PNG

UserPreferences

http://www.w3.org/TR/2003/REC-PNG-20031110/
http://www.ietf.org/rfc/rfc2083.txt

PNG은 Portable Network Graphics의 준말로 "ping"으로 발음한다. PNG은 GIF format 의 후계자로 디자인된 그래픽 포맷으로 Internet Media Type은 image/png이다. 혹자는 PNG을 PNG's Not GIF.의 약자라고 말하기도 한다. 1995년 1월 Unisys와 CompuServe?가 GIF format이 사용하는 LZW 압축기법에 대한 Unisys의 특허권을 이유로 GIF format을 사용하는 프로그램들에 대해 특허료를 지불해야 한다고 공표한 이후로, GIF를 대신할 새로운 format의 개발을 더욱 촉진하게 되었다. PNG은 이러한 개발의 결과이다. PNG 한편 1995년 1월이후 많은 Web Browser들은 GIF뿐만 아니라, JPG를 기본적으로 지원하는 방향으로 개발되게 되었고, 이에 따라 많은 Web Site들이 GIF뿐만 아니라, JPG를 사용하여 그들의 Site를 개발하게 되었다.

PNG는 truecolor, greyscale, palette("8bit")의 세 가지 이미지형태를 지원한다. truecolor pixel은 세개의 sample로 나타내진다. 먼저 red( zero = black, max = red) 가 나오고, 그 다음으로는 green ( zero = black, max = green), 다음으로는 blue ( zero = black, max = blue)가 나온다. bit depth는 각각의 sample의 size로 정해지게 된다. greyscale pixel은 zero = black, bit depth의 최대 값이 white로 정의된 grayscale level의 sample 하나로 나타내진다. palette pixel은 indexed-color pixel 이라고 하며, 제공된 palette의 index 값을 하나의 sample로 나타낸다. bit depth는 palette상의 색상들의 최대 값으로 지정된다.

JPEG의 경우는 이중 앞의 두 가지만, GIF는 palette만 (greyscale은 gray palette를 사용한다.) 사용한다. PNG가 세 가지 이미지형태를 지원하기 때문에 PNG를 구현하는데 있어서 8bit palette를 사용한 이미지를 24bit truecolor로 저장하게 한다던가 하면 그 크기가 커질 것은 불을 보듯 뻔하다. 그리고 PNG 이미지를 저장하는데 있어서 너무 많은 palette 정보들을 포함하게 되는 경우에도 압축효율이 떨어지는 경우가 생기게 된다. 이런 경우는 조그마한 GIF 이미지들을 PNG로 변환하는 경우에 많이 볼 수 있다. 그밖에도 압축필터를 제대로 사용하지 못하는 경우나, low-level 압축엔진의 사용에 문제가 있는 경우에도 압축효율이 떨어지게 된다.

PNG의 고급 옵션

Compression Level = 1..9. 1:Fast, 9:Best // zlib의 lazy search와 관련 있다. 
 
Interlace: 0:None, 1:Adam7 // PNG 포맷은 태생이 네트워크에서 스트림으로 전달하기 위한 포맷이다. 인터레이스 방식을 이용하면 보다 빠르게 이미지의 형태를 파악할 수 있다. 
 
Filter: 0:None, 1:Sub, 2:Up, 3:Average, 4:Paeth 5:Mixed // 밑에 추가 설명 

GIF 형식이나 PNG 형식은 모두 scan line을 따라 압축을 한다. 즉,한 줄 단위로 압축한다는 뜻이다. 따라서 같은 수평 라인 상에서 반복 패턴이 나타날수록 잘 압축되며, 수직라인 상의 반복패턴은 압축율 향상에 별로 도움이 되지 않는다.
데이터의 특성에 따라서 적절한 프리코딩을 가하면 데이터의 압축율을 향상시킬 수 있다. PNG에서 필터링이란 이런 프리코딩 방식을 지정하는 것이다. 필터에는 다음 6가지가 있다.

