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IT가 바꾸는 세상

인터넷TV 이야기 2: 손실 압축은 디지털 마법인가?

미닉스 2009.11.25 14:24
인터넷TV 이야기 2

  손실 압축은 디지털 마법인가?


100Mbps 급의 초고속 인터넷도 20Mbps 정도의 데이터가 실시간으로 와야 하는 인터넷TV는 부담스럽습니다. 더구나 컴퓨터로 인터넷을 쓰고 동시에 인터넷 전화까지 사용한다면 자칫 TV 수신이 제대로 되지 않을 수도 있습니다. 이런 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방법을 강구했지만 그 중에서 방송 품질과 관련된 부분에 대해서 우선 이야기해 보겠습니다. 방송 품질에 관한 주제를 이해하기 위해서는 또 다른 개념을 알고 있어야 합니다. 바로 동영상 압축에 관한 것입니다.

 

동영상 압축이란 무엇인가?

 

(아래 설명에서 1080i, 1080p, 720p, 필름 24장과 TV 30 화면, 인터레이스 등에 관한 복잡한 내용은 완전히 무시합니다.)

 

필름: 마이클 잭슨이 문워크를 하는 동안 1/24초에 한 번씩 필름에 그 장면을 기록합니다. 이 한 컷 한 컷을 프레임이라고 합니다. 이 필름을 극장에서 틀면 영화가 됩니다. 비록 구식이지만 아날로그 필름은 현재까지 우리가 접할 수 있는 가장 궁극의 화질을 가지고 있습니다.

 

디지털화: 아날로그 화면은 색깔을 숫자로 구별하는 방법으로 디지털화됩니다.

 

필름은 분자 수준의 입자로 이미지가 구성되어 있지만 이것을 그대로 디지털화 시키면 무한대의 데이터 량이 되기 때문에 필름 입자보다 훨씬 큰 단위인 픽셀이라는 개념을 씁니다. HDTV의 화면 크기로 계산하면 필름에 세로로 1920개의 줄을 긋고 가로로 1080개의 줄을 그어 만들어지는 작은 사각형들을 한 개의 픽셀로 처리합니다. 이 정도만 해도 인간의 시력으로는 차이를 느끼기 힘들다고 하지만 화질이 열화(나빠짐)되는 것은 분명한 사실입니다. 또한 자연의 색은 무한하지만 디지털에서는 제한된 색 수만 사용하기 때문에 픽셀들의 색 구별도 원본에 비해 나빠집니다.

 

디지털 영상 데이터: 이제 영상 파일은 컴퓨터 내에 파일로 저장됩니다. 일반 파일을 압축하듯 동영상 파일도 압축할 수 있습니다. 같은 숫자가 많기 때문에 효율이 높아 거의 1/3까지 크기를 줄일 수 있습니다.

 

영화는 영사기가 물리적으로 필름을 이동 시키기 때문에 초당 24장을 안정적으로 보여 줄 수 있습니다. 하지만 디지털화된 데이터는 다릅니다. HDTV 화면 한 개는 50Mb(1920x1080x24bit, 이하 계산 생략) 크기이며 1초에 24장이 지나가면 1190Mb의 데이터 량이 됩니다. 즉 디지털 영상을 보기 위해서는 초당 1190Mb의 데이터를 처리할 수 있는 컴퓨터가 있어야 한다는 뜻입니다. 안타깝게도 현존하는 컴퓨터 중에 이 사항을 만족하는 것은 거의 없습니다(있기는 하지만 복잡해지기 때문에 생략합니다. 이하 동일). 대량 데이터 처리 문제를 해결하기 위해서 고민하던 사람들은 중요한 발견을 하게 됩니다.

 

삼차원 압축: 동영상은 기본 이미지를 기준으로 해서 프레임마다 조금씩 변해가는 특성이 있습니다. 이미지를 모두 한 화면에 합쳐 놓고 본다면 변하는 부분은 얼마 되지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 근처에 있는 픽셀끼리 비슷하고, 다음 프레임의 픽셀과도 비슷하고 각각 픽셀은 색의 밝기 정보도 비슷합니다. 이 모든 것을 비교하여 데이터량을 줄이는데 활용합니다.

