비디오 코딩 형식

Video coding format

, 비디오 코더 디코더.

비디오 코딩[a] 형식(또는 비디오 압축 형식)은 디지털 비디오 컨텐츠(데이터 파일 또는 비트 스트림 등)의 저장 또는 전송을 위한 컨텐츠 표현 형식입니다.통상, 표준 비디오 압축 알고리즘을 사용합니다.일반적으로 Discrete Cosine Transform(DCT; 이산 코사인 변환) 코딩과 움직임 보상에 근거합니다.비디오 코딩 포맷의 예는 다음과 같습니다.

AV1 H.262 (MPEG-2 Part 2) H.264 (MPEG-4 Part 10) HEVC (H.265) MPEG-4 Part 2 RealVideo RV40 Theora VP9

특정 비디오 코딩 포맷과의 압축 또는 압축 해제가 가능한 특정 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어 실장은 비디오 코덱이라고 불립니다.비디오 코덱의 예로는 Xvid가 있습니다.Xvid는 소프트웨어에 MPEG-4 Part 2 비디오 코딩 포맷으로 비디오를 인코딩 및 디코딩하는 여러 코덱 중 하나입니다.

일부 비디오 코딩 포맷은 비디오 코딩 사양으로 알려진 상세한 기술 사양 문서에 의해 문서화되어 있습니다.이러한 사양의 일부는 표준화 기관에 의해 기술 표준으로 작성 및 승인되어 비디오 코딩 표준으로 알려져 있습니다.'표준'이라는 용어는 공식 표준뿐만 아니라 사실상의 표준에도 사용된다.

특정 비디오 코딩 포맷을 사용하여 인코딩된 비디오콘텐츠는 보통 AVI, MP4, FLV, RealMedia, Matroska 등의 멀티미디어 컨테이너 포맷 내에 오디오스트림(오디오 코딩 포맷을 사용하여 인코딩됨)과 함께 번들됩니다.따라서 사용자는 보통 H.264 파일은 가지고 있지 않지만 .mp4 비디오 파일을 가지고 있습니다.이것은 보통 AAC 인코딩 오디오와 함께 H.264 인코딩된 비디오를 포함하는 MP4 컨테이너입니다.멀티미디어 컨테이너 포맷에는 다양한 비디오 코딩 포맷 중 하나를 포함할 수 있습니다.예를 들어 MP4 컨테이너 포맷에는 MPEG-2 Part 2 또는 H.264 비디오 코딩 포맷의 비디오를 포함할 수 있습니다.또 하나의 예는 파일타입 WebM의 초기 사양입니다.이것에 의해, 컨테이너 형식(Matroska)이 지정됩니다.또한 Matroska 컨테이너 형식 자체가 다른 비디오 코딩 형식(VP9 비디오 및 Opu)을 포함할 수 있는 경우에도, Matroska 컨테이너 내에서 사용되는 비디오(VP8) 및 오디오(Vorbis) 압축 형식이 정확하게 지정됩니다.의 오디오 지원은 나중에 WebM 사양에 추가되었습니다).

형식과 코덱의 구별

형식은 다음과 같은 형식적인 정보 유형의 "레이아웃 계획"입니다.

언어, 노래, 단어, 아이디옴, 음소책자, 장, 문장, 단어, 구두점 회전 매체,트랙, 섹터, 바이트 ROM, 주소 코어 메모리, X 및 Y 좌표, 바이트 JPEG는 사진의 형식입니다. MPEG는 Motion Pictures의 형식입니다.

CODEC는 인간이 '구어용 코덱'이라고 생각되는 경우에도 CODER 디코더입니다.

포맷은 코드화, 복호화, 부호화, 복호화 및 부호화(용장성 의도)의 프로세스(액션)인 코덱의 동작으로부터 추상화되는 언어와 같다.코드화만 되어 있으면 누구에게도 시스템에도 도움이 되지 않지만, 디코딩되어 있으면 정보를 디코딩하는 사람에게도 도움이 됩니다.null 형식 및 null 코덱은 아무에게도 도움이 되지 않으며, 아무 것도 도움이 되지 않습니다.

