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KR20040099343A - 프레임 차이들의 히스토그램을 이용하여 비디오내의 장면변경들을 검출하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

프레임 차이들의 히스토그램을 이용하여 비디오내의 장면변경들을 검출하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20040099343A
KR20040099343A KR10-2004-7014724A KR20047014724A KR20040099343A KR 20040099343 A KR20040099343 A KR 20040099343A KR 20047014724 A KR20047014724 A KR 20047014724A KR 20040099343 A KR20040099343 A KR 20040099343A
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KR
South Korea
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frame
video
scene change
detecting
histogram
Prior art date
Application number
KR10-2004-7014724A
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English (en)
Inventor
이빈 양
릴라 보로크즈키
Original Assignee
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Publication date
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Abstract

본 발명은 비디오내의 장면 변경을 검출하는 것에 관한 것이다. 본 방법은 차이 값들을 복수를 생성하는 비디오의 연속적인 프레임들간에 계산되어지는 차이들을 포함한다. 히스토그램은 차이 값들을 취한다. 만일 히스토그램내의 차이 값들의 대부분이 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경이 검출되어진다.

Description

프레임 차이들의 히스토그램을 이용하여 비디오내의 장면 변경들을 검출하기 위한 방법 및 장치 {Method and apparatus for detecting scene changes in video using a histogram of frame differences}
장면 변경 검출은 비디오 시퀀스내의 연속적인 프레임들간의 콘텐트의 현저한 변경을 검출하기 위해 이용된다. 예컨대, 콘텐트의 현저한 변경들은 프로그램이 상업적 또는 다른 프로그램으로 전환되거나, 동일한 프로그램 내에서 다른 장면으로 전환되었을 때 발생한다.
정확한 장면 변경 검출은 다른 비디오 프로세싱 알고리즘들의 수행을 향상시키는데 이용될 수 있다. 예컨대, 다른 장면 콘텐트에 대한 일정한 파라미터들을 조정하는 비디오 향상 알고리즘들 내에 이용될 수 있다. 또한, 장면 변경 검출은 비디오 압축 알고리즘들에 이용될 수도있다. 예컨대, 화면들의 새로운 그룹이 시작되야 하거나 비트율 변경들을 예상할 때들 결정하는데 이용될 수 있다.
다수의 장면 변경 검출 기술들이 이미 존재한다. 한 기술은 개별 프레임들의 히스토그램들을 취한 후, 장면 변경을 검출하기 위하여 연속적인 프레임들의 히스토그램들간의 비교를 수행한다. 이 기술은 몇몇의 상황들에서 잘 수행된다. 하지만, 연속되는 프레임들이 다른 포지션들 내에서 유사한 화소 값들을 가질 때 문제들이 발생한다. 이러한 상황에서, 그들 두 프레임들의 히스토그램들은 매우 흡사할 수 있고, 그로인해 장면 변경을 검출하지 못 할 것이다..
다른 기술은 장면 변경을 검출하기 위해서 코딩 정보를 사용한다. 예컨대, 이 기술은 장면 변경을 검출하기 위해서 B-프렘임들 및 P-프레임들의 블록의 특정 타입의 블럭을 증가시킨다.
본 발명은 일반적으로 비디오 프로세싱에 관한 것으로서, 특히, 프레임 차이들의 히스토그램을 이용하여 비디오에서 장면 변경들을 검출하는 것에 관한것이다.
도 1은 본 발명에 따라 장면 변경을 검출하는 한 예시적인 흐름도.
도 2는 특징 값(Q)의 예를 도시하는 그래프.
도3은 본 발명에 따른 비디오 디바이스의 한 예시적인 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 장면 변경을 검출하는 다른 예시적인 흐름도.
본 발명은 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법에 관한 것이다. 한 예에 있어서, 본 방법은 복수의 차이 값들을 생성하는 비디오의 연속적인 프레임들간에 계산되는 차이를 포함한다. 히스토그램은 차이 값들을 취한다. 히스토그램내의 차이 값들의 대다수가 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경이 검출된다.
다른 예에 있어서, 본 방법은 비디오의 프레임이 I-프레임인지를 결정하는 것을 포함한다. 만일 프레임이 I-프레임이면 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 장면 변경이 검출된다. 대안으로는, 프레임이 I-프레임이 아니면 코딩 정보에 기초하여 장면 변경이 검출된다.
