Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
노이즈 감소 촬영법에 대해 생각해 보자. 노이즈를 줄이는 방법은 카메라 기기의 고유 성능의 영향을 받을 뿐만 아니라 카메라의 내장된 옵션 메뉴의 기능 선택 즉, 디노이징 또는 노이즈 리덕션 옵션을 선택하여 감소할 수 있고, 사후 후보정 프로그램에서 노이즈 리덕션 기능을 통해 수행할 수도 있다. 하지만, 촬영 시 기본적인 촬영 설정 단계에서 노이즈 발생을 미연에 대응할 수 있는 방법도 있는데, 이 방식의 원리와 효과에 대해서도 자세히 다루고 싶다. 지루한 디지털카메라 노이즈 연작 마무리를 위해 힘내 보자. 노이즈의 기본적인 이해와 관련해서 이전 수다에서 언급되었던 내용이 일부 반복될 수밖에 없는 점은 유감이다.
▶ 광자 샷 노이즈 감소를 위한 촬영법 - 느린 셔터 스피드 설정, 장노출 / Long exposure
광자 샷 노이즈는 저조도 촬영 조건으로 이미지 센서 픽셀의 포토 다이오드에 포집되는 광자의 수 감소의 문제 즉, 광자의 수가 매우 적을 경우 통계상의 (오류) 변동이 유의미하게 이미지 결과물에 나타나서 광자 샷 노이즈가 발생한다. 따라서 이미지 센서 픽셀 포토 다이오드에 충분한 광자가 포집되도록 한다면 이 노이즈는 해결된다. 포토 다이오드에 충분한 광자의 포집이 가능하게 하는 방법 중 가장 효과적인 방법은 촬상면의 노광 시간을 확장하는 것이다. 즉, 셔터 스피드를 느리게 설정해서 촬상면 또는 픽셀의 포토다이오드에 포집되는 빛이 충분하도록 하여 노이즈 발생을 줄일 수 있다. (픽셀에 충분한 빛(광자)을 닫도록 증가시키는 대표적 방법이 수광률을 높이는 것과 장노출 두 가지 방법을 생각해 볼 수 있으며, 수광률에 대해서는 이전 여러 번 언급하였고 이미지 센서의 내부 구조의 영향을 받아서 사용자가 카메라의 조작만으로 조절하기는 불가능하다. 따라서 카메라 설정과 관련해서는 셔터 스피디 설정에 국한해서 알아보자)
셔터 스피드를 느리게 하는 것과 ISO 감도를 높이는 것은 노출이 부족한 촬영 조건에서 적정 노출을 확보하는 결과 자체는 동일할지 모르지만, 실제 결과물에서 노이즈 발생 정도에 확연한 차이를 보인다. 느린 셔터 스피드의 설정 즉, 장노출 촬영은 포토 다이오드에 포집되는 광자의 수를 증가시켜서 적정 노출을 확보하는 방법이고, ISO 감도를 높이는 것은 이미지 센서가 빛에 반응하는 민감도(감도, sensitivity)를 증가시킨다. 이를 달리 표현하면 빛에 더 빠르게 반응하도록 하는 것이다. 따라서 ISO 감도를 높이는 촬영 설정 만으로 픽셀(포톤 다이오드)에 포집되는 광자 수 자체에는 아무런 변화가 없고 포집된 광자를 통해 얻은 전기 신호를 증폭하는 것에 지나지 않으며 결과적으로 광자의 양에 대한 데이터(전기 신호, 실제에서는 전압) 증폭하는 방식이고 이와 동시에 광자 샷 노이즈도 동일하게 증폭된다. 따라서 저조도의 조건으로 인해 발생한 광자 샷 노이즈와 정상적인 빛 신호 정보의 발생 비율의 변화를 가져오지는 않는다. 다시 말해서 ISO 감도 변화는 광자 샷 노이즈로 인한 SNR (signal to noise rate), 신호대 잡음비는 그대로 유지되므로 광자 샷 노이즈 발생 문제는 해결되지 않고, ISO 감도 변화에 따른 증폭의 강도 변화로 증폭기 고유의 노이즈(판독 노이즈)는 일정 증가하므로 결과적으로 장노출 촬영에 비해 고감도 ISO 설정 선택은 노이즈가 많이 발생한다.
