Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
이전 카메라의 구조에서 간략히 언급했던 디지털카메라 노이즈에 못다 한 수다를 이어가 보자. 의도는 디노이징/노이즈 리덕션에 대해서도 다루고 싶었는데, 의식의 흐름대로 수다를 이어가다 보니, 이전 수다를 보충한 듯한 내용이 되어 버렸다. 노이즈 리덕션에 대한 내용은 또 다음 수다로 미루어야겠다. 이미지 노이즈에 대한 개괄적인 내용에 대해 참고하는 것이 좋겠다.
<카메라와 렌즈의 구조 47> 디지털 카메라의 노이즈 - 이미지 (사진) 노이즈의 발생 원인과 종류/ Noise of a digital camera II -Causes of Image noise
Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 노이즈는 카메라뿐만 아니라 전자 신호를 다루는 기기에서 빠짐..
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▶ 광자 샷 노이즈(Photon shot noise) 발생 원인과 대처 방안
이전 수다에서 내용을 다시 인용해 보자.
광자는 불규칙하게 이미지 센서의 픽셀(포토다이오드)에 도달해서 각 픽셀 별로 편차가 발생한다. 즉, 저조도에서의 픽셀(포토 다이오드)는 상대적으로 광자가 픽셀과 충돌하며 포토다이오드에서 전자가 튀어나가고 양공이 형성되는 기회의 포착이 적다. 따라서 이런 확률상의 편차 문제로 저조도의 낮은 수광율에서는 신호대 잡음비가 높아질 수밖에 없다.
각 픽셀에 도달하는 광자의 편차의 문제는 빛(광자)이 충분한 때에는 크게 두드러지지 않지만, 저조도의 촬영 환경에서는 각 픽셀 간의 측정 값의 편차를 크게 만들고 노이즈(광자 샷 노이즈)를 증가시킨다.
예를 들자면, 인접한 A픽셀과 B픽셀의 포토다이오드에 강한 빛이 수광되어 100개와 101개의 광자가 포집된 경우와 약한 빛으로 10개와 11개의 광자가 포집되는 경우를 예를 들어보자. 빛이 강한 경우와 약한 경우 A B 각각의 포집된 광자의 수는 1개의 편차로 동일하지만, A B의 전체 포집된 광자 수 차이로 인한 발생하는 두 픽셀의 편차는 1/100과 1/10으로 차이가 있고 따라서 저조도에서 노이즈가 증가한다.
한 걸음 더 들어가 보자.
그렇다면 광자 샷 노이즈(Photon shot noise)는 저조도에서만 발생하는 것일까?
광자의 불규칙한 밀도로 인한 픽셀 간 광자 포집의 편차는 픽셀에 충분한 빛이 조사/수광되는 경우에도 발생한다. 하지만, 광자가 충분할 때의 픽셀 별로 발생하는 편차는 저조도에서 적은 광자가 포집될 때에 비해 상대적으로 전체 광자의 수에 견주어 편차나 차이의 정도가 크지 않고 따라서 촬영 이미지에서 시각적으로 거의 구분하기 어렵다. 따라서 포집되는 광자의 양이 아주 적은 저조도에서 인접한 각 픽셀 간에도 (포집된 광자의 총량에 견주어) 큰 편차가 발생하고 촬영 이미지에서 시각적으로 확연히 구분되는 샷 노이즈가 된다. 다시 정리하면 '저조도에서 광자의 불균일한 밀도로 인하여 포토다이오드에서 발생하는 포집 확률과 그로 인한 편차의 문제로 발생하는 노이즈'라고 할 수 있다. 엄밀하게 말해서 광자 샷 노이즈는 ISO 감도를 높여서 발생하는 것이 아니라 포집되는 광자의 수가 매우 적은 저조도의 촬영 환경 때문에 발생하는 것이라고 정의하는 것이 옳다. 이는 아래 해법에서 장노출 또는 수광률 향상으로 픽셀 포집되는 광자의 수를 충분히 확보하면 해결하는 방식과 직접적으로 연결된다.
