감마가 TFT-LCD TV 시스템에서 어떤 의미를 가지는가

감마 보정;

글: 마이크 오지에(Mike Ogier)
인터실 / www.intersil.com

이 글에서는 매우 복잡한 검토를 간단하게 만들기 위해서 비디오와 그래픽 표현에서 오랫동안 사용되어온 '감마'라는 표현에 중점을 둘 것이다. 비록 감마는 일반적으로 TV 제조사의 판매 문구로 사용되지는 않으나, 브라운관 CRT TV 시절부터 존재해 왔으며 현재의 TFT-LCD 장면 특성에는 여전히 중요한 역할을 하고 있다. 이 글에서는 먼저 CRT TV 시스템에서 의미하는 감마에 대해 짧게 설명할 것이다. 그리고 감마가 TFT-LCD TV 시스템에서 어떤 의미를 가지는 지와 일반 소비자들이 감마를 고려해야 하는 이유에 대해 이어서 설명할 것이다.

액티브 매트릭스 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT-LCD) 시장의 급속한 성장은 수 많은 사람들의 생활, 업무, 여가를 새롭게 정의하고 있다. 고해상도 HDTV부터 데스크탑과 노트북 컴퓨터, 스마트폰 및 자동차 인포테인먼트에 이르기까지 TFT-LCD는 어디에서나 존재한다.
첨단 전자기기와 새로운 가전제품을 언급할 때 종종 부적절하게 호칭되거나, 해독 과정에서 잘못 표현된 용어들이 있다. 이는 결국 새로운 가전 제품을 구매하거나 제품의 작동 방법을 익히려고 할 때 정확한 결정을 내리기 어렵게 만든다. 이 글에서는 매우 복잡한 검토를 간단하게 만들기 위해서 비디오와 그래픽 표현에서 오랫동안 사용되어온 '감마'라는 표현에 중점을 둘 것이다. 비록 감마는 일반적으로 TV 제조사의 판매 문구로 사용되지는 않으나, 브라운관 CRT(Cathode Ray Tube) TV 시절부터 존재해 왔으며 현재의 TFT-LCD 장면 특성에는 여전히 중요한 역할을 하고 있다.

감마는 최신 LCD TV에서는 약간의 새로운 정의를 갖는다. 모든 LCD TV 제조사는 개발 과정에서 감마에 주의를 기울여야 한다. 물론 전 세계적으로 완벽한 최상의 패널 기술을 갖고 있다면 감마에 주의를 기울이지 않아도 되겠지만, 이 또한 이미지를 부정확하게 재현하기 때문에 아무도 그 패널을 구입하지 않을 것이다. 여기서 이미지를 '부정확하게' 재현한 다는 것은 원하는 자료의 영상을 색 및 휘도의 측면에서 제대로 재생/재현하지 못했다는 것을 의미한다.

그렇다면 이 수수께끼 같은 TV 속 '감마'는 과연 무엇일까? TV '감마'는 당연하게도 방사선 붕괴와 관련된 고 에너지의 '감마 방사선'과는 다른 개념이다. 본문에서는 먼저 CRT TV 시스템에서 의미하는 감마에 대해 짧게 설명할 것이다. 그리고 감마가 TFT-LCD TV 시스템에서 어떤 의미를 가지는 지와 일반 소비자들이 감마를 고려해야 하는 이유에 대해 이어서 설명할 것이다.

감마와 CRT TV

CRT TV는 화면의 인광체를 촉발시키기 위해 전자빔을 이용하여 작동한다. 영상은 전자빔을 상황에 맞게 스캐닝하고 인광체를 촉발시킴으로써 화면에 그려진다. 전자총에 적용된 CV(control voltage)와 스크린의 휘도 사이의 관계는 본질적으로 비선형적이다. 이는 1차 거듭제곱 방정식(Y(x)=xa 형태)으로 근사화될 수 있으며, CRT의 감마 응답으로 알려져 있다.

