영상의 24, 30, 60 프레임 레이트(Frame Rate)의 이해 : 추가설명

1. 영상 프레임의 결정

  우리가 1초동안 몇장의 정지된 그림이나 화면을 연속적으로 보여주어야 움직임을 좋게 볼 수 있을지 결정되어야 한다. 우리가 어떤 것을 눈으로 보는 순간 기억하는 잔상(殘像: After Image))은 1/16초 동안이라고 한다. 이 말은 한장의 글림 또는 화면을 보는 순간 계속 보지 않아도 1/16초 동안 그림이나 화면의 기억이 계속 남아있다는 의미다.

따라서 1/16초 이내에 조금씩 변화하는 그림이나 화면의 움직이 차례로 연결돼 연속해 보여진다면 그림이나 화면이 단절되지 않고 기억이 계속되어 움직이는 상태로 인식 된다. 이렇게 보고 있는 동안 잔상이 연결되는 현상을 활용한 것이 움직이는 만화영상, 영화영상, TV방송영상, 인터넷 TV영상 등이다.   그래서 만화(漫畵)를 만들때 연결되는 그림의 조금씩 다른 변화가 이루어질 때 적어도 1초동안 16장 이상을 연속적으로 지속될 수 있어야 마치 움직이는 동영상처럼 만들져 보이게 된다.

그런데 이런 동영상의 느낌은 1초당 16장만으로는 영상의 움지임 현상이 매끄럽고 부드럽게 연결지 않아 그보다 더 많은 18∼20장 이상이 1초당 사용하되어야 한다. 오늘날 디즈니 회사의 고급만화 영상은 그보다 훨씬 많은 30 frame/sec로 제작하고 있지만 무조건 많은 영상  데이터를 전송하는 데는 기술적인 한계와 제작비용이 많이 드는 관계도  고려해야 한다.

그런데 매우 빠른 피사체가 움직이는 동영상의 경우 Frame/sec가 적을 경우 영상의 뒤쪽이 끌려지는 모션블러(Motion Blur) 현상이 일어나는 느낌을 준다. 특히 피사체가 이동할 때 옆에서 빠른 Pan으로 촬영 한다면 영상이 뚝뚝 끊어지는 듯한 현상도 심하게 일어난다.

또한 이웃한 화면 간에 밝고 어둔 장면이 순간적으로 변화하면 깜박이는 현상(Flicker)이 발생하여 좋지 못한 영상이 된다. 따라서 많은 영상(Frame/sec)을 동원해 사용하는 방법을 모색해왔다. 처음 시작한 영화영상은 필름(Film)을 사용했는데 만들어지는 영화제작의 비용 등을 절감하기 위하여 최소한의 프레임(Frame)으로 결정된 것이 24 frame/sec이다.

지금 Video camera로 24 Frame/sec를 촬영하면 영화적 느낌을 받는다고 하는 사람들이 있는데 그래서 24Frame/sec를 선택해 촬영한다기 보다 영화관에서 영화으로 방영하기 위한 전환작업을 좋게 하기위한 선택이다. 프레임 수를 많이 하는 다른 촬영보다 더 좋은 영상이라고 하기엔 부적절하다. 

 영화관에서 보여주는 영화는 1초당 24장으로 보여줄 때 화면의 밝고 어둔 부분이 교차되면서 연결될 경우 깜박이는 현상(Flicker 현상)이 심하게 일어나기 때문에 필름(Film)을 통해 방영하는 영사기 자체에서 1장(Frame)의 영상를 보여주는 동안 기계적인 셧터의 동작을 1번 추가하여 영상을 2장으로 나눌 수 있게 하고 있어 실지로는 마치 48장의 영상을 보는 것처럼 해 Flicker현상을 줄여 줄 수 있도록 하고 있다.  

 그런데 TV방송 영상은 몇 Frame을 사용해야 했을까? 아날로그 영상을 송신하고 수신하는 데이터의 용량 한계 때문에 최대 30 frame/sec로 결정했다. 그러나 frame rate가 더 올라가게 하면 영상 데이터 용량이 많아져 공중파 전송의 기술적인 한계가 일어난다. 가장 적합한 Frame Rate를 늘리 수 있는 있는 방법을 찾아야했다. 그래서 실지 Frame/sec의 수를 늘리지 않고 1 Frame/sec를 홀수 Field와 짝수 Field로 나누어 60 Field/sec로 송수신 함으로서 마치 초당 60장의 영상을 보이도록 함으로서 Flicker현상의 방지를 할 수 있고 부드러운 영상을 볼 수 있게 됐다.  