앞에서 언급했 듯이 광자 샷 노이즈는 저조도 촬영 환경 포집되는 광자의 물리적 수가 감소함에 따라 발생하고 따라서 이미지의 밝은 영역과 어두운 영역에 전반에 걸쳐 분포한다. (저조도의 밝은 영역이라 하여도 조도가 충분해 확보된 촬영 환경과 비교하면 포집되는 광자의 수는 매우 적다. 따라서 명부보다 상대적으로 포자 포착의 기회가 적은 암부에서 광자 샷 노이즈가 더 많이 발생한다)
- 광자 샷 노이즈에 대한 대응 / 장노출 촬영과 수광률
광자 샷 노이즈를 감소하는 가장 효과적인 방법은 촬영 방식에서의 감소법과 이미지 센서의 구조에 의한 해법 등 크게 두 가지 정도로 압축할 수 있다. (대부분 상식으로 알고 있는 내용이지만, 그래도 정리해 보자) 먼저, 포집되는 광자의 수를 충분하게 확보하기 위하여 빛의 양을 늘려주는 방법이다. 조리개를 개방하거나 셔터 개방 시간을 길게(흔히, 장노출 촬영 등으로 불리는,) 촬영해서 픽셀에 포집되는 광자의 수를 증가시키는 방법이다. (장노출로 인해 발생하는 노이즈도 있는데 이는 아래에서 다시 다루자)
두 번째 방법으로 픽셀의 수광률을 높이면 포집되는 광자의 양을 더 충분하게 확보할 수 있으므로 상대적으로 낮은 수광률의 픽셀인 조건보다는 광자 샷 노이즈는 줄어든다. 픽셀 당 수광률은 단순히 이미지 센서의 규격 차이나 물리적인 크기를 의미하는 것은 아니다. 엄밀하게는 픽셀 하나의 수광 면적을 의미하며, 이는 이미지 센서의 규격뿐만 아니라 규격에 따른 화소(픽셀) 수와 관련된다. 즉, 큰 이미지 규격에 낮은 화소의 이미지 센서가 픽셀 당 물리적인 수광 면적은 넓고, 반대로 작은 이미지 규격에 고화소일수록 수광 면적은 좁다.
흔히 큰 이미지 센서 규격의 카메라가 더 낮은 노이즈로 화질 측면에서 유리하다는 근거로 자주 언급된다. 잘 알려져 있는 내용이므로 달리 자세히 다루지 않는 것이 좋겠다. 픽셀 하나의 크기 즉, 수광 면적의 크기는 광자 샷 노이즈(Photon shot noise)의 발생 정도에 직접적인 영향을 미치는 것은 사실이다. 하지만, 여러 제조건을 무시하고 단지 큰 규격이 수광률이 좋다로 결론 내리는 것은 '성급한 일반화의 오류?'가 아닐까.
참고로 35mm 풀프레임 규격의 이미지 센서와 APS-C 이미지 센서의 면적은 약 100 : 43 정도의 비율이고, 따라서 35mm 풀프레임 3600만 화소 수준과 APS-C 1600만 화소 수준의 픽셀 하나당 수광 면적이 거의 유사하다. 그리고 픽셀 당 수광률을 단순히 물리적인 픽셀의 면적에만 관련되지도 않는다. 수광률을 높이기 위해 이미지 센서의 픽셀 앞에 위치하는 마이크로 렌즈의 영향을 받기도 하고, 픽셀 내부의 격벽이나 회로 배선을 위한 공간 등 (작고 복잡한 물리적 설계와 구조)의 영향을 받는다.
▶ 장노출 촬영에서의 암전류 노이즈 / Dark current noise
암전류 노이즈 -Dark shot(or current) noise- 암전류는 열에 의해 발생하는 경우가 가장 많으므로 장노출 촬영 등으로 고온 픽셀에서 암전류가 주로 발생한다. 과포화된 픽셀의 노이즈는 결과 이미지에 핫픽셀로 나타나서 앞에서 언급한 점 잡음과 같이 명도가 튀는 흰점으로 나타난다,
장노출 촬영에서의 노이즈로 아래 판독 노이즈에서 언급될 증폭기의 고유 출력 노이즈 중에 암전류 노이즈라는 측면에서 유사한 특징을 공유하지 싶다. (엄밀하게는 장노출에 의한 암전류 노이즈 또한 판독 노이즈에 하나라고 생각한다) 단, 디지털 카메라에 장노출 노이즈 리덕션 등의 기능을 선택할 수 있는 메뉴 옵션 등이 있으므로 편의상 따로 설명하고 있지만 전혀 별개의 노이즈라고 생각하지는 않는다. 판독과 관련하여 증폭기 내부에서 발생하는 열로 인한 암전류 노이즈는 판독 노이즈에서 언급하고 여기서는 장노출 촬영 시 발생하는 암전류 노이즈에 주목해 보자.
