60Hz vs 120Hz... Motion Artifact 간단 벤치

[좋아좋아]

최근 국내외 유명 대기업들이 120Hz로 구동하는 LCD-TV를 경쟁적으로 출시하면서 소비자들의 관심이 증폭되고 있다. 과연 LCD의 최대 약점 중 하나인 잔상없는 깨끗한 화면을 볼 수 있을 것인가가 일반 소비자들의 최대 관심사일 것이다. HD방송을 시청할 때 드라마는 괜찮은 편이지만 스포츠(특히 축구) 중계에서는 잔상이 매우 눈에 거슬리기 때문이다. PS-3나 XBox, Wii 등의 콘솔 게임을 즐기는 분들도 마찬가지일 것이다.

한편, 영화 매니아들은 잔상으로 인한 화면 끌림현상(Motion Blur) 뿐 아니라 24fps(48Hz)의 극장용 영화를 30fps(60Hz)의 TV용 영상으로 전환시킬 때 심하게 발생하는 화면 떨림현상(Motion Judder)의 제거를 더욱 기대하는 것 같다. 서로 다른 프레임율(혹은 리프레시율)을 가진 영화를 TV용으로 전환하다 보니 부작용이 발생하는 것이다. 지금까지는 어쩔 수 없었지만 120Hz가 된다니 Judder의 제거를 기대하는 것은 당연할 수도 있겠다.

이미 삼성전자의 보르도 120Hz (LN46F81BD)의 리뷰를 통해 120Hz를 구동시키면 두 가지 문제가 발생한다는 것을 알려 드린 바 있다. 즉, (1) Blur와 Judder는 줄어 들거나 없어지지만 새로운 모션 노이즈가 발생한다는 것과, (2) 120Hz 구동은 시공간적 해상도를 높이기 때문에 입체감과 생생함이 너무 강해져 영화가 드라마같이 보이는 문제(?), 그리고 어지러움증이 느껴지기도 한다고 하였다. 이번 기사에서는 (두번째 문제는 사진으로는 전달이 되지 않기 때문에) 첫번째 문제에 대해서 일반 LCD-TV 및 PDP-TV와 비교해 드리도록 하겠다.

[리뷰]크리스탈 블랙 + FHD + 120Hz... 삼성 LN46F81BD

Motion Artifact 비교... 어떻게 했나?

일단 아래의 사진에서와 같이 3대의 TV를 나란히 배치해 보았다. 좌측에서부터 42인치 일반 LCD-TV (사하라 42FHD), 삼성 46인치 LCD-TV (보르도 120Hz, LN46F81BD), 그리고 삼성 50인치 PDP-TV (깐느 풀HD, 50P91FHD)의 순으로 배치하였다. 플레이어와 HDMI 분배기를 통해 동시에 같은 영상을 보면서 어떤 문제가 있는지를 비교하기 위해서이다.

 ※ 60Hz vs 120Hz(High) vs PDP
 

영상의 비교를 위해 DVD 타이틀과 블루레이 타이틀을 사용했는데, 플레이어는 삼성전자의 BD-P1000이었다. 원래는 PS-3를 이용해서 게임도 같이 비교해 보려고도 했지만, 이 (일본) 내수용 제품이 TV에 연결할 때에는 잘 되는데 HDMI 분배기나 셀렉터, 혹은 HDMI나 HDCP를 지원하는 모니터에서는 먹통이 된다. 전문가들은 PS-3의 출력 레벨이 좀 이상하다고 하던데... 정확한 원인을 밝히지는 못했다.

※ 삼성전자의 블루레이 플레이어 BD-P1000 (아래 제품)

3대의 평판 TV로 HDMI 신호를 분배하는 데에는 마스타社의 HDMI 분배기 MSHM-105A를 사용하였다. 이 HDMI 분배기는 1 : 5 분배기로서, 즉 1개의 입력신호를 최대 5개까지 분배, 출력해 줄 수 있는 기기로, HDCP와 EDID를 On/Off 시킬 수 있는 기능을 가지고 있다.

