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High Dynamic Range

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  • 이하의 세 가지 항목은 서로 다른 대상에 대한 내용이나 근본적인 원리는 같다.


1. HDR 렌더링
1.1. 장점
2. HDR 이미징3. HDR (디스플레이)
3.1. HDR 게이밍 인풋 랙에 대한 논란

1. HDR 렌더링[편집]

원래는 High Dynamic Range Rendering(HDRR)이지만 보통 뒤의 Rendering을 제외하고 High Dynamic Range(HDR)이라고 부르는 경우가 많다. 게임이나 영화 CG에서 현실적인 화면을 얻기 위해 좀 더 넓고 세밀한 범위의 광원계산을 행하는 것을 이르는 말.

HDR 렌더링은 현행 8비트의 밝기 단계를 넘어서 16비트나 32비트 등의 더 큰 단계를 이용하도록 해서 좀더 다양한 밝기 단계를 생성하는 방식이다.

기존 단계의 각 단계 사이에 추가로 더 늘어남으로 명암을 더 확실하게 계산하게 된다.

이 때문에 HDR 렌더링에서는 기존의 렌더링 시스템에서는 표현할 수 없는 보다 사실적인 3차원 이미지를 표현할 수 있다.

2004년 크라이텍파 크라이의 추가 패치를 통해 게임 최초로 HDR 기능을 적용했고, 2005년 밸브하프라이프 2: 로스트 코스트를 시연하면서 자사의 소스 엔진을 활용한 HDR 기술을 발표했다. 다만 이 기술은 HDR을 지원하지 않는 기존의 모니터에서 HDR'과 유사한' 화면을 볼 수 있도록 만든 것이라 엄밀한 의미의 HDR이라고는 할 수 없다.

1.1. 장점[편집]

NVIDIA는 HDR의 장점을 세 가지로 표현하였다.
1. 밝은 물건은 좀 더 밝게 표현될 수 있다
2. 어두운 물건은 확실히 어둡게 표현이 가능하다
3. 위 양쪽의 경우 모두 명암에 의한 세밀함을 살릴 수 있다

기존 LDR 라이팅의 경우 의 변화폭이 큰 장면에서 너무 어두운 물체의 경우 아예 까맣게 표시가 되고, 너무 밝은 물체는 역으로 아예 하얗게 표시되는 경우가 있었다. HDR은 부동소수점 단위의 광원 계산을 통해 세밀함을 더하는 방식으로 자연스러운 화면을 연출할 수 있게 되었다.

HDR의 다른 장점은 실제 인간이 느끼는 밝기의 차를 그대로 구현할 수 있다는 점이다. 바깥에서 들어오는 빛의 경우 밝기를 강하게 하여 뿌옇게 만들고 내부의 빛을 받지 못하는 구조물은 명암을 좀 더 주어 실제적인 광원을 강조할 수 있다.

HDR은 유리과 같은 투명한 물체의 반사와 굴절 작용을 처리하기에도 용이하고, 밝기 제어의 경우 HDR을 사용하지 않은 경우 모든 빛의 범위 값은 0.0(어둠) ~ 1.0(밝음) 사이의 값만 가지지만 HDR 사용시 가상적으로 1을 넘는 밝기값이 허용된다.[1]

그 외에도 인간의 눈이 밝기에 따라 적응하는 점을 표현할 수 있고, 모니터 색 한계값을 반영하여 그에 따라 인간의 시각이 밝기를 인지하는 것과 비슷한 효과를 낼 수 있으며 눈부심(Bloom) 효과를 적재적소에 활용하여 실사와 같은 광원을 표현할 수도 있다.

