멀티미디어 데이터 압축 / 복원
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멀티미디어 데이터 압축멀티미디어 데이터 압축 // 복원복원
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2
목 차목 차목 차목 차
압축의 개념 무손실 압축 손실 압축 이미지 압축 비디오 압축
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3
멀티미디어 데이터는 일반적으로 크기가 매우 큼 .
효율적인 저장이나 전송 등을 위해 데이터 압축은 필수적임 .
멀티미디어 응용분야 비대칭형 (asymmetric) 분야 대칭형 (symmetric) 분야
압축의 개념압축의 개념압축의 개념압축의 개념
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4
압축원리압축원리압축원리압축원리
무손실 압축 (lossless compression)
손실 압축 (lossy compression)
정보의 압축을 위해 활용되는 정보의 성질 공간적 상관 관계 시간적 상관 관계 정보 구성 심볼 (symbol) 의 발생 확률
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압축시스템의 평가압축시스템의 평가압축시스템의 평가압축시스템의 평가 압축시스템의 평가 기준
압축률 (compression ratio) 복원 데이터의 품질 (quality) 압축 및 복원 속도
압축 기법의 분류
![Page 6: 멀티미디어 데이터 압축 / 복원](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081421/568135f4550346895d9d6573/html5/thumbnails/6.jpg)
6
무손실 압축무손실 압축무손실 압축무손실 압축
정보의 손실 없이 복원을 가능하게 함
압축률이 높지 않음
텍스트 데이터의 압축 같은 경우 필수적
압축기법의 예로서 Run-Length 부호화 , Huffman 부호화 , Lempel-Ziv 부호화 등이 있음
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7
Run Length Run Length 부호화부호화Run Length Run Length 부호화부호화
반복되어 나타나는 블록 정보들을 그 반복 횟수를 이용하여 표현하는 부호화
ABBBBBBBBBBBBBBC AB@14C
(a) 압축이전의 데이터 (b) 부호화된 데이터
Run-length 부호화
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8
Huffman Huffman 부호화부호화Huffman Huffman 부호화부호화
Huffman 부호화의 기본 개념은 각 단위 정보를 표현하는 비트 수를 단위 정보 들의 출현 빈도를 기반으로 할당하는 것임
빈도가 높은 정보는 적은 비트 수를 사용하여 표현하고 , 빈도가 낮은 정보는 비트 수를 많이 사용하여 표현해서 전체 데이터의 표현에 필요한 비트의 양을 줄임
대표적인 가변 길이 코드이며 , 영상 압축에 많이 사용됨
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9
aa_bb_cccc_dddd_eeeeeeee 부호화 이전의 코드
문자의 출현 빈도수e
dc_
b 허프만 트리
e 1 _ 001
d 011 b 0001
c 010 a 0000
허프만 코드
0
0
0
0
1
1
1
e d c _ b a
8 4 4 4 2 2 1
a
01
A
B C
D
E
Huffman Huffman 부호화부호화Huffman Huffman 부호화부호화
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10
Lempel-Ziv Lempel-Ziv 부호화부호화Lempel-Ziv Lempel-Ziv 부호화부호화 동일한 어구가 반복적으로 나타나는 경우 맨 처음 그 어구가 나타난
문서상의 위치 정보를 이용하여 그 이후에 나타난 어구들을 부호화 하는 것이 Lempel-Ziv(LZ) 부호화의 기본 개념임
시작
새로운 어구를가져온다
끝
등록된어구인가 ?
등록하고어구를 출력한다
사전상의어구 위치를
출력한다
YesNo
No
LZ 부호화의 개념
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11
DCT DCT 변환변환DCT DCT 변환변환
JPEG, MPEG, H.261 등의 부호화 과정에 이용
2 차원 행렬로 정의된 영상 데이터를 공간영역 (spatial domain) 에서 주파수 영역 (frequency domain) 으로 변환하는 방법
다양한 종류의 영상 데이의 변환에 적용되며 , 변환 후 양자화 과정을 거쳐 무손실 압축 기법으로 압축하였을 때 높은 압축률을 얻을 수 있어 많이 이용함
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양자화 기법양자화 기법양자화 기법양자화 기법
양자화 양자 (quantum) 로 불리는 미리 정의된 정보들을 이용하여
데이터를 부호화하는 방법임 양자로 이용되는 정보들이 스칼라 (scalar) 값이면 스칼라
양자화 , 벡터 (vector) 값이면 벡터 양자화라고 함
200115 49 70 81 83 88 75
50 29 12 17 20 21 22 19
- 양자화 전의 데이터
- 4 의 배수로 양자화한 데이터
4 의 배수를 이용한 수열의 양자화
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예측 기법예측 기법예측 기법예측 기법
예측 기법 (predictive technique) 은 전 ( 과거 ) 정보를 바탕으로 다음 정보를 예측하고 예측 값과 원래 값 간의 오차를 보정함으로써 원래 정보를 복원
PCM PCM 변환은 가장 기본적인 변환 기법으로 아날로그 신호로
