[논문]비디오 해상도 및 양자화 파라미터를 고려한 HEVC의 화면내 부호화 복잡도 감소 기법

이홍래; 서광덕

비디오 해상도 및 양자화 파라미터를 고려한 HEVC의 화면내 부호화 복잡도 감소 기법
Scheme for Reducing HEVC Intra Coding Complexity Considering Video Resolution and Quantization Parameter 원문보기

이홍래 (연세대학교 컴퓨터정보통신공학부) , 서광덕 (연세대학교 컴퓨터정보통신공학부)

최근 초고화질 해상도(UHD) 영상 서비스에 따른 기존의 비디오 압축 기술인 H.264/AVC 대비 두 배 이상의 압축 성능을 가지는 HEVC(High-Efficiency Video Codec)의 표준화가 완료되었다. 그러나 높은 압축 효과를 얻기 위하여 복잡한 연산이 필요한 기법들이 많이 도입되어 HEVC의 부호화 복잡도는 H.264/AVC보다 크게 증가되었다. 예로써 HEVC의 화면내 예측 부호화는 예측 방향를 최대 35개까지 확장함으로써 기존 H.264/AVC에 비해서 향상된 부호화 효율을 갖지만 화면내 부호화의 복잡도는 크게 증가되어 복잡도 감소 기법이 필요하다. 본 논문은 화면내 예측 부호화에 사용되는 예측 방향 35가지를 비디오 해상도와 양자화 파라미터 크기를 고려하여 4가지 모드로 나누고 비디오 해상도의 따른 PU(Prediction Unit)의 크기의 점유율에 따라 예측 방향 개수를 변경함으로써 계산 복잡도를 감소시키는 기법을 제안한다. 실험 결과를 통해 제안된 기법을 적용함으로써 대략 2%의 BD-rate 증가로 부호화 시간을 4% 감소시킬 수 있었다.

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문제 정의

본 논문에서는 비디오 해상도와 양자화 파라미터 크기를 고려하여 HEVC 화면 내 예측 부호화에 사용되는 예측 방향 35가지를 4가지 모드로 나누고 비디오 해상도의 따른 PU의 크기의 점유율에 따라 예측 방향 개수를 변경함으로써 계산 복잡도를 감소시키는 기법을 제안하였다. HM 12.
본 논문에서는 화면내 부호화의 복잡도 감소를 위하여 RMD(Rough Mode Decision) 과정에서의 탐색 모드의 수를 비디오 해상도와 양자화 파라미터 크기에 따라 후보의 수를 제한하는 방법을 제안한다. 2장에서는 비디오 해상도와 양자화 파라미터 크기에 따라 후보의 수를 제한하는 방법을 제안하고 3장에서는 제안한 방법에 의한 실험결과를 제시한 후 4장에서 결론을 맺는다.

제안 방법

0에 구현된 화면내 부호화 순서이다. HEVC의 고속화를 위한 RMD과정에서는 PU의 크기와 상관없이 35가지 모든 모드에 대해서 SATD(Sum of Absolute Transformed Difference)를 사용하여 율-왜곡 비용을 계산한다. 하지만 PU의 크기를 고려하지 않고 35가지 모드를 수행하는 것은 부호화의 복잡도 증가의 원인이다.
표 5는 위에서의 자료를 토대로 RMD의 예측 후보 모드를 4가지로 만들었으며 이에 따라 각 PU와 QP 크기에 따라 적용하는 방법을 제안한다.
표 8은 표 5에서 제안한 예측후보 모드를 비디오 해상도에 따른 PU의 비율과 QP의 크기에 따른 예측 방향의 비율에 맞추어서 적용시켜서 실험을 실시하였다. 또한 부호화 시간의 변화인 △Time 식은 (1)과 같이 계산한다.

데이터처리

본 논문의 제안한 방법을 실험하기 위하여, HEVC 참조 소프트웨어인 HM12.0[5]에 구현하고 이를 기존 HEVC와 비교분석하였다. 또한 표 6에 명시된 환경에서 실험을 진행하였으며 표 7에 명시된 영상들을 실험에 사용하였다.

성능/효과

표 9는 표8에서 보여준 설정대로 실험한 결과를 나타낸다. Class B ParkScene의 영상의 경우 0.9% 의 압축 손실로 QP=22 에서 인코딩 시간이 4.5% 가 줄었으며 QP=37에서는 7% 가 줄었음을 볼 수 있었고 Class C Party Scene 영상의 경우 1.2% 의 압축 손실로 QP=37 에서 5% 의 인코딩 시간이 준 것을 알 수 있다. 전체적인 결과로 비디오 해상도가 큰 Class B의 영상에서 PU 크기가 작은 경우 선택 비율이 C와 D에서 보다 낮음으로 예측 방향의 수를 줄임으로 압축 손실 대비 인코딩 시간이 감소됨이 큰 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 비디오 해상도와 양자화 파라미터 크기를 고려하여 HEVC 화면 내 예측 부호화에 사용되는 예측 방향 35가지를 4가지 모드로 나누고 비디오 해상도의 따른 PU의 크기의 점유율에 따라 예측 방향 개수를 변경함으로써 계산 복잡도를 감소시키는 기법을 제안하였다. HM 12.0 환경에서의 실험을 통해, 비디오의 해상도의 크기가 큰 경우 작은 크기의 PU의 예측방향의 수를 감소시킴으로 0.9%의 미비한 부호화 손실로 약 7% 의 부호화 시간을 감소시킬 수 있었다. 하지만 다양한 해상도의 변경과 QP 크기에 따른 예측방향을 최적으로 선택하기 위해서는 추가적인 연구가 더 필요하다.
또한 H.264/AVC는 화면 내 예측 부호화를 위하여 16×16 블록에 대해 4가지 예측모드, 8×8과 4×4 블록에 대해서는 9가지 예측모드를 사용하는데 비해 HEVC에서는 전체 35가지의 확장된 예측 모드를 사용하므로 높은 부호화 효율을 얻을 수 있다.
분석해 보면 화면 내 예측에서 Planar(0), DC(1), Horizontal(10), Vertical(26)이 가장 많이 선택되었으며, Horizontal과Vertical의 주위의 모드들이 그 다음으로 많이 선택되며 나머지 부분들은 1% 이하로 선택되는 경우가 많음을 알 수 있다. 또한 표 1의 내용으로부터 각 PU의 크기에 따른 점유율이 증가 할수록 선택되는 예측방향의 개수도 증가함을 알 수 있다.
2% 의 압축 손실로 QP=37 에서 5% 의 인코딩 시간이 준 것을 알 수 있다. 전체적인 결과로 비디오 해상도가 큰 Class B의 영상에서 PU 크기가 작은 경우 선택 비율이 C와 D에서 보다 낮음으로 예측 방향의 수를 줄임으로 압축 손실 대비 인코딩 시간이 감소됨이 큰 것을 알 수 있다.

후속연구

9%의 미비한 부호화 손실로 약 7% 의 부호화 시간을 감소시킬 수 있었다. 하지만 다양한 해상도의 변경과 QP 크기에 따른 예측방향을 최적으로 선택하기 위해서는 추가적인 연구가 더 필요하다.

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