MPEG

MPEG  standards 1-4 (Moving Picture Experts Group standards 1-4)
http://www.helloec.net/network/MPEG.htm

MPEG의 정식명칭은 동화상전문가그룹(Motion Picture Experts Group)이다. 정지된 화상을 압축하는 방법을 고안한 JPEG과는 달리, 1988년 설립된 MPEG는 동영상 압축과 코드 표현을 통해 정보의 전송이 이루어질 수 있는 방법으로 현재 개발이 이뤄진 MPEG 1/2/4에 이어 차세대 압축방법인 MPEG 7까지 연구되고 있다.

MPEG 1은 1991년 국제표준화기구(ISO) 11172로 규격화된 영상압축기술로 이 규격으로 상품화된 것이 비디오 CD와 CD-I 등이다. MPEG2는 1994년 ISO 13818로 규격화된 영상압축기술로 현재 DVD 등의 컴퓨터 멀티미디어 서비스와 직접위성방송 유선방송 고화질 TV 등의 방송서비스, 영화나 광고편집 등에서 널리 쓰인다. MPEG3는 MPEG 2에 흡수통합되어 규격으로는 존재하지 않는다.

인터넷에서 동영상 비디오를 비롯한 멀티미디어 데이터를 자유자재로 디지털 저장매체에 저장하기 위해 제정된 비디오 스트리밍 표준인 MPEG 4는 현재 상용화가 본격적으로 추진되고 있다. 휴대용 인터넷방송 동영상 플레이어(PWMP: Portable Webcasting MPEG4 Player) 등에 적용된다.

차세대 압축기술인 MPEG 7은 다양한 타입들의 멀티미디어 정보들을 기술(Description)할 수 있는 인터페이스를 갖출 예정이다. 현재 인터넷의 멀티미디어 정보검색은 문자에 의해 이뤄지고 있지만 MPEG 7은 오디오 비주얼 콘텐츠를 이용해 검색이 가능하다. 2001년 국제 표준이 제정될 전망이다.

엠펙 표준에는 세 가지가 있는데, 엠펙1과 엠펙2, 그리고 엠펙4가 그것이다. 각각에 대해 비디오(동화상 압축), 오디오(음향 압축), 시스템(동화상과 음향 등이 잘 섞여있는 스트림)에 대한 명세가 존재한다.

엠펙1은 1배속 CD 롬 드라이버의 데이터 전송속도인 1.5 Mbps에 맞도록 설계되었다. 즉 VCR 화질의 동영상 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 1.15 Mbps가 되도록 엠펙1-비디오 압축 알고리즘이 정해졌으며, 스테레오 CD 음질의 음향 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 128 Kbps(채널당 64 Kbps)가 되도록 엠펙1-오디오 압축 알고리즘이 정해졌다. 엠펙1-시스템은 단순히 음향과 동화상의 동기화를 목적으로 잘 섞어놓은(interleave) 것이다.

엠펙2는 보다 압축 효율이 향상되고 용도가 넓어진 것으로서, 보다 고화질/고음질의 영화도 대상으로 할 수 있고 방송망이나 고속망 환경에 적합하다. 즉 방송 TV (스튜디오 TV, HDTV) 화질의 동영상 데이터를 압축했을 때 최대비트율이 4 ( 6, 40)Mbps 가 되도록 엠펙2-비디오 압축 알고리즘이 정해졌으며, 여러 채널의 CD 음질 음향 데이터를 압축했을 때 최대 비트율이 채널당 64 Kbps 이하로 되도록 엠펙-2 오디오 압축 알고리즘이 정해졌다.
엠펙2 -시스템은 여러 영화를 한데 묶어 전송하여 주고 이때 전송시 있을 수 있는 에러도 복구시켜 줄 수 있는 일종의 트랜스포트 프로토콜이다.

엠펙4는 매우 높은 압축 효율을 얻음으로써 매우 낮은 비트율로 전송하기 위한 것이다. 이를 사용함으로써 이동 멀티미디어 응용을 구현할 수 있다.
엠펙4는 아직 만들어지지 않았으며, 매우 높은 압축 효율을 위해 내용기반(model-based) 압축 기법이 연구되고 있다. 엠펙의 가장 큰 단점은 압축을 많이 하기 위해서는 압축시간이 지나치게 많이 걸린다는 점이다. 압축시간이 복원시간보다 훨씬 커지므로(이를 비대칭적이라 한다) ,

동시성이 요구되는 분산 멀티미디어 응용에는 무리가 따른다. 엠펙 동화상 압축 알고리즘 엠펙 동화상 압축 알고리즘은 제이펙(JPEG) 정화상 압축 알고리즘과 H.261 동화상 압축 알고리즘 등을 발전계승시킨 것이다. 엠펙에서는 모든 프레임을 개별 정화상으로 압축하는 것이 아니라, 인접 프레임 사이에 유사점이 많다는 점을 이용한다. 즉 동작보상을 하는데 있어 예측과 보간을 이용한다.

