디지털 카메라와 다이나믹 레인지에 대하여 II / About digital camera and dynamic range

Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

 

일전 다이내믹 레인지에 대한 수다를 한 적이 있는데, 내용이 부실했던 탓에 가장 불만족스러운 수다였던 것 같다. 단순히 정의를 나열한 개념에 대한 접근 정도에 그쳤고 이해 수준도 낮아서 횡설수설했다. 실제 다이내믹 레인지의 범위/성능 차이에 따른 이미지나 영상의 시각적인 변화나 영향 그리고 한 걸음 더 들어가서 SDR(Standard Dynamic Range)에서 HDR(High Dynamic Range)로 넘어가는 과도기에서 일어나는 다양한 기술과 변화 그럼에도 불구하고 가질 수밖에 없는 한계와 일종의 꼼수 등에 대해 전혀 이야기하지 못했다. 이전에 못다 한 이야기를 이어가 보자.

 

이 수다는 단지 다양한 방식에서의 이해나 고찰을 해보자는 바람에서 시작했지만, 혼자 망상에 젖어서 의도치 않은 논리적 비약이나 잘못된 정보를 포함할 수 있으므로 수다 내용의 옳고 그름에 대해 항상 의심할 필요가 있고 부족한 부분에 대해 알려주기를 희망한다.

 

▶ 다이나믹 레인지(DR) 정의

 

다이나믹다이내믹 레인지는 데이터/신호의 동적 대역폭(최저점과 최고점의 범위/비율)을 의미하므로 다이내믹 레인지는 주로 음향, 전자 신호, 빛 등의 신호/데이터와 관련되어 광범위하게 쓰이는 개념인 듯하다. 개념 자체는 그리 어렵지 않지만, 최근의 디지털카메라와 관련해서는 각각의 기준과 카메라와 이를 통해 저장된 정보를 표시하는 장치 등에서 표준이 되는 기술의 사양 등이 엮이면서 조금 난해하게 느껴지기도 한다. 왜 디지털 카메라에서 다이나믹 레인지라는 용어를 사용할까?

 

다이나믹 레인지, 특히나 디지털 카메라와 관련해서 개념이나 정의에 대하여 명쾌하게 설명하는 곳이 없어서 대충 짐작할 수밖에 없는데, 개인적인 결론(해당 분야에 지식이 없어 추측 정도의 허섭한 결론에 불과하다)은 아날로그 신호는 "최소 신호와 최대 신호의 비로소 증폭기가 유효하게 작동하는 진폭 범위"를 의미하고, (여기서 주목할 점은 최소 신호와 최대 신호는 '증폭기가 유효하게 작동하는 범위'라는 점이다. 따라서 '동적 대역폭'이라 할 수 있고) 디지털 카메라의 이미지 센서에서는 미세한 빛의 신호를 증폭하여 디테일한 RGB 색정보를 얻는데, 이때 증폭 과정에서 유효하게 작동하는 최소와 최대 범위 영역이 (디지털카메라에서의) 다이내믹 레인지라고 할 수 있지 않을까. 사실, 이는 아날로그 신호(최대 신호 진폭과 최소 신호 진폭의 비)와 관련한 개념이다. 디지털 카메라의 이미지 센서에 대해 이야기하면서 아날로그 신호와 관련된 개념 DR을 이야기하는 것이 의아할 수 있지만, 이미지 센서는 빛을 전압의 정도로 표시하고, 이렇게 얻어진 전압 신호 (아날로그 신호)를 증폭하는 전형적인 아날로그 장치이며, 이후 이미지 센서에서 얻어진 아날로그 신호를 디지털 데이터/신호로 변환(A/D 변환)을 그친 후 비로소 디지털 신호/데이터라 할 수 있다.   

