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디지털 영상

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목차

1. 개요

디지털 영상은 아날로그 신호 대신 디지털 인코딩을 사용하여 비디오를 제작, 전송 및 저장하는 기술을 의미한다. 1980년대 소니의 D1 규격 발표를 시작으로, 애플의 QuickTime, MPEG 표준, DV 포맷 등 기술 발전을 거쳐 디지털 비디오 카메라는 CCD, CMOS 센서를 기반으로 발전해왔다. 디지털 비디오는 1990년대 이후 DVD, 디지털 텔레비전, 인터넷 스트리밍 등 다양한 분야에서 활용되며, MPEG-1, MPEG-2, H.264, HEVC 등 다양한 코딩 표준과 인터페이스를 통해 저장 및 전송된다. 현재는 35mm 필름을 대체하여 영화 제작의 주류로 자리 잡았으며, 비트 전송률, 가변 비트 전송률, 프레임 속도 등의 기술적 요소와 다양한 저장 포맷을 가진다.

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디지털 영상

2. 역사

1983년, 소니는 세계 최초의 디지털 비디오 규격 D1을 발표했다. D1은 비압축, 표준 해상도의 컴포넌트 영상 신호를 디지털 형식으로 기록하는 방식으로, 가격이 매우 비싸 주로 일부 텔레비전 방송국에서 사용되었다. 1988년 개발된 D2 규격은 컴포지트 영상 신호를 기록하는 것으로, D1보다 저렴하게 도입 가능하여 일본 전국 텔레비전 방송국에 보급되었다. 이후, 데이터 압축을 하는 저가화·소형화된 시스템(소니의 Digital BETACAM 등)이 사용되면서, 텔레비전 방송국의 야외 촬영에도 디지털화가 진전되었다.

2000년 일본에서 BS 디지털 방송이 시작되면서, NHK와 민영 키국에는 HDCAM 등의 하이비전 대응 디지털 기기가 도입되기 시작했다. 2003년부터 일본에서 지상파 디지털 텔레비전 방송이 시작되어 2006년에는 전국에 보급, 2012년에는 종래의 아날로그 방송이 종료되었지만, 이에 따라 키국 이외의 각 텔레비전 방송국의 기재에도 하이비전 대응 디지털화가 진전되었다.

세계 최초의 일반용 디지털 비디오는 1990년경에 등장한 애플의 QuickTime이다. 초기 콘텐츠 제작 도구는 아날로그 비디오를 디지털화하여 컴퓨터가 읽을 수 있는 형식으로 변환해야 했다. 처음에는 매우 저품질이었지만, 일반용 디지털 비디오의 품질은 급격히 진보하여, MPEG-1과 MPEG-2와 같은 표준을 채택하고, 이어서 DV 테이프 포맷이 등장하여 고품질의 디지털 데이터를 테이프에 기록할 수 있게 되었다. DV 포맷은 IEEE 1394를 이용하여 간편하고 무손실로 개인용 컴퓨터로 가져오거나 테이프로 내보낼 수 있어, 논리니어 편집이 데스크톱 컴퓨터에서 널리 행해지게 되었다. 1999년 이후, 아날로그 텔레비전 방송을 MPEG-2로 인코딩하여 DVD에 기록할 수 있는 DVD 레코더의 판매도 시작되었다.

가정용으로는 하이비전·디지털 방송을 녹화 가능한 D-VHS와 하드 디스크 레코더, 하드 디스크 내장 DVD 레코더[38]가 발매되었다. 2003년에는 디지털 하이비전 방송을 그대로 기록·저장 가능한 BD 레코더도 발매되었고, 2006년 제품부터는 현재와 같은 규격이 되어 보급이 시작되었다. 홈 무비용 캠코더에서도 하이비전 대응이 진행되어, 처음에는 자기 테이프 카세트를 사용한 HDV였지만, 이후 HDD와 메모리 카드로 이행했다.

2. 1. 디지털 비디오 카메라의 발전

디지털 비디오 카메라의 기초는 금속 산화막 반도체 (MOS) 이미지 센서이다.[1] 1969년 윌러드 S. 보일이 최초의 실용적인 반도체 이미지 센서인 전하 결합 소자 (CCD)를 발명했으며, 그는 이 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.[2][3] 1970년대 후반에서 1980년대 초반 CCD 센서가 상용화된 후, 엔터테인먼트 산업은 아날로그 비디오에서 디지털 이미징 및 디지털 비디오로 서서히 전환하기 시작했다.[4] 1990년대에는 CCD에 이어 CMOS 액티브 픽셀 센서 (CMOS 센서)가 개발되었다.[5][6][7]