2. HDR 이미징[편집]

High Dynamic Range Imaging(HDRI)이라고 한다.[출처]
HDR 렌더링과는 반대로 실제 사진을 찍을 때 사진기가 표현할 수 있는 대비의 한계(인쇄물의 경우 약 100:1, 일반 디지털 카메라의 경우 약 300:1)를 넘어 더 넓은 대비를 갖는 이미지를 얻는 기술을 HDR 이미징이라고 한다. 카메라 기술의 한계로 한 장의 이미지에서 얻을 수 있는 대비의 한계는 3000:1 정도인데, 이보다 높은 대비의 이미지를 얻으려면 같은 장면을 서로 다른 노출로 여러 번 찍어 HDR 이미징 알고리즘으로 합성하면 된다. 1997년에 개발되었다.[3]

쉽게 얘기하면 한 장면을 표준 노출, 오버(+), 부족(-)으로 3장 이상 찍어서 밝은 부분은 -노출 쪽 사진을 쓰고 어두운 부분은 +노출 사진 쪽 부분을 써서 합성하는 것이다. 과거엔 포토샵 같은 전문 프로그램을 이용해야 했지만, 2010년대에는 웬만한 디카에는 기능이 들어 있고, 심지어 스마트폰의 카메라 프로그램도 HDR 모드가 있다. 사진을 석 장 이상 찍어 합성하는 것이라 당연히 찍는 데 시간이 더 걸리고, 찍는 동안 사진기와 피사체가 움직이지 않아야 한다는 조건이 붙어서 너무 어둡거나 밝을 때, 어린이나 동물처럼 피사체가 빠르게 움직일 때에는 이 모드를 제대로 쓸 수가 없다. 하지만 2016년경에 와서는 스마트폰의 프로세서와 이미지 센서가 엄청나게 빨라졌기 때문에, HDR 합성에 들어가는 3장의 사진을 딜레이 없이 빠르게 찍을 수 있어서 HDR을 자동으로 켜 놓는 수준까지 올라왔다. 실제로 갤럭시 S7이나 LG V20, HTC 10 등의 뛰어난 카메라 성능을 자랑하는 스마트폰들을 사용해 보면 LDR이 아닌 HDR 이미징을 기본적으로 지원하는지라 확실히 사진의 명암비가 뛰어나다는 것을 느낄 수 있다.

HDR 이미징은 주로 환경맵(Environment map)을 얻는데 사용한다. 환경맵이란 현실세계에서 360도 HDR 파노라마[4]로 주변 경관을 찍어서 주변의 광원 데이터를 얻는 것을 가리킨다.[5] 이렇게 얻은 HDR 환경 맵은 해당 장면에 합성할 3차원 오브젝트를 렌더링할 때 광원으로 사용하여 조명들을 직접 구해서 비추는 방식에 비해 훨씬 자연스럽게 합성된 이미지를 얻을 수 있다.

3. HDR (디스플레이)[편집]

맨 위의 HDR 렌더링에서 지적된 문제들을 기존에 출시된 디스플레이들과의 호환성을 유지하면서 해결하기 위한 표준. 기존에는 넓은 다이나믹 레인지를 가진 소스(고가 장비로 촬영된 영상이나 HDR 렌더링으로 만들어진 게임 내부 3D 세계)를 오래된 디스플레이 한계 기준에 맞춰서 맵핑하였으나, 이제는 그 한계를 좀더 넓혀서 이를 보여줄 수 있는 디스플레이를 만들고 이에 관련된 컨텐츠 제작 및 보급을 위한 포맷을 규정하자는 것이다.

공통적인 일부 기술들(10bit 이상의 색 심도, 로컬 디밍, PQ 커브 등)은 이미 기존에 상용화된 것이지만, 2015년 즈음에 들어서 각 디스플레이 제작사들이 제각기 쓰던 것을 통합하여 명확한 스펙으로 제시하였다. 현재 규격은 지금의 기기실현 한계를 인정한 HDR10(10bit, DCI-P3, 명암비 40만:1/100만:1)과 미래지향적인 돌비 비전(12bit, BT.2020, 명암비 200만:1)으로 나뉜다. 기존 기기와의 호환성이 필요하기 때문에, 기존의 디스플레이를 SDR로 지칭하고 이 SDR 정보와 HDR 정보를 함께 전송하며 수신 측에서 HDR을 지원할 경우 HDR 이미지를 출력하는 방식이 사용되고 있다. 현재 HDR을 지원할 수 있는 기기들의 한계상 OLED TV를 위한 기준(암부 스펙을 강조)과 로컬 디밍 LCD를 위한 기준(명부 스펙을 강조)이 별도로 존재한다.

