[논문]초기 CU 크기 예측과 PU 모드 예측 비용을 이용한 고속 CU 결정 알고리즘

유향미; 신수연; 서재원

doi:10.5909/jbe.2014.19.3.405

초기 CU 크기 예측과 PU 모드 예측 비용을 이용한 고속 CU 결정 알고리즘
Fast CU Decision Algorithm using the Initial CU Size Estimation and PU modes' RD Cost 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.19 no.3, 2014년, pp.405 - 414

유향미 (충북대학교 전자공학과) , 신수연 (충북대학교 전자공학과) , 서재원 (충북대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

HEVC는 재귀적 쿼드 트리 구조를 갖는 CU를 부호화에 적용함으로써 높은 부호화 효율을 얻었다. 그러나 이러한 재귀적 쿼드 트리 구조는 HEVC의 부호화 복잡도를 매우 증가시키는 결과를 가져왔다. 본 논문에서는 이러한 재귀적 쿼드 트리 구조 안에서 빠른 CU 결정이 가능한 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 CTU 부호화가 이루어지기 전에 미리 초기 CU 크기를 예측하고, CU 부호화 과정에서 CBF와 PU 모드 예측 비용을 이용한 조건을 확인하여 고속 CU 결정이 이루어지도록 한다. 또한 인터 PU 모드 예측과정에서 얻은 CBF값들을 이용하여 인트라 모드 예측 생략이 가능하다. 실험결과, 제안한 알고리즘의 조건에 포함된 가중치값에 따라 최대 평균 49.91%, 37.97%의 부호화 시간 감소 효과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

High Efficiency Video Coding(HEVC) obtains high compression ratio by applying recursive quad-tree structured coding unit(CU). However, this recursive quad-tree structure brings very high computational complexity to HEVC encoder. In this paper, we present fast CU decision algorithm in recursive quad-tree structure. The proposed algorithm estimates initial CU size before CTU encoding and checks the proposed condition using Coded Block Flag(CBF) and Rate-distortion cost to achieve the fast encoding time saving. And, intra mode estimation is also possible to be skipped using the CBF values acquired during the inter PU mode estimations. Experiment results shows that the proposed algorithm saved about 49.91% and 37.97% of encoding time according to the weighting condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 고속의 CU 결정 알고리즘을 제안하였다. 예측된 초기 CU 크기로 CU 부호화를 시작하여 불필요한 큰 크기의 CU 부호화를 생략할 수 있었으며 재귀적인 쿼드 트리 구조에서 CBF와 PU 모드 비용을 이용한 조건을 사용함으로써 빠른 CU 모드 결정을 이룰 수 있었다.
HEVC에서는 최적의 CU를 찾기 위해 가장 큰 크기의 CTU 비용 조사를 시작으로 가장 작은 크기의 CU까지의 모든 비용을 계산한다. 본 논문에서는 부호화가 끝난 후 각각의 CU크기에 따른 CU 선택율을 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 여러 가지의 QP값( 22, 27, 32, 34 )과 여러 가지 해상도를 갖는 11가지의 실험 입력 영상들(Traffic, PeopleOnStreet, ParkScene, BQTerrace, BasketballDrive, BasketballDrill, PartyScene, RaceHorses, BasketballPass, BQSquare, RaceHorses)을 사용하였고, high effi- ciency - random access의 조건에서 비대칭 파티션 PU 모드를 사용하지 않고 실험하였다.
본 논문에서는 초기 CU 크기를 예측하는 방법, CBF와각 PU 모드들의 비용을 이용한 방법으로 이루어져있는 고속 CU 결정 알고리즘을 제안한다. 본 논문의 기술 구조는 아래와 같다.
그 중 가장 작은 비용을 갖는 최적의 PU 모드를 찾기 위해 모든 PU 모드의 비용은 순서대로 다음 PU 모드의 비용과 비교된다. 이러한 구조 안에서 계산적 복잡도의 감소를 위해 본 장에서는 CBF와 PU 모드의 비용을 이용한 고속 CU 결정 방법을 제안한다. 각 PU 모드의 비용과 CBF 값, SKIP 모드의 비용을 조사하였다.

