멀티미디어 솔루션 테크놀로지

글: 크리스틴 바코(Christine Bako) / 아나로그디바이스www.analog.com비디오 압축에서 포맷의 선택은 이미지 품질, 대기 시간 또는 기존 장비와의 상호 운용성과 같은 요소를 기초로 결정된다. 그런 면에서 Jpeg2000은 Mpeg 표준의 대안으로 관심을 받고 있다.최근 Jpeg2000 호환형 비디오 압축 및 해제 칩을 출시한 아나로그디바이스에서는 한 가지 비교 연구를 실시했다.DCT(Discrete Cosine Transform)가 아닌 웨이브릿 변환 기술을 기반으로 하는 Jpeg2000 표준은 기존의 Jpeg과 비교해 훨씬 효과적인 정지 화상 압축 효과가 특징이다. 비디오 압축 또한 뛰어난 성능으로 수행한다. 이미 영화 산업의 주요 기업들로 구성된 DCI(Digital Cinema Initiative) 컨소시엄에 의해 초고화질 콘텐츠(2K, 4K) 및 낮은 압축 비트율용으로 채택된 Jpeg2000은 전문 비디오 및 비디오 감시/감독 영역에서 대단한 성공을 거둘 것으로 기대되고 있다.이러한 유형의 애플리케이션을 위해 아나로그디바이스는 비디오 비트스트림(프레임 랙이 2개 미만인)용 Jpeg2000 호환형 실시간 하드웨어 코딩 및 디코딩 IC인 ADV212를 개발했다. 또한 이 제품은 낮은 해상도를 수용하고 무손실 압축을 지원하며 정지 화상 처리를 다룬다.비디오 압축의 웨이브릿 기술ADV212는 아나로그디바이스의 웨이브릿 압축 IC 제품군의 신제품이다. 이 제품군에는 ADV6XX, 특히 비디오 감시/감독 분야에서 널리 채택된 ADV601도 포함된다. 약 10년 전에 출시된 ADV601은 아나로그디바이스에서 창안한 포맷으로 비디오 압축을 처리한다.이 제품은 처리 속도를 관리하기 위해 추가 메모리 및 DSP가 필요했다. 이 유명한 초기 제품과 비교해 ADV212는 최근의 획기적인 기술 발전 혜택을 톡톡히 보고 있다. 메모리 및 처리 속도 컨트롤러는 이제 구성 요소로 통합되어 다양한 고급 기능을 제공한다. 무엇보다 ADV212는 다음과 같은 Jpeg2000만의 향상된 성능과 사양을 활용한다.쪾압축 성능의 향상동일한 이미지 품질에서 ADV212는 ADV601의 코딩 프로세스 또는 임시 압축 없는 Mpeg-2(frame I only)와 비교해 총 25% 향상된 결과를 보여준다. 또한 Jpeg2000은 높은 화질(720p, 1080i)에 50MSample/s가 넘는 처리 속도로 Mpeg2-IPB(임시 압축 포함)에 비해 훨씬 우수한 성능을 보인다. 현재 임시 압축을 지원하는 Jpeg2000 버전은 나와 있지 않다.쪾확장성스트림은 압축 모드에 따라 점진적 품질 수준 또는 점진적 해상도로 디코딩될 수 있다.쪾전송 중 오류에 대해 향상된 내성Jpeg2000은 임시 압축을 사용하지 않으므로 오류가 발생한 프레임이 후속 이미지에 영향을 미치지 않으며 헤더는 보호될 수 있다(그림 1).쪾타일 흔적(artefact)이 없음Jpeg2000은 압축 전에 블록으로 분할된 이미지가 아닌 전체 이미지에 대해 작용한다. 그 결과 작은 타일 처리(8x8)에서 일반적으로 볼 수 있는 경계선 효과가 나타나지 않는다.쪾코딩 및 디코딩 작업의 대칭성이에 반해 MPEG 압축은 압축 해제보다 더 많은 자원이 필요하다.쪾정지 화상 압축Jpeg2000을 사용하면 압축/해제 주기를 거치지 않고도 비디오 스트림에서 정지 화상을 추출할 수 있다. 이를 위해 스트림이나 파일에서 원하는 영역을 선택하기만 하면 된다.ADV212는 ‘관심 영역(ROI)’을 제외한 Jpeg2000 Part1 표준의 모든 기능을 지원한다. 이 관심 영역은 ‘구역(Precincts)’을 사용하여 시스템 수준에서 구현될 수 있는데, 이는 이미지가 분할되는 프로그래머블 직사각형 영역을 말한다.Jpeg2000의 확장성RLCP(Resolution-Layer-Component-Position)는 패킷 연속의 한 예로 전체 이미지(타일0)는 먼저 해상도 R0 및 R1의 두 계층별로 패키징 된다. R1은 이미지를 낮은 해상도로 표시할 때 필요한 압축 정보를 포함한다. 