PS4 프로가 당장하면서 PS4는 HDR(High Dynamic Range) 영상 출력이 가능해졌습니다. 허나 '휘도가 확장되면서 HDR은 더 밝은 화면을 보여줄 것이다.' 라고 생각했던 사람들은 자신이 착각했음을 깨닫고 있는데요. 모든 게임이 다 그렇진 않지만, HDR을 적극적으로 지원하는 게임에선 SDR보다 더 어두운 화면을 보여줬기 때문입니다.
같은 장면을 SDR 모드와 HDR 모드로 표시하고, 이를 매뉴얼 모드로 설정한 카메라로 촬영
왜 HDR 모드에서 화면이 어두워진 걸까요? 왜 다이나믹 레인지가 넓고 선명한 HDR이 더 칙칙한 화면을 표시하는 걸까요? 실리콘 스튜디오의 카와세 미사키에 의하면 HDR 화면이 SDR 화면보다 어두워지는 건 사실이라고 합니다. 이를 파악하기 위해선 SDR과 HDR (PQ 방식 : HDR10)의 차이를 이해해야 합니다.
HDR은 SDR 범위의 영상에서 '휜색보다 더 밝은 부분'을 덧붙인 거라고 보면 됩니다. 일반적인 영상은 대부분이 SDR이며, HDR은 특히 밝은 부분을 확장해 표현합니다. 옛날 tV는 전원을 껐을 때 브라운관의 회색 부분을 검은색, 100cd/m2 정도의 밝기를 지닌 곳을 흰색이라 지정했습니다. 명암비는 매우 낮았으며, 그 때 그런 장치에 맞춰 만든 게 SDR입니다.
100cd/m2라는 게 어느 수준의 밝기냐 하면, 아이폰 5의 밝기를 30~40% 정도로 했을 때 흰색 부분이 100cd/m2에 해당합니다. 대체로 250~250cd/m2를 지닌 모니터에서 아이폰의 흰색과 거의 같은 밝기의 색을 만들면 RGB(174,174,174) 정도가 됩니다. 사진으로 비교하면 RGB(160,171,176)로 더 어두워집니다. 아이폰이 더 밝게 보이지만 측정하면 둘 다 100cd/m2 정도로, SDR의 기준치는 상당히 어둡다는 이야기가 나옵니다.
하지만 TV는 매장에서 밝게 보이는 제품이 많이 팔리다보니 예전부터 밝기 경쟁이 벌어졌고, 지금은 100cd/m2의 밝기를 지닌 TV는 없습니다. 디스플레이의 밝기는 대폭 높아져 지금은 SDR TV도 250~400cd/m2 정도가 나옵니다. 그럼 100cd/m2 용으로 만든 걸 그렇게 밝게 표시하면 문제가 생기지 않을까요? 그렇진 않습니다. 상대적으로 밝기가 전부 올라가면서 색조가 선명하고 컨트라스트가 오르는 경향이 있으나, 대략의 색상은 크게 변하진 않습니다.
그러니까 300cd/m2 와 400cd/m2 에서 표시하는 하얀색을 기준으로 현대의 게임을 만들지만, 실제로는 최대 100cd/m2의 신호로 다뤄왔다는 소립니다. 이게 SDR 표준의 현실입니다. 그럼 HDR은 어떨까요? HDR도 여러 방식이 있는데 여기에선 PS4와 울트라 블루레이의 PQ 방식에 대해서만 보도록 하겠습니다.
지금까지의 방식과 PQ 방식의 가장 큰 차이점은 밝기를 상대적으로 취급하느냐, 절대적으로 취급하느냐는 겁니다. 초기 TV의 밝기는 상대적인 것이라 밝기가 서로 다른 제품이 나와도 문제가 없습니다. 계속해서 신호 표준의 최대 값에 맞춰 TV가 나왔다면 상관 없겠으나, 제품에 따라 영상의 밝기와 색은 달라도 영상이 이상하진 않습니다. 밝은 TV에서 영상은 더 밝게 보이고, 어두운 TV라면 더 밝게 보입니다.