제안 방법

이러한 구조 안에서 계산적 복잡도의 감소를 위해 본 장에서는 CBF와 PU 모드의 비용을 이용한 고속 CU 결정 방법을 제안한다. 각 PU 모드의 비용과 CBF 값, SKIP 모드의 비용을 조사하였다. PU 모드 예측 후에 CBF가 0이라면 부호화될 잔여 신호가 존재하지 않기 때문에 작은 비용을 갖으며, 따라서 SKIP 모드는 작은 비용을 발생시킨다.
공간적 영역에서 인접한 영역 간에는 높은 공간적 상관성이 존재할 가능성이 높으며, 동영상에서 시간적으로 가까운 프레임과는 높은 시간적 상관성을 갖을 가능성이 높다. 따라서 초기 CU 크기를 예측하기 위해서 그림 4와 같이 현재 CTU의 주변 CU들과 이전 프레임에서의 현재 CTU 위치 CU들의 크기를 조사한다. 이러한 초기 CU 크기의 깊이 값은 아래의 식 (3)과 같이 구할 수 있다.
실험을 위해 5초의 ClassA 영상과 10초의 ClassB, C, D, E 영상이 사용되었으며 QP값은 22, 27, 32, 37을 사용하였다. 또한 random access와 low delay P의 조건에서 실험하였으며 비대칭 파티션 모드를 사용하지 않는 것을 제외한 모든 조건은 초기 조건과 동일하게 실험하였다. 제안한 알고리즘의 실험결과는 Gweon^[5]과 Choi^[7]의 실험 결과와 비교하여 보여주며, 아래의 식 (8), (9), (10)과 같은 방법을 이용하여 PSNR, 비트율, 부호화 시간을 비교한다.
최적의 CU를 결정하기 위한 CU 비용 계산은 현재 CU에 대해서 그림 2의 모든 PU 모드 예측이 수행되고 이 중에서 가장 적은 비용을 갖는 PU 모드가 최적의 PU 모드로 선택되어 이루어진다. 또한 각각의 PU 모드 예측 수행 과정에서는 해당 PU 모드를 이용해서 얻은 현재 CU 크기의 복원 블록과 현재 CU 블록 간의 차를 이용하여 비용을 계산한다. 비용을 계산하는 방법은 아래의 식 (1), (2)와 같다.
본 논문에서 제안하는 고속 CU 결정 알고리즘은 초기 CU 크기 예측 방법, CBF와 PU 모드 예측 비용을 이용한 고속 CU 모드 결정 방법, 인트라 모드 예측 생략 방법으로 이루어져있다. 전체적인 알고리즘의 순서도는 그림 3에서 나타낸다.
제안하는 알고리즘의 조건에 ⍺를 적용하여 CU의 부호화 속도 조절이 가능하도록 하였다. 본 장에서 제안하는 방법은 정확하고 빠르게 최적의 PU 모드를 찾기 위해 CBF와 PU 예측 비용을 사용하여 균일한 특성으로 이루어진 영역의 PU 모드를 빨리 걸러내려 하였다. 따라서 Gweon^[5]의 CBF값을 확인하는 조건이 사용되었다.