2013년, 디지털 비디오로 촬영한 주요 영화가 필름으로 촬영한 영화를 넘어섰다. 2016년 이후 주요 영화의 90% 이상이 디지털 비디오로 촬영되었다.[8][9] 현재 영화의 92%가 디지털로 촬영된다.[10] 2018년 개봉한 주요 영화 중 24편만이 35mm 필름으로 촬영되었다.[11] 오늘날 소니(Sony), 파나소닉(Panasonic), JVC, 캐논(Canon) 등 여러 회사에서 고화질 비디오 촬영을 위한 다양한 카메라를 제공하고 있다. 시장의 최고급 제품으로는 디지털 시네마 시장을 겨냥한 카메라들이 등장했다. 소니(Sony), 비전 리서치(Vision Research), 아리(Arri), 블랙매직 디자인(Blackmagic Design), 파나비전(Panavision), 그래스 밸리(Grass Valley), 레드(Red)의 카메라는 방송 텔레비전의 제한된 요구 사항에 맞게 설계된 기존 비디오 카메라보다 뛰어난 해상도와 다이내믹 레인지를 제공한다.[12]

소니가 1986년에 개발한 Betacam SP 카메라


1983년, 소니는 세계 최초의 디지털 비디오 규격 D1을 발표했다. 이는 비압축, 표준 해상도의 컴포넌트 영상 신호를 디지털 형식으로 기록하는 것이다. D1은 매우 고가였기 때문에 주로 일부 텔레비전 방송국에서 사용되었다. 1988년 개발된 D2 규격은 컴포지트 영상 신호를 기록하는 것으로, D1보다 저렴하게 도입 가능하여 일본 전국 텔레비전 방송국에 보급되었다. 이후, 데이터 압축을 하는 저가화·소형화된 시스템(소니의 Digital BETACAM 등)이 사용되면서, 텔레비전 방송국의 야외 촬영에도 디지털화가 진전되었다. 2000년 일본에서 시작된 BS 디지털 방송에 따라, BS 디지털 채널을 보유한 NHK와 민영 키국에는 HDCAM 등의 하이비전 대응 디지털 기기가 도입되기 시작했다. 2003년부터 일본에서 지상파 디지털 텔레비전 방송이 시작되어 2006년 전국에 보급되었고, 2012년에는 기존의 아날로그 방송이 종료되었다. 이에 따라 키국 이외의 각 텔레비전 방송국에도 하이비전 대응 디지털화가 진행되었다.

세계 최초의 일반용 디지털 비디오는 1990년경 애플(Apple Computer)의 QuickTime이다. 초기 콘텐츠 제작 도구는 아날로그 비디오를 디지털화하여 컴퓨터가 읽을 수 있는 형식으로 변환해야 했다. 처음에는 품질이 매우 낮았지만, 일반용 디지털 비디오의 품질은 급격히 향상되었다. 먼저 MPEG-1과 MPEG-2와 같은 표준을 채택했고, 이어서 DV 테이프 포맷이 등장하여 고품질의 디지털 데이터를 테이프에 그대로 기록할 수 있게 되었다. DV 포맷은 IEEE 1394를 이용하여 간편하고 무손실로 개인용 컴퓨터로 가져오거나 테이프로 내보낼 수 있어, 논리니어 편집이 데스크톱 컴퓨터에서 널리 행해지게 되었다. 1999년 이후에는 아날로그 텔레비전 방송을 MPEG-2로 인코딩하여 DVD에 기록할 수 있는 DVD 레코더 판매도 시작되었다.

텔레비전 방송의 디지털화·하이비전화에 따라, 가정용으로도 하이비전·디지털 방송을 녹화할 수 있는 D-VHS, 하드 디스크 레코더, 하드 디스크 내장 DVD 레코더[38]가 발매되었다. 2003년에는 디지털 하이비전 방송을 그대로 기록·저장할 수 있는 BD 레코더도 발매되었으나(2015년 현재의 규격과는 다소 차이가 있음), 2006년 제품부터 2015년 현재와 같은 규격으로 보급되기 시작했다. 홈 무비용 캠코더에서도 하이비전 대응이 진행되어, 처음에는 자기 테이프 카세트를 사용한 HDV 방식이었으나, 이후 HDD와 메모리 카드로 전환되었다.

2. 2. 디지털 비디오 코딩 표준

다음은 현재 사용되는 디지털 비디오 코딩 표준이며, 모두 PCM 기반이다.

  • CCIR 601 - 방송 기지국에서 쓰임
  • MPEG-4 - 용량이 큰 영상은 플래시 메모리에 기록되어 온라인에 배포
  • MPEG-2 - DVD와 슈퍼 VCD에 쓰임
  • MPEG-1 - 비디오 CD에 쓰임
  • H.261
  • H.263
  • H.264 - MPEG의 일종으로 오해하는 경우가 있지만, MPEG은 개발사 이름이고 H.는 다른 개발사이다.
  • Theora - 표준화되었으나 개발 중임. 인터넷을 통한 영상에 쓰임.


