주간기술동향 2012. 3. 14. 스마트 TV 비디오전송기술 * 김태정 ETRI 스마트 TV 미디어연구팀연구원 taejungkim@etri.re.kr 김창기, 유정주, 정영호, 홍진우 ETRI 차세대스마트 TV 연구단 1. 서론 2. 스케일러블비디오부호화 3. 비디오전송기술 4. 결론 1. 서론스마트 TV 는디지털 TV 에운영체계 (OS) 와인터넷기능을탑재하여방송뿐만아니라, VOD ㆍ게임ㆍ검색등인터넷그리고방통융합또는지능형서비스등다양한콘텐츠를이용자환경에서편리하게이용할수있는 TV 이다. TV 에인터넷을결합한새로운미디어로써다양한애플리케이션프로그램을다운받아컴퓨팅파워로사용자가원하는대로 TV 를이용할수있다. 또한사용자의능동적선택권을강화하여프로슈머로서콘텐츠와애플리케이션공급과소비를동시에가능하도록하며, 방송과인터넷을비롯하여멀티미디어- 융합- 홈솔루션서비스제공이가능한차세대디지털매체이다. 한편스마트 TV 는기존 TV, 디지털케이블 TV(Digital Cable Television: DCATV) 그리고 IPTV(Internet Protocol TV) 와달리스마트폰과같이앱스토어를중심으로다양한애플리케이션이용이가능하며, 향후홈미디어의중심매체로부각될전망이다. 스마트 TV 는개방형 IPTV, DCATV 와달리다양한스트리밍과주문형방송, 애플리케이션활용도에서강점을지니고있다. 스마트 TV 의가장큰특징은 PC 와같이탑재된 OS 를기반으로웹브라우저를통해 PC 와유사하게사용가능하고, 애플리케이션을자유롭게이용할수있다. 또한개방형네트워크를통해접속되어인터넷상의수많은웹콘텐 * 본연구는방송통신위원회의 ETRI 연구개발지원사업의일환으로수행되었음 [11921-03001, Beyond 스마트 TV 기술개발 ] ** 본내용과관련된사항은 ETRI 스마트 TV 미디어연구팀김태정연구원 (042-860-6452) 에게문의하시기바랍니다. *** 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 14 www.nipa.kr
츠를웹브라우저나애플리케이션을통해이용할수있다. 즉, 스마트 TV 는 TV 와인터넷을연동시켜다양한방통융합서비스를제공하고, TV 를보면서영상전화, 트위터혹은페이스북을통해대화할수있으며댁내홈기기간제어가가능하다. 애플은아이팟, 아이폰, 아이패드, 매킨토시 PC 그리고 itv 까지다양한스크린을갖추고, MobileMe 라고하는클라우드서비스를활용하여 N-스크린서비스가가능하도록모든스크린상에서동기화하는기술을개발하였다. 한편구글은클라우드컴퓨팅을통해서개인이웹에서콘텐츠를내려받은뒤 TV, 핸드폰, 모바일단말기등어떤디바이스를통해콘텐츠를공유하는 N-스크린기술을완성하였다. 구글 TV 는개방형 OS 인안드로이드를탑재시켜플랫폼활용을확대하고, 웹에서의콘텐츠강점을 TV 로확대시키고있다. 또한안드로이드로이미개발된앱을 TV 로확대함으로써 TV 용신규앱을개발할수있도록하고있다. 소니는구글 TV 와함께다양한메이저영화제작업체의영화를실시간시청할수있는프리미엄스트리밍비디오서비스큐리오시티 VOD 을제공한다. 구글 TV 는인터넷에기반하여애플리케이션을자유롭게설치이용하고원하는동영상콘텐츠를소비할수있도록한다. 애플의스트리밍방식은 HTTP 라이브스트리밍을지원하여인터넷을기반으로하되콘텐츠사업자와의적극적제휴에주안점을두고아이튠즈를통해콘텐츠를소비하게한다. LG 스마트 TV 의스트리밍방식은 HTTP/RTMP/RTMP-e 를사용하며, 삼성전자의스마트 TV 는네트워크트래픽과자원의상황에따라비디오서비스가끊김없이대역폭에적응적으로동작되도록스트리밍을제어하기위해 HTTP 적응적스트리밍및 HTTP 라이브스트리밍을지원하며스트리밍프로토콜로써 HTTP/HTTPS/MMS 와 RTMP/ RTMPe 을사용한다. 스마트 TV 는 TV 방송산업계의에코시스템에커다란변화를주고있으며, 하드웨어중심의산업구조에서콘텐츠와플랫폼의비중이확대되어콘텐츠 -플랫폼 -단말기 -네트워크에걸친에코시스템의유기적연결구조가요구되고있다. 