KR20150068603A - 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법 - Google Patents

방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상 이미지 데이터를 JPEG 방식으로 압축함에 있어서 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform, DDCT)을 적용함으로써, 다중 표현 부호화 방식에 따른 보간 효율을 향상시켜주는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예는, 원본 영상 이미지를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform)을 이용하여 부호화하는 단계; 및 상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 포함한다.

Description

방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법{Method for Multiple Description Coding using Directional Discrete Cosine Transform}
본 발명은 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디지털 영상 이미지를 복수개의 표현으로 분할하여 전송함에 있어서 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환을 이용하여 부호화하는 방법에 대한 것이다.
최근에 디지털 멀티미디어 자료의 이용이 급증하기 시작하면서, 대용량의 디지털 자료를 보다 효율적으로 저장 및 전송할 필요성이 대두되었다. 가정용 컴퓨터 단말기 및 스마트폰, PDA, 전자북 등이 급속히 보급되고 있을 뿐 아니라, 최근에는 인터넷 및 위성통신기술과 결합된 HDTV(High Definition Television)이 급속히 보급되고 있다. 특히, HDTV의 경우에 비트 스트림(bit stream)형태의 디지털 데이터로 신호처리를 수행함으로 인해 처리해야 하는 데이터의 양이 엄청나게 많기 때문에 다양한 영상 이미지 압축 기법이 연구되고 있다.
디지털 영상 이미지의 압축 부호화 및 복호화는 저속 채널(low rate channel)을 통한 영상 정보의 전송을 가능하게 할 뿐만 아니라 해당 영상을 저장하는데 요구되는 메모리의 용량을 감소시킬 수가 있기 때문에, 이러한 압축 부호화 및 복호화 기술은 영상 이미지의 저장, 전송 등을 요구하는 멀티미디어 산업에 있어서 매우 중요한 기술이다.
그런데, 기존의 전화선 등의 저속 전송에서는 에러가 발생할 확률이 적어서 큰 문제가 없었으나, 새로운 전송 매체인 인터넷 전용선이나 무선 환경에서는 에러가 발생할 확률이 매우 높고 에러가 연속적으로 발생하는 특성이 있기 때문에, 영상 이미지 부호화 압축방법을 이용하여 압축된 영상 이미지는 용량이 줄어드는 반면 에러에는 매우 민감해지는 문제점이 발생한다. 더욱이 압축 방법의 특성으로 인해 에러가 발생하면 그 부분 뿐 아니라 주변으로까지 전파되어 화질이 크게 저하될 수 있다.
이러한 문제점을 완화하기 위하여 에러에 강인한 압축 기술이 별도로 개발되어 왔다. 에러에 강인한 압축 기술로는, BCH(511,493)(BoseChaudhuri-Hocquenghem Code) 등을 이용하여 '오류정정 부가정보'를 데이터에 첨가함으로써 에러가 발생한 경우에 복원할 수 있는 정보를 데이터에 첨가하는 방법과 에러가 발생한 경우에 에러를 은폐(concealment)시키는 방법이 있다. 그러나, 오류정정 부가정보를 데이터에 첨가시키는 방법은 압축하고자 하는 영상 이미지 데이터의 용량을 증가시키는 문제점이 있으며, 에러를 은폐시키는 방법은 송신측 및 수신측의 연산량을 크게 증가시켜 시스템 전체의 속도를 저하시키는 문제점이 있다. 더욱이, 상기 두가지 방법은 연속적인 에러가 발생할 경우에는 데이터 처리를 할 수 없게 되므로 에러가 발생할 확률이 높은 환경에서는 효과적이지 못하다. 즉, 고속 전송이 이루어지는 인터넷 및 무선 환경에는 부적절한 방법인 것이다.
이에 대하여, 에러가 발생할 확률이 높거나 연속적인 에러가 발생한 경우에도 효과적인 전송을 수행할 수 있는 방법의 하나로서 다중 표현 부호화(Multiple Description Coding, MDC)를 이용한 압축, 전송방법이 있다. 다중 표현 부호화는 영상 데이터를 중복성이 최소가 되도록 여러 가지의 표현으로 나누어 압축하여 서로 다른 경로를 이용하여 전송하는 방법이다. 다중 표현 부호화와 같이 서로 다른 경로를 이용할 경우에는 모든 경로에서 동시에 에러가 발생할 확률이 매우 작아지기 때문에 일부 경로에서 에러가 발생하더라도 모든 경로에서 동시적 에러가 발생하지 않는 이상 효과적인 데이터 전송이 가능하다.
