26 특집 : 차세대방송미디어기술및서비스 특집 차세대방송미디어기술및서비스 지상파 8K UHD 방송 통신융합서비스기술 송슬기, 백종호 *, 권기원 / 전자부품연구원, * 서울여자대학교 요약본고에서는지상파 8K UHD 방송 통신융합서비스기술을소개한다. 8K UHD 서비스를위한최근동향을살펴보고지상파방송에서도 8K UHD 서비스할수있도록제안된방송 통신융합시스템을소개하고자한다. 방송망과통신망에서동시에전송할수있는 MMT(MPEG Media Transport) 기술과차세대비디오코덱인 SHVC(Scalable High-efficiency Coding) 기술을살펴본다. 그리고이기술들이적용된 8K 방송 통신융합송수신시스템과서비스기술을소개하고향후지상파방송의새로운방송서비스로방송 통신융합서비스의가능성을제시하며마무리짓는다. Ⅰ. 서론 현재국내방송은아날로그방송이종료되어디지털방송이본격화되고 TV 수신기의성능이향상됨에따라시청자들은보다나은고품질및고화질의방송서비스를요구하기시작했다. 이에 2017 년 5월을기점으로수도권부터지상파방송사를통해 UHD 본방송을개시하였다. 초고화질의 UHD 방송은생생한현장감을전달하기위해초고화질비디오와 22.2 다중채널오디오를제공함으로써시청자들의니즈를충족시킬수있는차세대방송서비스이다. UHD는기존 HD(1920x1080) 의 4배의화소를갖는 4K UHD(3840x2160) 와 16배의화소를갖는 8K UHD(7640x4320) 를지원한다. 또한픽셀당 10~12bit 의색을표현할수있으며, 4:2:2 이상의컬러포맷으로보다섬세하고자연스러운영상을표현한다. 이는기존 HD 방송보다선명하고색채로운화질의고품질영상서비스제공을가능하게한다 [1]. 일본은기존 2020 년도쿄올림픽을기준으로 8K 방송도입일정을앞당겨 2018 년러시아월드컵등의행사부터본방송을개시할예정이다. 이를위해 26 방송과미디어제 23 권 1 호
지상파 8K UHD 방송 통신융합서비스기술 27 4K UHD와 8K UHD 실험방송을실시하였다. 8K 콘텐츠는 60fps 의프레임속도와 10bit 의트루칼라를제공하며, 4:2:0 으로샘플링하였다. 8K의콘텐츠크기가커서 HEVC(High Efficiency Video Coding) 로압축하여위성방송방식을통해 80-90Mbps 의비트율로전송중이다 [2]. 한편국내에서도 8K UHD 위성방송을준비하고있다. KT스카이라이프가 2018년 2월평창올림픽기간에 8K UHD 실험방송을실시한다고발표했다. IPTV 와케이블TV 또한 8K UHD를개시하기위해준비중이다. 하지만지상파는 8K UHD를송출하기에는아직까지많은어려움이존재한다. 먼저지상파방송으로 8K UHD 콘텐츠를송출하기위해서는기존채널을전환하거나신규주파수를다시배정받아야한다. 그리고현재 HD 방송과 4K UHD 방송을송출중이기때문에 8K UHD를동시에송출하기는어려운상황이다. 일본역시지상파의경우, UHD 기술방식이나도입시점은미확정상태이다. 지상파방송으로 8K UHD를송출하기에는주파수문제와전송문제로발생하는기술적이슈들을해결해야한다. 이를위해효율적인영상 / 음향압축방식과전송방식에대한보다심도있는연구개발이필요하다. NHK의지상파 UHD 서비스는대화면의고정수신과소화면의이동단말을동시에지원하며통신망과의조화된서비스를제공하는시나리오를제시하였다 [3]. 이를위해고정단말과이동단말을동시에수신하기위한계층적전송방식과통신망과의연동을위해 MMT를이용한 seamless 서비스를제공하는기술을개발중이다. 본고에서는국내에서개발된 MMT 기술과 SHVC 기술을활용한 8K 방송 통신융합서비스기술을소개하고자한다. 