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[IT강의실] 손에 잡힐 듯 실감나는 입체 영상을 - 3D TV

이문규

[용어로 보는 IT 2015 개정판] 손에 잡힐 듯 실감나는 입체 영상을, 3D TVTV는 19세기 말에 개발이 시작되어 20세기 초에 이르러 완전히 실용화되었다. 그리고 시간이 지나면서 보다 현실적인 화면을 구현하기 위한 여러 가지 기술이 TV에 더해졌다. 칙칙한 흑백에서 화사한 컬러로, 선명도가 떨어지는 SD급 화질에서 깔끔한 HD급 화질로 발전한 것이 대표적인 변화다.

3D TV

<컬러, 고화질 이후 입체(3D)로 TV가 진화하고 있다, 출처 : 삼성전자 광고>

TV - 컬러로, 고화질로, 이제는 입체로

하지만 화면의 색감과 선명도가 아무리 향상된다고 해도 실제로 눈으로 보는 듯한 공간감/입체감을 TV에서 느끼기는 어려웠다. 사람의 눈은 2개이기 때문에 실제 사물을 볼 때 양쪽 눈은 각각 조금씩 다른 각도로 사물의 형태를 인식한다. 이렇게 두 눈에 들어온 영상 신호가 합쳐져 하나의 영상으로 인식되는 과정에서 두뇌는 각 사물의 3차원(3D)적인 원근과 깊이(입체감)를 인지하게 된다. 하지만 TV는 2차원(2D) 평면상에 영상을 표시하므로 보는 각도가 달라져도 두 눈에 전달되는 영상은 동일하다. 이 때문에 실제로 사물을 보는 것과 같은 입체감을 느낄 수 없기 마련이다.

3D TV의 원리

<다른 각도를 향하고 있는 두 눈을 통해 사물을 보면 두뇌는 이를 3차원 적인 영상으로 인식한다, 출처: 마이크로소프트WMV HD 샘플 영상>

하지만 이를 반대로 생각하여 양쪽 눈에 각각 다른 각도의 영상을 보여줄 수 있다면 평면에 표시되는 영상을 볼 때도 실제 사물을 보는 듯한 입체감을 느낄 수 있을 것이다. 사람들은 진작부터 이러한 사실을 알고 있었지만 문제는 이를 구현하는 3D 디스플레이(3D Display) 기술이었다.

초기형 3D 디스플레이의 형태

구멍이 2개 뚫린 통, 혹은 쌍안경 모양의 장치의 내부나 전면에 각각 다른 각도로 찍은 사진을 2장 배치하고 이를 각각의 눈으로 보게 하여 입체 영상을 구현하는 스테레오스코프(stereoscope)가 19세기 초에 이미 나왔을 정도이니 입체 영상의 역사는 상당히 오래되었다고 할 수 있다. 다만 이런 원시적인 입체영상 구현 방식으로는 동시에 여러 명이, 혹은 큰 화면으로 감상하는 것이 불가능 하기 때문에 한계가 명확했다.

스테레오스코프

<원시적인 형태의 3D 디스플레이 기기인 스테레오스코프는 이미 19세기부터 등장했다,  (cc) Joaquim Alves Gaspar (Alvesgaspar at Wikimedia.org) >

이 때문에 개발된 것이, 2개 각도의 영상을 한번에 표시할 수 있는 영상 표시장치, 그리고 양쪽 영상을 정확히 나눠 양쪽 눈에 각각 전달하는 기능을 가진 안경을 함께 사용하여 입체 영상을 구현하는 방식이다. 그런데 이러한 안경을 이용한 3D 디스플레이 구현도 여러 가지 방식이 존재하는데 가장 기초적인 것이 바로 적청 안경(Anaglyph) 방식이다.

적청 안경 방식

<적청 안경 방식의 3D 디스플레이는 원리가 간단하고 고가의 장비가 필요 없다는 장점이 있지만 적색과 청색 외의 색상은 구현이 힘들다는 단점이 있다>

적청 안경 방식은 하나의 사물을 2개 각도로 촬영한 뒤 각 각도의 영상을 청색과 적색으로 구성한다. 그리고 양쪽 영상을 겹쳐서 표시한 뒤 한쪽은 적색, 또 한쪽은 청색 렌즈를 갖춘 안경을 착용해 이를 감상하면, 각각의 눈에 해당 렌즈의 색에 해당하는 영상만 보이기 때문에 입체감을 느낄 수 있다. 적청 안경 방식은 구현 원리가 간단하기 때문에 복잡한 기술이나 고가의 장비가 필요하지 않다는 장점이 있으나색감을 정확히 표현하기 어렵다는단점이 있다.그래서 1980년대 이전까지 놀이공원이나 극소수의 영화 상영관 등에서 제한적으로 쓰이는 정도였고 TV에는 적용되지 않았다.

