가전​​ 및 영상 켠텐츠 산업의 큰 흐름이 된 HDR


AMD는 자신의 GPU인 라데온에서 HDR(High Dynamic Range)를 지원하게 될 것이라고 발표했습니다. TV 나 디스플레이가 HDR로 표시하게 되면 인간이 자연을 보는 것과 거의 가까운 명암과 색상, 해상도를 구현할 수 있습니다. 즉, 자연을 직접 보는 것과 거의 비슷한 리얼하고 생생한 이미지가 가능하게 되는 것입니다. 지금까지는 이미지의 픽셀 해상도를 올리는 방향이었지만, 이제는 색상과 휘도의 해상도를 올리려는 새로운 움직임이 보이고 있습니다.

 

"진정한 의미의 리얼리티를 이미지에 가져오려면 픽셀의 수를 늘릴뿐만 아니라 더 나은 픽셀이 필요합니다. 그것은 더 많은 색상과 대비를 추가 할 것입니다." AMD의 비주얼 기술을 담당하는 Kim Meinerth(Senior Fellow and System Architect, Radeon Technologies Group, AMD)의 말입니다.

 

1.jpg

 

2.jpg

 

3.jpg

 

지금의 디스플레이와 HDR 디스플레이의 차이를 표현한 슬라이드


HDR 대응 TV는 2015 년 1월 미국 라스 베이거스에서 열린 가전 쇼 CES에서 주목을 끌었습니다. 또한 올해 4월에는 HDR 전송 규격 확장이 추가 된 HDMI 2.0a 규격도 정식으로 발표되었습니다. TV의 4K화는 화면 해상도가 4K(3,840 × 2,160)로 4배 늘어날 뿐만 아니라 밝기와 색상의 해상도도 향상된 HDR화와 함께 가는 흐름이 되고 있습니다.

 

"이러한 흐름은 가전 업계에서 비롯된 것입니다. 모든 영상 스튜디오와 가전 업체가 HDR화에 노력하고 있습니다. 소니가 HDR 대응 TV를 내놓고 있습니다. 미디어 표준의 경우 차세대 블루레이인 ULTRA HD BLU -RAY가 HDR을 지원합니다. 아마존과 넷픽스 스트리밍도 HDR 컨텐츠를 취급합니다. 컨텐츠에서 디바이스까지 모든 것이 HDR을 기꺼이 맞이하고 있습니다"

 

이러한 흐름 속에서 AMD는 2016년 연말 성수기에는 HDR을 지원하는 4K TV 나 디스플레이가 소비자 가격대에 맞춰지고 HDR 컨텐츠의 시대가 올 것이라고 예상합니다. 이를 위해 내년에는 라데온 GPU에서 HDR 컨텐츠를 HDR 해상도로 디스플레이에 전송할 수있는 HDMI 2.0a 규격을 지원합니다.

 

GPU의 내부 그래픽 파이프 라인은 이미 HDR 렌더링(High Dynamic Range Rendering)이지만, 지금은 HDR 렌더링한 결과를 톤 매핑해 기존의 SDR(Standard Dynamic Range)로 떨어트려 모니터에 전송하고 있습니다. 그러나 앞으로는 이러한 내부 HDR 렌더링에 가까운 색상과 밝기 해상도를 화면에 그대로 출력할 수 있게 된다고 AMD는 설명합니다. 또한 영상 촬영 장비도 HDR 대응이 진행돼 앞으론 HDR 정보 그대로를 디스플레이에 표시할 수 있게 됩니다.

 

4.jpg

 


인간의 시각 능력보다 훨씬 낮은 현재의 디스플레이 기능


원래 문제는 현재의 TV 및 디스플레이 및 전송 쪽의 스펙/규격이 사람의 시각 능력에 맞는 않는다는 것입니다. 사람은 넓은 다이나믹 레인지의 명암을 감지 할 수 있고, 색상의 차이도 세세하게 알 수 있습니다. 그런데 사람들이 사용하는 표시용 디바이스는 사람 시각의 다이나믹 레인지에서 극히 일부의 색상만 표시할 수 있습니다. 따라서 TV나 디스플레이 이미지를 보면 현실 그대로를 눈으로 직접 본 것에 비해 훨씬 어둡고 빛이 부족한 것처럼 보이게 됩니다.

 

실제의 명암비는 매우 크며 사람의 시각은 폭넓은 범위의 밝기에 대응한다고 AMD는 설명합니다. 휘도는 nit라는 단위로 측정됩니다. nit는 cd / 제곱m, 즉 1개의 촛불에 해당하는 밝기로 사방 1m를 비추는 밝기를 의미합니다. nit로 측정하면 실제 밝기의 다이나믹 레인지는 매우 넓습니다.

 

지구상에서 가장 밝은 태양의 밝기는 16억nit. 한낮의 야외는 1,000 ~ 10,000nit. 저휘도도 중요합니다. 그림자 속에서 디테일을 식별할 수 있는 게 0.01~1nit. 진정한 검은색이라고 느끼는 것은 0.01nit 이하라고 합니다. 인간을 포함한 포유류는 중생대만 해도 야행성이었기에, 눈에는 명암을 느끼는 시세포가 특히 발달해 있으며 그 수는 1억 2천만개에 달한다고 합니다. 따라서 어두운 곳을 식별하는 능력도 높습니다.

