향(bias)되지 않았다고 가정된다.

따라서, 이러한 비대칭성(Asymmetric Property)은 영상 분포에 따라서는 반대로 비대칭인 영역으로 이중 스캔을 하는 경우보다 성능이 떨어질 수 있게 된다.

이러한 상황을 극복하기 위해서는 앞에서 설명한 바와같이 비대칭적인 기하학적 구조를 가지는 이중 스캔의 보완 필요성이 제기된다.

본 발명은 영상을 압축 부호화하는 방법에 있어서, 영상을 블럭단위로 처리하여 부호화할 때, 영상신호를 부호화 하기 위해서 변환 및 지그재그 스캐닝에 이은 양자화 과정을 수행하기 위하여, 블럭단위의 변환계수 스캐닝을 변형된 이중 스캔(Alternative Scan) 구조로 수행함으로써, 영상 부호화에 필요한 비트 수를 줄일 수 있도록 한 영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법을 제공한다.

도1은 영상 부호화기의 블럭도

도2는 4×4 블럭의 단일 스캔과 이중스캔을 설명하기 위한 도면

도3은 본 발명의 변형 이중 스캔을 설명하기 위한 도면

도4는 본 발명을 설명하기 위한 변환계수의 예를 나타낸 도면

도5는 도4의 변환계수에 대하여 기존의 이중스캔과 본발명의 이중스캔을 이용해서 부호화한 경우의 줄길이(run)와 레벨(level)의 관계를 나타낸 도면

도6은 도4 및 도5에 따른 본 발명과 기존의 이중스캔 부호화한 경우의 줄길이의 관계를 나타낸 도면

도7은 DC를 포함한 3개의 계수들을 예로 들어 본 발명과 기존의 이중스캔에 의한 부호화시의 비트수 절감의 예를 설명하기 위한 도면

현재 H.26L 표준의 근간으로 유력한 제안안에 포함된 스캔방법인 단일 스캔과 이중 스캔은 4×4 로 나뉘어진 블럭을 각각 도2와 같은 방향으로 스캔한다.

도2에서 보는 바와같이 단일 스캔과 이중 스캔이 정의되었다.

이중 스캔에서의 두 영역은 (b)에서 보는 바와같이 볼드체(Bold)로 굵게 표시된 영역과 그렇지 않은 영역, 두개의 영역으로 나누어지게 된다.

그런데, 앞에서 설명했던 바와같이 제안된 이중 스캔에서 영역을 나누는 방법을 따라 나누게 되면, 나누어진 두개의 영역이 기하학적으로 비대칭적인 구조를 가지게 된다.

이렇게 비대칭으로 형성된 이중 스캔은 영상의 분포에 따라서, 제안된 것과는 다르게 이중 스캔 영역이 나뉜 경우에 비해서 그 성능이 떨어질 수도 있게 된다는 것을 이미 밝힌 바 있다.

따라서, 본 발명에서는 제안된 이중 스캔 영역의 기하학적인 구조를 90도 회전시켜서 얻은 변형 이중 스캔을 제안하고, 경우에 따라서 기존 H.26L의 표준으로 제안된 이중 스캔과 본 발명에서 제안된 변형 이중 스캔을 적절하게 사용하여 성능을 높일 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에서 제안하는 변형 이중 스캔은 도3과 같이 이 제안된 이중 스캔을 90도 각도로 회전하여 얻은 영역으로 나누어 스캔하는 것이다.

도3에서 표현하고 있는 바와같이, 4×4 블럭(B)에 대해서 2개의 영역으로 나누어 각 영역의 스캐닝(301)(302)을 다음과 같이 수행한다.

먼저, 한쪽 영역(도면에서는 볼드체로 굵게 표현한 영역)에 대해서는 그 스캐닝(301)을, B01→B02→B11→B12→B03→B13→B23→B33 의 순서로 실행하고, 다른 영역에 대해서는 그 스캐닝(302)을, B00→B10→B20→B21→B22→B30→B31→B32 의 순서로 실행한다.

도3과 같은 이중 스캐닝의 방법을 살펴보면, 도3에서 이중 스캐닝(301)은 도2의 (b)에서 이중 스캐닝(202b)을 대각선(B00-B33 축)을 기준으로 90도 회전시켜 얻은 것과 동일함을 알 수 있고, 또한 도3에서 이중 스캔(302)은 도2의 (b)에서 이중 스캔(301a)을 90도 회전시켜 얻은 것과 동일함을 알 수 있다.

이와같이 Telenor가 제안한 이중 스캔을 90도 회전시켜 얻은 변형된 이중 스캔 방법으로 변환하는 것은 기존에 제안된 이중 스캔의 행렬식을 대각선 기준으로 90도 회전하는 변환 행렬에 의해서 간단하게 구해질 수 있다.

위와같이 이중 스캔을 행하게 되면 다음과 같은 경우에 기존의 이중 스캔에 비해서 더 뛰어난 성능을 보일 수 있게 된다.

즉, 4×4 블럭(B)에 대해서 변환계수들이 도4와 같이 분포되어 있는 경우를 생각해 보기로 하자.

