멀티미디어 개론

CD 기술 및 포맷

오디오, 사진, 그래픽 등과 같이 큰 용량의 디지털 데이터는 기존 저장매체로는 수용할 수 없었고, 임의접근, 대량 분배 등의 요구로 인해 광 저장매체가 급속한 진보를 이루게 되었다. 가장 대중적인 성공을 거둔 것이 바로 CD(Compact Disc)이다.

CD는 매우 가벼우며, 반영구적이고, 저가에 대량 생산될 수 있으며, 고음질 오디오를 74분 분량만큼 또는 디지털 데이터를 500MB이상 저장할 수 있는 특징을 지닌다. CD 기술은, 음반시장의 오디오 CD(CD-DA), 컴퓨터 시장의 CD-ROM, 가정용 CD-I 등의 다양한 형태로 구현되어져 왔는데, 이들의 고찰은 나중으로 미루고, 우선 이들의 공통된 특징들을 살펴 본다. 아래에 CD 계열 저장매체의 계보를 보인다.

공통 기술

모든 CD 기반 매체들은 앞에서 기술된 CLV 기술에 기반하며 --- 하드디스크와는 달리 나선형의 트랙을 가진다 --- , 같은 물리적 형태를 지니고 있다. 직경 12cm, 15mm 의 회전축 구멍, 두께 1.2mm의 디스크 모양이며, 데이터가 저장되어 있는 면에는 아주 얇은 알루미늄 막이 입혀져 있고, 레이블을 찍기 위한 면에는 보호 플라스틱이 입혀져 있다. 재생기는 트랙의 각 위치에서 레이저를 쏘아 반사되고 안되고를 보아 데이터의 0과 1을 판별한다.

그림에 CD의 물리적 구조를 보인다. CD에는 용도에 따른 여러 영역이 있다. 안쪽 6mm의 클램핑(clamping) 영역은 디스크를 잡을 때 이용되며 데이터를 저장하지 않는다. 다음 약 4mm정도의 리드인(lead-in) 영역에는 그 디스크의 VTOC(Volume Table Of Contents)가 저장되는데, 이 VTOC에는 데이터의 시작위치, 디스크 이름 등의 정보가 들어 있다. 이 VTOC가 기록될 때, 한 개의 세션이 생성되는데, 보통의 CD는 하나의 세션을 가진다. 다음 33mm 영역은 하나의 긴 나선을 따라 프로그램 데이터를 저장하고 있다(트랙은 디스크의 안쪽에서 바깥쪽으로 나간다). 다음 1mm의 리드아웃(lead-out) 영역은 디스크의 끝을 나타내며, 마지막 3mm의 영역은 운반, 취급 등을 위한 것으로 데이터를 포함하고 있지 않다.

데이터 인코딩

CD의 트랙은 일정 간격의 채널 비트(channel bit)의 열로 구성되어 있다. 각각의 채널 비트는 ON/OFF값을 가질 수 있는데, ON은 두둑(land)에 의해서 OFF는 고랑(pit)에 의해서 구현된다. 두둑에 부딪힌 레이저빔은 광센서에 반사되어, 일종의 'ON'상태를 나타내고, 반면, 고랑에 부딪힐 때는 빛이 분산되어 포토센서에 반사되지 못하여, 'OFF'상태를 나타내게 된다. 이러한 채널 비트 14개가 8비트의 데이터에 해당한다. 매스터링(mastering)과정중 8-비트 데이터값을 14-비트 채널로 인코딩하는 과정이 있는데, 이 과정을 EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)이라고 한다. CD 재생기내의 ROM에는 변조된(modulated) 데이터를 디코딩하기 위해 EFM의 반대 과정을 담당하는 참조표가 있다.

프레임(frame)과 블록(block)

CD 상의 데이터는 프레임 - 채널비트의 그룹 - 으로 구성되어지는데, 24바이트의 데이터를 저장하기 위한 단위를 프레임이라 한다. 24바이트는 12개의 16-비트 오디오 샘플을 담을 수 있는 크기이다. 한 프레임은 24바이트의 데이터를 위한 24*14 채널비트외에 동기화를 위한 24 채널비트, 8개의 8-비트 오류정정 패러티로 사용되는 8*14 채널비트, 8-비트 제어/디스플레이 워드(control and display word)를 위한 14 채널비트, 각 데이터 심벌을 구분하기 위한 3 개의 머지비트(merge bits)로 24*3 채널비트를 포함하므로, 합계 588 채널비트로 이루어져 있다.

