[논문]HEVC 영상 압축 기술 소개

한우진

HEVC 영상 압축 기술 소개 원문보기

방송공학회지 = Korea society broadcast engineers magazine, v.17 no.4, 2012년, pp.35 - 46

한우진 (가천대학교 소프트웨어설계경영학과)

초록
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현재 ITU-T Video Coding Experts Group(VCEG)과 ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG)에서는 고효율 영상 압축 기술(High-Efficiency Video Coding; HEVC) 표준화에 대한 막바지 작업을 진행하고 있다. 본 원고에서는 기존 H.264/AVC 대비 동일 주관적 화질 대비 압축률 2배를 목표로 하고 있는 HEVC 영상 압축 기술에 대해, 그 배경 및 주요 구성 요소 기술에 대해 설명하고, 표준화 진행과정에 대해서 간략하게 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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제안 방법

HEVC도 마찬가지로 in-loop 형태의 deblocking filter를 사용하는데, 복잡도를 낮추기 위해서 4×4 블록 경계에 대해서는 deblocking filter를 적용하지 않으며, 세로 방향의 블록 경계에 대한 가로 방향 deblocking과 가로 방향의 블록 경계에 대한 세로 방향 deblocking을 picture 단위로 독립시킴으로써 병렬성을 향상시켰다.
264/MPEG-4 AVC와는 달리 색차 신호에 대해 휘도 신호와 동일한 방향성을 적용할 수 있도록 허용함으로써 총 33 종류 중 하나의 방향성을 갖도록할 수 있다. 또한, 특별히 방향성을 갖지 않는 영역에 대한 예측을 위해 H.264/MPEG-4 AVC와 유사하게 인접 샘플의 평균값을 사용하는 DC 모드와 점진적으로 부드럽게 변화하는 영역을 표현하는 planar 모드를 함께 정의하고 있다. 특히 H.
이 때, 다양한 크기의 변환을 구현하기 위한 요구 메모리를 최소화하기 위해, H.264/MPEG-4 AVC의 4×4 변환, 8×8 변환을 재사용하는 대신, 32×32 변환을 정의하고, 이의 행렬 계수들로부터 각기 다른 샘플 크기를 갖는 모든 변환들의 행렬 계수를 복잡한 계산 없이 서브샘플링 만으로 얻을 수 있도록 설계하였다.

이론/모형

HEVC는 헤더 정보를 압축하기 위해서 가변 길이 부호화(variable length coding; VLC)를 활용하며, 나머지 비트스트림 정보는 H.264/MPEG-4 AVC에서 이미 사용되었던 엔트로피 코딩 기술인 CABAC을 사용한다. H.

