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) 그리고 심도의 상관관계를 잘 이해한다고 해서 좋은 사진을 찍는 것도 아니고 이런 이론적 이해가 사진의 기본 전제도 아니다. 이런 자질구레하고 잡다한 부분을 잘 모르더라도 얼마든지 감각적인 좋은 사진을 촬영하는 사진가들이 무척 많다. 기술적이고 지엽적인 지식이 될 수도 있지만, 문득 사진을 찍다가 이건 왜?라는 궁금증이나 또는 심도를 보다 효과적으로 표현하고자 할 때 단순히 경험치나 단편적인 상식에 의존하지 않고 보다 체계적으로 이해/활용하기 위한 것에 불과하지 싶다. 하지만, 때로는 궁금증에 '시원한 사이다' 같은 답을 갈구하는 사람들도 있기 마련이고 이런 성향을 가진 이들의 편집적인 궁금증 해갈에 도움이 될 수 있지 싶다.
1부를 먼저 읽는 것을 추천한다.
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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먼저, 심도와 관련한 수다이므로 일반적인 심도의 정의를 서두에 인용하고 시작하자.
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.
[네이버 지식백과] 심도 [depth of field, 深度] (영화사전, 2004. 9. 30., propaganda)
▶ 촬영 이미지 심도에 영향을 미치는 요인에 대한 고민
이제부터 한 걸음 더 들어가서 (실제 사진 취미 생활에서는 별로 도움이 되지 않을 것이지만) 1부에서 다뤘던 정리 내용 몇 가지를 가져와서 씹고 뜯고 맛보자. (스스로 정의했던 부분을 부정해야 하는 조금 불편하고 못마땅한 상황이다)
※ 촬영 이미지 심도에 영향을 미치는 요인
- 조리개 값(입사동의 크기)에 따라 심도는 변화한다. 즉, 조리개를 개방하면 심도가 감소하고 조리개를 조으면 심도는 증가한다.
- 동일한 조리개 값에서, 카메라에 장착된 광학계/렌즈의 초점 거리가 길수록 심도는 얕아지고 초점 거리가 짧을수록 심도는 깊어진다.
- 카메라와 피사체의 거리가 가까울수록 심도는 얕아지고(감소), 카메라와 피사체의 거리가 멀수록 심도는 깊어진다 (증가)
- 주 피사체와 배경 사이의 거리가 증가하면 (광학계의 심도는 변화 없지만,) 증가된 거리 만큼 거리감이 증가하고, 주 피사체와 배경 사이의 거리가 감소하면 피사체와 배경간의 거리감 또한 감소한다.
조리개 값(입사동의 크기 또는 유효 구경)의 변동에 따라 심도는 변한다.
카메라와 피사체의 거리, 정확하게는 초점 이동으로 근경에 초점이 맞을 때와 원경에 초점이 맞을 때 심도 즉, 초점이 맞는 범위는 차이가 밸생한다. 즉, 근경에 초점이 맞을 때 피사계 심도 범위(초점이 맞는 공간 범위)는 좁아지고, 원경에 초점이 맞을 때 피사계 심도 범위는 증가한다. (이는 광학계의 심도 자체가 변화한다기 보다는 거리별 심도 범위가 다르다는 특징이므로 이를 심도가 변한다고 하기에도 딱히 마땅찮아 보인다)
초점이 맞는 주 피사체와 배경(전경 또는 후경)의 거리 변화에 따라 심도는 증가하고 감소한다는 잘못된 표현이지 싶다. 심도를 초점이 맞는 공간 범위라는 정의에서 본다면 광학계의 심도는 변하지 않고 그대로다. 단지 주 피사체와 배경의 거리 변화로 인해 배경의 흐림(blur) 정도가 변화하는데 이를 심도(초점이 맞는 공간 범위)가 변한다고 표현하는 것은 적절하지 않다. 심도(초점이 맞는 공간 범위)는 그대로 유지되지만 주 피사체와 배경의 거리 변화로 인해 발생한 변화(흐림 효과의 증감)에 불과하다.
