[발언] 4K UHD방송, "60fps Vs 질감"중 선택을 해야 한다면(2)

[이군배]

4K UHD영상을 방송으로 송출하기 위해서는, 방송 송출용량의 한계에 맞추어, 최적의 압축 인코더 옵션을 선택해야 할 것입니다. 즉, 프레임은 얼마나 할 것이고, 질감의 척도가 되는 컬러비트와 샘플링은 어떻게 할 것인지를 잘 정해서 방송을 해야, 최적의 UHD화질(질감)이 될 것입니다.

이는 4K블루레이 미디어(BDXL/100GB)도 마찬가지 일 것입니다. 100GB용량에 맞추어, 최적의 화질(질감)이 나올 수 있도록 프레임과 컬러비트, 샘플링에 대한 기준을 정해야 하는데, 보통 4K 블루레이 영화는, 영화자체의 프레임이 24fps밖에 안되기 때문에, 이런 경우라면 굳이 더 이상의 프레임은 필요가 없을 것으로 보입니다.

하지만, 문제는 방송일 것입니다. 미디어는 재생기에서 미디어에 수록된 영상 데이터를 읽어서 곧바로 재생을 하기 때문에, 압축 비트레이트를 고정이 아닌 가변 비트레이트로 해서, 영상의 상태에 따라 압축 비트레이트를 유동적으로 인코딩을 하기 때문에, 압축 비트레이트를 효율적으로 사용하여 질감을 유지할 수 있지만,  방송은 특성상 고정 비트레이트로 해야 하고, 그 고정 비트레이트도 한정이 되어 있기 때문에, 최적화된 고정 비트레이트를 찾기가 힘든 게 사실입니다.

또한 제일 문제가 되는 것은 무선전파를 사용하는 지상파와 위성 방송이 문제가 됩니다. 케이블은 유선을 이용하기 때문에 전송 폭을 어느 정도 조정을 할 수 있지만, 지상파나 위성은 전송에 한계가 있기 때문입니다. 보통 지상파 4K UHD방송을 DVB-T2로 해서, 1채널당 주파수폭을 6MHz폭을 사용하여 방송을 한다면, 최대 전송 비트레이트는 41Mbps라고 합니다. 그렇지만, 안정적인 송수신을 위해선 35Mbps가 적정하다고 합니다(KBS UHD실험방송 자료).

그럼 35Mbps에 맞추려면, 어떤 형태가 될까요? 지상파방송사들은 현재 4K UHD영상을 60fps으로 생각을 하고 있는것 같습니다. 시청자 입장에서도 60fps로 서비스가 된다면, 이에 대해 뭐라 할 이유는 없을 것입니다. 헌데, 문제는 지상파 4K UHD방송이 프레임과 질감이 어느 정도 되려면, 60fps/4:2:2/10bit는 되어야 하는데, 그럴 경우 압축 비트레이트가 59Mbps로 올라간다는 것입니다. 이는 지상파 전송 비트레이트 한계(41Mbps)를 넘어가고 있는 것입니다.

결국 프레임을 줄이거나 질감(컬러비트 내지 샘플링) 옵션을 줄여야 하는데, 여기서 고민이 생긴다는 것입니다. 현재 지상파 HD방송은 1920x1080@30fps/4:2:0/8bit로 방송을 하고 있는데, 이 경우 색 재현력이 약 72~75%수준입니다. 그래서 그동안 방송계에서도 HD방송에 대해, 질감을 높여야 한다는 주장이 있었는데, 지상파방송사들이 60fps로 간다면, 지상파 4K UH방송의  질감은 HD방송 수준 내지는 약간 상승되는 수준(5%내외) 밖에 안 된다는 것입니다.

구 분	3840x2160@30fps			3840x2160@60fps
화소 당 샘플링	4:2:0	4:2:2	4:4:4	4:2:0	4:2:2	4:4:4
8bit	?	?	?	?	?	?
10bit	25Mbps	35Mbps	45Mbps	39Mbps	59Mbps	78Mbps
12bit	?	?	?	?	?	?
*위자료는 KBS자료이며, 나머지 "?"는 따로 공개된 자료가 없고, 제가 HEVC인코더가 고가여서 실증적 자료를 얻지 못하였지만, 공개된 10bit자료만으로도, 압축비트레이트에 대한 정보는 충분히 가능하다. *12bit는 아직 인코더나 디스플레이가 사용 제품으로 출시된 것이 없어, 실제 적용은 어렵다. *참고로 지상파 HD방송은 1920x1080@30fps/4:2:0/8bit로 방송중. *DVB-T2 1채널당 주파수폭 6MHz사용 시 최대 41Mbps(안정적 전송 35Mbps) *DVB-T2 1채널당 주파수폭 10MHz사용 시 70Mbps까지 전송 가능(8K UHD가능) *현재로선 4K UHD방송은 3840x2160@30fps/4:2:2/10bit/35Mbps로 가는 것이 가장 이상적인 방법으로 보인다.

