Journal of Digital Contents Society Vol. 16 No. 2 Apr. 2015(pp. 227-234) http://dx.doi.org/10.9728/dcs.2015.16.2.227 2/3 센서를활용한 4K/UHD 카메라활용방안연구 : HD 렌즈활용을중심으로 김상일 *, 박성철 *, 권순철 **, 이승현 **, 알라릭하마커 *** 요약 최근 UHDTV 와같은고품질, 고화질을기본으로현장감을제공하는방송디스플레이환경이요구됨에따라다양한 4K 카메라들이출시되고있다. 일반적으로사용되고있는 Super 35mm 센서의 4K/UHD 카메라는광고, 드라마, 자연다큐멘터리, 교양등싱글카메라제작시스템에는활용도가높다. 하지만예능, 스포츠, 콘서트등멀티카메라제작시스템에서는거리에따라클로즈업 (close-up) 이나타이트샷 (tight shot) 의한계점을가짐에따라방송중계에제약이따른다. 또한 4K 렌즈는기존의 HD 렌즈군에비해부족한실정이라 HD 제작시구현되었던카메라촬영샷에제한이따른다. 따라서이를보완하기위한 2/3inch 센서 4K/UHD 카메라의활용이요구되고있으며, 다양한렌즈군의활용으로 UHD 영상콘텐츠제작이요구되고있다. 본연구는 Grass Valley 사의 LDX 4K/UHD 카메라를사용하여 2/3 센서에서의 HD 급렌즈활용에서의화질테스트를통해활용가능성에대해분석하고, 이를효율적인활용가능성을제시하였다. 키워드 : 4K, UHD, 2/3 센서, B4 마운트 A Study on the Utilization of 4K/UHD Camera with 2/3" Sensor : Focused on Application of HD Lens Sang-il Kim*, Sung-chul Park*, Soon-chul Kwon**, Seung-hyun Lee**, Alaric Hamacher*** Abstract Recently, there is more and more demand on broadcasting display environment that provides a sense of realism basically with high quality and high definition as in UHDTV, so various kinds of 4K cameras have been released. Super 35mm sensor 4K/UHD cameras being generally used can be usefully applied to the single camera-based system such as advertisements, dramas, nature documentaries, and culture programs. However, in the multicamera-based system such as entertaining programs, sports, and concerts, relay broadcasting may face limitations as there are restrictions of close-up or tight shots according to the distance. Besides, 4K lenses are not enough compared with the previous HD lenses group, so there are limitations in camera photographing shots that have been realized in HD filming. Therefore, to complement this, the use of 2/3 inch sensor 4K/UHD cameras is being demanded, and it is also needed to use various lenses groups to produce UHD image contents. Accordingly, this study used Grass Valley s LDX 4K/UHD camera to analyze its applicability based on the picture quality test at the use of HD lenses in 2/3 sensors and also the possibility of its efficient application. Keywords : 4K, UHD, 2/3" Sensor, B4 Mount Corresponding Author : Alaric Hamacher Received : February 04, 2015 Revised : March 10, 2015 Accepted : April 17, 2015 * PhD student of Kwangwoon University ** Professor of Kwangwoon University 1. 서론 최근 UHDTV 와같은 4K 를지원하는다양한 *** Prof. of Kwangwoon Univ. Tel: +82-2-912-6683, Fax: +82-2-910-8932 email: alaric.hamacher@virtual-experience.de
