<빈티지 렌즈와 디지털카메라의 이종결합 X VI> 다이내믹 레인지와 노출 관용도 / Dynamic range & Exposure latitude

Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

 

 

수다를 시작하려니 한숨부터 나온다. 제목만 봐도 참 재미없다. 하나씩 다루기보다는 서로 비교하면 설명과 이해에 도움이 될 듯해서 한 번에 다루어 보자. 먼저 개념이나 정의가 필요한 부분은 간단하게 인용으로 대신한다.

 

★ 다이나믹 레인지 - 허용출력 왜곡으로 제한된 최대신호 진폭과 잡음·드리프트가 허용되는 최소신호 진폭의 비로서 증폭기가 유효하게 작동하는 진폭범위를 뜻하는 것이다.

<네이버 지식백과> - 두산백과

 

★ 노출 관용도 - 노출 부족이나 노출 과다의 경우에도 선명한 영상을 만들어낼 수 있는 정도를 노출 범위(exposure range)라 하고 이 노출 범위가 허락하는 감광 유제의 노출 상태를 노출 관용도라고 한다. 필름의 관용도를 넘어서는 암부는 노출 부족이 되고, 관용도를 넘는 명부는 노출 과다를 초래하는데 이렇게 관용도 범위를 벗어나는 광선에서 촬영을 하면 이미지의 세부를 정확하게 기록하지 못한다. 그러나 관용도 범위 안에서는 노출 부족이나 노출 과다라 하더라도 이미지의 세부를 재현할 수 있다.

<네이버 지식백과> - 영화사전

 

▶ 다이내믹 레인지 / Dynamic range의 정의

 

 Dynamic range는 화상/ 이미지뿐만 아니라 음향 등에도 동적 범위와 관련하여 자주 쓰이며 '동적 영역' 또는 '동작 범위'로 표현되기도 한다. 화상 신호에서의 의미는 Image 상에 표현할 수 있는 최대 신호와 최소 신호비를 의미하며 신호 입출력 또는 전달 장치 설명에 더 적합한 기술적인 표현이라고 할 수 있겠다. 다이내믹 레인지를 시각적인 화상으로 표현하는 디스플레이 제품에서는 상업적 용도로 휘도와 관련하여 '명암비'라는 용어가 주로 사용된다.

Dynamic range

 

 

사진 관련 커뮤니티나 블로그 등의 관련 글에서 간혹 '다이나믹  레인지'와 '노출 관용도'와 혼동되는 경우가 종종 눈에 띈다. 이는 '관용도(Litetude)' 즉, '노출 관용도'와 '다이나믹 레인지'를 명확하게 구분하지 않는 이유에 있는 듯하다. 촬상소자(필름)의 노출 관용도는 '농도의 변화를 기록할 수 있는 노출의 모든 범위'를 의미하는데 엄밀하게 구분하자면, 촬상소자(필름이나 이미지 센서)의 다이나믹 레인지에서 촬영된 화상 정보의 다이나믹 레인지를 영역을 기록하고도 남는 여분의 범위/영역의 범위를 '관용도'라고 할 것이다. 이에 대한 부연 설명은 아래에서 다시 살펴보자.

 

관용도와 다이나믹 레인지 모두 범위를 나타내는 용어이다 보니 둘이 비슷하게 느껴진다. 하지만, 둘은 구분해서 사용할 필요가 있어 보인다.

 

다이나믹 레인지의 개념 정의에서 모호한 면이 있는데 영역의 범위을 의미하는 것인지 일정 영역 내의 구분되는 비율을 의미하는 것이지 헤깔린다. 'Range'의 의미를 변화의 폭/다양성이라는 의미로 확대해석하면 더 그렇다. 화상(image)을 기준으로 정의하면 가장 어두움과 가장 밝음에 이르는 영역 자체를 의미하는 것과 일정 영역 내의 밝기 차이에 대한 구분하는 비율을 의미하는 것 두가지를 생각할 수 있겠다. 다이나믹 레인지 그 자체의 의미만으로는 가장 어두움과 가장 밝음에 이르는 영역의 폭을 의미한다고 생각한다. 일정 영역의 세분하는 비율 명암비 등의 정의와 구분해서 비교하면 좀 더 이해하기 편하다.