98 개의 프레임으로된 그룹이 CD-DA에서는 블록, CD-ROM과 CD-I에서는 섹터라고 불린다. 블록 또는 섹터는 주소지정가능한 최소의 단위(addressable unit)이다. CD 재생기는 1초의 회전동안 75개의 블록(섹터) - 초당 75*98 = 7,350개의 프레임 - 을 지나도록 회전속도를 조정한다.

오류정정(error correction)

광학매체가 신뢰적이라고는 하지만, 제작과정상 또는 디스크 표면의 심한 상해로 오류가 생길 수 있다. 따라서, CD는 CIRC(Cross Interleaved Reed-Solomon Code)라는 오류정정방식을 채택하고 있다. CIRC는 다시 3가지의 오류정정방식을 결합하고 있는데(Cross-coding, Interleaving, Reed-Solomon coding), 자세한 사항은 범위를 넘으므로 생략하기로 한다.

서브코드 채널(subcode channel)

위에서 각 프레임당 하나의 8비트 제어/디스플레이 워드가 있다고 했는데, 이 8개의 비트를 각각 서브코드 채널 P에서 서브코드 채널 W까지라고 부른다. 섹터는 98개의 프레임으로 되어있으므로, 각 서브코드 채널(P에서 W)은 섹터당 98비트길이의 서브코드 데이터스트림을 이루게 된다.

이중 첫 2비트는 동기화비트로 사용되며, 나머지 96비트는 기타 다양한 목적으로 사용될 수 있다. P 채널은 음악채널을 구분해주는 플래그로 사용된다. Q 채널은 그림()과 같은 구조를 지니는데, 4비트의 제어(control) 필드는 오디오 채널의 개수, 트랙상의 데이터 타입, 복제방지(copy protection) 등의 정보를 지닌다. ADR 플래그는 뒤이은 72비트의 데이터가 어떤 모드로 사용될지를 나타내며, 마지막 16비트는 채널데이터의 오류감지를 위한 CRC로 사용된다.

ADR 플래그의 명세에 따라, 세가지 방식으로 Q 채널의 72비트의 데이터부분이 사용될 수 있다. 가장 흔히 사용되는 Q 채널 모드 1은 절대시간, 재생시간, 선택번호, 데이터주소를 저장할 수 있다. Q 채널 모드 2는 바코딩된 생산품에 사용되는 UPC/EAN 표준포맷의 카탈로그 번호를 나타내며, Q 채널 모드 3은 ISRC(International Standard Recording Code)형태의 생산품을 식별하는데 사용된다.

트랙(track)

CD의 프로그램 데이터 영역은 실제로 하나의 긴 물리적 트랙으로 되어있지만, 논리적으로 1에서 99개까지의 트랙으로 나뉘어질 수 있다. 하나의 트랙은 디지털 오디오, 데이터 등의 한 타입만의 정보를 저장할 수 있다. 반면 서로 다른 트랙은 서로 다른 타입의 정보를 저장할 수 있다.

CD-DA(CD-Digital Audio) : Red Book

1982년 첫 선을 보인 CD는 디지털 오디오를 저장하기 위한 것으로 공식적으로 CD-DA라고 불린다. Red Book 표준에는 위에서 살펴본 CD 공통기술들과 CD 재생기의 사양이 명세되어 있다. CD에 저장된 데이터는 44.1 kHZ의 표본화율을 지니며, PCM 부호화를 이용한 스테레오 16-비트 오디오의 형태를 취한다. 여기서 잠시 44.1이라는 수치에 대해 분석해보자. 프레임당 24바이트는 12개의 16-비트 샘플을 생성할 수 있고, 이는 오른쪽, 왼쪽 각각 6개씩이 되어 6개의 스테레오 샘플이 된다. 그러므로, 6 samples/frame * 98 frames/sector * 75 sectors/sec 를 계산하면 초당 44,100개의 샘플이 되는 것이다.

CD-ROM(CD-Read Only Memory) : Yellow Book

CD 기술이 오디오뿐만 아니라 어떤 형태의 디지털 데이터도 대량으로 저장할 수 있다는 것은 CD-DA의 등장 이후 곧 인식되어졌다. Sony와 Philips는 1985년 공동으로 CD-ROM 표준인 Yellow Book을 발표했는데 Red Book 표준을 근본적으로 포함하고 있다. 차이점은 디지털 오디오 외의 정보를 위한 데이터 영역이 있고, 오류정정루틴이 사용된다는 점이다.

