[ Embedded ] 04. 화질과 해상도, 채널에 관하여

화질

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화질에 중요한 영향을 미치는 2가지 요소

프레임레이트(Frame rate)

카메라에서 촬영된 영상은 한 장 한 장의 이미지로 구성되어 있으며 각각의 이미지를 프레임이라고 합니다.

프레임을 나타내는 단위는 fps(frame per second)이고, 1초 동안 재생되는 이미지 수를 의미합니다. 예를 들어 24프레임이라고 하면 초당 24장의 이미지가 있다는 의미. 프레임이 높을수록 자연스러운 영상을 얻을 수 있지만, 데이터 크기가 커지는 단점이 있다!

비트레이트(Bit rate)

앞에서 다룬 프레임 레이트는 초당 이미지의 갯수라면 비트레이트는 bps(Bits Per Second)로 1초의 영상을 구성하는 데이터 크기라고 생각하면 된다.

아무래도 데이터 크기가 작은것 보다는 데이터 크기가 커진다면 화면을 표현함에 있어 유리할 것이다!

초당 192kbps vs 26Mbps영상 자료 비교 : 26Mbps로 인코딩한 영상은 뭉개짐이 없는 것을 볼 수 있음

만약 192kbps 인코딩된 영상을 26Mbps로 인코딩하면 안될까? 라는 질문을 할 수 도 있는데 화질이 뭉개지는 영상을 26Mbps로 인코딩한다고 해서 퀄리티가 높아지지 않는다. 요약하면 높은 화질을 나쁘게 만들 수는 있어도 낮은 화질을 좋게 만들 수는 없다. (원본의 소중함~)

해상도 그리고 인터레이스(Interlaced)와 프로그레시브(Progressive)

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해상도는 픽셀의 숫자를 말하는데 가로X세로를 곱한 것을 의미한다. 여기서 말하는 픽셀(화소)은 화면을 구성하는 가장 작은 단위를 말하며 하나의 점이라고 생각.

즉, 화소가 높다는 것은 이미지를 구성함에 있어 더 많은 픽셀로 표현한 것이다.

=> 왼쪽 이미지는 선명하게 보이는 반면 오른쪽 이미지는 흐릿

해상도 규격

구분	해상도	픽셀 수	포맷
SD	720 X 480	345,600	480p
HD	1,280 X 720	921,600	720p
FHD (Full)	1,920 X 1,080	2,073,600	1080p / i
QHD (Quad)	2.560 X 1,440	3,686,400
UHD (Ultra)	3,840 X 2,160	8,294,400	2160p
4K	4,096 X 2,160	8,847,360	2160p
8K	7,680 X 4,320	33,177,600

모바일과 같이 작은화면에서만 재생될 동영상을 만든다면, 'FHD' / 1080p, 720p, 혹은 그 이하도 큰 문제가 없다.

4K 등의 초고화질 영상 편집에는 어마어마한 4K 리소스가 필요한데 작은 화면에서만 재생될 영상에 이 많으나 리소스들을 낭비할 필요는 없다.

그렇다면 픽셀수가 많을수록 무조건 좋은기기인가요?

대게 높은 수준의 해상도를 가지고 있는 기기는 좋은 기기가 맞다. 하지만, 높은 해상도를 가지더라도 화면의 크기가 상대적으로 더 크거나 시청 거리가 가까워지게 되면(눈으로 식별할 수 있는 픽셀의 수가 많아지면), 사용자들이 느끼는 영상의 품질은 떨어질 수 밖에 없다. 이와 관련된 사항을 지표로 표현한 것이 바로 PPI(Pixel Per Inch)이다.

PPI (Pixel Per Inch)

해상도를 결정하는 지표

PPI는 1인치당 표현되어 있는 픽셀의 개수를 의미한다. 화면의 크기와 픽셀의 개수가 모두 포함된 지표이기 때문에 PPI 지표가 높을 수록 좋은 해상도를 가진 기기라는 것을 알 수 있다.

그렇다고 모바일 기기의 300ppi가 TV나 컴퓨터의 300ppi와 같은 품질을 사용자에게 경험시켜주진 않는다. 약간의 눈과 디스플레이의 거리가 멀어질수록 인간이 식별할 수 있는 픽셀의 수는 상대적으로 줄어들기 때문에, TV나 컴퓨터같이 먼 시청거리를 가진 기기가 모바일 기기보다 작은 PPI로도 높은 품질 경험을 사용자에게 줄 수 있다. 반면, 모바일 기기의 시청 거리(20cm ~ 30cm)는 컴퓨터나 TV보다 월등히 짧기 때문에, 상대적으로 TV보다 높은 PPI를 가져야만 TV의 해상도와 동일한 품질로 느낄 수 있다.

• PPI를 구하는 공식

[가로픽셀]^2 X [세로픽셀]^2 = [대각선픽셀]^2
[대각선픽셀] / [화면인치](대각선 길이) : `PPI`

인터레이스, 프로그레시브

TV광고나 카메라 광고를 보면 '1080p', '1080i'라고 써있는 것을 본적 있을 것이다.

여기서 말하는 'i'는 인터레이스, 'p'는 프로그레시브 스캔방식을 말하는데 이는 화면에 이미지를 '뿌려주는' 방식의 차이이다.