0. none : 아무런 프리코딩 없이 그냥 압축한다.
1. sub : 왼쪽 픽셀과 비교하여 그 차이값으로 압축
2. up : 윗쪽 픽셀과 비교하여 그 차이값으로 압축
3. average : 왼쪽 & 윗쪽 픽셀의 평균과 비교하여 그 차이값으로 압축
4. paeth : Paeth Pridictor 함수값과 비교하여 차이값으로 압축
5. adaptive: 위의 방법들을 각 라인마다 다르게 적용하며 압축

5번의 adaptive는 프로그램에 따라 all 또는 mixed로 부르기도 한다. Paeth라는 것은 이 방법을 제안한 학자인 Alan W.Paeth의 이름을 따서 명명되었다. Paeth Pridictor란 현재 픽셀의 좌,상,좌상에 위치한 3개의 픽셀 데이터를 기본으로 간단한 선형 계산을 하는 함수로, 이 함수값과 현재 픽셀값의 차이값을 가지고 압축하게 된다.

RAR이나 ACE 압축 프로그램은 고급옵션에서 WAV 파일이나 BMP 파일등 멀티미디어 파일에 대해 거기에 적합한 압축을 할 수 있게 해두었다. 소리나 그림 데이터의 이런 데이터 특성을 감안하여 위에 설명한 종류와 비슷한 류의 프리코딩을 가하여 압축하는 것이 바로 RAR이나 ACE의 멀티미디어 압축이다.

필터 종류와 설명

   Sub(x) = Raw(x) - Raw(x-bpp) 

   Up(x) = Raw(x) - Prior(x) 

   Average(x) = Raw(x) - floor((Raw(x-bpp)+Prior(x))/2) 

   Paeth(x) = Raw(x) - PaethPredictor(Raw(x-bpp), Prior(x), Prior(x-bpp)) 

  function PaethPredictor (a, b, c) 
   begin 
        ; a = left, b = above, c = upper left 
        p := a + b - c        ; initial estimate 
        pa := abs(p - a)      ; distances to a, b, c 
        pb := abs(p - b) 
        pc := abs(p - c) 
        ; return nearest of a,b,c, 
        ; breaking ties in order a,b,c. 
        if pa <= pb AND pa <= pc then return a 
        else if pb <= pc then return b 
        else return c 
   end 

4bit, 8bit 그림은 아무 필터도 적용하지 않고 none을 쓰는 것이 압축 효율이 가장 좋다. 반면 24bit 그림은 보통 Adaptive 필터가 가장 좋은 결과를 보여주며, 종종 Up 필터가 최적 필터가 되기도 한다. 다른 종류의 필터가 최고 효율을 보여주는 경우는 거의 없다.

단, 위의 원칙에는 예외가 있다. 감색(減色:Color Reduction)처리한 그림은 최종 컬러수가 8bit 이하냐 아니냐, 또는 디더링(dithering) 타입이 어떤 것이냐에 관계없이 필터를 none으로 해야 압축율이 좋다. (디더링에 대한 상세한 설명은 부록을 참고하기 바란다.)

일부 게임 회사들은 그림 데이터의 용량을 줄이기 위해 그림의 색상 수를 줄이는 감색(減色)처리를 하는 수가 있다. 데이터에서 반복성이 커질수록 압축율이 올라가기 때문에, 색수가 줄어들면 같은 색이 나타날 확률이 커져 데이터 크기를 작게 할 수 있다.

색을 줄였는지 아닌지는 그림을 확대해 보면 알 수 있다. 색을 줄인 게임에서는 디더링이 나타난다. elf사나 Studio E-go사의 90년대 중-후반 게임은 패턴 디더링을 쓰고 있었고, Libido사는 확산 디더링을 쓰고 있었다. 요즘은 데이터 양을 줄이는데 별 신경을 쓰지 않아서인지 이런 색수 줄이기는 잘 하지 않는 듯 싶다.

