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데이터를 줄이는 기본적인 방법

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다양한 방법을 사용하여 이미지 프레임 내부와 일련의 프레임 사이에서 비디오 데이터를 줄일 수 있다.

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이미지 프레임 내부에서는 불필요한 정보를 제거함으로써 간단히 데이터를 줄일 수 있는데 이는 이미지 해상도에 영향을 주게 된다. 일련의 프레임에서 비디오 데이터는 차등 코딩과 같은 방법으로 비디오 데이터를 줄일 수 있는데, 이것은 H.264와 같은 대부분의 비디오 압축 표준에서 사용된다. 차등 코딩에서 프레임은 참조 프레임(즉, 이전의 I-프레임 또는 P-프레임)과 비교되며, 참조 프레임과 관련하여 변경된 픽셀들만 부호화된다. 이 방법에서는 부호화되고 전송되는 픽셀 값의 개수가 감소된다.

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\r\n Motion JPEG 포맷을 사용하면 위의 순서에서 3개 이미지들은 서로 종속성을 갖지 않는 별도의 고유 이미지(I-프레임)로 부호화되어 전송된다.

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\r\n 차등 코딩(H.264를 비롯한 대부분의 비디오 압축 표준에 사용됨)을 사용하면 첫 번째 이미지(I-프레임)만 온전하게 부호화된다. 다음 이미지(P-프레임)에서는, 정적 요소(집)에 대해 첫 번째 그림에 대한 참조가 이루어지고, 움직이는 부분, 즉 달리는 사람은 모션 벡터를 사용하여 부호화되기 때문에 전송되고 저장되는 정보량이 줄어들게 된다.

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해독량은 차이의 검출과 인코딩이 개별 픽셀이 아니라 픽셀 블록(매크로 블록)을 기반으로 하는 경우에 한층 더 줄어들 수 있다. 따라서 큰 구역이 서로 비교되며 차이가 있는 블록들만 부호화된다. 변화되는 구역의 위치를 나타내는 것과 관련된 오버헤드 역시 감소된다. 그러나 차등코딩은 비디오에 움직임이 많은 경우에는 데이터를 크게 줄이지 않는다.

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여기에서는 블록기반 모션 보상과 같은 기법을 사용할 수 있다. 블록기반 모션 보상은 비디오 순서에서 새로운 프레임을 만들어내는 대부분을 이전 프레임에서 발견할 있고 위치만 다를 것이라는 점을 고려한다. 이 기법은 프레임을 일련의 매크로 블록으로 분할한다. 블록 별로 새로운 프레임, 이를테면 P-프레임을 구성하거나 참조 프레임에서 일치하는 블록을 찾아 예측할 수 있다.

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이렇듯 일치하는 블록이 발견되면 인코더는 단순히 참조 프레임에서 일치하는 블록이 발견된 위치를 부호화한다. 참고로 모션벡터 코딩은 말 그대로 블록의 실제 내용을 부호화하는 것보다 적은 비트를 차지한다.

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\r\n 블록을 기반으로 한 모션 보상을 설명하는 그림

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H.264의 효율성

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H.264는 비디오 압축 기술을 새로운 차원으로 보내준다. H.264에서는 I-프레임 인코딩을 위하여 새로운 첨단 예측 방식이 도입되는데 이 방식은 I-프레임의 비트 사이즈를 상당부분 줄일 수 있으며, 프레임의 각 매크로 블록 안에 있는 더 작은 픽셀 블록들을 연속적으로 예측할 수 있게 함으로써 높은 품질을 유지할 수 있다.

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이것은 인트라 코딩 대상인 새로운 4×4 픽셀 블록에 인접하는 이전에 부호화된 픽셀들을 찾으려고 시도함으로써 이루어진다. 이미 부호화된 픽셀 값을 재사용함으로써 비트 사이즈를 크게 줄일 수도 있다.

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새로운 인트라 예측은 대단히 효율적인 것으로 입증된 H.264 기술의 핵심부분이다. 비교해 보면 H.264 스트림에 I-프레임만 사용되었을 경우 I-프레임만을 사용하는 Motion JPEG 스트림보다 상당히 작은 파일 크기를 갖게 될 것이다.

