HEVC, AV1 고급 코덱의 반복 패턴을 이용한 예측 기반 압축 기법

반복되는 패턴이 왼쪽으로 이동하면서 특정 장애물을 통과하는 경우에도 효율적인 동영상 압축이 가능합니다.

이러한 영상에서는 기존의 예측 기반 비디오 압축 기법과 지능형 블록 분할 및 참조 프레임 활용을 통해 효율적인 압축을 수행할 수 있습니다.

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🔹 1. 반복 패턴을 이용한 예측 기반 압축 기법

비디오 압축 코덱(예: H.264, HEVC, AV1 등)은 이전 프레임의 정보를 기반으로 현재 프레임을 예측하여 데이터량을 줄이는 방식을 사용합니다.
반복되는 패턴이 왼쪽으로 이동하는 경우, **시간 축(Temporal Domain)에서의 모션 예측(Motion Prediction)**이 효과적으로 동작할 수 있습니다.

✔ 주요 기술:

• 모션 보상(Motion Compensation, MC)
  • 이전 프레임에서 움직이는 패턴을 예측하여 현재 프레임을 재구성.
• 모션 벡터(Motion Vector, MV)
  • 반복되는 패턴의 움직임을 기록하여, 새로운 데이터를 저장하지 않고 기존 데이터를 참조.

➡ 예제: 패턴이 왼쪽으로 x 픽셀만큼 일정하게 이동하면,
코덱은 이전 프레임의 데이터를 그대로 사용하면서 모션 벡터만 갱신하여 압축 효율을 높임.

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🔹 2. 장애물(Obstacles)이 있는 경우 압축 효율 최적화

반복되는 패턴이 중간에 장애물을 통과하는 경우, 단순한 모션 예측만으로는 압축 효율이 낮아질 수 있습니다.
이때 활용할 수 있는 기술은 다음과 같습니다.

✔ 주요 기술:
1️⃣ 스킵 블록(Skip Mode)

• 장애물이 없는 영역에서는 모션 벡터만 사용하고, 새로운 데이터 저장 없이 복원.
  2️⃣ Adaptive Block Partitioning (적응형 블록 분할)
• HEVC(2013), AV1(2018) 등의 최신 코덱은 비정형적 구조를 가진 객체(예: 장애물)를 감지하여,
  큰 블록과 작은 블록을 효율적으로 배치해 압축 성능을 최적화.
  3️⃣ Overlays & Compound Prediction (복합 예측 기법)
• AV1, HEVC에서는 장애물의 영향을 최소화하기 위해 여러 개의 프레임을 합성하여 최적의 데이터 사용.

➡ 예제:

• 배경(반복되는 패턴)은 그대로 유지하면서,
• 장애물만 새롭게 인코딩하여 압축률을 극대화.

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🔹 3. 블록 기반 압축에서의 장애물 처리 기법

대부분의 최신 코덱(HEVC, AV1, VVC 등)은 **블록 기반(BCT, Block Coding Techniques)**으로 동작합니다.
즉, 화면을 작은 블록 단위(CTU, Coding Tree Unit)로 나누고, 블록별로 최적의 압축 방식을 선택합니다.

✔ 블록 기반 장애물 처리 기법:

• 장애물이 포함된 블록은 새롭게 부호화(Intra Prediction)
• 나머지 배경은 기존 프레임을 참조(Inter Prediction)
• 기존 패턴이 유지되면서도, 장애물 부분만 새롭게 부호화하여 불필요한 비트 낭비 방지

➡ 예제:
장애물이 프레임 중앙을 지나가는 경우, 좌우 블록을 독립적으로 처리하여 전체적인 압축률을 유지.

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🔹 4. 인코딩 최적화 설정 (HEVC, AV1)

인코딩 시 반복되는 패턴을 최적화하고, 장애물 처리 성능을 높이기 위해 다음 설정을 조정할 수 있습니다.

✔ HEVC (x265) 설정 예시

ffmpeg -i input.mp4 -c:v libx265 -preset slow -crf 22 \
    -x265-params "bframes=6:ref=5:aq-mode=3:rd=6:psy-rd=2.0:psy-rdoq=1.5:limit-modes=1" \
    output.mp4

• bframes=6:ref=5 → 참조 프레임 개수 증가 (더 많은 과거 데이터를 활용)
• aq-mode=3 → Adaptive Quantization (AQ) 활성화
• rd=6:psy-rd=2.0:psy-rdoq=1.5 → 장애물 처리 성능 개선을 위한 RD 최적화

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✔ AV1 (SVT-AV1) 설정 예시

svt-av1 -i input.y4m -b output.ivf --preset 4 \
    --enable-tpl-la 1 \
    --enable-overlays 1 \
    --keyint 240 \
    --scd 1 \
    --aq-mode 2

• --enable-tpl-la 1 → Long-Term Reference (LTR) 프레임 활성화
• --enable-overlays 1 → 장애물 영향을 최소화하기 위해 프레임 합성
• --scd 1 → Scene Change Detection (SCD) 활성화

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🔹 5. 결론

✔ 반복되는 패턴이 있는 경우, 모션 예측(Motion Prediction)과 LTR 프레임을 활용하면 매우 높은 압축 효율 가능
✔ 장애물이 있을 때는 Adaptive Block Partitioning과 Overlays를 활용하여 장애물만 새롭게 부호화
✔ HEVC(x265)와 AV1(SVT-AV1, libaom-AV1)에서 LTR과 Adaptive Encoding을 조정하면 더욱 최적화된 압축 가능

즉, 반복되는 패턴이 존재하고 장애물이 중간에 위치하는 경우에도 최신 비디오 코덱을 활용하면 높은 압축률을 유지하면서도 품질 저하를 최소화할 수 있습니다. 🚀