PTZ 카메라 선택 가이드
원격으로 카메라를 조종할 수 있는 편리한 PTZ 카메라는 최근 고성능 제품의 등장으로 수요가 급증하고 있습니다. 아직은 생소할 수 있는 PTZ 카메라의 특징과 어떤 카메라를 선택해야 하는지를 완벽하게 알려드립니다!
PTZ 카메라란 무엇인가?
PTZ 카메라는 추가적인 기구없이 카메라 자체적으로 Pan (좌우회전), Tilt (상하회전), Zoom (확대) 기능이 가능하도록 제작한 카메라 시스템을 뜻합니다. 아래의 좌측과 같은 방송용 카메라의 경우 고도로 훈련된 카메라 크루 (Camera Crew)에 의해 운영되므로 수동으로 Pan, Tilt, Zoom을 합니다. 하지만 이런 크고 무거우며 매우 비싼 고화질 카메라와 숙달된 오퍼레이터를 사용할 수 없는 경우 PTZ 카메라가 좋은 대안이 될 수 있습니다. 카메라 전문 운영인력이 없어도 될 정도로 조작이 쉽고, 스튜디오 밖이나 혹은 매우 멀리 떨어진 곳에서도 원격으로 카메라를 조작할 수 있기 때문입니다. 따라서 PTZ 카메라는 원격중계, 원격촬영, 원격학습, 원격회의, 원격진료 등 다양한 분야에 사용되고 있습니다.
※ ENG 카메라(좌)와 PTZ 카메라(우)
PTZ 카메라 구매가이드
모든 제품들이 그렇지만 PTZ 카메라 역시 구매할 때 다양한 스펙들을 검토해서 용도에 맞는 제품을 선택해야 합니다. 최신의 PTZ 카메라에는 여러가지 낯선 용어들이 등장하는데 주요 스펙에 대해 간략하게 설명해 드리겠습니다.
● 이미지 센서가 커지면 벌어지는 현상
일반적으로 카메라의 이미지 센서가 커 지면 더 높은 해상도를 지원할 수 있고, 보통 수광 능력도 좋아져 화질 향상에 유리합니다. 그래서 촬영 전문가들이나 카메라 매니아들은 점점 더 큰 이미지 센서를 장착한 카메라로 업그레이드하고 싶어 합니다. 하지만 이미지 센서가 커지면 당연히 카메라도 커지고 무거워져 기동성이 떨어지고 조작이 어려워 부가적인 장비를 필요로 하게 됩니다. 또한 카메라 뿐 아니라 렌즈나 배터리, 삼각대 등 주변기기도 더 크고 비싼 것들을 써야 하기 때문에 더 많은 예산을 필요로 합니다.
PTZ 카메라의 경우 최신의 고해상도 제품의 경우 1” 센서를 사용하기도 하지만, 보통은 1/2.8” ~ 1/2.5”의 작은 센서가 많이 사용됩니다. 팬/틸트/줌이 가능하면서도 충분히 작고 저렴하게 만들기 수 있기 때문입니다.
※ 이미지 출처: Wikipedia
카메라의 이미지 센서가 커질 때 달라지는 이런 기본적이고 상식적인 차이 말고, 우리가 종종 놓치는 포인트가 있는데 바로 초점이 맞는 거리 즉 DoF (Depth of Field)라는 개념입니다.
DoF를 한 마디로 말하자면 초점 (Focus)이 맺히는 거리가 얼마나 긴 지를 뜻합니다. 인물을 촬영할 때 얼굴은 선명하게 나오지만 그 뒤의 배경이 흐릿하게 나오는 경우를 사진이나 영상에서 종종 봤을 것입니다.
DoF가 약 30 ~ 50cm 정도인 경우라면 인물 뒤의 배경이 아주 멋있게 흐려지며 멋진 느낌을 주게 될 겁니다. 반대로 멀고 가까운 여부와 관계없이 모든 피사체들이 선명하게 촬영되었다면 DoF가 매우 긴 경우라 보면 되겠습니다.
DoF에 영향을 미치는 요소는 3가지인데, 첫번째가 이미지 센서의 크기입니다. 이미지 센서가 클 수록 초점이 맞는 거리가 짧고, 반대로 이미지 센서가 작아지면 초점이 맞는 거리가 길어집니다. 이미지 센서가 작으면 가까이에 있는 피사체나 멀리 있는 피사체나 다 선명하게 촬영됩니다. 반면에 이미지 센서가 커 질수록 초점이 맞는 거리가 짧아져 초점 (Focus)가 잘 맞도록 수동 혹은 자동으로 초점 조절을 잘 해 주어야 합니다.