성능/효과

264/MPEG-4 AVC에 비해 월등한 성능 향상을 보이는 기술들이 있는지 확인하기 위한 단계로서, Call-forEvidence[11]가 공지되었다. 그 결과, 현재의 기술에 비해 압축 성능을 크게 증가시킬 수 있는 기술들이 존재함을 확인하고, ITU-T VCEG과 공동으로 JCT-VC라는 공동 기구를 통해 HEVC 표준화를 진행하게 되었다. 2010년 1월에는 HEVC 표준화의 초기 기술 집합을 확정하기 위한 Call-forProposal[12]이 공지되었으며, 기고된 제안서들 중 우수한 압축 효율을 보인 기술들[13]을 하나로 합하여 2010년 4월, Test Model under Consideration (TMuC)[14]이라고 불리는 초기 테스트 모델이 만들어졌다.
각 tile들은 헤더 정보를 공유하는 대신, 독립적으로 복호화가 가능한 특징을 갖는다. 따라서 복호화기에서의 병렬성을 손쉽게 증가시킬 수 있으며, 추가적으로 임의의 tile만을 복호화 하는 것을 가능하게 함으로써 전체 picture 중 일부만을 복호화 할 수 있는 기능을 제공한다.
이처럼 늘어난 방향성의 개수에 대한 구현 부담을 최소화하기 위해서, 가로 방향과 세로 방향을 제외한 나머지 모든 방향들에 대해서 동일한 방법으로 예측 신호를 생성할 수 있도록 예측 알고리즘을 일반화 하였으며, 복잡한 계산 대신 미리 만들어진 테이블의 값을 참조함으로써 예측 샘플 값을 얻을 수 있도록 연산량을 최소화 하였다. 또한, 이 과정에서 인접 참조 샘플들의 값을 1/32 정밀도로 선형 보간하여 예측 신호의 정밀도 또한 크게 향상시켰다.
Lossless coding 모드는 예측 단계는 포함하지만 변환과 양자화 과정을 생략함으로써 최소한의 변화 만으로 HEVC 표준안에서 무손실 압축을 할 수 있도록 한다. 마지막으로, transform skipping 모드는 변환 과정만을 생략하며, 이는 자연 영상이 아닌 컴퓨터 그래픽스로 만들어진 영상들에 대한 압축 성능을 크게 향상시킨다.
264/MPEG-4 AVC와 차이점을 보인다. 먼저, CABAC에서 심볼을 압축하기 위해 사용되는 문맥 정보를 유도함에 있어, 쿼드트리 구조를 활용하며, 총 문맥 정보의 수는 H.264/AVC에 비해 오히려 크게 감소되었다. 또한, 간단한 연산만을 요구하는 CABAC의 bypass mode가 H.
한편, 표준화 기구를 통한 공식 테스트 결과는 아니지만, [9]에서는 주관적 화질 측면에서의 비교를 수행하였으며 <표 2>는 이 결과를 요약한 것이다. 이 결과에 따르면, 총 5개의 1080p 및 720p 해상도 영상들에 대해서, H.264/MPEG-4 AVC 대비 절반 크기를 갖도록 압축된 HEVC의 결과 영상을 선호하거나, H.264/MPEG-4 AVC와 대등한 화질로 판단한 경우가 전체 중 72%에 해당한다는 결과를 얻음으로써, HEVC가 많은 경우에 있어서 H.264/MPEG-4 AVC 대비 50% 압축률 향상을 이미 달성하고 있음을 증명하였다.
HEVC도 거의 같은 방식을 사용하지만, 예측의 기준이 되는 블록의 크기가 최대 64×64까지 커짐에 따라, <그림 6>과 같이 방향성의 개수를 33방향으로 확장하였다. 이처럼 늘어난 방향성의 개수에 대한 구현 부담을 최소화하기 위해서, 가로 방향과 세로 방향을 제외한 나머지 모든 방향들에 대해서 동일한 방법으로 예측 신호를 생성할 수 있도록 예측 알고리즘을 일반화 하였으며, 복잡한 계산 대신 미리 만들어진 테이블의 값을 참조함으로써 예측 샘플 값을 얻을 수 있도록 연산량을 최소화 하였다. 또한, 이 과정에서 인접 참조 샘플들의 값을 1/32 정밀도로 선형 보간하여 예측 신호의 정밀도 또한 크게 향상시켰다.
262/MPEG-2나 MPEG-4 Visual과는 달리 이미지 영역에서의 인접 샘플 값을 예측 값으로 사용함으로써 화면 내 예측의 성능을 크게 끌어올렸다. 특히, 총 8방향의 방향성을 고려할 수 있도록 함으로써 강한 방향성이 나타나는 형태에서 특히 높은 효율을 보일 수 있도록 설계되었다. HEVC도 거의 같은 방식을 사용하지만, 예측의 기준이 되는 블록의 크기가 최대 64×64까지 커짐에 따라, <그림 6>과 같이 방향성의 개수를 33방향으로 확장하였다.
264/MPEG-4 AVC 와의 정확한 압축 성능 비교는 아직 어렵다고 할 수 있다. 하지만, H.264/MPEG-4 AVC와 HEVC의 참조 소프트웨어들을 이용한 테스트 결과들을 보면, 고해상도 영상의 경우 동일 PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio) 수준에서 40% 이상의 비트 절감을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. <표 1>은 Microsoft에서 테스트 한 결과[8]를 요약한 것이며, 1초마다 인트라 프레임을 삽입하는 random access 테스트 조건의 경우 4K×2K, 1080p 해상도에서 H.

