HDR Video Part 1: What is HDR Video? (mysterybox.us)
GPT-4 번역 사용
HDR 비디오 vs. HDR 사진술
당신이 카메라를 잘 다루거나 이미지 분야에 관심이 많은 사람이라면 HDR 사진술에 대해 이미 아는 바가 있을 것입니다. "괜찮아, 우리는 몇 년 동안 HDR을 가지고 있었다"라고 생각한다면 다시 생각해보세요. HDR 비디오는 '더 높은 동적 범위(dyanmic range)' 부분을 제외하고 HDR 사진술과 전혀 관련이 없습니다.
일반적으로 어떠한 고동적범위(high dynamic range; HDR) 기술도 장면 내의 밝기 레벨을 더 많이 포착하거나 표시하는 것을 목표로 합니다. 즉, 전체 동적 범위를 증가시키려는 것입니다. 이는 매우 자명한 진술처럼 보일 수 있지만, 이를 바탕으로 설명해 보겠습니다.
사진술에서 이는 보통 다양한 노출값(EVs)에서 여러 노출을 사용하고 단일 최종 이미지로 결과물을 혼합하는 것을 의미합니다. 물론, 문제는 카메라나 HDR 기술로 얼마나 많은 스톱의 빛을 포착하든 간에, 여전히 8 비트 JPEG 압축과 컴퓨터/텔레비전 디스플레이가 제공하는 256레벨의 밝기에 의해 제한되고, 인쇄용 잉크가 제공하는 약간 더 넓지만 여전히 제한적인 색조 범위에 의해 제한된다는 것입니다.
그러므로 대부분의 HDR 사진술은 이미지 전체에 지역 대비(contrast)를 생성하고 어둠과 빛 속의 디테일을 보존하기 위해 다양한 노출 레벨을 혼합하는데 의존합니다:
이러한 결과물은 종종 아름답지만, 본질적으로 자연스럽지 않거나 초현실적입니다.
HDR 비디오는 완전히 다릅니다
HDR 비디오는 장면의 자연스러운 동적 범위를 매우 제한된 동적 범위에 압축하는 대신에, 디스플레이 자체의 동적 범위를 평균 및 피크 디스플레이 밝기(닛트 단위로 측정)를 증가시키고, 전체 이미지 비트 깊이를 8 비트에서 채널당 최소 10 비트, 또는 255개의 밝기 레벨 및 1600만 색상에서 적어도 1024개의 밝기 레벨 및 10.2억 색상으로 증가시킴으로써 확장합니다.
디스플레이 광 레벨의 변화는 어둠과 빛을 통해 더 많은 수의 색조 범위를 허용하여 최종적으로 표시되는 이미지 자체가 현대 디지털 시네마 및 필름 출처 카메라의 전반적인 동적 범위에 부합하는 더 자연스러운 렌더링이 되도록 합니다. 그리고 아마도 더 중요한 점은, 완전히 구현될 때 HDR 비디오는 거의 인간 눈의 동적 범위와 완벽하게 일치할 것입니다.
어느 정도의 중요한 변화인가요? 제 동생이 처음으로 HDR 비디오를 본 후에 그가 말한 것보다 더 잘 설명할 수는 없습니다:
"다른 세계로 통하는 창문을 통해서 보는 것 같다고 말하고 싶어요. 하지만 창문을 통해 볼 때, 이것만큼 선명하거나 깨끗하거나 맑지 않아요."
HDR 비디오에 대한 첫인상
어떻게 여기까지 왔을까요?
HDR 비디오가 지금까지 사용해온 것보다 훨씬 낫다면, 왜 그동안 계속 사용하지 않았을까요?
이제 역사 교훈이 나옵니다(흥미롭지만, 꼭 알 필요는 없으니 건너뛰고 싶다면 건너뛰세요).
Cathode Ray Tube(CRT)는 과학 장비 및 '디스플레이' 장치로서 1880년대 말부터 어떤 형태로든 존재해 왔지만, 첫 번째 CRT 카메라는 1920년대 후반에 발명되었습니다. 초기 카메라는 크기가 크고 해상도가 낮았으며, 텔레비전은 입자가 거칠고, 잡음이 많고, 충실도가 낮았습니다.