※ 마스타社의 산업용 HDMI 분배기 MSHM-105A (www.ltdmaster.com)

120Hz의 동작 떨림(Motion Judder) 완화 효과

아래의 사진은 니콘 D50을 이용해서 1/60초의 셔터 스피드로 촬영한 수십장의 사진 중 하나이다. 해상도는 3008*2000으로 약 600M 픽셀(300 DPI)이다. '라이언 일병 구하기(Saving Private Ryan)'이라는 DVD 타이틀을 BD-P1000에 넣고 1080p로 출력하고 있었다. 두 병사가 걸어가는 이 장면에서 Motion Judder가 주루륵 발생하는데... 마침 이러한 Judder가 카메라에 잘 잡혔다. 아래의 축소된 사진에서도 일반 LCD-TV(왼쪽)와 PDP-TV(오른쪽)에는 Motion Judder가 있다는 것을 어렴풋이 느끼실 수 있을 것이다.

※ 60Hz vs 120Hz(High) vs PDP

아래의 사진은 위의 (축소한)사진에서 좌측의 일반적인 LCD-TV만을 1:1 픽셀의 원본 비율로 잘라 온 것이다. LG필립스LCD의 S-IPS 패널을 장착하였고, TV는 60Hz (1920*1080 해상도)로 구동하고 있는 상태다. 철모와 상반신에 Motion Judder가 주르륵 발생하고 있음을 알 수 있다.

※ Motion Judder in normal LCD-TV (60Hz)

이번에는 동시에 촬영된 보르도 120Hz의 화면이다. Auto Motion plus가 '강하게'로 설정되어 있는 상태인데 놀랍게도 Motion Judder가 부드러운 Blur로 바뀌어 있다. 실제 눈으로 봐도 이 장면에서 철모와 어깨, 팔 등에는 Judder가 보이지 않고 부드럽게 이어진다.

※ Motion Judder Cancelation in LCD-TV (120Hz-ON, High)

마지막으로 깐느 Full HD라 명명된 삼성전자의 최신 PDP-TV에 표시된 장면을 역시 1:1 픽셀 크기로 잘라 봤다. 일반 LCD-TV에서와 같이 Motion Judder가 심하게 들어가 있다. 결론적으로 말하자면 보르도 120Hz의 Auto Motion Plus를 '강하게'로 설정해 보니 심한 Judder가 부드러운 동작으로 바뀌어 지나가는 병사의 몸에 덜덜 떨리게 보이지 않는다는 것이다.

※ Motion Judder in PDP-TV (60Hz)

※ 참고 : Motion Judder는 왜 발생하는 것인가?

물체가 움직이면 우리의 눈동자도 물체를 추적(Eye Tracking)하여 움직이게 된다. 이 때 눈은 운동방향에 따라 부드러운 움직임을 예상하지만, 각각의 사진(프레임)에 담긴 장면들은 불연속적으로 단절된 이미지들이기 때문에 화면이 흔들리거나 떨려 보일 수 있다. 즉, 눈에 움직이는 물체를 추적하지 않으면 Judder는 느끼지 못한다. 일반적으로 위와 같은 장면을 볼 때 우리의 눈은 오른쪽에서 왼쪽으로 걸어가는 병사를 따라 동작을 추적하게 된다. 이에 따라 단절된 연속동작이 부드럽게 보이지 않아 Judder가 느껴지게 된다. 만약 걸어가는 두 병사가 아니라 저 뒤에 언덕 위에 초점을 맞추고 있으면 이 Judder를 못 느낀다.

과학자들에 따르면 우리 인간의 눈은 일종의 Low Pass Filter적인 특성을 가지고 있다고 한다. 따라서 약 60Hz를 넘어가는 시간주파수(Temporal Frequency)에 대해서는 더 이상 추가로 민감해 지지 않는다. 결국 Motion Judder는 눈이 움직이는 사물을 추적하는 속도만큼 프레임율이 높으면 해결될 수 있다는 것인데, TV의 경우 약 50~60Hz 정도의 Refresh Rate를 정한 것도 이와 같은 눈의 특성을 반영한 것이다.

