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KR0178195B1 - 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치 - Google Patents

벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치 Download PDF

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KR0178195B1 KR1019950006613A KR19950006613A KR0178195B1 KR 0178195 B1 KR0178195 B1 KR 0178195B1 KR 1019950006613 A KR1019950006613 A KR 1019950006613A KR 19950006613 A KR19950006613 A KR 19950006613A KR 0178195 B1 KR0178195 B1 KR 0178195B1
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Abstract

본 발명은 벡터 양자화 방식을 이용하여 영상 신호를 부호화하는 영상 신호 부호화 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 부호화 장치는 소정 블록 단위의 영상 신호를 움직임 보상 DPCM(차분 펄스 부호 변조) 및 2차원 DCT(이산 코사인 변환)방식을 이용하여 압축하는 한편, 2차원 DCT 방식에 의하여 변환된 DCT 계수들을 양자화하는 양자화부와; 블록이 2차원 DCT 변환될 때에 DC값이 형성되는 DCT 계수를 중심으로 하는 소정 개수의 DCT 계수들에 대응하는 양자화값들을 서로 상이하게 가지며 각각의 인덱스 값을 갖는 다수개의 패턴들로 구성되는 코드북과; 양자화부에 의하여 양자화된 블록내 양자화값들중 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들과의 패턴들의 양자화값들에 대한 평균 제곱 오차를 구하는 연산부와; 연산부에서 구한 평균 제곱 오차값 중 가장 작은 오차값을 형성하는 패턴을 선택하여 그 인덱스를 송신하는 최소 오차값 선택부와; 양자화부에 의하여 양자화된 블록내 양자화값들중 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들을 제외한 양자화값들을 엔트로피 부호화하여 송신하는 부호화부를 구비한다.
즉, 본 발명은 벡터 양자화 방식을 이용하여 양자화된 DCT 계수 블록의 소정영역은 대응하는 패턴의 인덱스를 송신하고, 나머지 부분만을 엔트로피 부호화하여 송신함으로써 송신 데이터의 양을 대폭 감축할 수 있어 부호화 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Description

벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치
제1도는 종래의 영상 신호 부호화 장치의 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치의 블록도.
제3도는 본 발명에 따른 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치의 코드북 내에 저장되는 패턴의 일 예를 도시한 도면.
제4도는 본 발명에 따른 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치의 양자화부에 의해 양자화되는 블록의 상태를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 감산기 20 : DCT부
30 : 양자화부 40 : 역양자화부
50 : IDCT부 60 : 가산부
70 : 프레임 메모리 80 : 움직임 추정부
90 : 움직임 보상부 100 : 부호화부
110 : 코드북 120 : 연산부
130 : 최소 오차값 선택부
본 발명은 영상 신호를 부호화하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 벡터 양자화 방식을 이용하여 영상 신호의 부호화 효율을 향상시킨 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 영상 신호는 아날로그(analog)로 전송하는 것보다 디지탈(digital)로 전송하는 것이 훨씬 더 좋은 화질을 유지할 수 있으나, 향상된 화질에 대응하여 전송 데이터 량이 증가한다.
그러나, 종래의 전송 채널에 있어서 사용 가능한 주파수 영역은 제한되어 있으므로, 많은 양의 디지탈 데이터를 전송하기 위해서는 전송 데이터를 압축하여 그 양을 줄일 필요가 있으며, 다양한 압축 기법 중에서, 확률적 부호화 기법과 시간적, 공간적 압축 기법을 결합한 하이브리드 부호화 기법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다.
대부분의 하이브리드 부호화 기법은 움직임 보상 DPCM(차분 펄스 부호 변조), 2차원 DCT(이산 코사인 변환), DCT계수의 양자화, 줄 길이 부호화(run length cod ing), 가변 길이 부호화(variable length coding) 등을 이용하는데, 움직임 보상 DPCM은 현재 프레임과 이전 프레임간의 물체의 움직임을 결정하고, 물체의 움직임에 따라 현재 프레임을 예측하여 현재 프레임과 예측치간의 차이를 나타내는 차분 신호를 만들어내는 방법으로서, 이러한 움직임 보상 DPCM은 Staffan Ericsson의 Fixed and Adaptive Predictors for Hybrid Predictive/Transform Coding, IEEE Transac tions on Communication, COM-33, NO.12 (1985년, 12월), 또는 Ninomiy와 Ohtsuka의 A motion Compensated Interframe Coding Scheme for Television Pictures, IEEE Transactions on Communication, COM-30, NO.1 (1982년, 1월)에 잘 기재되어 있다.