반면 PQ 방식은 밝기를 절대값으로 처리합니다. 신호 값에 밝기가 정해져 있어, 이론적으로는 같은 컨텐츠를 재생할 경우 어떤 TV건 밝기가 같습니다(실제론 다릅니다). HDR에서 밝은 TV라는 건, 신호의 최대값까지 제대로 표현 가능한 TV라는 뜻입니다. 어두운 TV에선 제대로 표현할 수 없었던 곳까지 표현하는 게 밝은 HDR TV입니다. 전체 밝기를 늘려낸 SDR과는 근본적으로 다른 발상이지요.
위 그래프는 이해를 쉽게 돕도록 그려낸 것으로 실제로는 곡선입니다. SDR은 파란색, 노란색은 HDR의 표시 영역인데, 실제로 SDR은 주황색이나 회색선 수준이므로 일반 영상(0~300cd/m2)의 범위에선 별반 차이가 없을 것입니다.
결론적으로 HDR 표시가 어두운 건 어떤 의미에선 정확한 처리가 이루어졌기 때문입니다. HDR 입장에서는 SDR이 이상한 것이나, 지금 SDR TV가 밝게 보이는 것도 SDR 입장에선 제대로 처리하기 때문입니다. SDR과 HDR은 신호 평가 방법이 다르지만, 이제는 유명무실한 '표준 흰색=100cd/m2'라는 전제로 표준을 만들었기에 실정과 맞지 않습니다.
즉 SDR에서 표준으로 삼은 흰색이라고 해봤자 100cd/m2니 HDR 입장에선 매우 어둡지요. 따라서 SDR에선 밝게 보여도 HDR 표준에선 그럴 리가 없습니다. 또 HDR이 어둡게 보이는 부분이 고휘도 영역이라 생각할 수 있으나, 고휘도 영역을 선택하고 밝기를 측정하면 SDR이 더 밝게 나오기도 합니다. HDR에서 밝게 보이는 곳이라면 SDR에서도 밝게 보입니다.
PQ 방식의 밝기 변환 커브
현재 HDR을 지원하는 TV를 SDR로 쓰면 고휘도를 살려 SDR 신호를 확장해서 보여줍니다. 현재 매장에 전시된 TV를 보면 영상이 충분히 아름다우니 SDR에서도 고휘도 표현을 할 수 있으며 HDR의 의미가 없다고 보는 사람이 있을지도 모릅니다. HDR은 계조 표현이 달라 화면 전체를 밝게 표시하는 게 아니라, 어두운 부분은 어둡게, 밝은 부분은 밝게 자연적인 이미지를 만들어냅니다. 또 데이터 비트도 달라 계조도 풍부합니다.
SDR은 8비트로 0~100을 나타내며 HDR은 10비트로 0~10000을 나타냅니다. 일반 영상은 사람 눈의 특성에 맞춰 만들었기에 HDR도 기존의 SDR에 맞춘 부분은 계조가 세밀합니다. PQ 방식의 밝기 변환 커브를 봐도 SDR 범위를 나타내는 100cd/m2가 신호의 대략 절반을 차지함을 알 수 있습니다. 즉 9비트가 그 범위를 표현하는 데 쓰는 것입니다.
정리하면 HDR이 데이터 포맷의 우위는 분명하나, 오래된 규격을 바탕으로 한 SDR 영상은 어둡게 보인다는 전제를 깔고 만든 HDR 규격이라면, 기존의 SDR이 커버하는 범위의 영상을 재생 시 매우 어두워집니다. 반대로 SDR에 비해 더 많은 어두운 색을 표현할 수 있는 HDR은 올바른 HDR 구현이 안 됐지만, 실용에선 그 편이 훨씬 쉽습니다. 비현실적인 표준과 현실을 어떻게 맞추느냐가 문제인 것입니다.
어떻게 해야 하는가?
