KR20050112587A - 동영상 인코딩, 디코딩 장치 및 그 방법 - Google Patents

동영상 인코딩, 디코딩 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

동영상 데이터의 인코딩시에 발생하는 손실을 제거한 스케일러블 동영상 데이터의 인코딩, 디코딩 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따라 동영상 인코더는, 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하는 기본계층 인코더; 및 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 향상계층 인코더를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 종래의 동영상 인코딩 및 디코딩 기술을 기반으로 하여 원래의 동영상을 손실없이 스케일러블하게 인코딩하고 디코딩하여, 원하는 질의 동영상 서비스를 제공할 수 있다.

Description

동영상 인코딩, 디코딩 장치 및 그 방법 {Video encoding and decoding apparatus, and method thereof}
본 발명은 동영상 데이터의 인코딩 및 디코딩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동영상 데이터의 인코딩시에 발생하는 원 영상과의 오차(error)를 없앤 동영상 데이터의 인코딩, 디코딩 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
동영상을 구성하는 데이터는 음성이나 정지영상 데이터 등에 비하여 데이터량이 매우 많기 때문에, 아무런 처리없이 그 자체를 저장하거나 전송하기 위해서는 메모리를 포함하여 많은 하드웨어 자원을 필요로 한다. 따라서, 이를 방지하기 위해 인코더를 사용하여 동영상 데이터를 압축하여 저장하거나 전송하며, 디코더에서는 이를 수신하여 재생한다. 한편, 압축과정에도 손실 압축과 무손실 압축이 있는데, 동영상 데이터는 그 양이 많기 때문에 데이터량을 줄이기 위해서 손실 압축을 한다. 이러한 압축방법에는 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263 및 H.264 등 다양한 압축 방법이 있으며, 이들 방법들을 사용하여 압축을 하면, DCT(Discrete Cosine Transform), IDCT(Inverse DCT), 양자화(Quantization) 등의 과정을 거치면서 원래의 동영상과 재생된 동영상 간에는 오차(error)가 존재한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인코딩된 동영상 데이터뿐만 아니라, 인코딩 과정에서 발생한 동영상 데이터의 에러 정보도 인코딩하고, 디코딩함으로써, 원 동영상 데이터를 오차없이 복원할 수 있도록 한 동영상 데이터의 인코딩 방법 및 장치와, 그 디코딩 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따라, 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하는 기본계층 인코더; 및 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 향상계층 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코더에 의해 달성된다.
또한, 상기 기술적 과제는 원 영상을 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩된 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩하는 기본계층 디코더; 및 상기 원 영상에서 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 방법에 의해 인코딩된 향상계층 비트스트림을 수신하여 엔트로피 디코딩하는 향상 계층 디코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코더에 의해서도 달성된다.
상기 기본계층 디코더에서 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 향상계층 디코더에서 디코딩된 에러성분을 빼서 출력하는 감산부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 (a) 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하여 기본계층 비트 스트림을 생성하는 단계; 및 (b) 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하여 향상계층 비트 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코딩 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 상기 기술적 과제는 (a) 원 영상을 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩된 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩하는 단계; 및 (b) 상기 원 영상에서 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 방법에 의해 인코딩된 향상계층 비트스트림을 수신하여 엔트로피 디코딩하는 단계; (c) 상기 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 디코딩된 에러성분을 빼서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코딩 방법에 의해서도 달성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 동영상을 구성하는 동영상 프레임을 도시한 도면이다.
동영상 데이터의 인코딩 및 디코딩은 움직임 예측(motion prediction) 기술을 기반으로 이루어진다. 예측은 시간 축을 기준으로 과거 프레임을 참조하거나 과거 프레임과 미래 프레임을 모두 참조하는 방식으로 수행된다. 현재 프레임을 부호화하거나 복호화하는데 참조되는 프레임을 참조 프레임이라고 한다. 그리고, 블록 기반 동영상 인코딩에서 동영상을 구성하는 하나의 정지영상(프레임)은 매크로블럭과 매크로블럭을 구성하는 서브블럭으로 나누어져, 블록단위로 움직임이 예측되고 인코딩이 수행된다.
