Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
카메라 관련 커뮤니티에서 자주 접하는 이슈 중의 하나는 카메라의 이미지 센서 크기에 따른 심도 차이에 대한 질문이나 주장이다. 매번 비슷한 질문이 이어지고 답변의 글도 많이 달린다. 되풀이 되는 이런 질문에 좀 더 그럴싸한 해답이 무엇인지 찾아 보자.
간략히 몇몇 용어의 개념부터 정의하고 시작해보자.
심도 (深度, Depth of field)
초점이 선명하게 포착되는 영역. 한 인물을 향하여 초점을 맞출 때 그 인물의 앞뒤로 초점이 맞는 공간이 형성되어 그 공간에 있는 여타의 피사체도 모두 초점이 맞는 상태가 되며 그 공간을 벗어난 피사체들은 모두 탈초점 상태가 되는데, 바로 초점이 맞는 공간의 범위를 심도라고 한다. 초점이 맞는 범위가 넓을 때 심도가 깊다고 하고 그 범위가 좁을 때는 심도가 얕다고 한다.
한 걸음 더 들어가면, 일반적으로 심도는 ‘피사계 심도/depth of field’와 ‘초점 심도/depth of focus’로 구분할 수 있는데, 이는 초점이 맞추는 범위/영역을 주 피사체를 기준으로하면 '피사계 심도'가 되고, 상이 맺히는 결상면(이미지 센서) 기준으로 정의하면 '초점 심도'가 된다. 둘은 광학계 중심(제 2주점)을 기준으로 대칭되어 있어서 광학적으로 분석하는 것 외에 일반적인 사용에서 구분할 실익은 그리 크지 않으며, 영문 약자로 'DOF'로 같아서 일반적인 용례에서는 거의 구분하지 않는다. 따라서 이번 수다에서 '심도'라는 용어를 피사계 심도와 초점 심도 어느 것을 선택하더라도 별 문제 없지 싶다.
광학계의 초점과 심도에 관해서는 이전 수다를 참고하는 것도 좋겠다.
<올드렌즈와 디지털카메라의 이종결합 X II> 수동 초점 맞추기 3 - 초점 심도와 허용 한계 착란원 / Depth of focus & circle of confusion
수동 초점 맞추기는 여러모로 어렵다. 촬영 시에는 초점이 맞아 보였는데 촬영 후 결과물을 확대해 보면 초점이 안 맞는 경우가 꽤 많다. 이런 불만과 불편은 특히 디지털카메라에 수동 렌즈를 이종 장착할 때 자..
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▶ 심도(深度)에 영향을 주는 요인
먼저, 이미지 센서 크기와 심도의 관계에 대한 대부분의 의문과 오해 그리고 착각의 시작은 이미지 센서 크기 차이가 심도와 관련되어 있을 것이라는 막연한 추측/추론에 원인이 있다고 생각한다. 한마디로 말하면, 심도(피사계 심도)는 이미지 센서의 크기와 관련이 없고 시야범위(또는 화각)에만 관련한다. 심도의 차이/변화는 오직 광학계(렌즈)와 관련된 문제다.(너무 단정적인 주장 같지만, 사실 심도에 이미지 센서는 영향을 주지 않는다.
심도(DOF)에 영향을 미치는 요인은 렌즈의 ‘초점 거리에 따른 F값 설정’과 관련있고, 이를 달리 표현하면 ‘유효 개구 크기, 그리고 카메라(정확하게는 광학계 중심)와 ‘피사체와의 거리’다. 심도 결정에 가장 큰 지분은 조리개 개구의 크기와 관련 있다. 동일한 F값 설정의 조건에서 렌즈의 초점 거리는 길(망원)수록 심도는 얕아지고 짧(광각)을수록 심도는 깊어진다. 같은 의미 다른 표현으로 (모두가 잘 알고 있듯이) 조리개 개구가 클수록 심도는 얕아지고 조리개 개구가 작을수록 깊어진다. 그리고 카메라와 피사체의 거리가 멀수록 심도는 깊어지고 가까워 질수록 얕아진다.
