MPEG-1

1. 개요

MPEG-1은 1988년에 개발이 시작되어 1992년에 최종 표준이 승인된 디지털 비디오 및 오디오 압축 표준이다. ISO/IEC 11172 표준으로, 시스템, 비디오, 오디오, 적합성 평가, 소프트웨어 시뮬레이션의 5개 파트로 구성된다. MPEG-1 비디오는 H.261을 기반으로 하며, 4:2:0 서브샘플링을 사용하여 압축 효율을 높인다. MPEG-1 오디오는 레이어 1, 2, 3(MP3)을 포함하며, 심리음향학을 활용하여 데이터 전송률을 줄인다. MPEG-1은 VCD, DVD-Video, DVB, DAB 등 다양한 분야에서 사용되었으며, 특허 만료로 인해 라이선스 없이 사용할 수 있다.

2. 역사

MPEG-1 표준 개발은 1988년 5월에 시작되었다. 일본 전신 전화 주식회사의 야스다 히로시와 CSELT의 레오나르도 키아리글리오네의 주도로 이동 화상 전문가 그룹(MPEG) 워킹 그룹이 설립되었다. MPEG은 표준 비디오 및 오디오 형식의 필요성을 해결하고, H.261을 기반으로 더 나은 품질을 얻기 위해 결성되었다.

여러 회사와 기관에서 14개의 비디오 및 14개의 오디오 코덱 제안서를 제출하여 평가했으며, 1.5 Mbit/s의 데이터 속도에서 계산 복잡성과 주관적(인간이 인식하는) 품질에 대해 광범위하게 테스트했다. 이 특정 비트 전송률은 T-1/E-1 회선을 통해 전송하고, 오디오 CD의 대략적인 데이터 전송률로 선택되었다. 1992년 11월 초에 최종 표준(파트 1–3)이 승인되었고, 몇 달 후에 공개되었다. 1990년 9월에 거의 완전한 초안 표준이 작성되었으며, 이후에는 사소한 변경 사항만 도입되었다. MPEG-1 표준은 비트스트림과 디코더 기능은 엄격하게 정의하지만, 인코딩 수행 방법은 정의하지 않았다. 하지만 ISO/IEC-11172-5에서 참조 구현을 제공한다.

MPEG-1은 H.261에서 개발된 동영상 압축 기술의 흐름을 이어받아, 프레임 간 예측과 이산 코사인 변환을 사용한 기술이다. 최대 4095×4095(12비트)의 해상도와 최대 100 Mbit/s의 비트 전송률을 지원한다. MPEG-1의 특징은, 종래 1화소(동영상 부호화에서는 풀 펠이라고 부름) 단위였던 모션 보상의 정밀도를 반 화소(하프 펠) 단위로 확대한 점이다. 하프 펠 모션 보상은 반 화소 단위의 모션 벡터 탐색이 필요하며 연산량이 크지만, 풀 펠 단위에 비해 압축률을 크게 향상시킬 수 있다. 하프 펠 모션 보상은 H.262 (MPEG-2)나 H.263 (MPEG-4)에서도 사용되고 있다.

2.1. 대한민국에서의 MPEG-1

2000년대 초반까지 게임이나 인터넷에서 주고받는 동영상 압축 형식으로 MPEG-1이 일반적이었지만, 이후 MPEG-4 (DivX, Xvid, 3ivx)・H.264・WMV 등으로 대체되었다. 2009년 현재 휴대 전화・휴대형 플레이어・디지털 포토 프레임 등에서 MPEG-1을 지원하는 제품은 소수이다.

비디오 CD 외에도 DVD-Video나 DVD-VR 규격에 저해상도용으로 채택되었지만, 실제로 MPEG-1을 사용한 DVD는 극히 적다.

3. 구성 요소 (파트)

MPEG-1 표준은 다음의 다섯 파트로 구성된다.

