02. TV방송의 기본원리(2)

2.2 비월주사(飛越走査)와 순차주사(順次走査)

우리가 보는 영상화면은 2차원적인 평면이기 때문에 넓게 펼쳐져 있다. 점(Pixel)이 모여서 선(주사선)이 되고 선이 모여서 평면영상이 형성된다.

그런데 영상화면을 송·수신하는 방법을 생각해 본다면 순서에 따라서 화소가 이동하면서 모여 주사선이 되고, 이 주사선이 여러 개 모여서 한 장의 영상화면이 된다. 영상화면은 전압에 의한 전계(電界) 또는 전류에 의한 자계(磁界)의 영향으로 영상화면의 맨 위쪽의 왼편에서 시작하여 영상화면의 오른쪽 방향으로 수평주사(Horizontal Scanning)되고, 이 수평주사가 끝나면 바로 아래 줄로 이동해 다시 수평주사가 일어난다.

이렇게 한 장의 영상화면 마지막까지 수평주사가 끝나면 다시 다음 장 화면의 맨 위 첫줄로 돌아와 왼쪽에서 오른쪽으로 같은 방법의 주사가 시작된다. 이렇게 수평방향으로 주사가 반복되며 한 영상화면이 만들어지는 동안에 수직방향으로 점차 이동하여 수평주사가 완료되는 화면의 마지막 시점에서 수직방향으로 주사가 1회 이루어지게 되는데 이를 수직주사(Vertical Scanning)라 한다.

만약 이러한 수직주사를 행하지 않고 수평주사만 이루어진다면 같은 위치에서 제자리에만 주사하게 되어 연속된 영상화면이 형성될 수 없다.

 

2.2.1 주사선수의 선택과정

TV방송 영상에서 한 화면의 주사선수가 많으면 많을수록 화소가 아주 작아지면서 영상의 해상도가 높아질 수 있다. 그러나 너무 많게 분해하여 주사선수가 많이 늘어나면 아날로그 방송방식에서는 전파가 차지하는 주파수 범위(이를 대역폭이라 함)가 넓어지면서 데이터의 물량(物量)이 많아져 기술적으로 송·수신이 어렵게 된다.

그렇다면 어느 정도의 수평주사선이 좋을까? TV방송 화면의 크기가 35인치 이하일 때 한 화면의 주사선가 60개 정도면 사람얼굴의 윤곽을 짐작할 수 있고, 200개 정도의 주사선은 얼굴의 특징까지 인식할 수 있으며, 400개 정도에서는 충분하나 배경의 경치까지 확실하게 전달하기 위해서는 500개 정도의 수평주사선이 필요하다.

물론 수평주사선수가 많아지면 해상도는 높아져 좋지만 화소의 데이터량이 많아지고 송ㆍ수신 데이터의 기술적 전송문제가 발생한다. 따라서 과거 SDTV방송 영상의 최대 수평주사선수은 525∼625 Line으로 정해졌다.

그러나 TV수상기의 크기가 커지면서 주사선의 수량을 늘려야하는 필요성에 따라 일본 NHK 연구소에서 하이비전으로 TV방송 형식을 채택해 주사선수도 1125 Line으로 증가시키고 화면비율이 16 : 9로 바꾸었다. 바로 오늘날 HDTV방식이다.

그 당시 40인치 정도의 수상기에서 수평주사선이 1000 Line 이면 충분하다고 봤다. 그보다 더 많은 수평주사선을 선택해도 우리 눈으로 전혀 식별할 수 없었다. 그래서 SDTV의 525 Line과 625 Line의 관계를 고려하여 1125 Line으로 결정했다. TV수상기도 LCD, LED, OLED 등으로 발전하면서 40인치 이상으로 점점 커져서 수평주사선수를 높이려는 연구가 진행되었고

오늘날은 TV수상기가 120인치 이상으로 커지면서 HDTV의 수평주사선인 1125 Line보다 2배인 2250 Line을 채택한 UHDTV시대가 돼가고 있다.

 

2.2.2 비월주사(飛越走査: Interlaced Scanning)

비월주사(飛越走査)란 무엇인가? TV방송에서 30 Frame/sec의 영상화면을 사용하면 Flicker현상이 일어날 수 있어 1초당 화면의 수를 늘려야하는데 TV방송의 송·수신 과정에서 영상정보의 데이터 량을 높이지 않고 할 수 있는 방법으로 30 frame/sec의 frame rate를 임의로 60 Field/sec로 하는 방법을 고안했다.

그림 2-2 비월 주사방법

 

첫째 줄 홀수 수평주사부터 시작해 한 줄씩 건너뛰며 화면 끝까지 거칠게 한 번 주사한 후 다시 위로 되돌아와 둘째 줄 짝수 수평주사를 시작해 계속해 끝까지 완료하면서 한 영상의 전체적인 수평주사(Horizontal Scanning)가 끝나게 된다. 이렇게 한 장의 영상화면에서 홀수 수평주사를 거칠게 한 번 주사하고 다음에 짝수 수평주사를 실해하는 주사방법을 비월주사(飛越走査: Interlaced Scanning)라 한다.