도 1을 참조하면, 동영상 데이터는 일련의 정지영상으로 구성되어 있으며, 정지영상들은 GOP(Group of Picture) 단위로 구분되어 있다. 정지영상 하나하나를 프레임이라 한다. 하나의 GOP에는 I 프레임(110), P 프레임(120), B(130) 프레임 형태가 포함된다. I 프레임(110)은 참조 영상을 사용하지 않고 자체적으로 인코딩되는 프레임이며, P 프레임(120)과 B 프레임(130)은 참조 영상을 사용하여 움직임 추정 및 보상을 수행하여 인코딩되는 프레임이다.
도 2는 일반적인 동영상 인코더의 블록도이다.
동영상 인코더는 움직임 추정부(Motion Estimator, 210), 움직임 보상부(Motion Compensator, 220), DCT 수행부(230), 양자화부(Quantizer, 240), 엔트로피 코딩부(250), 역양자화부(260), IDCT 수행부(270), 참조영상 저장부(280) 및 다중화부(multiplexer, 290)를 구비한다.
움직임 추정부(210)는 현재 프레임의 매크로 블록의 움직임 예측치를 참조 프레임에서 찾아 그 움직임의 차이를 움직임 벡터로써 출력한다. 즉, 찾고자 하는 매크로 블록을 참조 프레임의 소정의 탐색영역내에서 탐색하여, 가장 유사한 매크로 블록을 찾아 그 이동정도를 움직임 벡터로써 출력한다. 움직임 보상부(220)는 구해진 움직임 벡터에 해당하는 예측 매크로 블럭을 참조 프레임으로부터 얻는다.
원 영상 프레임의 매크로 블록에서 움직임 보상이 수행된 참조 영상 프레임의 예측 매크로 블록을 빼서 그 차이를 DCT 수행부(230)에서 DCT하고, 그 DCT 계수가 양자화부(240)에 의해서 양자화되어 엔트로피 코딩부(250)를 거쳐 텍스쳐 정보로 출력된다. 이 텍스쳐 정보는 움직임 벡터와 함께 다중화부(290)에서 다중화되어 인코딩된 비트 스트림을 구성한다. I 프레임의 경우, 움직임 예측 및 움직임 보상없이 원 영상 프레임이 매크로 블록을 DCT 수행부(230)에서 DCT하고, 그 DCT 계수가 양자화부(240)에 의해서 양자화되어 엔트로피 코딩부(250)를 거친후 텍스쳐 정보로 인코딩된 비트 스트림을 구성한다.
원 영상 프레임의 매크로 블록에서 움직임 보상된 참조영상 프레임의 매크로 블록을 뺀 것을 잔차(residual)이라고 하는데 인코딩시의 데이터량을 줄이기 위해서 이 잔차값을 부호화한다. 양자화 과정에서 에러가 발생하므로, 비트 스트림으로 만들어지는 동영상 데이터에는 DCT 및 양자화 과정에서 발생한 에러가 포함되어 있다.
그리고 참조 영상을 얻기 위해, 양자화된 잔차 신호는 역양자화부(260)와 IDCT 수행부(270)를 거쳐 움직임 예측 및 보상이 수행된 영상과 합쳐져 참조 영상 저장부(280)에 저장된다. I 프레임의 경우, 움직임 보상없이 역양자화부(260)와 IDCT 수행부(270)를 거쳐 참조영상 저장부(280)에 저장된다. 그러면, 참조영상 저장부(280)에 저장된 참조영상은 원 영상에서 DCT 및 양자화 과정에서 발생한 부호화 에러를 포함한 영상이 된다.
즉, 원 영상을 A 라고 하고, 움직임 추정과 보상이 수행되어 예측된 영상을 B 라고 하면 DCT 수행부(230)는 원 영상과 예측된 영상과의 차이인 A-B를 입력받아 DCT를 수행한다. 그리고 양자화 과정에서 에러성분(E)이 발생하여 엔트로피 코딩부(250)를 거쳐 출력되는 비트 스트림은 (A-B)+E 가 된다. 그리고 참조영상 저장부(280)는 (A-B)+E와 예측된 영상 B를 더하여 저장하므로 원 영상에서 에러가 포함된 영상인 A+E를 참조영상으로 저장한다.
