진화하는 8K 촬영 기록 기술

[보안뉴스= 카지야마 타케시, 후나쯔 요헤이 NHK방송 기술 연구소] 영상감시 기술의 교과서 격인 방송영상 기술 동향을 살펴보면 영상보안 기술의 진화 방향을 예측할 수 있다.

영상감시 분야에서 4K가 최신 기술로 주목받고 있는 이때 방송영상 분야에서는 8K 기술이 논의되고 있다. 여기에서는 일본의 공영방송 NHK가 연구·개발한 차세대 현장 방송 시스템인 ‘8K 슈퍼 하이비전¹⁰⁾’을 통해 영상감시 기술의 진화 방향을 예측해 본다. 이 시스템은 내년 12월 최초로 상용화될 예정으로 이를 통해 2020년 도쿄 올림픽에서는 많은 경기가 8K로 제작돼 일본 가정에서 박진감있는 현장 영상을 즐길 수 있게 될 것으로 기대되고 있다.

향후 8K 슈퍼 하이비전을 본격적으로 보급하기 위해서는 스포츠와 드라마, 음악, 다큐멘터리, 뉴스, 오락 등 다채로운 프로그램이 많이 제작돼야 하므로 NHK 방송기술연구소에서는 8K 프로그램 제작의 요구에 대응하기 위한 촬영·기록 기술을 자체 연구·개발하고 있다.


[이미지=dreamstime]

2016년 8월 출범한 4K/8K슈퍼 하이비전 시험 방송10?에서는 4K와 8K의 프로그램이 혼재된 형태로 현재 하루 8시간의 방송이 진행되고 있지만 2018년의 실용 방송 개시를 위해서는고 8K 프로그램 라인업이 필요하다. 그러나 8K 프로그램은 HD 프로그램 제작과 비교해 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서 8K 프로그램 제작의 효율성 향상과 에너지 절약이 과제다.

이에 따라 NHK는 프로그램 제작 시간과 비용을 줄이기 위해 8K 캠코더 시스템을 개발하고 있다. 기능 검증의 목적으로 시험 제작한 프로토타입은 8K/60fps의 영상을 무려 1/80로 압축해 일반 SD카드에 8K 영상을 100분 이상 수록할 수 있다.

기록 포맷에는 시판되는 편집 소프트로 편입 가능한 형식을 채용해 기록 미디어나 편집 환경 구축에 들어가는 비용을 줄일 수 있었다. 압축으로 파일 크기가 작아져 데이터 사본을 만드는 시간도 축소할 수 있다. 8K 캠코더가 실용화되면 8K 프로그램 제작에 필요한 비용과 시간을 대폭 삭감될 것으로 기대되고 있다.

프로토타입 8K 캠코더의 구성

<그림1> 프로토타입 8K 캠코더의 구성도

시험 제작한 프로토타입 8K 캠코더의 구성도는 <그림1>과 외관은 <그림2>와 같다. 카메라 헤드부와 레코더부는 독립된 유닛으로, 카메라 헤드부에서는 촬상 소자의 구동과 간이적인 신호 처리를 맡고, 레코더부는 4K 캠코더용 유닛을 4병렬로 작동시켜 8K 영상의 압축 부호화와 기록을 진행한다.


<그림2> 프로토타입 8K 캠코더 외관
영상 출력은 카메라의 라이브 영상(비 압축)과 SD 카드에 기록된 영상의 재생 영상(압축)으로 전환할 수 있다. 8K 영상 본선과 독립해 4K 다운 컴버트 영상도 기록할 수 있어 편집용 프록시 파일 등에 이용할 수 있다.

카메라 헤드부
카메라 헤드부의 사양은 <표1>과 같다. 촬상 소자에는 풀 스펙 8K 카메라용으로 개발한 3,300만 화소 CMOS촬상 소자¹¹⁾를 사용하고, 광학 사이즈는 영화용 Super 35㎜다. 렌즈 마운트는 마이크로 포 서즈를 채용했다.


<표1> 8K캠코더 카메라 헤드부 사양

전용 리모콘에서 렌즈의 아이리스, 포커스, 줌을 제어할 수 있다. 신호 처리부는 촬상 소자의 신호를 수신해서 고정 패턴 잡음(FPN)을 제거하고 8K 사이즈의 영역을 田 모양으로 분할하고 4개의 4K 사이즈의 신호로 출력한다. 동시에 전 영역을 4K 사이즈에 다운 컴버트한 신호도 생성한다.

레코더 부
레코더부의 사양은 <표2>와 같다. 카메라 헤드부에서 4K 사이즈에 영역 분할된 8K/60fps의 신호는 영역 단위로 신호 처리된다.


<표2> 8K캠코더 레코더부의 사양

4K AVC/H.264 캠코더부는 4K/30fps 캠코더용으로 개발된 AVC/H.264 엔코더 LSI을 2장 사용해 4K/60fps 신호 처리한다.