1970년대에 펄스 부호 변조(PCM)는 디지털 비디오 코딩의 탄생을 이끌었고, 표준 화질(SD) 콘텐츠에 대해 45-140Mbit/s의 높은 비트 전송률을 요구했다.[13] 1980년대에 들어 이산 코사인 변환(DCT)이 디지털 비디오 압축의 표준이 되었다.[13]

최초의 디지털 비디오 코딩 표준은 1984년 국제 전신 전화 자문 위원회(CCITT) (현재 ITU-T)에 의해 만들어진 H.120이었다. H.120은 성능이 좋지 않아 실용적이지 않았다.[14] H.120은 비디오 코딩에 비효율적인 압축 알고리즘인 차분 펄스 부호 변조(DPCM)를 기반으로 했다. 1980년대 후반에 여러 회사들이 비디오 코딩에 훨씬 더 효율적인 형태의 압축인 DCT를 실험하기 시작했다. CCITT는 벡터 양자화(VQ) 압축을 기반으로 한 단일 제안과 대조적으로 DCT 기반 비디오 압축 형식에 대한 14개의 제안을 받았다. H.261 표준은 DCT 압축을 기반으로 개발되었으며,[15] 최초의 실용적인 비디오 코딩 표준이 되었다.[14] H.261 이후 DCT 압축은 이후 모든 주요 비디오 코딩 표준에 채택되었다.[15]

동영상 전문가 그룹(MPEG)에서 개발한 MPEG-1은 1991년에 등장했으며, VHS 품질의 비디오를 압축하도록 설계되었다. 1994년에는 MPEG-2/H.262가 이를 계승하여,[14] DVD 및 SD 디지털 텔레비전의 표준 비디오 형식이 되었다.[14] 그 후 1999년에는 MPEG-4가, 2003년에는 H.264/MPEG-4 AVC가 이어졌으며, 이는 가장 널리 사용되는 비디오 코딩 표준이 되었다.[16]

현재 세대 비디오 코딩 형식은 2013년에 도입된 HEVC (H.265)이다. AVC가 4x4 및 8x8 블록 크기의 정수 DCT를 사용하는 반면, HEVC는 4x4에서 32x32 사이의 다양한 블록 크기의 정수 DCT 및 DST 변환을 사용한다.[17] HEVC는 삼성전자, GE, NTT 및 JVC 켄우드에 대부분의 특허가 귀속되어 특허가 많이 등록되어 있다.[18] 현재는 자유롭게 라이선스를 받으려는 AV1 형식에 의해 도전을 받고 있다. 2019년 기준, AVC는 비디오 콘텐츠의 녹화, 압축 및 배포에 가장 일반적으로 사용되는 형식으로, 비디오 개발자의 91%가 사용하며, HEVC는 개발자의 43%가 사용한다.[19]

2. 3. 디지털 비디오 제작

디지털 비디오 카메라의 기초는 금속 산화막 반도체 (MOS) 이미지 센서이다.[1] 전하 결합 소자(CCD)는 1969년 윌러드 S. 보일이 발명한 최초의 실용적인 반도체 이미지 센서였으며, 그는 이 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.[2][3] 1970년대 후반에서 1980년대 초반 CCD 센서 상용화 이후, 엔터테인먼트 산업은 아날로그 비디오에서 디지털 이미징 및 디지털 비디오로 서서히 전환하기 시작했다.[4] 1990년대에는 CCD에 이어 CMOS 액티브 픽셀 센서(CMOS 센서)가 개발되었다.[5][6][7]

2016년 이후 주요 영화의 90% 이상이 디지털 비디오로 촬영되었으며,[8][9] 현재 영화의 92%가 디지털로 촬영된다.[10] 오늘날 소니(Sony), 파나소닉(Panasonic), JVC, 캐논(Canon)과 같은 회사의 카메라들이 고화질 비디오 촬영을 위한 다양한 선택지를 제공한다. 방송 텔레비전의 제한된 요구 사항에 맞게 설계된 기존 비디오 카메라보다 뛰어난 해상도와 다이내믹 레인지를 제공하는 소니(Sony), 비전 리서치(Vision Research), 아리(Arri), 블랙매직 디자인(Blackmagic Design), 파나비전(Panavision), 그래스 밸리(Grass Valley) 및 레드(Red)의 카메라도 시장의 최고급 제품으로 등장하였다.[12]

1970년대 후반부터 1980년대 초반에는 타임 베이스 교정기(TBC)와 디지털 비디오 효과(DVE) 장치를 포함하여 내부 작동이 디지털 방식인 영상 제작 장비가 도입되었다. 이들은 표준 아날로그 컴포지트 비디오 입력을 받아 내부적으로 디지털화하여 비디오 신호를 수정, 개선, 조작하거나 효과를 추가했다.

1970년대 후반, Bosch(자회사 Fernseh를 통해)와 Ampex와 같은 전문 비디오 방송 장비 제조업체들은 프로토타입 디지털 비디오 테이프 레코더(VTR)를 개발했으나, 상업적으로 판매되지는 않았다.

칠레의 전문 텔레비전 스튜디오 세트


디지털 비디오는 1986년, 압축되지 않은 표준 화질 컴포넌트 비디오 신호를 디지털 형태로 기록하는 소니 D1 포맷으로 처음 상업적으로 도입되었다. 그러나 D1은 주로 대형 텔레비전 네트워크와 기타 컴포넌트 비디오 지원 비디오 스튜디오에서 사용되었다.

