3. 디스플레이 모션블러, 원인과 해결 방법은?

디스플레이에서 ‘잔상’은 표현하고자 하였던 이미지에 왜곡이 생긴 것을 가리키는 용어를 일컫습니다. 잔상의 원인은 사람 눈에 의한 착시에 기인할 수 있으며, 영상 혹은 디스플레이에서도 찾을 수 있습니다. LCD에서 주로 이슈가 되는 잔상을 모션블러(Motion Blur)라고 하는데요, 모션블러는 동영상에서 이동하는 물체의 경계가 명확하지 않고 번져 보이는 현상입니다. 크게, 촬영시 카메라 셔터 보다 피사체의 움직임이 빨라 발생하는 촬영 모션블러(Captured Motion Blur)와 디스플레이 구동에 기인하는 디스플레이 모션블러(Displayed Motion Blur)로 구분됩니다. 이번 포스팅에서는 디스플레이 모션블러에 대해서 자세히 다뤄보겠습니다.

 좌측 그림은 정상화면, 우측 그림은 모션블러가 인지되었을 때의 화면

LCD에서 모션블러가 발생하는 이유는 무엇일까?

모션블러는 연속적인 이미지가 정확하게 구분되지 않고, 겹쳐 보여 영상 끌림이 보이는 현상을 말합니다. 앞서 LCD와 PDP를 비교한 포스팅에서 응답속도에 대한 비교를 해보았는데요, 이때 LCD가 PDP에 비해 모션블러로 인한 영상 끌림이 있어 빠른 영화를 볼 때 PDP가 좋다는 평가도 있었다고 말씀드렸는데요. 그렇다면 왜 LCD에서 유독 모션블러 현상이 문제가 될까요?

1) 액정 응답속도에 의한 모션블러

LCD는 빛을 조절하기 위해 편광판과 액정을 사용합니다. 액정에 전압을 걸어주면 빛의 방향을 조절해 편광판에 출력되는 빛의 양을 조절하게 되는데요, 이때 액정이 정확하게 원하는 만큼 움직이려면 시간이 필요합니다. 예를 들어 5V라는 전압을 걸어줬는데, 20ms 정도가 있어야 액정이 원하는 만큼 움직인다고 가정해 보겠습니다. 그럼 120Hz (1초에 120장의 이미지)로 디스플레이 하기 위해서는 1프레임당 8ms 정도의 시간이 주어지는데, 이는 적어도 8ms 안에 원하는 빛을 보여 줄 수 있어야 함을 의미합니다. 하지만 액정의 응답속도가 20ms라 표현을 못 하는 문제가 발생할 수 있겠네요. 이 때 고정된 이미지를 계속해서 보여주는 경우에는 문제가 없겠지만, 빠르게 장면이 전환되는 경우 1프레임을 채 표현하기 전에 다른 이미지를 표현하지 못하는 문제가 생길 수 있습니다.

2) 사람 눈 잔상에 의한 모션블러

대부분의 사람들은 LCD의 모션블러가 액정의 응답속도로 인해 발생한다고 생각하고 있지만, 이미지를 기억하는 사람 눈 특성에 의한 잔상 또한 모션블러에 큰 영향을 미칩니다. 프레임이 전환될 때 사람 눈에는 이전 이미지가 남아있는데, 이것이 현재 보여지는 이미지와 겹쳐 보여 모션블러로 나타납니다. 프레임의 이미지를 유지시키는 LCD의 아날로그 구동방식은 사람 눈에 잔상을 일으킬 가능성이 높습니다.

모션블러를 개선하기 위한 LCD의 노력들

위에서 언급한 대로, LCD는 모션블러에 취약하지만 이를 개선하기 위한 다양한 노력을 기울여 왔습니다. 덕분에 시청자들은 이로 인한 불편을 느끼지 못했고, 지금은 LCD TV가 디스플레이 시장을 주도하는 최강자로 군림했는데요. 어떠한 방법들이 있는지 함께 살펴보실까요?

1) 액정 응답속도에 의한 문제 개선 – 오버드라이빙

액정의 느린 응답속도를 개선하기 위한 방법은 무엇이 있을까요?

아마 제일 먼저는 ‘응답속도가 빠른 액정’이 아닐까 합니다. 이에 관해 많은 노력들이 있었지만, 가격 / 수율 / 신뢰성을 고려할 때 단기간에 구조적으로 개선되기는 쉽지 않았습니다. 보통 디스플레이에서 개선 포인트를 찾을 때, 가장 쉽고 빠르게 할 수 있는 방법이 패널부는 그대로 둔 채 회로 부분을 바꾸는 것입니다. 이렇게 해서 나온 게, 바로 오버드라이빙(Over Driving)이라는 기술입니다.