- 느린 셔터 스피드 /장노출 촬영법이 야기하는 문제들
느린 셔터 스피드의 선택 즉, 장노출 촬영법은 광자 샷 노이즈 문제를 해결하는 가장 기본적이고 효과적인 방법임에 의심의 여지는 없다. 따라서 어두운 실내 촬영이나 야간, 특히 밤하늘의 별 등을 촬영할 때 매우 효과적이며 사진가들에게서 가장 우선적으로 고려되는 촬영법이라 할 수 있다. 하지만, 느린 셔터스피드는 움직이는 물체의 궤적, 모션 블러 문제에서 자유로울 수 없다. 움직이는 피사체의 궤적을 시각화하는 독특한 표현이 가능하지만, 피사체 자체의 선명한 표현에서 장노출 촬영법은 느린 셔터 스피드로 인해 가지는 한계가 분명히 존재한다. 특히, 영상 녹화 등에서는 일정한 프레임 레이트(FPS) 유지가 필요하므로 셔트 스피드 선택에서 제한적이므로 영상에서 장노출 촬영으로 노이즈를 억제하는 방법은 '득 보다 실이 많다.'
그리고 느린 셔터 스피드의 장노출 촬영에서는 암전류 노이즈 -Dark current noise- 가 발생하기 쉽다. 이는 광자 샷 노이즈와는 다른 발생 원인의 그리고 시각적인 발현 형태도 다르다. (암전류 노이즈는 salt & pepper noise 형태를 보인다) 암전류 노이즈는 열 발생과 관련이 깊어서 발열로 인한 노이즈라고 할 수도 있겠다. 다행스럽게도 노이즈 리덕션 (주로 메디언 필터) 기능으로 노이즈의 사후적인 제거/억제가 꽤 수월하게 이루어진다. 카메라 내 촬영 옵션에 장노출 노이즈 리덕션 기능을 활성화하거나, 사후 후보정 프로그램에서 제거가 잘 이루어진다.(노이즈 리덕션의 적용 과정에서의 디테일 저하가 일부 발생한다)
▶ 판독 노이즈 감소를 위한 촬영법 - "오른쪽으로 노출하라" / "Exposure to the right"
'오른쪽으로 노출하라'는 히스토그램과 관련이 있다. 즉, 히스토그램은 좌측은 어두운 영역/암부, 우측은 밝은 영역/명부를 의미하므로 이는 가능하면 촬영하려는 영역의 가장 밝은 부분이 클리핑 되지 않는 범위(가장 밝은 영역이 DR을 초과하지 않는 범위) 내에서 밝은 쪽(오른쪽)으로 노출 설정하여 촬영하라는 의미라고 생각한다. 달리 표현하면 정상 노출보다 일정 단계 밝은 과노출 설정 촬영법이라 할 수 있다. 이는 디지털 이미지 프로세싱의 특이한 설정법 중 하나로 일컬으며 종종 해외 사진 관련 촬영법에서 노이즈 대응법으로 심심찮게 언급되는 내용이다. 실제 디지털 이미지 노이즈를 억제하는 방법으로 제법 효과적인 방법이 될 수 있다. 하지만, 항상 모든 조건에 들어맞는 효과적인 방법이라고 하기엔 석연찮은 점도 있다. 한 걸음 더 들어가 보자.