H.264 등의 비디오 코딩 포맷은 코덱이라고 불리기도 하지만 사양과 구현 사이에는 명확한 개념상의 차이가 있습니다.비디오 부호화 포맷은 사양으로 기술되어 있으며, 비압축 비디오에서 소정의 비디오 부호화 포맷으로 데이터를 부호화/복호화하는 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어가 이러한 사양의 구현입니다.예를 들어 비디오 코딩 포맷 H.264(사양)는 코덱 OpenH264(특정 구현)에 대한 C 프로그래밍 언어(사양)와 컴파일러 GCC(특정 구현)에 대한 것입니다.각 사양(예: H.264)에는, 그 사양을 실장하는 코덱이 다수 존재하는 것에 주의해 주세요(예를 들면, x264, OpenH264, H.264/MPEG-4 AVC 제품실장).

이러한 차이는 문헌에 용어적으로 일관되게 반영되지 않는다.H.264 사양에서는 H.261, H.262, H.263 H.264 비디오 코딩 표준을 호출하고 있으며 [2]codec이라는 단어는 포함되어 있지 않습니다.오픈 미디어 제휴에서는, AV1 비디오 코딩 형식과 개발중의 코덱을 명확하게 구별하고 있습니다만, 비디오 코딩 형식 자체를 비디오 코덱 [3]사양이라고 부르고 있습니다.VP9 사양에서는 비디오 코딩 포맷 VP9 자체를 [4]코덱이라고 부릅니다.

결합의 예로서 비디오 포맷을 리스트 하고 있는 Cromium 페이지와 Mozilla 페이지는[5][6] H.264 코덱과 같은 콜 비디오 코딩 포맷을 모두 지원합니다.또 하나의 예로서 시스코의 프리 인 비어 비디오코덱 발표에서는 프레스 릴리스에서는 H.264 비디오코딩 포맷을 코덱('공통 비디오코덱의 선택')으로 언급하고 있습니다만, 그 직후에 시스코의 H.264 인코더/디코더 실장은 코덱('오픈 소스 H.264 코덱')[7]이라고 부릅니다.

비디오 코딩 포맷이 포맷을 실장하는 코덱에서 사용되는 모든 알고리즘을 지시하는 것은 아닙니다.예를 들어 비디오 압축이 일반적으로 작동하는 방법의 대부분은 비디오 프레임 간의 유사점을 찾아내고(블록 매칭), 미리 코딩된 유사한 하위 이미지(예: 매크로 블록)를 복사하여 필요에 따라 작은 차이를 추가하여 압축을 수행하는 것입니다.이러한 예측 변수와 차이의 최적의 조합을 찾는 것은 NP-난해한 [8]문제이며, 이는 최적의 솔루션을 찾는 것이 사실상 불가능하다는 것을 의미합니다.비디오 코딩 포맷은 비트스트림 포맷의 프레임 전체에서 이러한 압축을 지원해야 하지만, 이러한 블록 매치 및 기타 인코딩 단계를 찾기 위해 특정 알고리즘을 불필요하게 의무화하지 않음으로써 비디오 코딩 사양을 구현하는 코덱은 알고리즘 선택을 최적화하고 혁신할 수 있습니다.예를 들어 H.264 사양 섹션 0.5에는 인코딩 알고리즘이 [2]사양의 일부가 아니라고 나와 있습니다.알고리즘을 자유롭게 선택할 수 있기 때문에, 같은 비디오 부호화 포맷에 대해서 다른 시공간 복잡도 트레이드오프를 할 수 있기 때문에, 라이브 피드는 고속이지만 공간 효율이 낮은 알고리즘을 사용할 수 있습니다.한편, 나중에 대량 생산에 사용하는 원타임 DVD 부호화는, 공간 효율이 높은 부호화와 긴 부호화 시간을 교환할 수 있습니다.