따라서 올바르게 수정하면, 아래와 같이 정의되지 않을까 싶다.
"주 피사체와 배경 사이의 거리(간격)가 증가하면 (초점이 맞지 않는) 배경의 흐림 효과가 증가하고, 주 피사체와 배경 사이의 거리가 감소하면 배경 흐림 효과가 감소한다."
▶ 광학계의 초점 거리와 심도 (초점거리와 입사동 직경, 그리고 착란원의 관계)
광학계 초점 거리의 변화에 따라 심도는 변한다. 이는 타당하고 지당해 보인다. 하지만, 초점 거리가 심도에 영향을 미치는 것은 초점 거리의 변화에 의해 조리개 개구(입사동의 크기)가 변화하기 때문에 발생한다고 할 것이다. 서로 다른 초점거리를 갖는 광학계에서 동일한 조리개 값(f값)은 동일한 조리개 크기를 의미하지 않는다. 이는 익히 알고 있는 간단명료한 수식이 있다.
조리개 값(f값) = 광학계의 초점 거리 ÷ 입사동(조리개)의 구경 또는 직경(유효 구경)
중등 수준의 수학 실력을 발휘해서 수식을 재구성해 보자.
입사동(조리개)의 구경 또는 직경(유효 구경) = 광학계의 초점 거리 ÷ 조리개 값(f/값)
여기서 주의할 점은 조리개의 직경은 단순히 조리개 개구의 물리적 크기(구경 또는 직경)을 의미하지 않는다는 것이다. 조리개 전면 입사부 광학요소의 배율에 의해 광학적인 의미의 조리개 개구 직경을 의미하므로 일반적으로 이를 입사동의 직경 또는 유효 개구라고 말한다. 즉, 렌즈를 분해하여 조리개 개구의 직경을 측정하는 것은 의미 없다. 차라리 렌즈의 대물부를 들여봤을 때 우리 눈에 보이는 크기가 조리개의 직경이 입사동의 구경/직경 또는 유효 구경이다. ('직경'은 일본식 한자 조어라서 '구경'이나 순 우리말인 '지름"을 사용하고 싶은데, 일본 광학기술의 지배력이 대단하다 보니 직경이란 용어가 입에 붙어서 자주 언급하게 된다)
그러므로, 초점거리 100mm f/2의 입사동 직경은 50mm이고, 초점거리 50mm f/2의 입사동 직경은 25mm, 초점거리 25mm f/2의 입사동 직경은 12.5mm가 된다.
그렇다면 앞서의 심도 정리로 돌아가 보자.
“카메라에 장착된 광학계/렌즈의 초점 거리가 길수록 심도는 얕아지고, 초점 거리가 짧을수록 심도는 깊어진다.”
광학계의 초점거리가 증가할수록 초점 거리가 증가하는 만큼 이에 비례해서 조리개의 개구 크기(입사동의 직경, 유효 구경) 또한 커진다. 즉, 초점거리 증가로 인해 심도가 얕아지는 것은 초점거리가 증가한 만큼 동일한 f/값에서 입사동의 직경. 유효 구경이 커져서 발생한다. 따라서 심도를 결정하는 것은 조리개 개구의 크기, 입사동의 직경, 유효 구경의 크기 변화에 의한 것이다. 조리개를 개방(입사동의 직경/유효 구경의 크기를 확대)하면 심도가 감소하고 조리개를 조으면 심도가 증가한다는 것과 표현만 다르지 실질은 같은 의미/표현이다.
