TV방송의 비월주사방식과 순차주사방식

1. 비월주사(飛越走査: Interlaced Scanning)

  비월 주사란 무엇인가? 우리가 보는 영상화면은 2차원적인 평면이기 때문에 넓게 펼쳐져 있다. 점(Pixel)이 모여서 선(주사선)이 되고 선이 모여서 평면영상이 형성된다. 그런데 영상화면을 송수신하는 방법을 생각해 본다면 영상의 한 장(Page)을 한꺼번에 보낼 수 있는 방법이 아직은 없다. 이유는 너무 데아타가 많기 때문이다 그럼으로 영상을 세분한 가장적은 점인 요소 즉, 픽셀(Pixel) 단위로 이동시킨다. 순서에 따라서 점(Pixel)이 순차적으로 이동하면서 모여서 선이 이동되고, 이 선이 모여서 한 장의 영상화면이 된다.

  아날로그 방식의 TV 영상은 전압에 의한 전계(電界) 또는 전류에 의한 자계(磁界)의형성을 이용해 영상화면의 맨 위쪽 왼편에서부터 시작하여 영상화면 오른쪽 방향으로 수평주사(Horizontal Scanning) 되고 이 주사가 한 번 주사되어 영상화면 마지막에서 끝나면 다시 왼쪽 위로 돌아와 먼저의 주사선보다 조금 낮은 위치에서 시작되어 오른쪽으로 나란히 주사가 계속된다.

  이와 같이 영상화면 끝까지 거칠게 한 번 주사한 후 위로 되돌아와 이미 주사된 사이사이를 다시 한 번 주사하여 끝까지 완료되면서 한 영상의 주사(Scanning)가 끝나게 된다.

  이렇게 수평방향으로 한 영상화면을 수평주사 하는 동안 수직방향으로 점차 이동하여 수평주사가 완료되는 시점에서 수직방향의 주사가 1회 이루어지게 되는데 이를 수직주사(Vertical Scanning)라 한다. 이러한 수직주사를 행하지 않으면 수평주사는 같은 위치에서 제자리에만 주사하게 되어 연속된 영상화면이 형성될 수 없다.   앞서 설명한 주사방법에서 먼저 거칠게 한 번 주사하고 다음에 그 사이를 다시 주사하는 것을 살펴보았는데 우리는 이러한 주사방법을 비월주사(飛越走査: Interlaced Scanning)라 하고 있다.   NTSC의 HDTV의 주사방식에서 한 장(Frame = 2 field)의 영상화면이 형성되는 수평주사(Horizontal Scanning)선 수는 전부 1125개가 되고, 1초 간 약 30장의 영상화면을 필요로 하고 있다.

                                그림 1-1  비월주사방식

    되돌아오는 시간이 짧을수록 좋으나 순간적으로 돌아올 수 있게 할 수 없어 귀선(歸線: Fly Back Line)이 생길 수밖에 없고 이 현상이 영상위에 발생되어 영상이 흉하게 보이기 때문에 소거하지 않으면 안 된다. 이 귀선을 소거하는 데는 귀선소거(歸線消去: Blanking) 방법을 사용하고 있다.

    그러면 주사방식에서 주사를 행할 때 왜 차례대로 한 번에 차례로 주사하지 않고 한 줄씩 건너뛰는 비월주사 방식을 채택하고 있을까? 우리의 눈은 연속되는 영상에서 각 영상의  휘도 차가 심하면 명암이 교차될 때 급격한 휘도변화로 우리 눈의 인식변화가 따라갈 수 없는 현상이 일어난다.  이러한 현상으로 영상의 깜박거림(Flicker)을 줄이려면 1초간 볼 수 있는 영상 수를 늘려야 한다. 그렇다고 무진장 늘리 수는 없어 30장을 2배로 늘리는 방법을 고안해 냈다. 

TV방송에서 일어날 수 있는 깜박거림을 방지하기 위해 앞서 설명한 비월주사 방법을 채택하여 한 장의 영상(1Frame)을 두 장의 영상(2Field)으로 분리하여 영상의 장수를 60장으로 2배 증가시키고 있다. 이러한 방법을 활용하여 주사하고 있는 것은 영상신호의 주파수를 높이지 않고서 매초 당 영상화면 수를 2배로 증가시켜 보냄으로써 깜박거림(Flicker)을 덜하도록 하는 편리한 방법이다. 따라서 매초 당 30장의 영상화면을 보내면서 마치 60장의 영상화면을 송신하는 것처럼 효과를 얻게 된다.

이와 같이 거칠게 한 번 주사한 것을 Field라 하고 1 Field를 주사하는데 걸리는 시간을 필드 주사주기(Field Scanning Period)라 한다. 이 필드 주파수는 60Hz가 된다.    그림에서 먼저 이루어지는 첫 번째  Field, 즉,  홀수필드(Odd Field)와 다음에 형성되는 두 번째 짝수필드(Even Field)가 결합되어 완전한 한 장의 영상화면(1 Frame)을 구성한다.

 

                                              그림 1- 2  필드와 프레임

  참고로 영화를 보여주는 영사기의 영상처리 방법을 본다면 1초 동안 24장의 영상화면을 보내면서 한 장의 영상화면 중간에 물리적인 셔터(Shutter)를 이용하여 한 장의 영상화면을 2로 잘라서 마치 48장의 영상화면처럼 보이게 하여 영상의 깜박거림 현상을 줄이고 있다. 

