000000000` PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 저자 김상룡 PM / KCA 차세대방송PM실 김지균 책임 / KCA 차세대방송PM실 최진수 실장 / ETRI
Contents & Summary 1. 개요 1 2. UHDTV 방송 산업 및 기술 현황 7 3. UHDTV 방송 서비스 및 표준화 현황 16 4. 결론 및 시사점 21 요 약 문 흑백 TV 방송에서 시작해서 칼라 TV 방송을 거쳐 HDTV 방송에 이르기 까지 방송의 역사에 크게 세 번의 진화가 있었다. TV 방송의 진화 과정은 인간 시각 시스템의 모사 과정과 거의 일치함을 관찰할 수 있는데, 이는 곧 앞으로의 진화 방향도 예측해 볼 수 있게 한다. HDTV 방송 이후의 진화 방향은 깊이정보를 이용하여 입체감을 제공할 수 있는 3DTV 방송과 시야를 훨씬 더 확대함으로써 사실감과 현장감을 체험할 수 있는 UHDTV 방송으로 발전하고 있고, 궁극적으로는 인간이 보는 것처럼 공간에 영상을 띄울 수 있는 홀로그래피 TV 방송으로 발전할 것으로 예상된다. 최근 UHDTV 방송 도입의 가장 큰 문제점으로 여겨지는 대용량 데이터 처리에 대한 기술적인 이슈가 하나둘씩 해결되면서, HDTV 방송 이후의 차세대 방송으로 거론되는 UHDTV 방송과 관련한 시장을 선점하기 위한 기술 경쟁이 본격화되고 있다. 우리나라는 HDTV 방송 도입 전후로 국가차원의 지속적인 대규모 R&D 투자로 인해 적어도 TV 수상기에 있어서는 세계 최고의 경쟁력을 확보할 수 있게 되었다. 이러한 경험이 시사해 주는 바는 새로운 방송 서비스 도입 시점에서 우리나라가 어떻게 대응하느냐에 따라 이 분야 기술 선도자로서의 지위를 지속적으로 유지 및 확대할 수 있을 것인지 아니면 기술 낙오자로 도태될 것인지를 알려준다는 것이다. 따라서 가까운 미래의 성장 동력으로 발전할 수 있도록 슬기로운 대응이 필요한 시기이다. 본 리포트에서는 UHDTV 방송의 개념 및 필요한 기술에 대해 설명하고, 관련 국내외 기술, 서비스, 표준화 현황 및 전망을 살펴봄으로써, 향후 국내의 기술경쟁력 및 시장지배력을 강화하기 위해 무엇을 어떻게 할 것인지에 대한 방향을 설정해 보고자 한다. 1
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 1. 개 요 디지털 TV 방송 분야의 환경 변화 (디스플레이의 대형화) 디스플레이 기술의 진화에 따른 대형화 및 고화질 콘텐츠의 보급으로 초고해상도(UHD; Ultra High Definition) 디스플레이에 대한 관심이 증가 - 디스플레이의 대형화: 30 à 40 ~50 à 80 à 100 이상 - FHD(Full HD) 해상도는 63인치 이상 대화면 TV에서는 시청자의 욕구를 만족 시키지 못하므로 4K UHD 디스플레이가 필요 - 한편 눈과 가까운 거리에서 사용하는 스마트폰의 보급 확산으로 화질 차이를 민감하게 느낄 수 있어 고해상도 경쟁이 촉발 - 영화의 촬영, 편집, 배급, 상영에서 디지털화가 이루어지면서 4K 초고화질 콘텐츠 보급 확산 - 디스플레이의 해상도 향상(2K HD à 4K UHD à 8K UHD), 광색역 지원, 프레임율 향상(30Hz à 60Hz à 120Hz à 240Hz)으로 기술 발전 (이미지 센서의 고품질화) 이미지 센서의 고해상도 지원과 광원변환효율 향상에 따른 초고선명 영상 획득 가능 - 영상 획득 분야는 1,000만 화소급의 스마트폰 카메라, 4K 급의 방송 및 영화용 카메라, FHD급의 보안용 카메라로 급속히 전환 중 - 큰 이미지 센서 적용이 유리한 디지털 카메라에서 1,000만 화소급이 대부분이던 소형 디지털 카메라가, 2,000만 화소를 넘어 3,000만 화소 이상 제품도 출시 - 고해상도 경쟁이 최근 동영상 촬영으로 급속히 확산 (네트워크의 고도화) 대용량 비디오 및 클라우드 서비스 확산에 의한 트래픽이 폭발적으로 증가하고 매체의 전송 효율도 고도화가 이루어지고 있음 - 고정 및 이동 방송/통신 매체의 전송 용량 고도화가 지속적으로 필요 - 방송망과 통신망의 융합에 클라우드 컴퓨팅 서비스의 연계 확산 1
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 (미디어의 실감화) HD 콘텐츠의 부족한 실감화 부분을 UHD급 초고화질 및 3D 입체를 접목하여 실감형 콘텐츠로 진화시키고, 궁극적으로는 오감 정보가 포함된 자연스런 홀로그래픽 3D 콘텐츠로 발전 TV 방송의 발전 방향 TV 방송 발전의 척도는 인간의 시각 시스템(HVS; Human Visual System) 능력을 얼마나 따라가느냐에 달려 있음 - TV방송은 <그림1-1>과 같이 흑백TV, 칼라TV, HDTV에 이르기까지 세 번의 커다란 변화가 있었음. 이 변화 과정을 살펴보면 흑백 정보에 색 정보를 추가 함으로써 칼라TV로 발전하였고, 여기에다가 시야(Field of View)를 확대함으 로써 좀 더 현장감을 느낄 수 있는 HDTV로 발전함 - HDTV 이후에는 깊이 정보를 더함으로써 입체감을 느낄 수 있는 3DTV로 발전 하게 되었고, 향후에는 HDTV에 비해 훨씬 더 확대된 시야를 제공하는 UHDTV를 통해 사실감과 현장감을 배가하는 방향으로 발전하고 있음 - 궁극적으로 TV 방송 기술은 인간 시각 시스템을 동일하게 모사하는 홀로그래픽 영상에 인간이 가진 청각, 후각, 촉각 등의 다양한 감각을 체험하는 방향으로 발전할 것임 <그림 1-1> TV 방송의 발전 2