PQ 방식은 기존 SDR과 호환되지 않지만 정말 문제가 되는 건 컨텐츠 제작이 아닙니다. SDR에서 HDR을 자연스럽게 보이도록 만드려면 HDR을 밝게 표현할 필요가 있습니다. 그래서 실리콘 스튜디오는 게임 제작사들이 HDR에서 SDR의 하얀색 표현을 100cd/m2가 아니라, 전체적인 수를 두배로 높이길 권장하고 있습니다.
실제로 2.5~3배 이상으로 하면 밝기에선 SDR과 맞먹겠으나, 전체의 밝기가 높아지면서 최대 밝기의 여지가 줄어들게 되니, 이런 방법을 쓰면 아주 밝은 표현을 할 때 HDR 표현이 어려워집니다. 그래서 2배 정도가 무난하다고 보는 것입니다. 이렇게 고정하면 번거롭진 않으나, 어두운 환경에서 HDR 효과를 최대로 누리고 싶은 사람들을 위해서 화이트 레벨을 정의할 수 있게 해주는 게 나을 것입니다.
게이머들은 우선 가능한 밝은 디스플레이를 구입해야 합니다. 이론적인 신호와 밝기는 절대 값이니, 밝은 화면이라 해서 밝게 표시되진 않겠지만, 같은 화면을 표시했을 때 어두운 디스플레이보단 낫겠지요. 또 최대 밝기를 높여보거나 방을 어둡게 하는 것도 도움은 됩니다.
TV는 밝기 조정이 가능해야 합니다. HDR 영상 신호는 밝기 정보를메타 데이터로 TV에 보내는데, 이를 바탕으로 다이나믹 레인지를 확대하면 HDR 정보의 손실을 최소화할 수 있습니다. 또 TV의 최대 밝기가 명확히 표기됐다면 구입에 많은 도움이 되겠지요.
HDR은 앞으로 어떻게 될 것인가
PS4가 기선을 잡고 앞으로 HDR을 지원하는 제품이 더 많이 나오는 건 분명합니다. 1년 후면 그 수는 충분히 늘어나겠지요. 다만 컨텐츠를 보강하려면 아직 많은 시간이 필요할 겁니다. 1000cd/m2 이상의 밝기를 지닌 TV도 나올 겁니다. 소니는 올해 CES에서 3000cd/m2의 TV를 발표했으니 앞으로 몇 년 안에 상품화돼도 이상하진 않습니다.
그럼 PQ 방식의 최대값인 1만cd/m2는 얼마나 밝은 것일까요? 32W짜리 형광등이 13200cd/m2가 됩니다. 직접 바라보기가 힘들 정도로 눈부신 수준이지요. 현재 HDR 표준은 기존의 20~100배 밝기를 실현하지만 영상에서 그 정도로 충분하진 않을 것입니다. 흐린 날의 하늘 밝기는 250~400cd/m2인데, 기존의 TV는 아무리 최대 밝기를 내도 흐린 날씨 수준이라는 거지요. 정말 눈부신 빛을 표현하려면 1000cd/m2도 부족하고 2000cd/m2는 나와야 하는데 지금 제품은 1000cd/m2가 고작입니다.
현재 고휘도 TV가 있지만, 일반 가전제품 수준의 소비 전력을 지키려면 화면 전체를 밝게 만들기가 힘들다고 합니다. 또 발열 문제가 있어 한 부분을 장시간 밝게 표현하기 힘들기도 합니다. 즉 일부분이라면 1500cd/m2, 면적을 늘리면 500cd/m2만 표시할 수 있으며, 장시간 유지는 그나마도 못하다는 게 현 상황입니다. 고휘도 HDR 디스플레이의 두께가 많이 나가고, 쿨링팬을 장착한 것도 같은 이유에서지요.
핵심은 밝기와 전력 사용량입니다. 더 효율이 좋고 밝은 소자의 개발이 필요합니다. HDR은 앞으로 많은 발전이 이루어질 것이며, 게임과 소프트웨어의 HDR 관련 기술도 두고 볼 필요가 있을 것입니다.
