다양한 영상 신호 특성의 다중 모델을 이용한 영상 화질 향상 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 비디오 처리 방법은, 복수의 시간적 부분(temporal portions)들을 포함하는 비디오를 수신하는 단계와, 상기 복수의 시간적 부분들에 포함된 프레임에 대한 공간 영역 분할 정보 및 분할된 공간 영역의 범주(category) 정보를 수신하는 단계와, 상기 공간 영역 분할 정보 및 상기 범주 정보에 기초하여 상기 프레임을 복수의 공간 영역들(spatial regions)로 분할하는 단계와, 상기 복수의 공간 영역들 및 상기 범주 정보에 기초하여 상기 비디오에 대해 초해상화, 역톤매핑, 톤매핑, 프레임 보간, 움직임 흐림 제거, 디노이징 및 압축 왜곡 제거 중에서 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.