인간의 눈은 밝기로 언급되는 광도(인지 밝기)에 대해 비선형적인 민감도를 지니다. 눈은 낮은 흑백 스케일(어두울수록)에서 변화에 가장 민감하다. 눈의 자연 응답은 CRT 응답의 역수에 매우 근접하다. 이런 특성은 의도되지는 않았지만 매우 유용한 부작용을 지니고 있으며, 이는 시스템 비선형성을 보상하고 시각적으로 일정한 휘도 변화 인지를 창출해내기 위해, 원시 데이터(source data)에서 단일 보정을 수행할 수 있다.

원시 데이터는 CRT 응답과 눈의 밝기 응답을 나타내는 방식으로 인코딩 되어야 한다. 감마 보정은 영상신호의 적색, 녹색, 청색 구성 요소에 대해 카메라에서 수행된다. 영상은 인간의 눈과 유사하게 휘도 변경에 반응하는 방식으로 카메라 시스템에서 부호화될 필요가 있다. CRT는 이에 역 응답을 지니며, 그 결과 광도는 선형으로 인지된다. 또한 감마 보정은 비디오 신호 잡음을 줄이고 낮은 레벨에서 유효 해상도를 높이는 혜택을 제공한다(두 가지 모두 균일성과 관계가 있다).

주어진 시스템에서 거듭 제곱 방정식의 광도는 특정 전력으로 높아진 전자총의 전압과 동일하다. 이때 전력은 감마 계수(γ)이며, 이 공식은 대략적인 CRT의 전체 전달 함수를 정의한다. 일반적으로 전형적인 감마는 약 2.2에서 2.5이다. 높은 감마 값(예 2.5)은 좀 더 높은 명암비를 지니지만 어두운 영역에서 해상도를 낮출 수 있으며, 반면에 낮은 감마 값은 영상의 색을 바래게 하거나 단조롭게 만든다. 1.0의 감마 값을 지닌 시스템은 선형으로 간주되지만 어려가지 이유로 좋지 않다. 가장 중요한 것은 앞에서 설명한 것과 같이 사람의 눈은 휘도 변화에 비선형적인 응답을 가지므로, 적절한 색깔과 명암비를 갖춘 영상을 재생하지 못한다는 것이다. 요약하면 카메라에 입력되는 휘도가 CRT TV의 출력과 동일하도록 보장하기 위해 감마 보정이 절대적으로 필요하며, 이에 따라 적절한 영상을 전달한다.

감마와 TFT-LCD TV

TFT-LCD와 CRT는 둘 다 비디오 영상을 표시한다는 사실을 제외하고는 유사점이 거의 없다. 가장 명백한 차이점은 LCD에는 휘도 생성을 위한 전자총과 인광체가 없다는 것이다. 대신 LCD는 픽셀을 통한 빛의 투과율을 제어하기 위해 전압으로 제어되는 픽셀을 사용한다. 일반적으로 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp) 또는 LED(Light Emitting Diode) 어레이는 백라이트에서 빛이 공급된다. 요컨대 전압 전달(V/T) 곡선은 입력에 대한 패널 응답 즉, 광도를 정의한다.

비록 TFT-LCD와 CRT의 '감마'가 동일하지 않지만, 이 용어는 살짝 다르게 재정의된다. LCD가 픽셀을 밝게 만들기 위해서는 LC(Liquid Crystal) 픽셀 셀에 전압이 인가되어야 하며, 이는 화면에서 밝기로 인지되는 빛을 전달한다. 픽셀에 인가된 아날로그 전압은 디지털 아날로그 컨버터에 의해 결정되며, 디지털 코드는 수신되는 소스 영상/비디오 데이터에 따라 생성된다. 인가된 전압과 투과율 사이의 관계(V/T 전달 함수)가 TFT-LCD의 감마 응답이므로 당연히 LC 셀의 투과율 특성에 따라 비선형적이다. 이 응답은 CRT TV에서 확인했던 것과 같은 원하는 비선형 응답이 아닐 수도 있다.