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 UHDTV 방송 기술 개요 UHD방송은 HDTV(2K:1,920x1,080)가 제공하는 화질보다 4배에서 16배 선명한 초고선명 화질(4K:3,840x2,160 ~ 8K:7,680x4,320)과 다채널(10 채널 이상) 오디오로 사실감과 현장감을 체험할 수 있는 <그림 1-2>의 실감방송으로 정의함 - 사실감(Sense of reality)은 TV를 통해 보는 사물이 현실에서 보는 것과 동일한 느낌을 말함 - 현장감(sense of presence)은 TV를 보는 시청자가 현장에 있는 것 같은 느낌을 말함 <그림 1-2> UHDTV 방송의 개념 UHDTV 오디오/비디오 신호의 특징 - <표1-1>은 ITU-R 및 SMPTE 표준에서 정의하고 있는 UHDTV 시스템을 위한 오디오/비디오 신호에 대한 기술규격임 [그림 1-3 참조] - ITU-R 및 SMPTE 표준에서 정의된 영상 신호의 기술규격은 프로그램 제작 및 국제간 프로그램 교환 목적으로 정해진 값이므로, 방송과 같은 특정 응용 서비스에 적용하기 위해서는 방송 매체의 전송환경, 방송 장비 및 단말의 구현 가능성 등 다양한 측면을 고려하여 신호 규격을 정의할 필요가 있음 3
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 <표 1-1> UHDTV와 HDTV의 주요 규격비교 구분 UHDTV 4K (UHD-1) 8K (UHD-2) HDTV 비고 해상도(pixels/frame) 3,840x2,160 (4K) 7,680x4,320 (8K) 1,920x1,080 (2K) 4K: 4배 8K: 16배 프레임율(frames/sec) 120, 60, 60/1.001, 50, 30, 30/1.001, 25, 24, 24/1.001 30Hz 4배 비트심도(bits/pixel) 24~36bits 24bits 1~1.5배 컬러샘플링(chroma format) 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 4:2:0 1~2배 가로세로 화면비(aspect ratio) 16:9 16:9 동일 표준 수평 시야각 (standard viewing angle) 55 100 30 3.3배 표준 시청거리 (standard viewing distance) 1.5H 0.75H 3H (H: 화면높이) 오디오 채널 수 (audio channels) 10.1~22.2 5.1 2~4.4배 <그림 1-3> UHDTV 영상 해상도 비교 - UHDTV 영상은 HDTV에 비해 4배에서 16배의 화소수, 10비트에서 12비트의 비트심도(bit depth), 원신호로부터 4:2:2 이상의 컬러 신호 샘플링으로 큰 화면에서 더욱 섬세하고 자연스러운 영상의 표현이 가능하며, 초고화질과 넓은 시야(FOV: field of view)에 의해 뛰어난 사실감과 현장감을 제공함 - 사실감은 해상도와 밀접한 상관관계가 있는데, 실물과 영상을 서로 비교하여 구분하지 못하게 될 때 사실감이 최대가 됨. <그림1-4>는 사실감과 각 해상도 (angular resolution)의 상관관계를 보여줌. 각 해상도가 높아질수록 사실감이 4
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 더 좋아지는데, 40-50cpd(cycle per degree) 정도까지는 화면의 해상도가 높아질수록 사실감도 함께 높아짐. 40cpd는 100도의 시야각에서 8,000 화소에 해당함. 사실감은 60cpd를 넘어설 때 완만한 곡선을 그리며 포화되며, 155cpd를 넘었을 때는 영상이 실물과 구분되지 않음 <그림 1-4> 각해상도와 사실감의 관계 - 현장감은 화면의 크기와 시야각 (viewing angle)에 비례하며, 2차원 영상을 통해 느끼는 현장감은 시야각이 약 80 o 부터 100 o 까지의 범위에서 포화 상태가 됨. 1.0의 시력을 가진 시청자가 100 o 시야각의 화면에서 화소 구조를 느끼지 못하는 거리는 8K UHD 영상일 때 화면 높이의 0.75배에 위치하게 됨 - 따라서 현장감과 동시에 사실감을 극대화하기 위해 시야각을 100 o 로 할 수 있도록 시청거리를 화면 높이의 0.75배 정도로 유지하고, 영상의 수평해상도는 각해상도가 약 40cpd 정도가 되면서 HD 해상도의 정수배를 갖도록 화소수를 7,680으로 결정하게 됨 60인치 이상의 대형디스플레이에서 인간시각의 분해능 특성에 따라 화고해상도인 UHD가 필요해짐 시청거리가 2.5m 이고 63인치~132인치 이상의 디스플레이의 경우 4K(3,840x2,160) 해상도가 필요하며, 그 이상의 디스플레이에서는 8K(7,680x4,320)의 해상도가 필요함 - 한편, 화면이 커지고 밝을수록 화면의 깜박임(flickering) 현상이 심해지므로, 이를 해결하기 위해서는 영상의 프레임율(frame/sec)을 높여야 함. 통상 82인치 디스플레이가 밝기 300 cd/m 2 환경의 경우에 60 fps 이상이 필요함. 또한 영상의 5
