잠시 멈추어 디지털 이미지나 비디오가 없는 인터넷에 대해 생각해 보세요. 얼굴이 보이지 않을 것입니다. 페이스북. 인스타그램 그리고 틱톡 아마도 존재하지 않을 것이다. 줌 COVID-19 팬데믹이 한창일 때 학교나 직장에서 대면 모임을 대체한 회의? 선택 사항이 아닙니다.
인터넷으로 연결된 세상에서 디지털 오디오의 위치는 정지 이미지와 비디오만큼 중요합니다. 제작에서 유통, 팬이 좋아하는 노래를 구매, 수집, 저장하는 방식에 이르기까지 음악 사업을 변화시켰습니다.
수백만 개의 프로필은 무엇을 의미합니까? 링크드인, 데이트 앱그리고 소셜 미디어 플랫폼 (그리고 무한한 선택 다운로드 가능한 음악 온라인)에 공통점이 있나요? 압축 알고리즘에 의존합니다. 이산 코사인 변환DCT는 디지털 파일을 컴퓨터 네트워크를 통해 전송할 수 있게 하는 데 중요한 역할을 했습니다.
“DCT는 30년 이상 동안 많은 과거 이미지 및 비디오 코딩 알고리즘의 핵심 구성 요소 중 하나였습니다.”라고 말했습니다. 투어라지 에브라히미교수로서 로잔 연방 폴리테크닉 학교 스위스에서 현재 JPEG 표준화 위원회 위원장으로 활동하고 있습니다. 그는 “현재 DCT를 사용하지 않는 이미지 압축 표준은 몇 가지뿐입니다.”라고 덧붙였습니다.
사람들이 매일 사용하지만 대체로 당연하게 여기는 인터넷 애플리케이션은 대부분 익명으로 일한 과학자와 엔지니어에 의해 가능해졌습니다. 그러한 “숨겨진 인물” 중 하나는 다음과 같습니다. 나시르 아메드디지털 이미지 파일의 가장 중요한 시각적 세부 사항을 희생하지 않고도 크기를 줄이는 우아한 방법을 찾아낸 인도계 미국인 엔지니어.
아메드는 1974년에 발명한 이산 코사인 변환 압축 알고리즘에 대한 획기적인 논문을 발표했는데, 당시 초창기 인터넷은 오로지 다이얼업과 텍스트 기반이었습니다. 글과 함께 그림이 없었고, 있을 수도 없었습니다. 인터넷 데이터는 표준 구리 전화선을 통해 전송되었기 때문에 속도와 대역폭에 큰 제한이 있었습니다.
“현재 DCT를 사용하지 않는 이미지 압축 표준은 몇 가지에 불과합니다.” – EPFL의 Touradj Ebrahimi
요즘에는 초고속 칩과 광섬유 네트워크의 이점 덕분에 광섬유 연결을 갖춘 노트북의 데이터 다운로드 속도가 100배 빨라졌습니다. 초당 1기가비트. 따라서 음악 애호가는 4분 분량의 노래를 1~2초 안에 노트북(또는 스마트폰)에 다운로드할 수 있습니다. 다이얼업 시대에 인터넷 사용자의 다운로드 속도가 최고조에 달했을 때 초당 56킬로비트 (그리고 보통 그 절반 정도만 빨랐습니다) 서버에서 같은 노래를 끌어내려면 거의 하루 종일 걸렸을 겁니다. 컴퓨터 화면에 사진을 표시하는 것은 풀이 자라는 것을 보는 것과 비슷한 과정이었습니다.
아메드는 디지털 파일의 크기를 줄이고 프로세스를 가속화할 방법이 있어야 한다고 확신했습니다. 그는 이미지를 읽을 수 있게 하는 데 중요한 부분을 1과 0으로 표현하고 덜 중요한 부분은 버리는 탐구에 착수했습니다. 수학자이자 정보 이론의 선구자인 클로드 섀넌의 초기 연구를 기반으로 한 답은 초점이 맞춰지는 데 시간이 걸렸습니다. 하지만 아메드의 결의와 자신이 하는 일의 가치에 대한 확고한 믿음 덕분에 그는 다른 사람들이 노력할 가치가 없다고 말한 후에도 끈기 있게 노력했습니다.
