압축 기법

1. 압축 기법

2. 1. 압축의 정의 • 정의 같은 양의 정보를 더 작은 크기의 데이터로 표현하는 기술을 의미하며 반대로 압축을 푸는 작업을 복원(Decompression)이라 한다. • 목적멀티미디어 작업을 하면서 사용하는 음향이나 화상 데이터, 특히 동화상 데이터는 크기가 매우 크므로 동화상 데이터를 저장할 디스크 공간이나 메모리 공간이 부족한 것은 물론이고 , CPU의 계산 속도가 느리며, 컴퓨터 내부에서 및 통신망에서의 전송 속도가 너무 낮아지게 되며 이같은 문제를 해결하기 위해 압축기법을 사용한다.

3. 압축 기법 Zivlempel알고리즘 문자를 주로 압축 하는데 사용 GIF, JPEG 정화상을 압축하는데 사용 G.722 음향을 압축하는데 주로 사용 DVI,퀵타임,H.261,MPEG 동화상을 압축하는데 주로 사용

4. 2. 압축원리 • 원리 압축의 기본 원리는 중복성 제거의 원리이다. 예를 들어 0이 100개 나열되는 데이터는 100개의 숫자를 지닐 것이나 간략히 0,100이라고 함으로써 두개의 숫자만으로 표현 이 가능하게 된다. 압축에서는 사람이 감지할 정보만을 추려서 남기고 감지할 수 없는 정보는 삭제함으로써 데이터의 양을 줄일 수 있다. 이를 가시성, 가시청의 원리라 한다. 그 예로 사람은 그림을 볼 때 명도의 변화에 민감한 반면 색상의 변화에는 상당히 둔감한 특성이 있다. 이를 이용하여 명도 정보는 자세히 하되 색상에 대해서는 덜 자세히 묘사함으로써 정보의 양을 줄일 수 있는 것이다.

5. 3. 압축기법의 분류 • 손실기법 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 일치하지 않는 기법을 말한다. 이 기법은 대체로 연속매체 (음향, 비디오, 동영상) 를 압축하는 데 적당하다. 손실기법이라고 해서 사용자가 압축/복원후의 정보가 본래의 정보와 다르다고 느낄 정도의 차이를 말하는 것은 아니다. 즉, 사용자들이 손실기법으로 압축/복원한 데이터 (예를 들면 영상) 를 보았을 때 본래의 데이터 (본래의 영상) 와 거의 동일하다고 느낄 수 있을 정도가 되어야 한다. • 무손실기법 압축한 데이터를 복원했을 때 복원한 데이터가 압축전의 데이터와 완전히 일치하는 것을 말한다. 즉, 복원한 비트 스트림이 압축전의 비트 스트림과 완전히 일치하는 것을 말하는 것이다. 이 기법은 압축할 때 압축할 데이터에 어떤 변경이나 수정도 가하지 않는다. 이 기법은 멀티미디어 정보에서 정확성이 생명인 데이터들 , 예를 들면 의학용 영상의 압축에 사용할 수 있다.

6. 4. JPEG • JPEG(Joint Photographic Expert Group) 사용자들이 압축된 디지털 영상을 쉽게 교환하기 위해서는 표준화된 알고리즘 형태가 필요하다. 이러한 필요성에 따라 압축/복원 알고리즘의 표준화가 이루어 지고 있으며, JPEG은 ISO/IEC JTC1에서 정(靜)화상 압축에 대한 국제 표준으로 개발한 압축/복원 알고리즘이다.

7. JPEG 압축 알고리즘 순차적 부화화(Sequencial encoding) 각각의 영상 요소가 스캔되는 순서대로 부호화 된다. 즉, 영상의 처음부터 끝까지 순차적으로 한번에 완전히 부호화 하는 방식이다. 점진적 부호화(Progressive encoding) 영상 전체가 낮은 화질로부터 높은 화질 까지 점진적으로 나타날 수 있도록 부호화 하는 방법이다. 영상 중 처음에는 잘 보이지 않다가 점점 선명하게 보이는 영상이 점진적 부화화 방식으로 압축된 영상 이다. 무손실 부호화(Lossless encoing) 압축 기법에서 설명한 무손실 기법과 마찬가지로 본래의 영상을 동일하게 영상을 복원할수 있도록 부호화 하는 방식이다. 계층적 부호화(Hierarchical encoding) 영상을 사용자가 원하는 대로 지원할 수 있도록 여러 해상도로 부호 화 한다. 이 방식은 버퍼가 없는 낮은 해상도의 시스템을 통해 높은 해상도의 시스템을 통해 높은 해상도의 영상을 복원할 때 유용하다.

8. 5. MPEG • MPEG 동화상과 음향으로 이루어지는 영화를 압축하기 위한 표준이다. MPEG 표준에는 세 가지가 있는데, MPEG1과 MPEG2, 그리고 MPEG4가 그것이다. 각각에 대해 비디오(동화상 압축), 오디오(음향 압축), 시스템(동화상과 음향 등이 잘 섞여있는 스트림)에 대한 명세가 존재한다.

