CES 2013의 주역, 4K UHD(Ultra High Definition)란 무엇인가?

4K UHD(Ultra High Definition)란 무엇인가?

 

2013/01/16
이우용기자 guygun@kbench.com

 

전세계 가전 업계의 최대 행사 CES 2013이 지난 11일 막을 내렸다. 이번 CES 2013에는 삼성전자나 LG전자는 물론이고 소니, 파나소닉 등 가전을 대표하는 모든 업체가 저마다 준비한 비장의 무기를 선보이며 2013년 가전 시장의 주도권을 잡기 위해 치열한 경쟁을 펼쳤는데 CES 2013이 시작된 이후 가장 흔하게 접하게 된 단어가 있다. 바로 '4K'와 'UHD'가 그것인데 오늘 이 두 단어가 의미하는 것은 무엇인지 지금부터 자세히 소개해 보도록 하겠다.   ■ 4K, UHD란 무엇인가? 일반적으로 4K와 UHD는 같이 사용된다. 이 두 단어는 1080p FullHD가 그랬던 것 처럼 화면 또는 화상의 크기와 그에 대한 품질 기준을 말하는 것으로, 4K는 수평 해상도 기준으로 4000개의 라인을 갖춘 것을 말하며 UHD는 Ultra High Definition, 즉 울트라 고화질을 말하는 것이다.   기존 1080p Full HD는 수직 해상도가 1080개의 라인을 가지며 프로그래시브, 즉 2개 마다 하나의 라인만 번갈아 표시하는 인터레이스가 아닌 모든 프레임마다 1080개의 수직 라인을 갖춘 것을 구분해 표시하는 1080p와 화질의 품질을 구분하는 Full Ultra High Definition을 말하는 것인데 이 기준을 UHD에 적용하면 2160p UHD라 표시해야 맞지만 업계에서는 기존 1080p FullHD와의 화질 차이를 쉽게 이해할 수 있도록 수평 라인 기준의 4K UHD로 표기하고 있다.   그럼 4K UHD와 1080p Full HD는 어떤 차이가 있을까?     두 규격의 차이는 쉽게 말해 영상의 크기나 화면에 표시할 수 있는 화소수의 차이로 생각하면 된다. 위의 이미지를 보면 이해가 쉬울 텐데 4K UHD는 방송 기준, 3840 × 2160 해상도로 만들어진 영상이나 이 해상도를 지원할 수 있는 픽셀을 갖춘 TV 화면을 말하는 것으로, 지금까지 사용되고 있는 1080p Full HD는 4K UHD의 1/4 크기에 불과하다. 결국 4K UHD는 1080p Full HD 대비 4배 더 큰 크기의 영상과 이를 표현할 수 있는 화면이기 때문에 1080p Full HD 보다 촬영한 피사체를 더욱 자세하게 표시할 수 있어 보다 선명하고 뛰어난 화질을 제공할 수 있다. 참고로 8K UHD는 방송 기준, 7680 × 4320 해상도를 말하며 1080p 대비 16배 더 많은 픽셀로 구성되어 있다.   ■ 방송과 영화의 4K UHD 차이     앞서 4K UHD 영상의 해상도를 3840 x 2160으로 소개했지만 이는 방송용 4K UHD 해상도를 말한 것이다. 영화에 사용되는 4K UHD 해상도는 4096 x 2160 으로 방송용 4K UHD보다 수평 해상도가 좀더 많아 화면 비율에도 차이가 있는데 방송용 4K UHD는 1.78 : 1 인 반면 영화용 4K UHD는 1.90 : 1이다.   영화용 DCI 4K는 4096 x 2160 해상도에서 시네마스코프 기준으로 2.39 : 1을 맞추기 위해 4096 x 1714 해상도를 사용하며 1.85 : 1 기준의 와이드 스크린용으로 3996 x 2160 해상도를 사용하기도 한다.     ■ 4K UHD 디지털 TV, 화질이 좋을까?     4K UHD를 지원하는 디지털 TV나 프로젝터, 모니터가 이미 시장에 판매되고 있다. 이번 CES 2013을 통해 4K UHD 지원 OLED TV 같은 최신 기술의 제품도 발표됐지만 2011년 부터 4K UHD를 지원하는 모니터와 프로젝터 제품들이 시장에 판매되기 시작했고 지난해 8월과 9월에 LG전자와 소니의 84인치 4K UHD 디지털 TV가 판매되고 있는 상태다.   그럼 4K UHD를 지원하는 디지털 TV의 화질을 얼마나 좋을까?   아마 대부분 이게 가장 궁금할 텐데 1080p Full HD 대비 수치적으로 얼마나 좋은지 계산할 수 있는 간단한 방법이 있다. 바로 디스플레이의 인치당 픽셀 집적도를 비교하면 되는데 이미 판매되고 있는 84인치를 기준으로 1080p Full HD와 4K UHD 디스플레이를 비교하면 4K UHD는 52.45 PPI, 1080P Full HD는 26.23 PPI라는 계산이 나온다. 같은 크기의 화면을 기준으로 픽셀 집적도만 비교하면 4K UHD 디지털 TV가 1080P Full HD TV보다 두 배 더 깨끗한 화면을 보여줄 수 있다고 이해하면 된다.   하지만 현실적으로 1080P Full HD TV는 84인치가 없다. 현재 삼성과 LG에서 75인치 1080p Full HD 디지털 TV를 내놓았고 대부분 52인치나 47인치를 사용하는 경우가 많은데 이들 TV와 84인치 4K UHD 디지털 TV의 픽셀 집적도를 비교해 보면 다음과 같은 결과가 나오게 된다.   ▲131PPI 아이패드2와 263PPI 3세대 아이패드의 화질 차이   84인치 4K UHD 75인치 1080p Full HD 52인치 1080p Full HD 47인치 1080p Full HD 픽셀 집적도 52.45 PPI 29.37 PPI 42.36 PPI 46.87 PPI   결국 47인치나 52인치 1080p Full HD 디지털 TV를 사용하고 있다면 84인치 4K UHD TV를 접하게 되도 큰 크기를 제외하고는 이렇다 할 화질 개선은 느끼긴 힘들 것이다.   물론 4K UHD 디지털 TV가 84인치가 아닌 그 이하의 크기로 나온다면 이야기는 달라지게 되는데 몇 일전 중국의 하이신이 50인치, 58인치, 65인치 4K UHD 3D 스마트 TV를 발표했다. 이 제품은 크기가 좀더 작아져 50인치 제품의 픽셀 집적도는 52인치 1080p Full HD 디지털 TV 보다 두 배 이상 높은 88.12 PPI인데 이런 제품을 사용해야 화질 차이를 제대로 느낄 수 있다.     ■ 4K UHD 영상, 도입이 어려운 이유   4K UHD 영상을 만드는 기술, 즉 4K UHD 기준의 영상을 촬영하는 것은 어렵지 않다. 이미 4K 해상도를 지원하는 촬영 소자들이 개발되어 있는 상태였고 실제 4K 영상을 촬영할 수 있는 카메라도 이미 2006년에 출시된 상태다. 2006년 이미 4K 영상을 촬영할 수 있었지만 이제서야 4K UHD가 주목을 받은 이유는 엄청난 데이터량 때문이다.   4K UHD는 동일 기준의 1080P Full HD 대비 데이터량이 4배 늘어나게 된다. 해상도가 4배로 커졌으니 그만큼 데이터량이 늘어나는 것인데 여기에 더해 32bit 칼라를 사용할 수 있어 실제 데이터량은 4배 이상이 될 수 있다.   ▲ 1080P Full HD의 원본 프레임 용량은 6.2MB, 4K와 8K UHD는 40MB와 150MB   RAW 데이터, 압축하지 않은 원본 데이터를 기준으로 4K UHD 영상을 32비트 칼라의 데이터량을 계산하면 프레임당 25MB의 데이터가 필요하다는 계산이 나온다. 