(1/2) Understanding Multimedia: How Computers Process Image Data Using Pixels and Vectors
멀티미디어 개념과 컴퓨터가 이미지 데이터를 픽셀과 벡터로 표현하는 방법. 컴퓨터학개론 11강
Goals
멀티미디어를 정의하고 이미지 데이터의 표현방법을 설명할 수 있다. (Can define multimedia and explain how to express image data.)
Contents
✏️멀티미디어 이전의 대중매체 (Mass Media prior to Multimedia)
✏️멀티미디어 개념과 구성 소개 (Basic overview of Multimedia)
✏️이미지(image)
✏️ 컴퓨터가 이미지 데이터를 표현하는 방법(The method by which computers represent image data)
픽셀(Pixel)
벡터(Vector)
✏️멀티미디어 이전의 '대중매체'(Mass Media prior to Multimedia)
멀티미디어 이전의 미디어는 주로 대중매체 또는 대중미디어라고 불리었다. 영어로는 "Mass Media"라고 한다. 이것들은 인간 상호 간에 정보, 지식, 감정, 의사 등을 전달하는 수단으로 사용되었다. 책, 신문, 사진, 전화, 라디오, TV 등은 대중매체의 대표적인 예시이다.
위의 매체들은 한 번에 많은 사람들에게 동일한 콘텐츠를 전달할 수 있는 특징을 가지고 있다. 하지만 디지털 시대에 들어서면서 미디어의 형태와 기능도 크게 변화하였다. 이러한 변화는 컴퓨터와 인터넷의 발전과 함께 미디어의 다양성과 접근성을 높이는 계기가 되었다.
예를 들어, 신문과 라디오는 정보를 텍스트나 소리로 전달했지만, TV의 등장으로는 여러 미디어가 결합된 멀티미디어가 등장하였다. 이제는 텍스트, 이미지, 사운드, 애니메이션, 동영상 등을 결합하여 보다 다채로운 정보를 전달할 수 있게 되었는데 이것을 '멀티미디어'라고 한다.
✏️멀티미디어 소개(Introduction of Multimedia)
📍개요(Overview of Multimedia)
멀티미디어는 여러 종류의 미디어를 결합하여 정보를 전달하는 수단을 의미한다.
여러 종류의 미디어란? (what is various types of media) text, images, sound, animation, video, etc.
신문은 주로 텍스트를 사용하고 라디오는 소리를 사용하여 단일 미디어의 형태를 이룬다. 이와 비교하여 TV는 텍스트, 이미지, 사운드, 애니메이션, 동영상 등 다양한 미디어를 결합하여 정보를 전달할 수 있는 "멀티미디어" 인 셈이다.
멀티미디어는 더 풍부한 정보 전달을 가능케 하면서 시청자에게 더 다양한 경험을 제공할 수 있게 되었다. 이러한 멀티미디어 기술의 발전은 미디어 산업 전반에 큰 변화를 가져왔다.
📍멀티미디어의 특성(Features in Multi Media)
멀티미디어의 주요 특성은 다음과 같다.
디지털성(Digitality) 다양한 형태의 데이터를 아날로그가 아닌 디지털로 처리한다. 이는 정보를 컴퓨터에서 처리하고 편집할 수 있으며, 정확한 송·수신과 손상 없는 데이터의 저장, 무제한 복사 및 전송이 가능하다는 장점을 제공한다. 디지털혁명이 정보혁명과 맞물려가는 이유를 알 수 있다.
상호작용성(Interactivity) 멀티미디어는 여러 사용자의 요구에 맞는 정보를 제공할 수 있다. 예를 들면 주문형 비디오(VOD), 주문형 음악(MOD), 주문형 게임(GOD), 주문형 뉴스(NOD)등이 있다. 사용자는 정보에 대한 제어를 갖고 있으며, 정보를 선택하고 탐색하며, 때로는 정보에 직접 참여할 수 있다.
비선형성(Non-linearity) 멀티미디어는 신문이나 책과 같이 선형적인 흐름(linear flow, 한방향)이 아니라 사용자의 선택에 따라 사운드나 이미지 등의 다양한 데이터를 처리하는 구조이다. 예를 들면 웹페이지의 하이퍼링크를 들 수 있다. 이에 따라 사용자는 자신의 관심사나 필요에 따라 정보를 선택하고 접근할 수 있으며, 이는 사용자 경험의 유연성을 높인다.
정보의 통합성 (Integration of Information) 멀티미디어는 다양한 형식의 정보를 통합하여 제공한다. 예전의 신문, 책, 비디오 등은 제한된 한 가지의 미디어만을 사용하여 정보를 전달하였지만 멀티미디어는 텍스트, 이미지, 사운드, 동영상 등 여러 가지 미디어를 함께 사용함으로써 정보를 보다 풍부하게 전달할 수 있다.
