70 특집 : 고실감 UHD 특집 고실감 UHD HDR/WCG/HFR 획득 / 제작장비동향 이준용, 김산성, 김병선 / KBS 요약단순히해상도만을향상시킨 UHDTV를넘어서더욱고화질의 4K UHDTV를서비스하고자 HDR 1 /WCG 2 /HFR 3 의기능을부가한고실감 UHD 영상기술에대한연구개발이세계적으로열띤경쟁속에진행되고있다. 이에본고에서는현재현업콘텐츠제작자들이활용가능한기기들을중심으로 HDR/WCG/HFR 4K UHD 영상기술및장비의동향에대하여간략히정리해보고자한다. I. 서론 최근방송통신위원회와미래창조과학부는지상파방송사, 가전사, 연구기관등 31개기관과함께 지상파 UHD 방송도입을위한정책방안 을발표한바있고, 2017 년 2월부터 KBS, MBC, SBS 및 EBS가수도권을시작으로지상파 UHD 방송을개시하고, 2017 년 12월에는광역시권, 2020 년에는시군지역에서, 2021 년에는전국적으로지상파 UHD 방송도입을완료할계획이라고발표하였다. 실로, 지상파 UHDTV 시대의도래를선언한것이다. 이미방송통신위원회와주요지상파방송사들은수년에걸친실험방송을통하여관련기술을축적해왔다. 이실험방송으로단순히해상도만을향상시킨 4K UHD 영상에만족하지않고, HDR/WCG/HFR 의기능을부가하여야차세대최고의영상매체로자리매김할수있을것으로예상하고이에대한준 본연구는 2015년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로정보통신기술진흥센터의지원을받아수행된연구임 (No.B0101-15-295, 초고품질콘텐츠지원 UHD 실감방송 / 디지털시네마 / 사이니지융합서비스기술개발 ) 1) HDR : High Dynamic Range 2) WCG : Wide Color Gamut 3) HFR : High Frame Rate 70 방송과미디어제 21 권 1 호
HDR/WCG/HFR 획득 / 제작장비동향 71 비를하고있다. 또한, 국제적으로도이에대한표준제정과관련기기개발이활발하게진행되고있다. 아직방송제작의전체워크플로우를지원하는환경이완전히조성되지는않았지만, 이에대하여관련자들이큰관심을갖고있으므로현재이세가지부가기능들을지원하는방송제작환경에대하여정리해보고자한다. II. 콘텐츠기술 먼저, HDR/WCG/HFR 의기능이포함된고실감 UHD 콘텐츠표준화에노력하고있는주요표준화단체의활동에대하여알아보고, 각제조사에서현재공급하고있는획득장비들에대하여정리해본다. 1. 표준화단체들의활동사실, HDR/WCG/HFR 의기능들은 UHD 이전의 HD 영상에서도화질의사실감과현장감을극대화하기위한방법으로여러연구자들이관심을갖고연구해왔던기술들이다. 특히, HDR의경우포 토그래피및컴퓨터그래픽의분야에서이미오래전부터활용되어왔으며, HFR의경우도 HD 디스플레이의화면크기가대형화되어가면서부가되어야할항목으로서많은관련기술자들의관심을끌어온기술이다. 또한, WCG도보다자연스럽고, 풍부한색감의전달을위하여새로운영상매체에서채택되어야할항목으로꾸준히연구되어왔다. 이러한배경에서, SMPTE는이미 2014년에 HDR 신호의표현을위한새로운전광변환함수 (EOTF : Electro-Optical Transfer Function) 의표준 SMPTE ST 2084 를제정한바있으며, 이표준에는 Avid, Dolby, Walt Disney Studios, Netflix, Technicolor 등의업체가참여하였다. 이와더불어 SMPTE 에서 HDR, WCG와관련하여진행해온여러표준들은 < 표 1> 과같다. 또한, 콘텐츠제작, 편집산업분야의단체인 HPA(Hollywood Post Alliance) 도 SMPTE와공동으로 HDR/ WCG/HFR 기술의활성화를위한기술협력을지속적으로해오고있다. UHD Alliance 도 HDR/WCG/ HFR의표준화에선도적역할을하고있는단체중의하나이다. 삼성전자가주도적으로세계적인영화콘텐츠제작사, 디스플레이업체들과더불어 2015년 1월에 UHD Alliance를결성하였으며, < 표 1> SMPTE 의 HDR 메타데이터관련표준 표준 SMPTE ST 2084 SMPTE ST 2085 SMPTE ST 2086 SMPTE ST 2094 내용 - HDR 콘텐츠획득을위한새로운신호의전광변환함수정의 - 2014년표준발행완료 - 인간이볼수있는색영역을나타내는XYZ 색공간기반색차신호표현방법에대한정의진행중 - 콘텐츠제작시의원래제작의도를재현시에반영하기위하여, 마스터링시에사용된디스플레이의색역및명암비에대한메타데이터를정의 - 2014년표준발행완료 - 마스터링시 HDR과 WCG를지원하는컬러볼륨을 BT. 709 혹은 Digital Cinema와같이작은컬러볼륨으로변환할때필요한콘텐츠종속적메타데이터에대한의미와표현방법정의를진행중 2016 년 1 월 71
