SMPTE ST 2084

1. 개요

SMPTE ST 2084는 HDR 영상을 구현하기 위하여 돌비에서 개발한 EOTF다. 인지 시각 양자화 (Perceptual Quantizer, 이하 PQ)라고도 불린다. 미국 영화ㆍ텔레비전 기술자 협회 (Society of Motion Picture and Television Engineers,이하 SMPTE)에 의해 표준화가 되었다.

2. 특징

PQ에 대응되는 10비트 영상의 휘도 정보

2.1. 밝기 범위

PQ 함수로 인코딩된 신호는 10비트 이상의 색 심도로 인코딩 되어 다양한 압축 기술과 매체를 통해 전송될 수 있다.
SDR은 0 ~ 255, HDR 10비트는 0 ~ 1023, HDR 12비트는 0 ~ 4095 단계의 심도를 가진다.

PQ 전달 함수는 0이상 10,000 cd/m2 의 밝기를 표현할 수 있는데 이 것은 존재하는 그 어떤 디스플레이 장치의 밝기 범위보다도 훨씬 넓은 것이다. 그리고 PQ 전달 함수의 또 다른 주요 특징은 각각의 code 값이 하나의 독립된 절대 밝기 값을 표현하도록 정의한다는 점이다. 이러한 특성으로 인해 SDR 기기와의 상호호환성이 떨어진다는 것이 단점으로 지적되고 있다.

또한, 돌비는 PQ 함수를 개발할 때에 인간의 시각을 고려하여 사실적인 콘트라스트 구현과 감마 인코딩에서도 효율적인 비트 할당이 가능하도록 의도하였다고 한다. PQ 함수로 인코딩된 이미지가 가질 수 있는 최대 색상값의 50% 지점은 SDR의 최대 밝기인 100 cd/m²에 대응되고, 75% 지점은 1,000 cd/m²의 밝기에 대응된다. 100% 지점은 10,000 cd/m²에 대응된다.
동영상에서는 0 ~ 1023 값 중 64 ~ 940 값 까지만 사용하며, 대표적으로 64값 0 cd/m², 65값 0.00005 cd/m², 83값 0.01 cd/m², 119값 0.1 cd/m², 195값 1.0 cd/m², 327값 10 cd/m², 509값 100 cd/m², 723값 1000 cd/m², 940값 10000 cd/m²에 대응한다. 10비트 PQ값은 SDR에서 사용되던 0.01 ~ 100 cd/m²에 배정된 심도가 약 430 단계로 기존 256 단계보다 넓다.

ITU-R BT.2048 표준에서는 HDR 영상에 대한 레퍼런스 화이트 밝기를 최대 색상값의 58% 지점에 대응되는 휘도인 203 cd/m²를 권장하고 있다.

2.2. 톤매핑 방식

창작자들의 HDR 마스터 제작 환경은 매우 특별하다. 마스터링 모니터의 표현력은 일반인 입장에서 거의 무한대에 가깝고, 실내의 빛은 거의 완벽하게 차단되는 것이 일반적이다. 이런 환경에서 만들어 진 HDR 마스터는 매우 넓은 명도 범위와 색공간을 가지게 되는데, 문제는 이것을 원본 느낌 그대로 재생하기에는 일반 사용자의 디스플레이 성능이 언제나 턱없이 부족하다는 사실이다. 따라서 원본 HDR 마스터와 일반 디스플레이 장치 사이의 괴리를 극복하기 위해 톤매핑이 필요하다.

모든 프레임에서 같은 톤매핑 커브를 사용하면 정적 톤매핑이고, 다양한 톤매핑 커브를 사용하면 동적 톤매핑이다. 다만, 많은 기기들은 HDR 영상 파일에 첨부된 톤매핑 관련 메타데이터를 무시하고 영상의 히스토그램을 직접 참조하여 톤매핑을 하는 경우가 많아 HDR 메타데이터가 의미없는 경우도 많다.

