디지털 신호처리디지털 신호처리(DSP : Digital Signal Processing)(DSP : Digital Signal Processing)

ContentsContents

1.1. 압축의 개요와 종류압축의 개요와 종류

2.2. 음성신호압축음성신호압축

3.3. 영상신호압축영상신호압축

4.4. 영상압축의 주요 기술영상압축의 주요 기술

1. 1. 압축의 개요와 종류압축의 개요와 종류

• 개요

• 압축의 종류

• 오디오 압축의 발전

• 영상 압축의 발전

디지털 신호처리 개념도디지털 신호처리 개념도

아날로그 아날로그

입력신호입력신호

→→ 아날로그 아날로그

필터필터

→→ A/D A/D

변환기변환기

→→

DSP DSP

또는 또는

컴퓨터컴퓨터

↑↑

다양한 다양한

멀티미디멀티미디

어 신호 어 신호

처리 처리

알고리즘알고리즘

→→ D/A D/A

변환기변환기

→→ 아날로그 아날로그

필터필터

아날로그 아날로그

출력신호출력신호

→→

압축의 개요압축의 개요

• 압축 (compression) 과 신장은 원신호의 의미를 손상하지 않는 범위에서 전송데이터의 양을 적게 할 목적으로 데이터를 줄여서 보내고 수신 측에서 복원하는 것을 뜻한다 .

• 압축은 source coding 시 이루어진다 .

• 정보의 압축을 위해 일반적으로 활용되는 정보의 성질들로는

다음의 세 가지가 있을 수 있다 .

1. 공간적 상관관계

2. 시간적 상관관계

3. 정보 구성 기호 (symbol) 의 발생 확률

전형적인 정보압축 시스템 개념도전형적인 정보압축 시스템 개념도

입력신호입력신호

(( 영상영상 , ,

음성 등음성 등 ))

→→ 부호화기부호화기

(encoder)(encoder) →→ 미디어 저장 미디어 저장

또는 또는

네트워크 전송네트워크 전송

→→ 복호화기복호화기

(decoder)(decoder)→→ 복구된 신호복구된 신호

(( 영상영상 , ,

음성 등음성 등 ))

압축의 종류압축의 종류

1. 통계적 중복성

2. 시간 및 공간적 중복성 ( 예측 가능 정보 )

3. 지각 시스템 ( 인지범위 )

통계적 중복성통계적 중복성 (Statistical Redundancy)(Statistical Redundancy)

• 허프만 (Huffman) 코딩기법 (VLC, RLC) 사용

• 확률적으로 가장 많이 나오는 데이터를 가장 적은 비트로 할당 (VLC)

• 동일하게 반복적인 값을 다른 값으로 대체 (RLC)

• Text 의 압축에 효과적이어서 WinZip 에 응용

☞ VLC : Variable Length Coding, 가변 장 ( 길이 ) 부호화

☞ RLC : Run Length Coding, 줄 길이 부호화

☞ WinZip is a file archiver and compressor for Microsoft

Windows, developed by WinZip Computing (formerly Nico

Mak Computing).

시간 및 공간적 중복성시간 및 공간적 중복성 (( 예측 가능 정보예측 가능 정보 ))

• 이전 값과의 차이 값 (difference) 만을 전송해서 의미를 전달

• 공간축에서는 옆에 있는 정보의 차이 값만을 전송

• DPCM, MC 를 이용

☞ DPCM : Differential Pulse Code Modulation

☞ MC : Motion Compensation

지각 시스템지각 시스템 (( 인지범위인지범위 ))

• 사람 눈에 보이지 않거나 귀에 들리지 않는 데이터나 정보는 보내지 않는다 .

• 사람 눈의 특성은 저주파에는 민감하고 고주파에는 덜 민감하므로 고주파

성분을 제거해서 전송한다 .

• 사람 귀의 특성에서 상대적으로 큰 소리 주변의 작은 소리는 들리지

않으므로 빼고 전송한다 .