1988년, 소니와 Ampex는 공동으로 D2 디지털 비디오카세트 포맷을 개발하여 출시했다. D2는 비디오를 NTSC 표준으로 컴포지트 형태로 인코딩하여 D2 VCR과의 연결에 단일 케이블 컴포지트 비디오 연결만 필요하다는 주요 차이점을 보였다. D2는 1980년대 후반과 1990년대 내내 텔레비전 방송 업계에서 성공적인 포맷이었으며, 레이저디스크 마스터링을 위한 마스터 테이프 포맷으로도 널리 사용되었다.

D1과 D2는 결국 소니의 Digital Betacam과 같은 비디오 압축을 사용하는 더 저렴한 시스템으로 대체되었다. 압축을 활용하는 디지털 비디오 포맷의 다른 예로는 Ampex의 DCT, 업계 표준 DV 및 MiniDV와 전문 변형인 소니의 DVCAM과 파나소닉의 DVCPRO, 그리고 MPEG-2 압축을 사용하는 Digital Betacam의 저가형 변종인 Betacam SX가 있다.[20]

Betacam의 제작사인 소니 로고


개인용 컴퓨터에서 실행되는 최초의 디지털 비디오 제품 중 하나는 1991년 5월에 처음 출시된 'PACo: The PICS Animation Compiler'였다. PACo는 CD-ROM의 단일 파일에서 동기화된 사운드와 함께 무제한 길이의 비디오를 스트리밍할 수 있었다.[21]

애플의 멀티미디어 프레임워크인 QuickTime은 1991년 6월에 출시되었다. Microsoft의 오디오 비디오 인터리브(AVI)는 1992년에 출시되었다. 초기 소비자 수준의 콘텐츠 제작 도구는 조잡하여 아날로그 비디오 소스를 컴퓨터에서 읽을 수 있는 형식으로 디지털화해야 했다. 처음에는 품질이 낮았지만, 소비자 디지털 비디오는 MPEG-1 및 MPEG-2와 DV 테이프 형식의 도입으로 품질이 빠르게 향상되었다. DV 테이프 형식은 편집 컴퓨터의 FireWire 포트를 사용하여 해당 형식으로 녹화된 내용을 디지털 비디오 파일로 직접 전송할 수 있도록 하여, 비선형 편집 시스템(NLE)을 데스크톱 컴퓨터에서 저렴하고 널리 배포할 수 있게 했다.

디지털 비디오 및 관련 압축 형식의 광범위한 채택으로 인해 대역폭이 감소했다. 이는 케이블 텔레비전 및 직접 방송 위성 시스템에서 사용 가능한 채널 수 증가, 지상파 텔레비전 방송 주파수의 스펙트럼 재할당 기회 창출, 플래시 메모리 기반의 테이프리스 캠코더를 가능하게 하는 등 다양한 혁신과 효율성을 창출했다.

2. 4. 디지털 텔레비전

디지털 텔레비전(DTV)은 디지털 비디오를 제작하고 네트워크를 통해 소비자에게 전송하는 기술이다. 1950년대 이전에 사용되던 아날로그 신호 대신 디지털 인코딩을 사용한다.[39] 아날로그 방식보다 DTV는 더 빠르고, 데이터를 전송하고 공유하는 데 더 많은 기능과 옵션을 제공한다.[40][41]

디지털 텔레비전은 저렴하고 성능 좋은 컴퓨터가 보급되면서 발전하기 시작했다. 1990년대가 되어서야 디지털 TV가 현실화될 수 있었다.[42] 이전에는 비압축 비디오의 높은 대역폭 요구 때문에 디지털 텔레비전이 실용적이지 못했다.[43][44] 표준 화질 텔레비전(SDTV) 신호는 약 200Mbit/s가 필요했고,[45][46] 고화질 텔레비전(HDTV)는 1Gbit/s 이상이 필요했다.[43][47]

1983년, 소니는 세계 최초로 디지털 비디오 규격 D1을 발표했다. D1은 비압축, 표준 해상도의 컴포넌트 영상 신호를 디지털 형식으로 기록하는 방식이었다. 가격이 매우 비싸 주로 일부 방송국에서만 사용되었다. 1988년에는 D2 규격이 개발되었는데, 컴포지트 영상 신호를 기록하며 D1보다 저렴하여 일본 전국 방송국에 보급되었다. 이후 데이터 압축 기술을 활용한 소형화, 저가화 시스템(소니의 Digital BETACAM 등)이 등장하면서 방송국의 야외 촬영에도 디지털화가 이루어졌다.

2000년, 일본에서 BS 디지털 방송이 시작되면서 NHK와 주요 민영 방송국(키국)에 HDCAM 등 하이비전 대응 디지털 장비가 도입되기 시작했다. 2003년부터는 지상파 디지털 텔레비전 방송이 시작되어 2006년에 전국으로 확대되었고, 2012년에는 기존 아날로그 방송이 종료되었다. 이에 따라 주요 방송국 외 다른 방송국들에도 하이비전 대응 디지털 장비가 보급되었다.