도 1은 다중 표현 부호화를 이용한 압축, 전송 시스템을 간략하게 나타낸 것이다. 입력된 영상 이미지 데이터는 MD 엔코더(1)에서 특정한 분할 알고리즘에 의해 2개의 표현(Description)으로 분할된다. 이를 서브 샘플링(sub sampling)이라고도 한다. 분할된 각각의 표현들은 엔코더에 의해서 각각 독립적으로 부호화된다. 분할 부호화된 각각의 표현들은 2개의 독립된 채널(R1, R2)을 통해 전송된다.
전송된 데이터를 복호화하는 과정은 2가지로 나누어진다. 첫째, 2개의 표현이 에러없이 모두 수신된 경우이다. 중앙 디코더0(2)에서 2개의 표현들이 복호화된 후 합병됨으로써 완전한 비트 스트립(Bit stream)의 영상 이미지 데이터(D0)가 출력된다. 둘째, 2개의 표현들 중에서 하나만 에러없이 전송된 경우이다. 예를 들어, R1 채널을 통해 제1 표현만이 에러없이 수신되고, R2 채널을 통해 송신된 제2 표현은 제대로 수신되지 못한 경우에는 측면 디코더1(3)에 의해 복호화된다. 이 때, 측면 디코더1(3)은 수신된 제1 표현을 이용해 누락된 제2 표현의 정보를 보간함으로써, 최종 영상 이미지 데이터(D1)를 출력한다. 이러한 보간 방법으로 linear inerpolation, texture orientation interplation 등이 사용된다. 반대로, R2 채널을 통해 제2 표현만이 에러없이 수신된 경우에는 측면 디코더2(4)에서 수신된 제2 표현을 이용해 누락된 제1 표현의 정보를 보간함으로써, 최종 영상 이미지 데이터(D2)를 출력한다.
이러한 다중 표현 부호화(MDC)는 보편적으로 사용되는 영상 이미지 압축방법 중 하나인 JPEG과 함께 사용될 수 있다. JPEG은 컬러 순간 동작(steal) 이미지를 위한 국제적인 압축표준으로 CCITT(Consultatve Committee International Telegraphand Telehpone)와 ISO에서 정의하고 있다. JPEG는 이미지를 작은 블록으로 나누어 많은 양의 이미지 정보를 줄이는 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transformer, DCT) 알고리즘에 기초를 두고 있다.
전통적인 이산 코사인 변환은 전체 영상 이미지 데이터를 8×8의 2차원 단위 이미지 블록으로 나눈 다음 각각의 2차원 이미지 블록에 대해 수직 및 수평 방향(vertical and horizontal re-aligment) 코사인 변환을 실행함으로써 이루어진다. 이산 코사인 변환은 기본적으로 손실 압축 프로세스이므로, 특히 각 이미지 블록의 엣지(edge) 부분, 즉 8×8 블록의 각 코너 부분의 값은 이산 코사인 변환 과정에서 손상을 받게 된다.
각각의 이미지 블록이 수직 및 수평 방향의 엣지 부분에 큰 데이터 값을 가지는 경우에는 수직 및 수평 방향으로 코사인 변환을 실행하는 전통적인 이산 코사인 변환이 엣지 부분의 손상을 가장 작게 가져오는 방법이 된다. 그러나, 이미지 블록이 다른 방향, 예를 들어 대각선 방향으로의 엣지 부분에 큰 데이터 값을 가지는 경우에는 전통적인 수직 및 수평 방향으로의 코사인 변환을 실행하게 되면 대각선 엣지 부분의 손상이 크게 나타나게 된다.
