H.262/MPEG-2 파트 2
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1. 개요
H.262/MPEG-2 파트 2는 1996년에 ITU-T와 ISO/IEC에 의해 발표된 비디오 코딩 표준이다. 이 표준은 비디오 압축을 위해 I-프레임, P-프레임, B-프레임과 같은 다양한 부호화 방식을 사용하며, 프로파일과 레벨을 통해 다양한 응용 분야에 맞게 기능을 정의한다. H.262/MPEG-2 파트 2는 DVD-Video, HDV, XDCAM, HD DVD, 블루레이 디스크, 디지털 케이블 TV 및 위성 TV 등 다양한 영상 포맷 및 방송 시스템에 사용된다.
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| H.262/MPEG-2 파트 2 | |
|---|---|
| H.262/MPEG-2 파트 2 | |
| 개요 | |
| 종류 | 비디오 압축 형식 | 
| 후속 표준 | MPEG-1 | 
| 상세 정보 | |
| 상태 | 시행 중 | 
| 최초 게시일 | 1996년 5월 | 
| 최신 버전 | ISO/IEC 13818-2:2013 | 
| 최신 버전 게시일 | 2013년 10월 | 
| 표준 개발 기관 | ITU-T, ISO/IEC JTC 1 | 
| 관련 위원회 | ITU-T Study Group 16 VCEG, MPEG | 
| 기반 표준 | H.261, MPEG-2 | 
| 관련 표준 | H.222.0, H.263, H.264, H.265, H.266, ISO/IEC 14496-2 | 
| 도메인 | 비디오 압축 | 
| 라이선스 | 특허 만료 | 
| 웹사이트 | ITU-T 웹사이트 | 
2. 역사
H.262/MPEG-2 파트 2 표준은 여러 회사의 기술 기여를 통해 개발되었다. 벨코어(Bellcore)의 디디에 르 갈(Didier LeGall)이 표준 개발을 주도했고,[8] 일본전신전화(NTT)의 오쿠보 사카에(Sakae Okubo)가 ITU-T 코디네이터를 맡아 요구 사항에 대한 합의를 이끌었다.[9] 현대전자(현재 SK하이닉스)는 1995년에 최초의 MPEG-2 SAVI(System/Audio/Video) 디코더를 개발했다.[10] 이후 이 표준을 구현하는데 필수적인 것으로 특허 풀에서 주장된 대부분의 특허는 소니(311개 특허), 테크니컬러 SA(Thomson, 198개 특허) 및 미쓰비시전기(119개 특허)의 세 회사에서 보유하고 있다.[11]
2. 1. 판
H.262에 대한 ISO/IEC 승인 과정은 1994년 11월에 완료되었다.[19] 첫 번째 판은 1995년 7월에 승인되었으며[20], 1996년에 ITU-T[16]와 ISO/IEC가 발표하였다.[21]1996년, Preetahm이 저작권 식별자와 4:2:2 프로파일을 포함하기 위해 2가지 수정을 거쳤다.[16][22] ITU-T는 1996년 수정안을 발표하였으며, 1997년에 ISO가 발표하였다.[21]
이후에도 ITU-T와 ISO는 다른 수정안들을 발표하였다.[16][17][23]
| 판 | 출시년도 | 마지막 수정 | ISO/IEC 표준 | ITU-T 권고 | 설명 | 
|---|---|---|---|---|---|
| 첫 번째 판 | 1995 | 2000 | ISO/IEC 13818-2:1996[21] | H.262 (07/95) | |
| 두 번째 판 | 2000 | 2010[16][17][24] (2011)[25] | ISO/IEC 13818-2:2000[17] | H.262 (02/00) | 
MPEG-2 영상 부호화는 MPEG-1과 유사하지만, 아날로그 방송 TV 시스템에서 사용되는 인터레이스 영상을 지원한다는 차이점이 있다. MPEG-2는 3Mbit/s 이상의 비트레이트에서 MPEG-1보다 우수한 성능을 보이며, 표준을 따르는 모든 MPEG-2 영상 디코더는 MPEG-1 영상 스트림을 재생할 수 있다.[18]
3. 영상 부호화