본고는스마트 TV 의비디오전송기술동향을소개함에있어 2 절에서는 OSMU(One Source Multi Use) 서비스제공을위한비디오부호화방식으로써스케일러블비디오부호화를고찰한다. 이어 3 절에서는 MPEG-2 TS(Transport Stream) 와 RTP(Real-time Transport Protocol) 에대한종래의비디오전송기술과함께 MPEG 에서이슈가되고있는 DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) 와 MMT(MPEG Media Transport) 정보통신산업진흥원 15
주간기술동향 2012. 3. 14. 등비디오전송기술동향을살펴본다. 마지막으로스마트 TV 비디오전송기술의향후발 전방향에대해기술한다. 2. 스케일러블비디오부호화현대사회에들어서네트워크시스템의발전과다양한멀티미디어서비스의활성화에따른통합망의광대역화및통방융합인프라의등장으로디지털멀티미디어의생성, 전송및소비환경은빠르게변화하고있다. 특히소비자환경측면에서소비자의다양한단말과네트워크의상태에따라최적화질의콘텐츠를끊김없이제공하기위해서는기존의 MPEG2 또는 H.264/AVC 와같은단일계층부호화기술로는한계를나타냈다 [1],[2]. 이러한문제를해결하기위해스케일러블비디오코딩 (Scalable Video Coding: SVC) 기술이표준화되었다 [3]. 가. 스케일러블비디오부호화기술 ISO/IEC 의 MPEG(Moving Picture Coding Experts Group) 와 ITU-T VCEG(Video Coding Experts Group) 는공동연구를위한 JVT(Joint Video Team) 에서새로운비디오부호화표준으로 H.264/AVC 의확장인 SVC 에대한표준을완료하였으며 [4], 현재 AT- DMB, 화상회의그리고 IPTV 기술등과같은비디오서비스에서사용되고있다. ( 그림 1) SVC 의시간적, 공간적그리고화질적스케일러빌리티 16 www.nipa.kr
SVC 는 H.264/AVC 와상호호환성을제공하는기저계층 (base layer) 과공간적 (spatial), 시간적 (temporal) 그리고화질적 (quality) 향상영상을제공하는향상계층 (enhancement layer) 으로구성되어다양한스케일러빌리티를제공한다. 이러한세가지타입의스케일러빌리티는복합적으로 (combined) 구성되어다양한유무선네트워크환경에적합한최적의스케일러빌리티를지원할수있다. SVC 는 ( 그림 1) 과같이최대의화질, 프레임율및공간해상도를포함하는하나의비트스트림으로부터화질, 시간, 그리고공간영역에서서비스에필요한비트열추출 (extraction) 을통해세가지타입의조합에따른다양한스케일러빌리티를제공할수있다. 시간적스케일러빌리티는하나의기본계층과하나이상의향상계층으로구성되어상위계층은하위계층보다높은프레임율을갖는구조를말한다. 계층적 B- 픽처 (Hierachical B-picture) 구조로시간적스케일러빌리티를지원한다. 공간적스케일러빌리티는작은해상도에서큰해상도를지원하는다계층부호화구조를가진다. 각계층들은하위계층에서부호화된움직임정보, 잔여신호, 화소값을이용하여보다높은부호화성능을얻었다. 이러한새로운기술을계층간예측 (inter layer prediction) 이라고한다. 화질적스케일러빌리티는 CGS(Coarse Grain Scalability) 와 MGS(Medium Grain Scalability) 의두가지기술로지원한다. CGS 는공간스케일러빌리티와동일한구조에계층별로양자화계수만을다르게하여부호화하는방법이다. MGS 는기본계층을부호시에생기는잔여신호들을양자화간격을점차세밀하게줄여가며부호화하는방법이다. 나. 스케일러블비디오부호화표준화동향 H.264/AVC 기반의 SVC 의표준화가완료되고몇몇산업계에서는 SVC 를실제로활용하여소비자에게서비스하고있다. 그러나 SVC 는인프라구축과복잡도문제로인해많은분야에서응용되지못하고있다. 하지만최근에는 N-Screen 서비스도입과태블릿 PC, 고해상도 TV, 스마트폰의보편화로각단말에맞는다양한품질의콘테츠소비가크게증가하고, 이러한환경에적합한고품질의콘텐츠를제공하기위해서는단일계층부호화방식으로는한계가있다. 이러한기술적문제를해결하기위해 SVC 부호화방식이다시이슈가되고있다. 이러한시장의환경변화에대응하기위해 ISO/IEC MPEG 과 ITU-T 의 VCEG 이 JCT-VC 을결성하여 2010 년부터 HEVC(High efficiency video coding) 표준화를진행하 정보통신산업진흥원 17
