목차 1. 개요 3 2. H.264의개발 3 3. 영상압축작동방법 4 4. H.264 프로파일과레벨 5 5. 프래임의이해 5 6. 데이터를줄이는기본적인방법 6 7. H.264의효율성 7 8. 결론 9

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현섭 진
7 years ago
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1 백서 H.264 영상압축표준영상감시분야의새로운가능성

2 목차 1. 개요 3 2. H.264의개발 3 3. 영상압축작동방법 4 4. H.264 프로파일과레벨 5 5. 프래임의이해 5 6. 데이터를줄이는기본적인방법 6 7. H.264의효율성 7 8. 결론 9

3 1. 개요 최신비디오압축표준인 H.264(MPEG-4 Part 10/ 고급형비디오코딩용 AVC 라고도함 ) 는미래의비디오표준이될것으로보입니다. H.264 는현재가용한가장효율적인비디오압축기술을지원하는승인된개방형표준입니다. H.264 인코더는 Motion JPEG 포맷과 MPEG-4 Part 2 표준과비교했을때화질의손상없이각각 80% 와 50% 이상으로디지털비디오파일사이즈를줄일수있습니다. 이는비디오파일에훨씬적은네트워크대역폭과저장공간이요구된다는것을의미합니다. 혹은다른관점에서보면일정한비트율에서훨씬높은화질을달성할수있습니다. 통신업계와 IT 업계의표준화기관들에의해공동으로정의된 H.264 는기존의표준들보다더욱광범위하게채택될것으로예상됩니다. H.264 는이미휴대전화기와디지털비디오재생기등새로운전자장치에도입되어있으며, 실수요자들로부터이미빠른호평을받고있습니다. 온라인비디오저장이나통신회사와같은서비스제공업체들또한 H.264 를채택하기시작하고있습니다. 영상감시업계에서는 H.264 가초당 30 (NTSC) 프레임전송구현으로고속도로, 공항및카지노의감시와같이높은프레임속도와고화질에대한요구가있는어플리케이션에서가장빠른영향력을찾을것으로보입니다. 이는대역폭감소와경제적인저장공간으로인하여가장높은비용절감효과를제공해줄수있습니다. H.264 는또한효율성높은압축기술이화질을손상시키지않고큰파일사이즈와비트속도를줄일수있기때문에메가픽셀카메라의채택을가속화시킬것으로보입니다. 하지만, 여기에는조건이있습니다. H.264 가네트워크대역폭과저장비용에서절약을제공하는한편, 높은성능의네트워크카메라및감시스테이션이요구됩니다. 2. H.264 의개발 H.264 는 ITU-T s 비디오코딩전문가그룹과 ISO/IEC 동영상전문가그룹 (MPEG) 의공동프로젝트성과물입니다. ITU-T 는국제통신연합 (ITU) 을대신하여통신표준을조정하는부문입니다. 국제표준화기구 ISO 표준과국제전기위원회 IEC 표준은모든전기, 전자및관련기술들에대한표준을관장합니다. H.264 는 ITU-T 가사용하는명칭인반면에 ISO/IEC 는이를 MPEG-4 Part 10/AVC 로명명하였는데그이유는이것이이기관의 MPEG-4 의새로운부분으로제시되었기때문입니다. 예를들어 MPEG-4 는 MPEG-4 Part 2 를포함하고있는데이것은 IP 기반비디오인코더와네트워크카메라들이사용하는표준입니다. 이전의비디오압축표준들에서의여러가지단점들을해결하기위해설계된 H.264 는다음사항들을지원하기위한목적들을함께갖고있습니다. > 다른비디오표준과비교하여일정한화질에서평균 50% 의비트율감소를가져오는구현 > 다양한네트워크를통한전송오류에견디는오류견고성 > 낮은지연능력및높은지연에서의양호한화질 > 구현을단순화하는수월한구문 (syntax) 규격 > 정확한대응식디코딩은오류누적방지를위하여인코더와디코더에서이루어지는수치계산방법을정확하게정의함. H.264 는또한다양한수준의비트율이요구되는범위한어플리케이션에유연한기술입니다. 예를들면, 방송, 위성, 케이블및 DVD 를포함하는오락비디오어플리케이션에서 H.264 는높은지연을갖는 1 ~ 10 Mbit/s 의성능을발휘할수있는반면에, 통신서비스에서는 H.264 가낮은 1 Mbit/s 이하의비트율을전송할수있습니다 3