 

5.jpg

 

이렇게 보면 실제 자연 상태에서 밝기의 다이나믹 레인지는 0.01nit 이하에서 16억 nit까지 1,000억 단계 이상이 존재한다고 봐도 될 것입니다. 그런데 현재의 일반적인 PC 디스플레이는 밝기 다이나믹 레인지가 0.1nit에서 250nit. 성능이 높은 것도 350 ~ 400nit이 최고입니다. CRT 시절에는 표준이 100nit가 고작이었습니다.

 

그래서 가전 업계는 현재 밝기를 높이는 방향으로 규격을 전환하고 있습니다. 밝기의 범위를 넓히고 명암비를 높이는 것입니다. 현재 HDR LCD 패널은 최고 1,000nit에 이르며 2016년 연말에는 2000nit까지 늘어날 것으로 보입니다. OLED 디스플레이는 현재 500nit지만 내년 연말에는 1,000nit로 높아집니다. OLED는 저휘도도 뛰어나기에 동적 범위가 넓습니다.

 

"현재 디스플레이 파이프라인에선 모든 컨텐츠가 매우 밝거나 매우 어두운 걸 표현할 수 없습니다. 그러나 HDR이 되면 모든 컨텐츠 스트림이 현실 세계의 리얼리즘을 유지하면서 볼 수 있게 됩니다."

 

 

인간이 느끼는 색 공간에 가까워진 HDR 규격


HDR화에서 중요한 점은 휘도의 확장만 있는 게 아닙니다. 색상 해상도의 확장 역시 매우 중요합니다. 인간의 망막은 명암을 감지하는 세포 외에도 색을 감지하는 원추 세포가 있습니다. 인간의 눈은 원추 세포 3가지가 각각 파랑, 녹색, 빨강의 3가지 색을 봅니다. 실제로는 붉은 피라미드라고 불리는 세포가 빨간색이 아닌 오렌지에 가까운 노란색에 가까운 파장을 인식하니, 다른 파장의 세포와 차이에 의해 빨간색을 감지하게 됩니다.

 

인간의 망막은 3종류의 원추 세포로 색상을 감지합니다. 그래서 인간이 사용하는 디스플레이 기기는 3원색을 사용해 실제 색상을 표현하고 있습니다. 만약 인간이 파충류처럼 4종류의 원추를 가지고 있으면 디스플레이는 4원색으로 만들어졌을지도 모릅니다.

 

6.jpg

 

인간의 시각 색 공간은 위 슬라이드의 왼쪽 차트처럼 표시됩니다. 가장 바깥 쪽에 휘어있는 부분은 인간이 시각적으로 볼 수 있는 색공간, 인간의 시각 그 자체입니다.

 

7.jpg

 

이건 The Cable Show 2014 Spring Technical Forum의 슬라이드인데 이러면 식제 색상과의 대응 관계를 더 잘 알 수 있을 것입니다.

디스플레이의 색 영역은 말굽 모양의 색 공간에 맞춰 규격화됐습니다. 이 슬라이드에서 가장 작은 삼각형이 sRGB 디스플레이의 색영역(감마 2.2) 입니다. 기존 규격은 인간의 시각으로 포착하는 색 공간 중 상당히 제한된 범위만 커버한다는 걸 알 수 있습니다. 사람의 눈으로 직접 본 선명한 색을 동영상이나 게임에서 재현할 수 없는 이유가 바로 이 색 영역이 좁은 것 때문입니다.

 

이에 비해 그보다 더 큰 삼각형은 디지털 시네마 등에서 사용되는 P3규격으로 sRGB보다 더 확장됐습니다. 그리고 가장 큰 삼각형이 ITU Rec.2020규격의 HDR 표준인 HDR-10의 10비트 뎁스 색영역입니다. 인간의 색공간에서 상당 부분을 커버할 수 있게 되지요. 바로 이 넓은 색영역에 맞춰 앞으로 컨텐츠를 개발하는 것이 목표입니다.

 

8.jpg

 


The Cable Show 2014 Spring Technical Forum의 슬라이드

 


인코딩을 최소 10비트로 확장


목표는 명확하나 여기에는 문제가 있습니다. 그것이 바로 인코딩입니다.

 

오늘날 영상 컨텐츠의 전송은 Rec.1886 EOTF(Electro-Optical Transfer Function)라고 불리는 규격을 준수합니다. 이것은 CRT 디스플레이가 규격화 됐을 때 생긴 구식 표준입니다. Rec.1886는 각 색상별로 8비트까지라서 100nit의 밝기까지만 지원합니다. 지금까지 나왔던 TV / 디스플레이는 CRT 시대의 망령과도 같은 이 규격에 얽매여 있었습니다.

