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최근 고재생률(High Refresh Rate) 모니터들에 대한 인기가 높아지고 있습니다. 특히 1인칭 슈팅 게임과 같이 화면 전환이 빠른 게임을 즐기는 유저들에게는 게임의 승률을 높일 수 있다는 이야기가 퍼지며 일반 모니터에 비해 가격대가 높음에도 불구하고 매우 높은 선호도를 보이고 있습니다. 오늘은 디스플레이에서 화면 재생률의 개념과 종류를 살펴보도록 하겠습니다.

 

화면 재생률이란?

동영상은 정지된 화면(프레임)의 연속적인 움직임으로 만들어집니다. 화면 재생률(Refresh Rate)이란 1초 동안 디스플레이가 화면에 이러한 프레임을 나타내는 횟수를 의미하며, 쉽게 말하자면 1초에 얼마나 많은 장면을 표시할 수 있는지를 나타내는 수치입니다. 화면 주사율(Scan Rate) 또는 화면 재생 빈도라고 부르기도 합니다.

재생률은 초당 반복 수를 의미하는 Hz(헤르츠)를 단위로 사용하는데, 예를 들어, 60hz의 재생률을 갖춘 모니터라면 1초 동안 화면을 60단계로 쪼개서 보여줄 수 있다는 의미입니다.

※ 유사한 개념인 FPS(Frame Per Second)는 주로 영상의 소스(파일 등)를 대상으로 사용하며, Hz는 사이클이 반복되는 주파수의 개념이므로 디스플레이 디바이스를 대상으로 사용합니다.

인간의 눈은 일반적으로 1초당 15개의 프레임을 연속해 보여주면 플리커(Flicker)라 불리는 깜박임 현상을 느끼지 않고 자연스러운 동영상으로 인식하지만, 시청 환경의 조명 조건과 화면의 크기 등의 변수에 의해 플리커를 인지할 수 없는 최소 값은 달라지는 것으로 알려져 있습니다. 현재 대부분의 TV 또는 모니터는 60Hz 이상의 사양을 갖추고 있을 뿐만 아니라, 방송 규격 등도 최소 인지 범위보다는 훨씬 높기 때문에 일반적인 신청 환경에서 부자연스러운 영상 전개를 접할 경우는 드뭅니다.

 

화면 재생률의 시초

재생률의 개념이 가장 먼저 등장한 분야는 영화였습니다. 당시에 1초당 필름 몇 장을 영사기로 상영하느냐는 것을 재생률의 개념으로 볼 수 있는데, 인간이 영상으로 인지할 최소한의 재생률과 값비싼 필름값을 동시에 고려해 24 Hz라는 타협점에 도달했습니다. 즉, 영사기를 통해 1초에 24장의 필름 프레임을 재생하기 시작했습니다.

TV의 발명 이후 TV 업계에서도 앞선 영상 분야였던 영화의 기준을 따라 24 Hz 재생을 시도했으나, 당시에는 프레임을 일정한 속도로 재생하기 위한 기준 신호를 생성하는 클럭 제너레이터(Clock Generator)를 저렴하게 양산할 수 있는 기술이 부족했기 때문에 도입에 어려움이 있었습니다. 하지만 당시 가정에 보급된 교류(AC) 전력의 신호를 화면 재생률과 동기화해 사용할 수 있다는 점에 착안해, 미국 등은 60Hz의 교류 전력에 동기화한 30Hz를, 유럽은 50Hz의 교류 전력을 동기화한 25Hz를 재생률 기준으로 정하고 사용하게 됩니다.

 

화면 재생의 기술적 구현 방법

화면의 한 프레임마다 이미지를 한번에 펼쳐보여준 후 다음 프레임 또한 마찬가지로 한번에 보여줄 수 있다면 가장 완벽한 구현 방법일 것입니다. 하지만 이미지 1개를 프레임마다 1:1 매칭해 동시에 보여줄 수 있는 방법은 기술적으로 아직 구현이 어렵습니다.

기하학에서 점이 모여 선이 되고, 선이 모여 면을 이루듯이, 디스플레이 화면도 픽셀을 하나씩 켜 나가며 가로로 한 줄의 픽셀로 구성된 띠(스캔 라인)를 우선 만들고, 그 다음 픽셀라인을 연이어 켜나가는 방식으로 화면의 전체적인 모습(프레임)을 구현합니다.

예를들어 오래된 TV 기술 제품인 브라운관(CRT)의 경우에는 전자총에서 전자를 발사해 TV의 표면부에 충돌시켜 빛을 발생시키는 방식으로 화면을 구현합니다. 전자총에서 전자가 한꺼번에 나오는 것이 아니라, 시청자를 기준으로 봤을 때, 화면의 왼쪽 위 모서리부터 오른쪽 아래 모서리까지 전자가 순서대로 나와서 부딪히는데, 내부의 자기장을 이용해 전자를 지그재그 형태로 도달하게 해 화면에 그림을 그리는 방식입니다. 속도가 무척 빠르기 때문에 인간의 눈으로는 마치 하나의 프레임을 한꺼번에 그린 듯한 착시가 발생합니다.

이런 방식으로 왼쪽에서 오른쪽까지 전자의 움직임이 한 사이클 이루어지면, 비로소 한 프레임이 그려진 것으로, 1초 동안 이렇게 30번을 움직이면 30Hz의 동작을 완성하게 됩니다. 따라서 브라운관이 화면 재생률을 높이려면 전자총에서 나오는 전자의 양이 비례해 늘어나야 하고, 전자의 컨트롤도 빠르고 정밀해져야 합니다.