4 3. 영상압측작동방법 비디오압축은디지털비디오파일이효율적으로전송되고저장될수있도록중복된비디오데이터를줄이고제거하는것입니다. 프로세스에는소스비디오에알고리즘을적용하여즉시전송과저장이가능한압축파일을생성하는과정이포함됩니다. 압축된파일을재생하기위해서는역알고리즘을적용하여원본비디오와실질적으로동일한내용을보여주는비디오를생성합니다. 파일을압축, 전송, 해제및디스플레이하는데소요되는시간을응답속도라합니다. 주어진동일한프로세싱능력에서는압축알고리즘이고도화될수록응답속도가높아집니다. 이를함께작동시키는알고리즘쌍을비디오코덱 ( 인코더 / 디코더 ) 이라고합니다. 상이한표준을구현하는비디오코덱들은보통서로호환되지않습니다. 다시말하면, 하나의표준을사용하여압축된비디오내용은다른표준으로는압축을해제시킬수없습니다. 예를들면, MPEG-4 Part 2 디코더는 H.264 인코더하고작동하지않습니다. 이는단지하나의알고리즘이다른알고리즘으로부터의출력을정확히해독할수없기때문입니다. 하지만, 동일한소프트웨어나하드웨어에상이한많은알고리즘들을구현하는것은가능하며그렇게되면다수의포맷을압축시킬수있을것입니다. 상이한비디오압축표준들은데이터를줄이기위해각기다른방법을사용하며, 그로인하여비트율, 품질및응답속도가달라집니다. 동일한압축표준을사용하는인코더의결과또한달라질수있는데, 이는인코더설계자가표준이정의하는상이한도구세트구현을선택할수있기때문입니다. 인코더의출력이표준의포맷과디코더를따르기만한다면상이하게구현하는것이가능합니다. 이것은다양한구현이다양한목적과예산을갖고있기때문에장점이됩니다. 광매체를마스터링하기위한전문형비실시간소프트웨어인코더들은휴대용장치에통합되어있는화상회의용실시간하드웨어인코더보다잘부호화된비디오를전송하는옵션을가져야합니다. 따라서, 정해진표준은일정한비트율이나품질을보장할수없습니다. 뿐만아니라, 구현되는방법을먼저정의하지않고는표준의성능을다른표준, 혹은동일한표준의다른구현과정확히비교하는것은불가능합니다. 디코더는인코더와달리유연한비트스트림을해독하기위하여표준에서요구되는모든부분들을구현해야합니다. 이것은표준이압축해제알고리즘은압축된비디오의모든비트를복원해야한다고엄격하게규정하기때문입니다. 아래의그래프는 Motion JPEG, MPEG-4 Part 2 ( 움직임보상없음 ), MPEG-4 Part 2 ( 움직임보상구비 ) 및 H.264 ( 기본구성 ) 의표준중에서주어진동일한화질수준에서의비트율을나타내고있습니다. Doorway scene H.264 (Baseline profile) MPEG-4 Part 2 (No motion compensation) MPEG-4 Part 2 (With motion compensation) 7,000 Motion JPEG 6,000 5,000 Bit rate (kbit/s) 4,000 3,000 2,000 1, Time (s) Figure 1. H.264 동일한연속비디오에서 MPEG-4 표준보다최대 50% 적인비트를생성했다. H.264 인코더는모션보상이없는 MPEG-4 인코더보다최소한 3배효율적이었으며 Motion JPEG보다는적어도 6배효율적이었습니다. 4