 

인간의 시각 시스템 모델은 Barten Ramp라는 연구를 근거로 삼았습니다. 아래 슬라이드에서 보라색 곡선이 그것입니다. 이 그림은 가로 축이 밝기고 오른쪽으로 갈수록 밝기가 높습니다. 세로 축은 명암 계조 단계로서 위로 갈수록 떨어집니다. 간단히 말해서 색상이 단계적으로 변화할 경우 위로 갈수록 색의 그라디이에이션이 나타나게 되며, 아래로 갈수록 계조가 풍부해져 자연스러운 표현이 나옵니다.


9.jpg

 

8비트의 전통적인 Rec.1886 EOTF는 파란색 선으로 표시했는데 밝기 상한도 100nit에 멈춰 있고 계조도 떨어집니다. 사람의 시각은 8비트 인코딩보다 훨씬 섬세한 색조를 구별할 수 있기에 지금의 인코딩에선 컨트라스터 계조가 보여 자연스러운 색상 변화가 구현되지 않습니다. 따라서 HDR 표현을 위해선 새로운 인코딩 표준이 필요합니다.

 

새로운 인코딩 표준인 10-bit ST 2084은 위 차트의 녹색 곡선입니다. 이것을 보면 기존의 Rec.1886 EOTF보다 훨씬 버튼 램프에 가까워졌음을 알 수 있습니다. 휘도의 상한도 10,000nit까지며 하한선도 0nit에 가까워집니다. 따라서 인간의 눈에선 자연스러운 색으로 보여지게 됩니다.

 

다른 인코딩으론 12-bit ST 2084도 있지만 이것은 버튼 램프를 넘어서기에 인간이 지각할 수 없는 감도까지 인코딩이 가능하게 됩니다.

 

 

현재의 GPU와 궁합이 좋은 HDR

 

디스플레이와 전송의 HDR 화는 현재의 3D 그래픽 GPU와 매우 궁합이 좋습니다. 왜냐하면 GPU의 내부 코어 자체는 이미 HDR화됐기 때문입니다.

 

3D 그래픽에 조금이라도 관심이 있다면 HDR 렌더링이라는 말을 들어봤을 것입니다. 게임의 3D 그래픽에서 HDR 렌더링은 다이렉트 X 9 이상이면 널리 쓰이는 표현입니다. 이것은 3D 그래픽에서 현실 세계의 넓은 다이나믹 레인지를 표현하고 사실적인 그림자와 빛이 넘치는 눈부신 표현을 하기 위해 쓰이고 있습니다. 따라서 현재의 GPU는 FP16(16-bit 부동 소수점) 이상의 정확도로 렌더링이 가능합니다. 즉 RGB 각 색상을 8비트 정수로 표현하는 것이 아니라, 16비트 이상의 부동 소수점 처리하는 것이 가능합니다.

 

기존에는 디스플레이 전송 표준이 SDR이었습니다. 따라서 Tone Mapping이라는 기술로 색상 수를 줄여 표시했습니다. 즉 GPU 내부에서는 다양한 HDR 다이나믹 레인지의 밝기와 색상으로 처리하는데, 마지막 표시 단계에서 그것을 좁은 SDR에 맞춰 톤 캡핑 처리했습니다.

 

지금까지의 디스플레이 시스템은 GPU가 그려냈던 이미지를 그대로 볼 수 없었습니다. GPU 내부에서는 더 선명하고 사실적인 이미지를 만들어 냈는데 그 품질을 낮춘 이미지만 볼 수 있었던 셈입니다. GPU에게 HDR 디스플레이는 GPU 본래의 성능을 발휘할 수 있게 해주는 장치라고 할 수 있습니다.

 

10.jpg

 
따라서 AMD는 HDR화에 매우 열심히 노력하고 있습니다. AMD는 현재 1080p HD 해상도에서 HDR을 지원하면 SDR의 4K 해상도보다 더 보기 좋다고 말합니다. GPU의 경우 내년에 나올 라데온 뿐만 아니라 라데온 R9 300 세대 GPU에서도 HDR을 지원합니다.

 

11.jpg

 

12.jpg

 

13.jpg

 

  
디스플레이포트 1.3도 내년부터 지원


이 밖에 AMD는보다 광대역의 디스플레이 인터페이스 규격인 디스플레이포트 1.3도 2016년의 라데온 GPU에서 지원한다고 발표했습니다. 디스플레이포트 1.3은 HDR 디스플레이도 지원하며 화면 해상도는 최대 5K까지 하나의 케이블로 출력 가능합니다.

 
14.jpg

 

15.jpg

 

16.jpg

 

17.jpg

 
또한 AMD는 자사의 디스플레이 동기화 기술인 프리싱크가 레노버 노트북에 사용됐고, HDMI 케이블을 통해 프리싱크를 쓸 수 있는 디스플레이가 내년 1분기에 나올 것도 밝혔습니다.

 

18.jpg

 

19.jpg

 

기글하드웨어(http://gigglehd.com/zbxe)에 올라온 모든 뉴스와 정보 글은 다른 곳으로 퍼가실 때 작성자의 허락을 받아야 합니다. 번역한 뉴스와 정보 글을 작성자 동의 없이 무단 전재와 무단 수정하는 행위를 금지합니다.