🎂[과학카페] TV의 과잉스펙 시대

[黑面書生]

2018. 11. 13

자기 일이 아니고 별 관심도 없다면 화제가 되는 이슈라도 흘려듣기 마련이다. 필자의 경우 UHD(초고화질) TV가 그런 경우로, 지금 보고 있는 HD(고선명)TV보다 2배 선명한 영상을 볼 수 있다는 걸 들어 아는 정도였다.

가로세로 화소(pixel)수가 2배이기 때문이다(HD 디스플레이는 1920×1080, UHD 디스플레이는 3840×2160). 화면은 2차원(면적)이므로 전체 화소수가 4배이고 따라서 같은 영화 한 편이라도 UHD 영상은 데이터가 4배다.

▲ 화소의 크기가 같을 때 디스플레이의 크기를 비교한 그림이다. SD(표준화질)는 가로세로비 4:3일 경우 화소수가 640×480이고 HD(고화질)는 1920×1080(이하 가로세로비 16:9), 4K UHD(초고화질)는 3840×2160, 8K UHD는 7680×4320이다. / 위키피디아 제공

이처럼 원론 차원에서 알고 있던 UHD가 갑자기 실생활이 됐다. 최근 TV를 바꿨는데 알고 보니 UHD TV였던 것이다. 생각지도 않다가 이 사실을 알게 된 필자는 1.4배 더 선명한 영상을 볼 수 있게 됐다며 좋아했다(39인치에서 55인치로 화면이 커졌기 때문에 2배는 아니다. 2/(55/39)=1.4).

UHD 콘텐츠 턱없이 부족

그러나 기대는 곧 실망으로 바뀌었다. 필자가 가입한 IPTV 업체가 제공하는 그 많은 채널 가운데 UHD 영상을 내보내는 채널은 세 곳에 불과했기 때문이다. 그것도 다 100번 밖으로 지금까지 있는 줄도 몰랐다. 어이가 없었지만 도대체 UHD 영상이 얼마나 선명한지 궁금해 한 채널을 봤다.

마침 외국의 자연 풍경을 보여주는 프로그램이었는데, 보기에도 시원하고(이건 화면이 커졌기 때문일 것이다) 디테일이 살아있었다. HD 채널로 돌려 보니(따라서 동시 비교는 아니다) 화면이 약간 뭉개져 보였다.

UHD TV가 UHD 콘텐츠가 없어 제 기능을 100% 발휘하지 못한다니 속이 좀 상했다. 신도시의 새 아파트에 입주하고 보니 도로나 학교 같은 인프라가 없을 때 심정이 이럴 것이다. IPTV 업체에서 UHD 영화를 공급한다지만 TV로 영화를 별로 보지 않는 필자로서는 별 위로가 못 됐다.

그런데 다음날 인터넷에서 UHD에 대해 알아보다 어이없는 사실을 알게 됐다. 지상파들이 이미 지난해 5월부터 UHD 영상으로 프로그램을 제작해 송출하고 있다는 것이다. 그럼에도 IPTV나 케이블TV 업체와 UHD 영상에 지불할 웃돈에 대해 합의하지 못해 HD 영상으로 공급한다는 것이다. 그 결과 현재 안테나로 TV를 보는 5% 미만 가구 가운데 UHD TV가 있는 집에서만 UHD 영상으로 지상파를 본다.

결국 필자는 UHD TV로 바꿨음에도 이전보다 1.4배가 아니라 0.7배(=1/(55/39)) 선명한, 해상력이 오히려 낮아진 영상을 보는 경우가 대부분이다. 이를 ‘디스플레이 과잉스펙’이라고 부르겠다. 물론 시간이 지나면 UHD 콘텐츠가 늘어날 것이고 디스플레이 과잉스펙 문제는 해결이 될 것이다.

