비디오 인코딩과 네트워크 인터페이스

Video Encoding and Network Interfaces Which Is Best Suited for Me?

실시간 비디오 화면을 인코딩하고, 통신장비들을 사용해 멀리 떨어진 곳까지 전송하는 데는 여러 가지 방법이 있다. 각각의 인코딩 절차는 자체적인 애플리케이션이 존재하지만, 모든 방법이 애플리케이션에 적용하는데 적합하지는 않다. 여기서는 이와 관한 몇 가지 절차들을 비교한다.

인코딩된 비디오 신호를 조정실 같이 멀리 떨어진 곳에 전송하는 것에는 다양한 방법이 활용될 수 있다. 일단 비디오 화면이 인코딩되고 압축되면, 활용 가능한 통신장비를 통해 전송되어야 하고, 사용자의 특정 요구사항에 대해 어떤 전송 모드가 다른 것보다 더 효과적인지 파악해야 한다.

비디오 암호화 절차

아날로그 비디오 신호를 디지털로 인코딩하고 아날로그에서 디지털로 다시 변환하는 결과로 나타나는 많은 양의 데이터 감소에 대해, 그리고 상업적으로 활용 가능한 통신 네트워크를 통해 효율적으로 전송할 수 있는 방법에 대해 개략적인 설명이 되어 있다.

A/D 변환

아날로그 비디오 신호는 약 6MHz의 대역을 가지고 있고, 아날로그에서 디지털로 변환 후에는 216Mbit/s의 대역을 지닌다. 576라인과 라인당 720 픽셀을 지닌 PAL 신호가 디지털화되면 디지털 신호는 166Mbit/s의 대역을 갖게 된다. 그러나 이는 경제적이고 효율적인 전송을 위해서는 너무 큰 대역이다.

데이터 감소를 통한 비디오 인코딩

실시간 비디오 인코딩을 위해 새로운 화면 포맷이 정의되었는데, 그것은 288라인과 352픽셀의 해상도를 가진 CIF(Common Intermediate Format)이다. CIF는 시스템이 서로 다른 TV 기준의 통신을 위해 사용하도록 설계되었다. 그것은 기본적으로 사용된 TV 기준과 같은 아날로그 화면의 모든 프레임에서 반복되는 과정과 관련된다. CIF는 서로 다른 TV 기준의 사용을 허용하므로, 비디오 링크의 한 끝단에서 PAL 방식의 카메라와 모니터들이 NTSC 방식의 카메라 및 모니터와 통신할 수 있다.

단일 화면에 대한 코딩 알고리즘과 동작영상 화면 코딩은 표준화되었지만, 동일한 알고리즘이 모든 애플리케이션에 사용되는 것은 아니다. 정지화면 코딩은 각 화면의 개별 인코딩을 수행한다. 코딩의 주요부는 양자화로, 이는 이전 이미지와의 관련성이 없다.

그러므로 개별 화면을 해독할 수 있게 된다. 이러한 알고리즘은 동작화면 인코딩 알고리즘만큼의 프로세싱 파워가 필요하지는 않지만, 코드화된 주기율은 동작화면의 인코딩 알고리즘과 비교하면 더 높다. 동작 비디오 인코딩은 연속적인 화면간의 차이만 인코딩되기 때문에 낮은 데이터 비율을 차지한다. 그 차이는 블록 레벨(8×8 픽셀의 블록)에서 정해지고, 화면비교는 다수의 블록 레벨에서 이루어진다.

정지화면, 동작화면의 인코딩을 위한 알고리즘은 다음과 같이 설명될 수 있다.

사례 1 : JPEG(Joint Photographic Experts Group)

·정지화면을 위한 코딩 절차

·다음 화면과 상관없이 전체 화면을 인코딩함

·수평, 수직의 블랭킹 레벨의 필터링

·선택된 양자화에 의해 화질이 결정된다.

·양자화 역시 인코딩된 데이터의 양을 결정한다.

·화질은 제한이 없다.

·JPEG는 자료보관은 물론 사진이나 의학적 이미지의 코딩을 위해 사용된다.

사례 2 : 단일 화면을 인코딩하기 위한 2개의 다른 절차와 실시간 동작 비디오 화면이 상세히 설명된다.

▲웨이블릿 절차

·2개의 다른 모드

- JPEG와 유사한 단일화면 인코딩

- H.261같은 차별화된 인코딩이지만, 웨이블릿 인코딩은 일반적으로 수용되지 않았다.

- 애플리케이션은 화면의 저장을 포함한다.

·Motion JPEG

- 연속된 개별 화면의 코딩

- 초당 25 프레임의 최소 데이터 비율은 6Mbit/s

- 단순한 코딩 알고리즘, 작은 코딩 지연

ITU-T 표준 H. 261

실시간 동작 비디오 화면에 대한 가장 광범위하게 사용되는 인코딩 절차는 ITU-T H.261이다.

