06. 디지털 영상신호의 개념(5)

6.7 SDTV와 HDTV, UHDTV

디지털 TV(DTV)방송은 시작되면서 미국의 ATSC(Advanced TV Systems Committee)는 송·수신하는 DTV Format을 1개의 방식으로 정하지 않고 18개의 방식 중에서 선택해 사용 가능하도록 되어 있으며, 주로 표준선명TV(SDTV: Standard Definition TV)와 고선명TV(HDTV: High Definition TV)로 구분해 사용해 왔지만 지금은 모두 HDTV와 UHDTV를 사용한다.

우리도 이러한 미국규격에 일치되는 TV방송방식을 채택하게 된다. 18개의 방식이 있다고는 하나 현실적으로 몇 개의 TV방송 방송형식으로 통일될 것이다. 특히 TV방송과 컴퓨터, 영화 등이 서로 연관관계를 가지고 정보를 공유하는데 편리한 방법을 선택할 가능성이 크기 때문에 수평유효주사선 1080i, 또는 1080p인 경우를 많이 채택하고 있다. 수평유효주사선이 1080 또는 2160인 경우 뒤에 추가되는 i표시는 비월주사(Interlaced Scanning)방식을 나타내는 것이고, p표시는 순차주사(Progressive Scanning)방식을 나타낸다. 디지털이 되면서 순차주사방식의 처리방식이 많이 도입되고 있다.

표 6-6 미국 TV의 video format

	주사선수	유효 주사선	Pixel수	frame수	비 고
HDTV	1125	1080	1920×1080	24p, 30p	24p는 영화용
	1125	1080	1920×1080	60i, 60p	full HD 신호
	750	720	1280×720	30p,  60i, 60p	순차주사
UHDTV	2250	2160	3840×2160	24p, 60i, 60p
	2250	2160	4096×2160	24p	DCI, 순차주사

TV영상의 한 화면에 표시되는 화소(Pixel)수가 1920×1080인 HDTV는 약 207만 화소로 약 35만 화소인 SDTV보다 6배 선명한데 소형 HDTV 화면에서는 화질의 구분이 쉽지 않지만 50인치 이상 대형 HDTV에서는 차이를 느낄 수 있다.

또한 UHDTV는 HDTV의 화면은 3840×2160으로 HDTV보다 4배 선명하다. 물론 50인치 이하에서는 우리 눈으로 별다른 구분을 할 수 없지만 60인치 이상의 대형화면에서는 확실히 화질을 구분할 수 있다.

 

6.8 디지털 압축 코덱(CODEC)

디지털 영상신호의 압축방식은 다양하다. 그중 우리가 많이 사용하는 코덱(CODEC)에 대해 알아본다. 코덱(CODEC)이란 각종 비디오와 오디오를 압축하거나 해제하는 규약으로 압축기(Compressor)와 해독기(De-compressor)를 줄여서 표시하는 용어이다.

다시 말해 코덱은 영상 또는 음향의 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 코더(Coder)와 반대로 디지털신호의 영상 또는 음향을 아날로그신호로 변환하는 디코더(Decoder)의 합성어(Co+Dec)로 부호기와 복호기의 역할을 동시에 수행하는 장치라고 총칭할 수 있다. 그 코덱의 발전과정에서 여러 가지가 개발돼 있다.

 

6.8.1 MPEG-1

Color의 동영상 화면을 압축하는 제 1세대 표준방식으로 CD-ROM, DAT, Hard Disk 등에서 1.5Mbps 정도의 전송 Rate를 갖는 디지털 기록매체로 사용하기 위한 부호화표준이다.

※ MPEG(Moving Picture Experts Group): 동영상연구전문가구릅

 

6.8.2 MPEG-2

이 규격은 방송이나 통신 분야에서 활용되는 동영상 디지털압축의 표준이다. SDTV용, HDV용으로 많이 활용되었다. 비트 레이트(Bit Rate)는 약 4.9 Mbps다. NTSC의 720 x 486, PAL의 720 x 576, 1440 x 1080도 여기에 포함된다.

 

6.8.3 MPEG-4: H.264/AVC

H.264/AVC는 디지털 동영상 압축 기술이다. H.264는 ITU-T의 규격 이름이고, AVC는 MPEG-4의 Advance Video Coding을 의미한다. 이들은 H.264/AVC, AVC/H.264, H.264/MPEG-4AVC, MPEG-4AVC/H.264 등 여러 가지로 표현되고 있다.

H.264는 한국의 지상파/위성 DMB TV, KT의 IPTV, 유럽의 DVB-H, 그리고 HD-DVD, Blu-ray 등도 이 압축방식을 사용한다.

 

6.8,4 AVCHD(Advanced Video Codec High Definition)

일본 소니와 마쓰시다 회사가 HDTV로 촬영되는 카메라 규격을 AVCHD로 2006년 5월에 규정했다. 물론 H.264 형식이다. MPEG-2를 사용하는 HDV보다 더 좋은 영상의 압축률을 갖고 있다.

