4K HDMI/SDI 해상도 및 UHD 비디오 신호의 기본 이해 (엔에이소프트)

풀 60 Hz 프레임 속도, 4:4:4 크로마 서브샘플링, 그리고 10비트 색상을 지원하는 4K 비디오 신호에는 22 .28 Gbps의 데이터 전송 속도가 필요합니다.

 

 

4K 비디오 해상도

 

4K 디스플레이 시스템은 거의 10여년 전부터 디지털 영화관, 과학 연구에서의 고급 시각화 및 의료 영상, 그리고 군용 시뮬레이션부터 테마 파크에 이르는 몰입 환경과 같은 하이 엔드 애플리케이션을 지원해왔습니다 . 최근 4K 디스플레이는 저렴한 가격대에 널리 보급되고 있으며 고해상도와 높은 픽셀 밀도의 장점이 비교적 전통적인 AV 설치에 점점 더 많이 필요해

지고 있습니다.

 

 

4K 및 UHD 비디오 신호용 데이터 전송 속도

 

비디오 신호에 필요한 대역폭에 영향을 주는 기본 요소로는 해상도, 프레임 속도, 비트 색 심도, 그리고 크로마 서브샘플링(chroma sub sampling)이 있습니다 . 4K 비디오 해상도에는 4096×2160 및 UHD(Ultra High Definition) 또는 3840×2160이 포함됩니다. 

 

 

그림 2-1에서 볼 수 있는 바와 같이 4K는 Full HD 1080p 신호 해상도의 네 배이며 픽셀 수도 네 배입니다. 이 정도의 데이터 양을 옮기려면 표 2-1에서와 같은 상당한 대역폭이 필요합니다 . Full 60 Hz 프레임 속도, 4:4:4 크로마 서브 샘플링, 그리고 10비트 색상을 지원하는 4K 비디오 신호에는 22.28 Gbps의 데이터 전송 속도가 필요합니다.

 

 

현재 디지털 비디오 신호 형식의 대역폭 역량

 

2005년에 Digital Cinema Initiatives(DCI)는 4K 디지털 시네마 프로젝터용으로 4096×2160의 표준 해상도를 확정했으며 이를 4K DCI라 부릅니다. 이 해상도는 2048×1080의 2K DCI 해상도와 동일한 종횡비를 유지합니다 . 4K DCI를 지원하는 프로젝터는 최초의 4K 디스플레이 시스템중에 하나였습니다. TV 업계에서는 1080p HD 비디오의 16:9 종횡비를 유지하는 

3840×2160의 UHD 해상도를 채택했습니다. 

 

HDMI

 

2009년에 공개된 HDMI 1 .4a 사양은 최대 데이터 전송 속도를 10 .2 Gbps로 지정했습니다. 이 사양은 단일 HDMI 케이블을 통해 24 Hz, 25 Hz 또는 30 Hz 프레임 속도에 8비트 색상을 제공하는 4K 또는 UHD 해상도를 지원할 수 있습니다. UHD 60 Hz 신호를 위해 4:2:0으로 크로마 서브샘플링을 감소시키면 대역폭이 HDMI 1 .4a 한계 안으로 떨어질 수 있습니다. 하지만 사양에는 4:2:0 색상 샘플링이 포함되지 않습니다.

 

2013년에 공개된 HDMI 2 .0 사양에서는 단일 HDMI 케이블을 통해 8비트 색상 60 Hz 또는 10비트 색상 30 Hz에서 최대 4K/UHD 프레임 속도를 위해 데이터 전송 속도를 18 Gbps로 높였습니다. HDMI 2 .0은 또한 4:2:0 색상 샘플링 지원도 추가되었습니다. Y Cr Cb 신호의 휘도 Y는 4:2:0 색상 샘플링 시 두 개의 TMDS 채널에서 분리되며 크로미넌스인 Cb 및 Cr 신호는 단일 TMDS 채널로 결합됩니다. 이로 인해 60 Hz 프레임 속도의 UHD 4:2:0 신호는 30 Hz UHD 4:4:4 신호와 동일한 데이터 전송 속도로 전송됩니다. 하지만 소스와 디스플레이가 모두 이 작동 모드를 지원해야 성공적으로 신호가 전달됩니다.

