제 5 장 비디오의 기본적인 이해

제 5 장 비디오의 기본적인 이해

5.1 비디오 신호의 종류5.2 아날로그 비디오5.3 디지털 비디오

1 멀티미디어시스템 2010-2 학기

5.1 비디오 신호의 종류 컴포넌트 비디오

컴포넌트 비디오 : 스튜디오와 같은 곳에서 쓰이는 비디오 시스템은 빨강(red), 녹색 (green), 파랑 (blue) 의 세 가지 비디오 신호를 사용한다 . 각각의 컬러 채널은 분리된 비디오 신호로 전송된다 . 대부분의 컴퓨터 시스템에서는 RGB 를 이용하는 컴포넌트 비디오를

사용한다 . 다양한 컬러 표현 방식 중에서도 컴포넌트 비디오는 다른 채널

사이에서의 “crosstalk” 현상이 없기 때문에 컬러의 재생성을 가장 효과적으로 수행한다 .

하지만 컴포넌트 비디오는 더 넓은 대역폭이 필요하고 동기화에 민감하다는 단점이 있다 .


컴포지트 비디오 – 1 신호 컴포지트 비디오 : 휘도 (luminance) 와 색

(chrominance) 신호가 단일 반송파에 실리게 된다 . 색은 I 와 Q 또는 U 와 V 의 두 가지 컬러 성분의 조합이다 . NTSC TV 에서는 I 와 Q 가 색 신호로 조합되며 , 이 색 신호는

컬러 부반송파에 의해 휘도 신호가 실리는 채널의 상위 주파수에 실리게 된다 .

색과 휘도 성분은 수신 단에서 분리될 수 있고 , 또한 두 개의 컬러 성분으로 복원될 수 있다 .

컴포지트 비디오는 TV 나 VCR 에 연결될 때 한 가지 회선을 이용하며 , 비디오 컬러 신호는 서로 분리되지 않고 섞인 채로 전송된다 . 오디오 신호는 여기에 한 가지 신호가 더해지게 되는 것이다 .

컬러와 밝기가 동일한 신호에 포함되므로 색 신호화 휘도 신호 사이에 간섭 현상이 다소 일어나는 것은 피할 수 없다 .


S- 비디오 – 2 신호 S- 비디오 : 절충적인 형태로 두 개의 회선을 사용한

다 . 하나는 휘도 신호를 위한 것이고 , 다른 하나는 컴포지트 색 신호를 위한 것이다 .

결과적으로 컬러 정보와 중요한 회색계 정보 사이에 crosstalk 현상이 적다 .

신호 자체에 휘도를 싣는 이유는 흑백 정보가 인간의 시계 지각 측면에서 중요하기 때문이다 . 사실 , 인간은 컬러 영상의 컬러 성분보다 회색계 영상에서의 공간

해상도의 차이에 민감하다 . 그 결과 , 컬러 정보는 밝기 정보보다 정확성이 덜 요구된다 –

컬러의 큰 얼룩들만 볼 수 있기 때문에 컬러의 세부적인 부분들을 덜 전송하더라도 알 수 있다 .


5.2 아날로그 비디오 아날로그 신호 는 시간에 따라 변화하는 영상을

샘플링한 것이다 . 소위 “순차주사” 방식은 매 시간 간격마다 행 방향으로 완전한 하나의 영상 ( 프레임 )을 주사한다 . 고해상도 컴퓨터 모니터는 일반적으로 1/72 초 주기를

가진다 다른 방식의 시스템으로 TV 와 일부 모니터 , 그리고

멀티미디어 표준에는 “비월주사” 방식 (Interlace scanning) 이 사용된다 . 홀수 번째 줄이 먼저 주사되면 , 다음으로 짝수 번째의 줄이

주사되는 방식을 말한다 . 이 결과 “odd” 와 “even” 필드가 나타나며 , 이 두 개의 필드가 하나의 프레임을 구성한다 .

1 로 시작하는 홀수 줄은 마지막 홀수 줄의 중간에서 끝나게 되고 , 짝수 줄의 주사는 중간에서 시작한다 .

)(tf


그림 5.1 에서 보듯이 , 우선 홀수 줄을 따라가면 점 P 에서 점 Q 로 , 다음으로 R 에서 S 로 주사를 하며 , 결국 점 T 에서 종료된다 . 다음으로 짝수 줄이 주사되는데 , 점 U 에서 시작하여 V 에서 끝나게 된다 .

