영상 신호의 종류(아날로그, 디지털)

영상 신호의 종류(아날로그, 디지털)

 

 

1. 영상 신호의 종류

영상 카메라는 빛의 3원색(R, G, B)으로 여러 색상을 표현할 수 있다는 원리를 이용하여 만들어졌다. 여기에 화면을 구성하기 위해서는 촬상된 영상 신호 외에도 수평 동기 신호(horizontal sync)와 수직 동기 신호(vertical sync)가 추가되고 주사(scanning) 방식에 따라 화면이 구현된다. 영상 신호의 종류는 다양한 형식이 있으며 방송 프로그램을 제작하거나 저장, 영상 편집 시에 따라 사용되는 영상 신호의 종류가 다양하므로 프로그램 제작 시에 반드시 확인하여야 한다. 대표적인 영상 신호는 아날로그 신호 두 가지와 디지털 신호 두 가지로 나누어진다.

 

< 표01. 4가지 영상 신호 >

영상방식	아날로그	디지털
콤퍼짓(Composite)	NTSC PAL / SECAM	4 Fsc (4↞ 3. 579545 MHz)
콤포넌트(Component)	RGB Y.U.V Y.R-Y.B-Y	4： 2： 2 (Y： Cr： Cb) 4： 1： 1

 

 

2. 아날로그 영상 신호

1) 콤퍼짓 신호

콤퍼짓 비디오 신호(composite video signal: 합성 영상 신호)는 휘도 신호(Y)에 색 신호(C), 동기 신호, 블랭킹 신호를 합한 영상 신호를 말한다.

< Fig01. 아날로그 콤퍼짓 신호 >

 

< Fig02. 아날로그 콤퍼짓 신호 파형 >

 

콤퍼짓 신호(합성 영상 신호)는 하나의 선로를 통하여 영상 신호와 동기 신호를 동시에 전송, 분배할 수 있기 때문에 아날로그 TV 방송에서 주로 사용하였다. 콤퍼짓 영상 신호를 사용하는 TV 방식은 각 나라에 따라 NTSC, PAL, SECAM 방송 방식으로 나누어 사용된다.

 

2) 콤포넌트 영상 신호

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콤포넌트 영상 신호(component video signal)는 카메라 렌즈 → 3CCD 블록 → 영상 회로의 생성 과정을 거쳐 3원색의 RGB 전기 신호를 만들어 낸다. 3원색의 콤포넌트 신호는 서로 완벽하게 분리되어 있어 고화질의 영상 처리가 가능하나, 콤퍼짓 신호에 비하여 각각의 RGB용의 비디오 케이블이 필요하다.

콤포넌트 영상 신호를 전송한다면 카메라(RGB 영상) → 비디오 스위처 → VCR → 주조정실 → 송신소 경유 시에 적어도 3채널 이상의 전송용 대역폭이 필요하다. 이를 수신하는 수상기의 튜너 구조도 복잡하게 구성되는 문제점이 있어 이를 개선하기 위하여 아날로그 TV 방송에서는 콤퍼짓 신호(NTSC 방식)를 사용하였다. 한편 RGB 신호의 경우 영상 신호를 그대로 TV 수상관에 부가하면 원래의 영상이 정확히 재생되지 않는다. 이것은 촬상된 신호가 밝기에 대하여 직선적으로 증가하는데 비하여 수상관의 휘도는 비직선적으로 발광하기 때문이다.

이 때문에 TV 시스템에서는 영상 신호를 송출하는 방송사, 또는 TV수상기 측에서 정확히 재현되도록 TV 카메라 촬상 회로의 입사 감도와 수상관의 발광량을 1 : 1로 일치시키는 감마 보정을 하게 된다.

< Fig03. 아날로그 콤포넌트 영상 신호의 구성도 >

 

RGB 콤포넌트 신호의 결점을 해결하기 위한 신호가 색차 콤포넌트 신호이다. 이것은 하나의 휘도 신호 Y와 두 개의 색차 신호 B-Y, R-Y로 구성되며 RGB 신호를 매트릭스 회로에 인가하면 산술적 색 조합에 의하여 쉽게 얻어진다. 다음 그림은 영상 측정기 상에 나타나는 서로 다른 RGB 신호 레벨의 한 예이다.

< Fig04. 콤포넌트 신호 >

 

RGB 영상 신호는 그대로 TV 수상관에 부가하면 원래의 영상이 정확히 재생되지 않는다. 촬상된 신호는 밝기에 대하여 선형적으로 증가 하는데 수상관의 휘도는 비선형적으로 발광하기 때문이다. 그러므로 이를 보정하여 영상 신호가 정확히 재현되도록 해야 하는데 이를 감마 보정이라고 한다.