228 디지털콘텐츠학회논문지제 16 권제 2 호 (2015. 4) 기기들이보급되며본격적인초고화질시대로접어들었으며, 4K 영상제작이활성화되고있다. 4K란 Full HD보다약 4배이상선명한초고화질을지칭하며, UHD(Ultra High Definition) 라고도불린다 [1][2]. UHD 방송제작장비와 UHDTV 출시그리고 UHD 방송정책으로현재 UHD 방송은현실화되고있으나정작 UHD 방송을위한콘텐츠제작현실은그렇지못하다. 4K 방송, 영화제작을위한다양한센서크기의카메라와렌즈들이출시되고있으나, 기존의 HD 제작장비에비하면부족한실정이며, 장비구매측면에서도 4K 급장비로대체가이루어져야하는상황이다. 따라서기존의 HD 장비를활용하면서도효율적인 4K 영상제작연구가필요한시점이다 [3][4]. 일반적으로 4K 카메라는 Super 35mm 센서를가지고있다. 하지만스포츠방송중계와같이프레임에서의보이는피사체의영상이클로즈업등타이트샷이필요함에따라최근 Grass Valley LDX 카메라와같이 2/3 센서를가지는카메라가출시되고있다 [5]. 또한 4K 카메라에맞는렌즈가다양하게출시되고있으나, 방송제작환경에서의기존의 HD 렌즈군에비해부족한실정이다. 따라서 4K 영상제작은현재기존의 HD 제작시구현되었던카메라촬영샷의비해제한이따른다. 본논문에서는 2/3 센서를가지는 Glass Valley의 LDX 카메라에서의 HD 렌즈를활용한방송중계활용가능성에목적을두었다. 초점거리별화질및색수차에테스트를통해장르별유효초점거리를제시한다. 이러한연구과정을통해 UHD 시대의효율적인방송환경에적합한제작방식과기술변화에대한이해의폭을넓히고자한다. 2. 4K/UHD 카메라 2.1 4K, UHD 정의 방송제작환경의변화는고화질영상디스플레이의발전사와같다. 1920년부터 1960년을거쳐 1980년까지의흑백방송시대, 1980년의컬러방송, 다음으로 2000년의디지털방송 (HD TV) 이지금까지방송발전의흐름이다. HDTV와 3DTV로넘어오며 UHDTV와같은고품질, 고 화질을기본으로현장감을제공하는방송서비 스의요구사항이더욱증대되고있다. 가정에서 도영화관처럼더크고선명한화질의영상필 요성에따라디스플레이장치의대형화와해상 도가지속적으로발전하고있다 [6]. UHDTV는지금의 HDTV보다훨씬더크고 선명한영상을통해사실감과몰입감을배가하 고자하는영상기술이다. < 표 1> 과같이국제 전기통신연합 ITU(International Telecommunication Union) 에서는 UHDTV의여러파라미터를제시 하였다. UHDTV의 3840 2160 해상도를가지 는 4K와 7680 4320 해상도를가지는 8K는기 존의 HDTV보다 4배에서 16배까지 높은화소 수를가진다. 또한기존의 HD 파라미터에비해 120 프레임레이트까지의높은프레임레이트와 10, 12 비트의칼라재현력또한우수하다. 이와 함께 다채널 음질을 제공함으로써 가정에서도 영화관수준의현장감을경험할수있는섬세하 고 자연스러운 영상 표현이 가능하게 되었다 [7][8]. < 표 1> UHDTV 파라미터 Parameter Value Screen Ratio 16:9 Resolution (H) (V) 7680 4320 3840 2160 Bits per Pixel 20~36 bits Sampling 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 Frame Frequency(Hz) 120, 60, 60/1.001, 50, 30, 30/1.001,25, 24, 24/1.001 Scan Mode Progressive <Table 1> UHDTV Parameter 2.2 4K/UHD 카메라동향 4K 제작은영화, 홍보영상, 타큐멘터리제작 과같은후반작업을전제로한분야에서는이미 구현되고있으며, 대형스크린에서는 4K RGB 이미지를사용하여 1920 x 1080 HD 이미지이 상의실질적인장점을제공하고있다.
