[논문]H.264/AVC용 가변 블록 크기를 지원하는 움직임 추정 부호기의 연구

김원삼; 손승일

doi:10.6109/jkiice.2008.12.10.1845

[국내논문] H.264/AVC용 가변 블록 크기를 지원하는 움직임 추정 부호기의 연구
A Study on Motion Estimation Encoder Supporting Variable Block Size for H.264/AVC 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.12 no.10, 2008년, pp.1845 - 1852

김원삼 (한신대학교 정보통신학과) , 손승일 (한신대학교 정보통신학과)

초록
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인터 예측의 핵심 요소는 ME와 MC이다. ME는 SAD(Sum of Absolute Difference)와 같은 정합기준을 사용하는 것뿐만 아니라 비트스트림의 최종 비트수에 따라서 최적의 움직임 벡터를 찾는다. 인터 예측부호화는 고화질의 실시간 비디오 응용에 있어서 언제나 주된 병목을 초래한다. 따라서 실시간 비디오 응용에서는 인터 예측을 수행하는 고속의 전용 하드웨어를 필요로 한다. 본 논문에서는 H.264/AVC의 움직임 추정기를 연구하였다. 설계된 움직임 추정기는 2-D 시스토릭 배열 기반으로 기본 처리기 요소를 병렬로 연결하여 SAD 값을 빠르게 계산한다. 참조데이터를 상위영역과 하위영역으로 나누어 각각의 연결선을 두고 입력 시퀀스를 조절하여 파이프라인 중지 없이 연속적인 연산을 수행한다. 데이터 재사용 기법을 통하여 메모리 엑세스를 줄였고 특별한 지연 없이 최소의 SAD를 갖는 파티션을 찾아내어 움직임 벡터를 생성하게 하였다. 설계된 움직임 추정기는 가변 블록 크기를 지원하며 하나의 매크로블록의 연산을 하는데 328 사이클이 소요된다. 논문 [6]이 로컬메모리를 사용하는 것과 달리, 본 논문은 로컬메모리를 사용하지 않는다.

Abstract ▼ AI-Helper

The key elements of inter prediction are motion estimation(ME) and motion compensation(MC). Motion estimation is to find the optimum motion vectors, not only by using a distance criteria like the SAD, but also by taking into account the resulting number of 비트s in the 비트 stream. Motion compensation is compensate for movement of blocks of current frame. Inter-prediction Encoding is always the main bottleneck in high-quality streaming applications. Therefore, in real-time streaming applications, dedicated hardware for executing Inter-prediction is required. In this paper, we studied a motion estimator(ME) for H.264/AVC. The designed motion estimator is based on 2-D systolic array and it connects processing elements for fast SAD(Sum of Absolute Difference) calculation in parallel. By providing different path for the upper and lower lesion of each reference data and adjusting the input sequence, consecutive calculation for motion estimation is executed without pipeline stall. With data reuse technique, it reduces memory access, and there is no extra delay for finding optimal partitions and motion vectors. The motion estimator supports variable-block size and takes 328 cycles for macro-block calculation. The proposed architecture is local memory-free different from paper [6] using local memory. This motion estimation encoder can be applicable to real-time video processing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 H.264/AVC의 가변 블록 크기를 지 원하는움직 임 추정기를 제안하였다. 움직 임 추정은 인코더의 연산량에 60 -70% 차지할 만큼 복잡도가 높기 때문에 μ] 실시간처리를 위한하드웨어 구현이 필요하다.
이에 본 논문은 2D PE 배 열의 장점을 이용하고 논문 [6]의 단점을 해결하기 위한 움직임 추정의 아키텍처를 연구하였다.

