유튜브, 똑같은 1080p여도 화질이 차이 나는 이유

**적응형 비트레이트 스트리밍(Adaptive Bitrate Streaming, ABR)**은 사용자 네트워크 속도, 장치 성능, 그리고 재생 환경에 따라 동영상 품질을 동적으로 조정하는 기술입니다. YouTube, Netflix 등 대부분의 스트리밍 서비스가 이 기술을 사용해 끊김 없는 재생을 제공하고 있습니다.

ABR의 작동 방식

1. 여러 비트레이트와 해상도로 미리 인코딩:
   • ABR의 핵심은 동일한 동영상을 다양한 비트레이트와 해상도로 미리 인코딩해두는 것입니다. 예를 들어, 한 동영상이 144p, 240p, 360p, 480p, 720p, 1080p, 4K 등의 해상도로 여러 버전으로 인코딩됩니다. 또한, 같은 해상도라도 여러 비트레이트로 각각의 버전이 만들어집니다. 예를 들어, 720p 해상도에 대해 저비트레이트(예: 1 Mbps), 중간 비트레이트(예: 2.5 Mbps), 고비트레이트(예: 4 Mbps) 버전이 존재할 수 있습니다.
2. 동영상 플레이어가 네트워크 상태를 확인:
   • 사용자가 동영상을 재생할 때, 동영상 플레이어는 처음에 짧은 테스트 샘플을 전송해 네트워크 속도와 장치 성능을 파악합니다. 이를 통해 플레이어는 적절한 해상도와 비트레이트를 선택합니다. 네트워크 상태가 양호하면 고해상도 고비트레이트 버전이 선택되고, 네트워크 상태가 불안정하거나 속도가 느리면 낮은 해상도 또는 낮은 비트레이트 버전이 선택됩니다.
3. 스트리밍 도중 네트워크 상태에 따라 비트레이트 조정:
   • ABR는 재생 도중에도 네트워크 상태를 지속적으로 모니터링합니다. 네트워크가 느려지면 더 낮은 비트레이트 또는 해상도의 비디오로 자동 전환되며, 네트워크 속도가 다시 빨라지면 더 높은 품질의 비디오로 전환됩니다. 이 전환은 가능한 끊김 없이 이루어지도록 설계되어 있습니다.
4. 세그먼트 기반 전송:
   • 비디오 파일을 작은 **세그먼트(조각)**로 나누어 전송합니다. 각 세그먼트는 몇 초의 길이로 구성되며, 미리 인코딩된 여러 품질의 버전이 존재합니다. 네트워크 상태에 따라 다음 세그먼트를 다른 해상도 및 비트레이트로 전송할 수 있습니다.
   • 예를 들어, 사용자가 1080p 해상도를 보고 있다가 네트워크 속도가 급격히 저하되면, 플레이어는 다음 세그먼트부터 720p 또는 480p 버전을 전송받아 재생 끊김 없이 유지할 수 있습니다.

비트레이트 조정 방법

ABR 알고리즘은 플레이어가 네트워크 속도와 디바이스 성능을 측정하여 실시간으로 비트레이트를 조정합니다. 일반적으로 다음과 같은 단계로 비트레이트가 조정됩니다:

1. 초기 탐지: 사용자가 처음 동영상을 재생할 때 플레이어는 네트워크 속도 테스트를 수행해 초기 비트레이트를 결정합니다. 예를 들어, 속도가 빠르면 고해상도 비트레이트 스트림을 선택하고, 느리면 낮은 해상도와 비트레이트를 선택합니다.
2. 모니터링 및 적응: 재생 중에도 정기적으로 네트워크 상태를 모니터링하며, 속도가 저하되면 플레이어는 즉시 더 낮은 비트레이트의 동영상을 요청합니다. 반대로, 속도가 개선되면 더 높은 비트레이트로 전환합니다. 이 과정은 사용자가 인식하지 못할 정도로 빠르게 이루어집니다.
3. 버퍼링 및 예측: 플레이어는 버퍼링 상태를 관리하며, 네트워크 상태가 급격히 변할 때 버퍼 내의 데이터를 사용해 끊김을 방지하려고 합니다. 또한, ABR 알고리즘은 네트워크 상태를 예측하고 비트레이트를 미리 조정하는 방식으로도 동작할 수 있습니다.

비효율성에 대한 질문

1. 같은 해상도에서 여러 비트레이트를 저장하는 것이 비효율적이지 않나?
   • 여러 비트레이트와 해상도로 미리 인코딩해 저장하는 방식은 서버 측에서 많은 저장 공간을 차지할 수 있지만, 이는 스트리밍 효율성과 사용자 경험을 위해 불가피한 방법입니다. 스트리밍 서비스가 실시간으로 동영상을 새로 인코딩하는 것은 매우 비효율적이기 때문에, 미리 인코딩된 여러 버전을 저장해 두고, 사용자가 필요한 품질을 선택하는 것이 훨씬 효율적입니다.
   • 이는 서버와 네트워크 부하를 줄이고 실시간 재생을 가능하게 하는 핵심 전략입니다.
2. 실시간 인코딩이 비효율적인 이유:
   • 실시간으로 동영상을 사용자의 네트워크 상태에 맞게 인코딩하는 것은 리소스 비용이 너무 큽니다. 인코딩에는 많은 CPU, GPU 자원이 필요하며, 실시간 인코딩을 대규모로 처리하기에는 비용과 시간이 너무 많이 듭니다. 특히 동영상이 고해상도일 경우 실시간 인코딩은 거의 불가능합니다.
   • 이를 해결하기 위해 대부분의 스트리밍 서비스는 사전에 여러 버전으로 인코딩하여 이를 서버에 저장해 두는 방식을 사용합니다.

결론

**ABR(적응형 비트레이트 스트리밍)**는 동영상 품질과 스트리밍 경험을 동적으로 조정하기 위한 매우 효율적인 기술입니다. YouTube와 같은 서비스는 미리 여러 품질로 인코딩된 동영상을 저장해 두고, 사용자의 네트워크 상태에 따라 그때그때 적합한 버전을 전송합니다. 실시간으로 동영상을 인코딩하는 것은 비용이 많이 들고 비효율적이기 때문에, 여러 버전의 비디오를 사전에 준비해 두는 것이 표준적인 방법입니다.