텔레비전의 초기 몇 년간 빠르게 변화했습니다. 더 많은 회사들이 CRT 텔레비전 대열에 뛰어들면서, 각자 약간씩 다른 호환되지 않는 텔레비전 시스템을 만들어 특허 권리 침해를 피하려고 했습니다. 이러한 다양한 시스템과 신호 유형은 가정용 텔레비전 세트가 방송사가 사용하는 카메라와 일치해야 한다는 것을 의미했습니다. 즉, 동일한 회사에서 만든 장비여야 한다는 것입니다. 결과적으로, 한 지역에서 가장 먼저 방송을 시작한 방송사는 그들이 첫 카메라를 공급한 장비 제조사에 대한 지역 독점권을 형성했고, 소비자들은 선택권이 없었습니다.
더 많은 사람들이 텔레비전 세트를 구매하기 시작하고 더 많은 방송사들이 한 지역에 진입하고자 할 때 큰 문제가 생길 것을 예상하고 미국 정부는 다양성이 통하지 않는다고 선언했습니다. 모든 텔레비전 방송과 텔레비전 세트는 호환 가능해야 했습니다. 이 목적을 위해 새로운 관리 기구인 National Television System Committee, 또는 NTSC를 만들고, 1941년 첫 국가 텔레비전 표준을 정의했습니다.
우리는 이후 표준화의 결과, 좋은 점과 나쁜 점을 다뤄야 했습니다.
분명히 좋은 점은 우리가 보고 싶은 모든 채널이나 살고 싶은 국가의 모든 부분에 맞는 다른 텔레비전을 구입할 필요가 없다는 것입니다(비록 초국적인 상황은 여전히 문제가 될 수 있습니다). 나쁜 점은, 1941년부터의 모든 표준의 진화가 역호환성을 요구했다는 것입니다: 오늘날의 디지털 방송 표준과 컴퓨터 디스플레이 표준 역시 1940년대와 50년대의 CRT가 할 수 있었던 것들에 의해 일부 제한되고 있습니다.
믿기 어렵다고요? NTSC의 1/1.001 프레임 속도 조정조차 무시한다 해도 여전히 CRT의 영향이 많습니다. 몇 가지를 살펴보면:
- 색공간(Color Space): NTSC의 YIQ 색공간과 PAL 및 SECAM에 사용되는 YUV 색공간은 모두 CRT 화면 내부에 코팅된 단광성 형광체로 만들어진 색을 바탕으로 합니다. 형광체는 CRT의 빛과 색을 생성하는 요소입니다. 디지털로 전환하면서 YIQ와 YUV는 Rec. 601 색공간(SD 디지털)의 기반이 되었고, 이것은 다시 Rec. 709(HD 디지털) 색공간의 기반이 됩니다(Rec. 709는 Rec. 601과 거의 동일한 프라이머리를 사용합니다).
그리고 당신의 컴퓨터가 제외되지 않도록, sRGB 디스플레이 표준에도 같은 색 프라이머리가 사용됩니다. 왜냐하면 이러한 색공간은 모두 디스플레이 참조가 되고, 그 모두가 같은 CRT 기술을 바탕으로 만들어졌기 때문입니다. 2000년대 초반까지 CRT는 이미지를 전자적으로 표시하는 방식이었습니다. - 전달 함수(Transfer Function): SD와 HD의 전달 함수(감마 곡선이라고도 함) 역시 CRT의 자연스러운 광-전기 및 전기-광응답을 기반으로 합니다. CRT 카메라는 대략 감마 1/2.2의 광-전압 응답 곡선으로 이미지를 캡처했고, CRT 디스플레이는 대략 감마 2.4의 전압-광응답 곡선으로 이미지를 재현했습니다. 이러한 값들은 표준 시스템 감마인 대략 1.2를 구성하며, 현재의 참조 디스플레이 감마 표준인 2.4의 기반을 형성합니다(ITU-T Recommendation BT.1886에서 찾을 수 있음).
