High Dynamic Range Rendering

  • 이하의 3가지 항목은 서로 다른 대상에 대한 내용이나 근본적인 원리는 같다.

1 HDR 렌더링

원래는 High Dynamic Range Rendering(HDRR)이지만 보통 뒤의 Rendering을 제외하고 High Dynamic Range(HDR)이라고 부르는 경우가 많다. 게임이나 영화 CG에서 현실적인 화면을 얻기 위해 좀 더 넓고 세밀한 범위의 광원계산을 행하는 것을 이르는 말.

광원계산에 HDR 렌더링이 사용되는 이유는 일반 디지털 이미지의 대비(가장 밝은 점과 가장 어두운 점의 밝기 비율)로는 광원계산을 하는데 한계가 있기 때문이다. 인간의 눈이 한 점을 바라볼 때 인식할 수 있는 대비는 10000:1 정도이며, 순간적인 암적응을 감안하면 밝은 대낮에는 최대 100만:1의 대비까지 인식할 수 있다. 반면 평범한 jpg나 bmp 이미지가 표현할 수 있는 대비는 최대 1000:1도 되지 않으므로, 이런 시스템에서는 광원의 밝기를 충분히 밝게 표현할 수 없는 근본적인 한계가 있다. HDR 렌더링을 지원하는 시스템에서는, 내부적으로 표현할 수 있는 밝기의 범위를 확장시켜 더욱 밝은 광원 표현이 가능하다.

이 때문에 HDR 렌더링에서는 기존의 렌더링 시스템에서는 표현할 수 없는 보다 사실적인 3차원 이미지를 표현할 수 있다.

2004년 크라이텍은 파 크라이의 추가 패치를 통해 게임 최초로 HDR 기능을 적용했고, 2005년 밸브가 하프라이프 2: 로스트 코스트를 시연하면서 자사의 소스 엔진을 활용한 HDR 기술을 발표했다. 다만 이 기술은 HDR을 지원하지 않는 기존의 모니터에서 HDR'틱한' 화면을 볼 수 있도록 만든 것이라 엄밀한 의미의 HDR이라고는 할 수 없다.

1.1 장점

NVIDIA는 HDR의 장점을 세 가지로 표현하였다.
1. 밝은 물건은 좀 더 밝게 표현될 수 있다
2. 어두운 물건은 확실히 어둡게 표현이 가능하다
3. 위 양쪽의 경우 모두 명암에 의한 세밀함을 살릴 수 있다

기존 LDR 라이팅의 경우 빛의 변화폭이 큰 장면에서 너무 어두운 물체의 경우 아예 까맣게 표시가 되고, 너무 밝은 물체는 역으로 아예 하얗게 표시되는 경우가 있었다. HDR은 부동소수점 단위의 광원 계산을 통해 세밀함을 더하는 방식으로 자연스러운 화면을 연출할 수 있게 되었다.

HDR의 다른 장점은 실제 인간이 느끼는 밝기의 차를 그대로 구현할 수 있다는 점이다. 바깥에서 들어오는 빛의 경우 밝기를 강하게 하여 뿌옇게 만들고 내부의 빛을 받지 못하는 구조물은 명암을 좀 더 주어 실제적인 광원을 강조할 수 있다.

HDR은 유리나 물과 같은 투명한 물체의 반사와 굴절 작용을 처리하기에도 용이하고, 밝기 제어의 경우 HDR을 사용하지 않은 경우 모든 빛의 범위 값은 0.0(어둠) ~ 1.0(밝음) 사이의 값만 가지지만 HDR 사용시 가상적으로 1을 넘는 밝기값이 허용된다.[1]

그 외에도 인간의 눈이 밝기에 따라 적응하는 점을 표현할 수 있고, 모니터 색 한계값을 반영하여 그에 따라 인간의 시각이 밝기를 인지하는 것과 비슷한 효과를 낼 수 있으며 눈부심(Bloom) 효과를 적재적소에 활용하여 실사와 같은 광원을 표현할 수도 있다.

2 HDR 이미징

High Dynamic Range Imaging(HDRI)이라고 한다.[2]
HDR 렌더링과는 반대로 실제 사진을 찍을 때 사진기가 표현할 수 있는 대비의 한계(인쇄물의 경우 약 100:1, 일반 디지털 카메라의 경우 약 300:1)를 넘어 더 넓은 대비를 갖는 이미지를 얻는 기술을 HDR 이미징이라고 한다. 카메라 기술의 한계로 한 장의 이미지에서 얻을 수 있는 대비의 한계는 3000:1 정도인데, 이보다 높은 대비의 이미지를 얻으려면 같은 장면을 서로 다른 노출로 여러 번 찍어 HDR 이미징 알고리즘으로 합성하면 된다. 1997년에 개발되었다.[3]

쉽게 얘가하면 한 장면을 표준 노출, 오버(+), 부족(-)로 3장 이상 찍어서 밝은 부분은 -노출 쪽 사진을 쓰고 어두운 부분은 +노출 사진 쪽 부분을 써서 합성하는 것이다. 과거엔 포토샵 같은 전문 프로그램을 이용하여야 했지만, 2010년대에는 웬만한 디카에는 기능이 들어 있고, 심지어 스마트폰의 카메라 프로그램도 HDR 모드가 있다. 애플 아이폰 사진이 그리 높지 않은 해상도, 색 재현력에보 블구하고 좋다는 소리를 듣는 건 기본으로 이 기법과 색상 강조 기법을 써서 사진을 만들어 내기 때문. (그래서 아이폰 사진은 현실 왜곡이라고 싫어하는 사람도 많다.) 사진을 석 장 이상 찍어 합성하는 거라 당연히 찍는 데 시간이 더 걸리고, 찍는 동안 사진기와 피사체가 움직이지 않아야 한다는 조건이 붙어서 너무 어둡거나 밝을 때, 어린이나 동물처람 피사체가 빠르게 움직일 때에는 이 모드를 제대로 쓸 수가 없다.

