SDR→HDR 변환 실측: 태그 변경, 일괄 밝기 올리기, 정적 커브를 같은 한 프레임에서 비교

핵심 요약

SDR→HDR 변환은 100니트 디스플레이에 맞춰 만든 표준 다이내믹 레인지 영상을 ITU-R BT.2100에 따라 인코딩한 HDR 영상으로 바꾸는 작업입니다. 전달 함수는 PQ 또는 HLG로, 원색은 BT.2020으로 바뀌고, 비트 심도는 채널당 10비트 이상이 됩니다.

제대로 변환하면 하이라이트는 HDR 기준 화이트보다 밝아지고 암부와 피부 톤은 거의 움직이지 않습니다. 이 글에서는 오픈 무비의 같은 프레임에 계산할 수 있는 세 가지 방법을 적용해 가짜 HDR이 어디서 틀어지는지 보여 주고, KwaFlux의 AI 모델이 PQ와 HLG를 계산하는 과정을 단계별로 설명한 뒤, 직접 변환하고 확인하는 방법으로 마무리합니다. PQ와 HLG 중 무엇을 고를지는 아래 절에서 설명합니다.

• 제대로 된 SDR→HDR 변환은 두 가지 조건을 통과합니다. 신호가 맞아야 하고(PQ 또는 HLG, BT.2020, 10비트, 올바른 태그), 내용이 확장돼야 합니다(하이라이트는 열리고 암부와 피부는 제자리). 하나만 통과하면 가짜 HDR입니다.
• 같은 SDR 프레임을 계산할 수 있는 세 가지 방법으로 HDR로 바꾸고 모든 픽셀의 표시 휘도를 계산했습니다. 태그만 바꾸자 하늘이 6,207니트로 읽혔고, 선형으로 밝히자 얼굴이 346~373니트가 됐습니다. BT.2408이 제시한 밝은 피부 범위(65~110니트) 상한의 3배가 넘습니다.
• ITU의 BT.2446 보고서도 선형 스케일링은 휘도 확장에 적합하지 않으며, 수록된 세 가지 방법은 모두 콘텐츠와 무관한 정적 방법이라고 밝히고 있습니다.
• KwaFlux의 SDR→HDR은 자체 개발 AI 모델입니다. 선형화, BT.2020 변환, PQ 또는 HLG 인코딩이 모두 모델 안에서 이뤄지고, 휘도와 색은 별도 경로로 처리합니다. 밝기는 모든 레이어가 참조하는 입력값이며, 내부는 16비트, 내보내기는 10비트입니다.
• HDR 파일이 제대로 됐는지 눈으로만 판단할 필요는 없습니다. ffprobe로 태그를 읽고 signalstats로 피크와 얼굴 밝기를 잴 수 있습니다. 명령과 환산표는 아래에 있습니다.

진짜 HDR 변환이란?

진짜 SDR→HDR 변환은 신호와 내용이 모두 맞는 변환입니다. 신호는 형식의 문제입니다. 파일이 PQ 또는 HLG이고 BT.2020 원색, 10비트 이상이며, 태그와 픽셀이 일치해야 합니다. 내용은 화면의 문제로, ITU-R 보고서 BT.2446이 변환에 요구하는 사항을 정리해 두었습니다. 요약하면 다음과 같습니다.

• 암부와 중간 톤은 원본에 가깝게 유지해, 밝은 하이라이트 옆에서 암부 디테일이 사라지지 않게 합니다.
• 중간 톤을 너무 올리지 않습니다. 너무 올리면 평균 밝기가 높아져 보기 불편한 화면이 됩니다.
• 하이라이트는 기준 화이트 위로 확장합니다. HDR이 늘려 주는 밝기는 주로 여기에 씁니다.
• 휘도가 바뀌면 색의 인상도 맞춰 조정해 색상이 틀어지지 않게 합니다.
• 원본의 압축 아티팩트가 증폭되므로, 압축이 심한 소재는 너무 밝게 밀지 않습니다.

신호 조건만 통과한 파일은 플레이어가 HDR로 전환해도 눈부시거나, 하얗게 뜨거나, 원본과 다를 바 없어 보일 수 있습니다. HDR로 인코딩하지 않고 밝고 화려하게만 만든 영상은 여전히 SDR입니다. 둘 다 가짜 HDR입니다.