9. MPEG 표준 MPEG1 1배속 CD롬 드라이버의 데이터 전속 속도에 맞게 설계되었다. 즉 VCR 화질의 동영상 데이 터를 압축했을 때 최대 비트율 이 1배속 CD롬 드라이버의 데이터 전송속도가 되도록 MPEG1 -비디오 압축 알고리즘이 정해졌으며, 스테레오 CD 음질의 음향 데이터를 압축했을 때 최대 비트율 이 128Kbps (채널당 64Kbps)가 되도록 MPEG1-오디오 압축 알고리즘이 정해졌다. MP EG1-시스템은 단순히 음향과 동화상의 동기화를 목적으로 잘 섞어놓은 것이다. MPEG2 보다 압축 효율이 향상되고 용도가 넓어진 것으로서, 고화질,고음질의 영화도 대상으로 할 수 있고 방송망이나 고속망 환경에 적합하다. 즉, 방송 TV화질의 동영상 데이터를 압축 했 을 때 최대 비트율4Mbps가 되도록 MPEG2-비디오 압축 알고리즘이 정해 졌으며, 여러 채 널의 CD음질 음향 데이터를 압축 했을 때 최대 비트율이 채널당 64Kbps이하로 되도록 M PEG2-오디오 압축 알고리즘이 정해 졌다. MPEG2-시스템은 여러영화를 한곳에 묶어 전 송 하여 주고 이때 있을수 있는 에러도 복구 시켜줄수 있는 트랜스 포드 프로토콜이다. MPEG4 매우 높은 압축 효율을 얻음으로써 매우 낮은 비트율로 전송하기 위한 것이다. 이를 사용함 으로써 이동 멀티미디어 응용을 구현할수 있다.

10. MPEG의 가장 큰 단점은 압축을 많이 하기 위해서는 압축시간이 지나치게 많이 걸린다는 점이다.압축 시간이 복원 시간보다 훨씬 커지므로, 동시성이 요구되는 분산 멀티미디어 응용에는 무리가 따른다. MPEG 비디오는 이들 세 종류의 프레임들 이 일정한 패턴으로 섞인 것이다 I프레임:정화상으로 압축된 프레임 P프레임:예측만을 한 프레임 B프레임:보관만을 한 프레임

11. I-프레임으로 시작하는 연속적인 화상들의 집합을GOP(Group Of Picture)라고 한다. I-프레임(Intra-coded frame)데이터 스트림의 어느 위치에도 올 수 있으며, 데이터의 임의 접근을 위해 사용되며, 다른 이미지들의 참조 없이 부호화 된다. I-프레임은 정화상 압축방법(JPEG)을 이용하지만, JPE G과는 달리 MPEG에서는 실시간으로 압축이 이루어진다.I-프레임의 압축은 MPEG에서는 가장 낮은 압축률을 보인다. I-프레임은 매크로 블럭내에서 지정된8*8 블록으로 나눈 후, DCT 기법을 사용한 후, DC 계수는 DPCM방법으로 부호화하는데, 연속한 블록 사이의 차이 값을 계산한 후 가변길이코딩을 사용하여 변환한다. P-프레임(Predictive-coded frame)부호화와 복호화를 행할 때 이전의 I-프레임 정보와 이전의 P-프레임의 정보를 사용한다. P -프레임은 연속되는 이미지들의 전체 이미지가 바뀌는 것이 아니라 이미지의 블럭들이 옆 으로 이동한다는 점에 착안한 것이다. 즉, 움직임이 있는경우 앞화면에 있는물체 자체의 모양에는 큰 변화없이 옆으로 이동하는 경우가 대부분이므로, 이전의 화면과 현재의 화면의 차이가 매우 적은 것을 이용하여 차이값만을 부호화하는 것이다. B-프레임(Bidirectional-coded frame)부호화와 복호화를 행할 때 이전, 이후의 I-프레임과P-프레임 모두를 사용한다. B-프레임을 사용하면 높은압축률을 얻을 수 있다. B-프레임은 이전의 I-또는P-프레임과 B-프레임 이후 의 I 또는 P-프레임의 차이값을 가진다.

12. 허프만(Huffman) 코딩 • 가변길이 코딩 빈번하게 발생하는 자료의 표현에 적은 수의 비트를 사용하고, 드물게 발생하는 자료의 표현에는 보다 많은 비트들을 사용 • 방법 압축하고 싶은 파일을 한 번 읽어 각 문자의 출현 확률비를 계산 만약, 알파벳 A, B, C의 세문자가 있어, 그것의 확률 비가 4:2:1이라고 하자.

13. 허프만 (Huffman)코딩 7 7 4 3 4 2 1 1 0 0 1 A B C A B C A B C A B C 합이 가장 작은 두개의 가지를 묶음 합이 가장 작은 두개의 가지를 묶음 • 각 단말노드에 대해 • 부호를 붙임 • 왼쪽 가지: 0 • 오른쪽 가지: 1 부호테이블 예) 평문: AAABCBA 암호문: 0001011100 A: 0 B: 10 C: 11