[기고] 영상 산업 고도화를 위한 3D 디스플레이 기술 동향 ❶

[글=박세환 | Ph.D. 기술법인 엔펌(ENF) 전문위원(Chief Consultant) 한국CCTV연구소 영상보안CCTV산업발전연구회 회장 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원 용인시정연구원 비상임연구위원]

전 세계적으로 3D 입체영상 산업에 대한 관심이 높아지고 있다. 3DTV 및 CCTV 기술 분야에 빠르게 확산되고 있는 3D 디스플레이 및 3D 카메라 기술 개발 동향에 대해 몇 회에 걸쳐 연재를 이어갈 예정이다. 이번 호에서는 그 첫 번째로 3D 입체영상 산업 분야에 빠르게 확산되고 있는 3D 디스플레이 기술 개발 추이(구현방식별 기술 발전 추이/제품 개발 동향)와 3DTV 및 CCTV 분야에서 3D 입체영상을 촬영하는 데 필수적인 장비인 3D 카메라(광축 정렬 기술/카메라 리그 시스템/캠코더용 3D 카메라) 기술 개발 동향에 대해 설명한다.

■ 3D 디스플레이 기술 개발 추이

3D 입체영상 산업 분야에 3D 디스플레이 기술이 빠르게 확산되고 있다. 이는 운동 시차를 포함한 완벽한 3D 영상을 표현하는 다시점(multi view) 방식의 홀로그램 디스플레이와, 운동 시차 없이 양안 시차만으로 입체를 표현하는 단시점(single view) 방식의 양안 시차 입체 디스플레이로 구분할 수 있다.

단시점 방식은 듀얼 스크린(dual-screen) 방식과 단일 스크린(single-screen) 방식으로 구분된다. 듀얼 스크린 방식은 한 장면의 프레임을 초점이 65mm 정도 떨어진 동일한 해상도를 갖는 2개의 프레임으로 구성하는 방식이며, 단일 스크린 방식은 한 장면을 나타내는 프레임을 초점이 65mm 정도 떨어진 2개의 프레임 해상도로 표현하는 방식이다.

현재는 스테레오스코피(stereoscope) 방식인 안경방식, 편광방식 및 셔터방식이 상용화되어 있다. 디지털 홀로그램 기술이 적용된 real-3D 입체영상이 상용서비스를 시작한 2015년에는 자동 스테레오스코피 방식인 무안경방식ㆍparallax barrier 방식ㆍlenticular 렌즈방식이, 그 이후에는 홀로그램방식이 보편화되고 있다. 특히 3DTV 및 CCTV 분야에서 3D 입체카메라를 적용한 (무안경식)디스플레이 기술이 빠르게 확산되고 있다.

■ 구현 방식별 기술 발전 추이

3D 디스플레이 기술은 편광방식과 셔터방식이 개발되어 있다. 전자는 LCD 패널 전면부에 한 주사선씩 서로 엇갈려가며 90°의 위상차를 갖도록 설계된 Patterned retarder 필름을 부착하고 필름과 같은 주사선 대 주사선(line by line) 형태로 입체영상을 포맷하여 좌우 영상을 디스플레이 할 수 있는 기술이다. 후자는 입체영상 신호를 프레임 단위로 구성하여 좌우 영상 신호를 번갈아 디스플레이 하고, 관측자가 좌우 신호에 맞추어 on/off하는 셔터(shutter) 안경을 착용한 상태에서 3D 입체영상을 감상할 수 있게 한 기술이다. 현재 특수 안경을 착용한 3D 입체영상 디스플레이 기술로 상용화되어 있는 편광방식과 셔터방식의 장단점에 대한 비교 결과를 [표 1]으로 정리했다.

■ 3D 디스플레이 제품개발 동향

3D 입체영상 기술은 정보통신, 방송, 의료, 교육, 군사 및 산업 기술 등 매우 다양한 산업 분야에 응용되고 있다. 아울러 차세대 3D 입체 멀티미디어 통신 분야에서 공통적으로 요구되는 핵심 기술로서 신성장동력 산업으로 급부상하고 있다.

현재 3D 디스플레이 산업은 안경방식에서 스테레오 무안경방식으로의 기술이 개발되고 있으며, 향후 1~2년 이내에 다시점무안경식 3D 디스플레이 기술이, 2~3년 이내에 오프라인 형태의 디지털 홀로그래픽 3D 디스플레이 기술이, 3~4년 이내에 온라인 형태의 디지털 홀로그래픽 3DTV용 디스플레이 기술이 점진적으로 국제표준으로 제정되어 상용화될 것으로 예상된다. 국내외 3D 디스플레이 제품 출시 현황을 간단히 요약하면 다음과 같다.

