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MPEG-4 ALS

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목차

1. 개요

MPEG-4 ALS는 최대 32비트 부동 소수점을 포함한 PCM 해상도와 임의의 샘플링 속도를 지원하는 무손실 오디오 코딩 기술이다. 최대 65536 채널까지 지원하며 스트리밍 및 Seek 기능을 제공하고, MP4 파일 형식으로 저장 및 멀티플렉싱이 가능하다. MPEG-4 ALS는 프레임/블록 분할, 단기 예측, 장기 예측, 멀티 채널 부호화, 엔트로피 부호화 과정을 통해 오디오 신호를 압축한다. 2002년 MPEG에서 무손실 오디오 코딩 절차에 대한 제안을 요청하여 개발되었으며, 베를린 공과대학교의 제안을 기반으로 2005년 최종안이 정리되었다. FFmpeg, VLC 미디어 플레이어 등에서 지원되며, MPEG-4 오디오의 무손실 오디오 부호화 도구로 사용된다.

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MPEG-4 ALS - [IT 관련 정보]에 관한 문서
일반 정보
이름오디오 무손실 코딩
소유자ISO
출시일2006년 3월
최신 릴리스 버전RM23
최신 릴리스 날짜2009년
종류무손실 오디오
포함된 포맷MP4
표준ISO/IEC 14496-3
개방 여부예
무료 여부아니요
장르오디오 코덱, 음성 파일 포맷
기술 정보
개발 그룹통신 시스템 그룹
개발 기관베를린 공과대학교
약칭ALS
참고 문헌
참고 자료Audio Lossless Coding (ALS), new audio profiles and BSAC extensions – ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006
ISO/IEC 14496-3:2019: Information technology — Coding of audio-visual objects — Part 3: Audio
MPEG-4 ALS: an Emerging Standard for Lossless Audio Coding
The MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) Standard – Technology and Applications
MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS)

2. 특징

MPEG-4 ALS는 유연성이 높은 무손실 오디오 코덱으로 다음과 같은 특징을 갖는다.[15]


  • PCM 해상도: 최대 32비트까지 지원
  • 샘플링 레이트: 임의의 샘플링 주파수 지원
  • 채널: 멀티 채널 오디오 처리 (최대 65536 채널)
  • 스트리밍 및 랜덤 액세스 지원
  • MP4 파일 형식으로 저장, 비디오 등 다른 미디어 콘텐츠와 결합 가능

2. 1. 지원 사양


  • 최대 32비트 부동 소수점을 포함한 PCM 해상도를 지원한다.
  • 임의의 샘플링 주파수를 지원한다(192 kHz로 시험 완료, 384 kHz 이상의 고 샘플링 주파수에도 대응 가능).[15]
  • 멀티 채널/멀티 트랙을 지원하며, 처리할 수 있는 채널 수는 최대 65536 채널이다.
  • 스트리밍을 지원한다.[5]
  • 인코딩된 데이터의 임의 부분에 대한 빠른 접근을 지원하는 Seek 기능이 있다.
  • MP4 파일 형식을 사용하여 영상 데이터와의 조합이 가능하다.
  • Raw, WAV, AIFF, BWF, Sony Wave64, BWF with RF64 등 다양한 입력 포맷을 지원한다.[15]

2. 2. 장점

MPEG-4 ALS는 FLAC보다 압축률이 우수하며[14], Monkey's Audio나 OptimFROG와 비교했을 때 동일한 압축률에서 처리 시간이 짧다[15]。

3. 알고리즘

MPEG-4 ALS는 선형 예측 부호화와 엔트로피 부호화를 결합하여 무손실 압축을 수행한다[14][16]. CELP 등 음성 부호화에서처럼, 예측 가능한 성분을 소수의 예측 계수로 표현하고 예측할 수 없는 잔차 부분을 엔트로피 부호화하여 효율적으로 부호화함으로써 데이터 압축을 수행한다.

MPEG-4 ALS의 부호화 처리는 프레임/블록 분할, 단기 예측 (선형 예측), 장기 예측, 멀티 채널 부호화, 엔트로피 부호화의 5가지로 구성된다[14][16].

