본 논문에서는 HD급 멀티미디어 streaming을 처리할 수 있는 DSP 플랫폼을 개발하였다. DSP 플랫폼은 Tl사의 C6400계열 DSP를 사용하였고 다채널의 오디오와 HD급 화질의 비디오_ 데이터를 처리할 수 있다. DSP가 decoder의 기능을 부담함으로써 하드웨어의 재구성이 용이하며 코덱을 다운로드하기 때문에 유연한 멀티미디어 컨텐츠의 재생이 가능하다. 개발한 DSP 플랫폼을 호스트 PC에 설치하여 PC로부터 DSP Configuration 파일과 멀티미디어 스트리밍 데이터를 전송받는 구조를 가진다. 소프트웨어는 실시간으로 demux를 실행하여 오디와 비디오_ 데이터를 분리하석 DSP 플랫폼의 외부메모리에 저장하고 동시에 비디오와 오디오의 디코딩을 실행한다. 오디오와 비디오 데이터의 버퍼 언더런/오버런을 극할 수 있는 buffer control 기법을 적용하였다. 호스트 PC에서 DSP 플랫폼으로의 스트리밍을 하기 위하여 Open Architecture 기반의 Windows OS에서 스트리밍 서비스 프로그램을 구현 하였다. 마지막으로 MPEG-2 video MP@ML인 비디오 코덱과 5.1ch 48kHz AC3인 오디오 코덱으 구성된 streaming 데이터를 사용하여 DSP 플랫폼을 검증하였다.
H.264/AVC는 기존 비디오 코덱보다 성능이 우수하여 최근 IPTV, DMB등의 압축표준으로 사용되고 있다. 따라서 H.264/AVC로 압축된 데이터를 이전 코덱을 사용하는 장비에서 이용하기 위하여 트랜스코딩 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 움직임벡터의 군집화(Clustering)를 이용한 H.264/AVC에서 MPEG-2로의 트랜스코딩 방법을 제시한다. H.264/AVC 비트스트림을 MPEG-2의 인코더로 보낼 때 H.264/AVC 가변블록의 움직임벡터들의 거리와 방향성을 고려한 클러스터링을 수행하여 후보벡터를 선택한 후 최소의 왜곡치를 갖는 1개의 움직임벡터로 최종 결정한다. 이렇게 선정된 최종 움직임벡터는 MPEG-2 인코더에서 ${\pm}2$ pixel 만큼 전역탐색으로 보정 한 후 재사용하는 방법으로 트랜스코딩 시간을 최소화하고자 한다. 실험을 통하여 계산시간과 비디오 화질을 비교한 결과 기존연구보다 PSNR값이 최대 6.7% 향상되었으며 부호화 시간은 최대 64% 개선되었다.
디지털 위성 방송의 비디오 화질 의 주관적 평가 시험을 MPEG-2 MP@ML 표준에 기초하여 설계된 하드웨어 부호화기/복호화기 기본 화질 평가와 위성 전송 에러 화질 및 전송 시스템 성능에 따른 화질 열화에 대한 시험을 위성 시뮬레이터(Satellite Simulator)를 사용해 실시간에서 수행하였다. 평가 방법으로는 CCIR 500-5의 2중 자극 열화 척도법과 2중 자극 연속 화질 척도법을 사용하였다. 또한 디지털 위성 방송 시스템의 화질을 전체 시스템 즉 MPEG-2코덱, 다중화 장치, 채널 코덱, 변복조기, 안테나 등을 연계시켜 여러 비트율과 비트 오류율에서 평가 시험을 수행함으로써 시스템 전반적인 성능을 평가하고 위성 전송로와 수신 시스템을 연계한 전송로 환경을 고려한 보다 통합적인 화질 평가 시험을 수행하였다. 특히 전송로 오류 화질 평가에 있어서 주어진 5가지의 BER에 대하여 전송 에러 화질은 평균적으로 5단계 카테고리에서 3.9이상을 유지함을 알 수 있었다. 필름 모드와 같은 낮은 비트율(특히 2Mbps)에서 코덱 시스템의 부호화 화질의 성능은 영상 소스의 통계적 성질에 따라 크게 좌우됨을 알 수 있었고 평균적으로 절대 평가 기준에서 2.7정도를 기록하였다.