HDTV 카메라는 초당 많은 양의 비압축 영상 데이터를 생성하는데, 이는 디지털 TV 채널 대역폭이나 DVD 용량에 맞게 압축되어야 한다. 영상 압축은 공간적, 시간적 중복성을 활용하여 데이터를 효율적으로 줄이는 기술이다. 예를 들어, 하늘과 같이 영상의 특정 부분이 여러 프레임 동안 동일하게 유지되거나, 인간의 눈이 인지하기 어려운 수준의 영상 품질 감소를 통해 데이터를 줄일 수 있다.
MPEG-2는 I-프레임, P-프레임, B-프레임 세 가지 유형의 프레임을 사용하여 비압축 프레임을 압축한다. I-프레임은 비압축 프레임의 압축된 버전이며, P-프레임과 B-프레임과 달리 이전 또는 다음 프레임의 데이터에 의존하지 않는다. 일반적으로 15번째 또는 그 이상의 프레임은 I-프레임으로 만들어지며, P-프레임과 B-프레임은 사진 그룹(GOP)을 형성하기 위해 I-프레임을 따를 수 있다. 그러나 H.262/MPEG-2 파트 2는 이에 대해 유연한 기준을 적용한다.
3. 1. 화면 샘플링
TV 카메라는 보통 초당 25장(유럽 기준) 또는 29.97장(북미 기준)의 프레임을 발생시킨다. 디지털 TV는 컴퓨터 하드웨어를 통해 처리하기 위해 이러한 사진들을 디지털화할 수 있어야 한다. 그런 다음 각각의 화소는 하나의 루마 숫자와 두 개의 색차 숫자로 표현된다. 이 세 가지가 밝기와 픽셀의 색상을 표현한다.(YCbCr 참조.) 그러므로 각 디지털화된 사진은 처음에 3가지 직사각형 숫자 배열로 표현된다.
방송/인코딩에서 데이터 양을 줄이기 위한 일반적이고 전통적인 방법은 두 필드로 나누는 것이다. '톱 필드'(top field)는 홀수 번째 수평선들이고, '바텀 필드'(bottom field)는 짝수 번째 수평선들이다. 수신/디코딩에서는 한 필드의 수평선들이 이전 필드의 수평선들에 끼워지고 번갈아가며 표시된다. 이러한 방식을 비월 주사 방식이라고 하며 두 연속적인 필드를 합쳐 '프레임'이라고 한다. 일반적인 필드 레이트는 50(유럽/PAL) 또는 59.94(미국/NTSC)FPS('Field' Per Second)이다. 비월 주사 방식처럼 필드가 끼워지지 않는 방식을 순차 주사 방식이라 하며 각각의 사진을 프레임이라 한다. MPEG은 두 가지 방식을 모두 지원한다.
데이터레이트를 줄이기 위한 또 다른 일반적인 방식은 두 색차 평면을 서브샘플링하는 것이다. 씬 아웃(thin out)이라고도 표현되는 이 방식은 결과적으로 남아있는 색차 값은 삭제된 주변값들을 표현한다. 씬 아웃이 통하는 이유는 인간의 눈이 색차 세부정보보다 밝기 세부정보를 더 잘 결정하기 때문이다. 4:2:2 색차 형식은 색차값의 절반이 삭제되었다는 것을 나타낸다. 4:2:0 색차 형식은 3/4의 색차값이 삭제되었다는 것을 나타낸다. 어떠한 색차값도 삭제되지 않았다면, 그 색차 형식은 4:4:4이다. MPEG은 세 가지를 모두 지원한다.
3. 2. I-프레임, P-프레임, B-프레임
MPEG-2는 세 가지 기본 유형의 부호화된 프레임을 포함한다.
I-프레임은 압축되지 않은 (원시) 단일 프레임의 개별적으로 압축된 버전이다. I-프레임 부호화는 공간적 중복성과 눈이 이미지의 특정 변화를 감지할 수 없는 점을 활용한다. P-프레임 및 B-프레임과 달리 I-프레임은 이전 프레임 또는 이후 프레임의 데이터에 의존하지 않으며, 따라서 부호화 방식은 정지 사진을 부호화하는 방식과 매우 유사하다(대략 JPEG 사진 부호화와 유사).
간단히 말해서, 원시 프레임은 8픽셀 x 8픽셀 블록으로 나뉜다. 각 블록의 데이터는 이산 코사인 변환(DCT)에 의해 변환된다. 결과는 실수 값을 갖는 8×8 계수 행렬이다. 변환은 공간적 변화를 주파수 변화로 변환하지만, 블록의 정보를 변경하지 않는다. 변환이 완벽한 정밀도로 계산되면 역 코사인 변환을 적용하여 원래 블록을 정확하게 다시 만들 수 있다(또한 완벽한 정밀도로). 8비트 정수에서 실수 값 변환 계수로의 변환은 실제로 처리의 이 단계에서 사용되는 데이터의 양을 늘리지만, 변환의 장점은 이미지를 계수를 양자화하여 근사할 수 있다는 것이다. 변환 계수의 대부분, 일반적으로 고주파 성분은 양자화 후 0이 되는데, 이는 기본적으로 반올림 연산이다. 이 단계의 단점은 밝기와 색상에서 미묘한 차이가 손실된다는 것이다. 양자화는 인코더가 선택한 대로 거칠거나 미세할 수 있다. 양자화가 너무 거칠지 않고 양자화된 후 행렬에 역변환을 적용하면 원래 이미지와 매우 유사하지만 완전히 동일하지 않은 이미지를 얻는다.
