13지은
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2001.02.09 (02:33:05)
비디오 기초



프레임 레이트와 해상도(frame rate & resolution)

프레임 레이트는 초당 보여지는 이미지의 수(프레임 수)를 말한다.움직임이 부드럽게 보여지려면 대략 초당 10프레임이 필요하다. 프레임 수가 이보다 작으면 화면이 튀어 보이고 이보다 많으면 더욱더 부드러운 움직임이 재생된다. 영화는 초당 24프레임으로 만들어지고 TV 프로그램은 대략 초당 30프레임으로 만들어지는데 사용하는 표준에 따라 나라마다 약간씩 달리한다.

영상의 화질은 단지 프레임 레이트에 의해서만 달라지는 것은 아니다.각 프레임이 갖고 있는 정보의 양도 중요하다. 이것이 바로 해상도이다. 해상도는 보통 스크린 상의 화소(Picture element, Pixel)의 수로 표시되며, 수평화소수 X 수직화소수의 형태로 표현된다(예 640x480, 720x480). 다른 조건이 동일할 경우 해상도가 높을수록 이미지의 질도 높아지게 된다. 프레임 레이트나 해상도를 높일수록 화질은 좋아지게 되지만 그만큼 더 많은 저장용량과 대역폭이 필요해진다.

픽셀이란 이미지를 이루는 최소단위를 말하는데, 디지털 이미지를 계속해서 확대해보면 작은 사각형의 집합으로 되어 있음을 볼 수 있다. 픽셀은 좌표와 해상도를 가지며 픽셀의 좌표는 x, y축의 2차원 좌표에서 한 점으로 표시할 수 있으며 한 좌표에는 한 개의 픽셀만이 존재하며 여기서의 좌표를 비트맵(bitmap)이라고 한다. 픽셀 해상도는 픽셀이 몇 비트의 색정보를 담고있느냐에 따라 결정되는데, 예를 들어 1비트는 흰색과 검은색의 두가지의 색상을 표현할 수 있고, 2비트는 4가지 색상을 표현할 수 있다. 보통 말하는 24비트 비디오는 2의 24승 즉, 16,777,216 색상정보를 가지고 있는 비디오를 의미한다.

대역폭(Bandwidth)

전송되는 신호의 최고 주파수와 최저 주파수의 차이를 뜻하며, 일반적으로 주어진 시간에 전송할 수 있는 정보의 양을 말한다. 보통 초당 비트나 바이트로 표시된다. 고화질의 이미지를 보여주기 위해서는 큰 대역이 필요하다. 따라서 이미지를 저장하거나 전송하는데 있어 대역폭은 화질을 결정하는 중요한 요소가 된다.일반적으로 디지털 이미지 시스템은 큰 대역폭을 필요로 하기 때문에 많은 저장시스템과 전송시스템은 신호를 수용할 수 있는 압축기술에 의존한다. 데이터 레이트(data rate)라는 개념과 혼용해서 사용하는 경우가 많다.

비월주사 방식의 비디오(interlaced Video)

일반적인 텔레비젼( 디지털 텔레비젼이나 컴퓨터 모니터에 반대되는 개념으로서의 )을 통해 비디오를 출력하려면 비디오 프레임 레이트에 관해 알아야 할 것이 하나 더 있다. 일반적인 텔레비젼은 비월주사방식의 비디오(interlaced video)로 화면을 표시한다. 전자빔은 스크린의 안쪽을 가로질러 스캔하여 형광코팅막을 바추게 된다. 이때 형광막이 빛을 발산하는데 우리는 이 빛을 보는 것이다. 전자빔의 강도는 빛의 강도를 결정한다. 전자빔이 텔레비젼의 바닥에 도달할 때까지 텔레비젼의 각 라인을 스캔하고 다시 처음으로 돌아가기까지는 일정한 시간이 필요하다. 처음 텔레비젼이 발명되었을 때에는 형광물질의 지속시간이 매우 짧았다. 결과적으로 전자빔이 스크린의 바닥을 스캔하는 시간이면 맨 위쪽의 형광물질은 이미 어두어지기 시작하는 것이다. 바로 이러한 문제를 해결하기 위해 초기의 텔레비젼 엔지니어들은 비월주사방식을 만들어 낸 것이다. 전자빔은 처음에는 텔레비젼의 라인을 하나씩 걸러 스캔을 하고난 다음 처음으로 돌아가 다시 처음에 건너뛴 라인을 스캔하게 된다. 텔레비젼 시그널에서 위쪽(홀수) 필드와 아래쪽(짝수) 필드가 바로 이 라인을 말하는 것이다. 그러므로 초당 30프레임을 표시하는 텔레비젼은 실제로 초당 60필드를 표시하는 것이다. 그러면 왜 프레임/필드가 중요한 이슈가 되는가? 스크린을 가로질러 날아가는 볼을 찍은 비디오를 본다고 가정하자. 처음 1/60초에서 TV는 그순간의 볼의 위치를 짝수라인에 표시한다. 하지만 볼은 계속 움직이므로, 다음의 1/60초에 짝수라인에 표시할 때에는 약간 다른 위치에 표시하게 된다. 컴퓨터를 이용하여 애니메이션이나 움직이는 텍스트를 만드는 경우, 가장 자연스러운 움직임을 만들기 위해 소프트웨어는 두 개의 필드 세트와 각각의 비디오프레임을 위해 이미지를 계산하여야만 한다. 비디오 편집소프트웨어나 관련 프로그램들은 이를 정확하게 수행한다. 프레임/필드에 관한 문제는 단지 텔레비젼에 표시되는 비디오에 국한된 문제이다. 컴퓨터 모니터는 비월주사 방식이 아니기 때문에 비디오가 컴퓨터에서만 디스플레이된다면 이슈가 될 게 없는 것이다. 최근에 나온 비디오 캠코더들은 스캔방식을 인터레이스 방식(interlace scan)과 순차주사 방식(progressive scan)을 사용 목적에 따라 선택하여 사용할 수 있게 되어 있다.