- 밝기 한계(Brightness Limits): 마지막으로, 아마도 가장 답답한 부분은 색 정확도를 유지하기 위해 CRT 디스플레이는 제한된 밝기를 요구한다는 것입니다. 실제로 사용되는 형광체에 따라, 그 최대 밝기 값은 보통 80-120 닛트 범위에 있습니다. 그리고 소비자용 CRT 디스플레이는 더 크고, 밝고, 색 정확도가 덜 하면서도 여전히 최대 200 닛트 밝기에 불과합니다. 비교를 위해, 맑은 날 야외의 다양한 표면에 있는 밝기 레벨은 5000-14,000 닛트 범위(또는 그 이상!)입니다.
이러한 참조 및 소비자 디스플레이 레벨 사이의 큰 밝기 차이는 최근 LCD, Plasma, OLED 디스플레이로 CRT 교체와 함께 두드러집니다. 이러한 디스플레이는 쉽게 300-500 닛트 이상의 최대 밝기를 낼 수 있습니다. 이러한 밝기 레벨은 참조에서 보정된 이미지의 전반적인 모습을 왜곡하는 동시에 주변 광 조건에 매우 둔감합니다. 간단히 말해, 현재 표준으로는 소비자들이 집에서 영화 제작자가 의도한 대로 콘텐츠를 볼 기회가 거의 없다는 것을 의미합니다.
그러므로, 고전적인 음극선 관(CRT) 때문에 우리는 소비자에게 이미지를 제공하는 방식을 제한하는 고전적인 표준 세트에 얽매이게 됩니다. 그러나 CRT가 고전적인 기술이기 때문에, 우리는 1950년대로 여전히 얽매일지, 혹은 더 나은 것을 사용하기로 결정할지 선택할 기회가 있습니다. 더 나은 것. 전방위적으로 생각하는 것. 우리 현재의 기술이 아직 100% 맞추지 못하는 것. 바로 HDR 비디오 같은 것입니다.
HDR 방식
현재 HDR 비디오를 다루는 두 가지 다른 카테고리와 여러 표준이 있습니다. 여기에는 CTA의 HDR 10 Media Profile, Dolby의 Dolby Vision, 그리고 BBC의 Hybrid Log Gamma가 포함됩니다. 그리고 당연히, 그들 모두는 조금씩 다르게 일을 처리합니다. 그들의 차이점을 Part 3: HDR 비디오 용어 설명에서 자세히 다룰 예정이지만, 지금은 모든 HDR 비디오의 공통적인 측면에만 집중하고 과거의 비디오와 어떻게 다른지에 대해서만 집중하겠습니다.
HDR 비디오로 명명하기 위해 필요한 네 가지 주요 사항들이 있습니다: ITU-T Recommendation BT.2020 또는 DCI-P3 색공간, 고동적범위 전달 함수, 채널당 최소 10 비트 전송 및 디스플레이 값, 그리고 전송된 메타데이터입니다.
1. 색공간: 대부분의 경우 HDR 비디오는 기존의 BT.2020 UHD/FUHD 및 DCI 사양에 대한 확장으로 보고 있으며 따라서 더 넓은 BT.2020 색역(BT.2020은 BT.709/Rec.709 HD 방송 표준에 대한 4K/8K 교체)을 사용하거나, 더 제한적이지만 여전히 넓은 DCI-P3 색역을 사용합니다.
BT.2020은 재료가 아닌 순수한 파장 프라이머리를 사용합니다. 문제는, 물론, 우리가 아직 데스크탑 디스플레이에서 이를 완전히 보여줄 수는 없다는 것입니다(아직은), 그리고 가장 최근의 레이저 프로젝터만이 전체 색 범위를 커버할 수 있습니다. 그러나 궁극적으로, 이 색공간의 폭은 세 개의 실제 프라이머리*로 가능한 한 시각적 색상을 최대한 포괄하며, 범용적으로 사용 가능한 Rec.709/sRGB 및 DCI-P3, 그리고 Adobe RGB의 100%와 현재 안료와 염료로 가능한 대부분의 프린터 공간을 포함합니다.
2. 전달 함수: HDR 비디오가 표준 BT.2020 및 DCI 사양과 차별화되는 부분은 광-디지털 밸류 및 디지털-광 밸류 관계인 OETF 및 EOTF입니다. OETF와 EOTF에 대해 다른 시간에 더 자세히 다루겠지만, 지금 우리가 알아야 할 것은 현재의 광 밸류와 디지털 밸류 사이의 관계는 CRT 시대의 유산이고, 감마 2.4를 대략적으로 나타냅니다. 이 시스템에서 완전한 흰색 디지털 밸류 235는 80-120닛트 사이의 광 출력에 해당합니다.