네 가지 방법 한눈에 보기

①과 ②는 만들기 가장 쉬운 방법입니다. 어떤 도구의 HDR 내보내기가 전체적으로 밝아지기만 한 것처럼 보이면, 8절의 확인 방법으로 ②인지 금방 알 수 있습니다.

같은 프레임을 픽셀 단위로 측정

SDR 웹페이지에서는 HDR이 보이지 않습니다. 아무리 밝은 스크린샷도 100니트 안팎이 한계입니다. 그래서 다른 방식으로 봤습니다. 각 방법이 출력한 모든 픽셀을 표시 휘도(니트)로 환산하고, 휘도 구간별로 색을 칠했습니다. 파란색과 초록색은 SDR 디스플레이가 표시할 수 있는 범위, 노란색은 HDR 기준 화이트 203니트까지, 주황과 빨강은 203~1,000니트의 하이라이트, 마젠타와 흰색은 1,000니트 초과입니다.

측정 방법. 소재는 Blender Foundation의 오픈 무비 「Tears of Steel」(CC BY 3.0)의 1280 × 534 H.264 버전이며, BT.709로 디코딩했습니다. 원본은 BT.1886(감마 2.4, 화이트 100니트)으로 표시한 휘도입니다. ①은 코드 값을 PQ로, 원색을 BT.2020으로 읽습니다. ②는 선형화한 뒤 10을 곱해 화이트를 1,000니트에 맞춥니다. ③은 BT.2446-1 4.2절의 방법 A 공식을 픽셀마다 적용하며 피크는 1,000니트입니다. 휘도는 모두 BT.2020 휘도 계수로 계산했습니다. 그림과 아래 표는 이 세 가지 방법만 담습니다.

상자로 표시한 영역의 중앙값은 다음과 같습니다.

BT.2408 보고서는 HDR 제작 기준으로 밝은 피부 65~110니트, 중간 피부 40~85니트, HDR 기준 화이트 203니트를 제시합니다. 이 잣대로 보면 다음과 같습니다.

• 태그만 변경하면 하늘이 6,207니트로 읽힙니다. 대부분의 HDR TV가 낼 수 있는 밝기를 훨씬 넘습니다. 얼굴은 513~636니트로 기준 화이트(흰 종이 한 장에 해당)의 2~3배입니다. 반면 검은 난간은 거의 변하지 않습니다. 어두운 곳은 그대로, 밝은 곳만 치솟고, BT.709 색을 BT.2020으로 읽으니 전체가 눈부시고 화려해집니다.
• 선형 밝기 올리기는 모든 것을 10배로 만듭니다. 얼굴은 346~373니트로 밝은 피부 기준 상한의 3배가 넘고, 검은 난간은 2니트에서 20니트가 되어 검정이 회색으로 뜹니다. "HDR을 켰더니 흰 안개가 낀 것 같고 피부가 플라스틱 같다"의 정체가 바로 이것입니다. BT.2446은 선형 스케일링이 평균 휘도를 너무 올리고 중간 톤을 편하게 보기 어려울 만큼 밝게 만들기 때문에 휘도 확장에 적합하지 않다고 분명히 밝힙니다.
• BT.2446 방법 A는 훨씬 절제돼 있습니다. 얼굴은 163~180니트, 하늘은 762니트, 암부는 6니트까지만 올라갑니다. 이 영화는 원래 어둡게 그레이딩돼 원본 얼굴이 35니트이므로 얼굴이 기준 범위보다 밝게 나오지만, 선형 밝기 올리기의 절반 수준입니다.

다음은 흐린 하늘이 크게 담긴 프레임입니다.

태그만 바꾸면 픽셀의 50%가 1,000니트를 넘고 프레임 평균은 1,141니트로 원본의 29배입니다. 선형 밝기 올리기는 흐린 하늘 전체를 400~1,000니트의 빛나는 벽으로 만듭니다. BT.2446도 바로 이 점을 경고합니다. 최대 신호에 가까운 넓은 영역은 강하게 확장하면 불편할 만큼 밝아지므로, 방법 B는 피크를 더 낮게 제한합니다.

