[발언] 압축 코덱으로 바라본 8K UHDTV

[이군배]

모든 디지털 영상은 압축을 한다. 디지털 영상의 핵심은 압축 코덱이다. 그래서 TV의 생명은 압축 코덱에 달려 있다 해도 과언이 아니다. 또한 아무리 인터넷이 발달이 되고(스트리밍), 스마트폰이나 스마트TV가 발달이 된다 해도, 그를 통해 보는 모든 영상은, 압축(인코더)해서 복원(디코더)을 해주어야 영상이 우리의 눈으로 보인다.

즉, 우리가 보는 모든 디지털 영상은, 디지털 영상을 제작하는 곳(방송사/콘텐츠 보급사)에서 압축(인코딩)을 하면, TV나 재생기에서 복원(디코딩)을 한다. 이러한 디지털 영상의 압축은 해상도가 높아질수록 더 많은 압축을 하게 되는데, 최소 100배에서 1,000배 가까이 압축을 한다.

그럼 왜 디지털 영상은 압축을 하는 것일까? 이 물음에 답하기 전에, 사진과 영상은 무엇이 다른지 부터 알아보자. 사진은 한 장씩 저장을 한다. 이 한 장을 연속으로 저장을 하면, 디지털 동영상이 된다. 동영상은, 보통 1초에 30~120장(fps)까지 저장을 한다.

만일 스마트폰으로 7680x4320(8K)로 사진을 촬영한다고 가정을 해보자. 적어도 JPG(10배 압축)파일로 저장을 한다 해도, 3MB내외의 용량이 필요하다. 압축하지 않는 1장의 사진은, 적어도 30MB 정도가 필요하다.

그럼 초당 30~120장(fps)이 요구되는 동영상을 10배(30fps로) 정도로만 압축을 한다 해도, 1초에 900MB(1GB)나 되는 엄청난 용량이 필요하다. 이러한 용량은, 실시간으로 읽어서 TV화면에 보여주기도 버겁다. 또한 이러한 용량은 방송 전파나 인터넷, 심지어 디스크에 담기에도 버겁다. 그래서 모든 디지털 영상은 압축을 할 수밖에 없다.

디지털 영상에 대한 압축 기법을 처음 도입한 것은, Video-CD(VCD)이다. 압축 코덱은 MPEG-1으로 처음 선을 보였는데, 해상도는 350x250정도였지만, 100배에 가까운 압축은 디지털영상의 혁명을 가져왔다. 특히 MPEG-1에서 사용된 음성 압축 기술은 mp3 탄생을 만들었고, MP3플레이어는 아이리버라는 세계적 MP3플레이어를 탄생시키며, 일본의 워크맨 신화를 일순간에 잠재웠다.

특히 MP3플레이어는 한국이 주도를 하였지만, 애플은 이것을 좀 더 발전시켜 아이팟(온라인 음악 재생기)을 만들어, 맥킨토시PC로 무너져가던 회사를 살려 냈다. 이후 애플은 아이팟을 발전시킨 아이폰을 만들어 세계적 스마트폰 회사로 발 돋음 하였다.

▶방송에 따른 압축 코덱 사용 현황
구분	아날로그 방송	디지털
		(VCD)	SD방송 (DVD)	HD방송 (블루레이)	UHD방송 (UHD 블루레이)
화질	350x250	350x250	720x480	1920x1080	3840x2160(4K)
					7680x4320(8K)
코덱	비 압축	MPEG-1	MPEG-2(SD)	MPEG-2(HD)	HEVC(H.265)
				AVC(H.264)	FVC(H.266/?)

MPEG-1은 2000년을 전후로, 50%정도 압축 효율이 향상된 MPEG-2로 업그레이드 하면서 해상도(SD/HD) 상승과 함께, 주로 HD방송에 적용이 되면서 승승장구를 하였다. 또한 DVD(SD)에도 적용이 되어 디지털 영상의 표준으로 자리를 잡았다. 하지만, 이후 인터넷 시장이 커지면서, MPEG-2의 압축 효율은 부담이 되었다.

그래서 등장한 것이 바로 AVC(H.264)이다. AVC(H.264)는, MPEG-2에 비해 50%의 압축 효율을 가져감으로 뒤늦게 디지털 영상에 뛰어든 유료방송과 인터넷에 접목이 되기 시작하였고, 2006년에 등장한 블루레이의 표준 코덱으로 사용이 되면서, 디지털 영상을 주도하기 시작하였다.

그럼 왜 지상파방송사들은, 압축 효율이 좋은 AVC(H.264)나, 최근의 HEVC(H.265)로 방송을 하지 못하는 것일까? 이유는 지상파 HD방송이 처음 실시되던 2000년에는 AVC(H.264)가 나오지 않았기 때문에 적용이 어려웠던 것이다. 그럼 이후에라도 바꾸면 좋겠지만, 방송 표준(코덱)은 한번 정하면 바꾸지 못하는 어려움이 있다.