2/3 센서를활용한 4K/UHD 카메라활용방안연구 : HD 렌즈활용을중심으로 229 4K/UHD 카메라는크게극장용 (Cine type) Super 35mm와방송용 (Broadcast type) 의 2/3 센서를가지는카메라로구분할수있다. 현재까지 Super 35mm 센서를가진카메라가주류가이루고있으나, 다양한배율의 HD방송용 B4 렌즈를그대로사용가능하며, Focus Following의어려움및짧은초점거리로인해다양한영상구성의한계부분등을개선하기위한요구사항들로인해최근스포츠, 콘서트, 공개방송등근거리카메라배치가불가능한방송에이상적인 2/3 센서를가진카메라가출시되고있다 [5][9]. 대표적으로 2/3 센서를가지는 Grass Valley 사의 LDX 4K/UHD 카메라는기존의 HD 환경과동일한워크플로우를가지며, 2/3 B4 마운트의 HD 렌즈사용이가능하다. < 표 2> 는극장용 S35mm 카메라와 2/3 센서사이즈를가지는 Grass Valley사의 LDX 4K/UHD 카메라의비교를보여준다. Grass Valley사의 LDX 4K/UHD 카메라 Xensium-FT CMOS 센서의사이즈는 2/3 로같은사이즈의센서를가진 HD방송용 B4 렌즈를그대로사용이가능하다 [5]. 반면극장용카메라의경우 B4 렌즈장착을하기위해서는컨버터사용이요구되며, 이는광학품질저하가수반된다. 특히광학적조도손실로영상제작환경으로볼때야간및실내촬영에서는막대한제약수반따른다. 3. Xensium-FT 2/3 센서 일반적으로디지털영화카메라에서의예술적인작품을위한높은수준의심도가요구됨에따라 Super 35mm와같은이미지센서가요구된다. 또한, 작품용영화의제작에서는큰사이즈의센서를사용하면서도크기와무게등이합리적인프라임렌즈나아주제한적인줌비율을가진줌렌즈가사용되고있다. 그러나큰이미지센서사이즈때문에발생되는물리적한계에의한제한적인줌비율로인해스포츠중계나오락프로그램의생방송제작에는사용이제한적이다. 따라서이를보완하기위한 2/3inch 센서 4K/UHD 카메라의활용은영상제작활용도가높다. ( 그림 1) 과같이 Super 35mm 센서 4K/UHD 카메라는 2/3" 센서 4K/UHD 카메라에비해같은초점거리사용시화각의차이를가진다. ( 그림 1) 화각비교 Super 35mm 센서 2/3" 센서 < 표 2> 4K/UHD 카메라비교 Item Broadcast Type GV LDX UHD CINE Type 4K S35mm Sensor (Figure 1) Comparison of angle of view Super 35mm sensor 2/3" seneor Sensor FT CMOS CMOS Sensor size Lens system Color separation Sensitivity (59.94Hz) 3 2/3" Single S35mm Broadcast type B4 mount R, G, B separation filter by prism F11 (T12@24p) Cine type : PL mount B4->PL converter Color pattern filter (Bayer type large format sensor) Approx. F3.5 (T12@24p) <Table 2> Comparison of 4K/UHD camera GrassValley 사의 LDX 카메라의주요특징은자체개발한 Xensium-FT 2/3 B4 타입의 3개의이미지센서를사용한다. Xensium-FT 2/3 이미지센서는 CCD 센서와동일하게글로벌셔터동작을수행함으로서기존의 CMOS 센서가가지는롤링셔터현상즉짧은노출시간에서의플래시에대한민감성과움직임에대한이미지왜곡현상같은단점이개선되었다. 또한 ( 그림 2) 와같이 Red, Green, Blue 3개의 2/3 이미지센서전대역폭을사용하여 4K를구현하여, 빔스프리터 ( 프리즘 ) 를통해 R, G, B 색분리로