 

아래에서 자주 언급하게 될 bit율과 관련해서 아날로그와 디지털의 차이에 대해서 생각해 볼 필요가 있다. 아날로그는 흔히 파장 곡선 등에서와 같이 여러 가지 중간값을 가진다. 하지만 디지털은 2진법은 O or X 로만 데이터 값을 표시한다. 따라서 2진법으로 다양한 값(데이터)을 표시하기 위해서는 디지털 데이터는 비트율(또는 비트심도-bit depth)이 중요하게 다루어질 수밖에 없고, 비트 심도는 데이트의 잠재적 정밀성과 관계된다.

 

다이내믹 레인지는 넓은 의미의 '명암의 표현'과 '적정 노출'이라는 개념과 관련되어 있다. '존 시스템' (Zone system)은 필름의 노출과 현상, 인화에 관한 노출과 톤의 표현에 있어 최적의 기준을 제시하기 위하여 공식화된 것으로 다이나믹 레인지와 함께 이해해 두는 것도 좋겠다. 존 시스템은 필름의 촬영, 현상, 인화를 위해 제시된 기준이었지만, 현재 디지털 이미지에도 유효하고, 사진을 시각화하는 방법과 촬영 시의 노출(노출 계량과 노출 영역 등)과 입출력/전송에서의 다이나믹 레인지 그리고 인화나 출력 /프린트에서의 톤과 색조, 질감 등의 상호 간 관계를 정의하는데 상당히 도움이 된다. 존 시스템은 존 스케일을 통해 11단계의 점진적인 톤으로 구분하는데 하나의 톤 단계는 1 f-stop의 차이를 보인다. 즉, 존 스케일은 11 f-stop의 다이내믹 레인지를 기반으로 하고 있다고 할 수 있다.

 

 

▶ 인간의 시력과 필름, 디지털카메라의 다이내믹 레인지

 

먼저 사진기의 다이나믹 레인지의 성능에 대해 논하기 앞서 사람의 눈 즉, 시력으로 판별할 수 있는 다이나믹 레인지에 대해 알아둘 필요가 있다. 우리 눈으로 인식할 수 없는 수준의 다이나믹 레인지는 (특수한 과학분야 등을 제외하고) 일상의 사진술에서는 의미가 없기 때문이다. 알려진 바에 의하면 우리 눈이 인식할 수 있는 최대의 다이나믹 레인지는 24 f-stop에 달한다고 한다. 하지만 이는 다양한 조도의 상황에서 인식할 수 있는 최대를 의미한다. 즉, 아주 밝은 곳이나 아주 어두운 곳 등의 상황을 모두 아우르는 최대치이며, 24 f-stop에 달하는 다이내믹 레인지를 한번에 인식할 수 있는 것은 아니다. 한번에 인식할 수 있는 다이나믹 레인지는 사물의 밝기와 대비의 정도에 따라 조금 차이가 있는데, 대체로 10~14 f/stop 정도라고 한다. 따라서 14 f/stop 수준의 다이나믹 레인지를 구현한다면 우리 눈이 한 장면에서 인식할 수 있는 가장 최대치의 다아나믹 레인지 수준으로 부족함이 없다고 할 수 있다.

 

