동화상 부호화 기술의 발전과 전망

휴대전화의 진화와 모바일 컨버전스의 도전

동화상 신호는 정보량이 매우 많기 때문에, 그대로 기록하거나 전송하기는 어렵다. 따라서 데이터량을 압축하는 부호화 기술이 필수이다. 지금까지, ISO에 의한 MPEG-1, 2, 4 등의 국제표준 방식이 규정되어 있어 DVD나 디지털 방송, 차세대 휴대전화에서 영상전달 등에 응용되고 있다. 사실상 동화상 부호화 기술은 요즘 디지털 카메라, DVD 플레이어, 텔레비전, PC, 휴대전화 등의 디지털 영상 기기를 지탱하는 핵심기술 중 하나라고 할 수 있다.본고에서는 지금까지의 동화상 부호화 기술의 발전과 표준화 동향, 그리고 향후 전망을 도시바의 기술자료를 토대로 소개한다.동화상 부호화 기술의 발전동화상 부호화 기술의 연구 개발은 국제 표준화와 밀접하게 관계되어 있다. 그것은 이 기술이 정보이론과 디지털 신호처리 분야의 많은 기술을 집대성한 것이며 여러 명의 기술자의 힘을 집결해야 비로소 실현할 수 있는 것이기 때문이다. 또한 통일 규격을 작성함으로써 폭넓은 애플리케이션에 적용이 가능하다.동화상 부호화의 국제 표준화 역사를 만들어 온 것은 ISO(국제표준화기구)와 ITU-T(국제전기통신연합-전기통신표준화 부문) 두 조직이다. 보다 구체적으로는 ISO의 MPEG라고 불리고 있는 조직과, ITU-T의 VCEG(Video Coding Experts Group)라고 불리는 조직이다. 그림 1과 같이 MPEG는 통칭 MPEG-1, 2, 4라고 불리는 규격을 작성해 왔으며 VCEG는 H.261, 2, 3, 4라고 불리는 규격을 만들어 왔다. 때로는 MPEG-2/H.262의 식으로 서로 협력해서 동일 문서의 규격을 작성해 왔다.방식적으로는 ITU-T H.261에 의해서 확립된 움직임 보상(MC: Motion Competition), 이산 코사인 변환(DCT: Discrete Cosine Transform), 스칼라 양자화, 엔트로피 부호화를 조합한 이른바 하이브리드 부호화의 아키텍처를 답습했다. H.261의 목적은 ISDN(Integrated Services Digital Network) 상에서의 TV 회의 시스템과 TV 전화를 실현하는 것이었지만 기술적으로는 이후 규격의 기반이 됐다. 표 1에 나타내듯이 기본적으로는 새로운 규격일수록 보다 고도의 부호화 툴로 진화한다.H.261의 뒤를 잇는 MPEG-1에서는 비디오 CD라는 용도에서 지금까지 통신계에서는 없었던 시간지연을 허용하는 쌍방향 예측(B: Bi-prediction)이라는 예측 구조를 도입함으로써 부호화 효율을 대폭으로 개선할 수 있는 가능성을 발견했다.MPEG-2는 가장 성공한 동화상 부호화의 국제 표준이라고 할 수 있다. 표준화 과정에서 많은 아이디어가 나왔지만 현재 가장 많이 사용되고 있는 메인 프로파일/메인 레벨(MP@ML) 및 메인 프로파일/하이 레벨(MP@HL)에서는, TV에서 이용되고 있는 비월 주사 방식의 인터레이스 신호에 대응하는 것이 중요한 포인트다.여기에서 채용된 Dual-prime 예측은 시간적으로 과거로부터의 예측에 있어서 2개의 필드 화상을 이용해서 효율적으로 프레임 예측 화상을 작성하는 수법이다.현재 MPEG-2는 디지털 방송, HDD&DVD 리코더, AV 노트북 컴퓨터 등에 널리 사용되고 있다.MPEG-4에서는 오류 내성, 오브젝트 부호화, 자연 화상과 인공 화상(CG)과의 융합 부호화 등 단순한 동화상 부호화뿐 아니라 지금까지 없었던 많은 기능을 실현했다.그 응용은 아직 발전과정에 있다고 할 수 있지만 현재로서는 PC와 인터넷에서 동화상 애플리케이션, 그리고 모바일, 특히 제3세대 휴대전화라는 새로운 시장을 창출한 역할이 크다. 이제 MPEG-4는 모바일 인터넷의 세계에 영상을 도입해 유비쿼터스 사회의 실현에 공헌하고 있다.현재도 확장을 계속하고 있는 H.264/MPEG-4 AVC는 부호화 효율면에서 비약적인 성능 향상을 달성해 HDTV 해상도의 영화를 한 장의 광디스크로 재생·기록할 수 있는 차세대 DVD와 휴대전화로 디지털 TV 방송을 즐길 수 있는 지상 디지털 방송 등에서 사용될 것으로 기대되고 있다.MPEG-4의 개요저 레이트 부호화MPEG-4의 기본적인 부호화 기술은 선행해서 표준화가 이루어진 1TU-T H.263의 영향을 크게 받고 있다. H.263은 특히 수십 kbit/s 정도의 낮은 레이트에서의 부호화에서 헤더 정보와 모드 정보 등의 오버헤드의 비트량을 무시할 수 없게 되는 것을 주의 깊게 고려해서 설계됐다.MPEG-4는 H.263의 기본 부분에 추가해서 몇 가지의 부호화 툴을 개선, 구성했으며 최종적으로는 H.263과의 호환 모드도 포함하는 사양을 갖추었다.MPEG-4에는 많은 프로파일이 존재하지만 기본적인 부호화 기술에 오류 내성 기술이 더해진 심플 프로파일(Simple Profile)의 실용화가 가장 앞서 있다. 