 

그래서 그들은 한 씬의 기본 화면을 저장한 후 나머지 프레임들은 변한 부분만 저장하고 보여 줄 때는 기본 화면과 차례로 겹쳐서 원래 프레임을 완성하도록 했습니다. 동영상 압축에 관한 여러 복잡한 이론들은 결국 이 개념을 좀 더 체계화한 것일 뿐입니다. 이 방법을 써서 처리해야 할 데이터 량을 획기적으로 줄였습니다.

 

하지만 아직도 문제가 많았습니다. 정적인 화면에서는 프레임끼리 내용에 거의 차이가 없어 압축률이 높지만 움직임이 격렬한 경우에는 데이터 량이 별로 줄어들지 않았기 때문입니다. 제대로 영상을 보기 위해서는 평균적인 데이터 량 축소에 더해 순간 최대 데이터 처리량 축소도 필요하다는 뜻입니다. 디지털 방식은 이 문제를 어떻게 해결했을까요? 이 지점부터 아날로그와 디지털의 철학 차이가 발생합니다.

 

세상에는 원본이 있습니다. 절대적인 비교의 대상이기 때문에 참고할 것이란 뜻으로 레퍼런스라고 불립니다. 다양한 분야에 절대적인 권위를 확보하고 있는 것들이 많습니다. 영상과 음향에도 그런 것이 있습니다. 일반인은 대충 비슷하고, 다 똑같으며, 그게 그거처럼 보이지만 전문가들은 이 조그만 차이에 민감합니다. 대량 생산의 시대, 처음에 이미 완전한 것들이 있었으나 더 많은 사람을 만족시킬 수 있는 평균적 품질의 제품들을 좀 더 유통시키기 위한 방법이 개발됩니다. 비용은 줄어들지만 고의로 품질을 떨어뜨리기 때문에 절대적인 기준으로 봤을 때는 발전이라고 말하기 어렵습니다. 디지털이란 그게 그거라는, 대충 비슷함이란 철학의 구현이라고 말할 수 있습니다. "왜 이리 까다로워? 똑같애 다 똑같애, 그냥 봐," 영상 부분에 있어서는 특히 그렇습니다.

 

이런 경향에 저항하는 자들도 있었습니다. 열악한 디지털 영상 장치인 LCD를 거부한 채 아날로그 HD 방송에 몰입하고 브라운관의 완성을 위해 몸부림치던 소니는 TV 시장의 주도권을 뺏겼습니다. 그래도 정신을 못 차리고 일부러 음질을 떨어뜨리는 MP3를 외면하고 CD 음질의 향상에 매달리다가 결국 디지털 시대에 몰락의 길을 걷고 있습니다. 디지털을 거부하면 죽음뿐인 것입니다. 초기에는 기술이 덜 발달해서 품질이 낮을 수도 있습니다. 디지털도 발전할수록 품질이 향상되지 않을까요? 그러나 디지털 기술은 시간이 지날수록 오히려 편법적으로 악용되어 비용 절감을 위한 방향으로만 치중하고 있습니다.

 

아날로그와는 달리 영상의 디지털화란 절대 화질의 추구가 아니었습니다. 싼 값의 저 성능 하드웨어에서도 동영상을 보기 위한 방법론일 뿐이었습니다. 그리하여 그들은 별로 고민 없이 금단의 선을 넘게 됩니다. 그것을 그들은 손실 압축이라고 불렀습니다.

 

원본의 훼손: 순간 최대 데이터 전송량을 줄이기 위해서 한 씬의 기본 화면의 화질을 고의적으로 떨어뜨리는 손실 압축 방법을 사용합니다. 이에 따라 전체 영상의 데이터 량을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 화질이 열화 되고 색상 수도 줄어들었지만 대신 볼 수 있는 하드웨어 범위가 늘어납니다.