'본다' (사물의 시각적 인식)는 것에 대한 의미를 좀 더 깊이 있게 연구해 볼 필요가 있을 듯싶다. 눈은 단순히 시각 정보의 입력 장치이지만, 우리가 보고 인식하는 행위는 눈을 통한 시각 정보에만 국한되지 않는다고 한다. 이는 시각 정보를 인식하는 단계에서 뇌의 정보처리 기능 적극 개입하는데, 단절되거나 흠결이 있는 정보도 뇌의 보정/보완 작용에 의해 정상적으로 인지하는 것이 가능하다. 이는 한편으로 디지털카메라 등에서 이미지 센서와 이미징 프로세서를 거치며 보정/처리되는 방식과 유사하다.다이내믹 레인지나 계조가 극단적으로 낮은 조악한 이미지의 경우에도 전체 이미지 정보를 해석하여 정상적인 상으로 인식이 가능하기도 하며, 이런 뇌의 보정 능력이 과도하게 발현되어 때때로 착시 현상이 발생하기도 한다. 따라서 다이나믹 래인지와 계조가 낮은 인화된 이미지 또한 뇌의 보정/처리 기능으로 별다른 불편 없이 인식하는 것도 가능하다. 이런 뇌의 개입으로 인한 실제 현상과 다른 인식은 색과 관련한 정보(채도, 색의 인식 등)에서도 자주 발견된다. 있는 그대로의 시각 정보만이 아니라 여러 다른 요인들이 작용하여 '본다'는 시각적 인식에 직/간접적인 영향을 주고 있다는 점은 정말 흥미롭다.

 

 

다이내믹 레인지와 관련하여 언급되는 f-stop 수치에 대해서도 개념 정리를 해보자. 노출과 관계된 광량을 표시하는 것으로 EV(Exphosure Value)가 더 적절한 측면이 있지만, 좀 더 직관적이고 이해하기 쉬운 f/stop의 개념으로 정리하였다.

 

1 f-stop의 차이는 빛의 양이 2배로 증감함을 나타낸다. (f값에 대한 자세한 설명은 아래 링크에서 확인하자) 따라서 10 f-stop은 2의 10승이 되고 이를 비율로 나타내면 1024 : 1의 비율을 갖는다. 모니터 등의 디스플레이 장치에서 명암비 1000 : 1 등으로 표시되는데 이는 다이나믹 레인지와는 조금 다른 개념이지만, 그 명암비가 전체 영역의 범위는 다이나믹 레인지와 관련이 있다. 실제 디스플레이 장치의 명암비 수치는 실제 성능보다 과장된 경우가 많다고 한다.

 

 

필름 카메라 노출관용도와 디지털카메라의 다이내믹 레인지를 비교하면 어떤 결과가 나올까?

 

- 필름(네거티브)의 노출 관용도

 

필름의 노출 관용도에 대해 필름 제조사 Kodak은 최대 13 f-stop (Version 3)이라고 발표한 바 있다. 제조사에서 밝힌 수치이므로 큰 의심은 없다. 디지털 카메라의 다이나믹 레인지는 제조사나 제품 유형에 따라 차이가 있는데 최근 카메라의 JPG 파일 기준으로 10~14 f-stop의 수준이라고 한다. (엄밀하게 구분하자면 다이나믹 레인지는 아날로그 신호에 대한 동적 범위를 의미하므로, 아날로그 산물이 아닌 필름에 다이나믹 레인지는 어울리지 않는 개념이다. 따라서 필름에서는 노출 관용도, 아날로그 또는 디지털 이미지 장치에서는 다이나믹 레인지로 칭하는 것이 적절하지 싶다)

 

- 디지털 카메라의 다이나믹 레인지

 

일반적으로 하이앤드급 이상의 고급 디지털 카메라의 다이내믹 레인지는 사람의 눈이 한번에 인식, 파악할 수 있는 다이나믹 레인지의 최대치 수준에서 제조비용과 실효성 등의 현실적인 요소를 반영하여 플래그쉽 제품군에서 최대 12 f-stop 수준에 근접하는 다이나믹 레인지를 구현하고 있다. (ISO 값에 따라 다이나믹 레인지의 변화가 있다)

세밀한 다이내믹 레인지는 디지털 카메라에서 이미지 센서 광 다이오드에서 만들어진 전자의 량을 세밀하고 무수한 비율로 구분하기 위한 검출 장치와 디지털 변환(양자화)의 단계에서 제한된다. 색 정보 데이터 처리에서와 같이 다이나믹 레인지도 디지털 데이터화 된다.  