데이터 인코딩

CD-DA에서와 같이, 정보를 프레임으로 인코딩하기 위해 EFM을 사용하지만, 서브코드 채널 R에서 W의 데이터는 사용되지 않는다. 섹터는 12바이트의 sync 필드와 4바이트의 header 필드로 시작하는데, 이 header 필드에는 섹터주소가 minutes:seconds:sector 식으로 저장되어 있다. 섹터는 순차적으로 어드레싱된다. 즉, 첫 번째 섹터는 00:00:00이고 두 번째 섹터는 00:00:01이 되고, 00:00:74다음의 섹터주소는 00:01:00이 된다.

모드

섹터의 헤더 필드에는 나머지 2336바이트의 데이터 부분이 어떻게 사용될지를 기술하는 1바이트의 모드 바이트가 있다. 모드 1은 2336바이트를 2048바이트의 사용자 데이터 부분과 오류정정을 위한 288바이트로 나눈다. 이 오류정정에 EDC/ECC(Error Detection Coding/Error Correction Coding)이 사용된다. 반면, 모드 2는 에러정정없이 2336바이트를 모두 사용자 데이터로 사용한다. 모드 1은 대부분의 CD-ROM에 사용되며, 모드 2는 아래에 설명될 CD-I로 확장되게 된다.

두 모드는 유효저장용량(effective storage capacity)외에 데이터 인출(retrieval) 속도에서도 차이가 난다. 60분 분량의 데이터를 저장한다고 할 때, 모드 1은 60 minutes * 60 secs/minute * 75 sectors/sec * 2,048 bytes/sector = 552,960,000 bytes(527MB)의 데이터를 저장하고, 초당 153,600 bytes(150K)의 전송속도로 읽을 수 있으며, 같은 계산방법에 2048 bytes/sector 대신 2336bytes/sector을 대입하면, 모드 2는 630,720,000 bytes(601MB)의 데이터를 저장하고 초당 175,200 bytes(171K)의 전송속도로 데이터를 읽을 수 있다.

논리적 파일 포맷

Yellow Book 표준은 데이터 부호화 및 복호화, 프레임, 섹터 구조 등을 정의하고 있지만, 컴퓨터의 운영체제가 이 데이터를 접근하는 방법을 정의하고 있지는 않아서 자연히 플랫폼간 호환성의 문제가 대두되었다. 왜냐하면, 각 운영체제는 고유의 파일 포맷을 가지고 있어서, 매킨토시 HFS 포맷으로 만들어진 CD는 DOS나 UNIX에서 사용될 수 없기 때문이다. Yellow Book이 발표된 후, 주요 제작회사의 대표들이 Sierra Nevada 산맥의 한 휴양지에 모여 여러 플랫폼간에 호환될 수 있도록 파일과 인덱스 구조의 표준화를 도모하였는데 - 이것이 High Sierra라고 불리는 연유이다 - , 이 결과 DOS, Macintosh, UNIX 등의 운영체제와 High Sierra 표준간의 번역을 담당할 소프트웨어 드라이버만 있으면, High Sierra CD-ROM상의 어떤 파일도 접근할 수 있게 되었다. High Sierra는 매우 성공적이었으며, ISO(International Standards Oraganization)에 제출되어 약간의 수정을 거쳐 세계 표준 - ISO 9660 - 에 이르게 되었다.

CD-I(CD-Interactive) : Green Book

서로 다른 운영체제 및 파일 포맷의 문제로, Philips와 Sony는 디지털 오디오, 영상 등의 미디어를 가정용 TV와 사용할 수 있도록 Green Book 표준을 발표하고, CD-I 사양을 장착한 CD-I 재생기를 내놓았다. CD-I 재생기는 다른 CD 장치들과 마찬가지로 CD-DA를 재생할 수 있고, 또 여섯 가지 타입의 디지털 오디오 포맷 - 모노, 스테레오 각각 3레벨의 음질 - 을 지원한다. 레벨 A는 LP음질로서 CD-DA의 반정도의 데이터가 필요하며, 레벨 B는 FM 방송의 음질이며, 레벨 C는 카세트 데크정도의 음질에 해당되는데, 모두 ADPCM을 채택한다. 또한, 비디오 출력으로 NTSC, PAL, compatible의 세 가지 포맷을 지원한다.

