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  1. 2014.10.17 비디오 코덱과 동영상 포맷

 


비디오 코덱과 동영상 포맷

저자
김도훈 지음
출판사
커뮤니케이션북스 | 2014-06-23 출간
카테고리
컴퓨터/IT
책소개
영상 제작에서 비디오 코덱은 왜 중요한가? 기술적 오류를 줄여 ...
가격비교

- 가로세로비
*DAR(Display aspect ratio)
*SAR(Storage aspect ratio) : 저장된 실제 데이터의 가로세로비율. 해상도에서 바로 얻는 가로세로비
- 프레임레이트는 재생률 또는 주사율이라고도 부르는데, 초당 보여주는 정지 이미지의 수를 말함. 여기서 하나의 정지 이미지를 프레임이라 부르며 fps라는 단위를 사용. 일반적으로 영화는 24fps, 한국지역은 29.97fps, 유럽과 아프리카 지역처럼 PAL이나 SECAM을 방송규격으로 사용한 지역은 25fps를 사용. 프레임레이트 대신 초당 반복수를 의미하는 헤르츠를 단위로 사용해 표기하는 경우도 있으며 의미는 동일. 일반적으로 사람의 눈은 15fps이상의 주사율로 동영상을 보여주면 플리커라 불리는 깜박거림현상을 느끼지 않고 자연스런 동영상으로 인식하지만, 시청환경의 조명조건과 화면크기 같은 변수에 의해 플리커를 인지할 수 없는 최소 fps의 값은 달라짐. 일반적으로 플리커는 주변환경이 밝을수록, 화면이 밝아질수록 인지할 수 있는 확률이 올라감.
- 같은 환경에서 비월주사가 순차주사보다 초당 2배의 이미지를 제공할 수 있기 때문에 더 부드러운 움직임을 구현할 수는 있지만 홀수줄과 짝수줄 사이에 프레임레이트 절반만큼의 시차가 발생하므로 인터레이스 노이즈가 발생. 이는 움직임이 빠른 동영상에서 더 심해짐. 인터레이스의 홀수줄과 짝수줄은 각각 위쪽줄과 아래쪽줄로 표기되기도 하며 이를 인터레이스 필드라고 함. 디인터레이스는 비월주사 방식의 영상을 순차주사 방식의 기기에 사용할 수 있게 고안된 기술로 크게 위브, 밥, 블랜드의 세가지 방법이 있음. 하지만 디인터레이스는 어떤 방식이라도 순차주사방식의 원본 그대로의 완전한 화질을 보장할 수 없음. 사실 주사방식에는 한가지가 더 있는데, 스캔 또는 샘플링은 프로그레시브 방식으로 수행하되 인터레이스 필드로 나누어서 저장하고, 재생할 때 이들 두 필드를 합쳐 다시 온전한 프로그레시브 영상으로 재생하는 방식으로 이런 방식을 Psf(progressive segmented frame)ㄹ고 하고 줄여서 sF 또는 SF로 표기. 이것과 대조적으로 스캔과 저장 모두 순차주사방식을 사용하는 경우를 Psf와 구별해 리얼 프로그레시브 또는 네이티브 프로그레시브와 같은 형태로 표현하기도 함. 1080p30을 지원하는 대부분의 비디오 장비들은 리얼 프로그레시브가 아닌 Psf를 사용함에도 이를 정확히 Psf로 표기하지 않고 단순히 1080p30이라고 표기하는 경우가 대부분임. 캠코더와 레코더 제조사에 따라서 '1080p30 over i60'이란 표현을 사용하는 경우도 있는데 이것이 바로 Psf를 의미함. 1080p60에서 리얼 프로그레시비를 지원하는 기종의 캠포토에서 조차 1080p30모드에서는 1080psf30을 사용하는 경우도 있음