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 움직임 열화(motion blur)를 감소시키기 위해서도 프레임율이 더 높아야 함 - 또한 화면이 커지면 계조(gradation)가 계단처럼 보이는 효과가 증대되는 데, 이를 해결하기 위해서는 비트심도를 8bit보다는 10bit, 12bits 등으로 높여야 함 - 오디오에 있어서는 10채널 이상을 사용하여, 수평 및 수직에서의 서라운드 효과로 어느 방향에서나 실제 현장에서와 같은 음향을 제공함 - UHDTV 서비스의 특성인 사실감과 현장감을 극대화하기 위해 영상의 경우 해상도, 프레임율, 비트심도, 컬러샘플링 등의 파라미터 값들을 높임에 따라 <표1-2>와 같이 원본 데이터 량이 HDTV에 비해 최소 4배에서 최대 192배로 증가하여 이를 효율적이고 경제적으로 처리할 수 있느냐가 주요 이슈임 <표 1-2> UHDTV 비디오 파라미터에 따른 원본 데이터량 규격 데이터량 HD 1,920x1,080, YUV4:2:0, 8bits, 30fps 746Mbps 3,840x2,160, YUV4:2:0, 8bits, 30fps 3Gbps(HD의 약 4배) 4K UHD (UHD-1) 3,840x2,160, YUV4:2:2, 10bits, 30fps 5Gbps(HD의 약 7배) 3,840x2,160, YUV4:2:2, 10bits, 60fps 10Gbps(HD의 약 14배) 3,840x2,160, YUV4:4:4, 12bits, 60fps 18Gbps(HD의 약 24배) 3,840x2,160, YUV4:4:4, 12bits, 120fps 36Gbps(HD의 약 48배) 7,680x4,320, YUV4:2:0, 8bits, 30fps 12Gbps(HD의 약 16배) 8K UHD (UHD-2) 7,680x4,320, YUV4:2:2, 10bits, 30fps 20Gbps(HD의 약 27배) 7,680x4,320, YUV4:4:4, 12bits, 60fps 72Gbps(HD의 약 96배) 7,680x4,320, YUV4:4:4, 12bits, 120fps 144Gbps(HD의 약192배) 6
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 2. UHDTV 방송 산업 및 기술 현황 UHDTV 방송 산업 개요 산업의 정의 - UHDTV 방송은 HD급 미디어보다 4배에서 16배 선명한 비디오 화질과 고품질의 다채널(10.2채널 이상) 음향을 제공하여 시청자의 고품질 AV 서비스 욕구를 만족시킬 수 있는 고품질 멀티미디어 산업으로서, 기존 HD로 구성된 멀티미디어 산업을 한 단계 뛰어넘는 차세대 미디어 산업임 - UHDTV 산업은 기존 HD 대비 수십 배의 데이터를 가짐에 따라 콘텐츠 획득에서 제작, 편집, 송출, 수신, 디스플레이 등 정보 및 영상기기 산업 전체에 걸쳐 break-through 기술이 필요 [그림 2-1 참조] <그림 2-1> UHDTV 방송 산업 개념도 산업의 특징 - UHD 영상 산업은 콘텐츠 제작에서 송출, 수신, 소비에 이르는 全 과정을 구성 하는 장비, 기기, SW 및 부품을 포괄하는 동시에 관련 콘텐츠 및 서비스까지 포함 7
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 - (강력한 전후방 산업 파급효과 및 폭발적 잠재수요) 4K/8K UHD 미디어 서비스는 영상획득 장치, 신호처리 부품, 초소형 초경량 대용량 초고속 저장장치, 디스 플레이에 이르는 전방위적 파급효과를 가지며, 잠재수요가 막대 하여 내수 및 수출시장도 매우 큼 - (원천기술, 국제표준 및 특허권 확보가 성장의 관건) HDTV 이후의 방송서비스 신산업으로 핵심 원천기술의 선점과 국제표준화를 통해 대용량 콘텐츠 송수신 및 서비스 기술 리더십 확보가 가능 - 방송을 비롯해서 영상/정보기기 산업 전반에 걸친 기술혁신이 요구되어, full HD 이후의 4K/8K 미디어 서비스를 위한 핵심기술의 조기 확보가 향후 시장주도의 핵심 성공요인이 될 것임 UHDTV 방송 기술 분류 일반적으로 방송 서비스는 콘텐츠 제작, 부호화, 전송, 수신, 재현 단계를 거쳐서 시청자에게 제공됨. 이러한 일련의 처리 단계는 기존 HDTV 방송 서비스뿐만 아니라 UHDTV 방송 서비스에도 동일하게 적용될 수 있음 UHDTV 방송 기술은 <그림 2-2>와 같이 획득, 편집, 부호화, 전송, 단말 및 디스플레이 기술로 분류할 수 있는데, 각 기술요소별로 소형화, 고속화, 대용량화를 어떻게 달성하느냐가 관건임 - UHD 콘텐츠 획득 및 편집 기술은 4K/8K 해상도의 초고선명 영상 및 10채널 이상의 다채널 오디오를 획득하여 이를 저장하고 편집하기 위한 기술로서, 세부적으로는 4K/8K 영상 획득을 위한 초고화질 카메라 제작을 위한 촬상 소자 기술, 렌즈 기술, 실시간 영상처리 기술, 10채널 이상 오디오 획득을 위한 마이크로폰 어레이 기술과 실시간 오디오 처리 및 믹싱 기술, UHD 프로그램의 고품질 제작/편집을 위한 비압 축 UHD 미디어 재생 및 비선형 편집 기술, 비압축 UHD 미디어의 저장/관리를 위한 대용량 고속 저장 기술 등을 포함 - UHD 콘텐츠 부호화 기술은 대용량의 UHD 신호를 효율적으로 전송하기 위해 압축 부호화하고, 동기화 및 다중화를 통해 전송 스트림을 생성하는 기술로서, 세부적으로 4K/8K 영상의 고화질/고압축률 부호화 알고리즘 기술과 실시간 비디오 부/복호화기 구현 기술, 10채널 이상 오디오의 고음질/다계층 부호화 알고리즘 기술, 압축된 8
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 UHD 미디어 스트림들을 동기화된 하나의 전송 스트림(TS)으로 실시간 다중화 및 역다중화 하는 기술을 포함함 - UHD 미디어 전송 기술은 압축 부호화된 UHD 미디어를 매체의 특성을 고려하여 효율적으로 전송하기 위한 기술로서, 부호화된 UHD 미디어를 케이블/위성/지상파 /IP 망으로 대용량 전송하기 위한 고효율 다차원 변복조 기술, 채널 부호화 기술, 채널 등화 기술을 포함함 - UHDTV 단말 기술은 압축 부호화된 UHD 미디어를 다양한 매체를 통해 수신하여 이용자가 소비할 수 있도록 처리하는 기술로서, 케이블/위성/지상파/IP 망으로부터 부호화된 UHD 미디어를 수신하여 실시간 재생하기 위한 전달망별 복조/채널등화/ 채널복호화 기술, 실시간 저장/역다중화/AV복호화 기술, 비압축 AV 신호 입출력 인터페이스 기술을 포함함 - UHDTV 디스플레이 기술은 UHDTV 단말을 통해 수신하여 재생한 신호를 디스 플레이 및 스피커에 재현하기 위한 기술로서, 비압축 UHD 영상을 화면을 통해 재현 하기 위한 4K/8K 영상 화질 개선 기술, 4K/8K LCD/PDP 패널 기술 및 구동 기술, 4K/8K 프로젝터 색소자/렌즈 기술 및 구동 기술, 비압축 UHD 오디오를 여러 대의 스피커를 통해 재현하기 위한 다채널/다계층 오디오 신호처리 기술 및 라우드 스피커의 구조/배치 기술을 포함함 <그림 2-2> UHDTV 방송 기술의 분류 9