참고: 이 맵이 답하는 것은 "각 픽셀이 몇 니트로 표시되는가" 하나뿐이며, 보기 좋은지는 평가하지 않습니다. 그 판단은 결국 HDR 디스플레이에서 해야 합니다.

이 방법들을 커브로 비교

SDR 신호를 검정부터 최대 화이트까지 움직이면서 각 방법이 몇 니트를 내는지 그렸습니다.

• 태그 변경 선은 신호 63% 부근에서 선형 밝기 올리기를 앞지르고, 최대 화이트에서 10,000니트에 이릅니다. PQ의 코드 값은 하나하나가 정해진 니트 값을 뜻하므로, SDR 코드 값을 PQ로 읽으면 전혀 다른 뜻이 됩니다.
• 선형 밝기 올리기는 로그 그래프에서 원본 커브를 그대로 위로 평행 이동한 것입니다. 암부도 10배가 되니 검정이 뜹니다.
• BT.2446 방법 A는 암부에서 BT.2408의 "확장 없음" 배치보다 조금 높고, 하이라이트 쪽으로 갈수록 가팔라집니다. 잘 설계된 커브지만 결국 하나뿐입니다. 같은 휘도 값이면 얼굴이든 흰 벽이든 구름이든 결과가 같습니다.

보고서도 서두에서 이를 인정합니다. 수록된 세 방법은 모두 정적이어서 콘텐츠나 시청 환경과 관계없이 같은 처리를 하며, 적응형·동적·영역별 방법도 존재하고 적절한 동적 방법이라면 더 많은 콘텐츠에서 나은 결과를 낼 수 있다고 덧붙입니다. AI 역 톤 매핑이 바로 이 방향입니다. 매핑이 미리 정해 둔 커브가 아니라, 모델이 대량의 SDR·HDR 쌍 이미지에서 배운 것입니다.

KwaFlux AI 모델이 HDR을 만드는 방식

KwaFlux의 SDR→HDR은 자체 개발 모델로 동작합니다. 커브로 HDR을 추측한 다음 네트워크로 손보는 방식이 아닙니다. 색채 과학을 모델의 계산 그래프 안에 넣어, 마지막 레이어에서 나오는 것이 곧바로 인코딩할 수 있는 HDR 신호입니다.

색 계산은 모델 안에 있습니다. 네트워크의 첫 단계에서 SDR 감마를 선형 광으로 디코딩하므로, 이후의 모든 연산은 실제 빛의 양에 대응합니다. 이어서 BT.709에서 더 넓은 BT.2020 컨테이너로 옮기고, 마지막 단계에서 PQ 또는 HLG로 인코딩합니다. 덧붙인 LUT도, 내보낼 때 추가하는 커브도 없으므로 BT.2020 원색, PQ의 고정 휘도, HLG의 상대 휘도는 학습 단계부터 모델이 지켜야 하는 제약입니다.

휘도와 색은 별도 경로로 처리합니다. HDR에서 흔한 실패는 전체를 끌어올려 얼굴이 플라스틱처럼 되고 네온사인 주위에 흰 테두리가 생기는 것입니다. KwaFlux는 일을 나눕니다. 휘도 경로는 빛을 맡아 하이라이트를 SDR의 100니트 천장에서 풀어 주면서 암부와 중간 톤은 제자리에 둡니다. 색 경로는 빛이 강해져도 색상을 지켜, 하늘은 같은 파랑, 립스틱은 같은 빨강으로 남습니다. 앞 절의 측정이 왜 나눠야 하는지 보여 줍니다. 휘도만 보는 커브로는 얼굴과 구름을 동시에 챙길 수 없습니다.

밝기는 나중에 곱하는 계수가 아니라 모델의 입력입니다. 영상마다 어울리는 HDR이 다릅니다. 인물은 너무 밝으면 어색하고, 풍경은 더 시원하게 열어도 되며, 야경은 불빛을 살리되 간판을 하얗게 날리면 안 됩니다. KwaFlux의 밝기는 2.0~5.0의 연속값이며, 모델의 모든 레이어이 그 값을 봅니다. 슬라이더를 움직이면 빛의 느낌과 채도가 함께 부드럽게 바뀌며, LUT를 갈아 끼운 듯한 단절도, 전체에 숫자 하나를 곱한 듯한 밋밋함도 없습니다.

