아직 쉽지 않은 4K60 카메라 - 처리성능, 발열 이야기 by eggry


파나소닉, 동영상 중심 풀프레임 미러리스 S1H 발표 추가정보, a7S III에 대한 생각

 파나소닉 S1H가 4K 동영상, 특히 4K60에서 제약을 극복해줄 첫 풀프레임 미러리스 카메라가 될 줄 알았지만 기대를 배반하고 그렇게 되진 않았습니다. S1H는 완전히 새로운 레벨의 처리성능이나 센서를 가졌다기 보단, S1을 기반으로 더 다양한 출력, 저장옵션을 가지게 만든 것으로 보입니다. 물론 여기엔 약간 더 높은 처리성능이 필요하겠지만, 그 성능 자체는 S1에도 이미 하드웨어적으론 존재했을 수도 있는 정도의 차이입니다. 실제 개선점은 근본적인 성능향상보단 전문촬영을 위해 신뢰성과 유연성을 늘린 부분으로, 출력옵션에 더불어 발열대책 같은 것들이 그렇습니다.

 이미 S1H의 4K60이 슈퍼35 크롭이라는 게 확실해졌기 때문에 4K60에 관한 처리성능 면에선 S1과 별 차이가 없습니다. 물론 10비트, 4:2:2 출력 등이 있습니다만 이것도 S1에서 펌웨어 업데이트로 상당부분 지원되기로 했기 때문에 저는 프로세싱 파워가 거의 동등하다는 결론에 도달했습니다. 센서도 동일하고요. 출력 면에서 실질적으로 추가된 거라면 풀센서 6K24나 아주 약간의 크롭으로 구현되는 5.9K30인데, 이것도 S1에서 하드웨어적으로 불가능한 성능으로 보이진 않습니다. 다만 센서아웃풋과 처리성능 면에서 그렇다는 것이고, 발열 면에서는 S1 섀시로는 감당하기 어려울 걸로 보입니다.

 현시점에서 컨슈머 렌즈교환식 카메라 중에서 크롭 없이 4K60을 구현하고 있는 카메라는 GH5 시리즈(GH5, GH5S, G9) 뿐입니다. GH5 시리즈 내에서는 출력옵션, 녹화시간 제한, C4K 지원 등의 여부에 따라서 조금씩 갈리긴 합니다. 하지만 일반적으로 GH5 사양이면 컨슈머 레벨에서 원하는 모든 사양(크롭 없는 4K60, 10비트, 4:2:2 등)을 모두 지원한다고 볼 수 있습니다. GH5S는 거기에 조금 더 있고, G9은 조금 더 제약이 있는 형태로 되어 있습니다.



처리성능과 발열의 제약

 지금까지 나온 카메라들의 처리성능을 계산해보면 그 한계치나 성능은 매우 쉽게 나옵니다. 비트 수나 크로마샘플링 등 변수가 있긴 하지만 기본적으로 센서의 동영상 원본 화소수*프레임의 관계로 간단하게 계산할 수 있습니다. 원본 화소수는 센서사이즈 대비 크롭비가 얼마나 되나로 쉽게 파악 가능합니다. 편의를 위해 비트수는 무시하고 말이죠.

 소니의 경우 현재 2400만 화소 기종이 메인인데, 공히 풀센서리드로는 24프레임, 30프레임은 1.2배 크롭을 구현하고 있습니다. 1.2배 크롭비를 고려하면 24프레임의 부하는 실제로 1.2배 크롭의 35프레임 정도로, 24프레임 쪽이 부하가 더 큽니다.(1.2*1.2로 면적이 1.44배 더 넓기 때문에. 24*1.44=34.56)

 현행 소니 카메라의 처리성능 최대치는 6000*3375(센서 중 16:9 영역)*24=초당 486MP 정도로 볼 수 있습니다. 물론 비트 수 등의 변수들이 들어가는데, 소니 카메라는 현재 전부 8비트이기 때문에 전부 10비트인 파나소닉은 단순 화소수보다 1.25배 더 높은 처리성능을 갖고 있다고 봐야 합니다. 하지만 상대적으로 적은 차이이므로 계산 편의를 위해 생략합니다.

