Special Theme 실감융합미디어 Special Report 3 UHDTV 기술및표준화현황 조숙희차세대방송표준포럼 UHDTV WG 의장 ETRI 방통융합미디어연구부책임연구원전동산 ETRI 방통융합미디어연구부선임연구원최진수 ETRI 방통융합미디어연구부실감미디어연구팀장 1. 머리말디지털기술및통신기술의발전으로방송, 영화뿐만아니라인터넷및개인미디어등의다양한영역에서오디오 비디오중심의멀티미디어콘텐츠보급및수요가급속도로확대되고있다. 나아가방송및영화를통하여입체감을제공하는 3DTV/3D 영화가보편화되면서사실감과현장감을제공하는실감미디어에대한소비자요구가증가되고, 디스플레이기술의발전과더불어가정에서의 TV 화면이대형화됨에따라 HD급이상의고화질에실감나는콘텐츠를즐기고자하는소비가가증가할것으로예상된다. 우리나라는 2012 년말아날로그 TV 방송을종료하고디지털 TV 방송으로의전환을추진하고있다. 이에따라 Post-HDTV 시장을대비하여 3DTV 와더불어 UHDTV(Ultra High Definition TV) 와같은실감방송이차세대방송서비스로관심을받고있다. 세계주요국가들은이미 HDTV 이후의방송서비스를위한준비작업들을진행하고있으며, 특히 UHDTV 방송서비스에대한논의가증가되고있는추세이다. 따라서본고에서는현재진행되고있는 UHDTV 방송에대한국내외기술개발및표준화현황을살펴본다. 2. UHDTV 개요 UHDTV 는 HD급대비 4에서 16 배해상도의비디오와 10 채널이상의다채널오디오로극사실적인 (highly realistic) 초고품질 AV 방송서비스를통하여소비자의품질욕구를만족시킬수있는방송서비스를목표로하고있다. DTV 보급확산으로 DTV 가격이점차하락되고있으며, 이와더불어화면크기도점점커지는추세이다. 인간의시각분해능특성은디스플레이크기에비례하므로, 기존의 HD 해상도로는 60인치이상의대형디스플레이에서화질이떨어지는문제가발생하게되고, HD 해상도보다고해상도의 UHD 서비스가필요로하게된다. 일반적인가정의거실환경의경우를예를들면, 시청거리가 2.5m 에서 63인치에서 132 인치디스플레이의경우 4K(3840x2160) 급고해상도가필요하며, 그이상의경우는 8K(7680x2160) 급의고해상도가필요하다. UHDTV 는무엇보다도 HDTV 의 4배에서 16 배의화 TTA Journal Vol.140 049
소수, 비트심도 (bit depth) 10~12bit 로색을표현하며, 컬러포맷 4:2:2 이상으로큰화면에서더욱섬세하고자연스러운영상의표현이가능하다. 또한동일디스플레이크기에서는물리적인화소의크기가더욱작아지게됨으로써시청거리가짧아져도화소간격 (pixel pitch) 을인지할수없게되며, 100 도의시야각으로실제감을최대화한다. 오디오에있어서는 10 채널이상을사용하여, 수평및수직에서의서라운드효과로어느방향에서나실제현장에서와같은음향을제공받게되어, HDTV 보다도시청각적으로더욱좋아진화질과풍부한음질을통해고급의 AV 시청을가능하게한다. < 표 1> 은 ITU-R 및 SMPTE 표준에정의되어있는 UHDTV 와기존 HDTV 의신호규격을비교한것이다. 4K-UHDTV 의경우는 3840x2160, 8K-UHDTV 는 7680x4320 으로정의되어있으며, 나머지비트심도, 컬로포맷, 초당프레임수등은다양한값을포함하도록정의되어있다. 따라서 UHDTV 는 HDTV 에비해 4배또는 16 배큰해상도로구성되지만, 실제샘플링형식, 화소당비트수및화면주사율의변화에따라비디오데이터량은 HDTV 에비해최소 4배에서최대 96배클수있다. < 표 1> 8K-UHDTV 와 HDTV 의주요특징비교 구분 UHDTV 4K 8K HDTV 화면당화소수 3,840x2,160(4K) 7,680x4,320(8K) 1,920x1,080(2K) 화면주사율 60Hz 30Hz 화소당비트수 24, 30, 36bits 24bits 샘플링형식 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 4:2:0 가로세로화면비 16:9 16:9 오디오채널수 10.1~22.2 5.1 표준수평시야각 55 100 30 표준시청거리 1.5* 화면높이 0.75* 화면높이 0.75* 화면높이 UHDTV 오디오신호는일반적으로 10 채널이상의다채널오디오로정의하고있으며, 일본 NHK에서는극장과같은넓은공간에서는 [ 그림 1] 과같이스피커를설치하고, 가정에서는스피커 1개에상단, 중단, 하단, 3 Audience 개의계층구조로구성하여 22.2 채널의오디오를제공 할수있도록하고있다 [2]. 