LCD 모니터 오버드라이브의 허와 실

지난 7월부터 본격적으로 불붙기 시작한 응답속도 올리기 경쟁이 이제 어느정도 진정이 된 것 같다. 시장에서는 지난 7월 말에 게재한 컬럼(LCD 스펙, 이현령 비현령인가?)가 큰 영향을 미쳤다고들 하는데... 필자 생각에 어느정도는 영향을 미쳤겠지만 전부는 아닐 것이라 생각한다. 아마도 소비자들 사이에 8ms와 4ms의 차이가 피부로 느껴지지 않았기 때문일 것 같다.

 

어쨌거나 조금은 진정된 듯한 응답속도 경쟁과 관련하여 추가적인 정보를 제공하고자 지난 몇일간 지루한 실험을 하고, 연구하고, 자료를 정리한 끝에 이번 기사를 올린다. 먼저 이번 기사를 작성하게 된 동기에는 3Gate의 지원이 있었음을 밝혀 두고자 한다. OverDrive의 3가지 설정(Low, Middle, High) 중에서 어떤 것이 가장 적절한지, 혹은 부작용은 없는지에 대해 필자보다 먼저 진지하게 고민하고 추가적인 조사를 의뢰했기 때문이다. 또한 3Gate에서는 필자가 제대로 실험할 수 있도록 각각 3가지 상태로 세팅된 19인치 LCD 모니터(1910Art)를 제공하는 등 물리적인 도움도 주셨다. 감사드리는 바이다.

 

 

 

응답속도와 OverDrive에 대한 아주 간략한 소개

 

이번 기사의 출발은 앞서 설명드린 바와 같이 OverDrive로 인한 화질상의 문제점이나 부작용은 없는가?였다. 이런 부분에 대해 실험한 결과를 공유하기 전에 먼저 응답속도를 측정하는 기준에 대해 잠시 설명드리도록 하겠다. 아마 응답속도는 상승시간(Rise Time)과 하강시간(Fall Time)으로 나눠지고 10% ~ 90% 구간의 시간을 측정한다는 것은 대부분 알고 계실 것이다. 이러한 밝기의 변화를 오실로스코프로 확인해 보면 아래와 같은 형태로 나타난다. 상승시간의 사례를 보여주고 있는데... 100%의 설정은 최종적으로 안정화된 수준(±2%으로)을 기준으로 하고 이를 중심으로 10%와 90%의 구간을 설정한다. 하지만 이 100%보다 10% 내외로 Over Shoot되는 부분이 종종 계산에서 제외되된다는 점을 유념할 필요가 있다. (하강시간의 경우에도 Under Shoot의 문제가 있음)

 

※ 이미지 출처: 시간영역 해석

 

 

 

LCD의 응답속도를 인위적으로 높이기 위해 OverDrive시키는 원리에 대해서도 다들 많이 보셨겠지만, 이해를 돕기 위해 다시 한번 관련 그림을 보여드리도록 하겠다. 정상적인 구동전압에 비해 약간 더 높거나 낮은 전압을 순간적으로 넣었다가 다시 원래 수준으로 복귀시키는 것이 바로 OverDrive의 원리이다.

 

 

 

※ 이미지 출처: 뷰소닉 홈페이지 White Paper중에서

 

 

 

 

 

OverDrive의 효과(1) : Black ↔ White 

 

아래의 그래프들은 포토센서와 오실로스코프를 이용하여 모니터포유(주)에서 직접 계측한 결과들을 보여주고 있다. Black(RGB Level : 0,0,0)에서 White(RGB Level : 255,255,255)로 갈 때의 Rise Time과 다시 White에서 Black으로 돌아올 때의 Fall Time을 볼 수 있다. 그리고 그래프의 우측에 보면 오실로스코프가 계산한 상승시간과 하강시간도 보일 것이다.

