이미지 압축 품질 측정: PSNR, SSIM과 품질 매개변수 간의 대응 관계

PSNR는 Peak Signal-to-Noise Ratio의 약자로, 수학적으로 원본 이미지와 압축된 이미지 간 평균 제곱 오차의 역수를 피크 신호 전력으로 나눈 값의 밑이 10인 로그에 10을 곱한 값으로 정의됩니다. 픽셀 값의 전역 오차를 기반으로 계산되며 단위는 dB입니다.

PSNR 값이 높을수록 픽셀 오차가 작지만, 이 측정값은 인간의 시각 인지와 일치하지 않습니다. PSNR이 높은 압축 이미지에도 블록화 아티팩트가 보일 수 있는 반면, PSNR이 낮은 이미지의 차이는 사람의 눈으로 감지하기 어렵습니다. 이것이 PSNR의 핵심적인 한계입니다.

SSIM은 Structural Similarity Index Measure의 약자로, 값의 범위는 0부터 1까지입니다. 1에 가까울수록 압축된 이미지와 원본 이미지 간 구조적 차이가 작다는 의미입니다. 이 측정값은 픽셀 오차만 계산하는 대신, 휘도, 대비, 구조의 세 가지 차원에서 이미지를 비교합니다.

사람의 눈은 무작위 픽셀 오차보다 이미지의 구조 정보에 더 민감하며, SSIM은 구조 왜곡에 더 높은 가중치를 할당하므로 점수가 사람의 눈의 실제 인지 결과와 더 가깝습니다.

JPG, WebP, AVIF 세 포맷 모두 품질 매개변수 범위는 1부터 100이며 모두 비선형 특성을 가집니다. 품질 매개변수가 90에서 100으로 증가할 때 파일 크기는 크게 증가하지만 품질 향상은 매우 제한적입니다.

품질 매개변수가 60 미만일 때 매개변수가 10단위 증가할 때마다 이미지 품질 향상 폭이 80에서 90으로 증가할 때보다 훨씬 큽니다. 저품질 범위의 매개변수 변화가 이미지 품질에 더 큰 영향을 미치며, 고품질 범위에서는 한계 이익이 빠르게 감소합니다.

본 테스트는 다양한 시나리오에서 10장의 일반적인 컬러 이미지를 선별했으며, 풍경, 인물, 텍스트-이미지 혼합 콘텐츠를 포함하고 세 포맷 각각에서 다른 품질 매개변수로 SSIM 값을 테스트했습니다.

세 포맷 모두 품질 매개변수 75부터 85 범위에서 SSIM 값은 0.98에서 0.995 사이입니다. 대부분의 관찰자는 이 범위의 압축 이미지와 원본 이미지의 차이를 구분할 수 없으며, 파일 크기는 품질 100일 때보다 40%에서 60% 더 작습니다.

4:2:0 색차 서브샘플링은 대부분의 손실 압축 포맷의 기본 색차 샘플링 방식입니다. 이 방식은 색차 채널의 해상도를 절반으로 줄여 색차 데이터의 양을 약 50% 감소시킵니다.

작고 선명한 텍스트가 포함된 스크린샷의 경우 4:2:0 샘플링은 유색 텍스트의 가장자리에 흐림 아티팩트를 유발할 수 있습니다. 텍스트를 선명하게 유지해야 하는 경우 4:4:4 샘플링을 사용하는 압축 포맷(예: PNG) 또는 4:4:4가 활성화된 WebP를 선택할 수 있습니다.