02. TV방송의 기본원리(1)

2.1 TV방송 영상의 전송

TV방송 영상콘텐츠는 영상 카메라에 의해 피사체로부터 얻어지는 광학적(光學的) 영상(映像)을 전기적(電氣的) 신호로 바꾸어 가공처리 한 후 바로 재생해 보거나, 저장하거나, 다른 곳으로 순차적인 전송을 한다. 영상 디지털로 처리하는 과정이 필요하지만 결국은 광학적 아날로그 영상을 원상회복시켜야 볼 수 있다.

다시 말해 영상콘텐츠는 일상생활에서 볼 수 있는 입체적(3차원)인 피사체를 어떤 하나의 렌즈 결합장치(Lens Assembly)를 통하여 이미지센서로 보내진 평면적(2차원)인 영상화면을 전자적 신호로 가공되어 결국은 아날로그신호가 돼야 우리가 볼 수 있다.

그렇다면 어떤 방법에 의해 영상콘텐츠를 평면적 화면으로 전송하고 녹화할 수 있을까? 그 과정을 자세히 알아본다면 광학적인 영상화면을 아주 잘게 가로 × 세로로 나누어 가장 작은 영상화소(Pixel: Picture Element)로 만들고, 이렇게 만들어진 Pixel의 영상정보는 왼쪽에서부터 오른쪽으로, 위에서 아래로, 순차적으로 명도, 채도, 색상에 따라 전압, 전류의 강약으로 바뀌어 차례차례로 실어 보내고, 받는 쪽에서는 도착되는 순서대로 회복시켜 본래의 피사체와 같은 영상형태로 늘어놓음으로써 원래 영상의 형태를 얻어낼 수 있다.

먼저 수평으로 연결한 여러 개의 영상화소가 하나의 선으로 정렬되어 한 줄씩 선택된 영상정보를 차례차례 전송되고, 수신측에서 다시 모아 영상화면으로 복원시켜 영상정보를 전달한다. 이런 방식은 마치 팩스(Fax)로 사진을 전송하는 방법과 같게 보면 쉽게 이해할 수 있다.

팩스를 관찰하면 일정한 순서에 따라서 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 광점(光點)을 이동하면서 그림이나 글씨를 읽고 그 정보를 보내면 받는 쪽에서는 도착하는 순서대로 프린트되어 나온다. 이렇게 광점이 스쳐가면서 만들어진 자국들을 연결해 주면 하나의 Line이 생기는데 이를 주사선(Scanning Line)이라 말하고, 이렇게 비추는 행위를 주사(走査: Scanning)라고 한다.

우리가 늘 대하고 있는 영상에는 필름 카메라로 촬영하고 현상(現像)하여 편집된 영상을 영화관에서 초당 24장을 순서대로 강한 빛을 투사하여 스크린에 한 장씩 투영(投映)시켜 영상을 맺도록 하는 광학적 방법이다.

반면에 TV방송영상은 카메라에 들어오는 피사체의 밝고 어두운 강약의 빛을 전압, 전류의 강약으로 바꿈으로써 전파화한 영상신호(Video Signal)로 만든다. 이렇게 만들어진 TV방송 영상신호를 송신소에서 반송주파수(搬送周波數: Carrier Wave)에 실어 보내면 TV수상기(Television Sets)에서 선택된 채널(Channel)로 수신하고, 반송주파수와 영상과 음향을 분리(검파)하여 원래의 영상과 음향을 재현시키는 전자적인 방법이다.

TV방송 영상의 송·수신 방법으로 2가지 방법을 생각할 수 있다. 먼저 서로 대응되는 많은 화면의 점(Pixel)들을 병렬로 연결된 여러 전선을 통하여 동시에 화면을 전달하는 병렬방식(Parallel System)을 초기에 연구하였다.

이는 1875년 카레에 의해서 고안된 것으로 원리는 간단한 방식이었으나 다수의 선로와 장거리 송·수신 방식에서 여러 가지 애로가 있어 실용화되지 못했다. 이러한 병렬식방식의 광학적 전송방식은 장거리 TV방송 영상의 송·수신방식에서 응용되지 못했으나 오늘날 아주 미세한 광케이블의 출현으로 내시경 카메라 등에서 실용화되고 있다.

 그림 2-1 병렬 방식과 직렬 방식

 

그러면 현재 TV방송에서 영상화면을 어떻게 송·수신할 수 있을까? 현재 TV방송에서 사용되고 있는 전송방식은 한 장의 영상화면을 아주 잘게 수평·수직으로 분해하여 최소한의 영상화소(畵素: Pixel)를 만들고 각 화소에 대한 정보를 정해진 화면에서 맨 위 첫줄부터 순서대로 좌측에서 우측 방향으로 차례차례 직렬로 시차를 두고 전송하는 방식인 직렬방식(Serial System)을 채택하고 있다.

여러 장의 영상화면이 연속적으로 연결되면서 우리가 볼 수 있는 동영상이나 정지영상을 형성한다. 즉 카메라의 이미지센서 장치인 전하결합소자(CCD) 또는 상보성 금속 산화 막 반도체(CMOS)에 맺어진 순간순간의 명암과 색도를 전류와 전압의 강약으로 바뀌도록 하여 얻은 정보를 순차적으로 하나의 선로를 따라 송신하고, 그 영상을 순차적으로 수신하여 재현하도록 한다.

