비디오 신호(RGB, CVBS, S-VIDEO, Y/Pb/Pr, Y/Cb/Cr, DVI, HDMI, RF) | 디지털 이야기

[통신대장]

기본 요소
색을 표현하는 데에는 색상의 기본인 3원색(Red, Green, Blue)만 있으면 모든 색상을 표현할 수 있다. 그리고 디스플레이 장치에 표현하기 위해서는 여기에 동기 신호인 Horizontal Sync와 Vertical Sync가 추가로 필요하다.
- 디스플레이에 필요한 요소 : R, G, B, Hs, Vs

쉽게 말해서, 위 요소만 주고 받으면 되는 것이다. 이는 우리가 흔히 보는 PC와 모니터 사이에 사용되는 15pin-DSub Jack 케이블에 적용이 되어 있다. 그러나 이는 많은 양의 케이블 라인을 필요로 한다. 그리고 방송용으로는 적당하지 못하다. 그래서 신호를 변형하여 간편하게 보내고자 고안된 여러 신호들이 있다.
- 아날로그 영상 신호 : RGB, CVBS, S-VIDEO, YPbPr
- 디지털 영상 신호 : ITU-R 601, ITU-R 656

2. 영상 신호들 간의 관계

상호 영상 신호를 도식화 함으로써 상호 간의 관계를 좀 더 쉽게 알아보고자 한다.

그럼 왜 이렇게 많은 신호 방식들이 생겨났는가 하는 문제 제기를 해보자. 왜 그럴까?

위에서 밑으로 내려오면서의 하나의 공통점은 영상 정보에 데이터 량이 감소하였다는 것이다. 디지털적인 말로 표현하자면 압축. 다시 말해서, 영상 정보를 보다 효율적으로 보내기 위함이다.

색차 신호 방식은 사람의 눈은 휘도보다 컬러에 둔감하다는데 착안하여 영상 정보를 휘도와 색차 신호로 분리한 다음 컬러 신호의 정보량을 확 줄여 버렸다. 또한 YIQ 방식에서 대역폭이 상이한 것은 I축의 색감에 비해 Q축의 색감이 둔감하다는 것을 이용했다.

YCbCr인 경우는 영상 비율이 4:2:2 혹은 4:1:1이고, YIQ인 경우는 대역폭이 4.25MHz:1.5MHz:0.5MHz이다.

Y + C인 경우는 I와 Q를 축이 다른 영역으로 하여 교차시켜 하나의 대역에 실으므로 해서 하나의 전송 선로를 공유할 수 있게 했다. CVBS 또한 Y와 C를 중첩시켜 나온 결과이다.

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색상 신호를 RGB Color Space 상의 R, G, B의 색상 요소로 분해할 수 있는데, 우리는 눈에 보이는 대로 인식되는 이른바 "빛의 삼원색"에 너무나 익숙하다. 그런데, YCbCr이나 YPbPr은 색상 신호가 아니라 휘도(Luminance) Y와 색차 신호 Cb(Pb), Cr(Pr)에 기반한 색 표현 방식이다. 인간의 눈이 색상보다 밝기에 더 민감하기 때문에 색차 신호를 이용해서 처리하는 것이 효과적이다.

- 신호 표준들을 보면 Pb, Pr은 아날로그 색차 신호를 호칭할 때 사용하는 용어이고 Cb, Cr은 디지털 신호로 부호화했을 때 사용하는 용어이다. 그런데 이를 혼용해서 부르는 경우가 많아졌다.
- Cb/Cr과 Pb/Pr의 차이는 NTSC(480i) 레벨의 신호 단자를 [Y/Cb/Cr]로 표시하고, NTSC(480i) 레벨 이상의 영상 포맷(HDTV 720p, 1080i)을 사용할 수 있는 단자를[Y/Pb/Pr]로 표시한다.