• DCT, 최소가청한계 , Masking 효과 이용

DCT : Discrete Cosine Transform, DCT : Discrete Cosine Transform, 이산 코사인 변환이산 코사인 변환

낮은 주파수에 대해서는 모든 레벨에 대해서 데이터 출현확률이 거의 일정한 반면 , 주파수가 높아질수록 높은 레벨에서의 데이터 출현확률은 급격히 떨어진다 . 효율적인 압축을 위해서는 반드시 영상 데이터를 여러 개의 주파수 성분으로 분리해야 하며 , 이 상태에서 비로소 고역부분의 스펙트럼에 대해서 압축할 수 있다 .

오디오 압축의 발전오디오 압축의 발전

• 음성음성 (Voice) (Voice) 압축압축

: 1972 년 64kbps   PCM (Pulse Code Modulation)

   : 1974 년 32kbps   ADPCM (Adaptive Differential PCM)

   : 1992 년 16kbps   LDCELP (Low Delay Code Excited Linear

Prediction)

• 음향음향 (Audio) (Audio) 압축압축

: 1984 년 오디오 부호화

: 1992 년 MPEG-1 (Audio Layer 1, 2, 3)

   : 1994 년 MPEG-2 Audio (5.1CH 할당 , 음성다중 사용 가능 )

영상 압축의 발전영상 압축의 발전

• 정지영상정지영상 : FAX (Group 3, 4)

   : 1992   JPEG (Color 이미지 전송용 )

• 동영상동영상 : 1984   영상을 PCM 으로 전송 : 1992   H.261 영상 전화기술 등장 : 1992   MPEG-1 비디오 (CD 디자인 1.44Mbps)

   : 1994   MPEG-2 비디오 (H.262)

• 영상정보의 특성영상정보의 특성 - Redundancy 가 크다 압축 가능 - Correlation 이 크다 예측 가능 - 손실허용 가능 (data 통신과 비교 시 )

- 대역폭이 넓다 (6MHz) 압축 필히 필요 - Low Level 에 Energy 집중 비직선 양자화 필요

☞ H.261 is a 1990 ITU-T video coding standard originally designed for transmission over ISDN lines on which data rates are multiples of 64 kbit/s.

☞ H.262 is an ITU-T digital video coding standard.

PCM / DPCM / ADPCMPCM / DPCM / ADPCM

• PCM (Pulse Code Modulation)

: 표본화 후 양자화하는 것

• DPCM (Differential PCM)

: 앞의 표본 값과의 차이 값만을 저장하는 방식

• ADPCM (Adaptive Differential PCM)

: 차이가 많이 나는 부분은 큰 비트 수를 , 차이가 적게 나는 부분은

작은 비트 수를 할당하는 방식

2. 2. 음성신호 압축음성신호 압축

음성의 디지털 음성의 디지털 Coding Coding 방식의 비교방식의 비교

범 주 방 법 bit rate(kbps)

품 질 복잡성 개 요

파형 코딩 PCM 56~64 뛰어남 간단함 음성파형을 표본화 , 양자화 , 부호화하는 방식 ADPCM

ADM16~48 고속에서

뛰어나고 저속에서는 좋다

간단함

하이브리드 코딩

RELP, APC, SBC, ATC

8~16 좋다 복잡함 파형 부호화 방식과 보코딩 방식의 장점을 혼합한 방식

Vocoding

LPC 2.4~4.8 약하다 복잡함 음성의 특징을 추출하여 전송하고 재생하는 방식 Format

Vocoder Vector Quantizer

0.05~1.2

좋지 않음 매우 복잡

PCMPCM

• PCM : Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조

• 연속적으로 변화하는 아날로그 신호 ( 영상 , 음성 ) 를 이산적인

(discrete) 디지털 부호로 변환하기 위한 기술

• 1937 년 프랑스의 A. H. Reeves 에 의해 발표된 전송신호의

변조방법에 관한 이론

PCM PCM 원리원리 : PCM : PCM 의 개념도의 개념도

analoganalog 신호를 신호를 digitaldigital 신호로 만드는 과정신호로 만드는 과정

• 표본화 (Sampling)– 일정한 간격으로 아날로그 신호의 값을 추출하는 과정

• 양자화 (Quantization)– 추출한 신호의 레벨을 몇 단계로 나타내는 과정

• 부호화 (Coding)– 각 레벨에 속한 값을 이진수로 변환하는 과정

표본화표본화 (Sampling)(Sampling)

t

...n

Sampling

샘플링 주기

• 샘플링 주기(sampling period)– 샘플링하는 시간 간격– 단위 : 초

• 샘플링 주파수 , 샘플링율(sampling frequency, sampling rate)– 1 초동안 샘플링 횟수– 단위 : Hz, samples/s

• 예– 샘플링 주기 =1ms– 샘플링율 =1000Hz

샘플링 주파수샘플링 주파수 (( 주기주기 )) 는 얼마가 적당할까는 얼마가 적당할까 ??

