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JPEG(Joint Photographic Experts Group) 이야기

흔히 제이팩 또는 제이피이지로 불리는 JPEG는 현재 웹 또는 인쇄 프로세싱에서 가장 보편적으로 사용되는 이미지 압축 포맷을 말한다. 하지만 정작 이 파일 포맷에 대해서 구체적인 설명이 되어 있지 않다. 여기서는 여러분의 이해를 돕기 위해서 JPEG에 대한 간단한 설명을 하기로 한다.

JPEG 파일 포맷이란 이미지 데이터의 용량을 줄여서 유통상의 효율을 높이기 위해서 이미지의 손실을 감수하면서 압축률을 높인 손실(lossy) 압축기법이다. 음악 압축 포맷으로 잘 알려진 .mp3 포맷과, 동영상 압축 포맷인 .mpeg도 대표적인 손실 압축기법의 파일 포맷이다.

다시 말해서 이 방법은 이미지 데이터 가운데에서 인간의 눈에 비교적 민감한 high-pass(음영) 부분은 그냥 놓아두고, low-pass(색상) 부분만을 중점적으로 압축시키는 것으로, 실제로는 이미지 정보가 손실되지만 육안으로는 판별이 잘 안 된다는 특성을 이용한 것. 예를 들어 mp3 파일형식이 사람의 귀가 판별할 수 있는 가청 주파수 (2∼20,000Hz)를 벗어난 범위의 정보를 생략함으로써 파일의 크기를 줄이는 것과 거의 비슷한 원리라고 생각하면 된다.

그럼 우선 JPEG의 배경부터 알아보도록 한다.

JPEG은 H. 261(Window에서 영상전화, 영상회의 실현 - ISDN에 대응하는 압축표준)과 함께 mpeg의 기초가 되는 중요한 표준으로서, 컬러 정지영상의 압축표준을 말한다. ISO/TC97/SC2WG8에서 컬러 정지영상에 관한 표준화가 처음으로 시작된 것은 1980년대 초였는데, 그 후 표준 방식을 통신용도에까지 넓히기 위해 CCITT(International Telegraph and Telephone Consultative Committee) SG8(현 ITU-T SG8)과의 합동위원회가 조직되고 ISO/TC97/SC2WG8 산하에 JPEG(Joint Photographic Coding Experts Group)가 설치되었다. 이처럼 JPEG은 원래 조직의 명칭이었지만, 최근에는 MPEG(Moving Picture Experts Group)과 마찬가지로 압축 알고리즘의 권고 그 자체를 말하는 것으로 사용되고 있다.

80년대 중반에서 후반에 걸쳐, JPEG 정지영상의 압축방식을 결정하는 과정에서 극히 첨예한 논쟁이 벌어진 것은 특히 기억해 둘만 하다. 당시 유럽(프랑스)은 DCT(Discrete Cosine Transform ; 이산여현 변환) 방식을, 일본은 VQ(Vector Quantization) 방식을, 그리고 미국, 특히 IBM사는 산술부호화 방식(Arithmetic Coding)을 강력히 주장했기 때문에, 한때는 수습불능의 상황에 빠진 것처럼 보였는데, 일본인 야스다 히로시가 JPEG 표준설정을 통합시킨 것은 유명한 일화다.

* JPEG의 알고리즘

JPEG은 두 개의 방식으로 분류된다. 하나는 Lossless(가역 부호화, 무손실) 방식이고, 또 하나는 Lossy(비가역 부호화, 손실) 방식이다. Lossless 방식이란 압축과 신장 과정을 거쳐도 원래의 정보를 보존할 수 있는 방식이고, Lossy 방식은 압축과 신장 과정에서 어떤 왜곡이 생기게 되어, 즉 정보를 잃어버리게 되어서 원래대로 완전히 재생되지 않는 방식이다. (이미지의 원본 정보의 일부에 손상)

Lossless 방식으로서는 화면 내(공간적) 예측부호화 방식이 채용되고 있다. 이에 의한 압축률은 Lossy 방식에 비해 작기는 하지만 원래의 이미지 품질이 잘 보존되기 때문에 화질 열화가 허용되지 않는 응용에 유효하다.