다음으로, 양자화된 계수 행렬 자체가 압축된다. 일반적으로 양자화가 적용된 후 계수의 8×8 배열의 한 모서리에는 0만 포함된다. 행렬의 반대쪽 모서리에서 시작하여 계수를 문자열로 결합하기 위해 행렬을 지그재그로 통과한 다음 해당 문자열의 연속된 0을 런 길이 코드로 대체한 다음 허프만 부호화를 적용하면 행렬이 더 작은 데이터 양으로 줄어든다. 이 엔트로피 부호화된 데이터가 방송되거나 DVD에 들어간다. 수신기 또는 플레이어에서 전체 프로세스가 반전되어 수신기가 원래 프레임을 근사적으로 재구성할 수 있다.
B-프레임의 처리는 P-프레임과 유사하지만, B-프레임은 이전 참조 프레임의 그림뿐만 아니라 이후 참조 프레임의 그림도 사용한다. 결과적으로 B-프레임은 일반적으로 P-프레임보다 더 많은 압축을 제공한다. B-프레임은 MPEG-2 비디오에서 참조 프레임이 아니다.
일반적으로 15번째 프레임마다 I-프레임으로 만들어진다. P-프레임과 B-프레임은 I-프레임을 따라 IBBPBBPBBPBB(I)와 같이 화면 그룹(GOP)을 형성할 수 있지만, 표준은 이에 대해 유연하다. 인코더는 어떤 그림을 I-, P-, B-프레임으로 부호화할지 선택한다.
3. 3. 매크로블록
P-프레임을 생성하기 위해 이전 참조 프레임은 TV 수신기나 DVD 플레이어에서와 마찬가지로 재구성된다. 압축될 프레임은 16x16 픽셀의 매크로블록으로 나뉜다. 그런 다음, 각 매크로블록에 대해 재구성된 참조 프레임을 검색하여 압축 중인 매크로블록의 내용과 거의 일치하는 16 x 16 영역을 찾는다. 이 오프셋은 "모션 벡터"로 인코딩된다. 오프셋은 종종 0이지만, 그림의 내용이 움직이는 경우 오프셋은 오른쪽으로 23 픽셀, 위로 4.5 픽셀과 같은 값이 될 수 있다. MPEG-1 및 MPEG-2에서 모션 벡터 값은 정수 오프셋 또는 반정수 오프셋을 나타낼 수 있다. 두 영역 간의 일치는 완벽하지 않은 경우가 많다. 이를 보정하기 위해 인코더는 두 영역의 모든 해당 픽셀의 차이를 계산하고, 해당 매크로블록 차이에 대해 위에서 설명한 대로 16x16 매크로블록의 4개의 8×8 영역에 대한 이산 코사인 변환(DCT) 및 계수 값 문자열을 계산한다. 이 "잔차"는 모션 벡터에 추가되고 압축되는 각 매크로블록에 대해 수신기로 전송되거나 DVD에 저장된다. 때로는 적절한 일치를 찾을 수 없다. 그러면 해당 매크로블록은 I-프레임 매크로블록처럼 처리된다.[4]
4. 영상 프로파일과 레벨
MPEG-2 비디오는 다양한 응용 분야를 지원하지만, 모든 응용 분야에서 전체 표준을 지원하는 것은 비현실적이고 비용이 많이 든다. 따라서 표준에서는 프로필과 레벨을 정의하여 특정 응용 프로그램이 표준의 하위 집합만 지원할 수 있도록 한다.
프로필은 B-picture, 3D 비디오, 크로마 형식 등과 같은 기능 집합을 정의한다. 레벨은 최대 비트 전송률, 프레임 크기 및 프레임 속도를 정의하여 필요한 메모리와 처리 능력을 제한한다.
MPEG 응용 프로그램은 프로필과 레벨 측면에서 기능을 지정한다. 예를 들어, DVD 플레이어는 메인 프로필 및 메인 레벨(MP@ML)까지 지원한다고 말할 수 있다. 이는 플레이어가 MP@ML 이하로 인코딩된 모든 MPEG 스트림을 재생할 수 있음을 의미한다.
다음 표는 각 프로필과 레벨의 제한 사항을 요약한 것이다. (여기에 나열되지 않은 제약 조건이 존재한다.)[2] 모든 프로필과 레벨 조합이 허용되는 것은 아니며, 확장 가능한 모드는 레벨 제한을 수정한다.