전체 해상도가 필요한 경우에는 R0 및 R1의 압축이 모두 해제되어야 한다.이미지의 미리 보기가 즉시 필요한 경우에는 수준 1 해상도로 계층 1의 콘텐츠가 임시로 표시될 수 있다. 이 예에서는 해상도 수준에 따라 두 계층 또는 품질 수준이 압축 시점에 정의된다. 이를 통해 주어진 해상도(R1 또는 R1 + R0)는 L1 또는 Ll + L0의 두 가지 품질 수준을 활용할 수 있다.그러면 패킷은 다시 3개의 타일 요소(Y, Cr, Cb)와 3개의 구역(이미지로 정의된 구역)으로 분할된다. 이러한 모듈식 패키징 개념은 디코더의 속도, 미디어 전송 처리 속도, 수신측 가용 메모리 등의 시스템 한계를 극복하는데 유리하다.이 네 가지 유형의 패킷 조합은 모두 Jpeg2000에서 사용할 수 있다. 이미지의 특정 WOI(window of interest)를 디코딩하는 것이 우선인 경우에는 PRLC 연속 순서가 더 적합하다.이전 세대 ADV6xx와 비교해 ADV212는 데이터 처리 속도와 가변 및 고정 압축률이 내부에서 제어되므로 RAM 또는 외부 구성 요소가 필요하지 않다.그러나 ADV212는 메모리 및 최대 처리 속도에 한계가 있다. 제한된 메모리로 인해 1080p 파일의 경우 단일 블록에서 압축하거나 압축을 해제하지 못한다. 처리 속도의 한계는 여러 ADV212를 병렬로 사용하여 극복할 수 있다. DCI 디코드 애플리케이션은 이 솔루션을 사용한다.필요한 압축 IC 수 결정특정 애플리케이션에 대해 고려할 원칙 기준에는 활성 비디오 입력 처리 속도, 패키징 유형, 선택된 입력 인터페이스, 그리고 원하는 압축된 데이터 속도가 있다(표 1 참조). 경우에 따라 두 개의 ADV212가 필요할 수도 있다.다음은 비디오 입력이 480i60(NTSC)와 1080i60인 두 가지 예이다. 입력 처리 속도(MSample/s)를 정의하는 공식은 [가로 활성 해상도 x 세로 활성 해상도] x 초당 필드 수 x 픽셀당 구성 요소이다.쪾예 1: 비디오 SD ITU.R.BT656, 가역 압축, VDATA에서 8비트 입력. 따라서 입력 속도는 [720×480/2]×60×2=20.7 MSample/s이다. 표를 참조하면 이 모드에서 입력 처리 속도 제한은 40MSample/s이다. 결과적으로 ADV212 하나면 충분하다.쪾예 2: 1080i 비디오[SMPTE274M], 비가역 압축, VDATA에서 10비트 입력. 입력 속도는 [1920×1080/2]×60×2=62.2 MSample/s이다. 다시 표를 참조하면 이 모드에서 최대 속도는 65MSample/s이다. 이 경우에는 두 개의 ADV212를 사용하는 것이 좋다.Jpeg2000와 Mpeg-2의 선택 기준보통 압축 성능이 가장 중요한 선택 기준이 되며 그 다음은 호환성이다. 사실상 DVD를 생성하는 것이 목적일 때는 Mpeg-2 포맷이 확실한 선택이다. 대기 시간은 보통 세 번째 요소로 고려된다. ADV212는 HD 실시간 비디오 압축(720p, 1080i)을 단 1-2 프레임 랙으로 수행할 수 있다. 전송 오류에 대한 Jpeg2000의 안정성은 무선 전송 또는 장거리 유선 연결(그림 1)에 유리하다.결국 모듈 방식의 패키징, 전체 스트림을 압축 해제하지 않고도 스트림에서 이미지를 추출할 수 있는 능력, 무손실 압축 필요성 등 Jpeg2000의 수많은 고유한 기능들 모두가 중요하다고 할 수 있다.성능만을 고려한다면 Jpeg2000이 Mpeg-2 I frame Only(임시 압축 없는)보다 우수하다고 단언할 수 있다. 전문가들은 결과가 20%에서 25% 좋은 것으로 평가한다.임시 압축 포함 Mpeg-2(또는 IPB 프레임)에 대해서는 후자가 높은 압축률 및 그에 따른 낮은 데이터 속도로 유리하다. Jpeg2000은 픽셀 클록이 74.25MHz(1080i 또는 720p)인 HD 비디오 예(그림 2)에서 보듯이 70Mbit/s의 좋은 결과를 나타냈다.