* 파트 1 (ISO/IEC 11172-1)은 시스템에 대해 다루며, 오디오, 비디오 및 기타 데이터를 표준 비트스트림으로 인코딩하고 동기화를 유지하는 방법을 규정한다. 이 파일 포맷은 미디어 저장 및 데이터 채널 전송에 맞춰 설계되었다. 이 구조는 MPEG 프로그램 스트림으로 불리는데, 이는 MPEG-1 시스템 디자인이 MPEG-2 프로그램 스트림과 본질적으로 동일하기 때문이다. MPEG-1 시스템은 기초 스트림(ES), 패킷화 기초 스트림(PES), 시스템 클럭 참조값(SCR) 등의 개념을 정의한다.

* 파트 2 (ISO/IEC 11172-2)는 비디오에 대해 다루며, H.261의 영향을 받은 비디오 압축 코덱을 정의한다. 최대 4095×4095 해상도(12비트)와 100 Mbit/s 비트 전송률을 지원한다. 모션 보상 DCT 하이브리드 비디오 코딩 구조를 사용하며, 매크로블록, 모션 추정, 모션 벡터, 양자화, 엔트로피 코딩 (예: Huffman 코드) 등의 기술을 활용한다.

* 파트 3 (ISO/IEC 11172-3)는 오디오에 대해 다루며, 레이어 1, 레이어 2, 레이어 3 (MP3)을 포함하는 오디오 압축 코덱을 정의한다.

* 파트 4 (ISO/IEC 11172-4)는 적합성 평가(Conformance test)에 대해 다루며, MPEG-1 오디오 및 비디오 디코더의 적합성과 인코더가 생성한 비트스트림을 평가하기 위한 가이드라인 및 참조 비트스트림을 제공한다.

* 파트 5 (ISO/IEC TR 11172-5)는 참조 소프트웨어에 대해 다루며, 오디오 및 비디오 인코딩 및 디코딩, 다중화 및 역다중화를 위한 C 참조 구현을 제공한다.

4. 기술적 특징

MPEG-1은 엘리멘터리 스트림(ES), 패킷화된 엘리멘터리 스트림(PES), 시스템 클럭 참조(SCR), 프로그램 스트림(PS) 등의 기술을 사용한다.

* 엘리멘터리 스트림(ES): MPEG-1 오디오 및 비디오 인코딩 데이터의 원시 비트스트림(인코더의 출력)이다. MP3 파일처럼 단독으로 배포할 수 있다.
* 패킷화된 엘리멘터리 스트림(PES): 가변 길이의 패킷으로 패킷화된 엘리멘터리 스트림이다. ES를 독립적인 청크로 나누어 각 패킷에 오류 감지를 위해 순환 중복 검사(CRC) 체크섬을 추가한다.
* 시스템 클럭 참조(SCR): 각 PES의 33비트 헤더에 저장된 타이밍 값으로, 90 kHz 주파수/정밀도를 가지며, 27 MHz 정밀도로 추가 타이밍 데이터를 저장하는 9비트 확장 기능이 있다. 인코더에 의해 삽입되며, 시스템 시간 클럭(STC)에서 파생된다. 동시에 인코딩된 오디오 및 비디오 스트림은 버퍼링, 인코딩, 지터 및 기타 지연으로 인해 동일한 SCR 값을 갖지 않는다.
* 프로그램 스트림(PS): 여러 개의 패킷화된 기본 스트림(일반적으로 오디오 및 비디오 PES 1개)을 단일 스트림으로 결합하여 동시 전송을 보장하고 동기화를 유지한다. 멀티플렉스 또는 컨테이너 포맷으로 알려져 있다.

PS에는 표시 타임 스탬프(PTS)가 존재하여 오디오와 비디오 SCR 값 간의 불가피한 불일치(시간 기준 보정)를 수정한다. PS 헤더의 90kHz PTS 값은 디코더에게 어떤 비디오 SCR 값이 어떤 오디오 SCR 값과 일치하는지 알려준다. PTS는 MPEG 프로그램의 일부를 언제 표시할지, 버퍼에서 언제 데이터를 삭제할 수 있는지 결정하는 데 사용된다.

