디지탈 영상신호의 전송 대역폭을 산출하는 방법에 대해 알아본다.
우리나라도 아날로그 TV 방송에서 디지탈 TV 방송으로 전환한지 10년이 되었다. 그동안 많은 기술 발전이 있었으며, 나날이 발전하는 기술은 발전 속도가 더 빨라지고 있다.
디지탈 방송의 기본이 되는 영상 신호의 디지탈화는 기본 기술 중의 기본 기술이다. 이번 블로그는 영상 화면을 디지탈 신호로 변환하여 전송할 때 필요한 대역폭을 어떻게 산출하는지에 대해 알아 보자.
1. 화소와 해상도
1) 화소 (Pixel)
• Pixel(화소)은 'Picture Element'에서 유래된 단어이다.화소는 화면을 구성하는 하나의 점으로 RGB 부분 화소(Sub Pixel)로 분해할 수 있으며, 화소의 갯수가 많을수록 고해상도의 화면을 구현할 수 있다.
• 1개의 부분 화소를 이진수 8비트로 양자화하면, 2^8 = 256개의 레벨로 만들 수 있다. 따라서 1개의 화소(24비트)는 RGB 3개의 부분 화소로 구성되어 있으므로, 24비트는 (2^8) x (2^8) x (2^8) = 16,777,216개의 색상을 표현할 수 있다.
• 색심도(Color Depth) : 화소당 표현 가능한 색의 수
24비트 : 256 x 256 x 256 = 16,777,216
30비트 : 1,024 x 1,024 x 1,024 = 1,073,741,824
36비트 : 4,096 x 4,096 x 4,096 = 68,719,476,736
48비트 :
65,536 x 65,536 x 65,536= 281,474,976,710,656
2) 해상도 (Resolution)
해상도는 화면을 구성하는 화소(Pixel)의 갯수를 말하며, 보통 가로(수평) 화소와 세로(수직) 화소의 곱으로 표현한다. 해상도가 높을수록 '화소의 갯수가 많다'는 뜻이며, 화소의 갯수가 많을수록 고해상도의 화면을 구현할 수 있다. 대표적인 해상도인 FHD(Full HD)는 1920 x 1080이며, UHD(Ultra HD)는 3840 x 2160이다.
2. 주사선수
1) FHD 세계 공통 규격
FHD 화면의 해상도는 1920x1080이며, 화소의 갯수를 계산해 보면 2,073,600 화소이다. 즉, 한 화면당 소요되는 수평 주사 라인은 1080 라인이고, 수평 주사 라인당 화소의 갯수는 1920개이다.
2) 수직 귀선 소거 기간(Vertical Blanking Interval)
CRT 시절에 전자총은 한 화면의 전체 주사를 마치면, 다시 다음 프레임의 첫번째 라인부터 주사를 해야 했다. 즉, 전자총은 이전 화면의 마지악 라인을 주사하고 나서, 다음 화면의 첫번째 라인으로 복귀하려면 시간이 소요되는데, 이때 소요되는 시간을 수직 귀선 소거 기간(Vertical Blanking Interval)이라 한다.
FHD 기준으로 1개의 화면(Frame)을 1125개의 주사 라인으로 구성하였다면, 이 중에 무효한 주사 라인은 45개(4%)이고, 유효한 주사 라인은 1080개이다. 무효한 주사 라인은 수직 귀선 소거 기간(VBI)에 주사되는 주사 라인의 갯수(45 Lines)를 말하며, 실제 화면에 보여지지 않는 라인이다.
( FHD 해상도 1920 x 1080 )
3. 나이퀴스트의 샘플링 정리
나이퀴스트의 샘플링 정리는 어떤 신호를 디지탈 신호로 변환할 때, 샘플링을 최소한 어떤 주기로(또는 주파수로) 해야 원래 신호를 제대로 복원할 수 있는지에 대한 정리 이론이다.
Ts = 1 / Fs ≥ 2BW
• Ts : 샘플링 주기
• Fs : 샘플링 주파수
• BW : 베이스 밴드의 대역폭(Band Width)
나이퀴스트의 샘플링 정리에 의하면, 어떤 신호의 대역폭이 (BW)일 때, 샘플링 주기(Ts)는 해당 신호의 대역폭(BW)의 2배 이상이 되어야 원래 신호를 제대로 복원할 수 있다.