제안 방법

전치 배열은 Bin Sheng[3]이 제안한 전치 배열 구조를 움직임 추정에 적용하기 위하여 수정하였다. 16x16 매크로블록 단위의 처 리가 가능하게 하고, PE 배열 구조의 입력 순서에 맞출 수 있도록 수정하였으며 제안하는 구조는 그림 2와 같다.
각 블록별 최소 왜곡 검출기로부터 매크로블록 파티션 4개의 조합과 8×8 블록 당 서브매크로블록 파티션 4 개씩 16개의 조합을 생성하여 최소의 SAD를 갖는 파티션을 찾아내야한다. 그 후 최적의 매크로블록 파티션과 서브매크로블록 파티션을 비교하여 최소의 블록 왜곡을 갖는 파티션과 각각의 파티션의 벡터를 얻게 된다.
첫 번째로는 각각의 블록 크기별로 최소의 SAD를 갖는 벡터를 구한다. 두 번째로는 매크로 블록 내에서 가능한 모든 블록 조합 중 최소의 SAD를 갖는 파티션을 찾아낸다.
본 논문에서는 완전탐색 블록 정 합 알고리즘인 SAD (Sum of Absolute Difference)를 정 합 척 도로 사용하고 2-D 시 스토릭 배 열(Systolic Array)을 이용한 움직 임 추정기를 제안한다.
완전 탐색 블록정합 알고리즘인 SAD와 2-D 시스토릭 배열을 이용하여 움직 임 추정기를 구현하였다. 제안된 움직임 추정기는 탐색 영역의 입력을 2개로 나누어 시스토릭 배열 기반에서 지연없이 고속처리가 가능하도록 구현하였다.
이에 반해 본 논문은 16x16 크기의 전치 배열 3개를 이용하여 32비트 대역폭 시스템에 적용가능하며 PE 내부에 16x16 스탠딩 래치 3개를 통해 데이터 재사용 기법을 실현하여 메모리 엑세스 빈도를 크게 감소시켰다.
전체 시스템은 주소발생기(Address generator), 전치 배열 (Transpose Array), 쉬 프트 레지 스터(Shift register array), SAD 병 합기(SAD merger), 비 교기(Comparator), 움직임 벡터 예측기(Motion vector predictor) 및 제어기 (Controller)로 구성되어 있다.
따라서 입 력된 현재 매크로블록 및 탐색 범위를 전치시켜주어야 한다. 전치 배열은 Bin Sheng[3]이 제안한 전치 배열 구조를 움직임 추정에 적용하기 위하여 수정하였다. 16x16 매크로블록 단위의 처 리가 가능하게 하고, PE 배열 구조의 입력 순서에 맞출 수 있도록 수정하였으며 제안하는 구조는 그림 2와 같다.
제안된 움직임 추정기는 탐색 영역의 입력을 2개로 나누어 시스토릭 배열 기반에서 지연없이 고속처리가 가능하도록 구현하였다.
움직 임 추정은 인코더의 연산량에 60 -70% 차지할 만큼 복잡도가 높기 때문에 μ] 실시간처리를 위한하드웨어 구현이 필요하다. 제안하는 구조는 2D PE 배 열을 사용하여 높은 Throughput을 달성하였고 부분 합의 데이터 경로만을 변경하여 특별한 하드웨 어 의 증가 없이 H.264/AVC의 모든 가변 블록 크기를 지원한다. 기존의 대역폭 문제 또는 높은 메모리사용 문제를 해결하였으며 참조된 데이터의 재사용 하여 메모리 액세스의 빈도수를 줄였기 때문에 High-end 에 적합한 구조라 예상된다.
논문[6]은 2DPE 배 열을 이용하여 가장 높은 Throughput을 갖는다. 하지만 수직 방향 17개의 화소 열 4개가 동시적으로 입 력되어야하기 때문에 매우 넓은 대역폭이 필요로 하고 이를 해결하기 위해 움직 임 추정 연산 모듈 전단에 추가적인 내부 프레임 버퍼를 두었다.
하지만 제안하는 움직 임 예측은 N= 16이 고 수직 탐색 범위 Pv = 8이기 때문에 2Pv-Ne0이므로 중간영역은 존재하지 않으며 왼쪽의 PE에서 우측의 PE로 부분 합이 전달 될 때의 지 연만을 고려해 하나의 수직 방향USW 탐색 데 이 터 입력 후 1사이클 dummy 데이터를 입력 해주고 dununy 데 이 터 가 입력 되는 즉시 수직 방향으로 LSW 탐색데이터가 입 력되면 이웃하는 차기 기준블록의 블록처리를 지연 없이 연속으로 처리할 수 있다.

후속연구

기존의 대역폭 문제 또는 높은 메모리사용 문제를 해결하였으며 참조된 데이터의 재사용 하여 메모리 액세스의 빈도수를 줄였기 때문에 High-end 에 적합한 구조라 예상된다. 또한 제안하는 구조에서 사용된 전치배열과 데이터 재사용 기법은 하드웨어 면적에 제 한이 큰 응용 분야에 도 적용 가능할 것이다.

참고문헌 (7)

강현수, 박성모, "다중 참조 영상 움직임 추정을 위한 고속 전역탐색법," 전자공학회 논문지 제43권 SP편 제1호, pp.1-8 2006. 1

원문보기 상세보기
안태경, 문용호, 김재호, "적응적 다단계 연속 제거 알고리즘," 한국통신학회논문지, 제29권 제1C호, pp.111-118, 2004. 1
Bin Sheng, Wen Goo and Di Wu, "An implemented architecture of deblocking filter for H.264/AVC," 2004 International Conference on Image Pfocessing (ICIP)
남승현, "동영상 압축부호화를 위한 고속 이동벡터 추출기 VLSI설계," 연세대학교 박사학위논문, 1995. 12
Swee Yeow Yap and McCanny J. V., "A VLSI Architecture for Variable Block Size Video Motion Estimation," IEEE Trans. Circuits and Systems, pp.384-389, Vol.51, Jul. 2004

상세보기
Chien-Min Ou, Chian-Feng Le and Wen-Jyi Hwang, "An Efficient VLSI Architecture for H.264 Variable Block Size Motion Estimation," IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.51, No.4, Nov. 2005
Peter Kuhn, "Algorithms, complexity analysis and VSLI architectures for MPEG-4 motion estimation," Kluwer Academic Publishers, 2003

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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