이런 이유로 광학계 심도의 변화 요인은 조리개의 크기(정확하게는 입사동의 직경, 또는 유효 구경)뿐이라는 주장은 옳아 보인다. (초점이 맞는 피사체와 카메라의 거리 등은 심도 변화의 요인이지만, 이를 별개로 조건으로 본다면 (피사체와 카메라의 거리 또한 동일하게 고정) 조리개의 크기만이 유일한 심도 변화 요인이라 할만하다. 현실적으로 피사체와 거리 조정이 여의치 않은 경우가 있고, 사실 사진의 기본자세라고도 할 수 있는 이 행위가 잘 이루어지지는 않는다. 때때로 '로버트 카파'의 사진 격언이 이런 것을 의미하나 싶을 때도 있다)
1부(Part.1)에서 주먹구구식으로 살펴보았던 초점거리 변화에 맞춰 동일한 심도를 유지하기 위한 조리개 값에 대해서 산수?로 정리하는 것에 불과하다.
초점거리 50mm f/2의 입사동 직경/유효 구경은 25mm이고 입사동 직경/유효 구경은 같은 초점거리 35mm는 f/1.4의 입사동 직경/유효 구경은 약 24.75mm로 1 f-stop(√2) 만큼 차이가 난다. 즉, 각각 이웃한 광학계 초점거리의 경우 1 f-stop 만큼 조작(조리개를 열어주거나 조여주면)하면 동일한 입사동 직경/유효 구경을 가지게 되고 심도 또한 동일하다.
이처럼 입사동의 크기/유효 구경에 1 f-stop 차이를 만드는 광학계의 초점거리를 순서대로 나열하면,
200 mm → 141.42 mm → 100 mm → 70.71 mm → 50 mm → 35.36 mm → 25 mm → 17.68 mm → 12.5 mm → 8.84 mm
이 렌즈들의 입사동 크기/유효 구경을 모두 동일하게(심도를 동일하게) 만들기 위한 조리개 값을 함께 나열해 보자.
200mm f/22
141.42mm f/16
100mm f/11
70.71mm f/8
50mm f/5.6
35.36 f/4
25mm f/2.8
17.68mm f/2
12.5mm f/1.4
8.84mm f/1
각각의 이웃한 초점거리 렌즈에 1 f-stop만큼 보정하여 심도를 동일하게 하여도 초점거리에 따른 배율의 변화로 인해 이미지 크기는 다르다. 그리고 망원화로 인한 배경의 압축이나 광각화로 인한 거리감 증가 등의 광학적 성질은 별개로 발생한다.
▶ 필름 규격, 이미지 센서 크기에 따른 심도
필름 규격이나 이미지 센서 규격/크기 (중형 포맷, 35mm 프레임 규격, APS 규격 등등)에 따라 심도 차이가 발생하는지에 대해 의견이 분분하다. 결론부터 정리하면 필름 규격이나 이미지 센서 규격/크기에 따른 심도의 차이는 없지만, 장착되는 광학계의 초점거리와 유효 구경이 심도와 관련된다.
하지만, 왜 이처럼 혼란에 빠져 심도 차이에 대한 논란이 많을까? 곰곰이 생각해 보면, 이런 오해의 소지는 다분한데, 앞선 1부에서 다룬 배율과 심도의 관계에 대한 착오/착각을 들 수 있겠다. 그리고 각 규격에 따라 장착하는 광학계의 특성을 이야기하지 않을 수 없다. 흔히 환산 화각 등으로 불리는 각 필름 또는 이미지 규격/크기에 따라 동일한 배율(화각, field of view)을 표현하기 위해서는 각기 다른 초점거리의 렌즈를 장착하여야 한다. 그리고 무엇보다 조리개 값(f/값)에 대한 오해이지 싶다. 동일한 f/값은 렌즈의 초점 거리에 따라 (실제 심도와 관련 있는) 입사 동공의 직경(유효 구경)은 광학계(렌즈) 각각 다르다.
예를 들어 살펴보자.
