SMPTE 컬러바, EBU 컬러바, PM5544 읽는 법

저희 TV 화면 테스트에는 사용자 대부분보다 나이가 많은 패턴 세 가지가 있습니다. EBU 컬러바, SMPTE 컬러바, Philips PM5544 테스트 패턴입니다. 아날로그 TV에서 스튜디오 모니터를 맞추고 방송 사이에 화면을 채우려고 만든 것들입니다. 이 패턴으로 측정하려던 것 가운데 상당수는 현대 화면 안에 더 이상 없습니다. 일부는 남아 있고, 몇몇 부분은 새로운 용도를 찾았습니다.

각 패턴이 어디서 왔는지, 부분마다 무엇을 확인하도록 설계했는지, 지금 TV나 모니터, 프로젝터에서 무엇을 볼 만한지 살펴봅니다. 당시 엔지니어들이 발표한 논문과 표준을 다시 찾아봤습니다. 목록은 글 끝에 있습니다.

컬러바가 이 순서인 이유

컬러바는 거의 늘 흰색, 노란색, 청록색, 녹색, 자홍색, 빨간색, 파란색 순서이며, 마지막에 검은색이 붙는 경우가 많습니다. 임의로 정한 순서가 아닙니다. 각 막대는 세 원색을 완전히 켜거나 끄는 여덟 가지 조합 중 하나입니다. 녹색, 빨간색, 파란색 순서로 스위치 세 개를 적으면, 막대는 흰색의 111부터 검은색의 000까지 이진수로 거꾸로 셉니다. 발생기는 구형파 세 개만 있으면 이를 그릴 수 있습니다. 파란색은 막대마다, 빨간색은 두 막대마다, 녹색은 네 막대마다 바뀝니다.

같은 순서는 밝기 순서이기도 합니다. 눈이 밝기로 받아들이는 데는 녹색이 가장 크게 기여하고, 빨간색이 그다음이며, 파란색이 가장 작습니다. 표준 화질 영상의 공식인 ITU-R BT.601에서 밝기 성분인 휘도 신호(루마)는 녹색 값의 0.587배에 빨간색 값의 0.299배와 파란색 값의 0.114배를 더한 값입니다. 막대마다 더하면 흰색 100%, 노란색 89%, 청록색 70%, 녹색 59%, 자홍색 41%, 빨간색 30%, 파란색 11%, 검은색 0이 됩니다. 앞의 막대보다 하나씩 어두워지므로 계조표 역할도 합니다.

전자식 컬러바 발생기는 컬러 TV 초창기부터 있었습니다. RCA 엔지니어 Norbert Larky와 David Holmes는 1951년에 컬러 테스트 패턴 발생기 특허를 출원했고, 1956년에 특허를 받았습니다.

대부분의 컬러바는 색을 최대 세기로 내지 않습니다. 실용적인 이유가 있습니다. ITU-R BT.471은 컬러바 신호를 숫자 네 개로 표기합니다. 흰색 막대와 검은색 막대의 레벨, 그리고 유색 막대의 최고·최저 레벨을 각각 흰색에 대한 백분율로 나타냅니다. 최대 세기인 100/0/100/0에서는 노란색과 청록색의 색 신호가 흰색보다 약 3분의 1 높이까지 올라갑니다. SMPTE의 배경 해설에 따르면 NTSC에서 흰색이 100 IRE일 때 131~133 IRE입니다. SMPTE의 75% 컬러바에서는 노란색과 청록색의 최고치가 정확히 100입니다. 그래서 보통 색을 75%로 두어 시험 신호가 시험 대상 시스템의 범위를 벗어나지 않게 합니다.

EBU 컬러바

EBU 컬러바는 100/0/75/0 방식입니다. 흰색은 최대 레벨, 여섯 색은 75%, 그다음은 검은색입니다. EBU라는 이름은 유럽 방송에서 쓰였다는 데서 왔습니다. ITU 표준에서는 그냥 100/0/75/0이라고 부릅니다.

저희 파일은 4:3 화면에 같은 너비의 막대 여덟 개를 그립니다. 크기는 768×576으로, PAL 영상을 정사각형 픽셀로 나타낸 크기입니다. 와이드 화면에서는 여덟 번째 검은색 막대가 옆의 검은 여백과 이어집니다. 정상입니다.

현대 화면에서는 세 가지를 보세요.

