디지털 데이터 압축

• 디지털 데이터 압축의 개념과 필요성을 이해하고, 압축의 효율성을 분석하여 평가한다.

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압축이 없었다면 온라인 동영상 서비스도 인터넷도 없었을 거라고요?

어떤 물건을 저장하거나 혹은 재활용할 때, 우리는 압축을 통해 그 부피를 줄인다. 알루미늄 캔을 압착해서 납작하게 만들거나 이불이나 옷가지들을 비닐 봉투에 넣어서 진공 상태로 만들어 부피를 줄이기도 한다. 이렇게 물질에 압력을 가하여 부피를 줄이는 것을 ‘압축’이라고 한다.

컴퓨팅 분야에서는 특수한 코딩 방법을 사용하여 불필요하거나 반복되는 부분을 없애 데이터의 양을 줄이는 것을 압축이라고 부른다. 그런데, 이런 압축이 없었다면 지금 우리가 사는 세상은 생각보다 많이 달라졌을 것이다.

데이터를 압축했을 때의 장점은 무엇이고 어떤 기술을 이용할까?

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세계 최초로 개발된 4K 해상도 마이크로 디스플레이

디지털 데이터 압축의 개념과 필요성

디지털 데이터 압축의 개념

① 디지털 데이터

• 문자, 숫자, 소리, 이미지, 동영상 등을 0과 1로 표현
• 최소 단위는 비트(bit)

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디지털 데이터 압축의 개념과

필요성을 이해할 수 있다.

② 디지털 데이터의 압축과 복원

• 압축(인코딩): 데이터를 더 작은 크기로 변환
• 복원(디코딩): 데이터를 원래 형태로 변환
• 손실 압축: 복원된 데이터 ≠ 원본 데이터
• 비손실 압축: 복원된 데이터 = 원본 데이터

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01. 디지털 데이터 압축의 개념과 필요성

인코딩(Encoding) 어떤 대상을 특정 목적에 따라 처리에 적합한 형태로 변환하는 과정을 말한다. 디지털 데이터 압축은 데이터의 용량을 줄이는 것을 목적으로 하는 과정이다.

데이터 압축의 필요성

• 데이터를 효율적으로 관리하고 사용
• 저장 공간 절약, 전송 속도 향상
• 클라우드, 초고속 통신망, 스트리밍 등 서비스 개선
• 전자 폐기물 감소 및 환경 보호

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01. 디지털 데이터 압축의 개념과 필요성

데이터 저장과 전송을 최적화해 하드웨어 사용량과 에너지 소비를 줄이고, 디지털 장치의 수명을 연장

스트리밍 인터넷으로 음성이나 영상 파일 등을 실시간으로 전송하고 재생하는 것을 말한다. 용량이 큰 음성이나 영상 파일을 그대로 전송하면 시간 및 비용 측면에서 낭비가 발생하므로 압축을 통해 용량을 줄인다.

데이터 압축이 필요한 이유 생각해 보기

• 데이터 압축의 활용 분야를 조사해 보고, 압축이 필요한 이유를 생각해 보자.

데이터 압축 기술이 활용되는 분야를 조사해 본 후 모둠원들과 공유해 보자.

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데이터 압축이 필요한 이유에 대해 모둠원들과 토의해 보자

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데이터 압축은 데이터를 저장하고 전송하는 데 드는 비용을 줄일 수 있으며, 이는 많은 양의 데이터를 빠르게 처리하고 전송해야 하는 데이터 시대에 필수적인 기술이다. 데이터 압축은 데이터의 저장과 전송을 최적화하여 클라우드, 초고속 통신망, 스트리밍과 같은 서비스를 통해 우리 생활을 편리하게 개선하는 것과 더불어 에너지 소비와 전자 폐기물을 줄여 환경 보호에도 기여하는 중요한 기술이다.

디지털 데이터 종류별 압축 원리

데이터 압축의 원리와 효율성

• 원리: 중복성 제거(공간적, 시간적)
• 효율성 평가: 용량 감소와 품질 유지 정도

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• 디지털 데이터의 종류별 압축

원리를 이해할 수 있다.

• 데이터 압축의 원리와 효율성

을 설명할 수 있다

프레임 동영상은 정지된 이미지를 연속적으로 보여줌으로써 움직임을 표현한다. 이때 보여주는 한 장 한 장의 이미지를 프레임이라고 한다. 화면에 프레임을 표시하는 속도를 프레임 레이트(Frame rate)라고 하며, 단위로는 fps(frames per second, 초당 프레임 수)를 사용한다. fps가 높을수록 동영상의 움직임이 부드럽게 표현된다.

문자 데이터 압축

• 반복 길이 압축(Run Length Encoding): 반복되는 문자 패턴을 줄임
• 예: 'RRRRRAAAAGGGRRRRRGG' → 압축된 형태로 표현
• 적용 대상: 문자 데이터, 이미지 데이터, 동영상 데이터

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02. 디지털 데이터 종류별 압축 원리

데이터에서 반복되는 부분 찾기

• 문자, 이미지 데이터에서 반복되는 부분을 찾아보자.

노래 가사를 하나 정하여 반복되는 구절을 찾아보고 중복성을 분석해 보자

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[옹달샘]

깊은 산속 옹달샘 누가 와서 먹나요

맑고 맑은 옹달샘 누가 와서 먹나요

새벽에 토끼가 눈 비비고 일어나

세수하러 왔다가 물만 먹고 가지요

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깊은 산속 옹달샘 누가 와서 먹나요

맑고 맑은 옹달샘 누가 와서 먹나요

달밤에 노루가 숨바꼭질하다가

목마르면 달려와 얼른 먹고 가지요

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[중복성 분석]

이미지에서 유사한 색이 반복되는

위치와 범위를 직접 표시해 보자.

