디지털 영상을 위한 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0의 표본화(Sampling)

우리가 아날로그 영상을 디지털로 변환하는 과정에서 반드시 거처야하는 과정이 있다.

1. 표본화(標本化: Sampling) 작업

2. 양자화(量子化: Quantization) 작업

3. 부호화(符號化: Encoding) 작업

맨 먼저 아날로그 신호를 표본화(Sampling)하는 과정이 필요한데 어떻게 하는 것이  디지털로 변화하여 여러가지  처리과정을 거쳐 최종적으로 우라가 알아볼 수 있는 아나로그 영상으로 복호화(複號化)시켰을 때 원래의 영상에 가깝게 만들어 낼 수 있는지 중요하다.

첫번째 제일 좋은  표본화는 아날로그  영상을 R : G : B = 4 : 4 : 4로 Sampling하는 것이 가장 이상적이나 디지털로 교체하는 처리과정에서 여러가지 어려움이 있어 고급 컴퓨터그래픽스 장비 내부에서만 사용하고, 일반적으로  컬러 영상에서는 R, G, B보다  Y, R-y, B-y 로 바꾸어  Sub-sampling하고 양자화(量子化)하여 디지털화(부호화)하는 것이 장점으로 더 많이 사용 된다.  여기서 양자화(量子化)란 Sampling값을 디지털 신호로 변환하기 위해 더 이상 수치화할 수 없는 최소의 정수 단위의 값으로 만드는 작업이다. 이때 8 bit, 10 bit, 12 bit의 선택에 따라 디지털신호의 생성이 달라진다. 

우리는 필요에 따라 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 의 표본화(Sampling) 작업을 선택게 된다.  이 표본화 작업에서  Y, R-y, B-y를 왜 선택해 사용하는 것이 좋은지 알아 본다. 

 

1.  디지털 작업 과정에서 Y, R-y, B-y 컴포넌트 신호를 의 선택하는  이유

사람의 눈은 밝기 변화를 느끼는 세포가 9천만 개 이상이 존재하는데 비하여 색상을 인식하는 세포는 약 600만 개정도에 불과하고 한다. 그만큼 시각은 밝기의 변화에 비하여 색상의 변화에는 둔감하다는 특성을 갖는다. 때문에 영상 시스템은 밝기(luminance) 정보와 색상(Chroma)의 정보를 모두 필요 이상으로 사용하지 않고 적게 처리해도 잘 느끼지 못한다. 그래서 R,G,B 색상 정보대신   Y, B-y,R-y 컴포넌트 신호를 사용해 데이터 용량을  Y : B-y : R-y  = 4 : 2 : 2 인 경우 R,G,B로 Sampling했을 때보다 2/3,  Y : B-y : R-y  = 4 : 2 :0 인 경우 1/2 정도 줄여 사용하게 되는데 사람의 눈으로 그 차이를 전혀 느끼지 못해 문제가 없다. 

                                                                                <그림 1-1>   Sub-sampling에 대한 Data 용량

 

영상에서 컴포넌트 신호인 Y, r-y, b-y 신호를 양자화할 때 8bit와 10bit, 12 bit 등 선택하여 디지털 신호로 바꾸어 압축하고 사용하는데 처음에는 쉽게 8bit 신호로 만들어 압축하는 방식을 많이 사용돼 왔으나 압축방식의 발전과 선호도가 높아지면서 10bit, 12 bit, 14 bit 등으로 높여 사용하기 시작했다.

8 bit를 사용하면 아날로그 신호를 최대 256단계로 세분하여 디지털화할 수 있고, 10 bit는 아날로그 신호를 1024단계로 세분하여 디지털화하는 것인데 해상도 등를 더 좋게 하기 위해 12 bit, 14 bit 등을 사용하게 된다.