3. UHDTV 주요기술소개및현황 콘텐츠제작, 부호화및전송, 수신및재생을거쳐시 청자에게 UHDTV 서비스하기위하여필요한관련기술 분야를 [ 그림 2] 와같이획득, 편집, 부호화, 전송, 단말 및디스플레이기술로분류하고 UHDTV 주요기술개 발현황을소개한다. 3.1 UHD 미디어획득및편집기술 UHD 비디오획득은일본 NHK 가카메라촬상소자 및카메라를중심으로 2000 년대초반부터연구를수 행하기시작하여 2007 년에 3,300 만화소의 CMOS 촬 상소자를개발하였고, 2008 년에 3,300 만화소의비 디오를촬영할수있는 8K 급 UHD 카메라를시제품 으로개발하였다. 그후카메라경량화에노력을기 울여약 20kg 의카메라헤드를개발하여 2010 년 IBC(International Broadcasting Convention) 전시회 에서발표하였다 [1]. LFE Screen [ 그림 1] UHDTV 오디오 22.2 채널구성도 Upper layer 9 channels Middle layer 10 channels Lower layer 3 channels LEF 2 channels 4K 급카메라로는 DALSA 사의 origin, RED digital 사의 RedOne, JVC 사의 JVC 4K, 캐논의 4K Concept, 올림푸 스 Octavision 등이이미판매되고있으며, 주로 Digital Cinema 에서영화제작에사용되고있다. 국내 KBS 에서 도 2010 년초반에드라마 추노 를 RedOne 카메라로촬 050 03/04 2012
* 표준화대상기술 획득 편집 부호화 전송 단말 디스플레이 비디오획득기술 비압축저장기술 비디오압축기술 채널부호화기술 수신기술 비디오재현기술 활상소자 실시간대용향저장 고압축알고리즘 * DCATV/DTV/ 위성 /IPTV* 전달매체별복조 LCD 패널및구동 렌즈실시간영상처리 비압축 AV 동기제어 스케일러블부호화 * - 실기간부호화 변조기술 전달매체별채널등화전달매체별채널복호 PDP패널및구동프로젝터소자및구동 오디오획득시술마이크어레이실시간오디오처리 비선형편집기술영상편집 / 재생오디오편집 / 재생 오디오압축기술다채널 / 다계층부호화 * 실시간부호화다중화기술다중화포맷 * 실시간다중화 DCATV/DTV/ 위성 * 프로토콜기술 MAC 프로토콜 * 미디어복호기술실시간역다중화실기간비디오복호화실시간오디오복호화압축저장기술기록매체 ( 광 / 자기 )* 초고속 Read/Write제어 화질개선엔진오디오재현기술오디오신호처리라우드스피커구조 / 배치 패키지파일포맷 * UHD 인터페이스 비압축 AV 인터페이스기술 광전송인터페이스 * 전기신호인터페이스 * [ 그림 2] UHDTV 요소기술분류 영하여보다선명한영상제공을시도한바있다. 술이요구된다. 이에따라 UHD 비디오와같이대용량 의비디오데이터를고효율로부호화하는차세대비디 3.2 UHD 미디어부호화및전송기술현재최신의비디오부호화기술인 H.264 AVC 의표준은 4K(3,840x2,160) 해상도의 YUV 4:2:0/4:2:2/4:4:4, 8~10bits, 30fps 의비디오규격을부호화할수있는프로파일과레벨이정의되어있지만, 현재출시되고있는 H.264/AVC 기반실시간부호화기제품들은최대 Full HD급비디오 (1,920x1,080, YUV4:2:0, 8bits, 30fps) 까지의부호화를지원하고있다. 이들부호화기들은약 1/100 정도부호화율에서일반적으로우수한화질을제공하고있다. 