 

 

아날로그 / 디지털 변환기	명암비	다이나믹 레인지
		f-stops
8 bit	256 : 1	8
10 bit	1024 : 1	10
12 bit	4096 : 1	12
14 bit	16384 : 1	14
16 bit	65536 : 1	16

 

 

 

 

디지털카메라의 다이내믹 레인지가 (상용) 필름의 노출 관용도에 비해 그 '범위가 좁다'라고 단순히 이야기 되기도 한다. 디지털 카메라의 기술 발전과 성능 향상으로 현재의 고급형 디지털 카메라의 다이나믹 레인지는 필름과 동등하거나 앞서는 성능을 보여주기도 한다. 물론 보급형의 제품에서는 필름의 다이나믹 레인지에 미치지 못하는 제품도 많다.

 

위에서 언급된 필름 노출 관용도와 디지털 카메라의 다이나믹 레인지는 최적의 상황을 가정한 성능 상의 최대치이다. 일반적으로 촬영되는 피사체와 주변 환경의 조도에 따라 실제 촬영되는 다이나믹 레인지는 차이가 있는데, 흐린 날에는 3 f-stop으로 낮아지기도 하고, 조도 확보가 이상적인 화창한 날에는 약 12 f-stop의 다이나믹 레인지를 보여주기도 한다. 이를 여러 조건을 고려하여 일반적인 촬영 환경에서의 다이나믹 레인지는 7 f-stop 수준 정도라고 이야기한다.(통상적인 촬영 환경에서의 다이나믹 레인지 7 f-stop은 노출관용도와 관련되어 있으며 아래에서 보다 자세히 살펴보자)

 

디지털카메라에서 피사체의 다이내믹 레인지와 그에 따른 데이터 분포를 시각적으로 쉽게 확인할 수 있는 기능으로 히스토그램이 있다.

 

 

 

디지털카메라의 다이내믹 레인지는 제조사나 제품의 감도(ISO) 값에 따라 다이나믹 레인지가 저마다 다르다. 감도에 따른 다양한 필름이 존재하고 해상력의 차이는 발생하듯이 디지털 카메라의 다이나믹 레인지도 일부 차이가 발생할 개연성은 크다.(필름과 디지털 이미지 센서에서의 ISO 결정은 기술/방법적 차이가 있는데 이에 대해서는 다른 포스팅에서 다룰 수 있기를 기약해 보자)

 

출처 - http://tomstirrphotography.com/iso-impact-sensor-performance

 

 

 

명암비와 계조의 개념도 인용으로 알아보자

★명암비 ( Contrast raite/range) - 피사체 혹은 화면의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분과의 비율. 명암 차라고도 한다. 이 차이가 클수록 콘트라스트가 강한 화면이 되고 차이가 작을수록 콘트라스트가 약한 화면이 된다. 명암비는 필름 관용도와 관련이 있는데 관용도는 선명한 영상을 만들어낼 수 있는 노출 범위를 의미하는 것이므로 관용도가 높은 필름을 사용할수록 높은 명암비를 얻을 수 있다.

<영화사전>

 

★ 계조 ( Gradation)- 계조의 이해단계가 많을수록 이미지를 충실하게 재현할 수 있다. 고름새의 변화를 지각적으로 나타내는 말이다. 고농도부에서 중간조부(하프 톤)와 저농도부까지의 고름새가 잘 갖추어져 있으면 계조가 풍부하다고 하며, 농담의 단계가 점진적이면 연조(軟調), 그것이 급격하면 경조(硬調)라 한다.일반적인 디지털 카메라는 RGB의 각 색신호에 대하여 256단계의 계조를 지니므로 총 1,677만 색상으로 트루칼라를 재현한다.

<네이버 지식백과> - 두산백과

 

명암비는 휘도와 관련하여 화상의 밝은 부분과 어두운 부분과의 비율이라면, 계조는 색의 농도와 관련되어 있다고 할 수 있다. 두 개의 개념은 조금 다르지만 칼라 화상에서 화질에서는 관련이 깊다.