3. 1. 프레임/블록 분할

프레임 분할에서는 입력 신호를 기본적인 처리 단위인 프레임으로 분할한다. 1 프레임의 샘플 수는 샘플링 주파수에 따라 다르며, 48 kHz에서는 2048 샘플, 96 kHz에서는 4096 샘플로, 대략 43 ms의 길이가 된다. 옵션으로 변화가 심한 신호를 효율적으로 부호화하기 위해, 입력 신호의 내용에 따라 1 프레임을 여러 블록으로 나눌 수도 있다.

3. 2. 선형 예측

단기 예측에서는 선형 예측 필터를 사용하여 선형 예측의 잔차 신호를 구한다. 프레임 내의 각 샘플 사이에는 상관 관계가 있으므로 과거의 샘플 값에서 어느 정도 예측이 가능하다. 선형 예측은 그러한 신호를 효율적으로 표현하기 위한 기법으로, 예측 가능한 성분을 소수의 선형 예측 계수로 표현한다. 예측하지 못한 잔차 성분만을 별도로 부호화함으로써 정보 압축을 수행한다.

선형 예측 계수는 보다 양자화 특성이 뛰어난 PARCOR 계수(편자기상관계수)로 변환된 후 양자화 및 부호화가 수행된다.

MPEG-4 ALS에서의 선형 예측의 차수는 0(예측하지 않음)에서 1023까지이며, 입력 신호의 성질에 따라 적응적으로 변화한다[16]。

3. 3. 장기 예측

많은 음악에는 악기 등의 기본 주파수(피치 주파수)에 의해 결정되는 반복 성분이나 하모닉 성분이 포함되어 있다. 장기 예측(Long-Term Prediction)은 단기 예측의 잔차 성분에 남는 이러한 반복 성분을 계수화함으로써 잔차 성분의 진폭을 감소시켜 정보 압축을 수행한다.

장기 예측의 계수로는 원래 신호에 대한 여러 지연 시간과 가중치 계수의 조합이 사용된다. 잔차에 대해 과거 샘플 값에서 현재 샘플 값을 가장 잘 근사할 수 있는 지연 시간과 가중치 계수의 조합이 계산되어, 계수를 골롬-라이스 부호로 부호화한다.

3. 4. 멀티 채널 부호화

MPEG-4 ALS는 멀티 채널 신호를 처리할 수 있으며, 채널 간의 상관 관계를 이용하여 압축률을 더욱 향상시킬 수 있다.

먼저 채널 간에 가장 상관 관계가 높은 조합(부모-자식 관계)을 탐색한다. 이어서 부모 채널의 잔차 신호에 대해 장기 예측과 유사한 방법으로 여러 지연 시간과 가중치 계수의 조합에 따른 예측 계수를 구하고, 골롬-라이스 부호로 부호화한다.

3. 5. 엔트로피 부호화

입력 신호에서 다양한 예측 성분을 제거한 잔차 신호에 대해 엔트로피 부호화를 수행한다.

부호화 방식으로는 라이스 부호와 BGMC(Block Gilbert-Moore Code, 블록 길버트-무어 부호) 중 하나를 선택할 수 있다. 라이스 부호는 연산량이 비교적 적고, BGMC는 더 복잡하지만 압축 효율이 높다.

이러한 부호는 작은 진폭 값에 짧은 코드를 할당하므로, 다양한 예측에 의해 진폭이 작아진 잔차 신호를 효율적으로 압축할 수 있다.[16]

3. 6. 복호화

엔트로피 부호화 결과로부터 잔차 신호를 복원하고, 멀티 채널 부호화의 각 계수, 장기 예측의 계수, 선형 예측 계수에 의해 계산한 예측 성분을 사용하여 새로운 잔차 성분을 순차적으로 계산함으로써, 1 프레임 분의 최종적인 샘플 값을 계산한다.

부호화 시의 예측 계산 방법과 복호화 시의 예측 계산 방법이 동일하다면, 부호화 시의 입력 신호와 완전히 동일한 신호를 복호화할 수 있다.