이와 동일한 곡선을 더 높은 동적 범위 출력으로 확장하는 것은 문제가 되는데, 인간의 눈이 비선형적으로 반응하기 때문입니다. 이는 음영 부분과 밝은 부분에서 심각한 계단화를 야기하거나, 실제로 볼 수 없는 증분에서 디지털 밸류를 낭비하는 동안 채널당 14-16비트가 필요할 것입니다. 그리고 여전히 역호환성은 없을 것입니다. 이 경우, 무슨 의미가 있겠습니까?
따라서 대신에, HDR 비디오는 두 가지 새로운 전달 곡선 중 하나를 사용합니다: 0.01 닛트에서 약 5000 닛트까지의 출력 밝기 레벨을 허용하는 BBC의 Hybrid Log Gamma(HLG), ARIB STD-B67에서 표준화된 것과 Dolby의 Perceptual Quantization(PQ) 곡선, 0.0001 닛트에서 최대 10,000 닛트까지의 출력 밝기 레벨을 허용하는 것, SMPTE ST.2084에서 표준화된 것입니다.
PQ는 인간 눈의 반응을 측정하기 위해 Dolby가 직접 수행한 연구의 결과물이며, 값 사이에 보이는 계단 현상 없이 낭비되는 값이 없는 곡선을 만드는 것입니다. PQ의 이점은 미래의 출력 밝기(현재 가장 좋은 실험 단일 디스플레이는 최대 4000닛트; Dolby의 테스트 장비 범위는 0.004에서 20,000닛트)를 극대화하고 어두운 부분에서 세부 사항을 확대하는 데 분명합니다.
반면에 HLG는 초기 50% 구간에서 감마 2.4의 출력 레벨에 일치하는 정도의 역호환성을 제공하고, 상위 50%의 밸류를 더 높은 광 레벨 출력에 예약합니다. 대체로 시스템 감마 1.2를 가진 HLG 콘텐츠는 표준 동적 범위 콘텐츠와 매우 유사하게 보입니다. 그러나 흰색 부분은 때때로 압축되어 SDR로 먼저 마스터링된 콘텐츠보다 회색이 됩니다.
(사측: SMPTE ST.2084에서 그레이딩하는 것을 선호합니다. 왜냐하면 블랙을 통한 확장된 동적 범위와 부드러운 화이트로의 전환 때문입니다.)
3. 비트 깊이(Bit Depth): 새로운 전달 곡선은 아날로그에서 디지털 값으로 전환하는 비디오가 가진 계단 현상이라는 문제를 부각시킵니다. 디스플레이가 밝아짐에 따라 두 코드 값(예를 들어, 디지털 값 25와 26) 사이의 차이가 때때로 우리가 두 회색 사이에 명확한 구분선을 볼 수 있을 만큼 충분합니다. 이것은 참조 표준보다 최대 밝기가 더 큰 디스플레이를 사용할 때 특히 그렇고, 블랙보다 화이트에서 더 흔합니다.
BT.2020과 DCI 표준은 이미 8비트에서 채널당 최소 10비트까지(12비트는 DCI용) 신호 인코딩 및 전송을 전환하여 계단 현상을 줄이는 요구 사항을 가지고 있습니다. 하지만 BT.2020은 여전히 디스플레이에서 8비트 렌더링을 허용하는데, 이것은 시장에서 구할 수 있는 대부분의 텔레비전과 참조 디스플레이에서 찾을 수 있습니다.
반면에 HDR 비디오는 디스플레이 패널 자체에서 채널당 최소 10비트 렌더링을 요구합니다. 즉, 각 색상 서브 픽셀은 모든 작동 밝기 및 대비 모드에서 876에서 1024 사이의 구별 가능한 광 레벨을 나타낼 수 있어야 합니다.