국내 현황
-대학과 연구소 등을 중심으로 3D 디스플레이 관련 기술이 연구 중.
-삼성전자, 삼성SDI, LG전자, LG디스플레이, 파버나인, 잘만, 현대아이티, 세븐데이타, 마스터이미지, 이너텍, 빅아이엔터테인먼트 등에서 다양한 제품들을 출시.

국외 현황
-미국의 스테레오그래픽은 산업용 렌티큘러 스크린을 사용한 다시점 3D 디스플레이를 개발하였으며, DTI는 패럴랙스 배리어형 12~18인치 급 LCD 3D 모니터를 개발하여 상품화.
-일본의 도시바는 15.4인치급 18시점 모니터와 20인치 급 32다시점 모니터를 개발.
-일본의 TAO, 대만의 ITRI 및 3DIDA, 미국의 SMPTE를 포함한 할리우드 영화 산업계, 유럽의 3DTV NOE 등이 대표적인 사례.
-필립스는 18인치급 LCD 3D 모니터와 앤티큘러 스크린을 사용하여 2D/3D 호환 가능한 모니터를 개발.

■ 3D 카메라 기술 개발 동향

3DTV 및 CCTV 분야에서 3D 입체영상을 촬영하는 데 필수적인 장비는 입체 카메라, 카메라 리그(Rig), 입체 모니터, 편집기 및 인코더 등을 들 수 있다. 촬영방식은 1대의 디지털 카메라에 특수필터를 장착하여 촬영하는 단안식(single view), 2대의 디지털 카메라를 활용하는 양안식(double view) 및 이들을 복합적으로 활용하는 다안식(multi view)으로 구분할 수 있다. 이들 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.

-단안식 카메라: 카메라 렌즈가 하나로 구성되어 있어 카메라 내부에서 영상을 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 분류하여 3D 입체 영상을 촬영하는 방식.
-양안식 카메라: 카메라 렌즈를 사람의 눈처럼 65mm 간격으로 배치하여 3D 입체영상을 촬영하는 방식.
-다안식 카메라: 4×4 또는 1×8 등 여러 대의 카메라를 동원하여 3D 입체영상을 촬영하는 방식.

■ 3D 카메라 개발 동향

광축 정렬 기술
3D 입체 카메라에서 광축 정렬 기능은 2D 카메라와는 달리 광축 정렬 기법을 통해 양안식으로 볼 수 있어 가장 중요한 항목이다. 특히 직교식 카메라는 하프미러와 수평/수직 카메라의 정확한 정렬이 필요하며, 평행이동식 카메라는 양 카메라 간광축 정렬, 렌즈와 센서 간 광축 일치가 매우 중요한 기술이다.

아울러 신속하고 효과적인 광축 제어를 위해서는 정밀한 제어모듈과 기구부의 견고성이 요구된다. 보정오차가 발생하게 되면 3D 영상의 수직오차가 발생하고 이로 인한 색감 등의 불일치로 눈의 피로감을 더욱 증가시킬 수 있다.

또한 방송용 카메라의 경우 줌 기능을 필수적으로 사용하게 되는데 양안식 3D 카메라에서 줌인(Zoom-In) 시 주 피사체의 시차가 줌 요소와 함께 증가하고 과다해 질 수 있다. 따라서 줌 조작에도 적정 시차를 유지하는 기능이 필수적이다. 줌-인/줌-아웃에 따른 주요 시각을 연동할 수 있는 제어 기능이 요구된다.

특히 3D 카메라에서 광축 정렬 기능은 같은 회사의 동일한 모델에서도 미세한 차이점이 나타날 수 있어 모든 카메라의 동일한 스팩이 요구된다. 또한 렌즈부에서는 줌, 포커스 및 아이리스 등이 정확히 일치되어야 하며 카메라부에서는 센서의 색감이나 전기적 특성이 일치시킬 수 있어야 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 3D 카메라용 특수렌즈를 사용하고 촬영하기 전에 카메라의 동기를 맞춰야 하며, 촬영 시에 입체영상 보정기를 이용하여 3D 카메라의 공통적인 단점으로 지적되고 있는 양안의 컬러 휘도차, 기하학적 불일치, 양안 간격 조절 기능 등을 보정해 줄 필요가 있다.

