06 디지털 영상신호의 개념(2)

6.3 아날로그의 디지털화(ADC)와 복호화(復號化: DAC)

원래 자연적인 아날로그신호는 송·수신을 한다거나 영상합성작업 등 어떤 처리과정에서 손실을 방지하기 위해 디지털로 변환시켜 처리 한다. 앞으로 TV방송 영상과 음향 관계를 중심으로 이야기하겠다. 영상의 컴포지트 신호나 컴포넌트 신호를 디지털화하는데 별문제가 없지만 처리과정에서 컴포넌트 영상신호를 선택하는 것이 보다 유익하다고 생각하여 현재 대부분은 컴포넌트 신호를 선호한다.

영상화면을 디지털화 하는 방법에는 크게 두 가지로 구분할 수 있는데 원래 컴포지트 영상신호인 R, G, B와 컴포넌트 색차신호인 Y, B-y, R-y(유럽에서 Y, U, V로 명명) 중에서 후자를 택하게 된 이유를 살펴본다.

 

6.3.1 컴포넌트 디지털신호의 선택 이유

TV방송 영상에서 사용되고 있는 컴포지트(Composite) R, G, B 신호가 아닌 컴포넌트(Component) 신호인 Y, B-y, R-y 신호를 표본화(Sub sampling)하고 양자화 하여 8bit와 10bit, 12 bit 등으로 바꾸어 압축하고 사용하는데 처음에는 8bit 신호로 만들어 압축하는 방식을 많이 사용돼왔으나 디지털의 발전으로 해상도를 높이기 위해 10bit, 12 bit, 14 bit 등을 택하게 된다. 8 bit를 사용하면 아날로그신호를 최대 256단계로 세분하여 디지털화할 수 있고, 10 bit는 아날로그신호를 1024단계로 세분하여 디지털화하는 데 매우 정교하게 처리된다.

 

1. Y, B-y, R-y 신호의 양자화에 유리

아날로그 영상신호를 디지털신호로 변환할 때 R, G, B 신호와 Y, B-y, R-y 신호의 표본화를 양자화 하는 데서 차이가 난다. R, G, B 신호는 Y, B-y, R-y 신호보다 벡터로 볼 때 신호의 크기가 짧기 때문에 양자화에서 에러(Error)가 발생하기 쉽다. 따라서 Y, B-y, R-y 신호의 양자화가 더욱 유리하다. 그러나 해상도에서 보면 반대로 R, G, B 신호 쪽이 디지털변환 후 더 좋다.

그래서 해상도를 높이기 위해 Y, B-y, R-y를 표본화하고 양자화를 10 bit 이상으로 높여 줄 필요가 있다. 앞서 설명했듯이 8 bit가 2의 8승으로 256단계를 갖는 반면 10 bit는 2의 10승으로 1024단계를 갖게 되어 정밀한 표본화와 양자화를 이룩할 수 있어 10 bit 사용은 R, G, B 신호만큼의 해상도를 유지할 수 있게 된다.

 

2. 크로마 데이터(Chroma Data)의 대역폭 축소 유리

R, G, B 영상신호를 사용할 경우 각각의 신호 대역폭이 5.5MHz를 갖기 때문에 전체의 영상신호 대역폭이 16.5MHz를 갖게 되나 Y, B-y, R-y 신호는 Y=5.5MHz, B-y=2.75 MHz, R-y=2.75MHz의 대역폭으로 충분하게 사용할 수 있어 전체적인 영상신호 대역폭이 11MHz로 축소된다. 따라서 데이터의 전송방법, 기록속도, 액세스 타임 등등에서 매우 유리하다.

그리고 아날로그 형태에서 R, G, B 신호를 Y, B-y, R-y 신호로 변경시키는데 저항(Resistor)을 이용한 매트릭스(Matrix) 회로의 구성으로 쉽게 만들 수 있다. 또한 필요할 경우 원래 영상신호인 R, G, B 신호로 복귀시키는데 어려움이 없다.

▲ 아날로그신호의 디지털신호로 변환 과정 복귀 단계

(1) 표본화(Sampling: 標本化)

(2) 양자화(Quantization: 量子化)

(3) 부호화(Encoding: 符號化): 디지털화

이러한 3단계를 통하여 아날로그신호는 디지털신호로 변환될 수 있다. 그리고 우리가 영상신호를 알아보기 위해 디지털화된 신호를 풀어서 아날로그신호로 환원시켜야 하는 작업이 반드시 필요하다.

(4) 복호화(Decoding: 復號化)

(5) 저역 필터(Low Pass Filter)처리로 원래의 아날로그신호로 복귀한다.

이상과 같은 과정을 통하여 우리는 아날로그신호를 디지털신호로 그리고 다시 최후에 다시 아날로그신호로 전환을 활발히 사용하게 된다. 다시 한 번 자세하게 정리한다면 먼저 아날로그신호를 표본화하기 위한 High Cut Filter를 사용하고 영상신호의 상한선을 정하여 돌출되는 영상신호는 생략하도록 한다. 이때 영상신호의 손실이 약간 일어난다.

아날로그신호의 일정한 주기(週期) 동안 샘플링(Sampling)하여 추출한 값을 반올림하고 정해진 레벨의 단계를 만들어 2 진수(進數)로 수치화시키기 위한 작업을 양자화(量子化: Quantization)라 한다.

 

그림 6-2 A/D, PCM, D/A의 기본 변화 과정

 

그리고 양자화 된 것을 펄스(Pulse)로 변환시키는 것을 부호화(Encoding)라 하여 디지털신호 상태로 변환된다. 이렇게 디지털화한 신호는 전송이나 기록 등 여러 처리(Processing)를 거쳐 처음 표본화하기 이전의 아날로그신호 상태로 되돌려 놓기 위한 작업이 복호화(復號化)와 저역필터처리 작업이다.

다시 정리하면 처음 아날로그신호를 표본화하고, 부호화하고, 디지털신호로 변환하여 가공처리, 저장, 전송 등의 실행을 거쳐 결과를 확인하기 위해 복호화하고 원래의 아날로그신호로 환원한다.

그 과정에서 디지털을 아날로그신호로 D/A(Digital to Analog)변환에서 Low Pass Filter에 의해서 원래의 아날로그신호와 같게 매끄럽게 처리해 줌으로써 우리가 전송된 원래의 아날로그신호와 똑 같은 상태의 아날로그신호를 얻어 확인하고 인식할 수 있다.