• 샘플링을 많이 하면 아날로그 신호와의 일치성은 커지나 , 대신에 디지털 데이터의 양이 늘어난다 .

• 일반적으로 샘플링을 N 배로 늘리면 , 데이터의 양도 N 배로 늘어난다 .

샘플링 주파수의 기준샘플링 주파수의 기준

• 샘플링 정리

– 샘플링 주파수는 아날로그 신호의 최고 주파수의 2 배 이상으로

해야 원래의 아날로그 신호를 그대로 복원할 수 있다 .

( 용 어 )

– Nyquist Rate( 나이퀴스트 율 ) = 2fMAX

– Nyquist Frequency( 나이퀴스트 주파수 ) = fMAX

샘플링 주파수 ≥ 2ⅹ( 아날로그 신호의 최고 주파수 )

샘플링 율과 소리샘플링 율과 소리

샘플링 율 재생 가능한 최고 주파수 소리듣기 비고

44100 Hz 22050 Hz CD

22050 Hz 11025 Hz

11025 Hz 5512.5 Hz

8000 Hz 4000 Hz 전화

4000 Hz 2000 Hz

오디오에서 사용하는 샘플링 주파수오디오에서 사용하는 샘플링 주파수

기기 샘플링 주파수 (kHz) 최고 주파수 (kHz)

전화 8 3.4

CD 44.1 20

DAT 48 20

DVD Audio

192 ( 최대 ) 96

양자화양자화 (Quantization)(Quantization) 와 부호화와 부호화

• 양자화와 부호화– 샘플링된 값을 구간별로 구분하고 , 각 구간의 대표값으로 치환– 각 구간별로 이진 부호를 할당하고 각 샘플을 이진 부호로 변환

• ( 예 ) 4 레벨 양자화

111110010001

양자화 레벨과 부호의 비트수양자화 레벨과 부호의 비트수

비트수 레벨수

1 1

2 4

3 8

8 256

16 65,536

24 16,777,216

2레벨

4레벨

8레벨

1 1 1 0 0 0

11 11 10 01 00 01

110 111 101 010 001 010

1

0

11

10

01

00

111110101100011010001000

1 비트

2 비트

3비트

레벨수비트수 2

양자화 레벨과 품질양자화 레벨과 품질

양자화 레벨이 커질수록…

- 오차가 줄어든다 .

( 품질향상 )

- 비트수가 늘어난다 .

( 회로복잡 ,

전송속도증가 ,

용량증가 )

2구간

4구간

8구간

1 1 1 0 0 0

11 11 10 01 00 01

110 111 101 010 001 010

양자화 레벨과 소리양자화 레벨과 소리

• 샘플링 율은 44100Hz 로 고정 , 약 6초

샘플링율 양자화 비트 소리듣기 파일크기

44100 Hz 161,061,156 바이트

44100 Hz 8 531,956 바이트

D/AD/A 변환변환

저역통과필터

......

Sf Sf2maxf

저역 통과 필터를 이용해서이 부분만 추출

시간 영역 주파수 영역

D/A 변환

디지털 데이터의 양과 음질디지털 데이터의 양과 음질

• 데이터 양 (bps : bit per second 1 초당 비트 수 )

• ( 예 ) 음악 CD 의 경우– 44100162 = 1,411,200 bps 1.4Mbps

• 기타

bps = 표본화 주파수 양자화 비트 채널수

kbps 음질

0.8 대화 인식 가능한 최저값

64 전화 ( 비선형 양자화 )

1,411 CD 음질

PCMPCM 의 기본 구성의 기본 구성

D/A D/A 변환기 구성도변환기 구성도

PCM PCM 과정과정 ((analoganalog → digital → → digital → analoganalog))