MPEG 오디오에서는 오디오 신호의 효율적인 압축을 위해서 마스킹 효과, spectral band replication을 이용한 고주파 성분 합성, parametric stereo를 이용한 채널 확장 등의 기술을 이용하고 있다. 본 논문에서는 이 중 최신 기술에 해당하는 채널 확장 기술에 대해서 소개한다. 또한, MPEG 오디오 코덱 중 이 기술을 이용하는 HE-AAC v.2, MPEG Surround, Spatial Audio Object Coding(SAOC), Unified Speech and Audio Coding (USAC)에 대해 기술 소개 및 방송의 적용 예를 기술한다.
본 논문에서는 디지털 오디오 방송 시스템으로서 사용하기 위한 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding) 코덱 시스템의 개발에 관하여 기술한다. 인코더 및 디코더는 ETRI가 제안한 디지털 오디오 방송 시스템에 접속하기 위해 MPEG-2 (Moving Picture Experts Group phase 2) 시스템의 TS(Transport Stream) 형식으로 입/출력한다. 내부 오디오 신호처리를 위한 DSP(Digital Signal Processor)로서는 Tl(Texas Instruments) 사의 TMS320C6701 (Floating point, 166 MHz)을 사용하였다. 인코더에서는 DSP 를 4 개까지, 디코더에서는 3 개까지 사용하여 구성할 수 있도록 설계하였다. DSP 에서는 시스템 제어, 오디오 신호 입력, 오디오 신호 처리, TS 신호 발생, 비트스트림 출력 등의 처리를 수행하며, 각 DSP 는 직렬 및 병렬 접속에 의해 서로 데이터를 전달한다. 본 시스템은 이후 다양한 디지털 방송 분야에 활용될 것이다.
최근 우리나라는 디지털 방송에서 3D 실험방송을 계획하고 있으며, 최소의 비용과 장비교체를 통해 스테레오 3D 방송을 준비하고 있다. 디지털 방송에서 스테레오 3D 영상 서비스의 제공은 기존 방송방식 뿐만 아니라 2D 사용자와의 호환성을 유지하면서 좌우영상을 서비스하는 것이 중요한 요소이다. 특히, 2D 영상(좌영상)의 서비스 품질을 유지하면서 새로운 3D(우영상)영상의 서비스가 가능해야 하기 때문에 디지털 방송, 특히 제한된 대역폭을 갖는 지상파 방송에서 스테레오 3D 방송을 위한 코덱기술의 변경 및 알고리즘 수정은 매우 중요한 이슈이다. 지상파 방송은 19.39Mbps의 제한된 대역폭에서 스테레오 3D 영상을 제공해야 하므로 기존의 2D(좌영상) 영상 코덱인 MPEG-2의 인코딩 성능을 개선할 필요가 있고, 3D(우영상) 영상에 대해서는 최신 비디오 코덱인 MPEG-4 AVC/H.264 보다 20~30% 향상된 코딩 알고리즘을 적용해야 한다. 본 논문에서는 기존 비디오 코딩 방식 및 새로운 코딩 알고리즘의 분석을 통해서 기존 2D 방송과 역호환성을 유지하면서 양질의 양안영상을 서비스 할 수 있는 가능성을 시험하였으며 해결방안을 제시하였다.
