디지털 영상

1. 영상의 획득

2. 컬러 신호 포맷

 2.1 RGB

 2.2 Y(R-Y)(B-Y)

 2.3 YUV

 2.4 YPbPr

 2.5 YCbCr

3. 디지털 영상 표현을 위한 파라미터 

 3.1 프레임 레이트(frame rate)

 3.2 Picture의 수평, 수직 Resolution

 3.3 Color Sample Ratio

 3.4 Bit depth

 3.5 주사(Scanning)

 3.6 화면 비율(Aspect Ratio)

4. 디지털 영상 format

  4.1 ITU-R BT.601(former name CCIR 601)

  4.2 SIF(Source Input Format)

  4.3 CIF(Common Intermediate Format)

  4.4 VGA(Video Graphics Array)

  4.5 ITU-R BT.709 Recommendation

  4.6 ATSC 영상 포맷 비교

5. 주어진 조건에 따른 정보량 계산       

1. 영상의 획득

  - 디지털 영상을 획득할 수 있는 장비로 스캐너, 디지털 카메라 등이 있음

  - 카메라에 입사된 빛은 3개의 프리즘으로 이루어진 카메라의 프리즘 시스템에 의해 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색으로 우선 분리됨

   - RGB 신호는 선형 행렬에서 순수 휘도 성분인 Y와 두 개의 색차신호 Pb(B-Y), Pr(R-Y)로 변환된다.

   - YPbPr 신호는 ADC(Analog to Digital Conversion)을 통하여 YCbCr 신호로 변환됨

   - 샘플링과 양자화 과정에 따라서 여러가지 해상도의 디지털 영상이 만들어짐 

2. 컬러 신호 포맷

 2.1 RGB

    - 빛의 3원색 RGB는 색좌표 상에 있는 대부분의 색을, 조합에 의해서 가장 잘 나타낼 수 있는 색

 

 2.2 Y(R-Y)(B-Y)

    - 인간의 시각 계통은 루미넌스(밝기 정보)보다 크로미넌스(색차 정보)에 덜 민감, 인간이 민감하게 느끼는 휘도신호를 충실하게 보내기 위해서 순수 휘도 성분(Y)과 색차신호(R-Y, B-Y)로 구분

    - 다음과 같은 간단한 계수식으로 표현

       Y=0.299R+0.587G+0.114B(인간의 시각 특성으로부터 주어진 식)

       R-Y=0.701R-0.587G-0.114B

       B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B

          

 2.3 YUV  

    - 컬러TV와 흑백 TV 모두 호환이 가능한 아날로그 TV 신호(composite 신호) 전송을 위한 포맷

    - 합성신호를 만들 때 색신호가 너무 커서 과변조 되는 것을 막기 위해서 R-Y와 B-Y를 스케일링한 신호임

           U=0.493(B-Y)

           V=0.887(R-Y)

 

 2.4 YPbPr

     - Component 아날로그 비디오 신호에 적용되는 포맷

 

 2.5 YCbCr

     - YPbPr 신호는 ADC(Analog to Digital Conversion)을 통하여 YCbCr 신호로 변환됨

     - 디지털 이미지 및 비디오 신호에 적용되는 포맷

 

3. 디지털 영상 표현을 위한 파라미터 

 3.1 프레임 레이트(frame rate)

       - 1초에 몇 컷의 정지화상을 기록하는가 하는 수치[fps(frames per second) or Hz]

       - 디스플레이 장치가 1초 동안 보여주는 정지화상의 수

       - 프레임 레이트에는 60fps, 50fps, 30fps, 25fps, 24fps 등이 있음, 프레임 레이트가 높을 수록 움직임이 부드러워지나 데이터 양은 증가한다.

       - 보통 눈의 잔상을 이용해서 표시하기 때문에 1초에 30번 또는 25번 이상이 필요하나, 부드러운 표시를 위해서 1초에 60~120번의 프레임을 표시하기도 한다.