- 위의 그래프처럼 멀티미디어의 구성요소들도 각각 다른 특성을 가지고 있다.
📍구성요소(Components in Multi Media)
📌 텍스트(Text) 멀티미디어 데이터 중에서 가장 일반적으로 사용되며 가장 손쉽게 표시할 수 있는 데이터이다.
📌 이미지(Still image) 실 세계의 그림, 디지털 카메라나 스캐너와 같은 입력장치를 이용하여 생성되었다.
📌 그래픽(Graphic) 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 생성된 그림을 말한다.
📌 사운드(Sound) 음악, 음성, 효과음 등을 포함하는 오디오 형태의 미디어이다. 사운드는 정보 전달 및 사용자 경험을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.
📌 애니메이션(Animation) 정적 이미지가 시간에 따라 움직이는 형태의 미디어입니다. 일련의 이미지를 조합하여 움직임을 만들어내는 것으로, 영화, 게임, 교육 등 다양한 분야에서 활용된다.
📌 동영상(Moving Image) 움직이는 이미지를 담고 있는 미디어 형식이다. 연속된 이미지 프레임을 통해 움직임을 재현함으로써 시각적인 정보를 전달한다. TV 프로그램, 영화, 온라인 동영상 등이 대표적인 예시이다.
📌 가상현실(VR: Virtual Reality) 사용자를 현실과 유사한 가상 공간으로 이동시키는 기술이다. 헤드셋과 컨트롤러를 통해 사용자가 가상 공간 속에서 상호작용할 수 있으며, 게임, 교육, 의료 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
In previous lectures, we learned how computers represent text, including English, Korean, and characters, using encoding methods with codes. How do computers represent images or graphics? Today in multimedia session, we will learn about this method.
지난 강의들에선 컴퓨터가 영어, 한글, 문자들 즉 텍스트를 어떻게 표현하는지 배웠다. 코드를 사용해서 인코딩하는 방식이다. 이미지나 그래픽은 어떻게 컴퓨터에서 표현할까? 오늘 멀티미디어에선 이 방법을 배워본다.
✏️이미지(Image)
이미지는 그림이나 그래프와 같 많은 정보를 함축적으로 표현할 수 있다. 특히 사진과 같은 이미지는 현실 세계의 모습을 담아내기 때문에 많은 정보를 전달할 수 있다.
📍이미지(사진)의 구성요소
(Components of images, pictures)
- 픽셀들의 집합(Array of Pixel)으로 구성되며, 각 픽셀은 색상과 밝기 등의 정보를 가지고 있다. (그림참조)
📍이미지의 해상도 (Resolution of image)
- 해상도는 디스플레이 장치나 인쇄물에서 이미지의 정밀도를 나타내는 지표이다.
해상도는 가로와 세로로 나타난 작은 사각형 점, 즉 픽셀로 이미지를 구성한다. 픽셀이란 해상도가 사용하는 단위이다. 픽셀이 높을수록 해상도가 좋아진다. (픽셀 100개보다 1000개가 화질이 좋다)
같은 면적이라도 픽셀이 더 촘촘 할수록, 즉 픽셀이 작아질수록 이미지의 세부 정보가 더 정확하게 표현될 수 있다. 따라서 픽셀이 작아질수록 해상도가 커지고 이미지의 선명도와 세부적인 표현이 향상된다.
📍해상도 딥다이브(Deep dive into Resolution)
💡해상도의 표현 단위 - PPI (The units of measurement for resolution - PPI)
해상도의 표현 단위는 인치당 픽셀 수(PPI, Pixels Per Inch)를 사용한다.
- 📌 PPI(Pixels Per Inch) 디스플레이 장치의 해상도를 표현하는 단위이다. 이는 인치당 픽셀 수를 나타낸다. 디스플레이의 해상도가 높을수록 픽셀이 더 밀집되어 있어서 보다 세밀하고 고해상도의 이미지를 제공한다.
- TV나 모니터의 크기를 48인치, 65인치로 나타내는 것은 대각선의 크기를 말한다.
- 대각선의 픽셀수를 인치로 나누면 해상도(PPI)의 수가 나온다.
- 📌 DPI(Dots Per Inch) 인쇄물의 해상도를 표현한다. 이는 인치당 도트 수를 나타낸다. 인쇄물의 해상도가 높을수록 인치 당 더 많은 도트가 포함되어 있어서 출력물의 세부 사항과 선명도가 향상된다.
