67 특집 차세대방송표준기술 ATSC3.0 기반고정 / 이동방송융합형 3DTV 의표준화동향 김성훈, 김휘용, 최진수, 방민석 *, 정경훈 * / 한국전자통신연구원, * 국민대학교 요약 2016년하반기까지표준화완료를목표로표준화논의가진행중인북미차세대지상파방송시스템규격인 ATSC3.0 지상파방송시스템표준은 UHD기반실감형방송, 모바일 HD 방송을 RF 6MHz대역한채널내에서서비스제공이가능하며, IP통신망과연동하여방송통신융합형실감방송시스템제공이가능한지상파방송기술표준화를지향하고있다. 본고에서는차세대북미지상파방송방식인 ATSC3.0에서표준화가진행되고있는실감형초고화질 3DTV 서비스규격인 ATSC3.0 고정 / 이동방송융합형 UHD 표준화동향에대하여기술하고자한다. I. ATSC3.0 비디오및고정 / 이동방송융합형 UHD 3DTV 표준화동향 지난 2010 년부터북미지상파표준화논의기구인 ATSC 에서기획되어 2016 년말까지표준완료가 목표인 ATSC3.0 규격은 UHD 고정TV 방송, 모바일 HDTV 방송, 3D를포함한다양한실감형서비스제공및 IP기반통신망과연동하여유연한방송통신융합형서비스제공이가능한표준안마련을목표로 ATSC TG3 산하에서 RF전송, 프로토콜, 비디오 / 오디오및각종응용계층에대한표준화논의를위해각분야별전문가그룹을구성하여논의가진행중에있다. 이러한전문가그룹의구성중비디오 / 오디오를포함한응용계층에대한전문가그룹은 TG3/S34 에서논의되고있으며, 이중 S34-1 은응용계층전문가그룹내 ATSC3.0 의비디오표준규격을논의하는 ad-hoc 그룹이다. 2015 년 11월까지 ATSC3.0 주요비디오규격에대한 candidate standard 표결처리추진을목표로논의가진행중인 S34-1 비디오 ad-hoc 그룹의주요표준화논의내용은 UHD 및모바일 HDTV 서비스를 6MHz 대역 RF 한채널내에서비스제공이가능하도록할수 2015 년 10 월 67
452 특집 : 차세대방송표준기술 High loss channel Mobile / distant receiver UHD source 2x downscaling SHVC encoder BL encoder (HD) EL encoder (UHD) HD, audio UHD, video High robust - ness High BW ATSC 3.0 PHY layer Fixed receiver HEVC decoder HD video Low loss channel SHVC decoder UHD video < 그림 1> ATSC3.0 SHVC 기반계층적고정 UHD/ 모바일 HD 서비스개념도 있는차세대비디오부호화기술인 HEVC, 계층적부호화기술인 SHVC, 초고화질 3DTV 서비스제공을위한고정 / 이동방송 UHD 융합형 3D, 보다자연스러운장면전환을위한 HFR, 명암및컬러의표현력에대한확장을위한 HDR, WCG 등의기술들이논의중에있으며, 이중 2015 년 10월현재 HEVC, SHVC, 고정 / 이동방송 UHD 융합형 3D, HFR의일부기능을포함한규격이 1차 working draft 에포함되어 2015 년 11월 ATSC TG3 회의에서 candidate standard 로표결진행을계획하고있다. 나머지 HDR 및 WCG 등의규격은 2016 년상반기중방식결정및표준문서화가추진될예정이다. ATSC3.0 방송시스템은 HEVC 비디오부호화기술을이용하여 UHDTV 고정방송및모바일HD 방송서비스를 6MHz 대역한채널내에서동시서비스제공이가능하다. 기본적으로이기능은 DVB-T2 도마찬가지로제공가능하며, 서비스를제공하는방송사나서비스를이용하는시청자입장에서두규격에큰차이가없게느껴질수있다. 