※ 이미지 출처: PNGegg
DoF에 영향을 미치는 또 다른 2가지 요소는 바로 조리개 값과 줌 (Zoom) 배율입니다. 조리개를 최대한 개방할수록, 그리고 줌을 최대한 많이 당길수록 초점이 맺히는 거리가 짧아집니다. 즉, DoF가 낮아지게 됩니다. 반대로 조리개를 조일수록, 그리고 줌을 하지 않을수록 초점이 맺히는 거리가 길어집니다.
예를 들어, 35mm Full Frame 센서가 장착된 캐논 5D 카메라에 조리개를 최대 개방했을 때의 값이 f.2.8인 24-70mm 줌 렌즈를 장착했다고 가정해 보겠습니다. 풍경을 찍을 때는 최대 광각인 24mm (수평 화각 약 74도)에 조리개는 약 f.8 ~ f.11 정도로 조여 줄 것입니다.
반면에 인터뷰 사진을 찍고 싶다면 2m 정도의 거리에서 줌은 약 35~50mm 정도로 놓고, 조리개는 최대인 f.2.8까지 개방하고 싶을 것입니다. 이 보다 더 느낌 있는 인물 사진을 찍고 싶다면 아마도 조금 더 뒤로 물러선 후 줌을 70mm로 최대한 당긴 상태에서 조리개도 f.2.8로 최대한 개방해서 인물의 뒷배경을 날리고자 할 것입니다.
※ 이미지 출처: PNGegg
이렇게 센서가 클수록, 조리개를 많이 개방할수록, 줌을 많이 당길수록 더 예술적인 느낌의 촬영이 가능해집니다. 하지만 큰 영화를 촬영할 때에는 카메라의 초점만을 전문적으로 맞춰 주는 포커스 풀러 (Focus Puller)를 따로 고용해야 할 정도로 정확히 초점을 맞추는 것이 어렵습니다.
영화 촬영에 사용하는 큰 카메라들은 센서도 크고, 전문 렌즈를 사용하여 조리개 개방도 많이 할 수 있기 때문에 인물을 촬영할 때에는 DoF가 매우 짧은 경우가 대부분이기 때문입니다. 반대로 이미지 센서가 충분히 작다면 초점을 맞추기 위해 수동조작을 할 필요가 별로 없고, Auto Focus 기능이 있을 경우에도 훨씬 빠르고 정확하게 초점을 잘 잡아 줍니다.
● 줌 (Zoom) 배율과 함께 꼭 살펴봐야 할 스펙은?
PTZ 카메라의 선택할 때 보통 해상도와 함께 몇 배 줌 (zoom)을 지원하는 지를 가장 먼저 확인하게 됩니다. 팬(Pan)과 틸트(Tilt) 성능도 중요하지만 줌 성능이 PTZ 카메라의 활용 범위에 중요한 영향을 미치지 때문입니다. 물론 줌 배율이 높을수록 더 비싼 줌 모듈을 채용해야 하기 때문에 당연히 원가도 상승합니다.
그런데 PTZ 카메라의 스펙에서 줌 배율만큼 중요한 것이 또 있는데 바로 화각 (Field of View)입니다. 같은 20배 줌이라고 하더라도 최대 광각(Wide)일 때의 화각과 최대 망원(Tele)일 때의 화각이 다른 경우가 많습니다. 중요한 것은 내가 사용하고자 하는 공간의 크기와 피사체들이 배치된 상태를 고려해서 화각을 선택해야 한다는 것입니다.
예를 들어, 강의실의 뒷벽에 설치해서 강의실의 전체적인 모습을 모니터링하려고 할 때, 만약 강의실이 가로로 넓거나 부채꼴 모양이라면 70도 이상의 넓은 수평 화각을 가진 PTZ 카메라를 선택해야 합니다. 반면에 강사를 전담해서 촬영할 PTZ 카메라의 경우 50 ~ 60도 정도의 화각을 가진 경우가 오히려 낫습니다. 줌을 많이 하지 않더라도 강사를 적절한 구도와 초점으로 촬영할 수 있기 때문입니다.
앞서 설명한 바와 같이 Zoom을 많이 하면 작은 센서의 카메라라 하더라도 배경을 흐려주는 효과가 나타날 수 있습니다. 따라서 강사를 촬영하는 카메라가 zoom in을 많이 하게 되면 강사 뒤에 있는 칠판이 잘 안 보일 수 있습니다. 따라서 (칠판을 같이 보여 주어야 하는 경우) 강사 전담 카메라는 너무 멀리 배치해서 zoom을 당기기 보다는 상대적으로 가까이에 놓고 zoom을 최소화하는 것이 유리합니다.