"오른쪽으로 노출하기"의 가장 핵심은 히스토그램 상 왼쪽(어두운 영역/암부)의 데이터 정보를 좀 더 오른쪽 (중간 밝기 지역과 밝은 영역)으로 이동시켜서 어두운 영역에서 발생하는 노이즈 발생을 회피하는 방법이라고 할 수 있다. 이 방법으로 다양한 요인의 모든 노이즈를 억제할 수 있는 만능의 방법은 아니지만, 일반적인 촬영 조건의 대부분에서 암부 노이즈가 제일 쉽게 눈에 띄고 발생 빈도도 높다는 점을 감안하면 제법 효과적이다. 하지만, 엄밀하게는 단지 어두운 영역/암부에서 발생하는 노이즈 회피의 촬영 팁이라고 할 수 있다. (어두운 영역에 집중해서 발생하는 노이즈는 주로 판독 노이즈와 관련 있고 판독 노이즈의 발생원인에 대해서는 아래에서 간략히 언급하겠지만, 보다 자세한 내용은 이전 포스팅을 참고하자)
그렇다면 암부의 노이즈 즉, 판독 노이즈가 빈번히 발생하는 조건은 어떤 경우일까. 이전 디지털카메라 노이즈 관련 수다에서 여러 번 언급했듯이 판독 노이즈는 증폭기 고유의 노이즈이고 증폭 강도가 증가할수록 판독 노이즈 또한 증가한다. 증폭 강도가 증가하는 경우는 ISO 감도를 고감도로 설정하는 경우다. 저감도 ISO에서는 증폭이 이루어지지 않거나 미약하므로 판독 노이즈 / 암부의 노이즈는 억제된다. 따라서 "오른쪽으로 노출하라"가 의미를 가지기 위해서는 고감도 ISO 촬영 일수록 유의미한 판독 노이즈 억제 효과가 있고, 저감도 ISO 설정 촬영에서는 그리 큰 노이즈 감소를 기대하기는 어렵지 싶다.
- 오른쪽으로 노출하라는 노이즈 감소에 효과적인가?
"오른쪽으로 노출하라"는 초창기 디지털카메라, 특히 고감도 ISO 설정에서 노이즈에 발목이 잡혀있던 시기의 카메라, 더구나 최저의 판독 노이즈 억제에 한계가 있었던 보급형/콤팩트 디지털카메라 또는 모바일 기기용 카메라 모듈에서는 매우 효과적인 노이즈 억제 촬영 팁(TIP)이 되리라 생각한다. 판독 노이즈는 ISO 감도를 높여서 어두운 영역에 노이즈가 두드러지는 단점이 있었고 이를 회피할 수 있는 촬영법으로 필름을 촬상 소자로 사용할 때와는 다른 디지털카메라만의 어두운 영역/암부 노이즈에 대응하는 노출법이다. 단, 노이즈가 정규 분포(푸아송 분포)를 보이는 광자 샷 노이즈나 기타 암전류 노이즈, 리셋 노이즈, 양자화 노이즈 그 외 유니폼 노이즈 유형을 감소시키는 데는 별 효과를 기대하기 어렵다.
최근의 카메라에도 효과적인 방법일까? 카메라의 노이즈 발생 정도는 이미지 센서와 이미지 프로세싱 과정의 설계, 적용 기술에 따라 각 제조사별 또는 제품별 차이가 발생할 것이지만, 대체로 최근에 출시된 카메라 기능에 중점을 둔 렌즈 교환형 카메라에서는 저감도 ISO 설정에서 판독 노이즈는 매우 잘 억제되는 편이고 카메라에서 선택 가능한 기본/표준/상용 감도 또한 꽤 큰 폭으로 개선되었으며, 일정 수준의 ISO 감도 증가 시에도 노이즈 억제력은 이전 세대의 카메라에 비하면 매우 뛰어나서 굳이 정상 노출값에 일정 보정 치를 더해서 오른쪽으로 치우쳐 노출할 이점이 있나 의구심이 드는 것이 사실이다. 하지만, 노출 부족보다는 약간의 과 노출이 제일 밝은 영역에서 클리핑이 발생하지 않는다면 고감도 ISO 설정 촬영에서 암부의 판독 노이즈를 줄이는 효과는 긍정적으로 생각한다.
촬영 프레임의 데이터가 다이내믹 레인지/DR 범위에서 가장 어두운 영역에 해당하는 정보가 있고 상대적으로 가장 밝은 영역은 비어 있으면서 정상 노출로 인식되는 아주 일부 경우에만 '오른쪽으로 노출하라'는 의미가 있지 않을까? (히스토 그래프의 예를 들어 설명하면 간단할 텐데 글로 풀어서 설명하려니 쉽지 않다)
오른쪽으로 노출하라가 근래 자주 언급되는 경우는 '영상 촬영에서 사용되는 로그(LOG) 등의 프로파일 모드를 선택할 때'인 듯하다.