이미지 센서 규격/크기의 차이는 촬영되는 프레임 영역 범위(일반적으로 화각이라 불리는)의 차이를 만든다. 즉, 동일한 초점거리의 렌즈를 이미지 센서의 크기가 다른 각각의 카메라에 사용할 경우, 심도(피사계 심도)는 동일하지만, 시야범위가 달라진다. (이미지 센서가 크면 더 넓은 영역 범위를 담을 수 있고, 이미지 센서의 크기가 작으면 그 범위도 작다)
말로 설명하는 것보다 허섭한 샘플이라도 눈으로 보는 것이 이해에 도움이 되지 싶어서 귀찮음을 극복하고 샘플 이미지 몇장을 만들어 보았다.
35mm 풀프레임 이미지 센서 규격의 카메라(sony A7II)와 APS-C 이미지 센서 규격의 카메라(Sony a6000)에 동일한 화각의 렌즈(Super Takumar 50mm f/1.4)를 각각 장착하였다. 아무 의미없지만 셔트 스피드 또한 1/60, ISO 200으로 맞췄고, 두 카메라를 피사체와 동일한 위치에 나란히 가로로 설치하고 촬영하였다.(가로로 나란히 설치하여 좌우 위치 차이로 인하여 프레임이 완전 동일하지는 않은데, 초점이 맞는 목각 인형 보다는 배경의 심도 확인을 위해 배경의 구도가 더 중요하다고 생각해서 부득이 초점이 맞는 피사체의 위치 편차가 크다, 편의상 jpg 촬영이고 무보정)
두 이미지의 보여지는 시야 범위-FOV-/화각-AOV-은 확연히 다르지만, 동일한 광학계 조건(동일한 초점거리와 동일 조리개 값 그리고 피사체와 동일한 거리에서 촬영)이므로 심도 즉, 전경과 후경 다시말해 주피사체와 주변의 흐림(아웃포커싱) 정도는 거의 동일하다. 좌 상단의 화분의 흐림 정도를 비교하여 참조하자.
촬영되는 이미지의 영역/범위과 화각, 프레임의 차이에 대해 좀 더 정보가 필요하다면 아래 링크의 수다 내용을 참조하는 것이 좋겠다.
<올드렌즈와 디지털카메라의 이종결합 X IV> 카메라 이미지 센서 규격 別 초점거리와 화각의 차이 - 환산 화각의 의미 / Difference between focal length and angle of view by camera
Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. ▶ 필름 또는 이미지 센서 규격과 렌즈 초점거리(focal length)와 화..
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다시 정리하면, 심도는 광학계/렌즈의 초점거리와 조리개값, 그리고 피사체와의 거리에 영향을 받고, 이미지 센서의 규격/크기와는 무관하므로 35mm 풀프레임 규격 이미지 센서의 카메라에 50mm f/1.4 렌즈를 장착하였을 때 촬영되는 심도나 APS-C 또는 마이크로 포서드 규격 이미지 센서 카메라에 50mm f/1.4의 렌즈 장착 후 촬영된 결과물의 심도 표현은 동일하다. 하지만, 이미지 센서 크기 차이로 인해 촬영되는 시야 범위/화각은 35mm 풀프레임 이미지 센서 카메라가 크롭 이미지 센서의 카메라보다 넓은 범위를 촬영할 수 있다.
▶ 동일한 이미지 범위/화각 구도에서 이미지 센서 크기에 따른 얕은 심도 표현의 유불리
카메라에서 심도 표현의 최대 이슈는 동일한 프레임 구도 즉, 동일 화각으로 촬영할 때 이미지 센서 규격/크기의 차이로 인한 심도 표현의 유불리 문제에 대한 궁금증 아닐까 싶다. 일단 말꼬리를 잡아 보면, 심도 표현에 유리하다는 사실 좀 모호한 표현인데, 일단 전제 조건을 명확하기 하기 위해서 그 의미를 정리하고 수다를 이어가자.
일반적 의미로 대충 이해하지만, 이런 모호함이 항상 우리를 헤깔리게 한다. 심도 표현이 유리하다?는 (얕은 심도에 유리하다를 의미하는지 깊은 심도에 유리하다는 의미하지는 딱 부러지지 않지만, 추측컨데 일반적인 의미는 배경을 확 날려버리고 주 피사체만 강조하는 얕은 심도/아웃 포커싱의 유리함을 의미한다고 추측하는 정도로 이해할 수 밖에 없겠다.