 

OverDrive를 Low로 했을 때나 Middle 혹은 High로 했을 때나 별 차이가 없다. 세 경우 모두 3ms의 상승시간과 5ms의 하강시간을 기록해서 도합 8ms의 응답속도를 가졌다고 하겠으며, 파형도 거의 일치한다. 이는 이 모니터에 사용된 TN 패널의 스펙인 8ms와 정확히 부합하는 것이다. (실제로는 상승시간은 2~3ms, 하강시간은 4~5ms로 한번 계측될 때마다 수치는 조금씩 달라진다. 따라서, 평균적으로는 7ms라고도 할 수 있다)

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Low"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Middle"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "High"로 했을 때

 

 

 

사실 Black ↔ White는 가장 극단적인 레벨이기 때문에 OverDrive가 영향을 줄 여지는 별로 없다. 따라서 원래의 패널 스펙과 동일한 8ms 내외의 결과가 나오는 것은 매우 당연한 것이며, 한편으로는 모니터포유(주)에서 마련한 계측장비에 별 문제가 없다는 방증이 될 수도 있을 것이다.

 

 

 

 

OverDrive의 효과(2) : Black ↔ Gray 

 

이번에는 Black(0,0,0)에서 중간 정도 밝기의 회색 즉 RGB값이 (128,128,128)인 회색(Mid Gray)으로의 전환시, 그리고 다시 중간회색에서 Black으로의 전환시에 파형이 어떻게 되는지를 살펴 보도록 하자. 위에서와 마찬가지로 OverDrive의 레벨을 각각 Low와 Middle, 그리고 High로 설정한 모니터들이... 이번에는 아래의 그래프들에서 보이듯 Black ↔ White에서와는 상당히 다른 파형을 보였다.

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Low"로 했을 때

 

 

 

Low로 설정했을 때에는  상승/하강의 높이만 다를 뿐 Black ↔ White에서의 파형과 별 다른 차이를 찾을 수 없다. 응답속도도 상승(0 → 128)일 때에는 2ms였고 하강(128 → 0)일 때에는 7ms로 정상적인 수준이다. 하지만 Middle로 설정했을 때의 파형을 보면 상승시에는 Low로 설정했을 때와 동일하나 하강시에는 일단 밑으로 조금 가라앉았다가 떠오르는 형태를 보인다. 앞서 설명드린 Under Shoot되는 것으로, 그러면서도 하강시간은 4ms로 Low로 설정했을 때(7ms) 보다 수치적으로 좋게 나온다.

 

 

※ 오버드라이브를 "Middle"로 했을 때

 

 

 

OverDrive를 High로 설정했을 때에는 증상이 훨씬 심해진다. 하강시에 깊이 가라앉았다가 솓구치는 형태가 상당한 정도에 이르기 때문에 10% ~ 90%의 구간 설정 자체가 제대로 계산되기 어려운 형편이다. 아래의 그래프는 그나마 수치가 나올 때를 캡쳐한 것인데, 상승이나 하강시간이 200~300ms를 넘길 때도 자주 목격된다. 이렇게 될 때 우리 눈에는 어떤 현상으로 보이게 될 지에 대해서는 나중에 사진을 통해 설명드리도록 하겠다.

 

 

※ 오버드라이브를 "High"로 했을 때

 

 

 

 

OverDrive의 효과(3) : Gray ↔ Gray 

 

다양한 종류의 회색 계조간의 전환시에는 아래의 그래프들에서 보는 바와 같이 Over Shoot와 Under Shoot가 동시에 발생하기도 한다. 먼저 어두운 회색(64,64,64)와 밝은 회색(192,192,192)간의 전환을 보면 Low일 때는 거의 문제가 없는 수준인데 Middle로 설정한 제품에서는 192에서 64로 갈 때에 약간 과도한 전압이 인가된다. 그리고 High로 설정한 제품에서는 그 과도한 정도가 상당히 심함을 알 수 있다.

