TV 방송 카메라의 구조 와 CCD신호처리

TV방송 카메라는 피사체를 전기신호로 바꿔 여러 가지 가공을 할 수 있게 하는 가장 기본적인 첫 번째 단계의 장비입니다. 디지털 방송 시대로 넘어오며 카메라의 기능과 기술들의 변화가 있었습니다. 이번 포스팅에서는 TV방송 카메라의 구조와 CCD에서 어떻게 영상 신호가 처리되는지 알아보겠습니다.

 

카메라 구조

 

1. IT-CCD 채용

FIT-CCD는 지금까지 고화질을 요구하는 카메라에 채용된 CCD입니다. 이와 다르게 IT-CCD는 Cost-performance를 요구하는 카메라에 채용되어 왔습니다. IT-CCD에서는, 구조적으로 수광면과 축적면이 같은 장소가 되게 하기 위해 수직 전송용 CCD에 강한 빛이 새어 버리는 경우가 많고 그 결과 Smear가 발생합니다.

FIT는 전송면이 있으므로 구조적으로 Smear는 적지만 전혀 없는 것은 아닙니다. 또 FIT-CCD는 구조가 복잡하고 전송면도 있으므로 Chip 면적이 크다고 하는 점이 단점입니다

 

근년의 CCD의 경향으로서는 IT-CCD의 성능도 향상해 세계적으로 봐도 Cost-Performance 성능에 뛰어난 IT-CCD 채용 Camera의 수요가 높아지는 이유로 CCD Maker에서도 FIT-CCD보다,IT-CCD의 개발에 주력하고 있습니다. 성능적으로도 지금까지 FIT와 비교해서 구조적으로 IT-CCD가 불리했던 점, 즉 「Smear」 성능이 비약적으로 향상해 FIT-CCD와 동 Level에 이르렀고 그 외 주목할 만한 것은 CCD의 Type(FIT/IT)을 불문하고, 지금까지 없는 S/N성능을 실현했습니다. S/N이라고 하는 점에서는 완전하게 FIT를 능가하고 있으며 그 때문에 종래의 IT-CCD와 구별하는 의미로 AIT-CCD (Advanced Interline Transfer CCD)라는 호칭을 붙여 사용합니다.

 

지금까지의 IT-CCD와는 성능면에서 구별을 분명히 하는 Hi-Spec입니다. 그 신형 IT-CCD(=AIT)를 재빨리 채용한 것이 HDK-79 EX3이고 지금까지의 Camera에서는 이룰 수 없는 고화질을 실현해, 향후의 방송 Camera는 CCD가 FIT로부터 AIT로 전환하는 경향이라고 할 수 있겠습니다.

 

2. AIT-CCD 채용

AIT-CCD 채용에 의해 실현된 장점 HDK-79 EX3는 AIT-CCD의 탁월한 Spec을 최대한 활용하기 위해 회로계도 한층 더 Brash-Up 함으로써 3가지 큰 장점을 실현합니다(79 EX2대비).　

 

1)  S/N의 비약적인 향상

종래의 79EX2(FIT-CCD)는 S/N가 56 dB입니다. 79 EX3에서는, 60dB가 되어 4 dB나 좋아졌으며 (S/N60dB는 HD카메라로써 세계에서 처음으로 실현.) 이 4 dB의 차이는 Gain UP을 할 경우 잘 알 수 있습니다. 또한 S/N비가 좋다고 하는 것은 Drama나 상품, 스포츠 등등 아름답고 깨끗하게 찍을 수 있다는 걸 의미합니다.

 

2)  「FINE DTL」의 추가

AIT-CCD를 채용해 Camera의 S/N가 좋아졌기 때문에 79 EX3에서는 「FINE DTL」라고 하는 기능을 새롭게 탑재되어 암부의 해상감을 올릴 수 있으며 이것은 S/N가 좋은 Camera가 아니면 암부의 Edge량을 늘릴 수 없는 Hi-End인 기능입니다.