엔코더 칩에 카메라 신호 처리 기능이 탑재되고 있으며, 레벨 조정과 감마 보정 디테일 보정, 컬러, 매트릭스, 화소 보간 처리 등의 처리를 실행하고 Hi422P 프로파일, 8비트로 영상을 압축한다.

압축 후의 데이터 레이트는 약 600Mbps로 압축률은 약 1/80이다. 압축된 8K영상 신호는 1장당 150Mbps 이상의 기입 속도를 가진 SDHC 또는 SDXC 메모리 카드 4장에 동시에 기록된다. 기록 시간은 사용하는 메모리 카드 용량에 따라 다르지만, 128GB 카드를 4장 사용하면 연속 11분까지 기록이 가능하다.

SD 카드 슬롯은 2계통 갖추고 두 개의 슬롯을 심리스로 바꿀 수 있어 장시간 연속 촬영이 가능하고 두 개의 슬롯에 같은 영상을 기록하는 방식으로 이중화해 신뢰성을 높일 수 있다.

4K 다운 컴버트 신호도 8K 신호처럼 처리돼 1장의 SD카드에 기록된다. 이 영상은 편집용 프록시 파일을 이용하기 위한 것이지만 그대로 4K 영상에 이용할 수도 있다. 영상 신호 출력은 3G-SDI와 HDMI중 하나를 선택할 수 있다.


<그림3> 8K캠코더 촬영영상 예
영역 분할된 16ch의 3G-SDI 또는 4채널의 HDMI가 8K 영상으로 출력되며 4채널의 3G-SDI 또는 1채널의 HDMI가 4K 영상으로 출력된다. 출력 영상은 카메라의 라이브 영상 SD 메모리 카드에서 재생 화면을 전환할 수 있다.

프로토 타입 8K 캠코더 촬영 사례
프로토 타입 캠코더를 이용해 촬영 실험을 했다. 촬영 예는 <그림3>과 같이 나타낼 수 있다. 이 촬영 같은 예에서의 휘도 신호의 PSNR은 48.3dB이었다. 8비트 압축이지만 실험용 피사체나 실내 풍경 촬영에선 눈이었던 화질 열화와 계조 누락은 보지 못 했다.

촬영한 8K 영상의 해상도는 약 3,200TV대, 감도는 다이내믹 레인지 400% 설정에서 2,000룩스/F8, SN 비율은 54dB인 현행 8K 프로그램 제작에 사용되는 8K 카메라와 거의 같은 촬상 성능을 냈다.

영상 제작 작업 흐름
<그림4>는 상정되는 8K 캠코더를 이용한 제작 워크플로우 예다. 8K 캠코더로 촬영된 영상 파일 중 8K 영상 파일은 8K 대응 편집 PC에 도입돼 프록시 파일은 프록시 편집용 PC로 전송된다.


<그림4> 8K캠코더를 이용한 제작 워크플로우우

편집 작업은 처음에 프록시 파일에서 프록시 편집 한뒤, 편집용 데이터 리스트(EDL)를 생성한다. 다음에 8K 대응 편집 PC에 EDL 읽고, 8K 영상 편집을 한다. 마지막으로 편집한 8K 영상을 렌더링한 뒤 국내 공통 포맷으로 변환한다.

공통 포맷으로 변환된 8K 영상은 전용 재생기를 이용해 송출한다. 이로써 현재의 하이비젼 워크플로우에 가까운 효율적인 프로그램을 제작할 수 있다. 간이 편집을 할 경우는 프록시 편집을 하지 않고 직접 8K 영상으로 편집할 수 있다.


<그림5> 영상 편집 화면
<그림5>는 이번 시험 제작한 캠코더로 촬영한 8K 영상 편집 화면이다. 8K 영상은 4개의 4K 영상으로 기록되기 때문에 4가지의 독립된 타임 라인에 각 영상을 넣고 편집 소프트웨어상에서 8K 사이즈로 통합해 편집한다.

4개의 타임 라인을 그룹화함으로써 평소와 비슷하게 작업을 할 수 있다. 편집 소프트웨어가 8K 포맷에 대응하고 있는 것이 전제다. 2017년 8월 현재 많은 상용 편집 소프트웨어로 8K 포맷을 대응하고 있다.

상용화 과제
이번 시험 제작한 프로토타입 8K 캠코더는 8K 압축 영상의 화질 평가 및 편집 작업 흐름의 검증을 위한 것으로, 실용화를 위해서는 카메라 헤드부와 레코더부의 일체화와 크기의 소형화가 과제다.

SD 카드 4장을 세트로 사용해야 하기 때문에 촬영시의 편리성을 생각하면, 장래에는 1장의 SD 카드에 기록하는 것이 바람직하다. 게다가 최근의 부호화 방식의 주류는 HEVC/H.265여서 화질 개선을 위한 HEVC에 대응한 캠코더용 LSI가 실현돼야 한다.

다양한 8K 프로그램 제작을 위해 NHK가 연구·개발하고 있는 8K 슬로모션 시스템과 프로토 타입 8K 캠코더를 소개했다. 이들의 시스템은 개발 중이지만 8K 슬로모션 시스템은 컬러화나 조작성 개선을 목표로, 8K 캠코더는 소형화 및 화질의 개선을 목표로 각각 연구가 진행되고 있어 8K 방송에 기여할 전망이다.