이미지 센서 APS-C 규격 카메라에 35mm 초점 거리의 렌즈를 장착 시 환산하면 초점거리 52.5mm(35x1.5) 정도에 해당하고, 35mm full-frame 52~53mm 초점 거리의 렌즈를 장착한다면 카메라에 촬영되는 이미지의 시야 범위(FOV-Field of view)/화각(AOV-angle of view)은 거의 동일하고, 각각의 카메라에서 동일한 조리개 값과 피사체와의 거리가 동일한 조건 하에 동일 위치에서 동일한 피사체를 촬영한다고 가정해 보자. 이 때 두 카메라의 심도 표현의 차이/유불리는 어떨까?
앞에서 언급했듯이 심도의 결정은 렌즈/광학계와 온전히 관련된 것이다. 따라서 이미지 센서 크기 자체가 심도에 직접 관여하지는 않고 시야의 범위를 결정하는 조리개(틀) 역할을 한다. 이미지 센서 크기의 차이로 인해 촬영되는 시야의 범위(FOV)/화각이 달라지므로 동일한 구도의 이미지로 촬영하기 위해서는 렌즈의 초점거리 선택의 문제와 이미지 센서 크기는 불가분의 관계에 있고, 렌즈의 초점거리는 심도 결정에 영향을 미치므로 결과적으로 이미지 센서의 크기에 따라 심도 표현의 유불리가 문제되는 것이라 이해할 수 있다.
편의상 APS-C 이미지 센서 규격의 카메라에 35mm 초점 거리의 렌즈(Sony a6000 + Super takumar 35mm f/2)를 조합하였고 35mm 풀프레임 이미지 센서 규격의 카메라에 50mm 초점 거리의 렌즈 (Sony a7II + Super takumar 50mm f/1.4)를 물려서 샘플 촬영 하였다.
앞서 밝혔듯이 광학계 심도 차이는 35mm 초점 거리와 52.5mm 초점 거리 만큼 심도 차이가 발생한다. 조리개 개구/값이 동일한 조건이고 피사체와의 거리 또한 같으므로 초점 거리가 더 먼 렌즈(52.5mm) 렌즈의 피사계 심도가 더 얕다. 동일한 시야범위나 화각을 촬영하고자 할 때, 이미지 센서 규격에 따라 장착할 수 있는 렌즈의 초점 거리 선택이 다르고, 그 결과 장착된 렌즈/광학계의 초점 거리만큼 심도의 차이가 발생한다.
측광의 오차(사실 일반 스틸 카메라 렌즈의 F 값/조리개 수치는 오차가 꽤 있다. 이런 오차를 피하고 싶다면 F-stop 보다는 T-stop의 카메라를 사용하는 것이 유리하다. 그리고 원래 F 넘버는 노출을 정의하기 위한 개념이지 심도의 정도를 정의하는 개념이 아님을 유념할 필요가 있다. 심도는 조리개 개구의 직경/크기에 따라 결정된다. 렌즈의 초점거리가 다른 렌즈는 같은 F값이라고 해도 실제 조리개 개구의 크기는 초점거리에 비례해서 변한다.) 샘플 이미지의 노출에 차이를 보이지만, 심도와는 별 관련 없으므로 무시하자.
여기서도 한 걸음 더 들어가 보자. 위 샘플로 동일한 이미지범위(FOV)로 촬영이 되도록 렌즈의 초점거리를 각각 다르게 설정했을 경우, 초점 거리가 긴 렌즈를 장착한 큰 이미지 센서의 카메라에서 얕은 심도 표현이 유리하다는 것을 확인했다. 그렇다면 발생한 심도의 차이는 어느정도 일까? 이를 조리개 값 즉, F-stop으로 나타낸다면 어느 정도일까?
대충 글로 설명하고 때우려다가 추가 촬영까지 했다. 잉여스러운 부지런함에 스스로 대견하다. 샘플에서 눈여겨 볼 부분은 초점이 맞는 피사체인 헐벗은 목각 인형이 아니라 배경의 심도를 추측할 수 있는 화분이다.