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반복 길이 압축 구현하기

• 반복 길이 압축은 문자 데이터의 구성에 따라 압축 효율성이 달라진다. 미리 작성된 코드를 실행하고 문자 데이터를 입력해 보며, 압축의 효율성을 비교·분석해 보자.

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20개 문자로 구성된 문자 데이터들을 입력해 보고 실행 결과를 확인해 보자.

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같은 길이의 문자 데이터들을 입력했는데 압축률이 서로 다르게 나온 이유를 탐구해 보자.

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반복 길이 압축은 같은 문자가 연속해서 반복될 경우 해당 문자와 반복되는 횟수로 표현하는 압축 기법으로 문자 데이터 내에 같은 문자가 연속되는 부분이 많을수록 높은 압축률을 보인다. 한편, 같은 문자가 연속되는 부분이 거의 없는 문자 데이터는 반복 길이 압축을 적용했을 때, 압축한 결과가 원본 데이터보다 길어져 비효율적인 결과를 얻을 수 있다. 그러므로 문자 데이터를 압축할 때는 데이터의 특성을 고려하여 효율적인 압축 기법을 선택해야 한다.

이미지 데이터 압축

• 품질 유지하면서 용량 감소
• 인간 시각의 특성을 활용하여 압축

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02. 디지털 데이터 종류별 압축 원리

비트맵 방식 픽셀이라 불리는 작은 사각형의 점들로 이미지를 표현하는 방식이다. 이미지를 확대하면 각 픽셀이 그대로 보여 픽셀 간 경계선 부분이 오돌도돌하게 보이는 계단 현상이 나타난다.

이미지 데이터 압축 기법 적용하기

스마트폰으로 촬영하여 얻은 이미지 데이터 파일 하나를 이미지 인코딩 프로그램이나 온라인 변환 서비스를 활용하여 다양한 압축 기법으로 변환한 후 용량과 품질을 평가해 보자. 단, 이미지 해상도는 일정해야 하며, 품질은 눈으로 관찰한 내용에 따라 5점 만점으로 평가한다(예: 온라인 변환기 https://convertio.co/kr/).

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이미지 데이터 압축 기법의 효율성을 비교·분석해 보자.

(1) 변환 후 데이터 용량이 가장 작은 압축 기법은 무엇인가? ( )

(2) 변환 후 가장 높은 품질을 보인 압축 기법은 무엇인가? ( )

(3) 어떤 압축 기법이 가장 효율적인지 생각을 적어 보고, 친구와 토론해 보자.

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소리 데이터 압축

• 인간 청각 특성을 활용하여 불필요한 데이터 양 줄임
• 용량과 품질에 따라 효율성 평가

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02. 디지털 데이터 종류별 압축 원리

오디오 코덱 소리 데이터를 압축(인코딩)하거나 복원(디코딩)하는 컴퓨터 프로그램을 말한다. 코덱의 목적은 소리 데이터의 품질을 유지하면서 최소한의 수의 비트로 표현하는 것이다.

소리 데이터 압축 기법 적용하기

인터넷 검색을 통해 무료 소리 데이터를 수집하고 수집한 데이터 파일 중 하나를 소리 인코딩 프로그램을 활용하여 다양한 압축 기법으로 변환한 후 용량과 품질을 평가해 보자. 품질은 귀로 들었을 때의 느낌에 따라 5점 만점으로 평가한다(예: 공유마당 gongu.copyright.or.kr).

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소리 데이터 압축 기법의 효율성을 비교·분석해 보자.

(1) 변환 후 데이터 용량이 가장 작은 압축 기법은 무엇인가? ( )

(2) 변환 후 가장 높은 품질을 보인 압축 기법은 무엇인가? ( )

(3) 어떤 압축 기법이 가장 효율적인지 생각을 적어 보고, 친구와 토론해 보자.

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동영상 데이터 압축

• 시간적 중복성 제거
• 파일 용량이 커서 대부분 손실 압축 사용
• 전송과 저장을 위한 효율적인 압축이 중요

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02. 디지털 데이터 종류별 압축 원리

동영상 데이터 컨테이너 동영상 데이터가 어떻게 저장되어 있는지 등 메타 정보를 나타내는 포맷으로 동영상 데이터의 저장, 전송, 편집, 재생을 가능하게 하는 그릇 역할을 한다.

동영상 데이터 압축 기법 적용하기

인터넷 검색을 통해 무료 동영상 데이터를 수집하고 수집한 데이터 파일 중 하나를 동영상 인코딩 프로그램을 활용하여 다양한 압축 기법으로 변환한 후 용량과 품질을 평가해 보자. 품질은 눈으로 관찰한 내용에 따라 5점 만점으로 평가한다(예: 공유마당 gongu.copyright.or.kr).

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동영상 데이터 압축 기법의 효율성을 비교·분석해 보자.

(1) 변환 후 데이터 용량이 가장 작은 압축 기법은 무엇인가? ( )

(2) 변환 후 가장 높은 품질을 보인 압축 기법은 무엇인가? ( )

(3) 어떤 압축 기법이 가장 효율적인지 생각을 적어 보고, 친구와 토론해 보자.

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