 지금은 디지털시대가 되면서 영상의 송수신에서 데이터 용량을 압축해 줄일 수 있기 때문에 아날로그 시절 60 field/sec 대신 더 좋은 60 Frame/sec로 송수신할 수 있는 방법이 생겼다. 따라서 지금은 TV방송의 송수신은 최대한 60 Frame/sec 까지 사용할 수 있는 가능성이 생겼다. 정리하면 현재 촬영하고 있는 영상 카메라는 어떤 Frame Rate를 선택하고 촬영하여 편집하고 송수신할 수 있을까? 일반적으로

1) 24 FPS(Frame Per Second) : Flim 만화영상과 영화영상용

2) 30 FPS(Frame Per Second) :  60 Field/sec로 일반TV방송 영상용 

3) 60 FPS(Frame Per Second) :  60 Frame/sec 고급 TV방송 영상용

※ 단, 유럽방식의 TV방송 영상은 25 frame/sec 또는 50 Field/sec, 100 Frame/sec를 사용할 수 있다. 그 이유는 교류전기의 주파수와 관계 때문인데  우리나라, 미국 등은 60 Hz/sec의 교류전기를 사용하고, 유럽은 50 Hz/sec의 교류전기를 사용하기 때문이다. 

 

2. Color TV 시대의 프레임 비율(Frame Rate) 관계

 미국을 비롯한 여러나라는 전기의 교류주파수를 60Hz/sec를 사용하고 있어 영상을 60 Field/sec로 전송해왔다. 일반적으로 60 field/sec는 30 Frame/sec를 말한다. 그런데 앞서 알아본바와 같이 영상을 가정으로 전파하기 위한 영상 데이터의 기술적인 제약으로 30 frame 이상을 전송할 수 없어 Frame을 반으로 나누어 2 Field로 만들고 60 field/sec를 송수신하는 방법이 채택됐다. 이 방법은 보다 부드러운 영상이 만들어지도록 하고 Flicker현상도 적게하는 방법이다.

그런데   NTSC TV방송 방식에서 HDTV는 1 frame에 1125 line의 수평주사선을 갖고 있다.  1 frame을 2 field로 나누어 행하는 주사방법으로 홀수 1, 3, 5, 7, 9 … line을 먼저 거칠게 562.5 까지 주사하고, 다음에  화면 위로 올라와 짝수  2, 4, 6, 8 …line으로 된 화면을 주사함으로서 1125 line을 1 frame으로 완성 한다. 이런 주사방법을 우리는 비월주사(飛越走査: Interlaced Scanning)라 하고 있다. 

 그림 1-1  비월주사 방법

 

  다시 말해 30 frame 대신 60 field로 송수신 하는 방법이다. 그런데 흑백 TV방송에서 Color TV방송으로 바뀌면서  NTSC에서 color 신호를 추가해 실어 나르는 반송파(carrier)의 주파수와의 관계로 1초당 30 frame을 전송하지 못하고 컬러 동기신호와의 일치를 위해 사용되는 정확한 프레임 주파수는 30 Hz가 아닌 29.97002616 Hz이다.

 이 때문에 1초당 30 프레임의 실제 시간과 타임코드의 진행이 비슷할 뿐 정확하지 못하여 1분간 진행되면 2(정확히 1.8)프레임을 남기고 59초 28 프레임에서 끝난다.

 따라서 1시간을 기준으로 프레임 수를 관찰하면 흑백 TV일 경우 60 × 60 × 30  = 108,000 frme이 되는데 컬러 TV방송의 동기신호와 맞추게 되면 프레임 수는 60 × 60 × 29.97002616 = 107,892 Frame이 된다. 따라서 1시간 동안 108,000 －107,890 = 108 프레임의 차가 발생하고 시간이 달라진것처럼 된다.

 즉 흑백 TV일 경우는 문제가 없으나 color TV를 사용하면 1시간이 마치 1시간 3.6초 처럼 착각하게 된다. 그래서 1시간을 기준해 보정하는 방법으로 매 분마다 타임코드에서 2프레임을 감소시켜 주게 되면 60 × 2 = 120프레임이 줄어들게 되는데 오히려 120 －108 = 12프레임이 더 제거되어 1시간의 표시가 실제로는 그보다 12 프레임만큼 짧아진 것처럼된다.

 이를 해결하는 방법으로 1시간 동안에 매 00,10, 20, 30, 40, 50분을 제외하고, 매분마다 2프레임씩 잘라낸다면 정확한 1시간을 표시할 수 있다. 그래서 이 방법을 주로 사용하는데 이 방법을 드롭 프레임(Drop Frame: Skip Frame)방식이라 칭한다. 