72 특집 : 고실감 UHD < 그림 1> UHD Alliance 의결성 HDR 및 WCG를지원하는 UHD 영상서비스의기준을마련하는활동을시작하였다. 참여기업들은삼성, Sharp, Sony, LG, Panasonic, Disney, Twentieth Century Fox, Warner Bros., Dolby Vision, Technicolor, DirecTV, Netflix 등이다. ITU-R SG6에서는 EIDR(Extended Image Dynamic Range) 라는타이틀로 TV용 HDR 신호규격표준화를작년에 Dolby 와 BBC를중심으로진행하였다. 특히, Dolby 는헐리우드영화사들과함께 HDR 지원신호처리기술및디스플레이를개발하고, HDR이사실감을극대화시키는주요요소임을가장적극적으로홍보하고있으며 SMPTE, DVB, ATSC, MPEG 등에서이에대한표준화에적극적으로임하고있다. 2. 카메라개발및출시현황우선기존보다높은품질의영상을획득하기위해 HDR/WCG/HFR 을지원하는 4K 카메라들이최근들어출시되고있다. 2015 년 NAB에서 Sony 는 BT. 2020 의컬러영역을지원하는 HDC-4300 카메라를선보였는데, 이카메라는 4K 영상기준으로는 120fps 까지, HD 영상기준으로는 480fps 까지지원한다. 이회사에서이미출시한 F65 카메라는 Red Weapon Dragon Sony HDC-4300 Phantom Plex4K Canon C300 Mark Ⅱ < 그림 2> HDR/WCG/HFR 기능지원카메라 72 방송과미디어제 21 권 1 호
HDR/WCG/HFR 획득 / 제작장비동향 73 14 f-stop 의 dynamic range 에 BT.2020 보다넓은색역을지원하는것으로알려져있다. 또한 RED에서는 4K 해상도에서 150fps 까지지원하는기존 EPIC DRAGON의후속모델인 WEAPON DRAGON 을 2015 NAB에서선보였는데, 이모델역시 4K 해상도에서 150fps 까지, HD 해상도에서는 300fps 까지지원할뿐만아니라, 16.5f-stop 을지원하여명암비가거의 100,000:1 정도수준의 HDR을지원한다. 특별히 HFR과관련하여 Phantom 에서는 4K 영상기준 1,000fps 까지지원하는 PHANTOM FLEX4K 를출시하였고, WCG와관련하여 Canon 에서는 BT.2020 의색역을지원하는 C300 Mark II를출시하였다. Panasonic 은 4K 해상도에서최대 120fps 를지원하는 HFR 카메라 VariCam 35를내놓았다. AJA에서나온 CION 은 ProRes 포맷으로 4K 60fps, AJA Raw 포맷으로는 4K 120fps 촬영이가능하다고한다. For-A 에서는 4K Slow motion 카메라를출시하였는데이카메라는 900fps 를지원하고, 인천아시안게임 4K UHDTV 실험방송에서도사용되었다. 이와같이이미여러종류의카메라들이출시되어있고, 올해에는주요방송장비업체들에서 HDR/WCG/HFR 기능을탑재한모델들을더욱다양하게출시하여여러모델간의장단점을비교하 며콘텐츠를제작할수있을것으로예상된다. III. 플랫폼기술 4K UHDTV 의부호화를위하여 HEVC 실시간인코더제품들이출시되고있다. 해외제품으로는 ATEME, NEC, Elemental, Harmonic, Thomson, Fraunhofer HHI 등의업체에서 4K 60fps 인코더를내놓고있고, 국내에서도여러국책과제의결과물들이 4K UHDTV 실험방송에활용되고있다. 그러나아직 HDR, WCG 등을지원하는 HEVC 의스펙은 MPEG 에서현재표준화진행중에있고 2017 년상반기에이를적용한프로화일이제정될예정이어서이를반영한부호화기는표준제정과더불어출시될것이다. 현재의 4K UHD 실험방송은 60fps 로방송하고있으나빠른움직임이있는스포츠콘텐츠에서사실감을더욱살리기위하여는 120fps 의 HFR 영상이필요할것으로보고, 이를대비하여다양한인터페이스규격이제정되고있다. SMPTE 는 2015년 Single-link 12G-SDI 표준 (ST 2082-10) 을완료하였고, Macom, Semtech, TI 등은 12G-SDI 를지원하는칩셋을출시하였다. < 표 2> 4K UHDTV 이미지포맷과페이로드 Horizontal Pixels Vertical Pixels Frames per Second (nominal) Total Payload (nominal) 10-bit 