 

일반적으로 다이나믹 레인지는 넓을수록 뛰어난 성능이라 할 수 있다. 이는 데이터나 정보의 양적/질적인 측면에서 분명한 사실이지만, 심미적인 기준에서 항상 보기 좋다는 것과는 차이가 있을 수 있고 이런 차이 체감 여부는 재생 조건 등과 밀접하게 연관된다. (카메라의 화질과 관련해서 여러 번 언급하였지만, 화질이 좋다의 일반적인 의미는 해당 데이터/정보의 양적인 면과 더 세밀하고 자세한 데이터를 이야기하며 반드시 '보기에 좋다'라는 심미적으로 더 낫다와 바로 연결되지 않는 경우도 꽤 흔하다) 데이터/신호의 동적 범위와 관련되어 있으므로 입력하는 장치의 다이내믹 레인지와 출력하는 장치의 다이내믹 레인지가 어느 정도 일치/근접하여야 효율적이다. 즉, 온전하게 전 영역의 다이내믹 레인지를 활용하기 위해서는 입출력의 다이내믹 레인지가 일치하거나 출력하는 장치의 다이내믹 레인지가 조금 더 여유 있는 것이 이상적일 수밖에 없다. 만약 입력하는 다이내믹 레인지가 1의 범위를 가지는데, 출력할 수 있는 장치의 다이내믹 레인지가 1/2에 불과하다면 나머지 1/2은 정상적으로 출력되지 않을 것이고 입력 장치가 가지는 더 넓은 다이내믹 레인지의 효용을 찾기는 어렵지 싶다.

 

왜 다이나믹레인지가 사진이나 영상과 관련하여 매번 언급될 수밖에 없는 이유는 (DR은 협소하게 이해하자면 가장 어두운 곳과 밝은 곳의 범위로 정의할 수 있지만,) 톤(tone)으로 불리는 색조는 채도와 명도의 복합적 개념이 때문이지 싶다. (색에서 명도의 개념을 제거한 것은 색도이다) 사람의 시각이 사물을 인식하는 데 있어서 명도는 색도만큼이나(때로는 더) 중요하다. 흔히 색감이 좋다고 말할 때에도 색감을 결정/인식하는데 명도의 영향은 절대적이며, 무엇보다 사람의 시각 인식에서 밝기 자체는 무엇보다 중요하므로 우선해서 다루지 않을 수 없다.

 

 

▶ 사람의 시각과 DR

 

빛이 사물에 비추는 조건에 따라 우리는 다양한 밝기의 사물을 시각적으로 인식할 수 있다. 따라서 광량이 풍부하여 사물의 표면 반사율이 높은 물체는 밝게 보이고(명부), 반대로 사물의 표면 반사율이 낮은 물체는 어둡게 보이는데 사람의 망막의 간상세포는 이 밝기를 인식하고 색을 인식하는 것은 원추세포이다. 망막에는 약 1억 3천만 개의 간상세포가 비교적 고르게 분포되어 있고 이에 비해 원추세포는 7백만 개 정도이며 모자이크 형태로 중심부에 집중하여 분포한다. 이런 분포 비율과 수의 차이에서 알 수 있듯이 사람의 시각은 색보다는 밝기(명암)에 훨씬 민감하게 반응한다. (더구나 간상세포는 원추세포보다 훨씬 낮은 광량의 저조도에서도 원활히 역할을 수행하므로 어두운 곳에서 사물의 볼 때는 색보다는 명도의 차이에 의존하게 된다, 일례로 어두운 달빛에서 사물을 인식할 때 사물의 색은 잘 인식되지 않는다) 사람이 밝기를 인식하는 범위(다이내믹 레인지)는 최대 24 stop에 이르지만, 이는 홍채의 축소/확장, 그리고 해당 밝기에 적응하는 시간 등을 모두 포함한 것이고 대체로 하나의 장면에서 한 번에 인식할 수 있는 명암의 최대 범위는 10~14 stop 정도에 이른다고 알려져 있다.

 

사진이나 영상은 사람의 시각으로 파악하는 이미지를 저장/재현이 주요한 존재 이유이므로 촬영(입력) 장치로서의 카메라의 다이나믹레인지 또한 사람의 시각과 유사한 수준의 10~14 스탑을 구현하는 것을 목표로 해왔지 싶다. 여기서 한 가지 첨언하자면 눈에 보이는 모든 장면의 다이내믹 레인지가 10~14 스탑에 이르는 것은 아니며, 이는 밝은 물체와 어두운 물체의 대비가 가장 극명한 경우(청명한 정오의 해변 풍경 등)를 상정한 것이고 일반적인 환경 조건에서 우리가 보는 장면은 대체로 6~7 스탑 정도의 다이내믹 레인지에 불과하고 때로는 이 보다 낮은 경우도 매우 흔하다.