이러한 엣지 부분의 손상은 코딩 이득을 저하시킬 뿐만 아니라, 상술한 다중 표현 부호화 방식에 따른 보간 효율도 감소시키는 원인이 된다. 즉, 측면 디코더에서 엣지 부분의 손상이 큰 표현(description)을 이용하여 전송 과정에서 손실된 다른 표현을 보간하는 경우 원본 이미지로의 복원율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 영상 이미지 데이터를 JPEG 방식으로 압축함에 있어서 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform, DDCT)을 적용함으로써, 다중 표현 부호화 방식에 따른 보간 효율을 향상시켜주는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법은, 원본 영상 이미지를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환을 이용하여 부호화하는 단계; 및 상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 서브 샘플링 단계는, Quincunx lattice를 이용하여 분할할 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 우측 하방 모드(Diagonal down-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 우측 이동 모드(Vertical-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 좌측 이동 모드(Vertical-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법은, 원본 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 일정 크기의 단위 이미지 블록으로 나누고, 각각의 이미지 블록에 대해 방향성 이산 코사인 변환을 실행하는 단계; 상기 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계; 상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계; 및 상기 JPEG 압축 이미지로 된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 서브 샘플링 단계는, Quincunx lattice를 이용하여 분할하는 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 우측 하방 모드로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 좌측 하방 모드로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 우측 이동 모드로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 좌측 이동 모드로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명은 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가, 원본 영상 이미지를 복수 개의 표현으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환을 이용하여 부호화하는 단계; 및 상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체를 포함한다.
또한, 본 발명은 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가, 원본 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 일정 크기의 단위 이미지 블록으로 나누고, 각각의 이미지 블록에 대해 방향성 이산 코사인 변환을 실행하는 단계; 상기 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계; 상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계; 및 상기 JPEG 압축 이미지로 된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법에 따르면, 수직 또는 수평 방향이 아닌 다른 방향으로의 엣지(edge) 부분에 큰 데이터 값을 가지는 이미지 블록에 대하여 전통적인 이산 코사인 변환을 이용하는 경우보다 엣지 부분을 더욱 잘 보존할 수 있고, 그 결과 다중 표현 부호화의 보간 효율을 향상시켜 준다.
또한, 수직 또는 수평 방향이 아닌 다른 방향으로의 엣지(edge) 부분에 큰 데이터 값을 가지는 이미지 블록에 대하여 전통적인 이산 코사인 변환을 이용하는 경우보다 더 높은 코딩 이득(coding gain)을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 향상된 에너지 패킹 효율(energy packing efficiency)을 얻을 수 있다.
도 1은 다중 표현 부호화가 실행되는 시스템을 간략하게 표현한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 복수개의 표현의 서브 샘플링 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환 과정을 나타낸 도면.
도 5는 8×8 이미지 데이터 블록에 대한 전통적인 이산 코사인 변환 방식을 예시한 도면.
도 6은 8×8 이미지 데이터 블록에 대한 본 발명에 따른 5가지 모드의 방향성 이산 코사인 변환 방식을 간략하게 나타낸 도면.
도 7은 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left)의 방향성 이산 코사인 변환 방식을 상세히 나타낸 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
본 실시예는 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 압축 알고리즘을 기반으로 영상 이미지를 부호화하면서, 이 부호화된 이미지 데이터를 다중 표현 부호화(Multiple Description coding, MDC) 방식으로 분할하여 전송하는 방식에 근거한 것이다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform, DCT)를 이용하여 영상 이미지를 부호화하는 방식을 사용하는 다양한 압축 알고리즘에 모두 적용될 수 있으며, 이는 본 발명의 권리범위에 모두 포함된다 할 것이다.
도 2는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 JPEG 압축 알고리즘 및 다중 표현 부호화가 함께 구현되는 과정을 나타낸다. 도 3은 도 2 중에서 서브 샘플링 단계를 예시한 것이고, 도 4는 도 2 중에서 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Consine Transform, DDCT)을 예시한 것이며, 도 5는 전통적인 이산 코사인 변환의 2가지 단계를 예시한 것이다.
본 실시예에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법은 서브 샘플링 단계(10), 방향성 이산 코사인 변환 단계(20), 양자화 단계(30) 및 엔트로피 부호화 단계(40)를 포함한다.
