[논문]디스플레이 화질의 진화 : 디스플레이 중심에서 인간 중심으로

최원희; 김세훈; 이민우

[국내논문] 디스플레이 화질의 진화 : 디스플레이 중심에서 인간 중심으로 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.17 no.6, 2016년, pp.39 - 47

최원희 (삼성전자 무선사업부 선행 Display Lab) , 김세훈 (삼성전자 무선사업부 선행 Display Lab) , 이민우 (삼성전자 무선사업부 선행 Display Lab)

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문제 정의

본 화질 기술 특집에서는 TV의 화질과 모바일 환경의 스마트폰 화질의 현주소를 점검하면서, 새로운 형태의 디스플레이인 VR 및 AR　HMD에서의 화질 이슈들이 추구하는 방향을 점검하고 그 원인들과 해결 방향을 모색하고자 한다.
실내에서 시청하는 TV와 모바일 환경의 스마트폰에 대한 최근 화질 분야의 기술 주제들을 각각 살펴보고 향후 발전 방향을 논의하고자 한다.
디스플레이의 발전을 견인해 왔던 TV의 역할을 생각 하면, 화질을 논할 때 TV를 가장 먼저 떠올리는 것은 당연하다. 본고에서는 다양한 TV 화질 항목들 중 최근 이슈가 되고 있는 해상도, 컬러, 및 DR에 대해서만 설명하도록 하겠다.
그와 함께 디스플레이의 역할도 정보 전달 수단을 넘어서 시각적으로 편안한 디스플레이를 원하는 단계에 이르렀다.^[5],^[12] 본고에서는 외부 조명 변화에도 불편하지 않은 시인성을 표현하기 위한 모바일 디스플레이의 화질 기술이 진화하고 있는 방향을 소개하고자 한다.
그러나 조명 디자인의 발달로 다양한 방향에서 조사되는 조명은 스마트폰 디스플레이와 함께 시각으로 들어오거나, 주행 중 자동차 창으로 들어오는 태양광과 같이 측면으로 조사되기도 한다. 이와 같이 다양한 각도로 조사되는 조명에 적응적으로 디스플레이의 밝기를 조정하기 위해 연구된 사례를 소개하고자 한다^[13]. 저자들은 [그림 3]에서 조도 센서 추가에 따른 조명 센싱 커버리지를 검토하였다.
이러한 경향은 스마트폰 형태의 디스플레이보다 눈앞에 장착한 HMD의 경우 더욱 인간의 시각계가 어떻게 HMD에서 제공하는 컨텐츠를 받아들일 것인가가 중요할 것이다. 본 장에서는 HMD의 대표격인 VR 과 AR을 통하여 이러한 이슈들을 검토하고자 한다.
러움, 및 시각의 불편함과 피로 등이 VR HMD의 중요한 화질 요소로 부각되고 있다. 본고에서는 디바이스의 성능 발전으로 해결 가능한 SDE 이슈를 제외한 어지러움과 시각 피로감에 대해 최근 연구 동향을 소개하고자 한다.
^[27] 그러나 최근 들어 Microsoft가 hololens를 발표하면서 AR HMD의 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다. AR을 구현하는 방식에는 포켓몬고와 같이 Video-see-through의 형태도 있지만, 본고에서는 Optical-see-through 방식에 한정하여 살펴보고자 한다.

제안 방법

Dolby는 사람의 시각 시스템을 기반으로 하여 다양한 디스플레이 DR　실험을 수행하였으며, 이를 바탕으로 Perceptual Quantizer(PQ)라는 인코딩 방식을 개발하여 Society of Motion Picture & Television Engineers(SMPTE) 에 표준화하였다.
결과적으로, 암순응 환경의 불편감 없는 디스플레이의 휘도는 [그림 5]와 같이 콘텐츠의 전경자극 면적과 대비비에 반비례함을 알 수 있다. 이러한 관계들을 이용하여 생성된 모델을 이용하여 조명뿐만 아니라 콘텐츠의 특성에 따라 디스플레이 휘도를 조정하는 방법을 제안 및 검증하였다(그림 6).
그 중 0-40000Lux의 조도변화 환경에서 컬러 및 DR 변화를 평가하고, 이를 시각적으로 유사한 화질을 표현하도록 보상하는 알고리즘을 개발한 예도 있다.[14] 해당 연구에서는 하플로스코프 검사(haploscope test)를 이용하여 시각적으로 실내 화질 수준의 컬러 및 휘도 값의 매핑 관계를 조사하고, 이를 이용하여 로컬 콘트라스트 및 컬러 향상값을 조명에 따라 적응적으로 제어하였다. [그림 7]은 조도별로 선명한 화질을 위해 원본 영상대비 2-3배 증가된 DR 을 표현하며, 특히 조도 5000Lux 이상에서는 3배 이상로컬 콘트라스트를 증가시켜 디스플레이 휘도 증가의 한계를 어느 정도 극복될 수 있음을 보여준다.