오버드라이빙이 적용된 그래프로, 빛의 출력 변화가 1프레임 내에 변화되는 결과를 볼 수 있다.

보통 응답시간을 일컬을 때는, 10% 변화된 시점에서 90% 변화된 시점까지의 시간을 의미합니다. 액정 응답시간이 느리다는 것은 액정이 바뀌어야 할 시간, 즉 1 프레임 시간 보다 길다는 뜻입니다. 즉, 응답시간을 개선하기 위해서는, 1프레임 시간에 변화의 90%를 만들어 내면 된다는 결론을 도출할 수 있습니다. 그래서 나온 방법이 변화의 첫 번째 프레임에 ‘더 높은 전압을 걸자’ 입니다. 액정은 높은 전압을 걸었을 때, 변화의 기울기가 높은 특성이 있어 상대적으로 많은 변화를 가져올 수 있습니다. 위 그림처럼 변화의 첫 번째 프레임에 높은 전압을 걸어주고, 유지되는 프레임에서 원하는 전압을 걸어주면, 90% 변화되는 시점까지의 시간을 1프레임 안으로 가져올 수 있는 것이죠. 사실 이 방식이 접근은 쉽지만 구현하기 위해 어려운 부분들이 존재합니다. 계조마다 응답시간의 차이가 있고 이는 각기 다른 추가 전압을 필요로 하기 때문입니다. 하지만 간단해 보이는 이 알고리즘이 LCD의 응답속도에 의한 모션블러를 개선하는데 큰 기여를 했습니다.

2) 사람 눈 잔상에 의한 모션블러 개선 – 블랙데이터삽입과 프레임레이트 더블링

앞서 언급한 것처럼 LCD에서 발생하는 모션블러는 액정의 응답속도 문제만 있는 것이 아닙니다. 고정된 이미지를 기억하는 사람의 눈 특성으로 인한 문제로 인해 아날로그 구동을 하는 LCD에서 모션블러가 발생합니다. 어떻게 하면 이 문제점을 개선할 수 있을까요? LCD에서는 이를 개선하기 위해 크게 두 가지 방식으로 접근했습니다. 먼저 관련 영상 영상을 보시죠.

잘 보셨나요? 영상에서는 모션블러와 정상구동을 비교하고, 모션블러를 개선하기 위해 블랙 영상을 추가하는 블랙데이터 삽입 방법과 프레임 주파수를 올리는 프레임레이트 더블링 방식을 소개했습니다. 이 방법들은 LCD의 단점이었던 모션블러를 개선하는 데 큰 기여를 했습니다.

– 블랙데이터 삽입 / 스캐닝 백라이트

먼저 첫 번째 방법은, CRT / PDP처럼 임펄스(Impulse) 구동을 하는 것입니다. 빛을 내는 시간을 유지하는 게 아니라 1프레임 내 일정 시간만 빛을 내는 것인데요, 이를 위해 블랙 영상을 구동 영상 사이사이에 넣어주는 방법(블랙 데이터 삽입, Black Data Insertion)을 사용합니다. LCD에서는 대표적으로 블랙 영상을 표현하기 위해, 영상 구동 중 백라이트를 빠른 속도로 ON / OFF 해주는데요, 이를 스캐닝 백라이트 (Scanning Backlight)라고 합니다.

블랙데이터 삽입 방법의 기본 컨셉으로 기존 프레임 사이에 블랙 영상이 추가됨을 확인할 수 있다.

단, 단기간에 밝은 영상을 보여주기 위해서는 영상을 보내줄 때 더 많은 빛을 필요로 하는 단점이 있습니다. (LCD vs PDP, 낱낱이 파헤쳐보는 구동 방식의 차이를 참고해 주세요)

앞서 언급한 대로, 스캐닝 백라이트는 1프레임을 표현하는 시간 동안 백라이트를 잠깐 꺼줘 블랙이미지를 표현합니다. 직전의 이미지를 기억하는 사람의 눈이 다음 화면을 봤을 때, 이전의 기억된 이미지가 블랙 영상이라 잔상으로 나타나지 않습니다. 이 방식은 매우 효과적이고 구현하기 쉬운 방식이지만, PDP 구동에서 설명했던 것처럼, 단기간에 더 높은 빛을 내야 하기 때문에 파워 효율이 상대적으로 나빠지는 단점이 있습니다.

– 프레임레이트 더블링 / MEMC

프레임레이트 더블링의 기본컨셉으로 기존 프레임 사이에 만들어진 새로운 프레임이 추가되고 구동속도가 올라간다.