·CIF 포맷으로의 변환

·실제와 이전 화면간의 차이만 인코드됨

·이전과 실제 화면 간의 8×8 픽셀 블록이 비교됨

·동작 벡터의 인코딩

·64Kbit/s에서 2Mbit/s에 이르는 데이터비율이 가능함.

·인코더와 디코더를 위한 거의 동일한 하드웨어와 소프트웨어의 복잡성

H.261이 ISDN 라인(H.320)과 X.21, V.35, 그리고 2Mbit/s 라인을 통해 화상회의와 비디오감시를 위해 사용된다.

MPEG

국제통신연합(ITU)의 연구 집단인 동작화면전문가그룹(MPEG)이 동작화면과 오디오, 즉 MPEG-1(1.5Mbit/s)과 MPEG-2(6Mbit/s)에 대한 코딩 절차를 발표했다. 이 가운데 가장 최근 개발된 형태는 MPEG-4(ISO/IEC 14496)이다. MPEG-4는 64Kbit/s에서 12Mbit/s 사이는 물론 더 높은 데이터비율에서 측정 가능하다. 이 압축기술은 H.261 인코딩과 비교하면 매우 정교하고 높은 프로세싱 파워가 요구된다. 화질은 인코더에 의해 정해진다. MPEG-4의 일반적인 애플리케이션은 텔레비전 화면 방송(복잡하고 비싼 인코더), 4Mbit/s의 단일 디지털 시그널 프로세서(DSP) 솔루션을 장착하고 이더넷을 활용한 영상감시 장치, 그리고 단일 DSP 솔루션을 사용하는 데이터비율이 2Mbit/s 이하인 영상감시 장치이다.

ITU-T H.264

ITU-T에서 발표한 가장 최근의 비디오 인코딩 알고리즘 중 하나인 ITU-T H.264는 MPEG-4보다 발전된 것이지만, 효율이 20% 더 높아진 것뿐이다. 그것은 MPEG-4와 유사하고, 64Kbit/s부터 12Mbit/s까지와 더 높은 데이터비율에서 측정 가능하다. H.264는 가장 높은 화질을 제공하지만, 특별히 낮은 대역에서는 이를 위해 많은 프로세싱 파워가 요구된다.

H.264 방식을 채용한 고화질 카메라는 최소 3DSP를 사용하고 매우 복잡하며, 비용이 고가라는 점에서 대부분의 영상감시 애플리케이션에 적용하기에는 무리가 따른다. 그래서 비용을 낮추기 위해 영상감시 시장을 위해 설계된 사실상의 모든 H.264 인코더는 약 2Mbit/s 이하의 대역에서 상당한 화질감소가 나타나는 단일 DSP 솔루션을 사용한다.

인코딩된 비디오 화면의 전송

여기서는 E1, V.35, X.21과 ISDN 등과 같은 동기식 네트워크상에서는 물론 LAN과 인터넷 상의 비디오 변환을 포함하는 인코딩된 영상신호의 전송방식을 살펴본다.

LAN 전송

LAN 전송의 주요 이점은 디코더에 의해 인코더를 간단하게 선택할 수 있다는 것이다. 비디오 데이터비율과 그에 따른 화면 해상도를 간단하게 선택할 수 있다. 그러나 단점은 인코더와 디코더 간의 거리가 제한된 것과 네트워크 용량의 30% 이상을 사용함에 따라 시스템의 성능이 불안정하다는 것이다. 성공적인 운영과 양질의 화질을 확보하기 위해서 LAN이나 WAN이 설계용량의 3분의 1이상 로드되어서는 안 되는데, 만약 그렇게 될 경우 정보 ‘패킷’이 전송 중에 연기되거나 손상되고, 따라서 화질이 떨어지게 된다.

신호가 지나가는 네트워크 내의 각 라우터나 스위치는 라우터나 스위치의 IP 주소에 요구되는 오버헤드에 의해 비디오 대역을 감소시킨다. 전송경로에 이상이 생기면 백업경로를 활용할 수 있다. 인코더의 IP 주소를 알고 있으면 누구라도 그 출력물에 액세스할 수 있기 때문에 정보보안이 문제가 될 수 있다.

이런 방식의 전송은 화면 해상도와 신뢰도, 그리고 전송된 화면의 보안이 반드시 보장되어야 하는 곳에는 추천할 만한 방식이 아니다.