또한, 2차원 DCT는 디지탈 영상 데이터의 한 블록, 예를 들면 8x8 화소의 블록을 일군의 변환 계수 데이터로 변환시키므로써 영상 데이터들간의 공간적 중복성(spatial redundancy)을 줄이거나 제거한다.
이러한 2차원 DCT 기법은 Chen 과 Pratt의 Scene Adaptive Coder, IEEE Transaction on Communications, COM-32, No.3 (1984년 3월)에 기재되어 있으며, 상기한 변환 계수 데이터를 양자화기, 지그재그 스캐닝(zigzag scanning), VLC등으로 처리하므로써 전송할 데이터를 효율적으로 압축할 수 있다.
또한, 움직임 보상 DPCM에서는 현재 프레임과 이전 프레임간의 움직임을 추정하여 이전 프레임으로부터 현재 프레임을 예측하므로써 수행되는데, 움직임 추정은 이전 프레임과 현재 프레임간의 변위를 나타내는 2차원 벡터로서 나타낸다.
제1도에는 상술한 방식을 이용하는 종래의 하이브리드 방식의 영상 부호화 장치의 블록도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 종래 하이브리드 방식의 영상 부호화 장치는 감산기(10), DCT부(20), 양자화부(30), 역양자화부(40), IDCT부(50), 가산기(60), 프레임 메모리(70), 움직임 추정부(80), 움직임 보상부(90) 및 부호화부(100)를 포함한다.
먼저, 감산기(10)에서는 움직임 보상부(90)에서 예측된 현재 프레임 신호를 입력 측에서 입력되는 현재 프레임 신호로 감산하며, 그 결과 데이터, 즉, 차분 화소값을 나타내는 차분 신호는 DCT부(20)와 양자화부(30)를 통해 일련의 양자화된 변환 계수로 부호화된다. 그런 다음 이와 같이 양자화된 변환 계수는 부호화부(100)와 역양자화부(40)로 입력된다.
보다 상세하게, DCT부(20)는 입력되는 움직임 추정 및 예측에 의거하는 차분 신호에 대한 시간 영역의 영상 신호를 이산 코사인 함수를 이용하여 주파수 영역의 변환 계수로 변환시킨다. 또한, 양자화부(30)는 상기한 DCT부(20)의 변환 계수에 대해 비선형연산을 통해 유한한 개수의 값으로 양자화하기 위한 것으로, 부호화하고자 하는 프레임과 예측된 프레임간의 차분 신호를 양자화한다.
부호화부(100)는 양자화부(30)를 통해 양자화된 변환 계수를 줄 길이 부호화 및 가변 길이 부호화를 이용한 엔트로피(Entropy)부호화를 통하여 데이터 압축을 행한다. 즉, 부호화부(100)는 양자화부(30)에서 양자화된 영상 신호를 지그재그 스캐닝 등을 통해 런과 계수로 부호화하는 가변 길이 부호화를 행한 후에, 하나의 코드북을 이용하여 각 부호의 발생 빈도에 따라 가변적, 즉 부호의 발생 빈도가 많은 것은 짧은 길이의 부호로, 부호의 발생 빈도가 적은 것은 긴 길이의 부호로 부호화하는 가변 길이 부호화를 행한다. 이와 같이 부호화부(100)를 통해 모든 부호에 서로 다른 길이를 할당하는 이유는 실질적으로 부호 길이의 평균치를 줄이므로써 부호화 효율을 높이기 위한 것이며, 본 발명은 실질적으로 이와 같은 가변 길이 부호화의 효율을 증진시킬 수 있는 가변장 부호화 기법의 개선에 관련된다.
한편, 상기한 바와 같은 움직임 예측 차분 부호화를 수행하기 위한 수단으로서 전형적인 부호화기에 채용되는 역양자화부(40)와 IDCT부(50)는 상기한 DCT부(10)와 양자화부(30)를 통해 압축 부호화된 영상 신호를 움직임 추정, 보상을 위해 부호화되기 이전의 원래의 신호로 복원하여 가산기(60)에 제공하며, 그 이후에 가산기(60)가 IDCT부(50)로부터 제공되는 복원된 현재 프레임 신호(차분 신호)와 움직임 보상부(90)로 부터 제공되는 예측된 현재 프레임 신호를 가산하여 프레임 메모리(70)에 제공함으로서, 프레임 메모리(70)에는 복원된 현재의 프레임 신호, 즉 현재 부호화하고자 하는 프레임 신호의 바로 이전 프레임의 화상 신호가 저장된다.
