문자 vs 바이너리 & 이미지가 바이너리인 이유

📝 chatGPT와의 문답

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📙 이미지가 바이너리 파일인 이유와 표현 방식

1. 이미지가 바이너리 파일인 이유

파일에는 문자 파일과 바이너리 파일 두 가지가 있습니다. 문자 파일은 사람이 읽을 수 있는 텍스트로 구성된 파일이고, 바이너리 파일은 컴퓨터가 처리할 수 있는 이진 데이터(0과 1)로 구성된 파일입니다. 이미지 파일은 픽셀 데이터를 저장해야 하므로 효율적인 이진 데이터 형태로 저장됩니다.

2. 바이너리로 이미지를 표현하는 방법

이미지는 픽셀 단위로 색상, 밝기 등의 정보를 저장하며, 이를 숫자 데이터로 변환해 바이너리 파일로 표현합니다.

이미지 표현 과정

픽셀(Pixel) 기반 데이터

• 이미지는 작은 점(Pixel)들로 이루어져 있습니다.
• 각 픽셀의 색상은 RGB 값(Red, Green, Blue)으로 표현됩니다.
• 예: 흰색은 (255, 255, 255), 검은색은 (0, 0, 0)으로 나타냅니다.

RGB 값을 이진 데이터로 변환

• RGB 값은 각각 0~255 범위의 값을 가집니다.
• 각 값은 8비트(1바이트)로 표현됩니다.
• 예: (255, 0, 0)은 11111111 00000000 00000000으로 표현됩니다.
• 한 픽셀은 총 24비트(3바이트) 데이터로 저장됩니다.

압축 및 포맷 적용

단순히 픽셀 데이터만 저장하면 용량이 커지기 때문에, JPEG, PNG 같은 포맷으로 데이터를 압축하거나 저장 방식을 최적화합니다.

• PNG: 무손실 압축 방식
• JPEG: 손실 압축 방식

헤더 및 메타데이터

바이너리 데이터에는 픽셀 정보 외에도 파일 구조를 나타내는 헤더 정보가 포함됩니다. 헤더는 파일 형식, 해상도, 색상 정보 등을 정의합니다.

예: BMP 파일은 시작 부분에 픽셀 데이터 위치, 이미지 크기 등을 저장합니다.

3. 바이너리 파일의 예시

특정 이미지를 열어보면 다음과 같은 바이너리 데이터로 구성됩니다:

89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A ...

• 89 50 4E 47: PNG 파일의 고유 시그니처
• 이후 데이터: 헤더 정보와 픽셀 데이터

결론

이미지는 픽셀의 색상 정보를 숫자로 변환한 뒤 이를 이진수(0과 1)의 조합으로 저장해 바이너리 파일 형태로 표현됩니다. 이렇게 저장된 데이터를 컴퓨터는 디코딩하여 화면에 이미지를 표시할 수 있습니다.

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📙 이진 데이터와 이미지 압축 방식

1. 이진 데이터(0과 1)인데 왜 4E 47 같은 값이 나오는가?

4E 47은 사람이 보기 쉽게 만든 16진수 표현입니다. 컴퓨터 내부에서는 모든 데이터가 0과 1로 이루어진 이진 데이터로 저장됩니다.

• 16진수의 의미: 4E는 이진수로 01001110에 해당합니다.
• 컴퓨터는 내부적으로 이진수로 처리하지만, 사람이 이해하기 쉽도록 16진수(0~F)를 사용합니다.
• 1바이트(8비트)는 두 자리의 16진수로 표현됩니다. 예를 들어, 3바이트는 6자리 16진수로 나타날 수 있습니다.

2. PNG와 JPEG 압축 방식

이미지를 저장할 때 용량을 줄이기 위해 압축을 사용합니다. 압축에는 크게 두 가지 방식이 있습니다:

(1) PNG: 무손실 압축 (Lossless Compression)

무손실 압축은 데이터를 압축한 후 완전히 동일한 원본 데이터를 복원할 수 있는 방식입니다.

• 방법: 동일한 색상이 반복되는 경우 데이터 중복 제거를 통해 용량을 줄입니다.
• 예: RRRRRRRRRRGGGGGGGGGG → 10R10G (10개의 빨강, 10개의 초록)
• 특징: 이미지 품질이 전혀 손상되지 않지만, 압축률은 JPEG보다 낮은 경우가 많습니다.

(2) JPEG: 손실 압축 (Lossy Compression)

손실 압축은 데이터를 압축하면서 일부 정보를 제거하여 용량을 줄이는 방식입니다.

• 방법: 인간의 눈에 덜 중요한 정보(예: 색상 차이가 미세한 부분)를 제거합니다.
• 작동 원리: 주파수 변환(DCT)을 이용해 저주파(눈에 잘 보이는 정보)는 유지하고 고주파(잘 보이지 않는 세부 정보)는 제거합니다.
• 특징: 이미지 품질이 약간 손상될 수 있지만, 용량을 크게 줄일 수 있습니다.

3. 한 픽셀에 3바이트면 큰데 어떻게 압축이 되는가?

(1) 중복 제거

이미지 데이터에서 동일한 색상이 반복되는 경우 중복 데이터를 줄이는 기법을 사용합니다.

(2) 색상 심도 축소

JPEG는 색상을 표현할 때 사람이 구분하기 어려운 세부적인 차이를 제거하여 데이터를 줄입니다.

(3) 블록 기반 압축 (JPEG)

이미지를 8x8 픽셀 블록으로 나눈 뒤, 주파수 변환(DCT)을 적용해 고주파 성분(세부 정보)을 제거하고, 남은 데이터를 효율적으로 저장합니다.

(4) 팔레트 기반 저장 (PNG)

PNG는 자주 쓰이는 색상을 팔레트로 만들어 해당 색상의 인덱스만 저장합니다.

4. 손실 압축과 무손실 압축의 차이

구분	손실 압축	무손실 압축
압축률	높음 (작은 파일 크기)	낮음 (큰 파일 크기)
복원 가능성	원본으로 복원이 불가능	원본으로 완전히 복원 가능
사용 사례	사진, 동영상 (JPEG, MP4 등)	그래픽, 문서 스캔, 로고 (PNG, ZIP 등)
장점	저장 공간 절약, 빠른 전송	데이터 손실 없이 원본 품질 유지
단점	품질 손실 발생 가능	파일 크기가 상대적으로 큼

요약

이미지 데이터는 이진수로 저장되며, 16진수는 이를 사람이 이해하기 쉽게 표현한 방식입니다. PNG는 무손실 압축, JPEG는 손실 압축 방식으로 데이터를 효율적으로 저장하며, 중복 제거, 블록 압축 등의 기법을 통해 용량을 줄입니다. 손실 압축은 데이터를 제거하여 용량을 줄이는 반면, 무손실 압축은 데이터를 원본 그대로 유지하면서 중복만 제거합니다.