4:2:2
컴포넌트 비디오의 휘도(Y)와 색차 신호(R-Y, B-Y)를 디지털화하는데 사용되는 표본화 주파수의 비율. 4:2:2라는 용어는 Y가 4번 표본화될 때 R-Y와 B-Y는 2번 표본화되는 것을 의미하는데, 이는 4:1:1에 비하여 휘도에 대한 색 대역폭을 더 많이 할당한 것이다. CCIR 601에서 4:2:2 표본화는 디지털 스튜디오 장비의 표준으로써 4:2:2와 CCIR 601이라는 두 용어가 일반적으로 동의어로 사용되지만 기술적으로 정확히 같은 의미는 아니다. Y의 표본화 주파수는 13.5MHz 이고, R-Y와 B-Y는 각각 6.75MHz로써 고품질 크로마키에 적합한 색 대역폭을 제공한다.
4:1:1은 13.5MHz:3.37MHz:3.37MHz이다.
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RGB Video Signal
5가지 신호 성분이 모두 분리된 형태로 상호 신호 간의 간섭이 가장 적은 형태이며 신호를 보내기 위해서 신호 라인이 많이 필요하므로 케이블이 복잡해지는 단점이 있다.
사용 예 : PC Cable (15Pin DSub Jack)
신호 성분 : R + G + B + H + V

컴포지트 비디오(CVBS, Composite Video Baseband Signal), 화질은 보통임
3개의 영상 신호를 합성하여 노란색인 하나의 선에 전송한다. 이는 디스플레이에 필요한 모든 신호를 혼합해서 보내기 때문이다. 따라서 컴포지트는 신호를 보내는데 가장 간편한 형태이다.
색을 분리하지 않고 합성하여 하나의 선으로 전송하기 때문에 화질이 가장 나쁘다. 흰색은 왼쪽 오디오, 빨간색은 오른쪽 오디오이다.
수신단에서는 신호를 여러 신호(R, G, B, H, V)로 다시 분리해야 하는데 이때 신호의 손상을 초래할 수 있다(해상도 저하, Cross Color 발생, Dot noise 발생).
신호 성분 :  CVBS = Y + C
(baseband란 어떤 신호가 다른 주파수나 위상으로 변조되지 않은 원형 그대로의 신호를 말한다)

슈퍼 비디오(Super Video), 화질이 좋음
CVBS에서 휘도 신호(Y, Luminance)와 채도 신호(C, Chroma)를 각각의 선(두 개)으로 보내는 형태를 말한다.
슈퍼 비디오는 Composite 비디오 보다는 꽤 좋은 화질을 보여주지만 Component 비디오에 비해서는 약간 떨어진다.
둥근 모양의 4핀 연결 단자에는 Y/C, S-Video, 혹은 S-VHS라고 쓰여 있다.
전문가들은 S-Video가 아닌 Y/C Video라 일컫는데 이것이 비디오 신호 형식을 좀 더 잘 표현하고 있기 때문이다.
☞ S-Video는 흔히 슈퍼 비디오라고 불리지만 정확한 용어는 Separate-Video라고도 한다. 그 이유는 비디오 신호를 하나의 케이블에 실어 보내는 Composite와 달리 휘도 신호(Y)와 채도 신호(C)로 분리해서 전달하기 때문이다.
사용 예 : S-VHS Cable(무비카메라, 비디오..)
신호 성분 : 
    - Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
    - C = I + Q
※ RGB 앞에 붙는 계수의 의미
동일한 RGB에 대해서 우리 눈이 느끼는 밝기의 차이는 다르다. 따라서 계수의 값은 눈에 대한 밝기 민감도의 비율이며 또한 이들 값의 합은 1로 설정한다.

컴포넌트 비디오(Component Video), 화질이 상당히 좋음
신호를 가장 왜곡이 적은 색차 신호로 보낸다.
사람의 눈은 휘도 신호에는 민감하지만 컬러 신호에는 둔감하다는 사실에 착안하여 만들어진 방식이다. RGB 신호를 하나의 휘도 신호와 두개의 색차 신호로 변형한다.
Component 비디오 출력 단자에는 YUV, color difference, YPbPr, 혹은 Y/B-Y/R-Y라 쓰여 있고 녹색/청색/적색의 색상으로 표시되어 있다.
사용 예 : DVDP, SET-TOP-BOX...
신호 성분 :
    - Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B
    - Pb = B - Y = B - (0.3R + 0.59G + 0.11B) = -0.3R - 0.59G + 0.89B
    - Pr = R - Y = R - (0.3R + 0.59G + 0.11B) = 0.7R - 0.59G - 0.11B

