고품질 지상파 DMB 서비스를 위한 통계적 특성과 계층 간 의존성을 이용한 효율적인 SVC 부호화기 제어에 관한 연구 = A Study on the Efficient SVC Encoder Control Using Statistical Characteristics and Inter-layer Dependencies for the Advanced Terrestrial-DMB Service

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The T-DMB(Digital Multimedia Broadcasting) service was recently made available in the metropolitan area and it is allowed to provide up to CIF(Common Interleaved Frame) resolution.
The development of the hierarchical modulation transmission technology enabled the development of this technology which allows and extension of restricted bandwidth. Due to the low cost of display equipments as well as accepting high-quality of screen resolution, users' requests for high-quality mobile multimedia services are rapidly increasing.
In particular, as a base layer, the SVC(Scalable Video Coding) encoder including H.264 makes interchange possible prior to T-DMB service. The enhancement layer is able to offer the Advanced T-DMB service through spatial scalability.
However encoding standardized SVC is rather complicated and eats up operational capacity. So in order to accelerate the successful standardization and commercialization of the Advanced Terrestrial-DMB service, it is necessary to overcome these problems.
Using the algorithm model, this study through utilizes three avenues by which standardization and commercialization of the advanced Terrestrial-DMB service can be achieved.
That is, this study focuses on ways by which a reduction of complexities using statistical characteristic of JSVM9.12 can reduce computational burden. Additionally, it investigates and how Bit rate can be controlled for transmission of bit streams with limited bandwidth so that screen quality is improved or not sacrificed. Finally, it studies the control technique of integrated SVC to improve existing regular bit rates.
First, this paper prioritizes encoding by analyzing in terms of time the performance of each function and investigating the frequency of each function against the standard reference model JSVM encoder control.
It suggests that complexity models for VBR(Variable bit rate) and CBR(Constant bit Rate), because of the prioritization inherent in the encoding statistic of these models, can make carrying functions possible. Their performances were analyzed by carrying simulated experiments.
Second, this paper suggests the use of independent substitute allocation model and multiplex substitute allocation model through implementation of bit allocation to the enhancement layer and control of bit rate. Previously, bit rate control was applied only to the base layer. Inter layer statistical characteristic is used to enhance dependence between base layer and enhancement layer of SVC encoder control. Likewise, performance was analyzed by carrying out simulated experiments.
Third, this paper suggests the use of a unified control technique which makes dynamic bit allocation possible by controlling operation of encoder control buffer and improving conventional regular bit rate control technique. It suggests a way by which reduction of computational burden can be made possible while maintaining efficiency of encoding. This is done by using the inter layer encoder mode and statistic characteristic of quantization parameter which is based on suggested unified control technique. Performance is also analyzed through simulated experiments.
The suggested unified mode model reduced performance time the maximum by more than 60% as compared to the existing mode. Multiplex substitute allocation model using inter layer independencies is controlled up to 1.7%, compared to the case of controlling regular bit rate of independent substitute allocation model, showing 0.18dB improvement of screen quality. Multiplex bit rate control showed up to 0.3dB improvement of screen quality performance as compared to the conventional control technique. Through computer simulations, it is shown that the proposed control schemes reduce the heavy computational burden by up to 12% compared to the conventional scheme, while keeping the objective visual quality very high.

국문 초록 (Abstract)