 

6.9 디지털 동기신호

TV방송 아날로그나 디지털 영상은 송․수신에서 정확히 동기가 이루어져야 한다. 디지털영상에서 주로 사용하고 있는 컴포넌트 신호는 Y, B-y, R-y 각각 신호의 타이밍(Timing)을 정확히 맞추지 않으면 안 된다.

그림 6-10에서와 같이 아날로그의 타이밍은 동기신호가 열화 되면서 특히 수평동기 신호의 변화를 가져와 수정이 필요했다.

그림 6-10 아날로그 2치 동기신호

그림 6-11 디지털 3치 동기신호

 

TV방송 영상 디지털의 동기신호는 아날로그에서 사용하던 2치(値) 동기신호 대신 3치 동기(3値 同期)신호를 사용하는데 2치(Two Level) 동기신호의 기준점은 긴 전송로 등의 영향으로 특성이 열화 되면서 위치가 변화될 가능성이 많아 동기가 부정확하지만 3치(Three Level) 동기신호를 사용하게 되면 동기신호의 기준점의 변화에 어떤 영향이 매우 작게 된다.

그림 6-11에서 보는 바와 같이 3치 동기신호는 비록 열화가 되어 동기신호의 크기가 줄어들더라도 기준점의 위치변화가 거의 없다는 것이 장점이다. 즉 동기신호가 매우 안정성을 유지할 수 있다.

 

6.10 세계의 Digital TV방송

디지털 TV방송은 국가의 기간산업에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 어떤 형태의 디지털 TV방송을 행할 것인지 매우 민감하다. 주요국들의 디지털 TV방송 전환결정을 본다면 한국 2013년, 미국 2009년, 독일 2010년, 일본 2011년, 영국 2012년, 중국 2015년 이다.

미국을 중심으로 TV방송방식과 유럽을 중심으로 하는 TV방송방식, 일본과 같이 아날로그 방식의 HDTV를 세계 최초로 개발하여 실용화한 자존심 때문에 독자적인 디지털 TV방송방식을 채택하고 있다.

정리해 본다면 미국은 ATSC(Advanced Television System Committee)에서 말하고 있는 ATV(Advanced TV)라는 이름으로 HDTV(High Definition TV)과 SDTV(Standard Definition TV)를 적용할 것을 확정했으며, SDTV의 지상파는 8-VSB(Vertical Side Band) 송·수신방식을 택했다.

유럽은 DVB(Digital Video Broadcasting)라는 이름으로 SDTV와 HDTV를 실행하고, 지상파 송·수신은 COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송방식을 채택했다.

우리도 미국이 채택하는 TV방송방식을 선택했다. 과거 디지털 표준선명TV(SDTV)영상은 MPEG-2 방식으로 1 Gbps 되는 영상과 돌비 AC-3 오디오, 부가 데이터를 함께 압축하여 다중화시킴으로써 19.39Mbps의 데이터 스트림(data stream)이 생성된다.

이 압축된 19.39Mbps의 데이터 스트림을 DTV전송 stream이라 부르며 이것은 송신기 8-VSB 엑사이터(Exciter)에 입력이 된다. 이 전송 Stream을 6MHz의 대역으로 전송하려면 몇 가지 과정을 더 거쳐야 하는데 이것은 8-VSB Exciter 수행방식이었다.

8-VBS 방식은 영상신호의 RF 변조(RF Modulation) Format을 사용하고 있다. 변조란 영상을 실어 나르기 위한 반송파(Carrier Wave)와 합성하는 작업이다. 이러한 전송 stream의 시작과 끝을 정확히 인식하기 위하여 송신기 8-VBS의 Exciter에 동기 시켜야 한다. 유럽에서는 1988년 DVB라는 이름으로 HDTV 송신방법을 시행했다.

 

표 6-7 DTV 표준 비교

DTV방송 방식	ATSC	DVB
DTV 표준 전송 방식	8-VSB	COFDM
이동 중 수신능력	낮다.	높다.
도심지역 수신력	낮다.	높다.
가시권 설비구축비용	적게 든다.	많이 든다.
디지털 전환 용이성	높음	낮음
선택 국가	미국, 한국 등	유럽국가

HDTV에서 MPEG-2 전송 Stream은 188 byte로 구성되며 첫 번 바이트는 항상 동기신호 바이트로 사용된다. 이후의 변조과정에서 동기신호 바이트는 효력이 상실되며 ATSC 세그먼트(Segment) 동기신호로 대치된다.

우리는 유럽방식에 비해 미국방식이 이동 간의 수신방법에서 이동 간 수신할 수 없다는 이유로 한동안 유럽방식의 디지털 TV방송을 주장한 경우도 있지만 이동 중에 수신할 수 있는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)TV 방송방식을 세계최초로 개발하면서 더 이상 문제가 부각되지 않았다.

일본NHK방송국에서 1982 MUSE(Multiple Sub-nyquest Sampling Encoding)라는 아날로그 방식의 HDTV를 개발하여 1989년 정식적인 시험방송에 들어갔으나 미국을 비롯해서 유럽에서 디지털 방식의 HDTV가 연구되고 개발되면서 일본은 아날로그 TV방식을 고집할 수 없게 됐다.