도 3은 일반적인 동영상 디코더의 블록도이다.
동영상 디코더는 움직임 보상부(310), IDCT 수행부(320), 역양자화부(330), 엔트로피 디코딩부(340), 참조영상 저장부(350) 및 역다중화부(360)를 구비한다.
인코딩된 동영상 비트스트림은 역다중화부(360)에서 움직임 벡터와 텍스쳐 정보로 분리되며, 움직임 벡터는 움직임 보상부(310)로 입력된다. 이와 함께 텍스쳐 정보는 엔트로피 코딩부(340)와 역양자화부(330) 및 IDCT 수행부(320)를 거쳐 디코딩된다. 움직임 보상부(310)는 참조영상 저장부(350)로부터 참조영상 정보와 인코더로부터 움직임 벡터 정보를 수신하여 예측 영상을 만들어 출력하면, 이 영상과 디코딩된 영상이 합쳐져서 디스플레이 된다.
도 4는 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 인코더의 블록도이다.
동영상을 인코딩하는 방법으로 스케일러블 코딩방법이 있다. 스케일러블 코딩방법은 원 영상을 기본계층 영상(base layer video)과 향상계층 영상(enhancement layer video)으로 나누어 인코딩한다. 스케일러블 코딩방법에 의해서 코딩된 비트 스트림을 디코딩하는 스케일러블 디코더는, 네트워크의 상태나 가용자원의 상태에 따라서, 기본계층 비트 스트림만을 입력받으면, 기본계층 비트 스르림만을 디코딩하여 화질이 저하된 동영상 스트림을 출력하고, 기본계층 비트 스트림과 함께 향상계층 비트 스트림을 입력받으면, 기본계층 비트 스트림을 디코딩한 영상에 향상계층 비트스트림을 디코딩한 영상을 더하여 고화질의 동영상을 신축적으로 출력한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 스케일러블 동영상 인코더는 기본계층 인코더(410)와 향상계층 인코더(420)를 구비한다. 기본계층 인코더(410)는 일반적인 인코딩 방법에 의해 동영상을 인코딩하여 출력한다. 이러한 일반적인 동영상 인코딩 방법은 손실 부호화 방법으로서, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264 부호화 방법을 포함한다. 향상계층 인코더(420)는 기본계층 인코더에서 디코딩된 영상에서 원영상을 뺀 에러영상을 엔트로피 코딩부에서 코딩하여, 텍스쳐 정보로 만든후, 움직임 벡터와 함께 다중화하여 인코딩된 비트스트림을 만들어 출력한다. 다시 말하면, 기본계층 인코더에서 인코딩된 영상은 원 영상 A에, 인코딩 과정에서 발생한 에러성분 E가 포함된 A+E 이며, 향상계층 인코더에서 인코딩된 영상은 여기에서 원 영상 A를 빼므로 에러성분 E 만을 엔트로피 코딩하여 출력하는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 디코더의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 스케일러블 동영상 디코더는 기본계층 디코더(510), 향상계층 디코더(520) 및 감산부(530)를 구비한다. 기본계층 디코더(510)는 일반적인 인코딩 방법에 의해 만들어진 동영상을 디코딩한다. 이러한 일반적인 동영상 디코딩 방법은 손실 복호화 방법으로써, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264 등의 복호화 방법을 포함한다. 향상계층 디코더(520)는 수신된 에러영상 비트스트림을 엔트로피 디코딩에 의해 디코딩한다. 이 디코딩된 에러 영상은 감산부(530)에 입력되어 기본계층 디코더(510)에서 만들어진 영상에서 빼서 무손실 출력한다. 이렇게 하면, 원 영상 A에 인코딩 과정에서 발생한 에러성분 E이 포함된 A+E와, 향상계층 디코더(520)에서 디코딩된 에러성분 E를 빼서 디스플레이하므로 원 영상을 완벽하게 재생할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 인코딩 방법의 플로우차트이다.