상기 서브 샘플링 단계(10)는 다중 표현 부호화 방식을 구현하기 위한 선행 단계로서, 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현(description)으로 분할한다. 도 3은 하나의 샘플 이미지 블록을 2개의 표현으로 분할하는 두 종류의 서브 샘플링 방법을 나타낸다. 도 3에서 각각의 원은 이미지 블록을 구성하는 각각의 픽셀을 의미한다. 도 3의 (a)는 각 픽셀 중에서 수직 방향으로 배열된 열을 교대로 선택하고, 선택된 검은색 픽셀과 흰색 픽셀을 좌,우 두 그룹으로 나누어 2개의 표현으로 분리하는 수직 서브 샘플링 방식(Orthogonal sub-sampling)을 나타낸다. 도 3의 (b)는 각 픽셀 중에서 수직 방향으로 배열된 열을 교대로 선택하는 것은 동일하나, 이 선택된 검은색 픽셀과 흰색 픽셀을 상,하,좌,우 방향으로 다른 색의 픽셀이 존재하도록 재배열한 후 이를 분리하는 Quincunx lattice 서브 샘플링 방식을 나타낸다.
상기한 두 종류의 서브 샘플링 방식을 모두 사용 가능하나, 본 발명에서는 후자의 Quincunx lattice 서브 샘플링 방식을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 왜냐하면, 이 서브 샘플링 방식을 사용할 경우 분리된 각 표현들 사이에 상호 관련성이 더 높아서 만약 한쪽 표현이 전송되지 않아 다른 쪽 표현만으로 보간을 해야 하는 경우에 더욱 높은 보간 효율을 가질 수 있기 때문이다. 여기서 보간 효율이 높다는 것은 전송 에러로 손실된 표현의 복원율이 높다는 것을 의미하고, 결과적으로 원본 이미지에 가까운 화질로 복원할 수 있음을 뜻한다.
이 Quincunx lattice 서브 샘플링 방식은 후술하는 방향성 이산 코사인 변환 방식과 함께 다중 표현 부호화 방식의 보간 효율을 향상시켜 주는 중요한 기술구성을 이룬다.
방향성 이산 코사인 변환 단계(20)는 수직 방향 및 수평 방향 모드로 2 단계 코사인 변환되는 전통적인 이산 코사인 변환과 달리 수직 및 수평 방향이 아닌 다른 방향으로 이산 코사인 변환을 실행하는 것을 의미한다. 도 4를 참조로 방향성 이산 코사인 변환을 보다 쉽게 설명한다. 도 4의 (a)은 특별한 방향성이 없이 전통적인 이산 코사인 변환 중에서 수직 방향 모드(Vertical mode)로 이산 코사인 변환을 실행하는 것을 나타낸다.
이에 반해 도 4의 (b)는 특정한 방향성을 가지는 것으로서, 수직 방향과 θ 각도를 이루도록 대각선 좌측 하방으로 이산 코사인 변환을 실행하는 것이다. 이 때, 원형은 픽셀을 나타내고, 작은 사각형은 하프 픽셀(half-pixel)을 나타낸다. 따라서, 이 방향으로 이산 코사인 변환을 실행할 경우 도 4의 (a)와 같이 단순히 수직 방향으로 이산 코사인 변환을 실행하는 것보다 좌측 하방에 있는 픽셀에 대해 더 중점적으로 변환이 이루어지므로 이에 대한 보존성이 높아지게 된다. 이는 곧 이미지 블록의 특정 엣지 부분에 대한 손상이 작아지고, 그 결과 복원된 이미지의 화질이 더 좋아진다는 것을 의미한다.
방향성 이산 코사인 변환에 있어서 수직 및 수평 방향 모드 이외에 적용될 수 있는 특정 방향성 모드가 여러 가지가 있는 바, 이에 대해서는 도 6을 참조로 상세히 후술하기로 한다.
이에 앞서, 도 5를 참조로 방향성 이산 코사인 변환을 쉽게 대비할 수 있도록 방향성이 없는 전통적인 이산 코사인 변환 방식을 도식적으로 간단히 설명한다. 전통적인 이산 코사인 변환은 이미지 블록에 대해 수직 방향 모드(Vertical mode) 및 수평 방향 모드(horizontal mode)의 2 단계로 이산 코사인 변환이 이루어진다. 그러므로, 방향성이 없다는 것은 오로지 수직 및 수평 방향으로만 이산 코사인 변환이 이루어진다는 것을 의미한다.