장노출 촬영에서는 셔터스피디 선택에 따라 장시간 이미지 센서가 광자를 포집하여야 하므로 필연적으로 열이 발생하고 그 결과 암전류가 생기고 노이즈가 된다. 학창 시절 물리 시간에 배웠듯이 열은 전자의 이동에 임의성을 발생시키고 이런 불규칙성이 암전류 노이즈를 만든다. 암전류 증가는 소자의 고유의 성능 및 전하를 저장하는 능력 등을 저하시킨다. 그리고 나아가 암전류 노이즈의 증가는 픽셀 간의 특성 편차를 더 크게 만들어서 결과물 이미지에 자글자글한 노이즈(Salt & pepper noise- 우리말로 의역하면 '깨소금' 노이즈 정도가 될까?)를 만든다. 앞에서 다룬 광자 샷 노이즈와 유사하게 종규 분포를 갖는 확률 밀도 (푸와 송 Poisson 분포)로 나타난다.
암전류에 의해 발생하는 자글자글한 노이즈(Salt & pepper noise)는 종종 '휘도 노이즈'라고 불리는데, 이는 컬러 정보와는 전혀 관련이 없기 때문이다. 그리고 암전류 노이즈는 이미지 센서 규격이 작고 고화소일수록 더 증가한다. (암전류 노이즈가 증가하는 요인은 이미지 센서의 고화소화로 픽셀 간 간격이 줄고, 따라서 수광 면적이 줄어들게 되며 따라서 열에 의해 발생하는 암전류의 영향도 커진다)
암전류로 발생하는 노이즈를 제거하는 방법(노이즈 리덕션)은 다양한 알고리즘이 있지만, 대부분 핫픽셀(즉, 주변의 평균적인 픽셀보다 유독 너무 밝거나 너무 어두운 픽셀을 제거(클리핑)하고 주변 픽셀의 데이터를 평균화하여 보간하는 방식이지 싶다. 암전류로 인한 노이즈는 시각적으로 자글자글하게 보여서 눈에 잘 띄지만, 확률 밀도로 분포하므로 제거는 그리 어렵지 않은 편이고 중간값 필터(메디안 필터) 등의 방법이 일반적이다. (노이즈를 감소하기 위한 디노이지 또는 노이즈 리덕션-noise reduction-에 대해서는 다음 수다에서 보다 자세히 다루자. 아무래도 2 연작으로 끝내기에는 아쉽다.
장시간 노출 NR(노이즈 감소) 기능에 대하여 / Long Exposure noise reduction
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 디지털 카메라에 내장된 노이즈 감소 기능에는 대표적으..
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▶ 판독 노이즈 / Read(readout) noise
이 또한 이전 수다에서 개념 정리를 위해 일부 인용으로 시작하자.
판독 노이즈는 이미지센서의 픽셀과 A/D 전환 과정에서 발생하는 노이즈로 이미지 센서의 신호를 읽기 위한 증폭기의 고유 출력 노이즈다. 이는 이미지의 어두운 영역(암부)에서 일정하게 나타나는 경우가 일반적이다.
판독 노이즈는 증폭기의 고유 출력 노이즈라고 뭉뚱그려서 설명했지만, 이 또한 자세히 들어가면 아주 복잡하다. 증폭기 노이즈에는 증폭기의 내부 아날로그 & 전자기기로서 노이즈 즉, 샷 노이즈, 열노이즈, 1/f 노이즈 등 증폭기만의 고유의 노이즈가 발생한다. 주로 이미지센서 설계 단계에서 고려되어야 할 노이즈이며 이에 대해서는 일반 카메라 사용자나 사진가가 그 정도의 경감을 위해 관여할 여지가 없다. 따라서 단지 이런 노이즈가 존재한다는 정도로만 이해해도 충분하지 싶다.
판독 노이즈의 특징이라면 증폭기 고유의 출력 노이즈이므로 ISO 감도 증폭에 크게 영향을 받지 않는다. (앞에서 언급한 광자 샷 노이즈는 ISO 증폭 즉, 아날로그 게인 증폭에서 신호와 동시에 노이즈 또한 증폭되므로 구별된다. 개인적으로 이 부분에서 이해가 부족해서 자세히 언급하기 어렵다) 따라서 판독 노이즈는 ISO 감도는 증가시킨 고감도보다는 저감도 촬영에서 중요한 의미(촬영 이미지에서 화질적 이점?)를 가지게 되는데, 낮은 판독 노이즈 성능의 카메라는 저감도 촬영에서 더 낮은 노이즈 (주로 어두운 영역, 암부) 수준을 유지한다고 할 것이고 따라서 저감도 촬영에서 어두운 영역/암부의 복원력(보정 관용도)에서 더 좋은 성능을 보일 것이다.
