멀티미디어 데이터의 저작권 보호를 위해 데이터의 조작에 강인한 특성을 가져야 하는 디지털 워터마크는 잡음 환경에서 최대한 오류를 줄이면서 데이터를 전달하고자 하는 채널 코딩 기법과 유사한 개념을 가진다. 본 논문에서는 정지영상을 대상으로 이러한 채널 코딩 알고리즘을 이용하여 각종 데이터의 조작에 강인한 디지털 워터마킹 기법을 제안한다. 저작권 정보는 길쌈 부호(convolutional code)를 사용하여 부호화되며, 데이터의 연속적인 손실을 방지하기 위하여 블록 인터리빙(block interleaving) 기법이 적용된다. 부호화된 저작권 정보는 데이터의 조작에 강인한 특성을 갖는 대역 확산 기법에 의해 영상 데이터에 은닉된다. 저작권 정보의 복원을 위해 워터마크된 영상과 은닉 과정에서 사용된 가상 랜덤 잡음 시퀀스(pseudo random noise sequence)와의 공분산(covariance)에 의해 워터마크 신호가 검출되며, 이 신호를 디인터리빙(de-interleaving)하고 복호화(decoding)하여 은닉된 저작권 정보를 복구한다. 실험 결과 일반적인 대역 확산 기법보다 채널 코딩과 블록 인터리빙을 활용한 기법이 동일한 PSNR에서 가우시안(Gaussian) 잡음 추가, 필터링 및 JPEG 압축 등의 공격에 대해 보다 정확하게 은닉된 저작권 정보를 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.
무손실 이미지 압축은 (Lossless Image Compression)은 손실이미지 압축(Lossy Image Compression)에 비해, 압축률(compression ratio)은 떨어지지만, 반면 원이미지와 복원이미지가 완전히 일치하므로, 원인이미지의 품질을 그대로 유지학 수 있다. 따라서, 이미지의 품질(Quality)과 압축효율(compression ratio)은 서로 상반된 관계에 있으며, 지금도 좀 더 놀은 압축효과를 얻으려는 여러 무손실 압축 방법이 발표되고 있다. 무손실 이미지 압축은 이미지의 정확성과 정밀성이 요구되는, 의료영양분야에서 가장 널리 쓰이고 있으며, 그밖에, 원본이미지를 기본으로 다른 이미지프로세싱이 필요한 경우, 압축 복원을 반복적으로 수행할 필요가 있을 때, 기타 사진 예술분야, 원격 영상 등 정밀성이 요구되는 분양에서 쓰이고 있다. [7]. 무손실 이미지 압축의 가장 대표적인 CALIC[3]과 JPEG_LS[2]를 들 수 있다. CALIC은 비교적 높은 압축률을 나타내지만, 3-PASS의 과정을 거치는 복잡도가 지적되고 있다. 반면 JPEG-LS는 압축률은 CALIC에 미치지 못하지만 빠른 코딩/디코딩 속도를 보인다. 본 논문에서는 여거 가지의 예측 모드를 두어, 블록단위별로 주변 CONTEXT에 따라, 최상의 예측 모드를 판단하여, 이를 적용, 픽셀의 여러 값을 최소화하였다. 그 후 적응산술 부호기(Adaptive arithmetc coder)를 이용하여, 인코딩을 하였다. 이때 최대 에러값은 64를 넘지 않게 했으며, 또한 8*8블록별로 에러의 최대값을 측정하여 그 값을 $0\~7$까지의 8개의 대표값으로 양자화하는 방법을 통하여 그에 따라 8개의 보호화 심볼 모델중 알맞은 모델에 적용하였다. 이를 통해, 그 소화값의 확률 구간을 대폭 넓힘으로써, 에러 이미지가 가지고 있는 엔트로피에 좀 근접하게 코딩을 할 수 있게 되었다. 이 방법은 실제로 Arithmetic Coder를 이용하는 다른 압축 방법에 그리고 적용할 수 있다. 실험 결과 압축효율은 JPEG-LS보다 약 $5\%$의 압축 성능 개선이 있었으며, CALIC과는 대등한 압축률을 보이며, 부호화/복호화 속도는 CALIC보다 우수한 것으로 나타났다.