 여기서 예외적인 카메라들은 비 2400만 카메라인데, 4200만 화소인 a7R 시리즈와 1200만 화소인 a7S 시리즈가 여기 해당됩니다. 둘은 센서 레벨에서 다른 아웃풋을 냅니다. a7R 시리즈는 풀프레임 4K30이 가능한데, 이는 센서에 픽셀비닝 기능이 있어서 데이터 량을 줄여주기 때문입니다.

 픽셀비닝은 복수의 센서를 묶어서 하나의 픽셀 데이터처럼 센서 아웃풋 레벨에서 묶어서 보내는 것입니다. 그래서 프로세서가 받는 데이터는 훨씬 작아집니다. 원본데이터 그대로 보내서 프로세서에서 슈퍼샘플링 하는 것과는 다르죠. 라인스키핑보다는 낫고 모아레 억제력도 좋지만 해상력 측면에선 슈퍼샘플링보다 떨어집니다. 하지만 장점으론 고화소 센서를 전체를 이용하기 좋고, 프로세싱 파워가 낮아진다는 점입니다. 파나소닉의 GH1,2,3도 픽셀비닝으로 유명했고 풀픽셀리드 성능이 등장하기 전 가장 좋은 화질을 보여줬죠.

 a7S의 경우 낮은 화소수를 유지하고 있는데 이것도 처리성능의 한계를 감당하기 위함입니다. 16:9 영역만 보면 a7S의 화소수는 1000만 화소입니다. 800만 화소인 4K보다 약간 많은 양이고, 30프레임 출력 시 초당 처리량은 300MP로, 소니 프로세서의 한계치(로 보이는) 486MP보다 낮아 여유가 있습니다.

 이렇게 계산하면 현행 소니 프로세서는 파나소닉이나 후지보다 절반 수준으로 크게 떨어지는데, 사실 이유는 소니가 아직 60프레임과 10비트를 지원하지 않기 때문입니다. 소니도 4K60과 10비트를 지원한다면 그에 걸맞는 프로세서를 넣게 될 겁니다. 다만 풀프레임 화각에서 60프레임을 구현하려면 지금보다 3.6배 강력한 걸 넣어야 한다는 얘기로(프레임 2배, 비트 1.25배, 화각 1.44배), 지금의 센서 발열과 더불어 프로세서 발열이 추가되는 문제를 낳게 되겠죠.

 파나소닉의 경우 S1H에서 보여주는 5.9K30이 가 가장 높은 부하로 보입니다. 이는 5900*3320*30=초당 587MP인데, 6K24(3:2)의 경우 6000*4000*24=576MP로 아주 살짝 낮습니다. 한편 4K60이 되는 슈퍼35 모드의 경우 근사치로 가로가 대충 4000이라고 볼 수 있는데(수십 정도 차이는 있겠죠) 4000*2250*60=540MP입니다. 6K24보다 약간 낮은 수치인데 적정 크롭비 등을 고려하면 이정도 여유는 다들 생깁니다.

 하지만 실제 파나소닉에서 가장 처리성능이 강력한 카메라는 GH5입니다. 16:9 비율에서 5184*2920의 화소수를 가지는데, 여기서 60프레임을 뽑아내죠. 이는 5184*2920*908MP라는, S1H의 1.5배가 넘는 수치입니다. S1 시리즈의 동영상 사양이 프로세서의 제약 때문은 아니라는 걸 알 수 있죠. 참고로 역시 4K60을 지원하는 후지필름 X-T3의 경우도 계산해보면(1.18배 크롭입니다) 940MP 정도가 나옵니다. 파나소닉과 같이 10비트 내부녹화 지원이므로, 단순 수치로는 X-T3가 현재 최고라고 해야겠네요.