이렇게 순차적으로 송·수신하는데 사용되는 최소 단위의 영상화소(畫素: Pixel)는 작을수록 명확한 해상도의 영상을 보내고 받을 수 있다. 이런 과정으로 왼쪽에서 오른쪽으로 화소가 이동되는 행위를 주사(Scanning)라 하고, 이때 주사되어 만들어지는 선을 주사선(走査線: Scanning Line)이라고 한다.

그런데 양쪽에서 송·수신되는 화소의 이동속도가 완전히 일치하지 않으면 안 된다. 이렇게 화소의 송·수신 과정이 완전히 일치하도록 이루어지게 하는 것을 동기(同期: Synchronize)라 하고, 이 역할을 하도록 하는 신호를 동기신호(同期信號)라 한다.

정지된 한 장의 사진을 팩스로 전체를 보내는 데는 시간적인 구애를 받지 않겠으나 TV방송영상은 순간순간 움직이는 물체나 경치의 동적인 변화를 송·수신하여야 하기 때문에 1초 동안 여러 장의 영상화면을 주사하여야 한다.

우리의 눈에 들어오는 빛에 의해 맺히고 있는 상(像)의 자극은 매우 순간적이지만 일정한 시간의 잔상(殘像, After Image)이 유지된다. 이 잔상 때문에 연속하여 뒤따라 들어오는 영상이 조금씩 바뀌어 연속적으로 이어지면 움직이는 느낌을 갖게 된다.

일찍이 이러한 현상을 이용하여 만화영상, 영화영상이 탄생해 발전하게 되었다. 우리의 눈으로 들어온 영상이 기억되는 인간의 잔상기간이 약 초라고 한다.

따라서 움직이는 영상은 1초에 16장 이상의 영상이 바뀌어야 움직이는 동적인 영상으로 인식될 수 있다는 의미다. 1초당 16장의 영상이 바뀔 때는 동적으로 느끼지만 좀 부자연스럽게 된다. 동적인 만화를 우리가 만들고 보게 되는데 1초당 16장보다 더 많은 1초당 18장, 20장 정도로 제작되고 있다.

물론 더 많은 장수를 사용하면 아주 부드럽고 면밀한 영상을 얻을 수 있으나 제작과정에서 경제적인 측면을 고려하지 않을 수 없다. 따라서 처음 등장한 16mm, 35mm 필름의 영상은 1초당 24장을 사용하고 있다.

흑백으로 시작한 TV방송 영상은 미국과 한국, 일본, 대만 등등의 국가에서 사용되는 NTSC(National Television System Committee)방송방식에서 1초당 30장의 영상을 송·수신하고, 유럽의 PAL(Phase Alternation by Line)방송방식에서는 1초당 25장의 영상을 송·수신하도록 했다. 그 이유는 사용되는 교류전기의 주파수와 관계가 깊다. 미국이나 우리는 교류 전기를 60Hz로 사용하고, 유럽은 25Hz의 교류 전기를 사용한다.

흑백 TV방송에서 Color TV방송으로 바뀌면서 NTSC에서 Color 영상신호를 추가해 실어 날아야하는 반송파(carrier)의 주파수가 3.58MHz로 1초당 30 frame에 맞추어 전송하지 못하고, 컬러 동기신호와의 관계로 정확한 프레임 주파수는 30Hz가 아닌 29.97002616Hz가 됐다. 

일반적으로 1초당 30 프레임이라는 컬러 영상은 29.97 Frame/sec로, 60 프레임은 59.94 Frame/sec로 사용된다. 그러면 처음에 어째서 TV영상은 30 frame/sec로 결정했을까? 아날로그 시절 흑백방송에서 30 frame/sec보다 더 이상 많은 영상 데이터를 기술적으로 송·수신할 수 없어 최대로 정해진 것이다. 그런데 영상화면의 밝고 어둠이 심할 때 나타나는 영상의 깜박이는 현상(Flicker)을 줄이기 위해 1 frame을 2 Field로 나누어 60 field/sec로 송·수신하는 방법을 택했다.

그런데 디지털시대가 되면서 TV영상 데이터의 압축 기술이 점점 발달하면서 60 field/sec 대신 더 좋은 60 Frame/sec로 송·수신할 수 있는 방법까지 발전했다. 따라서 지금은 TV방송의 송·수신을 최대 60 Frame/sec까지 가능할 수 있게 됐다. 일반적인 영상 카메라의 Frame Rate 선택은

1) 24 Frame/sec: 만화영상, 영화영상

2) 30 Frame/sec: 일반 TV방송

3) 60 Frame/sec: 스포스 등 매우 빠른 움직임의 특별 TV방송

※ 단, 유럽방식의 TV영상은 25 frame/sec 또는 50 frame/sec 이다.

▲ 사용되는 영상의 프레임 비율의 표시를 정확히 정리하면

1) 60i = 59.94 Field/sec(여기서 i는 Interlaced scanning의 약자)

2) 30p = 29.97 Frame/sec(여기서 P는 Progressive scanning의 약자)

3) 60p = 59.94 Frame/sec 

※ 화질은 30p보다 60i가 좋고, 가장 좋은 화질은 60p이지만 송ㆍ수신하는 방속방식에 맞추어 사용하여야 한다. 지금은 대부분 60i의 송·수신 방식을 채택하고 있지만 머지않아 60p 송·수신 방식을 채택하게 될 것이다.