기술을 사랑하도록 자랐습니다
Ahmed가 STEM 분야 중 하나에서 경력을 쌓을 것이라는 것은 거의 미리 정해진 것처럼 보였습니다. 1940년 인도 벵갈루루에서 태어난 Nasir는 외할머니와 외할머니에게서 자랐습니다. Ahmed의 할아버지는 전기 엔지니어였는데, 1919년에 미국으로 파견되어 일하게 되었다고 말했습니다. 제너럴 일렉트릭의 뉴욕 스케넥터디에 있는 그의 위치. 그는 손자와 함께 미국에서 보낸 시간에 대한 이야기를 나누었고, 젊은 나시르가 전기 공학 학사 학위를 취득한 후 학업을 계속할 때가 되자 그곳으로 이주하도록 격려했습니다. University Visvesvaraya 공과대학 1961년 벵갈루루에서 나시르는 그렇게 했습니다. 그는 가을에 인도를 떠나 대학원에 진학했습니다. 뉴멕시코 대학교 앨버커키에서. Ahmed는 1963년과 1966년에 각각 전기공학 석사 학위와 박사 학위를 취득했습니다.
앨버커키에서 첫 해를 보내는 동안 그는 아르헨티나 출신 대학원생인 에스더 파렌테를 만났습니다. 그들은 곧 헤어질 수 없게 되었고 그가 박사 학위를 취득하기 위해 노력하는 동안 결혼했습니다. 60년이 지난 지금도 그들은 여전히 함께합니다.
아이디어의 씨앗
1966년 박사 학위를 취득하고 대학원을 갓 졸업한 Ahmed는 수석 연구 엔지니어로 채용되었습니다. 허니웰의 새로 만든 컴퓨터 부서. 그곳에서 Ahmed는 처음으로 월시 함수아날로그 신호의 디지털 표현을 분석하는 기술. Walsh 함수를 기반으로 만들어질 수 있는 빠른 알고리즘에는 많은 잠재적 응용 분야가 있었지만, Ahmed는 이러한 신호 처리 및 분석 기술을 사용하여 압축되지 않은 버전에 있던 시각적 세부 사항을 너무 많이 잃지 않으면서 디지털 이미지의 파일 크기를 줄이는 데 집중했습니다.
그가 학계로 돌아와 전기 및 컴퓨터 공학과 교수로 일하게 되었을 때에도 그 연구 초점은 그의 주요 관심사로 남았습니다. 캔자스 주립 대학교 1968년에.
전 세계의 수십 명의 다른 연구자들과 마찬가지로 아메드는 단 하나의 질문에 대한 답을 찾는 데 집착했습니다. 디지털 이미지를 나타내는 이진 코드에서 1과 0 중 어떤 것을 보관해야 하고 어떤 것을 버려야 하는지 해독하는 수학 공식을 어떻게 만들 것인가? 허니웰에서 배운 것들은 그에게 문제의 요소를 이해하고 이를 공격하는 방법에 대한 프레임워크를 제공했습니다. 하지만 결국 돌파구를 마련한 공로의 대부분은 아메드의 강인한 결의와 자신에게 도박을 하려는 의지에 기인합니다.
1972년에 그는 캔자스 주립 대학의 봄과 가을 학기 사이의 몇 달을 자신의 아이디어를 발전시키는 데 사용할 수 있는 보조금을 신청했습니다. 그는 미국 국립 과학 재단 허가는 받았지만 거부당했습니다. 아메드는 그 순간을 이렇게 회상합니다. “저는 디지털 신호 데이터를 압축하는 효율적인 방법을 찾을 수 있다는 강한 직감이 있었습니다. 하지만 놀랍게도 심사위원들은 그 아이디어가 너무 단순하다고 말했고, 그래서 제안을 거부했습니다.”
아메드는 굴하지 않고 아내에게 9개월간의 학교 기간 동안 번 급여를 여름까지 버는 방법에 대해 물었습니다. 부부는 돈이 촉박했지만, 재정적으로 궁핍해진 그 순간이 아메드의 근면함을 더 높이는 것처럼 보였습니다. 그들은 끈기 있게 노력했고, 아메드는 연구실에서 긴 낮과 늦은 밤을 보내며 결국 원하는 결과를 얻었습니다.