본론에서는방송 통신융합서비스를제공하기위한기술들을설명하고, 이를적용한융합방송시스 템에대해소개한다. 결론에서는추후개발되어야할내용을제시한다. Ⅱ. 본론 1. 8K 비디오압축기술현재 NHK의 8K 실험방송에서사용중인영상압축기술은 HEVC 이다. HEVC 는 UHDTV 방송시대를대비할수있는차세대기술로서이전의영상압축기법인 H.264 와비교해최대 50% 의압축률을보인다. 또한초고해상도및초고화질에대응하기위해넓은범위의해상도와색깊이, 무손실코덱, SHVC 기법등다양하게고려한영상압축기술이다 [4]. 이중 SHVC 기법은다양해진사용자단말 (TV, PC, 태블릿 PC, 스마트폰등 ) 에대응하기위한기법으로, 하나의비디오영상을다양한해상도 / 프레임율 / 화질등을지원하도록계층적방식으로부호화함으로써각소비자단말에적합한영상을복호화하는방식이다. < 그림 1> 은 SHVC 압축기법을설명한그림이다. 8K UHD 비디오영상을 SHVC 기법으로압축하면세개의레이어로나뉘어진비디오데이터를얻을수있다. Layer 1은기본계층비디오데이터로 SHVC 복호화를통해 HD 영상을재생할수있다. 4K UHD와 8K UHD 영상을재생하기위해서는, 해당계층의비디오데이터와하위계층의비디오계층을모두취합하여 SHVC 복호화를수행해야한다. 이러한 SHVC 기법을통해사용자의단말과수신환경에맞는영상이재생가능하다. 또한 8K UHD와같이용량이큰데이터를방송망이아닌통신망을통해전송하면방송망과통신 2018 년 1 월 27
28 특집 : 차세대방송미디어기술및서비스 < 그림 1> SHVC 기술응용서비스개념도 망이융합된환경에서도충분히전송가능하다. 2. 8K 방송전송기술국내에서는차세대방송기술을위한표준으로 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 3.0방식이채택되었다. ATSC 3.0은미국방송표준기구인 미국디지털방송표준위원회 에상정된 UHD 표준으로물리계층부터응용계층까지를규정하고있다. 주요특징으로는초고해상도 (4K UHD, 8K UHD), 3D, 실감형오디오를지원하는고품질실감형서비스와방송망과인터넷망을동시에활용하여방송콘텐츠를전달할수있는하이브리드서비스이다. 하이브리드서비스를위해방송망에서는 MPU(Media Processing Unit) 를전송하는 MMTP(MMT Protocol) 라는전송프로토콜과 DASH Segment 및 NRT 파일을전송하는 ROUTE/DASH 전송프로토콜두가지방식을정의한다. 또한통신망에서는 DASH segment 및 NRT 파일들이 HTTP 프로토콜방식으로사용된다. ATSC 3.0 표준에서방송망으로사용되는 MMT 는망에관계없이콘텐츠를전송할수있도록 MPEG(Moving Picture Experts Group) 에서멀티미디어전송표준으로제안하였다 [5]. MMT는부호화된미디어콘텐츠를독립적으로소비가가능한논리적인구조로 ISO-BMFF(ISO-Based Media File Format) 기반의 MPU를정의한다. 전송시에 MPU 크기가과도하게클경우, 두개이상의 MFU (Media Fragment Unit) 단위로분리할수있다. MMT는 MPU 단위의미디어데이터를 IP 환경에서전송가능하도록응용계층전송프로토콜인 < 그림 2> MPU 구조와 MMTP 페이로드구조의관계 28 방송과미디어제 23 권 1 호