 

DisplayPort

 

DisplayPort 데이터 전송 속도 역시 60 Hz 프레임 속도에서의 4K 비디오 지원 개선을 위해 높아지고 있습니다. 10.8 Gbps 데이터 전송 속도를 지원하는 DisplayPort 1 .1a는 단일 케이블 상에서 30 Hz 프레임 속도로 8비트 UHD 신호를 지원합니다.  2009년, DisplayPort  1 .2는  데이터 전송 속도를 21 .6 Gbps로 두 배 늘려 단일 케이블 상에서의 3840×2160 신호 전송, 60 Hz에서의 블랭킹 감소, 10비트 색 심도, 그리고 4:4:4 크로마 서브샘플링을 가능케 했습니다. 2014년에 추가 업데이트된 DisplayPort 사양인 버전 1 .3에서는 32 .4 Gbps의 더욱 빠른 데이터 전송 속도를 제공합니다. DisplayPort는 고속 프레임 속도, 정확한 연색성, 그리고 매우 높은 수준의 이미지 디테일 표시 능력이 필요한 4K 애플리케이션에 아주 적합합니다.

 

3G-SDI

 

3G-SDI 신호의 제한적인 대역폭으로는 4K 또는 UHD 비디오 신호를 단일 케이블로 전송할 수 없습니다. 현재의 표준을 기준으로는 최대 2 .97 Gbps 데이터 전송 속도의 레인이 여러 개 필요합니다. 일부 제조업체들은 6 또는 12 Gbps에서 작동하는 SDI 제품들을 공급하기 시작했습니다. 하지만, 이 데이터 전송 속도를 지원하는 공식 SMPTE 표준은 아직 확정되지 않았습니다. 다양한 전송 표준을 이용한 4K/UHD 신호 전송 능력은 표 2-2에 요약되어 있습니다 .

 

 

시스템 설계 및 통합의 과제

 

복수 해상도 지원

 

기술 사용자가 지정한 기능 및 애플리케이션에 따라 시스템에서 대상이 여러 개인 경우가 자주 생깁니다. 모니터, 스트리밍 인코더, 비디오 프로세서, 녹화 장치 또는 추가 신호 분배 시스템 연결이 여러 개일 수 있습니다. 이럴 경우 시스템 설계업체는 이러한 다양한 대상 장치가 지원하는 해상도를 해결할 수 있어야 합니다.

일반적으로 대략 720p, 1080i 또는 1080p 해상도에 맞춰 설계된 시스템 채택은 쉬운 편이었습니다. 종횡비 제어 및 이들 해상도 간 스케일링에는 광범위한 업 또는 다운 변환이 필요하지 않았습니다. 오늘날의 시스템 설계에 4K 및 UHD 비디오가 도입되면서 모든 신호를 모든 대상에 성공적으로 라우팅하려면 상당한 주의가 필요합니다.

 

4K와 UHD

 

최종 사용자의 다양한 시스템에 4K 비디오가 도입됨에 따라 시스템 설계업체들은 최종 사용자가 실제로 요구하는 비디오 버전을 이해할 필요가 있습니다. 쿼드 HD, UHD 또는 2160p 명칭은 4개의 1080p 사분면을 이용해 전체 해상도 3840×2160을 확보하는 것을 나타냅니다. 영화를 기준으로 한 차이는 2K 사분면 4개가 모여 전체 해상도 4096×2160

이 만들어집니다. SMPTE(The Society of Motion Picture and Television Engineers)는 최소 3840×2160 액티브 픽셀의 신호를 표시하는 UHDTV1, 그리고 7680×4320 픽셀 신호를 표시하는 UHDTV2를 사용해 사물을 좀 더 자세하게 보여 주었습니다. 이것은 현재 연구 및 개발 단계에 있는 8K 해상도입니다.

 

4K와 UHD 사이의 이러한 차이는 종횡비와 디스플레이 호환성 문제로 이어질 수 있을뿐 아니라 전체 시스템을 위한 EDID 관리 체계에도 영향을 줄 수 있습니다.