최저 상용 감도 ISO 64에서 떠오르는 카메라 브랜드가 하나 있지 않은가? 판독 노이즈 문제는 카메라의 기본(상용) 감도의 최저 감도와 관련이 있지 않을까? 주요 카메라 메이커의 기본 감도의 최저 감도는 조금 차이를 보이는데, (확장 감도는 별 의미를 가지지 못한다) 이 최저 기본 감도의 차이가 판독 노이즈를 어느 정도로 억제 가능한 기술력을 가지고 있는지를 나타내는 척도와 관련에 살짝 의심이 되는데 정리가 잘 되지 않는다. (이미지 노이즈와 관련하여 몇 해 전부터 해외 커뮤니티 떠도는 이슈 중에는 니콘이 Raw 파일에 일종의 노이즈 리덕션을 적용하는 '꼼수'에 의한 결과라고 의심을 받기도 한다. 개인적으로도 이 의심에 상당 부분 동의하는데, 타 제조사와 차이가 없는 거의 동일한 이미지 센서 -주로 소니산-를 사용하면서도 타 제조사보다 월등한 니콘의 로우 파일 이미지의 암부 노이즈 억제 성능을 보면 의심하지 않을 수 없다, Raw 단계에서는 노이즈 리덕션을 적용하지 않는 것이 일반적이고, 이미지 프로세싱의 기본 단계에서 이루어지는 보간 메커니즘-주로 데모자이싱-만으로 이런 노이즈 발생 억제 성능의 차이를 만드는 것이 선뜻 이해되지 않는다)
달리 생각해보면 기본적인 이미지 센서의 설계(전하를 모으는 캐퍼시터-capacitor-의 용량?)에서 차이라고도 할 수 있겠고, 아니면 ISO 감도의 기본 설정(ISO 감도에 대한 이미지 센서의 기준 설정 수치)과도 연관되어 있지 싶은데, (모두 관련이 있을 수 있고, 하나만 관련될 수도 있어서 적용된 기술이나 차이를 만드는 원인에 대해서 좀처럼 감을 잡기 어렵다) 이는 추후 별도의 수다에서 Dual native ISO system에 다룰 때 함께 언급해 보자.
▶ 그 외 노이즈에 대하여
리셋 노이즈와 양자화 노이즈 등이 있지만, 이에 대해서는 이전 수다에서 언급한 내용 이외에 추가될 만한 내용을 알지 못한다. 인용으로 대신하자. 게으름에 의한 자기 복제라서 조금 민망하다.
- 리셋 노이즈 (Reset noise)
리셋 노이즈 - 픽셀(포토다이오드)에 잔존 전하의 불균일 문제가 원인이다. 즉, 이미지 노광 직전 각 픽셀의 기본 전압이 모두 균일하여야 하지만, 픽셀 별로 기준 전압이 다르고 따라서 노광 후 측정 전압에서도 오류가 발생한다. 이는 개별 픽셀 기준 값에서 불균일의 문제이고 해결 방법으로는 개별 픽셀의 잔존 전하에 의한 기본 전압 편차를 해소하기 위해서 노광이 이루어지기 직전에 간 픽셀의 전압을 측정하여 그 오차 값을 반영하는 방법 등이 있다.
픽셀의 리셋 후 전압 불균형 문제의 해법으로 이미지 센서의 전면을 물리적으로 막아서 완전한 암흑 상태로 유지하여 픽셀 내부의 전하를 초기화를 하는 기계식 셔터가 아직 유용한 측면이 있지 싶다. 이는 이전 디지털카메라에서의 '기계식 셔터의 효용?'과 관련해서 다루었던 내용이므로 자세한 설명은 이전 수다를 참조하기 바란다.
- 양자화 노이즈 (Quantization noise)
이미지 픽셀에 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호화하기 위한 양자화 과정에서 이산 신호(샘플링)로 인해 발생한다. 대표적인 유니폼 노이즈(uniform noise)에 해당한다.
이번에 다루고자 했으나 엉뚱한 이야기로 변죽만 울리다가 시작도 못한 '디노이징/노이즈 리덕션과 사진 촬영에서 노이즈를 줄일 수 있는 일반적인 팁'에 대해서는 다음 수다에서 다루자.