1. 인터레이스(Interlaced)

인터레이스 방식은 하나의 프레임에 수평 주사선을 1개 간격으로 뛰어 넘어 주사하는 방식이다. 홀수열과 짝수열을 주사한 것을 필드라고 불리며, 두 필드를 합쳐 하나의 완전한 영상을 만들어 완전한 하나의 프레임이 구성된다.

2. 프로그레시브(Progressive)

프로그레시브 스캔의 경우 아래 그림과 같이 완전한 한 장의 프레임 하나 하나를 연속적으로 보여주기 때문에 고화질 화면을 감상할 때 유리하다.

프로그레시브 방식은 한 장의 프레임 하나하나를 연속적으로 보여 주기 때문에 화면이 흔들리거나 Flicker(깜빡임 현상)가 발생한다. 이러한 프로그레시브 스캔의 단점을 보완할 수 있는 방식이 인터레이스이다.

인터레이스 방식은 프로그래시브 방식에 비해 깜빡거림이 적고 비교적 안정된 영상을 얻을 수 있다는 장점이 있으나 한 화면을 두 번(홀수, 짝수)에 걸쳐 주사하기 때문에 고화질 정보를 전송하기에는 불리하다.

채널

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신호가 이동하는 경로를 채널(channel)이라고 하는데, 통신에서는 두 가지의 의미로 사용된다. 첫째로 각각의 신호들이 송수신되는 주파수대역 하나의 단위를 채널이라 부르고, 둘째로 신호가 전달되는 매질 특성 자체를 채널로 분류하기도 한다. 유선의 경우라면 케이블 자체를 채널이라 할 수 있고, 전자파를 이용한 무선통신에서는 공기중 자체가 채널이 된다. 실제로 통신에서 사용하는 채널은 매질 그 자체가 아니라 신호가 이동하고 있는 매질상에 존재하는 잡음(Noise) 성분에 따라 여러가지 채널로 분류된다.

즉 매질을 의미하는 채널은 잡음이라는 개념과 따로 생각할 수 없다.

ACOLADE의 Channel이라는 class에서 있는 모델들은 이러한 매질특성과 관련된 채널을 의미하며, 이러한 점에서 채널이 '특정한 잡음을 가진 신호전송로'라고 재정의될 수 있다.

공기중에는 수많은 종류의 잡음이 있으며, 이 잡음들은 모든 주파수에서 발생하기 때문에 이러한 잡음을 백색잡음(white noise)라고 한다. 주파수가 높은 전자파의 일종인 가시광선이 주파수에 따라 색상이 다르지만 여러 색광이 겹치면 하얀색이 되듯이, 여러 주파수의 잡음이 모인 것이라서 붙여진 의미이다. 그래서 이와는 반대로 특정 주파수에 집중된 잡음을 유색잡음(Color noice)라고 한다.

AWGN

Additive White Gaussian Noise

가장 일반적인 형태의 채널이며, 전 주파수 대역에서 고르게 잡음이 발생하는 채널이다. 특별한 주변요소 없이 자연상태 그대로의 랜덤한 잡음이다.

페이딩

~multipath fading

주변의 사물들에 의해 다중반사되는 전자파들이 서로 합성되어 일어나느 종류의 간섭잡음을 의미한다.

TV의 경우 여러 곳에서 반사되어 들어온 전자파가 합성되면서 윗아자가 틀리게 합성되어 화면이 흐릿하게 겹쳐보이는 고스트(Ghost)현상이 대표적인 fading의 예

이러한 종류의 페이딩은 주파수 조건에 따라서 Reayleigh와 Rician채널 등으로 세분화되기도 한다. 이동통신 환경에서의 채널은 기본적으로 Rayleigh fading으로 모델링하는 경우가 많다.

SNR

Signal-to-Noise Ratio : 신호대 잡음비

채널에서 뿐만 아니라 SNR은 자체적으로 대단히 중요한 의미를 가지는 지표인데 말 그대로 통신시호와 잡음간의 전력비를 의미한다.

주로 decibel(dB) 단위로 사용하게 되는데 이것의 좋고 나쁨이 채널을 통과한 신호의 왜곡정도에 가장 주요한 역할을 하게 된다.

SNR = 10log신호전력(W)/잡음전력(W)

수학적 모델

한 간단한 수학적인 채널 모델의 예는 다음과 같다.

y = hx + n

여기서 x는 송신신호 , h는 채널, n은 가산잡음 그리고 y는 수신 신호이다. 이 경우에 채널의 특성을 나타내는 신호대 잡음비는 다음과 같다.

여기서 Px는 송신 신호인 x의 평균 크기이며 No는 가산 잡음인 n의 스펙트럴 덴시티이다. 이 채널의 최대 용량 (capacity)를 구해보면 다음과 같다.

여기서 C의 단위는 BPS/Hz이다. 오류없이 보낼 수 있는 최대 데이터 전송률은 최대 용량인 C보다 작다는 것을 의미한다.

유선 채널

유선채널은 구리선에 의해 전기신호가 전달 되면서 생기는 특성을 나타낸다. 유선채널에서 h는 일반적으로 시간에 따라 크게 변하지 않아 결정된 한 값으로 표현

무선 채널

무선 채널은 공기전으로 전파 신호가 전달되면서 생기는 특성을 나타낸다. 무선채널에서 h는 일반적으로 시간에 따라 가변하는 랜덤한 값으로 표현된다. 따라서 무선채널에서 받은 신호의 신호대잡음비는 시간이 지마에 따라 가변적으로 변하게 된다.