김창수
◇서울대학교 기계공학과 졸업
◇서울대학교 대학원 기계설계학과 석사
◇아주대학교 대학원 시스템공학과 공학박사
◇쌍용자동차 차량연구개발실
◇고등기술연구원 자동차기술연구실
◇현 성진씨앤씨 부사장
21세기 멀티미디어 시대를 맞아 정보의 디지털화가 급격히 진행되고 이에 따른 정보 압축기술은 그 적용분야의 필요에 따라 발전하고 있다.
이러한 정보 압축기술의 발달로 여러 분야에서 불가능했던 일이 가능하게 됐다. 더욱이 보안·감시분야에서는 영상 압축률이 저장매체 기록에 직접적으로 영향을 미쳐 상품으로서 경쟁력을 좌우할 뿐만 아니라 고품질 원격 전송감시가 가능해 보안감시 시스템의 네트워크화에 결정적 역할을 하고 있다.
디지털 영상 압축기술을 바탕으로 보안감시 분야에서 각광받는 것이 DVR라는 디지털 영상저장 시스템이다. DVR는 기존 아날로그 방식의 저장장치(VCR)와 구별되는 것으로서 입력된 영상을 디지털화하면서 압축해 하드디스크 등에 저장하는 장치다.
DVR의 가장 큰 장점은 기존 아날로그 방식과는 달리 녹화 테이프의 주기적 교환·보관이 가능해 유지보수비가 들지 않는 점이다. 이와 더불어 사건발생시 신속한 검색이 가능하며 선명한 화질을 얻을 수 있음은 물론 원거리에서도 전화선 혹은 인터넷선을 이용해 영상을 실시간으로 전송받아 상황을 파악해 능동적으로 대처할 수 있는 등의 장점으로 기존 아날로그 방식(VCR)과는 비교할 수 없는 사용상·기능상의 우수성이 있음은 말할 필요도 없다.
영상의 압축기술은 멀티미디어 시대에 극히 중요한 기술이며 특히 상품 경쟁력과 직결되는 보안감시 분야에서 그 중요성은 다른 어느 분야보다도 훨씬 크다. 일반적으로 동영상은 카메라의 아날로그 신호가 디지털 정보로 변환된 후 일단 프레임 메모리(한 화면을 저장하는 메모리)에 기억돼 화소단위(화면을 구성하는 영상정보의 기본단위)로 분해 처리된다.
예를 들어 하나의 화면은 「세로352×가로240화소」처럼 나타낼 수 있다. 각 화소는 휘도(밝기)와 색차(색정보)를 갖는데 휘도와 색차는 각각 다음의 네가지 방법에 의해 영상정보를 압축시킨다.
(1)색감도 스펙트럼의 중복성을 제거한다. 즉 화소당 RGB 24비트 정보를 YCbCr 12비트로 변환해 정보를 압축한다. (2)일반적으로 영상은 인접 화소간의 값이 거의 비슷하기 때문에 화면안의 공간적 상관관계를 이용해 정보를 압축한다. (3)시간적으로 과거 화면의 정보를 기억해두고 현재 화면을 과거 화면으로부터 차분치로 나타내 화면안의 시간적 상관관계를 이용해 정보를 압축한다. (4)위 두가지 방식을 부호화할 때 부호의 발생 확률이 서로 다름을 이용해 정보를 압축한다.
일반적으로 이상의 네가지 압축방법을 혼합해 이용하는데 이러한 방식은 하이브리드 부호화라고 부르며 MPEG·H.261도 이 방식을 이용한 것이다.
국제표준화된 영상 압축기술을 응용해 보안감시용 시스템으로 사용하고 있으나 압축과 복원이 실시간으로 변환되지 않는 비대칭형 압축기술이라는 문제를 비롯해 정지화질의 문제, 초당 녹화 프레임 수를 높이기 위한 압축기술의 향상과 이에 따른 화질의 저하 등 보안감시 분야에서 요구되는 특수한 기능을 만족시키기 위해 보안감시 시스템 제작사들은 끊임없는 연구와 노력을 다하고 있다.
현재 이상의 표준을 기본으로 해 많이 사용하는 방식이 MotionJPEG 방식이다. 이외에도 진술한 바와 같이 보안감시용으로는 압축방식이 표준화될 필요는 없고 오히려 보안감시 분야에서 필요한 기능만 만족하면 충분하기 때문에 각 제작사별로 독특하고 우수한 고유의 압축기술을 개발해 시스템에 응용하고 있다. 여기서는 일반적으로 많이 사용하는 MotionJPEG과 하이브리드 MPEG/Wavelet에 대해 간략히 소개하고자 한다.
1)MotionJPEG(MJPEG)
MJPEG을 쉽게 설명하면 JPEG 영상들을 시간적으로 나열한 형식이라 할 수 있다. 따라서 압축률은 JPEG과 동일하며 고화질의 경우 1대10에서 1대20, 최대 1대30까지 가능하다.
