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멀티미디어 데이터 압축 & 복원 : 영상 코딩 기법 (2)

멀티미디어 데이터 압축 & 복원 : 영상 코딩 기법 (2). Lecture #8. 강의 내용. 하이브리드 코딩 기법 영상 코딩 기법 개요 이진 영상 코딩 기법 ITU-T G3/G4 JBIG / JBIG2 정지 영상 코딩 기법 JPEG / JPEG-2000 통신용 동영상 코딩 기법 H.261 / H.263 고품질 동영상 코딩 기법 MPEG. H.261 (1). H.261 ITU 가 디지털 비디오에 대한 압축 및 복원 표준으로 재정

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멀티미디어 데이터 압축 & 복원 : 영상 코딩 기법 (2)

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Presentation Transcript

  1. 멀티미디어 데이터압축 & 복원:영상 코딩 기법(2) Lecture #8

  2. 강의 내용 • 하이브리드 코딩 기법 • 영상 코딩 기법 개요 • 이진 영상 코딩 기법 • ITU-T G3/G4 • JBIG / JBIG2 • 정지 영상 코딩 기법 • JPEG / JPEG-2000 • 통신용 동영상 코딩 기법 • H.261 / H.263 • 고품질 동영상 코딩 기법 • MPEG

  3. H.261 (1) • H.261 • ITU가 디지털 비디오에 대한 압축 및 복원 표준으로 재정 • 전화망이나 ISDN 상에서 비디오 전화기와 화상회의 시스템 운용을 위한 표준으로 적용 • “ p x 64” (p = 1,…, 30) 기법 • PSTN의 기본 대역폭: 64 Kbps • p = 1 or 2 :대역폭이 낮은 비디오 전화 등에 응용 • p >= 6 : 화상 회의 등에서 응용

  4. H.261 (2) • H.261 (계속) • 지원하는 영상 포맷 • QCIF(Quarter CIF) - required • CIF(Common Intermediate Format) - optional • TV 방송 표준의 차이점에 따른 문제 해결을 위해 제시 • YUV 칼라시스템, 비월 주사 방식 & 30 fbs(frames per second) • 주사선과 픽셀 수 비교 : pp 182, 표 4.6 • 데스크탑 비디오 회의 응용의 요구 대역폭 & 압축률 • QCIF, p =2 인 경우 • pp. 182 예

  5. H.261 (3) • H.261 비디오 구조 • 픽쳐(Picture) : 비디오의 한 프레임 • GOB(Group Of Block) • Picture는 GOB로 구성 • 크기 : CIF/12 or QCIF/3 • 마이크로 블록(Microblock) • GOB는 33 개의 마이크로 블록으로 구성 • 하나의 마이크로 블록은 6 개의 8 x 8 블록으로 • 4 Y + Cb + Cr • 블록(Block) • 8 x 8 픽셀로 구성된 DCT 변환 최소 단위

  6. H.261 (4) • H.261 비디오 구조

  7. H.261 (4) • H.261 압축 과정 • 프레임내(Intraframe) 및 프레임간(Interframe) 압축 기법을 동시에 사용 • 프레임내 압축 • DCT 압축 기법 사용 • MPEG의 I-프레임 코딩에 해당 • 프레임간 압축 • DPCM과 움직임 예상의 의한 움직임 보상(motion compensation) 기법 사용 • MPEG의 P-프레임 코딩에 해당

  8. Intraframe coding & Interframe Coding

  9. Intraframe coding

  10. Interframe Coding

  11. H.261 (5) • H.261 압축 과정- 특징 • 양자화 테이블 대신에 양자화 인수를 사용 • 양자화 인수는 버퍼에 있는 데이터 양에 의해 결정 • 개별적인 프레임 내용과 비디오 장면의 내용에 따라 화질이 달라진다 • 양방향 실시간 전송을 위해서는 압축 지연이 150ms이내 이어야 한다

  12. H.263 (1) • H.263 압축기법 • H.261 압축기법을 확장한 표준 • 특징 • 64Kbps 이하의 저 대역폭을 대상 • DPCM과 DCT 변환 기법을 결합하여 사용 • PB 프레임 개념을 사용 – P 프레임과 B 프레임이 한 단위로 코딩된 것 • 산술 코딩 기반의 엔트로피 코딩을 적용 • H.261 기법 보다는 2.5:1 정도로 성능이 우수 • 최근 사양이 보완된 H.263+ 표준 지원

  13. Videoformat LuminanceImageResolution ChrominanceImageResolution H.261support H.263support Bit-rate (Mbit/s)(if uncompressed, 30 fps) Max bits allowedper picture(BPPmax, Kb) B / W Color SQCIF 128 x 96 64 x 48 n/a Required 3.0 4.4 64 QCIF 176 x 144 88 x 72 Required Required 6.1 9.1 64 CIF 352 x 288 176 x 144 Optional Optional 24.3 36.5 256 4CIF 704 x 576 352 x 288 n/a Optional 97.3 146.0 512 16CIF 1408 x 1152 704 x 576 n/a Optional 389.3 583.9 1024 H.263 (2) • H.263 압축기법 • 지원되는 Video Formats :

  14. MPEG (1) • MPEG 표준 개요 • Moving Picture Coding Experts Group • 비디오 압축, 오디오 압축 그리고 비디오와 오디오간의 동기화에 관한 표준 • MPEG 표준 구성: • 시스템 코딩 표준 • 비디오 코딩 표준 • 오디오 코딩 표준 • MPEG 표준의 특징 • 랜덤 접근(Random Access) 기능 제공 • VCR 기능 지원 : FF, FR 기능 등 • Reverse Playback 기능 지원 • 오디오/비디오 동기화 • 짧은 압축/복원 지연 • 프레임 단위 편집 기능 • 경제성