주간기술동향 2012. 3. 14. 고있다 [5]. HEVC 의표준화진행과함께 2011 년 11 월스위스제네바회의에서는멀티스크린서비스의요구증대, 디지털비디오의고해상도서비스및고사양 3D TV 의비디오서비스증가에따른효율적인부호화방법으로 HEVC 기반 SVC 의필요성을제시하였다 [6]. 또한인터넷기반에서의효율적인고사양비디오서비스를위해 DASH 기술이표준화됨에따라서 [7] 복잡한인터넷기반에좀더효율적인 SVC 기반의 DASH 가논의되고있다 [8]. 이러한시장흐름에맞춰 ISO/IEC MPEG 과 ITU-T VCEG 에서는 HEVC 익스텐션이라는 Ad-Hoc 그룹을신설하여 HEVC 기반의 SVC 에대한표준화가진행되고있다 [9]. 3. 비디오전송기술방송분야에서의비디오전송기술은 MPEG2-TS 를기반으로운용되고있다. 하지만현대사회에서는다양한형태의비디오서비스를사용자가언제어디서든요구함에따라인터넷망을이용한비디오전송서비스가크게증가하여 RTP 기반의미디어전송이가능하게되었다. 그러나이러한기술들은광범위한사용자의요구사항을만족시키지못함으로써새로운전송기술을요구하게되었다. MPEG 에서는 IP 기반의고화질영상을심리스하게서비스하기위해 DASH 기술을표준화하였고, MPEG-2 TS 와 RTP 전송기술의단점을보완하여인터넷기반에서최적화된비디오서비스를제공하기위해 DASH 의차기단계인 MMT 전송기술을표준화하고있다. 가. MPEG-2 Transport Stream MPEG-2 TS 는오랫동안방송시장에서사용되고있는비디오및오디오전송에대한국제표준이다. MPEG-2 TS 는 ISO/IEC 표준 13818-1 에서정의하고있으며 [10], 이는북미의 ATSC 및유럽의 DVB 의서로다른지상파 TV 전송표준에서도모두사용하고있다. MPEG-2 TS 는기본적으로복수의프로그램을하나의비트열로다중화함으로써멀티미디어시대의디지털 TV 방송등에적합하다. MPEG-2 TS 시스템에서는다중화를위해 PES(Packetized Elementary Stream) 를정의하고, 하나의 PES 는비디오, 오디오코텍의출력으로구성되는 ES(Elementary Stream) 의조합으로이루어진다. 각각의 PES 는 PID (Packet ID) 로식별된다. 보통하나의채널프로그램은하나의비디오스트림과한두개의 18 www.nipa.kr
4 byte 184 byte Header Payload Header Payload Header Payload Header Payload Sync byte Transport Error indicator Payload unit start indicator Transport priority PID Transport scrambling control Adaptation field control Continuity counter 8 1 1 1 13 2 2 4 Adaption field Group OF Picture Picture Slice PES TS Packet Fixed Length: 188 Byte ( 그림 2) MPEG-2 TS 패킷헤더구조오디오스트림과부가데이터로구성되며, 수신기가특정한채널을디코딩하려면해당채널에연결된각비디오, 오디오및부가데이터의 PID 의페이로드를디코딩하여야한다. MPEG-2 TS 는 188 바이트의고정길이를가지며, 4 바이트의헤더와 184 바이트의페이로드로구성되어 ( 그림 2) 와같이정의된헤더비트와함께패킷화한다. 