동일한 참조 번호들이 대응되는 부분들을 나타내는 도면들을 참조한다.
본 발명은 임의의 상황에서 이용될 수 있는 장면 검출 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이 기술은 장면 변경을 검출하기 위하여 두 프레임들간의 차이들의 히스토그램(histogram)을 이용한다. 또한, 압축된 비트-스트림들(bit-streams)로부터 코딩 정보를 이용하는 것에 의해 MPEG 인코딩된 비디오를 위한 장면 변경 검출의 계산의 복잡성을 줄이기 위한 전략이 제안된다.
본 발명에 따른 비디오내의 장면 변경 검출을 위한 방법의 한 예가 도 1에 보여진다. 본 논의의 목적을 위하여, 도 1의 방법에 의해 처리된 비디오의 프레임들이 이미 디코딩되었음이 가정된다. 단계 2에서, 비디오의 연속적인 프레임들간의 차이가 계산된다. 이는 아래에 정의된 프레임들 각각에서 대응하는 화소 값들간의 차이를 계산함으로써 달성된다.
(1)
여기서,이고,는위치에서 프레임 n의 화소 값이며,는 같은 위치들에서 이전 프레임 n-1의 화소 값이다. 단계 2의 결과로서, 프레임들 내에서 대응되는 픽셀 값들간의 차이의 크기들인 복수의 차이 값들이 생성된다.
본 발명에 따르면, 단계 2에서 계산된 차이는 프레임들의 각각에서 모든 화소 값들을 위한 것일 수 있다. 대안으로는, 요구된 계산들의 수를 줄이기 위하여, 차이는 프레임들의 선택된 부분을 위해 계산될 수 있다. 예컨대, 차이는 프레임들의 중앙에만 있는 화소 값들을 위하여 계산될 수 있다.
단계 4에서, 차이 값들의 히스토그램이 취해진다. 히스토그램은 특정 변수의 분포를 플로팅(plotting)하기 위한 잘 알려진 함수이다. 이 경우에, 분포는His(i)로 정의된다. 이것은 특정값i와 동등한 차이 값들의 수이다. 상기 기재된 바와 같이, 차이 값들은 프레임들내의 대응하는 화소 값들간의 차이의 크기를 나타낸다.
단계 6에서, 히스토그램내의 차이 값들의 대부분이 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경이 검출된다. 본 논의의 목적을 위하여, 대부분은 50퍼센트가 넘는 어떤 수로 정의된다. 하지만, 선택된 미리 결정된 값에 의존하여, 장면 변경에 필요한 차이 값들의 대부분은 바람직하게는 50 퍼센트보다 크게 될 수 있다. 예컨대, 10의 값을 위하여, 히스토그램내의 차이 값들의 63 퍼센트가 이 값을 초과하는 것이 바람직하다.
단계 6을 수행하기 위하여, 아래의 조건을 만족하는 특징 값(Q)를 찾는 것이 바람직하다.
(2)
여기서, His(i)는 i에서 히스토그램 값이며, n은 비디오의 각각의 프레임에 의해이용되는 비트 정밀도이다. T1은 한 예로 0.368값이 될 수 있는 임계값이다. 예컨대, 특징 값(Q)는 차이 값들의 36.8 퍼센트가 더 작은 값을 갖는 히스토그램내의 특정 차이 값을 나타낸다. 그러므로, Q는 히스토그램내에서 차이 값들의 미리 결정된 범위를 정의한다.
특징 값(Q)의 예는 도 2에서 보여진다. 보여진 바와 같이, Q는 미리 결정된 범위를 정의하는 특별한 차이 값과 대응한다. 도 2에서, 확률은 다음과 같이 정의된다.
(3)
도 2에서의 예와 같이,prob (M)=1andP= prob (Q)>0.368.
특징 값(Q)을 찾은 후, 다음의 조건,Q > T2을 만족하면 장면 변경은 검출된다. 여기서, T2는 임계값이다. 한 예로, 임계값(T2)은 10의 값을 가질 수 있다.
