고해상도 CCTV 시스템의 발전 동향
UHD 상용화 및 압축기술의 안정화…4K UHD·메가 픽셀 적용의 촉매제


한국로보트보쉬 이경록 과장의 ‘고해상도 CCTV 시스템의 발전 동향’에 대한 발표로 고해상도 CCTV 시스템의 진화와 HD 기술 트렌드에는 어떤 것들이 있는지 알아보고, 발전에 따른 극복 과제들에 대해 점검해 본다.

이경록  과장(한국로보트보쉬)


SD에서 HD로의 전환

시장은 SD에서 HD로 방향을 전환하고 있다. IMS 리서치의 보고서에 따르면, SD 카메라의 연평균 성장률은 9%에 불과한 반면, HD 카메라의 평균 성장률은 62%에 이른다고 예측했다. 지금 현재 상황은 오히려 리서치 기관에서의 조사보다 HD 카메라의 성장률이 기하급수적으로 늘어나고 있다.
SD에서 HD로 전환하면서 HD 카메라 성장에 기여하는 키워드로는 소비재 시장으로부터의 영향, 16:9 화면 비율의 LCD 모니터, 향상된 영상 품질, HD 카메라들의 수용성, 저장 비용의 감소 등을 들 수 있다.
이미 많은 가정 및 사무실에 HD 모니터가 보급되어 있을 만큼 일반 가정에서 기본 제품이 되어 있다. 소비자들이 HD 모니터를 사용하는 이유는 더 좋은 해상도에 대한 욕구 때문이다. 영상의 세부 화질 및 묘사에 있어서 HD가 장점이 있다는 것에 대해 HD 제품 사용자는 이미 친숙해져 있는 것이다.
지난 월드컵과 올림픽 당시 방송이 HD로 전환되었다. 많은 가정에서 HDTV를 구매하기 시작했는데, 이는 HD 영상을 내보내는 스포츠 게임, 송출 방송국의 시스템 때문이라고 볼 수 있다. 이는 CCTV 시장에도 영향을 미치게 되었다. 
LCD 패널 제조사들이 전통적인 4:3 비율의 SD 대신, 훨씬 더 큰 시장을 갖고 있는 16:9로 화면 비 사양을 전환하여 해당 사이즈의 모니터를 만들기 시작했고, 가격도 점차 내려가게 되었다. 16:9 화면 비를 갖고 있는 모니터들은 보안시장의 SD 카메라 변화에 직접적인 영향을 끼치면서 해상도의 변화를 가져오게 되었다.
모니터에 맞춰 영상을 띄우다보니, 기존의 4:3 이미지가 16:9 모니터에서는 영상이 남거나 16:9 영상을 4:3 모니터에 띄우면 영상이 잘리는 등 문제가 발생하게 되었다. 영상 관리 소프트웨어는 주로 4:3 화면 비의 개념에 따라 개발되었다.
때문에 SD와 HD 카메라를 하나의 사이트에 혼합해서 사용하는 것은 ‘강제로’ 영상관리 소프트웨어에서 4:3과 16:9 화면 비를 모두 지원하도록 영향을 끼쳤다. 세로 여백과 가로 여백은 당연한 것이 되었고, 이로 인해 다중 화면 분할에서는 배열이 정돈되지 못하게 되었다.
이러한 변화들은 SD 영상에 새로운 포맷이 사용되기 시작했다. 4CIF, CIF라고 부르는 해상도 사이즈이다. 이런 영상들이 480p, 240p, 16:9의 화면 비를 가져가면서 다른 이름으로 불리기 시작했다. 기존의 4:3 영상을 16:9 포맷으로 바꾸면서 이러한 변화들이 발생한 것이다. 보안 시장에서도 HD로 넘어오게 된 원인은 소비재 시장, 그리고 소비재 시장의 요구라고 할 수 있다.


지금까지의 HD 카메라의 판매 전략은 더 넓은 시야각과 더 상세한 묘사가 필요할 경우 사용하게끔 되었다. 하지만 HD 영상 SD급 영상에 비해 저조도가 좋지 않아 계속 바뀌는 도전적인 조명 또는 저조도 환경이 필요할 경우 SD 카메라를 사용하여 HD와 SD를 동시에 활용할 수 있다.
HD 카메라는 기존의 CMOS 센서가 CCD에 비해 감도가 많이 떨어지고, WDR(Wide Dynamic Range, 광역보정)이 약하다는 취약점을 갖고 있다. 그러나 Dynamic Range를 증가하기 위한 CMOS 기술의 개선 활동과 고화질의 영상 품질, CMOS의 약점을 보완하기 위해 더 큰 크기의 센서를 사용하고 있으며, CCTV 카메라에 IR LED를 탑재해 저조도의 약한 부분을 커버할 수 있는 카메라들이 지속적으로 개발되고 있다.