현재로는 그 뒤를 이어서 표준화된 어드밴스드 심플 프로파일(ASP: Advanced Simple Profile)이 보급되고 있다고 한다.오류 내성 기술제3세대 휴대전화 서비스와 인터넷을 포함한 글로벌 네트워크에서의 사용을 고려한 경우의 통신로의 높은 오류율뿐 아니라 여러 가지 상황이 상정된다.그래서 시스템측에서 정정할 수 없었던 각종 오류 패턴을 상정하고, 이러한 환경 하에서도 영상 품질을 확보할 수 있는 동화상 부호화로서의 오류 내성 기술이 채용되고 있다.MPEG-4에서 채용되고 있는 오류 내성 기술을 부호화 데이터의 구조로서 도시하면 그림 2와 같이 표시할 수가 있다. 규격으로서 정의되는 것은 부호화의 문법에 관련되는 부분이 되기 때문에 인트라 리프레시(Intra refresh)와 같은 부호화의 파라미터 선택으로 실현할 수 있는 기술이나 복호측에서의 오류 검출 방법 등은 규격 외의 기술로서 정의된다.구체적으로는 오류 전송에 대한 대책으로는 화면의 단위보다 세세한 단위로 그림과 같은 비디오 패킷이라고 불리는 구조를 만들어 동기를 확보하고 그후의 정보를 바르게 복호하는 것이 가능해지는 재동기 마커(Resynchronization Marker)와 쌍방향으로 복호 가능한 리버시블 가변 길이 부호(Reversible Variable Length Code)가 채용되고 있다. 이 부호는 오류를 검출한 경우에도 다음의 재동기 마커로부터 역방향으로 복호함으로써 그림 3과 같이 복호하지 못해 폐기되어 버리는 비트 수를 줄일 수 있다.또한 중요 정보의 이중화는 그림 2와 같이 헤더 확장 부호(Header Extension Code)라는 플라그를 세우고 그후에 헤더에 포함되는 정보를 이중화 정보로서 부가할 수 있는 구조이다. 데이터 파티셔닝은 비디오 패킷 내 매크로블록(Macroblock)의 부호화 데이터를 정리해서 계층화함으로써 정보의 우선도를 매기고 낮은 우선도의 데이터에 오류가 들어가서 복호할 수 없는 경우에 에러 콘실먼트(Error concealment)를 실현할 수 있는 구조이다. 전술한 2개의 툴은 오류를 쉽게 수정할 수 있는 기술이라고 할 수 있다.H.264/MPEG-4 AVC의 개요H.264/MPEG-4 AVC는 처음에 VCEG의 H.26L 프로젝트가 그 시작이다. 도중에 MPEG와 공동으로 JVT(Joint Video Team)를 조직해서 표준화했다. 따라서 양 조직의 규격명을 합쳐서 갖고 있다. 이 규격에서는 표 1 및 그림 4와 같이 많은 부호화 툴을 목적에 따라서 조합해 프로파일을 정의하고 있다.MPEG-4에서는 많은 기능을 실현하는 데 노력을 기울여온 데 대해, 이 규격의 가장 큰 목적은 부호화 효율의 향상이다. 대략 MPEG-2의 2배의 부호화 효율이 있다고 한다. 덧붙여 2배의 부호화 효율이란 같은 화질로 절반의 데이터양으로 압축할 수 있다는 의미다.H.264/MPEG-4 AVC는 하이브리드 부호화의 개념을 보다 고도화하여 표 1과 그림 4에서 나타내듯이 많은 툴군의 집합체로 되어 있다.이만큼 많은 부호화 툴을 수용할 수 있었던 것은 표준화의 참조 소프트웨어에 레이트-왜곡 최적화 기술이 실장되고, 여기에 기초해서 툴의 성능 평가를 해온 배경이 있다. 한편 이 최적화 기술은 부호화 효율을 벌 수 있는 반면 임시 부호화를 반복해서 그 결과를 평가하기 때문에 연산량이 많다는 문제점이 있다. 때문에 특히 인코더의 실장 상에서는 이 규격의 잠재 능력을 유지하여 연산량을 절감할 수 있는 여지가 많아, 도시바는 고속으로 예측 모드를 선택하는 수법을 개발했다.초기에 책정된 3개의 프로파일 가운데 베이스라인 프로파일(Baseline Profile)은 휴대전화와 TV 회의 등의 통신계에서 디코더의 연산량이 적어도 되는 애플리케이션을 상정하고 있다. 한편 메인 프로파일(Main Profile)은 방송 축적 미디어를 상정하고 있다. 메인에서는 베이스라인의 오류 내성 관련 툴 외, 그리고 B 슬라이스, 가중 예측(Weighted Prediction), 인터레이스 관련 툴, 콘텍스트 베이스 적응 산술

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이상헌 (webmaster@techworld.co.kr)

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