도 3에서는 본 발명에 따른 비디오 디바이스의 한 예가 보여진다. 예에 의해, 디바이스는 텔레비전, 세트-탑 박스(set-top box), 데스크탑(desktop), 랩탑(laptop) 또는 팜탑 컴퓨터(palmtop computer), PDA(personal digital assistant)및, 디지털 비디오 디스크 플레이어(DVD), 디지털 비디오 레코더(DVR), TiVO 디바이스 등과 같은 비디오/이미지 저장 디바이스 또는 이들 및 다른 디바이스들의 부분들 또는 조합들로 나타낼 수 있다.
이해되는 바와 같이, 디바이스는 디코더(8) 및 장면 변경 검출 유닛(10)을포함한다. 한 실시예에서, 도 3의 디바이스는 프로세서에 의해 실행될 수 있는 CD-ROM이나 플로피 디스크와 같은 메모리 매체에 저장되는 컴퓨터 판독가능 코드에 의해 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 하드웨어 회로는 도 3의 디바이스를 구현하기 위한 소프트웨어와 명령들의 대신에 또는 그 명령들과 함께 이용될 수 있다.
동작 중에, 디코더는 디코딩된 비디오 프레임들을 생성하기 위해 인입하는 비트 스트림을 디코딩할 것이다. 본 발명에 따르면, 디코더는 MPEG-1 디코더, MPEG-2 디코더, MPEG-4 디코더, H.26x 디코더 또는 다른 비슷한 타입이 될 수 있다.
그 다음에 장면 변경 검출 유닛(10)은 장면 변경이 발생되었는지를 결정하기 위해 디코딩된 비디오를 찾는다. 장면 변경이 비디오 프레임들 중 하나에서 검출되면, 장면 검출 유닛(10)은 어느 프레임이 장면 변경이 있는지를 식별하는 플래그(flag)를 생성한다.
본 발명에 따르면, 장면 변경 검출 유닛(10)은 장면 변경을 검출하기 위해서 도 1의 방법을 구현할 수 있다. 그러므로, 장면 변경 검출 유닛(10)은 디코딩된 비디오 프레임들의 전체를 위해 도 1의 방법의 단계들을 수행할 것이다. 하지만, 모든 프레임들에 대한 도1의 방법을 이용하는 것은 차이를 계산하기 위해 이전의 프레임들들 상상 저장하는 것을 요구하므로 비효율적일 수 있다.
상기의 관점에서, 몇몇 상황에서는 장면 변경 유닛(10)을 위해 계산상 복잡성 및 메모리 요구를 줄이기 위한 전략을 구현하는 것이 바람직할 수 있다. MPEG 비트 스트림들에는, 인트라-코딩된(Intra-coded) (Ⅰ) 프레임과, 예측된(Predicted) (P) 프레임 및 양방향(Bi-directional) (B) 프레임과 같은 다른 타입의 프레임들이 있다. 프레임 타입에 따라, 장면 변경을 검출하기 위한 다른 기술을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, I 프레임들에 대해 도 1의 방법이 이용되는 동안, P 및 B-프레임들에 대해 코딩 정보가 이용될 수 있다. 그러므로, 상기 조합된 전략을 이용함으로써, I 프레임들의 주파수가 전형적인 MPEG 비트-스트림들내의 P 및 B-프레임보다 훨씬 낮기 때문에, 메모리 요구들 외에 계산적인 복잡성도 상당히 감소된다.
상기된 전략을 구현하는 장면 변경을 검출하는 방법이 도4에 도시되어 있다. 단계 12에서, 디코딩된 비디오의 프레임이 I-프레임인지의 여부를 결정한다. 이것은 도 3에서 디코더(8)에 의해 제공되는 코딩 정보에 의해 성취되어진다. MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 및 H.26x와 같은 표준들 모두는 포함된 프레임들의 타입을 식별하는 헤더 필드들을 포함하는 유연한 비트-스트림들을 요구한다. 그러므로, 동작 중에, 디코더(8)가 인입하는 비트-스트림들을 디코딩하는 동안, 이것은 디코딩된 비디오내의 프레임들의 타입을 결정하기 위하여 헤더 필드를 또한 찾을 것이다. 상기 정보는 동작 중 장면 변경 검출 유닛(10)으로 전송되는 코딩 정보에 포함될 것이다.
단계 12에서, 프레임이 I-프레임으로 결정되면, 장면 변경은 단계 14내에서 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 특정 프레임에 대해 검출된다. 그러므로, 장면 변경 검출 유닛(10)은 특정 프레임에 대한 도 1의 방법을 수행할 것이다.