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 국내외 기술 및 시장 현황 UHD 비디오 획득 기술 분야 - 일본 NHK가 2000년대 초반부터 연구를 수행하기 시작하여 2008년에 3,300만 화소의 비디오를 촬영할 수 있는 8K-UHD 카메라를 시제품으로 개발하였으며, 현재는 현장 에서 쓰일 수 있도록 하기 위하여 소형화에 노력을 기울이고 있음 - 4K UHD 카메라는 DALSA가 2003년 NAB에서 최초로 Origin 제품을 시연한 후 2006년에 상용화 제품을 출시하였고, RED Digital은 2007년, 2011년에 각각 Red One, Red EPIC, 2012년에 JVC는 GY-HMQ10, Sony는 CineAlta F65, 캐논은 EOS C500, EOS4K, Astrodesign은 AH-4413을 상용 제품으로 출시하였음. 2013년 NAB를 기점으로 저가형 카메라가 대거 출시됨에 따라 가격 경쟁이 본격 시작됨 [표 2-1 참조] - 4K 카메라 출시 초기에는 주로 영화 제작에 많이 사용되다가, 최근에는 국내 방송사 에서도 일부 드라마나 다큐멘터리 프로그램 제작에 Red One 카메라 또는 F65 카메라를 사용하고 있는 추세임 <표 2-1> UHDTV 카메라 출시 현황 DALSA의 Origin ( 06년 출시) Red Digital의 One ( 07년 출시) 4096 2048 (8.3 M pixels, 1~60p) 4096 2304 (9.4 M pixels, 30p) Red Digital의 EPIC ('11년 출시) JVC의 GY-HMQ10 ('12년 출시) DCI 4K: 4096 2160 (8.8 M pixels, 120p) UHD 4K: 3840 2160 (8.3 M pixels, 24,50,60p) 10
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 Sony의 CineAlta F65 ('12년 출시) Canon의 EOS C500 ('12년 출시) DCI 4K: 4096 2160 (8.8 M pixels, 1~60p) Canon의 EOS-1D C DSLR ('12년 출시) DCI 4K: 4096 2160 (8.8 M pixels, 1~60p) Astrodesign의 AH-4413 ('12년 출시) DCI 4K: 4096 2160 (8.8 M pixels, 24p) UHD 4K: 3840 2160 (8.3 M pixels, 60p) UHD 비디오 부복호화 기술 분야 - NHK는 2006년 MPEG-2 기반 부호화 시스템, 2007년 H.264/AVC 기반 부호화 시스템 개발을 통해 12Gbps의 데이터량을 갖는 8K UHD 비디오를 약 120Mbps로 압 축하는 기술을 개발하고, 2012년 초에는 H.264/AVC 기술을 확장해 약 72Mbps로 압축할 수 있는 코덱 시스템을 개발한 바 있음 [그림 2-3 참조] - 2013년 1월에 H.264/AVC 방식에 비해 약 2배의 압축 성능을 가지는 HEVC 기술에 대한 FDIS 표준이 완성되었고, 2013년 상반기에 IS 표준 승인을 앞두고 있는 상태임. 따라서 2012년 IBC 전시회를 시작으로 HEVC 코덱 기술에 대한 구현 결과가 시장에 출시되고 있는 상황이며, 2013년 4월에 개최된 NAB 전시회에서 HD 비디오 및 4K UHD 비디오에 적용하기 위한 HEVC 코덱 솔루션 출시가 급격히 늘어나고 있는 추세임 [그림 2-4 참조] - HEVC 버전 1 표준은 YUV 4:2:0 컬러 샘플링 형식만을 지원하고 있으며, 고 충실도 UHD 서비스 및 스튜디오 제작에 필요한 YUV 4:2:2/4:4:4 샘플링 형식 및 10비트 이상의 샘플당 비트수를 지원하는 HEVC RExt(Range Extension: 11
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 충실도 확장) 표준화가 2014년 1월 FDAM 승인을 목표로 진행 되고 있음. 또한 HEVC 버전 1을 기반으로 공간해상도 및 품질(SNR: Signal to Noise Ratio) 스케일러빌러티를 지원하는 SHVC(Scalable extension of HEVC) 표준화가 2014년 7월 FDAM 승인을 목표로 진행 중임 <그림 2-3> 비디오 압축 표준 성능 비교 <그림 2-4> HEVC 비디오 압축 표준화 일정 - 2013년에 NHK는 8K UHD 영상에 대한 HEVC 기반 복호화 시스템을 Mitsubishi와 공동으로 개발하여 시연한 바 있음 - 2012년 9월 IBC에서 ATEME은 4K HEVC 부호화기 데모(UHD 60p 비디오를 15Mbps로 부호화), 2013년 10월에 출시 예정 - 2013년 1월 CES에서 Allegro DVT는 4K HEVC 디코더 IP 데모 - 2013년 1월 CES에서 Broadcom은 4K(4096 2160@60p) HEVC 디코딩 칩 발표, 2014년 중반 양산 예정 - 2013년 2월 WMC에서 NTT Docomo는 4K HEVC 실시간 디코딩 시연 (3,840x2,160@60p, 2.7 GHz quad core Ivy Bridge CPU 채용 PC) 12