만일 지상파방송사들이 코덱만 바꿀 수 있다면, 지금처럼 지상파 HD방송을 20Mbps(MPEG-2)로 송출하는 것을 AVC(H.264)를 적용하면 10Mbps, HEVC(H.265)를 적용하면, 5Mbps면 HD방송을 할 수 있다.

이렇게 낮은 압축 전송 비트레이트는, 수신율에도 엄청난 영향을 준다. 만일 지상파 HD방송을 HEVC(H.265)를 적용해서 3~5Mbps정도로 HD방송을 한다면, 지금과 같은 난시청 문제는 거의 해소가 될 것으로 보인다. DMB방송을 내장안테나로 볼 수 있는 이유는, 압축 전송 비트레이트가 1Mbps도 안되기 때문이다.

지상파방송사들이 HD방송에, AVC(H.264)나 HEVC(H.265)로 바꾸지 못하는 데는 방송표준의 문제도 있지만, 또 다른 이유는, 2010년 이전에 출시된 상당수의 HDTV에는 AVC(H.264) 압축 디코더가 없기 때문이다. 그래서 지상파 HD방송을 AVC(H.264)로 바꾸어 송출하면, 2010년 이전에 출시된 HDTV에서는 새로운 압축 코덱을 적용한 HD방송을 수신(시청)할 수 없다.

이처럼 압축 코덱은 상당히 중요한 의미를 가지고 있다. 해서 압축코덱으로 인해 TV가 무용지물이 되는 사례는 그동안 여러 차례 있었다. 가장 최근에는 2014년 이전에 출시된 삼성-LG 4K UHDTV다. 당시에는 많은 수량이 보급되지 않아, 크게 문제가 되지는 않았지만, 당시 4K UHDTV에 내장된 HEVC는 8bit용이었다.

헌데, 2014년에 케이블TV가 세계 최초로 4K UHD(10bit HEVC)방송을 실시하였는데, 당시에는 세톱박스가 없어서, 삼성-LG의 4K UHDTV에 내장된 "10bit HEVC+ATSC"를 이용해서, 케이블 UHD(4K)방송을 시청하였다.

하지만, 2014년에 이전에 65인치 4K UHDTV(8bit HEVC)를 천여만원에 구입한 프리미엄TV라 해도, 케이블TV의 10bit HEVC로 제작된 4K UHD방송 영상을 디코딩(재생)하지 못해, 모두 무용지물이 되거나, 추후 세톱박스로 시청해야 하는 일이 있었다.

TV나 재생기에 내장된 영상 압축 디코더는, 모두 HW방식의 디코더다. 즉, 10bit/4:2:0 HEVC 디코더는 컬러비트 하나만 올라가도 디코딩(재생)을 못한다. 심지어 4:2:2로 제작된 영상도 디코딩(재생)을 못한다.

가령 지금의 4K UHDTV(10bit HEVC내장)나 4K 미디어 플레이어(10bit HEVC내장)로는 12bit/4:2:0 또는 10bit/4:2:2, 10bit/4:4:4와 같은 영상은 디코딩(재생)을 하지 못한다.

이러한 현상은, HD영상도 마찬가지다. 가령 2017년에 구입한 최신의 삼성-LG 최고급 프리미엄 4K UHDTV라 해도, AVC(H.264), 10bit/4:2:0의 영상은 디코딩하지 못한다. 이유는, AVC(H.264) 압축 디코더가 10bit용은 들어가 있지 않기 때문이다. 그래서 10bit HEVC는 12bit HEVC영상을 디코딩 하지 못하고, 또한 4:2:2나 4:4:4의 영상을 디코딩 하지 못하는 것이다.

▶HEVC(H.265) Level & Version
Level		Version
해상도	프레임(fps=Hz)	컬러비트	샘플링
4K	30	8bit	4:2:0
또는	60	10bit	4:2:2
8K	120	12bit	4:4:4
*Level 5(4K@30Hz) *Level 5.1(4K@60Hz) *Level 5.2(4K@120Hz) *Level 6(8K@30Hz) *Level 6.1(8K@60Hz) *Level 6.2(8K@120Hz)		☞Version 1 *Main(8bit/4:2:0) *Main 10(10bit/4:2:0) ☞Version 2 *Main 12(12bit/4:2:0) *Main 4:2:2 10((10bit/4:2:2) *Main 4:2:2 12(12bit/4:2:2) *Main 4:4:4(8bit/4:4:4) *Main 4:4:4 10(10bit/4:4:4) *Main 4:4:4 12(2bit/4:4:4) *Main 4:4:4 16 Intra(16bit/4:4:4)

물론 PC처럼 SW디코딩을 사용하는 경우라면, SW적으로 코덱만 설치해 준다면, 12bit/4:2:0 또는 10bit/4:2:2, 10bit/4:4:4까지도 디코딩(재생)을 할 수 있다. 또한 SW디코딩은 8K HEVC 코덱만 설치하면, 8K UHD영상도 재생이 가능하다.

