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해상도 너머: 4K 표준을 달성하는 방법

12 Jun 2017

다음 기사는 헝가리에 본사가 있으며, 전문가용 AV 시장에 발맞춰 DVI, HDMI 및 디스플레이포트 매트릭스 스위처, 신호 확장기 및 부품을 제작하는 선도적인 제조업체인 Lightware의 Adriano D’Alessio가 제공하는 교육 자료를 바탕으로 작성되었습니다.

스크린 해상도는 전문가와 소비자들이 구매 결정을 할 때 중요한 디스플레이 특성 중 하나입니다. 놀랍게도 소비자 대부분은 패널 해상도가 주요 특성 중 하나라는 것을 인식하지 못합니다. 4K UHD 스크린이 표준 Full HD TV를 능가하는지는 다양한 요소에 따라 달라집니다. 전체 시스템(패널, 연결 표준, 스위치, 미디어 플레이어 및 기타 부품)은 필요한 출력 품질을 보장하기 위해 일련의 요건들을 충족해야 합니다.

이 블로그를 통해, 다음과 같은 해상도를 둘러싼 문제들에 대해 이해하고 해결 할 수 있습니다.

  • 4K 해상도 시스템 구축에 필요한 요건을 이해;
  • 전문가용 AV 설치에 필요한 솔루션을 선택;
  • 다양한 종류의 해상도 간의 차이 인지;
  • 비디오 해상도와 프레임 속도를 더 높이기 위해 대역폭 조건 및 인터페이스 옵션에 필요한 명확성을 제공.

해상도 정의

해상도는 스크린을 구성하는 픽셀의 개수를 의미합니다.

  • HD(고화질)는 가로축을 따라 1,280개의 픽셀과 세로축을 따라 720개의 픽셀을 포함하는 이미지 해상도를 말합니다.
  • Full HD(또는 FHD)는 1,920 x 1,080픽셀을 포함하는 이미지 해상도를 말합니다.
  • 초고화질(UHD)는 최소 3,840 x 2,160픽셀을 포함하는 이미지 해상도를 말합니다. TV 제조업체는 16:9 화면비를 유지하고 있으며, 그들은 이 표준을 ‘Consumer 4K’ 또는 ‘4K UHD’라고도 부릅니다.

4K 해상도는 DCI에서 규정하며, 4,096 x 2,160픽셀 형식을 따릅니다. UHD는 표준 4K 해상도가 아니지만, 4K 해상도는 UHD에 속합니다. 가장 높은 해상도는 QUHD또는 8K라고 불리며, 이미지 크기는 7,680 x 4,320픽셀을 의미합니다. 스크린 해상도 비교

시야각 및 거리

인간의 눈이 화질을 어떻게 인식하느냐는 화면에서 관찰자까지의 거리에 따라 달라집니다. 그 이유는 인간의 눈은 1도의 시야각 당 약 60픽셀을 볼 수 있기 때문입니다. 이 한계 내에서 인간의 눈은 각 픽셀을 감지할 수 있으며, 이미지는 선명하지 않게 보일 것입니다. 이 수를 넘어가면 인간의 눈은 각 픽셀을 구분할 수 없습니다. 해상도가 높을수록 이미지는 더 선명하게 보입니다.

스크린에서 픽셀 피치 및 거리

예를 들어, 4K 해상도의 디스플레이는 FHD보다 같은 크기의 스크린보다 더 높은 픽셀 밀도를 구현할 수 있습니다. 4K 패널은 1도의 시야각 안에 더 많은 픽셀이 밀집되어 있습니다. 따라서 더 큰 스크린이더라도 각 픽셀이 보이지 않기 때문에 디스플레이에 더 가까이 다가갈 수 있습니다.

현재 4K는 전문가용 AV 업계, 디지털 시네마 및 포스트프로덕션, 방송 및 소비자 전자 제품 분야에서 가장 많이 사용되는 표준입니다.

스크린 크기에 따른 권장 시청 거리

4K를 제공하는 것에 대한 시스템 접근 방식

현재 디스플레이 해상도가 계속 높아지고 있습니다. 따라서 대용량 이미지를 출력하기 위해서는 데이터를 훨씬 더 빠르게 전달해야 합니다. 비디오 콘텐츠 프레임 속도가 증가함에 따라 데이터를 장치로 전송하는 데 필요한 대역폭도 증가합니다.

해상도는 대역폭과 인프라에 필요한 것들을 이해하는 데 중요한 요소이지만, 이것이 대역폭의 균형유지와 디자인에 필요한 것들을 결정하는 유일한 변수는 아닙니다.

대역폭 및 대역폭을 결정하는 구성 요소를 정의하십시오.

해상도마다 다른 비디오 프로세싱

대역폭에 필요한 것들은 해상도, 프레임 속도, 크로마 서브샘플링 및 비트 심도를 기반으로 합니다.

프레임 속도

프레임 속도는 처리 장치가 연속된 이미지(이를 프레임이라고 합니다)를 얼마나 자주 만드는지(빈도)를 말하며, 프레임 속도가 클수록 자연스러운 움직임을 볼 수 있습니다. 프레임 속도는 초당 프레임의 수(FPS)로 측정됩니다.

디스플레이 특성 중 하나인 재생률은 1초당 스크린에 얼마나 많은 이미지가 보이는지를 나타내는 수치이며, 헤르츠(Hz)로 표시합니다. 

프레임 속도가 클수록 비디오 모션이 (일정 수준까지) 훨씬 더 자연스럽고 부드럽게 보입니다. 재생률은 스크린이 효과적으로 보여줄 수 있는 프레임의 최대 수를 정합니다. 최신 디스플레이 솔루션은 UHD 모델의 경우 30Hz, 60Hz 및 120Hz까지 지원합니다.