 

 

▶ 필름의 다이나믹 레인지 

 

감광 유제의 화학적 반응을 기반으로 하는 촬상소자 필름은 약 '13 스탑'의 다이내믹 레인지 구현이 가능하였는데, 이는 사람 시각의 다이내믹 레인지(10~14 스탑) 수준을 감안하면 꽤 근접한 성능이고 효과적인 동적 범위라 할 수 있다. 앞서 언급했듯이 촬영/입력 장치로서의 카메라는 출력 장치의 다이내믹 레인지의 범위와 연동/연관되어야 비로소 의미를 가진다고 할 것이고, 당시의 필름으로 촬영된 사진과 영상은 인화지 또는 인쇄용지에 인화/인쇄되어 촬영된 이미지가 구현되거나 환등기나 영사기에 재생/재현되는 방식이었으므로 필름의 13 스탑 수준의 다이내믹 레인지는 차고 넘치는 수준이었다고 할 것이다.

 

필름으로 촬영된 상의 정보를 시각화하는 사진 인화에서의 톤(tone, 색조 - 명도와 채도가 혼합된 개념)은 존 시스템이나 인쇄의 먼셀 색체계(이상적인 검은색을 0 이상적인 흰색을 10으로 하는 총 11단계)를 기반으로 하고(인쇄물의 명암비는 약 100:1 정도에 불과하지만 이는 계조와 관련되어 있으므로 조금 다르고 인쇄물의 다이내믹 레인지는 아무리 양보해도 사진 인화에 미치지 못한다고 생각한다. 참고로 인화/인쇄물의 명도나 계조에 대해서는 아는 바가 별로 없다) 따라서 최대 약 13 스탑 필름의 다이내믹 레인지는 일반적인 출력의 다이내믹 레인지 범위를 초과했으며, 이 초과 여유분의 다이내믹 레인지를 기반으로 노출의 정도를 보완/보정할 수 있는 '노출 관용도'(흔히 디지털 이미지에서는 '보정 관용도'라고도 불리며 대체로 그 개념은 유사하지만 노출값만을 보정하는 노출 관용도와 이를 포함한 기타의 보정 즉, 색 보정, 블러의 정도, 기타 등등을 포괄하는 보정 관용도는 실제 필름에서는 구현하기 어렵고 디지털 이미지 프로세싱에서만 가능하지 싶다)를 가질 수 있었다. (하지만 감광 유제 필름의 노출은 현상 과정에서 화학작용의 반응 시간 조절 등의 방식으로 이루어졌고 더 다루기 까다로운 작업이었지 싶다)

 

 

▶ SDR과 HDR

 

애석하게도 정지(스틸) 이미지의 화질이나 분류에 대한 공인된 기술 표준은 없는 것 같다.(곰곰이 생각해보면 다양한 해상도와 제각각의 화질을 갖는 정지 이미지에 표준을 정하는 자체가 그리 효율적이지도 않고 필요성도 느껴지지 않는다. 딱 정해진 표준이 없다보니 수치적으로 확인 가능한 해상도에 대한 부문만 유독 부각되었는지도 모르겠다. 더구나 1990년대 이전에 사진은 곧 필름을 의미했다. 아날로그 화상 기술은 TV 방송 기술과 밀접하게 관련되었고, 따라서 아날로그 화상의 기술 표준은 'TV 방송'에 기반했다고 생각한다)

 

JPEG 등의 기술 표준은 압축 포맷/방식의 표준일 뿐이며 화질에 대한 기준은 아니다.(이전 수다에서 JPEG로 변환할 경우 DR이 당연히 압축된다고 생각했는데, 이는 결과는 다르지 않지만, 좁아지는 원인은 사실과 맞지 않았은 것 같다.  JPEG는 12 또는 14 비트의 명암 정보를 8비트 감마 압축하므로 계조의 표현 단계 저하가 발생하며 그리고 시각적으로 사용자가 선호하는 이미지로 보정하는 과정에서 콘트라스트를 조정-톤 맵핑-하게 되고 그 외의 정보는 삭제하는 방식이므로 일반적인 수준을 상회하는 넓은 DR의 일부 범위-양 끝단-가 축소되는 것과 유사한 결과를 얻게 된다고 생각한다. 즉, 기술적으로 Raw와 JPEG의 DR은 동일하게 설정하는 것은 가능하지만, DR이 넓다는 것이 심미적으로 항상 좋음을 의미하지 않고-DR이 필요이상으로 넓은 경우, SDR의 디스플레이 환경에서는 대비가 낮아 보이는 문제- 일반적으로 더 선호하는 이미지 표현을 위해 JPEG에서는 DR 범위 일부분으로 좁혀 표현되는 것이 아닌가 생각한다) Raw는 원시 파일 형태에 제조사별로 다양한 유형이 존재해서 표준이라고 할 것도 없다.(Raw 포맷의 공용/표준을 만들고자 하는 노력이 없었던 것은 아니지만, 제조사 저마다의 고유한 노하우와 기술에 매달려서 쉽지 않아 보인다. 렌즈 교환형 카메라의 마운트 방식에 공용 또는 표준 규격이 있으면 매우 좋겠지만, 카메라 제조사별로 고유한 마운트 유형을 고집하는 것과 비슷하다) 따라서 화질에 대한 대략적인 감을 잡기 위해서는 부득이하게 영상 기술(TV)의 표준(엄밀하게는 TV 방송용 화상 표준)을 차용해서 설명하면 이해하기 쉬운 측면이 있지 싶다.