인간 눈의 해상력

그런데 며칠 TV를 보다 보니 ‘UHD 영상과 HD 영상의 해상도가 과연 차이가 있는가’라는 전혀 새로운 차원의 의구심이 들었다. 처음에 비교를 할 때는 TV 바로 앞에서 본 거라서 차이가 뚜렷했지만 평소 필자가 TV를 보는 거리인 2~3m 떨어진 지점에서는 솔직히 잘 모르겠다.

▲ 시력검사를 통해 자기 눈의 해상력을 알 수 있다. 사람의 표준시력인 1.0은 눈과 두 점 사이의 각도가 1분(60분의 1도)이 될 때까지 두 점을 구분할 수 있다. / CSUSB 제공

UHD 영상으로 멋진 자연 풍경을 볼 때는 좀 차이가 나는 것 같기는 한데, 해상도가 더 높다기보다는 색감이 좀 더 풍부해서 그런 것 아닌가 하는 생각이 들었다. 채널을 돌려 HD 화면과 UHD 화면을 번갈아 보며 비교하는 식으로는 그 정도를 잘 모르겠다. 두 화면을 동시에 보면 어느 정도 차이가 나는지 알 수 있을까.

문득 예전에 인간 눈의 해상도가 0.1㎜라는 얘기를 들은 기억이 떠올랐다. 두 점 사이의 간격이 0.1㎜가 넘어야 우리 눈에 두 점으로 보이고 그보다 가까우면 한 점으로 보인다는 것이다. 55인치 UHD 디스플레이의 화소 크기를 계산해보니 0.32㎜다(가로길이/화소수=1218/3840). 같은 크기의 HD 디스플레이는 두 배인 0.63㎜다. 둘 다 우리 눈의 해상도보다 꽤 크기 때문에 차이를 뚜렷하게 느낄 수 있다.

그런데 문제는 대상의 해상도가 절대적인 게 아니라는 점이다. 보는 대상에서 멀어질수록 해상도는 떨어지기 마련이다. 0.1㎜라는 해상도를 산출한 거리가 얼마인지는 모르겠지만 30㎝라고 가정하면, 10배 떨어진 3m 거리에서는 해상도가 1㎜이므로 우리 눈은 UHD와 HD의 차이를 식별하지 못한다는 말이 된다.

‘내가 제대로 계산했나...’ 필자의 느낌을 뒷받침하는 결과이지만 필자의 기억과 추론을 믿을 수 없어 인터넷에서 적당한 키워드로 검색을 해봤는데 놀랍게도 ‘우리 눈이 UHD 영상과 HD 영상을 구분할 수 있나?’라는 식의 물음이 줄줄이 나왔다. 당황한 필자는 본격적으로 조사를 해봤고 한 사이트에서 모든 궁금증을 한 번에 해결해주는 ‘환상적인’ 그래프를 발견했다. 이를 소개하기 전에 인간 눈의 해상도에 대해 잠깐 살펴보자.

먼저 거리로 계산하는 필자의 추론은 맞았다. 우리 눈의 해상도는 눈이 두 점을 구분할 수 있는 경계의 각도로 결정된다. 이 각도가 작을수록 시력이 좋은 사람이다. 보통 1.0을 사람의 표준 시력으로 보는데, 눈과 두 점 사이의 각도가 1분(60분의 1도)일 때가 경계다. 이 경우 6m 떨어졌을 때 1.75㎜가 해상도다. 앞의 필자의 계산으로는 6m일 때 2㎜이므로 얼추 맞는다.

물론 시력에 따라 해상도가 달라진다. 필자는 교정시력이 0.8인데(노안이 시작돼 1.0으로 맞추면 가까운 데가 잘 안 보인다) 1.75㎜ 떨어진 두 점을 인식하려면 6m에서 좀 더 다가가 4.8m에 이르러야 한다. 표준 시력(1.0)의 거리에 자기 시력을 곱한 값이다. 시력이 1.5로 꽤 좋은 사람은 9m다.

55인치 TV, 시청거리 2.18m 넘으면 차이 없어

이제 본격적으로 그래프를 보자. 아래 그림에는 네 가지 디스플레이에 대한 그래프가 나와있는데, 먼저 지금까지 논한 HD(full HD)와 UHD(4K UHD)에 주목하자.