230 디지털콘텐츠학회논문지제 16 권제 2 호 (2015. 4) 풍부한색영역을확보할뿐아니라 1920 x 1080 해상도가모든 3개의채널에서손실없이형성된다. 2백만픽셀의순차포맷출력은어떤 1.5G 포맷보다도탁월한해상도를제공하며, 4K, 1080i 또는 720P 와같은포맷으로변환하기위한마스터포맷으로적합하다. 따라서 Xensium-FT 이미지센서는실황방송제작분야에필요한해상도, 감도및신호대잡음비등의최고조합을제공한다 [5][10][11]. ( 그림 3) 실험환경 ( 그림 2) Xensium-FT 2/3 3 센서 (c) (d) (e) (f) (Figure 3) Experiment Environment (Figure 2) Xensium-FT 2/3 3 sensor 4. 2/3 센서 4K/UHD 카메라활용방안 본연구는 Grass Valley 사의 LDX 4K/UHD 카메라 ( 데모버젼 ) 와 HD급의후지논 (Fujinon) 사의 HA27X6.5BES 렌즈와캐논 (CANON) 사의 XJ75x9.3BIE 9.3~700mm 사용하여 2/3 센서에서의 HD 렌즈활용가능성에목적을둔다. 실험방법으로는조리개값에의한화질변화평가와초점거리에따른색수차발생평가테스트를진행하여유효활용범위를추출한다. 해당테스트결과값을가지고 2014 인천아시안게임비치발리볼 방송중계에활용하였다. ( 그림 3) 은실내 / 외테스트실험환경이다. 실내의경우카메라와테스트차트간의거리는 15M로설정하였으며, HD, UHD 모니터로동시관찰하였다. 같은노출조건을유지하기위해조리개값변화시광량조절을하여, 디테일한구간에서의화질차이를구분하였다. 실외의경우줌렌즈를이용한초점거리별테스트를진행하였다. 4.1 초점거리에따른색수차변화색수차는분광-유리의굴절율이서로다른빛의파장특성때문에일어난다. 대표적으로축상색수차와배율색수차가있으며 ( 그림 4) 와같이초점거리에따라색수차의양이변한다. 본논문에서는초점거리별실내외테스트를통해촬영가능한유효초점거리가이드를제시하는데목적을둔다. ( 그림 4) 축상색수차변화 (Figure 4) Longitudinal chromatic aberration ( 그림 5) 는 XJ75x9.3BIE 9.3~700mm HD렌즈의초점거리에따른색수차를테스트결과를보여준다. F-number 값 11로고정하였으며, 초점거리 9.3mm 광각부터 240mm 망원계열까지구간별색수차테스트를하였다. 700mm의 30% 인 210mm부터는색수차가줄어드는것을알수있
2/3 센서를활용한 4K/UHD 카메라활용방안연구 : HD 렌즈활용을중심으로 231 다. ( 그림 5) 초점거리에따른색수차테스트 ( 실외 ) 9.3mm 34mm (c) 110mm (d) 240mm 4.2 조리개값에의한해상도변환 ( 그림 7) 은조리개값변화에따른화질차이를보여준다. F-number 4.0부터 13까지의 1-stop 단계별촬영하였으며, F5.6 ~ F 8.0 사이의디테일정보가좋음을알수있다. ( 그림 7) 조리개값변화에따른화질 F4.0 F5.6 (c) F8.0 (d) F11 (e) F13 (c) (d) (Figure 5) Chromatic aberration test by the focal length(outside) 9.3mm 34mm (c) 110mm (d) 240mm ( 그림 6) 은실내에서의 HA27X6.5BES HD렌즈의초점거리에따른색수차를테스트결과를보여준다. F-number 값 8로고정하였으며, 초점거리 9.3mm 광각부터 240mm 망원계열까지구간별색수차테스트를하였다. 9,3mm 와같은광각계열에서는색주변부에색수차가발생하는것을볼수있으며, 180mm의 30% 인 54mm 부터는색수차가줄어드는것을알수있다. (c) (d) ( 그림 6) 초점거리에따른색수차테스트 ( 스튜디오 ) 6.5mm 14mm (c) 29mm (d) 42mm (e) 60mm (f) 86mm (g) 125mm (e) (Figure 7) Image quality by the iris F4.0 F5.6 (c) F8.0 (d) F11 (e) F13 (c) (d) (e) (f) (g) (Figure 6) Chromatic aberration test by the focal length(studio) 6.5mm 14mm (c) 29mm (d) 42mm (e) 60mm (f) 86mm (g) 125mm 4.3 유효초점거리에따른 4K 방송중계조리개및초점거리에따른화질테스트에결과를토대로유효초점거리선별후 2014 인천아시안게임비치발리볼방송중계에적용하였다. ( 그림 8) 은 2014 인천아시안게임비치발리볼 4K 카메라세팅환경과중계영상을보여준다. Grass Valley 사의 LDX 4K/UHD 사용하였으며, HD 급렌즈로는 1 Canon XJ 75X9.3B IE 9.3~700mm 1:1.7, 2 Carl Zeiss Digi Zoom 6~24mm 1:1.7, 3 Canon XJ27X6.5B 6.5~180mm 1:1.5 종류의렌즈를사용하였다. 해당영상은 SBS 53번으로 UHD 실험방송되었다.