- 명도(lightness)와 밝기(brigftness)는 같은 것으로 뒤죽박죽 섞여 표기되고 사용되는 경우가 종종 있는데, 엄밀히 따지면 이들 둘은 서로 다른 의미로 명확히 구분해 사용해야 함. 밝기가 단순히 발광체 또는 반사체의 표면에서 발광되거나 반사되는 빛의 많고 적음을 의미하는 것인 반면 명도는 보다 통제된 환경인 동일한 조명조건 아래에서 순수한 백색과의 상대적인 밝기 차이를 의미하는 것이기 때문. 즉 발기는 조명조건에 따라 보이는 정도의 순서가 바뀔수도 있지만 명도는 기준조건이 정해져 있기 때문에 순서가 뒤바뀔 수 없는 것임. 하지만 실제로 각종 소프트웨어와 장비에서 명도를 사용해야 하는 상황에서도 밝기를 구분하지 않고 표기하며 사용되는 경우가 종종 발견됨
- sRGB(standard RGB) : 96년 HP와 MS에서 제안한 컴퓨터를 위한 색공간으로 HDTV시스템에서 사용하는 Rec.709와 동일한 개머트를 갖는 색공간. 하지만 감마 설정에서 약간의 차이가 있기 때문에 sRGB로 되어 있는 데이터를 HDTV에서 사용하는 Rec.709로 그대로 가져오면 이미지가 약간 어두워짐. 하지만 최근의 비디오 관련 장비와 편집 소프트웨어에서는 sRGB와 Rec.709 상호변환이 필요한 경우 자동으로 감마보정을 해주기 때문에 사용자가 이 부분에 신경쓸 필요가 없음. 하지만 이 자동기능이 반대로 문제를 일으키는 경우도 있기 때문에 동영상 작업에서 색공간에 대한 기초적인 지식과 표준 모니터의 중요성이 강조됨
- 애플RGB : 애플사에서 만든 색공간으로 개머트의 범위는 sRGB와 거의 유사한 개머트를 갖지만 밝기와 색상이 조금 다른데 애플 RGB는 sRGB의 단점을 보완하기 위해 나온 것이 아니라 구형 애플 제품에서 사용한 소니 트리니트론 모니터에 적용하기 위한 색체계로서 개발한 것이기 때문. 트리니트론 방식의 모니터가 더이상 생산되지 않는 현재는 거의 사용되지 않음
- 어도비RGB : 98년 어도비사에서 공개한 RGB기반의 색공간으로 sRGB가 녹색계열의 색을 온전히 구현하지 못하는 문제를 해결하기 위해 보다 더 넓은 개머트를 기반으로 색을 재배열하는 방법을 사용해 sRGB보다 재현할 수 있는 범위를 더 넓힘. 주로 디지털 카메라와 고급형 모니터 같은 장비이세 어도비 RGB와 관련된 설정을 볼 수 있음. 디지털 카메라로 촬영한 이미지를 컴퓨터에서 확인할 때의 색상이 카메라에서 확인했을 때와 달리 채도가 낮고, 녹색이 진한 것처럼 이상하게 보인다면 사용한 이미지 뷰어에서 촬영된 이미지 파일의 색공간을 제대로 지원하지 못하기 때문. 이 경우 대부분 sRGB만을 지원하는 이미지 뷰어로 어도비 RGB로 촬영된 이미지를 보는 경우가 대부분임. 해결방법은 어도비 RGB를 정식으로 지원하는 이미지 뷰어를 사용하거나 해당 이미지를 sRGB색공간으로 변환한 다음에 이미지 뷰어로 보는 것이다.