2.2.1. 정적 톤매핑

고정식 메타데이터(Static Metadata)는 SMPTE ST 2086에 정의되어 있으며, 이들은 각각 마스터링 시 사용 된 모니터의 밝기 범위 및 색좌표 공간을 정의한다. 한편 CTA-861과 Bluray 표준에는 또다른 고정식 메타데이터인 MaxCLL(Maximum Content Light Level)과 MaxFALL (Maximum Frame Average Light level)이 정의되어 있다. 이들 고정식 메타데이터는 공통적으로 하나의 파라메터를 한 편의 영상 전체에 일괄적으로 적용하는 문제점을 공유한다.

2.2.2. 동적 톤매핑

고정식 메타데이터만을 이용할 경우, 단 한 벌의 메타 데이터가 영상 전체에 대해 정의되는 방식이기 때문에, 영상 내에 존재하는 다양한 씬에 대해 각각 최적화 된 톤매핑 방법을 적용하는 것이 이론적으로 불가능해 진다. 그 결과 다양한 문제점들이 발생 하게 되는데, 한 예로 고정식 메타데이터를 기반으로 제작 되는 HDR10 영상을 재생하는 일반적인 과정에서 디바이스는 재생 중인 영상의 프레임 별 히스토그램을 지속적으로 추적하고, 이를 바탕으로 화면 전체의 밝기를 점진적으로 밝고 어둡게 제어하는 동작을 수행하는데, 사실 씬 별로 다이내믹 레인지 정보가 별도의 메타데이터로 주어 진다면 이러한 동작은 불필요하게 된다.

현재 많은 디스플레이 장치에서 HDR 입력이 들어 오면 가장 밝은 픽셀들을 찾아 이를 디스플레이의 최대 밝기로 단순 매핑시키는 간단한 방법으로 톤매핑을 수행한다. 하지만 디스플레이로 입력되는 영상은 다양한 특성의 씬으로 구성된다. (밝은 야외, 어두운 야경, 눈부신 폭발 등). 따라서 영상 전체에 일괄적으로 적용할 수 있는 단 하나의 효과적인 톤매핑 규칙은 이론적으로 존재할 수 없다.

파일:hdr10plus_whitepaper_v01_figure02.png

가변식 톤매핑은 씬별로 서로 다른 톤매핑 커브를 적용한다. 그 결과 암부가 더 어두워져 어둠 속 물체가 잘 안보이게 되거나, 명부가 밝게 포화되어 하늘과 구름이 다 같이 밝은 하얀색으로 보이는 문제가 효과적으로 방지될 수 있다. 고정식 톤매핑은 이러한 서로 다른 씬에, 그것이 매우 밝든지 아니면 어둡든지에 상관 없이 일괄적으로 동일한 톤매핑 커브를 적용하는 것을 볼 수 있다. 하지만 가변식 톤매핑 방법에 따르면 모든 씬에는 각각의 씬에 최적화된 톤매핑 커브가 적용되고 있다. 그 결과 원본 창작자의 예술적인 의도와 보다 가까우면서, 또한 그로 인해 더욱 생동감 있는 시각 효과가 얻어지게 된다.

가변 메타데이터는(Dynamic Metadata)는 원본 HDR 마스터에 존재하는 영상의 모든 정보를 디스플레이에 정확하고 풍부하게 표시하기 위해 필요한 충분한 제어 정보를 포함하고 있다. HDR10+ 가변 메타데이터는 씬 혹은 프레임 별 픽셀 통계로부터 도출된 영상 특성 정보를 메타데이터 형태로 가공하여 보관한다. 이렇게 만들어 진 씬 별 “꼬리표”는 각각의 씬 안에서 가장 중요한 시각정보가 어떤 밝기 구간에 분포하는 지를 알려 주는 지표로 활용될 수 있다. 디스플레이 장치는 이렇게 주어진 HDR10+ 가변 메타데이터에 포함된 정보를 이용해서, 해당 디스플레이 장치의 물리적 특성에 최적화 된 톤매핑 커브를 만들고, 이를 화질 최적화에 활용할 수 있다.

3. 관련 플랫폼

Dolby Vision과 HDR10+ 플랫폼은 동적 톤매핑 방식을 채택하였고 HDR10 플랫폼은 정적 톤매핑 방식을 사용한다.