단계 12에서, 프레임이 I-프레임이 아닌 것으로 결정되면, 장면 변경은 단계16내에서 코딩 정보에 기초하여 특정 프레임에 대해 검출된다. 동작 중, 디코더(8)은 장면 검출 유닛(10)으로 코딩 정보를 제공할 것이다. 이전에 기술된 바와 같이, 코딩 정보는 디코딩된 비디오내의 프레임들의 타입에 관한 정보를 포함한다. 코딩 정보는 비디오의 특정 프레임을 구성하는 매크로블록들(macroblocks)의 타입에 관한 정보를 또한 포함할 것이다.
예컨대, 장면 변경이 P-프레임 내에서 발생하면, 인트라-코딩된 매크로블록들(Intra-coded macroblocks)의 수는 증가한다. 그러므로, 장면 변경은 아래의 기준에 기초하여 검출된다.
여기서, Num_Intra는 인트라-코딩된 매크로블록들의 수이고, Num_MB는 매크로블록들의 전체 수이고, T3는 임계값이다. 이 기준에 따라, 장면 변경 검출 유닛(10)은 P-프레임에 포함된 인트라-코딩된 매크로블록들의 수를 결정할 것이다. 이때, 장면 변경 검출 유닛(10)은, 인트라-코딩된 매크로블록들의 수가 20퍼센트 이거나 더 높을 수 있는 미리 결정된 임계보다 크면 장면 변경을 검출할 것이다.
예컨대, 장면 변경이 B-프레임에서 발생하면, 후방 예측된 매크로블록들(backward-predicted macroblocks)의 수는 증가한다. 그러므로, 장면 변경은 아래의 기준에 기초하여 검출된다.
여기서, Num_Back은 후방 예측된 매크로블록들의 수이며, Num_MB는 매크로 블록들의 전체 수이며, T4는 임계값이다. 이 기준에 따라,, 장면 변경 검출 유닛(10)은 B-프레임 내에 포함되는 후방 예측된 매크로블록들의 수를 결정할 것이다. 이때, 장면 변경 검출 유닛(10)은 후방 예측된 매크로블록들의 수가 70퍼센트 이거나 더 높을 수 있는 미리 결정된 임계보다 크면 장면 변경을 검출할 것이다.
비디오 디바이스는 디코더(8)와 장면 변경 유닛(10)의 출력들과 연결된 다른 유닛들(나타나지 않음)을 포함할 것이다. 이러한 다른 유닛들은 디코더(8)로부터 비디오 프레임들을 더 처리하기 위해 장면 변경 검출 유닛(10)에 의해 생성된 플래그를 이용할 것이다. 예컨대, 움직임 보상된 필터(motion-compensated filter)를 이용하는 비디오 프로세싱 알고리즘은 장면 변경 검출로부터 이익을 얻을 수 있다. 동작 중, 움직임 보상된 필터링은 장면 변경이 발생할 때 턴-오프되어야 하며, 그렇지 않은 경우에는 잘못된 결과들이 생길 수 있다. 비디오 프로세싱 알고리즘은 움직임 보상된 필터링 동작을 리셋하기 위해 장면 변경 검출 유닛(10)에 의해 생성된 장면 변경 플래그를 이용할 것이다.
본 발명은 특별한 예들을 통해 위에 기재하였지만, 본 발명은 본 명세서에 기재된 예들에 한정되거나 제한되는 것을 의도하지 않음이 이해되어질 것이다. 그러므로,본 발명은 첨부된 청구의 범위의 사상과 범위 내에 포함된 것에 의하여 여러 가지 구조들과 변형들을 포괄하도록 의도된다.