 

 

▶ 노출의 (보정) 관용도 / Exposure latitude

노출 부족이나 노출 과다의 경우에도 선명한 영상을 만들어낼 수 있는 정도를 노출 범위(exposure range)라 하고 이 노출 범위가 허락하는 감광 유제의 노출 상태를 노출 관용도라고 한다. 필름의 관용도를 넘어서는 암부는 노출 부족이 되고, 관용도를 넘는 명부는 노출 과다를 초래하는데 이렇게 관용도 범위를 벗어나는 광선에서 촬영을 하면 이미지의 세부를 정확하게 기록하지 못한다. 그러나 관용도 범위 안에서는 노출 부족이나 노출 과다라 하더라도 이미지의 세부를 재현할 수 있다.

일반적으로 컬러 네거티브 필름은 약 7스톱(stop)의 관용도를 가지고 있다. 이는 한 장면의 적정 노출을 기준으로 할 때 그보다 3과 1/2스톱 이내의 노출 과다 상태나, 3과 1/2스톱 이내의 노출 부족 상태의 이미지를 정확하게 재현한다는 의미이다. 그러나 그 노출 범위를 넘어서는 이미지의 세부는 정확하게 재현하지 못한다. 컬러 리버설 필름은 네거티브보다 그 관용도 범위가 적어 약 5~6스톱의 필름 관용도 범위를 갖는다. 노출 관용도의 범위가 넓을 때 촬영이 용이할 뿐만 아니라 표현 범위도 넓어 미학적인 잠재력도 증가한다. 그 범위가 좁을수록 정확한 노출 측정이 필요하다

<네이버 백과> - 영화사전

 

노출관용도는 필름의 특성, 특히 네거티브 필름의 (노출) 관용도에 대해 자주 언급된다. 흔히 슬라이드(포지티브) 필름으로 불리는 리버스 필름 또한 네거티브 필름에 미치지는 못하지만 5 f-stop 정도의 필름 관용도를 가진다고 한다. 그리고 필름의 노출 관용도는 필름 현상의 특징과 밀접하게 관련 있다. 즉, 증감 현상 (필름 현상 시 현상액에 의해 화학반응하는 시간 조절을 통해 노출의 정도를 조절하는 현상 방법)을 통해 노출 관용도를 확보할 수 있음을 의미한다. 이는 아래에서 언급하는 디지털 카메라의 노출 보정 관용도와는 분명한 차이가 있다. 즉, 디지털 카메라의 노출 보정 관용도는 디지털 카메라의 DR 범위 내에서 (다이나믹 레인지를 벗어나지 않는 범위 이내) 노출 보정이 가능한 정도를 의미하지만, 필름의 노출 관용도는 DR 범위 내에서의 노출 보정 뿐만 아니라, 필름 현상이라는 과정을 통해 권장하는 정상 노광 수준(엄밀한 의미에서 아날로그 장치에서 DR과는 조금 다른 개념이지만,)을 벗어난 범위에서도 노출 정도 또한 조절이 가능하다. 

 

한 걸음 더 들어가서 노출 관용도와 다이나믹 레인지의 관계에 대해서도 살펴 보자. 필름에서 노출 관용도가 크다는 것은 그 촬영된 이미지의 다이나믹 레인지가 넓은 것을 반드시 의미하지는 않는다. 하지만 디지털 카메라에서는 촬영된 이미지의 밝기/명도 범위(DR)가 좁은 경우에는 더 큰 노출 보정 관용도를 가진다, 만약, 전체 다이나믹 레인지에 걸쳐 명부와 암부에 고르게 데이터를 가진 이미지의 경우에는 필름에서 의미하는 '노출 관용도'가 거의 없다고 할 수 있다. 하지만, 톤 맵핑을 통해 하이라이트와 암부의 클로핑이 발생하지 않는 범위에서 어느 정도 노출 보정이 가능한 측면이 있고, 이를 노출 보정 관용도라고 주장할 수도 있어서, 기존 필름의 노출 관용도(Exposure latitude)와 디지털 이미징에서의 보정 관용도는 관용도라는 용어를 같이 사용하지만, 그 의미하는 바는 분명하게 다르고, 이를 구분해서 사용해야 한다고 생각한다.

