UHDTV(Ultra High Definition TV)

1. 개요

2. UHDTV video resolution

3. UHDTV와 HDTV 비교

4. UHDTV 주요 기술 분야

  4.1 콘텐츠 획득 기술

  4.2 부호화 기술(HEVC(High Efficient Video Coding) 고화질 영상 압축 표준)

  4.3. 전송 기술

  4.4 STB 기술 및 디스플레이 기술

5. 향후 전망

1.개요

  - 60인치 이상의 대형 디스플레이에서 기존의 HD(High Definition)급 해상도로 사람의 얼굴을 크게 비추면 사각형의 화소가 보여 화질이 매끄럽지 못하다

  - 따라서 기존의 HD급 영상보다 4배 이상, 16배까지 선명한 초고화질 UHD(Ultra High Defintion) 영상 서비스가 차세대 방송기술로 새롭게 주목받고 있다

  - 가정에서 70mm 영화보다 좋은 화질과 음질을 제공하는 차세대 방송 규격.

  - 차세대 고선명 텔레비전(HDTV) 규격으로 일본에서는 슈퍼 하이비전(SHV)이라고 부른다.

 

2. UHDTV video resolution

 

3. UHDTV와 HDTV 비교

구분	HDTV	UHDTV
		4K	8K
해상도	1920×1080	3840×2160	7680×4320
화면주사율	30Hz	60Hz
컬러당 비트수	8, 10 bits	10, 12 bits
컬러 포맷	4:2:0	4:4:4, 4:2:2, 4:2:0
가로세로 화면비	16:9	16:9
오디오 채널 수	5.1	10.1~22.2
수평 시야각	30도	55도	100도

  - 화질은 기존의 HDTV보다 16배 높은 화소 수(7680×4320)와 10 내지 12비트로 색을 표현하고, 컬러 포맷도 4:2:2 이상으로 큰 화면에서 더욱 섬세하고 자연스러운 영상 표현이 가능하다.

  - 시청 거리가 짧아져 100도 이상의 시야각을 확보할 수 있어 극장과 같은 입체감을 느낄 수 있다.

  - 오디오도 22.2채널을 사용하여 수평, 수직에서의 서라운드 효과로 실제 현장과 같은 음향을 느낄 수 있다.

4. UHDTV 주요 기술 분야

 - UHDTV 서비스 기술은 서비스 제공 경로에 따라 콘텐츠 획득 기술, 부호화 기술, 전송 기술, 디스플레이 및 STB 기술 분야로 분류할 수 있다

 4.1 콘텐츠 획득 기술

    - 4K, 8K UHD camera 지속적으로 개발 중

 4.2 부호화 기술(HEVC(High Efficient Video Coding) 고화질 영상 압축 표준)

    4.2.1 고화질 영상 압축 기술의 필요성과 목적

          - 고화질 영상 서비스를 위해 해결해야 할 문제점 중 하나는 데이터양의 증가이다.

          - 해상도가 커지고, 색공간 및 색깊이 프레임율이 증가할 수록 데이터양이 기하급수적으로 증가

          - 실감미디어 시대를 위해서는 고화질 영상을 효과적으로 압축할 수 있는 비디오 압축 표준의 역할이 매우 중요

    4.2.2 JCT-VC의 고화질 영상 압축 표준기술 개발

         - 2003년 H.264/AVC 표준화가 끝난 이후에도 영상 압축 표준화의 양대 기구인 ISO/IEC MPEG과 ITU-T VCEG에서는 각각 차세대 비디오 압축 표준 연구를 계속 진행

         - ITU-T VCEG(Video Coding Experts Group)과 ISO/IEC MPEG(Moving Picture Experts Group)은 H.264/AVC보다 더 개선된 압축률과 더 낮은 복잡도를 갖는 새로운 차세대 동영상 압축 표준의 필요성을 느끼고, JCT-VC(Joint Collaborative Team on Video Coding)를 구성, 2010년 초 HEVC( High Efficiency Video Coding)라는 새로운 표준화 활동을 시작

