[발언] 압축전송(DSC)에 대하여...(2)

[이군배]

부제 : 영상 전송을 YCbCr 4:2:0에서 RGB로 바꾸어야 하는 이유
 
디지털 영상은 모두 압축을 한다. 반면 영상을 전송하는 HDMI는 압축 전송을 하지 않았다. 헌데 HDMI가, 버전 2.1로 업이 되면서, 압축 전송을 하기 시작하였다(아래 이미지 참조).

UHD영상은 HEVC(H.265)를 통해 압축을 하고, 'HDMI 2.1+DSC'를 적용해서 영상을 또 한번 압축 전송 할 수 있다.

1화소 RGB영상과 1화소 YCbCr 4:4:4의 영상은 같은 용량이지만, YCbCr 4:2:2 영상은 4:4:4 영상의 66.67%(÷1.5) 용량만으로 1화소를 저장(전송)할 수 있고, YCbCr 4:2:0 영상은 4:4:4 영상의 50%(÷2) 용량만으로 1화소를 저장(전송)할 수 있지만, 영상은 대다수 YCbCr 4:2:0으로만 전송(저장)을 하고 있다.

위 2개의 그림을 이해하는 데는 그리 어렵진 않을 것이다. 다만 이해를 돕기 위해 맨위 구성도에 대한 내용을 하나씩 짚어 보겠다.
 
ⓐ/ⓑ촬영과 편집은 보편적으로 10bit/RGB(RAW)로 한다.
 
ⓒ압축 인코더
영상을 HEVC(H.265) 인코더를 이용해서, 10bit/RGB의 영상을 10bit/YCbCr 4:2:0로 압축 전송(저장) 한다. 10bit/YCbCr 4:2:0은, 10bit/RGB의 절반 용량으로 압축 전송(저장) 할 수 있다.
 
ⓓ압축 디코더
지상파 UHD방송이나 TV에 내장된 USB로 UHD영상을 재생하면, TV에 내장된 HEVC(H.265) 디코더를 통해 압축 영상을 풀면, YCbCr 4:2:0으로 압축되었던 영상은 곧바로 TV 화면에 RGB로 변환해서 영상을 보여준다. 반면 세톱박스의 경우는, YCbCr 4:2:0로 제작된 영상을 HEVC(H.265) 디코더로 압축을 풀어, HDMI 2.1로 YCbCr 4:2:0로 전송하면, TV에서는 YCbCr 4:2:0영상을 RGB로 변환해서 영상을 보여준다.

결국 영상은 RGB로 촬영(카메라)을 해서,  RGB로 영상을 보여주는(TV) 것이다. 다만, 전송(저장)의 한계로 영상을 압축 복원하는 것인데, RGB의 영상을 YCbCr 4:2:0로 변환을 하면서, 화질에 열화가 생긴다.

ⓕUHDTV 색(영상) 구현
10bit/4:2:0 영상을 화소별로 R/G/B로 변환해서 색상(영상)을 구현한다.

ⓔHDMI 2.1+DSC
HDMI 2.1의 최대 전송량은 48Gbps다. 해서 8K/120Hz와 같은 고주사율의 영상은 HDMI 2.1(48Gbps)로는 전송을 못한다. 고로 HDMI 2.1로 8K/120Hz를 전송하려면 압축전송(DSC)을 하면 가능하다. 하지만, DSC가 HDMI 2.1의 옵션 규격이고, 또한 현재까지도 DSC에 대한 기술이 완벽하지 않아, 실 상용화는 제한적이거나 2025년부터나 온전한 DSC가 적용이 될 것으로 보인다.
 
참고로 HDMI 2.1의 최대 전송량은 48Gbps지만, 실제 전송할 수 있는 전송 데이터량은 41.89Gbit/s다. 즉, HDMI 2.1은 전송 코딩 체계가 '16b/18b'를 사용하여, 16bit 입력 신호를 18bit 코드로 변환하는 인코딩 전송 체계를 따른다. 해서 16÷18=0.88889가 되어(88.89%의 전송 효율), 48Gbpsx0.88889=42.67Gbit/s가 된다.
 