Lossy 방식은 DCT를 기본으로 하고 있어 본래의 영상을 완전히 재현시킬 수는 없지만 높은 압축률에서도 충분히 실용적인 복호(Decoding) 화질을 얻을 수 있다. DCT란, 공간 영역(Spatial Domain)과 주파수 영역(Frequency Domain)을 상호 변환시키는 일종의 Mapping 기술의 하나이다. 즉, 공간 영역에서의 자연 영상을 주파수 영역의 낮은 주파수 성분으로부터 높은 주파수 성분으로까지 분해시킬 수 있다. 이것을 '직교변환'이라고 하는데, DCT에서는 변환 후 저주파 항에 성분 값이 집중되는 이점이 있다. 즉, 고주파 항을 버림으로써(고주파 성분 값을 '0'으로 치환함으로써) 다시 공간영역의 자연 영상으로 IDCT(Inverse DCT)하여 정보의 압축을 실현하는 것이다. 이는 MPEG에서도 적용되는 개념이다.

그런데 Lossy 방식에는 기본 방식(Baseline System)과 확장 방식 두 가지로 나눌 수 있다. 기본 방식(기본 시스템)은 필수 기능이라고 할 수 있는데, JPEG 방식을 채용한 모든 시스템에서 이 기본 방식에 의해 부호화된 압축 데이터를 복호할 수 있도록 되어있다. 과거 시판된 하드웨어의 대부분은 기본 방식만을 구현한 것이었다. 일반적으로 JPEG이라고 하면 이 기본방식을 가리키는 경우가 많다. 기본 방식은 1화소(pixel, picture element) 1색 성분 당 8bit(즉 2^8 = 256 1화소의 1색 성분을 256 level로 나타내는 것)로서 시퀀셜(sequential-순차적) 모드와 허프만(Huffman) 부호화(데이터 발생활률의 편중을 이용한 압축기술의 하나)로 되어 있다. 이에 비해 확장 방식(확장 시스템)은 보다 광범위한 응용에 대응하기 위해 제정된 것으로, 1화소 1색 성분당 8 또는 12 bit이고, 시퀀셜 모드(이미지를 볼 때 좌측 위에서 우측 아래까지 차례로 표시) 또는 프로그레시브 모드(우선 엉성하게 전체를 표시, 점차적으로 영상을 또렷하게), 허프만 부호 또는 산술 부호로 되어 있어 응용에 따라 모드를 선택할 수 있도록 되어있다.

현재 널리 쓰이고있는 JPEG의 Lossy 방식의 부호화(Encoding)/복호화(Decoding) 알고리즘을 요약하면 다음과 같다.

아날로그 신호를 디지털화하고 압축하는 JPEG의 부호화는 DCT, 양자화, 엔트로피 부호화의 3단계로 이루어진다.

1단계 : DCT 변환을 이용해서 이미지의 64(8×8)개의 화소들이 낮은 신호 값을 갖도록 한다. 따라서 이미지는 공간상의 중복된 신호 값을 줄어 압축률이 높아진다. (디더링 마스크의 크기가 크거나 또는 작은 차이 정도)

2단계 : 양자화 단계로 표현할 수 있는 신호 값들이 들어있는 주어진 양자화 테이블(Quantization table)을 이용해서 DCT 단계의 결과로 나온 64개의 값이 표현될 수 있는 근사치를 얻는다.

3단계 : 엔트로피 부호화를 통해 양자화 된 영상정보의 크기를 더욱 줄인다. 복호화는 부호화의 3단계를 역으로 실행하여 원래 신호를 얻는다.

● JPEG는 이처럼 기본적으로는 기준 픽셀을 기준으로 해서 주위의 정보 값이 얼마나 차이가 나는 지에 따라서 압축률이 결정되는 방법이다. 구름 한 점 없는 파란 하늘을 배경으로 머리칼을 휘날리는 여성을 찍은 사진의 경우, 파란 하늘은 이미지의 영상정보의 차이가 별로 나지 않는 부분이므로 주로 이 부분에서 압축이 일어나지만 머리카락의 경우는 압축이 거의 일어나지 않는다.


원본 이미지		압축을 하지 않은 eps포맷의 원본 이미지를 400% 확대한 모습


압축 옵션 "10"으로 압축한 이미지		압축 옵션 "1"로 압축한 이미지

가령, 어릴 적 즐겨 먹던 꺎斌炙챷(특정 상품명이어서 죄송!)를 예로 들자면, 일정한 크기의 꺎斌炙챷에 크기가 작은 원과 큰 원으로 각각 무늬를 찍었을 경우, 큰 원을 찍었을 때는 원의 개수가 적어지는 대신, 버리는 면적이 넓어지는 정도라고 생각하면 될 것이다. (더 어려워졌나?)

이 글은'전자화상'과 필자의 논문, 그리고 jpeg.org에 링크된 자료를 참고로 해서 작성되었음.

● 글 / 강태호 (포테이토닷컴 IT 담당)

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