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 - 국내에서는 ETRI에서 HEVC 기반 4K급 UHDTV 부복호화 기술이 개발 중이며, 2012년 9월에 카이미디어와 공동으로 4K UHD 실시간 HEVC 복호화기를 개발 (HM 6.2기반, 30p 지원)하고, 2013년 현재, 4K UHD 실시간 HEVC 부호화기를 개발 중에 있음 UHD 오디오 기술 분야 - UHDTV 오디오 부호화 기술은 2010년 10월 94차 MPEG 회의에서부터 본격적 으로 논의를 시작하여, 2013년 1월 103차 회의에서 CFP 발간, 104차 회의에서 평가 절차 확정, 105차 회의에서 참조모델 결정 등의 일정으로 추진 중임. 22.2 채널과 같은 다채널 신호뿐만 아니라 객체 오디오 신호, 다채널 음장 신호까지 고려하고, 부호화 기술뿐만 아니라 다양한 스피커 레이아웃에 적응적인 재현 기술도 고려 - NHK에서는 SHV(Super Hi-Vision)를 위한 초실감 오디오 시스템으로 22.2 채널 시스템을 개발하였고, AAC 기반 부호화 기술 및 콘텐츠 제작 기술을 개발 중임. 또한 MPEG 뿐만 아니라 SMPTE, ITU-R에서도 관련 표준화 활동을 진행 중 - Fraunhofer IDMT에서는 3차원 오디오를 위한 WFS(Wave Field Synthesis) 기술을 극장용 오디오 솔루션으로 상업화하기 위하여 Iosono란 spin-off 업체를 설립하여 상용화를 추진 중 - Dolby에서는 기존의 극장용 오디오 시스템을 획기적으로 개선하기 위한 객체 기반 및 고차 다채널 오디오 시스템인 Dolby Atmos를 개발함 - DTS에서는 객체 오디오 신호를 기존의 다채널 오디오 신호와 결합하여 활용 할 수 있는 Hybrid Audio Codec에 대한 기술을 개발 중 - Orange Lab, Technicolor, Qualcomm 등에서는 Ambisonics에 기반하는 Flexible 다채널 오디오 녹음/제작/재현 기술을 개발 중 - 국내는 ETRI에서 2011년부터 UHDTV를 위한 3차원 실감 오디오 부호화 및 재현 기술을 개발 중 - KAIST에서 2차원 스피커어레이 및 3차원 스피커어레이를 이용하여 자유로이 음원을 배치할 수 있는 사운드 볼 기술을 개발 중 13
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 UHD 미디어 전송 기술 분야 - 비디오 신호를 100배로 압축하여 전송할 경우에 4K UHD 비디오는 약 30Mbps~180Mbps, 8K UHD 비디오는 약 120Mbps~720Mbps의 전송 대역폭이 요구됨. 여기에 다채널 오디오 신호와 데이터까지 포함하면 더 높은 전송 대역폭이 필요하게 됨 - UHDTV 신호의 전송 대역폭 문제를 해결하기 위해서는 상대적으로 쉬우면서 단기적으로 취할 수 있는 접근법은 기존 전송 인프라를 최대한 활용하는 것임. 위성의 경우 물리계층의 한 채널의 대역폭에 따라 전송율이 가변적이며, 케이 블의 경우 채널 결합 기법을 이용해 대역폭을 어렵지 않게 증가시킬 수 있음. 지상파의 경우 방송국마다 6MHz 단위의 한 채널만 사용하므로 채널 결합 기법을 도입하기 어려운 측면이 있음. 따라서 장기적으로는 자원이 한정된 방송통신 망의 매체들을 이용하여 대용량 데이터를 효율적으로 전송하기 위해서 매체별로 고효율 대용량 전송 방식에 대한 기술개발이 필수적임 - 일본 NHK는 2005년 Aichi Expo에서 일본내 8K UHD 위성전송 시연, 2008년 IBC에서 BBC, RAI와 공동으로 해외에서 8K UHD 위성전송 시연을 비롯해서 매년 위성을 통한 전송 시연을 대내외에 전개 중임. 2013년 1월에 통신위성을 이용 하여 4K UHD 위성방송을 2014년 7월부터 실시하겠다고 발표한 바 있음. 기술 개발은 2020년경 21GHz 대역 위성 방송을 목표로 변복조기술 개발을 추진 중에 있음. 한편 케이블의 경우에는 2010년에 6MHz 대역에서 256-QAM기반 4채널을 결합하여 8K UHD 콘텐츠 전송 실험을 실시한 바 있음. 지상파의 경우 에는 6MHz 2채널을 결합하여 4096 QAM-OFDM 방식으로서 동시에 두 개의 수평, 수직 편파를 이용하는 이중 편파 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 방송을 통해 약 180 Mbps을 전송할 수 있는 지상파 방송 전송 기술 개발을 추진 중임 - 우리나라는 2011년부터 ETRI에서 다채널 UHD 위성방송서비스에 필요한 초고속 적응형 위성방송 전송기술, 방송채널 결합 및 동적 할당 지원하여 최대 200Mbps 전송용량을 제공할 수 있는 케이블 전송 기술, 지상파 6MHz 1채널을 통해 70Mbps 이상의 전송용량을 제공할 수 있는 지상파 전송 기술을 개발 중임 14