4:2:0 10-bit 4:2:2 10-bit 4:4:4 12-bit 4:2:0 12 bit 4:2:2 12-bit 4:4:4 3840 2160 120 15Gbits 20Gbits 30Gbits 18Gbits 23Gbits 36Gbits 60 7.5Gbits 10Gbits 15Gbits 9Gbits 12Gbits 18Gbits 50 6Gbits 8Gbits 12Gbits 7.5Gbits 10Gbits 15Gbits 30 3.7Gbits 5Gbits 7.5Gbits 4.5Gbits 6Gbits 9Gbits 25 3.1Gbits 4Gbits 6.2Gbits 3.7Gbits 5Gbits 7.5Gbits 24 3Gbits 4Gbits 6Gbits 3.6Gbits 4.8Gbits 7.2Gbits 2016 년 1 월 73
74 특집 : 고실감 UHD < 표 3> HDMI 규격 HDMI VERSION 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 2.0 Date initially released 12/9/02 5/20/04 8/22/05 6/22/06 6/5/09 9/4/13 Maximum Bandwidth (Gbps) 4.95 4.95 4.95 10.2 10.2 18 Maximum Resolution 1600 1200p60 1600 1200p60 1600 1200p60 2048 1536p75 4096 2160p24 4096 2160p60 Maximum LPCM Audio Channels 8 Channels 8 Channels 8 Channels 8 Channels 8 Channels 32 Channels Maximum Audio Sampling Rate 768kHz 768kHz 768kHz 768kHz 768kHz 1536kHz 또한, Blackmagic Design 은 NAB 2015 에서 12G- SDI 기반의방송장비를다수출품하였다. 한편, Display Port 1.3은 2014 년 9월표준화가완료되었는데, 32.4Gbps 의데이터전송률로 4K, 4:4:4, 10bit, 120fps 의영상출력이가능한포맷이고머지않아관련제품의출시를예상하고있다. Nokia, 삼성, Silicon Image 등으로구성된 MHL 콘소시엄에서는 SuperMHL 규격을 2015 년 1월에발표하였는데, 이는최대 8K, 4:4:4 12bit, 120fps 를지원하는표준이다. 일본전파산업회 (ARIB) 도 8K, RGB 4:4:4 12bit, 120fps 의영상출력을지원하는 144Gbps 급 U-SDI 인터페이스를표준으로채택하였으며, NHK 주도로시제품을개발하여 2015 년 NAB에서 U-SDI 기반 8K 120fps 제작환경을시연한바있다. HDMI 2.0의경우, 18Gbps의대역폭으로 10/12bit 4:2:2 또는 4:2:0 의 4K 60fps 를수용할수있고, BT. 2020 의 WCG를지원한다고알려져있다. 이에더하여, HDMI 포럼에서는 HDR에관한메타데이터규격인 CEA-861.3 을지원할수있는 HDMI 2.0a 를 2015 년 4월에발표하였고, 삼성, 파나소닉, 소니등에서는펌웨어업그레이드를통하여일부모델에서이기능을지원하기시작하였다. 또한, 4K 60fps 플레이어및레코더제품도여러업체에서무압축또는압축형식으로상용화하고있는데, AJA의 KiPro Quad, 컨버전스디자인의 Gemini, 아스트로디자인의 HR-7510, 소니의 NEX-F700, Keisoku Giken의 UDR-N50A, UDR 40S series 등이출시되고있다. HDR/WCG/HFR 의기능이포함된영상을제작할때도움이되는장비들도출시되고있다. Leader 의 LV-5490 계측기, Astro 의 WM-3206 계측기 Leader LV-5490 Astro WM-3206 DSC Labs ChromaMatch DSC Labs Xyla 21 < 그림 3> HDR/WCG/HFR 기능제작지원장비 74 방송과미디어제 21 권 1 호
