영상화소(Picture Element)와 주사선(Scanning Line): 추가설명

고급 영상카메라는 렌즈를 통해 들어온 피사체의 빛을 3개로 조합된 프리즘을 통해 ,Red, Green, Blue 영상으로 분류하고 각각 3개의 R, G, B 이미지센서(CCD 또는 CMOS)로 받아들인다. 과거 R, G, B의 진공관 이미지 촬상관은 시간이 갈 수록 서로 다른 변화가 일어나 Red, Green, Blue의 화면를 똑 같이 일치 시키는 작업이 자주 필요하여 Registration Chat를 잡아 화면 크기, Horizontal, Vertical을 고르게 정렬작업이 꽤 어려웠다. 서로 잘 맞지 않으면 피사체의 갓(edge)에 red 등 선이 화면에 나타나 문제가 됐다. 지금의 3 이미지 센서는 한 번 정확히 정렬시켜 맞춰 놓으면 전혀 변화가 없게 된다.  즉, 3개의 R, G, B 이미지 센서에 만들어진 평면영상은 마치 모눈종이와 같이 잘게 나눈 영상화소(映像畵素 : Pixel: Picture Element)를 일치시켜 놓고 전자적인 표본화와 양자화한 후 디지털신호로 바꾸어 처리하고 저장하거나 전송하고 최종적으로 우리가 보기 위해 아날로그 영상신호로 복귀시켜 모니터를 통해 본다.

  <그림 1-1 > HDTV(16 : 8) 화면의 Pixel 형태 

 

이들 영상화소는 가로 : 세로 = 1.33 : 1의 크기로 만들어 사용하는 경우도 있었지만 대부분 가로 : 세로 = 1 : 1 인 정사각형 형태로 해서 디지털화하여 처리한다. 화면 크기가 16 : 9인 HDTV 영상화면(Frame) 가로의 유효수평주사선이 1080 line 이기 때문에 세로 수직선은 1080 x 16/9 = 1920 line이 된다, 즉, 가로 x 세로 = 1080 x 1920 = 2,073,600개의 화소(Pixel)을 갖는다.

 그런데 이 피사체의 Pixel은 물감과 달리 빛의 조합으로 형성된 것이다. 따라서 화소는 Red, Green, Blue가 합성된 최소단위라 할 수 있다. 그런데 컬러TV의 영상은 각 Pixel마다 명도(明度), 채도(彩度), 색상(色相)이란 3요소를 가지고 있다.

 <그림 1-2>에서 컬러영상의 세밀한 구성을 보여주고 있는 하나의 예에 불과하다. 앞쪽에 있는 그림은 일반 휴대용 컬러 카메라나 Camcorder에서 많이 사용되는 방법으로 하나의 이미지센서에서 R, G, B 신호로 분류하여 처리하는 베이어(Bayer) 방식을 보여주는 그림이고, 뒤에 있는 그림은 스트디오 등에서 사용하는 대형 표준카메라 등에서 피사체의 영상을 3개 rism 으로 구성되어 R, G ,B신호로 분리 한 후 3개의 CCD 또는 CMOS 이미지 센서로 받아 Pixel로 만들어 Y, B-y, B-y신호로 변환 해 표본화하여 디지털화 하는 카메라의 구조다. 베이어(Bayer) 방식은 추후에 알아보기로 하고 여기서는 후자인 3개의 이미지 센서로 마들어진 영상신호에 대한 설명을 중심으로 이야기 하고자 한다.

<그림 1-2> 카메라 Prism과 이미지센서 R,G,B 화소(Pixel) 관계

 

영상화면을 디지털화 하는 과정의 설명이다. R, G, B 화소는 각각 Y, R-y, B-y신호로 바꾸어 표본화(Sampling)하고 양자화하여 양자화하고 지디털신호로 변환하여 여러 과정을 거쳐 최종적으로는 영상을 보기 위해서는 아날로그 형태로 복귀시켜야 R, G, B 신호로 모니터하여 볼 수 있다. 

 < 그림 1-3> 모니터 화면(R,G,B) 구조

 

다음은 주서선(Scanning Line)에 대해 알아본다. 영상화소(Pixel)의 정보가 화면의 맨 위 왼쪽 시작점에서 시작하여 오른쪽으로 차래대로 보내지고, 한 줄이 끝나면 바로 아래로 줄로 내려와 다시 왼쪽에서 오른쪽으로 영상화소를 순차적으로 처리하는 일을 하는데 한 화면이 끝나면 다음 영상화면으로 이동해 같은 방법으로 진행 된다. 이때 왼쪽 시작에서 오른쪽 끝까지 영상화소가 이루는 것을 순서대로 연결해보면 하나의 영상화소선이 형성된다. 우리는 이것을 주사선(Scanning Line)이라 한다. 그리고 수평으로 행해지고 있어 수평주사선(Hrizontal Scanning Line)이라 한다.

          < 그림 1-4> 화면의 비월 주사선 

 

 순차주사인 경우 한 장의 영상(Frame)은 몇 개의 주사선으로 형성되는지 결정하는 것이 필요하다. 그래서 현재 이미지센서나 TV모니터에서 사용되는 한 장(frame)의 영상이 형성되는 주사선수는 HDTV의 경우 1125선이 되었고, UHDTV의 주사선수는 2250선이 되었다. 