본 논문에서는 프레임 제거시에 화질 개선을 위한 새로운 트랜스코딩 방식을 제안한다. 제안 방식은 연속된 프레임들간의 움직임 벡터들의 상관 관계를 활용하고 있으며, 트랜스코딩시 한 매크로블록당 네 개의 움직임 벡터를 고려한다. 제안 방법은 트랜스코딩시 부호화된 비트스트림으로부터 영상을 복호화할 필요가 없으므로, 움직임 벡터를 산출하는 복잡한 연산이 요구되지 않는다. 실험 결과는 트랜스코딩된 프레임이 I - 픽쳐에서 멀리 떨어질수록, 움직임이 큰 영상일수록 기존 방식에 비하여 더 나은 화질 개선 효과를 나타냄을 보여준다.
기존에 MPEG-1, 2나 H.261/263 등에 사용되고있는 움직임 예측 방법은 블록 기반의 코딩 방식으로 단순히 영상의 움직임을 선형 모델로 간주하고 영상을 일정한 크기의 사각형으로 나누어, 각 사각형이 어느 곳으로 이동하는지를 추정하는 방식이었다. 그러나 이러한 방식은 블록 당 하나의 움직임 벡터만으로 처리하기 때문에 블록 내의 복잡한 움직임은 추정할 수 없을 뿐만 아니라, 보다 일반적인 움직임인 회전, 뒤틀림, 확대, 축소 등을 추정할 수 없다. 또한, 영상의 내용에 상관없이 일정한 크기의 블록으로 나누어 처리하기 때문에 주어진 영상에 최적화된 움직임 추정을 수행하기가 어렵다. 특히 저속 비트율에서는 이러한 점들이 크게 부각된다. 이러한 점들을 극복하기 위해서 여기에서는 삼각형 메쉬를 이용한 공간 변환 방법을 이용하였다. 여기에 영상을 영상에 따라 적응적으로 분해하여 처리할 수 있는 웨이브렛 패킷 부호화를 사용하여 에너지가 많고 적음에 따라 초기 제어점의 격자를 조절하여 좀 더 우수한 성능을 얻을 수 있다.
본 논문에서는 High Efficiency Video Coding (HEVC)의 확장 버전에 적용된 바 있는 화면 내 블록 복사 (Intra Block Copy; IntraBC) 기술에 대해 개선 알고리듬을 제안하고 있다. IntraBC 는 화면 내 부호화 진행 시, 예측 유닛 (prediction unit; PU)단위로 현재 부호화하고 있는 코딩 트리 유닛 (coding tree unit; CTU)의 왼쪽에 위치하는 CTU 를 탐색하는 기법이다. 이때, 왼쪽 CTU 에서 가장 비슷한 블록을 찾아 그 움직임 벡터 (motion vector)를 저장 및 전송하게 된다. 제안하는 알고리듬은 움직임 벡터를 찾기 전, 왼쪽의 복원된 CTU 에 대해 특정 필터를 적용하여 블록킹 열화 (blocking artifact)를 완화시키고, 더욱 정확하고 섬세한 움직임 벡터를 찾도록 하였고, 이는 자연영상보다 스크린 콘텐츠에 더욱 적합함을 확인할 수 있었다.
본 논문은 비디오 처리를 위한 고성능의 메모리 제어기를 설계하였다. 메모리 제어기는 arbiter에 의해 제어되며 이것은 메모리 억세스를 요구하는 모듈들의 요구 신호를 받아 데이터를 전송하는 역할을 해주게 된다. 구현된 메모리 제어기는 버스를 사용하기 위한 승인을 받기 위해서 마스터와 신호를 주고 받는 MAU블록, grant 신호를 디코딩하고 컨트롤 신호의 상태를 정의한 arbiter 블록, SDRAM의 ac parameter를 저장하고 bank의 준비 여부, read/write 가능 여부, precharge와 refresh의 가능 여부를 확인하여 system과 read/write가 준비되었다는 신호를 출력, SDRAM의 실질적인 입력신호를 생성하는 memory accelerator 블록, 생성된 입력신호를 저장하고 마스터에서 직접 write data를 입력 받는 memory I/F 블록으로 구성된다. 이 메모리 제어기는 174.28MHz의 주파수로 동작하였다. 본 설계는 VHDL을 이용하여 설계되었고, ALTERA의 Quartus II를 이용하여 합성하였다. 또한 ModelSim을 이용하여 설계된 회로를 검증하였다. 구현된 하드웨어는 StatixIII EP3SE80F1152C2 칩을 사용하였다.