💡모니터와 TV의 해상도비교
(Comparison Monitor and TV)
✏️이미지를 표현하는 방법 - 픽셀 & 벡터
(The method of representing images - Fixel and Vector)
💡이미지를 픽셀 단위로 표현하는 방식 - 비트맵, 래스터 그래픽(The method of representing images on a pixel-by-pixel basis - Bitmap, Raster Graphic)
📌 개요(Overview)
- 비트맵또는 래스터 그래픽은 그림이나 이미지를 픽셀 단위로 표현하는 방식을 의미한다. 이는 그림이나 이미지를 그림을 하나하나의 점들의 모임으로 표현하는 것이다. 이 픽셀을 한국어로 '화소' 라고한다.
📌 원리(How it works)
- 각 픽셀은 그림의 한 부분을 나타내며, 픽셀의 색상은 해당 픽셀의 위치와 색상값에 따라 결정된다.
- Black & White image ⬛⬜
흑백 이미지의 경우, 각 픽셀은 흰색 또는 검은색으로 표현되는데, 각 픽셀당 1비트의 정보가 필요하다. 위의 예시에서는 각 숫자가 픽셀을 나타내며, 0은 흰색을, 1은 검은색을 나타낸다.
- Colour image 🎨
컬러 이미지의 경우, 각 픽셀은 빨간색, 초록색, 파란색 등의 다양한 색상으로 표현된다. 2비트로 4가지의 색을 표현할 수 있다. 3비트를 사용하면 2^3으로 8개의 색을 표현할 수 있다.
따라서 컬러 이미지를 표현하기 위해서는 최소 픽셀당 2비트 이상의 정보가 필요하다. 비트맵 방식은 이미지를 디지털로 표현하고 저장하기에 효과적이며, 컴퓨터에서 이미지를 처리하고 편집하는 데에도 많이 사용된다.
** "비트맵(Bitmap)"이라는 용어는 주로 Microsoft Windows 운영 체제에서 사용되며, 비트맵 파일 형식을 나타내는 데에 쓰입니다. "래스터 그래픽(Raster Graphics)"이라는 용어는 주로 그래픽 디자인 분야나 컴퓨터 그래픽스에서 사용되며, 이미지를 픽셀 그리드로 표현하는 방식을 묘사하는 데에 쓰인다.
실제로 이 두 용어는 동의어로 사용되어 왔고, 두 용어 모두 이미지를 픽셀로 나타내는 방식을 가리키기 때문에 상호 교환 가능하게 사용된다.. 따라서 "비트맵"과 "래스터 그래픽"은 기술적으로는 거의 동일한 것으로 간주된다.
📌장점(Pros of Bitmap)
사진을 표현할 때 성능이 좋다. 합성이 정교하여 색하나하나의 색감을 그대로 구현한다.
실제 수채화나 스케치 같이 현실감이 있다.
📌단점(Cons of Bitmap)
그림을 확대하면 픽셀거리가 벌어져 계단 현상 발생한다.
그림이 커질수록 용량이 기하급수적으로 커진다.
📌프로그램 종류(software application with bitmap): 포토샵(photoshop), 그림판
📌파일형식(File type): GIF(.gif), JPEG(.jpg), BMP(.bmp), PNG(.png)
💡이미지를 수학적인 공식으로 표현하는 방식 - 벡터(The method of representing images on a mathematic basis - Vector)
📌 개요(Overview)
백터 이미지는 이미지를 픽셀처럼 점으로 표현하는 것이 아니라, 점,선,면에 대한 위치 및 색상 정보 등을 수학적인 공식(수식)으로 표현하여 생성되는 이미지 형식이다
📌 원리(How it works)
백터 이미지는 이미지 객체의 위치, 크기, 기울기 등을 수학적인 데이터로 기록하고, 이를 사용하여 외곽선을 만들고, 그 내부에 색상이나 패턴을 적용시켜 표현한다.
📌 주요 사용(Main usage)
백터 이미지는 주로 간단한 도형, 글자, 로고, 캐릭터 디자인 등에 사용된다.
📌 장점(Pros of Vector)
이러한 이미지는 평면상이나 공간상에 특정한 좌표 값을 가지고 선과 면으로 표현되기 때문에 확대 또는 축소하여도 이미지의 해상도가 유지되는 장점이 있다. 따라서 화면 크기나 해상도에 구애받지 않고 이미지를 자유롭게 조절할 수 있다.
📌 단점 (Cons of Vector)
사용 가능한 색상 수가 제한되어 있어 미묘한 색의 질감 표현이 매우 어렵다.