각 막대는 균일해야 합니다. 위에서 아래까지 같은 색이어야 합니다. 원본 이미지는 완전히 균일하므로, 막대의 색조가 달라지거나 가운데가 양 끝보다 밝으면 패널이나 백라이트의 상태가 드러난 것입니다.
단계마다 어두워져야 합니다. TV의 색농도(채도)를 끝까지 낮추면 막대는 왼쪽에서 오른쪽으로 한 단계씩 분명히 어두워지는 회색 계단이 됩니다. 확인한 뒤에는 설정을 되돌리세요.
색은 선명하되 형광색처럼 빛나면 안 됩니다. 선명한 화면이나 다이내믹 화면 모드에서는 노란색과 청록색이 빛나고, 막대 사이 경계에 가느다란 밝거나 어두운 테두리가 생기기 쉽습니다. 이 테두리는 패턴에 있는 것이 아니라 TV의 선명도 처리입니다.

EBU 컬러바는 아래에서 설명하는 블루 온리 검사에 맞지 않습니다. 흰색 막대는 최대 레벨인데 유색 막대의 파란색은 75%여서, 파란색만 보면 흰색 막대가 항상 더 밝습니다. SMPTE 컬러바는 대신 75% 회색으로 시작하므로, 파란색을 포함한 네 막대의 파란색 양이 모두 같습니다.

SMPTE 컬러바

북미에서 대부분의 사람이 컬러바라는 말을 듣고 떠올리는 패턴은 SMPTE 컬러바입니다. 이 패턴은 특정 문제 하나를 해결하려고 만들어졌습니다. CBS Technology Center의 A. A. Goldberg가 1977년 NAB 기술 콘퍼런스에서 발표했습니다. CBS는 1975년부터 스튜디오 모니터의 설정이 어떻게 틀어지는지 연구했습니다. 여러 모니터를 모두 같은 상태로 맞추려면 보통 방송 전에 매번 확인해야 했습니다. 색농도와 색상을 맞추는 일반적인 방법은 빨간색·녹색 전자총을 끄고 파란색 막대를 눈으로 비교하는 것이었는데, 정확하지 않았습니다. 비교할 막대가 멀리 떨어져 있었고, 화면 한쪽과 다른 쪽의 파란색이 다를 수 있었으며, 눈은 파란색에 그다지 민감하지 않기 때문입니다.

Goldberg의 변경은 작았습니다. 주 막대 아래에 순서를 뒤집은 작은 색면들을 가는 띠로 덧붙여, 맞춰야 할 막대마다 비교 대상이 바로 아래에 오게 했습니다. 오른쪽 아래 검은 영역에는 블랙 레벨을 위한 PLUGE 신호를 넣었습니다. CBS는 뉴욕의 방송망 시설에서 새 패턴을 여섯 달간 사용했고, 눈으로 맞춘 설정이 정밀 광도계로 맞춘 설정만큼 정확하다는 것을 확인했습니다. CBS는 특허를 내지 않기로 했고, 패턴은 퍼블릭 도메인이 되었습니다. SMPTE는 이를 ECR 1-1978로, 나중에는 기술 지침 EG 1-1990으로 발행했습니다.

저희 파일도 이 배치를 따릅니다.

위쪽 3분의 2: 75% 막대 일곱 개로, 흰색 대신 회색으로 시작합니다.
가는 띠: 파란색, 검은색, 자홍색, 검은색, 청록색, 검은색, 회색입니다. 위쪽에서 파란색을 포함한 네 막대를 거꾸로 놓고 사이에 검은색을 넣었습니다.
아래쪽 4분의 1: −I, 100% 흰색 사각형, +Q, 검은색, 그리고 오른쪽 검은 영역의 PLUGE 줄 세 개입니다. −I와 +Q는 벡터스코프로 디코더를 확인하는 NTSC 색 신호입니다. 컴퓨터 화면에서는 어두운 사각형 두 개일 뿐, 아무것도 검사하지 않습니다.

파란색만 보며 색농도와 색상 맞추기

화면을 파란색만 표시하도록 바꾸세요. 일부 TV와 프로젝터는 전문가 또는 캘리브레이션 설정에 블루 온리 모드가 있습니다. 짙은 파란색 필터를 눈앞에 대도 같은 역할을 하며, 예전에는 일부 캘리브레이션 디스크에 필터가 들어 있었습니다. 회색, 청록색, 자홍색, 파란색과 그 아래 작은 색면처럼 파란색을 포함한 부분만 밝게 남습니다.

색농도(채도): 양 바깥쪽 막대인 회색과 파란색이 바로 아래 색면과 같아질 때까지 조절합니다.
색상(색조): 안쪽의 청록색과 자홍색이 각각 아래 색면과 같아질 때까지 조절합니다.