같은 가중치로 PQ와 HLG를 모두 냅니다. PQ와 HLG는 마지막에 쓰는 전달 함수만 다르므로, KwaFlux는 같은 모델 가중치로 두 형식을 모두 출력합니다. 형식마다 모델을 따로 둘 필요가 없고, 두 내보내기의 화면도 서로 일치합니다.

내부 16비트, 내보내기 10비트. 모델은 16비트 BT.2020 선형 광으로 계산한 뒤, 선택한 색 공간에 맞춰 10비트 H.265 또는 AV1로 인코딩합니다. 하이라이트를 늘리면 그러데이션에 더 많은 단계가 필요하므로, 중간 결과를 8비트로 반올림하지 않는 것이 하늘과 벽의 밴딩을 막아 줍니다.

가벼워서 작품 한 편을 끝까지 처리할 수 있습니다. 이 모델은 빛과 색만 다룹니다. 업스케일도, 구도 변경도, 텍스처 추가도 하지 않습니다. 네트워크 자체가 작습니다. GPU 메모리가 부족한 컴퓨터에서는 자동으로 타일로 나눠 처리하며, 화질 목표는 그대로 두고 더 안정적으로 끝까지 처리합니다.

PQ와 HLG 중 무엇을 고를까

PQ와 HLG 중 무엇을 고를지는 위의 「PQ와 HLG 중 무엇을 고를까」에서 설명합니다. YouTube나 HDR10으로 넘길 때는 PQ로 내보내세요.

KwaFlux에서 SDR을 HDR로 변환하는 방법

1단계. AI 색보정을 열고 SDR→HDR을 선택합니다. AI 색보정에 클립을 가져와 모드에서 SDR→HDR을 고릅니다. 동영상 전용이며, 사진에는 스마트 컬러나 필터 컬러를 씁니다.

2단계. 장면을 고릅니다. 장면에는 풍경(기본), 야경, 사용자 지정이 있습니다. 풍경과 야경은 프리셋 밝기(3.8과 3.5)를 쓰고, 사용자 지정을 고를 때만 밝기 슬라이더(2.0~5.0)가 나타납니다. 아래 시작점은 저희 제안이니 영상에 맞게 조정하세요.

3단계. 먼저 미리보기합니다. 클립에서 가장 밝은 부분과 얼굴이 가장 많은 부분을 1·3·5초로 미리보기합니다. SDR 모니터에서는 SDR로 되돌린 버전이 보이지만 계조와 피부의 분리는 확인할 수 있습니다. HDR 모니터가 있다면 먼저 시스템의 HDR을 켜세요.

4단계. 내보냅니다. 내보내기 설정의 색 공간에서 HDR PQ (Rec.2020)(기본), HDR HLG (Rec.2020), SDR (BT.709)를 고를 수 있습니다. 코덱은 H.265(권장) 또는 AV1, 컨테이너는 MKV를 권장합니다. HDR 내보내기는 10비트이며, KwaFlux가 해당 전달 함수, BT.2020 원색과 행렬, 제한 범위 태그를 기록합니다.

팁: 소재가 흐리거나 노이즈가 많거나 블록 노이즈가 눈에 띄면, 먼저 화질 복구로 정리한 뒤 SDR→HDR을 적용하세요. HDR은 원본의 결점도 함께 키우므로, 복구한 뒤 확장하는 편이 확장한 뒤 복구하는 것보다 훨씬 깨끗합니다.

참고: SDR→HDR에는 현재 스타일 필터를 겹칠 수 없으며, 겹치면 내보낸 결과가 전체적으로 어두워집니다. 이미 설정한 필터는 유지되며, 스마트 컬러나 필터 컬러로 바꾸면 다시 적용됩니다.

눈에 의존하지 않고 HDR 파일을 확인하는 방법

먼저 태그를 확인합니다. 다음 명령으로 색 태그를 볼 수 있습니다.

ffprobe -v error -select_streams v:0 -show_entries stream=pix_fmt,color_range,color_space,color_transfer,color_primaries -of default=nw=1 output.mkv

PQ 파일이면 smpte2084, HLG면 arib-std-b67, 원색과 행렬은 bt2020과 bt2020nc, 픽셀 형식은 yuv420p10le 같은 10비트여야 합니다.