B-프레임 때문에 디코딩 타임 스탬프(DTS)가 필요하다. 비디오 스트림에 B-프레임이 있으면 인접한 프레임을 순서대로 인코딩하고 디코딩해야 한다(프레임 재정렬). DTS는 PTS와 매우 유사하지만, B-프레임을 앵커(P- 또는 I-) 프레임보다 먼저 디코딩하고 표시할 시점을 디코더에게 알린다. 비디오에 B-프레임이 없으면 PTS와 DTS 값은 동일하다.

PS를 생성하기 위해 멀티플렉서는 패킷화된 기본 스트림(두 개 이상)을 인터리브한다. 이는 동시 스트림의 패킷이 동일한 통신 채널을 통해 전송될 수 있도록 하기 위함이며, 정확히 동시에 디코더에 도착하도록 보장한다. 이는 시분할 다중화의 한 예이다.

4.1. 시스템 (파트 1)

MPEG-1 표준의 파트 1은 시스템에 대해서 다루며, ISO/IEC-11172-1에 정의되어 있다.

MPEG-1 시스템은 오디오, 비디오 및 기타 데이터를 표준 비트스트림으로 인코딩하여 저장하고, 다양한 콘텐츠 간의 동기화 상태를 유지하기 위한 논리적 레이아웃과 방법을 규정한다. 이 파일 포맷은 미디어 저장 및 데이터 채널을 통한 전송에 맞춰 설계되었다. 표준에는 소수의 오류 보호만이 규정되어 있고, 비트스트림의 작은 오류들은 상당한 결점을 유발할 수 있다.

이 구조는 나중에 MPEG 프로그램 스트림이라는 이름을 갖게 된다. (MPEG-1 시스템 디자인은 본질적으로 MPEG-2 프로그램 스트림과 동일하다.) 이 용어는 더 유명하고 정확하며(MPEG 트랜스포트 스트림과는 구별된다.)

* 기초 스트림(ES)은 MPEG-1 오디오와 비디오의 인코딩된 데이터의 원본 비트스트림이다. 이 파일은 MP3 파일처럼 자체로 배포할 수 있다.
* 패킷화 기초 스트림(PES)은 가변 길이의 패킷으로 패킷화된 기초 스트림이다. 이것은 기초 스트림을 순환 중복 검사(CRC) 체크섬이 오류 감지를 위해 각 패킷에 추가된 독립적인 덩어리로 나눈 것이다.
* 시스템 클럭 참조값(SCR)은 27MHz의 정확도로 추가적인 시간 데이터를 저장하는 9비트 확장과, 90kHz 주파수/정확도로 각 패킷의 33비트 헤더에 저장된 시간 값이다. 이 값은 인코더가 삽입하며, 시스템 시간 클럭(STC)에서 얻어진다. 그러나 버퍼링, 인코딩, 지터 및 기타 지연 시간 때문에 동시에 인코딩된 오디오와 비디오 스트림은 동일한 SCR 값을 갖지 않는다.

4.2. 비디오 (파트 2)

H.261에서 개발된 동영상 압축 기술을 이어받아, 프레임 간 예측과 이산 코사인 변환(DCT)을 사용한다. 최대 4095×4095 (12비트) 해상도와 최대 100 Mbit/s의 비트 전송률을 지원한다. MPEG-1은 모션 보상의 정밀도를 1화소(풀 펠) 단위에서 반 화소(하프 펠) 단위로 확대했다. 하프 펠 모션 보상은 반 화소 단위 모션 벡터 탐색이 필요해 연산량이 많지만, 풀 펠 단위보다 압축률을 크게 높일 수 있다. 하프 펠 모션 보상은 H.262 (MPEG-2), H.263 (MPEG-4)에서도 사용된다.

MPEG-1은 다음과 같은 프레임 종류를 사용한다.