색농도는 네 막대를 모두 바꾸므로 먼저 맞추고, 그다음 색상을 맞추세요. 둘 다 맞으면 각 막대와 아래 색면 사이의 경계가 사라집니다. 컴퓨터에서 영상을 받는 TV에는 설정이 틀어질 아날로그 디코더가 더 이상 없지만, 색농도와 색상 조절은 여전히 화면에 작용합니다. 영화나 필름메이커 모드의 중립 설정에서는 막대와 색면이 이미 맞아야 합니다. 맞지 않으면 설정이 바뀌었거나 화면 모드가 자체적으로 색을 더하고 있는 것입니다.

PLUGE와 블랙 레벨

PLUGE는 BBC의 아이디어인 Picture Line-Up Generating Equipment에서 온 이름입니다. Canadian Broadcasting Corporation의 S. F. Quinn과 C. A. Siocos가 1966년 Electronics Letters에 쓴 기술 노트에 작동 방식이 나옵니다. 검은 영역에 가는 줄 두 개를 놓습니다. 하나는 검은색보다 조금 더 검고, 다른 하나는 조금 더 밝습니다. 어두운 줄이 주변 검은색 속으로 사라지되 밝은 줄은 남을 때까지 밝기를 내립니다. 이때 검은색은 그보다 밝은 내용을 삼키지 않는 선에서 가장 깊습니다.

Quinn과 Siocos는 지금도 유효한 사실도 발견했습니다. 꺼진 모니터 화면에 반사되는 빛을 측정했더니 올바른 PLUGE 설정도 그에 따라 바뀌었고, 밝은 조정실에서는 연구에서 구한 수치가 더 이상 들어맞지 않았습니다. 오늘날의 국제 PLUGE 표준인 ITU-R BT.814도 같은 내용을 말합니다. 조절은 시청 조건에 크게 좌우됩니다. 실제로 시청하는 조명 아래에서 블랙 레벨을 맞추세요.

SMPTE 컬러바의 PLUGE에는 3.5, 7.5, 11.5 IRE의 줄 세 개가 있습니다. 가운데 줄이 영상의 검은색입니다. 북미 NTSC는 검은색을 신호의 블랭킹 레벨보다 조금 높은 7.5 IRE에 두어, 그 아래에도 줄을 넣을 여지를 남겼습니다.

컴퓨터 화면의 PLUGE

여기서는 방송의 규칙을 그대로 적용하면 안 됩니다. 저희 파일은 세 줄을 255 중 RGB 9, 19, 29로 저장합니다. 흰색의 3.5%, 7.5%, 11.4%입니다. 컴퓨터 화면의 검은색은 0이므로 패턴 자체의 검은색은 아주 어두운 회색이며, 검은색보다 더 검다는 줄도 실제 검은색보다는 밝습니다. 왼쪽 줄이 사라질 때까지 밝기를 낮추면 실제 암부 디테일을 잃게 됩니다.

대신 이렇게 보세요.

세 줄이 모두 간신히 보임: 잘 맞춘 화면을 어두운 방에서 보면 세 줄을 모두 구별할 수 있고, 왼쪽 줄은 겨우 보입니다. 와이드 화면의 양옆 검은 여백은 실제 검은색이므로 패턴 자체의 검은색보다 조금 더 어둡게 보입니다.
왼쪽 줄이 사라짐: 가운데 줄과 구별되지 않으면 암부가 뭉개진 것입니다. 밝기가 너무 낮거나, 동적 명암 기능이 작동하거나, 신호 레벨이 맞지 않습니다. 다음 절을 보세요.
세 줄이 모두 뚜렷함: 쉽게 눈에 띄고 양옆 검은색이 회색처럼 보인다면 블랙 레벨이 떠 있는 상태입니다.

HD 버전

SMPTE 컬러바는 4:3 표준 화질용으로 그려졌습니다. HDTV를 위해 일본 ARIB가 2000년에 멀티포맷 컬러바 STD-B28을 발행했고, SMPTE는 2002년에 이를 RP 219로 채택한 뒤 2014년에 RP 219-1로 개정했습니다. 16:9용이며 HD와 SD 모두에서 쓸 수 있고, 자체 그라데이션과 PLUGE가 있습니다. 저희 테스트는 고전적인 4:3 배치를 보여 줍니다.

