서울대학교-코스웨어-멀티미디어개론-압축-동화상 압축시스템


MPEG


MPEG('엠펙'이라고 읽는다)은 (동화상과 음향으로 이루어지는) 영화를 압축하기 위한 표준이다.

엠펙 표준에는 세 가지가 있는데, 엠펙1과 엠펙2, 그리고 엠펙4가 그것이다. 각각에 대해 비디오(동화상 압축), 오디오(음향 압축), 시스템(동화상과 음향 등이 잘 섞여있는 스트림)에 대한 명세가 존재한다.

엠펙1은 1배속 CD 롬 드라이버의 데이터 전송속도인 1.5 Mbps에 맞도록 설계되었다.
즉 VCR 화질의 동영상 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 1.15 Mbps가 되도록 엠펙1-비디오 압축 알고리즘이 정해졌으며, 스테레오 CD 음질의 음향 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 128 Kbps(채널당 64 Kbps)가 되도록 엠펙1-오디오 압축 알고리즘이 정해졌다.
엠펙1-시스템은 단순히 음향과 동화상의 동기화를 목적으로 잘 섞어놓은(interleave) 것이다.

엠펙2는 보다 압축 효율이 향상되고 용도가 넓어진 것으로서, 보다 고화질/고음질의 영화도 대상으로 할 수 있고 방송망이나 고속망 환경에 적합하다.
즉 방송 TV (스튜디오 TV, HDTV) 화질의 동영상 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 4 ( 6, 40)Mbps 가 되도록 엠펙2-비디오 압축 알고리즘이 정해졌으며, 여러 채널의 CD 음질 음향 데이터를 압축했을 때 최대 비트율이 채널당 64 Kbps 이하로 되도록 엠펙-2 오디오 압축 알고리즘이 정해졌다.
엠펙2 -시스템은 여러 영화를 한데 묶어 전송하여주고 이때 전송시 있을 수 있는 에러도 복구시켜줄 수 있는 일종의 트랜스포트 프로토콜이다.

엠펙4는 매우 높은 압축 효율을 얻음으로써 매우 낮은 비트율로 전송하기 위한 것이다. 이를 사용함으로써 이동 멀티미디어 응용을 구현할 수 있다.
엠펙4는 아직 만들어지지 않았으며, 매우 높은 압축 효율을 위해 내용기반(model-based) 압축 기법이 연구되고 있다.

엠펙의 가장 큰 단점은 압축을 많이 하기 위해서는 압축시간이 지나치게 많이 걸린다는 점이다. 압축시간이 복원시간보다 훨씬 커지므로(이를 비대칭적이라 한다) , 동시성이 요구되는 분산 멀티미디어 응용에는 무리가 따른다.

엠펙 동화상 압축 알고리즘


엠펙 동화상 압축 알고리즘은 제이펙(JPEG) 정화상 압축 알고리즘과 H.261 동화상 압축 알고리즘 등을 발전계승시킨 것이다.

엠펙에서는 모든 프레임을 개별 정화상으로 압축하는 것이 아니라, 인접 프레임 사이에 유사점이 많다는 점을 이용한다. 즉 동작보상을 하는데 있어 예측과 보간을 이용한다.
그러나 한편 임의접근과 같은 VCR 식 제어가 가능해야 한다는 등의 여러 이유로 인해 엠펙 비디오에서는 자신이 가지고 있는 정보만으로도 복원될 수 있는 프레임이 규칙적으로 삽입되어야 한다. 이러한 프레임은 제이펙과 아주 유사하게 정화상으로 압축되어진다.

정화상으로 압축된 프레임을 I 프레임, 예측만을 한 프레임을 P 프레임, 보간을 한 프레임을 B 프레임이라 한다.
엠펙 비디오는 이들 세 종류의 프레임들이 일정한 패턴으로 섞인 것이다.