- 크로마 샘플링 : 밝기값(Y)과 색상값(Cb, Cr)을 서로 분리해 샘플링하는 것을 크로마 샘플링이라고 하며, 그중에서도 4:2:2, 4:2:0과 같이 밝기값보다 낮은 밀도로 색상값을 샘플링하는 것을 크로마 서브 샘플링이라고 함. 디지털 SDTV 비디오는 보통 주사선당 수평해상도가 720 또는 703픽셀임. 컬러 이미지를 샘플링할 때, 각각의 픽셀은 루마값(Y)와 한쌍의 색상값(Cr, Cb)을 필요로 함. 그러나 실제 영상의 모든 픽셀이 특히 동영상에서는 이 세개의 값이 전부 필요하지 않은데, 인간의 시감각 체계 특성으로 인해 사람의 눈은 색상값보다 Y로 표기되는 밝기값인 루마에 훨씬 민감하게 반응하기 때문. 따라서 신뢰할 만한 수준의 영상을 구현하기 위해 밝기값, 즉 Y성분은 각각의 픽셀에 모두 필요하지만 색상값인 Cr, Cb세트는 각각의 픽셀에 모두 존재할 필요까지는 없고 절반으로도 충분. 이렇게 나오는 영상은 4:2:2형태의 데이터를 가짐. 하지만 사실 사람의 뇌는 매우 관용적이어서 여기서 Cr, Cb의 디테일을 한번 더 절반으로 줄여도 이미지의 인식에 크게 영향을 받지 않는데, 이렇게 해서 나오는 영상이 DV-NTSC에서 사용하는 4:1:1임. HD로 넘어와서는 4:1:1과 유사하지만 조금은 다른 4:2:0이 보다 많이 사용되고 있는데, 이것은 4개의 Y, 2개의 Cr, 0개의 Cb라는 의미가 아님. 비록 Y보다는 낮지만 모든 주사선에서 Cr과 Cb를 모두 샘플링하는 다른 규격과 달리 4:2:0은 주사선마다 각각 Cr과 Cb를 Y의 절반만큼 번갈아가면서 샘플링한다는 의미인 것임. 따라서 같은 소스에서 변환하고 다른 조건들은 모두 동일한 경우 4:2:0으로 변환한 영상과 4:1:1로 변환한 영상들은 같은 크로미넌스 밀도를 갖는 것은 물론 용량도 거의 같음. 4:2:0은 4:1:1과 거의 동일한 데이터량에 청색 표현능력이 조금 더 떨어지는 단점이 있음에도 불구하고 최근 4:1:1보다 더 적극적으로 사용되는 이유는 보다 고급규격인 4;4:4, 4:2:2와의 데이터 변환이 쉽기 때문. 정리하면 4:4:4와 같이 모든 숫자가 4일 때 각 픽셀에 모든 밝기 및 색상 신호가 빠짐없이 존재하는 것으로 고품질 이미지 구현이 가능해 극장용 고화질 영상 또는 고급 합성용 소스로 사용하기에 적합함. 사실 YCbCr 4:4:4는 이론으로 존재하고 구현도 가능하지만 실제로 거의 사용되지 않고 대신 RGB 4:4:4가 주로 사용됨. 이는 RGB가 YCbCr보다 우수하다는 의미가 아니라 RGB-YCbCr 상호변환과정에서 손실되는 데이터가 존재해 미세한 화질저하가 발생하지만 데이터의 절약이라는 장점은 얻을 수 없기 때문. 따라서 4:4:4 크로마 샘플링에서는 원본소스인 RGB를 YCbCr로 변환할 필요가 없는 것이다. 4:2:2:4또는 4:4:4:4와 같이 네번째 자리수가 있을 경우에 마지만 네번째 숫자는 영상에 알파채널, 즉 투명도 데이터가 포함되어 있다는 뜻으로 이런 형태의 영상데이터는 합성작업에 유용하게 사용됨. 이 수치는 항상 첫번째 숫자 즉, Y신호와 같은 수치를 사용.
- 컨테이너 또는 래퍼 포맷이라고 불리는 것은 컴퓨터가 주어진 어느 데이터의 형태가 무엇으로 구성되어 있으며 어떤 프로그램과 연결해 실행시킬 것인지 판단할 수 있게 해주는 메타정보 포맷을 말함. 위도우 탐색기나 맥오에스텐의 파인더와 같은 파일 브라우저를 통해 볼 수 있는 확장자는 컨테이너에서 가장 많이 알려진 부분으로 컨테이너 포맷이란 어느 파일이 하나 있을 때 이 파일이 이미지인지, 동영상인지, 문서인지 따위를 알려주며 어떻게 사용해야 할지에 대한 간단한 정보가 포장 겉에 적혀 있는 사양표와 같은 것으로 파일포맷과 거의 유사한 표현으로도 사용되기도 함. 비디오 또는 오디오 컨테이너를 각각 비디오, 오디오 코덱 또는 포맷과 혼동하는 경우도 종종 있는데, 이들은 서로 유사하게 공통되는 부분은 있지만, 특히 동영상에서는 동일한 개념이 아니기 때문에 주의하고 구별해야 함
- 비트맵 이미지와 벡터 이미지 : 비트맵 이미지는 전체 그림을 구성하는 픽셀 데이터의 배열을 통해 이미지를 형성 및 저장하는 방식으로, 대부분의 디지털 이미지가 사용하는 방식. 하지만 본래 규정된 크기 이상으로 확대하면 곡선과 대각선에서 aliasing이라 불리는 계단현상이 일어날 수 있음. 반면 벡터 이미지는 기준점에서 수학적인 벡터 좌표법으로 이미지를 형성 및 저장하는 방식으로, 수학적 계산에 근거한 상대좌표 데이터이기 때문에 확대 및 축소를 해도 이미지가 깨지는 현상이 없음. 하지만 이런 특징 때문에 실사 사진에는 적합하지 못함.
