Chapter 12. 비트율(Bitrate)
본지에서는 카지노에 영상보안 시스템을 많이 구축한 경험을 보유하고 있는 미국업체 Aventura Technologies의 카지노사업부 책임자 Conrad Steffen 씨와 CTO Donald Cogwell 씨가 공동 집필한 ‘디지털 영상감시 책임자를 위한 지침서(A Surveillance Director’s Guide to Digital Video)’ 내용을 연재중이다. 영상감시 시스템을 구축·운영하면서 어려움을 겪고 있는 보안담당자들이 디지털 영상감시 시스템을 이해하는 데 적게나마 도움이 되길 바란다. 참고로 서술된 내용은 미국시장이 중심으로 국내 실정과 조금 다를 수 있다. (편집자 주)
많은 규정에서는 영상 품질을 위한 여러 표준을 정하고 있지만, 실제로는 품질 규정을 전혀 두고 있지 않다. 무슨 말이냐고? CIF, 2CIF, 4CIF, D1이라는 용어를 들어본 적이 있는가?
CIF(Common Intermediate Format)는 일반적으로 영상 시그널에서 YCbCr 시퀀스 픽셀에서 수평 해상도와 수직 해상도를 표준화하는 데 사용된다. CIF는 일반적으로 영상 시스템이 의도하는 ‘완전한’ 해상도의 1/4로 규정된다(4CIF에서 아래에 표기된 바와 같음). 이 완벽한 해상도는 D1 영상으로 현재 불리는 것과는 전혀 매치되지 않는다는 점이 중요하다(소니 D1 포맷에 기초함).
NTSC는 북미와 대부분의 남미에서 사용되는 영상 시스템 혹은 표준이다. NTSC에서는 매초 30프레임이 전송된다. 각 프레임은 525 개의 개별 스캔 라인으로 구성된다.
PAL은 전 세계에서 대부분 사용되는 영상 시스템 혹은 표준이다. PAL에서는 매초 25프레임이 전송된다. 각 프레임은 625 개의 개별 스캔 라인으로 구성된다.
그래서 뭐가 문제냐고? 많은 규정에서는 초당 30프레임에서 4CIF(704×480)로 카지노 카메라의 표준으로 삼는다. 그리고 비 카지노용 카메라는 이보다 더 낮은 프레임율을 가진 동일한 ‘해상도’ 4CIF에 있거나 혹은 CIF(352×240)와 같이 더 낮은 해상도에 있다.
이러한 표준문제와 관련해 알아두어야 하는 것은 해상도가 영상 품질에 대해 어떤 것도 보장해주지 않는다는 점이다. 4CIF는 NTSC 포맷에는 480라인의 각각에서 데이터가 일정량으로 채워지는 704픽셀이 있다는 것을 의미한다. CIF는 240라인 각각에서 일정량으로 채워지는 352픽셀이 있다는 뜻이다.
이미지를 나타내기 위해 보다 많은 픽셀이 사용되기 때문에 4CIF 이미지가 CIF 이미지보다 더 양질의 화질을 ‘생성할 수 있는’ 반면에, 그 결과가 원본과 흡사하면 할수록 반드시 동일한 경우가 발생하지는 않는다. 4CIF는 픽셀에서 보여지는 데이터의 양이나 질을 다루지는 않는다. 이들은 ‘비어있는’ 픽셀이다. 픽셀은 데이터로 채워져야 한다. 데이터는 ‘비트’로 환산하여 기술된다. 따라서 4CIF 이미지보다 많은 비트로 채워진 CIF 이미지는 보다 양질의 시각적·청각적 효과를 일으킬 수 있다.
통신과 전산 분야에서 비트율은 시간단위당 전송되거나 처리되는 비트 수를 의미한다. 디지털 멀티미디어 분야에서 비트율은 오디오나 비디오 같은 지속적인 매체를 재생하기 위해 시간당 사용되는 비트 수를 의미한다. 이는 초당 비트 혹은 Mbit/s(초당 메가비트) 같은 일부의 계수를 사용하여 수량화된다.
종종 ‘속도’로 불려지는 반면, 비트는 거리/시간이 아니라 양/시간을 측정하며, 따라서 ‘전파 속도’와는 분리되어야 한다(이는 전송 매체에 따라 다르며 일반적인 물리적 의미를 지닌다).
디지털 영상에서 비트율은 시간단위당 저장되는 정보의 양 혹은 세부사항을 나타낸다. 비트율은 몇 개의 요인들에 따라 달라진다.
·다른 주파수에서 원래 자료가 견본으로 될 수 있다.
·샘플은 상이한 비트 수를 사용할 수도 있다.
·데이터는 다른 형태로 부호화될 수 있다.
·정보는 상이한 연산법(알고리즘)으로 디지털화하여 압축될 수 있다. 혹은 다른 단계로 디지털화하여 압축될 수 있다.
일반적으로 녹음이나 재생 상황에서 자료의 질을 극대화하고, 비트율을 최소화하는 사이에서 원하는 조건을 얻기 위해 위의 요인들에 대한 선택이 이루어진다.