그림 5.1 의 점 Q 에서 점 R 로의 이동과 같은 경우를 수평조사라고 하며 , 이때 CRT 의 전자빔이 깜박이게 된다 . 점 T 에서 점 U, 점 V 에서 점 P 로의 이동은 수직회귀라고 부른다 .

그림 5.1 비월주사 방식


비월주사로 인해 홀수 행과 짝수 행은 서로 교대로 화면에 나타나게 되는데 , 화면상에 빠른 움직임이 발생하는 경우를 제외하고는 눈에 띄는 흐려짐이 없다 .

예를 들어 , 그림 5.2 에서와 같이 움직이는 헬리콥터의 경우 정지된 배경 화면에 비해 흐려짐이 생기는 것을 알 수 있다 .


그림 5.2 비월주사에 의하여 각 프레임당 생성된 두 개의 필드 영상 : (a) 비디오 프레임 ; (b) 필드 1; (c) 필드 2; (d) 필드 간 차이 영상 .


때때로 프레임률이나 영상의 크기를 변화시키거나 , 비월주사 방식의 영상으로부터 정지 영상을 생성해 내야 하는 경우 등의 상황에서 “디 - 인터레이싱” 기법이 필요하다 . 가장 간단한 다 - 인터레이싱 방식은 하나의 필드를 제거하고 ,

다른 하나의 필드 행을 각각 복사하여 프레임을 구성해 내는 방법인데 , 이 방법은 하나의 필드 정보를 고스란히 잃게 된다 .

다른 방법으로 , 두 개의 필드의 정보를 모두 유지할 수 있는 좀더 복잡한 방법도 있다 .

아날로그 비디오의 경우에서 위 물음에 대한 대답은 검은색을 가리키게 되는 0으로부터의 작은 오프셋 전압값과 , 0 과 같이 선의 시작을 가리키는 값들이라고 할 수 있다 . 다시 말해서 , “검은색보다 더 검은” 신호를 이용하게 되는 것이다 .


그림 5.3 단일 주사선에 대한 전기적 신호


NTSC 비디오 NTSC (National Television System Committee)

TV 의 표준은 북미와 일본에서 주로 사용되고 있다 4:3 종횡비와 525 스캔 라인 , 초당 30 프레임률을

가진다 . NTSC 는 비월주사 방식을 따르며 , 매 프레임은 두

개의 필드로 구성되어 262.5 lines/field 가 된다 . 따라서 수평 주사 주파수는 525ⅹ29.97 ≈ 15,734

lines/sec 가 되며 , 각 선을 주사하는데 1/15,734 sec ≈ 63.6㎲가 소요된다 .

영상 데이터가 디스플레이 되는 동안 수평조사가 10.9㎲가 걸리므로 활성 영상 라인 신호를 위해서 52.7㎲가 남는다 ( 그림 5.3).


그림 5.4 에서 NTSC 비디오 래스터에서의 “수직 회귀와 동기화”와 “수평 조사와 동기화”의 효과를 보여주고 있다 .

그림 5.4 수직 , 수평 조사와 동기 신호를 포함한 전체 비디오 래스터


Blank 정보는 매 필드의 시작 부분에 제어 정보를 위해 배정된 20 개의 선에 놓이게 된다 . 따라서 각 프레임당 활성화 비디오 라인의 수는 단지 485 개가 된다 .

비슷하게 , 래스터 좌측의 약 1/6 은 수평조사와 동기화를 위해 비어있게 된다 . Blank 를 제외한 부분을 활성 화소라고 한다 .

종종 화소는 주사선 사이에 놓이게 되는데 , 이 때문에 비월주사가 아닌 경우에도 NTSC TV 는 단지 약 340개의 선을 보여줄 수 있을 뿐이다 . 485 개 활성 라인의 약 70% 에 해당한다 . 비월주사의 경우에는 50% 이하가 될 수도 있다 .


NTSC 비디오는 고정된 수평 해상도를 가지고 있지 않은 아날로그 신호이다 . 그러므로 디스플레이 하기 위해 얼마나 많은 샘플을 취할 것인가 하는 것을 결정해야 한다 . 매 샘플은 하나의 화소값으로 대응되게 된다 .

“ 화소 클럭”은 비디오의 각 수평 라인을 샘플로 분할한다 . 화소 클럭의 주파수가 높아지면 라인당 샘플 수는 증가하게 되는 것이다 .

표 5.1 과 같이 비디오는 각 형태에 따라 라인당 샘플 수가 다르다 .