따라서, 움직임 추정부(80)와 움직임 보상부(90)는 입력측으로부터의 현재 프레임과 상기한 프레임 메모리(70)로부터의 이전 프레임을 이용해 움직임 벡터를 추정하여 이전 프레임의 신호를 움직임 벡터만큼 이동시켜 주므로써 움직임 보상을 수행하여 감산기(10)에 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 과정을 통해 영상 신호의 압축 부호화를 수행하는 전형적인 부호화기에 있어서의 종래 방법에 따르면, 양자화된 신호를 가변 길이 부호화할 때에 한 프레임 또는 한 시스템에서, 하나의 가변 길이 코드북만을 이용하여 지그재그 스캐닝을 통해 런이 적으면 짧은 부호를 할당하고 런이 길면 긴 부호를 할당하고 있고, 이것은 통계적으로 볼 때 영상에서 보통 런이 짧은 것이 많이 발생하고 런이 긴 것은 그 발생 빈도가 적기 때문이며, 또한 이것은 단지 통계적 수치에 의존하는 것이다. 여기에서, 런은 0이 아닌 계수 앞에 있는 0의 개수이다.
그러나, 실제 적용에 있어서의 이러한 런의 길이는 여러 가지 요인, 예를 들면 화면의 종류, 영상의 부호화 형태 또는 하나의 DCT 블록내에서도 어느 위치에 있는 계수인가에 따라 실질적으로그 크기가 달라지게 되는데, 종래에는 이러한 점이 전혀 고려되어 있지 않은 관계로 불필요하게 비트 발생 량이 많아져 그 부호화 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 블록내 소정 영역에 대한 양자화 계수들을 갖는 다양한 패턴을 코드북에 저장하고, 부호화되는 영상 신호 블록의 소정 영역에 대하여는 대응하는 양자화 계수를 갖는 패턴 정보를 전송하므로써 부호화 효율을 향상시킨 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 소정 블록 단위의 영상 신호를 움직임 보상 DPCM(차분 펄스 부호 변조) 및 2차원 DCT(이산 코사인 변환)방식을 이용하여 압축 전송하는 하이브리드 영상 압축 장치에 있어서, 2차원 DCT 방식에 의햐여 변환된 DCT 계수들을 양자화하는 양자화부와; 블록이 2차원 DCT 변환될 때에 DC값이 형성되는 DCT 계수를 중심으로 하는 소정 개수의 DCT 계수들에 대응하는 양자화값들을 서로 상이하게 가지며 각각의 인덱스 값을 갖는 다수개의 패턴들로 구성되는 코드북과; 양자화부에 의하여 양자화된 블록내 양자화값들중 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들과의 패턴들의 양자화값들에 대한 평균 제곱 오차를 구하는 연산부와; 연산부에서 구한 평균 제곱 오차값 중 가장 작은 오차값을 형성하는 패턴을 선택하여 그 인덱스를 송신하는 최소 오차값 선택부와; 양자화부에 의하여 양자화된 블록내 양자화값들중 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들을 제외한 양자화값들을 엔트로피 부호화하여 송신하는 부호화부를 구비한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치의 블록도로서, 제1도에 도시된 종래의 부호화 장치에 벡터 양자화를 위한 코드북(110), 연산부(120) 및 최소 오차값 선택부(130)가 더 형성되어 있다.
이를 구체적으로 설명하며, 코드북(110)내에는 양자화값이 서로 상이하게 설정되어 있는 패턴들(일예로서, 제3도의 (a),(b),(c)와 같은)이 다수개 저장되어 있다. 여기서, 패턴들은 하나의 블록에 대한 영상 신호 전체에 대한 양자화 계수들이 저장되는 것이 아니라, 제4도에 도시된 바와 같이 1블럭(B)(8×8의 화소로 블록이 구성되는 경우를 도시하였다.)내에서 DC값을 중심으로 저역 성분이 몰리는 소정 영역(R)(제4도에서는 빗금친 영역)에 대한 양자화값만을 저장하고 있다.
이와 같이 코드북(110)내의 패턴들이 1블럭(B)내에서 소정 영역(R)에 대한 양자화값을 저장하도록 한 이유는 다음과 같다. 1블럭내의 영상 신호에서 DC 성분에 가까운 영역에서의 양자화값들은 비교적 직류 성분 즉, 저역대의 성분으로 구성되고, 이 저역대의 성분들은 영상 신호의 변화에 비교적 둔감하여 그 변화폭이 크지 않기 때문에 영역(R)에 위치하는 양자화값들에 대하여는 본 발명에서와 같이 패턴별로 구분할 수 있기 때문이다.