 

1-1.  Y,  R-y,  B-y 신호가  양자화에 유리

아날로그 영상신호를 디지털 신호로 변환할 때 R,  G,  B 신호와 Y,  R-y,  B-y 신호의 양자화에서 차이가 난다.  R,  G,  B 신호는 Y, R-y,  B-y 신호보다 벡터(Vector)로 볼 때 신호의 크기가 짧기 때문에 양자화 과정에서 에러(Error)가 발생하기 쉽다. 따라서 Y,  R-y,  B-y 신호의 표본화와 양자화가 더욱 유리해진다.

그러나 해상도에서 보면 반대로 R, G, B 신호를 표본화하는 쪽이 더 좋다. 그래서 해상도를 높이기 위해 Y, Rr-y, B-y를 표본화(Sub sampling이라 함)하고, 양자화 과정에서 8bit보다 10 bit 이상으로 높여 줄 필요가 있다는 결론이다. 앞서 설명했듯이 8 bit가 2의 8승으로 256단계를 갖는 반면 10 bit는 2의 10승으로 1024단계, 12 bit는 2의 12승으로 4096단계를 갖게 되어 영상의 정밀한 양자화를 이룩할 수 있어 10 bit 이상의 사용은 R, G, B 신호 사용 만큼의 해상도를 유지할 수 있게 된다.

 

1-2.   크로마 데이터(Chroma Data)의 대역폭 축소 유리

또한 R, G, B 영상신호를 표본화하여 사용할 경우 각각의 신호의 대역폭이 5.5MHz를 갖기 때문에 전체의 영상신호의 전체 대역폭은  16.5MHz를 갖게 되나 Y, R-y, B-y 신호는 Y = 5.5MHz, R-y = 2.75 MHz, B-y = 2.75MHz의 대역폭을 갖게 되어 전체적인 컬러를 포함한 영상신호 대역폭이 11 MHz에 불과하게 된다. 따라서 데이터 용량이 적어져 전송방법, 기록방법,  액세스 타임 등등에서 매우 유리하다.

그리고 아날로그 형태에서 R, G, B 신호를 Y, R-y, B-y 신호로 변경시키는데 저항(Resistor)을 이용한 매트릭스(Matrix) 회로의 구성으로 쉽게 얻을 수 있다.  그래서 원래 아날로그 R, G, B 영상신호로 복귀시키는데 어려움이 없다.

이러한 여러가지 이유로 영상신호 R : G : B = 4 : 4 : 4로 표본화하고 양자화하는 대신 Y : R-y : B-y = 4 : 2 : 2 또는  Y : R-y : B-y = 4 : 2 : 0으로 표본화하고 양자화하여 디지털 신호로 만들어 사용한다. Y신호는 영상의 밝기( 명도: Luminance)로 영상의 품질을 좌우하는 매우 중요한 신호다. 그리고 R-y, B-y 신호가 컬러를 좌우한다. 

<그림 1-1> 영상 화면의 표본화 작업과 영상결과  

 

 그림에서 표본화(Sampling) 할때는 컴포지트 영상 R : G:  B = 4 : 4 : 4로 모든 Pixel를 사용하고 있어 화질은 매우 우수할 수 있지만 많는 디지털 데이터 처리를 요한다. 그러나 앞서 알아 본바와 같이 칼러영상을 컴포넌트 신호인 Y : R-y : B-y = 4 : 2 : 2로 표본화 하는 것이 유리하다. 그림에서 두 번째 4 : 2 : 2를 사용해도 우리 눈을로 확인할 수 있는 컬러화질에 큰 차이가 없다. 세번째 4 : 2 : 0의 경우 다소 컬러가 충실하지 못하다고 봐야 한다.       

여기서 Y : R-y : B-y = 4 : 2 : 0 표본화는 Y : R-y : B-y = 4 : 1 : 1 표본화 같은 의미다. 한 번은 Y : R-y : B-y = 4 : 2 : 0로 하고 다음 한 번은 Y : R-y : B-y = 4 : 0 : 2로 교차하여 Sampling하는 방법이기 때문이다.

<참고>  Y, B-y, R-y 신호를 Y, Cb, Cr 또는 Y, Pb,Pr로 같이 표현하며, 유럽에서는 Y, U, V라고 표현 한다.