표 5.1 다양한 비디오 형식에 따른 라인당 샘플 수


컬러 모델과 NTSC 변조 NTSC 는 YIQ 컬러 모델을 사용한다 . I( 동상 , in-

phase chrominance) 와 Q( 직교상 , quadrature chrominance) 신호는 다음 수식으로 표현되는 직교 변조 방식을 이용하여 색 신호 C 에 결합한다 .

이렇게 변조된 색 신호는 컬러 부반송파이며 , 이것은 의 크기와 의 위상을 가진다 . C 의 주파수는 이다 .

NTSC 컴포지트 신호는 여기에 휘도 신호 Y와 색 신호를 조합한 신호로서 다음과 같이 정의된다 .

)sin()cos( tFQtFIC scsc

22 QI )/(tan 1 IQ

MHzFsc 58.3

)sin()cos( tFQtFIYCY scsc 컴포지트


그림 5.5: NTSC 는 인간이 컬러의 고주파 성분에 덜 민감하다는 특성에 따라 Y에는 4.2MHz 의 대역폭을 할당하고 , I 와 Q 에는 각각 1.6MHz 과 0.6MHz 대역폭만을 할당한다 .

그림 5.5 NTSC 주파수 영역에서의 Y와 C 신호의 겹쳐짐


NTSC 신호 디코딩 수신 단에서 컴포지트 신호를 디코딩하는 첫 단계는 Y와 C 를 분리하는 일이다 .

저역 통과 필터를 사용하여 Y를 분리한 이후 , 색 신호 C는 I 와 Q 를 추출하기 위해 복조될 수 있다 . I 를 추출하기 위해서는1. 신호 C 에 를 곱한다 .

)cos(2 tFsc

)2sin()2cos(

)cos()sin(2))2cos(1(

)cos()sin(2)(cos2)cos(2 2

tFQtFII

tFtFQtFI

tFtFQtFItFC

scsc

scscsc

scscscsc


2. 저역 통과 필터를 적용하여 I 를 얻고 , 두 개의 고주파 성분 을 제거한다 .

마찬가지로 , C 에 를 곱하고 저역 통과 필터를 적용함으로써 Q 를 추출할 수 있다 .

)2( scF

)sin(2 tFsc


NTSC 의 6MHz 대역폭은 매우 빽빽하다 . 오디오 부반송파의 주파수는 4.5MHz 로 채널에서 1.25+4.5=5.75MHz 의 오디오 대역 중앙에 위치한다( 그림 5.5). 그러나 컬러는 1.25+3.58=4.83MHz 에 위치함을 주목하라 .

이것은 사실 컬러 부반송파와 다소 가까운 측면이 있어서 오디오와 컬러 신호의 간섭 가능성의 요인이 된다 . NTSC 컬러 TV 가 프레임률을 30ⅹ1,000/1,001 ≈ 29.97fps 로 낮춘 것도 크게 이러한 요인에 기반을 둔다 .

이에 따라 NTSC 컬러 부반송파의 주파수는

으로 낮추어졌다 . 여기서 227.5 는 NTSC 방송용 TV에서 주사선당 컬러 샘플의 수를 의미한다 .

MHzf sc 579545.35.227525001,1/000,130


5.2.2 PAL 비디오

PAL (Phase Alternating Line) 은 서유럽 , 중국 , 인도 등 세계 각국에서 보편적으로 사용되고 있는 중요한 표준이다 .

PAL 은 프레임당 625 개의 주사선 , 초당 25프레임 , 4:3 종횡비 , 비월주사 방식의 필드를 사용한다 . PAL 은 8MHz 채널을 가지는 YUV 컬러 모델을 사용하며 , Y 에

5.5MHz, U 와 V 에 각각 1.8MHz 의 대역폭을 할당한다 . 컬러 부반송파 주파수는 이다 .

영상의 화질을 개선하기 위하여 색 신호는 연속된 주사선에서 교차된 부호를 가진 신호로 표현되며 ( 즉 , +U 와 – U), 이러한 특성에 의해 “위상 반전 주사선” 이라는 이름을 얻게 되었다 .

이것은 수신 단에서의 빗살 필터 (comb filter) 사용을 용이하게 한다 . 즉 , Y 와 C 를 분리하기 위해 색차 신호를 제거하고 , Y 신호의 고화질을 얻기 위해 연속된 라인의 신호들이 평균된다 .

MHzf sc 43.4

U = B’ – Y’V = R’ – Y’


5.2.3 SECAM 비디오

SECAM 은 3번째 주요 방송용 TV 표준으로 Systeme Electronique Couleur Avec Memoire 를 나타낸다 .