헌데, HDMI 2.1부터 많은 전송량을 보내면서, 전송의 안정성을 위해 통신에 적용하던 오류정정 데이터(FEC/0.01618)를 함께 보내게 된다. 그러면 0.88889-0.01618=0.87271이 되어, HDMI2.1의 실 데이터 전송량은 48Gbpsx0.87271=41.89Gbit/s가 된다.
 
어찌되었든, HDMI 2.1 기본 전송량(41.89Gbit/s)으로는 8K/120Hz를 전송하지 못하기 때문에, HDMI 2.1에 압축전송(DSC)을 적용하면, 8K/120Hz도 지원이 가능하다.

가령 1화소 영상(이미지) 10bpc(30bit/px)을 8bit로 압축(30bit÷8bit)하면, 3.75:1의 압축 효율을 얻을 수 있다. 반면 1화소 영상(이미지) 10bpc(30bit/px)을 10bit로 압축(30bit÷10bit)하면, 3:1의 압축 효율을 얻을 수 있다. 이러한 압축 전송은 VESA에서 제정한 DSC 1.2a 규격을 기반으로 한다(아래 도표 참조).

▶1화소 당 압축비(VESA DSC 1.2a/상용화 기준)

1화소 당 컬러 bit		압축비 = 1화소당 컬러 bit ÷ 압축 bit
Color Format	무 압축 비트	압축(DSC) 비트
	Color Depth	8bit/px	10bit/px	12bit/px
RGB & YCbCr 4:4:4	8bpc(24bit/px)	3.000:1	2.400:1	2.000:1
	10bpc(30bit/px)	3.750:1	3.000:1	2.500:1
YCbCr 4:2:2 (4:4:4의 ÷1.5)	8bpc(16bit/px)	2.000:1	1.600:1	1.333:1
	10bpc(20bit/px)	2.500:1	2.000:1	1.667:1
YCbCr 4:2:0 (4:4:4의 ÷2)	8bpc(12bit/px)	1.500:1	1.200:1	1.000:1
	10bpc(15bit/px)	1.875:1	1.500:1	1.250:1
※1화소 영상(이미지)을 RGB로 전송(저장) 하는 용량과 1화소 영상을 YCbCr 4:4:4로 전송(저장) 하는 용량은 같다. 반면 1화소 영상을 YCbCr 4:2:2로 전송(저장)을 하면 66.67%(4:4:4의 ÷1.5)로 전송(저장) 용량이 줄고, 1화소 영상을 YCbCr 4:2:0으로 전송(저장)을 하면 50%(4:4:4의 ÷1.5)로 전송(저장) 용량이 줄지만, 압축(DSC) 효과는 없다.

위 2개의 이미지는, UHDTV의 총 화소 수에 대한 '1화소' 용어를 설명한 것이다.

압축 전송(DSC)에 대해 유념해야 할 것은, 영상의 1화소가 R/G/B 3색을 기반으로 하고 있지만, 영상을 압축 복원하는 HEVC(H.265)는, R/G/B 3색의 영상을 YCbCr 4:2:0로 압축 전송(저장)을 한다는 점이다.
 
이유는, 영상을 YCbCr 4:2:0로 전송(저장)을 하면, 전송(저장) 용량이 절반으로 줄기 때문이다. 하지만, 1화소 영상을 YCbCr 4:2:0로 전송(저장)하면, 전송 용량은 절반으로 줄겠지만, 화질은 R/G/B로 전송하는 것보다 많이 떨어진다.
 
