[논문]HEVC Range Extension 표준 기술

이선일; 김찬열; 박정훈

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이선일 (삼성전자) , 김찬열 (삼성전자) , 박정훈 (삼성전자)

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문제 정의

HEVC 1차 버전의 표준화가 완료된 이후, HEVC의 기능을 다양한 방식으로 확장시키는 표준화가 추가되어 이미 완료되었거나 일부는 현재도 진행 중이며, 대표적인 것들로는 Range Extension, Scalable Extension, 3D-HEVC 등이 있다. 본 논문에서는 이 중, HEVC Range Extension 표준 기술에 대해 설명한다.
본 논문에서는 최근 그 표준화가 완료된 HEVC Range Extension 표준에 대해 간략히 살펴보았다. HEVC Range Extension은 HEVC 버전 1이 지원하지 않는 확장된 컬러 포맷과 높은 입력 비트 심도를 지원하기 위해 표준화가 진행되었으며, 해당 부호화 환경에서 새로이 발생하는 문제점을 해결하고, 압축 성능을 추가로 향상시키기 위한 기술들 또한 일부 새롭게 채택되었다.
본 절에서는, HEVC 버전 1에 포함되었으나 HEVC Range Extension에서 디자인이 변경되었거나, HEVC Range Extension에 새롭게 추가된 기술들을 간략히 살펴본다.

제안 방법

표에서 AI는 모든 프레임을 Intra로 부호화 하는 All Intra, RA는 주기적으로 Intra 프레임을 삽입 하여 (본 실험 환경에서는 1초 간격) 영상의 임의 탐색이 가능하게 만든 Random Access, LB는 시간적으로 현재 프레임 이전의 프레임들만 Inter 예측 시 참조 가능케 제한하여 인터넷 스트리밍 등의 응용 분야에 사용 되는 Low delay 환경을 제공하되, 시간적으로 현재 시점 이전에 존재하는 프레임들에 관해서는 양방향 Intra 예측을 허용하는 Low-delay B 실험 조건이다. MT와 HT, SHT는 각각 Main-Tier, High-Tier, Super- High-Tier이며, 각각 실험시 사용하는 QP값의 범위에 차이를 두어 서로 다른 비트율 및 화질을 지원하는 다양한 응용 분야에서의 성능 차이를 확인할 수 있게 하였다 (SHT로 갈수록 높은 비트율 영역에 해당된다). 입력 영상으로는 1920×1080 혹은 2560×1600의 해상도를 갖고, 4:2:2 혹은 4:4:4의 컬러 포맷 형식이며, 입력 비트 심도는 최대 12비트인 RGB 혹은 YCbCr 영상들이 사용되었다^[19].
먼저 Transform skip이 4x4 TU만이 아닌 모든 크기의 TU에 적용될 수 있도록 디자인이 변경되었고, Transform skip이 적용되는 최대 TU 크기는 Picture Parameter Set (PPS)에 포함시켜 전송케 하였다^[6]. 그리고 Transform skip이 적용된 TU의 Significance map 부호화를 위하여, Context 모델을 휘도 (luminance)와 색차 성분 각각 1개씩 총 2개를 추가하여, 변환 계수와 통계적 특징이 상이하게 다른 잔차 신호의 Entropy 부호화 효율을 향상시켰다^[7]. Transform skip과 관련하여 마지막으로 추가된 기술은 Transform skip rotation이다^[8].
HEVC Range Extension은 Screen content가 일반적으로 취하는 4:4:4 컬러 포맷의 입력 비디오도 부호화할 수 있어야 하므로, Screen content에 효과적인 Transform skip 기술이 다양한 측면에서 개선되었다. 먼저 Transform skip이 4x4 TU만이 아닌 모든 크기의 TU에 적용될 수 있도록 디자인이 변경되었고, Transform skip이 적용되는 최대 TU 크기는 Picture Parameter Set (PPS)에 포함시켜 전송케 하였다^[6]. 그리고 Transform skip이 적용된 TU의 Significance map 부호화를 위하여, Context 모델을 휘도 (luminance)와 색차 성분 각각 1개씩 총 2개를 추가하여, 변환 계수와 통계적 특징이 상이하게 다른 잔차 신호의 Entropy 부호화 효율을 향상시켰다^[7].
HEVC Range Extension은 HEVC 버전 1이 지원하지 않는 확장된 컬러 포맷과 높은 입력 비트 심도를 지원하기 위해 표준화가 진행되었으며, 해당 부호화 환경에서 새로이 발생하는 문제점을 해결하고, 압축 성능을 추가로 향상시키기 위한 기술들 또한 일부 새롭게 채택되었다. 본 논문에서는 HEVC Range Extension에 새로이 추가된 기술을 중심으로 HEVC Range Extension의 기술적 특징을 소개하였으며 각 기술이 새로이 정의된 각각 Profile에서 어떻게 지원되는지를 요약 설명하였고, 마지막으로 HEVC Range Extension의 성능을 이전 표준인 H.264/AVC와 비교 분석하였다.
HEVC Range Extension에서 확장된 컬러 포맷과 고 비트 심도를 지원하기 위한 필수적 변화들은 표준 문서 전반에 걸친 많은 변경 사항들을 포함하고 있으나, 대부분 직관적으로 이해가 가능한 것들이므로 지면 제약상 본 논문에서 다루지 않는다. 본 논문에서는 먼저 Range Extension에 새롭게 추가된 기술들을 간략히 살펴본 후, H.264/AVC FRExt 대비 HEVC Range Extension의 성능 개선 수준을 실험 결과를 통해 검증하고, HEVC Range Extension 표준 기술의 의미와 향후 응용 분야 등에 대한 논의로 결론을 대신한다.
본 절에서는 HEVC Range Extension (Main 4:4:4 12 Profile)의 성능을 H.264/AVC (High 4:4:4 Predictive Profile)과 비교한다. 비교 실험을 위한 Software로는 HM-14.