SECAM 역시 프레임당 625 주사선 , 초당 25 프레임률 , 4:3 의 종횡비 , 비월주사 방식의 필드를 사용한다 .

SECAM 과 PAL 은 비슷하면서도 컬러 부호화 구조에 있어서 다소 다르다 : SECAM 에서는 U 와 V 신호가 각각 4.25MHz 와 4.41MHz 의 다른

컬러 부반송파를 사용해 변조하게 된다 . 각 주사선에는 U 또는 V 신호 중 오직 하나의 신호만이 보내진다 .


표 5.2 에서 3대 방송용 TV 시스템을 비교하고 있다 .

표 5.2 아날로그 TV 시스템간의 비교


5.3 디지털 비디오 비디오를 디지털로 표현하는 방식의 장점은 매우 많다 . 디지털 기기나 메모리 등에 저장할 수 있고 , 처리될 수

있으며 ( 잡음 제거 , 편집 등 ), 다양한 멀티미디어 응용 분야에 적용 가능하다 .

직접 접근 , 비선형적인 비디오 편집이 쉽다 . 영상 화질의 열화 없이 반복 저장이 가능하다 . 부호화가 용이하고 , 채널 잡음에 강하다 .

초기의 소니와 파나소닉 녹화기에서 디지털 비디오는 컴포지트 비디오의 형태였다 .

최근의 디지털 비디오는 보통 컴포넌트 비디오를 사용하며 컬러 공간은 YCbCr 이다 .


5.3.1 색차 신호 부표본화

인간은 흑백 정보에 비해 컬러의 공간 해상도에 덜 민감하기 때문에 적절한 방법으로 색 신호를 줄이는 일이 가능하다 .

사용되는 기법들은 흥미롭기는 하나 특별한 명칭이 부여되지는 않았다 .

우선 , 원래의 4개의 화소당 실제로 보내질 화소값의 개수가 필요하다 . “4:4:4” 색 부표본화 구조는 부표본화가 사용되지

않았음을 의미한다 . 각 화소의 Y, Cb, Cr 값은 각 Y, Cb, Cr 값에 해당되도록 전송된다 .


“4:2:2” 구조는 Cb 와 Cr 신호를 2 의 배수로 수평 부표본화함을 의미한다 . 즉 , 수평방향으로 0에서 3번까지 번호가 매겨진 네 개의 화소에 대하여 , 네 개의 Y값과 , Cb, Cr 값이 각각 두 개가 (Cb0, Y0)(Cr0, Y1)(Cb2, Y2)(Cr2, Y3)(Cb4, Y4) 로 전송된다 .

“4:1:1” 구조는 4의 배수로 수평 부표본화함을 의미한다 .

“4:2:0” 는 수직과 수평 방향 모두에서 2 의 배수로 부표본화한다 . 그림 5.6 과 같이 이론적으로 평균 색 화소값이 열과 행 사이에 놓여진다 . “4:2:0” 구조는 보통 JPEG 과 MPEG 에서 사용된다 .


그림 5.6 색 신호 부표본화26 멀티미디어시스템 2010-2 학기

5.3.2 디지털 비디오의 CCIR 표준

CCIR 은 Consultative Committee for International Radio ( 국제무선통신자문위원회 ) 로 가장 중요한 표준 중의 하나이며 컴포넌트 디지털 비디오의 표준인 CCIR-601 을 제안하였다 . 이 표준은 이제 전문적인 비디오 응용 분야의 국제 표준인

ITU-R601 로 채택되었다 . 이 표준은 널리 쓰이고 있는 DV 비디오를 포함한 특정

디지털 비디오 형태에 채용되었다 . 표 5.3 에 디지털 비디오 표준별 특징이 나타나

있는데 , 모두 4:3 의 종횡비를 사용함을 볼 수 있다 . CCIR 601 표준은 비월주사 방식을 사용하며 , 따라서 각

필드는 절반의 수직 해상도를 가진다 ( 예를 들어 , NTSC에서는 240 선 ).


CIF 는 CCITT 에 의해 구성된 Common Intermediate Format 을 말한다 . 일반 중간조 형태 CIF 의 개념은 낮은 비트율을 지원하는 형태이다 . CIF 는 VHS 와 같은 화질로 , 순차주사를 사용한다 . QCIF 는 Quarter-CIF 를 말하고 , 해상도는 모두 8로

나누어 떨어지며 , 88 을 제외하고는 모두 16 로 나누어 떨어진다 .