카메라 리그 시스템
3D 입체영상 촬영에 사용되는 핵심장비(입체 카메라/카메라 리그/입체 모니터) 중 가장 중요한 것은 2대의 카메라를 올리고 각도를 조절하는 리그라고 할 수 있다. 이처럼 카메라 리그는 3D 카메라를 적절히 배치하기 위해 사용하는 필수 장비로서 수직방식과 수평방식이 있다.

직교식 카메라 리그 시스템의 단점으로 지적되고 있는 광량의 감소, 색감의 차이 및 고스트 현상 등은 렌즈 앞단에 사용한 하프 미러로 인해 발생하는 현상이다. 글로벌 기술시장을 주도하고 있는 카메라 리그 시스템으로는 3ality, TECHNICA, 레드로버(한국), 21st Century, P+STechnik, STEREOTEC 등을 들 수 있다. 이들 제품들은 양안식 카메라의 문제점을 개선해가면서 다양한 제품들을 지속적으로 출시하고 있다.

■ 캠코더용 3D 카메라

국내 3D 카메라 기술은 KBS에서 리그 시스템을 이용하여 평행이동 축 방식의 3D 카메라를 개발한 바 있다. 초기 개발 제품에 비해 경량화되긴 했지만, 무게와 시스템의 크기를 줄일 수 있는 기술적 개선이 과제로 남아 있다.

국외의 경우 리그 시스템을 이용한 큰 부피의 카메라들이 스포츠 중계나 영화 산업에서 사용되고 있으나 무게와 부피는 매우 큰 편이다. 이를 개선하기 위해 캠코더형 카메라도 개발되고 있는데 소니는 단안식 3D 카메라를, 파나소닉은 양안식 캠코더용 카메라를 개발한 바 있다. 이들은 줌(zoom) 기능을 활용하여 주요 시각 연동이 가능하며 2.7kg 정도의 소형 경량으로 견착 사용이 가능한 카메라로서 3D 카메라 기술시장을 주도하고 있다.

상용화된 3D 카메라들이 공통적으로 안고 있는 단점(양안의 컬러 휘도차, 기하학적 불일치, 양안 간격조절 기능 미비 등)을 개선하여 완벽한 3D 입체영상을 촬영하기 위해 영상보정기를 사용하고 있다.

■ 3D 영상 산업 활성화를 위한 인프라 구축 필요

2015년을 기점으로 가속화되고 있는 디지털 홀로그램 기술 기반의 real-3D Full-UHDTV를 통한 본격적인 3DTV 및 CCTV 관련 영상 산업을 고도화하기 위해서는 서비스 인프라 구축, 저비용의 장비 보급 및 고품질의 3D 콘텐츠 등을 확보하는 데 주력할 필요가 있다. 또한 3D 입체영상 관련 핵심(원천) 기술의 표준화 작업을 조속히 완료하여 차세대 영상 산업 표준으로 정착시킬 필요가 있다.

이를 위해 real-3D 입체영상을 시청할 수 있는 Full-HD급 3D 디스플레이나 공익성이 있는 고품질의 3D 콘텐츠 및 3DTV 방송을 위한 전송 표준 등이 제정되고 있다. 지상파TV 방송사의 3D 입체방송 인프라와 눈의 피로감이나 어지럼증 등을 해소할 수 있는 안전기준 및 가이드라인도 제시되고 있다.

3DTV 및 CCTV 분야에서 3D 입체 카메라를 적용한 디스플레이 산업이 활성화되기 위해서는 학제 간 융합연구를 통한 3D 융합산업 저변 확대, 산ㆍ학ㆍ연ㆍ관ㆍ민 공동으로 체계화된 표준화 연구와 더불어 미국과 일본 등 기술선도국의 3D 융합산업 벤치마킹 및 3D 관련 단체와의 국제협력 네트워크 구축 등에 주력할 필요가 있다.

이와 함께 홀로그램 기술 기반의 3D 입체영상을 효과적으로 구현하기 위해 기술적ㆍ사회적 문제점을 해소하고 국민적 합의를 통해 real-3D 홀로그램 디스플레이 기술 구현을 위한 저비용ㆍ고효율 기술 개발에 주력할 필요가 있다. 이러한 목표를 실현하기 위해 다양한 시범사업 결과를 토대로 단기 기술 개발 로드맵을 설정하고 이에 근거한 지속적인 실행 방안이 필요하다.