 

아날로그 방식의 브라운관 TV의 SD(Standard Definition) 표준에서 디지털 방송을 위한 HD(High Definition) 표준이 등장하였고 고화질 영상의 전송/재생을 위한 해상도, FPS, 주사방식(순차주사, 비월주사 등) 등의 내용으로 구성되었고, 다이나믹레인지에 대한 별도의 표준은 찾기 어렵다. 이후 디지털 방송을 위한 HD 표준 등에서 유추된 다이 나이믹 레인지를 흔히 SDR이라고 칭하지 싶다. 사실, TV 방송의 영향력이 매우 크고 TV나 모니터 등의 판매를 위한 광고/홍보 과정에서 해당 규격에 대한 언급이 자주 등장하여 친숙해지는 등의 이유로 일반적으로 화질의 정도/수준을 이야기할 때 HD급 또는 Full HD급의 용어가 일반화된 것이 아닌가 생각한다. 엄밀한 의미에서 HD급 풀 HD급의 분류는 편의상의 성격이 강해서 일반적인 사용 예에서는 대략적인 수준 정도로 사용되고 있어서 기준이라 하기도 애매한 측면이 있다. (더구나 풀 HD급 해상도 등등으로 필요에 따라 자의적으로 일부분의 표준만 언급하는 경우도 흔하다)

 

디지털 방송의 HD급 화질에서 표준다이나믹레인지 SDR은 8bit 심도를 기반으로 하여 최대 10 스탑의 수준의 다이내믹 레인지 구현이 가능한 디스플레이 장치에 해당한다. 최근의 초고화질 영상의 표준인 4k UHD와 관련하여 HDR(하이 다이내믹 레인지)이 자주 언급되는데 HDR과 관련된 기술과 관련해서 간략히 정리하면, 디스플레이 장치에서 UHD(초고화질)를 실현하기 위해 기업에서 개발되어 제시된 HDR 기술에는 돌비 비변과 HDR10, HDR10+, HLG 등이 대표적이다. 돌비 비전(Dobie vision)은 12bit의 비트 심도를 기반으로 약 200만:1의 명암비(약 14 스탑을 약간 상회하는 수준)와 BT.2020의 색공간을 활용할 수 있다고 한다. 그 외 10bit 비트 심도를 기반으로 한 HDR10, HDR10+, HLG 등의 기술이 초고화질 디지털 방송의 표준으로 채택되기 위해서 세계 각지에서 경쟁하고 있는 형국이다. 

 

보다 자세한 내용은 이전 수다로 대체하자.

 

2018/05/29 - [Skylighting windows(동영상과 카메라 이야기)/디지털 미러리스 카메라와 영상] - 4k (4k UHD) 영상과 하이 다이나믹 레인지 그리고 하이브리드 로그 감마에 대하여 / 4K UHD - HDR(High Dynamic range) & HLG(Hybrid Log Gamma)

4k (4k UHD) 영상과 하이 다이나믹 레인지 그리고 하이브리드 로그 감마에 대하여 / 4K UHD - HDR(High Dynamic range) & HLG(Hybrid Log Gamma)

 

 