HD 카메라의 성장에 기여하는 요소 중 하나는 ‘가격’이다. IMS 리서치의 조사에 따르면, 네트워크 카메라 시장 점유율의 약 70%가 메가 픽셀(Megapixel) 센서이다. 더 많은 센서 제조사들이 메가픽셀 센서를 생산하게 되면서 HD 카메라의 제조원가를 낮추는 결과를 가져왔다. 이와 더불어 SD급 센서 개발은 점점 하고 있지 않기 때문에 결국 SD 카메라의 가격은 HD 카메라와 같이 빠르게 하락하지는 못하고 HD 카메라만 가격이 점점 내려간다. 2008년 800달러였던 HD 카메라 가격이 2015년에는 절반 수준으로 내려갈 전망이다.
하지만 성장의 걸림돌은 스토리지 비용의 증가이다. 기존의 DVR이나 SD급 카메라를 사용해 모션 녹화, 상시 녹화를 하면서 기존 스토리지 사용에 변화가 없었다. 그러나 HD로 전환되면서 통상 SD 카메라의 5배 이상의 저장 공간이 필요하게 되었다. 이러한 저장 스토리지 공간은 보안 시장이 아닌 IT 시장이 갖고 있다.
SD에서 HD로 전환되면서 네트워크와 스토리지 분야가 가장 이득을 봤다. 기존에 스토리지는 데이터를 주관하는 산업에 사용되었다. 그러나 보안 시장에서 HD 카메라를 사용하게 되면서 메카픽셀 카메라, HD급 카메라가 초당 3~5MB의 스트림을 내보내면서 IT 기반의 스토리지 회사가 보안 시장으로 편입해 시장이 더욱 확장되었다.

HD의 성장

HD성장에 대한 IMS의 보고서에 따르면, 2메가 픽셀까지의 카메라가 연평균 성장률이 62%이고, 3메가 픽셀 이하의 카메라에 비해 720p, 1080p 카메라에 대한 시장의 요구가 많다는 것을 알 수 있다.
SD와 HD의 차이점 중 두드러지는 것은 화면비이다. 두 포맷은 품질 표준에 적합한, 호환되는 기준이다. HD는 720p와 1080p 규격대로 해상도를 갖고 있지만, 이에 비해 MP 카메라는 기본적으로 3메가 픽셀 이상이다. 하지만 제조사마다 기준이 없어 4:3, 5:4, 16:9의 다양한 해상도를 갖는다. MP은 많은 픽셀을 의미하고 있다.
HD에 대해 SMPTE(Society on Motion Picture Television Engineers) 296M, SMPTE 274M 등 2가지 중요한 국제 표준이 있다. SMPTE에서의 표준으로 해상도, 화면비, 색상재현, 프레임 레이트 등에 대한 기준을 정한다. 영상보안 시장에서는 이 기준에 맞춰 카메라를 생산하고 있다.
IMS 보고서에 따르면 HD 비호환 카메라 즉, 메가픽셀 카메라보다 HD 호환 카메라의 성장이 더 빠를 것으로 예측했고, 실제 시장에서도 예측대로 이뤄지고 있다.
HD 호환 카메라가 메가 픽셀 카메라보다 더 선호되고 있고, 고 해상도 카메라에 대한 요구사항이 증가하고 있으며, HD는 해상도 측면에서 매력적인 제품으로 떠오르고 있다. HD는 고해상도를 제공하지만 스토리지와 대역폭의 비용을 관리하지 못할 정도의 수준은 아니다.
보안시장에서 HD 카메라는 주종 카메라로 자리매김하고 있다. 이와 더불어 현재 시장에서는 4K UHD(Ultra HD)와 메가 픽셀이 주목받고 있는데, 그 이유는 무엇일까.
첫 번째는 마켓 트렌드이다. 시장에서 소비자들의 눈이 높아졌다. 집에서 HD 영상을 보다가 SD 영상을 보게 된다면 답답함을 느낄 것이다. 즉, 더 선명한 화질에 대한 시장의 요구가 있기 때문이다.
두 번째는 기술의 이전이다. 4K UHD와 메가 픽셀의 경우, 보안시장이 아닌 다른 시장의 요구사항으로부터 영향을 받는다. 영화 산업 및 방송 산업의 고화질화로 인해 보안 시장이 진화하게 되었다.
세 번째는 스마트 솔루션이다. 넓은 범위의 감시, 원거리 사물을 식별하고자 했을 때 영상이 깨지지 않으려면 고해상도가 필요하기 때문이다.
Full HD의 경우 1920×1080(1080p)이지만 다음 시장에 사용될 UHD 4K 카메라는 3840×2160의 해상도를 갖게 된다. 4K는 가로 픽셀의 수를 나타내는 것으로 약 3840이다. 영화와 방송 규격에는 약간의 차이점이 있는데, 영화에서는 4096×2160 규격을 사용한다. 가로 픽셀 수가 4000개, 그래서 4K(K는 1000개)라고 부른다.
UHD의 해상도는 Full HD의 4배 고해상도, 더 좋은 식별력, 더 넓은 범위의 감시가 가능하기 때문에 고해상도 카메라에 대한 시장의 요구사항이 있다. Full HD와 UHD를 동일하게 비교해보면 픽셀 수가 다른 것을 알 수 있다. 픽셀 수가 많기 때문에 메가 픽셀 카메라는 디지털 줌인(Zoom-in)에도 선명한 영상을 볼 수 있다.