본 논문에서는 부호화가 끝난 후 각각의 CU크기에 따른 CU 선택율을 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 여러 가지의 QP값( 22, 27, 32, 34 )과 여러 가지 해상도를 갖는 11가지의 실험 입력 영상들(Traffic, PeopleOnStreet, ParkScene, BQTerrace, BasketballDrive, BasketballDrill, PartyScene, RaceHorses, BasketballPass, BQSquare, RaceHorses)을 사용하였고, high effi- ciency - random access의 조건에서 비대칭 파티션 PU 모드를 사용하지 않고 실험하였다. 이 실험의 결과는 표1에 보인다.
예를 들어, 7번 CU까지의 비용 계산이 끝났을 때, 4~7번의 CU 비용의 합과 3번 CU의 비용을 비교하여, 만약 3번 CU 비용이 더 작은 값을 갖는다면, 임시적으로 3번 CU가 최적의 CU로 결정된다. 이러한 방법으로 마지막 85번 CU까지 비용 계산이 끝났을 때, 82~85 CU들의 비용 합과 81번 CU의 비용을 비교하여 임시적인 최적의 CU를 구한다. 만약 81번이 임시적으로 최적의 CU가 되었다면, 81번의 비용은 다시 66, 71, 76번 CU 위치의 임시적인 최적의 비용들과 합하여, 65번 CU의 비용과 비교된다.
PU 모드 예측 후에 CBF가 0이라면 부호화될 잔여 신호가 존재하지 않기 때문에 작은 비용을 갖으며, 따라서 SKIP 모드는 작은 비용을 발생시킨다. 이러한 조건을 이용하여 고속 CU 결정 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 그림 2의 2N×nU, Inter 2N×nD, Inter nL×2N, inter nR×2N와 같은 비대칭 파티션 모드는 사용하지 않는다.
HEVC는 영상의 시간적, 공간적 중복성을 감소시킴으로써 압축 효율을 높인다. 이를 위하여 이전의 비디오 압축 표준 기술인 H.264/AVC와 마찬가지로 하이브리드 코딩 구조를 사용하였고, 따라서 H.264/AVC와 비슷한 부호화 구조와 기술들을 갖는다. 그러나 HEVC에 향상된 부호화 기술들과 새롭게 제안된 부호화 기술들이 적용됨으로서 H.
제안하는 방법은 인터 모드 예측 수행이 끝날 때마다 두 가지의 조건을 확인하고 두 가지의 조건이 모두 만족하면, 현재 CU 내에 남아있는 나머지 PU 모드 예측들을 모두 생략한다. 또한 현재 CU 위치의 하위 CU들의 부호화 과정도 생략한다.
는 CU 크기에 따라 각각의 값이 따로 계산되어 존재하며, 이 값은 스킵 모드가 최적의 모드로 선택될 때마다 가장 최근의 스킵 모드 비용 4개와 현재 스킵 모드의 비용을 평균낸 값에 ⍺를 곱하여 갱신된다. 제안하는 알고리즘의 조건에 ⍺를 적용하여 CU의 부호화 속도 조절이 가능하도록 하였다. 본 장에서 제안하는 방법은 정확하고 빠르게 최적의 PU 모드를 찾기 위해 CBF와 PU 예측 비용을 사용하여 균일한 특성으로 이루어진 영역의 PU 모드를 빨리 걸러내려 하였다.

