Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
카메라의 "자동 초점 (Auto-focus) 시스템"의 원리와 기본 구조에 대해 수다를 계속 이어 보자. 이전 포스팅 part.1의 내용을 먼저 참고하는 것이 좋겠다. 그리고 아래 위상차 검출 AF 방식은 DSLR 카메라의 AF 시스템에 대한 내용이 주를 이루고 이에 덧붙여서 디지털 미러리스 카메라의 AF 시스템에 대해 추가로 다루었다. 최근 디지털 미러리스 카메라나 일부 DSLR 카메라는 상면 위상차 검출 AF 방식으로 약간 변형된 방식인데, 이에 대해서는 다음 편 하이브리드 AF 방식과 함께 자세히 다루자.
▶ 위상차 검출 AF 방식 / Phase detection
전편에서 언급한 위상차 검출 AF 시스템에 작동 원리와 특징에 대해 한 걸음 더 들어가 보자. 이전 포스팅이 카메라 AF 기술에 대한 개괄적인 소개였다면 이번에는 "TTL 위상차 검출 AF 시스템의 장단점"에 대한 내용을 중심으로 이야기를 이어갈 생각이다. (구분 없이 언급되는 "TTL 위상차 검출 AF"-visitronic TCL-과 "위상차 검출 AF"는 동일한 방식을 의미한다)
- TTL 위상차 검출 AF의 작동 방식과 특징
렌즈를 통해 얻는 상의 위상차를 이용한 포커싱 시스템의 정밀도는 (위상차를 발생시키는 두 지점인) 기장선(기선)의 간격에 직접적인 영향을 받는다. 거리 측정과 분석의 기준이 되는 위상차를 만드는 기선은 (RF 카메라의 레인지파인더에서는 삼각 측량에서 밑변에 해당하는 두 지점이 기선이 되고 이를 레인지파인더의 두 개 창 사이의 거리로 결정되지만) TTL 위상차 검출 장치(Visitronic TCL)에서는 이미지가 통과하는 렌즈 상의 두 지점 간의 거리를 의미한다. 기장선이 길수록 더 큰 위상차를 만들고 따라서 이를 일치시키는 조정을 통해 더 정확하고 정밀한 거리 측정이 가능하다.
위의 참고 이미지에서 TTL 위상차 검출 AF 시스템의 31, 32 / 108A와 108B 사이 간격이 '기선'이다. 주목할 부분은 렌즈의 양 끝단을 이용하면 충분한 기선 길이가 확보되어 초점 조정의 정밀도는 향상되지만, 작은 조리개 개구의 조건 (조리개를 조여서 촬영하는 경우 등)에는 렌즈의 광축에서 가까운 근축 부분을 통과한 빛만 상면에 도달하게 되므로 위상차 검출을 위한 렌즈 위의 두 지점(기선)에 미치지 못하고 이는 AF 센서에 원활하게 위상 정보가 전달되지 않는 문제가 발생한다. 따라서 DSLR 카메라의 AF 센서 모듈은 조리개 조절에 따라 가변적으로 기선 또한 대응 가능하도록 수평 또는 수직으로 길게 만들어진다. 이런 방식은 조리개 개구 크기의 변화에 대응할 수 있지만, 한편으론 조리개를 조여서 촬영할 때는 충분한 기선장이 확보되지 않아서 AF의 정확도가 낮아지는 문제가 있다. 즉, 렌즈의 구경이 협소하거나 조리개가 조여져서 근축 사용 시에는 기장선(기선)이 감소하여 AF 정밀도가 떨어질 수밖에 없다. 대부분의 카메라는 장착 렌즈의 구경에 따른 변수에 효과적으로 대처할 수 있도록 f/5.6(또는 f/6.7)을 기준으로 위상차 광학계와 센서를 설계한다고 한다.