| 약어 | 이름 | Picture 코딩 유형 | 크로마 형식 | 확장 가능한 모드 | Intra DC 정밀도 | 
|---|---|---|---|---|---|
| SP | Simple 프로필 | I, P | 4:2:0 | 없음 | 8, 9, 10 | 
| MP | Main 프로필 | I, P, B | 4:2:0 | 없음 | 8, 9, 10 | 
| SNR | SNR 확장 가능 프로필 | I, P, B | 4:2:0 | SNR | 8, 9, 10 | 
| Spatial | 공간 확장 가능 프로필 | I, P, B | 4:2:0 | SNR, spatial | 8, 9, 10 | 
| HP | High 프로필 | I, P, B | 4:2:2 또는 4:2:0 | SNR, spatial | 8, 9, 10, 11 | 
| 422 | 4:2:2 프로필 | I, P, B | 4:2:2 또는 4:2:0 | 없음 | 8, 9, 10, 11 | 
| MVP | Multi-view 프로필 | I, P, B | 4:2:0 | Temporal | 8, 9, 10 | 
| 약어 | 이름 | 프레임 속도 (Hz)  | 최대 해상도 | 초당 최대 휘도 샘플 수 (대략 높이 x 너비 x 프레임 속도)  | 최대 비트 전송률 MP@ (Mbit/s)  | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 가로 | 세로 | |||||
| LL | Low 레벨 | 23.976, 24, 25, 29.97, 30 | 352 | 288 | 3,041,280 | 4 | 
| ML | Main 레벨 | 23.976, 24, 25, 29.97, 30 | 720 | 576 | 10,368,000, High 프로필 제외: 4:2:0의 경우 14,475,600이고 4:2:2의 경우 11,059,200 | 15 | 
| H-14 | High 1440 | 23.976, 24, 25, 29.97, 30, 50, 59.94, 60 | 1440 | 1152 | 47,001,600, High 프로필 제외: 4:2:0의 경우 62,668,800 | 60 | 
| HL | High 레벨 | 23.976, 24, 25, 29.97, 30, 50, 59.94, 60 | 1920 | 1152 | 62,668,800, High 프로필 제외: 4:2:0의 경우 83,558,400 | 80 | 
몇 가지 일반적인 MPEG-2 프로필/레벨 조합은 아래에 제시되어 있으며 특정 최대 제한 사항이 있다.
| 프로필 @ 레벨 | 해상도 (px) | 프레임 속도 최대. (Hz) | 샘플링 | 비트 전송률 (Mbit/s) | 예시 응용 프로그램 | 
|---|---|---|---|---|---|
| SP@LL | 176 × 144 | 15 | 4:2:0 | 0.096 | 무선 핸드셋 | 
| SP@ML | 352 × 288 | 15 | 4:2:0 | 0.384 | PDA | 
| 320 × 240 | 24 | ||||
| MP@LL | 352 × 288 | 30 | 4:2:0 | 4 | 셋톱 박스(STB) | 
| MP@ML | 720 × 480 | 30 | 4:2:0 | 15 | DVD (9.8 Mbit/s), SD DVB (15 Mbit/s) | 
| 720 × 576 | 25 | ||||
| MP@H-14 | 1440 × 1080 | 30 | 4:2:0 | 60 | HDV (25 Mbit/s) | 
| 1280 × 720 | 30 | ||||
| MP@HL | 1920 × 1080 | 30 | 4:2:0 | 80 | ATSC (18.3 Mbit/s), SD DVB (31 Mbit/s), HD DVB (50.3 Mbit/s) | 
| 1280 × 720 | 60 | ||||
| 422P@ML | 720 × 480 | 30 | 4:2:2 | 50 | 소니 IMX (I만 해당), 방송 기여 (I&P만 해당) | 
| 720 × 576 | 25 | ||||