PCM PCM 송수신 신호처리 계통도 송수신 신호처리 계통도

필터링필터링 (Filtering) (Filtering)

표본화표본화

• 표본화 (sampling) : 연속적인 파형을 일정 주기의 펄스 진폭으로

대표시키는 PAM (Pulse Amplitude Modulation) 조작

• 표본화 정리 : Exact reconstruction of a continuous-time

baseband signal from its samples is possible if the signal is

bandlimited and the sampling frequency is greater than

twice the signal bandwidth.

fs ≥ 2fm Ts ≤ (1/2fm)

• 표본화 잡음

: 송신기 여파기 (wave filter) 의 고주파 차단 특성이 불량하여 표본화

주파수의 ½ 이상이 송신 게이트로 들어와 발생하는 잡음

표본화 주파수 및 주기의 비교표본화 주파수 및 주기의 비교

표본화 주파수 , fs

(kHz)

표본화 주기 , Ts

(㎲ )

전화 (300Hz ~

3.4kHz)

CD (20Hz ~ 20kHz)

위성방송 (A 모드

15kHz)

위성방송 (B 모드

20kHz)

8

44.1

32

48

125

22.7

31.3

20.8

양자화양자화

• 양자화 (quantization) : 연속적인 진폭값을 유한한 수의 진폭값에 대응시킨 것 (PAM 의 진폭을 디지털량으로 변화시키기 위한 계단 모양의 근사값 ), 즉 연속적으로 변화하는 어떤 값을 불연속적인 대표값으로 나타내는 것

• 양자화 잡음 (quantization noise)

NQ = Q( 양자화 파형 ) – S( 원파형 )

• 양자화 잡음비 (S/NQ : Signal to quantizing noise ratio) 개선

양자화 step 수를 2 배 할 때마다 S/NQ 는 6dB씩 개선

양자화 잡음 양자화 잡음

원 신호 (S) 와 양자화 파형 (Q) 과의 사이에 존재하는

차이를 양자화 잡음 (Quantization Noise) 이라 한다 .

양자화양자화

압축압축 , , 신장신장 (Compression, (Compression, Expansion)Expansion)

- 선형 ( 균일 ) 양자화 : 특성의 스텝폭이 전 입력 신호 레벨에

대해서 동일한 스텝 크기로 양자화한 것 . 압축기 사용 후 직선

양자화 부호화 ( 등가적 비직선 양자화 PCM 방식 적용 )

- 비선형 양자화 : 양자화 , 부호화를 하는 부호기 자체의 비직선성

이용 . 작은 진폭에 대해서는 작은 스텝으로 근사시키고 , 큰 진폭에

대하여는 큰 스텝으로 양자화한 것

압압 ·· 신 특성과 비직선 양자화의 방식신 특성과 비직선 양자화의 방식

부호화부호화

• Coding, Encoding

• 양자화에 의해 얻어진 불연속값을 펄스 부호로 대응시키는 조작

• A/D 변환기에는 병렬과 직렬의 두 방식이 있는데 , 디지털

통신에는 직렬부호 펄스가 필요하다 .

3. 3. 영상신호 압축영상신호 압축

• 데이터 압축의 기법 : 무손실 기법 , 손실 기법

• 무손실 압축 - Run Length 부호화 - Huffman 부호화 - Lempel-Ziv 부호화

• 손실 압축 - DCT 변환 - 양자화 기법 - 예측 기법 : PCM, DPCM, ADPCM

데이터 압축의 기법데이터 압축의 기법

• 무손실 (lossless) 기법 : 가역 압축 - 무손실 기법을 사용하여 압축한 결과를 복원할 경우 원래의 데이터를 그대로 재현할 수 있다 .

- 무손실 기법을 사용할 경우 일반적인 사진에서는 2:1 또는 3:1 이상의 압축효과를 얻기 어렵다 .

- 엑스레이 사진과 같이 점 하나가 갖는 의미가 중요한 경우에는 무손실 기법을 사용한다 .

- WinZip

• 손실 (lossy) 기법 : 비가역 압축 - 손실기법을 사용할 경우에는 무손실 기법 이상의 압축효과를 얻을 수 있다 .