 

 

4K 및 UHD 신호의 장거리 연장

 

4K 또는 UHD 신호를 연장, 절체 또는 분배하려면 시스템 설계업체는 관련된 소스, 대상 및 거리를 고려해야 합니다. 100 m 이하의 중간 정도의 거리일 경우 트위스트 페어 케이블을 이용한 분배가 쉽고도 경제적인 옵션입니다. 보다 먼 거리까지 전송해야 할 경우에는 광섬유 또는 스트리밍 기술을 이용할 수 있습니다. 선택한 제품에 따라 기본적으로 세 가지 적용할 수 있는 분배 토폴로지가 있습니다.

 

1 케이블/경로

단일 케이블 또는 경로를 이용하려면 설계 솔루션이 3840×2160 또는 4096×2160 비디오 신호와 호환되어야 합니다. 사용이 쉬운 반면 전송 쳬계의 대역폭 요구 및 제한 사항으로 인해, 긴 HDMI 케이블을 사용하거나 광섬유 또는 트위스트 페어 케이블을 이용하여 비디오 신호를 연장할 때, 프레임 속도는 30 Hz로 제한됩니다. 현재의 기술은 최대 약 10 Gbps의 데이터 전송 속도까지만 허용합니다. 집적회로(IC) 제조업체가 신형 칩셋을 널리 보급할 때까지는 이러한 제한은 HDMI 2 .0과 같은 최근 승인된 표준으로는 해결되지 않습니다.

 

4:2:0으로 색상 인코딩을 줄이면 10 Gbps 미만의 데이터 전송 속도로 60 Hz에서 4K 비디오 신호를 전송할 수 있습니다. 하지만 감소된 크로마 서브샘플링이 CAD 드로잉 또는 맵과 같은 컴퓨터 이미지의 미세한 픽셀과 라인 디테일을 손상시킬 수 있습니다. 아울러 많은 상용 AV 제품들은 4:2:0 및 60 Hz 프레임 속도에서 4K 신호를 지원하지 않습니다.

 

2 케이블/경로

듀얼 케이블/경로 솔루션은 60 Hz와 같은 보다 높은 프레임 속도, 그리고 색 심도 증가를 허용하는 흥미로운 옵션입니다. 하지만, 이 고유 해상도와 호환되는 소스와 대상을 찾는 일은 만만치 않은 일이 될 수 있습니다. 이 분배 방법을 지원하려면 신호 체인의 모든 제품이 1920×2160 또는 2048×2160 신호를 전달할 수 있어야 합니다. 이 두 가지 신호들은 기본적

으로 좌우로 나뉘어 있으며 디스플레이에 의해 결합되어 4K/UHD 이미지를 생성합니다.

 

4 케이블/경로

전문 AV 시스템에서 높은 프레임 속도의 4K/UHD 비디오를 지원하기 위한 가장 흔한 방법에는 네 개의 병렬 신호 사용이 관련되어 있습니다. 4개의 1920×1080 또는 2048×1080 신호를 이용하면 전반적인 4K/UHD 신호가 사분면으로 처리됩니다. 이렇게 되면 탁월한 색 심도를 유지하면서도 60 Hz 이상의 프레임 속도를 이용할 수 있습니다. 방송 애플리케이션

에서 이것은 SDI 신호의 고정 주사선 사이즈로 인한 유력한 신호 분배 방법입니다. 이 방법을 이용하면 경로 간 타이밍이 중요해집니다. 분배 및 처리 장치는 대상 장치에서 네 개의 사분면이 합성될 때 이미지 결함이 발생하는 것을 방지하는 동기화 수준을 유지할 수 있어야 합니다.

 

 

4K 소스 및 디스플레이

 

4K 또는 UHD 비디오를 지원하는 사용 가능한 소스 및 디스플레이 종류가 빠른 속도로 증가하고 있습니다. 이들 장치는 다양한 신호 형식 및 연결성을 이용합니다. 4K 디스플레이는 대개 단일 HDMI 1 .4a 커넥터를 이용해 UHD 3840×2160 해상도 (30 Hz) 또는 4K 4096×2160 (24 Hz) 및 8비트 색 심도를 지원합니다.   

 

2014년 말 현재는 HDMI 2 .0 입력을 지원하는 디스플레이가 단일 HDMI 케이블로 60 Hz, 8비트 색 심도에서 4K 또는 HD를 지원할 수 있는 소비자 등급 4K TV를 선택하는 것으로 제한되어 있습니다. 전문 4K AV 시스템에서 디스플레이는 용도에 맞춰 선택해야 합니다 . 시스템 요구 사항은 단일 와이어 솔루션을 지원하는 HDMI 1 .4a 사양에 부합될 수 있습니다. 

