[발언] 지상파 UHD(4K)방송, 18Mbps로도 화질 차이가 없다?

[이군배]

카페 한 회원님께서 저에게 쪽지로 질문해온 내용입니다.

안녕하세요. UHD 4K송출문제 관련해서 아래와 같은 의견을 가진 분이 계시는데 저는 이분야 전문가가 아니라서 맞는 얘긴지 모르겠습니다.

"현재의 FHD 방송 규격의 코덱 MPEG-2 20Mbps 보다 UHD 방송 규격의 코덱 HEVC 18Mbps가 화질은 훨씬(4배 이상) 좋을 겁니다. 단순 수치만으로 현재보다 못하다고 생각하는 것은 잘못된 생각입니다.

이유는 압축률이 현저하게 차이나기 때문이죠.

MPEG2-TS를 저장해서 H264로만 변환해도 같은 화질에 60% 이상의 용량 감소를 경험할 수 있고, H264를 HEVC로 바꾸면 50% 정도의 용량 감소가 추가로 생깁니다. 코덱을 변경하는 것으로 5배의 비트레이트를 늘린 것과 같은 효과가 생기는 셈이죠.

개인적으로 FHD 방송을 MPEG-2로 정한 것은 희대의 삽질이라는 생각이였는데. 그나마 UHD는 HEVC로 한다고 하니 안심입니다. HEVC 18Mbps면 충분히 선명한 화질을 감상할 수 있을 겁니다. 문제는 본문에 기술했듯이 오락가락하는 규격 때문에 말이 많은거죠;;; "

이렇게 얘기를 하는군요

지난번 방송장비 전시회에 갔는데도, 전시장에서 안내를 하시는 분도 위와 비슷한 형식으로 답변을 하여, 많은 분들이 이러한 오도된 정보를 알고 있게구나 하여, 공개적으로 답변을 정리해 봅니다. 먼저 현재 실시중인 지상파 HD방송과 4K UHD방송의 전송 비트레이트를 살펴 보겠습니다.

지상파 HD방송은

MPEG-2, 1080i@60(1080p@30)fps, 8bit/4:2:0 19.93Mbps, SDR(BT.709)

지상파 4K UHD방송은

HEVC(H.265), 2160@60fps, 10bit/4:2:0, 18Mbps, HDR(BT.2020)

그럼 여기서 4K HEVC는 MPEG-2에 비해 압축 효율이 4배정도 좋아지니(아래 이미지 참조), 해상도가 4배 커진 것에 대한 부분을 커버하여, 19.93(18)Mbps로 방송해도 된다는 이론은 나옵니다. 하지만, 위에서 답변하신 분은 단순 해상도가 4배 커진 것에 압축 코덱의 효율성만을 들어 계산을 하였는데, 바로 그 부분에 오류가 있는 것입니다. 

지상파 4K UHD방송은, HD방송에 비해 프레임(30→60fps)이 2배로 많습니다. 그럼 이론적으로 2배의 용량이 높아지고, 또한 컬러비트도 8→10bit로, HDR(BT.2020)적용 등으로 20~30%의 용량이 늘어나게 됩니다. 그러면, 4K UHD방송에 필요한 전송 비트레이트는 HD방송 기준으로만 봐도 40Mbps이상이 필요하다는 계산이 나옵니다.

그렇지만, 화면전체로 볼 때는 HEVC압축의 특성상 실제로 압축을 해보면, 2배 이상으로 하지 않아도 됩니다. HEVC(H.265) 압축에 대한 설명은 상당히 복잡하여(운영자의 "UHD AV"책 참조) 여기서는 생략을 하겠습니다. 그래서 세계 유수의 방송사들이, 4K UHD방송(HDR감안)은 최소 30Mbps이상으로 보고, 18Mbps로는 4K UHD방송을 하는 방송사는 없습니다. 그럼 왜 지상파방송사들이 18Mbps로 하는 것에 대한 부가 설명이 필요할것 같아 설명을 드려 보겠습니다.