< Fig05. 감마 보정 신호 >

 

 

3. 디지털 영상 신호

1) SDTV 방송 신호

1-1) 디지털 콤퍼짓 신호

디지털 콤퍼짓 신호(composite video signal: 디지털 합성 영상 신호)는 아날로그 콤퍼짓 신호를 그대로 디지털 신호로 변환한 것이다. 이 신호는 NTSC TV 방식의 색부 반송파 주파수 약 3.58 MHz의 4배의 값인 14.3 MHz의 표본화 주파수 값을 가진다.

< Fig06. 디지털 콤퍼짓 영상 신호의 구성도 >

 

< 표02. 디지털 콤퍼짓 영상 신호(SMPTE-244M 규격) >

구 분	내 용	비 고
파라메타	525/60 시스템	4↞ Fsc Fsc=5 MHz↞(63/88) Fh= (2/455)↞ Fsc [Fsc:3.579545 MHz]
1라인의 화소수(Pixels)	910
1라인의 유효 화소수(Pixels)	768
표본화 주파수	14.31818 MHz
부호화 방식	직선 양자화 PCM
양자화 비트수	8비트 또는 10비트
전송 비트레이트	143.1818 Mbps(10비트 시)
전송 규격	SMPTE259M	직렬 전송

 

1-2) 디지털 콤포넌트 신호

SDTV 디지털 콤포넌트 신호는 아날로그 콤포넌트 신호를 디지털화한 영상 신호이며, 콤포넌트 신호는 Y, Cb, Cr의 3가지 신호가 4： 2： 2로 구성되며, 휘도(Y) 신호의 샘플 주파수는 13.5 MHz, 색차(Cb,Cr) 신호는 각각 6.75 MHz로 하는 표본화 주파수를 가진다.

< Fig07. SDTV급 디지털 카메라 신호 구성도 >

 

SDTV 디지털 콤포넌트 신호는 다시 SD 직렬 전송 방식인 SDSDI(standard-definition serial digital interface)로 전환되어 전송된다. 이 신호는 임피던스가 75X인 BNC 커넥터의 동축 케이블로 전송되어 기존의 아날로그 동축 케이블을 그대로 사용할 수 있다는 특징이 있다.

 

< 표03. SD급 디지털 콤포넌트 영상 신호 특성(ITU-R BT.601규격) >

구 분		내 용	비 고
파라미터		525 line/60 시스템 방식
크로마 포맷(Y： Cb： Cr)		4： 2： 2
유효 화소(Pixels)		720
유효 라인(Line)		480	DV NTSC
총 라인(Line)		525
표본화 주파수	휘도 신호	13.5 MHz
	색차 신호	6.75 MHz
주사(Scanning)		비월 주사(Interlaced)
프레임 레이트(Frame rates)		59.94 Hz
반송 비트 레이트		270 Mbps
디지털 영상 신호 규격(SDTV)		SMPTE125	병렬 전송
전송 규격(SD-SDI)		SMPTE259M	직렬 전송

 

2) HDTV 콤포넌트 신호

HDTV 방송 신호는 HD 카메라에서 촬상된 영상 신호를 디지털화하여 전송하는 방식으로 1920× 1080i 해상도와 화면의 가로：세로의 비율도 4： 3이 아닌 16： 9의 비율을 가지고 있다. HDTV 콤포넌트 신호는 Y, Cb, Cr의 세 가지 신호가 4： 2： 2로 구성되며, 휘도(Y) 신호의 샘플 주파수는 74.25 MHz, 색차(Cb, Cr) 신호는 각각 37.125 MHz로 하는 표본화 주파수를 가진다. HDTV 디지털 콤포넌트 신호는 다시 HD 직렬전송 방식인 HD-SDI(High Definition-Serial Digital Interface)로 전환되어 전송된다.

< Fig08. HD 디지털 콤포넌트 신호의 구성도 >

 

< 표04. HDTV급 디지털 콤포넌트 영상 신호의 특성(ITU-R BT.709규격) >

구 분		내 용	비 고
파라미터		1125/60 시스템
크로마 포맷(Y： Cb： Cr)		4： 2： 2
유효 화소(Pixels)		1920
유효 라인(Line)		1080
총 라인(Line)		1125
표본화 주파수	휘도 신호	74.25 MHz
	색차 신호	37.125 MHz
주사(Scanning)		비월 주사와 순차 주사
반송 비트 레이트		1.485 Gbps
디지털 영상 신호 규격(HDTV)		SMPTE 274 M	병렬 전송
전송 규격(HD-SDI)		SMPTE 292 M	직렬 전송