[멀티미디어시스템] 데이터 압축

데이터의 압축이란?

기본 원리는 데이터에 포함되어 있는 중복성(Redundancy)을 제거하는 것

데이터의 중복성

• 통계적 중복성(Statistical Redundancy)
• 주관적 중복성(Subjective Redundancy)
• 공간적 중복성(Spatial Redundancy)
• 시간적 중복성(Temporal Redundancy)

데이터 압축 방법의 분류

압축 할 때 정보 손실 정도에 따라

• 무손실 압축 - 가역 압축
• 손실 압축 - 비가역 압축
• 혼합 압축 - 멀티미디어 압축에 주로 사용

압축에 이용되는 성질 측면에 따라

• 엔트로피기법 : 무손실 압축으로서, 압축시킬 대상의 특성을 고려하지 않는 압축기법
• 대상기반기법 : 손실 압축으로서, 압축하고자 하는 대상 정보의 특성을 이용

데이터 압축 기법에 대한 요구 사항

원 데이터와 큰 차이가 없어야 한다

알고리즘 자체가 복잡하지 않아야 한다

지연 시간이 너무 길지 않아야 한다

다양한 데이터를 압축할 수 있어야 한다

하드웨어와 소프트웨어 적인 구현이 모두 가능해야 한다

무손실 압축을 이용한 기법

압축된 정보를 다시 복원한 경우에 압축이 되기 이전의 상태와 동일한 내용을 가지고 있는 압축

손실 압축에 비해 압축률이 많이 떨어지고 제한이 많다.

의료 영상, 설계 도면 등 자료를 손실 하면 안되는 분야에 사용

반복길이 코딩

한 데이터에서 자주 반복되는 코드들의 사용을 최대한 억제하자는 기법

컴퓨터로 만든 만화, 그래픽 등의 영상에서 좋은 압축률을 보인다

허프만 코딩

데이터에 나타나는 문자의 등장 빈도에 따라서 다른 길이의 부호를 사용하는 기법

높은 빈도로 나타나는 단위 정보에는 비트 수를 많이 사용함으로써 전체 데이터를 나타내는데 필요한 비트 의 양을 줄일 수 있다.

LZW 코딩

아브라함 렘펠과 제콥 지브, 테리 웰치가 구현 가변길이 부호를 사용하는 기법

연속된 문자열에 대한 표를 만들고, 다음에 같은 문자열이 발견되면 이 표를 참조하여 압축하는 방법

손실압축을 이용한 기법

압축된 정보를 다시 복원한 경우에 압축되기 이전의 상태와 동일하지 않은 내용을 가질 수 있는 압축

압축률은 매우 높지만 이미지의 경우 품질은 저하

압축 알고리즘의 제한이 없으며, 어느 정도의 데이터가 손실되어도 괜찮은 멀티미디어 분야에서 많이 사용

변환기법

데이터의 영역을 적당한 변환을 통해 다른 영역으로 옮김으로써 데이터를 구성하는 단위 정보의 개수를 줄 이는 기법 ( PCM , 이산 코사인)

예측기법

이전 정보로 부터 다음 정보를 예측하고 예측에 의해 발생된 오류를 소량의 오류 보정 정보를 이용하여 보정 함으로서 원래 정보로 복원하는 기법 (DPCM , ADPCM , 델타 변조)

벡터 양자화

여러 개의 입력 값을 가지고 있는 벡터를 간단한 형태의 벡터로 매핑하는 방법

특히 음성(speech) 부호화에 적합, 예로서는 프랙털 변환(fractal transform)의 방법이 있다.

보간기법

픽셀 레벨에서 보간 압축이란 픽셀들을 띄엄띄엄 전송하고 그 사이 픽셀은 보간법을 통해 복구하는 방법

보통 보간법은 색상의 명도 성분에서는 사용하지 않고 색상 성분에서 사용

YUV, YIQ 컬러 모델 등에서 유용하게 사용

혼합 압축을 이용한 기법

멀티미디어 데이터를 압축하는데 이용 | JPEG이나 MPEG 등이 혼합압축을 사용

압축은 4단계로 이루어짐

1. 아날로그 신호를 디지털 데이터로 바꾸는 준비단계
2. 데이터 정보단위의 개수와 크기를 변환기법등을 이용하여 줄이는 단계
3. 양자화 기법을 이용하여 중요도가 낮은 정보들을 정리하는 단계
4. 허프만 코딩이나 반복길이 코딩과 같은 무손실 압축 기법을 이용하는 단계