성능/효과

한편, BBC(英)와 NHK(日)는 기존의 감마 인코딩 방식에 사람의 시지각 특성을 반영하여 HDR 형태로 발전 시킨 Hybrid Log Gamma(HLG) 인코딩 기술을 개발하였고, 이를 International Telecommunication Union (ITU) 및 SMPTE에서 표준화 하였다.[9] HLG는 PQ와 마찬가지로 10-bit의 표현력을 가지고 있으나 절대 휘도와 직접적으로 매핑시키지 않는 대신, 주변 조명 및 디스플레이 최대 휘도에 따라 상대적 값으로 매핑 되므로 방송국에서 1차 생성된 HDR 영상에 자막 및 각종 정보를 추가하는 것이 상대적으로 용이하다.
저자들은 [그림 3]에서 조도 센서 추가에 따른 조명 센싱 커버리지를 검토하였다. 그 결과 후면에 추가 센서를 장착함으로써 센싱 커버리지가 일정하게 유지됨을 추정하였다. 후면 조도센서 추가에 따른 알고리즘 개발 및 적용 효과는 [그림 4]와 같은 역광환경에서 극명한 차이를 보여주었다.
^[5] 즉, 저자들은 어두운 바탕에 흰색 자극을 제시하여 실험한 결과, 흰색 자극의 크기가 클수록 또한 바탕 영역과 자극영역의 명암비가 클수록 약간의 디스플레이 휘도 변화에도 눈부심을 느낀다는 것을 확인하였다. 결과적으로, 암순응 환경의 불편감 없는 디스플레이의 휘도는 [그림 5]와 같이 콘텐츠의 전경자극 면적과 대비비에 반비례함을 알 수 있다. 이러한 관계들을 이용하여 생성된 모델을 이용하여 조명뿐만 아니라 콘텐츠의 특성에 따라 디스플레이 휘도를 조정하는 방법을 제안 및 검증하였다(그림 6).
앞장에서 살펴본 TV와 모바일 디스플레이의 화질 기술 동향으로부터 고정된 시청환경을 벗어나는 순간 디스플레이 본연의 성능에 의한 화질보다 그 환경에서 사람이 어떻게 느끼느냐가 더욱 중요하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 경향은 스마트폰 형태의 디스플레이보다 눈앞에 장착한 HMD의 경우 더욱 인간의 시각계가 어떻게 HMD에서 제공하는 컨텐츠를 받아들일 것인가가 중요할 것이다.

후속연구

그럼에도 불구하고, TV의 경우 제한된 환경에서 시청하는 것을 전제로 하고 있어 앞으로 나올 다양한 디스플레이에서 발생하는 화질 이슈들보다는 디스플레이 본연의 문제에 충실한 기술 개발이 필요하다. 향후, 물리적인 한계에 도달하기 전까지 TV는 더욱 밝아지고, 색역은 더욱 넓어지는 방향으로 발전할 것이다.
앞에서 언급한 모바일 디스플레이의 불편감 없는 시인성 향상 기술들은, 향후 웨어러블 디스플레이의 콘텐츠 휘도 제어 시에도 고려되어야 할 것이다.
한걸음 더 나아가, 다음 세대의 디스플레이인 VR 및 AR HMD는 자연스러운 사물을 바라보는 것처럼 표시 되지 않는 시각 정보를 이용하여 시각뿐만 아니라 체성 감각까지 혼란을 야기함으로써, 디스플레이 및 화질 연구자들에게 인간의 시지각 체계를 이해하고 기술을 개발하기를 촉구하고 있다. 이에 우리 연구자들은 LC 및 OLED와 같은 디스플레이 물성 만큼이나 시지각 시스템의 시각정보 처리과정을 명확히 이해하도록 노력함과 동시에 이 문제를 해결할 수 있는 디스플레이 개발에 박차를 가해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디스플레이 해상도에 대한 경쟁이 4K UHD를 정점으로 주춤한 가장 큰 이유는?	디스플레이 해상도에 대한 경쟁은 4K(3840⨯2160) UHD(Ultra-High Definition)를 정점으로 주춤한 상태이다. 5G 시대가 확산되기 전에는 더 이상의 고해상도 콘텐츠 공급도 어렵겠지만, 그보다 집안에서 시청하는 TV의 특성상 그 크기가 더 이상 커지는 것에는 한계에 가까이 와있다. 그보다 우선하여, 일반 가정에서 구매하는 65인치 이하에서는 인간시각의 공간 분해능이 Full HD(1920⨯1080)의 4배 해상도를 갖는 4K 해상도는 구분할 수 있었으나, 4K 해상도에서 다시 4배 증가된 8K(7680⨯4320) 해상도와의 화질적 차이를 구분하지 못하기 때문이다. [표 1]과 같이, 극장의 앞자리 수준의 넓은 시청 각도를 원하는 사람에게도 8K 해상도의 디스플레이는 시각이 최대 구분 가능한 해상도를 넘어선 스펙이다.
	HDR이란?	UHD TV가 기존 TV에 비해 화질적으로 진일보하기 위해 채택한 가장 강력한 무기 중 하나는 High Dynamic Range(HDR)이다. HDR은 사실적이면서도 임장감 넘치는 화질을 제공하기 위해 TV의 표현력(DR)을 한 차원 끌어 올린 기술이다.
	HMD 형태의 디스플레이들이 스마트폰 및 TV 수준의 화질을 달성하기 위해서는 무엇을 극볼해야 하는가?	그 선두에 있는 것은 가상현실용 디스플레이(Virtual Reality Head Mounted Display, 이하 VR HMD)이며, 다음으로는 증강현실용 디스플레이(Augmented Reality HMD, 이하 AR HMD)를 꼽을 수 있다. HMD 형태의 디스플레이들이 스마트폰 및 TV 수준의 화질을 달성하기 위해서는 신체에 착용하여 시청한다는 특성에서 기인하는 난제들을 극복해야 한다.

참고문헌 (33)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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