그러나 ATSC3.0 에서는이와같은 UHD 및모바일 HDTV 방송을주파 수사용측면에서보다효율적으로서비스를제공하기위해계층적부호화기술인 SHVC 비디오기술에대한표준화를추가적으로추진중에있다. 이와같이 SHVC 부호화기를이용하여고정UHDTV 및모바일HDTV 서비스를동시에제공하면, 서비스시나리오 / 전송파라미터의구분에따라 HEVC 부호화기술적용대비약 7~30% 정도의전송효율을얻을수있을것으로예상된다. < 그림 1> 은이와같은 SHVC 부호화기술기반계층적고정UHD/ 모바일 HD 서비스에대한개념도를보인것이다. 고정 / 이동방송융합형 UHD 3DTV 방식은이와같은 HEVC 기반고정UHD/ 모바일 HDTV simulcast 방송환경및 SHVC 기반계층적비디오서비스환경에서 UHD 3D 서비스를제공하기위하여추가적인 3D 서비스용부가데이터를전송하지않으며, 이를통해 6MHz 대역내고정UHD, 모바일HD 및 UHD 3DTV 의동시서비스가가능하도록주파수효율을극대화할수있는개념을도입하고있다. 본고에서는이와같은 ATSC3.0 고정 / 이동방송융합형 UHD 3DTV 방식에대한표준기술개요를소개하고자한다. 68 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC3.0 기반고정 / 이동방송융합형 3DTV 의표준화동향 453 II. ATSC3.0 고정 / 이동방송융합형 3DTV 시스템개요 ATSC3.0 은다중 PLP기반 OFDM 전송방식을채택하고있으며, 기존 8-VSB 대비약 30% 이상의전송효율이향상될예정이다. 따라서현재 ATSC 8-VSB 전송방식을채택한국가에적용된방송망설계규칙에따라 CNR 15dB 근방 (AWGN 전송채널환경 ) 에서전체 25~27Mbps 의데이터전송량확보가가능할것으로기대되며, 이때 HEVC 비디오부호화기술을이용할경우서로다른두개의 PLP에각각고정 UHDTV 용으로 256-QAM 을적용하고, 모바일HDTV 채널에 QPSK( 또는 16-QAM) 의전송파라미터를적용할경우고정TV 채널에 UHDTV 방송서비스, 모바일TV 채널에 HD방송서비스가가능해진다. 고정 / 이동방송융합형 3DTV 서비스를 simulcast 방식으로전송하기위해서는좌영상을 UHDTV 채널로전송하고, 우영상을모바일HDTV 채널로전송하며, 좌 / 우영상의동기화데이터를함 께전송하며, 융합형 3DTV 수신기에서는좌 / 우영상을각각받아동기화정보를이용하여 3D 영상을합성하여 3D 영상을복원한다. 기존의 2D UHDTV 및모바일 HDTV 단말기는각각좌영상및우영상만을복원하여 2D 서비스를시청자에게제공하게되며, 이때고정TV 방송과모바일TV 방송의콘텐츠가내용이같은 simulcast 형식의방송서비스가제공된다. 결과적으로서비스를제공하는방송사입장에서는우영상이모바일방송으로활용되므로 3D 방송을위한추가적인데이터전송이이루어지지않는방식이다. < 그림 2> 는이와같은 HEVC 기반 simulcast 방송환경에서의고정 / 이동방송융합형 3D서비스개요도를보인것이다. SHVC 융합형 3DTV 방식의경우는서비스를제공하는방송사입장에서 HEVC simulcast 방식에비해서비스시나리오및전송파라미터에따라전송량의 7~30% 정도가더효율적으로운영가능하며, 송 / 수신단에서 HEVC simulcast 방식대비 1개의부 / 복호화기만을가지고시스템구성이가능한 < 그림 2> HEVC 기반고정 / 이동방송 simulcast 방송환경에서의융합형 3DTV 서비스개념도 2015 년 10 월 69