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디지털 사운드 압축

최근 동향은 다양한 압축포맷 지원, 오디오 스트리밍 기능 지원, 불법복제 방지 기술, 음악 인코딩 툴 지원, 음악 DB 관리기술 등을 총체적으로 포괄하는 방향으로 개발

압축 코덱 종류

MP3 (MPEG-1 Audio Layer-3)

큰 용량의 오디오 신호를 압축하기 위한 방식

MPEG Audio의 Layer

Layer 1 - 오디오의 고음 뒤에 숨어 있는 주파수만을 제거하는 가장 단순한 방법 (일반 사용자에게 적합)

Layer 2 - 레이어1에 비해 더 많은 필터 기능을 가지며 더 높은 압축률 ( 오디오 방송이나 TV 같은 전문 오디오에 사용)

Layer 3 - 가장 복잡한 mpeg 오디오 모델 → 원본과 차이가 구별이 없을 정도의 우수한 음질, 보다 더 전문적인 규격

AAC(Advanced Audio Code | MPEG-2)

AAC의 장점

• mpc 의 데이터 구조가 고정적인 반면 ACC의 데이터는 가변 구조
• 압축률에 따라 크기가 변하므로 전체 파일의 용량이 훨씬 줄어든다.
• 음질의 향상을 위해 양자화 보정 기술을 적용함으로써 원음에 가깝다.

AAC의 단점

• 저작권 복제 방지 시스템을 강화함으로써 플레이어 사이의 호환성 부족
• 원음을 인코딩 하는데 걸리는 시간이 MP3에 비해 최대 10배 이상

돌비 디지털 (AC -3)

• 영화, HDTV 등에서 사용되는 오디오 압축과 음성 부호화를 위해 개발

WMA(Windows Media Audio Codec)

• 마이크로소프트가 멀티미디어 압축 방식으로 개발한 고품질의 오디오 코덱
• 용량 면에서는 MP3의 절반, 음질은 동일
• 향상된 인코딩 알고리즘으로 기존보다 적은 용량과 빠른 인코딩의 장점

리얼오디오 포맷(RA, RAM, RM)

• 멀티미디어의 실시간 전송 스트리밍( streaming) 기술 중의 하나
• 빠른 전송률과 고 압축률을 특징

디지털 이미지의 압축

1. JPGE

.JPEG은 손실 압축, 무손실 압축, 혼합 압축으로 구분

손실압축

기본 방식(필수)

• 부호화 된 압축 데이터를 복구 할 수 있도록 설계 됨
• 일반적으로 JPGE 라면 이 방식이다
• Huffman 부호화

확장 방식(확장 시스템)

• 보다 광범위한 응용에 대응하기 위해 재정

※ 기본 방식의 4단계 세부 수행과정

영상분할 과정, DCT변환 과정, 양자화 과정, 무손실 압축 과정

무손실 압축

• 공간적 예측 부호화 방식 채용
• 압축률은 손실 압축에 비해 작지만 원래의 영상품질이 잘 보존되기 때문에 화질 열화가 허용되지 않는 응용에 유효하다.

혼합 압축

• 계층 방식 사용
• 계층방식은 다양한 환경에서 영상을 재생하거나 출력할 수 있도록 하기위해 영상을 여러 해상도로 부호화
• 높은 해상도의 영상을 낮은 화면 해상도의 모니터에 사영하거나, 낮 은 해상도의 프린터 등에 출력하고자 할 때 효과적

1. MPEG

동영상 압축 표준 , MPEG은 압축 속도는 느리고, 복원은 실시간으로 이루어지는 비대칭 시스템

MPEG -1

• mp3 오디오 압축 포맷
• 최초의 비디오 오디오 표준
• CD-ROM 에 저장할 목적으로 제정

MPEG - 2

• TV 방송을 위한 표준
• TV와 DVD 수준의 영상을 목적으로 제정

MPEG - 3

HDTV 방송을 위해 고안

MPEG-2 적용범위가 확장 되며 통합

MPEG-4

MPEG-1을 확장, 1994년 음성과 비디오 합성을 위한 영상압축 표준

• 영상/음성 객체(object), 3D 콘텐츠, 저속 비트율 인코딩, 디지털 재산권 관리 지원 등을 포함

MPEG-7

멀티미디어 콘텐츠를 기술하기 위한 형식적 시스템

MPEG-21

미래 표준을 위한 멀티미디어 프레임 워크