SLR 또는 DSLR 카메라의 측거점-촬영 프레임 상의 측거 포인트-은 보통 촬영되는 프레임의 중앙에 몰려 있는데 이는 SLR/DSLR 광학 뷰파인더 시스템의 미러와 위상차 검출 AF 센서의 서브 미러 구조와 관련이 있다. 이에 대해서는 다점 측거점 방식과 그 분포 배열 방식이 엮여 있고 이미지 센서 상면 위상차 검출 센서 등과 함께 다루면 더 수월하게 수다를 이어갈 수 있을 듯해서 추후(다음 편 수다) 상면 위상차 AF 시스템과 하이브리드 AF 시스템 등을 다룰 때 함께 다루어 보자. 카메라의 AF 관련 기술은 그 중요도만큼이나 이야기할 부분이 많다
(TTL) 위상차 검출 AF 속도와 정확도는 렌즈의 가장 넓은 구경과도 일정 관련이 있다. 일반적으로 렌즈의 조리개 값이 f/2~f/2.8 정도에서 가장 빠르고 정확한 AF 성능을 보여준다고 한다. (이는 카메라의 AF 시스템의 설계에 따라 맞기도 하고 틀리기도 하지만, 일반 상용 카메라에서는 옳은 주장이라 생각한다) 상용 카메라 제품에서 AF의 중요성은 나날이 강조되고 있고, 여러 방식으로 위상차 검출 AF의 정밀도를 높이기 위한 개선과 설계/구조 변경이 이루어졌는데, 일부 카메라에서는 렌즈의 최대 개방 등 심도가 매우 얕은 상태에서의 AF 정확도를 높이기 위해 조리개 개구 f/2.8 정도에 해당하는 고정밀 위상차 검출 AF 센서와 f/5.6에 해당하는 위상차 검출 AF 센서로 구성하여 조리개 개방 촬영에서 AF 정밀도를 향상하는 구조를 적용한다. (f/2 보다 밝은 렌즈의 최대 개방에서는 단일 광학 수차, 왜곡, 색수차, 포커스 쉬프트 등의 문제로 AF 정확도가 감소하는 경향이 있다) 이를 달리 표현하면, f/5.6을 기준으로 단일 위상차 검출 AF 센서만 장착된 카메라에서는 렌즈의 조리개 값이 f/2이거나 f/5.6이거나 상관없이 동일한 AF의 정밀도를 보인다. 하지만 f/5.6보다 높은(조여진) 조리개 값에서는 빛이 통과하는 렌즈 구경의 양 끝단 위치가 좁아져서 ‘기선장’이 감소하는 효과로 이어지고 이는 AF의 정밀도를 감소시키는 원인이 된다.(조리개 값에 따른 AF 정확도와 검출력 감소를 방지하기 위해서 AF 포커싱이 이루어지는 순간에는 조리개가 위상차 검출에 적절하게 개방 후 포커싱을 완료하고 다시 조리개가 조여지는 작동으로 전환해서 잘 체감하지 못한다. 이 방식은 SLR 카메라의 개방 측광과 유사한 작동 방식이다) 이는 장착된 렌즈의 조리개 값의 구간에 따라 AF 정밀도에 영향을 미치기도 하고 미치지 않기도 한다는 어중간한 결론에 도달하는 원인이지 싶다. 하지만 f/2.8의 고정밀 위상차 검출이 가능하도록 개선된 구조의 카메라에서는 렌즈의 f/2.8~f/4 구간에서 AF 정밀도가 f/5.6 이상의 조개값에서 보다 높은 정밀도를 보이지 싶다. f/5.6 이상 높은/조여진 조리개 값에서는 바로 앞에서 f/5.6 단일 AF 검출 센서 장착 카메라에서 설명한 것과 동일할 것이므로 생략하자.
그 외에도 피사체의 위상차 검출의 정밀도와 속도 향상을 위하여 싱글라인 AF 센서 배치(위 상단 이미지)를 크로스 라인 AF 센서 배치(위 하단 이미지)로 개선하거나 크로스 라인 AF 센서에 대각선 부분까지 추가되는 등의 개선도 이루어졌다. 이는 일종의 측거점의 증가와 동일한 효과를 기대할 수 있겠다. AF 센서는 위상차를 감지하기 위한 특수한 이미지 센서의 일종이라고 할 수 있는데, AF 센서 상면의 픽셀 배치 효율을 높여서 AF 정확도를 높이는 방식도 상용화되었다.
그리고 AF 정밀도와 관련해서 포커스 쉬프트에 대해서도 언급하고 싶지만, 이 또한 매우 지루하고 긴 이야기가 될 것이므로 다른 포스팅에서 다루고 링크로 이를 대신하자.