위의 두장은 앞에서 살펴 본 바와 같이 동일한 화각 표현에서 50mm 초점거리와 35mm 초점거리 만큼 심도 차이가 발생한다. 마지막 사진은 35mm 풀프레임 카메라에 장착된 50mm 초점 거리 렌즈의 조리개를 f/2.0에서 f/2.8로 한 스탑 조여 주니 APS-C 카메라에 35mm f/2와 비슷한 심도(배경 흐림의 정도를 비교해 보자. 그리고 조리개를 조여서 노출이 1 f-stop 감소한 것은 덤이다)를 보여준다.
해외 자료에는 DOF와 관련 수식을 사용해서 수학적으로 이를 설명하는 경우도 있던데, 수포자(수학 포기者)의 한계와 이해력 부족으로 설명은 커녕 이해하기도 어려웠다. 샘플 이미지로 두루뭉술하게 넘어가자.
동일한 화각에서 동일한 심도를 가지기 위해서는 이미지 센서 크기에 따라 35mm 풀프레임 규격의 카메라와 APS-C 규격의 카메라는 조리개 설정에서 약 1 f-stop 정도 차이를 보이고, 35mm 풀프레임 규격 카메라와 마이크로포서드 카메라는 약 2 f-stop 차이를 보인다.
이를 좀 더 이해하기 쉽게 예시하면, 35mm 풀프레임 규격 카메라에 50mm 초점거리 렌즈 f/2와 동일한 화각(AOV/FOV)과 동일한 심도를 얻기 위해서는 APS-C 규격 카메라에 약 35mm 초점 거리 렌즈에 f/1.4의 조리개 값이 필요하고, 마이크로-포서드 규격 카메라라면 약 25mm 초점거리 렌즈를 장착하고 f/1.0의 조리개 값이 필요하다.
따라서, 이미지 센서 규격이 크면 '얕은 심도 표현'에 유리하다는 타당해 보인다. 하지만, 이를 보다 정확하게 표현하면 이미지 규격이 각기 다른 카메라에서 동일한 화각으로 이미지를 촬영한다는 전제 하에 각각의 이미지 센서 크기의 비율에 따른 환산 비(比)를 반영하여 동일한 화각을 표현하는(이미지 센서 크기를 반영한 각기 다른 초점 거리를 갖는) 렌즈를 각각 장착한 상태에서 둘의 이미지 결과물에 동일한 심도가 표현되도록 할 때, 이미지 센서 크기가 큰 카메라가 조리개 값 선택 (상대적으로 작은 조리개 개구 크기로도 동일한 심도를 보이는 이점)에서 유리함이라 할 수 있겠다.
몇몇 경우를 더 생각해 볼 수 있는데, 상대적으로 작은 이미지 센서 크기의 크롭 이미지 센서 카메라와 35mm 풀프레임 카메라에 동일한 초점 거리의 렌즈를 장착하고, 동일한 조리개의 조건에서 동일한 피사체 크기로 이미지를 촬영하기 위해서 피사체와 카메라의 거리를 변화하는 경우를 가정해 보자. (다시 설명하면, 35mm 풀프레임 카메라와 APS-C 카메라에 동일한 초점거리/동일 조리개 값으로 하고 피사체와 카메라와의 거리만 서로 변화를 주어 초점이 맞는 주 피사체가 화면 프레임에 차지하는 크기를 같아지는 설정) 일응 동일한 초점 거리의 렌즈이고 동일한 조리개이므로 동일한 심도를 얻을 수 있을 듯하지만, 실제 결과는 피사체와 카메라의 거리 차이로 심도가 두 카메라의 심도는 각각 다르다.
장황하게 설명했지만, 사실 복잡한 내용은 아닌데 왠지 횡성수설하는 수다가 더 이해를 곤란하게히는 것은 아닌가 하는 생각도 든다.
광학계의 초점거리와 조리개 값 그리고 심도의 관계에 대해 한걸음 더 들어가 보실 의향이 있다면 아래 링크 일독을 추천한다.
광학계의 초점 거리와 조리개 그리고 심도(배경 흐림)의 관계 Part.2 / Relationship between lens focal length, F-number and DOF (blur image background) II
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 광학계의 초점 거리와 조리개 개구(입사동의 크기) 그리..
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광학계의 초점 거리와 조리개 그리고 심도(배경 흐림)의 관계 Part.1 / Relationship between lens focal length, F-number and DOF (blur image background) I
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 초점 거리와 심도의 관계를 정리해두고 싶어서 정보 검색..
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