역사

아날로그 비디오 압축의 개념은 1929년으로 거슬러 올라갑니다.그때 영국의 R.D. 켈은 프레임에서 프레임으로 바뀌는 장면의 일부만 전송하는 개념을 제안했습니다.디지털 비디오 압축의 개념Bell Labs의 연구원들이 B.M.에서 1952년까지 거슬러 올라갑니다.올리버와 C.W. 해리슨비디오 코딩에서 차분 펄스 코드 변조(DPCM)의 사용을 제안했습니다.1959년 NHK 연구자 Y에 의해 프레임간 움직임 보상의 개념이 제안되었다.타키, M. 하토리, S.시간적 차원에서 예측 프레임간 비디오 [9]코딩을 제안한 다나카 씨.1967년, 런던 대학의 연구원인 A.H. 로빈슨과 C.Cherry는 아날로그 텔레비전 [10]신호의 전송 대역폭을 줄이기 위해 무손실 압축 방식인 RLE(Run-Length Encoding)를 제안했습니다.

최초의 디지털 비디오 코딩 알고리즘은 비압축 비디오용 또는 무손실 압축용이었으며, 디지털 비디오 [11][12]코딩에는 비효율적이고 실용적이지 않습니다.디지털 비디오는 1970년대에 [11]도입되었습니다.처음에는 표준 화질([11][12]SD) 비디오용으로 45~200 Mbit/s의 높은 비트레이트를 필요로 하는 비압축 펄스 코드 변조(PCM)를 사용했습니다.이는 1990년대까지 [12]사용 가능한 통신 대역폭(최대 100 kbit/s)의 최대 2,000배였습니다.마찬가지로 비압축 고화질(HD) 1080p 비디오의 경우 비트 전송률이 1Gbit/s를 초과해야 합니다.이는 2000년대[13]사용 가능한 대역폭보다 훨씬 큰 것입니다.

움직임 보상 DCT

실용적인 비디오 압축은 블록 모션 보상(BMC)[9] 또는 DCT 모션 보상이라고도 불리는 모션 보상 DCT(MC DCT) 코딩의 [12][11]개발과 함께 등장했습니다.는 두 가지 [9]주요 데이터 압축 기술인 이산 코사인 변환(DCT) 코딩과[12][11] 시간적 [9]차원의 예측 움직임 보상을 결합한 하이브리드 코딩 알고리즘입니다.

DCT 코딩은 1972년 캔자스주립대에서 일하던 중 이미지 압축을 위해 처음 제안한 손실 블록 압축 변환 코딩 기법이다.그 후 1973년 텍사스 대학에서 아흐메드와 T. 나타라잔, K. R. 라오와 함께 실용적인 이미지 압축 알고리즘으로 개발되어 [14][15][16]1974년에 발표되었다.

또 다른 핵심 개발은 움직임 보상 하이브리드 [9]코딩이었다.1974년 서던 캘리포니아 대학의 알리 하비비는 예측 부호화와 변환 [9][20]부호화를 결합한 하이브리드 [17][18][19]부호화를 도입했습니다.그는 DCT, Hadamard 변환, 푸리에 변환, 경사 변환, Karhunen-Loeve 변환을 포함한 [17]여러 변환 부호화 기술을 조사했다.그러나 그의 알고리즘은 처음에는 공간 차원의 프레임 내 코딩으로 제한되었다.1975년, 존 A.Roese와 Guner S. Robinson은 Habibi의 하이브리드 [9][21]코딩 알고리즘을 시간적 차원으로 확장하여 프레임 간 움직임 보상 하이브리드 코딩을 개발하였다.공간 변환 코딩을 위해, 그들은 DCT와 고속 푸리에 변환(FFT)을 포함한 다른 변환으로 실험하여 프레임 간 하이브리드 코더를 개발했으며, DCT가 비디오 전화 장면 위트에 대해 픽셀당 0.25비트까지 이미지 데이터를 압축할 수 있는, 그 복잡성이 감소했기 때문에 가장 효율적이라는 것을 발견했다.h [22][21]픽셀당 2비트를 필요로 하는 일반적인 프레임 내 코더에 필적하는 화질.

DCT는 C.H. Smith 및 S.C.와 함께 고속 DCT 알고리즘을 개발한 [23]Chen Wen-Hiung에 의해 비디오 인코딩에 적용되었습니다.1977년 Fralick은 [24][25]DCT 기술을 상용화하기 위해 Compression [23]Labs를 설립했습니다.1979년 아닐 K. 자인과 자스완트 R. 자인은 움직임 보상 DCT 비디오 압축을 [26][9]더욱 개발했습니다.이로 인해 Chen은 1981년에 [9]모션 보상 DCT 또는 적응 장면 부호화라고 불리는 실용적인 비디오 압축 알고리즘을 개발하게 되었습니다.모션 보상 DCT는 이후 1980년대 [11][27]후반부터 비디오 압축의 표준 부호화 기법이 되었습니다.

