디스플레이 성능을 말할 때 'HDR'이라는 용어가 많이 사용됩니다. 예전에는 디스플레이의 해상도를 의미하는 HD, FHD, UHD, 4K, 8K가 가장 중요한 성능의 지표였습니다. 하지만 요즘에는 해상도 말고도 다양한 디스플레이 성능을 나타내는 용어들이 사용되고 있습니다. HDR이라는 단어도 그 중 하나입니다.
HDR 기술이란 무엇인지 정리해보겠습니다.
HDR 기술이란?
HDR은 High Dynamic Range의 약자입니다. 다이나믹 레인지(Dynamic Range)가 높다는 뜻인데, 다이나믹 레인지는 화면이 표현할 수 있는 어두운 부분과 밝은 부분의 밝기 차이를 의미합니다. 즉, 화면이 표현할 수 있는 명암의 범위를 다이나믹 레인지라고 하며, HDR은 화면이 더 밝고, 더 어두운 부분도 표현할 수 있다는 의미입니다. (더 넓은 범위의 명암 영역을 표현할 수 있다는 의미)
카메라로 사진을 찍을 때, '역광'이라는 단어를 들어본적이 있다면 HDR의 필요성에 대해서 어느정도는 이해할 수 있습니다. 역광이란 사진을 찍을 때 광원이 뒤쪽에 있어서 배경은 밝은데 피사체는 어두워서 제대로된 사진을 찍을 수 없는 상태를 말합니다. 즉, 배경이 잘 나오면 피사체인 사람의 얼굴이 너무 어둡게 나오거나 사람의 얼굴이 잘 나오면 배경이 너무 밝게 나와서 사진이 예쁘게 안나오는 현상을 생각하면 됩니다.
인간의 눈은 0 니트에서 4만 니트까지의 밝기를 볼 수 있는데요. 다이나믹 레인지가 4만 니트인셈입니다. 우리가 살면서 눈으로 사물을 볼 때, '역광이네'라는 말을 잘 안한 이유가 눈으로 인식할 수 있는 범위가 넓기 때문입니다.
하지만 과거 브라운관 TV 시대에는 기술적인 한계로 100니트 범위의 빛만 화면에 표현할 수 있었습니다. TV 업계에서는 이를 '스탠다드 다이나믹 레인지(SDR)'로 부르고 있습니다. 인간의 눈은 4만 니트 수준의 명암 범위를 인식하는데 화면은 100니트 정도만 표현할 수 있으니 티비로 보는 컨텐츠가 얼마나 초라하고, 어색할지 생각해보면 됩니다. 마치 인간은 컬러로 세상을 보는데 기술적인 한계로 흑백티비만 존재했던 세상을 생각하면 됩니다.
HDR 디스플레이를 가능하게 하려면, HDR 컨텐츠를 '촬영하는 기술'과 HDR 컨텐츠를 '화면에 재생'하는 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
최신 스마트폰들의 스펙을 보면 'HDR 촬영 기술'에 대한 내용이 들어가 있는 것을 볼 수 있습니다. 아까 말했듯이 HDR 촬영 기술은 역광 상태의 피사체를 촬영하는 상황을 생각해보면 됩니다.
포커스를 피사체에 맞추면 지나친 노출로 배경이 백색으로 날아가버리고, 반대로 배경에 포커스를 맞추면 부족한 노출로 피사체인 사람의 얼굴은 너무 어두운 상태로 촬영됩니다.
이를 보정하기 위해서 최신 스마트폰에서는 다양한 노출 값의 이미지를 여러장 촬영하여 하나의 사진으로 합성하는 방식을 사용합니다. 배경에 포커스를 두고 한장, 피사체에 포커스를 두고 한장 찍어서 각각 쓸만한 부분을 추출, 하나의 사진으로 합성하는 것입니다.
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 기술 표준에서는 돌비비전과 HDR 10 진영이 열심히 경쟁하고 있습니다.
우선 HDR 10은 오픈 소스 기술입니다. 따라서 HDR 10 표준을 구현하고 싶은 제조사들은 이 기술을 무료로 사용할 수 있습니다. 10 비트의 색심도와 최대 1000 니트의 밝기를 구현할 수 있습니다.
돌비 비전은 자체 프로세서와 소프트웨어를 필요로 합니다. 돌비비전은 오픈소스인 HDR 10과 다르게 제조사가 도입하려면 로열티를 내야합니다. 따라서 돌비비전을 도입한 티비의 가격은 상대적으로 높을 수 있습니다. 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+ 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.
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