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Part1. 영화 감상을 집 안에서... HDR 기술과 OLED 디스플레이

  • 등록일2019.05.02
  • 조회수76,006
  • Colorful Life
  • Genius


지난 컬럼에서 OLED의 다양한 화질적 장점들, “완벽한 블랙 표현”, “생동감 넘치는 컬러 구현”, “세밀한 디테일 표현”, 을 가능하게 하는 기술인 픽셀 디밍 (Pixel Dimming)이 무엇인지 살펴보았습니다. 오늘은 최근에 출시되고 있는 초저가형 TV들도 지원하는 HDR (High Dynamic Range) 기술이 무엇이고, OLED 디스플레이와 HDR 기술이 어떠한 연관성이 있는지 살펴보도록 하겠습니다.


그림 1. Google Shopping 검색 결과 (키워드: HDR TV)


사실, HDR 기술의 개념은 우리에게 매우 친숙한 편 입니다. 왜냐하면 현재 출시된 대부분의 스마트폰 카메라에도 HDR이란 기능이 들어있기 때문입니다. 물론, 오늘 얘기할 디스플레이에 적용되는 HDR 기술이 스마트폰 카메라의 HDR 기술과 동일한 것은 아니지만, 근본적인 목적은 같습니다. 바로, 두 HDR 기술 모두 인간 시각을 통해 세상을 보는 것과 같이 카메라와 디스플레이이에서도 가능하도록 하는 것이 공통적으로 추구하는 목표이기 때문입니다.

혹시나 HDR 기술이 아직 친숙하지 않은 분들을 위해 카메라에서의 HDR 기술에 관한 예를 한 번 들어보겠습니다. 우리 인간 시각은 어두운 실내에 앉아 창 밖의 밝은 풍경을 바라보더라도 어두운 실내에 있는 물체와 창 밖의 풍경을 동시에 볼 수 있지만, 그림 2에 나타나듯이, 작은 Dynamic Range를 갖는 일반적인 카메라 센서로 어두운 실내에서 창 밖의 풍경을 촬영할 경우, 어두운 실내의 내부는 영상에 담기지만, 창 밖의 풍경은 흰색으로 나타나 구분 할 수 없거나 창 밖의 풍경은 영상에 담기지만, 어두운 실내의 내부는 검은색으로 나타나 영상에서는 구분하기 어려운 경우가 생깁니다. 이 둘 간의 차이는 카메라 센서의 초점이 실 내에 맞추어졌는지 창 밖에 맞추어졌는지에 따라 달라지는데, 아마 많은 분들이 이러한 현상을 많이 경험해 보셨을 겁니다. 하지만, 최신의 스마트폰과 카메라에 적용되고 있는 HDR 기술들은 기술의 발전으로 인해 확대된 카메라 센서의 Dynamic Range와 영상 처리 기술을 이용해 그림 2의 오른쪽 사진과 같이 좀 더 나은 Dynamic Range를 제공할 수 있도록 진화되었습니다.

그러면, TV와 디스플레이에 적용되고 있는 HDR 기술은 어떠한 차이가 있을까요? 기본적으로 우리가 TV 등 다양한 디스플레이를 통해 보고 있는 영상들은 카메라가 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적 신호로 변환시켜서 디지털 형태의 파일로 저장된 것을 디스플레이가 다시 빛으로 변환 시켜 출력된 결과물 입니다. 사실, 카메라에서 아날로그 신호인 빛을 디지털화 하는 방법은 무수히 많이 존재하는데, 디스플레이에서 카메라에서 담은 대로 올바르게 출력하기 위해서는 아날로그-디지털 신호 간의 변환 방법이 서로 일치해야 합니다. 만약, 서로 다른 규약으로 아날로그를 디지털화 하고, 디지털을 아날로그할 경우, 디스플레이는 원래 촬영에 의해 의도된 영상의 밝기와 색이 아닌 전혀 다른 밝기와 색으로 출력할 수 밖에 없습니다.


그림 2. SDR과 HDR 카메라의 차이[1]


이러한 혼란을 방지하기 위해 우리가 현재 디스플레이를 통해 보고 있는 대부분의 영상은 ITU (International Telecommunication Union)에서 제정한 규약, ITU-Rec.709에 따라 만들어진 것들입니다. 이로 인해, 우리는 비록 카메라와 디스플레이 성능에 따라 화질적 차이는 존재하지만, 거의 동일한 형태의 영상을 다양한 디스플레이에서 볼 수 있게 된 것입니다.

하지만, 이러한 규약은 수십년전 아직 카메라와 디스플레이 기술이 성숙하기 이전에 만들어져 인간 시각의 Dynamic Range를 만족시키지 못하는 것은 물론이고, 현대 카메라와 디스플레이 기술의 능력치를 제대로 반영하지 못한다는 지적이 이어졌습니다. 이로부터 더 확장된 빛과 색의 범위를 담을 수 있도록 만들어진 규약이 바로 HDR 표준입니다. 비록, 어느 정도의 Dynamic Range를 커버해야 진정한 HDR 디스플레이인가에 대한 논의는 현재 진행 중이지만, 이러한 규약에 따라 만들어진 영상을 출력하기 위한 기술을 탑재한 디스플레이들을 HDR 디스플레이라고 얘기하고 있습니다.