Figure pat00001
다시 말해, 도 5의 8×8 크기의 단위 이미지 블록에 대하여 상기 수학식 1에서 보는 바와 같이, 전통적인 이산 코사인 변환은 수직 방향(y 방향) 및 수평 방향(x 방향)으로 2 단계 이산 코사인 변환을 실행하게 된다. 이를 2차원 DCT(2-D DCT)라 한다.
본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환은 상술한 전통적인 2차원 DCT에 있어서 수직 방향 모드의 변환을 특정한 다른 방향으로의 변환으로 치환하는 것이다. 다시 말해, 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환은 특정 방향성 모드로 변환하는 제1 단계와 수평 방향 모드(horizontal mode)로 변환하는 제2 단계를 포함하여 구성된다.
도 6은 8×8 크기의 단위 이미지 블록에 있어서 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환 중에서 특정 방향성 모드로 변환하는 제1 단계의 몇 가지 종류를 나타낸다. 각각의 특정 방향성 모드는 원본 이미지 블록의 특성에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
도 6의 (a)는 수직 방향 모드(Vertical mode)이며, 이 수직 방향 모드와 수평 방향 모드가 차례로 수행되면 앞서 설명한 전통적인 이산 코사인 변환이 된다.
도 6의 (b)는 본격적인 특정 방향성 모드로서, 대각선 우측 하방 모드(Diagonal down-right mode)를 나타낸다. 이는 D0,7, D0,6 -> D1,7, D0,5 -> D1,6 -> D2,7 의 순서로 이산 코사인 변환이 실행된다. 원본 이미지 블록이 대각선 우측 하방으로의 엣지 부분에 더욱 큰 데이터 값이 있는 경우에 적용될 수 있다.
도 6의 (c)는 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left mode)를 나타낸다. 이는 D0,0, D1,0 -> D0,1, D2,0 -> D1,1 -> D0,2 의 순서로 이산 코사인 변환이 실행된다. 원본 이미지 블록이 대각선 좌측 방향으로의 엣지 부분에 더욱 큰 데이터 값이 있는 경우에 적용될 수 있다.
도 6의 (d)는 수직 우측 이동 모드(Vertical-right mode)를 나타낸다. 이는 D0,0 -> D0,1 -> D0,2 -> D0,3 -> D1,4 -> D1,5 -> D1,6 -> D1,7, D1,0 -> D1,1 -> D1,2 -> D1,3 -> D2,4 -> D2,5 -> D2,6 -> D2,7 의 순서로 이산 코사인 변환이 실행된다. 원본 이미지 블록이 하방 우측의 엣지 부분에 더욱 큰 데이터 값이 있는 경우에 적용될 수 있다.
도 6의 (e)는 수직 좌측 이동 모드(Vertical-left mode)를 나타낸다. 이는 D7,0 -> D7,1 -> D7,2 -> D7,3 -> D6,4 -> D6,5 -> D6,6 -> D6,7, D6,0 -> D6,1 -> D6,2 -> D6,3 -> D5,4 -> D5,5 -> D5,6 -> D5,7 의 순서로 이산 코사인 변환이 실행된다. 원본 이미지 블록이 하방 좌측의 엣지 부분에 더욱 큰 데이터 값이 있는 경우에 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환은 각각의 이미지 블록에 대하여 수직 방향을 따라 선택된 특정 방향성 모드를 의해 제1 단계 변환이 이루어지고, 후속하여 수평 방향 모드(horizontal mode)의 제2 단계 변환이 이루어지는 것이다. 상기 특정 방향성 모드에 의한 제1 단계 변환은 원본 이미지의 특성에 따라 달라지나, 대체로 연속하는 단위 이미지 블록들은 원본 이미지에서 인접한 위치에 있기 때문에 특정한 방향성을 공유하는 경우가 많다.