어떤 게임은 색수를 줄이면서 디더링을 안하기도 한다. 이렇게 되면 그러데이션이 나타나는 부분에서 색분해능이 떨어져서 색조가 부드럽게 변하지 못하고 계단져 변하는 현상을 쉽게 볼 수 있다. (이런 것을 색의 띠가 나타난다고 해서 color banding 현상이라고 한다.)

이를 잘 알아차리지 못하겠다면 사용 색수를 카운트하는 것도 좋다. 트루컬러(24bit) 컬러 그림의 경우 최대 동시발색은 2의 24제곱인 16,777,216색이다. 그러나 이 모든 색을 동시에 쓰는 그림은 있을 리 없고 실제 세어보면 한 그림에는 보통 10만 ~ 15만색 정도가 사용된다.
색수를 줄인 게임의 그림은 아예 256색 이하가 되어있거나, 또는 수천색 정도만 사용하고 있다. 색수를 카운트 할 수 있는 프로그램에 대해서는 역시 부록의 디더링 편을 참고하길 바란다.

어쨌든, 결론을 다시 말하자면, 색수를 줄인 그림들은 필터를 적용하지 말고 None으로 지정해야 압축율이 가장 좋다. 이것은 줄어든 색수가 256컬러 이하냐 수천 컬러냐에 무관하며 디더링(dithering) 타입이 확산(diffusion)형이냐 패턴형이냐도 무관하다.

인터레이스 방식

PNG은 통신회선상에서 그림을 전송할 목적으로 만들어졌다는 것은 이미 언급한 바가 있다. 때문에 PNG는 디코더 측에서 스트리밍을 할 수 있다. 스트리밍(streaming)이라는 것은 데이터를 시작부터 끝까지 완전히 전송받지 않은 상태에서, 현재까지 받은 데이터만으로 화면이나 음성 등을 일단 구현하는 것이다. 데이터를 절반만 받았다면 그림이 절반만 그려지며, 데이터를 받아나감에 따라 그림이 점차로 완성되어진다.

그림을 윗끝부터 아랫끝까지 순서대로 저장했다면, 그림이 전송되며 그려질 때 위부터 아래로 내려오며 그려진다.

인터레이싱은 그림을 위부터 아래로 순서대로 저장하지 않고 몇 줄씩 건너 뛰어가며 교차 저장한다. 즉, 12345678 순서로 저장하는 것이 아니라 15263748 이나 13572468 과 같은 식으로 저장한다는 뜻이다. 따라서 그림의 전체적 윤곽을 빠르게 파악할 수 있다.

기존의 GIF는 위에서 아래 방향으로만 인터레이싱을 했으나, PNG은 좌우 방향으로도 인터레이싱을 한다. 따라서 GIF보다 좀 더 "폼나는" 로딩 과정을 볼 수 있다.

대신 PNG에서 인터레이싱을 적용하게 되면 데이터를 저장하는 순서가 엇갈려버리므로 "잘 조직된" 화면 구성을 갖는 "그림"이 아니라 마치 노이즈 화면을 저장하는 듯 한 결과를 가져온다. 즉, 압축율이 상당히 떨어지게 된다.

반면 GIF는 인터레이싱을 적용하더라도 스캔라인별로만 인터레이스 될 뿐 픽셀들의 가로방향 배치는 건드리지 않는다. 이미 언급했듯이 GIF는 스캔라인별로 압축하게 되므로 GIF에서는 인터레이싱을 하더라도 용량에 큰 차이는 나지 않는다. (아주 약간 크기가 늘어난다.)

필자의 개인적 생각이지만, 어차피 인터레이싱이란 그림파일 로딩 과정을 일일이 그려줘야 할 정도로 느린 회선에서나 의미가 있는 법인데, 그런 느린 회선상에서 전송해야 할 데이터 크기가 늘어나 버린다는 것은 넌센스가 아닌가 싶다. PNG도 GIF처럼 가로방향은 그대로 두고 세로방향으로만 인터레이스를 적용하는 것이 좋지 않았을까. (폼은 덜 나겠지만.)

결론 : PNG에서 인터레이싱은 적용하지 않는 것이 파일 크기가 작다.

Gamma Correction