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디지털 신호처리 (DSP : Digital Signal Processing)

디지털 신호처리 (DSP : Digital Signal Processing). Contents. 압축의 개요와 종류 음성신호압축 영상신호압축 영상압축의 주요 기술. 1. 압축의 개요와 종류. 개요 압축의 종류 오디오 압축의 발전 영상 압축의 발전. 디지털 신호처리 개념도. 압축의 개요. 압축 (compression) 과 신장은 원신호의 의미를 손상하지 않는 범위에서 전송데이터의 양을 적게 할 목적으로 데이터를 줄여서 보내고 수신 측에서 복원하는 것을 뜻한다 .

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디지털 신호처리 (DSP : Digital Signal Processing)

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Presentation Transcript

  1. 디지털 신호처리(DSP : Digital Signal Processing)

  2. Contents • 압축의 개요와 종류 • 음성신호압축 • 영상신호압축 • 영상압축의 주요 기술

  3. 1. 압축의 개요와 종류 • 개요 • 압축의 종류 • 오디오 압축의 발전 • 영상 압축의 발전

  4. 디지털 신호처리 개념도

  5. 압축의 개요 • 압축(compression)과 신장은 원신호의 의미를 손상하지 않는 범위에서 전송데이터의 양을 적게 할 목적으로 데이터를 줄여서 보내고 수신 측에서 복원하는 것을 뜻한다. • 압축은 source coding 시 이루어진다. • 정보의 압축을 위해 일반적으로 활용되는 정보의 성질들로는 다음의 세 가지가 있을 수 있다. 1. 공간적 상관관계 2. 시간적 상관관계 3. 정보 구성 기호(symbol)의 발생 확률

  6. 전형적인 정보압축 시스템 개념도

  7. 압축의 종류 • 통계적 중복성 • 시간 및 공간적 중복성(예측 가능 정보) • 지각 시스템(인지범위)

  8. 통계적 중복성(Statistical Redundancy) • 허프만(Huffman) 코딩기법(VLC, RLC) 사용 • 확률적으로 가장 많이 나오는 데이터를 가장 적은 비트로 할당(VLC) • 동일하게 반복적인 값을 다른 값으로 대체(RLC) • Text의 압축에 효과적이어서 WinZip에 응용 ☞ VLC : Variable Length Coding, 가변 장(길이) 부호화 ☞ RLC : Run Length Coding, 줄 길이 부호화 ☞ WinZip is a file archiver and compressor for Microsoft Windows, developed by WinZip Computing (formerly Nico Mak Computing).

  9. 시간 및 공간적 중복성(예측 가능 정보) • 이전 값과의 차이 값(difference)만을 전송해서 의미를 전달 • 공간축에서는 옆에 있는 정보의 차이 값만을 전송 • DPCM, MC 를 이용 ☞ DPCM : Differential Pulse Code Modulation ☞ MC : Motion Compensation

  10. 지각 시스템(인지범위) • 사람 눈에 보이지 않거나 귀에 들리지 않는 데이터나 정보는 보내지 않는다. • 사람 눈의 특성은 저주파에는 민감하고 고주파에는 덜 민감하므로 고주파 성분을 제거해서 전송한다. • 사람 귀의 특성에서 상대적으로 큰 소리 주변의 작은 소리는 들리지 않으므로 빼고 전송한다. • DCT, 최소가청한계, Masking 효과 이용 DCT : Discrete Cosine Transform, 이산 코사인 변환 낮은 주파수에 대해서는 모든 레벨에 대해서 데이터 출현확률이 거의 일정한 반면, 주파수가 높아질수록 높은 레벨에서의 데이터 출현확률은 급격히 떨어진다. 효율적인 압축을 위해서는 반드시 영상 데이터를 여러 개의 주파수 성분으로 분리해야 하며, 이 상태에서 비로소 고역부분의 스펙트럼에 대해서 압축할 수 있다.

  11. 오디오 압축의 발전 • 음성(Voice) 압축 : 1972년   64kbps   PCM (Pulse Code Modulation)    : 1974년   32kbps   ADPCM (Adaptive Differential PCM)    : 1992년   16kbps   LDCELP (Low Delay Code Excited Linear Prediction) • 음향(Audio) 압축 : 1984년   오디오 부호화 : 1992년   MPEG-1 (Audio Layer 1, 2, 3)    : 1994년   MPEG-2 Audio (5.1CH 할당, 음성다중 사용 가능)

  12. 영상 압축의 발전 • 정지영상 : FAX (Group 3, 4)    : 1992   JPEG (Color 이미지 전송용) • 동영상 : 1984   영상을 PCM으로 전송 : 1992   H.261 영상 전화기술 등장 : 1992   MPEG-1 비디오(CD 디자인 1.44Mbps)    : 1994   MPEG-2 비디오(H.262) • 영상정보의 특성 - Redundancy가 크다  압축 가능 - Correlation이 크다  예측 가능 - 손실허용 가능(data 통신과 비교 시) - 대역폭이 넓다(6MHz) 압축 필히 필요 - Low Level에 Energy 집중  비직선 양자화 필요  ☞ H.261 is a 1990 ITU-T video coding standard originally designed for transmission over ISDN lines on which data rates are multiples of 64 kbit/s. ☞ H.262 is an ITU-T digital video coding standard.