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Low"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Middle"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "High"로 했을 때

 

 

 

이번에는 중간 밝기의 회색(128,128,128)과 밝은 회색(192,192,192)간의 전환을 계측한 결과이다. Middle로 설정한 모니터는 Low로 설정한 모니터에 비해 수치적으로는 13ms대 8ms로 좋게 나타났지만 약~간의 undershoot가 목격된다. 하지만 High로 설정한 모니터에서는 상승과 하강에서 모두 과도한 드라이빙이 발견된다.

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Low"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "Middle"로 했을 때

 

 

 

 

※ 오버드라이브를 "High"로 했을 때

 

 

 

 

이상으로 여러 회색 계조간의 전환시 LCD의 응답속도가 OverDrive의 설정상태(Low, Middle, High)에 따라 어떤 특성을 보이는지에 대해 살펴 보았다. 위의 계측은 필자가 최근에 구입한 포토센서와 오실로스코프를 통해 확인한 결과인데, 아마도 Black ↔ White는 ±1ms 정도의 오차가 있을 것이고 gtog의 경우 ±2ms 정도의 오차가 발생할 수 있을 것이라 생각한다. 아직 계측 시스템을 모두 완성한 것이 아니라 충분한 신뢰도를 가진 것은 아님을 밝힌다.

 

 

다음장에서는 이와 같은 계측 결과가 실제 우리 눈에는 어떻게 보이며, 어떤 문제가 있는 지에 대해 설명드리도록 하겠다.

 

OverDrive의 효과를 눈으로 보면 어떨까? 

 

모니터포유(주)에서 무상으로 배포하고 있는 스크린테스트 V.20을 다운로드 받아 사용해 보신 분이나 리뷰를 많이 보신 분이라면 아래의 사진에 익숙하실 것이다. 혼합색간의 색전환시 가장 잔상이 잘 보여지는 색을 선택해서 응답속도로 인한 LCD 모니터의 잔상을 가늠해 볼 수 있도록 고안한 것이다. 배경색에는 녹색(RGB값이 0,128,0)을 넣고, 그 위를 청색(RGB값이 0,0,255)으로 채워진 4각형이 왔다갔다 하도록 만들었다.

 

 

 

 

 

이 상황을 RGB 각각의 채널별로 분리해서 생각해 보면 박스가 움직이는 반대방향, 즉 박스의 뒷부분에 있는 RGB 픽셀들이 각각 어떤 일을 해 주어야 하는지를 알 수 있다. 즉, Red는 (0 → 0), Green은 (0 → 128), Blue는 (255 → 0)로 레벨이 전환되어져야 한다. TN 패널이나 PVA 패널에서 박스의 뒤로 어두운 잔상이 남는다는 것은 Green이 (0 → 128)로 켜지는 속도보다 Blue가 (255 → 0)로 꺼지는 속도가 빠르기 때문이라고 설명할 수 있다. 즉, 청색 박스가 지나간 자리의 화소에서는 Blue가 꺼지고 Green이 반쯤 켜져야 하는데... 이 두 동작이 일어나는데 시간차이가 있어 그 사이에 Black이 잠시 얼굴을 내민다는 것이다.

 

 

 

위의 그림에서 보면 영상신호의 레벨과 LCD에 인가되는 전압의 레벨은 완전히 반대임을 알 수 있다. 즉, 전압이 인가되면 액정이 뒤틀려 빛을 차단하고, 전압을 넣어 주지 않으면 액정이 원상태로 회복되면서 빛이 통과하는 것이다. 전압을 넣어 줄 때는 액정이 빨리 반응하지만 빠져나갈 때에는 천천히 반응하기 때문에 대부분의 잔상이 발생한다. 따라서 모니터포유(주)의 응답속도 패턴에서 Blue는 빨리 꺼지는데 비해 Green이 늦게 켜지기 때문에 순간적으로 Black이 보이게 되는 것이다. 그리고 이런 현상이 매우 빠른 순간에 이루어지기 때문에 우리 눈에는 어두운 회색 그림자같이 느껴지게 된다. 이른 다른 도식으로 설명드리자면 아래의 그림과 같다.