5 4. H.264 프로파일과레벨 H.264 를정의하는데참여한공동그룹은옵션과특성을최소로제한하여단순하고결점이없는솔루션을생성하는데중점을두었습니다. 다른비디오표준과같이표준의중요한측면은프로파일 ( 알고리즘기능세트 ) 과레벨 ( 성능등급 ) 에서평이한생산과일반적인포맷을최적으로지원하는능력을제공하는것입니다. H.264 는 7 개의프로파일을갖고있는데각각은특정한등급의어플리케이션을목표로하고있습니다. 각프로파일은인코더가사용할수있는기능들을정의하고디코더의구현복잡성을제한합니다. 네트워크카메라와비디오인코더는기본프로파일이라고부르는프로파일을사용할가능성이큰데, 이것은주로제한된계산자원을갖는어플리케이션을위한것입니다. 기본프로파일은네트워크비디오제품에내장되어있는실시간인코더의가용한성능에가장적합합니다. 이프로파일은또한낮은지연을가능케하는데, 이는감시비디오의가장중요한요구사항이며 PTZ 네트워크카메라에서실시간팬 / 틸트 / 줌 (PTZ) 을가능케하는데있어서특별히중요합니다. H.264 는성능, 대역폭및메모리요구사항을제한하는 11 레벨또는등급의기능을갖고있습니다. 각레벨은 QCIF 에서 HDTV 및그이상에이르는범위의해상도에대해서비트율과초당매크로블록의인코딩율을정의합니다. 해상도가높을수록높은레벨이요구됩니다. 5. 프래임의이해 H.264 프로파일에따라서인코더는 I- 프레임, P- 프레임및 B- 프레임과같은상이한프레임종류를사용할수있습니다. I- 프레임즉, 인트라프레임 (Intra Frame) 은다른이미지를참조하지않고독립적으로해독이가능한독립형프레임입니다. 비디오순서열에있는첫번째프레임은항상 I- 프레임입니다. I- 프레임은새로운뷰어를위해혹은전송된비트스트림이손상된경우재동기화지점의시작점으로서필요합니다. I- 프레임은빨리감기, 되감기및기타무작위재생기능을구현하는데사용될수있습니다. 인코더는정규적인간격으로자동적으로혹은새로운클라이언트가스트림시청에참여할것으로예상되는경우에요구에의해 I- 프레임을삽입합니다. I- 프레임의결점은상당히많은비트를소모한다는것이지만한편으로이것들은많은인조물을생성하지는않습니다. P- 프레임은프레임사이의예측 (Predictive) 을의미하는것으로서이전의 I 프레임및 P- 프레임을참조하여프레임을부호화합니다. P- 프레임은보통 I- 프레임보다적은비트를요구하지만, 이전의 P- 프레임과 I- 프레임에대한복잡한의존성으로인하여전송오류에아주민감하다는단점을갖고있습니다. B- 프레임, 즉양측예측인터프레임 (Bi-predictive Inter Frame) 은이전의참조프레임과이후의프레임모두를참조하는프레임입니다. I B B P B B P B B I B B P Figure 2. I- 프레임, B- 프레임및 P- 프레임의일반적인순서. P- 프레임은이전의 I- 프레임또는 P- 프레임을참조할수있는반면에 B- 프레임은이전및후속 I- 프레임이나 P- 프레임모두를참조할수있습니다. 5

비디오디코더가프레임별로비트스트림을해독하여비디오를복원할때, 해독은항상 I- 프레임으로시작해야합니다. P- 프레임과 B- 프레임은사용될경우에참조프레임과함께해독되어야합니다. H.264 기본프로파일에서는, I- 프레임과 P- 프레임만이사용됩니다. 이프로파일은 B- 프레임이사용되지않아지연이낮기때문에네트워크카메라와비디오인코더에이상적입니다. 6.

