디지털코드와 압축

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 3 디지털 코드의 압축 - 문자, 음성, 영상 등 모든 정보가 디지털 코드로 표시 - 제한된 크기의 메모리에 많은 정보를 저장 - 제한된 전송선로를 통해 많은 정보를 전송 - 정보에 따른 필요 전송속도 * 전화 – 64kbps, * CD 음악 – 1.4Mbps * TV – 100Mbps, * HDTV – 1.2Gbps  반드시 압축이 필요 압축의 필요성

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 4 구 분 디지털 정보의 크기 디지털 데이터 계산 초당 데이터 전화 음성 8KHz 표본화 x 8bit 64Kbps 스테레오 CD 44.1KHz 표본화 x 16bit x 2 채널 1.5Mbps 컬러 TV 복합영상 (NTSC) 14.3MHz 표본화 x 8bit 114.5Mbps 컬러 TV 스튜디오 디지털 규격 13.5MHz 표본화 x 8bit ( 휘도 ) MHz 표본화 x 8bit x 2 색 216Mbps HDTV 스튜디오 74.25MHz 표본화 x 8bit ( 휘도 ) MHz 표본화 x 8bit x 2 색 1.2Gbps 디지털데이터를 디지털 통신망, 하드디스크, CD, DVD 로 수용가능 ? 인간의 시각, 청각 특성을 이용하여 최대한 압축 사용 ISO, ITU, IEC 기관 MPEG 멀티미디어 정보

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 5 디지털 코드의 압축방법 - 압축 후 복원하면 원래코드 완벽한 재생 가능 - 컴퓨터 데이터, 도형, 문자 등 - Run-length, DPCM, Entrophy 무손실 압축 - 인간의 시각 및 청각이 느낄 수 없는 부분을 제거 - 높은 압축율, 완벽한 재생 불가 - DCT, MPEG 손실 압축

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 6 구 분 무손실 압축 (lossless compression) 손실 압축 (lossy compression) 압축률 상대적으로 낮음 상대적으로 높음 데이터의 복구 원래 데이터의 완전 복구 가능 복구 데이터 / 원래 데이터가 다름 적용 압축파일 PKZIP, ARJ, LHA GIF, TIFF JPG(JPEG), MPEG, MP3, MP4, RA(real audio) 재압축 여부 재압축 시 파일 크기가 줄지않음 반복압축 시 파일 크기가 줄어듬 응용 분야 컴퓨터의 실행 파일 데이터 파일 영상, 음성 등 인간의 시청각 기관으로 느끼는 정보 적용 기법 Run-Length 보호화 Huffman 보호화 Lempel-Ziv 부호화 변환기법 : FFT, DCT 예측기법 : DPCM, ADPCM, DM, ADM 양자화, 보간기법 하이브리드 방식 사용

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 7 무손실 압축 - 동일한 값이 연속적일 때 그 횟수를 코드화 - 연속되는 값이 길수록 압축율 높음 Run-length 압축 000 압축후 압축전

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 8 Run-length 압축 압축후 압축전 압축의 예 33 비트 49 비트 - 16 비트 압축, 67% 의 비트수로 데이터 표현 - 압축해제는 3 비트 간격으로 끊어 데이터 재현 은 ‘ 5 ’ 이므로 ‘ 0 ’ 이 5 개, 111 은 ‘ 0 ’ 이 7 개 등 비교

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 9 Huffman 부호화 빈도가 높은 정보는 적은 비트 수, 빈도가 낮은 정보는 많은 비트 수를 사용하는 가변 길이 코드 ( 영상 압축에 사용 ) 무손실 압축 - 가변길이 부호화 - 데이터의 출현확률에 따라 코드길이를 달리하는 방법 Huffman 압축

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 10 Lempel-Ziv 부호화, DCPM Lempel-Ziv(LZ) 부호화 어구가 반복될 때 문서상의 처음 위치정보를 이용하여 이후 어구를 [ 위치, 길이 ] 로 표현

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 11 무손실 압축 - 영상의 압축에 응용, 예측 부호화 - 서로 인접한 화소는 거의 같은 값을 가진다는 가정 - 아래 그림은 화소를 표현, 부호화할 화소는 X - X=B 로 예측한 후, X 와 실제값 x 의 차를 코드화 - x=5, B=5 이면, X 는 5 로 예측하여 ‘0’ 으로 부호화 DPCM 압축 C A D B E X