그렇지만, SW코덱의 단점은, 영상이 부드럽게 재생을 못한다는 것이다. 물론 SW코덱과 비디오카드의 코덱 가속기능을 잘 설정하면, 나름 부드럽게 재생은 되지만, 한계성은 있다.

이처럼 코덱으로 인한 혼란은, 8K UHD ‘TV+방송’에서 또다시 재현이 될 것으로 보인다. 현재 일본의 8K UHD방송은, 8K HEVC, 60fps, 10bit/4:2:0이다. 만일 2020년 이후부터 8K UHD영상이 12bit시대로 들어선다면, 10bit 8K HEVC를 사용한 8K UHDTV는 12bit 8K HEVC영상을 디코딩(재생)하지 못하는 문제가 생긴다

그래서 일본의 8K UHD방송은, 2021년쯤이면, 가장 화질이 뒤처지는 8K UIHD방송이 될 수도 있다. 특히 2021년쯤이면, 8K HEVC보다 암축 효율이 50%이상 향상된 FVC(H.266/?) 압축 코덱이 상용화 될 것으로 보여, 일본의 8K UHD방송은 심각한 호환성 문제까지 가져갈 수 있다.

이상에서 살펴본 것처럼 TV나 방송, 특히 디지털영상에서 가장 핵심이 되는 것이 바로 압축 코덱이라는 것을 우리는 알았다. 아무리 카메라가 우수하고, TV용 패널이 우수하다 해도, 영상을 압축/복원하는 코덱이 그에 맞게 발전하지 못한다면, 모두 공영불이라는 것이다.

2018년 하반기면, 우리는 이제 본격적인 8K UHDTV시대에 접어든다. 그 8K UHDTV의 시작은, "HDMI 2.1(기본)+8K HEVC(수신기)"를 장착한 Ver.1의 8K UHDTV가 될 것이고, 그 다음은 가격과 소비전력 싸움이 될 것이다.

그리고 2021년부터는, "HDMI 2.1(DSC)+8K FVC(수신기)"를 장착하고, 12bit영상을 온전하게 처리하는 Ver.2의 8K UHDTV가 차세대TV시장을 주도할 것으로 보인다. 코덱에 따라 8K UHDTV도 달라지기 때문에, 2중적 TV구입을 하지 않으려면, 코덱의 변화를 예의 주시할 필요가 있다.

▶8K UHDTV 상용화 시작(예상)
세대(시기)		Ver.1(2018년~)	Ver.2(2021년~)
영상	압축코덱	HEVC(H.265) 4K/8K	FVC(H.266/?) 8K(VR)/12K/16K
	컬러	10bit	10/12/16bit
	프레임	60fps	60/120fps
	HDR	PQ방식(4~5종) /HLG(방송)	HDMI 2.1 동적HDR(PQ통합) /HLG(방송)
	권장 압축 비트레이트	방송:85Mbps	방송:55Mbps 8K BD:150Mbps
오디오		10.2ch~22.2ch	10.2ch~22.2ch
HDMI		HDMI 2.1(기본) 48Gbps	HDMI 2.1a/b (DSC v1.2a/압축) 144Gbps
		8K@60fps, 10bit/4:2:0	8K@120fps, 12bit/4:2:2 10K@120fps, 12bit/4:2:0
※FVC(H.266/?)가 HEVC보다 압축효율이 50%정도 향상이 되어, 2021년에 사용화가 가능하다는 전제로 예상해본 것임. ※실제 상용화 되는, FVC(H.266/?) 인코더/디코더는, 8K 60/120fps, 10/12bit, 4:2:0을 주로 압축 복원을 할 수 있을 것으로 보인다. 또한 FVC(H.266/?)는, 8K HEVC 60fps 10bit/4:2:0과 4K HEVC 30/60fps 8/10bit 4:2"0의 영상과 HD급(H.264/MPEG-2) 영상도 디코딩이 가능 할 것으로 보인다.

[전수현]

오늘도 배워갑니다. 감사합니다.

[강재혁]

쉬운 강의, 득템하고 갑니다.

[임방은]

샘플링도 쉽게 설명한글 없나요?

[이군배]

지난달 실시한 카페 AV특강에 참여를 하셨으면, 쉽게 이해를 하셨을 것 같은데... 샘플링이 간단히 말하면, 디테일감인데, 이걸 특강을 통해 설명하면 어렵지 않은데, 글로 설명하려면, 상당한 시간과 공이 들어 갑니다. 3월 10일(토) 오후3시, 용산 카페 사무소에 4K 프로젝터 시연회가 있을 예정인데, 그때 오시면, 쉽게 설명을 해 드리겠습니다.

[허앙]

훌륭한 강의 감사합니다

[제영만()]

언제나 좋은 정보 감사합니다.

[정희호]

알짜배기 정보를 배우는 기회에 감사드립니다-

[양성욱(성우기)]

좋은 정보 감사합니다. 많이 배웠습니다.