들어오는 데이터를 표본화 (Sampling), 양자화(quantization) 를 거쳐 디지털 신호로 변형하는 기법
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예측 기법예측 기법예측 기법예측 기법
DPCM 인접한 픽셀들의 값을 비교하여 그 차이만을 전송하며 복원할
때는 차이 정보를 이용하여 이 전 값으로부터 새로운 픽셀 값을 계산함
모든 픽셀들의 값을 바로 전송하는 것 보다 연속된 픽셀 값들의 차이만을 전송하는 것이 훨씬 효율적임
기울기 과부하 (slope overload) 현상이 발생 할 수 있음
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예측 기법예측 기법예측 기법예측 기법
ADPCM 기울기 과부하에 의한 왜곡을 많이 줄일 수 있음
ADPCM(Adaptive DPCM) 의 구현 방법은 값의 차이를 나타내는 비트 수를 적절하게 변화 시키는 것임
ADPCM 의 구현을 위해서는 추가적인 데이터 연산 필요
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이미지 압축이미지 압축이미지 압축이미지 압축 GIF 압축
GIF 는 LZW(Lempel Ziv Welch) 알고리즘을 사용하여 이미지를 압축함
LZW 는 연속되는 픽셀의 컬러 값의 변화가 없을 경우 Run Length 부호화 방식을 기본으로 사용
수평방향에서 같은 색이 반복되는 경우 더욱 큰 압축 효과를 얻을 수 있음
GIF 는 그림 특성에 따라 압축률이 일정하지 않음
잘못 적용하면 원래 파일 크기보다 더 커질 수 있음
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JPEG JPEG 압축압축JPEG JPEG 압축압축
JPEG(Joint Photographic Experts Group) 은 ISO 에서 정지 영상을 위한 단일 부호화 표준의 개발을 위해 시작한 표준화 작업
여러 제안된 기법들에 대한 검토를 거쳐 DCT 기반의 부호화 방식이 표준안으로 채택
JPEG 표준은 네 가지 부호화 방식을 제공
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Fourrier Fourrier 변환변환 (Fourrier Transform)(Fourrier Transform)Fourrier Fourrier 변환변환 (Fourrier Transform)(Fourrier Transform)
어떤 비주기적 신호도 무한개의 주기적 신호로 나뉠 수 있다 .
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정현파정현파 (Sine Wave)(Sine Wave)정현파정현파 (Sine Wave)(Sine Wave)
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JPEG JPEG 압축압축JPEG JPEG 압축압축
JPEG 의 부호화 방식
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JPEG JPEG 압축압축JPEG JPEG 압축압축
영상을 블록으로 나눔
DCT 양자화
허프만 코드테이블
차이 정보로부호화
지그재그로나열
AC 계수 DC 계수
AC 허프만 코드화
DC 허프만 코드화
JPEG 표준의 순차적 모드
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JPEG JPEG 포맷포맷JPEG JPEG 포맷포맷
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WaveletWaveletWaveletWavelet
Wavelet 변환은 연속되는 서로 다른 주파수 데이터를 특정 기저함수의 집합으로 분리하는 과정
일반적으로 다른 방식의 압축보다 그 효율이 높다
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JPEG 2000JPEG 2000JPEG 2000JPEG 2000 기존 DCT 기반 JPEG 을 지원하는 새로운 형태의 정지영상 압축
표준 제정의 필요 Wavelet 부호화 (Short Time Fourrier Transform 과 유사 ) 기법을
DCT 와 함께 표준에 포함 시킴
JPEG2000 인코더가 갖추어야 할 내용
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비디오 압축비디오 압축비디오 압축비디오 압축 비디오 압축은 공간적 차원의 압축과 시간적 차원의 압축
모두를 사용해야 함 MPEG
MPEG(Moving Picture Experts Group) 은 동영상 표준 부호 방식의 제정을 위해 출범한 단체
비디오 전화용과 디지털 저장매체용 압축방식으로 구분됨 시간적 중복 및 공간적 중복을 제거하는 기법에 그 기반을 두고 있음
원 본 영 상 전 처 리 변 환 양 자 화 코 드
할 당 비 트
스 트 림
MPEG 의 동영상 압축 절차
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MPEGMPEGMPEGMPEG
MPEG 의 기본 압축 기술은 화면을 세 가지 Picture 로 나누어 부호화를 수행 I(Intra coded) Picture P(Predictive coded) Picture B(Bidirectional coded) Picture
I, P, B Picture 의 시퀀스
B picture
I picture
P picture
P3P2
P1
B1B2I1
B3B4B5B6
B7B8
: B1, B2, I1, B3, B4, P1, B5, B6, P2, B7, B8, P3상영 순서 : I1, B1, B2, P1, B3, B4, P2, B5, B6, P3, B7, B8복호화 순서
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27
MPEGMPEGMPEGMPEG