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 12 DPCM 압축 표시된 화소는 앞화소값 (5) 로 예측 - 실제화소값 (5) 와의 차, 즉 ‘0’ 으로 부호화 - 각 화소가 순서대로 부호화가 진행됨 압축의 예

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 13 DPCM 압축 - 원래값은 0 – 5 까지 6 단계 존재 - 각 화소를 3 비트만으로 표현가능 ( 전제 48 비트 ) - 압축한 후는 –5 에서 5 까지 11 단계 존재 - 화소당 4 비트필요 ( 전체 64 비트 ) - 실제 압축이 일어나지 않은 결과 - 그러나 결과는 ‘0’ 근처의 값이 많이 나타남 - DPCM 결과를 Run-length 등 다른 압축방법을 사용하여 재압축 비교

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 14 손실 압축 - 변환부호화, MPEG 의 핵심기술 - 영상을 여러 개의 공간주파수 성분으로 분해 DCT (discrete cosine transform) 압축 - 영상내의 밝기나 색상 등의 변화율을 나타냄 - 하나의 영상은 여러 공간주파수의 합으로 이루어짐 - DCT 를 통하여 각 주파수성분의 크기를 계산함 공간주파수란 ?

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 15 손실 압축 - 2 차원 영상 데이터 → 주파수 영역으로 변환 - 각 주파수 성분의 크기 (DCT 계수 ) 를 계산 - 저주파 성분 ( 고에너지 )→ 많은 양자화 Bit 할당 - 고주파성분 ( 저에너지 )→ 작은 양자화 Bit 할당 - 단위 : 8x8 크기의 화소를 하나의 블록으로 - 저주파신호가 많을 수록 압축효율이 높음 - 스칼라 양자화 (SQ), 벡터 양자화 (VQ) DCT 압축

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 16 DCT 변환 = b 1 * + b 2 * + b 3 * + b 4 *+ b 5 *+ b 6 * + ‥ b 16 * 원영상최저주파수 최대주파수 공간주파수가 점점 높아진다

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 17 DCT 압축 a1a1 a2a2 a3a3 a4a4 a5a5 a6a6 a7a7 a8a8 a9a9 a 10 a 11 a 12 a 13 a 14 a 15 a 16 a 17 a 18 a 19 a 20 a 21 a 22 a 23 a 24 a 25 a 26 a 27 a 28 a 29 a 30 a 31 a 32 a 33 a 34 a 35 a 36 a 37 a 38 a 39 a 40 a 41 a 42 a 43 a 44 a 45 a 46 a 47 a 48 a 49 a 50 a 51 a 52 a 53 a 54 a 55 a 56 a 57 a 58 a 59 a 60 a 61 a 62 a 63 a 64 b1b1 b2b2 b6b6 b7b7 b 15 b 16 b3b3 b5b5 b8b8 b 14 b 17 b4b4 b9b9 b 13 b 18 b 10 b 12 b 19 b 11 b 20 b 21 b 61 b 22 b 60 b 62 b 59 b 63 b 64 c1c1 c2c2 c6c c3c3 c5c c4c 원영상 DCT 변환후 계수양자화 후의 계수 DCT 변환 양자화 원영상을 8×8 화 소의 블럭으로 분할 저주파항고주파항 변환계수를 상수 Q 로 나 누어 반올림 C1 = b1/Q 저주파항만 남고 나머지는 거의 ‘ 0 ’ 무손실압축 실행 전송

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 18 영상압축예 (DPCM) 원영상과 히스토그램 DPCM 압축영상과 히스토그램

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 19 영상압축예 (DCT) 원영상 DCT 후 복원영상두 영상의 차이

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 20 움직임 보상 압축 - 인간의 시각 : 16 장 / 초 이상이면 연속화면으로 인식 - 영화 : 24 장 / 초, TV : 25 장 / 초, 30 장 / 초 - 화면간 상관성이 높을 수록 압축에 효과적  배경조정화면의 경우 : 첫 화면정보 전송 후 다음화면은 “ 앞 화면과 같음 ” 정보 전송으로 충분  움직임이 있는 화면의 경우 : 배경은 고정, 움직임에 의한 차 이만 전송 (DPCM)  새로운 화면의 경우 : 압축과정을 다시 적용 - MPEG, H.261 에 적용 : 블록별 움직임 추정 및 보상방법