대상 데이터

0 참조 소프트웨어에서 구현하여 성능을 평가하였다. 실험을 위해 5초의 ClassA 영상과 10초의 ClassB, C, D, E 영상이 사용되었으며 QP값은 22, 27, 32, 37을 사용하였다. 또한 random access와 low delay P의 조건에서 실험하였으며 비대칭 파티션 모드를 사용하지 않는 것을 제외한 모든 조건은 초기 조건과 동일하게 실험하였다.

데이터처리

제안한 고속 CU 모드 결정 알고리즘을 HM5.0 참조 소프트웨어에서 구현하여 성능을 평가하였다. 실험을 위해 5초의 ClassA 영상과 10초의 ClassB, C, D, E 영상이 사용되었으며 QP값은 22, 27, 32, 37을 사용하였다.
또한 random access와 low delay P의 조건에서 실험하였으며 비대칭 파티션 모드를 사용하지 않는 것을 제외한 모든 조건은 초기 조건과 동일하게 실험하였다. 제안한 알고리즘의 실험결과는 Gweon^[5]과 Choi^[7]의 실험 결과와 비교하여 보여주며, 아래의 식 (8), (9), (10)과 같은 방법을 이용하여 PSNR, 비트율, 부호화 시간을 비교한다.

성능/효과

실험결과, 각각의 CU 선택율은 QP와 입력 영상의 해상도, 입력 영상들의 특성에 따라 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었다. QP값과 입력 영상의 해상도가 낮고, 입력 영상이 빠르고 복잡한 움직임을 보이는 경우 CTU가 최적의 CU 크기로 결정되는 확률이 낮았다. 따라서 무조건적으로 가장 큰 CTU의 비용 조사를 시작으로 하는 CU 부호화는 부호화 시간을 낭비할 수 있다.
264/AVC와 비슷한 부호화 구조와 기술들을 갖는다. 그러나 HEVC에 향상된 부호화 기술들과 새롭게 제안된 부호화 기술들이 적용됨으로서 H.264/AVC보다 높은 부호화 효율을 얻었다. 특히 쿼드 트리 구조를 갖는 CU는 HEVC의 부호화 효율을 매우 높였고, 부호화 구조에 많은 변화를 가져왔다.
따라서 최대 64×64 크기의 CU가 최적의 CU 크기로 결정되는 것이 가능하여 해상도가 높은 영상에서 높은 압축 효율을 얻는 것이 가능하다.
예측된 초기 CU 크기로 CU 부호화를 시작하여 불필요한 큰 크기의 CU 부호화를 생략할 수 있었으며 재귀적인 쿼드 트리 구조에서 CBF와 PU 모드 비용을 이용한 조건을 사용함으로써 빠른 CU 모드 결정을 이룰 수 있었다. 마지막으로 인터 PU 모드 예측 과정에서 얻은 서브 CBF값들을 이용하여 인트라 모드 예측 생략이 가능하였다. 실험결과 제안한 알고리즘은 적은 PSNR값 감소와 약간의 비트율 증가로 최대 49.
마지막으로 인터 PU 모드 예측 과정에서 얻은 서브 CBF값들을 이용하여 인트라 모드 예측 생략이 가능하였다. 실험결과 제안한 알고리즘은 적은 PSNR값 감소와 약간의 비트율 증가로 최대 49.91%의 상당한 부호화 시간 감소를 얻을 수 있었다.
이 실험의 결과는 표1에 보인다. 실험결과, 각각의 CU 선택율은 QP와 입력 영상의 해상도, 입력 영상들의 특성에 따라 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었다. QP값과 입력 영상의 해상도가 낮고, 입력 영상이 빠르고 복잡한 움직임을 보이는 경우 CTU가 최적의 CU 크기로 결정되는 확률이 낮았다.
본 논문에서는 고속의 CU 결정 알고리즘을 제안하였다. 예측된 초기 CU 크기로 CU 부호화를 시작하여 불필요한 큰 크기의 CU 부호화를 생략할 수 있었으며 재귀적인 쿼드 트리 구조에서 CBF와 PU 모드 비용을 이용한 조건을 사용함으로써 빠른 CU 모드 결정을 이룰 수 있었다. 마지막으로 인터 PU 모드 예측 과정에서 얻은 서브 CBF값들을 이용하여 인트라 모드 예측 생략이 가능하였다.
따라서 다양한 크기의 CU, PU, TU가 존재한다. 재귀적인 쿼드 트리 구조는 HEVC가 높은 코딩 효율을 갖게 만들지만 또한 HEVC가 상당히 높은 복잡도를 갖도록 만드는 결과를 가져왔다. 이러한 높은 복잡도는 영상의 빠른 처리와 실시간 처리에 문제가 될 수 있다.
52%의 변화를 가졌다. 제안하는 알고리즘은 특히 Vidyo4(1280×720)의 영상에서 61.78%와 50.12%로 높은 부호화 시간 감소를 보였다. random access와 low delay P의 실험결과를 보면 전체적으로 큰 해상도를 갖는 영상에서 많은 부호화 시간 감소를 이루어냈다.
표 2는 random access의 조건에서 얻은 실험결과를 나타낸다. 제안한 알고리즘과 다른 알고리즘들과의 부호화 시간을 비교하면, ⍺값이 1.0일 때 평균 부호화 감소 시간은 37.97% 이므로써 다른 알고리즘들과 비슷한 부호화 시간을 갖지만, PSNR값은 -0.01dB 감소로 가장 작은 변화를 갖았다. 비트율은 0.
5로 증가시켰을 때 화질 열화는 가장 크게 발생되었지만 상당한 부호화 시간 감소를 얻을 수 있었다. 제안한 알고리즘은 전체적으로 큰 크기의 입력 영상에서 높은 부호화 시간 감소를 얻을 수 있었다.
random access와 low delay P의 실험결과를 보면 전체적으로 큰 해상도를 갖는 영상에서 많은 부호화 시간 감소를 이루어냈다. 표 2와 3에서 보이듯이 제안한 알고리즘은 전체적으로 비교적 높은 부호화 시간 감소를 보였으며 특히 PSNR 변화에서 -0.01dB로 가장 적은 변화를 보였다.