HDR/WCG/HFR 획득 / 제작장비동향 75 < 그림 4> UHDTV 색역변환워크플로우 등은 4K 입력신호를 CIE 1931 색도계차원으로변환하여, 영상의색분포가 BT.2020 영역내에서어느정도인지분석할수있도록지원하고있다. 또한 DSC Labs 에서는 BT.2020 색역의칼라를분석할수있는차트및최대 20f-stop 내에서어느정도의 dynamic range 를카메라가지원하는지를직관적으로알수있도록해주는차트를출시하였다. 최근, KBS 기술연구소에서도 WCG 색공간모니터링시스템을개발하여, UHD 콘텐츠제작현장에서활용할예정이다. 방송국의수많은기기들이일시에 WCG의색채계로변환되기는어려울것으로예상되므로, WCG 워크플로우의완성을위하여는서로다른색역간의컬러스페이스변환기술이긴요하게사용될것이다. 즉, BT.709 에서 BT.2020 의색역으로의변환과이의역변환, P3 등의여러다른색역에서 BT.2020 으로의변환등이필요할것이다. 그러나, 아직이들색역변환기들의상용화는미미한수준이다. 한편, 편집기에서는 Davinci Resolve 12.2 버전이 HDR Hybrid Log Gamma 를포함시키고 ST 2084를업데이트하여 HDR 지원을보강하였고, Adobe Premiere Pro CC도 HDR의범위선정기능및 Lumetri 컨트롤을이용하여 HDR의처리가가능해지는등편집기에서도 HDR 기능을중요한요소로서수용하기시작하였다. IV. 디바이스기술 디스플레이와관련하여서는기존 BT.709 의색역을뛰어넘어 BT.2020 색역을표현할수있는방송용표준모니터들이출시되고있다. Canon 의 DP- V3010, Sony의 BVM-X300, TVLogic LUM- 310A 등이 BT.2020 색역에대한마스터링작업을위해출시되었으며, 특별히 Sony 의 BVM-X300 의경우에는 OLED 를사용하여최대밝기 1,000nit 까지의 HDR을지원하고있다. 또한, HDR과관련하여 SIM2 에서는 2K 해상도에서최대밝기 4,000nit 까지지원하는모니터를출시하였다. Dolby는 HDR 및 WCG 지원비디오콘텐츠제공을위한 Dolby Vision 마스터링및레퍼런스모니터솔루션을 CES 2015 에서발표하기도하였다. 또한, 삼성, LG, Sony, Phillips 등의주요 TV 제 2016 년 1 월 75
76 특집 : 고실감 UHD Canon DP-V3010 Sony BVM-X300 TVLogic LUM-310A SIM2 HDR47E < 그림 5> HDR/WCG/HFR 기능지원디스플레이 조사들도 HDR/WCG/HFR 기능을구현한여러모델의 UHDTV 를발표하고있는데, 이들업체는대체로 700~1,000nit, DCI-P3 정도를지원하는 4K UHDTV 를출시하며경쟁하고있다. 프로젝터중에는 DPI(Digital Projection International) 가 BT.2020 의색역을지원하는 4K LED 프로젝터를발표하였다. V. 결론 지금까지기술한바와같이 4K UHD 영상제작 에서 HDR/WCG/HFR 의기능을포함한고실감 UHD의구현을위하여여러기관에서많은노력을해왔고, 이미이기능들을겸비한여러장비들이출시되고있다. 그러나아직은부호화, 후처리단계등의표준화또는표준적워크플로우의정립에좀더시일이필요한부분도있다. 그렇지만, 이들세요소를영상품질의향상에필수적요소로서인식하고여러기관에서표준화및관련연구에노력하고있으므로, 제작의신속성이요구되는 TV 콘텐츠제작환경에서도머지않아이들기능을편리하게구현할수있는고실감 UHD 워크플로우들이정립될것으로기대하고있다. 참고문헌 참고문헌 [1] 이준용, 차세대 UHDTV 기술연구동향, KBS R&D, 2015. 6 [2] 강정원, 이진호, 전동산, 김휘용, HDR/WCG 비디오서비스를위한표준화동향, 방송과미디어, 2015. 10 [3] UHDTV Ecosystem Study Group Report, SMPTE, 2014. 3. 28 [4] UHD with High Dynamic Range(HDR) Application Note, Rohde & Schwarz, 2015. 8 [5] HDMI 2.0a Specification, HDMI Forum, 2015. 4. 8 76 방송과미디어제 21 권 1 호
HDR/WCG/HFR 획득 / 제작장비동향 77 필자소개 이준용 - 1989 년 2 월 : 연세대학교전자공학과학사 - 1991 년 2 월 : KAIST 전기및전자공학과석사 - 1991 년 3 월 ~ 현재 : KBS 기술연구소, 수석연구원 - 주관심분야 : 실감방송, 영상신호처리 김산성 - 2012 년 2 월 : 한동대학교전산전자공학부학사 - 2014 년 2 월 : KAIST 지식서비스공학과석사 - 2014 년 3 월 ~ 현재 : KBS 기술연구소 - 주관심분야 : UHDTV, 영상그래픽 김병선 - 1994 년 2 월 : 경북대학교전자공학과학사 - 1996 년 2 월 : 경북대학교전자공학과석사 - 1996 년 3 월 ~ 현재 : KBS 기술연구소, 실감미디어팀장 - 주관심분야 : UHDTV, 고효율영상압축, 하이브리드 TV, 영상그래픽 2016 년 1 월 77