본 논문에서는 H.264/AVC 엔트로피 부호화 방식에서 다중 부호어를 이용한 효율적인 동적 부호화 방법을 제안한다. H.264/AVC 에서 사용된 Exp-Golomb 부호어는 정적 확률 분포 특성 때문에 [7]에서 제시한 일원화 구문요소의 심볼 분포를 충분히 반영하지 못 한다. 그러나 본 논문에서 제시한 다중 부호어들은 다양한 통계적 특성을 나다낸다. 따라서 주어진 동영상에 따라 일원화 구문 요소를 부호화하가 위해 다중 부호어들을 선택적으로 사용하는 통적 부호화 방법이 제안된다. 실험 결과에서는 제안한 방식이 [7] 방식에 비해 화질의 열화 없이 압축 효율의 우수성을 보여준다.
본 논문에서는 MPEG-2, MPEG-4, H.264/AVC 및 VC-1 코덱 표준을 동시에 지원하는 멀티 포맷 비디오 복호기 (MFD)의 설계 방법을 제안한다. 제안하는 MFD는 디지털-TV SoC 에 필요한 고사양의 고화질급 비디오 처리를 목표로 하였다. 리스크 프로세서, 온칩 메모리 및 주변 회로 등의 크기가 큰 공용 자원들을 공유하여 크기를 최소화 하였다. 또한, 코덱 별로 추가 및 제거가 용이한 분리 가능한 구조를 사용하였다. 이러한 구조는 이미 설계되고 검증된 코덱의 안정성의 유지를 용이하게 해준다. 설계된 MFD는 65nm 공정에서 크기가 약 2.4M 게이트 이며, 동작속도는 225MHz이다. 본 논문에서 제안한 MFD는 현재까지 알려진 MFD 중 최고 성능인 고화질급(1080p@30fps) 이상의 비디오 디코딩을 지원하며, 가장 많은 종류의 비디오 코덱 표준을 지원한다.
디지털 비디오 압축 기술은 대역폭과 저장 공간이 제한되는 멀티미디어 데이터의 효율적인 전송과 저장을 가능하게 하는 중요한 역할을 해왔다. 현재 VC-1은 차세대 DVD의 표준으로 채택되어 사용되고 있고 H.264/AVC의 대안으로 제안되고 있다. 이에 본 논문에서는 VC-1의 엔트로피 디코더에 대하여 소프트웨어 검증을 통한 최적화 알고리즘을 사용하여 하드웨어 설계 언어인 VHDL 언어를 이용하여 기술하고 ModeSim6.0a를 이용한 데이터 검증을 수행하였다.
최근 차세대 비디오 코딩 표준화를 위해 JCT-VC에서 HEVC라 불리는 새로운 비디오 압축 표준 기술을 개발하고 있다. HEVC는 H.264/AVC보다 높은 성능을 갖는 많은 부호화 기술을 채택하였다. 그중 색차 신호를 보간할 때 H.264/AVC에서 사용된 선형필터보다 좋은 성능을 가지는 DCT 기반으로 한 보간 필터를 사용하고 있다. 본 논문에서는 H.264/AVC에서 사용된 FIR필터와 선형필터를 통합한 필터를 제안하여 부호화 효율을 높이는 방법을 제안한다. 제안하는 방법과 DCT 기반으로 한 보간 필터와 비교하였을 때 실험결과로 제안한 방법은 random access구조의 high efficiency 경우 색차성분 U,V에서 각각 평균 0.9%, 1.1%의 BD-rate가 감소하였고,random access의 low complexity 구조인 경우 색차성분 U,V에서 각각 평균 1.1%, 1.1%의 BD-rate가 감소하였고, low delay의 high efficiency 구조인 경우 색차성분 U,V에서 각각 평균 0.9%, 1.4%의 BD-rate가 감소하였고, low delay 구조의 low complexity인 경우 색차성분 U,V에서 각각 평균 1.8%, 1.8%의 BD-rate가 감소하였다.
H.264/AVC 표준의 제정 이후에도 ITU-T VCEG 에서는 KTA 소프트웨어를 바탕으로 부호화 효율을 향상시키기 위해 유망한 비디오 압축 기술들을 계속 연구해 왔다. 최근에는 ISO/IEC MPEG과 ITU-T VCEG은 공동으로 JCT-VC를 결성하여 H.264/AVC 대비 두 배 높은 차세대 영상 압축 표준인 HEVC를 진행 중에 있다. 다양한 차세대 부호화 기술 중에 움직임 예측을 위한 적응적 영상 보간 기술은 높은 부호화 성능을 보이지만, 많은 계산량과 다양한 영상에 대한 에러 특성을 반영하지 못하는 문제점이 있다. 본 논문에서는 영상에 따른 보간 필터의 특성을 파악하고, 이를 기반으로 다양한 에러 특성을 반영하는 효과적인 고정 보간 필터뱅크를 제안한다. 실험 결과, 제안하는 방법은 KTA의 고정 방향성 보간 필터(FDIF)와 HEVC의 방향성 보간 필터(DIF) 대비 각각 0.7%와 1.3%의 부호화성능 향상을 얻었다.