미국은 일본이나 유럽과 달리 8-VSB 방식의 HDTV 공중파 디지털 TV방송 방법 성공했다. 그런데 UHDTV(Ultra High Definition TV)에서 공중파 방송방식이 늦어지는 동안 유럽은 DVB-T2 방식이 먼저 개발됐다. 그래서 UHDTV 모니터가 먼저 개발되고, CATV방송에서 지상파보다 먼저 세톱박스(Set top box)를 통한 UHDTV방송을 시작했다.

 

6.11 TV방송의 변화

그 동안 TV방송 영상은 필름에 비해서 해상도도 낮고 TV수상기의 크기도 매우 작았다. TV방송에서 아날로그 시대에는 세밀한 영상을 전송하는데 애로사항이 많았으나 디지털 TV방송이 되면서 고선명TV(HDTV)시대를 넘어 UHDTV시대가 열렸다. HDTV방송이 시작되면서 화면크기도 16:9로 변화하고, 음향도 6채널, 5.1채널 등 임장감을 더해 주는 방식으로 깨끗한 음질을 유지할 수 있는 디지털 TV방송 시대에 와 있다.

따라서 앞으로 TV방송 프로그램 제작에 있어 영상화면의 구도도 변화를 가져와야 하고, 그에 따른 카메라 워킹도 변화를 요구하게 되고, 음향의 제작방법도 많이 달라진다.

LG전자가 미국의 지상파 UHDTV방송을 위한 규격인 ATSC 3.0을 개발하는데 성공했다. 2015년 NAB(National Association Broadcasters Show)에서 미국 UHDTV 공중파 송·수신 방송기술 규격인 ATSC 3.0을 시현하데 이어 시험방송을 성공했다. 2015년 7월 9일 미국 오하이오 주 클리블랜드에서 미국 트리분(Tribune)방송국과 방송장비 업체 게이츠에어(Gates Air)와 같이 실험방송에 성공했다. ATSC 3.0은 시속 250Km로 이동 중에도 방송을 실행할 수 있다.

여기서 사용된 디지털영상 압축방식은 HEVC(High Efficiency Video)를 사용했다. HEVC/H.265 코덱은 현재 HDTV에서 사용되는 H.264 코덱보다 압축률이 2배가 된다. 이 기술은 우리나라 카이스트(KAIST)대학 김문철 교수의 특허다.

UHDTV방송은 아직 활성화되지 못했지만 한국은 LG전자에서 개발한 ATSC3.0 방식을 2016년 한국은 채택했고, 미국 또한 1919년 ATSC 3.0 방식, 유럽은 DVB-T2 방식, 일본은 ISDB-T 방식으로 3파전이 시작됐다.

 

6.12 인터넷 TV방송(IPTV)

인터넷 TV방송(IPTV: Internet Protocol TV)이란 컴퓨터 네트워크와 TV방송이 결합되어 실행될 수 있는 정보통신 수단이라고 할 수 있다. 인터넷 방송에는 IPTV 정규방송과 유튜브(Youtube)TV방송이 활발히 실행되고 있다. 특히 유튜브 방송은 스마트폰을 중심으로 각광을 받는 TV방송 시대로 정착되고 있다.

특히 초고속 인터넷 통신망이 날로 발전하고, 다량의 정보를 전송할 수 있는 IT(Information Technology)산업이 발전하면서 TV방송과 통신의 융합시대가 온 것이다. 명실 공히 디지털 멀티미디어시대라고 말할 수 있는 시대다.

자주 거론되고 있는 쌍방향 iTV(interactive TV) 시대가 되어 방송국에서 일방적으로 보내 주던 TV방송을 시청하던 시대에서 시청자가 궁금증을 물어 보고 대답하는 대화형식의 시대가 찾아오고 있다. 이런 환경을 해결할 수 있는 시스템이 인터넷방송인 IPTV, 유튜브와 같은 Smart TV의 환경이라고 할 수 있다.

좀 더 구체적으로 기술한다면

1. 데이터 서비스: HDTV를 포함한 지상파 방송, 영화, UCC(User Created Contents), PCC(Professional Creative Contents)등의 VOD(Video On Demand), 인터넷뱅킹 등의 은행업무, 문자정보, 전자상거래, 오락 서비스 등

2. 통신 서비스: SMS(Systems Management Server)로 문자정보를 보내 주거나, 모르는 것을 물어 보면 답을 제시하는 등의 다양한 문자정보 처리, 전화, E-mail, SNS(Social Network Service) 등이다.

3. 방송 서비스: UHDTV, HDTV, IPTV, DMB TV방송, 라디오 방송 등

이러한 다양한 정보를 통합적으로 IP망을 통해서 수용자에게 연결되어 세탑박스(STB: Set Top Box)를 이용해 필요한 정보를 시간, 장소에 제약 없이 쌍방향 iTV시대가 됐다. 그 뿐 아니라 TV방송을 시청하던 TV수상기에서 Smart Phone에서 사용되는 응용 프로그램(Apps: Application Store)과 같이 모니터할 수 있는 방법도 속속 개발되고 있어 IT와의 융합시대가 됐다.

그림 6-12 인터넷 TV방송(IPTV) 구성도