그러나 HD 비디오의데이터량에비해 16 배에서 96배에달하는 8K-UHD 비디오를기존 H.264 AVC 를이용하여압축할경우, 약 123~686Mbps 로여전히대용량의데이터이므로 UHDTV 방송서비스를실현하기위해서는보다높은압축률의부호화기 오부호화기술연구는삼성전자, LG전자, SKT, ETRI 및국내대학등을중심으로활발히진행되고있다. 또한관련국제표준화가 JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding) 에서 H.264 AVC 대비약 2배의압축률달성을목표로비디오부호화표준화가진행중에있다. 일본 NHK에서는 12Gbps의데이터량을갖는 8K-UHD 비디오 (7,680X4,320, YUV4:2:0, 8bits, 30fps) 를실시간으로부복호화하기위하여 MPEG-2 및 AVC 부호화기술기반으로 16 대및 8대의인코더를병렬로처리하여약 120Mbps 로압축할수있는코덱시스템을개발하였고, 최근에는 H.264 AVC 기술을확장하여약 72Mbps 로압축할수있는코덱시스템을개발하였다. 현재 H/W 성능을감안하면당분간 8K-UHD 비디오의단일코덱에의한실시간부복호화는어려울것으로예 TTA Journal Vol.140 051
상되므로, 병렬코덱구조를염두에둔 UHD 부호화시스템개발의접근도고려해야할것으로판단된다. 비디오신호를 100배로압축하여전송할경우에 4K-UHDTV 비디오는약 30Mbps~180Mbps, 8K-UHDTV 비디오는약 120Mbps~720Mbps 의전송대역폭이요구된다. 여기에다채널오디오신호와데이터까지포함하면더높은전송대역폭이필요하게된다. 그러나현재서비스되고있는방송시스템에서의전송대역을살펴보면, 케이블방송과지상파방송이 6MHz 단위의물리계층의한채널을기준으로각각약 38Mbps 와 19Mbps 정도이다. 위성방송의경우는물리계층의한채널의대역폭에따라가변적이다. 또한 IP를기반으로하는 FTTH 망에서는최대 1Gbps 전송이가능하나공유매체이므로 UHDTV 서비스외에다른서비스의이용이많아지면 UHDTV 서비스를위한전송대역은감소할수있다. 최근에 HFC 망기반의케이블방송에서는대용량의데이터전송을위하여채널결합기법을이용하여 FTTH 에버금가는 1Gbps 의전송속도를지원할수있다. 그러나지상파방송에서는방송국마다 6MHz 단위의한채널만사용하므로채널결합기법을도입하기어려운단점이있다. 따라서자원이한정된방송통신망의매체들을이용하여대용량데이터를효율적으로전송하기위해서는매체별로고효율대용량전송방식에대한기술개발이필수적이다. 일본 NHK는위성뿐만아니라케이블및지상파를통한방송서비스를위한관련연구를수행하고있으며, 2020 년에는위성을통한 8K-UHDTV 실험방송을목표로관련기술을개발하고있다. 국내에서도방송통신위원회는 2013 년 4K-UHDTV 를위성을통한실험방송을계획하고관련연구를수행하고있다. 3.3 UHDTV 단말 (STB) 및디스플레이기술디스플레이기술은 4K-UHD 디스플레이는기술개발이완료되어상용제품들이출시되고있으나, 8K-UHD 디스플레이개발은 NHK에서프로젝터타입의시제품이개발된수준이다. 4K-UHD 비디오디스플레이로서아스트로디자인사에서 2009 년에화소당비트수가 10bit 인신호를재생하는 4K 모니터를출시하였으며, 에이조는수술실용 4K 모니터를 2009 년에출시하였다. 그외에도소니, 티비로직등에서 4K 모니터제품을출시하였다. 삼성전자는 2008 년 CES 에서 82인치 4K UHD LCD 디스플레이를공개한이후지속적으로기술개발을하고있는중이며, 2010 년 11 월세계최초로산화물반도체 (Oxide Semiconductor) 를이용한 70인치 240Hz 지원 4K-LCD 패널을개발하였다. LG디스플레이는 2010 년 CES 에서 84인치 4K LCD 디스플레이를전시하고, 2012 년하반기상용제품출시를계획하고있다. 초기 4K-UHD 디스플레이구현과마찬가지로이음부분이표시나지않게여러대의패널을연결하는방식으로 8K-UHD 디스플레이를구현하는것은시간적인문제일것이다. 