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 UHD 디스플레이 기술 분야 - 4K UHD 디스플레이의 경우 기술 개발이 완료되어 상용 제품들이 출시되고 있고, 8K UHD 디스플레이는 NHK와 Sharp 공동으로 8K LCD 디스플레이 시 제품이 개발된 수준임 - 4K UHD 디스플레이는 Astrodesign에서 2009년에 화소당 비트수가 10bit인 신호를 재생하는 4K 모니터를 출시하였으며, Sony, 티브이로직 등에서 4K 모니터 제품을 출시하였음. 또한 LG전자는 2012년 84인치 4K LCD 디스플레이를 상용제품으로 출시하고, 삼성전자는 2013년 상반기에 85인치 LCD 상용제품을 출시한 바 있음 - <표 2-2>에서 보는 바와 같이 2013년 1월 CES를 기점으로 우리나라는 삼성 전자, LG전자에서 4K LCD 디스플레이의 라인업을 강화하는 중이며, 일본은 Sony, Panasonic, Sharp, Toshiba, JVC 등에서 4K LCD 디스플레이를 대거 출시하였음. 한편 중국의 경우도 Hisense, TCL, Hier 등에서 4K LCD 디스플 레이를 출시함으로써 UHD 시장에 본격 가세한 상황임. 더욱이 2013년 4월의 NAB 전시회에서는 일본 가전사들의 저가 출시로 시장 경쟁은 더욱 가열되고 있는 실정임 <표 2-2> UHDTV 출시 현황 Samsung의 110인치 4K LCD TV ('13년 1월) LG의 84인치 4K LCD TV ('12년 9월) Sony의 84인치 4K LCD TV ('12년 출시) Sony/Panasonic의 56인치 4K OLED TV ('13년 1월) 15
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 3. UHDTV 서비스 및 표준화 현황 UHD 미디어 서비스 방안 및 현황 서비스 방안 - UHDTV 서비스 제공을 위한 콘텐츠 획득, 제작/편집, 부호화는 서비스의 유형과 상관없이 공통적인 기술(제품)을 활용할 수 있음 - 콘텐츠를 전달하는 방법으로는 지상파, 위성, 케이블 등 방송망을 통한 콘텐츠 전달 방법, IP망을 통한 스트리밍이나 다운로드에 의한 콘텐츠 전달 방법, 블 루레이 디스크 등 저장매체를 통한 콘텐츠 전달 방법이 가능함 - UHDTV 수신은 시청자 입장에서 TV 수상기, PC 모니터, 프로젝터를 통해 제공 받을 수 있음. 디코딩 기능을 내장하지 않은 경우에는 별도의 STB가 필요함 [그림 3-1 참조] <그림 3-1> UHDTV 미디어 서비스 방안 방송서비스 현황 및 전망 - 2012년 런던 올림픽의 개막식 및 일부 경기를 NHK와 BBC가 8K급 초고화질 16
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 위성방송으로 시연 - 2012년 ABU(아시아-태평양방송연맹) 서울 총회에서 NHK는 2016년에 위성을 이용한 8K UHDTV 실험방송을, 2020년에 지상파를 이용한 8K UHDTV 실험 방송 실시를 공식 발표하였음 - 2012년 9월 IBC에서 룩셈부르크 SES는 소니와 4K UHD 위성 생방송 시연 - 2013년 1월 로이터통신 보도에 따르면, 일본의 Skyperfect JSAT사는 2014년 7월부터 통신위성을 통해 4K UHD 시범서비스, 이후 NHK의 방송위성을 이용한 실험방송, 2016년 지상파 실험방송으로 확대 계획 발표 - 2013년 1월부터 Eutelsat(프랑스 통신위성 운영업체)은 DVB-S2/8PSK 방식 으로 4K UHD 위성방송 서비스 중 (3,840x2,160@50p 영상포맷) - 2012년 9월에서 12월까지 KBS와 MBC, SBS, EBS등 지상파 4사는 4K UHDTV 실험방송을 실시함. KBS 관악산 송신소에서 100W 출력파워로 DVB-T2 송수신 기술(6MHz, 256-QAM, 32k FFT, LDPC 적용, 최대 전송률 36.5Mbps) 및 HEVC 코덱 기술(4K YUV4:2:0/8bit/30p 영상, Main Profile, 압축비트율 30Mbps)을 적용하였고, ETRI와 카이미디어에서 개발한 HEVC 디코더를 활용함 - 2012년 10월부터 ETRI와 KT스카이라이프는 Ka 대역 천리안 위성을 통해 4K UHDTV 전송 실험 실시. 2013년 1월부터 ETRI와 CJ헬로비전은 4K UHDTV 케이블 실험방송 실시 [표 3-1 참조] <표 3-1> 국내 UHDTV 실험방송 현황 주요 항목 지상파 케이블 위성 비디오포맷 4:2:0 8bit 4:2:0~4:2:2 8~10bit 4:2:0 8bit 압축포맷 HEVC H.264/AVC HEVC H.264/AVC 전송율 36.5 Mbps 40 Mbps(~80Mbps) 40 Mbps 전송방식 DVB-T2 OpenCable DVB-S2 대역폭 6MHz 6MHz(x 2채널 결합) 30 MHz 17
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 IP망을 이용한 스트리밍/다운로드 서비스 현황 및 전망 - 2010년부터 YouTube는 최대 4,096 3,072 해상도(12.6 M pixels, 화면비 4:3)의 영상을 업로드 할 수 있고, 다운로드 후 재생할 수 있음 - 2013년 1월 CES에서 Sony는 Sony Pictures 등의 헐리우드 4K 영화를 13년 여름에 다운받아 볼 수 있는 서비스 추진 발표. 2013년 3월 Sony는 PlayStation 4를 통해 4K 영화 다운로드(200GB+) 서비스를 추진 예정임을 발표 - 2013년 3월 Netflix는 1~2년 내에 4K 스트리밍 서비스를 제공하겠다는 계획 발표 저장 매체를 통한 4K UHD 서비스 현황 및 전망 - 2012년 12월 Red의 Redray 4K Cinema Player 출시하였으며, 100시간 분량의 1TB 드라이브, 영상 해상도는 4,096x2,160 DCI, 3,840x2,160 4K UHD를 지원함. 클라우드를 이용하는 Distribution Platform인 ODEMAX와 연계하여 디지털 시네마 서비스 실시 - 2013년 1월 CES에서 삼성은 4K UHD 업스케일링 기능을 지원하는 Blu-Ray 3D Player 발표 - 2013년 1월에 BDA(Blu-ray Disc Association)는 2012년 말부터 4K UHD 비디오를 지원하는 BD 확장 규격 연구 중이라고 발표 - 2013년 2월에 Sony는 PlayStation 4에서 4K 해상도의 사진 및 비디오 출력을 지원하기로 발표 UHDTV 방송 표준화 현황 UHDTV 방송 표준 기술의 범위 - UHDTV 방송 서비스를 위해 필요한 표준화 항목은 AV 획득, 부호화, 다중화, 전송, 수신, 저장, 인터페이스 등의 각 분야별로 나눌 수 있음 [그림 3-2참조] 18