H.264는 향상된 압축성능과 에러 복구 기술, 네트워크로의 적응력을 포함하고 있는 비디오 압축 표준으로, 실시간 비디오 스트리밍, 디지털 멀티미디어 방송 등의 여러 분야에서 적용되고 있다. 그러나 H.264/AVC는 압축효율은 높아졌지만 기존의 부호화 방식들 보다 훨씬 더 많은 연산 및 메모리 접근을 요구하게 되었다. 본 논문에서는 H.264/AVC의 부호화 복잡도를 줄이면서 실시간적인 보안 영상시스템에 적합한 적응적 인트라(Intra) 고속 알고리즘을 제안한다. 이를 위해 현재프레임의 매크로블록(macroblock)과 이전프레임의 매크로블록 간 시간적 상관성(interrelationship)을 이용하여 매크로블록의 부호화모드를 저 연산화 및 고속으로 결정할 수 있는 인트라 예측(intra prediction)방법을 제안한다. 실험결과 제안된 방식은 평균 0.04dB이하의 미미한 화질 저하 및 비트량이 약간 증가하였지만, 부호화 처리시간이 상당히 개선되었고, 보안 영상과 같은 주변 배경의 움직임이 적은 영상에서 기존방식들에 비해 더욱 많은 부호화 처리시간을 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 JCT-VC(Joint Collaboration Team on Video Coding)에서 표준화가 진행 중인 HEVC(High Efficiency Video Coding)의 Test Model 인 HM1.0과 현재 디지털 방송, 통신, 저장 매체 등 다양한 응용 분야에 사용되고 있는 범용 비디오 코덱들 간의 객관적, 주관적 측면에서의 부호화 성능을 비교한다. 이를 통해 HEVC의 현재 성능 수준에 대한 평가 결과를 보이고, 활용 가능성에 대해 결론을 맺는다. 비교 대상 코덱으로는 H.264/AVC 표준의 S/W 기반인 VideoLAN Project의 x264와 MPEG-2 표준으로 Harmonic사의 H/W기반의 최신형 실시간 인코더인 Electra8000을 사용하였다. 총 5개의 HD(1920x1080)영상에 대한 객관적 성능 비교 결과, HM1.0이 x264 대비 평균 44.93%의 BD-rate 감소와 평균 1.65%의 BD-PSNR 증가를 보였고, Electra8000에 대해서도 월등히 높은 성능차를 보였다. 주관적 화질 비교 결과 동일 PSNR 조건하에서 HM1.0이 범용 비디오 코덱들보다 주관적 화질이 유사하거나 좀 더 나음을 보였다.
최근 ISO/IEC 와 ITU-T 가 공동으로 표준화한 동영상 압축기술 H.264/AVC 는 다방면에서 응용분야를 확대시키고 있다. 이 표준은 기존의 MPEG 에 비해 여러 가지의 발전된 요소기술들을 포함하고 있는데, 그 중 하나가 인트라 프레임의 공간예측이다. 그러나 이 기술은 많은 연산량이 필요하다는 단점을 갖고 있다. 본 논문에서는 이 단점을 보완하기 위해 화질의 열화를 0.02dB 정도로 최소화하면서 60% 정도의 연산량을 줄이는 방법을 제안하였다. 이 방법은 좌측과 상측의 이미 처리된 블록들의 예측방향을 참조하여 특별한 선 조치 없이 곧바로 예측을 위한 연산방법을 결정하는 방법이다. 기존 방법에 비해 이 방법은 비슷한 연산량 감소에도 불구하고 화질의 열화는 매우 적어 향후 많은 사용이 기대된다. 특히 전력이 제한되는 DMB 폰과 같은 무선통신 단말기에서 제안한 방법은 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
HEVC는 JCT-VC에 의해 개발된 최신 비디오 코딩 표준이다. HEVC는 H.264/AVC에 비해 약 2배의 주관적 코딩효율을 제공한다. HEVC 개발의 주요목표 중 하나는 UHD급 비디오를 효율적으로 코딩하는 것이기 때문에, HEVC는 UHD급 비디오를 코딩하는데 널리 사용될 것으로 예측된다. 이러한 고해상도 비디오의 복호화는 많은 양의 메모리 접근을 발생시키기 때문에 복호화 시스템은 고대역폭의 메모리 시스템 및 내부 통신 아키텍처가 필요하다. 이러한 요구사항을 파악하기 위해서 본 논문은 HEVC 복호화기의 메모리 접근 복잡도를 분석한다. 우리는 먼저 임베디드 프로세서와 데스크탑에서 동작하는 소프트웨어 HEVC 복호화기의 메모리 접근량을 측정하였다. 또한 우리는 HEVC 복호화기의 데이터흐름을 분석하여 HEVC 복호화기의 메모리 대역폭 모델을 만들었다. 측정결과, 소프트웨어 복호화기는 6.9~40.5GB/s의 DRAM 접근을 하였다. 또한 분석결과에 따르면 하드웨어 복호화기는 2.4GB/s의 DRAM 대역폭을 요구하는 것으로 파악된다.
ITU-T VCEG과 ISO/IEC MPEG은 공동으로 JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding) 를 구성하여 차세대 비디오 코덱 HEVC(High Efficiency Video Coding)에 대한 표준화를 진행하고 있다. 차세대 비디오 코덱 HEVC는 H.264/AVC 표준보다 높은 압축률을 보이나, 매우 높은 인코더 계산 복잡도를 가지고 있다. HEVC 인코더의 계산 복잡도를 줄이기 위해서 이 논문에서는 고속 예측단위 결정방법을 제안한다. 제안된 고속 예측단위 결정방법은 현재 prediction unit의 양자화 된 0이 아닌 변환계수가 없으면 남은 prediction unit의 부호화를 생략하여 부호화 시간을 줄이는 방법이다. 제안된 방법은 인코더 계산 복잡도를 HM6.0대비 약 50.3%정도 향상시키나 동일한 수준의 코딩 효율을 유지한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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