동일한 시야 범위/영역(FOV)이 촬영되도록 하기 위해서는 35mm 풀 프레임 규격 카메라에 초점거리 50mm 렌즈를 장착했을 때와 APS-C 규격 카메라에 초점거리 약 35mm 렌즈를 장착하였을 때 두 카메라는 동일한 시야 범위/영역(FOV, field of view)의 이미지 촬영이 가능하다. 그리고 중형 6x7cm 포맷에서는 초점거리 100mm 렌즈를 장착하여야 동일한 영역의 이미지가 촬영된다. 이때 모두 f/2의 조리개 값으로 촬영한다고 가정해 보자. 각각의 심도는 어떠게 될까?
- 35mm 풀프레임 규격의 초점거리 50mm 광학계는 f/2에서 입사동 직경/유효 구경 25mm
- APS-C 규격의 초점거리 35mm 광학계는 f/2에서 입사동 직경/유효 구경 12.5mm
- 중형 6x7cm 포맷의 초점거리 100mm 광학계는 f/2에서 입사동 직경/유효 구경 50mm
심도는 입사동 직경/ 유효 구경에 의해 결정되므로 위에 나열한 경우의 촬영된 이미지를 비교한다면 APS-C 규격이 가장 심도가 깊고 그다음은 35mm 풀프레임 규격, 그리고 중형 6x7cm 포맷이 가장 심도가 얕을 것이다. 그렇다면 이 결과를 근거로 필름 규격/이미지 센서의 규격이나 크기가 심도와 관련이 있다고 말할 수 있는가의 의문이 발생한다. 사실 이는 이미지 센서의 규격이나 크기로 인한 것이 아니라 동일한 배율, 화각(FOV 또는 AFOV)으로 표현하기 위해 각 카메라에 장착되는 광학계의 초점거리가 큰 차이를 보이기 때문이고 이점을 간과해서는 안된다.
왜 이런 혼란이 자꾸 되풀이되는 걸까? 왜 이렇게 복잡하게 되어 있는 걸까?
이는 f/값에 대한 오해와 선입관이 작용한 바 크다고 생각한다. f/값은 노출과 관련된 개념이며 본래의 용도와 의미는 노출 결정을 위한 광량의 단계를 표시하는 것에 있다. (그리고 f/값에 따라 조리개를 조작하면 입사 동공의 크기가 증감하며 심도 또한 변한다라는 사실/현상에 주목한 '부수적인 산물'이다) 그동안 렌즈를 통과하는 광량과 노광 되는 빛의 양을 조절하기 위해 만들어진 f/값을 심도의 정도나 단계를 설명하는 데 사용한 것에서 지금의 혼란을 자초한 감이 있다.
그렇다면 심도를 결정하는 궁극적인 요인은 무엇일까. 위에서 언급했듯이 광학계의 초점거리는 배율의 확대 축소를 만들고 동일한 광량을 단계(f/값)에서도 초점 거리 변화로 입사동의 직경/유효 구경의 크기 변화를 만든다. 궁극적으로 입사 동공의 직경, 즉, 유효 구경이 심도의 정도를 결정하는 요인이다. 유효 구경이 증가하면 심도는 감소하고(얕아지고), 유효 구경이 작아지면 심도 또한 증가한다.(깊어진다)
한때, 크롭 이미지 센서 카메라로 촬영하면 더 깊은 심도를 얻을 수 있다는 주장 때문에 풍경 사진 등 깊은 심도를 요구하는 촬영에서 35mm 프레임 규격 카메라 대신에 APS-C 규격 카메라를 장착하고 기존의 35mm 풀프레임에서 사용하던 렌즈를 장착하고 촬영했더니 “깊은 심도는 개뿔! 심도는 똑같더라!”라는 평을 본 적이 있는데, 이에 대한 설명이 되었으리라 생각한다. 심도는 그대로고 배율은 확대되어 촬영되는 프레임(화각)은 좁아졌을 테니 그 난감함이 전해온다. 심도는 광학계(렌즈)의 문제이지 필름 규격이나 이미지 센서 규격의 문제가 아니다.