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P-프레임과 B-프레임에 사용되는 블록기반 모션보상 역시 H.264에서 향상되었다. H.264 인코더는 하나 또는 다수의 참조 프레임에서 몇 개 혹은 다수의 구역에 있는 정합 블록을 픽셀 이하 단위의 정밀도로 검색할 수 있다. 또한, 블록의 크기와 모양을 조정하여 정합을 향상시킬 수 있다.

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참조프레임에서 정합블록을 찾을 수 없는 구역에서는 인트라 코드 매크로 블록이 사용되지 않는다. H.264의 블록기반 모션 보상이 갖는 고도의 유연성은 까다로운 애플리케이션을 위해 품질을 유지할 수 있는 혼잡한 감시장면에서 진가를 나타낸다. 모션보상은 비디오 인코더의 가장 까다로운 부분이며, H.264로 구현할 수 있는 다양한 방법은 비디오를 효율적으로 압축하는 방법에 영향을 줄 수 있다.

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전형적인 블록모양 인조물(H.264 이외의 Motion JPEG 및 MPEG 표준을 사용하여 높은 비율로 압축된 비디오에 나타남)은 H.264를 통해 인루프 블록제거 필터를 사용하여 상당부분 줄일 수 있다. 이 필터는 적응형 신호강도를 사용하여 블록 모서리를 유연하게 함으로써 가장 완벽하게 해독된 비디오를 전송한다.

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\r\n 매크로 블록을 형성하는 16개 블록 중 하나 안에 4×4 픽셀을 부호화하는데 있어서 인트라 예측이 취할 수 있는 몇 가지 모드. 매크로 블록의 16개 블록 각각에 대해 상이한 모드를 사용하여 부호화할 수 있다.

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\r\n 위의 이미지는 H.264의 인트라 예측방식의 효율성을 설명하고 있다. 이에 따르면 인트라 예측 이미지는 무료로 전송된다. 출력 이미지를 생성하려면 잔류 내용과 인트라 예측 모드만을 부호화하면 된다. \r\n

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H.264로 인한 변화

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H.264는 비디오 압축 기술에 있어서 장족의 발전을 가져올 것으로 보인다. 더욱 정확한 예측능력뿐만 아니라 향상된 오류복구 기능으로 더욱 좋은 압축효율을 가능케 하는 기법들을 제공할 수 있다.

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또한, H.264는 일정한 비트율에서 높은 품질의 비디오 스트림, 높은 프레임 속도 및 높은 해상도를 가능케 하거나 반대로 낮은 비트율에서 동일한 품질의 비디오를 가능케 하는 더욱 좋은 비디오 인코더 창조를 위한 새로운 가능성을 제공한다.

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H.264는 ITU, ISO 및 IEC가 비디오 압축을 위한 공통 국제표준에 공조한 최초의 사례를 의미한다. 이것이 갖는 유연성으로 인해 H.264는 고화질 TV, 온라인 비디오 스토리지(예: YouTube), 제3세대 휴대폰을 비롯한 고화질 DVD(예: Blu-ray), 디지털 비디오 방송과 같은 다양한 영역과 QuickTime, Flash 및 애플컴퓨터사의 MacOS X 운영체제와 같은 소프트웨어, 그리고 PlayStation3와 같은 가정용 비디오 게임 콘솔에 적용되고 있다. 이렇듯 여러 업계의 지원과 일반 소비자 및 전문가용 어플리케이션 덕분에 H.264는 오늘날 사용되는 다른 압축표준과 방법들을 상당부분 교체할 것으로 예상된다.

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H.264 포맷은 네트워크 카메라에서 보다 광범위하게 사용될 것이기 때문에, 시스템 설계자들과 통합 사업자들은 그들이 선택하는 제품 및 판매자가 이러한 새로운 개방형 표준을 지원하고 있는지 확인해야 한다.

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확실히 말할 수 있는 것은 당분간 H.264와 Motion JPEG를 지원하는 네트워크 비디오 제품은 최대의 유연성과 통합 가능성에 가장 이상적이라는 것이다.

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\r\n 왼쪽 이미지에서 고도로 압축된 이미지에 있는 블록모양 인조물은 오른쪽 이미지와 같이 블록제거 필터를 적용하면 줄어든다.

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글_윤 승 제 | 엑시스커뮤니케이션즈코리아 지사장(alexy@axis.com)