이러한 관측 결과는 주관적이며 이론의 여지가 많다. 주어진 이 두 가지 압축 방식의 흔적에 대한 민감도의 차이 정도와 신호 대 잡음 비율만으로 비디오의 품질을 정의할 수 없기 때문이다.SD/HD 화질 또는 정지 화상에서의 사용ADV212에는 임베디드 컨트롤 코어가 있으며 인코딩 및 디코딩을 위한 특정 펌웨어를 메모리에 다운로드해야 한다. 이 제품은 본래 비트스트림을 제어하는 알고리즘뿐만 아니라 일부 레지스터의 값도 포함한다. ADV212의 아키텍처는 완전히 대칭적이며 동일한 부분이 압축 또는 압축 해제 작업을 수행할 수 있다.SD(PAL/NTSC) 비디오 압축에는 ADV212가 하나만 필요하지만 HD 실시간 압축/해제에는 두 개가 필요하다. 외부 메모리는 필요하지 않다. 해당 부분은 12mm BGA 패키지에 캡슐화되어 있으며 750mW 가량의 전력을 소비한다.ADV212는 픽셀 포트 및 호스트 포트, 두 개의 양방향 버스를 제공한다. 전자는 압축되지 않은 비디오의 I/O를 처리하며, 후자는 압축된 데이터의 전송을 처리하며 DMA 메커니즘을 통해 컨트롤 버스로서의 역할도 수행한다(그림 3).이에 반하여 HD에서는 한 쌍의 ADV212가 필요하다(그림 4). 첫 번째 부분은 휘도(luminance)를 처리하고 두 번째 부분은 색도(chrominance)(4:2:2로)를 처리한다. 가장 보편적인 애플리케이션용 펌웨어는 이미 있다. 그러나 두 ADV212의 비트스트림 재결합은 FPGA와 같은 것을 통해 외부에서 수행된다.정지 화상 처리만을 위해 사용할 경우에는 압축된 데이터뿐만 아니라 압축되지 않은 데이터에도 호스트 포트가 가장 적합할 것이다. 사실상 이것은 실시간 압축이 아니며 대부분의 경우 이미지의 원본과 대상은 동일할 것이다. 그러므로 기억 장소는 하드 디스크 또는 기타 다른 메모리 장치가 될 것이다(그림 5).평가 툴 활용 극대화최신 세대인 ADV212ASD P160 EB는 자일링스(Xilinx) 플랫폼에 설치된 ADV212 도터 카드를 활용한다. 이때 비디오는 압축되고 즉시 압축 해제되며 대상은 데이터 스토리지에 저장되지 않는다. 이는 보드에서 지원되는 원래의 고유한 기능이다. 다중 인코딩 튜닝은 보드에 직접 구현된 스위치를 통해 사용할 수 있다. 또한 PC 연결을 위한 USB 인터페이스도 제공된다. 이에 대한 예로는 FPGA 프로그래밍을 들 수 있다.이는 개발 플랫폼으로 사용될 수도 있으며 대신 ADV212 PCI 보드가 제공된다. 이 제품은 압축 이미지 및 시퀀스를 PCI 인터페이스를 통해 PC 하드 디스크에 저장할 수 있다. 추가 기능으로는 SD 비디오를 LAN 네트워크를 통해 다른 PC로 전송하여 전체 또는 일부 해상도/품질로 데이터를 디코딩하도록 할 수 있다. 두 개의 보드가 같은 PC의 다른 PCI 슬롯에서 사용될 경우 HD 보드는 비디오의 실시간 압축/해제를 수행할 수 있다.현재 카카두(Kakadu)와 같은 PC 코딩/디코딩용 Jpeg2000 코덱 몇 가지가 출시되어 있는 상태다. 이러한 제품들을 통해 Jpeg2000의 성능 및 용량을 평가할 수 있으며 시스템의 구성 요소로 완전히 통합할 수도 있다. 또한 분석용 이미지 추출 소프트웨어 제품군도 사용할 수 있다.오디오 처리 방식오디오 스트림 및 Jpeg2000 비디오는 처음에 Pro-Mpeg 포럼에서 만들어진 MXF(Material Exchange File) 포맷으로 패키지될 예정이다. 사실 이 포맷은 이미 SMPTE에서 인증되었으며 디지털 시네마 하드웨어에서 쓰이고 있다. 이 포맷에 대한 자세한 내용은 이 문서에서 다루지 않으며 관련 정보는 www.pro-mpeg.org, www.ebu.ch 및 www.dolby.com에서 확인할 수 있다.
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