* I-프레임: 인트라 프레임이라고도 하며, 다른 프레임과 독립적으로 디코딩할 수 있다. 키 프레임과 유사하며, 기본 JPEG 이미지와 거의 같다. I-프레임 간 간격은 그룹 오브 픽처(GOP) 크기로 결정된다.
* P-프레임: 예측 프레임(Predicted-frame)이라고도 하며, 이전 프레임(I-프레임 또는 P-프레임)과의 차이만 저장해 압축 효율을 높인다. 모션 벡터를 사용하여 이전 프레임에서 현재 프레임의 움직임을 예측한다.
* B-프레임: 양방향 프레임(bidirectional-frame) 또는 양방향 예측 프레임(bipredictive frame)이라고도 하며, 이전 프레임과 이후 프레임을 모두 사용해 예측할 수 있다. 다른 프레임 예측에 사용되지 않아 매우 낮은 비트 전송률로 삽입해 비트 전송률을 조절할 수 있다.
* D-프레임: DC 변환 계수만 사용해 인코딩되는 저화질 프레임으로, 빠른 미리 보기에만 사용된다. MPEG-1 비디오 인코딩에서 거의 사용되지 않으며, 이후 비디오 코딩 표준에는 포함되지 않았다.

MPEG-1은 16×16 픽셀 크기의 매크로블록 단위로 영상을 처리한다. 각 매크로블록은 4개의 8×8 휘도 블록과 2개의 8×8 색차 블록(Cb, Cr)으로 구성된다.

모션 보상은 현재 매크로블록과 가장 유사한 영역을 이전 또는 이후 프레임에서 찾아 모션 벡터로 표현하는 기술이다. MPEG-1은 하프 펠(반 화소) 정밀도 모션 벡터를 사용해 움직임 예측 및 보상 정확도를 높였다.

이산 코사인 변환(DCT)은 8×8 블록 단위로 수행되어 픽셀 값을 주파수 영역으로 변환한다. 이후 양자화를 통해 주파수 계수를 특정 단계 크기로 나누어 반올림해 정보량을 줄인다. 양자화는 MPEG-1 비디오 압축에서 가장 큰 손실을 발생시키며, 압축 아티팩트의 주요 원인이다.

마지막으로, 런 길이 부호화(RLE)와 허프만 부호화 등 엔트로피 부호화 기술을 사용해 데이터를 무손실 압축한다.

4.3. 오디오 (파트 3)

MPEG-1 표준의 파트 3은 오디오를 다루며, ISO/IEC-11172-3에 정의되어 있다.

MPEG-1 오디오는 심리음향학을 활용하여 오디오 데이터 전송률을 줄인다. 인간의 귀가 잘 듣지 못하는 소리, 즉, 귀의 감도가 낮은 주파수나 다른 소리에 의해 마스킹되는 부분을 줄이거나 제거한다.

채널 인코딩 모드는 다음과 같다:
* 모노
* 조인트 스테레오 – 인텐시티 인코딩
* 조인트 스테레오 – M/S 인코딩 (레이어 III만 해당)
* 스테레오
* 듀얼 (두 개의 상관 관계가 없는 모노 채널)

샘플링 속도는 다음과 같다:
* 32000 Hz
* 44100 Hz
* 48000 Hz

MPEG-1 오디오는 3개의 레이어로 나뉜다. 각 상위 레이어는 더 계산 집약적이며, 낮은 비트 전송률에서 이전 레이어보다 효율적이다. 상위 레이어는 하위 레이어에서 구현된 기술을 재사용하므로 부분적으로 하위 호환된다. "전체" 레이어 II 디코더는 레이어 I 오디오도 재생할 수 있지만, 레이어 III 오디오는 재생할 수 없다.