[참고문헌]
1) Rec. ITU-R BT.2020-2, ‘Parameter values forultra-high definition television systems for production and international programme exchange’（2015）
2) K. Kitamura, et al., “Full-Specification 8K Camera System”, Proc. NAB Broadcast Engineering Conference, April 2016, pp.266-271
3) 小倉ほか，“フルスペック??SHV?縮記??置の開?”，映像情報メディア??年次大?予稿集，34D-1 (2016)
4) 電波産業?ARIB STD-B58 1.1版，“超高精細度テレビジョン信?スタジオ機器間インタ?フェ?ス規格”（2015）
5) T. Arai et al., “A 1.1-μm 33M-pixel 240fps 3D Stacked CMOS Image Sensor with 3-Stage Cyclic Based Analog-to-Digital Converters,” IEEE ISSCCDig. Tech. Papers, February 2016, pp.126-127”（2016）
6) SFF Committee Specification: “SFF-8665 QSFP+ 28 Gb/s 4X Pluggable Transceiver Solution (QSFP28)”
7) SFF Committee Specification: “SFF-8083 SFP+ 1X 10 Gb/s Pluggable Transceiver Solution (SFP10)”
8) ISO/IEC 10928-1, “Digital Compression and Coding of Continuous-tone Still Images：Requirements and guidelines” (1994)
9) SMPTE ST12-3:2016, “Time Code for High Frame Rate Signals and Formatting in the Ancillary Data Space”
10) 鈴木ほか、“ス?パ?ハイビジョン衛星試?放送に向けた取り組み”, 信?技報, SAT2016-35, pp.13-17(2016)
11) T. Yasue et al., “A 1.7-in, 33-Mpixel, 120-frames/s CMOS Image Sensor with Depletion-Mode MOS Capacitor-Based 14-b Two-Stage Cyclic A/D Converters,” IEEE Trans. on Electron Device,Vol. 63, No.1,pp. 153-161(2016)

[Key Word]
·캠코더 : 촬영부와 수록부가 일체화된 비디오 카메라.
·퍼블릭 뷰잉 : 스포츠 경기 등에서 경기장에서 떨어진 곳에서 대형 영상장치를 통해 관전, 관람하는 이벤트
·3차원 적층 구조 : 복수의 LSI칩을 적층해, 미소한 관통 배선에서 칩 사이를 상호 접속함으로써 회로의 대규모화나 고속화가 가능한 반도체 기술. 이 기술을 이용하여 8K촬상 소자의 고속화를 실현했다
·온 칩 컬러 필터 : 1장의 촬상 소자로 칼라 화상을 취득하기 위해서, 화소상에 직접 형성된 컬러 필터.
·쌍방향 파장 분할 : 다중 방식 1개의 광섬유상에 파장과 전송 방향의 다른 복수의 광신호를 다중하고 전송하는 광전송 방식.
·YCbCr 4:2:0 : 영상의 색 성분을 솎아 정보량을 줄이는 포맷의 하나. 4:2:0방식으로는 휘도 신호는 원래의 정보가 유지되면서 색차 신호는 원래 1/4의 정보량이다.
·RGB 4:4:4 : 영상의 색 성분을 줄이지 않고 취급하는 고화질의 포맷.
·PSNR : 피크 신호 대 잡음비.비가역 압축에 의한 화상 품질의 객관 평가에 이용된다.
·SSIM : 두 화상의 유사성을 계측하는 지표. PSNR과 비교하고 인간의 주관적 평가에 가까운 것으로 알려졌다
·프록시 파일 편집이나 미리 보기 등에 사용하는 저 비트 레이트 영상 파일.
Super35㎜ : 영화용 렌즈로 널리 이용되고 있는 광학 사이즈. 수평 24.89×수직 18.66㎜
·마이크로 포 서즈 : 광학 사이즈 4/3인치(수평 약 17.3㎜× 수직 약 13㎜)의 렌즈 마운트 규격. 기존의 포 서즈 규격보다 플랜지 백장과 마운트 외경이 축소되면서 카메라의 소형화에 적합하다.
·고정패턴 잡음 : 발생 패턴이 연결한 노이즈. 이미지 센서의 특성 차이에 의해서 생긴다.
·렌터링 : 편집한 내용을 동영상에 반영하기 위한 계산 처리.
·AVC/H.264 : 동영상 압축 규격의 하나, 부호화 효율은 종래의 MPEG-2의 약 2배로 개선하는 해상도는 4K까지 대응
·HEVC/H.265 : AVC/H.264의후계 포맷, 부호화 효율은 MPEG-2의 약 4배, AVC/H.264의 약 2배로 개선하는 해상도는 8K까지 대응.
[글_ 카지야마 타케시, 후나쯔 요헤이 NHK방송 기술 연구소]

[김성미 기자(sw@infothe.com)]

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