HDR 기술 - HDR 10+(HDR 플러스)와 돌비비전

'HDR'은 디스플레이 성능을 말할 때 자주 언급되는 용어입니다.

초기에는 디스플레이의 해상도를 의미하는 HD, FHD, UHD, 4K, 8K라는 단어를 많이 사용했습니다. 하지만 지원하는 해상도가 충분히 높아지면서 해상도 말고 다른 성능 지표도 자주 언급되기 시작했습니다. HDR이라는 용어도 그 중 하나입니다.

HDR 기술이란 무엇인지 정리해보겠습니다.

HDR 기술

HDR은 High Dynamic Range의 약자입니다. 높은 수준의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)라는 뜻인데요. 다이나믹 레인지는 디스플레이가 표현할 수 있는 어두운 부분과 밝은 부분의 밝기 차이를 의미합니다. 화면에 표현할 수 있는 명암의 범위를 다이나믹 레인지라고 하며, HDR은 이 다이나믹 레인지를 더 밝고, 더 어두운 부분도 표현할 수 있도록 하는 기술을 의미합니다.

카메라로 사진을 찍을 때, '역광'이라는 단어를 들어보셨을 겁니다. 사진을 찍을 때 광원이 피사체의 뒤쪽에 있을 때, 초점이 배경에 맞춰진 경우 피사체인 사람의 얼굴이 어둡게 나오고, 피사체에 초첨이 맞춰진 경우 배경이 너무 밝게 나오는 경험은 다들 있을겁니다.

사람의 눈으로 보면 역광이라도 피사체를 잘 알아볼 수 있는데요. 이는 인간의 눈이 0 니트에서 4만 니트까지의 밝기를 볼 수 있기 때문입니다. 즉, 인간의 눈은 다이나믹 레인지가 4만인셈입니다. 인간의 눈이 HDR을 지원하기 때문에 역광이니 뭐니 말을 잘 안하게 된 겁니다.

하지만 과거 브라운관 TV 시절에는 기술적인 한계로 100니트 범위의 빛만 화면에 표현할 수 있었습니다. TV 업계에서는 이를 '스탠다드 다이나믹 레인지(SDR)'이라고 부릅니다. 인간의 눈은 4만 니트 수준의 명암 범위를 인식하는데 화면은 100니트 정도만 표현할 수 있으니 티비로 보는 컨텐츠가 얼마나 초라하고, 어색할지 생각해보면 HDR이 왜 필요한지 알게 됩니다.

화면에 HDR을 구현하기 위해서는 HDR 컨텐츠를 촬영하는 기술과 HDR 컨텐츠를 화면에 재생하는 기술이 필요합니다. 마치 컬러 티비를 만들기 위해 컬러 비디오를 촬영할 수 있는 카메라 기술과 컬러를 화면에 재생할 수 있는 컬러 티비 기술이 모두 필요한 것과 같습니다.

HDR 촬영기술

요즘 스마트폰들의 스펙을 보면 카메라 기능에 'HDR' 이라는 내용이 꼭 들어가 있습니다. 아까 말했듯이 스마트폰에서 지원하는 HDR 기술은 HDR 컨텐츠를 만드는 기술로 역광 상태의 피사체를 찍을 때, 보다 넓은 범위의 명암을 사진이나 비디오에 담아내는 기술입니다.

HDR이 지원되지 않는 경우 포커스를 피사체에 맞추면 지나친 노출로 배경이 백색으로 날아가버리고, 반대로 배경에 포커스를 맞추면 부족한 노출로 피사체인 사람의 얼굴은 너무 어두운 상태로 촬영됩니다.

HDR은 이를 보정하기 위해서 다양한 노출 값의 이미지를 여러장 촬영해서 하나의 사진으로 합성합니다. 즉, 배경에 포커스를 두고 한장찍고 피사체에 포커스를 두고 한장 찍어서 합성하는 겁니다.

최근에는 밝기뿐 아니라 사진의 다양한 특징들을 뽑아서 합성하는 기술이 개발되고 있으며 구글의 '나이트 사이트(Night Sight)', 애플의 '딥퓨전(Deep Fusion)' 같은 딥러닝 기술이 이미지 합성쪽에 빠르게 도입되고 있습니다.