크로마 서브샘플링(Chroma subsampling)

인간의 눈은 추상세포와 간상세포 등 두 가지 세포로 이루어져 있습니다. 추상세포는 밝은 빛 아래에서 활발하게 작용하며, 3색형 색각의 기능이 있습니다. 간상세포는 어두운 곳에서 희미한 빛을 감지하며, 명도를 구분하는 기능이 있습니다.

색상과 디스플레이 활용백서에서 색상 인식 및 색상 공간의 개념에 대해 자세히 논의해보았습니다. 대역폭 관점에서 크로마 서브샘플링이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다.

비디오 시스템에서 크로마는 색 정보를 나타내고, 루마는 밝기를 설명합니다. 인간의 눈은 휘도에 더 민감하므로 비디오 시스템 설계자는 루마에 더 큰 대역폭을 사용할 수 있으며, 저해상도에서 색채 정보를 전송할 수 있을 뿐 아니라 특정 대역폭 조건에서 만족스러운 화질을 얻을 수 있는 크로마 서브샘플링을 도입하였습니다.

확장된 크로마 서브샘플링

전문가용 AV 업계에서는 다양한 샘플링 방법을 사용하고 있습니다:

  • 4:4:4 – 휘도와 색차 성분은 각 픽셀에서 샘플링되므로 서브샘플링이 일어나지 않습니다. 이 방식은 RGB 색상 체계와 같으며, 가장 높은 대역폭 값을 가집니다.
  • 4:2:2 – 두 개의 이웃하는 픽셀이 같은 색차 샘플을 가지지만, 각 픽셀에는 자체 휘도 샘플이 있습니다. 이 방식은 비디오 신호의 대역폭을 1/3까지 줄여 영상품질에 미치는 영향을 최소화합니다.
  • 4:2:0 – 네 개의 이웃하는 픽셀이 같은 색차 샘플을 가집니다. 크로마 채널의 속도는 25%까지 줄어들며, 대역폭 샘플링의 50%가 발생합니다.
  • 4:1:1 - 네 개의 픽셀은 같은 색차 샘플을 가지지만, 연달아 네 개가 있습니다. 대역폭 샘플링의 50%가 발생합니다.

서브샘플링 방법

전문가용 AV 업계의 샘플링 방법

샘플링 방법마다 화질 비교

4K 인터페이스 옵션

4K 표준은 60프레임에 도달하기 위해 4:2:0 서브샘플링을 사용하지만, 오늘날 일반적으로 사용하는 인터페이스의 경우, 초당 10 기가비트(Gb/s)까지 가능합니다.

최신 사이니지 인프라의 필요성

가장 일반적인 인터페이스 옵션은 다음과 같습니다:

  • HDBaseT는 단일표준 규격의 장거리 케이블을 통해 비압축 고화질 동영상, 오디오, 이더넷, 제어 데이터 전송의 글로벌 표준입니다. 이것은 30Hz에서 4K를 지원할 수 있지만, 60Hz에서는 4K를 지원할 수 없습니다.
  • HDMI (고선명 멀티미디어 인터페이스 표준 규격)는 디지털 장치 간에 고대역폭 연결을 지원하는 표준입니다. 이 독점적 디지털 인터페이스는 비압축 비디오 및 오디오를 전송하는 데 적합하지만, 장치 호환성이 필요합니다.
  • DisplayPort 디지털플레이포트는 비디오, 오디오, USB 및 기타 데이터 소스를 디스플레이에 연결하는 디지털 디스플레이 인터페이스입니다. 최대 60Hz 프레임 속도에서 가능한 한 높은 해상도를 제공할 수 있습니다.

인터페이스 옵션

과거의 인터페이스 – 한계

인터페이스별 대역폭 제한 범위

HDMI 1.4와 디스플레이포트 1.1의 속도는 8GB/s로 제한되므로 30Hz에서 4K를 지원할 수 있습니다.

단 하나의 케이블로 60Hz에서 4K를 전송할 수 있는 인터페이스는 디스플레이포트 1.2와 HDMI 2.0입니다.

본 기사에서는 이러한 인터페이스에 대해 상세히 다루지 않겠지만, 4K 대역폭과 관련된 과거의 인터페이스 한계를 설명하는 것이 필요합니다.

  • HDBaseT 및 HDMI 1.4와 같은 단일 케이블 인터페이스는 30Hz에서 4K만 전송할 수 있습니다.
  • Dual HDMI 1.4와 같은 듀얼 케이블 인터페이스는 30Hz, 4:2:2 방식, 30bit 환경에서 4K를 전송할 수 있습니다.
  • 쿼드 HDMI 1.3과 같은 쿼드 케이블 인터페이스는 60Hz, 4:4:4방식, 24bit 환경에서 4K를 전송할 수 있습니다.

최신식 단일 케이블 인터페이스

HDMI 2.0과 디스플레이포트 1.2와 같은 최신식 인터페이스는 단일

케이블을 사용하여 60Hz에서 4K를 전송할 수 있습니다:

  • 디스플레이포트 1.2는 60Hz, 4:4:4방식, 30bit 환경에서 4K를 전송할 수 있습니다.
  • HDMI2.0은 60Hz, 4:4:4 또는 2:2:2 방식, 30bit 또는 36bit환경에서 4K를 전송할 수 있습니다.

위의 정보는 시스템을 구성하고 4K 표준을 달성하기 위해 어떤 인터페이스를 사용해야 할지 비즈니스 결정을 내릴 때 유용합니다. 사이니지에 관한 다른 질문이 있으신 분은 여기를 눌러 연락하세요.