       - 기존의 컬러 TV의 경우 프레임 레이트는 NTSC방식에서는 29.97fps(컬러TV, 흑백TV 30fps)이고 PAL 방식에서는 25fps이다

   <참고>

     NTSC 컬러 TV 방식은 이전의 흑백텔레비전 수상기와 완벽하게 호환되도록 하였으며 추가된 색상정보는 흑백영상신호에 3.58MHz의 색상 부반송파를 추가하는 방식으로 포함되었다. 색상 부반송파가 추가됨에 따라 기술상의 문제로 인해 프레임 속도가 초당 30프레임에서 29.97프레임으로 약간 줄어들게 되었다.

(흑백영상신호에 간섭을 최소화하고 색상정보를 보내기 위해 수평주파수(약 15,734Hz)가 조정되었고, 그에 따라 색상 부반송파 주파수가 약 3.58Hz로 선정됨.

수직주파수는 fv=15,734.26575Hz/525=29.97002996Hz)

http://dukefrid.blog.me/60111360195 

   

  3.2 Picture의 수평, 수직 Resolution

     - 실제 한 화면을 채우고 있는 픽셀의 개수

     - 단위 평면(1 프레임) 내 샘플링 개수에 따라 프레임 사이즈(가로 화소수*세소 화소수) 결정

     - 1920*1080, 1280*720, 720*486 등

 

 3.3 Color Sample Ratio

   - 흑백인 Luma(Y) 신호 대비 컬러신호인 Chroma(Cb, Cr) 신호에 대한 비율

   - 인간의 시각 계통은 루미넌스(밝기 정보)보다 크로미넌스(색차 정보)에 덜 민감

   - 아날로그 영상신호를 Sampling할 시 크로미넌스 정보의 샘플링율을 줄임으로써 시각적으로 화질의 열화없이 정보전송량을 줄일 수 있다(크로마 서브샘플링, Chroma Sub-sampling) 

   3.3.1 4:4:4 형식

     - 휘도신호와 색차 신호에 대한 샘플링 위치는 동일하며, 한 개의 밝기 신호에 대해 색차 신호가 두 개가 존재

     - 인간의 시각은 색차 성분에 둔감하기 때문에 화질에 아주 큰 영향을 주지 않음

   3.3.2 4:2:2 형식

     - 두 개의 휘도 신호에 대해 한 개의 색차 신호가 대응

   3.3.3 4:2:0 형식

     - 일반적으로 통신 및 저장과 같이 고압축률을 요구하는 경우에는 4:2:0 형식을 취함

 

 

 <참조> 샘플링을 할 때 밝기, 색의 차이등 3가지 조합으로 만든다. 보통 카메라는 4:4:4로 샘플링을 한다. 이것은 밝기와 색의 다름에 대한 샘플링을 표시한다. 4:4:4 샘플링이 가장 완벽한 색이 나온다. 보통 방송에서는 4:2:2 sampling을 쓴다. 밝기는 똑같이 하고 색의 다름을 반으로 하면 대역폭이 반으로 준다. 일반 가정에서는 4:2:0 샘플링으로 간다. 색에 대한 차이를 한 번 더 반으로 한다. 장점은 대역폭이 줄어드는 것이다. 사람의 눈으로 봤을 때 4:4:4나 4:2:0가 같다. 스튜디오에서 가정까지 가는 과정 중간에서 인코딩을 하고 샘플링비율을 변경하면 영상의 질이 저하된다. 그래서 샘플링 비율이 중요하다.

 

  3.4 Bit depth

    - 영상을 디지타이징할 때 얼마나 정확하고 세밀하게 표현하는가와 관련된 요소

    - 대부분의 디지털 비디오 포맷은 채널당 8비트의 bit depth를 가지고 있음, 이는 색신호를 2^8인 256단계로 표현할 수 있다는 것을 의미

    - 만약 10비트의 bit depth를 가진다면 2^10인 1024단계로 영상을 표현할 수 있음

 

  3.5 주사(Scanning)