4. 크로마 서브 샘플링(chroma subsampling)
크로마 서브 샘플링은 영상 데이터의 크기를 줄이기 위해, 사람의 눈이 민감하게 반응하는 휘도(Y) 성분은 그대로 유지하고, 사람의 눈이 둔감하게 반응하는 색차(cb, cr) 성분은 샘플링 주기를 낮추어 데이터의 크기를 축소시키는 영상 데이터 압축 방식을 말한다.
디지탈 영상 신호는 비압축 영상 신호와 압축 영상 신호로 나눌 수 있는데, 흔히 RGB 4:4:4를 비압축 디지탈 영상 신호라 하며, Ycbcr 4:2:2, Ycbcr 4:2:0 등을 압축 디지탈 영상 신호라 한다. Ycbcr 4:4:4는 RGB 4:4:4와 동일한 신호는 아니지만 거의 유사한 신호이며, RGB 4:4:4에서 단지 색공간을 변환한 신호이다.
크로마 서브 샘플링을 수행하면, Ycbcr 4:2:2은 Ycbcr 4:4:4에 대비하여 데이터량이 25%가 줄고, Ycbcr 4:2:0 (또는 Ycbcr 4:1:1)은 Ycbcr 4:4:4에 대비하여 데이터량이 50%가 줄어든다.
5. 아날로그 영상 신호의 샘플링 주파수 ( ITU-R 601)
방송용 4:3 아날로그 영상 신호(컴포넌트 신호)를 비압축 디지탈로 변환(Ycbcr)하는데, 필요한 대역폭은 얼마나 될까?
1) 4:3 아날로그 신호의 순차주사 수평 주파수
• NTSC 해상도 : 640x480 (최대 525 라인)
• PAL 해상도 : 768x576 (최대 625 라인)
• 프레임 주파수 : 29.97Hz(NTSC), 25Hz(PAL)
• NTSC : 15,743.25 Hz = 525 라인 x 29.97 Hz
• PAL : 15,625 Hz = 625 라인 x 25 Hz
2) 공통 수평 주파수
두 시스템(NTSC, PAL)에 모두 대응할 수 있는 수평 주파수를 구한다.
두 시스템에 공통으로 적용할 수 있는 두 수평 주파수의 최소 공배수(엑셀:LCM)를 산출한다.
NTSC : 2.25MHz = 15,743.25 Hz x 143
PAL : 2.25MHz = 15,625 Hz x 144
• 화소 공통 수평 주파수 : 2.25MHz
3) 화소의 샘플링 정리
샘플링 정리에 의해, 샘플링 주파수는 원래 신호의 대역폭의 2배 이상이 되어야 한다.
화소의 수평 주파수(BW)는 2.25 MHz이므로,
화소의 샘플링 주파수 = 4.5 MHz = 2.25MHz x 2배
4) 부분 화소의 샘플링 주파수
1개의 화소는 3개의 부분 화소(RGB)로 구성되어 있으므로,
부분 화소의 샘플링 주파수 = 13.5MHz = 4.5MHz x 3
디지탈 컴포넌트 신호
휘도신호(Y)의 표본화 주파수 = 13.5MHz
색차신호(cbcr)의 표본화 주파수 = 6.75MHz
6. 디지탈 영상 신호의 FHD 샘플링 주파수
(FHD) 1920x1080 60Hz RGB 4:4:4 8bits
1) 16:9 디지탈 신호의 수평 주파수
• 유효 수직 화소 : 1080
• 무효 수직 화소(VBI) : 45 라인 ( = 1125x4% )
• 수직 주사 라인 : 1125 라인 ( = 1080 + 45 )
• NTSC 수평 주파수 : 67,500Hz = 1125라인 x 60 Hz
• PAL 수평 주파수 : 62,500Hz = 1250 라인 x 50 Hz
2) 화소 샘플링 주파수
두 시스템(NTSC, PAL)에 모두 대응할 수 있는 샘플링 주파수를 구한다.
두 시스템에 공통으로 적용할 수 있는 두 수평 주파수의 최소 공배수를 산출한다.
