영상 기술은 지난 수십 년 동안 급속한 발전을 거듭했습니다. 이전에는 동영상이 대량의 정지 사진 모음으로 구성되었으며, 이를 디지털화하기 위해 과도하게 부피가 큰 파일을 사용했습니다. 그러나 이제 영상 인코딩은 기술적 전환을 가져왔습니다. 즉, 이러한 파일을 압축하여 공간을 덜 소비하게 되었습니다. 인터넷을 통해 실시간 및 주문형으로 영상를 스트리밍하는 것도 가능해졌습니다.
가장 널리 사용되는 인코딩 기술 중 하나는 영상 방송과 관련된 많은 품질 문제를 해결할 수 있는 H.264(AVC – Advanced Video Coding)입니다. 오늘 블로그에서는 H.264 영상 인코딩이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 장점에 대해 자세히 알아보겠습니다.
영상 인코딩이란 무엇입니까?
영상 인코딩은 원본 영상 파일을 개별 이미지가 아닌 유동적인 영상으로 저장되도록 디지털 파일로 변환하는 프로세스입니다. 즉, 아날로그 소스를 압축하여 디지털 소스로 변경하는 과정입니다. 일반적으로 영상 파일 압축에는 코더/디코더(코덱)가 사용됩니다.
코덱을 논의하기 전에 먼저 임베디드 비전 애플리케이션에서 영상 인코딩이 필요한 이유를 살펴보겠습니다.
임베디드 비전 애플리케이션에서 영상 인코딩의 중요성
초기에는 영상 파일이 모두 원시 형식이었습니다. 즉, 정지 사진 모음이었습니다. 30fps(초당 프레임)로 녹화된 영상의 경우 초당 30장의 사진을 사용해야 합니다. 따라서 동영상 하나에 분당 1800개의 이미지가 사용되므로 동영상 파일 크기가 방대해집니다. 이 문제를 극복할 수 있는 유일한 해결책은 해당 영상을 압축하는 것인데, 이 과정을 거치면 품질이 저하됩니다. 나중에 엔지니어들은 품질 저하 없이 이러한 파일을 압축하는 영상 인코딩 기술을 개발했습니다.
영상 인코딩의 일반적인 목적 중 일부는 다음과 같습니다.
- 파일 크기 줄이기
- 스트리밍 영상의 버퍼링 감소
- 영상 해상도 또는 종횡비 변경
- 오디오 형식 또는 품질 변경
- 오래된 파일을 최신 형식으로 변환
- 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰, 스마트 TV 등과 같은 특정 장치와 호환되는 영상를 만듭니다.
코덱이란 무엇입니까?
코덱은 디지털 데이터 스트림이나 신호를 인코딩하거나 디코딩하는 소프트웨어 또는 영상 인코더입니다. 아날로그와 디지털 형식 사이에서 원시 영상 및 오디오 파일을 압축하여 더 작게 만듭니다. 코덱의 블록 다이어그램은 아래와 같습니다.
그림 1: 코덱의 블록 다이어그램
(출처 – Brid.TV)
코덱은 두 가지 구성 요소로 구성됩니다.
- 인코더 – 압축을 처리합니다.
- 디코더 – 파일의 압축을 풀고 볼 수 있도록 준비합니다.
다음과 같은 수백 가지의 다양한 코덱이 있습니다.
- 264/AVC
- 265/HEVC
- AV1
- VP9
- 266/VVC
이러한 코덱 중 H.264/AVC 및 H.265/HEVC 코덱은 일반적으로 임베디드 카메라 에 사용됩니다 . 이 기사의 범위는 H.264로 제한되어 있으므로 이제 다음 섹션에서 자세히 살펴보겠습니다.
H.264/AVC란 무엇입니까?
H.264는 AVC(Advanced Video Coding) 또는 MPEG-4 Part 10이라고도 합니다. H.264와 같은 국제전기통신연합(International Telecommunications Union)과 국제표준화기구/국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission Moving Picture)가 공동으로 개발한 영상 압축 기술입니다. 전문가 그룹(MPEG-4 Part 10, 고급 영상 코딩 또는 AVC).
요즘에는 H.264 코덱이 영상 스트리밍에 가장 일반적으로 사용됩니다. 이 코덱은 제작자가 온라인 영상을 녹화, 압축 및 배포하는 데 도움이 되는 영상 압축에 대한 업계 표준입니다. 이전 표준에 비해 낮은 비트 전송률로 우수한 영상 품질을 제공합니다. 따라서 케이블 TV 방송 및 Blu-ray 디스크에 널리 사용됩니다.
