As multimedia communication has become important, efficient image compression has received increasing attention. In this thesis, we propose several bit allocation schemes for image/video coding based on a rate-distortion sense.
To improve the quality of the reconstructed image for a given bit rate constraint, the bit budget must be distributed efficiently among a set of given admissible quantizers. This bit allocation scheme for source coding is based on Shannon's rate-distortion theory, which deals with minimization of source distortion subject to a channel rate constraint. To allocate a given quota of bits to an arbitrary set of different quantizers, a dynamic programming method was suggested for rate control based on rate-distortion characteristics. Since this optimal method requires large computational complexity, however, several fast algorithms for optimal bit allocation have been proposed. But these algorithms are still not fast enough for the practical implementation in image codings. In this thesis, we propose a new fast algorithm for optimal bit allocation, which reduces the computational complexity drastically compared to conventional fast algorithms.
In real-time video coding, the proposed optimal bit allocation algorithm is still not fast enough. Therefore we suggest a suboptimal algorithm, or an efficient rate control algorithm, which can improve the performance of the MPEG-2 for a given bit rate constraint. The proposed algorithm is based on the fine adjustment of the quantization parameter of each region by examining the distortion-rate curve. It can be easily applied to existing MPEG coders by adding a reasonable size of hardware. Simulation results show that the performance of the algorithm is better than the rate control algorithm in the MPEG-2 Test Model 5.
Appropriate target-bit assignment to each picture in the group of pictures (GOP) is also an important issue for video coding efficiency. A new target-bit allocation, which is based on rate-distortion characteristics, is derived under the assumption of an exponential rate-distortion curve for input image. It is found that the proposed algorithm further minimizes the average distortion in the GOP for a given target average bit rate, compared with the conventional MPEG-2 target-bit allocation scheme.
멀티미디어 통신이 매우 중요해짐에 따라 효과적인 영상 압축 기법에 대한 연구가 활발해지고 있다. 이 논문에서는 전송률 왜곡 관점에서 정지 및 동영상 부호화를 위한 몇가지 비트 할당 기법을 제안했다.
제한된 비트량에 대해 복원된 영상의 화질을 개선하기 위해서는 사용가능한 비트를 가장 효율적으로 영상 전체에 분배하여 양자화해야 한다. 이들 제안된 기법들은 고정된 전송률을 가지는 채널에 송신단의 부호화 왜곡을 최소화하는 Shannon의 전송률 왜곡 이론에 근거를 두고 있다. 사용가능한 유한개의 양자화기에 주어진 비트를 최적으로 분배하기 위한 방법으로써, 전송률 왜곡 특성에 기초를 둔 동적인 최적화 기법이 제안되었다. 이 기존의 방법은 막대한 계산량을 필요로 하므로, 최적 비트 할당을 위한 고속 기법에 대한 연구가 활기를 띠어왔고, 몇가지 고속 알고리즘이 제안되었으나 영상 부호화를 위해 실지 사용하기에는 충분치 못하다. 이 논문에서는 기존의 고속 기법들에 비해 계산량을 현저하게 줄일 수 있는 최적 비트 할당을 위한 새로운 고속 기법을 제안했다.
제안한 고속 최적 비트 할당 기법도 실시간 동영상 압축에 사용하기에는 충분히 빠르지 못하다. 그러므로 준최적기법 즉, 주어진 전송률 제한에 대해서 MPEG-2의 성능을 개선할 수 있는 효과적인 전송률 제어 기법을 제안한다. 이 제안한 알고리즘은 왜곡 전송률 곡선을 조사함으로써 각 영역의 양자화 매개 변수를 효과적으로 조정한다. 이 기법은 적당한 양의 하드웨어를 덧붙임으로써 쉽게 기존의 MPEG 부호화기에 적용할 수 있다. 모의 실험 결과는 MPEG-2 실험 모델 5의 전송률 제어 알고리즘보다 우수하다는 것을 보였다.
영상들의 그룹(GOP)의 각 영상에 목적 비트를 할당하는 것은 동영상 부호화 효율에 매우 중요한 이슈이다. 전송률 왜곡 특성에 기반을 둔 목적 비트 할당 기법은, 입력 영상의 왜곡 전송률 곡선이 지수 함수 분포를 따른다는 가정에서, 새롭게 유도되었다. 제안한 기법은 MPEG-2 목적 비트 할당 기법과 비교해서, 같은 목적 평균 비트 전송률에 대해서 GOP안의 평균 왜곡을 최소화시킨다는 것을 검증하였다.