다만일반가정용일경우이와같은구성은크기나무게등의측면에서부적합할것으로판단된다. 가벼운소재를사용하고, 실제가정환경에적합한크기의디스플레이, 플렉시블디스플레이활용등미래의주거환경을검토하여적정크기로의개발이필요할것이다. 4. UHDTV 표준화현황 UHDTV 기술관련표준화는 AV 신호규격에대해서만일부표준이제정된상태이며, 각요소기술에대한본격적인표준화는 UHDTV 기술개발이활성화되는단계에서진행될것으로예상된다. 본장에서는신호규격, 부호화및전송기술에있어서 UHDTV 와관련된국내외표준화현황에대하여살펴본다. 4.1 국제표준화현황 4.1.1 UHDTV AV 신호규격 052 03/04 2012
UHD 비디오신호규격과관련한주요표준은 ITU- RT.1769[3] 와 SMPTE2036-1[4] 이있다. ITU-R BT.1769 는 2006 년에 LSDI(Large Screen Digital Imagery) 라는 용어로 < 표 2> 에나타낸바와같이 4K 및 8K UHD 비 디오에대한신호규격을권고하고있다. 파라미터 SMPTE2036-1 은 4K-UHDTV 및 8K-UHDTV 를각 각 UHDTV1 과 UHDTV2 라는용어로신호규격을정의 하고있으며, ITU-R BT.1769 에서의신호규격과동일하 다. 2007 년도에승인된표준에는 50Hz, 59.94Hz, 60Hz 의프레임율만을포함하고있으나, 2009 년에 ITU-R BT.1769 에정의되어있는모든화면주사율을포함하도 록수정하여표준을개정하였다. UHDTV 오디오신호규격표준으로는 SMPTE 2036-2[5] 가 2008 년에승인되었으며, 주요내용은 22.1 채널에샘플링주파수를 96kHz, 샘플당최대 24 비트까 지지원한다. < 표 2> ITU-R BT.1769 에정의된신호규격 3,840x2,160 LSDI 시스템 가로세로화면비 16:9 4.1.2 UHDTV AV 부호화및전송기술 ISO/IEC MPEG 에서 2008 년 7 월 HD 이상의해상 도를주대상으로하는새로운비디오부호화기술의 표준화에대한논의가시작되어 2009 년말에 MPEG Video 서브그룹과 ITU-T 의 VCEG 은공동으로 JCT-VC 를결성하여차세대비디오부호화기술인 HEVC(High Efficiency Video Coding) 기술의표준화가진행중에 있으며, 현재 CD(Committee Draft) 가완료된상태이며, 2013 년 1 월에 FDIS(Final Draft Intentional Standard) 값 7,680x4,320 LSDI 시스템 라인당샘플 3,840 7,680 화면당액티브라인 2,160 4,320 샘플링형식 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4 화면주사율 (Hz) 23.97, 24, 25, 29.97, 30, 50, 59.94, 60 화소당비트수 10, 12 를목표로하고있으며, HHI, 노키아, MS, 퀄컴, 삼성, LG, ETRI 등국내외많은기관들이참여하고있다. 전송관련표준화동향으로는미국의디지털케이블전송규격에서는 ITU-T J.83 Annex B, 64/256QAM 단일반송파방식및 6MHz 대역을기반으로하여전송효율을높이기위하여 1024QAM 이제안되었고광대역서비스를위한대용량데이터전송의필요성에의해채널결합방식이도입되면서다양한변화가능성을보여주고있다. 유럽의디지털케이블전송규격에서는 ITU-T J.83 Annex A, 16/32/64/128/256 QAM 단일반송파방식및 8 MHz 대역을기반으로하고있다 [6][7]. 케이블모뎀규격에서는광대역데이터전송을위한채널결합기법이이미표준화가완료되었다. DVB-S2 규격은 80MHz 대역에서최대 155Mbps 급전송이가능하나, 일반적인무선전송채널환경에서이와같은데이터전송이나오기어렵고, 8K급에서요구하는 200Mbps 급이실현되기위해서는 2채널결합이필요하다 [8]. 