매초당 여러장의 화면이 사용돼야 깜박거림을 방지 할 수 있는데 아날로그 시절에는 물리적 제약이 있었으나 디지털화 하면서 그 제작의 제한이 사라졌다. 그리고 영화영상이라고 사용되는 24  frame/sec에서 카메라로 빠르게 팬(Pan)하면서 촬영된 영상은 덜덜거리는 현상을 느낄 수 있다.  그러나 앞으로 59.94  frame/sec로 방송된다면 그런현상도 현격히 줄이 수 있다고 본다. 그렇게 되면 훨씬 Video  level의 급격한 변화가 있다고 해서 화면이 깜박이는 Flicker 현상도  줄일 수 있을 것이다. 

 

2. .  순차주사(Progressive Scanning  or  Non-Interlaced Scanning)

  그러면 모든 영상화면이 비월주사로만 사용되고 있는가? 그렇지 않다.   우리가 많이 사용하고 있는 컴퓨터의 VGA 모니터는 순차주사(Progressive Scanning or Non-interlaced Scanning)방식을 사용하고 있다. 이 순차주사란 비월주사와 달리 한 영상을 완성하는데 위에서부터 차례로 주사하여 마지막 영상의 끝까지 1회에 완전한 영상화면(Frame)이 완성되는 방식이다.

  NTSC 방송방식에서 비월주사방식으로 사용되는 주사선수가 1125 Line으로 1초당 약 30(실은 29.97) Frame/sec를 만들면서 수평주파수(Horizontal Frequency)는 33,750 Hz이다. 그러나 컴퓨터 VGA 모니터는 방식에 따라 수평주파수는 30 KHz에서 120 KHz 이상까지 다양하다.

  우리가 컴퓨터 영상을 그대로  방송에 사용하지 못하는 이유는 이러한 수평주파수의 차이를 생각할 수 있다. 때문에 컴퓨터 모니터를 카메라로 촬영할 경우 수평주파수와의 매칭(Matching Scanning Line)이 안돼서 아래위로 어떤 굵은 바(Flicker Bar)의 움직임이 보기 싫게 나타나는 경우도 있다.

   보통 HDTV에서 주사선수가 1125 Line을 29,97 Frame/sec (59.94 Field/sec)의 비월주사로 처리하거나  59.94 Frame/sec의 순차주사로 처리한다. 일반적으로 60 Frame/sec 주사라고 해  TV모니터에서 통상 60 Hz 수직주사 주파수라고도 표현한다.  오늘날 TV모니터에서 수직주사 주파수를 240 Hz, 480 Hz로 사용되는 고급 TV모니터를 개발 해 사용한다.

이는 TV로 수신되는 60 Hz를 매우 빠르게  4번 또는 8번까지 반복 주사하여 Flicker 현상을 줄이고 더욱 선명한 영상을 얻게 하는 기술이다. 아날로그 방식에서는 불가능했지만 디지털 영상의 처리에서 영상압축 기술의 발달로 많은 영상 데이터(Data)를 압축해 전송할 수 있게 됨으로써 HDTV까지도 순차주사를 실행할 수 있게 됐다. 앞으로 영상에서 비월주사방식은 사라지고 순차주사방식이 주류를 이룰 것이다.

3.  유효 주사선(Effective Scanning Line)

   앞서 설명한 바와 같이 수평주사를 행하는 동안에 수직주사도 동시에 이루어지고 수직귀선 기간에도 수평주사는 계속 발생한다. 때문에 수직귀선 기간에 수평주사가 일어나고 있지만 볼 수 없게 된다. 아날로그에서는 이 수직귀선기간 동안 수평주사의 약 6%에서 8% 정도. 디지털에서는 약 4% 정도의 손실이 이루어진다. 다시 말하면 실지로 우리가 볼 수 있는 주사선수는 디지털의 경우 전체 주사의 4%만큼 줄어든다.

  그 것도 최대로 볼 수 있는 것이 HDTV의 경우 1080 line 이지 카메라로 표현될 수 있는 1080 line을 복사하고 편집과정에서 그보다 줄어들 수도 있다 .  그래서 고화질 이미지센서에서 얻어진 영상의 화질이 좋게 유지될 수 있다. 우리가 film으로 제작된 CF영상을 텔레비전으로 시청할 때 카메라로 촬영된 영상보다  더 선명한 화면을 볼 수 있는 경험을 할 수 있다.  

  이는  주사선이 무한대인 film 카메라나,  영상 카메라 성능이 좋은 UHD 카메라을 사용한다면  유효수평주사선이 2배인 2250 line 을 사용하게 되는데 그 중에서 1125  line 다운 컨버팅(변환)하여 사용한다면  더 좋은 영상을 얻을 수 있기 때문이다.

  디지털 방식인 HDTV에서 수평주사선 1125×0.04 = 45 Line이 손실 된다. 따라서 유효수평주사선 수는 1125 － 45 = 1080 Line이 된다. 또한 750 line인 HDTV에서는 750 × 0.04 = 30 Line 손실로 750 － 30 = 720 Line이 유효주사선 수가 된다.

 

4. FULL HDTV란 무엇인가?

  일반적으로 HDTV의 주사방식에서 비월주사 방식인 60i와 순차주사 방식인 60p라는 표현이 있다.  60i는 화면의 수평주사선을 비월주사방식으로  1125 line을 홀수 Field와 짝수 Field로 각각 29.97 line 씩 나누어 1초당 59.94 Field/sec의 화면을 만들주어 주사하는 방식이고, 60p는 순차주사방식으로 1125  line을 59.94 Frame/sec로 순차주사함으로서 질 좋은 화질과 flicker현상도 줄일 수 있다. 후자인 60p 방식을 Full HDTV방식이라 한다.