 

의료 영상 또는 시뮬레이션 디스플레이와 같은 보다 까다로운 애플리케이션에는 딥 컬러 및 높은 프레임 속도가 필요합니다. 전문가 수준의 미디어 플레이어, 디스플레이, 그리고 프로젝터는 풀 60 Hz 프레임 속도에서 실행되는 딥 컬러 UHD 및 4K 해상도를 달성하기 위해 두 개 또는 네 개의 DisplayPor t, HDMI/DVI 또는 3G-SDI 신호를 결합해 HDMI 1 .4a의 한계를 극복합니다 . 아울러 1080p 신호를 4K 해상도로 업스케일하곤 합니다.

 

 

Extron 4K 솔루션

 

Extron 4K 비디오 솔루션은 4K 및 UHD 디지털 비디오 신호를 위한 고성능 신호 연장, 라우팅, 그리고 분배 기능을 제공합니다. 4K 지원 제품 솔루션에는 비디오월 프로세서, 스트리밍 인코더 및 디코더, 미디어 플레이어 그리고 광섬유 및 트위스트 페어 신호 분배 제품이 포함됩니다. Extron 4K 솔루션은 광범위한 디스플레이 목록을 지원하며 사용자의 설계를 인증된 추천 디스플레이 목록으로 제한하지 않습니다.

 

● 다양한 제조업체의 광범위한 디스플레이, 프로젝터, 그리고 소스를 지원함.

● 풀 60 Hz 프레임 속도에서 4K 및 UHD 비디오를 지원함.

● 차폐된 CATx 케이블을 통해 최대 100 m까지 4K 및 UHD 비디오를 연장, 절체 및 분배함.

● 광섬유 케이블을 통해 최대 30 km까지 4K 및 UHD 비디오를 연장, 절체 및 분배함.

● XTP DTP 24 케이블은 케이블 길이 제한 없이 최대 100 m의 전송 거리까지 4K 및 UHD 해상도를 지원.

● 확장 가능한 HDCP 호환 비디오월 프로세서는 4K 디스플레이에 사용하기에 적합하며 3840×2160 이상의 해상도를 가진 디스플레이에서 다수의 SD, HD, 그리고 UHD 소스 창을 분할해 표시함.

● 시각적 손실이 없는 품질과 최소한의 레이턴시로 4K 콘텐츠를 스트리밍.

● Ultra HD 및 디지털 시네마 4K 해상도 디스플레이용으로 제작한 영화 및 비디오 재생용 미디어 플레이어.

 

4K 시스템 설계에 대한 도움이 필요하면 현지 Extron 고객 지원 센터에 문의하십시오. 고객의 프로젝트에 Extron 애플리케이션 엔지니어가 지정되고 고객이 만족할 수 있도록 도와 드립니다.

 

 

결론

 

4K/UHD 비디오를 위한 새로운 디스플레이 장치의 개발 속도는 표준 개발 속도를 능가하고 있습니다. 4K/UHD 신호 연결 표준이 아직 없기 때문에 전송 방식, 프레임 속도, 그리고 컬러 인코딩 방식에 따라 필요한 연결 개수와 유형이 결정됩니다. 물리적 연결 이외에도 픽셀 클럭, 데이터 전송 속도, 액티브 픽셀 수, 샘플링 방식 등의 다른 요소들이 있습니다.

 

기술에 대한 사용자의 지식과 이해도를 높임으로써 AV 업계의 관리 기관들이 표준을 수립하고 발전시켜 나감에 따라 사용자는 설계 옵션을 단일 분배 방식으로 제한하지 않는 개방형 아키텍처 시스템을 설계 및 도입할 수 있게 됩니다. 

 

기술에 대한 교육을 받으면서 제품 기능을 이해하는 것이야말로 사용자의 시스템이 4K 또는 UHD 애플리케이션의 까다로운 요구 사항을 충족시키도록 보장하기 위한 가장 바람직한 방법입니다.

 

 

 

참조 : https://extronav.tistory.com/2

4K HDMI/SDI 해상도 및 UHD 비디오 신호의 기본 이해