하지만, 24fps의 극장용 영화를 2-3 pulldown 방식으로 30~60fps의 TV용 영상으로 변환한 경우에는 Judder가 심해 지는 현상이 나타난다. 왜냐하면 2-3 pulldown에서는 필름의 첫번째  장면에서 2개의 필드(혹은 프레임)을 뽑아 오고, 필름의 두번째 장면에서 3개의 필드(혹은 프레임)을 뽑는 방식이기 때문이다. 특히 두번째 장면에서 뽑은 3개의 필드(혹은 프레임)의 첫번째 것은 첫번째 필드와의 합성으로 이루어지기 때문에 더더욱 복잡해 진다.

어쨌든 이러한 (변환 방식의 한계로 인해) 2-3 pulldown으로 필름을 TV영상으로 변환한 경우 Motion Judder가 눈에 확 띌 정도로 심해진다. 특히 60프레임이 아니라 60필드로 변환하는 인터레이스(Interlace) 방식일 경우 이로 인한 노이즈가 더해져 더욱 심각한 화질상의 문제가 되곤 한다.


120Hz... 혹 떼려다 혹 붙이는 상황이 될 수도...

위에서 설명한 Motion Judder 문제로 인해 영화 매니아들은 2-3 pulldown을 하지 않는 영상, 혹은 꼭 해야 한다면 3-3이나 4-4, 5-5 pulldown을 통해 노이즈가 최소화되기를 희망하는 것이다. 그리고 최근에 출시된 120Hz LCD-TV들이 각광받는 이유 중 하나가 바로 이 Judder를 제거할 것이라 기대되기 때문이다.

위에서 살펴 본 바와 같이 120Hz를 ON시키면 Judder가 확실하게 없어진다. 그렇다면 120Hz는 대성공인가? 안타깝게도 그렇지가 않다. 이러한 Judder를 없애기 위해 원본의 필름 1장당 4장의 인위적인 중간 장면들이 만들어져 들어갔다. 보르도 120Hz의 경우 실질적으로는 먼저 2.5장으로 만들어지고 각종 영상처리(DNIe 등)를 한 후, 다시 이를 5장으로 늘린 것이라고 할 수 있다. 추가된 4장의 장면에는 첫번째 장면과 6번째 장면 사이의 차이를 분석해서 보간(Interplation)된 영상이 담기게 되는데... 이 보간이라는 것이 완벽할 수가 없다는데 문제가 있다.

즉, 동작을 예측하여 중간적인 프레임을 넣는 것은 좋은데 한 두 프레임이라면 모를까 원본 한 장을 가지고 4장을 예측해서 만드는 것이 완벽할 수 없다는 것이다. 기존의 Interlace된 TV 영상만 하더라도 Progressive 방식의 TV나 모니터에서 볼 때에는 Deinterlacing 때문에 각종 노이즈가 생기기 쉽다. 하물며 1:1도 아니고 1:5로 늘리는 것이 쉬울 리가 없다. 결국 Auto Motion plus를 '강하게'로 설정할 때에는 Judder는 거의 보이지 않을 정도로 개선되지만 새로운 노이즈가 생긴다. 그렇다고 '약하게'로 설정하거나 아예 120Hz-OFF를 시켜버리면 Judder나 Blur가 별로 줄어들지 않기 때문에 기껏 120Hz로 힘들게 구동하는 의미가 퇴색된다.

이제 사진을 보면서 설명드리겠다. 아래의 사진 역시 위와 비슷한 장면인데 3대의 TV에 표현된 노이즈를 동시에 촬영해 보았다.

 ※ 60Hz vs 120Hz(High) vs PDP
 

먼저 일반 LCD-TV의 화면을 1:1로 잘라와 봤다. 전체적으로 Judder가 발생하고 있고, 뒤에 있는 병사의 등 부분에 이로 인한 뭉게짐이 나타난다.