또한 하이브리드 로그-감마(Hybrid-Log Gamma, 통칭 HLG) 방식도 있다. BBCNHK가 2015년부터 공동 개발하여 2016년부터 본격 적용되고 있다. HLG는 기존의 PQ 방식 특히 HDR10이 SDR 디스플레이에서는 화질이 왜곡되는 것과는 달리[6] SDR에서도 하위 호환이 보장되며, PQ 방식의 다른 약점인 실시간 방송에도 쉽게 적용되도록 특화되었음을 어필하고 있다.[7] 대신 PQ 방식보다 품질은 낮다. 블루레이와 OTT 컨텐츠가 HDR10과 돌비비전 위주인 것에 비해 HLG는 위성방송 중심으로 전개되고 있다.

이후 17년 4월에는 삼성과 아마존비디오가 HDR10의 보완판인 HDR10+을 내놓았고, 17년 12월에는 VESA에서 DisplayHDR400, 600,1000 규격을 추가했다. HDR10+는 HDR10과 돌비 비전의 갭이 큰 것에 착안해서 둘 사이에 적당히 끼워넣은 규격이고[8], VESA의 DisplayHDR 시리즈는 하이엔드 규격인 HDR1000이 기존 HDR10과 비슷, 기존 디스플레이와 HDR10 사이의 갭을 메꾸기 위한 규격으로 보인다.# 특히 HDR400은 HDR 디스플레이라고 말하기도 힘든, 기존 디스플레이에서 HDR10 컨텐츠를 정상 재생하기 위한 최소한의 규격이다.

2018년 1월 ATSC 3.0 규격에 돌비비전의 동적 메타데이터와 색채 표현 방안이 포함되었다.# 또한 스페인과 영국, 프랑스 등의 방송국에서 돌비비전 시험방송이 행해지고 있다.#

'4K UHD TV와 기존 FHD TV의 뚜렷한 차이점을 보여주지 못하여, 신규판매 확대에 한계를 느낀 TV업계가 스트리밍 시대 이후 차이를 보여주기 더 힘들어지자 한철장사로 팔아먹고 뜨기 위한 급조된 표준'이라는 시각도 있지만 그런 유명무실한 표준은 아니다. 실제 HDR 영상과 SDR 영상은 상당한 해상력 차이를 보여주며 지원 소스 또한 다각적으로 나오고 있다. 다만 HDR의 표준은 계속 만들어지는 과정에 있으며 아직 완성되지 않았기 때문에, 지금의 HDR 컨텐츠들은 HDR의 여러 규격 중 극히 일부만 맞춰두고 있는 실정이다.

HDR에 대한 일반 소비자용 컴퓨터 업계의 지원으로는 AMD자사 제품들의 HDR 지원을 소개하며 발표한 내용들을 참조. 거치형 콘솔 게임기인 엑스박스 원 S엑스박스 원 X, 플레이스테이션 4, 플레이스테이션 4 프로 역시 HDR을 지원한다.

영상기기에 대해 조예가 깊은 매니아들은 이미 짐작하겠지만, 대한민국 방송/영상 업계는 이런 것에 관심 없기로 유명하다. 4K UHD는 시작 단계로 아직까지 FHD[9]에 머물고 있고, 중요한 중계 방송이나 영화를 제외하면 5.1채널 음향을 100% 지원하는 방송도 드문 실정인 만큼 게임도 안하고 UHD 블루레이 디스크와 미국 드라마에도 관심이 없다면 HDR은 관심 꺼도 좋다. 우여곡절 끝에 한국에서도 2014년부터 케이블/위성으로, 2017년 5월부터 지상파로 4K 방송이 실시되고 있으며 HDR은 HLG 방식으로 일부 프로그램에 한하여 제한적으로 적용되고 있다.

현재 한국에서 HDR을 지원하는 스트리밍 서비스는 넷플릭스아마존 프라임 비디오가 있다.