454 특집 : 차세대방송표준기술 < 그림 3> SHVC 기반고정 / 이동방송융합형 3DTV 서비스개념도 장점을가지고있다. 사용하는 SHVC 부 / 복호화기는기존의시스템그대로활용할수있어, 만일계층적서비스를준비하는방송사가있을경우 SHVC 융합형 3DTV 방식을이용할경우주파수전송효율및서비스의유연성측면에서그효용가치가매우클것으로기대된다. < 그림 3> 은이와같은 SHVC 융합형 3DTV 서비스개념도를보인것이다. III. ATSC3.0 고정 / 이동방송 UHD 융합형 3DTV 시스템구성을위한핵심기술 고정 / 이동방송 UHD 융합형 3DTV 시스템구성은의외로기존시스템의재활용도가높아매우간단하다. 다시말해융합형 3DTV 서비스는기존의 ATSC3.0 에서제공하는 UHD 2D 고정TV 방송및모바일HD 방송서비스와상호호환성을유지하여야하기때문에, 2DTV 서비스를제공하기위해구현된전송 / 프로토콜 / 비디오응용계층시스템을거 의그대로사용가능하다. 다만 HEVC 기반고정 / 이동방송 simulcast 방식의경우좌 / 우영상의동기화를위한동기화정보가기술되어야하고서비스시그널링데이터등의전송및해석기능이송 / 수신기에추가되어야한다. 고정 / 이동방송 simulcast 방식을제공하려면비디오부호화기측면에서는 UHD와모바일HD 비디오콘텐츠를 simulcast 방식으로전송하는방송환경에서스테레오스코픽을위한좌 / 우영상을각각고정UHDTV 채널및모바일HDTV 채널로전송할수있다. < 그림 4> 와같이두영상은서로다른채널을통해전송되며독립적인 HEVC 부호화기를사용한다. 다시말해, 고정수신단말기는고정형 UHD 서비스를위한 HEVC 비디오부호화기를사용하여야하고, 이동수신단말기는모바일 HD 서비스를위한별도의 HEVC 비디오부호화기를사용해야한다. 계층적부호화기 (SHVC) 를적용한 SHVC 융합형 3DTV 방송환경에서는 simulcast 방송환경에비해상대적으로보다효율적으로 3D 비디오를전송할수있고기존 2D시스템의재활용도도높다. 고정 / 70 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC3.0 기반고정 / 이동방송융합형 3DTV 의표준화동향 455 < 그림 4> 고정 UHD( 좌영상 ) 및모바일 HD( 우영상 ) 전송을위한 Simulcast 전송환경 이동수신기기반의융합형 3DTV 의좌 / 우영상은두비디오신호간유사성이높기때문에계층적비디오부호화기술을사용하는것이 HEVC기반 simulcast 방식보다효율적이다. 현재 < 그림 5> 에 서와같이융합형 3DTV 의우영상 ( 또는부가영상 ) 을기본계층으로부호화하고, 좌영상 ( 또는기준영상 ) 을기본계층과향상계층을사용하여부호화하는 SHVC 기반융합형 3DTV 방식에대한표준화가 DPB Loop Filter Intra Pred. IT/Q Inter-layer texture prediction Up- Sampling Inter-layer Pred. Inter-layer motion prediction T/Q Entropy Coding DPB Loop Filter Intra Pred. IT/Q T/Q Entropy Coding < 그림 5> SHVC 를이용하여모바일 HD 부가영상과고정형 UHD 기준영상을전송하는개념도 2015 년 10 월 71
456 특집 : 차세대방송표준기술 TG3/S34-1 에서논의중에있다. SHVC 기반융합형 3DTV 는 HD급에해당하는부가영상 ( 우영상 ) 을기본계층 (BL, Base Layer) 에서부호화하여이동수신기로전송하고, UHD급에해당하는기준영상 ( 좌영상 ) 을기본계층과향상계층 (EL, Enhancement Layer) 에서부호화하여고정 / 이동수신단말기로전송할수있다. 이때사용되는전송 / 프로토콜계층은물론이고 SHVC 부 / 복호화기역시계층적비디오부호화기를도입한 2D 서비스장비들과호환성이보장되어있어 3D를위한별도의장비는송신단에서의 3D 서비스를위한시그널링삽입기와수신단에서 3D 재생을위한랜더링모듈및시그널링분석기만추가하면된다 [1]. IV. 