  13. PCM / DPCM / ADPCM • PCM (Pulse Code Modulation) : 표본화 후 양자화하는 것 • DPCM (Differential PCM) : 앞의 표본 값과의 차이 값만을 저장하는 방식 • ADPCM (Adaptive Differential PCM) : 차이가 많이 나는 부분은 큰 비트 수를, 차이가 적게 나는 부분은 작은 비트 수를 할당하는 방식

  14. 2. 음성신호 압축

  15. 음성의 디지털 Coding 방식의 비교

  16. PCM • PCM : Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조 • 연속적으로 변화하는 아날로그 신호(영상, 음성)를 이산적인(discrete) 디지털 부호로 변환하기 위한 기술 • 1937년 프랑스의 A. H. Reeves에 의해 발표된 전송신호의 변조방법에 관한 이론

  17. PCM 원리: PCM 의 개념도

  18. analog신호를 digital신호로 만드는 과정 • 표본화 (Sampling) • 일정한 간격으로 아날로그 신호의 값을 추출하는 과정 • 양자화 (Quantization) • 추출한 신호의 레벨을 몇 단계로 나타내는 과정 • 부호화 (Coding) • 각 레벨에 속한 값을 이진수로 변환하는 과정

  19. 표본화(Sampling) • 샘플링 주기(sampling period) • 샘플링하는 시간 간격 • 단위 : 초 • 샘플링 주파수, 샘플링율(sampling frequency, sampling rate) • 1초동안 샘플링 횟수 • 단위 : Hz, samples/s • 예 • 샘플링 주기=1ms • 샘플링율=1000Hz 샘플링 주기

  20. 샘플링 주파수(주기)는 얼마가 적당할까? 샘플링을 많이 하면 아날로그 신호와의 일치성은 커지나, 대신에 디지털 데이터의 양이 늘어난다. 일반적으로 샘플링을 N배로 늘리면, 데이터의 양도 N배로 늘어난다.

  21. 샘플링 주파수의 기준 샘플링 주파수 ≥ 2ⅹ(아날로그 신호의 최고 주파수) • 샘플링 정리 • 샘플링 주파수는 아날로그 신호의 최고 주파수의 2배 이상으로 해야 원래의 아날로그 신호를 그대로 복원할 수 있다. (용 어) • Nyquist Rate(나이퀴스트 율) = 2fMAX • Nyquist Frequency(나이퀴스트 주파수) = fMAX

  22. 샘플링 율과 소리

  23. 오디오에서 사용하는 샘플링 주파수

  24. 양자화(Quantization)와 부호화 111110010001 • 양자화와 부호화 • 샘플링된 값을 구간별로 구분하고, 각 구간의 대표값으로 치환 • 각 구간별로 이진 부호를 할당하고 각 샘플을 이진 부호로 변환 • (예) 4레벨 양자화

  25. 양자화 레벨과 부호의 비트수 1비트 2비트 3비트

  26. 양자화 레벨과 품질 양자화 레벨이 커질수록… • 오차가 줄어든다.(품질향상) • 비트수가 늘어난다.(회로복잡, 전송속도증가, 용량증가)

  27. 양자화 레벨과 소리 샘플링 율은 44100Hz로 고정, 약 6초

  28. D/A변환

  29. 디지털 데이터의 양과 음질 • bps = 표본화 주파수 양자화 비트 채널수 • 데이터 양(bps : bit per second  1초당 비트 수) • (예) 음악 CD의 경우 • 44100162 = 1,411,200 bps  1.4Mbps • 기타

  30. PCM의 기본 구성

  31. D/A 변환기 구성도

  32. PCM 과정(analog → digital → analog)

  33. PCM 송수신 신호처리 계통도

  34. 필터링(Filtering)

