영상의 SDR(Standard Dynamic Range)과 HDR(High Dynamic Range)

 

요즈음 UHD 시대가가 시작되면서 화질에 대한 연구가 활발하여 그 중 HDR에 대한 이야기가 자주 등장한다. 카메라는 물론 TV모니터에 HDR 기능을 도입하고 있다. 4K/HDR이란 표현이 자주 등장한다. 우리가 눈으로 보는 것처럼 영상을 촬영하고 디스플레이 할 수 있는 단계에 오르려면 아직도 갈길이 멀다고 본다.   

영상화면에서 주요한 요소 중의 하나가 한 화면에서 찾이하고 있는 명암대비(Contrast)의 정열이다. 명암의 단계가  많아질 수 있다면 선명한 화면을 얻을 수 있다. 다시 말하면 한 화면에서 가장 밝은 부분(White)으로부터 가장 어두운 부분(Black) 까지 분포된 명암 단계가 많아질 수록 영상은 선명해진다. 

  그래서 촬영되는 대상의 명암 분포가 많은 단계를 가질 수 있는 조명을 할 필요가 있다. 이 조명 작업이 쉽지 않기 때문에 노련한 조명담당을 만나야 좋은 영상을 얻게 된다. 잘 못 생각하면 카메라 등 영상장치에서 명암대비를 높이면 될 것 같지만 명암대비 조절기능(Contrast)을 높이면 밝은 곳은 더 밝아지고 어둔 곳은 더 어두어 지는 격차를 높여 극단적으로 조정하면 명암의 밝기(Luminance)가 2 단계로 나뉘어 오히려 아주 나쁜 영상이 된다.

그리고 영상을 밝기를 조정하는 Brightness는 모든 영상을 동시에 밝게하여 오히려 Black level이 같이 올라 가 흐리멍덩한 영상이 된다. 비디오의 이득을 너무 높이면 White Level 부분이 clipping되어 명암단계가 무너지고, 비디오 이득을 낮추면 Black level의 명암 단계가 무너진다. 영상의 밝은 부분이나 어둔부분의 명암단계를 넓게 분포되도록 하여 영상의 선명도를 조정해야 하는 데 그 명암 단계의 범위를 골고루 해주는 기능이 HDR(High Dynamic Range) 기능이다. 우리말로 번역한다면 광폭명암대역(廣幅明暗帶域)이라 할 수 있다.

  앞서 말한 HDR 기능에 의해 전체화면의 명암 범위를 크게하여 많은 명암단계가 형성될 수 있는 표현이 선명한 영상을 얻을 수 있게한다. 우리 눈은 약 4만 단계(nit)의 명암대비를 인식할 수 있는데 SDR에서 일반 TV영상은 최대 100단계 정도를 구분해 표현하고 있다.

그런데 HDR기술을 적용하면 현재 약 1000단계(nit)의 명암까지 나타낼 수 있다고 한다. 다시 말하면 아주 어둔 부분에서 아주 밝은 부분까지 1000단계의 명암대비 영상을 나타낼 수 있어 매우 선명하게 보인다.

 <참고> 니트(Nit) : 빛의 밝기를 나타내는 단위, 1니트는 1m² 공간에 촛불이 한 개 켜진 밝기. 가령 영화관의 밝기는 48nit, 일반 PC용 모니터가 약 100nit이며, tv가 100~200nit 정도 된다. 

 일반적으로 사용하는 디지털 카메라의 영상에 대한 샘플링 비트를 보면 8 bit, 10 bit, 12 bit 등이 있는데 영상의 화소(Pixel)의 Contrast 표현을 본다면 8 bit라면 256 단계, 10 bit라면 1024 단계의 명암을 갖게 될 수 있다.  따라서 HDR 기능을 활용하려면 적어도 10비트 이상을 사용할 수 있는 카메라로 HDR 기능을 살려 촬영하여야 한다.

컬러는 R, G, B로 표현돼야 하기 때문에 8비트에서 256 X 256 X 256 = 1677만 7216색상이 된다면 10비트에서는 R,G,B 각각 1024가 되어 1,073,741,824의 색상을 나타낼 수 있다.  

 

영상표현에서 명암단계를 표현 할 때 직선성(Linearity)을 택한다면 일반적으로 전체적인 영상이 어두어지게 된다. 우리는 한 화면에 나타나는 밝은 부분을 많이 포함하기 위해 영상의 밝은 부분 분포를 조정하기 위한 방법으로 높은 부분의 Video Level을 많이 표현하기 위해 white 감마(Gamma = 출력/입력), Bakck 감마 값을 적당히 적용하고 있다. 그렇다고 해상도가 좋아지는 것은 아니다. 잘못 선택하면 영상의 밝은 부분이 억압(clipping)되어 밝은 영상 부분의 단계가 뭉게지게 되고 오히려 영상에서 많은 명암단계를 표현하지 못해 선명한 화면이 될 수 없게 된다.

  그래서 만들어진 것이 감마 값을 많이 높이지 않고 영상의 명암의 대역폭을 크게하고 단계를 많이 만들어줄 수 있는 역할이 HDR 기능이다. 어둔 부분을 기준으로 촬영한 영상과 밝은 부분을 기준으로 촬영된 영상을 합성하여 HDR 기능이 살아나도록 사용한다. HDR 기능을 사용하지 않은 상태가 일반적인 SDR(Standard Dynamic Range)이다.

  HDR 기능은 주로 UHD에서 많이 사용 된다. 만약에 카메라나 모니터에서 HDR 기능이 있다면 선택해 자주 사용하는 것이 선명한 화면을 얻게 하는 방법이다. Youtube에서 캐논 카메라  EOS 5D MARK IV의 4K영상을 촬영할 때 HDR 기능을 on 시켜놓고 촬영된 영상과 off로 촬영된 영상을 비교한 것을 찾아 참고해 볼 수 있다. 

 

             SDR 화면                           HDR 화면

 

 새로운 UHDTV를 구입할  때도 HDR의 유무를 참고하기 바란다. 물론 HDR로 촬영하지 않은 영상을 HDR모니터에서 나타낼 수 없다. 그리고 HDR을 제대로 사용하려면 TV용 패널이 10비트를 지원해야 한다.