예를 들어, 아래와 같은 PTZ 카메라의 스펙을 살펴 보겠습니다. 센서 사이즈는 1/2.8”이고 해상도는 약 2.4MP (약 240만 화소)이므로 Full HD 해상도 (1920*1080)를 지원할 것이라고 알 수 있습니다. 렌즈 부분의 스펙을 보면 f=4.9 ~ 98mm라고 되어 있는데 zoom을 하지 않는 최대 광각일 때 초점거리가 4.9mm이고 최대 망원일 때가 98mm라는 뜻입니다. 이 초점거리는 센서 사이즈에 따라 다르기 때문에 (일반 카메라의 경우) 보통 35mm Full Frame 센서의 초점거리로 환산한 값을 같이 표기해 줍니다.
반면에 PTZ 카메라 업체들의 경우 이 초점거리 변화로 인한 구도의 차이를 보다 직관적으로 알 수 있도록 화각 (Field of View)로 표기해 주는 경우가 대부분입니다. 아래의 PTZ 카메라의 경우 최대 광각에서 60도, 그리고 최대 망원일 때 3.2도의 수평 화각을 보여 주게 됩니다.
이렇게 수평 화각으로 표기해 주어도 감이 잘 안 오는 분들이 많을 텐데요, 보통 인물 촬영을 할 때 (Full Frame 센서 기준으로) 35mm나 50mm 단렌즈를 많이 사용합니다. 이 때의 수평 화각이 각각 54.4도와 39.6도입니다. 따라서 이 PTZ 카메라의 최대 광각인 60도는 (Full Frame 센서의 카메라에서) 35mm 렌즈를 장착했을 때보다 살짝 넓은 화각이 나온다고 보시면 되겠습니다.
다시 말해서 일정한 거리에서 그냥 광각인 상태에서 찍었을 때 인물을 촬영하기에 자연스러운 화각이 나온다는 뜻입니다. 한편, 최대 망원일 때의 화각에 대해서도 감이 잘 오지 않을 수 있는데요, 보통 손을 쭉 뻗어 엄지손가락을 치켜 올렸을 때 엄지손가락의 넓이가 대략 1도 정도의 시야각이 됩니다. 따라서 3.2도라고 하면 손을 뻗었을 때 대략 손가락 3개 정도의 넓이라고 보시면 되겠습니다.
※ 3도 시야 = 대략 손가락 3개 넓이 (손을 쭉 뻗었을 때)
아래의 표는 Full Frame 센서의 초점거리에 따른 화각을 보여 주고 있습니다. 위에서 예를 든 PTZ 카메라의 경우 최대 광각에서 60도, 최대 망원에서 3.2도의 화각을 보여 주므로 Full Frame 센서 카메라에 약 32mm ~ 600mm 줌 렌즈를 달아 놓은 것과 유사한 화각임을 알 수 있습니다.
※ 표 출처: shotkit.com
아래의 그림은 여러 종류의 PTZ 카메라의 센서 사이즈와 줌 배율, 그리고 이에 따른 (수평) 화각의 차이를 보여 주고 있습니다. 모델에 따라 최대 광각이 56도, 80.4도, 120도 등 다양함을 알 수 있습니다. 앞서 설명 드린 바와 같이 용도에 따라 적절한 화각과 줌 배율을 가진 카메라를 선택하는 것이 좋습니다.
● 영상 인터페이스의 선택
컴퓨터 모니터를 위한 인터페이스는 Analog 15-pin D-sub에서 DVI로, 그리고 다시 DP (DisplayPort)로 진화해 가고 있습니다. 방송용 장비의 경우도 이제 BNC 케이블 기반의 SDI (Serial Digital Interface)에서 점차 Optical과 Ethernet (IP)로 업그레이드되고 있습니다. PTZ 카메라의 경우 SDI, HDMI, USB, Ethernet (IP) 등 4가지 인터페이스를 통해 영상을 출력해 줍니다.
아직까지는 주변기기나 장비와의 호환성 문제로 SDI와 HDMI가 대부분을 차지하고 있지만, 개인방송이나 화상회의 등 직접 송출을 하는 경우 USB를 많이 활용하기도 합니다. 또한 설치비용의 절감과 유연한 시스템을 구현하기 위해 Ethernet 기반으로 전체 시스템을 구축하는 방식이 최근 크게 증가하고 있습니다.