- 압축을 수행할 때 각각의 프레임을 균일한 용량으로 압축하는 방식을 고정 비트레이트(CBR)라고 하며 반대로 각 프레임들의 차이를 분석해 움직임이 적은 부분에서는 상대적 저용량으로 저장하고 움직임이 많은 부분에서는 고용량으로 저장하는 즉, 영상 내부의 움직임에 따라 일정하지 않은 용량으로 압축하는 방식을 가변 비트레이트(VBR)라고 함. 당연히 같은 내용을 담은 같은 크기의 동영상 파일이 있을 경우 CBR로 인코딩된 동영상보다 VBR로 인코딩된 동영상이 더 높은 호질을 보여주지만, 압축과 재생과정에서 보다 높은 연산을 요구. 또한 VBR방식의 동영상은 일정한 품질의 이미지를 꾸준히 보여주지만, CBR 방식의 동영상은 이미지의 품질이 아닌 일정한 데이터 전송률, 즉 비트레이트를 기준으로 구성되었기 때문에 움직임 여부에 따라 이미지의 품질, 즉 화질이 변화. 즉 CBR방식의 동영상은 움직임에 따라 화질이 가변적이 되며 깍두기 현상으로 대표되는 이미지 손상이 발생할 확률이 높아진다는 의미. 이는 오디오에서도 마찬가지이며 여기서 데이터 형태에 따라 변화되는 결과물은 음질임. CBR방식은 기준 비트레이트가 고정되어 있기 때문에 동영상을 압축하기 전이라 할지라도 작업할 영상의 재생시간을 알면 최종적으로 압축된 동영상의 용량을 정확하지는 않아도 거의 근접하게 계산할 수 있지만, VBR 방식은 압축작업이 완료되기 까지는 결과물의 용량을 알 수 없다는 단점이 있음. 또한 VBR방식으로 인코딩된 데이터가 항상 CBR 방식에 비해 좋은 결과를 보여주지는 못하는데, 만약 VBR 데이터를 처리하는 시스템이 압축 또는 재생작업을 수행할 때 순간적으로 발생하는 연산 및 비트레이트의 변화폭을 감당하지 못할 경우에는 CBR방식에 비해 좋지 못한 결과물을 보여주거나 심하면 정상적 압축 및 재생에 실패하는 경우도 존재. 반면 CBR 방식으로 작업하는 경우, 처음 시작했을 때 정상적으로 진행이 된다면 마지막까지 정상적으로 진행될 확률이 매우 높음. 즉, 일반적으로 VBR방식이 성능과 품질면에서는 더 우수하지만 그만큼 요구되는 시스템 부하와 그에 따르는 돌발변수도 많기 때문에 신뢰성이라는 점에서는 CBR방식이 더 우수. 평균 비트레이트(ABR)방식은 VBR과 CBR을 절충한 형태. VBR방식이 비트레이트의 변동폭만 지정하고 압축을 진행하면 동영상 압축을 수행하는 소프트웨어 혹은 장비가 비트레이트를 자동으로 지정하는 것에 비해 ABR방식은 목표로 하는 목표 비트레이트를 지정하면 인코딩 프로그램이 자동으로 이 수치에 근접하도록 비트레이트를 변경해가며 인코딩하는 방식으로 결과적으로 VBR과 비슷하지만 압축작업을 수행하기 전이라 할지라도 CBR처럼 압축된 동영상의 용량을 대략적으로 예상할 수 있다는 장점이 있음. 같은 크기의 용량으로 인코딩된 결과물의 이미지 품질을 비교하면 VBR>ABR>CBR 이라고 할 수 있음. 동영상 압축 소프트웨어에 따라서는 ABR을 단순히 VBR로 그리고 목표 비트레이트를 평균 비트레이트로 표기하는 경우도 있음.