DCT 압축이 함께 제공됩니다
아메드는 이미지 픽셀을 나타내는 이미지 처리 데이터 배열을 파형으로 변환하는 기술을 결합하여 진동 주파수를 가진 일련의 파동으로 효과적으로 렌더링하고, 빛파, 음파, 전류와 같은 현상을 모델링하는 데 이미 사용되고 있는 코사인 함수를 사용했습니다. 그 결과 값이 1과 -1로 제한된 긴 숫자 문자열이 생성되었습니다. 아메드는 이 값 문자열을 양자화하고 푸리에 변환 함수를 구성 주파수로 분해하기 위해 각 픽셀 데이터는 어떤 데이터 포인트를 유지해야 하고 어떤 것을 생략해야 하는지 결정하는 데 도움이 되는 방식으로 표현되었습니다. Ahmed는 저주파 파동이 이미지의 필수 또는 “높은 정보” 영역에 해당하는 반면 고주파 파동은 덜 중요한 비트를 나타내므로 근사화할 수 있다는 것을 관찰했습니다. 그와 그의 팀이 제작한 압축 이미지 파일은 원본의 1/10 크기였습니다. 게다가 이 프로세스를 역전할 수 있었고 축소된 데이터 파일은 원본과 충분히 유사한 이미지를 생성했습니다.
그와 그의 두 협력자는 데이터 펀치카드 덱에 쓰여진 컴퓨터 프로그램을 실행하면서 또 다른 2년 간의 힘든 테스트를 거친 후, 그 3인조는 논문을 발표했습니다. IEEE 컴퓨터 거래 1974년 1월에 “Discrete Cosine Transform”이라는 제목으로 논문이 발표되었지만, 그 논문이 출판되자마자 즉시 명확하게 드러나지는 않았지만, 클로드 섀넌이 1940년대에 가정했던 손실 압축을 수행하는 신뢰할 수 있는 방법에 대한 전 세계적인 검색은 끝났습니다.
JPEG, MPEG 등
1983년이 되어서야 국제 표준화 기구 (ISO)는 컴퓨터 단말기 화면에 텍스트와 함께 사진 품질의 이미지를 표시할 수 있는 기술 개발을 시작했습니다. 이를 위해 ISO는 널리 알려진 약어인 Joint Photographic Experts Group을 설립했습니다. 제이피. 1992년 최초의 JPEG 표준이 발표될 무렵, DCT와 다른 연구원들이 이룬 발전은 그룹에서 정지 이미지의 디지털 압축 및 코딩을 위한 방법의 기본 요소로 인식하게 되었습니다. Ebrahimi는 “이것이 표준화의 아름다움이며, 수십 명의 뛰어난 두뇌가 JPEG와 같은 발전의 성공 뒤에 있습니다.”라고 말합니다.
그리고 비디오는 정지 이미지의 연속으로 설명될 수 있기 때문에 Ahmed의 기술은 비디오 파일을 더 작게 만드는 데에도 적합했습니다. DCT는 ISO와 국제 전기 기술 위원회(IEC)가 Moving Picture Experts Group 또는 엠에프에이1988년 오디오, 비디오, 그래픽 및 게놈 데이터의 압축 및 코딩을 위해 처음 MPEG 표준이 발표되었을 때 현재 구글 지도데이트 앱, 전자상거래 사업이 시작된 지 불과 4년밖에 되지 않았습니다.
그 10년 동안 컴퓨터 속도와 네트워크 대역폭이 급속히 증가했고 훨씬 작은 파일을 통해 사진과 비디오를 전송할 수 있는 기능이 생겨나면서 누구도 알지 못하는 사이에 인터넷이 빠르게 변모했습니다. 아마존 결국 독자들은 수백만 권의 책을 표지로 판단하게 될 것입니다.
수년간 자신의 시간과 관심을 독점했던 문제를 해결한 Ahmed는 학계에서 남은 경력을 쌓았습니다. 1993년, 최초의 MPEG 표준이 발표된 해에 Ahmed는 Kansas State를 떠나 Albuquerque로 돌아왔습니다. 그는 모교에서 전기 및 컴퓨터 공학의 대통령 교수로 취임했습니다. 그는 1989년 ECE 학과장으로 승진할 때까지 University of New Mexico에서 그 역할을 맡았습니다. 그로부터 5년 후, 그는 UNM 공과대학 학장이 되었습니다. Ahmed는 연구 담당 부교무처장 겸 대학원 학장으로 임명될 때까지 2년 동안 그 직책을 유지했습니다. 그는 2001년 대학에서 은퇴하고 명예 교수로 임명될 때까지 그 자리에 머물렀습니다.