그렇다면 크롭(이미지 센서) 카메라로 촬영하면 더 깊은 심도를 얻을 수 있다는 주장은 무엇을 근거로 한 것일까?
이 또한 전제 조건에서 허점이 있는데, 35mm 풀프레임과 APS-C(x1.5) 규격을 예로 들면, 35mm 풀프레임 센서 카메라 초점거리 17.68mm(숫자가 복잡하니 반올림해서 18mm라고 하자) 렌즈와 APS-C 12.5mm는 거의 같은 배율(화각)을 가진다. 이때 둘 다 f/8의 조리개로 촬영한다고 가정해 보자. 이때 입사동 크기/유효 구경은 18mm 렌즈 f/8의 경우 약 18 ÷ 8 = 2.25mm이고, 12.5mm f/8의 경우 약 12.5 ÷ 8 = 1.5625mm 이므로 12.5mm f/8의 APS-C 규격 카메라의 심도가 더 깊을 것이다. 35mm 풀프레임 카메라 + 18mm f/8 보다 약 1f-stop 더 조리개 값을 조인 효과가 나타나겠지만, 이런 구체적인 조건에 대한 설명 없이(설명을 한다고 해도 그 전제 조건이 달갑지 않다) 단순히 더 깊은 심도를 얻을 수 있다는 주장은 논리적 비약이 있어 보인다.
위와 유사한 설명으로 이미지 센서 규격이 클수록 얕은 심도 표현에 더 유리하다는 주장(사실 이 주장이 더 일반적이고 다수인 듯하다)의 논거가 되는데, 이에 대한 옳고 그름의 판단은 각자의 몫으로 남겨두는 것이 좋겠다.
중형 포맷 카메라와 35mm 풀프레임 또는 APS-C 규격 카메라와의 비교에 의한 심도 또한 별반 다르지 않다. 따라서 반복 따위는 생략하자.
▶ 허용 한계 착란원
1부에서 착란원은 심도의 정도를 시각적으로 판단할 수 있는 징표 정도로 설명했는데, 허용 한계 착란원은 조금 다른 용도로 정의된 것이다. 허용 한계 착란원은 초점이 맞는다는 객관적인 기준을 정하기 위해 만들어진 개념이다. 이를 통해 존 포커싱 등을 설명하기도 했다. 일반적인 인간의 시각(視覺) 수준을 전제로 가장 보편적인 크기로 인화했을 때, 일정 거리에서 선명하게 이미지를 확인할 수 있는 해상력/분해능에 대한 기준인 동시에 AF(오토 포커싱) 등에서는 초점이 맞는 정확도에 대한 허용 오차의 한계와 관련된다.
물론, 허용 한계 착란원 역시 심도와 밀접한 관련이 있다. 카메라의 촬상 소자(필름 또는 이미지 센서) 규격에 따라 정의하는 허용 한계 착란원의 크기 또한 다르다.(이미지 센서 크기에 상관없이 인화는 동일한 크기로 인화될 것이므로, 상대적으로 작은 이미지 센서의 화상은 인화 또는 프린트 과정에서 더 크게 확대되는 것과 같다. 따라서 인화된 동일 크기의 프린트가 같은 해상도를 유지하기 위해서는 작은 이미지 센서를 사용하는 카메라의 선명한 정도의 한계를 지정하는 허용 한계 착란원이 보다 큰 이미지 센서 규격의 카메라보다 더 작아야 한다)
수다를 마무리하고 나니 또 한 번 엄청난 잉여 짓을 한 듯하지만, 언제고 한 번은 정리해 보고 싶었던 내용이었다. 설명으로는 체계적이지 못하고 부족하지만 알고 있는 바가 딱 그 정도이니 그리 불만은 없다. 찍으려는 촬영은 미뤄두고 설익고 조잡한 '썰'만 매번 풀어내고 있으니 잉여스러움은 천성인가 보다. 그나저나 올 겨울 추위는 정말 매섭다.