비디오 부호화 규격

최초의 디지털 비디오 코딩 표준은 1984년 [28]CCITT(현 ITU-T)에 의해 개발된 H.120이었습니다.H.120은 성능이 너무 [28]낮아서 실제로 사용할 수 없었습니다.H.120은 비디오 [11]코딩에 비효율적인 무손실 압축 알고리즘인 모션 보상 DPCM [9]코딩을 사용했습니다.1980년대 후반, 많은 기업들이 비디오 코딩에 훨씬 더 효율적인 압축 형태인 이산 코사인 변환(DCT) 코딩 실험을 시작했습니다.CCITT는 벡터 양자화(VQ) 압축에 기초한 단일 제안과는 대조적으로 DCT 기반 비디오 압축 형식에 대한 14개의 제안을 받았습니다.H.261 표준은 움직임 보상 DCT [11][27]압축을 기반으로 개발되었습니다.H.261은 최초의 실용적인 비디오 코딩 표준으로,[28] Hitachi, Picture포함한 여러 회사의 특허를 사용합니다.Tel,[29] NTT, BT, 도시바 입니다.H.261 이후 모션 보상 DCT 압축은 이후의 [11][27]모든 주요 비디오 코딩 표준(H.26x MPEG 형식 포함)에 의해 채택되었습니다.

MPEG-1Motion Picture Experts Group(MPEG)에 의해 1991년에 개발되었으며 VHS 화질의 비디오를 [28]압축하도록 설계되었습니다.1994년, 주로 소니, 톰슨, 미쓰비시 전기 [30]등 다수의 기업에서 특허를 취득하여 개발MPEG-2/H.[28]262에 의해 계승되었습니다.MPEG-2는 DVD와 SD 디지털 [28]텔레비전표준 비디오 형식이 되었습니다.동작 보상 DCT 알고리즘은 최대 100:1의 압축률을 달성해 주문형비디오(VOD)[12] 고화질TV(HDTV)[31] 등 디지털 미디어 기술 개발을 가능케 했다.1999년에는 MPEG-4/H.263이 그 뒤를 이어 비디오 압축 기술이 크게 [28]발전했습니다.주로 미쓰비시, 히타치, [32]파나소닉 등 여러 회사의 특허를 사용하고 있습니다.

2019년 현재 가장 널리 사용되는 비디오 코딩 형식은 H.264/MPEG-4 AVC입니다.[33]2003년에 개발되어 파나소닉, 고도카이샤 IP브릿지,[34] LG전자 등 많은 기관에서 특허를 취득했습니다.전작의 표준 DCT와는 달리, AVC는 정수 [23][35]DCT를 사용합니다.H.264는 Blu-ray 디스크의 비디오 부호화 표준 중 하나입니다.모든 Blu-ray Disc 플레이어는 H.264를 디코딩할 수 있어야 합니다.또한 YouTube, Netflix, VimeoiTunes Store의 비디오, Adobe Flash Player 및 Microsoft Silverlight와 같은 웹 소프트웨어, 지상파(Advanced Television Systems Committee, ISDB-T, DVB-T)를 통한 다양한 HDTV 방송 등 스트리밍 인터넷 소스에 널리 사용됩니다.VB-S2).[36]

많은 비디오 코딩 포맷의 주요 문제는 특허로, 사용이 비싸거나 잠수함 특허로 인해 특허 소송의 위험이 있다.Theora, VP8 VP9와 같은 최근 설계된 많은 비디오 코딩 포맷의 배경에는 로열티 [37]없는 특허만으로 커버되는 (libre) 비디오 코딩 표준이 마련되었습니다.또한 HTML5 비디오 태그 내에서 메인스트림 웹 브라우저가 지원하는 비디오 포맷을 선택하기 위한 주요 쟁점이 되고 있습니다.