인터넷 전송(IP)

실시간 영상화면을 인터넷에 전송하는 것은 LAN 전송과 유사한 이점이 있다. 인터넷 액세스가 가능한 대부분의 위치에 편리하게 설치할 수 있음에도 불구하고, 임대라인이나 ISDN 등과 같은 동기전송방식과 비교하면 중대한 약점들이 몇 가지 있다.

영상신호의 전송에 사용가능한 대역이 네트워크상의 트래픽과 네트워크를 통한 신호의 경로에 의존하기 때문에, 인터넷 전송을 통한 화질저하나 전송지연에 대한 보장은 없다. AN 전송에 관해서는, 신호가 지나가는 라우터 혹은 스위치에 대역 오버헤드를 활용하는 IP 주소가 요구된다. 트래픽이 과도한 기간 동안에는 개별 패킷이 오염되거나 인코더/디코더 내의 버퍼가 연결할 수 있는 버퍼보다 더 긴 시간 동안 지연되고, 그것에 의해 화질이 떨어진다. 오염된 패킷이 인코더 혹은 디코더의 IP 주소를 포함하기라도 한다면, 전송자체가 오염될 수 있다. 기존 인터넷 프로토콜은 오디오 혹은 비디오 데이터 같은 민감한 데이터를 확인하거나 순위를 매길 수 없다. 전송된 정보에 대한 보안이 LAN 전송의 문제이다. 따라서 인터넷 전송은 확실한 화질, 신뢰할 만한 운영, 그리고 보안이 요구될 경우에는 절대 사용해서는 안 된다.

동기식 전송

E1, X.21 혹은 V.35 서킷 등의 동기식 전송은 끝에서 끝까지 고정 대역을 제공하고, 확실한 화질과 전송을 보장한다. 따라서 화질과 신뢰성이 중요한 고려사항인 애플리케이션에 아주 적당하다. 동기식 전송 서킷은 임대된 라인, PCM 링크, 마이크로파 라디오 링크, 위성 링크, 꼬인 전화선 등과 같이 다양한 형태로 활용이 가능하다.

ISDN 전송

ISDN 네트워크를 통해 화질과 전송지연을 확보한 채 영상신호를 전송할 수 있다. 교통량 감시 등에 활용하기 위해서는, 최소한 384Kbit/s의 대역을 권장한다. H.221 시그널링을 사용하는 AVT TITAN VC2와 같은 유닛은 이런 시그널링 시스템이 연결되어 있는 동안 추가되거나 취소해야할 채널을 허용하지만, 연결된 동안 하나 이상의 채널이 방해를 받으면 인코더와 디코더가 자동으로 구성을 조정하고 연결을 끊지 않고 활용 가능한 남은 채널들을 활용해 작동하는 주요 이점을 지니고 있다.

ISDN B채널을 통합하기 위한 ISO/IEC 13871(Bonding Mode 1) 방식의 역다중송신을 사용하는 제품들은 어떤 채널이 방해를 받으면 연결을 끊어버리고 연결된 동안 채널을 추거하거나 취소하는 것은 불가능하다. 채널을 추가/취소하는 기능은 감시구역의 행위 정도가 낮을 때 실제적으로 운영비용을 절약할 수 있고, 이로 인해 야간에는 고화질의 화면을 필요로 하지 않는다. Dial-up ISDN이 화상회의의 국제기준으로 사용되지만, 특히 다수의 채널이 사용되는 경우에는 일반적으로 지속적인 영상감시 애플리케이션의 광범위한 사용을 제한한다. 반면에 이 방식은 단기적인 감시 애플리케이션에서는 이점을 지니고 있는데, ISDN 라인을 사용할 수 있는 어떤 지점에서도 사용이 가능하기 때문이며, 사용할 때에만 비용이 발생한다. 또한, 임대라인의 ISDN도 운영비용을 절감할 수 있다.

트위스트 페어 케이블을 통한 전송

최근의 가장 경제적인 전송방식 중 하나는 표준의 트위스트 페어 케이블을 사용하는 것이다. 1920Kbit/s의 전송속도와 2Mbit/s 인코더/디코더를 활용한 표준 트위스트 페어 케이블을 통한 초당 30프레임의 전화선은 특히 여분의 통신선을 활용할 수 있는 곳에서 매우 경제적인 솔루션을 제공할 수 있다. 인코더에서 디코더까지의 거리가 최대 2km까지는 매개 장비 없이 연결이 가능하기 때문이다. HDB3, HDSL, SDSL 라인 코딩은 이 거리까지 확장될 수 있다. 3개의 가장 일반적인 라인 코딩 절차인 HDB3, HDSL, SDSL은 다음과 같이 비교할 수 있다.HDB3은 라인의 품질에 따라 약 2km까지 확대될 수 있다.