나. Real-time Transport Protocol RTP 는 IP 망에서실시간으로비디오, 오디오등의멀티미디어데이터를송수신하기위한응용계층의프로토콜이다. IETF 의 RFC(Request For Comment) 3550 에 RTCP (RTP Control Protocol) 와함께규정되어있다 [11]. RTP 가멀티미디어데이터를전송하기위한것이라고하면, RTCP 는주기적으로제어정보와 QoS(Quality of Service) 파라미터등을전송하기위해사용한다. RTP 는별개의독립계층으로구현되기보다는특정응용에서요구되는정보를제공하여프로토콜의처리가응용의처리과정으로통합될수있도록설계된다. RTP 는기존의프로토콜들과는달리응용의필요에따라헤더를변경하거나추가하여응용에맞는프로토콜이될수있도록하는일종의맞춤형프로토콜이다 [12]. 예를들면실시간방송, 스트리밍서비스, 화상서비스등의다양한응용에따른 RTP 페이로드포맷형식의규격들이존재하고, 이들규격들과 RTP 규격이혼합되어동작한다. 정보통신산업진흥원 19
주간기술동향 2012. 3. 14. DESCRIBE Media Player (Client RTSP) SETUP PLAY RTP media stream PAUSE Media Server (Server RTSP) TEARDOWN ( 그림 3) RTSP 동작흐름도한편 RTSP(Real Time Streaming Protocol) 는실시간데이터의전송및제어를위한 RTP, RTCP 와더불어사용되는실시간스트리밍미디어서버를원격으로제어하기위한프로토콜이다 [13]. RTSP 의하부전송프로토콜은 UDP, TCP 모두사용가능하고, 명령메시지는클라이언트에서서버로전송된다. ( 그림 3) 은기본적인 RTSP 의명령어와동작흐름도이다. DESCRIBE, SETUP, PLAY, PAUSE 그리고 TEARDOWN 은멀티미디어를제어하기위한프로토콜의구성요소이다. RTSP 를 HTTP 와비교해본다면 HTTP 의기본적인기능에실시간특성을가진멀티미디어데이터를전송하기위한기능을추가한것이다. 또한 HTTP 와동작이나문법이비슷하나 HTTP 는상태관리가없는반면 RTSP 는상태관리가있다. 다. HTTP 기반적응형스트리밍비디오서비스최근스마트폰, 템플릿 PC, 노트북등과같이유 / 무선인터넷망을내장한다양한단말들이소비자에게제공됨에따라서이러한단말에맞는미디어서비스가널리이용되고있다. 즉, 시간과장소에제한받던고정형디스플레이장비를이용한멀티미디어서비스형태에서인터넷망을이용하여언제, 어디서든고화질의영상을선택해서소비하는멀티미디어서비스형태로변화하고있다. 하지만 QoS 를보장하지않는인터넷망전송환경에서의고화질미디어스트리밍서비스는심리스영상서비스를제공하는데어려움이있다. 따라서, 최근이러한문제를해결하기위해 HTTP 기반의적응형스트리밍서비스가제안되어상용화되어왔다. 20 www.nipa.kr
HTTP 기반의적응형스트리밍서비스는기존의전형적인스트리밍서비스구조처럼클라이언트가서비스를요청하고, 이에대해콘텐츠저장서버가일괄적으로데이터를전송하는방식이아닌, 클라이언트가전송채널의가용대역폭에해당하는세그멘테이션된미디어를선택하고서버가이를전송하는방법이다. HTTP 적응적스트리밍기술의대표주자로는 Microsoft 사, Apple 사그리고 Adobe 사가있다. Microsoft 사는 2008 년베이징올림픽인터넷라이브중계에 smooth 스트리밍기술을사용하였으며, Apple 은 iphone, ipad 에 HTTP 라이브스트리밍기술을적용하였다. 이러한기술들은독자적인 HTTP 기반적응적스트리밍서비스를제공하고있다. 독자적인규제에대한제약을벗어나기위해서 MPEG 에서는 DASH 를표준화하였다 [7]. ( 그림 4) 와같이 HTTP 적응적스트리밍서비스는하나의콘텐츠를다양한채널환경과단말사양에맞도록서로다른 Quality 를갖는미디어시퀀스를작은조각으로분리하여서버에준비하고, 클라이언트는자신의전송채널에따라실시간으로분리된조각영상들을가지고옴으로써클라이언트의전송환경에최적화된미디어스트리밍서비스를제공받을수있다. 