MPEG-2

MPEG-2(엠펙 투)는 MPEG(Moving Picture Expert Group)이 정한 오디오와 비디오 인코딩(부호화)에 관한 일련의 표준을 말하며, ISO 표준 13818(13818-1은 시스템, 13818-2는 비디오 부호화, 13818-3은 오디오...)로 공표되었다. MPEG-2는 일반적으로 디지털 위성방송, 디지털 유선방송 등의 디지털 방송을 위한 오디오와 비디오 정보 전송을 위해 쓰이고 있다. 또, MPEG-2의 표준을 약간 변형한 인코딩 포맷은 상업 DVD의 표준으로 돌비 디지털, DTS와 함께 사용되고 있다.

MPEG-2 13818-2 비디오 표준은 MPEG-1과 비슷하지만, 텔레비전 방송에서 사용하는 비월주사 방식의 영상을 지원한다. MPEG-2 비디오(부분 2)는 저속 비트율(1 Mbit/s) 환경에는 부적합하지만, 초당 3 메가비트 이상을 요구하는 MPEG-1보다는 향상된 압축률을 보이고 있다. MPEG-2의 MPEG-1과 구별되는 특징으로는 데이터 유실이 많은 전송 환경에도 적합한 트랜스포트 스트림이 정의되어 있다는 점을 들 수 있으며, 이는 현재 디지털 방송에 사용되고 있다. MPEG-2는 원래 MPEG-3로 개발하려던 HDTV(고선명 텔레비전) 전송의 표준 또한 포함한다. 또한 MPEG-1과도 호환성도 보장되어 표준을 따르는 MPEG-2 디코더는 MPEG-1 스트림도 재생할 수 있다. 이 부분의 표준은 ITU-T의 비디오 코딩 전문가 그룹(Video Coding Experts Group, VCEG)과 ISO/IEC의 동화상 전문가 그룹(Moving Picture Experts Group, MPEG)이 공동으로 표준화를 진행하였으며, 따라서 ITU-T의 H.262와 MPEG의 13818-2는 동일하다.

MPEG-2 13818-3 오디오 표준은 MPEG-1 오디오 표준에서 발전되어 채널의 확장을 하는 MC (다중 채널)과 낮은 표본화 주파수를 제공하는 LSF (낮은 샘플링 주파수:Low Sampling Frequency)(24 kHz, 22.05 kHz, 16 kHz)로 구성되어 있다. 또한 두가지 모두 MPEG-1 오디오를 복호화할 수 있는 하위 호환성의 특성을 가지고 있다. 알고리즘 측면에서는 추가된 내용이 없기 때문에 이론적으로 MPEG-1과 동일한 압축율을 가진다고 봐도 무방하다.

하지만 MPEG-2에서는 압축율을 높이는 대신, 하위 호환성을 지원하지 않는 AAC (고급 오디오 코딩)를 13818-3이 표준화 된 후 13818-7로 표준화하고 있다. AAC에는 기존 MPEG 오디오에서 사용되지 않던, LTP, TNS, 예측 도구가 추가되었으며 레이어로 구분하던 MPEG-1,2와는 달리 도구의 집합인 프로파일로 구분하여 정의하고 있다. (덜 복잡함, 조절할 수 있는 샘플 속도)

DVD / DVB에서 사용되는 변경된 표준을 제외한 MPEG-2 비디오와 MPEG-2 오디오에 대한 일반 정보. .

• 영상 데이터 + 타임 스탬프(시각 정보)
• 소리 데이터 + 타임 스탬프

MPEG-2는 오디오 신호를 비롯한 동영상의 일반적인 인코딩(부호화)을 위한 규약이다. 부호화된 비디오 스트림은 화면 내 예측(Intra), 전방 예측(Predictive), 양방향 예측(Bidirectional)의 세가지 프레임들의 배치를 규정한 GOP(Group of Pictures) 구조로 구성된다. 일반적으로 부호화할 원본은 소리가 포함된 일정한 해상도의 영상이 초당 25(CCIR규정) 프레임 또는 초당 29.97(FCC규정) 프레임의 속도로 바뀌는 동영상이다.

