영상신호의 압축방법

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영상신호의 압축방법에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

화는 급격히 요구되고 있고, 이에 따른 정보압축기술은 그 적용분야의 필요에 따라 발전해 오고 있다. 이로 인해 여러 분야에서 불가능했던 일들이 점차 가능해지고 있다.
정보통신분야의 경우는 종래 불가능하다고 여겨졌던 영상 등의 멀티미디어 통신을 전화요금 정도의 저렴한 가격으로 이용할 수 있게 되었고, 정보저장분야에 있어서는 값싼 저장매체로 멀티미디어 정보를 기록할 수 있게 되며 저장매체에 있어서도 기록에 필요한 점유량을 작게 할 수 있다. 또 방송분야에도 열화의 문제없이 고품질 전송이 가능해지고 특히 다채널 방송이 가능해졌다.
특히 보안·감시분야에서는 영상 압축률이 저장매체의 기록점유량에 직접적으로 영향을 미쳐 상품으로서의 경쟁력을 좌우할 뿐 아니라 고품질 원격전송감시를 가능하게 하여 보안·감시 시스템의 네트워크화에 결정적 역할을 하고 있다.
이상과 같이 정보압축을 이용하면 종래 생각할 수 없었던 저가의 매체를 이용해서 멀티미디어 정보를 전달할 수 있다. 즉, 멀티미디어 정보를 전달하기 위해서는 정보압축기술의 진전에 발맞추어 새로운 미디어 인프라(Infrastructure)를 정비해야 한다.
따라서 정보압축기술의 발전은 국제표준화 작업을 가속시킴과 동시에 통신, 방송, 가전, 컴퓨터 등의 광범위한 분야에서 멀티미디어 정보를 상호 이용할 수 있는 환경을 제공하게 되었다.
이와 같이 정보의 상호 이용이 가능한 것을 상호운용성(Interoperability)이라고 한다. 상호 운용성은 MPEG 등 멀티미디어 부호화의 연구개발을 추진하는 사람들과 개방형 시스템을 지향하는 네트워크 분야의 사람들에게 초점이 되고 있다.
JPEG(Joint Photographic Coding Experts Group:컬러 정지화상 압축의 국제표준)과 MPEG은 ISO(International Organization for Standardization:국제표준화 기구)의 하부조직으로, 표준화 작업을 진행시키는 전문가회의의 이름을 그대로 따온 표준 규격의 명칭이기도 하며, 정식 권고에는 ISO×××××같은 번호가 붙는다. 또 H.261, H.221, G.721, G.722, G.728 등은 ITU-T(International Tele-communication Union-Telecommunication Standardization Sector:국제전기통신연합 전기통신 표준화 부문)에서 정해진 권고번호로, 멀티미디어 요소기술에 관련되는 표준화 작업은 주로 ISO와 ITU-T에서 진행되고 있다.
표 1에 멀티미디어 부호화의 국제표준을 나타낸다. 지금까지 보안·감시분야에서는 이와 같은 국제표준화된 압축방식을 적용해 왔으나, 영상 압축률이 상품 경쟁력에 직접적으로 영향을 미치고 있어 고효율의 압축방식 개발이 필요할 뿐 아니라 저장된 영상정보의 보안을 위해서도 표준화된 압축방식을 따를 필요는 없다.
■ 디지털 영상압축방법이란
영상압축기술은 멀티미디어 시대에 극히 중요한 기술이며, 특히 상품 경쟁력과 직결되는 보안·감시분야에서의 중요성은 다른 어느 분야보다도 크다 할 수 있다.
일반적으로 동영상은 카메라의 아날로그 신호가 디지털 정보로 변환된 후 일단 프레임 메모리(한 화면을 저장하는 메모리)에 기억되어 화소단위(화면을 구성하는 영상정보의 기본단위)로 분해 처리된다. 예를 들어, 하나의 화면은 「세로 352×가로 240화소」처럼 나타낼 수 있다. 각 화소는 휘도(밝기)와 색차(색정보)를 갖는데, 휘도와 색차는 각각 다음의 네 가지 방법에 의해 영상정보를 압축시킨다.
① 색감도 스펙트럼의 중복성을 제거한다. 즉, 화소당 RGB 24비트 정보를 YCbCr 12비트로 변환하여 정보를 압축한다.
② 일반적으로 영상은 인접화소간의 값이 거의 비슷하기 때문에(상관관계가 높기 때문에) 화면내의 공간적 상관관계를 이용하여 정보를 압축한다.
③ 시간적으로 과거 화면의 정보를 기억해 두고 현재 화면을 과거 화면으로부터의 차분치로 나타냄으로써, 화면내의 시간적 상관관계를 이용하여 정보를 압축한다.
④ 위 방식을 부호화할 때, 부호의 발생 확률이 서로 다름을 이용하여 정보를 압축한다.
일반적으로 이 네 가지 압축방법이 혼합되어 이용되는데 이런 방식은 하이브리드 부호화라고 부르며, MPEG, H.261도 이 방식을 이용한 것이다.
■ 디지털 영상압축의 원리
(1) 화면내 공간적 상관관계를 이용한 압축
화면내의 공간적 상관관계는 공간주파수 개념으로 쉽게 설명될 수 있다. 예를 들어 화면 전체가 같은 색인 경우, 밝기는 다소 달라도 인접한 화소들이 같은 색이어서 전혀 다른 색보다 인접한 값들을 유추하기가 쉽다. 이러한 경우를 “화면내의 공간적 상관관계가 높은 상태”, 즉 화면의 변화가 거의 없는 평활한 상태라 한다. 이렇듯 화면이 평활하고 천천히 변화할 때 “공간주파수가 낮다”라고 표현하며, 반대로 체크무늬처럼 그림이 세밀하고 변화가 많을 때는 “공간주파수가 높다”라고 한다.
한 장의 영상은 일정한 크기의 정방형 영역으로 나뉘어져 각 영역에 대해 변환처리함으로써 영역내 평균값에서 매우 정교한 최고 주파수의 영상성분에 이르기까지 여러 가지 주파수의 영상성분으로 분해된다.
이 분해과정을 직교변환이라고 하는데 보다 정교한 성분은 보다 고주파인 성분으로 이해하면 된다. 즉, 영상은 제1주파수항(평균치영상)에서 차례로 고주파항으로 분해된 영상성분들의 중첩으로 표현된다. 직교변환은 60년대 이래 여러 종류가 있는데, 그 중 텍사스대학의 Rao 교수팀이 발명한 DCT(Discrete Cosine Transform:이산여현변환)가 영상압축에 가장 효과적인 방식으로 꼽히고 있다.
이 DCT는 MPEG, JPEG, H.261 등의 국제표준규격에 채택되고 있다. 직교변환(특히 DCT)의 장점은 변환하기 전에 화면에 불규칙하게 퍼져 있던 화소값이 변환 후에는 저주파항 쪽으로 집중되어 있다는 것이다.
따라서 고주파항을 버리는 조작을 통해 정보손실이 거의 없이 영상정보압축을 할 수 있게 되었다. 고주파항들을 버리기 위해 생각할 수 있는 것이 양자화이다. 양자화는 화소값 혹은 직교변환된 각 주파수의 성분값을 맛양자화 스텝 사이즈

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