- 사진을 사용하는 대부분의 응용분야에는 데이터의 크기를 줄이는 것이 더 중요하며 따라서 손실기법이 더 널리 사용된다 .

- JPEG, MPEG

압축 기법의 분류압축 기법의 분류

무손실 압축

Run-Length 부호화

Huffman 부호화

Lempel-Ziv 부호화

손실 압축

변환 기법

(transformation)

FFT, DCT

예측 기법

(prediction)

DPCM, ADPCM, DM, ADM

양자화 (quantization)

보간법 (interpolation)

무손실 압축무손실 압축

• Run Length 부호화

• Huffman 부호화

• Lempel-Ziv 부호화

Run Length (RL) Run Length (RL) 부호화부호화

Run Length Run Length 부호화부호화

반복되어 나타나는 블록 (run) 정보들을 그 반복 횟수 (length) 로 표현하는

부호화

AAAABBBBBCCCCCCCCDEEEE 4A5B8C1D4E

22 byte 10 byte

( 압축률 = 22/10 = 2.2)

Huffman Huffman 부호화부호화

• 각 단위 정보를 표현하는 비트 수를 단위 정보들의 출현 빈도를

기반으로 할당하는 것

• 빈도가 높은 정보는 적은 비트 수를 사용하여 표현하고 , 빈도가

낮은 정보는 비트 수를 많이 사용하여 표현함으로써 전체 데이터의

표현에 필요한 비트의 양을 줄일 수 있다 .

Lempel-Ziv (LZ) Lempel-Ziv (LZ) 부호화의 개념부호화의 개념

- 텍스트 데이터에서 단위 정보를 한 개의 글자 대신 한 개의 어구로 설정

- 동일한 어구가 반복적으로 나타나는 경우 맨 처음 그 어구가 나타난 문서상의

위치 정보를 이용하여 그 이후에 나타난 어구들을 부호화

손실 압축손실 압축

- 손실압축 ( 비가역 압축 ) 은 JPEG, MPEG 과 같이 복호 (decode) 시에

원 데이터의 일부가 손상되는 반면 , 압축률은 매우 높다 .

- 디지털 비디오 /오디오 시스템에서 보편화된 압축방식은 실용적인

압축비를 제공하는 비가역 압축이며 , 다소의 데이터 손실이 있더라도

실용상 거의 지장이 없다 .

• DCT 변환

• 양자화 기법

• 예측 기법

DCT DCT 변환변환

• JPEG( 정지영상 데이터 압축 표준 ) 이나 MPEG 과 H.261( 동영상 데이터 압축

표준 ) 등의 부호화 과정에서 이용되는 Discrete Cosine Transform (DCT) 은

2 차원 행렬로 정의된 영상데이터를 공간 영역 (spatial domain) 에서 주파수 영역

(frequency domain) 으로 변환하는 방법이다 . DCT 는 다양한 종류의 영상

데이터의 변환에 적용되며 , 변환 후 양자화 과정을 거쳐 무손실 압축 기법으로

압축하였을 때 높은 압축률을 얻을 수 있으므로 많이 이용된다 .

• 특 징

: 낮은 전송 속도에서 좋은 영상 재현

: 실시간 처리 곤란 ( 단점 )

고속 계산 방법 개발 , 고속 VLSI 상용화로 보완

DCT DCT 처리과정처리과정

양자화 기법양자화 기법

• 양자화는 양자 (quantum) 로 불리는 미리 정의된 정보들을 이용하여 데이터를

부호화하는 방법이다 . 이 방법에서는 양자를 이용하여 주어진 데이터를 정확하게

부호화할 수 없는 경우 , 주어진 데이터와 가장 비슷한 데이터를 복원할 수 있는

부호를 생성한다 . 양자로 이용되는 정보들이 스칼라 (scalar) 값이면 스칼라 양자

화 , 벡터 (vector) 값이면 벡터 양자화라고 한다 .

▶ 다음 페이지의 그림은 아주 간단한 스칼라 양자화의 예를 보여주고 있는데 , 4 를

양자로 이용하여 4 의 배수로 양자화하는 것이다 . 여기서 49 는 4 의 배수가

아니므로 49 와 제일 가까운 4 의 배수인 48 을 대신 이용하여 12 로 부호화함을

보이고 있다 .