I-프레임(Intra-coded frame)
데이타 스트림의 어느 위치에도 올 수 있으며, 데이타의 임의 접근을 위해 사용되며, 다른 이미지들의 참조 없이 부호화된다. I-프레임은 정화상 압축방법(JPEG)을 이용하지만, JPEG과는 달리 MPEG에서는 실시간으로 압축이 이루어진다. I-프레임의 압축은 MPEG에서는 가장 낮은 압출률을 보인다 I-프레임은 매크로 블럭내에서 지정된 8*8 블럭으로 나눈 후, DCT 기법을 사용한 후, DC계수는 DPCM방법으로 부호화하는데, 연속한 블럭 사이의 차이값을 계산한 후 가변 길이 코딩을 사용하여 변환한다. .
P-프레임(Predictive-coded frame)
부호화와 복호화를 행할 때 이전의 I-프레임 정보와 이전의 P-프레임의 정보를 사용한다. P-프레임은 연속되는 이미지들의 전체 이미지가 바뀌는 것이 아니라 이미지의 블럭들이 옆으로 이동한다는 점에 착안한 것이다. 즉, 움직임이 있는 경우 앞화면에 있는 물체 자체의 모양에는 큰 변화없이 옆으로 이동하는 경우가 대부분이므로, 이전의 화면과 현재의 화면의 차이가 매우 적은 것을 이용하여 차이값만을 부호화하는 것이다.
B-프레임(Bidirectional-coded frame)
부호화와 복호화를 행할 때 이전, 이후의 I-프레임과 P-프레임 모두를 사용한다. B-프레임을 사용하면 높은 압축률을 얻을 수 있다. B-프레임은 이전의 I-또는 P-프레임과 B-프레임 이후의 I-또는 P-프레임의 차이값을 가진다.

I-프레임으로 시작하는 연속적인 화상들의 집합을 GOP(Group Of Picture)라고 한다. 아래그림은 화상들의 GOP를 나타내는 것이다.

B-프레임을 사용하기 때문에 MPEG 코드 데이타 스트림의 순서는 실재 복호화 되는 순서와는 다를 수 있다. 즉, 연관된 B-프레임후에 출력될 P-프레임은 B-프레임의 복원시에 필요하므로 P-프레임이 먼저 복원되어야 한다. 이것은 양단간 지연을 야기시킨다. 이에 대한 예는 다음과 같다.
화면 출력 순서
프레임의 종류 B B I B B P B B P B B P
프레임 번호 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


복호화 순서
프레임의 종류 I B B P B B P B B P B B
프레임 번호 2 0 1 5 3 4 8 6 7 11 9 10


위의 예에서 프레임 번호가 2번인 I- 프레임이 먼저 복호화되고, 그 I-프레임의 정보를 가지고 프레임 번호 0, 1인 B-프레임을 복호화 한다. 3,4번의 B-프레임을 복호화하기 위해서는 2번의 I-프레임과 5번의 P-프레임이 필요하므로 3,4번을 복호화하기 전에 5번 P-프레임을 복호화하는 것이다. 이와 같은 방법으로 10번의 B-프레임까지 복호화한다.

H.261


H.261은 동화상 비디오의 압축과 부호화기법에 대한 표준으로서 높은 압축률과 실시간 압축을 지원한다. 이것은 낮은 속도의 비디오 폰이나 비디오 컨퍼런스를 위한 것이며, P*64라고도 한다. H.261은 100:1에서 2000:1까지의 높은 압축율을 보인다. 이 표준은 ISDN 채녈 용량을 지원한다.(p*64Kbps, p=1,2,...30) 이 기법은 64Kbps에서 2048Kbps까지의 ISDN 채녈을 지원할 수 있다. p=1,2인 경우에는 제한된 유효 밴드위스때문에 단지 데스크 탑 화상 회의 시스템(비디오 폰)에만 사용할 수 있으며, p=6이상이면 비디오 컨퍼런싱같은 복잡한 화상도 전송할 수 있다.

H.261은 시간 중복성을 제거하기 위해 화상간의 예측기법을 사용하며, 공간 중복성을 제거하기 위해 DCT변환 기법을 사용한다. 동작 보상 기법도 옵션으로 추가할 수 있다. H.261은 INTRA프레임 방식과 INTER프레임 방식을 지원하는데, INTRA 프레임 방식은 입력 화상이 다른 화상과는 독립적으로 DCT부호화 된다. 이것은 MPEG의 I프레임 부호화와 비슷하며, 또한 JPEG 코딩방식과도 비슷하다. INTER 프레임 방식은 이전의 화상으로부터 현재의 화상을 예측하는 기법이다. 즉, 이전의 화상과 현재의 화상과의 차이만을 부호화한다. 이것은 MPEG의 P프레임과 비슷하다.




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