HD 기술 트렌드

 

앞으로 4K UHD, 메가 픽셀을 적용한 기술로는 어안렌즈/파라노마 카메라(Dewarping), ROI(Region of Interest, 관심지역), 모바일 기기 전송을 위한 Transcoding, 영상 분석/얼굴인식 등의 기술이 있다.
어안렌즈는 렌즈가 물고기 눈과 같은 동그란 모양을 갖고 있다. 360°의 영상으로 동그란 렌즈 모양 때문에 사물을 인식할 수가 없어 보안용으로 사용할 수 없다.
그러나 이런 영상을 소프트웨어적으로, 혹은 카메라에서 출력될 때 파라노마 형식으로 영상을 펴서 1대의 카메라에서 보이는 장면을 2개의 카메라로 보고 있는 효과를 낼 수 있다. 그리고 영상을 잘라서 하나의 카메라가 보고 있는 것을 4개의 카메라가 보고 있는 것처럼 할 수 있다.
이 기술은 이미 시장에서 사용되고 있다. 2대의 카메라를 설치해야 하는 ‘ㄱ’자로 꺾인 복도에서는 어안렌즈가 달린 파노라마 카메라를 설치하여 1대의 카메라로 모든 영상을 감시할 수 있다. 또 방 모서리에서 카메라를 두게 되면 사각지대가 나타나게 되지만 방 중간에 파노라마 카메라를 설치하면 모든 곳의 전체 영상을 볼 수 있다.
사각형, 육각형의 방에서도 360°의 파노라마 카메라를 사용하면 영상들이 Dewarping 되면서 많은 수의 카메라가 사용되는 효과를 낼 수 있다. 이 기술은 SD급에서는 사용될 수 없다.
ROI는 전체 영상 중 본인이 관심있는 특정 지역을 잘라서 볼 수 있는 기능이다. ROI를 지원하는 카메라는 이러한 구역을 개별 영상 스트림으로 ‘잘라내기’ 하여 VMS를 통해서 마치 카메라가 두 대인 것처럼 사용하는 것이다. SD급 카메라에서는 영상이 깨지지만 Full HD 카메라나 그 이상의 카메라에서는 영상이 깨지지 않는다. 고해상도일 경우, 디지털적으로 PTZ 기능(디지털 줌 상태에서 왼쪽 오른쪽으로 pan tilt 가능)이 가능하다. 디지털 줌에도 영상이 깨지지 않기 때문에 E-PTZ 기능을 사용할 수 있다.
고정용 카메라지만 움직이는 PTZ 카메라의 효과를 냄으로써, 사용자가 관심 지역을 옮기면서 볼 수 있다. 또한 2대의 가상 카메라로 사용자가 원하는 두 개의 장소를 각각 볼 수 있다.
 첫 번째 스트림은 녹화를 한다. 12메가 픽셀을 20프레임으로 저장하고, 두 번째는 첫 번째 사용자가 영상 잘라 특정 부분을 감시한다. 두 번째 사용자는 필요한 부분의 영상을 잘라 보고 싶은 부분을 감시한다. 모바일 기기로 I-프레임 또는 jpeg 영상을 전송할 수 있다.
Transcoding 기술은 영화를 포맷을 변경하거나 사이즈 변경 시 사용한다. 이 기술은 고해상도 영상을 전송할 때 제한된 네트워크 상황을 인식하여 다시 인코딩해 최적의 영상 화질로 보내준다. 낮은 대역폭에서는 초당 프레임 수가 줄어든다. 또한 압축을 심하게 하여 화질이 떨어져 보안용으로 사용할 수 없다.