지상파 8K UHD 방송 통신융합서비스기술 29 MMTP 와페이로드포맷을정의한다. < 그림 2> 는 MPU 단위의미디어데이터를 MMTP 로패킷화할때페이로드구조를나타낸다. MPU에서헤더정보에해당하는 ftyp, mmpu, moov 등의정보는 MMPU metadata, Fragment metadata 로구성되며페이로드에해당하는 mdat 정보는 MFU로구성된다. 이렇게구성된 MPU 패킷은 MMTP 로패킷화되어전송된다. MMT는다양한형태의데이터전송에적합하도록멀티미디어콘텐츠를구성하기위해 MMT 패키지를정의한다. MMT 패키지는방송콘텐츠로구성된비디오, 오디오, 자막등이에셋 (Asset) 으로정의되며, 하나이상의화면구성정보와전송특성정보가포함된다. MMT는이기종망을기반으로데이터를전송하기때문에같은패키지에속한에셋이라도서로다른전송특성을가질수있다. 이러한 MMT 전송프로토콜은방송망과통신망을결합한융합방송을제공하기에다양한이점을가질수있다. 3. 지상파8K 방송 통신융합전송서비스 8K 방송 통신융합전송서비스는 < 그림 3> 을통해설명할수있다. 우선 8K UHD 콘텐츠는영역별로 4개의 4K 콘텐츠로분할한다. 각영역은 SHVC 를통해 3개의계층 (FULL HD, 4K UHD, 8K UHD) 으로부호화된다. 영역별계층별로나누어진 8K 비디오콘텐츠의스트림은총 12개의비디오스트림으로나누어져에셋의형태로독립적으로처리된다. 방송망을통해 FHD 계층의스트림과 4K UHD 계층의비디오스트림이전송되며, 8K UHD 비디오스트림은통신망을통해전송된다. 먼저, 방송망을통해전송되는비디오스트림은 MMTP 생성기를통해 MPU로캡슐화되며, MMTP 스트림으로생성된다. 생성된 MMTP 스트림은신호발생기를통해 ATSC 3.0 과같은방송표준에따라 RF 신호로생성되어송출된다. HTTP 스트리밍서버는 8K UHD 계층의비디오스트림을저장하고있으며, 사 3 Layer qhd : 960 540 FHD : 1920 1080 UHD : 3840 2160 Audio FHD : (SD 4) 1,920 1,080 4K UHD : (FHD 4) 3,840 2,160 8K UHD : (4K UHD 4) 7,680 4,320 < 그림 3> 지상파 8k 방송. 통신융합서비스개념도 2018 년 1 월 29
30 특집 : 차세대방송미디어기술및서비스 용자의요청에따라 8K UHD 스트림을전송한다. 사용자는각각의수신기에연결된디스플레이의적절한해상도의스트림을수신하기때문에복호화기및디스플레이장치의성능에따라콘텐츠를시청할수있다. FHD와 4K UHD 등의디스플레이장치를가진사용자는방송망을통해전달받은계층별 MMTP 스트림을수신하여재생한다. 8K UHD 수신기를가진사용자는방송망을통해 4K UHD 해상도의계층까지수신받으며, 광대역네트워크를통해 8K UHD 계층을요청하고수신받아재생한다. 4. 지상파 8K 방송 통신융합수신기술 8K 방송 통신융합전송시스템에서의수신기구조와동작과정은 < 그림 4> 와같다. 먼저방송 통신융합수신기는방송망과통신망을받을수있는각 RF 수신기와 HTTP 수신기를포함한다 [6]. 방송망을통해전달받은 RF 신호는다중채널을역다중화한다. 그중 MMTP 패킷을분석하여 FHD와 4K UHD 계층의비디오스트림을추출하여미디어프로세서로전달된다. HTTP 서버를통해전달받은 < 그림 4> 8K 방송 통신융합수신기구조도 8K UHD 계층의비디오스트림은미디어프로세서로전달되며, 미디어프로세서는모든계층의비디오스트림이동기화가이루어지고복호화기를통해재생된다. 제시된 8K 방송 통신융합시스템은 < 그림 5> 와같이구현될수있다. MMT 생성기를통해계층별비디오스트림이방송망과통신망을통해전송되고 4K UHD 디스플레이 4개가연결된 8K UHD 수신기를통해재생될수있음을확인할수있다. < 그림 6> 은지상파 8K 방송 통신융합서비스가구현됨을볼수있다. < 그림 6> 에서 8K UHD 수신기는 1개의 4K UHDTV 와 3개의 4K UHD모니터로연결해보여줌으로써, 8K UHD 콘텐츠의선명함을보여주었다. (a) Transmission system (b) Reception system < 그림 5> 8K 방송 통신융합시스템 30 방송과미디어제 23 권 1 호
