<시리즈> MPEG와 정보혁명 (10);JPEG

영상을 디스크에 저장하거나 통신채널을 통해 전송하려면 과다한 데이터량이 큰 부담이 된다. 예를 들어 컴퓨터 화면에서 흔히 쓰이는 4백40×6백40화소 에 한 화소당 R(적색) G(녹색) B(청색) 각각 8비트씩 차지하는 자연색 영상의 경우 한장의 화면이 약 0.9MB를 차지한다. 현재 널리 보급되어 있는PC의 하드디스크 용량이 5백60MB, 3.5인치 플로피디스크의 용량이 1.44 MB인 점을 감안하면 영상의 데이터량은 상당한 것이다.

JPEG(Joint P-hotographic E.perts Group)은 컴퓨터 전자카메라 컬러팩 스 컬러프린터 등에 응용되는 정지화의 저장 및 전송을 위한 효율적인 압축 에 관한 국제표준(ISO-IEC 10918)으로서 이 표준화를 담당하는 작업반 이 별칭이기도 하다.

표준화단계에서 유럽의 DCT, 미국의 산술부호화, 일본의 벡터 양자화가 치열한 경합을 벌인 끝에 극적으로 DCT방식으로 타협을 보아 1988년 그 기술적 내용이 완성되었다. 심의 과정에서 특히 이진 화상(팩시밀리 등이 대상으로 하는)은 별도의 효과적 압축방식이 필요하다고 여겨 별도의 작업반을 만들어 JBIG(Joint Bi-level Image C-oding E.perts G-roup)표준을 완성 하게 되었다.

JPEG압축방식은 크게 무손실 모드와 손실 모드로 나눌 수 있다. 무손실 모드는 의료 영상 등과 같이 원화에 전혀 손상을 주어서는 안되는 응용분야 에 쓰이고, 손실 모드는 시각적으로 못 느낄 정도의 손실을 허용하면서 압축 률을 높이는 많은 응용분야에 채택된다.

무손실 모드는 부호화하고자 하는 화소를 인접한 이전 화소들로부터 공간적 으로 예측하여 그 예측오차를 통계적 빈도에 따라 허프만 부호화하고 있다.

손실 모드는 압축률을 높이기 위하여 손실부호화(DCT+양자화)와 무손실 부호화(DPCM.런길이 부호화, 허프만부호화.산술부호화)를 결합하고 있다. 화면을 블록(8×8화소)단위로 나누어 블록별로 DCT를 행하여 에너지 를저주파계수에 집중시킨 후 양자화한다. 이때 인간의 눈이 고주파 성분의 양자화 잡음을 덜 느끼는 점을 이용하여 고주파 계수일수록 양자화 스텝을 크게 한다. 따라서 고주파 DCT계수들은 크기도 작은데 양자화 스텝도 커서대부분 0이 된다.

손실 모드는 기본(Ba-seline)방식과 확장(E-.tended)방식으로 나뉜다. 기본방식은 양자화된 DCT계수들을 더욱 압축하기 위해 런길이 부호화와 허프 만 부호화를 쓰고 있다. 즉 DC로부터 출발하여 지그재그 주사를 하면서 0이 몇개 반복되고 0이 아닌 값이 나오는지를 런.레벨의 형태로 나타낸다. 이 심벌들은 발생 확률이 각각 다르므로 2차원 허프만 부호를 써서 더욱 압축하고 있다. 이때 각 블록의 평균값에 해당하는 DC는 화질에 크게 영향을 주므로 보다 충실히 표현할 필요가 있다. 따라서 DC는 AC계수들에 비해 보다 세밀히 양자화하고, 양자화된 결과에 대해 이전 블록과의 차이를 취해 1차원 허프만 부호화한다.

확장방식은 양자화된 DCT 계수들을 보다 더 효율적으로 압축하기 위해 산술 부호화를 사용한다. 허프만 부호에 비해 약간 효율은 높으나 그만큼 더 복잡 하고 특히 IBM을 비롯한 몇개사가 이 부분의 특허를 보유하고 있어 특허료가 없고 구현이 용이한 기본방식이 오히려 더 널리 사용되고 있다. 확장방식은 또 한 화면을 점진적으로 부호화하여 수신측에서 점진적으로 선명해지는 화면을 선택적으로 재생할 수 있도록 하는 기능도 포함하고 있다.

컴퓨터에 있어서 현재 여러가지의 영상데이터 저장포맷과 압축방식이 사용되고 있다. 널리 쓰이는 GIF나 TIFF 포맷 등은 렘펠-지브 알고리듬을 이용한 무손실 압축기법에 기초하고 있다. 이들보다 훨등히 뛰어난 압축률과 응용범위를 갖는 JPEG는 최근 PC에 적극적으로 도입되기 시작하여.jpg라는 확장 자를 갖는 파일을 출력시킨다. 또 동영상에 대해서 매 화면을 JPEG로 압축하는 M-JPEG(Motion-JPEG)도 있다. M-JPEG는 움직임 보상부분이 없어 압축률은 MPEG보다 약간 떨어지나 대신 구현이 훨씬 용이하고 MPEG 압축파일과 달리 화면단위의 편집이 가능하다.

JPEG는 비슷한 시기에 역시 DCT를 근간으로 하여 완성된 영상전화.회의용의H.261 표준과 함께 훗날 멀티미디어를 핵심기술로 탄생하는 MPEG-1과 2의 모태가 된다. 즉 MPEG는 JPEG로부터 DCT에 기초한 화면의 부호와 기법을, H.261로부터 움직임 보상DCT를 이용한 화면간 부호화 기법을 각각 따온 후 이들을 결합.발전시킨 것이다. 정제창 <한양대교수>