모든 영상 신호에 대한 영역(R)의 양자화값을 표현하기 위하여는 다수의 패턴들이 필요로 할 것이다. 본 실시예에서는 코드북(110)내에 1024개의 패턴이 형성되어 있는 것으로 하였으며, 각각의 패턴들은 그들 각자에 대한 인덱스를 갖는다. 예컨데, 제3도에 도시된 패턴들은 각각 A101,A102,A103의 인덱스를 가지며, 코드북(110)내에는 총 1024개의 패턴들이 형성되어 있으므로 이들 각각에는 인덱스(A0에서 A1023 )가 부여될 것이다.
이러한 코드북(110) 및 양자화부(30)에는 연산부(120)가 연결되어 있으며, 연산부(120)는 양자화부(30)의 블록(B)내 양자화값들 중 영역(R)의 양자화값들과 상기 코드북(110)내 패턴(A0-A1023)들의 양자화값들에 대한 각각의 평균 제곱 오차(Mean Square Error; 이하 MSE라함)값을 연산한다.
여기서, 즉, 패턴(A0-A1023)별 양자화값들을 Ai(n)으로 표시하면, 각 패턴(A0-A1023)별 양자화값들은 15개이므로 MSE는 다음 식으로 구하게 된다.
여기서 (O(n))은 양자화부(30)로부터 인가되는 블록(B)내 영역(R)의 양자화값들이다.
즉, 연산부(120)는 코드북(110)내 패턴(A0-A1023)들의 양자화값과 양자화부(3)의 블록(B)내 영역(R)의 양자화값들에 대한 각각의 MSE을 연산하여 출력하는 것이다.
이때, 최소 오차값 선택부(130)는 상술한 연산부(120)에서 구한 각각의 MSE값들 중 가장 최소치를 선택하게 되며, 최소의 MSE를 형성하는 패턴의 그 인덱스(A0-A1023)를 영상 복호 장치에 송신한다.
한편, 부호화부(100)는 종래와 동일하게 양자화부(30)에 의하여 양자화된 DCT 계수들을 줄 길이 부호 및 가변 길이 부호화를 이용하여 엔트로피 부호화를 수행하나, 종래와는 상이하게 블록(B)내 양자화값들 중 영역(R)외의 양자화값들만을 엔트로피 부호화하여 영상 복호 장치에 송신한다.
이러한 인덱스(A0-A1023)를 수신하는 영상 복호 장치 내에는 상술한 패턴(A0-A1023)들과 동일한 패턴과 인덱스를 구비하는 코드북이 형성되며, 수신된 인덱스(A0-A1023)에 대응하는 인덱스의 패턴을 형성하는 양자화값을 이용하여 블록(B)의 영역(R)을 구성하고 영역(R)이외의 부분은 부호화부(100)를 통하여 부호화된 영상 신호를 복호하도록 구성하므로써 압축 전송된 영상 신호를 복원할 수 있다.
즉, 본 발명은 양자화된 DCT 계수 블록의 소정 영역은 대응하는 패턴의 인덱스를 송신하는 벡터 양자화 방식을 채용하고, 나머지 부분만을 엔트로피 부호화하여 송신하므로써 송신 데이터의 양을 대폭 감축할 수 있어 부호화 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 소정 블록 단위의 영상 신호를 움직임 보상 DPCM(차분 펄스 부호 변조) 및 2차원 DCT(이산 코사인 변환)방식을 이용하여 압축 전송하는 하이브리드 영상 압축 장치에 있어서, 2차원 DCT 방식에 의하여 변환된 DCT 계수들을 양자화하는 양자화부(30)와; 상기 블록이 2차원 DCT 변환될 때에 DCT값이 형성되는 DCT 계수를 중심으로 하는 소정 개수의 DCT 계수들에 대응하는 양자화값들을 서로 상이하게 가지며 각각의 인덱스 값을 갖는 다수개의 패턴들로 구성되는 코드북(110)과; 상기 양자화부(30)에 의하여 양자화된 상기 블록내 양자화값들중 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들과의 상기 패턴들의 양자화값들에 대한 평균 제곱 오차를 구하는 연산부(120)와; 상기 연산부(120)에서 구한 평균 제곱 오차값 중 가장 작은 오차값을 형성하는 패턴을 선택하여 그 인덱스를 송신하는 최소 오차값 선택부(130)와; 상기 양자화부(30)에 의하여 양자화된 상기 블록내 양자화값들중 상기 패턴들을 이루는 양자화값들에 대응하는 양자화값들을 제외한 양자화값들을 엔트로피 부호화하여 송신하는 부호화부(100)를 구비하는 벡터 양자화 방식을 이용한 영상 신호 부호화 장치.
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