▶ 벡터 양자화의 경우에는 입력된 데이터를 벡터로 분할한 후 벡터들을 미리 사전

(dictionary) 에 정의되어 있는 벡터 양자들을 이용하여 부호화한다 .

44 의 배수를 이용한 수열의 양자화의 배수를 이용한 수열의 양자화

스칼라 양자화의 예

4 를 양자로 이용하여 4 의 배수로 양자화하는 것 .

여기서 49 는 4 의 배수가 아니므로 49 와 제일 가까운 4 의

배수인 48 을 대신 이용하여 12 로 부호화함을 보이고 있다 .

20

0

11

5

49 70 81 83 88 75

5050 2929 1212 1717 2020 2121 2222 1919

양자화 전의 데이터

4 의 배수로 양자화한 데이터

예측기법예측기법

미래에 대한 예측이 가능하다면 이를 활용하여 압축에 이용할 수 있다 .

부호화의 관점에서 보면 예측기법 (predictive technique) 은 이전 정보를 바탕으로

다음 정보를 예측하고 예측값과 원래값 사이의 오차를 소량의 오차 보정 정보를

이용하여 보정함으로써 원래 정보를 복원한다 .

• PCM

PCM (Pulse Code Modulation) 변환은 가장 기본적인 변환 기법으로

아날로그 신호로 들어오는 데이터를 표본화 (sampling) 양자화 (quantization)

를 거쳐 디지털 신호로 변형하는 기법을 말한다 . 이 PCM 변환은 데이터 통신과

멀티미디어에서 광범위하게 사용되고 있으며 가장 흔하게 보는 PCM 변환은 모뎀과

음성 압축일 것이다 .

• DPCM (differential pulse code modulation)

예측 기법은 근접한 픽셀들의 값을 비교하여 그 차이 (difference) 만을 전송하며 ,

복원할 때는 차이 정보를 이용하여 이전의 값으로부터 새로운 픽셀의 값을 계산한다 .

모든 픽셀들의 값을 바로 전송하는 것보다 연속된 픽셀들의 값의 차이만을 전송하는

것이 훨씬 효율적일 수 있다 .

• ADPCM

DPCM 사용시의 문제점을 해결하기 위해서 ADPCM (Adaptive DPCM) 을

사용하면 기울기 과부하에 의한 왜곡을 많이 줄일 수 있다 . ADPCM 구현 방법은

값의 차이를 나타내는 비트의 수를 적절하게 변화시키는 것이다 . 앞의 예에서

검은색에서 흰색으로의 변화가 있다는 것을 미리 안다면 비트 수를 그에 맞게

증가시킨다 . 이 과정이 지나면 이전에 사용하던 비트 수로 복귀한다 . 복원 시스템이

비트 수를 변화시키려면 압축된 영상의 어딘가에 비트 수의 변화를 알리는 정보가

기록되어 있어야 한다 . 다시 말해서 ADPCM 의 구현을 위해서는 추가적인 데이터

연산이 필요하다 .

4. 4. 영상압축의 주요기술영상압축의 주요기술

• JPEG

• MPEG

• 영상압축기법의 종류

JPEGJPEG

• Joint Photographic Experts Group

• JPEG 는 사진정보의 압축방식을 표준화한 그룹의 이름이다 .

• JPEG 손실 기법 표준에서는 서브샘플링과 주파수 변환기법을 함께

사용한다 .

JPEGJPEG 의 영상 압축 절차의 영상 압축 절차

- 화상을 8ⅹ8 pixel 단위로 분할

- 화상을 주파수 성분으로 분할 (DCT)

- 자연화상에 저주파 성분이 많고 고주파 성분이 적음 저주파는 조밀하게 ,

고주파는 엉성하게 처리 ( 비직선 양자화 )

- Huffman code 를 이용한 부호화

MPEGMPEG

• Moving Picture Experts Group

• 동영상을 압축하고 코드로 표현하는 방법의 표준을 만드는 것을 목적으로

하는 동화상 전문가 그룹이다 . (1988 년 설립 )

• 정지된 화상을 압축하는 방법을 고안한 JPEG 과는 달리 , 시간에 따라

연속적으로 변화하는 동영상 압축과 코드 표현을 통해 정보의 전송이

이루어질 수 있는 방법을 연구하고 있다 .

