H.264 기반의 저전력 Heterogeneous 영상 저장 장치

Abstract

최근 영상 저장 장치의 사용이 증가함에 따라 한정된 배터리에서 저전력으로 영상 저장 장치를 동작하는 것이 중요하다. 영상 저장 장치에서 장기 저장을 수행하기 위해서는 영상 압축이 필수적이다. 기존 영상 저장 장치에서 영상 압축을 위해 보편적으로 사용되는 H.264/AVC 영상 압축 표준은 높은 압축률을 자랑하지만 높은 복잡도와 프레임 간의 인터 프레임 예측의 사용으로 전력 소모가 크다는 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 두 가지 접근 기법을 통해 영상 저장 장치의 소모 전력 중, 가장 큰 비중을 차지하는 영상 압축에 소모 되는 전력을 감소시킨다. 우선, 멀티 압축 모듈을 통한 영상 저장 장치를 활용한다. Discrete Wavelet Transform과 Set Partitioning in Hierarchical Trees 압축에 기반한 경량화 압축 방식은 상대적으로 간단한 압축 방식으로 압축 효율은 H.264/AVC 인코더에 비해 낮으나 훨씬 더 적은 전력 소모로 동작할 수 있다. 본 논문에서는 기존의 영상 저장 장치와 다르게 H.264/AVC 인코더뿐만 아니라 경량화 압축 방식을 영상 저장 장치에 함께 활용하여 저전력 영상 저장 장치를 구성한다. 모든 영상 정보가 장기 저장 되어 보관될 필요가 있는 것이 아니기 때문에 H.264/AVC 인코더보다 압축 효율은 다소 낮지만 훨씬 낮은 전력에서 동작할 수 있는 경량화 압축 방식을 임시 저장 용도로 사용하고 이 영상 정보가 장기 저장될 필요가 있을 경우에만 영상 압축을 위해 H.264/AVC 인코더를 사용한다. 본 논문에서는 경량화 압축 방식의 활용뿐만 아니라 다운 샘플링 기법을 영상 저장 장치에 활용하여 낮은 bitrate 영역에서 더욱 큰 전력 감소 효과를 얻는다. 이러한 멀티 압축 모듈을 통한 방식은 장기 저장의 비율이 높아지면 결국 H.264/AVC 인코더가 사용되는 비율이 높아져서 전력 감소 효과가 크지 않다. 이러한 약점을 보완하기 위해서는 H.264/AVC 인코더 자체의 소모 전력을 감소시키는 것이 중요하다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 H.264/AVC 인코더 내부의 전력 소모를 제어하는 power-aware design 기법을 영상 저장 장치에 활용한다. Power-aware design은 최소의 성능 저하로 최대의 전력 감소 효과를 얻는 기법으로 다양한 저전력 알고리즘의 동작 옵션들의 조합들 중에서 최적화된 알고리즘의 조합들로 power-level table을 정의하고 이를 인코더에 적용한다. 최적화된 조합을 찾기 위하여 알고리즘들 간의 상관 관계를 고려하여 개별 알고리즘의 전력 감소 효과를 통해 전체 시스템의 전력 감소 효과를 예측하는 모델을 활용하는데 이러한 전력 예측 모델을 사용하면 최적화된 알고리즘들의 조합을 찾기 위한 시뮬레이션 횟수가 현저하게 감소되기 때문에 여러 저전력 알고리즘이 함께 사용되더라도 최적의 조합을 쉽게 구성할 수 있다. 본 논문에서는 더 뛰어난 성능을 얻기 위해서 입력 영상의 크기와 움직임 여부에 따라서 네 가지의 다른 power-level table을 제시하며 이러한 power-level table이 사전에 정의되기 때문에 최적화된 저전력 알고리즘의 조합들이 실시간으로 인코더에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 영상 저장 장치의 전력 감소를 위해 제시된 멀티 압축 모듈을 활용하는 방식과 H.264/AVC 인코더 내부의 전력 소모를 감소하는 방식을 모두 지원하는 통합 영상 저장 장치를 구현하고 통합된 영상 저장 장치 상에서 장기 저장의 비율과 bitrate 목표에 따른 분석을 통하여 동작 상황에 가장 알맞은 최적화된 영상 저장 장치를 활용한다. 이러한 최적화된 영상 저장 장치는 최소한의 성능 저하로 기존의 영상 저장 장치 대비 최대 72.5%의 전력 감소 효과를 갖는다.