그러나 한편 임의접근과 같은 VCR 식 제어가 가능해야 한다는 등의 여러 이유로 인해 엠펙 비디오에서는 자신이 가지고 있는 정보만으로도 복원될 수 있는 프레임이 규칙적으로 삽입되어야 한다. 이러한 프레임은 제이펙과 아주 유사하게 정화상으로 압축되어진다. 정화상으로 압축된 프레임을 I 프레임, 예측만을 한 프레임을 P 프레임, 보간을 한 프레임을 B 프레임이라 한다. 엠펙 비디오는 이들 세 종류의 프레임들이 일정한 패턴으로 섞인 것이다.

I-프레임(Intra-coded frame) 데이타 스트림의 어느 위치에도 올 수 있으며, 데이타의 임의 접근을 위해 사용되며, 다른 이미지들의 참조 없이 부호화된다. I-프레임은 정화상 압축방법(JPEG)을 이용하지만, JPEG과는 달리 MPEG에서는 실시간으로 압축이 이루어진다. I-프레임의 압축은 MPEG에서는 가장 낮은 압출률을 보인다 I-프레임은 매크로 블럭내에서 지정된 8*8 블럭으로 나눈 후, DCT 기법을 사용한 후, DC계수는 DPCM방법으로 부호화하는데, 연속한 블럭 사이의 차이값을 계산한 후 가변 길이 코딩을 사용하여 변환한다.

P-프레임(Predictive-coded frame) 부호화와 복호화를 행할 때 이전의 I-프레임 정보와 이전의 P-프레임의 정보를 사용한다. P-프레임은 연속되는 이미지들의 전체 이미지가 바뀌는 것이 아니라 이미지의 블럭들이 옆으로 이동한다는 점에 착안한 것이다. 즉, 움직임이 있는 경우 앞화면에 있는 물체 자체의 모양에는 큰 변화없이 옆으로 이동하는 경우가 대부분이므로, 이전의 화면과 현재의 화면의 차이가 매우 적은 것을 이용하여 차이값만을 부호화하는 것이다.


B-프레임(Bidirectional-coded frame) 부호화와 복호화를 행할 때 이전, 이후의 I-프레임과 P-프레임 모두를 사용한다. B-프레임을 사용하면 높은 압축률을 얻을 수 있다. B-프레임은 이전의 I-또는 P-프레임과 B-프레임 이후의 I-또는 P-프레임의 차이 값을 가진다.
I-프레임으로 시작하는 연속적인 화상들의 집합을 GOP(Group Of Picture)라고 한다. B-프레임을 사용하기 때문에 MPEG 코드 데이타 스트림의 순서는 실재 복호화 되는 순서와는 다를 수 있다. 즉, 연관된 B-프레임후에 출력될 P-프레임은 B-프레임의 복원시에 필요하므로 P-프레임이 먼저 복원되어야 한다.

MP3 (MPEG-1 Layer3)
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MP3( MPEG-1 Layer3)의 줄임말이다. 국제표준화기구(ISO)에서 고음질 오디오 압축의 표준안으로 채택된 기술이다. MP3은 압축된 디지털 오디오 파일의 일종으로 MPEG(Moving Picture Experts Group)이라는 국제적인 협회에서 규정된 규격의 파일이다. MPEG은 말 그대로 동영상에 관련된 협회로 주로 동영상 압축에 관한 규격을 마련한다. 비디오CD나 DVD 영화도 MPEG에서 만들어진 규격을 사용하는 것을 생각하면 MPEG이 얼마나 친근한 존재인지 알 수 있다. MPEG에서는 동영상 압축에 대한 기준을 마련하면서 동시에 오디오 압축과 관련한 기술도 함께 개발해왔다.