HDR 이미징은 주로 환경맵(Environment map)을 얻는데 사용한다. 환경맵이란 현실세계에서 360도 HDR 파노라마[4]로 주변 경관을 찍어서 주변의 광원 데이터를 얻는 것을 가리킨다.[5] 이렇게 얻은 HDR 환경 맵은 해당 장면에 합성할 3차원 오브젝트를 렌더링할 때 광원으로 사용하여 조명들을 직접 구해서 비추는 방식에 비하여 훨씬 자연스럽게 합성된 이미지를 얻을 수 있다.

3 HDR (TV)

맨 위의 HDR 렌더링에서 지적된 문제들을 TV업계의 관점에서 기존에 팔려있는 기기들과의 호환성을 유지하면서 해결하기 위한 표준. 기존에는 넓은 다이나믹 레인지를 가진 소스(고가 장비로 촬영된 영상이나 HDR 렌더링으로 만들어진 게임 내부 3D 세계)를 오래된 디스플레이 한계 기준에 맞춰서 맵핑하였으나, 이제는 그 한계를 좀더 넓혀서 이를 보여줄 수 있는 디스플레이를 만들고 이를 위한 컨텐츠 제작 및 보급을 위한 포맷을 규정하자는 것.

세세한 기술들(10비트 이상의 색 심도, 로컬 디밍 등)은 이미 기존에 상용화된 것이지만, 2015년에 들어서 각 TV 제작사들이 제각기 쓰던 것을 새로운 표준으로서의 명확한 스펙으로 제시하였다. 현재 규격은 지금의 기기실현 한계를 인정한 HDR 10(10bit, DCI-P3, 명암비 40만:1/100만:1)과 미래지향적인 돌비 비전(12bit, BT.2020, 명암비 200만:1)으로 나뉜다. 기존 기기와의 호환성이 필요하기 때문에, 기존의 디스플레이를 SDR로 지칭하고 이 SDR 정보와 HDR 정보를 함께 전송하며 수신 측에서 HDR을 지원할 경우 HDR 이미지를 출력하는 방식이 사용되고 있다. 현재 HDR을 지원할 수 있는 기기들의 한계상 OLED TV를 위한 기준(어두운 부분 스펙을 강조)과 로컬디밍 LCD TV를 위한 기준(밝은 부분 스펙을 강조)이 별도로 존재한다.

4K UHD TV와 기존 FHD TV의 뚜렷한 차이점을 보여주지 못하여, 신규판매 확대에 한계를 느낀 TV업계가 스트리밍 시대 이후 차이를 보여주기 더 힘들어지자 한철장사로 팔아먹고 뜨기위한 급조된 표준이라는 시각도 있지만 그런 유명무실한 표준은 아니다. 실제 HDR 지원 기기와 미지원 기기는 상당한 해상력 차이를 보여주며 지원 소스 또한 다각적으로 나오고 있다. 거치형 콘솔 게임기인 엑스박스 원 S와 플레이스테이션 4 프로, 넷플릭스의 데어데블 시즌 2 등등.

이에 대한 일반 소비자용 컴퓨터 업계의 지원으로는 AMD가 자사 제품들의 HDR 지원을 소개하며 발표한 내용들을 참조.

영상기기에 대해 조예가 깊은 누리꾼들은 이미 짐작하겠지만, 해박한 지식을 가진 누리꾼들이 전체적으로 소수이다보니 대한민국 방송/영상업계는 이런 것에 관심없기로 유명하다. 4K UHD는 커녕 아직도 FHD[6]에 머물고 있고, 중요한 중계 방송이나 영화를 제외하면 5.1채널 음향을 100% 지원하는 방송도 드문 실정인 만큼 게임도 안하고 UHD 블루레이 디스크와 미국 드라마에도 관심이 없다면 HDR은 관심꺼도 좋다.

현재 한국에서 HDR을 지원하는 스트리밍 서비스는 넷플릭스가 유일하다. 해외에는 아마존 비디오 등 몇개 서비스가 더 존재하나 한국에서 서비스하고 있지는 않은 상황.
  1. ↑ 물론 이것은 한시적인 시뮬레이션이며 주변 환경과 매칭되도록 1 이하의 값으로 재계산이 된다.
  2. ↑ 영문 위키백과
  3. ↑ Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Debevec and Malik 1996
  4. ↑ 파노라마를 확보하는 방법은 카메라의 종류와 성능, 그리고 환경맵을 구성하는 기술에 따라 달라진다.
  5. ↑ 실제로 주변 경관을 그대로 360도로 찍으면 못해도 수백 장의 HDR이미지가 필요하기 때문에, 현실에서는 크롬볼(Crome ball. 말 그대로 크롬제 금속 공이다)을 사용하여 여기에 반사되는 환경을 찍어서 반사된 환경맵을 얻고(구형의 환경 맵이 얻어진다), 이를 큐브 형태의 맵으로 변환하여 쓴다. 실제로 찍는 것에 비해 오차가 좀 있긴 하지만, 직접 찍는 것보다 훨씬 적은 양의 사진만으로도 환경 맵을 구성할 수 있다.
  6. ↑ 대부분 1080p도 아닌 1080i나 720p 소스로 송출한다.