 

 

 

 

 

다시 OverDrive 테스트로 돌아가 보자. 아래의 사진은 OverDrive를 "Low"로 설정한 모니터를 촬영한 것이다. OverDrive를 사용하지 않은 TN 패널 보다는 덜하지만 약~간의 어두운 그림자가 나타난다.

 

 

 

 

 

 

이번에는 OverDrive를 "Middle" 즉 중간치로 설정한 모니터를 촬영한 사진이다. "Low"로 설정했을 때에 좀더 강하게 OverDrive를 걸어 준 것인데 오히려 그림자가 많아졌다. 뿐만 아니라  어두운 그림자가 아니라 밝은 색의 그림자로 보인다.

 

 

 

 

밝은 그림자가 나타나는 이와 같은 현상은 앞장에서 오실로스코프를 통해 보여드린 파형을 기억하신다면 이해가 쉬울 것이다. 다시 한번 보여드린다. 밝은 색에서 어두운 색으로 전환될 때 Under Shoot가 발생하고 정상의 상태로 돌아오는데 다소의 시간이 걸린다.

 

 

※ 오버드라이브를 "Middle"로 했을 때

 

 

 

 

OverDrive를 "High"로 설정했을 때에는 그림자도 훨씬 많아지고 밝은 그림자도 매우 확연하게 눈에 띈다. 좀더 정확하게 표현하자면 25ms의 Black-White 응답속도를 가진 PVA 패널로 혼합색간의 전환 테스트를 할 때 발생하는 어두운 그림자만큼이나 잔상이 심해서 도저히 사용하기 힘들 정도다. 마우스만 움직여도 잔상이 주루룩 따라다닐 정도다. 즉, 과도한 OverDrive로 인해 역잔상이 발생하고 있는 것이다.

 

 

 

 

역시 앞장에서 보여드린 오실로스코프의 파형을 보면 이렇게 과도한 OverDrive로 인해 역잔상이 발생하는 이유를 알 수 있다. 강하게 발생하는 under shoot로 인해 정상으로 돌아오는데 시간이 더 많이 걸리는 것이다. 이 오실로스코프의 파형은 빛의 강약을 나타내는 것이므로 Fall Time에서의 under shoot는 구동전압 입장에서 보면 과도한 over shoot가 되는 것이다. 즉, OverDrive를 사용하기 전과는 반대로... Green은 너무 빨리 켜지고, Blue는 너무 빨리 꺼지다 보니 순간적으로 두 색이 동시에 켜져 있는 상황이 발생하여 Cyan이 목격되는 것이다.

 

 

※ 오버드라이브를 "High"로 했을 때

 

 

 

위에서 설명한 바를 다시 한번 그림으로 정리하자면 아래와 같다. OverDrive를 사용하기 전의 일반 TN 패널의 경우 Blue는 빨리 꺼지는데 Green이 늦게 켜지기 때문에 순간적으로 Black인 상태가 발생한다. 반면에 과도한 OverDrive를 거는 경우 Blue는 너무 늦게 꺼지고 Green은 너무 빨리 켜지기 때문에 두 색이 겹쳐져 Cyan(실제로는 흰색 그림자처럼 느껴짐)이 순간적으로 보이게 되는 것이다.

 

 

 

따라서 LCD 모니터 제조업체의 입장에서는 OverDrive 보드를 장착할 때 어느 정도의 수준이 적절한 지에 대한 보다 정밀한 테스트가 필요할 것이다. 한편, 소비자의 입장에서는 혹시 과도한 OverDrive로 인해 역잔상이 발생하지는 않는지, 또는 제조사가 응답속도 수치를 높이기에만 급급하여 역잔상 문제를 간과하지는 않았는지 확인해 볼 필요가 있을 것이다.