이것은 10 장에서 다룰 H.261 과 H.263 에서의 블록 기반 비디오 부호화에 효율적이다 .

NTSC 와 PAL 의 절충적인 형태로 NTSC 프레임률과 PAL 에서의 활성선의 절반을 채용하고 있다 .


표 5.3 디지털 비디오 정격


5.3.3 고선명 TV (HDTV)

HDTV (High Definition TV) 의 주요한 매력은 각 화면 영역의 명확성이 증가되었다는 것보다 시야 공간이 넓어졌다는 것에 있고 , 특히 가로방향의 길이가 증가하였다는 것이 큰 공헌을 하였다 .

초기 단계의 HDTV 는 1970년대 말 일본의 소니와 NHK에서 개발된 아날로그 기술에 기반하였다 .

NHK HDTV 를 향상시킨 형태로서 아날로그 /디지털의 하이브리드 방식을 사용하는 동작 보장 다중서브 샘플링 전송 방식 (MUSE) 은 1990년대에 사용되기 시작하였다 . 이 방식은 1,125 주사선과 비월주사 방식 ( 초당 60 개의

필드 ), 16:9 의 종횡비를 가진다 . 현재의 6MHz 나 8MHz 의 채널에서 20MHz 이상의

대역폭이 필요한 압축되지 않은 HDTV 는 전송될 수 없기 때문에 다양한 압축 기술이 개발되었다 .

압축한 이후라고 할지라도 고화질의 HDTV 신호는 한 개 이상의 채널을 사용하여 전송될 것이다 .


HDTV 발전의 간략한 역사

1987년에 FCC 에서는 HDTV 의 표준이 기존 NTSC 표준과 호환되어야 하며 , VHF (Very High Frequency) 와 UHF (Ultra High Frequency) 대역으로 제한되어야 한다고 발표하였다 .

1990년에 FCC 는 다른 제안을 발표하였는데 , 그것은 완전 - 해상도 HDTV 를 우선한다는 내용이다 . 그들은 HDTV 가 기존의 NTSC TV 와 동시에 방송될 것이고 , 결국엔 NTSC TV 를 대체하게 될 것이라고 생각했다 .

디지털 HDTV 의 폭발적인 제안들이 쏟아지면서 FCC 는 1993년 완전 디지털화라는 중대한 결정을 내리게 되었다 . General Instruments, MIT, Zenith 와 AT&T 그리고 Thomson, Philips, Sarnoff 등이 만들어낸 “거대한 연합” 은 네 가지 주요한 제안을 결정하였다 .

이것은 결국 HDTV 의 TV 방송용 표준을 결정하기 위한 ATSC (Advanced Television Systems Committee) 의 결성으로 이어졌다 .

1995년에 U.S. FCC 의 텔레비전 방송 자문위원회는 ATSC 디지털 텔레비전 표준을 채택하였다 .


이 표준은 표 5.4 와 같은 비디오 주사 형태를 제시하였다 . 표에서 “I” 는 비월주사를 의미하고 , “P”는 순차주사를 의미한다 .

표 5.4 ATSC 가 지원하는 디지털 TV 의 표준 형식들


비디오는 MPEG-2 가 압축 표준으로 채택되었다 . 메인 프로파일의 메인 레벨과 하이 레벨을 사용한다 .

오디오는 AC-3 이 표준이다 . 5 개의 서라운드 채널에 우퍼 채널이 포함된 소위 5.1

채널 돌비 서라운드 음향을 지원한다 . 기존 TV 와 HDTV 의 가장 큰 차이점

HDTV 는 4:3 대신 16:9 의 종횡비를 가진다 . 순차주사 방식이다 . 이것은 기존의 비월주사 방식이

움직이는 객체에 대하여 톱니 모양의 경계선을 발생시키고 수평 경계에서 깜박임을 발생시킨다는 이론적 근거에 기인한다 .


FCC 는 2006년까지 모든 아날로그 방송을 디지털 TV 방송으로 대체한다는 계획을 가지고 있다 . 제공되는 서비스는 다음과 같다 . SDTV (Standard Definition TV): 현재 NTSC TV 또는

이상 . EDTV (Enhanced Definition TV): 480 활성 라인 또는

이상 . 표 5.4 의 세 번째와 네 번째 행 . HDTV (High Definition TV): 720 활성 라인 또는 그

이상 .


제 5 장 비디오의 기본적인 이해

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