4.2 국내표준화현황국내에서는차세대방송포럼 3DTV 분과위원회산하 UHDTV WG(Working Group) 에서 UHDTV 영상신호규격안을 TTA 에제출하여 2010 년에국내 UHDTV 영상신호표준이제정되었다. 국내표준에서는 8K-UHDTV 에앞서 4K-UHDTV 서비스가우선적으로이루어질것으로고려하여 SMPTE 및 ITU-R 의신호규격과는달리화소당비트수에있어 8비트를포함시켰다. 이는 UHDTV 시청환경및주관적화질평가와관련한선행연구결과에서영상에따라서 4K-UHDTV 에서는 8비트영상과 10 비트영상의색감차이가미미하다는실험결과에근거하였다 [9]. 또한차세대방송포럼 3DTV 분과위원회차세대오디오 WG에서는 UHDTV 오디오신호규격에대한국내표준안을마련하여 2011 년국내표준을제정하였다. 또한차세대방송포럼에서는지상파 / 케이블 / 위성등방송매체별 UHDTV 서비스시나리 TTA Journal Vol.140 053
오및요구사항에대하여산학연관련전문가들이모여논의를진행해오고있다. 또한 TTA 방송기술위원회산하지상파 / 케이블 / 위성방송프로젝트그룹에서도국내 UHDTV 방송서비스를위한송수신정합규격정의에대한논의를이제막시작하려는단계에있다. 5. 맺음말 UHDTV 는 3DTV 와는달리입체감이아닌대화면에서초고화질비디오와다채널오디오로사실감과현장감을제공하고자하는방송서비스로, 3DTV 와더불어차세대실감방송서비스의한축으로발전할것으로예상된다. 따라서 UHDTV 관련기술개발뿐만아니라실제방송서비스도입에필요한현안사항이함께검토되어, 기술개발이완료되는시점에서 UHDTV 서비스가원활히도입될수있기를기대한다. 참고문헌 [1] K. Arai, et al., Newly developed UHDTV camera system, The Best of IET and IBC, Vol.2, pp.19-24, 2010 [2] http://www.nhk.or.jp/strl/open2008/english/index.html [3] Recommendation ITU-R BT.1769, Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange, 2006 [4] SMPTE, Ultra High Definition Television - Image Parameter Values for Program Production, SMPTE 2036-1, 2009 [5] SMPTE, Ultra High Definition Television - Audio Characteristics and Audio Channel Mapping for Program Production, SMPTE 2036-2, 2008 [6] Bruce Currivan, Submission Form for DOCSIS 3.0: The Broadcom proposal for 1024QAM downstream, Dec. 2004. [7] ITU-T Recommendation J.83, Series J: Transmission of Television, Sound Programme and Other Multimedia Signals: Digital multi-programme systems for television sound and data services for cable distribution, April 1997. [8] ETSI TM 2860r1, Digital Video Broadcasting(DVB) : 2nd Generation Framing Structure, Channel Coding and Modulation System for Broadcasting, Interactive service, New Gathering and Other Broadband Satellite Applications, DVBS2-74r8 [9] 박인경외 4명, 4K-UHD 비디오시청환경특성분석을위한주관적화질평가분석, 방송공학회논문지, 제15 권, 제4호, pp.563-581, 2010 054 03/04 2012