3.1. HDR10

BT.2100-PQ 색상 기반의 최초 HDR 영상 플랫폼. HDR 영상을 상용화 했던 최초 사례로서 Blu-ray Disk Association(BDA)은 자신들의 UHD Blu-ray 표준에 10bit 영상 신호로 정의 되는 PQ 전달 함수를 신규 정의하여 포함 시키고 이를 HDR10 이라 부르기 시작했다. PQ 양자화 코드로 표현되는 픽셀 데이터와 더불어 메타데이터가 한 쌍으로 전송되는데, 이 메타데이터는 PQ 양자화 코드로 인코딩 된 영상내 각 픽셀 정보들의 밝기 범위를 정의 하도록 구성 되었다. 이 때 HDR10을 위해 정의 된 메타데이터는 한 편의 영상 데이터 전체 구간에서 고정된 값으로 유지 되는데, 이것을 고정식 메타데이터(Static Metadata)라고 부른다.

3.2. HDR10+

자세한 내용은 HDR10+ 문서 참고하십시오.

HDR10+는 2017년에 발표된 최신 표준이며, 그 결과 앞서 나왔던 여타 HDR 기술들의 장점을 취하고 단점을 극복하는 방향으로 설계될 수 있었다. 즉, 기존의 HDR10과 달리 HDR10+ 신호는 영상의 다이내믹 레인지(Dynamic Range) 정보뿐 아니라 명부와 암부 사이의 중간 계조에 대한 영상 특성 정보를 각 씬별 혹은 각 프레임 별로 개별적으로 제공한다. 그 결과 디스플레이 장치는 영상을 보다 리얼하고 세밀하게 표시하여 창작자의 원래 의도를 최대한 왜곡 없이 전달할 수 있다.

HDR10과 같은 고정식 HDR 기술은 영상의 전체 구간에 대해 단 하나의 톤매핑 규칙을 적용하는 반면 HDR10+ 는 각각의 씬을 독립적으로 최적화 할 수 있도록 다이내믹 톤매핑을 사용하는 바, 밝기와 명암 표현 능력을 디스플레이의 특성에 보다 정확하게 최적화 시킬 수 있는 장점이 있다.

HDR10+는 로열티가 없다. 영화사든, 영화 제작사든, 디스플레이 및 기타 장비 제조사든 Adopter 계약만 맺으면 누구에게나 무료로 제공된다. HDR10+ 표준 기술은 영상의 특징을 기술하는 가변 메타데이터 기술과 이를 기반으로 구축되는 에코 시스템 기술을 통해 씬별 최적의 HDR 화질을 구현하기 위한 방법을 제공한다.

3.3. Dolby Vision

자세한 내용은 Dolby 문서 참고하십시오.

PQ 전달 함수를 채택하였고 HDR10+와 더불어 동적 톤매핑 방식을 채택한 Dolby의 HDR 플랫폼이다.

하위 호환성을 고려하여 싱글 레이어 인코딩 뿐만 아니라 듀얼 레이어 인코딩을 정의하였다. 극장으로는 싱글 레이어로 인코딩된 영상만 배급되지만 Ultra HD Blu-ray로 배급되는 경우에는 주로 듀얼 레이어 방식[1]으로 영상이 수록된다.

3.4. SL-HDR 1 · SL-HDR 2

필립스와 테크니컬러가 개발한 HDR 에코 시스템으로 PQ 전달함수를 사용한다. SL-HDR 1은 SDR 레이어를 베이스로 하고 SL-HDR 2는 HDR10 레이어를 베이스로 한다.

[1] HDR10 영상 + Enhancement Layer 또는 SDR 영상 + Enhancement Layer

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관련 분야
전파통신 (ITU-R) Radiocommunication
내용
HDR 디스플레이를 위한 영상 및 이미지 스펙
색 영역	DCI-P3 · ITU-R BT.2020 표준
전송 함수	PQ · HLG · 선형
색 심도	10 비트/채널 이상 (정수 · 부동소수점)
흰색 기준점	203 cd/m² (ITU-R BT.2408 표준)
색상 포맷	RGB · YUV · ICtCp