6 비디오디코더가프레임별로비트스트림을해독하여비디오를복원할때, 해독은항상 I- 프레임으로시작해야합니다. P- 프레임과 B- 프레임은사용될경우에참조프레임과함께해독되어야합니다. H.264 기본프로파일에서는, I- 프레임과 P- 프레임만이사용됩니다. 이프로파일은 B- 프레임이사용되지않아지연이낮기때문에네트워크카메라와비디오인코더에이상적입니다. 6. 데이터를줄이는기본적인방법 다양한방법을사용하여이미지프레임내부와일련의프레임사이에서비디오데이터를줄일수있습니다. 이미지프레임내부에서는불필요한정보를제거함으로써간단히데이터를줄일수있는데이는이미지해상도에영향을줍니다. 일련의프레임에서비디오데이터는차등코딩과같은방법으로비디오데이터를줄일수있는데, 이것은 H.264 와같은대부분의비디오압축표준에서사용됩니다. 차등코딩에서프레임은참조프레임 ( 즉, 이전의 I- 프레임또는 P- 프레임 ) 과비교되며참조프레임과관련하여변경된픽셀들만부호화됩니다. 이방법에서는부호화되고전송되는픽셀값의개수가감소됩니다 Figure 3. Motion JPEG 포맷을사용하면위의순서에서 3 개이미지들은서로종속성을갖지않는별도의고유이미지 (I- 프레임 ) 으로부호화되어전송됩니다. Figure 4. 차등코딩 (H.264 를비롯한대부분의비디오압축표준에사용됨 ) 을사용하면첫번째이미지 (I- 프레임 ) 만온전하게부호화됩니다. 다음이미지 (P- 프레임 ) 에서는, 정적요소 ( 즉, 집 ) 에대해첫번째그림에대한참조가이루어지고, 움직이는부분, 즉달리는사람은모션벡터를사용하여부호화되기때문에전송되고저장되는정보량이줄어듭니다 해독양은차이의검출과인코딩이개별픽셀이아니라픽셀블록 ( 매크로블록 ) 을기반으로하는경우에한층더줄일수있습니다. 따라서, 큰구역이서로비교되며상당히차이가있는블록들만부호화됩니다. 변화되는구역의위치를나타내는것과관련된오버헤드역시감소됩니다. 그러나차등코딩은비디오에움직임이많은경우에는데이터를많이줄이지않습니다. 여기서는블록기반모션보상과같은기법을사용할수있습니다. 블록기반모션보상은비디오순서에서새로운프레임을 6

만들어내는대부분을이전프레임에서발견할있고위치만다를것이라는점을고려합니다. 이기법은프레임을일련의매크로블록으로분할합니다. 블록별로새로운프레임, 이를테면 P- 프레임을구성하거나참조프레임에서일치하는블록을찾아 예측 할수있습니다. 일치하는블록이발견되면인코더는단순히참조프레임에서일치하는블록이발견된위치를부호화합니다.