        - 마침내 2013년 1월 스위스 제네바 회의에서 HEVC 최종 표준안(FDIS: Final Draft International Standard)이 완성

        - HEVC는 H.264/AVC에 비해 약 35%의 부호화 효율을 보이는 차세대 영상 압축 표준으로, HD급 영상과 UHD급 영상의 방대한 데이터를 효과적으로 압축하기 위한 핵심 기술로 사용될 것으로 예상

 

      4.2.3 H.265 특징 

             - 부호화 효율이 향상됨

             - 다양한 블록 파티션을 사용함

             - 저복잡도 엔트로피 부호화를 사용함

             - 화면내 예측 성능이 향상됨

             - 향상된 움직임 예측 기술 AMVP(Advanced Motion Vetor Prediction) 사용

      4.2.4 H.264와 H.265 비교

		H.264	H.265
일반사항	명칭	MPEG 4 Part 10 AVC	MPEG-H, HEVC, Part 2
	Key improvements	MPEG-2에 비교하여 약 40~50% 비트레이트 감소 HD 콘텐츠 전달을 위한 주요 압축 기법	H.264에 비교하여 약 40~50% 비트레이트 감소 UHD, 2K, 4K를 위한 주요 압축기법으로 사용될 것으로 기대됨
	진화	MPEG-2/4 후속	MPEG-4 Part 10 AVC 후속
기술적인 사항	압축 기본 단위	Macro Block(16*16)	CTU(Coding Tree Unit, 64*64) 다양한 분할구조 지원
	화면내 예측(Intra-Prediction) - 화면 내 공간적 중복성 제거	9개 예측모드	35개 예측 모드
	화면간 움직임 예측 기술	Motion Vector Prediction	AMVP(Advanced Motion Vector Prediction), Merge
	Entropy Coding	CABAC or CAVLC	CABAC
	루프 필터	디블록킹 필터	디블록킹 필터+SAO(Sample Adaptive Offset)
	해상도 및 프레임레이트	4K까지 지원  59.97fps까지 지원	8K까지 지원 300fps까지 지원
	단점	UHD에 부적합	알고리즘 복잡

<참조>

HEVC 표준 주요 기술

        HEVC 부호화기의 블록도

         HEVC Main profile

                  - HEVC에는 H.264/AVC와 달리 하나의 프로파일만 존재

                  - 아래표는 HEVC의 유일한 프로파일인 Main Profile에 포함된 기술들을 정리한 것이다.

<참조> H.264와 H.265 비교

http://www.mediaentertainmentinfo.com/2013/10/4-concept-series-what-is-the-difference-between-hevc-h-265-and-h-264-mpeg-4-avc.html/

<참조>

            가. 계층적 부호화 구조

                 - HEVC의 가장 큰 특징은 유연하고 효과적인 블록 분할 방식

                 - HEVC 세가지 종류의 부호화 단위를 적용하고, 계층적 구조의 부호화를 수행

                 - CTB(Coding Tree Block)은  HEVC에서 선보인 개념으로 64×64 화소 블록을 의미

                 - MPEG-2를 비롯해 MPEG-4, H.263, H.264/AVC 등 기존의 영상 압축 표준에서는 하나의 화면을 16×16크기의 화소 블록인 매크로 블록으로 분할해 부호화해으나, HEVC에서는 부호화 기본 단위로 CTB를 사용한다.

                 - 각 CTB는 부호화 트리의 루트로, 하나의 CTB는 하나 또는 다수의 부호화 블록(Coding Block, CB)으로 분할된다.

                 - CB의 크기는 쿼드트리 분할 방법을 통해 적응적으로 선택

                 - 각 CB는 예측 블록(Prediction Block, PB)과 변환 블록(Transform Block, TB)으로 분할된다

            나. 화면내 예측 부호화 기술

                - 33개의 방향성을 갖는 각도 기반 화면내 예측
                - 평탄한 영역을 효율적으로 부호화하기 위한 DC 예측과 Planar 예측

            다. 화면간 움직임 예측 기술

                - HEVC 화면간 움직임 예측의 주요 특징은 AMVP (Advanced Motion Vector Prediction) 기술과 Merge 기술이다.