영상 코덱으로서 H.264는 .MP4 확장자를 사용하는 MPEG-4 컨테이너 형식으로 자주 제작되며, 휴대폰용 QuickTime(.MOV), Flash(.F4V), 3GP(.3GP), 및 MPEG 전송 스트림(.ts). 때때로 H.264 영상은 ISO/IEC 표준(MPEG4 Part 3)인 AAC(Advanced Audio Coding) 코덱으로 압축된 오디오로 인코딩 됩니다.
H.264/AVC는 어떻게 작동하나요?
H.264 영상 인코더는 예측, 변환 및 인코딩 프로세스를 수행하여 압축된 H.264 비트스트림을 생성합니다. 영상 콘텐츠의 프레임을 처리하기 위해 모션 경쟁이 가능한 블록 중심 표준을 활용합니다. 출력은 최대 16×16 픽셀의 블록 크기로 구성된 매크로블록입니다.
이제 H.264 영상 디코더는 디코딩, 역변환 및 재구성과 같은 보완 프로세스를 수행하여 디코딩된 영상 시퀀스를 생성합니다. 압축된 H.264 비트스트림을 수신하고, 각 구문 요소를 디코딩하고, 양자화된 변환 계수, 예측 정보 등과 같은 정보를 추출합니다. 또한 이 정보는 코딩 프로세스를 역전시키고 영상 이미지 시퀀스를 재생성하는 데 사용됩니다. H.264 영상 코딩 및 디코딩 프로세스는 다음과 같습니다.
그림 2: H.264의 프로세스 다이어그램
(출처 – Vcodex)
H.264의 장점
- 낮은 대역폭 사용량 및 높은 해상도 모니터링 – MPEG-2와 같은 기존 영상 표준보다 낮은 대역폭 요구 사항과 낮은 대기 시간으로 풀 모션 영상의 고품질 전송을 제공합니다. H.264는 고품질 이미지를 제공하고 최소한의 대역폭을 사용하는 효율적인 코덱을 사용합니다.
- 다른 형식보다 낮은 H.264 비트 전송률 – Motion JPEG 영상보다 비트 전송률이 80% 낮습니다. MPEG-2에 비해 비트레이트 절감 효과가 50% 이상일 것으로 추정됩니다. 예를 들어, H.264는 동일한 압축 비트 전송률로 더 나은 이미지 품질을 제공할 수 있습니다. 낮은 비트 전송률에서도 동일한 이미지 품질을 제공합니다.
- 영상 스토리지에 대한 수요 감소 – IP를 통한 손쉬운 영상 전송에 필수적인 다른 표준에 비해 디지털 영상 파일 콘텐츠의 크기를 50% 줄이고 더 적은 스토리지를 사용하여 영상를 저장합니다.
- 놀라운 영상 품질 – 다른 영상 형식의 절반 크기인 ¼의 데이터 속도로 선명한 고품질 영상 콘텐츠를 제공합니다.
- 더 효율적 – MPEG-2 코덱보다 2배 더 효율적이고 파일 크기가 3배 더 작아서 이 압축 형식이 더 효율적입니다. 이 코덱을 사용하면 영상 콘텐츠의 전송 대역폭이 낮아집니다.
- 슬로우 모션 영상 콘텐츠에 적합 – 메가픽셀 카메라를 사용하는 로우 모션 영상 코덱에 매우 효율적입니다.
e-con Systems가 개발한 H.264 카메라
18년 이상의 경험을 보유한 선도적인 OEM 카메라 솔루션 제공업체인 e-con Systems는 다양한 H.264 카메라를 제공합니다.
H.264 카메라를 귀하의 제품에 통합하는 데 관심이 있으시면 Camerasolutions@e-consystems.com으로 이메일을 보내주십시오. 동시에 당사의 카메라 선택기를 방문하여 USB, MIPI 및 GMSL 카메라의 전체 포트폴리오를 살펴보실 수 있습니다.
Prabu는 e-con Systems의 최고 기술 책임자이자 카메라 제품 책임자이며 임베디드 비전 분야에서 15년 이상의 풍부한 경험을 갖고 있습니다. 그는 USB 카메라, 임베디드 비전 카메라, 비전 알고리즘 및 FPGA에 대한 깊은 지식을 제공합니다. 그는 의료, 산업, 농업, 소매, 생체 인식 등 다양한 분야에 걸쳐 50개 이상의 카메라 솔루션을 구축했습니다. 그는 또한 장치 드라이버 개발 및 BSP 개발에 대한 전문 지식을 갖추고 있습니다. 현재 Prabu의 초점은 새로운 시대의 AI 기반 애플리케이션을 지원하는 스마트 카메라 솔루션을 구축하는 것입니다.