그럼 방송계에서는 왜 무리하게 60fps를 고집하는 것일까? ETRI와 일본 NHK연구소가 분석한 자료를 보면, 아래와 같은 문구가 있습니다. 즉, UHD영상에서 60fps나 120fps이 필요한 이유에 대해, 아래와 같이 설명하고 있었습니다.

디스플레이 크기가 커지고 휘도가 높아질수록 깜박임(flicker) 현상이 높아지게 되므로, 이를 해결하기 위해서는 비디오의 초당 프레임(fps) 수가 높아져야 한다. 가령 82인치 300cd/m2 디스플레이의 경우, 60fps이상이 필요하다.

결국 UHD영상에서 30fps이 사람의 눈으로 구별이 되어, 프레임 부족으로 인해 60fps 또는 120fps로 가려는 것이 아니고, UHDTV의 패널이 기술적으로 따라오질 못하여서, 60fps 또는 120fps으로 가려 한다는 것을 알 수 있습니다.

이는 역설적으로 말한다면, UHDTV의 패널이 30fps만 제대로 구현을 해준다면, 굳이 60fps/120fps은 갈 필요가 없다는 이야기가 될 것입니다. 물론 영상 프레임이 많으면, 좀 더 부드러운 영상을 구현하여 시청자 입장에선 나쁠 것은 없을 것입니다.

하지만, 60fps/120fps을 구현하려다보니, 영상을 저장하고 전송하는 용량이 커져서, 프레임 용량 때문에, 질감(색감)을 저하시키는 결과를 초래하고 있다는 것입니다. 그래서 UHDTV의 화질(질감)을 개선하려면, UHDTV의 패널을 1차적으로 개선해야 한다는 것입니다.

헌데, 여기서 한 가지 짚고 넘어가야 할 부분이 있습니다. NHK연구소가 분석한 자료가 수년전에 만들어 졌다는 것입니다. 즉, LCD(LED)패널의 응답속도가 개선되지 않은 시절의 이야기고, 또한 NHK연구소는 UHD영상을 8K UHD를 중심으로, 80인치 이상의 디스플레이로 보았다는 것입니다.

헌데, 작금의 UHDTV는 8K가 아닌 4K 이고, 더욱 중요한건 LCD(LED)형 4K UHDTV가 50~70인치가 주종이 되고 있고, 또한 LCD(LED)패널의 응답속도는 물론 패널 자체가 120Hz이상 처리가 가능하기 때문에, 패널의 성능이 상당히 개선이 되어, 4K@30fps을 온전하게 구현할 수 있다는 것입니다. 그래서 굳이 4K UHD영상에서는 60fps까지는 필요가 없다는 것입니다.

UHDTV는 단순히 해상도만 상승하는 게 아니고, 질감까지 향상이 되어줘야 하는데, 최근 UHD시험방송이나 인터넷으로 서비스되는 스트리밍 서비스(VOD), 또는 구글의 4K UHD 동영상의 품질이, 무늬(해상도)만 4K UHD영상이지, 질감은 그리 썩 좋지 않다는 것입니다.

방송계에 계신 분들은 프레임의 중요성에 대해 또 다른 주장을 내세우기도 합니다. 즉, 빠른 장면이 요구되는 스포츠 중계나 뮤직 방송, 자연 경관 중 폭포수와 같은 장면에서, 프레임 부족으로 영상의 모자이크가 발생되기 때문에 프레임수가 더 필요하다고 주장을 합니다(아래 그림 참조).

<그림1>NHK연구소의 프레임 중요성 실험 화면-벼 잎과 이삭이 바람에 흔들릴 때 프레임 부족으로 모자이크 형상 발생

<그림2>빠른 프레임이 요구되는 방송 화면들

<그림1>은 일본 NHK연구소가 60fps/120fps의 중요성을 강조하기 위해 실험한 영상인데, 벼 이삭과 벼 잎이 바람에 흔들릴 때, 영상 프레임이 부족해서, 모자이크가 발생한다는 것이고, 아래 <그림2>는 스포츠 중계, 뮤직 방송, 자연 경관 중 폭포수가 빠르게 떨어질 때, 프레임 부족으로 영상의 모자이크가 발생 한다는 것입니다.