 

DSP신호처리

 

3) 전력 삭감

AIT-CCD를 채용과 회로가 재검토 된 것으로 약 2W나 전력 삭감(79 EX2비). 무엇보다 Delicate인 광학 Block부에서 실현되고 있기 때문에 광학 Block의 발열을 억제할 수 있어 Camera의 장기 안정성능을 한층 더 높일 수 있습니다.

 

 

4. 비디오 컬러 샘플링 방식

필름과 비디오는 공통으로 빛의 3원색인 R, G, B 컬러를 기본으로 하지만 색을 구현하는 원리에서 차이가 있습니다. 필름은 빛의 스펙트럼에서 빛의 R, G, B 각 파장에 독립적으로 투광과 감광으로 반응하는 층의 구조로 되어 있으며 감색법의 원리가 사용됩니다. 이에 반해서 비디오카메라에서는 프리즘을 통해 분광된 R, G, B 각각의 파장에 단일하게 반응하는 세 계의 개별 CCD로 구성되어 있으며, 가색법의 원리가 사용됩니다.

 

이렇게 CCD에 받아들여진 빛은 전기적인 신호로 변환되고 다시 디지털 방식으로 부호화되는데 , 이 처리 방식은 여러 가지 샘플링 방식으로 나뉩니다. 여기서 본래의 이미지 정보를 손실 없이 가장 우수하게 처리하는 방식은 R, G, B 각각의 개별 색정보를 그대로 샘플링하는 4:4:4 RGB 방식이지만, 데이터의 양이 많기 때문에 영상 데이터를 처리, 저장, 전송하기에는 효율성이 떨어집니다.

 

특히 방송 장비의 경우는 영상 데이터를 효율적으로 처리하고 주어진 주파수 대역폭을 이용해 전송하는 특성이 있기 때문에 많은 데이터 양은 비효율적일 수 있습니다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 고안된 방식이 색차 신호 처리방식입니다. 색차 신호 처리방식이란 R,G,B 각각의 색을 그대로 샘플링하는 것이 아니라 영상 신호를 하나의 밝기(휘도) 신호 Y와 두 개의 색차 신호 Pr, Pb 신호로 변환화여 처리하는 방법이며, 샘플링 과정에서 Y, Pb, Pr의 비율에 차등을 두어 데이터의 양을 줄이는 방법입니다. 여기서 Green 신호는 유사한 파장형태를 가진 휘도신호(흑백영상 신호, Y로 표기)로 간주하고 Red와 Blue는 휘도 신호에서의 차이값(Pr, Pb)으로 처리합니다. 각각의 신호를 샘플링하는 비율에 따라서 여러 가지로 나뉠 수 있습니다. 4:2:2 방식은 컴포넌트 비디오의 휘도신호와 색차신호를 샘플링하는 데 있어서 Y가 4번 샘플링될 때 Pr과 Pb는 각각 2번씩 샘플링되는 방식입니다.

 

여기서 참고할 것은 대표적인 제조사 방식인 HDCAM과 DVCPRO HD방식이 내부 처리 방식에서는 각각 3:1:1과 4:2:0 방식을 사용하지만, 기본적인 전송방식으로 사용하는 HD-SDI방식은 4:2:2 비율을 사용하고 있습니다.

	Resolution	Sampling	Color	Data Rate	Compression
Film	4000 Lines	1:1:1	None	None	None
HDCAM	1080 Lines	3:1:1	140Mbps	140Mbps	5:1
HDCAM SR	1080 Lines	4:4:4	440Mbps	440Mbps	4.2:1
DVCPRO HD	720 Lines	4:2:0	100140Mbps	100140Mbps	6.7:1

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디지털 카메라의 영상 신호 처리가 어떤 식으로 이루어지는지 정리해 봤습니다. TV 방송 카메라 내부를 직접 보기 힘들지만 각 부품의 역할과 신호 압축 및 전송 과정을 이해해 보시기 바랍니다.