 

손실 압축, 이 놀라운 기술은 그 동안의 모든 문제를 해결해 줄 수 있는 궁극의 디지털 마법이었습니다. 덕분에 전송 속도, 디스플레이 기기 등에 대한 제한이 없어졌습니다. 장비의 성능도 전혀 상관이 없었고 저장 장치의 크기도 마음껏 줄일 수 있었습니다. 일단 손실 압축에 맛을 들인 영상 처리 업체들은 이제 화질에는 신경 쓰지 않고 원하는 만큼 손실량을 키우게 되었습니다. 어렵지도 않습니다. 비트레이트라고 불리는 초당 데이터 전송량을 조정하기만 하면 됩니다. 과하게 줄인 손실 압축 영상도 눈으로 볼 때 변화가 많은 화면을 제외하면 원본과 대충 비슷하게 보이므로 크게 문제되지 않습니다. 오히려 파일 크기를 줄여주기 때문에 환영을 받았을 정도입니다. 엠펙(MPEG)이라 불리는 동영상 손실 압축뿐만 아니라 사진 이미지의 품질도 고의적으로 떨어뜨리는 제이피지(JPG) 포맷도 이렇게 해서 대유행을 하게 되었습니다.

 

원본 동영상의 전송률을 1190Mbps(bit per second: 초당 비트수)라고 했을 때 프레임 단위의 변화량을 이용한 무손실 압축한 영상이 원본의 1/10 정도인 119Mbps의 전송률을 가진다고 가정합니다(실제로는 이렇게 단독으로 쓰이지 않음.) 손실 압축 방식 중에서 현재 가장 품질 좋은 블루레이는 31Mbps 인데 원본에 비해 1/3.8로 손실 압축되었다고 말할 수 있습니다. 이정도 화질이라면 거의 원본과 차이를 알기 어렵습니다. 또한 블루레이는 제작 과정에서 빠른 화면의 화질이 나빠지지 않도록 후 처리를 하기 때문에 최상의 영상을 볼 수 있습니다. 일본의 품질 좋은 HDTV 방송이 25MBps를 기록하고 있으며 미국의 경우 19Mbps로 방송하고 있습니다. 값이 작아질수록 화질이 나빠지지만 19Mbps정도까지는 그래도 원본과 비슷해 보일 정도로 좋은 영상입니다.

 

손실 압축을 악용하는 자들

 

우리나라 방송 채널 한 개는 6MHz 크기의 주파수 대역을 가집니다. 이것을 현재의 변조 기술을 이용했을 때의 데이터 전송률로 바꾸면 27Mbps가 됩니다. 어려운 개념은 넘어가고 공중파, 위성, 케이블TV 한 채널은 27Mbps 대역폭을 가진다 라고 이해하면 됩니다. 공중파 방송사들은 이 대역폭을 모두 다 써야 하는 아날로그 방송은 어쩌지 못했지만 디지털 채널에 대해서는 다른 생각이 있었습니다. 바로 손실 압축을 좀 더 많이 해서 전송률을 떨어뜨리면 한 채널에 여러 개의 방송을 보낼 수 있기 때문입니다. 이것이 소위 MMS라고 불리는 멀티채널방송 정책입니다.

 

19Mbps로 송출하는 HD 방송을 13Mbps까지 떨어뜨린 후 남는 6Mbps에 SD급 방송을 몇 개 추가할 수 있게 하겠다는 말입니다. 그러나 시험적으로 HD 방송을 13Mbps까지 떨어뜨려 방송했다가 엄청난 비난을 듣고 중단해야 했습니다. 화질이 너무 떨어져 도저히 볼 수가 없었기 때문입니다. 그러나 방송사들은 포기하지 않았습니다. 공중파 방송국들은 욕심을 채우기 위해 이미 17Mbps 이하로 떨어뜨렸을 뿐만 아니라 오늘도 조금씩 화질을 떨어뜨리며 국민들이 나쁜 화질에 서서히 길들여지도록 하고 있습니다.

