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문제 정의
- 본 논문에서는 평균제곱오차와 함께 블록 내에 포함된 에지의 강도를 분할 기준으로 하여 영상을 분할함으로써 블록의 경계가 영상의 에지와 최대한 일치하도록 분할할 것을 제안한다. 이렇게 하면 분할된 블록의 수가 늘어날 수 있다.
제안 방법
- 9개의 256×256 휘도영상(Bank, Butterfly, Cameraman, Einstein, Jaguar, Lake, Lena, Man, Peppers)에 대해서 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법의 부호율-왜곡 성능과 압축 영상의 화질 특성을 분석하였다.
- 9개의 256×256 휘도영상(Bank, Butterfly, Cameraman, Einstein, Jaguar, Lake, Lena, Man, Peppers)에 대해서 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법의 부호율-왜곡 성능과 압축 영상의 화질 특성을 분석하였다. 비교대상으로는 대표적인 고정 블록 질감부호화 방식인 JPEG을 선택하였으며, 각각의 영상에 대해서 압축 영상의 PSNR(peak signal- to-noise ratio)이 25dB, 30dB, 35dB 및 40dB가 될 때의 화소당비트율(bpp, bits per pixel)을 서로 비교하였다.
- 에지 선을 보존하기 위한 새로운 분할 기준을 적용한 쿼드트리 영상 압축 기법을 제안하였다. 제안하는 영상 부호기는 잎 노드 블록의 예측부호화와 양자화 인덱스에 대한 가변길이부호화를 통해서 부호화 효율을 대폭 향상시킬 수 있었다.
- 잎 노드 블록에 대해서 블록의 평균화소값을 부호화하는 대신에 인접 블록을 이용해서 평균화소값을 예측한 다음 그 예측 오차를 부호화한다. 에지 영역에서는 작은 블록들로 영상이 분해되는데 이 작은 블록들은 상관성이 매우 높은 블록들이 인접해 있을 가능성이 높다.
- 잎 노드 블록의 평균화소값을 양자화할 때, 본 논문에서는 하위 레이어, 즉 작은 크기의 블록에 적용하는 양자화 스텝 크기를 상위 레이어, 즉 큰 블록에 적용하는 스텝 크기보다 크게 하여 양자화하도록 설계하였다. 이 때문에 4개의 하위 레이어 블록들을 따로따로 양자화하기보다 그것들을 묶어서 하나의 블록으로 양자화하는 것이 양자화 잡음을 더 줄일 수 있는 경우가 있다.
- 따라서 이 예측 오차를 지수-골롬 부호(ex- ponential-Golomb code)를 사용해서 부호화함으로써 평균부호길이를 대폭 줄일 수 있다. 지수-골롬 부호는 지수 분포를 갖는 심벌을 매우 효율적으로 부호화하는 것으로 알려져 있는데, 본 논문에서는 참고문헌 [9]를 참고하여 부호기를 구현하였다.
데이터처리
- 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법은 Microsoft Vi- sual C++로 구현하였으며, 비교대상인 JPEG은 Matlab의 함수를 사용하여 구한 결과이다. 구현된 쿼드트리 영상 압축기는 목표 1dB 단위의 목표 tPSNR을 사용자가 입력하도록 하고, 이 tPSNR 값을 사용해서 식 (7)과 (9)에서 사용된 MSEt를 아래와 같이 계산한 다음, 이를 이용하여 영상을 부호화한다.
성능/효과
- 256×256 휘도영상을 사용한 모의실험 결과는 제안하는 쿼드트리 영상압축기법이 JPEG에 비해서 27% 이상압축 효율이 우수함을 보여준다.
- 앞 절에서 구한 DPCM의 예측 오차는 라플라스 분포를 갖는다. 따라서 이 예측 오차를 지수-골롬 부호(ex- ponential-Golomb code)를 사용해서 부호화함으로써 평균부호길이를 대폭 줄일 수 있다. 지수-골롬 부호는 지수 분포를 갖는 심벌을 매우 효율적으로 부호화하는 것으로 알려져 있는데, 본 논문에서는 참고문헌 [9]를 참고하여 부호기를 구현하였다.