LCD TV의 경우에도 형태는 다르지만 브라운관과 유사하게 점에서 면으로 확대 구현하는 방식입니다. LCD의 경우에 브라운관과 달리 각각의 픽셀을 동시에 켜면 되지 않을까 하고 생각하기 쉽지만, LCD 각각의 픽셀에 신호를 전달해주는 역할을 하며 액정층 아래에 그물 처럼 깔려 있는 TFT(박막트랜지스터)도 전자의 이동속도에 영향을 받기 때문에 화면의 한쪽 모서리 픽셀에서 반대쪽 모서리의 픽셀까지 신호를 전달하는데 일정한 시간이 걸립니다. 그리고 이러한 현상은 당연히 고해상도로 갈수록 시간이 더 걸리기 때문에 화면 재생률을 높이기 위해서는 더욱 효율적인 TFT 설계가 필요합니다.

 

화면 재생률 차이에 따른 효과

일반적인 가정용 또는 업무용 모니터는 보통 60Hz의 재생률을 가지고 있습니다. 이 정도의 사양이면 일반적인 인터넷, 영화감상, 업무용 프로그램 사용에 충분한 것으로 평가되고 있습니다. 일반적으로 재생률이 높을 수록 화면 전환이 부드러워 좋지만, 그만큼 가격이 상승하기 때문에 필요성에 따라서 판단하는 것이 좋겠습니다. 예를 들어, 빠른 화면 전환을 자주 하는 게임류 또는 높은 프레임률을 가진 특수한 영상을 볼 때에는 고재생률(또는 고주사율) 디스플레이가 효과적입니다. 1인칭 슈팅 게임들은 유저가 프레임률을 직접 조절할 수 있는 옵션을 제공하는 경우가 많기 때문에 1초 동안 120개의 프레임을 게임 속 장면으로 연출할 수도 있는데, 60Hz의 모니터로 플레이를 한다면 프레임의 절반을 손해보기 때문에 화면의 움직임이 부자연스러워져 플레이에 제한 요인으로 작용하기 때문입니다.

재생률의 효과를 정확히 체감하려면 재생률이 다른 모니터 여러 대를 동시에 놓고 직접 관찰해야 하지만, 아래의 영상을 통해 간접적으로나마 비교 해 볼수 있습니다.

화면 재생률이 낮은 경우에는 화면에 잔상이 남는 일명 모션 블러(Motion Blur) 현상이 나타나게 됩니다. 우리 눈이 정확한 화면을 보는 데에 방해가 되고, 또 눈의 피로도도 올라가게 됩니다. 이러한 현상을 줄이기 위해 여러 TV 기업들은 자신들만의 화질 개선 알고리즘을 탑재해 모션 블러를 감소시키는 각종 소프트웨어적 기술을 탑재하기도 합니다.

 

영상과 디스플레이의 재생률이 다르면 어떻게 될까?

영상 소스가 가진 프레임률(FPS)과 디스플레이의 재생률에 차이가 난다면 화면에 어떻게 표현될까요? 두 가지 케이스를 생각 해 볼 수 있습니다. 30FPS 영상을 60Hz TV에서 보듯이 디스플레이의 재생률이 높은 경우와 반대로 60FPS 영상을 30Hz TV에서 보듯이 영상 소스의 프레임률이 오히려 높은 경우.

먼저 디스플레이의 재생률이 높은 경우를 보겠습니다. 이 때에는 오히려 디스플레이의 재생 프레임마다 영상의 중간이 비는 현상이 발생하기 때문에 이를 막기 위해 디스플레이가 자체적으로 영상의 프레임을 두 번씩 보여주는 방법이 있습니다. 다른 방법으로는 한걸음 더 발전된 방식으로 ‘인터폴레이션(Interpolation)’이라는 방식을 사용하는데, 영상 소스 프레임 2개 사이에 가상으로 예측된 이미지 1개를 삽입해 자연스러움을 높이는 기능입니다. ‘Soap Opera Effect’ 라고 부르기도 하며 앞서 언급한 화질 개선 알고리즘이 바로 이러한 방식입니다.

하지만 영화와 같이 24FPS로 만들어진 영상은 60Hz TV에서 표현할 때 프레임을 2번씩 보여주도록 48FPS로 맞추더라도 12프레임이 비는 현상이 발생합니다. 이러한 경우를 해결하기 위해 영상 업계에서는 오래 전부터 ‘3:2 풀다운’ 등의 프레임 조절 방식을 이용해 원활한 재생이 가능한 방법을 고안해 왔습니다. 고급 사양의 TV에는 24Hz로 구동하도록 영화 재생 모드 기능을 탑재하고 있는 경우도 있습니다. 이런 경우에는 별도의 변환 알고리즘 없이도 재생이 가능하며 영화 고유의 영상미를 유사하게 느낄 수 있습니다.

반대로 영상 소스의 프레임이 더 높은 경우는 어떨까요? 일반적으로는 중간의 프레임을 건너 뛰는 방법을 이용합니다. 60FPS 영상이라면 홀수 프레임은 보여주고 짝수 프레임은 보여주지 않는 방법입니다. 이 외에도 제조사마다 영상 플레이어 또는 TV의 영상보드에 이를 해결 할 수 있는 기능을 탑재해 영상 재생을 돕습니다.

오늘은 디스플레이 화면 재생률(Refresh Rate)에 대해서 살펴보았습니다. 다음 시간에는 디스플레이와 다른 장치를 연결하는 ‘디스플레이 케이블의 종류’에 대해서 알아보겠습니다.

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