MPEG에서와 같이 시간적 중복성을 제거하지 않기 때문에 빠른 압축속도를 나타내며 개별 제작사마다 독자적 움직임 검출로 보완하는 추세다. 프레임 사이의 연관성으로 인해 MPEG에서는 불가능한 프레임 단위의 편집이 쉬워 주로 비디오 편집용으로 사용돼왔다. 따라서 압축률은 떨어지지만 프레임 단위의 편집이 가능하기 때문에 보안감시 분야에서 MJPEG이 많이 이용되고 있다.
그러나 JPEG 자체가 보안감시용으로 쓰기에는 압축률이 높지 않기 때문에 보안감시 시스템 제작사들은 화질을 유지하면서 압축률을 높이기 위해 전세계적으로 연구와 개발에 힘쓰고 있으나 아직 선도적인 기술은 없는 상태다.
2)하이브리드 MPEG/Wavelet
앞에서 언급한 바와 같이 보안감시 시스템에 이용할 수 있는 압축기술의 하나가 하이브리드 MPEG/Wavelet이다. 하이브리드 MPEG/Wavelet 기술을 이용해 더 높은 압축률과 빠른 시스템을 구현하는 것이 보안감시 시스템의 목적이다.
높은 압축률로 실시간에서 더욱 많은 프레임을 처리함으로써 고화질의 영상을 더 오랜 시간 저장할 수 있기 때문에 보안감시 시스템의 효율을 극대화하고 비용을 절감하며 앞으로 Wavelet을 기반으로 하는 기술, 그리고 제품과도 호환성을 유지한다.
이 기술은 먼저 기존의 MPEG 디코더를 사용하는 것을 전제로 한다.
Wavelet 연산법을 이용해 초기영상을 3분의 1씩 나눈 후 LowPass <그림1의 1> 면만 MPEG 인코더를 이용해 처리하고 MPEG과 똑같은 움직임 보상을 이용해 움직임이 있는 곳만 처리한다. Wavelet을 이용하면 분할된 화면들은 모두 움직임이 있는 곳이 똑같기 때문에 LowPass 면의 움직임으로 다른 High Pass면들<그림1 의 2·3>의 움직임이 있는 곳들을 쉽게 알아낼 수 있다는 것이 기존 MPEG의 움직임 보상과 다른 점이다.
LowPass 면의 움직임은 DCT를 이용해 코딩하고 다른 HighPass<그림1의 2·3> 면은 밴드 사이의 연관성을 이용해 Zerotree 코딩을 이용해 코딩한다. 이렇게 4분할대신 3분할을 할 경우 Wavelet을 이용한 MPEG에서 중요한 Wavelet 변환시간을 종래의 4분할 때보다 4분의 1을 줄일 수 있고 움직임을 보상할 때도 움직임 보상의 처리시간을 줄일 수 있다<그림1>.
이와 같이 (b)화면에서 2면은 이미 열 방향으로 Wavelet 변환을 했기 때문에 1면만 다시 행 방향으로 Wavelet 변환을 한다. 또한 한 방향(행, 또는 열 방향)으로 이미 Wavelet 변환된 상태므로 또 한번 다른 방향으로 Wavelet 변환을 하면 밴드 사이의 연관성이 그만큼 낮아지므로 Variance가 상대적으로 커져서 인코딩시 더욱 많은 양의 데이터를 저장해야 한다. 이 기술의 다이어그램은 <그림2>와 같다.
기존 MPEG 기술은 전체 화면을 MPEG 기술로 처리했지만 이 기술은 Wavelet 기술을 이용해 Lowpass만 MPEG을 통한다. 3분할 Wavelet 변환으로 Lowpass에서 움직임을 찾는 시간이 종래의 MPEG 때보다 4분의 1이 줄고(Lowpass에서의 움직임 위치는 HighPass에서의 움직임과 같아서 할 필요가 없다) Highpass 면을 코딩할 때 Highpass 면 사이의 연관성을 최대한 이용한 ZeroTree 코딩방법을 이용해 비트 수를 줄일 수 있다.
기존의 MPEG 기반의 기술과 비교해볼 때, Wavelet으로 3분할한 후 한면만 MPEG을 이용하고 나머지 분할 면을 Zerotree 코딩한 것은 이 기술이 처음이다. 영상을 4분할 대신 3분할함으로써 Wavelet의 연산시간을 4분의 1만큼 줄이고 대신 1면에서의 1픽셀은 2픽셀과 같게 되는 현상<그림2>이 나타나서 3면에서의 움직임은 <그림2>와 같이 2배(세로 방향)가 된다.
이상의 압축기술은 현재로는 시스템에서 소프트웨어 인코딩이기 때문에 CPU의 성능제한으로 인해 초당 실시간 압축 프레임에 한계가 있다. 따라서 하이브리드 MPEG/Wavelet을 이용한 압축 알고리듬을 주문형반도체(ASIC)로 개발해 올해 안에 선보일 예정이다. 이 ASIC은 16채널의 카메라를 지원하며 720×480 해상도에서 초당 30프레임 처리가 가능하다. 이 ASIC은 DVR는 물론, 비디오 에디팅과 캡처 시스템, 원거리 폐쇄회로(CCTV)시스템, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 등의 분야에 폭넓게 이용할 수 있다.