- MPEG-1과 MPEG-2가 VCD, DVD와 같은 저장매체와 전파를 이용하는 방송욕 코덱으로 개발된 것과는 대조적으로 MPEG-4는 네트워크를 통해 전송되는 상황을 염두에 두고 개발됨. 즉, 낮은 전송률에서 효율적인 전송을 위한 것으로 MPEG-2보다 절반의 대역폭으로 유사한 화질을 전송할 수 있는 코덱을 목표로 개발이 시작됨. 하지만 현재는 초기의 목표, 즉 네트워크만을 위한 것이 아니라 기존의 MPEG-1, MPEG-2영역까지 포함하는 가장 많이 사용되는 범용 코덱으로 발전했으며 현재도 계속 발전하고 있음. MPEG-4에서 규정하는 동영상 인코딩 방식은 크게 99년 처음 규격이 확정된 파트2와 03년 규정된 파트10(H.264)의 두가지가 있음. 이 둘을 구별하기 위해 일반적으로 파트2는 단순히 MPEG-4또는 MPEG-4 Q비주얼이라 표기하고, 파트10은 MPEG-4/AVC 또는 단순히 AVC(advanced video codec)라고도 표기. MPEG-4비주얼과 AVC는 같은 MPEG-4계열이라고 할 수 있지만, 그 성능과 요구조건에서 무시할 수 없을 정도로 큰 차이를 보여주기 때문에 사실상 다른 코덱으로 분류해 사용되고 있음.
- HEVC는 고효율 비디오 코덱의 줄임말. H.264는 QFHD, 4K, 8K 같은 영상을 본격적으로 다루기에는 무리가 따른다는 판단아래 준비되고 있는 코덱임. 마치 MPEG-4가 나왔을 때와 같이 H.264대비 절반의 대역폭에서 동일 등급의 화질을 구현하기 위한 코덱을 표방하며 개발중임. HEVC라는 이름 외에 H.265와 MPEG-H 파트2 라는 명칭도 사용하고 있음. 13년 초반에 시제품이 나오기 시작했으나 H.264와 비교해서 인코딩에 약 5배, 디코딩에 약 2배 이상의 연산능력을 요구한다는 것이 상용화와 보급화의 걸림돌로 지적되고 잇으며 이런 이유로 각종 지원 소프트웨어 및 하드웨어의 최적화와 함께 본격적인 보급과 사용은 15년을 전후해서 이루어질 듯. H.264가 일반적으로 방송에 사용하는 6MHz 대역폭에서 HD채널 2개의 스트림을 전송할 수 있는 것에 비해 HEVC는 같은 6MHz에서 HD화질로 4개 스트림을 전송할 수 있으며 3D를 위한 H.265/MVC도 준비되고 있음.
- VP8은 구글에 인수된 On2테크놀로지스에서 개발한 동영상 코덱으로 H.264와 경쟁관계에 있는 형식임. VP9은 On2테크놀로지스의 개발진이 구글에 인수된 후 처음으로 발표한 동영상 코덱으로 유투브에서 UHD비디오 서비스를 위해 준비중이며 구글은 부인하고 있지만 결과적으로 HEVC와 경쟁관계에 놓일 듯. VP8과 VP9모두 소유권을 갖고 있는 구글에서 무료로 사용할 수 있도록 공개한 상태이기 때문에 H.264, HEVC와 같이 사용에 라이선스를 지불할 필요가 없다는 것이 특징. 구글이 On2테크놀로지스를 인수해가며 동영상 코덱 개발에 나선 것은 유투브 서비스에서 사용해 온 H.264와 관련된 라이선스 문제를 해결함과 동시에 인터넷에서 멀티미디어 서비스의 주도권을 확보하기 위한 것으로 알려짐

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Posted by dalai
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