난데없이 디스플레이 장치의 HDR에 대해 언급한 이유는 디지털 이미지를 보다 효과적으로 재생/재현하기 위한 환경으로 디스플레이 장치에 대한 중요성이 매우 높기 때문이다. 현재까지는 HDR을 구현할 수 있는 디스플레이 장치가 매우 제한적이고 고가의 제품이며 일반 사용자에게 널리 보급되기까지는 상당한 기간이 소요될 것이 당연해 보이지만, 모든 기술의 지향점은 미래향일 수밖에 없기 때문에 주목하지 않을 수 없다. 현재 우리가 가지고 있는 모니터 등의 디스플레이 장치는 해상력에서는 4K 수준을 구현한 제품이 많지만 그 이외의 UDH 화질을 위한 HDR, High FPS, 확장된 색역(BT.2020) 등의 요구 조건을 충족하는 데는 미흡하고 따라서 아직은 초고화질 디지털의 기술의 시대라고 말하기는  어렵다. 다시 주요 관심사인 일종의 디지털 시각 정보의 입력 장치라고 할 수 있는 디지털카메라로 돌아와서 현재 상용 제품에서 카메라 DR 수준은 어느 정도에 와 있을까? 

 

 

▶ 디지털 카메라의 다이내믹 레인지에 대하여

 

디지털카메라와 관련된 기기들의 대략적인 동적 범위를 파악할 수 있는 자료로 사람의 시각과 카메라의 촬상소자로서 필름, 디지털 이미지 센서, 그리고 고가의 시네마용 카메라 이미지 센서의 다이내믹 레인지, 그리고 최근의 가장 일반적인 디스플레이 장치인 LCD의 다이내믹 레인지를 비교해 보자. 자료의 정확도에 대한 확신은 크지 않지만 대체로 사실과 일치하는 내용으로 참고하는 것이 좋겠다.

 

Dynamic ranges of common devices

Device	Stops	Contrast ratio
LCD	9.5 (8 – 10.8)[citation needed]	700:1 (250:1 – 1750:1)
Negative film (Kodak VISION3)	13[58]	8000:1
Human eye	10–14[54]	1000:1 – 16000:1
High-end DSLR camera (Nikon D850)	14.8[59]	28500:1
Digital Cinema Camera (Red Weapon 8k)	16.5+[60]	92000:1

 

디지털카메라 이미지 센서와 관련된 다이내믹 레인지에 한정해서 한 걸음 더 들어가 보면, 이미지 센서 고유의 성능/크기에 따라 다이나믹레인지는 큰 차이를 보인다. 먼저, 모바일 기기의 카메라 모듈의 다이내믹 레인지는 상대적으로 아주 좁고 이미지 센서 판형이 커질수록 다이내믹 레인지는 증가하는 양상을 보이는데, 이는 이미지센서의 픽셀 당 수광률과 이를 검출하고 수광된 신호를 증폭하는 내부 하드웨어 성능과 관련되어 있지 싶다. 일부 대표 기종의 디지털 카메라 제품의 다이내믹 레인지를 비교해 보자. (카메라 제조사의 성능 발표는 가장 이상적인 조건에서 얻은 최상의 결과라고 할 수 있고 아래 DxOMark의 다이내믹 레인지 실측 자료는 엄격한 기준이 적용되고 있지 않나 싶다)

 

중형/35mm FF/APS-C 다이나믹레인지

 

모바일 카메라 모듈의 다이나믹레인지

 

 

 

위 자료에서 보듯이 디지털카메라의 종류나 포맷, 이미지 센서의 성능 등 여러 요소에 따라 다이내믹 레인지는 꽤 큰 차이를 보이고 ISO 감도에 따라 다이나믹레인지 범위 감소도 무척 눈에 띈다. 이는 일반적인 디지털카메라에서 공통적으로 나타나지만, 고급 시네마 카메라에서는 ISO 감도 변화에 따른 변화가 없는 경우도 있다. 일부 확장 감도에서는 다이내믹 레인지 범위의 변화가 다른 면이 있는 등의 데이터를 기반으로 추측컨데 이미지 센서의 제조 비용과 효용 등을 감안한 이유 등으로 나타나는 제한이나 한계 또는 ISO 감도 증가로 인해 발생하는 노이즈를 일정 수준 이하로 억제하기 위해서가 아닐까 싶다.

 

 

▶ 디지털 카메라에서 넓은 다이내믹 레인지의 장점

 

사람 시각보다 넓은 다이나믹다이내믹 레인지를 갖는 장치라면 사람의 시각이 인식 범위 내에서는 각 장면을 현실에 가깝게 구현할 수 있고, 때로는 이를 넘어서는 부분까지 표시할 수 있을 것이다. 밝기 차이가 극명한 장면에서도 넓은 다이내믹 레인지는 이를 효과적으로 표현할 수 있는 장점이 있다. 