일본은 일본은 세계 UHDTV(4K-8K)표준을 제정하고, UHD(4K-8K)방송을 15년 전부터 준비를 하여 왔습니다. 그런 일본은, 현재 4K UHD본방송 1채널의 전송 비트레이트를 35Mbps로 하고 있습니다. 또한 유럽과 같은 상당수의 나라들이 지상파(25km내외)로는 4K UHD방송에 필요한 최소한의 전송 비트레이트(35Mbps~)조차 제대로 나와지지 않고, HEVC압축의 한계, 방송시차(3~4초)가 발생하기 때문에, 지상파로는 아직 UHD(4K-8K)방송을 할 만한 기술적 수준이 되지 못한다고 판단을 하고 있는 것인데, 이러한 것을 모두 무시하고, 국내 지상파 UHD(4K)방송은, 지상파를 통한 세계 최초의 타이틀을 얻기 위해 18Mbps로 4KUHD방송을 하는 것입니다.

참고로 18Mbps엔 오디오도 포함이 되었는데, 만일 ATSC 3.0에서 규정한 10.2ch까지 방송을 한다면, 4K UHD본방송 1채널은 15Mbps밖에 안 되는 정말 말 그대로 무늬만 4K UHD방송이 됩니다.

사실 지상파방송사들이 18Mbps로 낮데는 또다른 속내거 있습니다. 바로 난서청 문제를 해소하기 위해, 돈이 들어가는 중계소 증설은 하지 않고, 전송비트레이틀ㄹ 낮추어 직수신율을 높이기 위함입니다. 즉, HD방송이 2KW이내의 출력으로 20Mbps로 송출을 하고 있다면(직 수율 5.3%), 4K UHD방송은 18Mbps에 5KW로 송출을 하면, FM라디오처럼 실내 안테나로도 어지간한 지역에서도 지상파 4K UHD방송을 수신할 수 있습니다. 하지만, 27Mbps로 높이고, 5KW로 송출하여도, 수신률은 급격히 떨어져, 어지간한 지역에서 실외 안테나로도 수신이 안됩니다(지상파 3사 4K UHD실험방송 결과). 그래서 18Mbps로 낮춘 것입니다.

그리고 또다른 속내는, 이번에 제정한 ATSC 3.0의 총 전송비트레이트거 25Mbps밖에 안됩니다. 그럼 여기에 이동 HD방송과 모바일(IP)연계, 그리고 각종 부가서비스(데이터방송/EPG/마막)의 용량을 뺀, 4K UHD본방송 1채널의 전송 비트레이트가 18Mbps밖에 안되어 어쩔 수 없이 그렇게 정한 것이지, 35Mbps와 화질차이가 없어서 18Mbp로 하는 그런 4K UHD방송이 아니라는 것입니다.

현재 지상파방송사들은 18Mbps와 25/30/35등 여러 방식으로 화질 Test를 하였다고 하였는데, 큰 차이가 없다고 하는데, 여기서 18Mbps의 화질은, 2ch오디오에, 야외 풍경(천천히 이동)이나 심도있게 촬영을 해서 기본적으로 4K UHD영상 소스상태가 좋은 것으로 Test를 하였는데, 이러한 영상들은 18Mbps로 봐도 화질 차이를 잘 못느끼실 수도 있지만, 화면이 다소 어둡거나(조명 부족), 조금 빠르게 움직이는 장면 등에서는 상당한 화질 차이가 발생을 합니다.

참고로 18Mbps와 35Mbps의 차이를 잘 못 느낀다는 것과 차이가 있는 것은 엄연히 다른 이야기입니다. 특히 같은 영상을 18Mbps와 35Mbps의 영상을 70인치 내외의 4K UHDTV 2대를 나란히 놓고 비교해 보면, 전체적으로 디테일(선명) 감의 차이가 확연히 드러납니다. 왜 4K 블루레이 플레이어가 4K@24fps임에도 100Mbps로 압축 하는지를 우리는 곰곰히 되새겨 봐야 할 것입니다.

[전인호]

역시 전문가!