3. 7. 부동 소수점 처리

IEEE 754 32비트 부동 소수점 형식의 입력 신호는 정수 부분과 오차 부분으로 나누어 처리한다. 정수 부분은 기존 방식으로 부호화하고, 오차 부분은 렘펠-지브 방식 기반의 마스크 렘펠-지브 부호화를 사용한다.[16]

4. 소프트웨어 지원

MPEG-4 ALS는 널리 채택되지 않았지만, FFmpeg, VLC 미디어 플레이어, MPlayer, XMedia Recode, 윈앰프(플러그인) 등 여러 소프트웨어에서 지원한다.[11]

4. 1. 지원 소프트웨어

, 이 형식은 널리 채택되지 않았으며, 이는 인코더와 디코더의 부족 때문일 수 있다.[8]

MPEG-4 ALS를 지원하는 대표적인 소프트웨어는 다음과 같다.[11]

소프트웨어
FFmpeg
VLC 미디어 플레이어
MPlayer
XMedia Recode
윈앰프 (플러그인)



2009년 11월 11일, FFmpeg 오픈 소스 프로젝트는 개발 버전에서 MPEG-4 ALS 디코더를 획득했다.[10] 현재 이 형식의 하위 집합만 지원된다. Winamp 플레이어용 MPEG-4 ALS 디코더 플러그인이 있다.[9]

4. 2. 레퍼런스 구현

MPEG-4 ALS 인코더 및 디코더(mp4als - 예: mp4alsRM23)의 참조 구현은 MPEG-4 ALS 홈페이지에서 구할 수 있으며, ISO/IEC 14496-5:2001/Amd 10:2007/Cor 3:2009로도 출판되었다.[7] 베를린 공과대학교의 MPEG-4 ALS 웹페이지에서도 레퍼런스 구현을 구할 수 있다.[11]

5. 역사

MPEG(Moving Picture Experts Group, 동화상 전문가 그룹)은 2002년 6월부터 무손실 압축 오디오 부호화 방식에 대한 제안을 요청했다.[19][20] 2002년 12월, 베를린 공과대학교(독일), NTT(일본), 리얼네트웍스(미국), 인포콤 연구소(싱가포르), 프라운호퍼 IIS(독일), 마이크로소프트(미국), 삼성전자(대한민국)의 7개 회사에서 코덱 제안서를 제출했으며, 압축 효율, 필요한 연산량, 유연성에 대한 평가가 이루어졌다. 제안에는 가역 압축만 수행하는 방식(이후의 MPEG-4 ALS)과 비가역/가역 압축의 하이브리드 방식(이후의 MPEG-4 SLS)이 포함되었다.

MPEG은 두 가지 방식을 모두 지원하기로 결정하고, 2003년 6월에 가역 압축만 수행하는 방식으로 압축 효율이 뛰어났던 베를린 공과대학교의 제안을 레퍼런스 모델로 채택했다.[14] 이를 기반으로 베를린 공과대학교, NTT, 리얼네트웍스, 인포콤 연구소가 협력하여[16] 압축 성능 및 유연성 향상과 연산량 감소를 이루었으며, 현재의 MPEG-4 ALS 최종안을 2005년 12월에 정리하여, 최초 규격 ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006이 2006년 3월에 출판되었다.[21]

6. MPEG-4 오디오에서의 위치

MPEG-4 오디오는 여러 도구의 조합으로 구성되며, MPEG-4 ALS는 오디오 부호화 도구 중 하나인 무손실 오디오 부호화 도구로 분류된다[13]。

같은 범주의 도구로는 슈퍼 오디오 CD에서 무손실 압축 방식으로 사용되는 MPEG-4 DST(direct stream transfer|다이렉트 스트림 트랜스퍼영어)와 MPEG-4 AAC 등 범용 오디오 부호화 도구와 함께 사용하는 MPEG-4 SLS(scalable lossless coding|스케일러블 무손실 코딩영어)가 있다[13]。각각은 부호화 방식이 다르다.