예산 측면에서 봤을 때 일반적으로 HDMI만을 지원하는 방송장비에 비해 SDI를 전용으로 지원하거나 HDMI와 SDI를 모두 지원하는 방송장비들이 좀 더 비쌉니다. 시스템 구축의 용이성 면에서는 SDI가 HDMI에 비해 훨씬 멀리 전송이 가능하고 커넥터에 끼운 후 잠금 (Lock)을 할 수 있기 때문에 연결 유지면에서도 안전합니다. 3G-SDI 기준으로 최대 150m 정도까지 전송할 수 있는데, 만약 이것보다 더 긴 거리의 장비들과 연결해야 할 경우 SFP나 Ethernet을 사용해야 합니다. 각각의 호환되는 장비, 전송거리, 설치의 편리성과 경제성, 유지보수 및 운영의 유연성 등에서 각기 장단점이 있기 때문에 전문가의 도움을 받는 것이 좋습니다.
● 어떤 코덱을 선택해야 하나?
코덱은 (CODEC) 영상이나 음성 파일을 압축 (Compression)하거나 압축을 푸는 (Decompression)을 줄인 말입니다. 즉, 파일의 크기가 너무 크면 송수신에 너무 많은 대역폭이 필요로 하게 되므로 그 크기를 줄여 작은 대역폭으로 많은 영상을 보내고 받을 수 있도록 하기 위한 것입니다.
영상파일의 크기를 줄이는 방법은 여러가지가 있는데 우리가 흔히 사용하는 영상파일들은 대부분 원본 영상의 1/100 내외로 압축하는데요, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-5 등의 코덱이 대표적입니다. 아래의 표에서 볼 수 있듯이 최신의 코덱일수록 압축률이 대폭 높아지는데, 대신 가벼워진 만큼 더 복잡한 알고리즘을 사용하기 때문에 더 많은 프로세싱 파워와 시간이 필요하게 됩니다.
참고로 아래 표에 있는 AVC/H.264라는 코덱은 정확하게 표기하자면 ITU-T H.264이며, ISO/IEC 14496-10-MPEG-4 Part 10 AVC와 동일한 표준입니다. 즉, H.264 = MPEG-4 입니다. MPEG-2 역시 ISO/IEC의 표준문서 번호이고 ITU 표준으로는 ITU-T H.262입니다. 또 한 가지 참고하실 것은 압축코덱의 명칭과 그 압축파일을 담고 있는 컨테이너 (Container)의 명칭이 동일한 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있다는 것입니다.
예를 들어, MP4는 압축코덱 MPEG-4에서 나온 약자이기는 하지만 파일 컨테이너의 확장자 (mp4)입니다. 이 mp4 컨테이너에는 MPEG-2, MPEG-4, MPEG-5 (MPEG-H HEVC) 등의 압축코덱을 모두 담을 수 있습니다. 따라서 MPEG-4 압축코덱은 mp4 파일에 담기지만, mp4 파일이라고 해서 압축코덱이 항상 MPEG-4인 것은 아닙니다.
※ 이미지 출처: TTA
지난 10년간 많은 방송국들이 SDI 기반에서 IP 기반으로 워크플로우를 바꾸고자 노력해 왔습니다하지만, 높은 품질의 화질과 지연 없는 송수신이 요구되었기 때문에 압축코덱과 그 송수신 프로토콜에 대한 표준화 작업이 상당히 오래 걸렸습니다. 이제는 SMPTE ST-2110으로 표준화가 되었지만 실제 현장에 활용되기에는 여전히 많은 난관이 있습니다. 가장 큰 문제는 역시 무압축에 따른 높은 대역폭입니다.
UHD의 2160/60p는 고사하고 FHD의 1080/60p를 구현하고자 해도 3~4개의 영상이 하나의 케이블로 왔다 갔다 하려면 10G 망으로도 부족하기 때문입니다. 그렇다고 10G 이상으로 망을 확충하려면 그 비용이 상당하고, 특히 12G-SDI를 대체하여 UHD 방송을 하려는 경우 40G 망을 구축해야 하는 엄청난 투자를 해야 합니다.
이에 따라 최근에는 JEPG-XS와 같은 많이 압축된 코덱도 표준에 포함되기는 하였지만, 기존에 1G 망이 깔려 있는 인프라에서 작동하기에는 여전히 파일 사이즈가 너무 큽니다. 이러한 문제를 해결하고 좀더 가볍게 IP 방송을 할 수 있도록 한 것이 바로 NewTek에서 개발한 NDI (Network Device Interface)라는 솔루션입니다. NDI는 ProRes와 같은 압축방식을 사용하는 것으로 알려져 있는데 ProRes 보다는 압축을 많이 해서 훨씬 가볍습니다. delay도 짧은 편이고, 비트레이트 (bit rate)도 최대 250Mbps이기 때문에 SDI에서 IP로의 전환에 크게 기여하고 있습니다.