MPEG-2는 비월주사(interlaced scan)와 순차주사(progressive scan) 두 가지 방식의 비디오 스트림을 모두 지원한다. 순차주사 방식에선 부호화의 기본 유닛이 ���레임(한 장의 영상)이 되고, 비월주사 방식에선 필드(한 장의 영상의 홀수줄, 혹은 짝수줄만으로 이루어짐)이다. 아래 설명에서 "픽처" 혹은 "정지 영상"이라고 말한 것은 각각의 기본 유닛(즉 필드나 프레임)을 가리킨다.

MPEG-2 스트림은 단일 영상을 부호화한 데이터 프레임의 연속이다. 각 정지영상을 부호화하는 방법엔 화면 내 예측(I), 전방 예측(P), 양방향 예측(B) 세 가지가 있다.

각 비디오 이미지는 루미넌스(명도) 성분 Y 와 두 개의 크로미넌스(색차) U, V 채널로 우선 나뉜다. 각각에 대해 공간적으로 "매크로 블록(macroblock)"이라 불리는 16x16 크기의 격자로 나뉘며, 이 매크로 블록이 부호화의 기본적인 조각이 된다. 매크로 블록은 8x8 크기의 "블록" 4개가 합쳐진 것이다. 원본 이미지의 색상 샘플링 포맷에 따라 한 매크로 블록이 8x8 크기의 색차 정보 블록을 가질지, 아니면 16x16을 가질지가 결정된다. 예를 들어, 일반적으로 쓰이는 4:2:0 포맷에서는, 한 색상이 매크로 블록 하나(16x16)당 한 개의 크로미넌스 블록(8x8)만을 갖게 되어, 하나의 매크로 블록은 4개의 명도 정보(Luminance) 블록, 1개의 U블록, 1개의 V블록으로 총 6개의 블록을 갖게 된다.

I 픽처의 경우 이미지 데이터는 다음 문단에서 설명하는 인코딩 절차를 바로 거치게 되며, P (혹은 B) 픽처의 경우엔 우선 "움직임 보상"(motion compensation)이라 불리는 과정을 거쳐 이전 영상(B의 경우엔 이전과 이후의 영상)과의 관련성을 검색하여 이용한 후 다음 인코딩을 진행하게 된다. 움직임 보상에선 P (혹은 B) 픽처로 만들어질 영상의 각 매크로 블록이 이전(B의 경우엔 이후도 포함) 영상의 어느 부분과 가장 관련성이 높은가를 알아내어 그 부분과의 공간상의 변위인 "움직임 벡터"(motion vector)와 두 영상간의 차이가 다음과 같이 부호화되어 전송되게 된다.

각 블록은 8x8 이산 코사인 변환(discrete cosine transformation)의 과정을 거치게 된다. 변환으로 얻어진 각 계수들은 미리 정해진 값들로 나누어 양자화 되고, 지그재그로 재배열 된 후 영에 대한 RLC을 하게 된다. 마지막으로 허프만 코딩으로 부호화를 마친다.

I 픽처 인코딩은 공간적인 반복성에 대한 것이고, P 와 B 픽처는 시간적인 반복성에 대한 것이다. 다시 말해, 동영상을 이루는 이어지는 두개의 정지영상은 서로 상당히 비슷하며, 그래서 P 픽처는 보통 I 픽처의 10%, B 픽처는 2%의 크기로 부호화된다.

이 세 가지 프레임으로 이루어지는 일련의 프레임들은 GOP(Group of Pictures)라 불리는 구조를 이룬다. 다양한 구조의 GOP가 가능하지만 많이 쓰이는 것은 I_BB_P_BB_P_BB_P_BB_P_BB_의 순서로 15개의 프레임이 하나의 GOP를 구성하는 것이다. 이와 유사하게 12개의 프레임으로 만들어진 GOP구조도 자주 쓰인다. GOP 구조의 I, P, B 프레임의 구성 비율은 비디오 스트림의 성격, 출력 스트림이 가져야 하는 대역폭(bandwidth)등에 따라 정해진다. 인코딩에 걸리는 시간도 비율을 결정하는 한 요소이다. 이를테면 실시간으로 전송해야 하는 생방송의 경우에 인코딩에 동원되는 자원은 한정되어 있으며, B 픽처가 많이 들어간 스트림은 I 픽처만으로 이루어진 스트림에 비해 인코딩에 3배 정도의 시간이 들 수 있다.