그러면 왜 차례대로 한 번에 순차적으로 주사하지 않고 한 줄씩 건너뛰는 비월주사방식을 채택하고 있을까? 위에서 잠깐 언급한 바와 같이 연속되는 영상에서 어떤 휘도 차가 심하게 일어나 명암이 교차될 때 급격한 휘도변화로 우리 눈의 인식변화가 따라갈 수 없는 현상이 일어난다.

이러한 현상으로 영상의 깜박거림(Flicker)이 일어나기 때문에 이를 방지하기 위해 앞서 설명한 비월주사방법을 채택하여 한 장의 완전한 영상(Frame)을 두 장의 영상(2 Field)으로 분리하여 영상의 장수를 2배로 증가시켜 화면의 깜박거리는 현상을 방지할 수 있다.

이러한 비월주사방법을 활용하고 있는 것은 TV방송 영상신호의 주파수를 높이지 않고 매 초당 영상화면 수를 2배로 증가시켜 줌으로서 영상의 깜박거림(Flicker)을 덜하도록 하는 편리한 방법이다. 따라서 매 초당 30장의 영상화면을 보내면서 마치 60장의 영상화면을 송·수신하는 효과를 얻게 된다.

이와 같이 거칠게 한 번 주사한 화면을 Field라 하고, 주사하는데 걸리는 시간을 필드주사주기(Field Scanning Period)라 한다. 이 필드주파수는 60Hz가 된다.

그림 2-3 필드와 프레임

 

그림에서 먼저 이루어지는 첫 번째 Field, 즉 홀수필드(Odd Field)와 다음에 형성되는 두 번째 짝수필드(Even Field)가 결합되어 완전한 한 장의 합성된 영상화면(Frame)을 형성한다.

참고로 영화화면은 영사기의 영상처리 방법을 본다면 1초 동안 24장의 영상화면을 보내면서 한 장의 영상화면을 보내는 중간 중간에 물리적인 셔터(Shutter)를 작용시켜 2장의 영상화면으로 만들어 마치 48장의 영상화면처럼 우리 눈에 보이게 하여 영상의 깜박거림 현상을 줄이고 있다.

NTSC의 HDTV 주사방식에서 한 장(Frame = 2 field)의 영상화면이 형성되는 수평주사선(Horizontal Scanning Line) 수는 전부 1125개가 되고, 1초 간 29.97의 컬러 영상화면을 필요로 하고 있기 때문에 1125×29.97 = 33,716.25회로 수평기본주파수는 33,716.25Hz가 된다.

수평주사와 수직주사를 행할 때 주사를 끝내고 되돌아오는 시간이 필요한데 짧을수록 좋으나 순간적으로 돌아올 수 없어 귀선(歸線: Fly Back Line) 기간이 발생할 수밖에 없고 이 현상이 일어나면서 영상 위에 백색선이 생겨나 영상이 흉하게 보이기 때문에 소거하지 않으면 안 된다. 이런 귀선을 소거하는 방법으로 귀선소거(歸線消去: Blanking)방법이 사용되고 있다.

 

2.2.3 순차주사(Progressive Scanning or Non-Interlaced Scanning)

그러면 모든 영상화면이 비월주사로만 사용되고 있는가? 그렇지 않다. 우리가 많이 사용하고 있던 아날로그 시절 컴퓨터의 VGA 모니터라면 데이터의 송·수신방법이 필요하지 않아 비월주사방식이 아니라 순차주사(Progressive Scanning or Non-interlaced Scanning)방식을 사용해도 전혀 문제가 없다.

이 순차주사란 비월주사와 달리 한 영상화면을 완성하는데 위에서부터 차례로 주사하여 마지막 영상화면의 끝까지 1회 시행으로 완전한 한 영상화면(Frame)이 완성되는 방식이다.

NTSC의 HDTV방송방식에서 비월주사방식으로 사용되는 주사선수가 1125Line으로 1초당 29.97Frame을 만들면서 수평주파수(Horizontal Frequency)는 약 33.72KHz이다. 그러나 컴퓨터 VGA 모니터는 수평주사방식에 따라 수평주파수는 30KHz에서 120 KHz 이상까지 다양하게 사용해도 된다.

우리가 컴퓨터 영상화면을 그대로 TV방송 영상 모니터로 사용하지 못하는 이유는 이러한 수평주파수의 차이 때문이라 생각할 수 있다. 때문에 컴퓨터 모니터를 카메라로 촬영할 경우 수평주파수 간에 매칭(Matching Scanning Line)이 안 되는 경우 아래위로 어떤 굵은 바(Flicker Bar)가 움직이는 현상이 나타나 보기 싫게 된다.

디지털 시대에 영상압축 기술의 발달로 보통 HDTV에서 주사선수가 1125Line 중 유효주사선수 1080 Line을 29.97 Frame/sec(또는 59.94Field/sec)의 비월주사로 처리하거나 59.94Frame/sec의 순차주사로 처리할 수 있다. 요즈음 카메라가 60p로 촬영할 수 있어 편집 또한 59.94Frame/sec로 해서 송·수신한다면 매우 부드럽고 깜박임(Flicker)의 현상을 막을 수 있다.