 그런데 왜 S1H는 여기서 크롭비를 더 줄이거나, 아니면 6K에서 프레임을 30으로 올리지 못 할까요? 전자는 센서의 리드아웃 스피드 때문으로 보입니다. S1H는 화소수와 6K의 프레임 제한, 4K60의 크롭 제한 등으로 볼 때 S1과 동일한 센서로 보입니다. 그리고 S1 센서는 a7 III와 동일한 IMX410CQK로 여겨지고 이 센서의 4K60 출력 한계는 슈퍼35 크롭의 12비트입니다. 참고로 동일 센서의 전체화소 출력 한계는 14비트 19프레임(영상용으론 못 쓰죠)이나 12비트 40프레임입니다.

 그럼 6K30이 가능해야 하는 것 아닌가? 분명 GH5의 프로세서는 908MP라는 엄청난 성능을 자랑하고, 2400만 화소 6K30은 720MP로 충분히 감당할 수 있어 보입니다. 유감스럽게도 제3의 제약, 바로 발열이 존재합니다. 발열은 센서 성능을 화질, 속도 양면으로 저하시킬 뿐더러 심하면 센서를 손상시킬 수도 있습니다. 그래서 모든 카메라는 센서 온도에 따른 자동 작동정지가 들어 있습니다.




 그리고 센서의 발열은 센서 사양마다 다르고(같은 사이즈라도 고화소가 더 많은 등), 반도체 기술 발달로 개선이 되긴 하지만 가장 큰 변수는 바로 '사이즈'입니다. 센서의 사이즈 말이죠. 큰 판형일 수록 발열이 막대하게 발생하고 배출하기도 더 힘듭니다. 화질에서 판형이 깡패라고들 하지만, 발열에서도 마찬가지입니다. 마이크로포서드보다 APS-C가, APS-C보다 FF가 동영상 관련으로 더 제약이 많은 것도 그때문입니다. 심지어 화소수도 같은 경우에도 말입니다.

 이는 동영상 스펙이 정해지는데 있어 처리성능보다 발열이 미치는 영향이 더 크다는 걸 보여줍니다. 그리고 발열에 기여하는 영향력은 사이즈가 가장 압도적이며, 그 다음으로 프레임(속도), 마지막이 반도체 기술 정도 되겠습니다. 그래서 크롭 4K60을 하는 것보다 풀센서 6K24를 하는 게 발열에 더 부담이 됩니다.

 S1H의 경우 팬 유무는 미확인이라도 벤트가 뚫려있는 걸 확인할 수 있는데, S1과 동영상 출력에서 실질적으로 다른 게 6K24/5.9K30임을 생각하면 이 발열처리의 차이도 여기서 나온다고 봐도 되겠습니다. S1은 이미 4K60 무제한 녹화를 지원하고 비트수 등의 스펙 면에서도 S1H와 크게 다르지 않습니다. 6K24보다 5.9K30에서 약간 더 여유가 생기는 부분도 어쩌면 센서 면적을 덜 사용해서 발열 여유가 있어서일 수도 있습니다.

 이 발열 문제야말로 아직 크롭 카메라들이 풀프레임 카메라보다 더 나은 동영상 사양을 가지는 이유을 보여줍니다. 발열 외에도 부차적으로 작은 센서는 더 빠른 신호전송을 가지기 때문에 높은 프레임을 구현하기 용이하고, 젤로를 억제하기에도 좋습니다. 실제 그렇게 크지 않은 화소수 차이에도 마이크로포서드와 풀프레임의 동영상 젤로 억제는 큰 차이를 보입니다. 오직 화소수가 적은 a7S 만이 마이크로포서드와 견줄 만한 젤로 성능을 가집니다.

 종합하면 동영상 성능에는 현재로썬 발열>처리성능>센서아웃풋 순으로 문제가 됩니다. 큰 판형에선 발열이 리미트를 걸고, 반대로 작은 판형에서는 처리성능이 제한을 겁니다. 센서아웃풋의 영향은 비교적 적은 편입니다. 이건 기본적으로 발열이 심각한 문제를 일으키지 않는 선에서 책정되고, 더 고성능 냉각이 가능한 기종의 사용까지 고려해 만들어지기 때문입니다. 같은 센서를 쓴 큰 캠코더라면 더 감당할 수 있으니까요.