     - 2차원 이미지 정보를 전송할 때, 1차원 정보로 변환이 필수적

     - 영상장치에서 이미지를 분해하여 직렬 데이터화하고 이를 다시 재조립하여 원래의 이미지로 재구성하는 것

     - 비디오 기록장치는 기록하는 방식을, 영상 출력장치에서는 영상신호를 화면에 출력하는 방식을 의미

     - 같은 해상도라도 화면을 출력하는 방식, 즉 주사(Scanning) 방식에 따라 2가지로 나뉘어진다

      3.5.1 비월주사방식(Interlaced Scanning)

            - 수평주사선을 한 줄씩 건너서 주사(홀수)한 뒤 나머지 수평주사선(짝수)을 주사하는 방식

            - 주로 TV에서 많이 사용되는 방식

            - 우리나라 HDTV 규격(1920*1080, 60i)에서 채택하고 있음

            - 초당 약 30장의 프레임을 한 프레임의 2개의 필드로 나누어서 60개의 필드로 저장,전송하고 나눠진 반을 합쳐 30장 이미지(프레임)을 만드는 방식 

            - 순차주사방식에 비해 1/2정도 데이터량 감소(편집이 용이), 플리커 현상 감소

            - 피사체가 빨리 움직일 경우 Motion artefact 발생(1/60초 동안 피사체가 움직임에 따라 2개의 필드를 합성할 때 artefact 발생)

            - 순차 주사방식보다 초점 응답속도가 더욱 빨라 카메라 워킹이 자주 필요한 경우, 오토 포커스를 필수적으로 사용해야할 때에는 인터레이스 방식이 적합(주로 방송카메라들은 인터레이스 방식을 사용)

<참고>

     비디오 프레임 및 비디오 필드

       - 한 화면분의 주사선 전체를 포함하는 화상의 신호를 Frame이라고 함(1920*1080)(1 Frame=1장의 이미지)

       - 한 프레임의 절반분에 해당되는 거친 화상의 신호를 Field라고 함(1920*540)

 <참고> TV 방식에서 비월주사방식을 채택한 이유

        - TV 방송의 전송에서 비월주사 방식을 채택한 이유는 기술적인 문제때문이다. TV 전송 방식이 아날로그 방식에서 디지털 방식으로 바뀌면서 이러한 기술적 문제는 해결돼 가고 있다 

        - Flicker(깜박임)가 느껴지지 않을만큼의 부드러운 영상을 보기위해서는 적어도 매초당 50~60장 정도의 이미지가 필요

        - 아날로그 TV 방식에서 매초당 60장 정도의 이미지를 전송한다는 것은 기술적으로 불가능

        - 기술적으로 화면의 주파수를 늘리지 않고 영상의 Flicker를 방지하며 전송할 수 있는 좋은 방법이 고안되었는데 그 방식이 비월 주사 방식임

        - 디지털 방식의 TV 방송방식으로 전환되고 TV 영상의 데이터를 압축할 수 있는 방법이 개발되면서 현재는 순차주사 방식도 가능해짐 

            3.5.2 순차주사방식(Progressive Scan)

                   - 순차적으로 한 줄씩 주사하는 방식

                   - 한 영상을 완성하는데 위에서부터 차례로 주사하여 마지막 끝까지 1회에 완전한 영상화면(Frame)이 완성되는 방식

                   - 주로 컴퓨터 모니터 등에서 많이 사용되는 방식

                   - 순차주사방식에 비해 2배의 데이터량이 필요

                   - 같은 해상도의 비월주사 방식 영상에 비해 화면 선명도 2배 우수, 피사체의 움직임이 비월주사에 비해 부드러움 

                   - 업계에서 HD급으로 분류하는 해상도는 720p(720, 60p)와 1080i(1080, 60i), 그리고 1080p(1080, 60p, full HD)               

                   - DVD의 경우는 480p, 공중파 HD 디지털 방송의 경우 1080i, 블루레이 디스크는 1080p의 영상을 담고 있음

                - 60p(60프레임): Full HD 방식에 쓰이는 순차주사방식 포맷     

  3.6 화면 비율(Aspect Ratio)