인터넷의 급속한 수요의 증대와 단말 시스템 성능의 향상은 네트웍 멀티미디어의 사용과 성능에 대한 관심을 증대시키고 있다. 결과적으로 고 대역폭의 네트웍과 고 수준의 시스템을 요구하는 멀티미디어 데이터를 이용한 응용개발이 가능하게 되었다. H.261과 같은 기존의 화상회의 시스템에서 사용되는 비디오 코덱은 상대적으로 낮은 대역폭의 네트웍에서의 사용을 목적으로 설계되었다. MPEG-2 비디오 데이터는 해상도, 대역폭, 및 유연성을 갖춘 고 수준의 비디오 데이터로서 VOD나 영상전송시스템과 같은 응용에서 사용되어질 비디오 데이터로서 많은 연구와 개발이 진행되어지고 있다. 이 논문에서는 KLIMEX(KAIST LIve MPEG-2 EXtenstion)를 구성 및 구현하여 MPEG-2 비디오 데이터를 실시간으로 처리할 수 있도록 하였고 화상회의 운용툴인 vic[\ulcorner]에 통합하여 MPEG-2 비디오 데이터의 전송과 수신이 가능하도록 시스템을 구성하였다. KLIMEX를 구성은 인코딩, 디코딩과 패킷타이징을 핵심모듈로 하고 있고, 각 모듈의 구현상에서 요구사항, 성능향상의 방안과 화상회의 운용툴과의 통합에 대해서 논의 및 분석을 제시한다. MPEG-2를 이용한 네트웍 응용의 다양한 연구는 여기서 제시하는 KLIMEX와 통합시스템 프로토타입을 이용하여 고성능 화상회의 시스템의 연구에 적용할 수 있다.
2001년 지상파 디지털방송 시작 이후, 디지털방송의 장점 중 하나인 다채널방송 서비스 도입에 대한 논의가 계속되던 중, 2013년 10월 정부기관, 방송사, 가전사가 참여하는 지상파 다채널 실험방송 추진반이 구성되어 2014년 1월부터 4월 사이에 지상파 다채널 실험방송이 실시되었다. 이 실험방송 결과를 바탕으로 EBS에서는 2015년 2월 11일 국내 최초로 2HD MMS 시험방송을 시작하였다. 본 연구는 압축 기술의 발전으로 기존 6MHz 대역에 2개의 HD 채널을 MPEG-2 코덱기반으로 운영하기 위하여 실시하였다. 1080i 와 720p 주사방식에 따른 변화 및 효율적 데이터 사용을 위한 가변 비트율(Variable Bit Rate) 적용 실험을 통하여 화질 최적화 연구를 실시하고 2HD MMS 시험방송에 적용하였다.
본 논문에서는 H.264, MPEG-2, MPEG-4, AVS, VC-1 코덱 표준의 가변 길이 복호화와 역 영자화가 가능한 MF-VLD(Multi-Format Variable Length Decoder)의 효율적인 구조에 대한 설계 방법을 제안 한다. 제안하는 MF-VLD는 MPSOC(Multiprocessor System on Chip)에 적합한 구조로 설계되었으며, 역 양자화된 데이터에 대해서 bit-plane알고리즘을 적용하여 AHB 버스의 폭을 줄였고, 내부 메모리의 사용량을 최소화 하기 위해 외부 SDRAM을 사용하였다. 또한, 코덱의 가변길이 복호화 모듈을 분리 가능한 구조로 설계하여 상황에 따라 가변길이 복호화 모듈에 대한 추가 및 제거가 용이 하도록 하였다. 설계된 MF-VLD는 0.18 ${\mu}m$ 공정에서 200 MHz의 속도로 동작하며, 사이즈는 약 657 K 게이트 이고, 사용되는 메모리는 약 27K 바이트 이다.
본 논문은 디지털 오디오 코덱에 효율적으로 적용 가능한 새로운 역 양자화 테이블 보간 알고리즘과 알고리즘에 특화된 DSP(Digital Signal Processor) 명령어 및 하드웨어 구조를 제안한다. 비선형 역 양자화 알고리즘은 대표적으로 MPEG-1 Layer-3와 MPEG-2/4 AAC(Advanced Audio Coding)에서 사용되며, 제안하는 명령어는 비선형 역 양자화에 최적화 되어 있다. 제안하는 알고리즘은 연산의 복잡도를 최소화하여 구현 시전체 연산량을 줄일 수 있으며, 제안된 알고리즘은 타 알고리즘에 비해 우수한 평균 오차값을 나타낸다. 제안하는 명령어 및 하드웨어 구조는 기존의 알고리즘과 비교하여 연산 과정에서 사용되는 명령어 수를 20% 정도 줄일 수 있으며, 역 양자화의 계산 부하를 효율적으로 줄일 수 있다. 제안한 알고리즘은 일반 상용 DSPEE 구현이 가능하다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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