적절한 지적이라고 봅니다. 이러한 빠른 장면에서 프레임을 높여 부드러운 영상을 보여준다면, 시청자로서는 더 없이 반가운 일일 것입니다. 허나 위에서도 지적을 하였지만, 이처럼 빠른 화면의 영상을 접하는 경우는 그리 많지 않기 때문에, 대다수의 방송 영상은 정적인 영상이 많기 때문에, 30fps으로도 4K UHD방송을 하기엔 충분하다는 것입니다.

그리고 모든 디지털 영상은 압축 복원을 하기 때문에, 그 압축 복원을 하는 과정에서, 어쩔 수 없이 모자이크 같은 현상이 발생을 한다는 것입니다. 그러므로 이러한 모자이크 현상을 프레임 수만 늘린다고 해소되지는 않는다는 지적도 있습니다.

결국 LCD(LED)패널이 4K UHD영상의 30fps만 온전하게 구현을 해준다면, 굳이 일정 부분의 영상 때문에, 전체 영상의 질감을 부족하게 하는 것은 적절한 방법이 아니라는 것입니다. 물론 위에서도 지적을 드렸지만, 용량의 한계만 없다면, 60fps로 가는 것에 뭐라 할 시청자는 없다는 것입니다. 하지만, 용량의 한계가 분명히 존재하는 이상, 4K UHD영상은 30fps로 가면서, 질감을 향상시키는 쪽으로 가는 게 시청자 입장에서는 더 이득이라는 것입니다.

끝으로 지상파 4K UHD영상에 대해, 전송 용량의 한계로 인해 어쩔 수 없이 30fps로 가는 것과, HDMI 2.0(4K@60Hz)을 지원하지 않아도 된다고 보는 것은 잘못된 오해라는 걸 밝혀둡니다.

만일 지상파 4K UHD방송이 30fps로 간다 해도, HDMI 2.0은 지원이 되어야 합니다. 추후에 지상파 4K UHD방송 표준이 확정이 되어, 지상파 4K UHD방송을 세톱박스(HDMI 2.0지원)로 시청 시,  지상파 4K UHD방송의 30fps영상을 60fps로 업스케일링해서 시청을 한다면, 좀 더 부드러운 4K UHD방송 영상을 감상할 수 있기 때문에, HDMI 2.0(4K@60Hz)은 지원이 되어야 한다고 봅니다.

또한 만일 4K 3D 규격이 지금의 블루레이처럼 프레임 패킹(Frame Packing)방식으로 정해진다면, 적어도, 3840x2160@48Hz가 필요하기 때문에, HDMI 2.0(4K@60Hz)은 지원이 되어야 한다고 봅니다. 그러므로 4K UHDTV에서 HDMI 2.0은 반드시 지원이 되어야 한다고 봅니다.

이상은 사견입니다.

[정연태(행복)]

아침에 좋은 정보 잘 읽고 갑니다~^^

[박중근]

잘 읽었습니다.. 일단 주파수 확보도 시급하다고 보여집니다.
그리고 질감에 대한 진짜 진지한 전향적인 변화가 있어야 겠네요..
수신료 인상해달라고 하면서 질감에 대한 발전을 등한시 한다면 시대에 뒤떨어진 회사로 낙인 찍히겠져

[이군배]

예. 맞습니다. 지상파 UHD방송을 하기위한 주파수 배정이 급하긴 한데, 문제는 주파수는 좀 더 깊은 논의가 있었으면 합니다. 현재 지상파 4K/8K UHD방송 표준이 먼저 제정읻 ㅚ어야 한다고 봅니다. 주파수는 표준을 정하고, 배정을 해도 되는데, 주파수 배정에 신중을 기해야 하는 이유가, 지상파방송사들이, 현재 54MHz폭만 배정을 해주면 4K UHD방송이 가능하다고 하였는데, 이는 4K UHD방송만 바로본 요구라고 봅니다. 지상파 UHD방송도 적어도 2~3년 후에는 8K UHD방송에 대해 논의를 하거나 표준을 확정해서, 8K UHD방송을 준비해야 할 것입니다. 그렇게 되면, 이번에 54MHz폭만 배장해준 걸로는 8K UHD방송은 어려움이 예상됩니다.

[이군배]

그렇기 때문에, 주파수 배정은 8K UHD방송까지 생각해서, 주파수 배정을 해주어야 한다고 봅니다. 그래서 좀 더 논의가 되어야 한다고 보는 것입니다. 다만, 지상파 UHD방송에 대한 표준은 8K UHD방송까지 포함해서 표준을 정해주면, UHDTV 판매가 탄력을 받을 수 있을 것입니다.

[전수현]

이제 UHD가 서서이 깊어지는 느낌이 듭니다. 좋은글 감사합니다.