이 데이터를 초당 30프레임 영상으로 계산하면 1초당 750MB가 필요하고 분당 45GB, 시간당 2.7TB의 데이터가 필요하게 된다.   이런 엄청난 데이터량 때문에 한국전자통신연구원과 KBS 그리고 LG전자가 함께한 4K UHD 디지털 TV 부호화 연구에서도 4K UHD 영상의 분석을 위한 4K 디스플레이 시스템 개발에 4대의 PC를 연결해 사용했다고 한다. 분석할 4K UHD 영상이 60fps로 제작된 영상이라서 1.5GB/s 이상의 데이터 전송율을 제공할 수 있는 시스템이 필요했는데 SSD를 RAID 0로 묶어도 600MB/s 정도여서 화면을 4개로 쪼개, 각각의 시스템이 하나의 화면을 담당해 재생하는 방식을 사용했다고 한다.   그만큼 4K UHD 영상의 데이터량이 많고 높은 데이터 전송율이 필요하기 때문에 무압축 RAW 데이터를 가공하는 자체도 어려운 상태다.     ■ 4K UHD의 해법, HEVC(High Efficiency Video Coding)   4K UHD 영상을 무압축 원본으로 가공하는 것은 어렵지만 이를 압축해 사용하면 전체 데이터량도 줄고 재생이나 저장에 필요한 데이터 전송율도 줄게 된다. 따라서 모든 디지털 영상들은 이를 압축할 수 있는 기술이 적용되고 있는데 1080i 기준의 국내 디지털 방송에는 MPEG-2 압축 기술이 사용되고 있고 1080P FullHD 영화가 담겨있는 블루레이의 경우  MPEG-4 AVC|H.264가 주로 사용되고 있다.   MPEG-4 AVC|H.264는 MPEG-2 대비 압축율이 뛰어나 고화질 영상 뿐만 아니라 각종 디지털 영상의 표준 압축 기술로 사용되고 있고 오늘 소개한 4K UHD 영상에도 적용이 가능하다. 이미 4K UHD 영상을 위해 레벨 5 이상의 표준 규격이 제정되어 있고 그에 대응하는 프로파일도 만들어져 있어 현재 이용되는 대다수 4K UHD 영상에 MPEG-4 AVC|H.264가 사용되고 있다. 물론 4K UHD 영상 촬영용 카메라들은 무압축 원본이나 자체 압축 기술, 모션 JPG 등의 압축 기술을 사용하지만 이는 원본 데이터에 해당 되는 것일 뿐 실제 사용자들이 접할 수 있는 4K UHD 영상은 MPEG-4 AVC|H.264를 사용해 압축한 것들이 대부분이다.   ▲H.264 기술로 4K UHD 방송을 시작한다면 33Mbps의 대역폭이 요구된다. 이 경우 지상파 1채널로 송출이 불가능하다.   그러나 MPEG-4 AVC|H.264 기반의 4K UHD 영상은 현재의 광 미디어에 한편의 영화를 담아내거나 지상파 디지털 방송 전송 시스템에서 실시간으로 전송하기엔 무리가 있다.   위의 자료를 보면 알겠지만 3Gbps의 데이터 전송율이 요구되는 4K UHD 원본 영상을 MPEG-4 AVC|H.264로 압축하면 압축된 데이터 전송율은 33Mbps만 필요하게 된다. 90:1로 압축되니 원본에 비해 상당히 높은 압축율이 적용된 것인데 이렇게 높은 압축율이 적용됐어도 현재의 지상파 디지털 방송의 채널당 데이터 전송율인 19.7Mbps 보다는 훨씬 높은 데이터 전송율을 요구하게 된다.   결국 4K UHD 영상에 MPEG-4 AVC|H.264를 사용하면 한 개 채널로는 4K UHD 영상을 전송할 수 없고 하나의 방송을 위해 다수의 채널을 묶어 사용할 수 밖에 없어 4K UHD 시대를 위해 대안이 요구되고 있었는데 그래서 만들어진 것이 바로 HEVC(High Efficiency Video Coding) 기술이다.     