 

화질 열화: 현재 공중파의 HD 방송은 움직임 많은 장면에서는 제대로 된 영상을 보기 힘듭니다. 소위 깍두기 현상이 심해 인물을 구별할 수 없을 지경입니다. 이 증상은 TV가 커질수록 더 크게 느끼게 되는데 50인치 이상이면 도저히 참고 볼 수 없을 지경에까지 이릅니다.

 

하드웨어가 발전하면서 CPU도 고성능이 되어 이전에 쓸 수 없었던 복잡한 계산법의 압축 방법도 채택할 수 있게 되었습니다. 이것이 최근에 각광 받고 있는 새로운 압축법(H.264)인데 전송량은 줄이고 화질은 좀 더 높일 수 있게 되었습니다. 상식적으로 하자면 방송사들이 전송률을 그대로 유지하고 새 압축법으로 화질을 높여야 합니다. 그러나 현실은 좋지 못한 현재의 화질을 기준으로 삼고 새 압축법으로 전송률을 낮추는 데만 관심들이 있습니다. 기술은 발전했지만 화질은 나아지지 못하는 것입니다.

 

다행히 케이블 방송은 방송법의 규제를 받고 있기 때문에 전송을 위한 형식을 마음대로 바꿀 수 없어 아직은 공중파 HD 방송을 그대로 재전송하고 있습니다. 규제 때문에 그나마 손대지 않은 화질을 감상할 수 있는 것입니다. 그러나 케이블TV도 전송률을 낮추어 더 많은 채널을 확보하기 위해 호시탐탐 기회만 노리고 있습니다.

 

공중파와 케이블은 대역폭 제한을 극복하고 채널 수를 늘리기 위해 화질을 낮추려고 하고 있습니다. 인터넷TV는 어떨까요? 채널의 대역폭 제한이 없고 채널 수 제한도 없기 때문에 상대적으로 좋은 화질로 보낼 수 있지 않을까요? 위성TV가 고화질에 초점을 맞추듯이 인터넷TV도 품질로 승부할 수 있을 것입니다. 그러나 인터넷TV에게는 또 다른 문제가 있습니다. 바로 초고속 인터넷을 TV 전용으로 쓸 수 없다는 점입니다.

 

100Mbps의 초고속 인터넷에서 17Mbps의 데이터 전송은 어떻게 보면 크게 문제되지 않는 것처럼 보입니다. 하지만 말이 100Mbps지 실제 평균적으로 70Mbps가 꾸준히 나오기 힘듭니다. 게다가 인터넷TV는 실시간으로 전송이 되어야 합니다. 그렇지 못하면 컴퓨터가 큰 파일을 다운로드 받으면 인터넷TV가 끊길 수 있습니다. 컴퓨터 쓸 때 인터넷 느린 것도 못 참을 일이지만 거실의 TV가 끊기는 것은 있을 수 없는 일입니다. 때문에 인터넷TV의 실시간성은 반드시 확보되어야 합니다. 편도 1차선 길인 인터넷에서 어떻게 인터넷TV에만 실시간으로 데이터가 전송되도록 할 수 있을까요? 다행이 이런 경우를 위한 해결책이 있습니다. 그것을 인터넷의 서비스 품질 정책(QoS)이라고 부릅니다.

 

서비스 품질 정책: 라우터는 일렬로 줄을 서서 기다리고 있는 패킷 중에서 우선 순위가 높은 패킷을 먼저 보내 줍니다. 차선을 늘리는 것이 아니고 다만 새치기를 허용하는 것입니다. 새치기한 프로그램은 빨라지지만 이 때문에 인터넷을 쓰는 다른 프로그램이 느려질 수 있습니다.