사진과 같은 자연스러운 그림 제작이 어렵고 주로 애니매이션에서 활용된다.
📌프로그램 종류(software application with Vector): 일러스트레이터(illustrator) 코렐 드로우(corelDRAW)
📌파일형식(File type): AI(.ai), EPS(.eps), WMF(.wmf)
📍색 깊이를 결정짓는 비트수 (The number of bit that determines color depth)
백터이미지는 래스터화 과정을 거쳐 픽셀 단위로 변환되어 화면에 표시된다. 이미지는 픽셀들의 집합으로 구성되어있다. 즉 결론적으로 이미지의 색은 픽셀단위로 표현이된다. 비트의 수가 크면 클수록 풍부한 색깊이을 표현할 수 있게 된다.
색 깊이는 이미지에서 사용할 수 있는 색상의 수를 결정한다. 이는 각 픽셀에 할당된 비트 수에 의해 결정된다. 일반적으로 흑백 이미지의 경우 각 픽셀에 1비트를 사용하여 2가지 색상(흰색 및 검은색)을 표현할 수 있다. 반면에 24비트 색상 깊이를 가진 이미지는 각 픽셀당 24비트를 사용하여 약 1677만 가지 색상을 표현할 수 있다.
1개의 비트가 사용된 첫번째 사진은 흑,백색 만사용되어 보기에는 그럴듯하지만 2비트가 사용된 두번째 사진은 4가지의 색을 사용하여 초록색도 볼 수 있다.
비트가 올라갈수록 사용할 수 있는 색의 갯수가 늘어나 화질이 선명해진다. 파일의 크기또한 커진다.
24비트의 사진이다. "트루컬러" 라고도 한다. 오른쪽의 컬러팔레트는 사용할 수 있는 색의 범위이다.
30비트가 넘어가면 Deep color 라고 부른다.
📍이미지의 형식 - GIF (File type of Image - GIF)
- GIF files above
📌개요(Overview)
GIF(Graphics Interchange Format)는 이미지 파일 형식 중 하나로, 한국의 천리안과같은 미국 통신망인 '컴퓨서브'가 PC 통신에서 이미지 파일 전송 시간을 줄이기 위해 개발된 포맷이다. 모뎀을 통한 이미지 파일의 업로드 및 다운로드에 사용하기 위해 제정되었다.
📌성능(Capacity)
GIF 이미지는 최대 지원 해상도가 65,536 x 65,536이며, 최대 256가지 컬러를 사용할 수 있다. 생각해보면 256가지는 많은 색상이 아니다. 이러한 특성으로 인해 웹 페이지와 같은 디지털 환경에서 작은 크기의 이미지를 효율적으로 표현하는 데 유용하다.
📌장점(Pros of GIF)
높은 파일 압축률과 빠른 실행 속도이다.
이미지에 대한 애니메이션과 투명도를 지원한다.
속도가 느린 환경에 적합하다.
📌단점(Cons of GIF)
이미지의 저장이나 압축은 빠르지만 이미지의 손실이 크다.
위의 결과로 고해상도 이미지나 색상이 많이 포함된 이미지의 경우에는 JPEG나 PNG와 같은 다른 이미지 형식보다는 더 낮은 품질로 표현될 수 있다. (2번째 영상 처럼)
📍이미지의 형식 - JPEG (Joint Photographic Experts Group)
- JPEG files above - 원본에서 압축할 수 있는데 압축별로 화질이 달라진다. (2.7:1)은 변화가 거의 없지만 (144:1)은 화질이 많이 낮아졌다.
📌개요(Overview)
JPEG는 사진과 같은 복잡한 이미지를 효율적으로 표현하기 위해 개발된 이미지 압축 표준(compression)이다.
📌성능(Capacity)
JPEG는 24비트 컬러를 사용하여 최대 1,670만 가지 색상을 표현할 수 있으며, 사진 및 복잡한 이미지에 적합한 압축 알고리즘을 제공한다. 이 알고리즘은 1992년에 국제 표준으로 확정되었으며, 원본 이미지의 용량을 많이 줄여주는 데에 효과적이다.
📌장점(Pros of GIF)
- 손실 압축 방식을 사용하기 때문에 압축률이 높고 파일 크기를 줄일 수 있으며, 이는 인터넷, 사진, 이미지 전송 등에 많이 사용되는 웹 표준 방식이다.
📌단점(Cons of GIF)
- 손실 압축 방식을 사용하기 때문에 원본과 복원된 이미지가 항상 완전히 동일하지는 않을 수 있다. 특히 고압축률을 사용할 경우 이미지의 품질이 손상될 수 있다. (위의 예제 참고)
학습정리(Summary)