세계 최초의 일반용 디지털 비디오는 1990년경 애플의 QuickTime이다. 초기 콘텐츠 제작 도구는 아날로그 비디오를 디지털화하여 컴퓨터가 읽을 수 있는 형식으로 변환해야 했다. 처음에는 품질이 매우 낮았지만, MPEG-1, MPEG-2 등의 표준이 채택되고, DV 테이프 포맷이 등장하면서 일반용 디지털 비디오의 품질이 빠르게 향상되었다. DV 포맷은 IEEE 1394를 통해 개인용 컴퓨터와 간편하게 데이터를 주고받을 수 있어 논리니어 편집이 데스크톱 컴퓨터에서 널리 사용되게 되었다. 1999년부터는 아날로그 텔레비전 방송을 MPEG-2로 인코딩하여 DVD에 기록하는 DVD 레코더도 판매되기 시작했다.

텔레비전 방송의 디지털화, 하이비전화에 따라 가정용으로도 하이비전, 디지털 방송을 녹화할 수 있는 D-VHS, 하드 디스크 레코더, 하드 디스크 내장 DVD 레코더[38]가 출시되었다. 2003년에는 디지털 하이비전 방송을 그대로 기록, 저장할 수 있는 BD 레코더가 출시되었고(2015년 현재 규격과는 다름), 2006년 제품부터 현재와 같은 규격으로 보급되기 시작했다. 홈 무비용 캠코더도 하이비전 대응이 진행되어 처음에는 자기 테이프 카세트를 사용한 HDV 방식이었으나, 이후 HDD와 메모리 카드로 전환되었다.

3. 기술 개요

디지털 영상은 세대 손실 없이 복사할 수 있어 아날로그 시스템에서 발생하는 품질 저하를 방지한다. 그러나 프레임 크기 변경이나 디지털 형식 변경은 이미지 크기 조정 및 트랜스코딩 손실로 인해 비디오 품질을 저하시킬 수 있다. 디지털 비디오는 비선형 편집 시스템에서 조작 및 편집이 가능하다.

디지털 비디오는 35mm 필름보다 비용이 훨씬 저렴하다. 필름 재료의 높은 비용과 비교할 때, 플래시 메모리나 하드 디스크 드라이브와 같이 디지털 비디오 녹화에 사용되는 디지털 미디어는 매우 저렴하다. 또한 필름에 필요한 비용과 시간이 많이 소요되는 화학적 처리 없이 현장에서 영상을 볼 수 있다. 디지털 비디오의 네트워크 전송은 테이프 및 필름 릴의 물리적 전달을 불필요하게 만든다.

디지털 텔레비전 (HDTV 포함)은 2000년대 초 대부분의 선진국에서 도입되었다. 오늘날 디지털 비디오는 현대 휴대 전화 및 화상 회의 시스템에서 사용된다. 또한 스트리밍 및 P2P 영화 배포를 포함하여 미디어의 인터넷 배포에도 사용된다.

인터넷과 광 디스크를 통해 디지털 비디오를 제공하기 위해 많은 유형의 비디오 압축이 존재한다. 전문 편집에 사용되는 디지털 비디오의 파일 크기는 일반적으로 이러한 목적에 실용적이지 않으며, 레크리에이션 목적으로 사용하려면 코덱을 사용하여 비디오를 추가로 압축해야 한다.

2017년 기준으로, 디지털 비디오 생성에 대해 시연된 최고 이미지 해상도는 132.7 메가픽셀(15360 x 8640 픽셀)이다. 최고 속도는 짧은 시간 동안 초당 최대 100만 프레임으로 1024x1024 비디오를 촬영할 수 있는 산업 및 과학 고속 카메라에서 달성된다.

3. 1. 프레임과 필드

디지털 영상은 빠르게 연속적으로 표시되는 일련의 디지털 이미지들로 구성되며, 영상에서는 이러한 이미지들을 프레임이라고 부른다.[33] 프레임이 표시되는 속도는 프레임 속도라고 하며, 초당 프레임 수로 측정된다.

인터레이스 비디오에서 각 프레임은 이미지의 두 부분, 즉 홀수 줄만 포함하는 첫 번째 절반과 짝수 줄만 포함하는 두 번째 절반으로 구성된다. 이 절반들을 각각 ''필드''라고 하며, 두 개의 연속적인 필드가 하나의 완전한 프레임을 구성한다.[34] 예를 들어 인터레이스 비디오의 프레임 속도가 초당 30 프레임이면 필드 속도는 초당 60 필드가 되지만, 이 둘은 별개의 숫자이다.

미네소타주 파벡 박물관의 방송용 텔레비전 카메라.


표준 영화 필름은 일반적으로 초당 24 프레임으로 녹화된다. 비디오의 경우 NTSC(초당 약 29.97 프레임, 초당 약 59.94 필드)와 PAL(초당 25 프레임, 초당 50 필드)의 두 가지 프레임 속도 표준이 있다.