지상파 8K UHD 방송 통신융합서비스기술 31 < 그림 6> 지상파 8K 방송 통신융합서비스 Ⅲ. 결론 본고에서는방송과통신기반의융합형방송서비스기술을소개하였다. 융합방송을전송하기에적합한전송프로토콜인 MMT와하나의영상데이터를계층적으로압축하는기술인 SHVC을제 시하였다. 그리고이러한요소기술들을이용한방송 통신융합전송송수신시스템과서비스기술을제시하고설명하였다. 추후 ATSC3.0 기술이적용된방송장비와호환되도록추가적인연구개발이수행되어야할것으로여겨진다. 참고문헌 참고문헌 [1] 고영민, 권기원, 백종호, 송형규, 8K UHDTV 동향과서비스를위한 Dual-Polarized MIMO 기술, 한국통신학회지, Vol.33, No.7, pp.10-17, June 2016. [2] Y. Sohn, M. Cho, and J. Paik, Design of 8K Broadcasting System based on MMT over Heterogeneous Networks KSII Transactions on Internet and Information Systems, Vol. 11, No.8, pp.4077-4091, August, 2017. [3] 전병우, 김용한, 박재홍, 호요성, 2017 NHK Open House 참관기, 한국방송미디어공학회학회지, Vol.22, No.3, pp.86-122, July 2017. [4] ISO/IEC 23008-2, Information technology - High efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments - Part2 : High efficiency video coding, 2015. [5] ISO/IEC 23008-1, Information technology - High efficiency coding and media delivery in heterogeneous environments - Part1 : MPEG media transport(mmt), 2014. [6] 송슬기, 방정호, 백종호, MMT 기반계층부호화된 UHD 콘텐츠의안정적인수신을위한수신버퍼모델설계및구현, Vol. 22, No. 5, September 2017. 2018 년 1 월 31
32 특집 : 차세대방송미디어기술및서비스 필자소개 송슬기 - 2015 년 : 서울여자대학교이학사 - 2017 년 : 서울여자대학교이학석사 - 2017 년 ~ 현재 : 전자부품연구원스마트네트워크연구센터연구원 - 주관심분야 : 차세대방송 통신시스템 권기원 - 1997 년 : 광운대학교공학사 - 1999 년 : 광운대학교공학석사 - 2011 년 : 중앙대학교공학박사 - 1999 년 ~ 2011 년 : 전자부품연구원스마트네트워크연구센터팀장 / 수석연구원 - 주관심분야 : 방송 통신융합시스템, 유무선디지털방송시스템, 네트워크융합시스템 백종호 - 1997 년 : 중앙대학교공학석사 - 2007 년 : 중앙대학교공학박사 - 1997 년 ~ 2011 년 : 전자부품연구원모바일단말연구센터센터장 - 2011 년 ~ 현재 : 서울여자대학교소프트웨어융합학과부교수 - 주관심분야 : 차세대방송 통신시스템, 차세대영상시스템, 소프트웨어테스팅 32 방송과미디어제 23 권 1 호