상기 양자화 단계(30)는 방향성 이산 코사인 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계이다. 이 양자화(Quantization) 단계는 DDCT 계수로 변환된 데이터 중에서 원래 데이터를 크게 변화시키지 않는 범위 내에서 불필요한 성분을 제거하여 데이터 량을 감소시키는 것이다. 사람의 눈은 고주파 영역의 명도 변화를 구별하는 능력이 낮다는 사실에 근거하여 고주파 값의 많은 부분을 버릴 수 있다. 이를 위해 각 이미지 블록의 DDCT 계수 값을 양자화 행렬이라고 명명되는 임의의 정수행렬로 나누는데, 이 과정에서 숫자가 작은 고주파 영역의 값의 대부분은 0으로 변환된다.
상기 엔트로피 부호화 단계(40)는 상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계이다. 이 부호화 단계는 양자화된 DDCT 계수를 지그재그(ZigZag) 스캐닝을 통해 1차원 정수열로 배열하고, 이 배열된 1차원 정수열을 허프만 디코딩(Huffman coding) 방법을 통해 부호화한다.
상기 허프만 디코딩 방법은 무손실 압축에 쓰이는 엔트로피 부호화의 일종으로서 데이터 문자의 등장 빈도에 따라서 다른 길이의 부호를 사용한다. 즉, 많이 나오는 문자일수록 더 짧은 부호를 사용함으로써 전체 데이터 길이를 감축시키는 방법이다. 상기 허프만 디코팅 외에도 산술 디코딩 방법도 사용 가능하나, 통상적으로 구현이 용이한 허프만 디코팅 방법을 가장 많이 사용한다.
이러한 엔트로피 부호화 단계(40)를 통해 JPEG 압축 이미지로 변환된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송함으로써 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법은 최종 완료된다.
도 7은 8×8 크기의 단위 이미지 블록을 이용하여 도 6의 (c)를 참조로 설명한 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left mode)에 따른 방향성 이산 코사인 변환 및 지그재그 스캐닝에 따른 엔트로피 부호화 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
먼저, 도 7의 (a)에서 보듯이 8×8 크기의 단위 이미지 블록의 데이터 값을 검색하여 특정한 방향성을 가지는지 여부를 판단한다. 판단 결과, 대각선 좌측 하방으로 방향성이 있는 경우에는 Di,j의 픽셀 값 중에서 좌측 상단에서부터 차례로 대각선 좌측 하방으로 총 15 번의 제1 단계 이산 코사인 변환을 실행한다.
제1 단계의 이산 코사인 변환이 완료되면 도 7의 (b)와 같이 총 15 열의 데이터 배열이 구성된다. 예를 들어, 정 중앙의 8번째 데이터 열은 도 7의 (a)에서 D1,8에서부터 D8,1 까지의 대각선 방향으로 이산 코사인 변환이 이루어진 것을 나타낸다. 여기에 다시 수평 방향 모드에 따른 제2 단계 이산 코사인 변환을 실행하면 도 7의 (c)에 도시된 형태의 데이터 배열이 이루어진다. 마지막으로 이 제1 및 제2 단계 이산 코사인 변환이 완료된 데이터 배열에 대하여 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이 지그재그 스캐닝에 따른 엔트로피 부호화 과정을 실행하면 최종 JPEG 압축 이미지가 생성되는 것이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법의 효과를 알아보기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 특정한 원본 이미지(각각 Lena Image, Barbara Image, Boat Image)를 JPEG 알고리즘으로 압축한 상태(JPEG)와, 전통적인 이산 코사인 변환을 사용한 JPEG 이미지를 다중 표현 부호화 방식으로 전송한 후 중앙 디코더를 이용해 복호화한 경우(MDC JPEG)와, 본 발명에 따라 방향성 이산 코사인 변환을 사용한 JPEG 이미지를 다중 표현 부호화 방식으로 전송한 후 측면 디코더1을 이용해 보간한 경우(MDC Proposed)의 압축율에 따른 PSNR(신호대 잡음비)을 나타낸다. 압축율은 픽셀당 비트수(bits per pixel, bpp)로 나타내고 bpp가 작을수록 압축율이 높다. PSNR은 원본 이미지에 대한 손실의 정도를 나타내는 것으로 손실이 적을수록 높은 값(dB)을 가진다.