 

 

위에서 언급한 네거티브 필름의 노출 관용도 7 f-stop이나 리버스 필름의 노출 관용도 5 f-stop은 항상 적용되는 일률적이거나 고정적인 값이 아니다. 이는 다이내믹 레인지 범위 내에 촬영된 이미지의 테이터가 보통 6~7 f-stop 정도의 다이나믹 레인지를 가진다는 평균적인 조건을 전제로 한다. 쾌청한 날의 대자연을 촬영한 사진 등은 비교적 넓은 다이내믹 레인지 영역에 걸쳐 데이터를 가지고 있으므로 노출 관용도는 좁아질 수밖에 없다. 따라서 노출 관용도는 촬영되는 이미지의 다이내믹 레인지와 촬상소자 자체의 다이나믹 레인지의 영향을 모두 받는다고 할 수 있다.

 

디지털 이미지의 노출 보정 관용도와 다이내믹 레인지의 관계 설명으로 적절한 그림을 구글링으로 주워왔다. Dynamic range와 Latitude(관용도)의 개념을 그림으로 확인하자. 이는 디지털 이미징에 의한 개념이므로 필름의 노출 관용도와 구별할 필요가 있다고 생각한다. (검은 색 줄이 표시하는 범위는 한 장면(Scene)의 명부와 암부의 범위(DR)를 의미하고, 노란색 줄은 카메라가 담을 수 있는 DR을 의미하지 싶다. (히스토그램으로 표시되는 정보와 유사하다)

 

2019/07/22 - [사진과 카메라 이야기/사진 그리고 한 걸음 더] - 노출 관용도란? (필름의 노출 관용도와 디지털 이미징 프로세서에서의 보정 관용도 그리고 적정 노출에 대하여) / Exposure latitude and optimum exposures

노출 관용도란? (필름의 노출 관용도와 디지털 이미징 프로세서에서의 보정 관용도 그리고 적정 노출에 대하여) / Exposure latitude and optimum exposures

 

▶ 디지털카메라의 다이나믹 레인지

 

일반적으로 디지털 카메라의 노출 (보정) 관용도는 제한적이라고 말한다. 이는 앞에서 언급한 필름의 현상이라는 방식과 차이가 있고, 디지털 이미지 센서와 필름의 차이라고 할 수 있다. 따라서 필름 현상과 관련된 노출 관용도라는 개념을 그대로 디지털 카메라에 대입하는 것은 그리 적절해 보이지 않는다. 이 둘을 구분하고자, 노출 관용도와 보정 관용도로 구분해서 사용하는 방법도 있겠지만, 혼자 주장한다고 될 일도 아니다. 

 

그리고 다이나믹 레인지 측면에서는 실제 일반적인 보급형 디지털카메라에서는 다이내믹 레인지가 좁은 만큼 상대적으로 노출 보정 관용도 또한 좁아질 가능성이 크다. (이는 디지털 방식 자체가 넓은 다이나믹레인지를 구현하는데 기술적으로 불가능한 것이 아니라 일종의 기회비용과 선택의 문제로 보인다. 디지털 이미지 센서의 작동 원리에서 본 바와 같이 빛에 반응하는 광 다이오드에서 수많은 전자들이 미세한 반응까지 검출하면 매우 어두운 빛이나 매우 밝은 빛을 검출하는 것도 가능하지 싶다.) 다이나믹 레인지의 정도만을 비교하자면, 현재 최신 상용 디지털 카메라를 기준으로 다이나믹 레인지의 범위는 필름의 DR과 큰 차이를 보이지 않는다고 생각한다.

 

 

포스팅을 작성하다 보니 너무 장문의 글이 되어버렸다. 계조와 색욕에 관해서도 다루고 싶었지만, 글 쓰다가 체력과 잉여력이 모두 탕진되어 다음으로 미룬다. 피드 백이 없으니 혼자 떠드는 기분이라 별로 흥이 나지 않는다.

 

※ 미진한 부분과 오류에 대해 추가하여 작성한 수다의 링크를 추가

 

2018/10/03 - [사진과 카메라 이야기/사진 그리고 한 걸음 더] - 디지털 카메라와 다이나믹 레인지에 대하여 II / About digital camera and dynamic range

디지털 카메라와 다이나믹 레인지에 대하여 II / About digital camera and dynamic range