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 21 데이터 압축 기술의 표준 - MPEG 압축방식의 기초  손실부호화 & 무손실 부호화 결합 (DCT+ 양자화 ) (DPCM, Run-Length, Huffman, 산술부호화 )  단위 블록 : 8x8 화소  저주파 계수에 집중된 양자화  고주파계수의 양자화 레벨은 크게 ( 대부분 0) JPEG

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 22 데이터 압축 기술의 표준 - MPEG 압축방식의 기초 - 영상전화 및 영상회의 동영상 압축표준 - 사람의 얼굴과 어깨가 포함된 Head-and-shoulder 영상  고정된 배경  약간의 얼굴 움직임 ( 높은 이웃 화면간 상관성 )  첫 화면 (I 화면 ) : 모든 매크로 블록을 부호화  Next 화면들 (P 화면 ) : 순방향 예측 부호화 ( 높은 압축률 )  Ex) 화면 구성 : IPPP_ IPP… H.261

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 23 데이터 압축 기술의 표준 - 동영상과 음향 압축 및 다중화 표준 - Moving Picture Experts Group - 기초 : JPEG, H.261 압축 방식 - 단위 : 16x16 화소 - 동영상 압축과정 MPEG 원본 영상 전처리변환양자화 코드 할당 비트 스트림

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 24 데이터 압축 기술의 표준 - CD-ROM 에 VHS 화질 동영상과 음향을 압축, 저장 - 비트율 : 1.5Mbps - 순차주사 방식만 지원 - H.261 보다 움직임, 장면 전환이 많음 - 응용분야 : 화질이 중시되는 엔터테인먼트 - I 화면 – P 화면 – B 화면 (MPEG-1 에서 최초 등장 ) 의 나열 방식  I 화면 : Intro Picture, P 화면 : 순방향 ( 전 I, P) 움직임 보상 예측화면, B 화면 : 양방향 ( 전후 I, P) 움직임 보상 예측화면 - 오디오 : 스테레오 지원  필터뱅크 ( 대역통과필터 ) 통과 후 가청주파수의 양자화 레벨을 차 별화 하여 압축  표본화 주파수 : 44.1kHz, 48kHz, 32kHz MPEG-1

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 25 데이터 압축 기술의 표준 - 디지털 TV, DVD 수준 화질의 동영상과 음향을 압축, 저장 - 순차주사, 비월주사 모두 지원 - 비트율 : 15Mbps - 미국 TV 방송방식으로 채택 - HDTV 표준을 위한 전 단계 역할 - 오디오 : 5.1 채널, 7 개 국어 지원  표본화 주파수 : 16kHz, 22.05kHz, 24kHz - 디지털 위성방송, HDTV, DVD, VOD 분야의 표준으로 채택 MPEG-2

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 26 데이터 압축 기술의 표준 - 기능 : 객체지향 대화형, 고능률 압축, 범용 액세스 - 객체지향 대화형 : 사용자가 화면이나 음향을 자유로이 구성할 수 있는 기능 - 고능률 압축 : 다양한 압축 메뉴에서 선택하여 압축률을 향상 MPEG-4 - 멀티미디어 데이터베이스에서 원하는 정보를 탐색, 추출하는 기능 - 응용분야 : 멀티미디어 정보 편집, 디지털 도서관 사전 분류, 쇼핑 정보 탐색, 지리 정보 시스템 MPEG-7 - 멀티미디어 콘텐츠 생성, 거래, 관리 등의 표준화 - 응용분야 : 디지털 아이템 관리와 사용, 저작권 관리 및 보호, 이벤트 보 고 등 MPEG-21

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 27 CODEC - Animator Pro, 3D MAX 에서 사용하는 동영상 포맷 - 오디오 無 FLI, FLC - 애플의 퀵타임 동영상 포맷 - AVI 포맷에 비해 뛰어난 압축률 및 고화질 - 초기 : Mac 용 Only, 현재 : Windows 용까지 지원 MOV - Windows 표준 동영상 포맷 - 윈도 95 부터 별도 응용 프로그램없이 지원 AVI

구미 1 대학 컴퓨터정보전자계열 28 CODEC- compression/Decompression - AVI 의 인터넷 확장판 - 포함정보 : 오디오, 비디오, 이미지, URL, 실행프로그램 등 - 파일을 다운로드하면서 동시에 재생이 가능 - 응용 프로그램 : MS Windows Media Player ASF(WMV) - Real Media 비디오 스트림 방식에서 사용되는 파일 포맷 - 인터넷 방송용 ( 오디오 RA, 비디오 RA) - 높은 압축률, 저음질 / 저화질 RM