HEVC는 Moving Picture Experts Group(MPEG)과 ITU-T의 Video Coding Experts Group (VCEG)이 공동으로 개발한 기술로, 기존 MPEG-4 AVC|H.264 대비 압축율이 두 배 가까이 높아 4K UHD 영상 뿐만 아니라 이보다 더 높은 데이터량이 요구되는 8K UHD 영상의 전세계 표준 압축 기술로 사용될 예정이다.   지난해 MWC2012에서 퀄컴이 시연한 HEVC와 H.264와의 동일 품질 대비 데이터 전송율을 보면 H.264를 사용한 영상은 1183kbps의 비트레이트를 사용하고 6.01MB의 크기로 만들어 졌지만 HEVC로 압축한 영상은 절반의 용량과 비트레이트만으로 H.264와 동일한 품질을 보여줄 수 있었다.     이 결과는 퀄컴 뿐만 아니라 UHD 영상에 관련된 모든 기업들의 실험 결과와도 일치하는 것으로, 한국전자통신연구원의 보고서에도 UHD 영상의 국제 표준이 HEVC로 결정된 가능성이 높다고 소개하며 HEVC를 이용하면 4K UHD(4K YUV 4:2:0 8bit 30fps) 영상을 지상파 1채널로 전송이 가능하다고 기술되어 있다.   물론 더 높은 화질이나 8K UHD 영상에 대응하려면 다채널 전송 기술인 MIMO나 멀티레벨 OFDM에 대응해야 하지만 H.264로는 더 많은 대역폭과 채널이 요구되니 4K UHD와 8K UHD를 위해 HEVC를 채택할 수 밖에 없는 상태다.   ■ HEVC, H.264 대비 3배 높은 컴퓨팅 능력 요구   ▲ 비트레이트는 절반 가까이 줄고 복잡도는 3배 증가한다   HEVC 기술이 MPEG-4 AVC|H.264 보다 압축율이 높아 4K와 8K UHD 시대의 표준 압축 기술로 인정받고 있지만 HEVC 기술이 현재의 MPEG-4 AVC|H.264 처럼 가정용 PC나 다양한 디지털 디바이스에 채택되려면 풀어야 할 숙제가 남아 있다.   바로 높은 컴퓨팅 능력인데 실시간 HEVC 인코더와 디코더를 개발하고 있는 PIXTREE의 자료에 따르면 HVEC 기술은 기존 H.264 대비 3배 높은 복잡성을 가지고 있다고 한다. 평균 비트레이트를 절반으로 낮출 수 있지만 이를 위해 3배나 복잡한 계산을 처리해야 하기 때문에 현재의 컴퓨팅 능력으론, 실시간 인코딩에 어려움이 있다.   현재 Pixtree가 개발중인 HEVC 인코더는 코어 i7 기반의 8 코어 SMP 서버로 1080P Full HD급 실시간 인코딩이 가능한 버전이며 HEVC 소프트웨어 인코더를 개발중인 Vanguard Software Solution에서도 Pixtree와 비슷한 수준의 실시간 인코더를  개발중이다.   ▲ CES 2013을 통해 선보인 브로드컴의 BCM7445 SOC와 레퍼런스 시연 제품   디코더는 소프트웨어 베이스일 경우 인코더 처럼 1080P Full HD 정도만 CPU로 처리할 수 있는 정도로 개발되고 있어 4K UHD나 8K UHD에 대한 실시간 디코딩은 어렵지만 별도 하드웨어 디코더의 경우 지난 8일 브로드컴이 발표한 BCM7445를 사용하면 4K (4096x2160) 60Fps까지 실시간 재생이 가능하다.   삼성에서도 지난 7일, CES 2013을 통해 HEVC 디코딩을 지원하는 UHD 디지털 TV를 선보였지만 아직 정확한 스펙이 확인되지 않아 HEVC 4K 디코딩을 지원하는지 알 수 없지만 쿼드 코어(Cortex-A15기반) AP가 탑재되어 있으니 충분히 가능하리라 생각된다. 왜냐하면 브로드컴이 발표한 HEVC 4K UHD 디코더 BCM7445에 28nm 공정의 ARMv7 아키텍처 쿼드 코어 CPU가 탑재되어 있기 때문이다.   