 소니와 파나소닉을 비교해보면, 소니는 현재 프로세싱 성능의 제약이 더 큽니다. 4K60이 되는 기종이 하나도 없고 10비트 기종도 없죠. 하지만 더 강력한 프로세서를 만드는 건 센서 발열에 비하면 쉬운 문제입니다. 굳이 걱정되는 점이라면 지금도 냉각문제가 원활하지 않은 상황이라 3.6배 강력한 프로세서와 센서 전체이용에서 나오는 발열을 감당하려면 섀시를 얼마나 바꿔야 하나 정도지요. 적어도 지금 크기로는 어림도 없을 겁니다. 지금은 a7S II도 상황에 따라 오버히트가 뜨니까요.

 발열 문제는 화질에 비해서 센서기술 향상으로 개선되는 폭이 적습니다. 그래서 앞으로 한동안은 현시점에서 크게 벗어나는 사양의 카메라를 만나기는 어렵다고 봅니다. 폰카가 4K60에 별다른 문제를 겪지 않는 동안 풀프레임은 한동안 풀화각 4K60이 쉽게 보급되지 않을 이유가 되겠습니다. 그리고 GH5가 나온지 2년이 넘도록 여기에 근접한 카메라가 후지필름 X-T3 뿐인 것도 같은 이유입니다.


앞으로 예상

 아마도 크롭 없는 4K60을 실현할 첫 풀프레임 카메라는 a7S III가 되겠죠. 그리고 그 방법은 저화소화를 유지하고 냉각성능을 개선시키는 것(=바디를 키우는 것)일 겁니다. 1200만 화소는 괜찮은 4K60 품질, 그리고 처리성능 문제를 동시에 감당할 적절한 밸런스로 보입니다. 2000만 정도면 좋겠지만 어차피 2400만까지 가지 않는 이상 슈퍼35 4K를 탑재하긴 불가능하므로, 그냥 4K60의 원활한 구현에 집중할 수도 있죠.

 2400만에 4K60을 구현한다면 그건 대단한 것이 될테지만, 센서 아웃풋을 개선한다 해도 발열이나 처리성능 면에서 S1H를 보면 현실성이 없어 보입니다. a7S III가 S1H 크기로 나오지 않는 이상은요. 또 a7S 시리즈가 내세우던 고감도 성능도 2400만으로는 아무리 신기술을 때려 박는다해도 이전만큼 좋긴 어려울 겁니다. a7 III가 이미 최신기술을 다 넣은 상황이니...

 그런데 이 저화소로 간다는 것도 소니이기에 가능한 선택지기도 합니다. 센서를 원하는대로 설계할 수 있다는 자유도 말이죠. S1H가 더 저화소로 가더라도 풀화각 4K60을 구현했어야 한다고 보는데 그걸 못 한 건 소니 2400만 센서 밖에 쓸 수 없었기 때문이라고 추측하고 있습니다. 반대로 소니는 6K 같은 건 못 하더라도 저화소로 4K60을 더 충실하게 구현할 수 있는 능력이 있습니다. 프로세서 성능을 너무 안 높여도 되서 발열을 줄이는 효과도 있죠. 1200만 화소를 유지한다면 4K60 10비트라고 해도 지금의 1.5배 정도면 가능합니다. 이정도 성능의 칩은 파나소닉이나 후지에 이미 있으니 어려운 일도 아닙니다.

 비교적 소극적인 1200만 화소로 a7S III가 나온다고 하더라도 니치 카메라일 것이고 가격은 비쌀 것입니다. S1H와 비슷하거나 싸도 아주 약간 정도로 말이죠. 일반 유저 가격대로는 쉽게 내려오지 않겠죠. a9 II도 4K60을 지원할 가능성이 있지만 크롭될 가능성이 높고, 가격은 당연히 비쌀 것입니다. 결국 300만 밑의 그나마 감당할 만한 카메라는 여전히 크롭의 영역으로 남게 됩니다. GH5, X-T3, 그리고 차세대 소니 크롭 기종 정도 말이죠.