톤 매핑(Tone Mapping)

카메라 센서 기술의 발전과 이미지 합성 기술의 발전 등으로 HDR 컨텐츠의 품질은 높아지고 있습니다. 하지만 HDR 컨텐츠를 디스플레이 할 때 고려해야하는 문제들이 생기는데요. HDR 컨텐츠가 표현할 수 있는 값들보다 실제 디스플레이가 표현할 수 있는 값의 범위가 작을 때, HDR 컨텐츠의 데이터를 디스플레이가 표현할 수 있는 범위로 매핑 시키는 과정이 필요합니다.

즉, 0 ~ 4000 사이의 데이터가 있지만 TV는 0 ~ 1000 사이만 표현할 수 있다면, 0 ~ 4000 사이의 데이터를 어떻게든 0 ~ 1000 사이 범위로 줄여줘야합니다. 일반적으로 어두운 영역을 좀 더 자세히 표현하고 밝은 부분의 다이내믹 레인지를 제한하는 식으로 톤 매핑이 됩니다.

HDR 표준 싸움 (HDR 10 vs. 돌비 비전)

HDR 컨텐츠를 디스플레이에 재생하는 기술은 몇 가지가 있습니다. 이 몇 가지의 기술들이 표준화를 위해 열심히 경쟁하고 있는데요. 대표적인게 HDR 10과 돌비 비전입니다.

우선 HDR 10은 여러 회사들이 참여해서 만들고 있는 오픈 소스 기술입니다. HDR 10 표준을 구현하고 싶은 디스플레이 제조업체들은 이 기술을 무료로 가져다 사용할 수 있습니다. HDR 10은 스펙상 10 비트의 색심도와 최대 1000 니트의 밝기를 구현할 수 있습니다.

돌비비전은 자체 프로세서와 소프트웨어를 필요로 합니다. 돌비비전은 오픈소스인 HDR 10과 다르게 제조사가 도입하려면 로열티를 내야합니다. 때문에 돌비비전을 도입한 TV의 가격은 HDR 10을 구현한 TV에 비해 상대적으로 높을 수 있습니다. 돌비비전의 스펙상 12 비트의 색 심도를 지원하며 최대 10,000 니트의 밝기를 구현할 수 있습니다.

HDR 10에 다이나믹 톤 매핑 기술을 적용한 'HDR 10+'도 주목 할 만합니다. 삼성전자와 파나소닉, 20세기 폭스사가 개발하기 시작한 새로운 표준인 'HDR 10+'도 많은 컨텐츠와 디스플레이 제품들이 지원하기 시작했습니다.

HDR 10 기술과 비교하여 대표적으로 달라진 점은 다이나믹 톤 매핑 기술인데, 화면을 패널에 재생할 때 사용하는 메타 데이터를 동적으로 가져갈 수 있다는 장점이 있습니다. 예를 들어, HDR 10 기술은 영상 컨텐츠 전체에 고정된 메타 데이터를 가져갑니다. 따라서 영상의 가장 밝은 화면을 기준으로 메타데이터가 만들어지기 때문에 어두운 화면에서 제대로된 표현을 하기 어려운 문제가 있었습니다.

HDR 10+ (출처 : 삼성전자)

HDR 10+ 에서는 이런 메타 데이터를 장면마다 따로 가져가서 밝은 화면이 주를 이루는 장면과 어두운 화면이 주를 이루는 장면의 메타 데이터를 따로 가져가서 밝은 장면과 어두운 장면 모두 자연스럽게 재현해 낼 수 있게 되었습니다.

이 밖에도 다양한 HDR 기술들이 존재하지만 대부분은 디스플레이 패널의 물리적인 한계 때문에 표준이 구현할 수 있는 최대의 HDR 능력이 발휘되지는 않습니다. 표준 스펙 상으로는 돌비 비전이 더 높은 수준의 HDR을 구현할 수 있지만 현재 판매되고 있는 TV에서는 큰 차이는 없다고 합니다.