NTSC : 148.5MHz = 67,500Hz x 2200
PAL : 148.5MHz = 62,500Hz x 2376
화소의 샘플링 주파수 = 148.5MHz
3) 데이터 레이트(8비트)
Data rate = 1.188GHz = 148.5MHz x 8bits
4) 전송 대역폭 (RGB 3채널)
Bandwidth = 3.564GHz = 1.188MHz x 3채널
7. 디지탈 영상 신호의 UHD 샘플링 주파수(ITU-R BT.2020-2)
(UHD) 3890x2160 60Hz RGB 4:4:4 8bits
1) 16:9 디지탈 신호의 수평 주파수
• 유효 수직 화소 : 2160
• 무효 수직 화소(VBI) : 90 라인 ( = 2250x4% )
• 수직 주사 라인 : 2250 라인 ( = 2160 + 90 )
• NTSC 수평 주파수 : 135,00Hz = 2250라인 x 60 Hz
• PAL 수평 주파수 : 125,00Hz = 2500 라인 x 50 Hz
2) 화소 샘플링 주파수
두 시스템(NTSC, PAL)에 모두 대응할 수 있는 샘플링 주파수를 구한다.
두 시스템에 공통으로 적용할 수 있는 두 수평 주파수의 최소 공배수를 산출한다.
NTSC : 594MHz = 135,000Hz x 4400
PAL : 594MHz = 125,000Hz x 4752
화소의 샘플링 주파수 = 594MHz
3) 데이터 레이트(8비트)
Data rate = 4.752GHz = 594MHz x 8bits
4) 전송 대역폭 (RGB 3채널)
Bandwidth = 14.256GHz = 4.572GHz x 3채널
8. 디지탈 영상 신호의 8K 샘플링 주파수
(8K) 8192x4320 60Hz RGB 4:4:4 10bits
1) 16:9 디지탈 신호의 수평 주파수
• 유효 수직 화소 : 4320
• 무효 수직 화소(VBI) : 180 라인 ( = 4500x4% )
• 수직 주사 라인 : 4500 라인 ( = 4320 + 180 )
• NTSC 수평 주파수 : 270,00Hz = 4500 라인 x 60 Hz
• PAL 수평 주파수 : 250,00Hz = 5000 라인 x 50 Hz
2) 화소 샘플링 주파수
두 시스템(NTSC, PAL)에 모두 대응할 수 있는 샘플링 주파수를 구한다.
두 시스템에 공통으로 적용할 수 있는 두 수평 주파수의 최소 공배수를 산출한다.
NTSC : 2.376GHz = 270,00Hz x 8800
PAL : 2.376GHz = 250,000Hz x 9504
화소의 샘플링 주파수 = 2.376GHz
3) 데이터 레이트(10비트)
Data rate = 23.76GHz = 2.376GHz x 10bits
4) 전송 대역폭 (RGB 3채널)
Bandwidth = 71.82GHz = 23.76GHz x 3채널
정리하면,
|
해상도
|
프레임
레이트
|
비디오포맷
|
Bit
Depth
|
샘플링
주파수
|
데이터
레이트
|
전송 대역폭
|
|
1920 x 1080
|
60Hz
|
RGB 4:4:4
|
8
|
148.5MHZ
|
1.18GHz
|
3.564GHz
|
|
3890 x 2160
|
30Hz
|
RGB 4:4:4
|
8
|
297MHz
|
2.376GHz
|
7.128GHz
|
|
3890 x 2160
|
60Hz
|
RGB 4:4:4
|
8
|
594MHz
|
4.752GHz
|
14.256GHz
|
|
8192 x 4320
|
60Hz
|
RGB 4:4:4
|
10
|
2.376GHz
|
23.76GHz
|
71.82GHz
|
* 참고로 PC에서 화면 설정을 VESA의 CVT-RB 모드로 전환하면 샘플링 주파수를 낮춤으로써, 동일한 PC 환경에서 프레임 레이트를 더 높일 수도 있다. 즉, 화질(해상도)은 그대로 유지하면서 초당 화면수를 증가시킴으로써 좀 더 부드러운 화면 전환을 기대할 수 있다.
4K 3890x2160 60Hz RGB 4:4:4 8bits 전송 대역폭
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