- 256×256 휘도영상을 사용한 모의실험 결과는 제안하는 쿼드트리 영상압축기법이 JPEG에 비해서 27% 이상압축 효율이 우수함을 보여준다. 또한 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법에 따라 압축된 영상에서는, JPEG을 통해 압축된 영상에서 나타나는 강한 에지 주위의 파문 현상이 보이지 않음도 확인하였다. 일반적으로 강한 에지와 단순한 질감으로 표현되는 애니메이션 영상의 압축과 일정 수준 이상의 고화질을 유지할 것이 요구되는 고해상도 포스터 화면의 압축 등에 쿼드트리 영상 압축 기법을 효율적으로 활용할 수 있으리라 기대된다.
- 그리고 그림 4는 이를 막대그래프로 나타낸 결과이다. 실험결과는 동일한 PSNR을 얻기 위해서 제안하는 에지-보존 쿼드트리 영상 압축 기법을 사용함으로써 JPEG보다 화소당비트율을 24.8%에서 30.5% 정도 낮출 수 있음을 보여준다. 실험에 사용된 모든 영상에 대해서 제안하는 압축 기법의 부호율-왜곡 성능이 JPEG보다 우수함도 표 1에서 확인할 수 있다.
- 5% 정도 낮출 수 있음을 보여준다. 실험에 사용된 모든 영상에 대해서 제안하는 압축 기법의 부호율-왜곡 성능이 JPEG보다 우수함도 표 1에서 확인할 수 있다.
- 그림 5(a)와 (b)는 35dB로 부호화한 Bank 영상을 (c)와 (d)는 40dB로 부호화한 Cameramen 영상이며, (a)와 (c)는 JPEG으로 압축된 영상을 (b)와 (d)는 제안하는 쿼드트리 영상압축 기법을 적용해서 압축한 영상을 나타낸다. 이때 제안하는 에지-보존 쿼드트리 영상 압축 기법은 JPEG에 비해서 화소당 각각 57.0%와 69.0%의 비트를 사용하여 부호화한 경우에 해당된다. 두 경우 모두 JPEG 압축 영상에서는 에지 선을 따라서 파문 현상을 확인할 수 있다.
- 에지 선을 보존하기 위한 새로운 분할 기준을 적용한 쿼드트리 영상 압축 기법을 제안하였다. 제안하는 영상 부호기는 잎 노드 블록의 예측부호화와 양자화 인덱스에 대한 가변길이부호화를 통해서 부호화 효율을 대폭 향상시킬 수 있었다. 256×256 휘도영상을 사용한 모의실험 결과는 제안하는 쿼드트리 영상압축기법이 JPEG에 비해서 27% 이상압축 효율이 우수함을 보여준다.
후속연구
- 즉 전송해야 할 잎 노드 블록의 수가 증가하여 효율적인 부호화에 부담으로 작용할 수가 있다. 그러나 이 문제점은 잎 노드 블록에 대한 차동펄스부호변조(differential pulse code modulation) 구조를 적용하고 예측 오차에 대해서 가변길이 부호화를 수행함으로써 효과적으로 해결할 수 있음을 보인다.
- 일반적으로 강한 에지와 단순한 질감으로 표현되는 애니메이션 영상의 압축과 일정 수준 이상의 고화질을 유지할 것이 요구되는 고해상도 포스터 화면의 압축 등에 쿼드트리 영상 압축 기법을 효율적으로 활용할 수 있으리라 기대된다. 앞으로 컬러 영상 압축을 위해 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법을 확산하는 연구가 필요하다.
- 또한 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법에 따라 압축된 영상에서는, JPEG을 통해 압축된 영상에서 나타나는 강한 에지 주위의 파문 현상이 보이지 않음도 확인하였다. 일반적으로 강한 에지와 단순한 질감으로 표현되는 애니메이션 영상의 압축과 일정 수준 이상의 고화질을 유지할 것이 요구되는 고해상도 포스터 화면의 압축 등에 쿼드트리 영상 압축 기법을 효율적으로 활용할 수 있으리라 기대된다. 앞으로 컬러 영상 압축을 위해 제안하는 쿼드트리 영상 압축 기법을 확산하는 연구가 필요하다.
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