본 논문에서는 차세대 비디오 압축 표준인 MPEG-5 Essential Video Coding (EVC) 에서 사용된 블록 분할 방식에 대해서 소개한다. EVC 에서 사용된 블록 분할 방식은 기존 비디오 압축 표준인 HEVC/H.265 에서 사용된 쿼드 트리(Quad-tree)가 아닌 이진 분할(Binary split)과 삼진 분할(Ternary split)을 사용한 Binary ternary tree(BTT) 기술을 사용하고 있다. 또한 기존 비디오 압축 기술과 달리 분할된 블록의 코딩 순서를 정해서 사용 할 수 있는 Split unit coding order (SUCO) 기술이 사용되고 있다.
일반적으로 동영상 트랜스코딩 기술에서는 시스템의 복잡도를 줄이기 위해, 입력 비트열로부터 매크로블록 종류와 움직임 벡터, DCT 계수 등의 중간 데이터를 추출하여 사용한다. 본 논문에서는 프레임 내에서 매크로블록의 중요도를 이용한 새로운 인트라 매크로블록 업데이트 방법을 제안한다. 매크로블록의 중요도는 입력 비트열을 복호화하는 과정에서 얻어지는 움직임벡터에 의해 계산한다. 참조 프레임 내의 매크로블록의 참조율은 현재 복호화하는 프레임의 움직임 벡터에 의해서 계산이 가능하며, 참조율이 놀은 매크로블록은 다음 프레임과 그 이후 프레임에 영향력이 놀다 제안한 기법을 통해, 전송 오류에 대해 강인하고 더 우수한 화질을 나타내는 동영상 비트열을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 DCT(Discrete Cosine Transform) 영역에서 불연속 특징을 검출하여 내용기반의 동적 비디오 전송을 위한 트랜스코딩 방법을 제안한다. 이 방법에 의하여 동영상 스트림 각각의 DCT블록은 내부의 대표적인 불연속의 크기에 따라 다르게 트랜스코딩되어 전송되며, 실험에서 같은 대역폭을 유지하면서 기존의 저주파 통과 필터에 의한 방법보다 내용기반 방법이 더 좋은 비디오 화질을 나타내며 픽셀 영역에서의 방법보다 처리 시간이 빠름을 나타낸다.
MPEG 비디오 스트림의 시간적 차원과 색상적 차원을 고려하여 모두 4 단계의 해상도가 구성되는 엔코딩 기법과 디스크 배열에 대한 스트라이핑 기법이 본 논문에서 제시된다 먼저 MPEG-1 스트림은 I 프레임과 P 프레임으로 구성된 서브스트림과 B 프레임만으로 구성된 서브스트림으로 분할된다. 분할된 서브스트림의 각 프레임은 색상 차원에서 저해상도용 컴포넌트와 고해상도용 컴포넌트로 다시 분리된다 따라서 한 MPEG 비디오 스트림은 4 개의 컴포넌트로 구성되며 각 컴포넌트를 구성하는 블록들이 디스크 배열에 연속적으로 저장되는 스트라이핑 기법이 기술된다. 즉 4 개의 컴포넌트가 모두 재생될 경우 해상도가 가장 높게 나타나며 재생되는 컴포넌트의 수가 1 개씩 감소될수록 1 단계씩 낮은 해상도가 유지된다. 4 단계의 해상도를 구성하는 본 논문의 엔코딩 기법과 디스크 배열을 위한 스트라이핑 기법은 멀티미디어 서버의 성능을 향상시킬 수 있으며 이에 대한 시뮬레이션 결과가 기술된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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