디지털 비디오 카메라는 인터레이스 방식과 프로그레시브 방식의 두 가지 이미지 캡처 형식을 제공한다. 인터레이스 방식 카메라는 홀수 번째 줄을 스캔한 다음 짝수 번째 줄을 스캔하는 방식으로 이미지를 교대로 기록한다. 홀수 또는 짝수 줄의 한 세트를 ''필드''라 하고, 반대 패리티의 두 필드의 연속적인 쌍을 ''프레임''이라고 한다. 프로그레시브 스캔 카메라는 각 프레임의 모든 줄을 단일 단위로 기록한다. 따라서 인터레이스 비디오는 동일한 프레임 속도로 프로그레시브 비디오보다 두 배 더 자주 장면 모션을 캡처한다. 프로그레시브 스캔은 일반적으로 더 선명한 이미지를 생성하지만, 모션은 인터레이스 비디오만큼 부드럽지 않을 수 있다.

16mm 또는 25mm 필름은 초당 24개 또는 25개의 프레임 (fps)으로 기록한다. 비디오에는 두 가지 표준 프레임 속도가 있으며, NTSC는 29.97 fps, PAL은 25 fps로 기록한다.

3. 2. 비트 전송률 및 BPP

비트 전송률은 디지털 영상 스트림의 정보 콘텐츠 속도를 측정하는 것이다. 압축되지 않은 영상의 경우, 비트 전송률은 영상 품질에 직접적으로 비례한다. 비트 전송률은 영상을 전송할 때 해당 전송 링크가 이를 지원할 수 있어야 하므로 중요한 속성이다. 또한 영상 크기가 비트 전송률 및 지속 시간과 비례하기 때문에 영상 저장 시에도 중요하다. 영상 압축은 품질에 거의 영향을 미치지 않으면서 비트 전송률을 크게 줄이는 데 사용된다.[35]

픽셀당 비트(BPP)는 압축 효율을 측정하는 척도이다. 압축되지 않은 트루 컬러 영상은 24 bits/pixel의 BPP를 가질 수 있다. 크로마 서브샘플링은 BPP를 16 또는 12 bits/pixel로 줄일 수 있다. JPEG 압축을 모든 프레임에 적용하면 BPP를 8 또는 심지어 1 bits/pixel까지 줄일 수 있다. MPEG1, MPEG2, MPEG4와 같은 영상 압축 알고리즘을 적용하면 소수 BPP 값을 얻을 수 있다.

디지털 실시간 영상은 대역폭을 소모하고, 녹화된 디지털 영상은 데이터 저장 공간을 소모한다. 필요한 대역폭 또는 저장 공간의 양은 프레임 크기, 색상 심도 및 프레임 속도에 의해 결정된다. 각 픽셀은 색상 심도에 의해 결정되는 비트 수를 소모한다. 데이터 프레임을 나타내는 데 필요한 데이터는 이미지의 픽셀 수를 곱하여 결정된다. 대역폭은 프레임의 저장 요구 사항에 프레임 속도를 곱하여 결정된다. 프로그램의 전체 저장 요구 사항은 대역폭에 프로그램 기간을 곱하여 결정할 수 있다.

이러한 계산은 압축되지 않은 비디오에 정확하지만, 압축되지 않은 비디오의 상대적으로 높은 비트 전송률로 인해 비디오 압축이 광범위하게 사용된다. 압축된 비디오의 경우, 각 프레임은 원래 비트의 작은 비율만 필요하다. 이는 무손실 압축을 사용할 때 데이터 또는 대역폭 소비를 5~12배 줄이지만, 일반적으로 데이터 소비를 20~200배 줄이는 손실 압축이 더 많이 사용된다.[37] 모든 프레임이 동일한 비율로 동일하게 압축될 필요는 없으며, 모든 프레임을 함께 고려하여 압축의 "평균" 요인을 고려한다.

3. 3. 가변 비트 전송률 (VBR)

BPP는 픽셀당 ''평균'' 비트를 나타낸다. 비디오 전체 기간 동안 BPP를 거의 일정하게 유지하는 압축 알고리즘이 있다. 이 경우, 우리는 고정 비트 전송률(CBR)을 가진 비디오 출력을 얻게 된다. CBR 비디오는 화상 회의 등과 같이 실시간, 버퍼링되지 않은, 고정 대역폭 비디오 스트리밍에 적합하다. 모든 프레임을 동일한 수준으로 압축할 수 있는 것은 아니며, 복잡성이 높은 장면의 경우 품질이 더 심각하게 영향을 받기 때문에 일부 알고리즘은 BPP를 지속적으로 조정하려고 한다. 복잡한 장면을 압축하는 동안에는 BPP를 높게 유지하고, 덜 까다로운 장면에서는 낮게 유지한다.[36] 이러한 방식으로, 가장 작은 평균 비트 전송률(및 그에 따른 가장 작은 파일 크기)로 최고의 품질을 제공한다. 이 방법은 BPP의 변화를 추적하기 때문에 가변 비트 전송률을 생성한다.