| 422P@H-14 | 1440 × 1080 | 30 | 4:2:2 | 80 | |
| 422P@HL | 1920 × 1080 | 30 | 4:2:2 | 300 | 소니 MPEG HD422 (50 Mbit/s), 캐논 XF 코덱(50 Mbit/s), 컨버전트 디자인 나노플래시 레코더 (최대 160 Mbit/s)  | 
| 1280 × 720 | 60 | 
5. 이용
MPEG-1과 유사하지만, MPEG-2는 인터레이스 영상(아날로그 방송 TV 시스템에서 사용되는 형식)을 지원한다. MPEG-2 영상은 낮은 비트레이트(1 Mbit/s보다 낮은 비트레이트)에 최적화되어 있지 않지만, 3 Mbit/s 이상에서 MPEG-1을 능가한다. 표준을 따르는 모든 MPEG-2 영상 디코더는 MPEG-1 영상 스트림을 재생할 수 있다.[18]
MPEG-2는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.
| 분야 | 설명 | 
|---|---|
| DVD-Video | SD 소비자 영상 포맷. 4:2:0 색상 서브샘플링과 9.8Mbit/s 이하의 가변 영상 데이터를 사용한다. | 
| MPEG IMX | SD 전문가용 영상 기록 포맷. | 
| HDV | 테이프 기반 HD 영상 기록 포맷. 4:2:0 색상 서브샘플링과, 19.4Mbit/s 또는 25Mbit/s의 총 데이터레이트를 사용한다. | 
| XDCAM | 무테이프 영상 기록 포맷 시리즈. 특히 MPEG-2 파트 2에 기반한 포맷을 포함한다. (SD MPEG IMX, HD MPEG HD, HD MPEG HD422) MPEG IMX와 MPEG HD422는 4:2:2 색상 서브샘플링을 사용하고, MPEG HD는 4:2:0 색상 서브샘플링을 사용한다. | 
| XF 코덱 | 전문가용 무테이프 영상 기록 포맷. MPEG HD와 MPEG HD422와 비슷하지만 다른 컨테이너 파일에 저장된다. | 
| HD DVD | 퇴출된 HD 소비자 영상 포맷. | 
| 블루레이 디스크 | HD 소비자 영상 포맷. | 
| 방송 TV | 몇몇 국가에서는 MPEG-2 파트 2를 HDTV 디지털 방송에 사용한다. 예를 들어, ATSC는 몇몇 스캐닝 포맷(480i, 480p, 720p, 1080i, 1080p)과, 프레임/필드 레이트(채널당 19.4Mbit/s의 데이터레이트 이하, 4:2:0 색상 서브샘플링)를 규정한다. | 
| 디지털 케이블 TV | |
| 위성 TV | 
참조
[1] 
웹사이트
 
MPEG-2 patent expiration opens door for royalty-free use
 
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[2] 
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ISO/IEC 13818-2:2013 – Information technology – Generic coding of moving pictures and associated audio information: Video
 
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ISO
 
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[24] 
웹인용
 
ISO/IEC 13818-2:2000/Amd 3 - New level for 1080@50p/60p
 
http://www.iso.org/i[...] 
2009-11-02
 
[25] 
웹인용
 
ISO/IEC 13818-2:2000/DAmd 4 - Frame packing arrangement signalling for 3D content
 
http://www.iso.org/i[...] 
2011-07-18
 
                        
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