232 디지털콘텐츠학회논문지제 16 권제 2 호 (2015. 4) ( 그림 8) '2014 인천아시안게임비치발리볼 ' 촬영환경 카메라세팅 중계영상 < 표 3> 2014 인천아시안게임비치발리볼 활용 초점거리 No. Lens Working CANON Player 1 XJ75x9.3BIE 1Shot. 9.3~700mm GS CARL ZEISS Stadium 2 DIGI ZOOM Whole View 6~24mm FS CANON Player 3 XJ27x6.5B BS, 6.5~180mm WS CANON Player 4 XJ27x6.5B BS, 6.5~180mm WS Focal Effective Length Area (mm) (%) 58~540 51% 9~16 54% 100~15 0 69% 100~15 0 69% 유효사용범위 (%) = 최대사용초점거리 / 최대초점거리 <Table 3> Practical Examples of 2014 Incheon Asian Game - Beach Valley Ball' (Figure 8) Shooting environment of '2014 Incheon Asian Game - Beach Valley Ball' Camera setting Live image < 표 3> 은인천아시안게임비치발리볼에서적용되었던샷별초점거리를보여준다. 화질과색수차를최소화하는적정구간을통해 2/3" 센서를가진 UHD/4K 카메라에서의 HD 렌즈활용결과를보여준다. 색수차가발생하는초점거리는 30% 이하이고, 촬영시 HD 렌즈의유효사용범위는 50% 이상에서영상제작이되었다. 따라서해당실험결과는 HD 렌즈를사용하여 UHD 콘텐츠제작가능함을보였다. 5. 결론 최근방송서비스는 UHDTV가보급되면서질좋은 4K 콘텐츠제작이요구되고있으며, 이에따라다양한 4K 방송장비들이출시되고있다. 본논문은 2/3 센서를가지는 Grass Valley 사의 LDX 4K/UHD 카메라를사용하여, HD 렌즈활용가능성에대해증명하였다. 조리개 F-number 값에따른화질과초점거리별색수차테스트를통해현시점에서의 4K 카메라에서의 HD 렌즈활용성에주안점두어유효촬영파라미터들을제시하고방송중계결과를보였다. 해당결과는 2/3 촬상면을가진 B4마운트 4K/UHD 카메라에는 FS(full shot) 을담당하는카메라를제외한 80% 의카메라에 HD 렌즈를활용할수있음을증명하였다. 프로그램장르별초점거리유효사용범위를통해 HD 렌즈의활용은고가의 4K 전용렌즈구매를줄임으로써 UHD 전환에필요한예산을절감할수있다. 또한광각에서의색수차발생문제를보정하는기능이출시되고있어 HD렌즈의활용범위는확대될것으로기대된다. 해당논문은 HD 렌즈군의
2/3 센서를활용한 4K/UHD 카메라활용방안연구 : HD 렌즈활용을중심으로 233 활용으로방송인프라에서의효율적인가이드라인을사용가능할것이라고판단된다. References [1] A. Hamacher, Soon-chul Kwon, and Seung-hyun Le e, Production changes of UHDTV contents, Korea Society Broadcast Engineers Magazine, Vol.18, No. 2, pp.92-99, 2013. [2] Kunic, Srecko, and Zoran Sego, "Beyond HDTV tech nology", ELMAR, 2013 55th International Symposiu m. IEEE, pp. 83-87, 2013. [3] Bae, S. H., Kim, J., Kim, M., Cho, S., and Choi, J. S., "Assessments of subjective video quality on hev c-encoded 4k-uhd video for beyond-hdtv broadcast ing services", Broadcasting, IEEE Transactions on, Vol. 59, No. 2, pp.209-222, 2013. [9] Thorpe, Larry., "New 35mm CMOS Image Sensor for Digital CINE Motion Imaging", Canon Withepap er, Vol. 17, 2011. [10] Alaric C. Hamacher, Sunil P. Pardeshi, Taeg Keun Whangboo, and SeungHyun Lee, "3D UHDTV cont ents production with 2/3 inch sensor cameras", SPI E Stereoscopic Displays and Applications XXVI, 20 15. [11] Klaus Weber, LDX Series Cameras with Xensium- FT Imagers, Grass Valley Whitepaper, 2012. 