PLUGE로 지금도 잡아낼 수 있는 범위 불일치

컴퓨터는 보통 RGB를 0부터 255까지 보내며, 이를 전체 범위라고 합니다. TV는 검은색 16, 흰색 235의 영상 레벨인 제한 범위를 기대하는 경우가 많습니다. ITU-R BT.709가 HD 영상에 쓰는 코드값입니다. Intel의 드라이버 안내도 제한 범위는 TV에서 가장 흔하다고 설명하며 전체 범위를 권장합니다. 둘 다 정상적인 방식입니다. 문제는 양쪽이 다를 때 생기며, 노트북을 HDMI로 연결할 때 자주 발생합니다.

컴퓨터는 전체 범위, TV는 제한 범위: 16 이하가 모두 검은색으로 표시됩니다. 왼쪽 PLUGE 줄과 여백은 하나의 검은색이 되고, 가운데 줄은 그보다 겨우 3단계 위에 있으며, 영화나 게임의 암부 디테일이 사라집니다. 235를 넘는 값은 모두 흰색으로 잘립니다.
컴퓨터는 제한 범위, TV는 전체 범위: 검은색이 16으로 전달되어 어두운 회색으로 표시됩니다. 전체 화면이 밋밋하고 물 빠진 듯해지며, 패턴 옆의 검은 여백도 회색처럼 보입니다.

양쪽 설정을 맞추면 됩니다. 컴퓨터에서는 Quantization Range(Intel), Output dynamic range(NVIDIA), Pixel Format(AMD)라는 이름입니다. TV에서는 HDMI Black Level, HDMI Video Range 또는 비슷한 설정을 찾으세요. SMPTE 컬러바를 띄워 두면 양쪽이 맞는 순간을 볼 수 있습니다. 줄 세 개가 보이되 왼쪽 줄은 겨우 보여야 합니다.

Philips PM5544

PM5544 테스트 패턴: 회색 위 흰 격자, 가장자리 흑백 블록, 양옆 컬러바, 원 안의 컬러바·중앙 십자·세로줄 무늬·회색 계조 — 방송국 이름 칸을 비워 둔 4:3 PM5544 테스트 패턴.

PM5544는 방송할 프로그램이 없을 때 세계 여러 지역에서 볼 수 있었던 원형 테스트 패턴입니다. Philips가 1960년대 말 코펜하겐 근처의 TV 시험 장비 연구소에서 만들었으며, 배치는 덴마크 엔지니어 Finn Hendil의 작품으로 알려져 있습니다. Philips는 1970년 계간지 Electronic Measuring and Microwave Notes에 이를 소개했습니다.

그전의 테스트 패턴은 보통 카메라 앞에 놓은 그림이거나, 모노스코프라는 특수 촬상관에 새긴 그림이었습니다. PM5544는 화면 전체를 전자적으로 만들었습니다. 원조차 페라이트 코어 메모리에서 읽어 디지털 논리로 한 줄씩 그렸습니다. 지름은 영상 높이의 약 83%였고 오차는 1% 미만이었습니다. Philips는 복합 테스트 패턴을 다루는 국제 권고가 없어 앞으로도 쓸모 있을 것으로 본 시험 신호들을 모았다고 썼습니다. 다른 계측기 없이 화면만 보고 TV나 모니터, 디코더를 점검하고 조절하는 것이 목적이었습니다.

Philips가 설명한 각 부분의 용도와 지금 읽어낼 수 있는 내용은 다음과 같습니다.