      - 영상화면에서 가로, 세로의 비

      - 일반 TV 방송(4:3), HDTV(16:9)등이 있음

      - Pixel Aspect Ratio는 픽셀의 가로, 세로 비를 의미

    

                 

4. 디지털 영상 format

  4.1 ITU-R BT.601(former name CCIR 601)

      - 북미와 일본에서는 NTSC(National Television System Committee), 유럽에서는 PAL(Phase Alternation by Line)이 아날로그 비디오 표준사용되었음

      - NTSC는 525/59.94i(active line 486), PAL 방식은 625/50i(active line 576)

        <참고>

           A small variation removing the top 6lines to save space was later introduced and made popular in the 1/4-inch DV/DVCAM/DVCPro formats and for digital broadcasting, which has 720×480 pixels for NTSC; and is also used in DVD video and standard -definition television

           D1 Broadcast format

                720×486×30fps(NTSC)

                720×576×25fps(PAL/SECAM)

           DV

                720×480×30fps(NTSC)

                720×576×25fps(PAL/SECAM)

      - 아날로그에서 디지털로 전환 시 미국과 유럽의 표준화 노력 결과

      - ITU-R BT.601은 NTSC와 PAL 방식의 아날로그 컬러 신호를 디지털 컴포넌트 비디오 신호로 변환하는 방법 및 규격을 정의

        (ITU-R BT.601: 표준 4:3 및 와이드 스크린 16:9 영상비를 제공하는 디지털 텔레비전의 스튜디오 인코딩 파라미터)

        (SMPTE 259M: 10비트 4:2:2 컴포넌트 및 4fsc NTSC 컴포지트 디지털 신호- 직렬 디지털 인터페이스)

      - NTSC와 PAL 방식에 공통으로 적용되는 디지털 컴포넌트 비디오 포맷에 관한 표준

      - Color sample raio Y:Cb:Cr=4:2:2, Sampling Frequency : 13.5MHz(휘도신호, Quantised bits 10bits), 6.75 MHz(두 개의 색차신호, Quantised bits 10bits)

      - 한 line 총 Y 샘플 수:858 samples, Cb/Cr 각 샘플 수:429 samples, Line 당 total sample 수 = 858+429+429=1,716 samples

      - 유효 화소수 Y 신호: 720 samples × 480 lines= 345,600, Y+Cb+Cr=691,200 화소

	ITU-R BT.601 NTSC	ITU-R BT.601 PAL/SECAM
휘도 해상도	720(or 704)×480	720(or 704)×576
색도 해상도	360(or 352)×480	360(or 352)×576
컬러 샘플링 비율	4:2:2	4:2:2
Aspect ratio	4:3	4:3
Fields rate(Frame rate)	59.94(29.97Frame)	50(25Frame)
Interlaced	Yes	Yes

 

 <참고>

           Note that the actual image is always contained in the centre 704 horizontal pixies of the digital frame, regardless of how many horizontal pixels(704 or 720) are used. in case of digital video line having 720 horizontal pixels, only the centre 704 pixels contain actual 4:3 or 16:9 image and the 8 pixels from either side are called nominal analogue blanking for horizontal blanking and should be discarded before displaying the image(720개의 픽셀 중에 704개의 픽셀만이 눈에 보이는 픽셀이다)

  4.2 SIF(Source Input Format)

      - MPEG-1(비디오 저장을 위한 표준)을 표준화하기 위해서 국가별로 다르게 사용하고 있는 영상장치에 대해 공통인 영상규격이 필요하여 제정

      - 625/50(PAL) SIF 포맷: 360(or 352)×288 active pixels, 25fps

      - 525/59.94(NTSC) SIF 포맷: 360(or 352)×240 active pixels, 29.97fps

      - 순차주사 형식만을 지원하고, 4:2:0 형식을 사용함

  4.3 CIF(Common Intermediate Format)

      - 화상회의 시스템에 응용하기 위해 SIF에서 유래

      - 명칭에서 의미하듯이 NTSC와 PAL/SECAM 방식에 공통으로 적용

      - H.261, H.263 등에서 사용됨

      - Resolution: 352×288(PAL Source Input Format), 주사방식: 순차주사(29.97fps, NTSC) 