 또 각종 동영상 악세사리나 장비 면에서도 동영상 분야에선 아직 크롭이 더 유연성 있고 전천후성 있게 해 줍니다. 풀프레임 카메라는 크고 무겁고, 렌즈는 더 크고 무겁습니다. 이 전체 장비 무게는 더 강력한 김볼을 요구하고, 더 강력한 김볼은...더 크고 무겁습니다. 눈덩이처럼 불어나서 원래 손떨림을 막으려는 장비가 감당이 안 되서 떨리는 웃픈 상황에 처하게 됩니다. 크롭 카메라들은 반대로 김볼도 더 작고 가벼운 걸 쓸 수 있습니다.

 설사 비용이 감소한다고 하더라도 이 물리적 크기, 무게 문제는 근시일 내에 해결될 가능성이 전혀 없어 보입니다. 광학은 물리법칙이고, 혁신적인 신소재의 등장 외에는 극복되지 않으며 된다고 하더라도 비싸고 오래 걸릴테니 말입니다. 풀프레임 화각이나 심도에 대한 집착을 버린다면 영상은 슈퍼 35(APS-C)가 당분간 표준이 될 듯 합니다. 풀프레임 카메라도 슈퍼 35를 지원하기 때문에 가장 폭넓은 생태계를 가지고 말입니다.

 아마추어 시스템 차원에선 소니가 파나소닉보다 다소 유리한 위치에 있다고 보입니다. 이미 APS-C 카메라가 있고 심지어 18-105라는 괜찮은 파워줌 렌즈도 있습니다. 반면 파나소닉은 풀프레임에서 슈퍼 35를 구현해야 하고(APS-C 카메라와 렌즈가 없으므로), 불필요한 크기와 무게를 지게 됩니다. 아예 프로급이라면 수동 슈퍼 35렌즈를 쓰면 되고, 시그마도 슈퍼 35 렌즈를 낼 걸로 보이지만 AF 파워줌 렌즈가 부재한 상황입니다. 물론 마포 쪽은 APS-C 만큼 동영상 환경이 잘 갖춰져 있긴 하지만 풀프레임과의 호환성이 없습니다.

 니콘은 소니와 비슷한 노선으로 갈 것처럼 보입니다. 루머에 따르면 Z3와 Z5는 DX가 될 가능성이 있다고 합니다. 이것도 동영상에선 크롭이 아직 더 유리한 점이 많다는 이유가 근거가 되겠죠. 소니처럼 원마운트로 동영상에 유리한 크롭 바디와 사진에 유리한 풀프레임 사이에 렌즈를 호환시킨다는 거죠. 풀프레임에 기술혁신이 온다고 하더라도 물리적인 이유로 슈퍼 35급은 계속 설 자리가 있을 것입니다.

 아마추어 동영상 시장을 공락하려면 크롭 4K60 카메라를 경쟁력 있게 만드는 것이 관건입니다. 현재로썬 파나소닉과 후지필름이 리드를 점하고 있습니다만, 소니와 니콘도 동영상에서 크롭의 유용성을 다시 인식하고 있다고 보입니다. 캐논은...으, 캐논은 일단 크롭에서라도 제대로 4K 하고 얘기하기로 하죠. 현재 주요 메이커 중에서 가장 프로세서 성능이 떨어지는(심지어 올림푸스보다도!) 게 캐논 렌즈교환식 카메라들입니다. 프로캠도 있는 회사지만 단순히 팀킬방지 이상으로 어려움을 겪고 있는 건 분명해 보입니다.



덧글

  • 로리 2019/06/02 17:16 # 답글

    사실 발열 문제는 쉬이 해결해서 올해쯤이면 8K 촬영 가능 FF 컨슈머 카메라도 나오고 이런거 기대했는데 아직도 4K 60P 촬영의 벽에 막혀 있는 것 보면 몰리적인 문제는 참 어려운 것 같습니다.
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