그림 3. 인간 시각의 Dynamic Range와 디스플레이 간의 비교[1]. 인간 시각의 Dynamic Range는 아주 어두운 밤 하늘의 미세한 별빛 부터 아주 밝은 태양의 빛까지 인식할 수 있을 정도로 넓지만, 현대 디스플레이의 Dynamic Range는 아직 거기에 미치지 못하고 있음.


그림 4. Netflix에서 제공하는 HDR 영상 목록의 일부


그림 5. 현재 출시된 4K/HDR 블루레이 영상들 (제품 상단에 4K Ultra HD와 HDR 지원 여부가 함께 표기되어 있으며, 국내에 출시된 영상들도 있습니다.)



현재의 HDR 표준, ITU-Rec.2100은 여러 회사와 단체들에 의해 제안된 다양한 방식들 중, HDR10과 HLG (Hybrid Log Gamma)이 ITU에서 권고하는 방식 입니다. 비록 국제적인 HDR 표준이라고 할 수는 없지만, 더 나은 화질을 지향하는 관점에서 제시된 Dolby Vision과 같은 방식들도 Netflix 등과 같은 온라인 기반의 영상 스트림 서비스 위주로 지원되고 있습니다. 하지만, 현재 ITU의 HDR 표준은 2016년에 제정되어, KBS, MBC, SBS와 같은 방송사를 통한 HDR 영상의 대중적 보급은 아직 이뤄지고 있지는 않지만, NHK와 BBC 등 해외 유수 방송사들은 이미 HDR 시험 방송 또는 유료 채널을 통해 보급을 진행하고 있습니다. 또한, 국내에서도 점차 많은 인기를 얻고 있는 Netflix나 북미의 다양한 스트리밍 서비스, Hulu나 Amazon Prime 서비스에선 이미 다양한 미드와 영화를 HDR 방식으로 제공하고 있습니다. 그리고, YouTube도 최근에 HDR 영상의 업로드 및 재생을 지원하는 등 HDR 영상의 영역이 점점 확대되고 있는 추세입니다. 현재로선 이러한 스트리밍 서비스를 통해 HDR 영상을 보기 위해서는 HDR 디스플레이와 스트리밍 서비스 업체의 유료회원으로 가입하고, 각 업체의 앱을 이용해야 볼 수 있습니다. 다른 방식으로는 HDR과 4K를 지원하는 블루레이 플레이어가 있는 경우, HDR TV에 연결하여 4K/HDR 포맷의 블루레이를 구매해서 보는 것도 가능합니다.


그림 6. HDR 영상의 예[3] (시뮬레이션된 영상으로 일반 TV와 모니터에서는 의도된 대로 표현되지 않을 수 있습니다.)


기술적으로 HDR 영상은 최대 10,000 cd/m2 수준의 물리적 밝기 수준으로 현재 대중적으로 사용하는 모니터나 TV (200 ~ 300 cd/m2)의 30~50배의 밝기를 표현 가능하도록 고안되었지만, 이는 전체 영상의 밝기가 현재 수준 대비 30~50배가 밝아진다는 의미는 아닙니다. (실제로 그렇게 된다면 대부분의 사람들이 영상을 보다가 눈이 멀겠지요.) 또한, 현재는 실용적인 관점 (대부분의 일반 소비자용 디스플레이가 10,000 cd/m2를 표현하는 것은 불가능)에서 아주 극소수의 영역에서만 1,000 cd/m2을 요구하는 하이라이트를 포함하고 있습니다. 또한, 최대 밝기 역시 4,000 cd/m2으로 대체로 제한되어 있으며, 한 연구 결과에 따르면 프레임의 밝기가 평균 50 cd/m2 인 프레임 수가 분석한 41가지 HDR 타이틀의 전체 프레임 수의 89.3%에 달합니다 [4]. 즉, 하이라이트의 표현이 필요한 영역, 예를 들면 그림 6에서의 화로 속의 불, 그리고 용접에 의해 발생하는 불씨 같은, 영상의 일부만 1,000 cd/m2 이상의 높은 휘도로 표현되고, 어두운 부분은 더욱 어둡게 표현되어, 최종적으로 HDR 영상의 평균 밝기는 지금 우리가 보는 영상의 밝기와 거의 유사한 수준이 되도록 만들어져 있습니다. 또 다른 흥미로운 사실은 HDR 영상의 하이라이트들은 일반적으로 매우 작은 크기로 이뤄져 있다는 점입니다. 예를 들면, 밤하늘의 태양이나 달은 보통 전체 화면 크기의 2%를 넘지 않는 경우가 많으며 [5, 6], 그림 6의 영상처럼 대장간 화로 속의 불꼿이나 용접에 의해 발생하는 불티들의 크기는 0.1%도 채 되지 않습니다. 동시에 이런 불티들의 주변은 아주 어두운 영역들로 둘러쌓여 있는 경우도 많습니다.

(2편으로 이어집니다.)


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