※ Motion Blur + Judder in LCD-TV (60Hz)

하지만 보르도 120Hz에서는 뒤에 있는 병사의 등 부분에 모자이크 같은 문양이 나타난다. 이로 인해 이 병사가 걸어 갈 때 등 뒤로 물결 무늬 같은 것이 주르륵 딸려 간다. 영화 프레데터(Predator)에서 외계 포식자가 자신의 몸을 투명하게 위장한 상태에서 움직일 때 보이는 몸 주변부의 빛 굴절현상과 비슷한 느낌이다.

※ Predator Noise thanks to Judder cancelation in LCD-TV (120Hz-ON, High)

PDP에서도 일반 LCD-TV와 마찬가지로 뭉게짐이 보이지만 LCD에 비해서는 덜 하다. 아마도 응답속도가 LCD보다 빨라서 좀 덜 해 보이는 것 같다.

※ Motion Judder Cancelation in PDP-TV

필자가 보르도 120Hz만 촬영한 다른 사진에서 이 괴이한 노이즈의 정체가 좀더 잘 보인다. 아래의 축소된 사진에서 보면 뒤에 따라 오는 병사의 등쪽에 이상한 모자이크들이 목격된다.

※ Predator Noise thanks to Judder cancelation (120Hz-ON, High)

위의 사진에서 등 부분만을 1:1 픽셀로 잘라 와 보면 아래와 같다. 움직이는 물체의 뒷쪽(이동하는 방향의 반대쪽)에 나타났던 물결무늬 같은 것의 정체는 이것이었다. 이는 곧 Auto Motion plus의 설정을 '강하게'로 놓으면 Motion Vector를 크게 잡아 보간하기 때문에 필터의 개별 셀이 커진다는 것을 뜻한다. 즉 Motion Vector를 크게 할 수록 필터의 해상도가 낮아져 새로운 노이즈가 발생하고, 반대로 Motion Vector를 작게 하면('약하게'로 설정하면) 이러한 노이즈는 줄어 들겠지만 대신 Judder 제거효과도 약해지는 딜레마에 빠진다. 필자는 이 새로운 노이즈를 '필터 노이즈' 혹은 '프레데터 노이즈(Predator Noise)'라 부르기로 하겠다.

※ Predator Noise thanks to Judder cancelation (120Hz-ON, High)

다음은 또 다른 사진에 촬영된 프레데터 노이즈이다. 위에서 본 것과 거의 비슷하지만 좀 더 뚜렸하게 촬영되었다. 왼쪽에 있는 병사의 철모나 어깨/팔 부분을 보면 Judder는 확실히 제거되어 부드러운 동작으로 표현되고 있지만, 오른쪽에 따라오는 병사의 뒷쪽으로는 프레데터 노이즈가 대량으로 발생하고 있다. 실제 눈으로 보면 마치 프레데터가 투명모드로 위장해서 걸어 다닐 때 보이는 물결현상이 3배쯤 강하게 보이는 것과 비슷하다.

※ Predator Noise thanks to Judder cancelation (120Hz-ON, High) 

※ Predator Noise thanks to Judder cancelation (120Hz-ON, High)

이번에는 원본 영상 자체가 Full HD급인 블루레이 타이틀로 테스트를 해 보았다. 스텔스(Stealth)라는 영화인데... 주인공이 항공모함 내부의 지휘통제소에 걸어 들어 오는 장면이다. 별로 빠른 동작도 아니지만 이 배우가 걸어 갈 때 머리 주위로 앞서 설명드린 물결모양의 프레데터 노이즈가 심하게 목격된다. 어떻게 보면 아우라(AURA)와 비슷하다고 말할 수도 있겠다.

위의 축소된 사진을 1:1 픽셀로 잘라온 것을 보면 필자의 눈으로 본 것이 어떤 현상인지 좀더 감각적으로 다가 올 것이다. 프레데터도 아닌데 이 사람 머리 주위에 빛이 굴절되는 듯한 물결 현상이 나타나고 있다.

※ Predator Noise around the head of a walking character 

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