도 8 내지 도 10에서 보듯이 MDC Proposed는 MDC JPEG과 비교할 때 압축율(bpp)의 전 구간에 걸쳐 PSNR이 유사함을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 사용한 경우에는 전송 에러로 인해 일부 표현이 누락되어 이를 측면 디코더1에서 보간한 때에도 모든 표현이 에러없이 전송되어 중앙 디코더에서 복호화한 경우와 화질이 거의 유사하다는 것을 의미한다. 그만큼 본 발명에 따른 보간 효율이 높다는 것을 나타내는 것이다.
더욱이, 압축율이 높을수록(bpp가 0.2 이하) MDC Proposed는 MDC JPEG과 PSNR의 차이가 작아지고, bpp가 0.15 인 경우에는 양 PSNR이 거의 동일한 값을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법이 압축율이 높은 낮은 비트의 무선 전송에 더욱 효과적임을 나타낸다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가, 원본 영상 이미지를 복수 개의 표현으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환을 이용하여 부호화하는 단계; 및 상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가, 원본 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현으로 분할하는 서브 샘플링 단계; 상기 분할된 각각의 표현을 일정 크기의 단위 이미지 블록으로 나누고, 각각의 이미지 블록에 대해 방향성 이산 코사인 변환을 실시하는 단계; 상기 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계; 상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계; 및 상기 JPEG 압축 이미지로 된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체를 포함한다.
상기한 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있도록 프로그램 및 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록매체를 포함한다. 그 예로는, 롬(Read Only Memory), 램(Random Access Memory), 하드디스크(Hard Disk), CD(Compact Disk), DVD(Digital Video Disk)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다. 또한, 이러한 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 서브 샘플링 단계 20: 방향성 이산 코사인 변환 단계
30: 양자화 단계 40: 엔트로피 부호화 단계

Claims (14)

  1. 원본 영상 이미지를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계;
    상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform)을 이용하여 부호화하는 단계; 및
    상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서브 샘플링 단계는, Quincunx lattice를 이용하여 분할하는 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 우측 하방 모드(Diagonal down-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 우측 이동 모드(Vertical-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 좌측 이동 모드(Vertical-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  7. 원본 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계;
    상기 분할된 각각의 표현을 일정 크기의 단위 이미지 블록으로 나누고, 각각의 이미지 블록에 대해 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform)을 실시하는 단계;
    상기 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계;
    상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계; 및
    상기 JPEG 압축 이미지로 된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 서브 샘플링 단계는, Quincunx lattice를 이용하여 분할하는 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 우측 하방 모드(Diagonal down-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 대각선 좌측 하방 모드(Diagonal down-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 우측 이동 모드(Vertical-right mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 방향성 이산 코사인 변환은 상기 각각의 표현에 포함된 이미지 블록에 대하여 수직 좌측 이동 모드(Vertical-left mode)로 이산 코사인 변환하는 제1 단계와, 수평 방향 모드(Horizontal mode)로 이산 코사인 변환하는 제2 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법.
  13. 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가,
    원본 영상 이미지를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계;
    상기 분할된 각각의 표현을 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform)을 이용하여 부호화하는 단계; 및
    상기 부호화된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체.
  14. 방향성 이산 코사인 변환을 이용한 다중 표현 부호화 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서, 상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 수행되는 경우에 상기 컴퓨터가,
    원본 영상 이미지 데이터를 복수 개의 표현(description)으로 분할하는 서브 샘플링 단계;
    상기 분할된 각각의 표현을 일정 크기의 단위 이미지 블록으로 나누고, 각각의 이미지 블록에 대해 방향성 이산 코사인 변환(Directional Discrete Cosine Transform)을 실시하는 단계;
    상기 변환된 이미지 블록을 양자화 과정을 통해 양자화된 DDCT 계수로 구성된 양자화 테이블을 생성하는 단계;
    상기 양자화 테이블을 엔트로피 부호화 과정을 통해 JPEG 압축 이미지로 생성하는 단계; 및
    상기 JPEG 압축 이미지로 된 각각의 표현을 복수 개의 독립된 채널을 통해 전송하는 단계;를 수행하도록 하는 프로그램이 기록되고, 전자 장치에서 판독 가능한 기록매체.
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