<카메라와 렌즈의 구조 46> 포커스 쉬프트와 위상차 검출 AF의 부조화 - DSLR 핀교정 및 AF 부정확 문
Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 몇 해 전부터 디지털 미러리스 카메라만 사용
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- TTL 위상차 검출 AF 방식의 장점과 단점
위상차 검출 AF의 장점은 빠른 AF 속도다. 위상차를 분석을 통해 AF 초점을 맞추기 위하여 포커싱 요소가 이동해야 할 방향을 미리 결정할 수 있고, 정확한 초점을 맞추기 위한 지점 또한 연산으로 계산이 가능하므로 해당 분석 지점으로 신속하고 빠르게 이동시켜서 빠른 AF를 실현할 수 있다. 이러한 예측 가능한 위상차 AF의 장점은 흔히 연속 초점 모드 등으로 불리는 움직이는 피사체에 대한 포커싱 추적 기능에서도 매우 뛰어난 성능을 발휘한다. 즉, 피사체의 이동/운동 방향을 예측하여 포커싱 하는 방식으로 위상차 검출을 통한 피사체 이동과 이에 맞춰 포커싱을 위한 요소의 이동 방향 및 적정 초점 위치 예측이 가능하므로 이를 활용한 것이다.
단점으로는 앞에서 언급한 바와 같이 렌즈 광학계의 조리개 값에 따라 AF 속도와 정밀도에 영향을 받는다. 조여진 조리개 값(일반적으로 f/5.6 이상)이나 광학계의 초점거리가 짧고 심도가 깊은 초광각 렌즈 등에서는 위상차를 만드는 렌즈 구면 위 두 지점의 간격(기선장)이 충분히 확보되지 않으며 결과적으로 위상차 검출로 얻어진 두 이미지의 위상차가 크지 않으므로 위상차 검출을 통한 포커싱에 어려움을 겪을 수 있다. (위상차 AF가 심도에 직접적인 영향을 받는다고 말하기에는 어중간하지만, 렌즈 구경 위의 상반되는 지점의 문제와 AF 센서의 위치 문제 등으로 렌즈의 조리개 값에 따라 일정 영향을 받을 수밖에 없어 보인다. 이는 결과적으로 광학계의 심도에 따라 위상차 AF 성능이 영향을 받고 있는 것과 유사한 결과를 얻는다. (카메라 기종이나 AF 시스템의 설계에 따라 조금씩 차이는 있지만) 즉, 얕은 심도에서 위상차 검출이 용이하여 AF 속도와 정밀도는 향상되고 깊은 심도에서는 AF 속도와 정밀도에서 그리 좋은 환경은 아닌 듯하다. 이와 달리 콘트라스트 검출 AF 방식은 심도의 변화에 크게 구애되지 않는다. 즉, 심도가 깊어지더라도 포커싱 이동에 따라 콘트라스트 변화는 발생한다. 그리고 동일한 패턴이 반복되는 무늬 등을 가진 피사체에서 위상차 검출 AF 방식은 포커싱의 어려움을 겪는다. 이는 AF 센서에서 동일하고 반복적인 패턴으로 인해 위상차 데이터를 비교/분석하는데 곤란을 겪기 때문이지 싶다.
DSLR 카메라 등에서 위상차 검출 AF 정밀도 향상을 위한 기술로 다중/다점 측거 방식을 채택하거나 측거점의 수를 증가하는 방법, 그리고 AF 측거 광학계의 성능 개선, AF 분석 알고리즘, AF 속도와 정밀도 개선을 위한 렌즈 광학계의 특정 보정 데이터(수차나 왜곡 수치 등) 활용하는 등의 기술적인 접근 또한 눈여겨 볼만하다.
▶ 콘트라스트(대조) 검출 AF 방식과 장점과 단점 / Contrast detection
이에 대해서는 전편에 간략하게 언급한 적이 있다. 위상차 검출 AF 방식과 좋은 비교 대상이고 최근 하이브리드 AF 시스템에서 함께 사용되고 있으므로 이전 정리 내용을 인용하자.
렌즈를 통과한 상의 콘트라스트는 초점이 맞을수록 증가하므로 이를 검출 센서에서 인접한 픽셀 간의 콘트라스트(대조) 증감을 비교/분석하여 최대 콘트라스트가 검출될 때까지 포커싱 하는 방식이다. 대조(콘트라스트) 검출 방식은 이미지의 콘트라스트의 증감만 분석하므로 실제 거리에 대한 정보는 거의 생성하지 않으므로 엄밀한 의미에서 거리계라고 말하기는 어렵다.