▲ 화질에 따른 디스플레이 크기와 최적시청거리의 관계를 보여주는 그래프다. 맨 위 선이 2K HD 영상이고 밑에서 두 번째가 4K UHD 영상, 맨 아래가 8K UHD 영상이다. 55인치 TV의 경우 HD 영상의 최적시청거리가 2.18m다. 즉 이보다 먼 거리에서 TV를 보면 해상도로는 HD 영상과 UHD 영상을 구분할 수 없다는 말이다. 세로축 단위가 피트임을 유의하라. / starico 제공

그래프는 디스플레이 크기에 따라 시력 1.0인 사람의 최적시청거리를 보여준다. 최적시청거리(optimal viewing distance)란 디스플레이 해상도의 효과를 최대한 볼 수 있는 거리다.

예를 들어 55인치 UHD 디스플레이의 경우 최적시청거리는 1.14m다(그림에서는 세로축의 단위가 피트라 0.3을 곱해야 미터가 된다). 이 거리에서는 해상도가 이보다 더 높은 영상이라도 우리 눈에는 더 선명하게 보이지 않는다. 반면 이보다 멀어지면 우리 눈은 해상도가 더 낮은 영상에서도 같은 수준의 선명도를 느낄 수 있다.

한편 55인치 HD 디스플레이의 최적시청거리는 2.18m다. 이 거리부터 우리 눈에는 UHD 영상이나 HD 영상이나 똑같이 보인다. 결국 2.18m 이내에서만 둘의 차이가 느껴진다. 시력이 0.8인 필자는 여기에 0.8을 곱해야 하므로 1.74m 이내에서만 차이가 난다. 보통 2~3m 거리에서 TV를 시청하는 필자는 해상도에서 차이를 느낄 수 없다는 말이다.

물론 UHD 영상은 단순히 해상도만 높인 게 아니라 화질의 다른 측면도 더 뛰어나다. 옆의 색공간 그래프를 보면 UHD 영상이 구현할 수 있는 색공간이 HD 영상보다 꽤 넓음을 알 수 있다.

▲ 색공간에서 채도를 나타내는 그래프다. 왼쪽 아래에서 오른쪽 끝까지 시계방향으로 돌아간 곡선이 단일 파장의 채도로 해당 색에서 가장 높다. RGB 세 광원을 섞으면 채도가 떨어지는데 0이 되는 경우가 백색광이다(D65). UHD 영상은 HD 영상에 비해 색공간이 넓어 채도가 높은 색을 좀 더 가깝게 재현할 수 있다. / 위키피디아 제공

전자기파에서 우리가 볼 수 있는 범위(가시광선)는 파장 380㎚(보라색 빛)에서 700㎚(빨간색 빛)까지인데, 그래프 왼쪽 아래에서 시계방향으로 원호를 그려 오른쪽에서 끝난다. 도중의 숫자는 그 지점의 색을 띠는 빛의 파장이다.

디스플레이는 세 가지 광원(빨간색 빛(R), 녹색 빛(G), 파란색 빛(B))을 조합해 모든 칼라를 표현한다. 그 결과 해당 색을 띠는 단일 파장의 빛보다 색의 채도(포화도)가 떨어진다. 광원이 섞이면서 백색광이 늘어나기 때문이다. 무지개를 보면(물론 실물로) 단일파장 빛의 높은 채도를 실감할 수 있다.

그래프 가운데 D65는 완전한 백색광으로 색의 채도가 0이다. D65에서 멀리 갈수록 채도가 높아지는데, HD 영상의 공간(안쪽 삼각형)보다 UHD 영상의 공간(바깥쪽 삼각형)이 더 넓어 채도가 좀 더 높은 색을 낼 수 있음을 알 수 있다.