현재의 비디오 코딩 형식은 2013년에 도입된 HEVC(H.265)입니다.AVC는 4x4 및 8x8 블록사이즈의 정수 DCT를 사용하는 반면 HEVC는 4x4 ~32x32의 [38]다양한 블록사이즈의 정수 DCT 및 DST 변환을 사용합니다.HEVC는 삼성전자, GE, NTT, JVC 켄우드[39]특허를 다수 보유하고 있다.프리 라이선스를 목표로 하는 AV1 포맷에 도전하고 있다.2019년 현재 AVC는 비디오 콘텐츠의 녹화, 압축 및 배포에 가장 일반적으로 사용되는 포맷으로 비디오 개발자의 91%가 사용하고 있으며,[33] 다음으로 개발자의 43%가 HEVC를 사용하고 있습니다.

비디오 코딩 표준 목록

국제 비디오 압축 표준 연표
기본 알고리즘 비디오 부호화 표준 연도 퍼블리셔 위원회 라이선스 계약자 시장점유율(2019년)[33] 일반적인 실장
DPCM H.120 1984 CCIT VCEG 불명
DCT H.261 1988 CCIT VCEG Hitachi, 사진Tel, NTT, BT, 도시바 [29] 화상회의, 화상전화
모션 JPEG(MJPEG) 1992 JPEG JPEG ISO/오픈 소스는 무료가 아닙니다![40] Quick Time(Quick Time)
MPEG-1 파트 2 1993 ISO, IEC MPEG 후지쯔, IBM, 마쓰시타 [41] 비디오 CD, 인터넷 비디오
H.262 / MPEG-2 Part 2 (MPEG-2 비디오) 1995 ISO, IEC, ITU-T MPEG, VCEG 소니, 톰슨, 미쓰비시 [30] 29% DVD 비디오, Blu-ray, DVB, ATSC, SVCD, SDTV
DV 1995 IEC IEC 소니, 파나소닉 불명 캠코더, 디지털 카세트
H.263 1996 ITU-T VCEG 미쓰비시, 히타치, 파나소닉 [32] 불명 화상회의, 화상전화, H.320, ISDN([42][43]Integrated Services Digital Network), 모바일비디오(3GP), MPEG-4 Visual
MPEG-4 Part 2 (MPEG-4 비주얼) 1999 ISO, IEC MPEG 미쓰비시, 히타치, 파나소닉 [32] 불명 인터넷 비디오, DivX, Xvid
DWT 모션 JPEG 2000 (MJ2) 2001 JPEG[44] JPEG[45] 불명 디지털 시네마[46]
DCT 고도의 비디오 코딩 (H.264 / MPEG-4 AVC) 2003 ISO, IEC, ITU-T MPEG, VCEG 파나소닉, 고도카이샤 IP브릿지, LG [34] 91% Blu-ray, HD DVD, HDTV(DVB, ATSC), 비디오 스트리밍(YouTube, Netflix, Vimeo), iTunes Store, iPod Video, Apple TV, 화상회의, Flash Player, Silverlight, VOD
테오라 2004 불명 인터넷 비디오, 웹 브라우저
VC-1 2006 SMPTE SMPTE 마이크로소프트, 파나소닉, LG, 삼성 [47] 불명 Blu-ray, 인터넷 비디오
Apple ProRes 2007 사과 사과 사과 불명 비디오 제작, 포스트 프로덕션
고효율 비디오 코딩(H.265/MPEG-H HEVC) 2013 ISO, IEC, ITU-T MPEG, VCEG 삼성, GE, NTT, JVC 켄우드 [39][48] 43% UHD Blu-ray, DVB, ATSC 3.0, UHD 스트리밍, 고효율 이미지 포맷, macOS High Sierra, iOS 11
AV1 2018 아오메디아 아오메디아 7% HTML5 비디오
범용 비디오 코딩(VVC/H.266) 2020 JVET JVET 불명

무손실, 무손실, 비압축 비디오 코딩 형식

컨슈머 비디오는 일반적으로 손실 비디오 코덱사용하여 압축됩니다.그 때문에, 무손실 압축보다 파일이 큰폭으로 작아지기 때문입니다.손실 압축 또는 무손실 압축용으로 명시적으로 설계된 비디오 코딩 형식이 있지만 Dirac H.264 등의 일부 비디오 코딩 형식은 둘 다 [49]지원합니다.