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 <그림 3-2> UHDTV 방송 표준 기술의 범위 표준화 항목별 진행현황 - 표준화는 아래의 <표 3-2>와 <표 3-3>에 열거한 바와 같이 여러 국내외 표준화 기구에서 활발히 정해지고 있음 <표 3-2> 방송매체와 독립적인 표준화 항목 및 현황 구분 표준화대상항목 표준화기구 표준화현황 부호화 기술 시스템 기술 신호규격 인터페 이스 기술 UHD 비디오 부복호화 기술 UHD 오디오 부복호화 기술 UHDTV Systems 기술 UHD 비디오 신호 규격 UHD 오디오 신호 규격 방송장비 간 인터페이스 기술 단말과 디스플레이간 인터페이스기술 JCT-VC HEVC V1 표준화 진행 중 ( 13년 초 FDIS 완료) HEVC V2 (Scalable 확장) 진행 예정 ( 12년 10월 CfP 진행) MPEG-H MPEG-H Audio 12년 말부터 표준화 진행 MPEG MMT(MPEG Media Transport) 표준화 진행 중 ITU-R, SMPTE, TTA ITU-R, SMPTE, TTA SMPTE, ITU-R HDMI SMPTE 2036-1: UHDTV Image ( 09년 개정) ITU-R BT.2020: UHDTV 비디오 신호규격( 12년 8 월 완료) TTA: 국내 표준( 10년 제정) SMPTE 2036-2: UHDTV Audio ( 08년 제정) TTA: 국내 표준( 11년 제정) SMPTE 2036-3: UHDTV-Mapping into Single-link or Multi-link 10 Gb/s Serial Signal/Data Interface( 10년) HDMI 1.4 (30fps의 4K UHD 비디오 전송 가능, 09년) HDMI 2.0 표준화 진행 중 19
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 <표 3-3> 방송매체별 표준화 항목 및 현황 구분 표준화대상항목 표준화기구 표준화현황 DCATV기반 DVB, ITU-T, DVB-C2 : 전송고도화 기술 표준 완료 송수신 기술 SCTE ITU-T SG9 : 대용량 전송기술 표준화 진행 중 UHDTV 위성기반 DVB, ISDB-S, 송수신 DVB-S2 : 전송고도화 기술 표준 완료 송수신 기술 ITU-R 기술 지상파기반 DVB-T2 : 전송고도화 기술 표준 완료 ATSC,DVB 송수신 기술 ATSC 3.0 : Physical Layer 제안서 제출( 13년 9월) DCATV기반 PG803 : 표준과제 채택( 11년), 서비스 시나리오 및 TTA 송수신정합규격 요구사항 정의( 12년) UHDTV 위성기반 방송 TTA 송수신정합규격 서비스 TTA PG802: UHDTV WG (WG8026) 신설( 12년 07 기술 지상파기반 TTA, DVB 월) 차방포럼과 Study mission 수행 중 송수신정합규격 DVB CM-UHDTV : 12년 9월 신설 20
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 4. 결론 및 시사점 4K UHDTV 방송 아니면 8K UHDTV 방송인가? - UHDTV 방송 도입을 위해 장기적으로 인간이 느낄 수 있는 최고의 비디오 및 오디오 품질을 지향하는 8K UHDTV 방송으로 갈 것 인지 아니면 중단기적 으로 기술의 한계 또는 시장의 상황을 고려하여 4K UHDTV 방송으로 갈 것 인지에 대한 논의가 지속되어 왔음. 2013년 NAB를 기점으로 공급자 중심의 4K UHD 시장이 전개될 것으로 보이나, 콘텐츠 제작비용의 보전방법은 업계의 숙제가 될 것임. 향후에는 4K UHDTV 방송에서 HDTV 방송에 비해 훨씬 나은 품질의 비디오 및 오디오 규격에 대한 표준 논의가 본격화 될 것임. 비디오는 화소당 비트수, 프레임율, 칼라 샘플링 측면에서, 오디오는 채널 수 측면에서 파라미터 값을 어떻게 설정할 것인가가 주요 이슈임 우리나라의 기술경쟁력 우위는 무엇인가? - 4K UHDTV 카메라는 디지털 시네마용 카메라에서 시작한 미국의 Red가 시장을 선점하고 있는 가운데, 일본의 Sony, Canon, JVC 등이 빠르게 시장에 진입하고 있는 상황임 - 4K UHD 콘텐츠 제작 워크플로우는 Sony를 위시해서 Adobe, Avid, Apple 등에서 시장을 선점하고 있는 상황이며, 2013년 NAB를 기점으로 경쟁이 본격화 되었음 - 4K UHD 비디오 부호화에 적용이 유력한 HEVC 기술에 대해서는 표준화 초기 부터 삼성, LG, ETRI 등에서 기술 개발에 적극 참여하고 있어 타 분야에 비해 상대적으로 기술 우위에 있으나, 인코더와 같은 방송 장비의 경우에는 시장 진입 장벽이 높아 지속적인 R&D 투자가 필요함 - 4K UHD 전송 기술과 관련해서는 국내 산학연에서 기술 개발에 적극 참여하고 있는 분야임. 특히 ATSC 3.0 표준화가 이제 시작되는 상황이라 지속적인 R&D 투자가 필요함 - 4K UHD 디스플레이는 삼성, LG에서 세계 최고의 기술력을 확보하고 있음 우리나라의 UHDTV 방송 기술의 경쟁력 확보 전략은? - 4K UHD 디스플레이/수상기의 지속적 경쟁 우위 유지와 4K UHD 비디오 코덱 21