 그러나 어떤 짧은 영상의 Animation 등 아주 짧은시간에 만들어지는 칼러영상에서 이러한 드럽프레임으로 보정하지 않고 그대로 사용해야할 때가 있는데 이 경우 30 frame을 1초 단위로 사용하는 경우를 논드롭 프레 임(Non-drop Frame)방식이라 하여 사용하고 있다. 그 좋은 예로 3D Animation 장비로 프로그램 Title Logo를 제작할 때나 짧은 몇초 간의 CF광고 영상을 제작할 경우다.

 정리하면 컬러TV 방송에서 사용되는 실직적인 영상의 FPS 선택은

 1) 30 i = 29.97 Frame/sec(여기서 i 는  Interaced scanning의 약자)

 2) 60p = 59.94  Frame/sec(여기서 P는 Progressived scanning의 약자)

3) 영화 영상의 촬영 FPS는 24p

어떤 사람은 24p로 촬영해야 영화의 맛이 난다고 하는데 이해가 안 된다. 영화는 TV방송 영상과 달리 시청 대상, 허구적인 구성과 내용에 특징이 있는 것이지 촬영되는 영상과 전혀 관계 없다. 다만 Video Camera로 촬영하여 Film으로 변환하기 위한 사전작업에 불과하다고 본다. 

※ Progressive scanning이란 순차주사(順次走査)로 논드롭 프레 임(Non-drop Frame) 방식이다.

※디지털 영상에서 Frame Rate는 필요에 따라 60p처럼 선택할 수 있으나 유효수평주사성수는 SDTV는 483 Line, HDTV는 1080 Line, UHDTV는 2160 Line 과 같이 서로 다르다.  

 

3. 영상 편집전에 결정해야 하는 프레임 레이트 

카메라 촬영당시 어떤 Frame rate를  선택해 사용했는지에 따라 편집해야 한다. 촬영된 영상을 편집해야할 경우 Frame Rate를 일치시켜 Non-Linear 편집기에서 Frame Rate를 결정하고 편집에 들어간다. 

물론 녹화기를 1 : 1로 설치하여 편집하는 경우도 같은 Frame Rate를 사용하게 되지만 Non-Linear 편집기에서는 다르게 frame을 결정하고 편집할 수도 있는 경우도 있다. 이 때 주의할 것은 촬영시간과 편집 결과의 시간이 달라질 수 있고 편집시간이 달라지면서 결과의 영상이 거칠게 나타날 수 있어 주의해야 된다. 일례로 24 frame으로 촬영된 영상을 30 frame으로 편집한다면 좀 Frame이 바뀔 때 부자연스러운 현상이 일어날 수 있다. 따라서 촬영 이전에 frame/sec를 결정하여 촬영하고 편집해야  한다.

 정리하면 영상을 실지 사용하기 위한 목적에 따라 촬영하고 편집할 시퀀스(Sequence)를  먼저 결정해야 한다.

 1) 영화  : 24 Frame/sec(Video로 촬영하고 볼 경우)

 2) NTSC TV방송 :  29.97 Frame/sec, 또는 59.94 Frame/sec 

 3) PAL TV방송 : 25 Frame/sec, 또는 50 Frame/sec 

<참고> 모든 영상의 송수신방식을 사용할 수 있는 Youtube가 아니고 공중파 TV방송용이라면 방송국의 송수신 방식을 따라 29.97 Frame/sec 또는 59.94 Frame/sec의 촬영과 편집을 요한다.

 

4. Slow Motion의 촬영과 편집

우리가 어떤 영상의 움직임을 부드럽고 정교하게 볼 수 있도록 느린 영상을 촬영해야 할 경우가 있다. 그러기 위해 1초에 30 Frame 촬영보다 배수의 많은 120 frame/sec, 150 frame/sec 이상을 선택하여 촬영하여 정상속도인 30frame/sec로 재생한다면 일상적인 영상보다 4배, 5배 느리게 볼 수 있다. 요즈음 60P Frame/sec로 촬영해서 30 Frame/sec로 편집해 재생한다면 정상보다 2배 느린 영상이 되기 때문에 2배의 시간이 될 것이다.  

 비록 30 frame/sec 촬영했다 해도 편집과정에서 촬영된 frame 수보다 frame을 많게 늘려서 편집하고 정상적인 30 frame/sec로 재생한다면 Slow Motion의 현상이 일어난다. 다만 Frame 수를 많게 편집하는데는 한계가 있고, 영상의 질이 원본보다 나빠지는 것을 감수해야 한다. 따라서 가장 좋은 것은 촬영 때 Frame을 크게 늘려서 촬영할 수 있도록 Slow Motion 촬영을 선택해 한다.