이론/모형

해당 변환 계수의 절대값이 2를 초과하는 경우, coeff_abs_level _remaining 문법 요소를 추가로 부호화하여 나머지 절대값을 나타내게 된다. HEVC에서는 이 문법 요소의 이진화(binarization)를 위하여 Golomb-Rice code를 사용한다. Golomb-Rice code는 절대값의 크기가 증가할수록 그 발생 확률이 낮아지는 입력 신호의 가변 길이 부호화 (variable-length coding)에 최적인 특징을 갖는 Universal code의 일종으로, 절대값의 크기가 0에 가까울수록 그 발생 빈도가 높아지는 변환 계수의 이진화에 사용하기에 적합하며, 일종의 변수인 Rice 인자 (Rice parameter)를 조절함으로써 입력 신호의 확률 분포 변화에도 대응할 수 있는 장점이 있다.
264/AVC (High 4:4:4 Predictive Profile)과 비교한다. 비교 실험을 위한 Software로는 HM-14.0+RExt-7.0 (HEVC Range Extension)과 JM-18.6 (H.264/AVC)을 사용하였으며, 실험 조건은 HEVC Range Extension의 공통 실험 조건에 정의된 바를 따랐다^[19]. 참고로 본절에서 제시하는 결과는 ^[20]에서 제시한 바와 같으며, 해당 기고문에는 현재 표준화가 진행중인 HEVC Screen content coding 확장 표준과의 성능 비교 결과도 제시되어 있다.

성능/효과

264/AVC의 부호화 성능 차이를 각각 RA와 LB 부호화 환경에서 보여주고 있다. 각 Rate-Distortion (RD) 곡선을 보면 HEVC Range Extension이 H.264/AVC 대비 크게 압축 성능을 향상시켰음을 다시 한번 확인할 수 있다.
표에서 제시된 바와 같이, HEVC Range Extension 은 H.264/AVC대비 AI-NT, RA-MT, LB-MT 부호화 환경에서 각각 -25%, -33%, -38%의 압축 성능 향상을 보여주고 있다. <그림 3>과<그림 4>는 실험 영상 중 하나인 Traffic 영상에 대한 HEVC Range Extension과 H.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

HEVC는 입력 비디오의 형식으로 어떠한 것을 지원하는가?

High Efficiency Video Coding (HEVC) 표준은 2013년 1월에 표준화가 완료되었으며, 입력 비디오의 형식으로는 일반적으로 널리 쓰이는 4:2:0 컬러 포맷과 최고 10비트의 비트 심도(Bit-depth)를 지원한다[1]. HEVC 1차 버전의 표준화가 완료된 이후, HEVC의 기능을 다양한 방식으로 확장시키는 표준화가 추가되어 이미 완료되었 거나 일부는 현재도 진행 중이며, 대표적인 것들로는 Range Extension, Scalable Extension, 3D-HEVC 등이 있다.

HEVC Range Extension 표준의 목적은 무엇인가?

본 논문에서는 이 중, HEVC Range Extension 표준 기술에 대해 설명한다. HEVC Range Extension 표준의 목적은 HEVC 1차 버전이 지원하지 않는 확장된 컬러 포맷(4:2:2 및 4:4:4)과 12비트 이상의 높은 비트 심도를 지원하는 것이다.[2].

Transform skip 기술에서 TU 변환이 생략될 경우 어떠한 문제가 발생하는가/

Transform skip 기술은 각 변환 단위(Transform Unit, TU)에서 선택적으로 변환을 생략하는 기술이며, 변환 부호화를 통해 오히려 화질의 열화가 발생하는 특수한 형태의 입력 비디오, 예를 들어 Screen content 의 부호화 성능을 향상시키기 위해 HEVC 버전 1에도 채택되어 있는 기술이다[5]. TU에서 변환이 생략될 경우, 실제 부호화되는 것이 변환 계수가 아닌 Intra 혹은 Inter 예측 후의 잔차 신호 자체이기 때문에 변환 계수의 부호화를 가정하고 설계된 HEVC 버전 1의 관련 기술들의 성능이 떨어지는 문제가 있다. 그러나 당시 이미 HEVC 버전 1의 표준화가 마무리 단계였기 때문에 다른 기술을 일체 변경하지 않고, Transform skip을 4×4 TU에 한하여 채택하는 것으로 버전 1의 표준화는 완료되었다.

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