7 만들어내는대부분을이전프레임에서발견할있고위치만다를것이라는점을고려합니다. 이기법은프레임을일련의매크로블록으로분할합니다. 블록별로새로운프레임, 이를테면 P- 프레임을구성하거나참조프레임에서일치하는블록을찾아 예측 할수있습니다. 일치하는블록이발견되면인코더는단순히참조프레임에서일치하는블록이발견된위치를부호화합니다. 모션벡터코딩은말그대로블록의실제내용을부호화하는것보다적은비트를차지합니다. Search window Matching block Motion vector Target block Earlier reference frame P-frame Figure 5. 블록을기반으로한모션보상을설명하는그림 7. H.264 의효율성 H.264 는비디오압축기술을새로운차원으로보내줍니다. H.264 에서는 I- 프레임인코딩을위하여새로운첨단예측방식이도입됩니다. 이방식은 I- 프레임의비트사이즈를상당히줄일수있으며, 프레임의각매크로블록안에있는더작은픽셀블록들을연속적으로예측할수있게함으로써높은품질을유지할수있습니다. 이것은인트라코딩대상인새로운 4x4 픽셀블록에인접하는이전에부호화된픽셀들을찾으려고시도함으로써이루어집니다. 이미부호화된픽셀값을재사용함으로써비트사이즈를극적으로줄일수있습니다. 새로운인트라예측은대단히효율적인것으로입증된 H.264 기술의핵심부분입니다. 비교를해보자면 H.264 스트림에 I- 프레임만사용되었을경우 I- 프레임만을사용하는 Motion JPEG 스트림보다상당히작은파일크기를갖게될것입니다. 이모드에서는위의블록으로부터하단의 4 개픽셀이인트라코딩매크로블록으로수직으로복사됩니다. 이모드에서는왼쪽블록으로부터맨오른쪽의 4 개픽셀이인트라코딩매크로블록으로수평으로복사됩니다. 이모드에서는위의블록으로부터하단의 8 개픽셀이인트라코딩매크로블록으로대각선으로복사됩니다. Figure 6. 매크로블록을형성하는 16개블록중하나안에 4x4 픽셀을부호화하는데있어서인트라예측이취할수있는몇가지모드의도해. 매크로블록의 16개블록각각에대해상이한모드를사용하여부호화할수있습니다. 7

264 에서향상되었습니다. H.264 인코더는하나또는다수의참조프레임에서몇개혹은다수의구역에있는정합블록을픽셀이하단위의정밀도로검색할수있습니다. 블록의크기와모양을조정하여정합을향상시킬수있습니다.

8 원본이미지 인트라예측이미지 잔류이미지 출력이미지 Figure 7. 위의이미지는 H.264의인트라예측방식의효율성을도해하고있습니다. 이에따라면인트라예측이미지는 무료 로전송됩니다. 출력이미지를생성하려면잔류내용과인트라예측모드만을부호화하면됩니다. P- 프레임과 B- 프레임에사용되는블록기반모션보상역시 H.264 에서향상되었습니다. H.264 인코더는하나또는다수의참조프레임에서몇개혹은다수의구역에있는정합블록을픽셀이하단위의정밀도로검색할수있습니다. 블록의크기와모양을조정하여정합을향상시킬수있습니다. 참조프레임에서정합블록을찾을수없는구역에서는인트라코드매크로블록이사용되지않습니다. H.264 의블록기반모션보상이갖는고도의유연성은까다로운어플리케이션을위해품질을유지할수있는혼잡한감시장면에서진가를나타냅니다. 모션보상은비디오인코더의가장까다로운측면이며, H.264 로구현할수있는다양한방법과정도는비디오를효율적으로압축하는방법에영향을줄수있습니다. 8

전형적인블록모양인조물 (H.264 이외의 Motion JPEG 및 MPEG 표준을사용하여높은비율로압축된비디오에나타남 ) 은 H.264 을통해인루프블록제거필터를사용하여상당히줄일수있습니다. 이필터는적응형신호강도를사용하여블록모서리를유연하게함으로써가장완벽하게해독된비디오를전송합니다. Figure 8.