필름 카메라에서도 콘트라스트 검출 센서를 이용한 AF 방식이 검토되었지만, 느린 AF 검출 속도(당시 70년대의 센서 성능과 프로세싱 연산 능력 등을 감안하면 콘트라스트를 분석하기 위한 연산과 이를 찾는 과정에서의 렌즈 구동 방식은 빠르고 신속한 AF와는 사뭇 거리가 있었지 싶다) 탓에 위상차 검출 방식을 채택하는 경우가 대부분이었으므로 콘트라스 검출 AF 방식은 그리 폭넓게 활용되지는 못했다. 하지만, 디지털카메라(특히 디지털 미러리스 카메라)에서는 위상차를 검출하기 위한 별도의 AF 센서나 픽셀 장치를 추가하지 않고도 이미지 센서가 이 역할을 수행할 수 있고, 디지털 이미지 센서의 이미지 정보와 프로세스를 그대로 활용할 수 있는 등의 장점과 최대 콘트라스트 검출 방식 본연의 정밀한 AF 성능 등으로 적극 활용되고 있다. 하지만 위상차 검출 방식과 비교하여 상대적으로 느린 AF 속도는 여전히 단점으로 남아있다.
콘트라스트 검출 AF 방식의 단점 중 하나는 연속 (추적) 초점 기능에 취약하다는 점이다 즉, 피사체의 이동이나 움직임에 대한 방향 예측이 어렵고 따라서 포커스 예측이 거의 불가능하다.
▶ 위상차 검출과 콘트라스트 검출 AF 시스템의 포커스 속도
서로 다른 위상의 두 가지 이미지를 비교/분석하여 초점을 맞추려는 피사체의 위치를 가늠할 수 있고 따라서 포커싱을 위해서 광학계의 포커싱 요소를 앞 또는 뒤 중 어느 방향으로 이동하여야 하는지 판단할 수 있고, 위상차 정도를 분석하여 초점이 맞는 지점을 추산하여 해당 포커스 위치로 빠르게 이동하는 것이 가능하다. 이와 같은 빠른 AF 속도와 방향 예측은 위상차 검출 AF 시스템의 장점이다.
그러나 콘트라스트 검출 법은 콘트라스트를 비교 분석하며 최대의 콘트라스트(대조)를 보이는 지점까지 매번 변화량을 분석하며 이동하여야 한다. 그리고 현재의 콘트라스트 상태만으로는 피사체가 현재 초점이 맞는 지점의 앞에 위치하는지 뒤에 위치하는지 알 수 없다. 즉, 포커싱 방향을 예측할 수 없으므로 일단 앞이나 뒤 중에서 한 방향을 선택해서 포커싱을 이동하며 변화하는 콘트라스트 정도를 분석하여야 콘트라스트가 증가하는 방향으로 포커싱이 이루어진다. 그리고 방향 결정 이후에도 콘트라스트가 최고점이 되는 지점까지 계속 분석하며 이동하여야 하고, 최고점 또한 콘트라스트가 증가하다가 감소하기 시작하는 지점을 지났을 때에야 가장 정확한 포커싱 지점 확인이 가능하므로 다시 정점을 지난 후 방향을 수정하여 이전의 대조가 최대점이 되는 지점에 도달하여야 포커싱이 종료된다. 따라서 콘트라스트 검출 AF 시스템은 올바른 포커싱 방향을 결정하기 위하여 시행착오를 겪을 확률이 항상 존재하고 포커싱 이동 중에서 콘트라스트의 증감을 분석하기 위해 일정 속도 이하로 이동하여야 하며, 정점에 도달하는 지점 또한 예측할 수 없고, 콘트라스트가 증가하다 감소하기 시작할 때 다시 반대로 초점 이동하여야 하는 등 AF 속도에서는 위상차 검출 AF 방식과 비교하면 확연히 느리다. (그나마 최근 디지털카메라의 연산을 담당하는 하드웨어 성능 향상과 데이터 전송/분석 프로세싱의 전반적인 속도가 향상되어 초기 대조 검출 방식에 비하면 상대적으로 빠른 콘트라스트 검출 AF 속도라고 할 수도 있겠다)
자동 초점의 속도를 결정하는 요소는 비단 AF 검출 시스템에만 국한된 것은 아니다. AF 속도를 결정하는 요소를 간략히 정리하면, AF 센서가 빛을 받아들이고 여기서 얻은 데이터를 분석하고 초점과 관련된 정보의 적정여부와 방향과 위치를 결정하고(위상차 검출 AF의 경우에는 방향과 적정 지점을 바로 산출하는 방식이지만, 콘트라스트 검출 AF는 이동하며 계속 분석한다) 포커싱을 위한 렌즈에 정보 전달과 렌즈의 포커싱 구동 부분의 구동이 모두 순차적으로 관련되어 있다. 이런 전반적인 과정에서 위상차 검출 AF와 콘트라스트 검출 AF 방식은 유의미한 속도 차이가 발생한다. 예를 들자면, 목적지를 알고 도달을 목적으로 달리는 것과 목적지를 찾으며 지도와 실제의 길을 비교하면서 목적지에 이르는 것의 속도 차이라고 할 수 있다. 이런 특징은 렌즈의 AF 구동 방식에도 적용되어서 위상차 검출 AF 방식에 맞도록 설계된 렌즈는 단거리 육상선수가 목적지를 향해 폭발적인 스피드로 전력 질주하는 방식과 흡사하고, 콘트라스트 검출 AF 방식에 최적화된 렌즈는 장거리 육상선수와 같이 일정하고 안정적인 속도를 유지하며 목표지점을 향해 달리는 것과 비슷하지 싶다.