2016년 11월 7일 유튜브도 HDR 동영상을 지원하기 시작했다.출처

사실 이 기술은 현재 시점에선 치명적인 결점이 존재하는데, 현재 대부분의 디스플레이의 입력단으로 사용되는 HDMI 2.0 규격의 최대 화질은 4K 해상도 상에서 크로마 서브샘플링 4:4:4 8bit 60프레임이 규격상의 한계이다. 보통 콘솔 및 PC 등의 기기 입력 시 최고의 화질을 위해 대부분 저 설정으로 연결하게 되는데, 이 상태에서는 10bit/12bit 크기의 HDR 신호를 전송할 수 없다. 결국 대역폭 확대를 위해 크로마 서브샘플링을 4:2:0으로 내리는 등의 처리를 하게 되는데, 이는 HDR을 위해 근본적인 화질을 저하시키는 것과 다름이 없다.

게다가 HDR 컨텐츠를 제작하는 입장에서도 문제가 있다. 아직까지 돌비 비전은 커녕 HDR10을 완벽하게 지원하는 PC용 모니터조차 손에 꼽을 정도이며[10] 가격도 매우 비싸다. HDR을 제대로 지원하지도 못하는 디스플레이 장비로 HDR 컨텐츠를 만들 수 있을까? 현 시점에서 HDR을 논하기엔 소비자, 제작자 양쪽이 모두 기술적으로 아직 시기상조인 것이다.

현재 PC나 콘솔 입력 등으로는 디스플레이의 최대 성능을 끌어낸 HDR 소스 감상은 절대 불가능하며, 스마트TV와 같은 자체적인 화질 처리 엔진과 미디어 재생 능력을 갖춘 디스플레이에 직접 USB를 입력하든지, 디스플레이 자체의 스마트 기능(DLNA 등) 을 이용해 영상 신호가 아닌 데이터 파일을 직접 전송하는 경우에만 HDR의 제 성능이 나오게 되는데, 대부분의 디스플레이 활용이 HDMI를 통해 이루어 진다는 것을 생각하면 이는 결국 소비자의 무지를 이용해 활용하기 힘든 기술을 끼워팔고 있는 것이나 다름이 없는 상황. 이 문제는 HDMI의 대역폭이 가진 근본적인 문제이므로, HDMI의 버전이 동적 HDR을 지원하는 2.1로 올라가거나 디스플레이 입력단에 DisplayPort 1.4 이상의 버전이 채택되기 전에는 해결될 수 없다.HDMI1.4에서의 HDR 디스플레이, 특히 TV 업계에 있어서 규격의 확보가 우선되어야 할 미래의 기술을 판촉을 위해 무리하게 끌고 왔다는 의심을 피하기 힘든 부분.

3.1. HDR 게이밍 인풋 랙에 대한 논란[편집]

파일:크리에이티브 커먼즈 라이선스__CC.png 이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 플레이스테이션 4 프로 문서의 r549 판에서 가져왔습니다. 이전 역사 보러 가기

플레이스테이션 4 프로가 최초로 HDR 영상 출력을 지원하기 시작한 이래 시중의 HDR 지원 디스플레이들의 입력 지연이 심하다는 점이 논란이 되었다.
플레이스테이션 4 프로의 또 다른 홍보 수단인 HDR 게이밍 기능은 사실 기존 플레이스테이션 4에서도 2016년 9월 13일에 시스템 소프트웨어 버전 4.0으로 업데이트되면서 같이 적용된 상태이다.[11] 하지만 HDR을 경험하기 위해서는 게임 및 게임기가 HDR을 지원해야할 뿐 아니라 디스플레이 장치도 HDR을 동시에 지원해야 한다. 그리고 4K 해상도를 가진 HDR 디스플레이 장치는 2017년 현재, 100만 원은 가뿐히 넘어간다.

하지만 더 큰 문제는 많은 디스플레이가 가지고 있는, 영상 후처리 등을 최소화하여 인풋랙을 줄여주는 이른바 게임 모드에서 HDR을 제대로 지원하는 디스플레이 장치가 극소수라는 점이다. FPS나 레이싱, 격투, 리듬게임 장르같이 민첩한 조작을 필요로 하는 게임들은 특성상 인풋랙을 더 우선시 해야 하기 때문에, 이들 장르에서는 HDR 기능이 그림의 떡이 될 수도 있다는 것이다. 게이밍 HDR 모드를 지원하는 디스플레이들이 본격적으로 쏟아져 나올 것으로 예상되는 시점이 경쟁기기 XBOX ONE X가 발매 시점 전후가 될 것이라는 점에서, 게임 유저들 사이에서 논란거리를 낳고 있다.