그런데 이 정도도 무겁다며 더 가벼운 코덱을 요구하는 고객들이 생겨났고 결국 NewTek은 NDI-HX를 발표하게 됩니다. NDI-HX는 NDI (High Bandwidth NID 혹은 Full NDI)에 비해 파일 사이즈는 훨씬 줄었지만 대신 압축 알고리즘이 복잡해지면서 delay가 더 길어졌습니다. 압축코덱은 최근 가장 많이 사용되고 있는 MPEG-4 (H.264)와 MPEG-5 (H.265 or HEVC)를 사용하기 때문에 파일 컨테이너만 바꿔주면 쉽게 일반 NLE용 코덱으로 변환이 가능합니다.
2022년 봄에 발표된 NDI-HX3는 (Full) NDI의 낮은 delay와 NDI-HX의 높은 압축률을 절충한 것이라고 합니다. HX3는 HX와 마찬가지로 H.264를 기반으로 하지만 H.264가 I, B, P 프레임으로 구성되어 있는데 비해 HX3는 I와 P 프레임만을 사용한다고 합니다. 이 덕분에 HX보다 용량은 늘어나지만 화질은 개선되고 지연시간 (delay)은 줄어드는 장점이 있어, 향후 가장 애용되는 NDI 코덱이 될 가능성도 있어 보입니다.
아래의 그래프는 (Full) NDI와 NDI-HX의 대역폭을 비교한 것입니다. NDI-HX가 (Full) NDI에 비해 대략 10배 정도 더 가볍다는 것을 알 수 있습니다. 참고로 NDI는 압축코덱도 NDI이며, 파일포맷도 NDI이고, 전송 프로토콜도 NDI라고 부릅니다. 따라서 ‘NDI’라고 했을 때 정확히 어떤 것을 뜻하는 지 주의해서 볼 필요가 있습니다.
따라서, NDI의 어떤 버전을 사용할 것인지는 용도와 예산에 따라 달라질 수 밖에 없습니다. 예를들어 기존에 깔려 있는 1G 네트워크를 그대로 사용해야 하며, 주로 인터넷을 통한 스트리밍 서비스를 해야 하는 경우 약간의 delay는 크게 문제되지 않을 것입니다. 이 경우 NDI-HX1, HX2가 지원되는 PTZ 카메라를 사용해야 합니다.
반면에 양방향 소통이 필요한 프로그램이나 서비스의 경우 최소한의 delay만 있어야 하기 때문에 NDI (Full) 혹은 NDI-HX3를 선택하는 것이 좋다. 물론 화질면에서도 장점이 있지만 대신 파일은 좀 더 무거워집니다. PTZ 카메라의 모델에 따라 지원하는 NDI의 버전이 모두 다르기 때문에 이 점 유의 깊게 살펴 봐야 합니다.
● 이더넷 (Ethernet) 케이블로 전기까지 공급한다고?
SDI가 아닌 IP를 사용하는데 있어 또 다른 장점 중 하나가 배선이 정말 간결해 진다는 점입니다. SDI는 꽂기만 하면 바로 영상이 나오기 때문에 너무 쉽고 편리한데요, 대신 전송거리도 제한이 있지만 무겁고 비싼 케이블을 설치하거나 연결해 주는 것이 큰 일입니다. 반면에 NDI와 같이 Ethernet을 활용하는 솔루션의 경우 그냥 LAN 선 하나만 꽂아 주면 끝입니다. 물론 IP 설정이라든지 하는 부분이 조금 어려울 수도 있습니다만, 전원도 따로 넣어 줄 필요가 없다는 점은 설치와 유지보수 입장에서 매우 큰 장점입니다.
이를 가능하게 해 주는 기술이 바로 PoE (Power over Ethernet)입니다. 현재 PoE, PoE+, PoE++ 등 3가지 표준이 사용되고 있는데 일일이 전원 끌어 다가 꽂아주고 배선 감추고 하는 일이 없어 정말 편리합니다. PTZ 카메라 등 사용하는 장비의 소비전력과 수량 등에 맞는 적절한 소비전력이나 최대 공급전력을 계산해서 선택하시면 됩니다. PTZ 카메라만을 고려했을 때 거의 대부분의 제품들이 PoE+를 지원하는 Ethernet Hub를 선택하시면 충분히 운용이 가능합니다.
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