MPEG-1 VHS 수준의 영상을 CD-ROM 에 저장할 목적으로 제정
되었음 시스템 부문 , 비디오 부문 , 오디오 부문 , 적합성 검사
(compliance testing) 부문으로 구성
MPEG-2 디지털 TV 와 DVD 수준의 영상을 목적으로 제정 순차주사 (noninterlace) 와 격행주사 (interlace) 방식
모두를 지원 MPEG-3 는 HDTV 를 목표로 출발하였으나 , 후에
MPEG-2 로 통합됨
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28
MPEG-4 음성과 비디오 합성을 목표로 출발한 영상 압축 표준
멀티미디어 통신 서비스를 고려하여 기존 방식과 새로운 기능을 지원하기 위한 부호화를 목표로 함
양방향성 , 높은 압축률 및 다양한 액세스가 가능한 비디오 /오디오의 표준 부호화를 위해 새로운 기술들에 대한 융통성과 확장성의 제공을 제안하고 있음
객체 기반 부호화 (object-based coding) 방법에 대한 연구를 포함하고 있음
MPEGMPEGMPEGMPEG
![Page 29: 멀티미디어 데이터 압축 / 복원](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081421/568135f4550346895d9d6573/html5/thumbnails/29.jpg)
29
MPEGMPEGMPEGMPEG
MPEG-7 여러 유형의 멀티미디어 정보에 대한 빠르고 효율적인 검색의
필요에 따라 개발됨 여러 가지 멀티미디어 정보를 기술하기 위한 표준화 실시간 , 비실시간 구현이 모두 가능
MPEG-7 처리 과정의 표준
![Page 30: 멀티미디어 데이터 압축 / 복원](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081421/568135f4550346895d9d6573/html5/thumbnails/30.jpg)
30
MPEGMPEGMPEGMPEG
MPEG-21 개별 기술을 통합해 제작 , 전달 , 소비 등 멀티미디어 컨텐츠 ,
전자상거래 전 과정에 효과적으로 이용하기 위해 등장
컨텐츠 상호 연동 , 자동화된 결재시스템 , 컨텐츠 전달 , 저작권 관리 , 소비자 사용권 등에 따른 효율적인 전자상거래 시스템을 제공
현재 기술 보고서 작업이 완료된 상태
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MPEG(Moving Picture Experts Group)MPEG(Moving Picture Experts Group)MPEG(Moving Picture Experts Group)MPEG(Moving Picture Experts Group)
MPEG-1 1993년 표준화 완료 (ISO/IEC 11172)1.5Mbps 이하 , VTR 화질 (SIF 영상 )Video CD 용 , 2 채널 stereo
MPEG-2 1995년 표준화 완료 (ISO/IEC 13818)Laser Disc급 이상의 화질 , 5.1 채널 입체 음향4Mbps 이상 , 방송용 , DVD, digital, DBS, HDTV, VOD 에 활용
MPEG-4 1999 년 표준화 완료 ( 버젼 1)고 압축율 , 저 전송용 , 24Kbps ~ 2Mbps객체 지향부호기법 , 비디오 전화 (Video Phone), 멀티미디어 데이터베이스 ( 인터넷 )
MPEG-7 2001 년 표준화 완료내용기반 검색을 필요로 하는 분야에 응용설명기법과 색인기술 집합의 표준화 ,색인정의언어 표준화 , 색인의 코딩방식 표준화현재 연구 진행중
MPEG-21 표준화 진행 중다양한 네트워크 및 장치와 멀티미디어 자원의 효율적 이용 프레임워크들의 구성 요소 연결과 통합프레임워크 표준 정의
MPEG 시스템의 분류
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H.261/H.263H.261/H.263H.261/H.263H.261/H.263
화상회의를 위해 1990년 ITU 에 의해 제정된 동영상 부호화 표준
ISDN 라인에서 사용하기에 적합 CIF(Common Intermediate Format) 와
QCIF(Quarter-CIF) 의 두 가지 해상도를 지원
H.261 의 CIF 와 QCIF
![Page 33: 멀티미디어 데이터 압축 / 복원](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081421/568135f4550346895d9d6573/html5/thumbnails/33.jpg)
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H.323H.323H.323H.323
멀티미디어 화상회의 테이터를 TCP/IP 와 같은 패킷 교환 방식의 네트워크를 통한 전송하기 위한 ITU-T 의 표준
( 음성 압 )축G.711G.722G.729
등.
( 비디오 압 )축H.261H.263
.등
RTPRTCP
RAS채널
H.225
CallSignaling
채널Q.931
CallControl
채널H.245
UDP TCP
IP
H.323
Internet
Protocol
(Applications) - , , 각종 응용 오디오 응용 비디오 응용 시스템 제어
H.323 구조
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34
DivXDivXDivXDivX
DVD 를 대체할 목적으로 서킷시티라는 미국 유통업체의 주도로 나타남 .
사용료 지불 방침에 대한 DVD 업체와 시민단체들의 반대로 시장에서 실패 .
Gej 또는 MazMorice 라는 가명을 쓰는 사람이 MicroSoft의 비디오기술 (Mpeg4) 를 조작 , 변경하고 사운드트랙을 최소화 하기 위해 MP3 포맷을 사용한 DivX 코덱을 만들어 전 세계에 퍼짐 .
오픈소스로서 세계 각지의 프로그래머들의 도움을 받아 지속적으로 발전 하고 있다 .