MPEG-2 비디오

MPEG-2 Video는 ISO/IEC 동영상 전문가 그룹과 ITU-T가 공동으로 제정한 동영상 압축 표준으로, 공식 번호는 ISO/IEC 13818-2 및 ITU-T H.262입니다. 첫 번째 버전은 1995년에 완성되었으며, 디지털 텔레비전, 저장 매체 및 통신 등 서로 다른 해상도, 비트레이트 및 스캔 방식을 하나의 디코딩 구문으로 포괄하는 것을 목표로 했습니다.

“MPEG-2”는 일련의 표준을 의미하며, 단순히 비디오 인코딩만을 가리키는 것은 아닙니다.

Part 1(ISO/IEC 13818-1, ITU-T H.222.0)은 프로그램 스트림, 전송 스트림 및 시스템 다중화를 규정하고, Part 2는 동영상을 규정하며, Part 3과 Part 7은 다양한 오디오 인코딩을 다룹니다. 따라서 MPEG-2 Video는 파일 컨테이너가 아니며, MPEG 오디오를 자동으로 포함하지도 않습니다. 확장자가 .mpg, .vob 또는 .ts인 파일은 각각 포함된 비디오, 오디오 및 시스템 계층을 별도로 확인해야 합니다.

인코딩된 영상은 시퀀스, 이미지 그룹, 이미지, 슬라이스, 매크로블록 및 블록 등의 계층으로 구성됩니다. 일반적인 4:2:0 비디오의 한 매크로블록은 16×16개의 휘도 샘플과 이에 상응하는 색도 샘플을 포함하며, 이를 다시 8×8 블록으로 나누어 이산 코사인 변환(DCT)을 수행합니다. 변환은 공간 픽셀을 서로 다른 주파수의 계수로 변환하며, 양자화는 이러한 계수의 정밀도를 다시 낮춥니다. 강한 양자화는 일반적으로 비트율을 감소시키지만, 블록 현상, 링잉 및 세부 정보 손실을 유발하기 쉽습니다. 양자화 행렬은 프레임 내 블록과 프레임 외 블록에 대해 서로 다른 주파수의 보존 정도를 조정할 수 있습니다. MPEG-2 Video는 I, P, B의 세 가지 주요 영상 유형을 사용합니다. I 영상은 다른 영상의 운동 보상에 의존하지 않으며, 임의 접근 및 오류 복구의 기초가 됩니다. P 영상은 이전의 I 또는 P 영상으로부터 예측됩니다. B 영상은 전방 및 후방 참조를 동시에 활용할 수 있습니다. 이미지 그룹은 비트스트림 내의 전형적인 배열을 규정하지만, 표준에서는 고정된 길이를 요구하지 않습니다. B 프레임이 참조하는 후방 참조는 먼저 디코딩되어야 하므로, 비트스트림 내의 디코딩 순서는 표시 순서와 다를 수 있습니다. 폐쇄형 이미지 그룹과 개방형 이미지 그룹은 경계 간 참조를 처리하는 방식도 다릅니다.

운동 보정은 일반적으로 16×16 매크로블록 또는 해당 구역을 단위로 하며, 운동 벡터를 사용하여 참조 프레임 내의 예측 위치를 지정한다. 인코더가 운동 벡터를 어떻게 검색하고, 장면 전환을 판단하며, 비트를 할당하는지는 표준에서 강제하는 알고리즘이 아니며, 출력 비트스트림이 규정에 따라 디코딩될 수만 있다면 된다. MPEG-2 영상은 일반적으로 반 픽셀 운동 보정을 사용하며, 후속 표준인 AVC나 HEVC와 같은 더 세분화된 구역 체계를 갖추지 않았기 때문에, 낮은 비트레이트에서는 복잡한 움직임과 가장자리에 더 많은 잔차 데이터가 필요할 수 있습니다.