그리고 TV Sets에서 59.94 Frame/sec을 그대로 주사한다면 약 60Hz의 수직주사주파수가 된다. 오늘날 수직주사주파수를 240 Hz, 480 Hz인 TV모니터를 개발 해 더욱 해상도를 높일 수 있는 TV모니터로도 사용한다.

이는 수신되는 60 Hz를 매우 빠르게 반복하여 4번 또는 8번까지 반복 주사하여 Flicker 현상을 줄이고 더욱 선명한 영상을 얻게 하는 신기술이다. 아날로그 방식에서는 불가능하지만 디지털 영상의 처리에서 영상압축 기술의 발달로 많은 영상 데이터(Data)를 전송할 수 있게 됨으로써 대부분 순차주사를 실행할 수 있게 됐다.

 

2.2.3 순차주사(Progressive Scanning or Non-Interlaced Scanning)

그러면 모든 영상화면이 비월주사로만 사용되고 있는가? 그렇지 않다. 우리가 많이 사용하고 있던 아날로그 시절 컴퓨터의 VGA 모니터라면 데이터의 송·수신방법이 필요하지 않아 비월주사방식이 아니라 순차주사(Progressive Scanning or Non-interlaced Scanning)방식을 사용해도 전혀 문제가 없다.

이 순차주사란 비월주사와 달리 한 영상화면을 완성하는데 위에서부터 차례로 주사하여 마지막 영상화면의 끝까지 1회 시행으로 완전한 한 영상화면(Frame)이 완성되는 방식이다.

NTSC의 HDTV방송방식에서 비월주사방식으로 사용되는 주사선수가 1125Line으로 1초당 29.97Frame을 만들면서 수평주파수(Horizontal Frequency)는 약 33.72KHz이다. 그러나 컴퓨터 VGA 모니터는 수평주사방식에 따라 수평주파수는 30KHz에서 120 KHz 이상까지 다양하게 사용해도 된다.

우리가 컴퓨터 영상화면을 그대로 TV방송 영상 모니터로 사용하지 못하는 이유는 이러한 수평주파수의 차이 때문이라 생각할 수 있다. 때문에 컴퓨터 모니터를 카메라로 촬영할 경우 수평주파수 간에 매칭(Matching Scanning Line)이 안 되는 경우 아래위로 어떤 굵은 바(Flicker Bar)가 움직이는 현상이 나타나 보기 싫게 된다.

디지털 시대에 영상압축 기술의 발달로 보통 HDTV에서 주사선수가 1125Line 중 유효주사선수 1080 Line을 29.97 Frame/sec(또는 59.94Field/sec)의 비월주사로 처리하거나 59.94Frame/sec의 순차주사로 처리할 수 있다. 요즈음 카메라가 60p로 촬영할 수 있어 편집 또한 59.94Frame/sec로 해서 송·수신한다면 매우 부드럽고 깜박임(Flicker)의 현상을 막을 수 있다.

그리고 TV Sets에서 59.94 Frame/sec을 그대로 주사한다면 약 60Hz의 수직주사주파수가 된다. 오늘날 수직주사주파수를 240 Hz, 480 Hz인 TV모니터를 개발 해 더욱 해상도를 높일 수 있는 TV모니터로도 사용한다.

이는 수신되는 60 Hz를 매우 빠르게 반복하여 4번 또는 8번까지 반복 주사하여 Flicker 현상을 줄이고 더욱 선명한 영상을 얻게 하는 신기술이다. 아날로그 방식에서는 불가능하지만 디지털 영상의 처리에서 영상압축 기술의 발달로 많은 영상 데이터(Data)를 전송할 수 있게 됨으로써 대부분 순차주사를 실행할 수 있게 됐다.

 

2.2.4 유효 수평주사선(Effective Horizontal Scanning Line)

앞서 설명한 바와 같이 수평주사를 행하는 동안에 수직주사도 동시에 이루어지고, 수직귀선 기간에도 수평주사는 쉬지 않고 계속 발생한다. 아날로그에서는 이 수직귀선기간 동안에 수평주사의 약 6%에서 8% 정도가 일어난다. 그러나 디지털방식에서는 약 4% 정도가 일어난다고 본다.

그런데 수직귀선 기간에 이루어지고 있는 수평주사 기간에는 우리가 영상을 전혀 볼 수 없는 상실된 영상이 된다. 따라서 아날로그 NTSC에서 525 × 0.08 = 42 Line의 손실로 525 － 42 = 483 Line만이 유효수평주사선 수가 된다.

또한 디지털방식인 HDTV에서 본다면 1125×0.04=45 Line의 수평주사선 손실이 일어난다. 따라서 유효수평주사선 수는 1125 － 45 = 1080 Line이 된다. 또한 2250 Line인 UHDTV 경우 2250 × 0.04 = 90 Line의 수평주선 손실로 2250 － 90 = 2160 Line이 유효수평주사선 수라고 할 수 있다.