다른 접근 방법은, ‘프레임 전환 속도를 더 올려 사람이 모션블러를 인지하지 못하게끔 하자’는 아이디어에서 출발했습니다. 즉, 60Hz로 들어오는 영상 사이에 추가적인 이미지를 더 넣어 프레임 주파수를 올리는 것인데요, 이를 프레임레이트 더블링(Frame Rate Doubling) 또는 MEMC(Motion Estimation / Motion Compensation)라고 합니다. 이 방식은 멀티미디어기기로부터 60Hz 속도로 들어오는 영상의 벡터를 추출하고, 양프레임간의 벡터의 경로차이로 움직임을 예측하여(ME), 보상할 새로운 프레임을 생성하는 방법인데요(MC). 이를 위해서는 영상을 압축할 때처럼, 실영상(비압축)의 가장자리를 추출하여 벡터로 인식해야 하고 프레임 데이터를 저장하고 새로운 프레임을 만들어 높은 주파수로 보내줘야 하기 때문에, 높은 연산과 많은 프레임 메모리를 사용하는 IC(Integrated Circuit, 직접회로)가 필요합니다. 이 방식은 구현이 어렵고 IC 가격이 높다는 단점 외에도 새로 생성된 프레임에서 노이즈가 발생한다거나 디스플레이 T-Con 및 Panel의 IC 구동에서 높은 구동 주파수를 요구하는 단점이 있지만, 화면의 밝기가 균일하기 때문에 백라이트의 파워 효율이 매우 높다는 장점이 있습니다.

프레임 주파수 경쟁에 대한 견해

LCD에서 액정의 느린 응답속도로 인한 모션블러는 오버드라이빙 알고리즘이 적용되어 거의 고려하지 않아도 될 정도로 개선되었습니다. 하지만 눈의 잔상에 의한 모션블러에 대한 개선 방식은 여전히 많은 제조 회사에서 마케팅 포인트로 잡고 있습니다. 프레임 전환속도가 빨라지면 프레임의 지속시간이 줄어들어 아날로그 구동을 하는 LCD의 모션블러 개선에 도움이 되는 게 사실입니다. 사람 눈에 들어오는 영상의 지속시간이 짧을수록 그 기억이 또한 짧아지기 때문이죠. 240Hz의 고속구동은 사람이 모션블러를 인지하기 힘들 정도로 프레임의 전환을 빠르게 하여 상당 부분의 모션블러 이슈를 개선할 수 있었습니다.

하지만 프레임 전환 속도, 즉, 프레임 주파수(1초에 몇번의 프레임이 나타는지)에 대해 이해가 필요할 것 같습니다. PDP는 1 프레임을 8개~10개의 서브프레임으로 분할하여 600번의 방전을 통해 표현하죠. 그래서 600Hz 구동이다라고 광고하기도 합니다. 하지만, 정말로 600장의 다른 이미지를 보여주는 것일까요?

PDP TV 세트에 들어오는 이미지는 1초에 60장으로, 프레임 단위로 하면 60Hz 구동입니다. 하지만 이것도 진짜 60장이 아니죠. 영상의 포맷은 대체로 24fps으로 1초에 24장의 원본 이미지를 가집니다. TV가 멀티미디어 기기로부터 받아들이는 60Hz는 실제로는 24프레임 / 1초의 이미지를 3:2 Full down을 통해 단순 반복한 영상입니다. 즉, 1초에 실제 비춰지는 영상 프레임은 24프레임이라는 얘기죠. 여기에 PDP 구동특성상 프레임을 서브 프레임으로 분할구동하기 때문에 1프레임에 계조가 다른 영상과 블랙영상이 포함되죠. 정리하면 우리는 PDP에서 1초에 24장의 원본이미지를 60Hz 구동으로 보여줍니다. 하지만, 어느 누구도 PDP의 모션블러에 문제제기를 하지 않습니다. 즉, PDP에서는 1초에 24장의 이미지를 표현하는 것이 문제가 되지 않는다는 것이죠.

그럼 여기서 LCD의 높은 주파수에 관해 의문이 듭니다. 새로운 이미지를 추가하지 않고 들어오는 영상만 보여주는 PDP에서는 왜 모션블러가 이슈가 없을까요? PDP가 1초에 24프레임만을 보여줘도 문제가 없는데 LCD에서는 1초에 240프레임의 이미지를 보여줘야 모션블러가 사라지는 것일까요? 최근에는 스캐닝 백라이트까지 추가하여 프레임 수를 더 늘리는데, 어디까지 해야 모션블러로부터 자유로워 질 수 있을까요? 그런데, 여기서 말하는 120Hz / 240Hz의 고속구동을 하면 정말로 TV를 볼 때 1초에 240개의 다른 영상이 눈에 들어오는 걸까요?

이 부분에 대한 이슈는 영상포맷부터 구동방식까지 여러 문제들이 얽혀 있습니다. 보다 상세한 설명은 다음 포스팅에서 설명드리도록 하겠습니다. 그럼, 오늘도 행복하세요~