따라서 종종 LCD TV 감마는 CRT의 감마 응답에 근접하게 시뮬레이션 되도록 설계된다. 여기에는 몇 가지 중요한 이유가 있다. 첫째, 역사에 비추어볼 때 과거에 제작된 모든 영상은 CRT용으로 감마 보정되어왔다. 둘째, 인간의 눈(밝음)은 자연 응답을 이용한다. 물론 모든 LCD가 동일한 감마 응답을 지니지는 않으며 패널 기술과 제조사에 따라 달라진다. 패널의 감마 응답은 최종 시스템에서 원하는 시각적인 성능에 따라 특정한 감마 응답을 선택하는 제조사에 따라 달라질 수 있다.

디지털 비디오 데이터는 픽셀의 아날로그 전압을 생성하기 위해 디지털 아날로그 컨버터를 사용하여 변환되어야 한다. 감마는 패널의 소스/컬럼 드라이버 내 분할 비선형 DAC를 사용하여(의도적으로 비선형으로 만들어) 대략적으로 보정된다. 소스 드라이버 DAC는 얼마나 많은 상이한 전압 단계가 픽셀에 적용될 수 있을지를 결정한다(예 8비트 DAC는 28 또는 256 단계의 흑백 스케일 생성).

각 전압 단계에 의한 흑백 스케일 휘도의 변화 인식은 패널의 감마 응답(V/T 곡선)과 눈의 응답에 비례한다. 만일 휘도 변화가 코드 변경만으로 선형적이 되면 시스템은 전체 범위에 걸쳐 코드에 따라 눈이 다르게 지각하지 않는데 필요한 (변화를 균일하게 유지하기 위해) 낮은 레벨 감도를 얻기 위해 더욱 많은 비트의 해상도 (예 8비트 대신 12비트)를 필요하게 된다. 이는 감마 보정의 또 다른 장점으로 (눈에 가장 민감한) 낮은 레벨의 휘도 데이터를 압축하면서 작은 변화는 분간하기 어려운 높은 레벨의 휘도 데이터에 영향을 주지 않는 형태로 비디오 데이터를 부호화하도록 적은 수의 비트가 사용되도록 한다. 또한 이는 잠재적인 작은 코드 오류가 인식되지 않도록 비디오 신호 내 잡음을 줄여주는 방식으로 보여질 수 있다.

패널의 소스(컬럼) 드라이버 DAC는 패널의 감마 응답을 원하는 V/T 전달 함수로 변경하기 위해, 다수의 탭 포인트에 적용되는 다양한 레퍼런스 전압을 사용하게 된다. 이 전압은 DAC가 원하는 비선형 동작을 하도록 만든다. 종종 '감마 버퍼' 집적 회로(IC)가 이 레퍼런스 전압을 공급하며, 일반적으로 이 버퍼 증폭기는 DAC 탭으로 아날로그 전압을 구동한다. 감마 버퍼 IC는 정적이거나 프로그래밍 될 수 있다. 이러한 IC에는 인터실의 EL5411/20T 연산 증폭기, EL5421T 버퍼, EL5x26 I2C 프로그래머블 감마 버퍼 제품이 있다. 이 디바이스는 정밀한 정적 DC 레퍼런스 전압을 TFT-LCD 소스 드라이버로 구동시키도록 설계되었다.

LCD TV 제조사들은 DAC 탭을 제어하는 기능을 통해 감마 교정이라 불리는 패널의 비선형 감마 응답을 조정/교정하기 위해 전압을 미세하게 조정할 수 있다. 예를 들어, 이 기능으로 TV 제조사는 서로 다른 TV 패널들이 모두 동일한 감마 응답을 가지도록 보장할 수 있다. 이를 통해 LCD 조립 및 제조에서 발생하는 차이에 따른 잠재적인 비주얼 성능 차이가 최소화될 수 있어 TV 제조사는 더욱 일괄된 제품을 제조할 수 있게 된다. 소비자들은 구매 후 집에 설치한 TV가 가전매장에서 본 것과 동일한 시각적인 성능을 가진다고 확신할 수 있다.

궁극적으로 TV 제조사들은 자신들의 디스플레이가 특정한 시청 느낌을 지니도록 감마 응답을 어떻게 교정할지 결정한다(예 γ = 2.2, γ = 2.0, γ = 1.8 또는 심지어 원하는 밝기에 따라 변하는 감마 조합). 감마 특성이 넓은 시청 각도와 서로 다른 실내 조명 환경에 따라 변하는 경향이 있음을 주목해야 한다. 따라서 새로운 TV를 구매할 때, 좀 더 유사한 비교를 위해 비슷한 환경에서 다양한 TV들을 비교해 보는 것이 좋다.