그럼에도 영상을 YCbCr 4:2:0으로 전송(저장)하여 온 이유는, 저장 용량의 한계도 있지만, 방송을 통해 전송을 하는데도 한계가 있기 때문이다. 하지만, 최근 저장 용량의 한계는 극복이 되었고, 방송 전송 기술도 많이 향상되어, 영상을 YCbCr 4:2:0로 전송(저장)하는 문제를 심각히 재고해야 한다는 것이다. 특히 DSC가 적용된 영상을 HDMI나 DP로 YCbCr 4:2:0로 전송할 이유와 명분은 없다고 본다.
 
운영자는 그동안 카페를 통해 영상 전송을 YCbCr 4:2:0이 아닌, R/G/B로 바꾸어야 한다고 주장하여 왔다. 이러한 주장을 하게 된 근본적인 이유는, 화질이 떨어지는 문제도 있지만, 영상을 HDMI나 DP로 전송을 할 경우, YCbCr의 영상을 DSC를 적용하면, DSC효과가 없기 때문이다.
 
즉, YCbCr 4:2:0 자체가 이미 압축을 한 것이기 때문에, 가령 YCbCr 4:2:0로 제작된 영상을 8bit DSC로 압축 전송을 한다면 압축 효율은 1.875:1밖에 안 된다. 반면 RGB영상을 DSC로 압축 전송을 하면, 3.75:1로 압축 효율이 좋다.
 
다시 말해 1화소 영상(이미지) 10bpc(30bit/px)를 8bit로 압축(30bit÷8bit)하면, 3.75:1로 압축 효율을 얻을 수 있지만, 1화소 영상(이미지)을 YCbCr 4:2:0로 압축(15bit÷8bit)하면, 1.875:1의 압축 효율밖에 나오지 않는다(위 도표 참조).
 
해서 8K/120Hz, 10bit/RGB(CTA-861기준)를 무 압축으로 전송을 한다면 142.56Gbit/s의 전송량이 필요하다. 그럼 이 영상을 8bit로 압축(30bit÷8bit)하면, 3.75:1로 압축이 가능하여, 142.56Gbit/s÷3.75=38.02Gbit/s의 전송량만 있으면 전송이 가능하다.
 
반면 8K/120Hz, 10bit/YCbCr 4:2:0(CTA-861기준)을 무 압축으로 전송을 한다면 71.28Gbit/s의 전송량이 필요하다. 그런데 이 영상을 8bit로 압축(15bit÷8bit)하면, 1.875:1로 압축이 가능하여, 71.28Gbit/s÷1.875=38.02Gbit/s로 8K/120Hz, 10bit/RGB의 압축 전송량과 같다.
 
결국 8K/120Hz, 10bit/ RGB를 DSC로 전송을 하나, 8K/120Hz, 10bit/4:2:0의 영상을 DSC로 전송을 하나, DSC로 전송할 경우엔 38.02Gbit/s로 똑같기 때문에, 굳이 영상을 YCbCr 4:2:0로 전송할 필요가 없다는 것이다. 화질만 열화 되는 YCbCr 4:2:0 영상을 굳이 DSC를 적용할 이유와 명분이 없다는 것이다.
 
해서 DSC에 대한 효과를 제대로 느끼려면, 영상을 10bit/ RGB로 전송하여, DSC를 적용한다면, DSC에 대한 효과를 제대로 느낄 수 있을 것이다. 지금처럼 YCbCr 4:2:0으로 제작된 영상을 DSC로 전송을 하는 것은 아무런 의미가 없다.

[이군배]

3회에 걸쳐 설명한 HDMI 2.1의 압축 전송(DSC)에 대해 이해가 가지 않는 부분이 있으시면, 꼬리말을 남겨주시기 바랍니다.

[강수원(순천)]

전문적인 지식은 전달자에
따라 대게 가르침의 안내가
전부인 데 우리 운영자님은
쉽게 이해 할 수 있게 자세하게
설명적 가르침으로 전개 해
주셔서 참 많이 배우고 있습니다.
고맙습니다.