또한 초고화질 디스플레이 장치의 재생 조건을 활용하여 앞에서 언급한 명암의 차가 큰 장면 등도 선명하고 대비가 뚜렷하게 실제 장면과 같은 현실감 있는 화상으로 시각적 재현이 가능한 장점이 있다. 하지만, 현재의 일반적인 SDR 수준의 재생 환경에서는 넓은 다이내믹 레인지의 가장 어두운 영역과 밝은 영역 일부가 잘려서 보이거나 단순 대비 감소로 모든 영역을 표시하는 경우에는 대비가 감소된 저대비일 수밖에 없고 넓은 다이나믹 레인지 정보를 십분 활용하기 어렵게 된다. 이를 보완하기 위하여 흔히 후보정이라고 칭하는 즉, 넓은 다이내믹 레인지의 정보를 좁은 다이내믹 레인지 화면에 효과적으로 시각화하는 기술/작업이 최근 주목받기도 한다. 

 

그 외 넓은 다이내믹 레인지는 일반적인 다이나믹 레인지 범주의 화면을 촬영하였을 때 측광의 실수 등으로 너무 어둡거나 밝게 촬영된 부분을 후반 작업의 노출 보정 등을 방법으로 다시 되살릴 수 있다. 하지만, 이는 일정 수준의 근접한 범위의 노출 차 만을 극복할 수 있는 정도이고 촬영된 장면의 다이내믹 레인지가 넓을수록 노출 관용도나 보정 관용도는 감소할 수밖에 없다. 그리고 암부와 명부의 양 끝단 정보는 상대적으로 정보의 양이 적어서 화질(해상력, 선예도, 색정보, 계조, 노이즈 등) 측면에서는 그리 썩 좋은 결과를 얻을 가능성은 높지 않다. 단순히 어느 정도의 정보를 가지고 있고 복원하는 정도의 수준에 그치는 경우도 많다.

 

 

▶ 입력 장치의 다이내믹 레인지와 출력 장치의 다이내믹 레인지의 부조화 해결을 위한 과도기적/유사 HDR 방식

 

현재 대부분의 사진이나 이미지는 LCD로 대표되는 디스플레이 장치에서 재생된다. 위의 표에서와 같이 일반적인 SDR 기반의 LCD 장치의 다이내믹 레인지는 대체로 10 stop(약 2의 10승) 정도 수준 - 1000:1의 명암비- 즉, 가장 어두운 영역 대비 가장 밝은 영역이 1000배 정도 밝은 수준을 보인다. (일반 모바일 기기나 저가 모니터의 다이나 믹 레인지/명암비는 대체로 이에 미치지 못하는 경우가 많다) 인쇄물의 경우에는 LCD나 브라운관(가산 혼합)과 다르게 감산 혼합의 방식이므로 동일하다고 할 수 없으나, 사진 인화나 인쇄가 더 넓은 범위의 명도나 계조를 표현한다고 생각하기 어렵다.

 

초고화질 표준(TV 방송)은 4K UHD로 대변되는데, 이는 해상도를 의미하는 4K 이외에도 HDR(High Dynamic Range), 확장된 색 영역 BT.2020 등이 주요 사양이다. 그 외 영상 녹화와 재생에서의 고속 프레임 레이트 등도 자주 언급되는 실정이다. 최근 HDR이 자주 언급되는 이유는 무엇일까? 몇 해 전 영상 카메라와 디스플레이 장치(모티터) 등과 관련하여 4K 해상도에 대한 화두는 이미 상용/보급이 어느 정도 이루어져서 일단락된 감이 있고, 그다음 차례로 HDR이 주요 관심의 대상이 되지 싶다. (일부 디스플레이 장치나 영상 녹화 기기에서는 고속 FPS에 대한 이슈도 뜨겁다) 명도에 의한 시각적인 차이는 확장된 색역이나 색도 정보보다 사람의 눈에 그 차이가 더 명확하게 인식되고 화질 차이에서 더 뚜렷하게 인식하기 때문이라 생각한다.