필자가 UHD 채널에서 자연 풍경을 볼 때 더 선명한 것 같다고 느끼는 건 해상도가 아니라 채도가 높아져 색감이 풍부해진 결과일지도 모른다. 그럼에도 어느 채널인지 모르게 한 뒤 ‘지금 보고 있는 게 HD 영상일까 UHD 영상일까?’라고 물으면 맞출 자신이 없다. 이처럼 눈의 구조적 한계 때문에 일어난 현상을 필자는 ‘콘텐츠 과잉스펙’이라고 부르겠다.

모든 사람에게 UHD 화질이 콘텐츠 과잉스펙인 건 아니다. 눈이 좋거나(시력이 1.5일 경우 HD의 최적시청거리가 3.27m다) 평소 TV를 가까이에서 보는 사람은 해상도 차이를 느낄 수 있다. 다만 드라마나 예능, 뉴스처럼 이야기도 중요한 프로그램을 볼 때는 신경이 분산돼 화면 해상도의 차이를 거의 느끼지 못할 것이다.

아무튼 이미 대형 TV 대다수가 UHD 디스플레이이고 방송도 시작된 마당에 과잉스펙을 논한다는 건 때늦은 감이 있다. 그리고 무엇보다도 시력이나 시청 습관에 따라 차이를 느끼는 사람도 적지 않을 것이므로.

매의 눈을 위한 기술

지난 7일 삼성전자는 8K UHD QLED(양자점발광다이오드) TV를 출시한다고 발표했다. 65인치에서 85인치까지 네 가지다. 8K란 가로화면의 화소수로 정확히는 7680개이지만 반올림해서 8000개라는 뜻이다. 이는 기존 UHD보다 두 배 많은 숫자다. 기존 UHD는 3840개로 역시 반올림해서 4000개라는 뜻으로 4K를 쓴다. 1920개인 HD는 2K다. 그런데 과연 우리 눈은 8K를 볼 때 4K보다 선명하다고 느낄 수 있을까.

▲ 시력 1.0인 사람이 65인치 TV(폭 1.44m)를 볼 때 디스플레이 화질과 시청거리의 관계를 보여주는 그림이다. 어디를 주목해도 시야에서 벗어나는 화면이 없는 각도인 70도일 때의 거리가 TV 시청의 최소거리로 1.03m다. 화질에 따라 최대의 효과를 볼 수 있는 최적시청거리는 8K가 0.61m, 4K가 1.31m, HD가 2.62m다. 즉 1.31m 이내에서 볼 때만 8K가 차별화되고 2.62m 이상 떨어져서 보면 세 가지의 해상도를 구분할 수 없다. / 강석기 제공

그림은 위의 그래프를 토대로 필자가 만든 것으로 8K의 가장 작은 규격인 65인치 TV를 시력 1.0인 사람이 보는 경우다. 최적시청거리를 보면 HD는 2.62m, 4K UHD는 1.31m, 8K UHD는 0.61m다.

시청거리가 2.62m가 넘으면 4K는 물론 HD와도 해상도 차이를 느낄 수 없다는 말이다. 8K 영상과 4K 영상의 차이를 느끼려면 1.31m 미만 거리에서 봐야 한다. 폭이 1.44m인 65인치 TV를 1.31m 이내에서 보는 사람이 얼마나 될까.

한편 65인치 화면의 최소거리는 1.03m다. 최소거리란 눈에서 TV 양 끝을 잇는 선이 이루는 각도가 70도인 지점이다. 이는 우리 눈이 보는 범위인 시야각 140도의 절반이다. 화면 오른쪽이나 왼쪽 끝을 주목했을 때 반대쪽 영상이 시야에 들어오려면 70도 이내여야 하기 때문이다. 결국 8K 영상과 4K 영상 차이를 느낄 수 있는 실질적인 범위는 1.03m에서 1.31m 사이인 18㎝라는 말이다.

시력이 아주 좋으면서 TV를 아주 가까이에서 보는 소수를 제외한 대다수의 사람들에게 8K 영상은 콘텐츠 과잉스펙 아닐까. 사람 눈은 제대로 인식하지도 못하는데 디스플레이의 과잉스펙에 맞추기 위해 컨텐츠까지 과잉스펙으로 만든다는 건 아무래도 낭비라는 생각이 든다.