후속연구

현재 고화질의 고해상도 HD 콘텐츠와 HD 방송 서비스가 사용자에게 제공되고 있다. 곧, 더 높은 화질에 대한 사용자의 요구에 따라 초고화질의 UHD 콘텐츠와 UHD 방송 서비스가 제공될 것이다. 이러한 UHD의 서비스를 제공하기 위해서는 비디오 압축 표준 기술인 HEVC의 기술이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HEVC는 H.264/AVC와 어떠한 차이가 있는가?	264/AVC의 기반으로 이루어졌기 때문에 비슷한 코딩 구조를 갖는다. 그러나 H.264/AVC는 고정된 16×16 크기의 매크로 블록을 기본 단위로 갖는 반면에, HEVC는 가변적으로 크기 조절이 가능한 CTU(Coding Tree Block)를 기본 단위로 갖으며, 영상안의 슬라이스를 가장 큰 CU (Coding Unit)크기로 분할한 CTU의 번호 순서로 부호화가 진행된다. 각각의 CTU는 재귀적인 쿼드 트리 구조에 의해 더 작은 CU들로 나뉘며, 이러한 CU는 한 개의 PU (Prediction Unit) 또는 그 이상의 PU들에 의해 예측이 되고, TU(Transform Unit)의 단위로 변환(Transform)이 수행된다.
	HEVC는 어떻게 압축 효율을 높이는가?	HEVC는 영상의 시간적, 공간적 중복성을 감소시킴으로써 압축 효율을 높인다. 이를 위하여 이전의 비디오 압축 표준 기술인 H.
	HEVC 표준 기술의 목표는 무엇인가?	이러한 UHD의 서비스를 제공하기 위해서는 비디오 압축 표준 기술인 HEVC의 기술이 필요하다. 이 표준 기술은 H.264/AVC의 두 배 압축률을 갖는 것을 목표로 국제 표준화 단체인 ITU-T와 SO/IEC MPEG 의 공동 작업으로 JCT-VC팀에서 표준화가 이루어졌다[1]. 표준화는 현재 마무리되었으며, H.

참고문헌 (13)

B. Bross, W.-J. Han, G. J. Sullivan, J.-R. Ohm, and T. Wiegand, WD9: Working Draft 9 of High Efficient Video Coding (HEVC), Document JCTVC-K1003, Shanghai, CN, October 2012.
B. Li, G. J. Sullivan and J. Xu, Comparison of Compression Performance of HEVC Draft 9 with AVC High Profile and Performance of HM9.0 with Temporal Scalability Characteristics, Document JCTVC-L0322, Geneva, CH, January 2013.
G. J. Sullivan, J.-R. Ohm, W.-J. Han, and T. Wiegand, Overview of the High Efficiency Video Coding (HEVC) Standard, IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., vol. 22, no. 12, pp. 1649-1668, December 2012.

상세보기
K. McCann, B. Bross, I. K. Kim, S. I. Sekiguchi, W. J. Han, HM5: High Efficiency Video Coding (HEVC) Test Model 5 Encoder Description, Document JCTVC-G1102, Geneva, CH, November 2011.
R. H. Gweon ,Y. L. Lee, and J. Lim, Early Termination of CU Encoding to Reduce HEVC Complexity, Document JCTVC-F045, Torino, IT, July 2011.
R. H. Gweon ,Y. L. Lee, Early Termination of CU Encoding to Reduce HEVC Complexity, IEICE Trans. Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, vol. E95-A, no. 7, pp. 1215-1218, July 2012.

상세보기
K. Choi, S. H. Park, and E. S. Jang, Coding tree pruning based CU early termination, Document JCTVC-F092, Torino, IT, July 2011.
K. Choi and E. S. Jang, Fast coding unit decision method based on coding tree pruning for high efficiency video coding, SPIE Optical Engineering, vol. 51, no. 3, pp. 030502-1-030502-3, March 2012.

상세보기
J. Yang, J. Kim, K. Won, H. Lee, and B. Joen, Early SKIP Detection for HEVC, Document JCTVC-G543, Geneva, CH, Novemver 2011.
J. Kim, J. Yang, K. Won, and B. Joen, Early Determination of Mode Decision for HEVC, Picture Coding Symposium, Krakow, Poland, pp. 449-452, May 2012.
J. Kim, S. Jeong, S. Cho, and J. S. Choi, Adaptive Coding Unit Early Termination Algorithm for HEVC, IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas, USA, pp.261-262, January 2012.
H. M Yoo and J. W. Suh, "Fast Coding Unit Decision Algorithm Based on Inter and Intra Prediction Unit Termination for HEVC," IEEE International Conference on Consumer Electronics, Las Vegas, USA, pp.302-303, January 2013.
Woo-Jin Han, "Conditional Probability Based Early Termination of Recursive Coding Unit Structures in HEVC", JBE, Vol.17, No. 2, pp. 354-362, 2012, March.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증