기존의 이중 스캔 방법(도2의 (b))과, 본 발명의 이중 스캔 방법(도3)에 의해서 각각 스캔된 결과는 도5와 같이 된다.

도5에서는 비교를 위하여 레벨을 '1'로 고정시켰다.

그러나, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, H.263 등의 모든 국제 영상 부호화 표준에서는, 같은 레벨에 대해서 줄길이(run)가 더 길 경우에는 해당하는심볼(symbol)을 부호화할 경우에 길이가 더 긴 부호어를 할당하도록 가변장 부호화 테이블이 정의되어 있다.

또한 이러한 특성은 현재 H.26L의 표준안으로 유력한 제안안에서도 동일하다.

따라서, 레벨의 크기를 바꾸어도 똑같은 결과가 나올 확률이 매우 높게 된다.

이러한 특성에 기인하여 도5에서 본 발명과 기존의 스캐닝 방법에 해당하는 줄길이(run)의 길이만 파악해 볼 경우에 도6의 결과를 얻게 된다.

도6에서 보듯이 기존의 이중 스캔 방법과 본 발명의 변형 이중 스캔 방법 의해서 부호화할 경우에, 기존의 이중 스캔인 경우에서는 줄길이(run)가 '0'인 것이 2개, '1'인 것이 1개, '2'인 것이 1개, 그리고 '3'인 것이 1개가 나타난다.

그런데 본 발명에서 제안한 방법으로 할 경우에는 줄길이가 '0'인 것과 '3'인 것은 기존의 이중 스캔의 경우와 똑같이 각각 2개, 1개가 나타나지만, 줄길이가 '2'인 것 대신에 줄길이가 '1'인 것 1개가 나타나게 된다.

이러한 결과를 H.26L 표준 제안안(Telenor 제안)에 따라서 부호화해 볼 경우 기존의 이중스캔에 의해서 부호화한 경우에는 EOB에 사용되는 비트를 제외하면 총 27비트가 필요하고, 본 발명의 변형 이중 스캔인 경우에는 25비트가 필요하기 때문에 2비트의 비트 수 절감과 함께, 압축 부호화의 성능 향상을 가져올 수 있다.

이에 대해서는 다음과 같이 DC를 포함한 3개의 계수들을 예로 들어 더욱 간단하게 설명할 수 있다.

도7에서 보는 바와같이, DC값인 A(0,0)의 경우에는 기존의 방법과 본 발명의 방법에 따라서 속하는 영역이 다르게 된다.

따라서, A(0,0)이 '0'일 경우에는 기존의 방법에서는 다음 계수가 A(1,0)이지만 제안한 방법에서는 A(0,1)이 된다.

그런데, 모든 표준안의 호프먼 테이블(Huffman Table)에서는 같은 줄길이에 대해서 더 큰 레벨에 대하여 더 길거나 같은 길이의 부호어(Code Word)를 할당한다.

따라서, A(1,0)＞A(0,1) 인 경우에는 기존의 이중 스캔방법에 비해서 제안한 본 발명의 변형 이중 스캔방법이 상대적으로 더 적은 비트를 사용하여 똑같은 성능을 발휘하게 된다.

이 방법을 다른 계수들에도 연장하여 기존의 기법에 비해서 제안한 기법이 더 효율적인 경우를 찾아내는 것은 매우 용이하다.

본 발명은 영상을 블럭단위로 처리하여 압축 부호화함에 있어서, 변환계수들의 지그재그 스캔을 수행할 때, 기존의 이중 스캔으로는 효율적으로 스캔할 수 없는 분포의 신호를 보다 효율적으로 스캔할 수 있고, 비트 수를 절감하여 영상 데이터 압축 부호화의 성능 향상을 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 영상신호를 시/공간상의 변환과 양자화 및 스캐닝하여 압축 부호화함에 있어서, (a). 영상신호의 변환계수들을 4×4 블럭단위(Bxy,x=0→3,y=0→3)로 처리하고, (b). 상기 4×4 블럭내에서의 데이터 스캔을 블럭 대각선을 기준으로 2분할하여 이중 스캔할 때, (c). 상기 분할된 한쪽 영역이 Bxy[xy=01,02,03,11,12,13,23,33] 이고, 다른 한쪽 영역이 Bxy[xy=00,10,20,21,22,30,31,33] 으로 분할되어 각각 지그재그로 스캔되는 것을 특징으로 하는 영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법.
2. 제 1 항에 있어서, 영상신호의 변환계수들을 4×4 블럭단위(Bxy,x=0→3,y=0→3)로 처리하고, 상기 4×4 블럭내에서의 데이터 스캔을 블럭 대각선을 기준으로 2분할하여 이중 스캔할 때, 상기 분할된 한쪽 영역 Bxy[xy=01,02,03,11,12,13,23, 33] 에서의 스캐닝 순서는 B01→B02→B11→B12→B03→B13→B23→B33, 다른 한쪽 영역 Bxy[xy=00,10,20,21,22,30,31,33] 에서의 스캐닝 순서는 B00→B10→B20→B21→B22→B30→B31→B32 로 스캔되는 것을 특징으로 하는 영상 압축 부호화를 위한 변형 이중 스캔방법.