3D 영화의 열풍과 함께 찾아온 본격적인 3D TV의 시대

입체 영상을 즐길 수 있는 TV, 즉 3D TV가 본격적으로 시장에 보급되기 시작한 것은 원본의 색감을 훼손하지 않고도 입체영상을 볼 수 있는 영상 기술의 개발, 그리고 2009년에 개봉해 세계적으로 높은 인기를 끈 영화 '아바타'의 역할이 컸다. 특히 아바타는 입체 영상의 품질 면에서 높은 평가를 받아 입체 영상에 대한 일반인들의 인식을 크게 향상시켰는데, 각 TV 제조사에서도 때마침 이때를 즈음하여 다수의 3D TV를 출시하기 시작하여 본격적인 3D TV보급의 시대를 열었다.

3D 영상의 동작 원리

<3D TV로 입체 영상을 보게 되는 공통적인 구조는 위와 같다. 하지만 TV와 안경의 동작 원리는 방식에 따라 상당한 차이가 있다>

3D TV는 일반적으로 크게 편광 안경(Polarized glasses) 방식과 셔터 안경(Shutter glasses) 방식으로 나뉜다(2015년 현재). 양쪽 방식은 색의 왜곡 없이 입체영상을 구현한다는 점에서는 같지만, 동작 원리에 상당한 차이가 있다. 편광 안경 방식은 영상을 보내주는 TV 자체의 역할이 강조되므로 수동형(passive)으로, 셔터 안경 방식은 영상을 받아들이는 안경의 역할이 중요하므로 능동형(active)으로 분류된다.

편광 안경(Polarized glasses) 방식의 3D TV

우선 편광 안경 방식의 경우, TV 화면을 구성하는 주사선을 각각 짝수 선과 홀수 선으로 나눈 뒤 각각의 주사선에서 왼쪽과 오른쪽 눈에 해당하는 영상 신호를 동시에 출력한다. 그리고 TV 전면에 양쪽 신호를 분리해 출력할 수 있는 필터를 부착하여 화면을 구성한다. 시청자는 두 가지의 영상 신호 중 서로 다른 한 가지씩만 통과시키는 2개의 편광 렌즈로 구성된 안경을 착용하면 각각의 눈에 다른 영상이 전달되어 입체영상을 감상할 수 있다.

편광안경 방식

<편광 방식의 안경은 구조가 단순하여 가격도 저렴하다>

편광 안경 방식의 3D TV는 영상이 안경을 통과할 때 별도의 기계적 장치를 거치지 않고 곧장 눈에 전달되므로 플리커링(flickering: 화면이 깜박이는 현상)을 줄이는데 유리해 상대적으로 눈의 피로가 덜하다는 장점이 있다. 그리고 안경의 구조가 단순하고 값도 저렴하므로 안경을 여러 개 사도 그다지 부담이 없으며, 이러한 특성을 이용해 일반 안경에 덧붙이는 형식의 보조 안경도 손쉽게 만들 수 있다.

하지만 전체 주사선을 절반씩 나누어 각각의 눈으로 영상 전달을 하므로 결과적으로 화면의 해상도(정밀도)가 절반으로 줄어드는단점이 있다. 화면의 주사율(화면의 재생 빈도)을 높이는 방법으로 1초당 전달되는 영상의 정보량을 늘려 해상도 저하를 어느 정도 해소할 수 있지만, 이렇게 하면 TV의 전반적인 영상 출력 성능을 높여야 하므로 제품의 가격이 비싸질 수 있으며, 같은 주사율을 가진 셔터 안경 방식의 3D TV에 비해 해상도가 열세라는 단점은 그대로다.

셔터 안경(Shutter glasses) 방식의 3D TV

셔터 안경 방식의 3D TV는 편광 안경 방식과 달리, 주사선을 나누지 않고 왼쪽과 오른쪽 눈에 해당하는 영상을 매우 빠른 속도로 번갈아 출력한다. 만약 120Hz의 주사율을 가진 TV라면 1/120초 주기로 좌우측에 해당하는 영상이 교대로보여지는 것이다. 그리고 이에 맞춰 시청자가 쓴 안경은 TV와의 통신을 주고받으며 양쪽 렌즈의 셔터가 번갈아 열고 닫히기를 반복한다. 이런 원리로 각각의 눈에 해당하는 영상만을 정확히 전달할 수 있어 입체감을 느낄 수 있다.

셔터 안경 방식

<셔터 방식의 안경은 주기적인 충전이 필요하고 가격이 비싼 편이다>

이러한 특성 때문에 셔터 안경 방식의 3D TV는 편광 안경 방식의 3D TV와 달리 해상도가 저하되지 않아 한층 선명한 3D 화질을 구현하는데 유리하다. 또한 TV 화면에 편광 필터를 덧붙일 필요가 없기 때문에 3D뿐 아니라 2D 화면을 시청할 때도 화질이 저하될 우려를 최소화할 수 있다. 이와 더불어 TV 자체의 생산 단가를 낮추는데도 편광 안경 방식에 비해 다소 유리한 면이 있다.