RGB칼라와 YCC(Y-Cr-Cb,Y-RY-BY,YUV)칼라

대부분 RGB칼라의 개념에는 익숙하다. RGB는 칼라의 Red, Green, Blue의 3가지 요소의 이니셜이다. 컴퓨터 모니터는 RGB 칼라로 표시한다. 우리가 보는 각각의 픽셀은 매우 근접하여 있는 Red, Green, Blue 형광체로부터 나온 빛이다.이 형광체는 매우 근접하여 있기 때문에, 우리 눈은 이 빛을 섞어서 보는 것이어서 우리는 이를 한가지 색의 점으로 인식한다.

색의 Red, Green, Blue 3가지 요소는 종종 컴퓨터 이미지의 채널(channels)로 말해진다. 컴퓨터는 이 3가지 요소에 대한 정보를 8비트로 저장하고 전송한다. 이렇게 만들어진 24비트의 정보로 각각의 픽셀에 대해 수백만 이상의 다양한 칼라를 표시하는 것이다. 이러한 색상표현의 통상 24비트 칼라라고 말한다.

위에서 설명한 바와 같이 컴퓨터 모니터는 RGB를 사용해 표시하는데 반해 텔레비젼은 RGB를 사용하지 않는다.

처음 텔레비젼이 발명되었을 때에는 흑백만의 표시가 가능하였다. 헌데 여기서 붙여진 "흑백"이란 개념은 사실 잘못 붙여진 이름이다. 왜냐하면 실제로 우리가 흑백 텔레비젼에서 보는 것은 흑과 백사이의 회색이기 때문이다. 이는 도트를 통해 보내지는 정보가 단지 밝기(luminance)라는 것을 의미한다.

그 후, 칼라 텔레비젼이 개발되었는데 이때는 수많은 사람이 흑백 텔레비젼을 가지고 있었기 때문에 흑백 텔레비젼에서 칼라 방송을 보도록 해야만 하였다. RGB 형태로 표시할 경우 흑백 텔레비젼은 무용지물이 되기 때문이었다. 그래서 RGB로 칼라 방송을 송출하는 대신에 YCC라는 것으로 방송을 하게 된 것이다. 여기서 Y는 바로 흑백 텔레비젼에서 사용하던 밝기(luminance)라는 낡은 신호와 동일한 것이고 C는 칼라 요소를 뜻한다. 두 개의 칼라 요소는 픽셀의 색상을 결정하고 루미넌스 신호는 픽셀의 밝기를 결정한다. 그리하여 칼라 방송과 흑백 방송이 호환성을 유지할 수 있었다. YCC를 Y-Cr-Cb혹은 Y-RY-BY로 표시하는 경우가 있는데 이렇게 구분하여 사용할 경우, Y-Cr-Cb는 디지털 콤포넌트를 Y-RY-BY는 아날로그 콤포넌트를 의미한다.보통 Y-RY-R-BY를 PAL방송에서는 YUV로 NTSC에서는 YIQ로 쓰기도 한다

아날로그 비디오 포멧

오늘날 대부분의 음악을 디지털 방식으로 녹음하고 편집하고 유통시키는 것처럼 대부분의 비디오도 몇몇 부분에서는 디지털이다. 이러한 변화는 지금도 계속 진행되고 있지만 이것이 아날로그 비디오의 세계를 무시하여야 한다는 것을 뜻하는 것은 아니다. 현재 수많은 일반 소비자들이 사용하는 캠코더나 VCR뿐만 아니라 많은 고가의 프로용 장비들도 아날로그 방식을 유지하고 있다.