• MPEG 의 동영상 압축 기법은 시간적 중복 및 공간적 중복을 제거하는

기법에 그 기반을 두고 있다 .

MPEGMPEG

• MPEG– Moving Picture Experts Group

– ISO/IEC SC29/WG11

– 비디오와 오디오의 코딩 관련 표준화 그룹

• 표준안– MPEG-1 : 저장 미디어용 . Video CD 와 mp3 audio

– MPEG-2 : 방송용 . Digital TV, DVD

– MPEG-3 : HDTV 용으로 개발 . 사용하지 않음– MPEG-4 : 범용 멀티미디어용 . HD DVD, 블루레이– MPEG-7 : 멀티미디어 콘텐츠 기술 (description) 표준– MPEG-21 : 개방형 멀티미디어 프레임워크

MPEG-1 AudioMPEG-1 Audio

MPEG-2 AudioMPEG-2 Audio

MPEG-4 AudioMPEG-4 Audio

MPEG MPEG 비교비교

명칭 표준안 Bit rates (kb/s)

Sampling rate(kHz)

Channels

비고

MPEG-1ISO/IEC 11172-

31992

32-448(Layer Ⅰ)32-384(Layer Ⅱ)32-320(Layer Ⅲ)

32, 44.1, 48Mono (1), Stereo (2)

저장용

MPEG-2BC/LSP

ISO/IEC 13818-3

1994

32-256(Layer Ⅰ)8-160(Layer Ⅱ, Ⅲ)

16, 22.05, 24Multichannel

SurroundSound(5.1)

DTV, 멀티채널

MPEG-2NBC/AAC

ISO/IEC 13818-7

19978-160 8-96 Multichannel 고음질 오디오

MPEG-4(Version

1)

ISO/IEC 14496-3

Oct, 19980.2-384 8-96 Multichannel

멀티미디어 통합MPEG-4(Version

2)

ISO/IEC 14496-3/AMD-1

Dec, 1999

0.2-384(finer Levels of

Increment possible)

8-96 Multichannel

MPEG-7ISO/IEC 15938-

4Sept, 2001

- - -Multimedia Content

Description Interface.

MPEG-21 ISO/IEC-21000 - - - Multimedia framework

PCM coding PCM coding 시 전송 대역폭시 전송 대역폭

구 분 신호 대역폭표본화 주파수

PCM

bit/sample

PCM bit

rate

전화음성 4 kHz 8 kHz 8 bit 64 kbps

음악 20 kHz 40 kHz 12 bit 480 kbps

TV 5 MHz 10 MHz 8 bit 80 Mbps

HDTV 25 MHz 50 MHz 8 bit 400 Mbps

☞ 동영상 정보는 음성정보에 비해 data 용량이 커서 전송 시 넓은 대역폭이 요구된다 . 따라서 전송시설의 대역폭 축소 , memory 절약 등으로 압축은 필수적이다 . (HDTV 압축 시 약 20Mbps)

MPEGMPEG 의 동영상 압축 절차의 동영상 압축 절차

전처리 : 색채 공간 (space) 변환 , 필터링 , 색채 서브샘플링 (subsampling)

▶ 색채 공간 (space) 변환 : RGB 영상 데이터를 YIQ 영상 데이터로 변환하는 과정

▶ 필터링 : 잡음을 제거하여 압축률을 높이기 위한 과정

▶ 색채 서브샘플링 (subsampling) : 덜 민감한 색 성분을 가지고 있는 I 와 Q 성분에서 한 화소 또는 세 화소씩을 뛰어넘어 한 개의 화소만을 취하여 본래의 영상 데이터의 크기를 ½ 또는 ¼ 로 줄이는 과정