4. 인터페이스 및 케이블

디지털 영상 신호 인터페이스는 크게 압축되지 않은 영상용과 압축된 영상용으로 나눌 수 있다.
압축되지 않은 디지털 영상 신호 (약 400 Mbit/s) 인터페이스:


MPEG 압축 디지털 영상 신호 (약 5~100 Mbit/s) 인터페이스:

이더넷을 통한 UDP-IP 전송 방식에는 두 가지가 있다.

  • RTP를 래퍼로 사용 (예: SMPTE 2022)
  • 1-7개의 MPEG 전송 스트림 패킷을 UDP 패킷에 직접 배치

4. 1. 디지털 비디오 인터페이스

디지털 영상 신호 인터페이스는 크게 압축되지 않은 영상용과 압축된 영상용으로 나눌 수 있다.
압축되지 않은 디지털 영상 신호 (약 400 Mbit/s) 인터페이스:
MPEG 압축 디지털 영상 신호 (약 5~100 Mbit/s) 인터페이스:
기타 인터페이스:

  • 디지털 컴포넌트 비디오
  • HDBaseT
  • FireWire (IEEE 1394)
  • 네트워크 장치 인터페이스
  • SMPTE 2110


이더넷을 통한 UDP-IP 전송 방식에는 두 가지가 있다.

  • RTP를 래퍼로 사용 (예: SMPTE 2022)
  • 1-7개의 MPEG 전송 스트림 패킷을 UDP 패킷에 직접 배치

4. 2. 압축 비디오 전송 인터페이스

압축되지 않은 디지털 영상(거의 초당 400 메가비트)을 다루기 위해 고안된 인터페이스는 다음과 같다.:

MPEG를 전달하기 위해 고안된 인터페이스는 다음과 같다.:

압축된 영상은 이더넷 위에서 UDP-IP를 사용하여 전달될 수 있다. 이를 위해 두 가지 접근 방식이 존재한다.:

  • 영상 패킷의 래퍼(wrapper)로서 RTP 사용
  • 1-7 MPEG 전송 패킷을 UDP 패킷 안에 직접 배치


목적별 디지털 영상 인터페이스는 다음과 같다.:

디지털 비디오 전송에 사용되는 범용 인터페이스는 다음과 같다.:

MPEG-전송 압축 비디오 전송을 위해 설계된 인터페이스는 다음과 같다.:

압축 비디오는 UDP(사용자 데이터그램 프로토콜)-IP(인터넷 프로토콜)를 통해 이더넷을 사용하여 전송될 수 있다. 이를 위한 두 가지 접근 방식이 있다.:

IP를 통해 비디오 전송하는 다른 방법은 다음과 같다.:

  • 네트워크 장치 인터페이스
  • SMPTE 2110


무압축 디지털 비디오 신호(약 400메가비트/초)를 전송하도록 설계된 인터페이스는 다음과 같다.:

DV 규격이나 MPEG-2, H.264(MPEG-4 AVC)로 압축된 디지털 비디오 신호(약 5~100메가비트/초)의 송수신에 사용되는 인터페이스는 다음과 같다.:

5. 저장 포맷

디지털 영상은 세대 손실 없이 복사할 수 있지만, 프레임 크기 변경이나 디지털 형식 변경 시 이미지 크기 조정 및 트랜스코딩 손실로 인해 품질이 저하될 수 있다. 디지털 영상은 비선형 편집 시스템에서 조작 및 편집이 가능하다.

디지털 비디오는 35mm 필름보다 비용이 훨씬 저렴하다. 필름 재료의 높은 비용과 비교할 때, 플래시 메모리나 하드 디스크 드라이브와 같이 디지털 비디오 녹화에 사용되는 디지털 미디어는 매우 저렴하다. 또한 필름의 화학적 처리 없이 현장에서 영상을 볼 수 있으며, 네트워크 전송으로 테이프 및 필름 릴의 물리적 전달이 불필요하다.

인터넷과 광 디스크를 통해 디지털 비디오를 제공하기 위해 많은 유형의 비디오 압축이 존재하며, 레크리에이션 목적으로 사용하려면 코덱을 사용하여 비디오를 추가로 압축해야 한다.

세계 최초의 일반용 디지털 비디오는 1990년경 애플의 QuickTime이다. 초기에는 품질이 낮았지만, MPEG-1, MPEG-2와 같은 표준을 채택하고, DV 테이프 포맷이 등장하면서 품질이 급격히 향상되었다. DV 포맷은 IEEE 1394를 이용하여 간편하고 무손실로 개인용 컴퓨터로 가져오거나 테이프로 내보낼 수 있어, 논리니어 편집이 데스크톱 컴퓨터에서 널리 행해지게 되었다.