Claims (14)

  1. 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법에 있어서,
    -복수의 차이 값들을 생성하는 상기 비디오의 연속되는 프레임들간의 차이를 계산하는 단계와,
    -상기 차이 값들의 히스토그램을 취하는 단계와,
    -상기 히스토그램내의 상기 차이 값들의 대부분(majority)이 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차이 값들은 상기 연속되는 프레임들내의 대응하는 화소 값들간의 차이의 크기들인, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연속되는 프레임들간의 차이는 상기 연속되는 프레임들의 선택된 부분들에 대해 계산되는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 장면 변경을 검출하는 단계는,
    -상기 차이 값들의 미리 결정된 범위를 정의하는 특징 값(Q)을 찾는 단계와,
    -상기 특징 값(Q)이 상기 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 특징 값(Q)이 다음 수식:
    을 만족하며,
    여기서, His(i)는 i에서 상기 히스토그램 값이며, n은 상기 비디오의 각각의 프레임에 의해 이용되는 비트 정밀도이며, T1은 상기 미리 결정된 값인, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  6. 비디오내의 장면 변경을 검출하기 위한 코드를 포함하는 메모리 매체으로서, 상기 코드는,
    -복수의 차이 값들을 생성하는 상기 비디오의 연속적인 프레임들간의 차이를 계산하기 위한 코드와,
    -상기 차이 값들의 히스토그램을 취하기 위한 코드와,
    -상기 히스토그램내의 상기 차이 값들의 대부분이 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경을 검출하기 위한 코드를 포함하는, 메모리 매체.
  7. 비디오 디바이스에 있어서,
    -비디오의 프레임들을 생성하기 위한 인입하는 비트-스트림을 디코딩하기 위한 디코더와,
    -복수의 차이 값들을 생성하는 상기 비디오의 연속적인 프레임들간의 차이를 계산하고, 상기 차이 값들의 대부분이 미리 결정된 값을 초과하는 경우 장면 변경을 검출하기 위한 장면 변경 검출 유닛을 포함하는, 비디오 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 장면 변경 검출 유닛은 상기 차이 값들의 히스토그램을 취하기 위해 더 수행하는, 비디오 디바이스.
  9. 비디오에서 장면 변경을 검출하는 방법으로서, 상기 방법은,
    -비디오의 프레임이 I-프레임인지를 결정하는 단계와,
    -상기 프레임이 I-프레임이면 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 장면 변경을 검출하는 단계와,
    -상기 프레임이 I-프레임이 아니면 코딩 정보에 기초하여 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 장면 변경을 검출하는 단계는,
    -복수의 차이 값들을 생성하는 상기 비디오의 연속적인 프레임들 간의 차이를 계산하는 단계와,
    -상기 차이 값들의 히스토그램을 취하는 단계와,
    -상기 히스토그램내의 차이 값들의 대부분이 미리 결정된 값을 초과하면 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오에서 장면 변경을 검출하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 코딩 정보에 기초한 장면 변경을 검출하는 단계는,
    -P-프레임내의 인트라-코딩된 블록들의 수를 결정하는 단계와,
    -상기 인트라-코딩된 블록들의 수가 미리 결정된 수를 초과하면 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 코딩 정보에 기초한 장면 변경을 검출하는 단계는,
    -B-프레임내의 후방 예측된 블록들의 수를 결정하는 단계와,
    -상기 후방 예측된 블록들의 수가 미리 결정된 수를 초과하는 장면 변경을 검출하는 단계를 포함하는, 비디오내의 장면 변경을 검출하는 방법.
  13. 비디오내의 장면 변경을 검출하기 위한 코드를 포함하는 메모리 매체으로서, 상기 코드는,
    -비디오의 프레임이 I-프레임인지를 결정하기 위한 코드와,
    -상기 프레임이 I-프레임인 경우 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 장면 변경을 검출하기 위한 코드와,
    -상기 프레임이 I-프레임이 아닌 경우 코딩 정보에 기초하여 장면 변경을 검출하기 위한 코드를 포함하는, 메모리 매체.
  14. 비디오 디바이스로서,
    -비디오의 프레임들을 생성하기 위해 인입하는 비트-스트림을 디코딩하기 위한 디코더와,
    -비디오의 프레임이 I-프레임인지를 결정하고, 상기 프레임이 I-프레임인 경우 프레임 차이들의 히스토그램에 기초하여 장면 변경을 검출하기 위한 장면 변경 검출 유닛과,
    -상기 프레임이 I-프레임이 아닌 경우 코딩 정보에 기초하여 장면 변경을 검출하는 것을 포함하는, 비디오 디바이스.
KR10-2004-7014724A 2002-03-29 2003-02-27 프레임 차이들의 히스토그램을 이용하여 비디오내의 장면변경들을 검출하기 위한 방법 및 장치 KR20040099343A (ko)

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PCT/IB2003/000871 WO2003084212A1 (en) 2002-03-29 2003-02-27 Method and apparatus for detecting scene changes in video using a histogram of frame differences

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