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03 |
데이터 압축
 
1. RGB 공간과 YUV 공간
한 색을 빛의 3원색, (R), (G), (B)로 분해시켜 정의하는 방법이 RGB 색 공간입니다.
각 색을 8비트(=0~255 레벨)로 표현할 경우, 256×256×256= 1670만가지 색이 표시 가능하다는 뜻이 됩니다.
RGB 색 공간은 컴퓨터의 색 정의 방법으로 사용되고 있습니다.
 
앞서 소개했듯, NTSC 방식은 처음 흑백 방송에서 채용되었습니다. 흑백 방송은 휘도 신호밖에 없습니다.
그러나 나중에 흑백에서 컬러로 이행하기 위해 휘도 신호를 남기고 컬러 신호를 편입시키는 방법이 고안되었습니다. 휘도 Y와 각 색 RGB와의 사이에는 다음과 같은 관계식이 있습니다.
 
휘도 Y와 두 개의 색 신호(엄밀하게는 B-Y R-Y)로 색 공간을 정의한 것입니다. 이 방법에는 YUV 색공간, YPbPr 색공간 등이 있습니다.
 
 YUV YPbPr, YCbCr 색공간
YUV 색공간과 YPbPr 색공간은 같은 의미로 사용되기도 하지만 엄밀하게는 다른 것입니다.

>YUV
색공간
Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
U = 0.436 * (B - Y) / (1 - 0.114)
V = 0.615 * (R - Y) / (1 - 0.299)

>YPbPr 색공간
Y' = 0.299 * R' + 0.587 * G' + 0.114 * B'
Pb = 0.5 * (B' - Y') / (1 - 0.114)
Pr = 0.5 * (R' - Y') / (1 - 0.299)

또한 YPbPr 16~235의 디지털 수치로 환산한 것이 YCbCr 색공간입니다.

 
 
2. 샘플링
NTSC의 표준 해상도(Standard Definition=SD) 화면은 720×486 화소로 구성되어 있습니다.
컬러 영상에서는 각 화소마다 YCbCr(RGB)의 세 가지 색 신호 데이터가 필요합니다.
각 색 신호 데이터를 8비트=2 8=256 레벨로 표현할 경우, 1=29.97프레임 당 데이터량은 아래와 같습니다.
 
이것은 1시간 당 100GB 이상의 데이터량에 해당하며, 기록 및 전송, 신호 처리에 대대적인 시스템이 필요하게 됩니다.
그래서 실제로 사용되고 있는 영상 데이터는 샘플링과 데이터 압축 처리를 통해 데이터 레이트를 축소합니다. 예를 들어 DV DVCAM 데이터 레이트는 25Mbps이므로 약 10분의 1로 데이터가 압축된다는 뜻이 됩니다.
 
3. 샘플링 방식
인간은 원래 야행성 동물이었기 때문에 인간의 눈은 밝기(휘도)에는 민감하나, (색상 및 채도)에는 비교적 둔감하다고 합니다. 이 특성을 이용하여 색 데이터를 '생략하는' 것이 샘플링입니다.
편집기기의 카탈로그를 보면, '4:2:2'라든가 '4:1:1' 등의 기기가 있는데, 이 숫자가 '생략 방식'을 나타내고 있습니다. 
 
4:2:2 방식
Y 모든화소, Cr, Cb 두개 간격으로 샘플링
4:2:0 방식
Y 모든 화소, Cr, Cb 2×2 블록 하나만 샘플링
4:1:1 방식
Y 모든 화소, Cr, Cb 가로 4화소 간격으로 샘플링
 
01-비디오 포맷, 02-HD(High Definition) 항목에서 소개했던 디지털/HD 포맷 일람에서는 각 비디오 포맷이 어떤 샘플링 방식을 사용하고 있는지도 기재되어 있습니다.
 
 
 4:4:4 방식이란
4:4:4 방식이란 전혀 색 데이터 샘플링을 행하지 않는 '로스리스(Lossless)' 방식입니다. 합성용 중간 소스 등, 품질이 떨어지는 것을 피하고 싶은 경우에 사용합니다.
DV(NTSC) 4:1:1를 채용하고 있기 때문에 가로 방향 4블록 단위의 블록화가 보이며 윤곽선에 지그재그 모양이 나타나기 쉽습니다. 또한 HDV 4:2:0 방식을 채용하고 있어 같은 샘플링 효율이라도 윤곽의 지그재그는 나오기 힘듭니다.
방송 및 업무용 포맷에는 보다 오리지널에 가까운 4:2:2 방식이 사용되고 있습니다.

 
4. 데이터 압축 방식
수많은 비디오 포맷에서는 색 샘플링을 한 후에 수치적인 압축을 진행하여, 더욱 데이터량을 압축하고 있습니다.
 
1. DV
DV포맷은 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transformation, DCT)+허프만 부호화라는 방법을 통해 데이터를 약 1/5로 압축합니다(샘플링과 합치면 약 1/10 압축입니다). DV 포맷의 압축은 각 화상 프레임마다 진행하며, 전후 프레임 내용에는 영향이 없습니다. 이러한 방법은 프레임 내(인트라 프레임) 압축이라 불립니다.
 
 
2. MPEG-2
전후 프레임과의 화상 데이터 차이를 사용하는 방법을 프레임간(인터 프레임) 압축이라고 합니다.
예를 들어 MPEG-2의 경우는 15프레임을 하나의 집합(Group Of Picture, GOP)으로 간주하고 프레임 안에서만 압축을 진행하는 프레임(I프레임), 앞만, 혹은 전후 프레임과의 차이를 사용하는 프레임(P프레임, B프레임) 3종류 프레임을 조합하여 압축 효율을 높이고 있습니다. 한편으로는 프레임의 재구성 작업이 복잡해지기 때문에 편집 기기의 부담이 커집니다. MPEG-2를 사용하고 있는 HDV 포맷 편집에서 편집 소프트웨어 반응이 느려 짜증났던 경험이 있는 분도 많으실 텐데요. MPEG-2 압축 특성의 영향이 큽니다.
 
 
 
 
 
 
 
 

 
  
 H.264?
H.264는 별칭 MPEG4/AVC(Advanced Video Codec), MPEG4 Part10이라고도 불리고 있습니다.
SONY와 마츠시타가 공동으로 정한 일반용 HD 규격, AVCHD(Advanced Video codec High Definition)은 압축 알고리즘으로 이 H.264를 채용하고 있습니다. H.264 MPEG2보다도 압축 알고리즘이 개선되어 압축 효율은 약 2배로 알려져 있습니다.

 

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