                - H.264/AVC에서는 주변 블록들의 움직임 벡터들의 중간값(median) 을 이용해 하나의 움직임 벡터 예측값을 생성하고, 실제 움직임 벡터 와 이 예측값의 차를 부호화한다.

                - HEVC에서는 다양한 움직임 벡터 예측값들을 경쟁시켜 현재 움직임 벡터와 최소의 차이를 갖는 움직 임 벡터 예측값을 이용하는 AMVP 기술을 사용한다 
            라. 루프 필터 기술

                - HEVC는 복원영상의 화질 향상을 위해 디블록킹 필터와 SAO(Sample Adaptive Offset), 두 가지 루프필터를 사용한다.

                - 디블록킹필터는예측및양자화로 덕분에 발생하는 블록 경계의 왜곡을 효과적으로 제거함으로써 복호영상의 주관적 화질을 향상하는 기술

                - SAO는 양자화 등의 부호화 과정을 통해 발생하는 원본 영상과 복호 영상 간의 왜곡을 화소 단위의 오프셋(offset)을 통해 보상함으로써, 주관적 화질 및 부호화 효율을 함께 향상시키는 기술

            마. 엔트로피 부호화 기술

                - H.264/AVC에서 두 개의 엔트로피 부호화 기술을 사용했던 것과 달리, HEVC는 문맥 기반 적응적 이진 산술 부호화(context-based adaptive binary arithmetic coding, CABAC)를 엔트로피 부호화 기술로 사용한다. 

                - 처리량 및 메모리 효율을 향상시키기 위해 다양한 최적화 알고리즘을 추가

 4.3. 전송 기술

     - 고화질 대용량 영상 데이터를 지상파, 디지털케이블망,  위성망등을 이용하여 전송하기 위해서 고효율 변복조 기술, 채널 왜곡 보상 및 오류 정정 기술 등이 요구된다

     - 지상파 TV의 경우 DVB-T2 방식으로 실험 방송을 진행 중이고, 케이블 방송은 Opencable(변복조:256QAM) 을 전송 규격으로 4K-UHDTV를 상용화 함

 

 

 

<참조> CJ Hello vision UHD 상용방송 구성

 

 4.4 STB 기술 및 디스플레이 기술

     - 각 가정에서 전달망을 통해 서비스된 대용량의 UHD TV를 수신하여 신호를 복원하고 이를 디스플레이 시키기 위한 디코더 기술, 초고해상도가 가능한 디스플레이 소자 기술 등이 요구됨

 

5. 향후 전망

  - 큰 해상도와 뛰어난 선명함이 특징인 UHD 고화질 영상 서비스는 3차원 입체영상 서비스와 더불어 차세대 방송 기술로 주목받고 있다

  - 이미 업계에서는 소비자들의 요구를 반영해 고화질 영상을 지원하는 다양한 전자 기기들을 출시하고 있음

  - 안정적인 고화질 영상서비스를 위해서는 큰 데이터 양에 따른 데이터 처리 속도와 전송대역의 문제점을 해결해야 한다

  - 가까운 미래에 HEVC 표준이 다양한 응용 분야에서 광범위하게 사용될 것으로 기대됨

  - 지상파의 경우 DVB-T2, HEVC 등의 최신 전송 및 압축 기술을 활용하여 지상파 4K UHDTV 실헙방송을 진행 중

  - 케이블 방송의 경우 2014년 4월 세계최초로 4K-UHDTV를 상용화

 

 

 

<References>

http://www.stuff-review.com/2012-04/what-is-4k-and-qfhd-resolution/

http://vclab.gist.ac.kr/papers/02/2013/IDEC_Newsletter_YHo_1.pdf