9 전형적인블록모양인조물 (H.264 이외의 Motion JPEG 및 MPEG 표준을사용하여높은비율로압축된비디오에나타남 ) 은 H.264 을통해인루프블록제거필터를사용하여상당히줄일수있습니다. 이필터는적응형신호강도를사용하여블록모서리를유연하게함으로써가장완벽하게해독된비디오를전송합니다. Figure 8. 왼쪽이미지에서고도로압축된이미지에있는블록모양인조물은오른쪽이미지와같이블록제거필터를적용하면줄어듭니다. 8. 결론 H.264 는비디오압축기술에있어서장족의발전을보여줍니다. 이것은더욱정확한예측능력뿐만아니라향상된오류복구기능으로인하여더욱좋은압축효율을가능케하는기법들을제공합니다. 이것은일정한비트율에서높은품질의비디오스트림, 높은프레임속도및높은해상도를가능케하거나반대로낮은비트율에서동일한품질의비디오를가능케하는더욱좋은비디오인코더창조를위한새로운가능성을제공합니다. H.264 는 ITU, ISO 및 IEC 가비디오압축을위한공통국제표준에공조한최초의사례를의미합니다. 이것이갖는유연성으로인하여 H.264 는고화질 TV, 온라인비디오스토리지 ( 예 : YouTube), 제 3 세대휴대전화기를비롯한고화질 DVD( 예 : Blu-ray), 디지털비디오방송과같은다양한영역과 QuickTime, Flash 및애플컴퓨터사의 MacOS X 운영체제와같은소프트웨어, 그리고 PlayStation 3 과같은가정용비디오게임콘솔에적용되고있습니다. 여러업계의지원과일반소비자및전문가용어플리케이션덕분에 H.264 는오늘날사용되는다른압축표준과방법들을교체할것으로예상됩니다. H.264 포맷은네트워크카메라에서보다광범위하게가용하게될것이기때문에, 시스템설계자들과통합사업자들은그들이선택하는제품및판매자가이러한새로운개방형표준을지원하고있는지확인해야합니다. 또한, 당분간 H.264 와 Motion JPEG 을지원하는네트워크비디오제품은최대의유연성과통합가능성에이상적입니다. 9

10 /KR/R1/0803 엑시스커뮤니케이션즈에관하여엑시스는네트워크비디오솔루션을제공하는 IT 회사입 니다. 네트워크기반의영상감시분야에서세계시장을선도하고있으며, 아날로그에서디지털감시시스템으로전환을주도하고있습니다. 엑시스의제품들과솔루션들은보안감시시스템및원격모니터링에집중하고있으며혁신적이고공개적인기술플랫폼에기반을두고있습니다. 스웨덴에본사를두고있으며, 전세계 20 여개의지사를포함, 70 여개국의사업파트너들과협력하여경영하고있습니다. 1984년에설립된엑시스는현재 OMX Nordic Exchange 에상장되어있습니다. 엑시스에대한좀더자세한정보는 Axis Communications AB. AXIS COMMUNICATIONS, AXIS, ETRAX, ARTPEC, VAPIX 는관련법규에따른 Axis AB 의등록상표또는상표어플리케이션입니다. 모든회사명과제품들은해당회사의상표이거나등록상표이므로엑시스의동의없는무단상표변경을금합니다.

경우 1) 80GB( 원본 ) => 2TB( 복사본 ), 원본 80GB 는 MBR 로디스크초기화하고 NTFS 로포맷한경우 복사본 HDD 도 MBR 로디스크초기화되고 80GB 만큼포맷되고나머지영역 (80GB~ 나머지부분 ) 은할당되지않음 으로나온다. A. Window P

경우 1) 80GB( 원본 ) => 2TB( 복사본 ), 원본 80GB 는 MBR 로디스크초기화하고 NTFS 로포맷한경우 복사본 HDD 도 MBR 로디스크초기화되고 80GB 만큼포맷되고나머지영역 (80GB~ 나머지부분 ) 은할당되지않음 으로나온다. A. Window P Duplicator 는기본적으로원본하드디스크를빠르게복사본하드디스크에복사하는기능을하는것입니다.. 복사본 하드디스크가원본하드디스크와똑같게하는것을목적으로하는것이어서저용량에서고용량으로복사시몇 가지문제점이발생할수있습니다. 하드디스크는사용하려면, 디스크초기화를한후에포맷을해야사용가능합니다. Windows PC는 MBR과 GPT 2 개중에 1개로초기화합니다. -Windows