아직은 HEVC를 지원하는 인코더나 디코더 개발에 많은 투자가 요구되고 있어 HEVC 기술이 보편화 되려면 많은 시간이 필요할 것 같은데 3D 디지털 방송도 아직 본격화되지 못한 시점이니 좀 더 여유를 두고 4K UHD 시대를 기다리는 것이 좋을 듯 하다.   그리고 아직 HEVC가 국제 표준으로 확정된 것은 아니지만 가장 유력한 기술인 것은 사실이기 때문에 4K UHD 디지털 TV를 구매할 생각이 있다면 HEVC 디코딩에 대응되는 제품을 선택하는 것이 좋을 듯 하다. 이미 판매를 시작한 LG의 84인치 제품은 HEVC 디코딩을 지원하지 않으며 소니 제품도 마찬가지인 것 같다. 삼성에서만 이를 지원하는 듯 하다.     ■ 4K UHD 영상, PC로 체험해 보자.   ▲ 유투브에서 4K 관련 단어로 검색하면 4K UHD 영상을 찾을 수 있다. 단 직접 재생은 2K만 지원하며 원본을 다운로드 받아야 4K UHD로 재생할 수 있다.   앞서 언급했듯이 현재 4K UHD로 시연되고 있는 대다수 영상들은 H.264로 압축된 영상들이다. 2010년 7월에 유투브를 통해 4K UHD 영상 등록과 재생이 가능한 것으로 알려졌지만 현재 유투브가 서비스하는 4K UHD 영상 모두는 2K로 재생된다. 아무래도 4K UHD 원본을 스트리밍하기에는 대역폭 문제가 있기 때문에 2K로 제한을 둔 것 같은데 원본 데이터는 그대로 살아 있기 때문에 4K 유투브 다운로더(http://www.4kdownload.com/) 같은 유틸리티를 사용하면 유투브에 등록된 4K UHD 원본 영상을 다운로드 받아 진정한 4K UHD 영상을 감상할 수 있다.   유투브를 제외한 4K UHD 영상은 지난해 발매된 타임스케이프(http://timescapes.org/)라는 다큐멘터리 영화가 유일하다. 이 영화는 뉴질랜드의 밤하늘과 자연풍광을 촬영한 영화로 2010년 천문사진상을 받을 정도로 뛰어난 영상미가 돋보이는 영화로 알려져 있다.     이 영화는 31GB 용량과 80Mbps의 비트레이트로 제작된 4K UHD 버전과 330GB 용량으로 제작된 4K UHD 12bit Cineform 버전을 판매 중인데 둘다 비트레이트가 상당히 높기 때문에 제공된 저장매체가 아닌 RAID로 구성된 시스템에 복사한 후 해당 PC에서 재생할 것을 권하고 있다.   4K UHD Cineform 버전의 경우 330GB 용량 때문에 HDD에 담겨 제공되며 Cineform 코덱으로 제작되어 무압축 원본에 가까운 화질을 보여준다고 소개되어 있다. 가격은 299.95달러다.   4K UHD 영상들은 H.264일 경우라도 Full HD 이상의 해상도기 때문에 GPU를 통한 DXVA 하드웨어 가속 기능이 제공되지 않는다. 다음 팟 플레이어 같은 범용 플레이어를 사용해도 재생에는 문제가 없지만 DXVA 하드웨어 가속 기능을 사용할 수 없어 저사양 PC에서는 재생이 어려울 수 있다. 사이버링크의 PowerDVD12 Ultra에서도 4K UHD 영상 재생을 지원한다. 4K UHD로 제작된 FLV, MKV, MPEG, AVI 등의 파일을 재생할 수 있는 것으로 보이는데 DXVA 하드웨어 가속 지원 유무는 확인되지 않고 있다.   참고로 재생시간 1분 5초, 266MB, 최대 비트레이트 95.4Mbps 영상을 코어 i3-2100 CPU를 탑재한 PC에서 재생할 경우 CPU 점유율이 36% 정도로 올라간다.

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