 

 

 

 

 

"응답속도가 얼마나 빨라야 하는가?" - TV나 영화의 경우

 

 

필자는 지난 7월말에 "LCD 모니터 스펙, 이현령 비현령인가?(링크 클릭)"라는 기사를 통해 일반적인 동영상이나 게임을 할 때 응답속도가 그렇게까지 중요하지 않을 수도 있다고 말씀드린 바 있다. 그런데 댓글들을 보니 필자의 말하고자 하는 의도를 정확히 이해하지 못한 분들이 있는 것 같아 다시 한번 설명드리도록 하겠다. 일단 우리가 TV나 영화를 보는 경우를 먼저 생각해 보도록 하겠다.

 

NTSC 방식의 TV는 1초에 60Hz로 refresh된다. 다른 말로 하자면 1초에 60 frame의 장면을 보여준다는 것이다. 좀더 정확히 말하자면 Interlace(비월주사) 방식이므로 실제로는 30개의 프레임을 2개씩으로 나누어 총 60장의 프레임을 만드는 것이기는 하다. 어쨌거나 단순하게 60개의 장면이 1초 동안 지나간다고 생각하자. TV에서 이렇게 화면을 재생한다는 것은 촬영할 때에도 같은 방식을 사용한다는 뜻이다. 즉 현실에서 벌어지는 움직임을 1초에 60장씩 찍어 놓는 것이다.

 

이쯤 되면 벌써 무슨 말을 하려는 것인지 눈치 채신 분들이 많을 것이다. 바로 동영상 소스 자체에 잔상이나 동적 번짐(Motion Blur)가 담겨져 있기 마련이므로... 일정 속도 이상으로 움직이는 피사체를 촬영한 것이라면, 아무리 완벽한 응답속도를 가진 CRT로 본다 할 지라도 우리 눈에는 잔상이나 번짐이 목격된다는 뜻이다. 왜냐하면 영상 소스 자체에 잔상이나 번짐이 들어있기 때문이다. 아래의 영화 장면들을 보라. DVD 플레이어에서 실제 하나하나의 프레임을 캡쳐한 것들 중 일부다.

 

 

 

 

 

위의 장면의 쥬라기 공원 3탄의 초반부인데 피사체와 카메라가 빠른 속도로 움직이지만 카메라는 1초에 60개의 프레임밖에 지 못하기 때문에 소스 자체에 번짐(Blur)가 들어가 있다. 반면에 아래의 애니메이션 영화의 경우... 보니 실제의 상황을 촬영한 것에 비해서는 덜하지만... 여전히 번짐이 보여진다. 디지털 3D 애니메이션을 렌더링할 때의 옵션에 따라 달라지겠지만 1초의 60장의 프레임으로 만들어야 하기 때문에 최소한의 번짐현상은 어쩔 수 없을 것이다.

 

 

 

 

 

결론적으로 말하자면 TV나 극장용 영화의 경우 1초에 60장 이하의 프레임으로 커버해야 하는 제한이 있기 때문에 영상 소스 자체에 번짐이 있을 수 밖에 없다. 따라서 60Hz(16.7ms) 이상으로 빠르게 움직임이 발생하는 경우에는 어차피 영상 소스에도 번짐이 있기 때문에 LCD 모니터/TV의 액정이 조금 느리게 반응하더라도 구분하기 어렵게 된다는 것이다. LCD 응답속도의 관점에서 말하자면 Black↔White의 전환속도와 Gray→Gray의 전환속도가 모두 16.7ms이하라면 원래 영상이 가진 잔상/번짐과 LCD가 발생시키는 잔상과 구분이 거의 어렵게 된다는 얘기다.

 

따라서 gtog가 8ms니 4ms니 하는 것은 의미가 없어지는 것이다. (물론 이것은 평균 응답속도이므로 모든 스텝간의 속도가 16.7ms 이하라는 것과는 차이가 있다) 만약 우리가 총알이 관통하는 장면을 제대로 보기 위해 사용하는 초고속 카메라로 모든 영화나 드라마를 촬영한다면 LCD의 응답속도는 1ms 이하가 되더라도 여전히 잔상을 보여주게 될 것이다. 하지만 현실적인 이유(엄청난 필름값, 데이터량, 디스플레이 구동속도 등)로 인해 이렇게 되기는 어려울 것이다.