그런데 화면의 왼쪽에서 시작하여 오른쪽에서 끝나고, 다음 줄의 왼쪽 시작점으로 돌아오는것을 귀선(歸線: Flyback Line))이라 하고 그 기간을 귀선기간이라 한다. 그리고 한 화면의 맨 아래 주사선 오른쪽 끝에서 주사가 끝나고 새로운 화면의 첫 번째 시작점으로 되 돌아오는 기간에도 주사는 쉬지 않고 계속되고 있지만 그 귀선동안 영상화소를 볼 수 없게 된다. 

그럼으로 주사하는 동안 우리가 영상을 볼 수 없는 현상이 일어난다. 주사는 계속되지만 주사선이 끝나고 다음 주사선을 시작하기 위하여 앞으로 되돌아 갈 때와 한 화면이 끝나고 새로운 화면의 첫 번째 주사를 시작하기 위해 돌아갈 때 우리가 보지 못하는 수평주사선수가 있다. 이런 보지 못하는 수평주사선이 디지털인 경우 전체 주사의 약 4%가 된다.

따라서 주사선이 1125인 HDTV인 경우 1125 X 4/100 = 45선이 보이지 않고 손실된다. 그럼으로 HDTV 유효수평주사선 수는 1125 - 45 = 1080선이 되고, UHDTV인 경우 유효수평주사선 수는 같은 이치로 2160선이 된다.

영상화면 전체의 주사선 수가 많으면 많을수록 화소가 아주 작아지면서 영상의 해상도가 높아질 수 있다. 그러나 우리가 식별할 수 없는 너무 많은 주사선 수를 택한다면 전파가 차지하는 주파수 대역폭이 넓어지고, 영상 데이터의 물량(物量)이 많아져 기술적으로 저장하고 송·수신하기 어렵게 된다.

그렇다면 영상은 얼마나 많은 수평주사선이 필요할까?

영상화면의 수평주사선은 어느 정도가 좋을까? 과거 아날로그 방송시절 화면의 크기가 21인치정도에서 한 화면에 들어가는 주사선가 60개 정도면 사람얼굴의 윤곽을 짐작할 수 있고, 200개 정도의 주사선은 얼굴의 특징까지 인식할 수 있으며, 400개 정도면 충분하나 배경의 경치까지 확실하게 볼 수 있기 위해서는 500개 정도의 주사선이 필요했다.

<그림1-5> 과거 TV모니터 브라운관 구조와 형태

 

처음 우리가 아날로그를 사용하던 시절 브라운관 TV수상기 화면의 크기가 일반적으로 21인지 정도였다. 그래서 과거 SDTV방송 영상의 수평주사선수는 525∼625 Line으로도 별 문제가 없었다. 그러나 TV영상화면이 37인치 정도로 커지면서 더 많은 주사선이 필요했고, 일본 NHK 방송연구소에서 하이비전이란 이름으로 TV방송 형식을 바꾸어 영화영상과 같이 화면 크기의 비율도 4 : 3에서 16 : 9로 바꾸고, TV수상기의 주사선수도 높이려는 연구가 진행되었다.

 그 당시 가장 큰 37인치 TV수상기로는 수평주사선을 1000 Line이상을 사용해 실험 해 봤지만 우리 눈으로 전혀 식별할 수 없었다. 그래서 SDTV의 미국방식과 유럽방식에서 사용하던 525 Line과 625 Line의 수평주사선수와의 관계를 고려하여 1,125 Line으로 결정했다.

 그래서 우리가 개최한 1988년 서울하계올림픽 때 시연(試演)함으로서 처음으로 16 : 9의 HDTV 방송방식이 탄생하였고 새로운 아날로그 HDTV시대가 열리게 됐다. 그러나 미국과 유럽에서 새로운 디지털 HDTV방식으로 완성하여 오늘날은 디지털 HDTV TV시대가 되었지만 65인치 이상으로 TV수상기가 점점 커지면서 수평주사선수가 또다시 부족함을 느껴 HDTV의 2배인 2250 Line으로 확장해 UHDTV시대가 열렸다.

  우리는 디지털이 더욱 발전하면서 UHD TV(Ultra High Definition TV)모니터가 공중파 방송보다 먼저 개발되기 시작했고, 2001년 이후 CATV방송에서 UHDTV방송이 시작됐다. 그러나 공중파 UHDTV방송은 송수신 방법 때문에 늦어졌고, 오늘날 우리와 미국 등은 ATSC 3.0방식, 유럽은 DVB-T2 방식, 일본의 ISDB-T 방식으로 나뉘어져 세계는 통일된 방송방식을 갖지 못해 아쉬움이 남는다. 아직은 여러 가지 경제적 여건으로 완전히 활성화 되지 못하고 있지만 곧 UHDTV 시대가 될 것이다.

<참고>  <그림 1-4>의 주사선은 순차주사 방식이 아니라 비월주사 방식의 그림인데 그에 대한 설명은 차후에 설명하기로 한다.