김상일 2014년 : 광운대학교대학원 ( 문화콘텐츠학석사 ) 현재 : 광운대학교대학원 ( 홀로그래피3D콘텐츠박사과정 ) [4] S.Y. Jeong, S.H. cho, E.D Lee, S.H. Kim, J.S. Choi, and J.W. Hong, "UHDTV Technology Status and Prospects", The Magazine of the IEEK, Vol.36, No.4, pp.19-27, 2009. [5] Weber, Klaus., "Beyond HD-The status of the image acquisition solutions for the next generation broadca sting formats", SMPTE Conferences, Vol. 2014, No. 10, pp.1-9, 2014. [6] S.R Kim, J.K. Kim, and J.S. Choi, "UHDTV Broadcas ting Technology Trends", Korea Communications Agency PM Issue Report, Vol.1, No.6, 2013. 1984년~1991년 : ( 주 )MBC 1991년~1998년 : ( 주 )SBS 1998년~2014년 : ( 주 )SBS A&T 2011년~현재 : ( 주 )SBS A&T 실감방송TF 총괄관심분야 :S3D, UHD, 초고속콘텐츠제작등 박성철 2014년 : 광운대학교대학원 ( 문화콘텐츠학석사 ) 현재 : 광운대학교대학원 ( 홀로그래피3D콘텐츠박사과정 ) [7] A. Hamacher, Sung-jin Lee, Yong-jung Kim, and Seung-hyun Lee, "A Study of Game Display Enviro nment for UHDTV,", Journal of Korean Society For Computer Game, Vol. 26, No. 2, pp.205-210, June 201 3. 1989년~ 1997년 : 코오롱 1997년~ 2000년 : 한교인터내셔널대표 2000년~ 현재 : 한교아이씨대표이사관심분야 : 홀로그래피, PET FILM 등 [8] Sang-il Kim, Sung-chul Park, Jung-ho Kim, Soon-c hul Kwon, and Seung-hyun Lee, "A Study on the Workflow of Cinematography with 4K High Speed Camera", Journal of Digital Contents Society Vol. 15 No. 3, pp. 425-432, 2014.
234 디지털콘텐츠학회 논문지 제16권 제2호 (2015. 4) 권 순 철 2008년 : 광운대학교 정보콘텐츠대 학원 (공학석사-디지털콘 텐츠) 2012년 : 광운대학교 대학원 (공학 박사-정보디스플레이) 2013년 현 재: 광운대학교 교수 관심분야 Stereoscopic, Holography 이 승 현 1993년 : 광운대학교 대학원 (공학 석사-전자공학과) 1993년 : 광운대학교 대학원 (공학 박사-전자공학과) 1993년 현재 : 광운대학교 교수 1994년 현재 : ISU(International Stereoscopic Union) 한국대표 관심분야 패턴인식, 광정보처리, 3D 디스플레이, 디지털홀로그래피 알라릭하마커 1994년 : Univ. Paris 7 Cinema and Audiovisual Studies (Master) 1999년 : Virtual Experience Production 2011년 : ZDF, 3D Consultant for public broadcaster ZDF 2013년 현 재: Professor in the graduate school of information contents, KwangWoon Univ. 관심분야 : Stereoscopic, 3D, UHD