참조

[1] 웹사이트 Audio Lossless Coding (ALS), new audio profiles and BSAC extensions – ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006 http://www.iso.org/i[...] ISO 2009-10-07
[2] 웹사이트 ISO/IEC 14496-3:2019: Information technology — Coding of audio-visual objects — Part 3: Audio https://webstore.iec[...] ISO 2022-01-01
[3] 웹사이트 MPEG-4 ALS: an Emerging Standard for Lossless Audio Coding http://www.reznik.or[...] Data Compression Conference 2010-09-03
[4] 간행물 The MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) Standard – Technology and Applications http://elvera.nue.tu[...] Audio Engineering Society 2009-10-08
[5] 웹사이트 MPEG-4 ALS: Performance, Applications, and Related Standardization Activities https://www.ntt-revi[...] NTT Technical Review 2009-10-08
[6] 문서 ISO/IEC 14496-3:200X/PDAM 2 – ALS Simple Profile and Transport of SAOC – N10826 http://kikaku.itscj.[...] 2009-07-03
[7] 웹사이트 MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) https://www.nue.tu-b[...] Technische Universität Berlin 2019-03-21
[8] 웹사이트 Lossless comparison https://wiki.hydroge[...] Hydrogenaudio Knowledgebase 2022-01-01
[9] 웹사이트 MPEG-4 ALS Decoder plugin 1.00 for Winamp http://www.free-code[...] Codecs.com 2009-10-08
[10] 웹사이트 FFmpeg-cvslog r20517 http://lists.mplayer[...] FFmpeg 2009-11-20
[11] 웹사이트 MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) https://www.nue.tu-b[...] Technische Universität Berlin 2010-08-26
[12] 웹사이트 ISO/IEC 14496-3:2009 - Information technology -- Coding of audio-visual objects -- Part 3: Audio http://www.iso.org/i[...] ISO 2010-08-15
[13] 문서 ISO/IEC 14496-3:2009 - Information technology -- Coding of audio-visual objects -- Part 3: Audio http://webstore.iec.[...] ISO 2010-08-15
[14] 웹사이트 The MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) Standard - Technology and Applications http://elvera.nue.tu[...] Technical Universifty of Berlin 2010-08-26
[15] 웹사이트 MPEG-4 ALSの性能・応用と関連する標準化活動 http://www.ntt.co.jp[...] NTT 2010-08-26
[16] 웹사이트 ロスレス・オーディオ符号化MPEG-4 ALSの高性能化 http://www.ntt.co.jp[...] NTT 2010-08-26
[17] 문서 ISO/IEC 14496-5:2001/Amd.10:2007 - Information technology -- Coding of audio-visual objects -- Part 5: Reference software -- Amendment 10: SSC, DST, ALS and SLS reference software http://standards.iso[...] ISO 2010-08-15
[18] 문서 ISO/IEC 14496-5:2001/Amd.10:2007 - SSC, DST, ALS and SLS reference software http://www.iso.org/i[...] ISO 2010-08-15
[19] 문서 Call for Proposals on MPEG-4 Lossless Audio Coding
[20] 문서 Final Call for Proposals on MPEG-4 Lossless Audio Coding
[21] 웹사이트 Audio Lossless Coding (ALS), new audio profiles and BSAC extensions - ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006 http://www.iso.org/i[...] ISO 2010-08-15
[22] 웹인용 Audio Lossless Coding (ALS), new audio profiles and BSAC extensions – ISO/IEC 14496-3:2005/Amd 2:2006 http://www.iso.org/i[...] ISO 2009-10-07
[23] 웹인용 ISO/IEC 14496-3:2019: Information technology — Coding of audio-visual objects — Part 3: Audio https://webstore.iec[...] ISO 2022-01-01
[24] 웹인용 MPEG-4 ALS: an Emerging Standard for Lossless Audio Coding http://www.reznik.or[...] Data Compression Conference 2010-09-03
[25] 간행물 The MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) Standard – Technology and Applications http://elvera.nue.tu[...] Audio Engineering Society 2009-10-08


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