HDR이 BT.2020에서 요구하지 않는 이유는 우리 눈이 색상이나 그라데이션의 값 계단에 대해 색상의 색조 또는 포화에 대한 계단보다 더 민감하기 때문입니다. 눈은 낮은 색 정확도(색상 채널당 8비트인 BT.2020 공간)를 쉽게 보완하여 간격을 메울 수 있지만, HDR 곡선에서는 8비트 채널당 두 코드 사이의 밝기 레벨 점프가 충분히 크기 때문에 분명하게 인식 가능합니다.
4. 메타데이터: 마지막으로, HDR 비디오가 표준 BT.2020에서 요구하지 않는 것은 메타데이터입니다. 모든 형태의 HDR 비디오에는 콘텐츠와 마스터링 환경에 대한 정보가 포함되어야 합니다. 여기에는 그레이딩에 사용된 EOTF, 콘텐츠 및 디스플레이의 최대 밝기 및 프레임 평균 밝기, 사용된 RGB 프라이머리와 같은 정보가 포함됩니다. Dolby Vision은 메타데이터를 포함하여 HDR 값을 SDR 범위로 변환하는 방법을 장면별로 정의하기도 합니다!
소비자 디스플레이 제조사들은 이 정보를 활용하여 실시간으로 화면에 콘텐츠를 적응시키기를 알고 있습니다. 디스플레이가 표시할 수 있는 것을 기반으로 하이라이트와 음영을 클리핑하거나 압축할 때와 그리고 자동으로 작동 모드를 선택합니다(Rec. 709에서 BT.2020으로, HDR 모드 활성화와 비활성화 사이 전환할 때 사용자가 설정을 변경할 필요 없이).
그러므로 요약하자면, HDR 비디오는 무엇을 다르게 하나요? 더 넓은 색역, 밝기 범위의 매우 큰 범위를 허용하는 새로운 전달 함수 곡선, 계단 최소화를 위한 디스플레이 최소 요구사항으로서 채널당 최소 10비트, 그리고 콘텐츠와 마스터링 환경에 대한 정보를 전달하기 위한 메타데이터 전송입니다. 이 모두는 필수적이며, 완전히 역호환 가능하지는 않습니다.
그렇지만 그것은 어떻게 보이나요?
불행히도 HDR이 실제로 어떻게 보이는지 보여주는 유일한 방법은 여러분이 트레이드 쇼나 포스트 프로덕션 집에 있는 HDR 콘텐츠를 보여주는 곳으로 가거나 HDR 기능이 있는 TV를 구입하고 실제 HDR 콘텐츠를 스트리밍하는 것입니다. 왜냐하면 일반 디스플레이에서 HDR 콘텐츠를 보여주면 제대로 보이지 않기 때문입니다:
표준 동적 범위 이미지의 밝기 레벨을 절반으로 줄이고 HDR 밝기 범위를 더 정확히 따른다면 어느 정도 느낌을 얻을 수 있겠지만:
그러나 그것은 HDR 비디오가 실제로 하는 일을 포착하지 못합니다. 그것을 어떻게 설명해야 할지 잘 모르겠습니다 - 그것은 강력하고, 아름답고, 명확하고, 실제적이며, 현재적이고, 다차원적입니다. 표준 동적 범위 영상과는 다르게, HDR은 실제로 더 높은 밝기 레벨로 인해 눈과 뇌에 무언가를 촉발시켜 그 이미지를 이전에 본 것과 다르게 볼 수 있게 합니다.
그리고 일단 정기적으로 사용하기 시작하면, 다른 어떤 것도 만족스럽게 보이지 않으며 다른 어떤 영상도 아름답게 보이지 않습니다. 당신은 모든 다른 것들이 조금 부족하다는 느낌을 가질 수 있습니다. 그것이 바로 HDR이 매우 빠르게 비디오의 새로운 표준이 될 것입니다.
그래서 여기서 Part 1: HDR 비디오란 무엇인가?가 끝납니다. HDR 비디오 시리즈의 Part 2에서는 HDR 그레이딩을 하기 위해 필요한 것과 기존 참조 하드웨어에서 응답 곡선을 에뮬레이트하여 형식에 대한 느낌을 얻는 방법에 대해 다룰 예정입니다.
Samuel Bilodeau, 기술 및 포스트 프로덕션 책임자가 작성함
HDR Video Part 1: What is HDR Video? (mysterybox.us)
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