      - QCIF(Quarter CIF)의 경우는 CIF에 비해 공간해상도가 수평 및 수직 방향으로 각각 1/2 형식을 취한 것임(176×144)

  4.4 VGA(Video Graphics Array)

      - 본래 IBM이 개발한 PC용 그래픽 디스플레이 시스템

      - 해상도: 640×480

      - QVGA(320×240), WVGA(768×480), WQVGA(400×240)

  4.5 ITU-R BT.709 Recommendation

      - HDTV의 디지털 컴포넌트 비디오 포맷에 관한 표준

        (ITU-R BT.709: 제작 및 국제 프로그램 교환을 위한 HDTV 표준의 파라미터 값)

        (SMPTE 292M: 고화질(HD) 텔레비전 시스템의 비트 직렬 디지털 인터페이스)

      - Color sample raio Y:Cb:Cr=4:2:2, Sampling Frequency : 74.25MHz(휘도신호, Quantised bits 10bits), 37.125 MHz(두 개의 색차신호, Quantised bits 10bits) 

      - 한 line 총 Y 샘플 수:2,200 samples, Cb/Cr 각 샘플 수:1,100 samples, Line 당 total sample 수 = 2,200+1,100+1,100=4,400 samples

      - 유효 화소수 Y 신호: 1,920 samples × 1,080 lines= 2,073,600, Y+Cb+Cr=4,147,200 화소

   4.6 ATSC 영상 포맷 비교

         - 총 18가지 포맷을 지원

구분	Frame Resolution 해상도(수평×수직)	화면 비율	Frame rate	Pixel Aspect Ratio	기타
HDTV	1920×1080	16:9	60i*, 30p, 24p	1:1	1920×1080/60i (지상파 HD 방송)
	1280×720	16:9	60p*, 30p, 24p	1:1	1280×720/60p (MMS)
EDTV	720(or 704)×480	16:9	60p*, 30p, 24p	Rectangular
		4:3	60p*, 30p, 24p	Rectangular
	640×480	4:3	60p, 30p, 24p	1:1
SDTV	720(or 704)×480	16:9	60i	Rectangular
		4:3	60i*	Rectangular	720(or 704)×480/60i (SDTV)
	640×480	4:3	60i	1:1	VGA

       * 가장 많이 쓰이는 포맷

 5. 주어진 조건에 따른 정보량 계산

어떤 640×480 픽셀을 갖는 VGA급 컬러 정지 이미지가 4:2:2 방식으로 표본화되어 8bit로 양자화 되었다. 총 데이터양과 이 정보를 1.5Mbps의 ADSL로 전송할 때에 소요되는 시간을 계산하시오

  가. 정지 이미지의 총 데이터 양

       =640×480×2(Y:1, Cb:0.5, Cr:0.5)×8bits=4,915,200 [bits]

  나. 1.5Mbps의 ADSL로 전송 시 전송시간 산출

       =4,915,200[bits]/1.5[Mbits/sec]=3.2768[sec]

      

<참고>  

http://psscw.blog.me/100052545668

http://en.wikipedia.org/wiki/D-1_(Sony)     

http://blog.daum.net/chk36302.naver/34

http://zc.zc.bz/bbs/view.php?id=study&page=13&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=hit&desc=desc&no=792

http://irontooth.tistory.com/63

http://blog.naver.com/acidliquid?Redirect=Log&logNo=32580061

http://blog.daum.net/everylook/48

http://www.steves-digicams.com/knowledge-center/video-frame-rates-24p-25p-30p-60i.html#b 

http://www.tapestockonline.com/hdwhdibe4872.html

http://blog.naver.com/zelkobaray?Redirect=Log&logNo=10001836448

Frame rate

http://cafe.naver.com/vegas8090/7070

Color format

http://www.equasys.de/colorformat.html

http://www.equasys.de/colorconversion.html