최근에 HHI 에서는 DASH 기술에최적화부호화알고리즘으로 SVC 를지목하였다 [8]. SVC 는기존의 H.264/AVC 와는다르게망의대역폭변화와단말의상태에따라적응적인콘텐츠를제공할수있는최적의솔루션이다. SVC 는시간적, 공간적그리고화질적스케일러빌리티를지원하여다양한단말의환경과채널용량에적합한영상을지원할수있다. 즉, SVC 와 DASH 는가장적합한형태의적응적인스트리밍서비스를지원할수있는 8Mbps( 고화질 ) 4Mbps 1Mbps( 저화질 ) 250kbps ( 그림 4) HTTP 적응적스트리밍서비스 정보통신산업진흥원 21
주간기술동향 2012. 3. 14. 기술이다. AVC 기반의 DASH 와비교했을때, SVC 기반의 DASH 는제한된캐시 (cache) 저장공간에서더많은콘텐츠를제공할수있고 AVC 기반의 DASH 보다캐시트래픽을감소시킬수있다. 이러한이유로 SVC 기반의 DASH 는효율적인인터넷망의사용과함께고품질의영상을소비자에게제공할수있으므로폭발적으로증가하는인터넷멀티미디어서비스에적합한기술로사용될것으로예상된다. 라. MPEG Media Transport ISO/IEC JTC/SC29/WG11 에서는 2009 년초부터 MPEG-2 TS 를 IP 망에서대체하는새로운미디어전송규격인 MMT 의표준화를추진하고있으며, 현재기술비교평가를위한 EE(Evaluation Experiment) 를진행중이다 [14]-[17]. MMT 는 IP 기반네트워크를중심으로미디어를네트워크에잘적응하면서효율적으로전달하기위한미디어전송규격이다. 이는 QoS/QoE(Quality of Service/Quality of Experience) 개선을위한크로스계층설계, 지연민감형양방향서비스, 시그널링, 포워딩, 중계, 멀티캐스팅, 오류제어등을포함한다. MMT 표준화기술은 E(Encapsulation), D(Delivery), C(Control) 등 3 개의기능영역으로 ( 그림 5) 와같이구성된다. 기능영역 E 는부호화된미디어데이터를저장매체에저장하거나전송프로토콜과네트워크의페이로드로서실어보내기위해포장하는포맷을정의하는것을말하며, 컨테이너포맷, MPEG-2 PES 와유사한액세스유닛생성, 미디어패킷화, 부호화된미디어데이터의프래그먼트, 미디어동기화등이이영역에포함된다. ( 그림 5) HTTP 의기능요소영역 22 www.nipa.kr
기능영역 D 는포장된미디어데이터를어떤네트워크개체로부터다른네트워크개체로전송하는데요구되는포맷과기능을정의하며, 네트워크플로멀티플랙싱, 네트워크패킷화, 그리고 QoS 기능들이포함된다. 또한 RTP 혹은 HTTP 와같은응용계층전달프로토콜, UDP, TCP 및 SCTP 와같은네트워크전달프로토콜, 크로스계층설계를위한다수계층으로부터의정보처리등의기능을수행한다. 기능영역 C 는미디어의전달및소비를제어하는기능을담당하며, 세션초기화, 제어및관리, 서버기반혹은클라이언트기반트릭모드그리고서비스발견등을포함하고, RTP 페이로드포맷, RTSP 가제공하는기능과유사한기능을제공한다. 지상파 DTV 및 IPTV 는 MPEG-2 TS 를사용하고있으며, 인터넷에서는 HTTP/TCP 혹은 RTP/UDP 를이용하여 AV 스트리밍을제공하고있다. 스마트 TV 는 MPEG-2 TS 와같은비디오방송서비스뿐만아니라동시에인터넷상의다양한비디오콘텐츠역시효율적으로제공하여야한다. 당분간이들을 MPEG-2 TS 와 HTTP 혹은 RTP 와적절히결합시켜비디오전달이가능하더라도방송과인터넷서비스를동시에제공해야하고, IP 를기반으로하는인터넷을사용하는스마트 TV 의전송규격으로는적절하지않다. 이에스마트 TV 등향후출현될다양한비디오서비스를제공하기위해서는새로운전송규격이요구되며 MMT 가적합한후보규격이라할수있다. MMT 가적용될수있는서비스로서청각장애자가스마트 TV 뉴스영상의추가수화영상을뉴스영상의소스와는다른소스로부터제공받는서비스를예로들수있다. 수화추가영상은인터넷을통해제공받으며, 뉴스영상과동기화되어동일스크린을통해 AV 스트리밍서비스를동시에제공받는다. 이종의네트워크가혼재된상황에서의미디어전송부분에서발생되는문제들을극복하기위한기술로 MMT 가 2010 년 7 월에이슈화되었고, 2012 년 1 월현재 MMT 는각국전문가들이제안한기술에대해표준기술로써의적합여부를평가하고있다. MMT 는 2013 년초에표준화가완료되어많은미디어시스템분야에적용될것으로예상된다. 4. 결론 스마트 TV 는 TV 에인터넷을결합한새로운미디어로써방송과인터넷을비롯하여멀 티미디어 - 융합 - 홈솔루션서비스제공이가능한차세대디지털매체이다. 최근몇년간방 정보통신산업진흥원 23