 

 

 

 

 

 

"응답속도가 얼마나 빨라야 하는가?" - PC용 게임의 경우

 

위에서 TV나 영화와 같은 동영상을 볼 때에는 16.7ms(모든 경우에)이하의 응답속도만 내줄 수 있다면 액정이 만들어내는 잔상과 원래 영상 소스가 가진 잔상/번짐현상과 구분하기 어렵다고 했다.

 

하지만 컴퓨터로 즐기는 3D 게임의 경우에는 얘기가 좀 달라진다. 3D 게임은 3차원의 가상공간에서 가상의 피사체가 움직이는 것을 가상의 카메라로 촬영해서 보여주는 것이라고 할 수 있다. 따라서 실제 영화를 촬영하는 카메라와는 달리 1초에 찍을 수 있는 프레임에 제한이 없다. 필름값이 많이 드는 것도 아니고 카메라를 고속으로 돌리기 위해 특별한 장치가 필요한 것도 아니다. 단지 그 많은 데이타를 처리할 수 있는 빠른 프로세서와 충분한 버퍼만 있으면 될 것이다.

 

 

 

결국 그래픽카드의 가속성능에 따라 더 많은 프레임을 만들어 소스를 매우 정교하게 만들 수 있게 된다. 그리고 이렇게 많은 프레임으로 나누어 렌더링을 하면 소스 자체에 번짐이 적어지므로 잔상과 관련된 문제는 LCD 모니터의 응답속도에 따라 달라지게 될 것이다. 예를 들어 어떤 그래픽카드의 가속성능이 매우 우수하여 1초에 120장의 프레임을 만들어 줄 수 있다면... 계산상으로는 모든 스텝간의 전환속도가 약 8.3ms 이하가 되어야 잔상을 느낄 수 없게 된다. 하지만 일률적으로 모든 스텝간의 전환이 8.3ms가 되기는 어려우므로 평균 4ms 이하가 되어야 120Hz의 가속에서 잔상을 느끼지 않게 된다고 계산할 수 있다.

 

※ 이미지 출처 : 케이벤치 그래픽카드 리뷰 중에서

 

정리하자면 LCD-TV나 일반적인 용도로 사용할 LCD 모니터라면 모든 스텝간의 응답속도가 약 16.7ms 이하(평균일 경우 gtog 8ms 이하)라면 사용하는데 별다른 지장이 없을 것이다. 하지만 3D 게임을 즐기는 사용자라 하더라도 모든 스텝간의 전환 속도가 약 8.3ms 이하(평균일 경우 gtog 4ms 이하)라면 매우 빠른 게임이라 하더라도 잔상으로 인한 문제는 없을 것이다.

 

단, 제조사에서 응답속도를 어떤 식으로 빠르게 했는지, 또 그로 인한 부작용은 없는지는 한번쯤 고민해 볼 필요가 있을 것이다. 앞서 보여드린 바와 같이 OverDrive를 조금만 과도하게 넣어 주어도 역잔상(밝은 그림자)이 발생한다. 또한 스펙 가지고 장난치는 업체들이 반드시 있기 마련이어서 수치를 있는 그대로 받아들이기 어려울 때도 적지 않다. 삼성전자가 명암비 기준을 절반으로 줄이는 방식(CR>10이 아닌 CR>5)으로 시야각을 넓혔던 것을 기억한다면... 응답속도 또한 10% ~90% 구간이 아닌 20% ~ 80% 구간을 기준으로 해서 4ms의 모니터를 2ms의 모니터로 둔갑시키는 것이 삼성전자에게는 전혀 어색해 보이지 않을 것이다.