Clean HDMI 비압축 비디오 포맷은 HDMI 접속을 통해 디스플레이에 비디오를 송신할 때 등 상황에 따라 사용되는 무손실 비디오의 한 형태입니다.일부 하이엔드 카메라는 이 포맷으로 직접 비디오를 캡처할 수도 있습니다.

프레임 내 비디오 코딩 형식

프레임간 압축은 부호화된 비디오시퀀스의 [50]편집을 복잡하게 합니다.비교적 단순한 비디오 부호화 포맷의 서브클래스는 DV와 같은 프레임 내 비디오 포맷으로, 비디오 스트림의 각 프레임은 스트림 내의 다른 프레임을 참조하지 않고 독립적으로 압축되며, 보다 나은 압축을 위해 시간에 따른 연속적인 화상 간의 상관관계를 이용하려는 시도는 없다.예를 들어 Motion JPEG는 개별적으로 JPEG로 압축된 영상의 시퀀스일 뿐입니다.이 접근방식은 빠르고 심플하지만 인코딩된 비디오는 Inter 프레임 부호화를 지원하는 비디오 부호화 형식보다 훨씬 큽니다.

프레임간 압축은, 1 프레임의 데이터를 다른 프레임에 카피하기 때문에, 원래의 프레임이 간단하게 절단(또는 전송중에 소실)되었을 경우, 다음의 프레임을 올바르게 재구축 할 수 없습니다.비디오 편집 중에 압축된 비디오로 '컷'을 만드는 것은 압축되지 않은 비디오를 편집하는 것만큼 쉽습니다. 즉, 각 프레임의 시작과 끝을 찾아서 유지하고 싶은 각 프레임을 비트별로 복사하고 원하지 않는 프레임을 폐기합니다.프레임 내 압축과 프레임 간 압축의 또 다른 차이점은 프레임 내 시스템에서 각 프레임이 동일한 양의 데이터를 사용한다는 것입니다.대부분의 인터프레임 시스템에서는 특정 프레임(MPEG-2의 'I 프레임' 등)은 다른 프레임에서 데이터를 복사할 수 없기 때문에 근처에 [51]있는 다른 프레임보다 훨씬 많은 데이터를 필요로 합니다.

다른 프레임이 필요할 때 프레임을 편집했을 때 발생하는 문제를 발견하는 컴퓨터 기반의 비디오 에디터를 구축할 수 있습니다.이것에 의해, HDV등의 새로운 포맷을 편집에 사용할 수 있게 되었습니다.다만, 이 프로세스에서는, 같은 화질로 프레임내의 압축 비디오를 편집하는 것보다 훨씬 높은 처리 능력을 필요로 합니다.단, 이 압축은 어떤 오디오 [52]형식에서도 그다지 효과적이지 않습니다.

프로파일과 레벨

비디오 코딩 포맷에서는 프로파일 및 레벨이라고 불리는 인코딩된 비디오에 대한 선택적 제한을 정의할 수 있습니다.예를 들어 디코더 프로그램/하드웨어를 소형화, 심플화 또는 [53]고속화하기 위해 특정 비디오 형식의 프로파일 및 레벨의 디코딩만 지원하는 디코더를 가질 수 있습니다.

프로파일은 허용되는 인코딩 기술을 제한합니다.예를 들어 H.264 형식에는 프로파일 베이스라인, 메인하이(및 기타)가 포함됩니다.P-슬라이스(이전 슬라이스를 기반으로 예측 가능)는 모든 프로파일에서 지원되지만 B-슬라이스(이전 슬라이스와 후속 슬라이스를 기반으로 예측 가능)는 메인 및 상위 프로파일에서 지원되지만 [54]기준선에서는 지원되지 않습니다.

레벨은 최대 해상도 및 데이터 [54]레이트와 같은 파라미터의 제한입니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 비디오 코딩이라는 용어Advanced Video Coding, High Efficiency Video Coding, Video Coding Experts[1] Group 등의 명칭에서 볼 수 있습니다.

레퍼런스

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