8K 영상은 4K 영상에 비해 데이터가 4배다(2K HD 영상의 16배). 데이터와 정보는 에너지이므로 영상을 만들고 저장하고 꺼내쓰는 과정에서 에너지가 많이 들어간다는 말이다. 이게 별거 아닌 것 같지만 티끌 모아 태산이라고 만일 유튜브 동영상 대다수가 8K로 만들어진다고 생각해보라.

네트워크와 데이터센터는 전기 먹는 하마

학술지 ‘네이처’ 9월 13일자에는 ICT(정보통신기술)의 생산과 소비에 쓰이는 전력이 급증하고 있는 상황을 우려하는 심층기사가 실렸다. ICT에 들어가는 전기는 용도에 따라 네 가지로 나뉜다. TV나 컴퓨터, 스마트폰 같은 기기를 쓰는데 들어가는 전기와 정보통신인프라를 유지하는데 들어가는 전기, 네트워크를 이용하는데 들어가는 전기, 데이터센터(서버) 운영에 들어가는 전기다.

▲ ICT 분야의 전문가인 안드레스 안드레(Anders Andrae)가 예측한 ICT 전력소비량 추이다. 2015년 현재 전체 전력소비량의 10%를 차지하지만 2030년에는 21%에 이를 전망이다. 인프라(빨간색)와 전자기기(노란색)는 소폭 늘어나거나 오히려 줄어드는 반면 네트워크(파란색)와 데이터센터(녹색)의 수요가 급증함을 알 수 있다. / ‘네이처’ 제공

2015년 현재 세계의 ICT 전력소비량은 연간 2000TWh(테라와트시. 테라는 10의 12승)로 전체 소비량 2만 TWh의 10% 수준이지만, 2030년에는 8000TWh가 넘어 전체 전력소비량의 21%에 이를 전망이다.

ICT 전력소비의 구조도 급격히 바뀌고 있다. 현재는 전자기기를 작동하는데 들어가는 전기가 가장 큰 비율을 차지하고 있지만, 기기의 효율이 높아지면서 소비량은 줄어들 전망이다. 반면 네트워크 이용과 데이터센터 운영에 들어가는 전기의 양이 급속이 늘고 있어 2030년에는 두 항목이 ICT 전력사용량의 대부분을 차지할 전망이다. 콘텐츠의 개수가 늘어나는 데다 파일 하나당 용량도 커지기 때문이다.

과거 4K 방송을 주도한 일본 NHK는 2020년 도쿄 올림픽을 겨냥해 8K 방송을 준비하고 있다는데, 현재 2K에서 4K에서 넘어가고 있는 것처럼 세계가 또 한 번 따라가게 될까. 방송이 8K로 바뀌면 장기적으로 다른 동영상 콘텐츠까지 8K가 기준이 될 텐데, 콘텐츠를 유지하고(데이터센터) 주고받는(네트워크)데 들어가는 전력이 기하급수적으로 늘어날 상황을 생각하니 걱정스럽다.

▲ 매나 독수리 같은 맹금류는 눈의 해상도가 사람에 비해 4~8배 높다. 시력 5.0인 매가 65인치 TV를 본다면 최대 6.55m 거리에서 8K 영상과 4K 영상을 구분할 수 있다. 붉은꼬리말똥가리의 눈. / 위키피디아 제공

8K 영상도 단순히 해상도만 높인 게 아니라 화질의 다른 측면도 더 뛰어나다고 하지만 다른 측면 역시 4K에서 사실상 인간 시각의 한계에 이른 것 아닐까. 바야흐로 TV 디스플레이가 ‘사람의 눈을 위한 기술’에서 ‘매의 눈을 위한 기술’로 넘어가고 있는 게 아닌가 하는 생각이 문득 든다.

강석기 / 과학칼럼니스트 kangsukki@gmail.com

동아사이언스