MPEG이 처음 만든 규격은 MPEG-1로, 이는 비디오CD에 사용되는 기술이다. MP3은 MPEG-1의 오디오 압축 기술에서 파생된다. 시기적으로는 1988년으로 거술러 올라간다. 필립스, CCETT, IRT 등의 업체가 공동 개발한 MPEG-1 기술에서 MP3은 오디오 압축 기술 세 가지 중 하나이다. MPEG-1에는 오디오 압축을 위한 기술로 레이어(Layer)-1, 레이어-2, 레이어-3의 세 가지가 있다. 모두 압축된 데이터로 레이어-3으로 갈수록 압축률이 우수하다. 그 중 레이어-3이 MP3이다. MP3이라고 부르는 것은 데이터 파일의 확장자가 MP3이기 때문이다. 각 레이어의 차이는 압축률과 데이터의 구조가 조금씩 다르다. 레이어 별로 압축 기법은 다르지만 대체로 청각 심리모델을 이용하여 압축을 한다.

청각 심리모델이란 인간의 귀로들을 수 없거나 듣지 않아도 되는 부분을 디지털화하지 않는 방법으로 데이터를 줄이는 것이다. 예를 들어 아날로그의 음악을 디지털화하는(이를 양자화라고 한다) 과정에서 인간이 듣는 가청 주파수 범위 너머의 소리나 특정 악기 소리 뒤에 붙어 전문가가 아니면 듣기 어려운 여운 등을 빼버리는 것이다. 이를 통해 CD 데이터의 11배 정도 압축이 가능하여 수십 MB 용량의 음악 데이터를 3~4MB로 줄일 수 있다. 74분 CD 한 장에는 한 가수의 노래만 들어가지만, 이를 MP3 파일로 만들면 11가수 분량의 CD가 한 장으로 압축된다. 엄청난 압축률이다. 이런 MP3의 압축률 덕분으로 인터넷과 PC 통신 자료실에는 영화음악, 가요, 자작곡 등의 각종 오디오 데이터가 등록되어 값싼 가격으로 다운로드할 수 있다. 또한 MP3은 많은 사용자와 오랜 테스트로 안정되고 호환성이 입증되었다. 현재 MP3을 재생하는 플레이어 소프트웨어는 10여 가지로 국내에서 개발된 것도 있다. 나중에 언급하겠지만 호환성에 문제가 있는 MP4와는 대조되는 특징이다. 전문가들은 비록 MP4가 압축률이 우수하고 음질도 좋지만 호환성 문제와 복제 장치의 영향으로 당분간은 MP3가 디지털 오디오의 표준으로 자리잡을 것이라고 말한다.

주로, CD에 기록된 음악을 인간의 제한된 청력을 고려한 상태로 약 12대 1로 압축한 포맷이다. 650MB 용량의 CD 한 장에 7시간 이상 분량의 음악을 저장할 수 있다. MP3의 등장은 새로운 음반산업 창출은 물론 미래의 디지털 오디오 방송에 일대 혁명을 가져왔다고 할 수 있는데, 그 보급에 있어서는 인터넷 및 전자상거래에서 대두되고 있는 저작권보호가 가장 큰 문제이다.

MP3 음악은 CD 플레이어와 같은 별도의 하드웨어 없이도 소프트웨어를 통해 PC에서 청취할 수 있으며, 최근에는 PC로부터 MP3 음악을 다운받아 들고 다니며 감상할 수 있는 휴대용 MP3 플레이어도 많이 등장하였으며, 심지어 휴대폰을 통해 MP3 음악을 청취할 수 있도록 한 통합 제품도 나와 있다.

MP3는 보통 개인용 컴퓨터에서, 확장자가 ".mp3"로 끝나는 파일 형태를 가진다.


MP4 (MPEG-2 AAC)
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MP4는 MP3과 성격이 비슷하면서도 뿌리가 다르다. MP4의 공식 명칭은 MPEG-2 AAC(Advanced Audio Coding)로 MPEG-2 NBC(Non Backwards Compatibility)라고도 부른다. 이처럼 복잡해 보이는 이름이 MP4로 탈바꿈한 것은 사용자들의 이해를 돕기 위해서이다. MPEG-2 AAC는 이름부터 길며, MP3과는 다른 파일처럼 오해할 수 있어 국내의 모 기업에서 인터넷 서비스를 시작하면서 붙인 이름이다. 공식 이름은 아니지만 친근감 있고 MP3의 상위 버전처럼 느껴진다. MPEG-2 AAC(이하 AAC라고 한다)는 MP3처럼 압축된 오디오 테이터이지만 탄생 배경은 틀리다. 이름에서 알 수 있듯이 MPEG-1이 아닌 MPEG-2에서 파생되었다. DVD 비디오에서 사용되는 MPEG-2는 MPEG-1에 비해 4배의 화질과 다중 언어 지원 등으로 성능이 우수하다. AT&T나 톰슨, Fraunhofer 등의 업체가 공동으로 만든 이 규격은 MP3에 비해 음질이 우수하고 압축률이 높다. 이유는 다음과 같다. MP3의 데이터 구조가 고정적인 반면 AAC의 데이터는 유동적이다. 자세히 설명하면 MP3은 곡 전체의 정보를 담는 헤더 뒤에 데이터가 프레임이라는 단위로 저장된다.