원은 화면 비율과 주사가 맞아야 둥글게 보입니다. 지금 타원으로 보이면 영상이 늘어난 것입니다. 보통 TV의 와이드·확대 같은 화면 크기 설정이나, 화면을 채우기 위해 확대해야 하는 해상도가 원인입니다. 저희 테스트는 패턴을 4:3으로 유지하므로 브라우저 때문은 아닙니다.
격자도 같은 이유로 정사각형이어야 합니다. CRT에서는 컨버전스를 맞추는 데도 썼습니다. 프로젝터에서도 여전히 유용합니다. 사다리꼴 보정 상태와 모서리까지 초점이 유지되는지 보여 줍니다.
가장자리의 흑백 블록은 TV가 오버스캔으로 영상 가장자리를 자르는지 보여 줬습니다. 일부 TV는 Just Scan, Fit to Screen, Full Pixel 같은 설정을 켜지 않으면 HDMI 입력에도 여전히 이렇게 합니다. 와이드 TV에서는 저희 패턴이 화면 높이를 채우므로, 위나 아래 블록 줄이 잘리면 TV가 모든 변을 잘라내고 표시하는 화면 전체를 다시 확대하고 있는 것입니다.
중앙 십자의 가로선은 두 비월 필드를 격자선과 반대 순서로 조합했습니다. 따라서 비월 주사가 잘못되면 두 종류의 선 두께가 눈에 띄게 달라졌습니다. 순차 주사 패널에서는 단순히 중심을 표시합니다.
컬러바 위의 흑백 블록은 75% 레벨의 250 kHz 구형파로, 오버슈트와 링잉을 찾는 용도였습니다. 지금 그 가장자리에 밝거나 어두운 테두리가 보이면 TV가 선명도를 높이고 있다는 뜻입니다.
컬러바는 채도의 기준이 되는 75% 막대입니다. 빨간색·녹색 전자총을 끄면 파란색 막대가 바로 위의 75% 회색 블록과 같아야 합니다. SMPTE 검사와 같은 원리입니다.
세로줄 무늬는 정현파 줄무늬 다섯 묶음으로, PAL 버전에서는 0.8, 1.8, 2.8, 3.8, 4.8 MHz입니다. TV가 얼마나 미세한 디테일까지 전달하는지 보여 줬습니다. 정상적인 TV에서는 앞의 세 묶음이 최대 대비를 유지했고, 가장 촘촘한 묶음은 대비가 조금만 남았습니다. 지금은 각 묶음이 깨끗하고 균일한 줄로 보여야 합니다. 일렁이는 모아레나 후광이 보이면 TV 스케일러, 선명도 설정, 또는 전체 화면이 아닌 창이 영상을 다시 샘플링하거나 선명하게 만들고 있는 것입니다.
회색 계조는 검은색에서 흰색까지 여섯 단계입니다. 저희 패턴은 0, 20, 40, 60, 80, 100%입니다. 각 단계가 구별되어야 하고, 모든 회색이 파란색·녹색·분홍색 기운 없이 중립적으로 보여야 합니다.
원 아래쪽의 노란색 위 빨간 블록은 색 신호와 밝기 신호가 동시에 도착하는지 확인했습니다. Philips는 노란색 위에 빨간색을 놓기로 정하기까지 많은 실험을 했다고 설명했습니다. 디지털 영상도 밝기보다 낮은 해상도로 색을 전달할 수 있지만(크로마 서브샘플링), 이만한 크기의 블록에서는 가장자리가 조금 부드러워지는 정도로만 드러납니다.
바늘 펄스, 즉 원의 위아래 흑백 계단 옆의 가는 선들은 케이블과 안테나의 반사로 생기는 에코를 확인했습니다. 양옆의 색 막대는 디코더를 점검하는 PAL 색차 신호를 담았습니다. 디지털 영상에서는 둘 다 더 이상 확인할 대상이 없습니다.

이 패턴으로 알 수 없는 것

눈으로 보는 기준이지 측정값은 아닙니다. 화면이 늘어나거나 잘리는지, 암부나 밝은 부분의 디테일이 사라지는지, 선명도가 지나친지 보여 주고, 일부 색 오류를 뚜렷하게 드러냅니다. 색 정확도나 최대 밝기, 백라이트 균일도를 수치로 나타낼 수는 없습니다. 그러려면 측색기와 캘리브레이션 소프트웨어가 필요합니다. 저희 모니터 캘리브레이션 페이지는 눈으로 맞출 수 있는 범위를 다룹니다. 또한 이 이미지들은 표준 다이내믹 레인지로 만들어졌습니다. HDR에는 별도 버전이 있고 BT.814도 이제 HDR용 PLUGE 신호를 포함하지만, 브라우저에서는 이 패턴들이 SDR로 표시됩니다.

직접 해 보기

TV 화면 테스트를 열고 방송용 테스트 패턴을 선택하세요. 클릭하거나 탭하거나 스페이스 바를 눌러 다음 패턴으로 넘어가고, Esc를 눌러 나옵니다. 아래 막대와 닫기 버튼은 몇 초 뒤 사라져 패턴을 가리지 않습니다. 마우스를 움직이거나 화면을 탭하면 다시 나타납니다.

TV에서는 내장 브라우저나 HDMI로 연결한 컴퓨터를 쓰세요. 탭을 전송하거나 휴대폰 화면을 미러링하면 압축 영상이 전송됩니다. 이 때문에 세로줄 무늬가 흐려지고 PLUGE의 기준이 되는 검은색에 가까운 줄의 값이 달라질 수 있습니다.