결론 방송사가방송망을이용하는방송서비스환경만을가정한다면 ATSC3.0 의 HEVC 비디오부호화기술을적용한서비스규격은서비스를제공하는방송사및시청자입장에서시스템구성및서비스제공형태관점에서유럽의차세대지상파방송규격인 DVB-T2 에비해크게차이나는내용이없다고느껴질수있다. 하지만 ATSC3.0 은 DVB-T2 와달 리계층적방송서비스를위한 SHVC 비디오부호화에대한표준제정을추진하였으며, 실감방송서비스를보다효율적으로시청자에게제공하기위해고정 / 이동방송 UHD 융합형 3D 규격에대한표준화도추진중에있다. 이와같은특징을가진서비스규격은현재까지 DVB 및 ISDB 등의서비스규격에서는찾아볼수없는 ATSC3.0 만의독특한서비스방식으로 ATSC3.0 표준시스템을이용하여 RF 주파수를매우효율적으로사용하여초고화질실감형방송및이동방송서비스를시청자에게제공할수있는서비스방식으로평가받고있다. 특히고정 / 이동방송융합형 UHD 3D규격은 HEVC 를이용한 UHD/ 모바일HD simulcast 환경뿐만이아니라 SHVC 기반계층적 UHD/ 모바일HDTV 서비스환경에서도주파수효율을극대화할수있도록고안되어있으며, 이러한장점을통해방송사입장에서 6MHz 대역한채널내 UHD 3D서비스를위해추가적인데이터전송없이, 타방식과비교하여상대적으로간단한시스템구성으로고정 UHDTV, 모바일 HDTV, UHD 3DTV 서비스를동시에제공가능할수있도록하여, 방송사입장에서 ATSC3.0 의방송서비스를보다유연성있게시청자에게제공할수있도록서비스운용의폭을넓혀주는기능을제공받게된다. 참고문헌 참고문헌 [1] ATSC Working Draft, ATSC3.0 Core Content Standard Video, Advanced Television Systems Committee, Washington, D.C., Oct 1, 2015. 72 방송과미디어제 20 권 4 호
ATSC3.0 기반고정 / 이동방송융합형 3DTV 의표준화동향 457 필자소개 김성훈 - 1996 년 ~ 2000 년 : LG 전자주임연구원 - 2008 년 : 국민대학교전자공학과박사 - 2000 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원책임연구원 - 주관심분야 : 지상파방송시스템, UHD/3D 방송시스템, 모바일방송시스템 김휘용 - 1994 년 : 한국과학기술원전기및전자공학과학사 - 1998 년 : 한국과학기술원전기및전자공학과석사 - 2004 년 : 한국과학기술원전기및전자공학과박사 - 2003 년 ~2005 년 : 애드팍테크놀러지멀티미디어팀장 - 2005 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원, 영상미디어연구실장 - 주관심분야 : 영상압축, 영상처리, 실감미디어서비스 최진수 - 1990 년 : 경북대학교전자공학과학사 - 1992 년 : 경북대학교전자공학과석사 - 1996 년 : 경북대학교전자공학과박사 - 1996 년 ~ 현재 : 한국전자통신연구원책임연구원, 실감방송미디어연구부장 - 주관심분야 : 영상통신, UHDTV 방송, 3DTV 방송, 데이터방송 방민석 - 2010 년 : 국민대학교전자공학부학사 - 2010 년 ~ 현재 : 국민대학교전자공학부박사과정 - 주관심분야 : 3DTV 방송시스템, 영상처리 정경훈 - 1987 년 : 서울대학교전자공학과학사 - 1989 년 : 서울대학교전자공학과석사 - 1996 년 : 서울대학교전자공학과박사 - 1991 년 ~1997 년한국영상산업진흥원선임연구원 - 1997 년 ~ 2005 년한동대학교전산전자공학부교수 - 2005 년 ~ 현재 : 국민대학교전자공학부교수 - 주관심분야 : 방송시스템, 비디오코딩, 멀티미디어신호처리 2015 년 10 월 73