이 프레임의 크기는 고정되어 있어 압축률이 높은 부분에서도 쓸모 없는 용량을 차지한다. 이에 반해 AAC의 프레임은 가변 구조로 압축률에 따라 크기가 변하므로 전체 파일의 용량이 훨씬 줄어든다. 실제로 MP3 파일과 비교하면 최대 30%까지 용량을 줄일 수 있다. AAC의 두 번째 장점은 음질에 있다. MP3에 비해 AAC는 TNS와 프레딕션이라는 두 가지 기법을 통해 음질을 향상한다. TNS(Temporal Noise Shaping)는 양자화 보정 기술로 아날로그의 연속적인 음악 데이터를 0과 1의 디지털 데이터로 만들 때 생기는 오차를 지능적으로 줄여 잡음을 감소시키고 원음에 가깝게 만든다. 프레딕션(Prediction)이란 TNS로 보정된 수치를 기억하는 것으로 앞에서 보정된 정보를 기억하여 다음에 같은 데이터가 나타날 때 기억된 데이터를 사용한다. 만일 양자화 단계에서 같은 음의 보정치가 다르면 다른 소리로 들리게 되므로 이를 같게 만드는 기술이다. 이처럼 AAC는 압축률과 음질 면에서 MP3과 비교된다.

전문가들은 이런 기술로 볼 때 MP4는 순식간에 MP3를 대체할 것으로 보고 있다. 하지만 MP4는 시작 단계이기 때문에 해결해야할 문제도 적지 않다. 가장 대표적인 것이 호환성이다. MP3이 저작권 문제를 해결하지 않고 대중화되어 각 나라에서는 골머리를 앓고 있다. 이를 보완하기 위해 MP4는 처음부터 저작권 복제 방지 시스템을 강화했다. 사용자마다 인증된 키를 주고 곡을 다운로드할 때 키에 맞는 암호를 걸어 배포한다. 즉 인증된 소프트웨어에서는 음악 파일을 재생할 수 있지만, 인증받지 못한 플레이어에서는 잡음만 들리는 식이다. 인증 키는 한번 설치하면 없어지므로 한 사용자에게만 유효하다. 이와 유사한 방법으로 업체들은 복제 방지에 신경을 쓰고 있지만 그들간의 호환성이 결여되어 파일에 맞는 플레이어에서만 음악을 들을 수 있다. 예를 들어 A2b 서비스를 통해 다운로드 받은 MP4 파일은 m4you 서비스용 플레이어에서는 들을 수 없다. 이처럼 데이터간의 호환성이 없어 사용자는 그에 맞는 플레이어를 모두 설치해야 하는 불편함이 있다. 또 한 가지는 인코딩 시간이다.

원음을 AAC 포맷으로 만드는 인코딩 시간이 MP3에 비해 최대 10배 이상 느리다. 물론 인코딩 소프트웨어의 성능 향상으로 이 문제는 차츰 개선되겠지만 인코딩 시간이 느려 AAC 데이터를 만드는데 많은 시간이 소요된다는 것은 치명적인 약점이 된다. 현재 국내에서는 삼성전자가 유일하게 MP4 서비스를 실시하고 있으며(www.m4you.com), 외국에서는 A2b(www.a2bmusic.com)가 서비스를 하고 있다. MP4 플레이어로는 삼성전자의 뮤직드라이브, 홈보이 소프트웨어의 AAC Play, A2b 등이 있지만 데이터의 호환성은 장담하지 못한다. 이런 문제가 해결된다면 MP4가 표준화되는 날도 머지 않았다.

MPEG  standards 7 (Moving Picture Experts Group standards 7)
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1. MPEG 7 등장배경

  현재의 세계는 급격한 멀티미디어 정보의 증가와 활용을 경험하고 있다. 이는 다음과 같은 여러 가지 기술 발전에 기인한다.