아날로그 비디오에서는 노이즈때문에 장치간의 연결 타입이 매우 중요하다. 아날로그 비디오의 연결에는 기본적으로 콤포지트, S-비디오, 콤포넌트의 세 가지가 있다.

콤포지트(composite): 아날로그 비디오의 가장 단순한 연결 타입은 콤포지트 케이블 연결이다. 이는 비디오 신호를 전송하는데 하나의 케이블을 이용한다. 루미넌스 신호와 칼라 신호를 합친(composited) 후 동시에 전송하는 것이다. 두 개의 신호를 합쳐서 전송하기 때문에 아날로그 연결 방식중 가장 질이 떨어지는 방식이다.

S-비디오: 콤포지트보다 한단계 높은 방식이 S-비디오 방식이다. 루미넌스 신호를 하나의 선(wire)에 보내고 두 개의 칼라 신호를 합쳐 다른 선(wire)에 보내는 방식이다.

콤포넌트(component): 가장 우수한 연결 방식으로 각각의 YCC신호를 각각의 케이블을 통해 전송한다.

일반적으로 레코딩하는 화질이 우수할수록 연결 방식도 우수한 것을 사용한다.

테이프 형식 비디오 형식 화질 응용 분야
VHS 콤포지트 Good 홈비디오
S-VHS,Hi-8 S-VIDEO Better 프로수머, 기업용
BetaSP 콤포넌트 Best 기업용, 방송용



연결 단자

비디오 편집 혹은 관련 시스템을 스스로 구성하려는 사람에게는 비디오와 오디오의 연결 단자와 그 내용은 무척이나 중요한 사항이다. 비디오 포멧과 연결 방식은 불가분의 관계에 있기 때문이다. 작업하려는 비디오의 포멧과 캠코더와 VCR, 그리고 컴퓨터간의 연결 방식을 미리 고려하지 않으면 각각의 장치가 갖고 있는 고유한 장점을 살리지 못하고 데이터 전송 과정에서 화질을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 예를 들어 캠코더는 DV 방식의 비디오에 1394 단자를 갖고 있지만 컴퓨터나 VCR의 연결단자가 1394 단자를 지원하지 못하면 S-Video 단자나 콤포지트 단자(RCA)를 이용할 수 밖에 없고, 이는 필연적으로 화질을 저하시키게 되는 것이다. 특히 새롭게 시스템을 구성하는 경우에는 현재 지원되는 인터페이스뿐만 아니라 향후 지원하게 될 인터페이스까지 꼼꼼히 점검하여 시스템을 준비하여야 한다. 다음은 연결 단자에 대한 간략한 설명이다. 왼쪽으로부터 세개는 비디오 연결 단자이고 나머지 두 개는 오디오 연결 단자이며 모두 수컷 단자이다. 물론 암컷 단자가 있다.


DV 캠코더나 VCR, 1394 포트를 장착한 컴퓨터 등의 연결에 사용하는 단자로 양방향 전송이 가능하다. "baby and connector"의 약자로 아날로그 콤포지트, 아날로그 콤포넌트, SDI, SDTI 등 다양한 비디오 소스를 연결하는데 사용한다. 또한 genlock과 같은 다른 신호를 보내는데 사용한다. S-VHS 캠코더나 VCR같은 S-VIDEO 장치를 연결하는데 사용한다. 마이크 혹은 다른 발란스 오디오 장치를 연결하거나 AES/EBU 디지털 오디오 연결을 위해 사용한다. 포노플러그라 불리기도 하며 VCR, 튜너, CD플레이어같은 일반 소비자용의 오디오나 비디오 연결을 위해 사용한다.



방송 표준

방송 표준에는 NTSC, PAL, SECAM의 세 가지가 있다. 일반적으로 카메라나 비디오 관련 주변기기를 구입할 경우 특별히 방송표준에 관하여 신경쓸 것은 없다. 제품 발매시 보통 그 지역의 표준에 맞는 제품을 판매하기 때문이다. 하지만 국제적인 유통을 목적으로 한 컨텐츠를 제작하거나 외국에서 만들어진 프로그램을 가지고 작업하는 경우는 다르다. 각각의 방송 표준마다 프레임 레이트나 해상도가 다르기 때문에 특정 방송 표준으로 만들어진 프로그램을 다른 표준으로 전환시킬 수는 있으나 화질이 문제가 된다. 기술적으로나 정치적인 이유로 인해 여러 가지 비디오 표준이 있는데 현재 세계적으로 사용하고 있는 주요 표준은 다음과 같다.