XBOX ONE S 출시 며칠 후 HDR이 가능한 디스플레이 장치의 인풋랙에 대해 디지털 파운드리에서 일부 모델을 벤치마크해 기사로 다뤘다. 기사에 따르면 파나소닉 모델의 경우 디스플레이 모드와 독립적으로 HDR이 가능해 게임 모드 선택후 인풋랙은 38㎳~43㎳의 비교적 준수한 성능을 나타내고 있으며, LG나 삼성 모델은 영화 모드에서만 HDR이 동작해 LG 모델들의 경우 인풋랙이 48㎳~64㎳로 그다지 좋지 않은 편이며, 삼성 모델의 경우 인풋랙이 100㎳가 넘어가 사실상 HDR 게이밍은 가능하기는 하나 힘든 수준이라고 한다.

이 곳에서 2015년 이후 발매된 60개 모델의 TV를 상대로 HDR 게이밍 인풋랙에 대한 조사한 바에 따르면, 해당 사이트에서 Good Value로 보는 40㎳ 기준으로는 8종류의 TV 모델이, 많은 사람들이 느끼지 못한다는 75㎳를 기준으로 했을 때에는 12종류의 TV 모델만이 나오고 있다.

하지만 2017년 들어 인풋 랙이 평균 20ms로 줄어서[12] 아무 문제 없다.

[1] 물론 이것은 한시적인 시뮬레이션이며 주변 환경과 매칭되도록 1 이하의 값으로 재계산이 된다. 즉 1 이하의 값으로 줄이기 위해 주변 밝기를 줄인다는 뜻.[출처] 영문 위키백과[3] Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Debevec and Malik 1996[4] 파노라마를 확보하는 방법은 카메라의 종류와 성능, 그리고 환경맵을 구성하는 기술에 따라 달라진다.[5] 실제로 주변 경관을 그대로 360도로 찍으면 못해도 수백 장의 HDR 이미지가 필요하기 때문에, 현실에서는 크롬볼(Crome ball. 말 그대로 크롬제 금속 공이다)을 사용하여 여기에 반사되는 환경을 찍어서 반사된 환경맵을 얻고(구형의 환경 맵이 얻어진다), 이를 큐브 형태의 맵으로 변환하여 쓴다. 실제로 찍는 것에 비해 오차가 좀 있긴 하지만, 직접 찍는 것보다 훨씬 적은 양의 사진만으로도 환경 맵을 구성할 수 있다.[6] 돌비비전은 듀얼레이어 방식으로 SDR과 HDR 정보를 함께 전송함으로써 SDR에서도 정상적인 화질을 보인다.[7] 다만 돌비의 반론에 따르면 PQ 방식으로도 충분히 실시간 방송은 가능하다고 한다. 실제로 스페인 공영방송 RTVE는 2017년 7월 5일, 세계 최초로 돌비비전과 돌비 애트모스를 활용한 생방송에 성공했다.[8] HDR10이 정적 메타데이터를 사용하는 것에 비해 HDR10+는 돌비비전에서와 같은 동적 메타데이터를 적용했다.[9] 대부분 1080p가 아닌 1080i나 720p 소스로 송출하고 있으며 그나마 영화 쪽이 2K 소스를 사용하고 있다.[10] 이마저도 DCI-P3AdobeRGB가 아닌 sRGB로 색 공간을 맞춘 경우가 대부분이다.[11] 그러나 마이크로소프트의 경우 XBOX ONE S 출시 이후 HDR 게이밍 기능을 지원하고 있으며, HDR이 최초로 적용된 게임은 2016년 9월 21일에 출시될 NBA 2K17이 될 전망이다.[12] LG, 삼성전자, 소니, TCL, VIZIO 같은 회사 제품