후속연구

스마트폰, 태블릿 등 모바일 기기에서도 HD 1080p 이상의 HD 영상에 대한 재생 및 녹화를 지원하는 등 HD 영상이 날로 보편화되고 있는 것은 물론, 이를 넘어 4k×2k, 8k×4k 등 HD 1080p 이상의 초고해상도를 지원하는 디스플레이 장치 및 영상 획득 장치들이 속속 등장하고 있다. 또한, 3D 고화질 영상 서비스 및 다시점 영상 서비스와 같이 영상 데이터의 양을 크게 증가시키는 서비스들이 점차 일반화될 것으로 예측된다. 한편 세계 최대의 영상 공유 사이트인 YouTube는 매 분당 약 48시간의 영상 데이터가 업로드되고 있으며, 이와 관련하여 Cisco에서 2011년 예측한 자료에 의하면 이미 전세계 인터넷 트래픽의 50% 이상이 영상 서비스에 의한 것이며, 이 수치는 향후 3년 이내에 90%에 달할 것이라고 한다.
HEVC는 기존 압축 기술과 유사한 block-based hybrid coding 방법에 기초하고 있지만, 각 요소 기술 측면에서 많은 발전이 이루어져, 뛰어난 압축 효율을 얻을 수 있다. 한편, 최신 멀티 프로세서 기술을 최대로 활용할 수 있도록, 병렬화를 위한 고려가 설계 단계에서 반영됨으로써 HEVC의 복잡도는 H.264/MPEG-4 AVC 대비 크게 증가하지 않을 것으로 예측되고 있어, 향후 UHDTV, HD 모바일 스트리밍, Full-HD 3D 영상 서비스 등 다양한 분야에 적용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MPEG에서 발표한 광기기에 저장하기 위한 영상 압축 기술은 무엇인가?	261[1], H.263[2]등을 발표하였으며, MPEG에서는 광기기에 저장하기 위한 영상 압축 기술인 MPEG-1[3], MPEG-4 Visual[4]를 발표하였다. 또한, 두 기구에서 공동으로 작업하여 발표한 표준으로, H.
	ITU-T에서 발표한 화상 통화를 위한 영상 압축 기술은 무엇인가?	주관적 화질 손실을 최소화하면서 막대한 영상 데이터의 양을 크게 감소시키기 위해 사용되는 영상 압축 기술은 주로 ITU-T와 ISO/IEC로 대표되는 국제 표준화 기구들을 통해 제정된 표준들에 의해 기술 발전이 이루어져왔다. ITU-T에서는 화상 통화를 위한 영상 압축 기술인 H.261[1], H.263[2]등을 발표하였으며, MPEG에서는 광기기에 저장하기 위한 영상 압축 기술인 MPEG-1[3], MPEG-4 Visual[4]를 발표하였다. 또한, 두 기구에서 공동으로 작업하여 발표한 표준으로, H.
	Wavefront 기술을 slice를 이용하여 구현할 시 나타나는 문제점은 무엇인가?	Wavefront 기술은 하나의 picture를 CTU들의 열들로 분할하고, 각각의 열 들을 병렬화 하여 부호화하는 시나리오를 가상한다. 이를 slice를 이용하여 구현하는 경우, 각 열 들에 대한 병렬 처리는 가능하지만 각기 독립적으로 부호화되기 때문에 압축 효율이 하락하는 문제점이 있다. Wavefront 기술을 적용하는 경우, 하나의 열을 부호화 함에 있어, 이전 열의 일부분 부호화가 끝난 후 부호화를 시작하도록 한정하기 때문에, 이전 열의 부호화 결과를 일부분 재활용 할 수 있으며, 결과적으로 압축 효율 하락을 최소화 할 수 있다.

참고문헌 (15)

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T. Wiegand, J.-R. Ohm, G. J. Sullivan, W.-J. Han, R. Joshi, T. K. Tan, and K. Ugur, "Special Section on the Joint Call for Proposals on High Efficiency Video Coding (HEVC) Standardization," IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., vol. 20, pp. 1661-1666, Dec. 2010.

상세보기
ITU-T and ISO/IEC JTC1, "Test Model under Consideration," ITU-T/ISO/IEC Joint Collaborative Team on Video Coding (JCTVC) document JCTVC-A205, Apr. 2010.
T. Wiegand, W.-J. Han, B. Bross, J.-R. Ohm, and G. J. Sullivan, "WD1: working draft 1 of high-efficiency video coding," ITUT/ ISO/IEC Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC) document JCTVC-C402, Oct. 2010.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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