이 표준은 설계상 프로그레시브 및 인터레이스 영상을 모두 고려합니다. 영상은 전체 프레임 또는 개별 필드로 인코딩될 수 있으며, 프레임 영상 내의 매크로블록은 프레임 예측, 필드 예측 및 프레임 또는 필드 이산 코사인 변환(DCT) 중에서 선택할 수 있습니다. 비트스트림은 progressive_sequence, progressive_frame, top_field_first 및 repeat_first_field 등의 플래그를 사용하여 스캔 및 표시 시퀀스를 설명합니다. 영화 소스 프로그램은 프로그레시브 이미지와 반복 필드 플래그를 조합하여 3:2 다운드래그를 형성할 수도 있고, 제작 단계에서 진정한 인터레이스 화면으로 변환될 수도 있습니다. 컨테이너가 보고하는 출력 프레임률만으로는 원본의 움직임 구조를 반드시 판단할 수 있는 것은 아닙니다.

프로파일은 인코딩 도구와 색도 능력을 규정하며, 레벨은 해상도, 샘플링률, 비트레이트 및 버퍼 리소스를 규정합니다. Simple Profile은 B 프레임을 사용하지 않으며, Main Profile은 방송 및 소비자용 배포에서 가장 흔히 사용되는 기본 프로파일입니다. 그 외에도 확장 가능한 인코딩, 고색도 또는 전문 제작을 위한 프로파일이 포함됩니다. Main Level은 표준 화질 디지털 TV와 DVD에 주로 사용되며, High-1440과 High Level은 고화질 매개변수로 확장되고, 4:2:2 Profile은 더 높은 색도 정밀도가 요구되는 프로그램 제작 및 전송에 사용됩니다. 프로파일과 레벨의 조합은 전체적으로 판단해야 하며, 단순히 “Main”이라고 해서 화면 크기를 확정해서는 안 됩니다.

비디오 버퍼 검증기 모델은 가상의 디코더가 비트스트림의 시간 순서에 따라 데이터를 수신하고 제거하는 방식을 규정하며, 이는 피크 데이터 양과 버퍼 점유량을 제한하는 데 사용됩니다. 인코더는 고정 비트레이트 또는 가변 비트레이트 프로그램을 생성할 수 있지만, 규격에 부합하는 디코더의 버퍼가 오버플로우되거나 언더플로우되지 않도록 해야 합니다. 비트레이트 제어의 구체적인 방법은 규격에 포함되어 있지 않으므로, 동일한 평균 비트레이트를 가진 두 MPEG-2 인코딩은 서로 다른 순간적 할당량과 화질을 가질 수 있습니다.

DVD-Video는 주로 MPEG-2 Video를 사용합니다. 525/60 시스템을 위한 전체 화면은 일반적으로 720×480이며, 625/50 시스템을 위한 것은 일반적으로 720×576이며, 오디오 트랙, 자막 및 탐색 패키지와 함께 VOB에 캡슐화됩니다. 디지털 TV는 연속 방송 및 다중 프로그램 다중화에 적합하도록 비디오 기본 스트림을 MPEG-2 전송 스트림(TS)에 포함시키는 경우가 더 많습니다. 프로그램 스트림, 전송 스트림 및 비디오 기본 스트림은 각각 다른 경계를 가지므로, TS나 VOB 자체를 하나의 비디오 인코딩 방식으로 볼 수는 없습니다. MPEG-2 비디오는 위성, 케이블 및 지상파 디지털 TV, 초기 HD 방송, 전문 프로그램 교환, SVCD, 그리고 일부 블루레이 및 HD DVD에도 사용됩니다. 블루레이는 MPEG-2를 비디오 코덱으로 허용하지만, 더 큰 디스크 용량과 HD 라벨이 기본 압축 방식을 바꾸지는 않습니다. 실제 비트레이트는 일반적으로 DVD보다 높습니다. 그 후 H.264/AVC와 HEVC가 더 복잡한 예측 및 블록 분할을 통해 더 높은 압축 효율을 제공하며 많은 신규 시스템에 도입되었지만, MPEG-2는 기존 프로그램, 방송 인프라 및 장비 호환성 때문에 여전히 디코딩되고 보존되고 있다.

MPEG-2 비디오 라벨은 비트스트림이 H.262 / ISO/IEC 13818-2를 따름을 나타낼 뿐, 해상도, 스캔 방식, 화면 비율 또는 품질을 단독으로 결정할 수는 없습니다. 이 표준은 다양한 매개변수 조합을 허용하며, 최종 결과는 원본 자료, 표준 변환, 노이즈 제거, 양자화 행렬, 이미지 그룹 구조, 인코더 구현 및 사용 가능한 비트레이트에 따라 달라집니다.