감마와 TV 설정

역사적으로 CRT TV는 흑색 레벨을 조정하는 '밝기' 조정, 최대 흰색 레벨을 조정하는 '명암비' 또는 '픽처' 조정 기능을 지닌다. TV의 감마는 이러한 종점 내부의 응답을 정의한다. 하지만 이상적으로 이러한 TV 설정은 감마와는 전혀 관계가 없지만, 일단 최대 백색 레벨이 고정되면 흑색 레벨 변화는 실제로 감마 곡선을 반대 방향(모양이 변함)으로 이동시킨다. 이는 감마 계수가 변경되었고 약간의 흑색 레벨 변화가 시스템의 감마 응답에 영향을 주게 됨을 의미한다. LCD의 경우 종점 레벨은 일반적으로 소스 드라이버에 의해 조정되어 있지만 이 신호에 디지털 조정이 가해질 수 있다. 또한 백라이트의 휘도도 변경될 수 있으며, 이는 시스템의 성능에 또 다른 차원을 더하게 된다.

일부 TFT-LCD와 디지털 TV는 사용자 제어 메뉴를 통해 조정될 수 있는 다른 설정들을 제공한다. 이러한 설정은 '감마' 조정(일반적으로 정량화되지 않으며, +/- 감마 조정임), 명암비 또는 흑색의 동적 향상, 상이한 픽처/비디오 모드, 다른 제조사가 정한 기능들과 유사할 수 있다.

이러한 설정은 감마 곡선을 포함한 일부 또는 모든 TV 설정을 바꿀 수 있다. 예를 들어 정상 동작에서 단일 계수(예 γ = 2.2)로 정의될 수 있는 감마는 다수의 감마 계수 특성을 지니는 곡선으로 변경될 수 있어 TV 응답은 밝기 영역(비디오 신호의 코드 또는 전압)에 걸쳐 변경된다.

또한 주위 환경 또는 방의 실내 조명이 비디오 시스템의 인지 응답에 영향을 줄 수 있음에 주의해야 한다. 불행히도 당신이 좋아하는 DVD 영화 또는 TV 쇼의 비디오가 편집된 것과 같은 환경과 장비의 설정을 알 수 없으므로 정확한 재생을 위해 집안의 시청 환경을 설정하기는 어렵다.

아마도 거실 환경은 스튜디오와는 매우 다를 것이며 지속적으로 변경될 것이다. 예를 들면 어두운 방에서 흑색 레벨은 칠흑같이 어두운 실내 조명(흑색이 어두워 보이지 않는)을 참조하므로 인지되는 흑색 레벨이 줄어들 수 있다. 역으로 밝게 불을 켜면 실내 조명이 패널의 휘도를 압도하므로 낮은 종단(어두운 레벨)에서 상세함이 손실되어 영상 손실을 인지하게 된다.

전체적인 감마는 정의 내리기 다소 간단하지 않을 수 있지만 최첨단 비디오 제품을 구매하는 소비자 입장에서는 시도해보고 시스템 레벨 또는 탑 다운 방식으로 개념을 이해하는 것이 최선일 것이다.

새로운 LCD TV를 구매할 때 감마를 교정할 필요가 없다면 분명히 좋을 것이다. TV 제조사는 패널이 원하는 비선형 감마 응답을 지니도록 소스 드라이버 DAC의 전달 함수를 설정하는 어려운 작업을 수행한다. 하지만 대부분의 TV는 시스템의 응답을 일부 설정할 수 있는 사용자 접속 조정 범위를 지닌다. 비록 많은 이들은 감마와 관련된 사용자 조정 제어가 가치 있을 수 있다고 주장한다. 결국 소비자들은 TV 감마를 직접적으로 많이 제어할 수 없지만 일반적인 TV 사용자에게는 아무런 문제가 되지 않는다.