  35. 표본화 • 표본화(sampling): 연속적인 파형을 일정 주기의 펄스 진폭으로 대표시키는 PAM (Pulse Amplitude Modulation) 조작 • 표본화 정리: Exact reconstruction of a continuous-time baseband signal from its samples is possible if the signal is bandlimited and the sampling frequency is greater than twice the signal bandwidth. fs ≥ 2fm Ts ≤ (1/2fm) • 표본화 잡음 : 송신기 여파기(wave filter)의 고주파 차단 특성이 불량하여 표본화 주파수의 ½ 이상이 송신 게이트로 들어와 발생하는 잡음

  36. 표본화 주파수 및 주기의 비교

  37. 양자화 • 양자화(quantization) : 연속적인 진폭값을 유한한 수의 진폭값에 대응시킨 것(PAM의 진폭을 디지털량으로 변화시키기 위한 계단 모양의 근사값), 즉 연속적으로 변화하는 어떤 값을 불연속적인 대표값으로 나타내는 것 • 양자화 잡음(quantization noise) NQ = Q(양자화 파형) – S(원파형) • 양자화 잡음비(S/NQ : Signal to quantizing noise ratio) 개선  양자화 step 수를 2배 할 때마다 S/NQ 는 6dB씩 개선

  38. 양자화 잡음 원 신호(S)와 양자화 파형(Q)과의 사이에 존재하는 차이를 양자화 잡음(Quantization Noise)이라 한다.

  39. 양자화

  40. 압축, 신장(Compression, Expansion) - 선형(균일) 양자화 : 특성의 스텝폭이 전 입력 신호 레벨에 대해서 동일한 스텝 크기로 양자화한 것. 압축기 사용 후 직선 양자화 부호화(등가적 비직선 양자화 PCM 방식 적용) - 비선형 양자화: 양자화, 부호화를 하는 부호기 자체의 비직선성 이용. 작은 진폭에 대해서는 작은 스텝으로 근사시키고, 큰 진폭에 대하여는 큰 스텝으로 양자화한 것

  41. 압·신 특성과 비직선 양자화의 방식

  42. 부호화 • Coding, Encoding • 양자화에 의해 얻어진 불연속값을 펄스 부호로 대응시키는 조작 • A/D 변환기에는 병렬과 직렬의 두 방식이 있는데, 디지털 통신에는 직렬부호 펄스가 필요하다.

  43. 3. 영상신호 압축 • 데이터 압축의 기법 : 무손실 기법, 손실 기법 • 무손실 압축 - Run Length 부호화 - Huffman 부호화 - Lempel-Ziv 부호화 • 손실 압축 - DCT 변환 - 양자화 기법 - 예측 기법 : PCM, DPCM, ADPCM

  44. 데이터 압축의 기법 • 무손실(lossless) 기법 : 가역 압축 - 무손실 기법을 사용하여 압축한 결과를 복원할 경우 원래의 데이터를 그대로 재현할 수 있다. - 무손실 기법을 사용할 경우 일반적인 사진에서는 2:1 또는 3:1 이상의 압축효과를 얻기 어렵다. - 엑스레이 사진과 같이 점 하나가 갖는 의미가 중요한 경우에는 무손실 기법을 사용한다. - WinZip • 손실(lossy) 기법 : 비가역 압축 - 손실기법을 사용할 경우에는 무손실 기법 이상의 압축효과를 얻을 수 있다. - 사진을 사용하는 대부분의 응용분야에는 데이터의 크기를 줄이는 것이 더 중요하며 따라서 손실기법이 더 널리 사용된다. - JPEG, MPEG

  45. 압축 기법의 분류

  46. 무손실 압축 • Run Length 부호화 • Huffman 부호화 • Lempel-Ziv 부호화

  47. Run Length (RL) 부호화 AAAABBBBBCCCCCCCCDEEEE 4A5B8C1D4E 22 byte  10 byte (압축률 = 22/10 = 2.2) Run Length 부호화 반복되어 나타나는 블록(run) 정보들을 그 반복 횟수(length)로 표현하는 부호화

  48. Huffman 부호화 • 각 단위 정보를 표현하는 비트 수를 단위 정보들의 출현 빈도를 기반으로 할당하는 것 • 빈도가 높은 정보는 적은 비트 수를 사용하여 표현하고, 빈도가 낮은 정보는 비트 수를 많이 사용하여 표현함으로써 전체 데이터의 표현에 필요한 비트의 양을 줄일 수 있다.

  49. Lempel-Ziv (LZ) 부호화의 개념 • 텍스트 데이터에서 단위 정보를 한 개의 글자 대신 한 개의 어구로 설정 • 동일한 어구가 반복적으로 나타나는 경우 맨 처음 그 어구가 나타난 문서상의 • 위치 정보를 이용하여 그 이후에 나타난 어구들을 부호화

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