첫째로 디지털 오디오 비쥬얼(Audio-visual) 데이터 처리 및 압축 기술의 발전과 이와 관련된 국제 표준화의 성공적인 도출이다. MPEG-2 표준은 통신, 방송, 저장 매체에 폭 넓게 적용할 것을 목표로 제정된 디지털 오디오 비디오 데이터의 압축 및 전송에 관한 국제 표준으로서 고선명TV를 포함하는 디지털 TV 방송, 차세대 가전기기의 핵심 장치가 될 DVD(Digital Versatile Disk)의 표준으로 채택되었다. 디지털 방송환경에서는 기존의 아날로그 방송 환경에서보다 훨씬 작은 전송 대역폭에 더 많은 양질의 프로그램을 공급할 수 있게 되었으며, 이미 미국의 DirecTV등에서 150채널 이상의 방송 채널을 갖고 서비스를 제공하고 있다.  

둘째로 고성능 개인용 컴퓨터, 대용량 저장 장치의 보편화 및 World Wide Web(WWW)으로 대변되는 컴퓨터 네트워크의 발전에 따라 디지털로 표현된 멀티미디어 정보의 생성, 전송, 가공이 매우 용이해졌다. WWW은 e-mail, newsgroup등을 통한 정보 교환, HomePage를 통한 기업의 홍보, 상품의 광고 및 거래, Web 방송 등 이미 그 활용도는 일상의 주요 활동에 없어서는 안 될 수단으로 자리 잡고 있다.
  Yahoo, AltaVista 등의 Web 검색 엔진이 가장 사람들이 많이 이용하고 있는 Site가 되고 있는 점은 효율적인 정보 검색을 위한 기술과 도구의 필요성이 절실함을 말해주고 있다. 그러나 엄청난 속도로 증가하는 멀티미디어 정보 중에서 사용자가 필요로 하는 내용의 정보를 찾기 위해서는 기존의 키워드 기반의 검색은 한계에 도달한 상황이기 때문에 사용자가 원하는 정보를 내용에 기반하여 검색할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

  이러한 최근의 기술 발전 추세 및 시장 요구를 바탕으로 하여, 국제 표준화 기구인 ISO와 IEC의 연합기술위원회 산하의 MPEG(공식명칭: ISO/IEC JTC1 SC29/WG11)에서는 MPEG-7:  Multimedia Content Description Interface 라는 이름으로 멀티미디어 데이터의 내용기반 검색을 위한 내용 표현 방식에 관한 국제 표준화 작업이 시작되었다.

2. MPEG-7 표준화 동향

2.1. 목적 및 범위

MPEG-7에서는 주로 오디오 비쥬얼 정보(정지화상, 픽쳐, 그래픽, 3D 모델, 오디오, 스피치, 비디오)의 표현을 그 대상으로 하고 있으나, HTML, SGML, 또는 RDF등이 목표로 하고 있는 텍스트 문서의 표현에 대한 것은 표준화 범위에 포함하지 않는다.

기존에 표준화되었거나 지금 표준화가 진행되고 있는 MPEG-1/2/4 등은 오디오 비쥬얼 데이터의 데이터 압축이 목표이지만, MPEG-7은 데이터 그 자체가 아닌 데이터의 내용에 대한 표현 방법을 다루는 것이다. 이를 다른 말로 '메타 데이터(Metadata)', 또는 'Bits about bits'라고 표현하기도 한다.

필요한 경우 이러한 문서 포맷에 관한 표준화가 적용될 수 있도록 하는 기능은 갖게 될 것이다. 그림 1은 MPEG-7과 관련된 정보 처리 과정과, 이 중 MPEG-7이 표준화 하고자 하는 범위를 개략적으로 보여준다.

이 중 특징 추출(Feature Extraction) 방식 및 검색 엔진(Search Engine)은 표준화의 대상으로 하지 않는다. 업체간의 경쟁이 가능한 부분을 남겨 놓는 것이 향후 계속적인 기술 발전을 유도하기 위하여 바람직하기 때문이다. MPEG-7은 멀티미디어 정보의 특징 및 내용 표현 방식에 초점을 맞추어 다음의 사항을 표준화하고자 한다.

기술자(Descriptors : D)와 기술 구조(Description Scheme : DS)
기술 구조를 표현하기 위한 기술정의언어(Description Definition Language : DDL)
색인, 저장 및 전송을 효율적으로 하기 위하여 사용될 코딩된 기술(Coded Description)

  MPEG-7에서 정의하는 용어는 다음과 같다.

데이터(Data)는 표현 형식에 상관없이 오디오비쥬얼 정보를 의미하며,
특징(Feature)은 오디오비쥬얼 정보의 성격이나 속성을 나타낸다.
기술자(Descriptor)는 특징을 어떤 값에 연결시켜주는 도구이며,
기술 구조(Description Scheme)는 데이터를 여러 개의 기술자로 나타내기 위한 그릇이다.