Run-Length Coding과 Huffman Coding을 이용한 Entropy Codec의 설계 및 구현 = Design and implementation of an entropy codec using run-length coding and huffman coding
저자
발행사항
부산 : 東亞大學校 大學院, 2004
학위논문사항
학위논문(석사)-- 동아대학교 대학원: 전자공학과 2004. 8
발행연도
2004
작성언어
한국어
주제어
KDC
566.74 판사항(4)
발행국(도시)
부산
형태사항
xi, 111p. : 삽도 ; 26cm.
일반주기명
참고문헌: p. 105-108
소장기관
약 5∼6년 전부터 PC상에서 인터넷을 통해 audio와 video를 stream으로 시청할 수 있게 되었다. 이것은 이전에 MODEM으로 단지 정지화상 한 장을 받기 위해 짧게는 몇 분에서 길게는 몇 십분까지 기다려야 하는 상황을 감안한다면 획기적인 일이었다. 이런 video stream 시청이 가능한 이유는 물론 인터넷의 속도 증가와 대역폭 증가로 인해 데이터 전송속도가 빨라지면서 가능했지만, 동시에 데이터의 압축기술이 있기에 가능했다고 볼 수 있다.
최근까지의 영상압축 표준기술은 JPEG은 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform)을 기반으로 양자화를 거쳐서 Entropy Coding으로 추가적인 압축을 하는 것이 일반화 되었다. 10여년 전부터는 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)을 기반으로 하는 압축 방법들이 연구 되어 왔으며, DWT를 이용한 방법은 전체 영상을 대상으로 영상변환을 수행하기 때문에 블록효과(block effect)를 피할 수 있어 압축율(Compression Ratio) 대비 화질이 우수한 장점을 보여주고 있다. 또한 JPEG2000은 새로운 영상압축 표준변환방식으로 채택되었으며 여기에도 Entropy Coding 과정이 포함되었다.
Entropy는 물리학에서 에너지의 분산된 정도를 나타내는 의미로 쓰이지만 영상압축에서는 영상 성분인 고주파와 저주파성분의 흩어지거나 집중된 정도를 나타내고 있다. Entropy Coding은 무손실 압축(lossless compression)과 손실압축(lossy compression)으로 나뉘며 손실 압축을 하게 되면 압축율이 크게 높아지지만 손실에 따른 영향으로 복원시 화질의 저하가 발생하게 된다. 화질의 저하는 주로 고주파 부분에서 손실이 이루어 지므로 인간의 눈이 잘 인식하지 못하는 경우가 많다.
Entropy Coding의 종류에는 런 길이 코딩(Run-Length Coding), 허프만코딩(Huffman Coding), 산술 코딩(Arithmetic Coding) 등이 많이 쓰이고 있으며 JPEG2000에서 채택된 EBCOT(Embedded Block Coding with Optimized Truncation)방식도 새롭게 등장했다. 모두 무손실 압축과 복원이 가능하지만, 산술 코딩과 EBCOT의 경우 곱셈과 나눗셈 계산이 많고 복잡해서 하드웨어로 구현하기가 까다롭다고 알려져 있다. 본 논문에서는 그러한 하드웨어 부담이 적은 Run-Length Coding과 Huffman Coding을 하드웨어로 설계하고 있다. 또한 DWT의 다 해상도 분석영역(Multi-Resolution Analysis)의 특징을 적용해서 다 해상도 분석영역의 부 대역(sub-band) 중 일부를 Run-Length Coding과 Huffman Coding의 결합구조로 적용하여 압축하고 또한 이러한 결합구조로 하드웨어를 설계하고 있다.
본 시스템의 설계는 표준화된 HDL(Hardware Description Language)인 Verilog-HDL을 이용하였고, MATLAB 프로그램을 사용하여 simulation 결과와 HDL에서의 결과를 비교 및 검증 할 수 있었다. Samsung 0.35um STD90 library를 사용하여 worst case(V300WTP0850, 3V, 85°C) 조건을 이용하여 합성한 결과 gate counts는 21,775이고 동작 주파수는 37.60MHz인 것을 확인 하였다. 이렇게 검증된 Entropy Coding 압축 시스템은 Altera社의 FPGA(Field Programmable Gate Array)인 APEX EP20K1000EBC652-3을 이용하여 그 성능을 검증 하였다.
그러므로 이 시스템은 DVR, PDA, 휴대전화, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 그리고 압축기술이 필요한 영상처리 시스템에서 IP로 사용될 수 있다.
About 5 or 6 years ago, we can get a streamed audio and video media through the internet. It was a sensation if you suppose that you had to wait for more than ten minutes to download a still picture through a MODEM before. The reason that you can enjoy watching video stream on the net is caused by not only upgraded speed and widened bandwidth of the internet, but also the development of compression technology.
The image compression technology like JPEG that has a scheme of DCT (Discrete Cosine Transform), quantizer and Entropy Codec as an extra compressor is normalized. Some compression methods based on DWT (Discrete Wavelet Transform) have been studied for about 10 years. DWT can avoid block effect, because image compression target is whole area of image and image quality comparing to Compression Ratio is superior. JPEG2000 is adopted as a new standard of image compression and also has Entropy Coding process.
In view of physics, Entropy means a distribution of energy but it means a distribution of image element of low or high frequency in image compression. Entropy Coding has a reversible and irreversible compression method. The former one is a lossless method, the latter is a lossy one. If you perform lossy one, the compression ratio will be highly increased but the quality of reconstructed image will be very lowered caused by loss of data. The descent of image quality is caused by loss of high frequency image element but human eyes could not recognize that.
There are some highly used sorts of Entropy Coding like Run-Length Coding, Huffman Coding and Arithmetic Coding. EBCOT(Embedded Block Coding with Optimized Transform) is newly adopted method in JPEG2000 standards. All of those could perform lossless and lossy compression but Arithmetic Coding and EBCOT have some multipliers and dividers, so it is well known that multipliers and dividers make hardware be complex and have many computations that prohibits hardware from being implemented. But, Run-Length Coding and Huffman Coding are less complex and easy to implement, so I design and implement those Entropy Coding method in this paper. And also this system compresses sub-bands of MRA(Multi-Resolution Analysis) that has 4 sub-bands generated by one level DWT up to 4 level. Each sub-band has different characteristics individually that generated by combinations of low and high pass filter bank. The compressor performs level 1 and 2 using RLC and level 3 and 4 using HC compression technology. This combined scheme is also used to design same hardwired architecture.
This system is designed with standardized Verilog-HDL(Hardware Description Language) and simulated and verified with MATLAB to compare output of HDL design. The system is synthesized under V300WTP0850 as the worst condition using Samsung 0.35 μm STD90 Library. As a result of synthesis, gate count is 21,775 and performing clock period is 37.60 MHz. And this system is verified with FPGA(Field Programmable Gate Array) chip from Altera, APEX EP20K1000EBC652-3.
Therefore, this system can be reused as an IP on DVR, PDA, mobile phone, digital camera and other system that needs compression technology.
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