하지만 이 Transcoding 기술을 이용하면 모바일 기기에서 전송할 때 연결된 장치에 최적화된 프레임이나 품질로 변경되어 지속적인 영상 스트림이 전송된다. 일시 멈춤 하면 현재의 프레임은 HD로 표출된다.
한편, 영상 분석/얼굴 인식 기술은 고해상도 카메라로 줌인 했을 경우 사물을 세밀하게 볼 수 있다. 이 애플리케이션은 터미널, 공항, 카지노, 경기장, 은행 등 선별적으로 사용할 수 있다. 터미널에서는 카메라 한 대로 넓은 공간을 보여줄 수 있고, UHD, 4K HD는 Full HD에 비해 4배의 해상도를 가짐으로 필요 시 디지털 줌으로 영상을 확인할 수 있다. 주요 장소는 2대의 가상 카메라가 설치된 것처럼 별도의 스트림으로 감시할 수 있다.
경기장에서는 광각의 UHD/메가 필셀로 경기장을 녹화하고, 경기장 입구 및 보안 장소는 줌인하여 영상 분석/얼굴 인식을 적용할 수 있다. UHD는 더 많은 수의 픽셀로 자연스러운 영상표현을 제공한다. 하지만 그만큼 스토리지 공간이 늘어나게 되는데, HD는 전체 시스템에서 스토리지 비용이 40~50% 차지하지만 UHD는 전체 사업비용의 60~70%가 스토리지 비용이 차지한다. 이는 극복해야 할 과제이다. 이밖에도 낮은 프레임 수, 압축률, 네트워크 부하 등의 인코딩과 야간 영상, 광학 렌즈 등의 저조도 이슈에 대한 과제도 남아있다.
제조사들이 인텔리전트(Intelligent)를 카메라에 부여함으로써 고해상도 대비 기술을 개발하기 위한 노력을 하고 있다. 고정 화면에서도 스토리지가 많이 차지하게 된다. 그 이유는 노이즈 때문인데, 움직이는 노이즈 때문에 스토리지 비용이 계속 증가하게 된다. 따라서 정적인 화면에서 필요 없는 노이즈를 줄이는 기술이 보쉬에서 사용되고 있다.
또 하나의 기술은 화면에서 필요 없는 부분은 압축하여 사물 감시가 필요한 부분은 압축을 하지 않음으로써 저장 공간을 줄인다. 한편, iDNR을 사용하게 되면 기존의 노이즈는 없애지만 카메라가 움직임을 인지하고, 분석하여 화질을 놓치지 않게 된다.
제조사들은 인코딩 파워를 늘리기 위해 기존 시장에서 사용하고 있는 대역폭 1080p의 경우 6메가인 데 반해, 보쉬 카메라는 4.2메가, 울트라 HD는 초당 25메가의 저장 공간을 필요로 한다. iDNR이나 인코딩 파워를 이용해 12메가까지 낮추는 기술들이 있다. 이처럼 제조사들은 UHD의 극복 과제들을 위해 다양한 기술을 채용하여 스토리지 비용을 낮추고 있다.
UHD와 메가 픽셀 카메라는 아직 메인 스트림이 아니지만 애플리케이션에 맞춰 사용 시 많은 이점이 있다. 고해상도에 대한 시장의 요구사항으로 기술 제약사항을 극복한 새로운 카메라들의 출시가 활발히 진행될 것으로 예상되고 있다. 또 UHD 방송의 상용화와 압축기술의 안정화가 4K UHD/메가 픽셀 적용의 촉매제 역할을 할 수 있다.