MPEG1은 CD롬에의 응용을 위해 1.5Mbps에서 동영상과 음향을 압축하여 다중화하는 방법에 관한 국제표준이다. 이중 음향압축을 다루는 MPEG1 오디오는 모노、 하이파이 스테레오、 또는 2개국어 음향을 약 6대1 안팎으로 압축하는 방식이다. 기존 FM 스테레오 방송、 CD의 하이파이 스테레오 오디오、 컬러TV의 음성다중 등을 감안하면 MPEG1 오디오의 위와 같은 세가지 모드는 많은 응용분야에서의 오디오 요구조건을 수용하고 있음을 알 수 있다.
MPEG1 오디오는 4개 컨소시엄의 방식이 경합을 벌인 끝에 필립스의 MUSICAM 에 기초한 방식이 제 1、2 계층을 이루고 AT&T등이 제안한 방식이 제3계층 을 이루고 있다. 이중 성능과 복잡도를 고려하여 제 2계층이 가장 널리 사용된다. 동영상은 화면(2차원) 데이터가 시간에 따라 변하는 3차원 데이터이어서 화 소간 시공간적 상관도가 높아 압축률도 수십분의 1까지 높일 수 있다. 그러나 음향은 기본적으로 1차원 신호이어서 샘플간 상관도도 낮아 압축률은 10 분의 1이하가 보통이다. 그나마 압축률을 약간 더 높일 수 있는 경우는 좌우채널간 상관도를 활용할 수 있는 스테레오의 경우이다.
MPEG1 오디오가 허용하는 입력신호의 표본화주파수는 CD의 44.1KHz、 DAT나 프로덕션 시스템 등에서 사용하는 48KHz、 그리고 FM오디오(15KHz 대역폭)의 디지털 처리시 사용하는 32KHz 등 세가지이다. 샘플당 비트수는 16~24인데 CD나 DAT에서 사용되고 있고 컴퓨터 환경에도 적합한 16비트(2바이트)가 가장 널리 쓰인다.
압축전의 데이터량은 예를 들어 CD의 경우 44.1KHz×16비트×2=1.5Mbps이다.
MPEG1오디오에 있어서는 제2계층에서의 스테레오 압축시 64~384Kbps를 출력 한다. 입력음에 따라 다르겠으나 실험적으로 약 6대1 정도의 압축(2백56Kbp s)까지는 원음과의 차이가 거의 느껴지지 않다고 알려지고 있다.
MPEG1 오디오는 효과적 압축을 위해 인간의 청각 특성 두가지를 잘 활용한 다. 그 첫째는 단일음에 대한 특성으로 가청 주파수인 20Hz~20KHz 대역에서 각주파수 성분마다 다른 귀의 감도를 곡선으로 나타낸다. 즉 귀에 들리기 위한최소크기 임계치 를 음압으로 나타낸 것으로 1KHz 부근이 가장 낮아 귀에가장 잘 들리고 20Hz의 저주파나 20KHz의 고주파 쪽은 매우 높아진다.
두번째의 청각 특성은 복합성분간의 상호작용에 관한 것이다. 즉 어떤 주파 수 성분이 큰 값으로 존재하면 그 주변에 언덕모양의 소위 마스킹 커브를 만들어 이 임계치 이하의 신호는 귀에 들리지 않고 그 이상의 큰 신호만이 들리게 된다.
위 두가지 특성을 결합하면 음향의 스펙트럼을 분석하여 각 주파수에 있어서귀에 들리지 않는 범위인 마스킹 값을 구할 수 있다. 각 주파수 성분의 양자 화 잡음이 이 임계치 이내가 되어 들리지 않도록 하면 그만큼 비트를 절약할 수 있다. 이것이 손실이 있음에도 불구하고 원음과의 차이가 거의 느껴지지않는 MPEG1 오디오 압축의 근본 원리이다.
MPEG1 오디오에서는 DCT를 이용하는 비디오와 달리 소위 서브밴드 부호화를이용한다. 입력신호를 우선 32개의 균일한 폭을 갖는 대역통과필터로 구성된 필터뱅크를 통과시켜 저주파에서부터 고주파에 이르기까지 성분별로 나눈다.
또한편에서는 보다 세밀한 푸리에 스펙트럼 분석을 통해 마스킹 임계치를구하고 이에 따라 32개의 각 대역에서의 양자화잡음 허용범위를 결정한다.
비트율이정해지면 오버헤드를 뺀 가용 비트수가 구해지므로 이를 32개의대역에 할당하여 대역별로 양자화를 행한다. 이때 비트를 많이 필요로 하는、 즉 양자화 잡음을 적게 해야 하는 곳부터 비트를 차례로 한 비트씩 할당한 다. 이렇게 하면 전체 비트의 한도내에서 각 대역들이 필요한 만큼 비트를할당받게 된다. 한 비트 증가할 때마다 그 대역의 양자화잡음의 크기가 반으로 줄어 약 6㏏씩 신호대잡음비가 개선된다.
각 대역마다 이렇게 할당된 비트수와 신호의 진폭에 관한 정보인 스케일인자 、 그리고 양자화된 표본값을 구하여 이들을 정해진 포맷에 따라 보내게 된다. MPEG1 오디오의 압축방식은 최근 발매가 시작된 DCC(Digital Compact Casset te)에도 이용되고 있다. 대부분의 MPEG1 오디오 응용분야와 달리 DCC는 부호 기와 복호기가 함께 들어가므로 부호기를 쉽게 구현할 수 있도록 하기 위해DCC에서는 청각특성을 MPEG1 오디오보다 훨씬 단순화하여 사용하고 있다.
정 제 창<한양대 교수>