5. 1. 인코딩

다음은 현재 사용되는 인코딩 포맷들이며, 모두 PCM 기반이다:

  • CCIR 601 - 방송 기지국에서 쓰인다.
  • MPEG-4 - 용량이 큰 영상은 플래시 메모리에 기록되어 온라인에 배포된다.
  • MPEG-2 - DVD와 슈퍼 VCD에 쓰인다.
  • MPEG-1 - 비디오 CD에 쓰인다.
  • H.261
  • H.263
  • H.264 - MPEG의 일종이라고 보는 사람도 있는데, MPEG은 개발사 이름이고 H.264는 다른 개발사이다.
  • Theora - 표준화되었으나 개발 중이며, 인터넷을 통한 영상에 쓰인다.
  • AVCHD - H.264를 이용한 가정용 캠코더용 하이비전 녹화 규격으로, 2015년 현재 널리 보급되어 있다.
  • H.265 - ''HEVC''

5. 2. 테이프

베타캠, 베타캠SP, 베타캠 SX, 베타캠 IMX, 디지털 베타캠(디지베타)는 소니의 상업 비디오 시스템으로, 베타맥스 기술을 기반으로 한다.[12]

D1, D2, D3, D5, D9 (디지털 S)는 다양한 SMPTE 상업 디지털 비디오 표준이다.[12]

DV, 미니DV는 비디오 테이프 기반 소비자 캠코더에 주로 쓰이며, 고화질 및 쉬운 편집을 위해 고안되었고 MPEG-2 포맷의 HDV로 기록할 수 있다.[12]

DVCAM, DVCPRO는 전문 방송 처리에 쓰이며 DV와 비슷하지만 내구성이 더 강하고, DV 호환이지만 더 나은 오디오 관리 기능을 갖추고 있다.[12]

디지털8은 하이8 호환 카세트에 기록되는 DV 포맷 데이터이다.[12]

마이크로MV는 매우 작은 카세트를 위한 MPEG-2 포맷 데이터로 현재는 쓰이지 않는다.[12]

D-VHS는 S-VHS와 비슷한 테이프에 기록하는 MPEG-2 포맷이다.[12]

덴마크 방송에서 사용된 B-포맷 비디오 테이프 보관


DVCPRO50 및 DVCPRO HD는 파나소닉(Panasonic)의 DVCPRO에 비해 더 높은 대역폭을 지원한다.[12]

HDCAM은 소니(Sony)가 디지베타의 고화질 대안으로 도입했다.[12]

ProHD는 JVC가 MPEG-2 기반 전문 캠코더에 사용하는 이름이다.[12]

1983년, 소니는 세계 최초의 디지털 비디오 규격 D1을 발표했다.[38] 이는 비압축, 표준 해상도의 컴포넌트 영상 신호를 디지털 형식으로 기록하는 것으로, 매우 고가였기 때문에 주로 일부 텔레비전 방송국에서 사용되었다. 1988년에 개발된 D2 규격은 컴포지트 영상 신호를 기록하는 것으로, D1보다 저렴하게 도입 가능했기 때문에 일본 전국 텔레비전 방송국에 보급되었다.[38] 이후, 데이터 압축을 하는 저가화·소형화된 시스템(소니의 Digital BETACAM 등)이 사용되면서, 텔레비전 방송국의 야외 촬영에도 디지털화가 진전되었다.[38]

베타캠-SX(BETACAM-SX), 디지털 베타캠(Digital BETACAM)은 소니의 업무용 비디오 시스템으로, 베타맥스 기술 기반의 업무용 아날로그 기록 방식 베타캠을 디지털화한 것이다.[38]

HDCAM은 디지털 베타캠을 기반으로 하이비전으로 확장한 업무용 비디오 규격이다.[38]

D1, D2, D3, D5, 디지털 S(Digital-S)는 SMPTE의 방송용 디지털 비디오 표준이다.[38]

DV, MiniDV는 1995년부터 2005년경까지, 비디오 테이프를 사용하는 가정용 캠코더에 많이 채용되었다.[38]

HDV는 DV 규격의 카세트 테이프에 MPEG-2 형식으로 하이비전 영상을 기록하며, 2003년부터 2008년경의 캠코더에 채용되었다.[38]

DVCAM, DVCPRO는 방송국에서 사용되며, DV와 호환성이 있고 신뢰성이 DV보다 높다. DVCPRO는 DVCPRO HD로 하이비전으로 확장되었다.[38]

디지털8(Digital8)은 8mm 비디오 호환 카세트 테이프에 DV 형식으로 기록한다.[38]

마이크로MV(MICROMV)는 매우 소형의 카세트 테이프로 MPEG-2 형식으로 기록한다.[38]

D-VHS는 S-VHS와 같은 구조의 카세트 테이프에 MPEG-2 형식으로 기록한다.[38]

5. 3. 디스크

블루레이 디스크는 미디어 저장을 위해 사용되는 광학 디스크의 한 유형이다.

  • VCD
  • DVD
  • HD-DVD
  • 블루레이 디스크
  • 소니 프로데이터


1999년 이후, 아날로그 텔레비전 방송을 MPEG-2로 인코딩하여 DVD에 기록할 수 있는 DVD 레코더의 판매가 시작되었다.[38] 2003년에는 디지털 하이비전 방송을 그대로 기록·저장 가능한 BD 레코더도 발매되었는데, 2015년 현재의 규격과는 조금 달랐다. 2006년 제품부터 2015년 현재와 같은 규격이 되어 보급이 시작되었다.

참조

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