웨이브렛 계수의 비트율-왜곡 예측 기반 임베디드 부호화에 관한 연구 = A Study on Embedded Coding Based on Rate-Distortion Prediction of Wavelet Coefficients

국문 초록 (Abstract)

최근, 하드웨어 성능이 급속도로 발전하는 한편 고해상도 미디어 서비스에 대한 관심이 고조됨에 따라, 연산량이 다소 증가하더라도 이미지나 비디오의 부호화 성능을 향상시키기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, JPEG2000 표준에서 이산 웨이브렛 변환(Discrete Wavelet Transform, DWT)을 이용하는 임베디드 부호화 기술을 채택한 이후, 임베디드 부호화의 성능을 향상시키는 다양한 기법들이 연구되고 있다.
임베디드 부호화란 비트단위의 정확한 비트율 제어가 가능할 뿐만 아니라 부호기가 생성한 비트스트림에 임의의 지점에서 잘림이 발생하더라도 복호기가 잘려진 비트스트림을 이용하여 복호를 수행할 수 있는 특징을 가지는 부호화 기술이다. 따라서 임베디드 부호화는 높은 부호화 성능을 제공할 뿐만 아니라 이미지나 비디오를 네트워크 가용 대역폭에 적응적인 비트율로 전송하는 응용분야에 효과적으로 사용된다.
일반적으로 DWT를 이용하는 기존의 임베디드 부호화 기법에서는 웨이브렛 계수들을 셋이나 블록으로 구성한 후, 지수적으로 감소하는 크기 임계값과의 비교를 통해 셋이나 블록의 중요도를 부호화한다. 이때, 크기 임계값을 2의 승수의 값으로 선택함으로서 비트평면 부호화가 수행되며, 부호화 비트평면에서 셋이나 블록내 계수들이 모두 0의 값을 가지는 경우 셋이나 블록을 적은 비트로 부호화함으로서 압축효과를 발생시킨다. 그러나 이러한 기존의 부호화 기법들은 빠른 부호화가 가능하고 임베디드 비트스트림을 생성하기에 적합한 반면, 부호화된 비트스트림이 비트율-왜곡의 관점에서 최적화되어 있지 않은 단점을 가진다. 이러한 단점을 개선하기 위해 임베디드 특징을 유지하면서도 비트율-왜곡 최적화를 수행하는 연구들이 있었으나, 기존의 연구들은 비트율-왜곡 최적화를 수행하기 위해 엔트로피 부호화의 성능이 감소하는 단점을 가진다.
본 논문에서는 기존의 연구들과 비교하여 연산량이 다소 증가하더라도 부호화 성능을 향상시키기 위한 새로운 임베디드 부호화 기법을 제안한다. 기존의 연구들이 가지는 단점들을 개선하기 위해, 제안하는 부호화 기법에서는 웨이브렛 계수나 블록을 비트율-왜곡비 기댓값에 따라 정렬함으로서 비트율-왜곡 최적화를 수행한다. 또한, 제안하는 부호화 기법에서는 블록의 비트율-왜곡비 기댓값을 이용하여 적응적인 블록분할 부호화를 수행한다. 엔트로피 부호화를 위해서는 웨이브렛 계수들 간에 존재하는 다양한 상관관계가 사용된다.
실험 결과는 제안한 부호화 기법이 임베디드 비트스트림을 생성하면서도 기존의 부호화 기법들과 비교하여 향상된 부호화 성능을 제공함을 보여준다. 특히, 부호화를 위해 입력되는 이미지와 비디오에 고주파 성분이나 객체의 움직임이 적을수록 제안한 부호화 기법이 기존의 부호화 기법들과 비교하여 높은 부호화 성능을 제공함을 보여준다. 또한, 실험 결과는 제안한 부호화 기법을 네트워크 가용 대역폭에 적응적인 비트율로 미디어를 전송하는 응용분야에 활용함으로서, 서비스 품질과 체감 품질을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, as hardware performance has been rapidly improved and interest in high-resolution media services has increased, researches for improving the coding performance of images or videos have been actively carried out even though the amount of computational complexity has increased somewhat. In particular, after adopting the embedded coding technique using discrete wavelet transform(DWT) in the JPEG2000 standard, various schemes have been studied to improve the performance of embedded coding.
Embedded coding is a coding technique which can provide accurate bitwise rate control, and has features that the decoder can perform decoding using a truncated bit-stream even if truncation occurs at an arbitrary point in the bit-stream generated by the encoder. Therefore, embedded coding not only provides high coding performance but also is effectively used in applications where images or videos are transmitted at an adaptive bit rate to the available bandwidth of the network.
Generally, the existing DWT-based embedded coding schemes construct sets or blocks of wavelet coefficients, and encode their significance by comparing the magnitude of wavelet coefficients in blocks or sets with an exponentially decreasing magnitude threshold. In this process, the DWT-based embedded coding schemes perform bit-plane coding by selecting the magnitude threshold to be a multiplier value of two, and compression effect occurs by encoding the sets or blocks with a small number of bits when all coefficients belonging to the sets or blocks have a value of zero in the encoded bit-plane. Although these existing coding schemes are capable of fast encoding and suitable to generate embedded bit-streams, they have the drawback that the encoded bit-stream is not optimized in terms of the rate-distortion aspect. In order to improve the drawback, there have been studies to perform rate-distortion optimization while maintaining embedded features. In these studies, however, they have the drawback that the performance of entropy coding decreases to perform rate-distortion optimization.
In this dissertation, a new embedded coding scheme is presented to improve the coding performance even if the computational complexity is increased somewhat compared with the previous works. In order to overcome drawbacks of the previous works, the proposed coding scheme performs rate-distortion optimization by aligning wavelet coefficients or blocks according to their expected rate-distortion slope. In addition, the proposed coding scheme performs adaptive block-partition coding using the expected rate-distortion slopes of blocks. For the entropy coding, various correlations existing among wavelet coefficients are utilized.
Experimental results demonstrate that the proposed coding scheme not only produces embedded bit-streams, but also provides better coding performances than the existing coding schemes. Especially, it is shown that the proposed coding scheme provides much better coding performances than the existing coding schemes when input images and videos have fewer high frequency components or less motions of objects. In addition, experimental results show that the proposed coding scheme can improve both the quality of service and the quality of experience by applying it to applications that transmit media at an adaptive bit rate to the available bandwidth of the network.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 관련 연구 5
• 2.1 임베디드 부호화 개요 5
• 2.2 임베디드 이미지 부호화 10
• 2.3 임베디드 비디오 부호화 24
• 제 3 장 기존 임베디드 부호화 기법의 문제점 37
• 3.1 임베디드 부호화의 성능 측면 고려사항 37
• 3.2 분할 부호화의 비트율-왜곡 측면의 문제점 40
• 3.3 PCRD 최적화 기반 부호화의 엔트로피 부호화 측면의 문제점 41
• 3.4 블록분할 부호화의 블록분할 효율성 측면의 문제점 48
• 제 4 장 제안하는 임베디드 부호화 기법 51
• 4.1 제안하는 임베디드 부호화 기법 개요 51
• 4.2 임베디드 이미지 부호화 기법 57
• 4.3 임베디드 비디오 부호화 기법 70
• 제 5 장 성능 평가 및 고찰 87
• 5.1 임베디드 이미지 부호화 기법의 성능 평가 87
• 5.2 임베디드 비디오 부호화 기법의 성능 평가 100
• 제 6 장 결 론 119