 

 

현재 사진 촬영과 영상 촬영 등에 사용되는 고성능 디지털카메라의 경우 최대 12~14 스탑의 다이내믹 레인지 성능이고 이를 모두 재현할 수 있는 초고화질의 재생 환경이 더 사실적으로 보일 것은 자명하지만, 이런 초고화질(UHD)의 디스플레이 장치는 매우 고가이므로 일반적인 재생환경이 아니므로 현재 일반적인 SDR 수준의 재생 환경에 보다 넓은 다이나믹레인지를 구현하는 방식이 많이 사용된다. 보다 넓은 다이내믹 레인지의 데이터를 좁은 다이내믹 레인지의 재생 환경에 대입하면 범위의 양 끝단(암부와 명부)의 데이터는 구분할 수 없어 일명 떡진 상태로 보이게 되고, 단순 대비 감소 방식으로 다이내믹 레인지 범위를 일치시키면 저대비로 보이게 된다. 이런 단점을 해결하기 위해 사진에서는 후반 작업을 하거나, 동일한 구도의 다른 노출값을 가지는 복수의 사진으로 톤 맵핑 합성 방식을 통해 구현하는 HDRI(하이 다이내믹 레인지 이미징) 방식을 활용하기도 하고, 동영상 등에는 로그, 하이퍼 감마 픽처 프로파일 등을 활용한 방법이 개발된 배경/이유가 아닐까.

 

카메라의 제품 콘셉트이나 즐겨 사용되는 용례 등을 감안하여 HDR을 적용하는 방식도 다양해 보인다. 먼저, 스마트 폰 등의 카메라 모듈을 사용하는 카메라 등은 작은 이미지 센서와 상대적으로 저성능의 이미지 센서를 사용하는 탓에 다이내믹 레인지가 최대 8 스탑을 정도 수준이고 이는 현재의 일반적인 디스플레이 장치인 LCD의 10 스탑에도 미치지 못하는 다이내믹 레인지를 보인다. 따라서 이에 준하는 다이내믹 레인지의 확장/보완을 위해서 HDRI(하이 다이내믹 레이지 이미징 - HDR로 표시되는 경우도 많은데, 본래의 HDR과 혼동되기 쉽다) 방식을 적극적으로 활용하는 추세다. 초기의 HDRI는 보통 노출 정도가 각각 다르게 연속하여 3장 이상의 동일 장면을 촬영 이미지를 통한 합성으로 한 장의 이미지에 확장된 DR의 이미지로 만드는 방식이었는데, 최근에는 프로세싱 하드웨어 성능 향상 등으로 사용자가 한장의 이미지를 촬영하였다고 생각될 정도의 빠른 시간 내에 여러 장의 사진을 HDRI로 합성하거나 복수의 카메라 모듈을 활용하여 한 번의 촬영으로 HDRI를 구현하기도 한다. 하지만, 동영상에서는 정지 이미지에 비해 만들어지는 데이터의 양이 많아서 여러 장의 이미지를 합성하는 HDRI 방식의 유형을 적용하기는 어렵지 싶다.

 

하이엔드급의 디지털카메라에서는 스마트 폰 등과 같이 카메라 내에서 촬영과 거의 동시에 합성하여 HDRI를 구현하는 방식을 취하기도 하고 연속된 노출 차 브라케팅 촬영 후 후보정 프로그램 등에서 합성하여 보다 완성도를 높이는 방식 등도 있으며, 제조사마다 각자의 변형 알고리즘에 기반한 유사? HDR 방식을 취하기도 하지 싶다. 일례로 소니의 경우 자동 HDR 또는 DRO(다이내믹레인지 최적화) 기능을 선택할 수 있고, 후지 필름의 경우 DR100%~400%까지 확장할 수 있는 기능 등이 눈에 띈다. (유사 HDR 방식도 그 알고리즘은 제조사마다 다르고 다양한데 일반적인 방식은 이미지 한 장에서 명도의 차이에 따라 여러 구역으로 나누고 각 구역의 대비를 분석하고 각각 다른 보정치를 적용하여 보다 확장되고 자연스러운 대비를 갖도록 조정하는 방식이다. 물론 단점도 있어서 ISO값의 선택에 제한이 있기도 하고 ISO 증가 또는 보정치 적용에서의 잘못된 데이터 값 등의 원인으로 노이즈가 증가할 수도 있겠다. 이에 대한 보다 자세한 내용은 별도의 수다로 다뤄보자)

 