변환 : 영상이 가지고 있는 정보의 중복성을 찾아내는 과정

▶ 파형 방식 : DPCM, ADPCM

▶ 변환 방식 : DCT

영상압축기법의 종류영상압축기법의 종류

• 서브샘플링 (subsampling) 기법

: 주어진 정보의 일부만을 사용하는 것

• 주파수 차원 변환기법 : DCT

• 델타프레임 기법

: 새로운 화면 정보를 모두 다 기록하지 않고 앞의 화면과의

차이 (difference) 만을 기록

• 동작보상기법

: 차의 움직임을 표시하는 벡터 정보를 기록함으로써 정보량을 줄일 수 있다 . 화면 전체를 일정한 크기의 블록으로 세분하고 각각의 블록에 대해 앞 화면의 정보와 비교하여 가로 세로로 움직인 양을 기록하여 전체 정보량을 줄인다 .

동영상 압축기법 비교동영상 압축기법 비교

구 분 MPEG-1 MPEG-2  MPEG-4 MPEG-7

대 상

현 TV 의 영상을 가정용 VTR 의 품질로 CD-ROM 등에 축적하기 위하여 1.5Mbps이하로 압축

현 TV, HDTV 의 영상을 방송용 품질로 통신 , 방송 축적 등에서 이용하기 위한 압축▶ 현 TV : 20Mbps▶ HDTV : 100Mbps

이동통신 , 기존전화선에서의 이용을 위하여 64kbps 이하의 저속 전송속도로 압축하는 기술

내용에 기반을 둔 Audio/Viedo 정보검색으로 방대한 양의 Multimedia 정보검색을 효과적으로 수행 표준기획

전송속도 1.5Mbps 급 3Mbps 급 이상 4.8kbps~64kbps  

응용분야

CD 비디오 , CD 가라오케 , 인터랙티브 비디오 , 게임 , 비디오 , 데이터베이스

ATM 용 , 화상통신 , CATV, 위성방송 , VOD, 비디오 디스크 등

이동체용 , 화상통신 TV, 전화 , 비디오메일 , 전자신문 , 비디오 , 데이터베이스 , 리모트 센싱 등

언론분야 ( 음성 또는 얼굴 정보를 사용하여 어떤 정치가의 연설 장면을 찾을 경우 ), 가라오케에서의 노래검색 등 오락 분야 , 사람의 특징 인식과 같은 범죄수사 등 다방면

MPEG Audio MPEG Audio 압축 절차압축 절차

- Filter BankFilter Bank : 입력 신호를 subband 로 분할 (MP: 32 band)

- 지각 지각 modelmodel : 실제 mask 한계의 추정값이 심리 음향 model 에 의해 계산

- 양자화양자화 //부호화부호화 : 잡음이 masking 임계값 이하가 되도록 양자화 /부호화

- Bit stream encodingBit stream encoding : 양자화 /부호화 + 부가 bit stream 형성

시스템 비교시스템 비교

구 분구 분MPEG-1MPEG-1

Audio Audio

Layer 1Layer 1

MPEG-1MPEG-1

Audio Layer Audio Layer

22

MPEG-1MPEG-1

Audio Layer Audio Layer

33

(MP3)(MP3)

DolbyDolby

AC-2AC-2

DolbyDolby

AC-3AC-3

bit 율전체33 ~

448kbps

전체32 ~

384kbps

전체32 ~

320kbps

channel 당128 ~

192kbps

channel 당32 ~

640kbps

음질

channel 당192kbps

에서투명성

channel 당128kbps 에서

투명성

channel 당96kbps 에서투명성

channel 당 128kbps 에서

투명성

5.1 channel

에384kbps 에서

투명성

복잡도 간단 보통 복잡 가장 간단 보통

응용분야

소비자용

DAB

DVD

소비자 /전문가용

ISDN

위성 Radio

Internet

Audio 용

 HDTV

CATV

참고자료참고자료

• 방송통신산업기사 / 김기남 외 / 도서출판 세화 / 2006

• 멀티미디어 신호처리 / 조재수 · 강현수 · 김흥수 · 김성득 / 사이텍미디어 /

2006

• 디지털방송기술 / 정갑판 · 문종환 · 안세영 / 도서출판 차송 / 2002

• 멀티미디어공학 / Ze-Nian Li, Mark S. Drew / 하영호 외 역 / ITC

• http://en.wikipedia.org/

Summary, QnASummary, QnA

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