다음으로 피크를 잽니다. signalstats는 프레임마다 휘도 성분의 최대 코드 값을 알려 줍니다.

ffmpeg -i output.mkv -vf "signalstats,metadata=print:key=lavfi.signalstats.YMAX:file=ymax.txt" -f null -

10비트 제한 범위 PQ 파일이라면 아래 표로 코드 값을 니트로 되돌릴 수 있습니다(SMPTE ST 2084 공식으로 계산).

PQ 테스트 파일에 이 명령을 실행하자 YMAX가 715, 약 920니트로 나와 스크립트가 픽셀별로 계산한 피크 910니트와 일치했습니다. YMAX는 휘도 성분(Y′)을 재므로 색이 있는 하이라이트에서는 실제 휘도와 조금 차이가 나지만, 자릿수를 판단하기에는 충분합니다. 대부분의 프레임이 940에 붙어 있다면 최대 화이트가 10,000니트로 읽히고 있는 것이고, 태그만 바꿨을 가능성이 큽니다.

마지막으로 얼굴을 잽니다. 전체를 끌어올렸는지는 피크보다 얼굴로 더 정확히 알 수 있습니다. 정면 얼굴이 나온 프레임을 골라 얼굴에 상자를 쳐 평균 코드 값을 잽니다(crop의 네 숫자는 너비, 높이, 왼쪽 위 모서리의 x·y 좌표입니다. 화면에 맞게 바꾸세요).

ffmpeg -ss 10 -i output.mkv -frames:v 1 -vf "crop=30:40:712:100,signalstats,metadata=print:key=lavfi.signalstats.YAVG:file=-" -f null -

이 글의 인물 프레임에서 선형 밝기 올리기 버전은 618(약 330니트), BT.2446 방법 A 버전은 549(약 155니트)였습니다. 원본 그레이딩이 어둡거나 밝으면 얼굴 위치도 오르내리지만, 얼굴이 기준 화이트보다 분명히 밝다면 화면 전체가 끌어올려졌다고 봐도 거의 틀림없습니다.

문제 해결

AI도 할 수 없는 것

• 날아간 디테일을 되찾는 일. SDR의 하늘이나 불빛이 이미 255로 평평하다면, 어떤 방법이든 그 안을 추측할 수 있을 뿐 복원할 수는 없습니다.
• 원본의 압축 문제를 덤으로 고치는 일. 역 톤 매핑은 기존 블록 노이즈와 노이즈를 키웁니다. 강하게 압축된 소재는 먼저 복구하세요.
• HDR 디스플레이를 대신하는 일. 100니트 화면에서는 HDR을 SDR로 되돌려 볼 수밖에 없고, 늘어난 밝기는 HDR 화면에서만 보입니다.
• Dolby Vision 동적 메타데이터를 만드는 일. KwaFlux가 내보내는 것은 PQ(HDR10 계열) 또는 HLG입니다.

마치며

가짜 HDR은 만들기 쉽습니다. 태그를 바꾸거나 전체를 밝히면 플레이어에 HDR 배지가 뜹니다. 진짜 HDR은 신호와 내용을 모두 맞춰야 합니다. 다음에 "HDR" 영상을 받으면 위의 명령으로 재 보세요. 피크가 어디에 있고 얼굴이 얼마나 밝은지 보면 어느 쪽인지 알 수 있습니다.

내 실제 영상으로 효과를 확인하세요

KwaFlux는 AI 색보정을 사용자 GPU에서 실행합니다. PQ 또는 HLG로 SDR→HDR 내보내기도 지원합니다. AI 처리는 사용자 GPU에서 실행되며 미디어 파일이 처리를 위해 업로드되지 않습니다. Windows 10(64비트, 버전 1809 이상), Windows 11, Apple Silicon 탑재 macOS 12 이상에서 실행됩니다. 미리보기에는 계정이 필요 없습니다. 어떤 클립이든 1·3·5초 미리보기를 렌더링할 수 있습니다. 내보내기, 변환, 파일 복구, 링크에서 파일 다운로드에만 로그인과 유료 플랜이 필요합니다.

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