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차세대
동화상 부호화 방식 MPEG-4 AVC/H.264의 기술동향
자료집필: 국제테크노정보연구소
동화상의
압축 부호화
동화상
신호는 정보량이 매우 많기 때문에, 그대로 기록하거나
전송하기는 어렵기 때문에, 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.
도시바사는
복수의 참조 프레임을 적응적으로 값을 붙여 가산해서 움직임
예측에 이용함으로써 페이드 화상의 품질을 큰 폭으로 개선하는
수법을 제안하여 규격 최종 초안에 채용되었다. 향후, 고품위
영상 축적이나 전달, 데이터 방송, 차세대 휴대전화 등에
그 응용이 기대된다.
여기서는 2003년 3월에 규격 최종
초안(FDIS)이 발행된 최신의 동화상 부호화 국제표준 "MPEG-4
AVC(Moving Picture Experts Groupphase4 Advanced Video
Coding)/H.264"(이하, H.264로 약기)에 대하여, 표준화
동향과 최신기술을 도시바사의 기술자료를 토대로 소개한다.
H.264
표준화의 경위
H.264는
1998년 무렵부터 ITU-T의 비디오 전문화 그룹에서 검토가
시작되었다. 한편, ISO에서도 MPEG-4 후속타의 동화상 부호화
방식을 결정하기 위해, 2001년 7월에 신방식 모집 콘테스트를
실시했다.
이 콘테스트에서, ITU-T 그룹이 검토하고
있던 방식이 화질면에서 우수했기 때문에, 이 방식을 토대로
ITU-T와 ISO 합동의 검토팀 JVT(Joint Video Team)에 의한
심의가 시작되었다. 그 후, JVT내에서 여러 방식을 개량하여
더욱 우수한 규격 최종 초안에 반영했다.
H.264에서
사용되고 있는 기술
H.264는
종래의 동화상 부호화 방식과 마찬가지로, 이미 부호화된
화상 프레임으로부터의 움직임을 추정하여 예측신호를 작성하고,
잔차신호를 이산 코사인 변환(DCT)하여 부호화하는 "움직임
보상(motion compensation)＋DCT"라 불리는 기술을
토대로 하고 있다. 그러나 이 기술을 더욱 개량하여 종래보다
2배의 압축 성능을 실현하고 있다. 이하, 주된 기술을 설명한다(그림
1).
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움직임 보상을 개선하는 기술
종래
방식에 비해 더 작은 블록 사이즈(4×4 화소까지),
섬세한 화소 정밀도(1/4 화소까지)로, 미세한 움직임 보상을
한다. 또, 복수의 참조 프레임(이미 부호화한 화상 프레임)중에서
최적한 것을 선택하여 움직임 보상에 사용한다.
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시각적인 화질 열화를 억제하는 기술
DCT를
이용하는 화상부호화 방식의 결점이었던 블록 경계의 왜곡을
억제하는 필터를 사용한다. 또 DCT의 단위도 종래 방식보다
작은 4×4 화소 블록으로 하여, 시각적인 왜곡이 쉽게
눈에 띄지 않도록 하고 있다.
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부호화하는 정보의 성질에 적응하는 기술
DCT
양자화한 후의 신호를 엔트로피 부호화할 때에, 주위의
정보를 토대로 부호표 테이블을 바꾸는 등으로 화상의 성질에
맞게 부호화한다.
도시바사가 제안한 적응 보간
예측방식
JVT
발족 이래, 몇몇 회사에서 표준화 활동에 적극 임하고 있다.
여기서는 도시바사가 제안한 적응 보간 예측 방식의 원리를
그림 2에 나타낸다. 종래 방식에서는 화상의 움직임을 예측하는
구조는 있었지만, 페이드 화상과 같이 화면의 밝기가 시간적으로
변화하는 화상을 유효하게 예측하는 수단이 없어, 부호화
화상의 품질이 열화하는 요인이 되고 있었다.
이에 대한
제안 방식으로, 복수의 참조 프레임을 적응적으로 값을
붙여 가산한 신호를 예측에 이용함으로써 이 문제를 해결하고
있다. 페이드 화상을 부호화한 결과를 종래 방식과 비교하여
그림 3에 나타낸다(비트레이트: 1Mbps, 화상 사이즈: 720×480
화소, 30프레임/초). 종래 방식에 비해 SN비(신호대 잡음비)가
약 9dB로 대폭 향상되어 화질이 크게 개선되고 있다. 이
효과가 인정되어 이 방식은 H.264의 규격 최종 초안으로
채택되었다.
실용화하기
위한 극복 과제
H.264는
앞서 언급한 바와 같이 여러 가지 개량 기술을 적용함으로써
종래의 국제표준 방식에 비해 큰 폭으로 압축 성능이 향상된다.
이 때문에, 고품위 영상의 기록/축적, 인터넷이나 케이블
모뎀에서의 영상전달, 디지털 데이터 방송, 차세대 휴대전화
등에 있어서 동영상의 교환 등에 그 응용이 기대되고 있다.
반면,
종래방식에 비해 처리량도 증가해 버리므로, 이것이 극복
과제이다. 실제로, 표준화 참조 소프트웨어(JM)를 사용했을
경우, 부호화 처리에 종래 방식의 몇십배나 되는 시간이
소요되고 만다. 그러나 표준규격에서는 부호화된 정보를
복호하는 디코더만을 규정하고 있고, 인코더의 처리에는
자유도가 있기 때문에 H.264의 특징인 고화질을 유지하면서
JM 등에서 사용되고 있는 처리에 비해, 연산량을 대폭 삭감하는
부호화 제어기술을 개발할 여지가 있다.
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