여기에 덧붙여, 위에서 알아본 바와 같이 위상차 검출 AF 방식과 콘트라스트 검출 AF 방식의 상이함으로 인하여 카메라의 AF 방식에 따라 렌즈의 설계 또한 차이를 보일 수 있다. 즉, 위상차 검출 AF에 최적화된 렌즈 설계와 콘트라스트 검출 AF 방식에 최적화된 렌즈 설계에 따라 각기 AF 속도와 원활할 작동 등에 차이가 발생할 수 있는데, 이에 대해서도 제법 다룰 내용이 많으므로 다음 수다를 기약하자. 관련 수다 포스팅이 완료되면 링크로 대체하자.
▶ 위상차 검출과 콘트라스트 검출 AF 시스템의 포커스 정밀도
위상차 검출 AF에서 잠시 언급했듯이 위상차 검출 AF는 신속하고 빠른 AF 시스템이지만, AF 정밀도에서는 콘트라스트 검출 AF에 비해 더 낫다고 말하기는 어려울 듯하다. (AF 센서의 성능이나 AF 검출과 분석 알고리즘 등에 따라 차이가 발생할 수 있지만 이 부분은 차치하고) 서로 다른 두 가지 위상을 만들기 위한 렌즈 구면 상의 두 지점에서의 '기선장'이 TTL 위상차 검출 AF 방식에서는 장착된 렌즈 구경과 직접적으로 관련될 수밖에 없고, 조리개 설정에 따른 초점 이동 (포커스 쉬프트) 문제가 있다. 이에 비해 콘트라스트 검출 AF 방식은 조리개를 설정에 관계없이 콘트라스트 증감은 여전히 유의미한 차이로 발생하고 이를 비교 검출할 수 있다. 따라서 콘트라스 검출 AF 방식은 조리개 설정 등의 변수에 영향을 덜 받는다.
근래 고화소/고해상력 이미지 센서를 탑재한 디지털카메라에서 두 AF 방식의 정밀도 차이는 무척 유의미하게 드러나지 싶다. (하지만, 최근의 디지털카메라는 하이브리드 AF 방식을 활용해서 AF 정밀도와 속도 모두에서 만족스러운 결과를 얻고 있다) 고화소/고해상력은 더욱 미세한 단계까지 콘트라스트 검출이 가능하므로 콘트라스트 검출 AF 정밀도는 더 향상되지 싶다. 물론 위상차 검출 AF 센서의 고화소화나 분석의 정밀도를 높여서 AF 정밀도를 어느 수준 이상 향상할 수는 있지만, 기선장의 문제나 렌즈 구경이나 조리개를 조였을 때 등의 광학적/물리적 한계로 위상차 검출 AF 성능은 일부 정밀도의 저하가 현재까지는 불가피해 보인다.
저조도 촬영 상황에서의 AF 검출 속도와 정밀도는 매우 저하되는데, 위상차 AF와 콘트라스트 검출 AF 방식 모두 일정 곤란을 겪는다. 어느 것이 저조도에서 더 나은 성능을 보이는지 등은 제품의 적용된 기술 등에 따라 차이를 보일 수 있으므로 이에 대해서는 따로 언급하지 않았다.
최근의 가장 핫한 하이브리드 AF 시스템과 이미지 센서 상면 위상차 AF 방식, 그리고 얼굴 인식 AF나 눈동자 인식 AF 등에 대해서는 다음 편에서 다루자. 딱딱하고 재미없는 내용의 수다라 길게 이어가기가 힘들다.