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 및 전송시스템의 신규 시장 진입 기회 확보를 위해서는 무엇보다 기술경쟁력을 확보하는 것이 중요함 - 방송 서비스의 경우 기술경쟁력을 확보하기 위해서는 방송 체인의 전반적인 생태계 구축을 통해 다양한 기술 검증 및 시험을 거침으로써, 실제 다양한 방송 서비스 환경을 고려한 성능 개선으로 제품의 경쟁력을 확보하는 것이 필요함. 또한 생태계 구축에 의한 서비스 활성화를 통해 내수 시장을 바탕으로 글로벌 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것으로 판단됨 - 한편 생태계 구축에 있어서 무엇보다 중요한 요소는 UHD 콘텐츠 제작이며, 이를 위한 제작워크플로우 기술 개발, 제작 환경 구축, 콘텐츠 제작 지원 등을 위한 투자가 선행되어야 할 것임 - 아울러 개발 기술에 대한 글로벌 표준화에 적극 참여함으로써 표준 IPR 확보를 통한 기술경쟁력 강화도 중요함 - 따라서 경쟁 우위 및 시장 진입이 유력한 기술에 대한 R&D 투자를 강화하고, 실험방송 또는 시범서비스를 적극 활성화함으로써 제품 경쟁력을 확보할 수 있도록 지원하는 것이 필요함 22
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 참고문헌 1. 최진수, "UHDTV 방송 기술 및 표준화," 한국방송공학회 실감미디어워크숍, 2013. 4 2. 조숙희, 김제우, 최진수, UHDTV 방송 서비스를 위해 요구되는 비디오 부호화기의 성능 분석, 한국방송공학회지, 제18권, 제2호, 2013년 4월 3. 조숙희, 전동산, 최진수, UHDTV 기술 및 표준화 현황, TTA Journal, 제140권, 2012년 3월 4. 전동산 외, "UHDTV 방송기술 및 표준화 동향, 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석, 제26권, 제4호, 2011년 8월 5. 김휘용, 임성창, 이진호, 최진수, HEVC 표준화 동향 및 요구사항, 전자공학회지, 제38권, 제8호, pp.22-26, 2011년 8월 6. 이호영, 최서영, 박두식, 초고선명방송(UHDTV) 기술 표준화 현황 및 산업 동향, 한국통신학회지, 정보와 통신, 28권 6호, pp.4-10, 2011년 6월 7. 최진수 외, "초고선명TV(UHDTV) 방송 기술, 한국전자파학회지, 제21권, 제6호, 2010년 11월 8. 안현상, IT 성장의 기폭제, 고화질 영상시대, SERI 경영노트, 제178호, 2013년 2월 9. http://www.nhk.or.jp/strl/open2010/en/tenji/index.html 10. http://www.nhk.or.jp/strl/open2011/tenji/index_e.html 11. http://www.nhk.or.jp/strl/open2012/html/tenji/index_e.html 12. http://en.wikipedia.org/wiki/4k_uhd 13. http://en.wikipedia.org/wiki/hevc 14. Ken McCann, "Beyond HDTV: Implications for Digital Delivery," Ofcom, July, 2009 15. M. Sugawara, K. Masaoka, M. Emoto, Y. Matsuo, Y. Nojiri, "Research on Human Factors in Ultrahigh-Definition Television(UHDTV) to Determine Its Specifications," SMPTE Motion Imaging Journal, pp.23-29, April, 2008 16. T. Hatada et al., Psychophysical Analysis of the Sensation of Reality Induced by a Visual Wide-Field Display, SMPTE Journal, vol.89, pp.560-569, Aug, 1980 17. TTA, 초고선명 디지털 TV 영상 신호, TTAK.KO-07.0082, 2010년 12월 23일 23
UHDTV 방송 기술 동향 및 전망 18. Recommendation ITU-R BT.2020, 'Parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange', 2012 19. SMPTE, Ultra High Definition Television - Image Parameter Values for Program Production, SMPTE 2036-1, 2009 20. SMPTE, Ultra High Definition Television - Audio Characteristics and Audio Channel Mapping for Program Production, SMPTE 2036-2, 2008 24
PM Issue Report 2013 제1권 이슈6 방송통신 PM Issue Report 발 행 일 2013년 4월 29일 발 행 처 한국방송통신전파진흥원 R&D기획본부 주 소 138-950 서울시 송파구 중대로 135 IT 벤처타워 서관 홈페이지 www.kca.kr 이 보고서의 저작권은 한국방송통신전파진흥원에 있습니다. 무단전재나 복제를 금합니다. 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 KCA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 본 자료는 http://www.kompass.or.kr에서 확인 하실 수 있습니다. (문의) 02-2142-1573, rarayes@kca.kr 25