방송포멧 국가 수평라인수 프레임 레이트
NTSC 미국, 캐나다, 일본, 한국, 멕시코 525 line 29.97 frame/sec
PAL 호주, 중국, 유럽 대다수 국가, 남아공화국 625 line 25 frame/sec
SECAM 프랑스, 중동지역, 대다수 아프리카 625 line 25 frame/sec



비디오 압축

캡쳐카드를 사용하든 디지털 캠코더를 사용하든 비디오를 디지타이징할 때 대부분의 경우 압축을 하게 된다. 압축하지 않은 비디오는 데이터의 양이 너무 크기 때문에 압축이 필요한 것이다. 수평해상도 720픽셀, 수직해상도 486픽셀에 RGB 칼라 정보를 3바이트로 계산하면 압축하지 않은 1프레임의 비디오를 컴퓨터에 저장하려면 대략 1메가바이트의 용량이 필요하다는 것을 쉽게 계산할 수 있다. NTDC의 경우 초당 29.97프레임이므로 압축하지 않은 비디오로 1초를 저장하려면 30MB, 1분을 저장하려면 2GB에 가까운 용량이 필요해진다. 여기에 비디오를 보면서 작업을 하려면 많은 데이타를 CPU에 전송할 수 있을 만큼의 매우 빠르고 비싼 디스크 어레이도 필요하게 된다.

압축의 목적은 이미지의 질을 유지하면서도 데이터 레이트를 줄이는 것이다. 얼마나 압축하는가는 압축한 비디오를 어떤 목적으로 사용하는가에 달려 있다. DV포멧의 비디오는 5:1로 압축하며 웹에 올리는 목적으로 압축하는 비디오는 50:1 혹은 그 이상으로 압축한다.



압축의 종류

비디오를 압축하는 방법은 다양하다. 비디오의 프레임 크기를 줄이는 것도 하나의 손쉬운 방법이다. 320x240의 이미지는 640x480 이미지와 비교할 때 픽셀의 수는 4분의 1에 불과하다. 비디오의 프레임 레이트를 줄이는 것도 하나의 방법이다. 초당 15프레임의 비디오는 초당 30프레임의 비디오와 비교할 때 데이터의 크기는 반이 된다. 하지만 TV에 풀화면의 자연스러운 움직임으로 표시하고자 한다면 이러한 단순한 방법에 의한 압축으로는 불가능하다. 다른 방식으로 압축의 문제를 접근해야 한다.

인간의 눈이 칼라의 변화보다는 이미지의 루미넌스(밝기)의 변화에 민감하다는 것은 다 아는 사실이다. 대부분의 비디오 압축 방법은 이러한 인간 감각의 특성을 이용한다. 즉 칼라에 관한 정보를 줄여 압축하는 방법을 사용하는 것이다. 이러한 방식의 압축에서 칼라 정보에 대한 압축의 정도가 너무 심하지만 않는다면, 일반적으로 화질의 변화를 알기가 쉽지 않다. 사실 방송국에서 사용하는 최고 화질의 비압축 비디오조차 약간의 원본 칼라 정보가 빠져있다.

비디오의 각각의 프레임을 개별적으로 압축하는 것을 인트라 프레임 압축이라고 한다. 하지만 몇몇의 비디오 압축 시스템은 인터프레임 방식을 사용한다. 인터프레임 방식의 압축은 특정 프레임 주위의 프레임은 매우 유사하다는 사실을 이용한 압축방식이다. 즉 전체의 프레임을 저장하지 않고 특정프레임과 프레임간의 차이만을 저장하는 것이다.

비디오의 압축과 복원은 소위 코덱CODEC(compression과 decompression의 합성어)에 의해 이루어지는데 하드웨어 코덱과 소프트웨어 코덱의 두 가지 종류가 있다. 코덱은 미리 정해진 압축율을 가지고 있어 일정한 데이터 레이트를 갖는 것도 있고, 콘텐츠의 양에 따라 각 프레임을 다른 비율로 압축하여 시간에 따라 데이터 레이트가 변하는 것도 있다. 화질을 선택하여 데이터 레이트를 바꿀수 있는 코덱도 있는데, 이러한 코덱은 비디오 편집에 유용하다. 예를 들어 많은 양의 비디오를 캡쳐하여 편집하고자 할 때, 처음에는 낮은 화질로 캡쳐하여 대략적인 편집을 한 후, 그 다음에 원하는 만큼의 고화질로 다시 캡쳐하면 처음부터 많은 양의 비디오를 고화질로 캡쳐하기 위해 대용량 저장 장치를 써야하는 부담을 없앨 수 있다.

포멧 해상도 압축방법 데이터 레이트 적용분야
MJPEG 720x486 인트라프레임 0.5 - 25MB/sec 대부분
MPEG-1 352x240 인트라프레임 0.01 - 0.06 MB/sec CD롬, Web
MPEG-2 720x480 인트라프레임, 인터프레임 0.01 - 2MB/sec DVD, 위성TV
DV 720x480 인트라프레임 3.5MB/sec 소비자, 기업, 방송
D1 720x486 없음 25MB/sec 방송
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