우선, 원 영상을 움직임 보상, 주파수 변환 및 양자화 등에 기초한 소정의 인코딩 방법에 의해 손실 부호화한다(S610). 손실 부호화 방법으로 종래의 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264 등 여러 가지 부호화 방법을 사용할 수 있다.
그리고, 이렇게 손실 부호화된 영상을 디코딩한다(S620). 따라서, 디코딩된 영상은 에러 성분이 포함된 영상이다. 다음으로, 이렇게 에러 성분이 포함된 영상에서 원 영상을 뺀 에러 영상을 생성한다(S630). 이렇게 얻어진 에러 성분만을 무손실 엔트로피 인코딩하여 향상층 비트 스트림으로써 출력한다(S640).
도 7은 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 디코딩 방법의 플로우차트이다.
우선, 원 영상을 움직임 보상, 주파수 변환 및 양자화 등에 기초한 소정의 인코딩 방법에 의해 인코딩한 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩 한다(S710). 그리고, 원 영상에서 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 영상을 뺀 에러 영상을 무손실 엔트로피 인코딩한 향상계층 비트스트림을 수신하여 디코딩한다(S720). 다음으로 상기 (S710) 단계에서 얻어진 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 향상계층 비트스트림을 디코딩하여 얻어진 에러성분을 빼서 출력한다(S730).
한편, 전술한 동영상 인코딩 방법 및 디코딩 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 동영상 인코딩 방법 및 디코딩 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 동영상 인코딩 및 디코딩 기술을 기반으로 하여 원래의 동영상을 손실없이 스케일러블하게 인코딩하고 디코딩하여, 원하는 질의 동영상 서비스를 제공할 수 있다.
도 1은 동영상을 구성하는 동영상 프레임을 도시한 도면,
도 2는 일반적인 동영상 인코더의 블록도,
도 3은 일반적인 동영상 디코더의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 인코더의 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 디코더의 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 인코딩 방법의 플로우차트,
도 7은 본 발명에 따른 스케일러블 동영상 디코딩 방법의 플로우차트이다.

Claims (11)

  1. 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하는 기본계층 인코더; 및
    상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 향상계층 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 손실 인코딩 방법은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코더.
  3. 원 영상을 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩된 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩하는 기본계층 디코더; 및
    상기 원 영상에서 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 방법에 의해 인코딩된 향상계층 비트스트림을 수신하여 엔트로피 디코딩하는 향상계층 디코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코더.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기본계층 디코더에서 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 향상계층 디코더에서 디코딩된 에러성분을 빼서 출력하는 감산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코더.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 손실 인코딩 방법은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코더.
  6. (a) 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하여 기본계층 비트 스트림을 생성하는 단계; 및
    (b) 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하여 향상계층 비트 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코딩 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 손실 인코딩 방법은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코딩 방법.
  8. (a) 원 영상을 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩된 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩하는 단계; 및
    (b) 상기 원 영상에서 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 방법에 의해 인코딩된 향상계층 비트스트림을 수신하여 엔트로피 디코딩하는 단계;
    (c) 상기 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 디코딩된 에러성분을 빼서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코딩 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 손실 인코딩 방법은 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코딩 방법.
  10. (a) 원 영상을 수신하여 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩하여 기본계층 비트 스트림을 생성하는 단계; 및
    (b) 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상과 상기 원 영상을 입력받아, 상기 손실 영상에서 상기 원 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하여 향상계층 비트 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 인코딩 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. (a) 원 영상을 소정의 손실 인코딩 방법에 의해 인코딩된 기본계층 비트스트림을 수신하여 디코딩하는 단계; 및
    (b) 상기 원 영상에서 상기 인코딩된 영상을 디코딩하여 얻어진 손실 영상을 뺀 에러 성분을 무손실 엔트로피 인코딩하는 방법에 의해 인코딩된 향상계층 비트스트림을 수신하여 엔트로피 디코딩하는 단계;
    (c) 상기 디코딩된 기본계층 영상에서 상기 디코딩된 에러성분을 빼서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동영상 디코딩 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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