주간기술동향 2012. 3. 14. 송서비스와인터넷서비스가융합되기시작하였으며, 이러한추세는앞으로계속되어다른서비스에도확대될것이다. 특히인터넷을이용한미디어유통은스마트 TV 를통한 N-스크린서비스에따라서크게발전할것으로기대된다. IPTV 서비스와같은방통융합시대의도입기에는 QoS 를보장하는방송통신망비디오서비스와다양한비디오서비스를제공하지만낮은전송효율을갖는인터넷망비디오서비스가혼합되어사용될것이며, 비디오전송포맷인 MPEG-2 TS 와 RTP 는비디오서비스시장에당분간혼용되어사용될것이다. 이후대용량고화질의다양한영상서비스출현에따라인터넷망을이용한고품질의비디오를끊김없이서비스하기위해서는기존의 RTP 보다는 HTTP 를이용한스트리밍이대세를이루게될것이다. 차세대스마트 TV 등과같은미래멀티미디어방송에서는대용량데이터를갖는다양한콘텐츠와서비스가서로다른네트워크를통해끊김없이제공되어야할것이다. 이러한혼재된망환경을통해멀티미디어전달이원활히이루어지기위해서는 SVC, DASH 그리고 MMT 등방송과통신융합서비스제공을위해개발된새로운전송기술이활용될것으로기대된다. 특히전송환경에동적으로적응하면서최적품질서비스전송을위한 DASH 는향후미디어유통산업에지대한영향을미칠것으로예측되며, 이에미디어유통시장의선점을위해서는비디오전송서비스관련솔루션개발이요구된다. < 참고문헌 > [1] ITU-T Rec. H.262 and ISO/IEC 13818-2, ITU-T and ISO/IEC JTC1, Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information-part 2: Video, Nov. 1994. [2] ITU-T Rec. H.264 and ISO/IEC 14496-10(MPEG-4 AVC), ITU-T and ISO/IEC JTC1, Advanced Video Coding for Generic Audiovisual Services, Version 1: May 2003. [3] ITU-T Rec. H.264 and ISO/IEC 14496-10(MPEG-4 AVC), Advanced Video Coding for Generic Audiovisual services, Amendment 3: Scalable Video Coding: July.2007. [4] H. Schwarz, D. Marpe, and T. Wiegand, Overview of the Scalable Video Coding Extension of the H.264/AVC Standard, IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., Vol. 17, No. 9, pp. 1103-1120, Sept. 2007. [5] JCT-VC, Architectural Outline of Proposed High Efficiency Video Coding Design Elements, Document JCTVC-A202 of JCT-VC, April 2010. [6] JCT-VC, Draft use cases for the scalable enhancement of HEVC, Document JCTVC-G950 of 24 www.nipa.kr
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