현재 지상파 DMB 서비스는 대도시를 중심으로 최대 CIF급 화면 해상도로 서비스가 되고 있다. 하지만 계층 변조 기술의 발달로, 제한된 대역폭을 확장 가능한 기술이 개발되었고, 디스플레이 장치의 저렴화와 더불어 해상도가 고품질을 수용할 수 있게 되면서 고품질 멀티미디어 서비스에 대한 사용자의 요구가 증대되고 있다. 특히, H.264를 포함하고 있는 스케일러블 비디오 부호화 (SVC, Scalable Video Coding) 기법은 기저계층(BL, Base Layer)으로 기존의 지상파 DMB 서비스와 호환이 가능하도록 하면서 향상계층(EL, Enhancement Layer)은 공간적 확장성을 통하여 고품질 지상파 DMB 서비스를 제공할 수 있는 기술적인 환경을 제공하고 있다. 그러나 현재 표준화 완료된 SVC 기법을 부호화기가 매우 복잡하고, 매우 많은 연산량을 필요로 하므로, 표준화 및 상업화하기에는 반드시 해결해야 할 문제점이다.
본 논문에서는 고품질 지상파 DMB 서비스의 표준화 및 상업화를 촉진하기 위한 방안으로서 3가지 관점에 대해 연구를 진행하였다. 즉, 계산량을 줄이기 위하여 JSVM9.12의 통계적 특성을 이용하여 복잡도를 줄이는 기법, 화질적 성능개선과 한정된 대역폭으로 비트스트림을 전송하기 위한 고정 비트율 제어 그리고 기존의 고정비트율 제어 기법을 개선한 통합된 SVC 제어기법에 대하여 연구하였다. 첫째, 표준 참조 모델인 JSVM9.12 부호화기에 함수별 수행시간 분석과 함수 사용 빈도수를 조사하여 부호화시의 우선순위를 결정하고, VBR과 CBR을 위한 부호화시 통계적 특성을 이용하여 우선순위 별로 함수가 수행될 수 있는 VBR을 위한 복잡도 모델과 CBR을 위한 복잡도 모델을 제시하고 모의실험을 수행하여 성능을 분석하였다. 둘째, SVC 부호화기의 기저계층과 향상계층의 계층간 통계적 특성과 의존성을 이용하여 기저계층에만 비트율 제어가 적용된 것을 향상계층에도 비트할당 및 비트율 제어를 구현하여 계층별 독립적인 대역 할당 모델과 다중화 된 대역 할당 모델을 제시하고 모의실험을 수행하여 성능을 분석하였다. 셋째, 기존의 고정 비트율 제어기법을 개선하여 부호화기 버퍼를 통합 운영 제어함으로서 동적인 비트 할당을 할 수 있는 통합제어기법을 제안한다. 또한 제안된 통합 제어 기법에 기초하여 계층간의 부호화모드와 양자화 파라미터의 통계적 특성을 이용하여 부호화 효율을 우수하게 유지하면서 계산량을 줄일 수 있는 방안을 제안하고 모의실험을 수행하여 성능을 분석하였다.
제안된 통합모드 모델은 기존 방식보다 최대 60% 이상 수행시간을 단축하였고, 계층별 의존성을 이용한 다중화 된 대역 할당 모델은 독립적인 대역 할당 모델의 고정 비트율 제어 시 보다 최대 1.7% 적은 비트율로 제어 되었으며 화질개선은 최대 0.18dB로 나타났다. 또한 다중화 된 비트율 제어방식은 기존의 제어 방식에 비해 최대 0.3dB까지 화질적 성능개선을 나타내었으며, 제안 된 통합버퍼제어 기법은 화질 변화가 거의 초래되지 않으면서 계산량은 기존의 방식에 비해 최대 12%까지 줄일 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 i
• 그림목차 ii
• 약어설명 iv
• 국문요약
• 제 I 장 서 론
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구목적 및 중요성 2
• 3. 연구내용 및 구성 4
• 제 II 장 지상파 DMB 고도화망과 스케일러블 비디오 부호화의 기술 개요
• 1. 지상파 DMB 고도화망의 개념 8
• 2. 스케일러블 비디오 부호화(SVC)기술과 규격 10
• 3. 계층 변조 기술 17
• 4. 고품질 T-DMB 서비스를 위한 SVC의 계층 구성 20
• 5. AT-DMB를 위한 SVC 부호화기의 구조와 특징 21
• 제 III 장 SVC 부호화기의 복잡도 분석을 통한 간략화 모델
• 1. JSVM 9.12 부호화기의 함수 구조 24
• 2. JSVM 9.12 부호화모듈별 세부기능과 함수구조 30
• 3. JSVM 9.12 부호화기의 복잡도 분석과 통계적 특성 36
• 4. SVC 부호화기 복잡도 간략화 모델 48
• 5. 모의실험 결과 및 검토 63
• 제 IV장 SVC 비트율 제어 기법과 계층 간 할당모델
• 1. JSVM 9.12 부호화기의 기본계층 비트율 제어 알고리즘 65
• 2. JSVM 9.12 부호화기의 기본계층 비트율 제어 함수 구조 77
• 3. 계층간 대역 할당 모델에 따른 비트율 제어기법 82
• 4.대역 할당 방식에 따른 고정 비트율 제어기의 성능분석과 비교 90
• 5. 모의실험 결과 및 검토 100
• 제 V장 SVC부호화기 복잡도 모델 및 비트율 제어를 혼용한 통합제어 모델
• 1. AT-DMB를 위한 공간 확장성 SVC 부호화기와 기존의 비트율 제어 102
• 2. 2계층 공간 확장성을 위한 비트할당 및 통합고정 비트율 제어기법 104
• 3. 통합 고정 비트율 제어기 모의 실험결과 107
• 4. 계층 간 부호화 모드의 통계적 특성과 부호화 모드 결정기법 108
• 5. 결합 모델에 대한 모의실험 결과 및 검토 117
• 제 VI장 결 론 120
• 참고문헌 122
• 영문요약(ABSTRACT) 127