여기서, 휘도 신호와 색차 신호와의 레벨을 맞춘다. 이유는 A-D와 D-A Conversion과  전송 등을 편리하게 하기 위함이다.
YCbCr은 색차 신호의 디지털적인 표현이다.
    - Cb = 0.564 (B - Y)
    - Cr = 0.713 (R - Y)

※ Conversion from RGB to Y-family.
RGB ↔ YIQ
Y=0.299R+0.587+0.114B
I=0.596R+0.274G+0.322B
Q=0.211R=0.523+0.312B

R=1.000Y+0.956I+0.6721Q
G=1000.Y-0.271I+0.647Q
B=1.000Y- 1.106I-1.703Q

RGB ↔ YUV
Y=0.3R+0.59G+0.11B
U=(B-Y)×0.493
V=(R-Y)×0.877

R=1.000Y+0.956U+0.621Q
G=1.000Y+0.271I+0.647Q
B=1.000Y+1.1061I+1.703Q

RGB ↔ YCbCr
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Cb=0.16874R-0.33126G+0.5B
Cr=0.5000R-0.41869G-0.0813B

R=1.000Y+1.40200Cr
G=1.000Y-0.34424Cb-0.71414Cr
B=1.000Y+1.77200Cb

프로그레시브 비디오(Progressive Video), 화질이 상당히 좋은 것 보다 더 좋음
몇몇 플레이어는 Progressive 스캔 YUV(Y'Pb'Pr')나 Progressive 스캔 RGB(유럽의 플레이어만 해당) Component 비디오 출력이 있다. 양질의 케이블로 플레이어에 있는 3개의 비디오 출력을 Progressive 스캔 TV나 라인 멀티 플레이어의 3개의 비디오 입력에 연결한다.
Toshiba는 Progressive 스캔을 컬러스트림 프로(ColorStream PRO)라고 부른다.
Progressive 비디오는 대부분의 영화에서 사용되는 순차적인 특성을 그대로 유지함으로써 좀 더 좋은 수직 해상도와 부드러운 움직임을 구현하여 필름과 같이 흔들림 없는 이미지를 제공한다.
컴퓨터로 DVD를 볼 경우에도 Progressive 비디오를 사용한다. 이 경우, 15핀 컴퓨터 비디오 케이블을 사용하여 PC의 VGA 출력을 모니터나 프로젝터의 VGA 입력에 연결한다. 프로젝터에 RGB나 YPbPr만 있는 경우에는 Audio Authority 9A60과 같은 컨버터가 필요하다.

디지털 비디오(Digital Video), 화질이 가장 좋음
몇몇 플레이어는 HDMI(DVI)나 1394 출력 단을 가지고 있다. 이들은 DVD로부터 출력되는 디지털 신호를 그대로 출력한다. 플레이어의 출력 단으로부터 HDMI나 1394 케이블을 디지털 TV나 다른 디지털 A/V 시스템의 HDMI나 1394 입력 단에 연결하면 된다. 그 케이블은 디지털 오디오 신호도 함께 전달한다.

RF 비디오(화질이 가장 안좋음)
나사식의 안테나 입력만 있는 구형 TV에는 이 단자를 써야만 한다. 대부분의 DVD 플레이어에는 RF 출력이 없기 때문에 RF 모듈레이터를 사야만 할 것이다. 플레이어에 RF 출력이 내장되어 있다면 모노일 수는 있지만 오디오도 포함하고 있다. 플레이어의 노란색 비디오 출력을 모듈레이터의 입력에 연결한다. 플레이어를 별도의 스테레오 시스템에 연결하지 않을 때는 플레이어의 왼쪽 오디오 출력을 모듈레이터의 오디오 입력에 연결한다(스테레오 모듈레이터의 경우에는 다른 케이블로 오른쪽 채널을 연결한다). 동축 안테나 케이블로 모듈레이터와 TV를 연결한다. 300옴을 75옴으로 바꾸는 어댑터가 필요할 수도 있다(두 줄의 안테나 연결을 동축 트위스트로 변환하기 위한 것이다). TV를 채널 3이나 4(독일이나 다른 유럽 국가에서는 36번)에 맞추고 모듈레이터나 플레이어 뒷면에 있는 스위치를 맞춘다.
☞(주석)  RF(Radio Frequency) 케이블은 흔히 TV 안테나 연결 선을 지칭

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