5. 응용 분야

* 비디오 CD (VCD): 그린 북 CD-i와 함께 전체 화면 비디오에 MPEG-1이 사용되었다. VCD는 MPEG-1 비디오 및 MPEG-1 오디오 레이어 II를 사용한다.
* 슈퍼 비디오 CD (SVCD): VCD를 기반으로 하는 SVCD는 MPEG-2 비디오뿐만 아니라 MPEG-1 오디오를 독점적으로 사용한다.
* DVD-비디오: 주로 MPEG-2 비디오를 사용하지만 MPEG-1 지원이 표준에 명시적으로 정의되어 있다. 대부분의 DVD 플레이어는 MPEG-1을 사용하는 비디오 CD 및 MP3 CD 재생을 지원한다.
* 디지털 오디오 방송 (DAB): 국제 DAB 표준은 특히 높은 품질, 적당한 디코더 성능 요구 사항 및 오류 허용으로 인해 MPEG-1 오디오 레이어 II를 독점적으로 사용한다.
* 디지털 비디오 방송 (DVB): 국제 DVB 표준은 주로 MPEG-1 오디오 레이어 II와 MPEG-2 비디오를 사용한다.
* 디지털 컴팩트 카세트: PASC(Precision Adaptive Sub-band Coding)를 사용하여 오디오를 인코딩한다. PASC는 384kbit/s의 고정 비트 전송률을 가진 초기 버전의 MPEG-1 오디오 레이어 I이다.
* MP3 플레이어: "거의 모든 디지털 오디오 장치"는 MPEG-1 오디오(세 가지 레이어 모두)를 재생할 수 있다.
* 기타: MPEG-2가 널리 보급되기 전, 많은 디지털 위성/케이블 TV 서비스에서 MPEG-1을 독점적으로 사용했다. 방송사에서 MPEG-2가 널리 사용됨에 따라 MPEG-1은 대부분의 디지털 케이블 및 위성 셋톱 박스와 디지털 디스크 및 테이프 플레이어에서 하위 호환성으로 인해 재생할 수 있다. 2000년대 초반까지는 게임이나 인터넷에서 주고받는 동영상 압축 형식으로도 일반적이었지만, 이후 MPEG-4(DivX・Xvid・3ivx)・H.264・WMV 등으로 대체되었다.

6. 특허

MPEG-1 비디오와 레이어 I/II 오디오는 라이선스 비용 없이 자유롭게 사용할 수 있다. ISO 특허 데이터베이스에는 2003년에 만료된 ISO 11172, US 4,472,747 특허가 있다. 1991년 12월 6일경 ISO CD 11172로 MPEG-1 표준의 거의 완성된 초안이 공개되었으며, 대부분의 기술 특허는 시간이 지나 만료되었다.

MP3는 MPEG-1 오디오 레이어 III 구현에 대한 특허 수수료 문제로 로열티 없이 구현이 불가능했었다. 그러나 MP3 관련 전 세계 특허는 2017년 12월 30일에 만료되어 자유롭게 사용할 수 있게 되었다. 2017년 4월 23일, 프라운호퍼 IIS는 테크니컬러의 MP3 관련 특허 및 소프트웨어에 대한 MP3 라이선스 프로그램 요금 청구를 중단했다.

6.1. 이전 특허 보유자

MPEG-1 비디오(ISO/IEC 11172-2) 형식에 대한 특허는 모두 만료되었다. ISO 특허 데이터베이스에는 2003년에 만료된 ISO 11172, US 4,472,747 특허가 있다. 1991년 12월 6일경 ISO CD 11172로 MPEG-1 표준의 거의 완성된 초안이 공개되었으며, 시간 경과에 따라 대부분의 기술 특허는 만료되었다.

7. 파일 확장자

.mpg는 MPEG-1과 MPEG-2 오디오, 비디오 압축에 사용되는 여러 확장자 중 하나이다. MPEG-1 파트 2 비디오는 요즘에는 보기 힘들며, 이 확장자는 보통 MPEG 프로그램 스트림(MPEG-1과 MPEG-2에서 정의하는) 또는 MPEG 전송 스트림(MPEG-2에서 정의)을 가리킨다. .m2ts 같은 다른 확장자 또한 존재한다.

.mp3는 MP3 오디오(일반적으로 MPEG-1 오디오, 때로는 MPEG-2 오디오)가 포함된 파일에 가장 많이 사용되는 확장자이다.

.mp2, .m2a는 MPEG-1 오디오 레이어 II 파일에 사용되는 확장자이다.