다만, 고속으로 좌우 셔터가 열리고 닫히는 방식의 안경을 써야 하므로 편광 안경 방식의 3D TV에 비해 플리커링 현상이 자주 발생할 수 있다. 특히 형광등과 같이 고속으로 깜박이는 조명 아래에서 시청할 때 위와 같은 현상이 일어날 가능성이 높다. 그 때문에 상대적으로 눈이 더 빨리 피로해질 수 있다. 그리고 안경에 전자 장치가 들어가므로 주기적으로 배터리를 교환하거나 충전을 해줘야 하는 불편함도 있다. 더욱이 셔터 안경의 가격은 편광 안경에 비해 상당히 비싸므로 여러 개를 구매하는 데 부담이 된다.

편광 안경 방식은 편의성, 셔터 안경 방식은 화질

지금까지 이야기한 것처럼 편광 안경 방식의 3D TV는 편의성 면에서, 셔터 안경 방식의 3D TV 화질 면에서 상대적으로 우위에 있다고 할 수 있다. 하지만 통상적으로 4~5미터 이상 떨어진 곳에서 시청하는 TV의 특성상 편광 안경 방식의 단점인 해상도 저하를 크게 느끼지 못한다는 의견도 많다. 마찬가지로 셔터 안경 방식의 3D TV역시 점차적인 기술 개발로 인해 플리커링 현상이 상당 부분 해소된 상태이다.

게다가 셔터 안경 방식은 편광 안경 방식에 비해 나중에 개발된 것이므로 앞으로 발전할 여지도 편광 방식에 비해 상대적으로 크다고 할 수 있다. 다만 그렇다고 하더라도 안경의 저렴함 및 편의성 면에서는 편광 안경 방식이 앞으로도 계속 우위를 지킬 것으로 보인다. 종합해 본다면 어느 한 쪽이 압도적으로 우수한 방식이라고 하기엔 무리가 있다는 의미다.

안경이 없는 3D TV의 시대는?

2015년 현재는 위의 두 가지 방식이 업계 표준으로 대부분의 3D TV에 적용되고 있지만, 3D 안경을 쓰지 않아도 입체 화면을 볼 수 있는 '무안경 3D 기술'도 공개돼 주목을 받았다. 무안경 3D의 대표적인 기술은 렌티큘러(Lenticular) 방식과 시차 배리어(Parallax Barrier) 방식이 있다. 두 방식의 기본적인 원리는 같다. 화면에 좌우 영상을 세로로 쪼개 한 줄씩 번갈아 표시하고, 이 화면을 양쪽 눈이 각각 다른 줄(쪼개진 화면)을 보게 한다. 이때 서로 다른 줄을 보도록 하는 장치가 다르다. 렌티큘러 방식은 렌즈를 사용하고 시차 배리어 방식은 차단막을 이용한다.

렌티큘러 방식은 반구형 렌즈로 구성된 시트를 디스플레이에 부착해 양쪽 눈에 다른 화면을 전달하는 방식이다. 책받침이나 카드 등을 바라보는 각도에 따라 그림이 다르게 보이도록 만든 것을 렌티큘러 인쇄라고 부르는데, 이 개념을 디스플레이에 적용한 것이라고 보면 된다. 시차 배리어 방식은 구멍(정확히는 줄무늬)이 뚫린 차단막을 디스플레이에 부착해 양쪽 눈에 서로 다른 화면을 보여주는 방식이다.

무안경 3D 디스플레이 기술

<무안경 3D 디스플레이 구현 방식>

다만, 시야각이 매우 좁아 조금만 시청 각도를 바꿔도 입체감이 사라지며 대형 화면에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 무안경 3D 디스플레이는 아직은 제한된 분야에서만 사용 중이다(예, 옥외 광고물, 디지털 사이니지 등). 현재는 3D 입체영상 및 3D TV에 대한 소비자와 제조사의 관심이 예전보다 낮아진 상황이라, 무안경 3D 기술이 적용된 3D TV나 3D 모니터 등은 접하기 어려울 것으로 예상된다.

'미래형 디스플레이'로 각광을 받으며 TV 시장에 새로운 동력이 되리라 기대했던 3D TV는 예상과 달리 성장세가 점차 둔화되고 있다. 국내외 TV 제조사 역시 최근 들어 UHD/울트라HD 등의 초고화질 TV 분야에 집중하며, 3D 출력 기능을 부가 기능으로 다루고 있다. 3D 입체영상으로 즐길 수 있는 콘텐츠가 적을뿐더러 3D TV 공중파 방송 송출도 아직 시험 방송 수준에 머물고 있어 3D TV 시장 전망을 어둡게 하고 있다.

글 / IT동아 이문규(munch@itdonga.com)

본 기사는 네이버캐스트(http://navercast.naver.com/)의 '용어로 보는 IT' 코너에도 함께 연재됩니다.

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