유사 HDR 방식 또한 단점이 없는 것은 아닌데, 실제 보이는 것을 충실히 재현하는가의 문제와 HDRI 합성으로 인한 이색함이나 심미적인 관점 등에서 다른 평가가 있을 수 있고 각자의 취향이므로 어느 것이 반드시 낫다거나 좋다고 말하기 어려워 보인다. 하지만, 선택지가 많다는 점에서 나쁘지 않다. 영상과 관련해서는 최근 로그(LOG)나 시네마 감마, 하이퍼 감마 등 방식으로 다이나믹 레인지가 확대된 것과 유사한 효과를 얻는 기능 등이 다수 있는데, 엄밀한 의미에서 DR이 증가하였다고 말하기는 어려운 측면이 있다. 이 또한 이전 수다에서 꽤 거하게 다룬 바 있으므로 생략한다. 

 

 

▶ 4k UHD의 TV와 모니터 등 디스플레이 장치의 업그레이드가 필요한가? 

 

입력 장치의 다이나믹 레인지와 출력 장치의 다이내믹 레인지는 상호 조화로울 필요가 있다. 사진과 영상 등의 콘텐츠를 소모하는 방식으로 가장 많이 사용되는 기기는 현시점에서 아마도 스마트 폰 등의 모바일 기기일 테고, 이런 휴대용 기기는 물리적인 크기의 한계와 효율, 가성비 등의 이유로 인해 4K 해상도로 성능 향상의 이점을 누리기 곤란해 보인다. 즉, 손바닥만 한 크기에 4K 해상도를 실현한다고 해도 우리 눈의 분해능 수준에서는 고해상도의 실익을 찾기 어렵다. HDR과 관련하여 명도 차이는 시각적으로 쉽게 그 차이를 인식할 수 있지만, 전원 관리 측면에서 이 또한 당장 현실화되기 어려운 상황이지 싶다. 현재 모바일 기기 디스플레이 장치의 명암비는 1000:1 수준에 미치지 못한다. 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 발기 차이가 1000 배라는 의미는 어두운 부분을 낮추는 것에는 한계가 있으므로 밝은 부분의 휘도를 높여야 하고, 14 스탑 수준의 초고화질의 HDR을 실현하기 위해서는 약 16000:1, 즉, 가장 어두운 부분 대비 가장 밝은 부분은 1만 6천 배 더 밝아야 한다. 가정용 TV나 모니터에서도 이런 제품의 에너지 효율은 아주 낮을 수밖에 없고, 휴대용 기기에서는 전원 관리의 난점으로 당분간은 실현되기 어렵다. 기술 발전의 속도를 예상하거나 예측하기 어려워서 확언할 수는 없지만, 현 디스플레이 장치에서 4K 해상도를 제외한 초고화질 HDR 등에 대한 선택은 당분간 유보해두어도 실제 사정과 크게 어긋나는 결정은 아니지 싶다.  

 

현재의 카메라의 일반적인 촬영 조건에서 DR은 10 스탑 수준에서도 매우 효과적이다. 일반적인 스마트 폰 카메라의 DR은 6~7 스탑 정도에 그친다. 따라서 일반적인 용도(상용) 카메라의 DR 수준 또한 너무 넓은 것을 고집할 필요는 없지 싶다. 전문적인 촬영을 하거나 넓은 DR이 필요한 고화질 사진 등을 제외하면 일상에서 HDR의 효용을 체감하기 어렵고, 효과적으로 활용하기는 더 어렵다. 그리고 기존의 DR 수준에서 확장된 다이내믹 레인지의 성능을 맛볼 수 있는, 비교적 소모 값이 적은 유사 HDR 방식을 활용하는 것이 현재로서는 가장 합리적인 선택이 아닐까 생각한다. 이런 여러 가지 문제 등으로 고 에너지 효율의 고휘도 디스플레이 장치 등이 등장하기 이전에는 초고화질의 보편/보급은 당분간 유보될 수밖에 없고 따라서 지금처럼 과도기의 유사 HDR 시대가 당분간 지속되리라 생각한다.

 

 

두서없는 수다는 언제나 끝 마무리가 어렵다. 그리고 사진이나 영상에 대한 수다에 참고할 만한 시각적인 자료가 없으니 지루하고 답답하다. 다음번에는 유사 HDR을 활용한 기본적인 후보정 방법이나 로컬 톤 맵핑 등에 대해서 이야기해보자. 문제는 언제가 될지 모른다는 점이지만...