  15. MPEG (2) • MPEG 표준 개요(계속) • MPEG-1 : • CD-ROM 저장매체에서의 비디오와 오디오에 대한 압축과 복원에 대한 표준 • 1 ~ 1.5 Mbps 대역폭 지원 • MPEG-2 : • 디지털 TV(HDTV)에 대한 표준 • 2 ~ 80 Mbps 대역폭 지원 • MPEG-4 : • 멀티미디어 응용에 대한 표준과 시청각 정보를 객체 단위로 부호화 목표 • 대화형 멀티미디어 시스템, 화상 회의 , 비디오 전화 등의 저 대역폭을 요구하는 응용에서 비디오와 오디오 압축에 관한 표준 • 9 ~ 40Kbps • MPEG-7 : • 정보검색을 위한 내용 표현을 목표

  16. MPEG-1 압축 알고리즘 • 시간적 중복성 제거 • 연속된 일련의 프레임 사이의 중복성 제거 • 움직임 추정(Motion Estimation) • 움직임 보상(Motion Compensation) • 공간적 중복성 제거 • 부호화 중복성, 화소간 중복성 : VLC, RLC • 인지시각적 중복성 : DCT 및 양자화

  17. 시간적 중복성 제거 (1) • Group of Pictures • I (Intra) • 임의로 선정된 frame (random access) • 낮은 (시간적) 중복성 • P (Predicted) • 이전의 I 또는 P frame을 기준으로 예측된 영상 • 중간 정도의 압축률 • B (Interpolated) • 두 개의 I 또는 P frame으로 부터 양방향 예측된 영상 • 가장 높은 압축률 • 크기 비교: I-frame >= P-frame >= B-frame

  18. I, P, B Picture 부호화

  19. 시간적 중복성 제거 (2) • 움직임 추정 (Motion Estimation) • Macro Block 단위의 움직임 벡터 추정 • 1616 sub-image • 임의의 부영상(예: 3232 영역)에서의 블록 매칭 • Cost Function

  20. 시간적 중복성 제거 (3)

  21. 시간적 중복성 제거 (4) • 움직임 보상 (Motion Compensation) - P

  22. 시간적 중복성 제거 (5) • 움직임 보상 (Motion Compensation) - B

  23. 공간적 중복성 제거 (1) • 적용 대상 • 모든 I frames • B, P frame의 차분치 • 압축 단계 • 블록(88) 단위로 DCT • 변환계수의 양자화 • RLE 부호화(run-length encoding) via Zig-zag scanning

  24. 공간적 중복성 제거 (2) • Zig-Zag Scanning

  25. MPEG-1 비디오 계층 Syntax • MPEG-1 비디오 계층 Syntax • pp 198, 그림 4.31, 그림 4.32 • Sequence Layer : 하나의 MPEG-1 file (여러 개의 GOP layers) • GOP Layer : a set of I, B, P’s • Picture Layer : one of I, B, P frame is a set of Slices • Slice Layer : a Slice is a set of MB’s • MB Layer : 1 MB = 4 Blocks • Block Layer : 88 화소단위 부영상 집합

  26. MPEG-1 비디오 압축/복원 • 압축/복원 순서 • 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, … • I, B, B, P, B, B, P, B, B, I, B, B, P, B, … MPEG-1 Encoder의 입력 • 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/ 10, 11, 12, 13, 14 MPEG-1 Encoder의 출력 • 1, 4, 2, 3, 7, 5, 6/10, 8, 9, 13, 11, 12, … MPEG-1 Decoder의 입력 • 1, 4, 2, 3, 7, 5, 6/10, 8, 9, 13, 11, 12, … MPEG-1 Decoder의 출력 • 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/ 10, 11, 12, 13, 14, …

  27. MPEG-1 CODEC (1) • MPEG-1 시스템 코딩 • MPEG-1 인코딩 시스템 • pp 189, 그림 4.26 • 비디오와 오디오간의 동기화 목적으로 시스템 클럭을 사용 • MPEG-1 디코딩 시스템 • pp 196, 그림 4.29

  28. MPEG-1 CODEC (2)

  29. MPEG-2 (1) • MPEG-2 등장 배경 • H.261 • ISDN을 이용한 화상전화 및 화상회의 • 64 ~ 1920Kbps 전송률 지원 • MPEG-1 • CD 등 디지털 저장매체에 1.5Mbps 전송률 • 동영상 및 오디오를 압축하여 다중화하는 표준 • MPEG-2 • 5~10Mbps 정도에서 현행 TV 품질을 구현 • 현재 HDTV 표준을 위한 MPEG-3를 흡수 (20Mbps 이상)

  30. MPEG-2 (2)

  31. MPEG-2 (3)

  32. MPEG-2 (4)

  33. MPEG-2 (5)

  34. 프레임/필드 구조에 있어서 I,P,B 픽처의 매크로블록 타입 양자화특성 지정정보 양자화 변환계수 MPEG-2 Encoder

  35. 양자화특성 지정정보 양자화 변환계수 프레임/필드 구조에 있어서 I,P,B 픽처의 매크로블록 타입 MPEG-2 Decoder

  36. MPEG-1 과의 차이점 (1)

  37. × × × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ○ ○ ○ ○ × × × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ○ ○ ○ ○ (a) 4 : 2 : 0 format (b) 4 : 2 : 2 format ( c) 4 : 4 : 4 format ○ ○ ○ ○ ○ : Luminance (Y) × : Chrominance (Cb, Cr) MPEG-1 과의 차이점 (2) • Y, Cb, Cr 포맷

  38. Zig-Zag Scan and Alternate Scan MPEG-1 과의 차이점 (3) • 양자화 계수들의 스캔 방식

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