MPEG-2 인코더의 출력 비트율은 일정해야 하거나, 정해진 최대 비트율을 갖고 변할 수 있다. 가변 비트율의 예로 10.4 Mbps를 최대 비트율로 갖는 DVD 영화를 들 수 있다. 일정한 비트율을 얻기 위해서 양자화의 수준을 변경시킬 수 있다. 그러나 양자화가 심하게 될 경우엔 전송된 스트림이 디코딩 된 화면에 격자모양이 나타날 수 있다. 이 현상은 비트율이 내려갈수록 더욱 심각해진다.

MPEG-2는 또한 새로운 오디오 인코딩 방식을 도입한다. 이는

• 반으로 줄어든 샘플링 율을 사용하는 저속 비트율 인코딩 (MPEG-1 Layer 1/2/3 LSF)
• 다채널 인코딩. 최고 5.1 채널
• 돌비를 견제하기 위해서 개발하였지만, 결국 돌비 디지털에 밀려서 거의 사장됨.
• 새로운 오디오 인코딩 방식인 AAC 코덱에 대한 표준화

DVD 표준에는 다음과 같은 제한 사항이 더해진다.

• 해상도의 제한
  • 720 x 480 픽셀, 초당 59.94 필드 (FCC)
  • 720 x 480 픽셀, 초당 29.97 프레임 (FCC)
  • 720 x 576 픽셀, 초당 50 필드 (CCIR)
  • 720 x 576 픽셀, 초당 25 프레임 (CCIR)
• 초당 최고 9,8 메가비트
• YUV 4:2:0
• 부가적인 자막 가능
• 오디오
  • 48 kHz MPEG-2 Layer 2 가능
  • 48 kHz 최고 초당 448 킬로비트의 디지털 돌비 가능
  • 754 또는 초당 1510 킬로비트의 DTS 가능
  • 최소한 하나의 MPEG 오디오 또는 DD 오디오 트랙 포함
• GOP 구조의 제한

DVB-MPEG에 더해진 제한 사항.

• 다음의 SDTV 급 해상도만 허용됨.
  • 720 × 480 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 640 × 480 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 544 × 480 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 480 × 480 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 352 × 480 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 352 × 240 화소, 24/1.001, 24, 30/1.001 또는 30 프레임/초
  • 720 × 576 화소, 25 프레임/초
  • 544 × 576 화소, 25 프레임/초
  • 480 × 576 화소, 25 프레임/초
  • 352 × 576 화소, 25 프레임/초
  • 352 × 288 화소, 25 프레임/초

ISO/IEC 13818-1

시스템 - 비디오와 오디오 데이터의 동기화와 다중 송신을 정의.

ISO/IEC 13818-2

비디오 - 비월주사, 순차주사 비디오 신호의 압축 코덱을 정의.

ISO/IEC 13818-3

오디오 - 오디오 신호의 개념적인 압축 코덱, MPEG-1 (MP3)에 여러 채널을 쓸 수 있게 한 확장을 정의.

ISO/IEC 13818-4

테스트 절차를 정의. 호환성 테스트를 위한 절차를 서술하였음.

ISO/IEC 13818-5

소프트웨어 시뮬레이션 시스템을 정의.

ISO/IEC 13818-6

DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control의 약자)의 확장을 정의.

ISO/IEC 13818-7

AAC (고급 오디오 코딩)

ISO/IEC 13818-9

실시간 인터페이스를 위한 확장.

ISO/IEC 13818-10

DSM-CC의 순응 확장

ISO/IEC 13818-11

MPEG2 시스템 위의 IPMP

• MPEG-ts
• DVD
• AAC
• MPEG-4

• MPEG-2 표준에 대한 간단 안내
• MPEG-2 살펴 보기 Archived 2007년 10월 23일 - 웨이백 머신
• MPEG-2 영상 압축 Archived 2006년 9월 2일 - 웨이백 머신