 

현재 인터넷TV를 보는 집에 들어가는 초고속 인터넷은 방송 데이타를 우선 처리하도록 설정되어 있습니다. 특히 공중파 실시간 방송을 시청하는 경우를 최우선으로 합니다. 실시간 성을 확보하기 위해서 필요 이상의 대역폭이 낭비되고 라우터와 공유기에 부하가 많이 걸립니다. 기본적으로 100Mbps 인터넷 상품을 쓰지만 인터넷TV 때문에 대역폭을 손해 볼 뿐만 아니라 데이터를 우선 처리하는데 바빠서 인터넷이 느려질 수가 있다는 뜻입니다. 때문에 그들은 조금이라도 부담을 줄이기 위해서 HDTV의 화질을 고의적으로 다시 떨어뜨리고 있습니다. 현재 다른 모든 방송 방식보다 더 낮은 전송률을 사용하기 때문에 화질도 그만큼 나쁩니다.

 

인터넷TV는 전송 방식이나 전송을 위한 압축 방식에 규제를 받지 않기 때문에 최신 압축 코덱을 사용할 수 있습니다. 그들은 공중파를 다시 받아서 실시간으로 재인코딩(영상 포맷을 변환하는 작업)해서 보내고 있습니다. 최신 압축 방식이 워낙 효율적이라서 17Mbps HD 방송을 10Mbps 이하로 떨어뜨려도 화질 차이가 없다고 주장합니다. 물론 대충 보면 그게 그거고 비슷한 것 같기도 합니다. 하지만 어떠한 경우에도 손실 압축을 하면서 영상 품질을 유지할 수는 없습니다. 또한 압축은 영상을 일단 한 번 검색해서 최적의 압축 패턴을 구한 다음에 다시 한 번 읽으면서 실제 압축을 해야 품질을 높일 수 있습니다. 실시간 압축은 이런 작업이 불가능합니다. 읽으면서 바로 압축을 해야 하기 때문에 당연히 품질에 신경 쓸 시간이 없습니다. 아무리 효율이 좋다고 하더라도 이 정도로 떨어뜨리면 누구나 차이를 알 수 있습니다.

 

인터넷TV는 새로운 압축 방식이 전면적으로 도입되기 전까지는 공중파를 단순 재전송해야 합니다. 이게 현실적으로 불가능하다면 재인코딩 할 때 전송률을 최대한으로 높여야 합니다. 그러기 위해서는 가정까지 들어오는 인터넷의 속도를 현행 100Mbps에서 더 끌어 올려야 합니다. 최소한 200Mbps 급으로 만들고 대역폭의 반을 인터넷TV에 할당해 인터넷 속도가 낮아지지 않도록 해야 합니다. 그렇지 못하다면 100Mbps 인터넷 속도의 일부를 TV용으로 강제 할당해 놓았다는 사실을 고지해야 합니다. 만약 여러분의 집에 인터넷TV를 설치했다면 50Mbps 이하의 속도로 인터넷을 쓰고 있는 것과 같습니다.

 

이 문제가 해결되기 전까지는 인터넷TV를 사용하지 않는 것이 좋습니다. 현재 인터넷TV는 가장 품질 나쁜 방송이며 가정의 인터넷 속도를 떨어뜨리고 있는 숨은 기계입니다. 그러나 문제는 해결하라고 있는 것이겠지요. 사실 아파트 단지까지 기가급(1000Mb) 광랜이 깔려 있고 인터넷TV를 위해서 기존 인터넷망과 다른 전용 프리미엄 망을 구축하고 있습니다. 필요하면 언제든지 가정까지 기가급으로 해줄 수 있습니다. 압축 방식 교체도 잘하면 쉽게 될지도 모릅니다. 안되더라도 전송률을 높이면 됩니다. 쉽지 않은 일이지만 소비자들이 목소리를 높인다면 불가능하지도 않습니다. 그러나 이 모든 것에도 불구하고 인터넷TV는 그 특성상 인터넷과 어울리지 않는 심각한 문제를 가지고 있습니다. 그것은 바로……(계속)

김인성

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