CD-ROM XA(CD-ROM eXtended Architecture)

멀티미디어 CD-ROM은 보통 오디오와 영상을 동시에 요구하는데, 이는 컴퓨터의 프로세서는 한 번에 한 타입의 데이터만 접근할 수 있기 때문에 문제점이 된다. 즉, 혼합모드 CD-ROM의 경우 데이터와 오디오가 다른 트랙에 위치하고 있어 데이터와 오디오를 동시에 검색하는 것이 불가능하고 둘을 동기화시키는 것도 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1988년 Philips, Sony, Microsoft에서 공동 발표된 것이 CD-ROM XA이다.

CD-ROM XA 드라이브에는 전용 칩이 있어서 ADPCM 오디오를 디코딩할 수 있고, 인터리빙(interleaving) 즉 짧은 주기로 교대로 저장된 오디오와 영상을 동기화해주므로 컴퓨터의 프로세서가 동기화작업을 별도로 하지 않아도 된다. 이와 같이 CD-ROM XA는 오디오와 영상의 보다 유연한 통합을 제공하며 압축된 오디오를 사용하기 때문에 저장공간이 덜 요구되는 장점도 있다.

CD-R(CD-Recordable) : Orange Book

대개 CD는 공장에서 매스터링(mastering)되고 대량복제, 분배된다. 그러나 최근 이 매스터링 과정없이 디스크를 생성할 수 있는 CD-R Orange Book 스펙이 등장했다. 사용자는 CD-Writable이라고도 알려져 있는 CD-R 디스크에, CD-R 레코더와 컴퓨터를 이용해 데이터를 기록할 수 있는데, 이렇게 생성된 CD-R 디스크는 CD-DA, CD-ROM, CD-ROM XA 재생기와 호환된다. CD-R 한 장의 가격은 만원정도로 CD-ROM에 비해 비싸지만, 공장이 아닌 사무실에서 제작이 가능하므로 CD-ROM을 제작하기전 테스트용으로 사용되거나, 소규모 분배의 경우에 사용되고 있다. Orange Book은 멀티세션 능력을 제공하는데, 이는 한 CD에 사용자가 데이터를 기록하고 싶을 때, 하나의 세션을 추가로 생성하여 그곳에 해당 데이터를 쓸 수 있게 하는 것으로, 뒤에 언급될 Kodak Photo CD도 이 멀티세션을 지원한다.

Kodak Photo CD

CD-I가 등장한지 수년이 됐지만 그다지 소비자의 흥미를 끌지 못했다. 이에 Kodak은 사진의 필름을 CD에 저장하고 또 이를 Photo-CD 재생기를 가진 텔레비젼 화면을 통해 볼 수 있는 Photo CD를 도입하게 된다. 데스크탑 컴퓨터에서 모드 2 CD-ROM drive와 driver를 통해 Photo CD를 접근함으로써 사진 이미지를 데스크탑 출판, 멀티미디어 개발/프리젠테이션 등의 목적으로 이용할 수 있다. 보통의 CD-ROM은 한 개의 세션을 지니며, 한 번에 제작되는 반면, Photo-CD 사용자는 필름을 한 통 찍을 때마다 새로운 세션을 생성하여 그 세션에 저장할 수 있다. 따라서 Photo-CD 재생기는 각각의 세션의 VTOC(Volume Table Of Contents)를 찾아 읽을 수 있어야 한다.

Video CD

CD-Bridge 표준은 CD-ROM XA와 CD-I간의 차이를 해소하기 위해 제안된 표준이다. CD-Bridge 디스크는 CD-I 응용 프로그램을 저장하고 있는 CD-ROM XA 디스크이므로 CD-I 재생기와 CD-ROM XA 드라이브를 장착한 시스템에서도 재생이 가능하다. CD-Bridge 표준은 개방적이다. 즉, CD-Bridge로부터 파생된 새로운 표준에 더 세부적인 명세를 더할 수 있는데, 그 예가 위에서 살펴본 Photo-CD와 Video CD이다.

White Book이라고도 알려져 있는 Video CD는 CD-I의 동화상 확장을 이용하여 디지털 비디오를 저장하기 위해 고안되었다. 따라서 MPEG-1으로 인코딩되며 MPEG-1의 압축율로 12-cm의 디스크 한장이 최대 80분 분량의 비디오와 오디오를 저장할 수 있으므로 영화를 CD에 기록할 때 이용될 수 있다. CD-I 재생기, Video CD 재생기에서의 재생은 물론 CD-DA 재생기의 디지털 출력을 동화상 어댑터에 연결하는 것이 가능하다. 이 경우에는 CD-DA 재생기가 CD-DA 디스크가 아닌 다른 디스크를 인식할 수 있으야 하며 오디오가 아닌 다른 정보를 디지털 출력으로 전달할 수 있어야 한다.