비트율을 감소시키기 위해서 디지털 영상에서는 ‘손실 있는’ 압축이 사용된다. 손실이 발생하는 압축은 정보나 데이터의 일부를 폐기하는 압축방법이다. 이는 영상이나 음성 프로그램이 보다 적은 저장 공간과 전송 대역폭을 차지하도록 하기 위해서이다.
손실이 발생하는 데이터 저장이 음성이나 영상 데이터에서 사용되는 경우 원본 시그널과의 차이가 생긴다. 왜냐하면 데이터가 폐기되기 때문이다. 압축이 상당히 진행되거나 혹은 손실이 발생하는 데이터가 원상태로 복원되거나 다시 압축된다면, 이런 경우는 모자이크 이미지의 형태로 나타나는 압축 산물의 형태로 식별된다. 이러한 것들이 눈에 띄게 품질에 영향을 미치는지 혹은 그런 영향이 발생한다면 어느 정도인지는 압축방식, 부호화 파워 및 입력 데이터의 특징 등에 따라 달라진다.
표면적으로 우리가 말하고 있는 것은 4CIF가 어떤 의미를 지니지 않을 때에 세부사항(스펙)을 말하는 것이다. 더 나아가, 특정 해상도에서 특정 비트율을 말하는 것 또한 아무런 의미를 지니지 않는다. 왜냐하면 위에 설명된 바와 같이 변수들의 양 때문이다.
많은 경우 부호화(인코딩) 능력 혹은 압축방식은 ‘사용 가능한’ 영상을 생성시키는 비트율과는 상관없이 불충분하다. 왜냐하면 그것은 이미 구식 기술로 적용되기 때문이다.
그렇다면 감시책임자가 해야 할 일은 무엇인가? 필자는 여기서 전반적인 법칙의 일부를 논의할 것이다. 그러나 그러한 법칙은 결코 막강한 힘을 갖고 있지는 않다.
좋은 품질의 4CIF 영상을 보기 위해서는 다음의 비트율 추정치가 특정 코덱을 사용하면서 적용된다.
H.264AVC : 1 - 2 Mbps
MPEG4 (파트2) : 2 - 4 Mbps
MPEG2 : 3 - 6 Mbps
위의 비트율을 사용한다는 그 이유 하나로 적절한 영상 품질을 얻게 됨을 의미하지는 않는다. 이들은 특정 코덱을 위한 일반적인 수이며, 여기서 논의한 모든 다른 문제들에 중요하게 적용되는 것은 아니다.
비트율이 높을수록 요구되는 저장도 많아지고 다운로드는 느려지고 전송시간도 느려진다. 엄청난 양을 날라야 하는 운송수단과 비슷하다는 이야기이다. 높은 비트율에 의해 창출되는 데이터 사이즈가 크면 클수록 함께 옮겨야 할 자료의 양이 그만큼 더 늘어나는 것이다.
얼마나 많은 하드 드라이브 공간이 요구되는가라는 말은 무슨 의미인가? 이것은 일반적인 측정방식에 기초한 추정치로 다양한 요인들에 의해 상당한 차이가 발생할 수 있지만 이것은 썸(thumb)의 좋은 법칙이다.
H.264AVC : 1/2 - 1 시간당 GB
MPEG4(Part 2) : 1 - 2 시간당 GB
MPEG2 : 1.5 - 3 시간당 GB
이것은 초당 25/30 프레임에서 ‘적절한(수용가능한)’ 영상 품질을 가진 비트율을 추정한 것이다.
최근에는 다른 비트율 계산방식도 활용된다. 가령 H.264AVC는 변수 비트율(VBR)이라고 알려진 것을 사용하는데, VBR은 코덱으로 하여금 그 비트율을 역동적으로 변경하여 부호화되면서 발생할 수 있는 음성과 영상의 ‘어려움’에 적응하도록 만들어준다. 흔들리는 PTZ나 빠른 움직임의 예에서 좋은 품질을 얻기 위해 보다 높은 비트율이 요구된다. 반면에 보다 정적인 영상은 보다 적은 비트로 적절히 암호화될 수 있다. 이러한 이유로 해서 VBR은 동일한 품질을 위해 보다 낮은 비트율을 얻을 수 있거나 혹은 특정 비트율을 위해 보다 양질의 데이터를 얻을 수 있다.
이는 결국 시그널 대 잡음 비율로 표현되는 표준이 적용되거나 특정 조건과 시나리오 하에서 영상의 시각적 관찰이 이루어져야 함을 의미한다. 실제 카지노 환경을 고려하면서 말이다. 이러한 주제를 다루면서 보다 확실해지는 사실은 디지털 감시에 있어 움직임이 왜 느려졌는가 하는 것이다. 이 부분은 이해가 쉽지 않고, 더욱이 보다 높은 수준의 영상을 제공하기 위해 요구되는 중요한 기술은 최근 몇 년까지 거의 발전이 없었다는 것이다. 여기에는 강력한 구성장치와 효과적인 압축기술이 부재한 데 기인한다고 볼 수 있다.
<글 : Conrad Steffen & Donald Cogwell, Aventura Technologies(www.aventuratechnologies.com/casinos)>
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