3개의 페어를 사용하는 HDSL은 6km까지 확대할 수 있지만 신호반사를 줄이기 위해서 끝에서 끝까지 도체의 크기가 같아야 한다.

가장 최근의 라인 코딩인 SDSL(Single-Line Digital Subscriber Line)은 더 많은 거리를 연결할 수 있게 해 주고, 동일한 다중페어 케이블 내의 다른 신호에 대해 매우 잘 견뎌낸다. 경로 주위의 도체 크기가 변화할 때 신호반응이 없다는 점은 HDSL 라인 코드의 큰 단점을 보완할 수 있다. 또한, 재생기를 사용한다는 것은 스팬 길이가 재생기 당 약 9km의 배수로 증가될 수 있다는 것을 의미한다. 최대 4개의 재생기가 9km 인터벌로 각 라인 끝단의 SDSL 모뎀에 연속해서 연결될 수 있는데, 이것은 스팬 당 총 8개가 되는 것이다. 이럴 경우 60km에서 그 이상의 거리까지 확대될 수 있다. 재생기는 그 자체의 라인을 통한 SDSL 모뎀을 통해 강화되고, 그 결과 그것들의 위치는 설치위치에서의 파워공급과는 전적으로 무관하기 때문에 재생기의 공간이 최적화될 수 있다.

마이크로파 라디오 링크를 통한 전송

다른 전송 옵션의 사용이 불가능하거나 설치비용이 고가일 경우, 마이크로파 라디오 링크는 경제적인 해결책이 될 수 있다. 최신의 디지털 마이크로파 라디오 링크는 신뢰도가 높고 70km에 달하는 거리까지 경제적으로 확장될 수 있다. 그리고 한 번의 실행으로 더 많은 것을 얻을 수 있는데, 짧은 거리에서는 A4 종이보다 크지 않은 평판 안테나를 사용할 수 있다. 더 낮은 RF 주파수의 활용, 즉 1.4GHz 주파수는 그 신호가 2개의 터미널 사이에 명료한 가시선을 요구하지 않는다는 것을 의미하는데, 이 때문에 하나의 가시선만 있으면 충분하다. 마이크로파 라디오 링크가 사용되면, 비인가 주파수(2.4GHz)는 피해야 하는데, 주변 시스템에 의해 방해를 입을 수도 있기 때문이다.

위성전송

인공위성을 통한 전송이 가능하지만, 높은 대역에서는 매우 비싸다. 이 때문에 대부분 군사적 용도로 사용된다. 또한, 위성전송을 통해 일어나는 전송지연 때문에 낮은 대역에서의 원격 카메라 컨트롤이 어렵게 된다.

여분의 전송용량 활용하기

PCM 시스템의 전체 용량이나 20Mbit/s 대역에서는 잘 활용되지 않는다. 이렇게 활용되지 않는 용량을 비디오 신호의 전송을 위해 사용할 수 있다. 1920Kbit/s, 초당 30프레임에 이르는 데이터 전송이 가능하다.

다수 비디오 시그널의 동시전송

예를 들면, ATV의 TITAN VC 2M은 일반적인 E1(2Mbit/s) 라인을 통해 다수의 영상신호를 동시에 전송할 수 있다. 활용 가능한 대역은 인코더/디코더 조합 중에서 공유된다.

아래 그림은 일련의 인코더 2개와 디코더 2개가 최대 15개 인코더와 15개 디코더까지 계속 연결될 수 있음을 보여준다. 128Kbit/s에서 1024Kbit/s(28 타임슬롯)까지의 어떤 대역도 제공된 각 조합에 할당될 수 있다. 하지만, 모든 조합에 할당된 총 대역은 1920Kbit/s(30 타임슬롯)을 초과하지 못한다. 여러 개의 비디오 인코더와 하나의 디코더를 링 구조 속에 연결하는 것 역시 가능하다. 살펴봐야 할 화면은 디코더 중에서 선택되도록 하거나 자동으로 배열할 수 있다.

각각의 장점과 단점을 지닌 몇 가지 알고리즘을 정지/동작 영상화면의 인코딩을 위해 사용할 수 있다. 마찬가지로 인코딩된 영상신호를 먼 곳에 전송하는 데는 여러 가지 방법이 있다. 하지만, 가장 단순하고 저렴한 방법이 최적의 혹은 가장 신뢰할 만한 수단이 아닐 수도 있다.

전송방법에 대해 결정할 때에는 애플리케이션을 반드시 고려해야 하고 신뢰도 화질보장, 전송지연은 물론 기존 통신기반시설의 활용성 역시 고려해야 할 요소들이다. 일반적으로, 동시전송만이 안정된 화질을 구현하고, 전송지연에 대해 보장할 수 있다.

[월간 시큐리티월드 통권 제130호(info@boannews.com)]

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