▶ Log 프로파일 모드로 촬영된 화상에서 "오른쪽으로 노출하기"의 효과
로그 프로파일과 관련한 수다에 앞서 꼭 짚고 넘어가고 싶은 점이 있다. 이전 수다에서 LOG 프로파일에 대해 다루었지만, 종종 Log 프로파일이 색보정을 용이하게 하기 위한 모드 정도로 엉뚱하게 이해하는 경우가 많은 것 같다. Log는 DR 확보를 위한 방법이며, 원래 설정/가능한 DR 이상의 정보를 표현하기 위한 꼼수?를 사용하다 보니 색채 정보가 정상적으로 표현되지 않는 것(정확하게는 색도와 명도가 더해져 색채/색감을 이룬다고 할 수 있는데 DR 확보를 위해 대수(log) 함수를 대응한 감마 보정이 로그의 실체이며 이는 '색도 정보는 그대로 변함없고 명도 정보만 로그화하므로 색채/색감이 옅어지고 정상적인 색 재현에 문제가 발생한 것이다)이며, 따라서 색 보정이 필요한 불완전한 상태로 저장된 것에 불과하다. 물론 이런 불완전한 색채로 인한 옅은(물 빠진) 색채/색감을 선호하는 문제는 개인적인 취향의 문제이므로 별론으로 하더라도, 로그 프로파일로 촬영하면 색 보정이 더 유리하다는 견해는 전혀 사실과 부합하지 않는다. '색 보정이 필요한'을 '색 보정을 위한'으로 오독/오해한 것이지 싶다.
로그 픽처 프로파일(Log PP)의 이해 그리고 F-log에 대하여 / Understanding Log Picture Profiles (Fujifilm F-log)
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- Log 프로파일에서의 암부 노이즈 문제
Log 프로파일 모드에서는 DR 확보를 위해서 기본 설정에서 ISO 감도가 일정 수치( ISO 800 또는 1600 등) 이상으로 높아진다. 고감도 ISO에서 판독 노이즈 발생이 증가하므로 특히 어두운 영역의 노이즈가 증가할 여지가 크다. 더구나 Log 프로파일은 확장된 DR 정보를 후반 작업에서 재생 디스플레이 장치의 DR 조건에 적합하도록 명도의 재조정과 색 보정하는 작업을 필요로 한다. 현재의 일반적인 LCD 디스플레이 장치의 DR은 DR은 10 stop을 넘지 않으므로 10 스탑을 초과하는 다이내믹 레인지로 촬영된 로그 프로파일 데이터는 이에 맞도록 재조정하는 과정에서 명부의 밝기는 좀 더 어둡게, 암부의 데이터는 좀 더 밝게 (톤) 보정할 수밖에 없는데, 이때 어두운 영역의 보정 과정에서 암부의 노이즈(주로 판독 노이즈에 해당)가 시각적으로 불거지는 문제가 야기된다.
이는 엄밀하게 말하면 로그 프로파일의 단점이라고 할 수는 없지 싶다. 현실적인 디스플레이 장치의 SDR(Standard dynamic range) 환경에 의해 발생하는 문제이며 HDR 고화질 디스플레이 장치에서 재생하는 조건이라면 암부를 다시 들어 올리는 후반 보정이 불필요하므로 문제점은 부각되지 않을 것이다. 현재 일반적인 디스플레이의 DR이 최대 10 stop 수준(SDR)에도 머물러 있는 상황에서 이를 초과하는 확장된 DR(HDR) 정보를 기록한 화상 데이터를 현재의 디스플레이 장치에 모두 구겨 넣어서 표현하는 과정에서의 부조화 문제라고 생각한다. 따라서 현재 SDR 디스플레이 장치에서 구현되는 log프로파일, 또는 이미지의 Raw로 촬영되어 적절하게 보정된 화상이라고 하더라도 보다 넓은 다이내믹 레인지(HDR) 화상을 데이터를 기존의 SDR 디스플레이 장치의 DR 범위에 변형?(구겨 넣어)하여 보여주는 형태에 불과하고 이 과정에서 옅어지는(흔히 Flat으로 표현하기도 하는데 '생기가 없는' 정도의 의미인 듯하다. 하지만, 적절한 표현인지는 잘 모르겠다) 색채/색감 문제, 즉, 대비와 채도를 후보정으로 일정 보완/보충하는 방법이 흔히 Log 프로파일 모드 화상의 필연적으로 요구되는 후반 색보정이라고 할 수 있다. (이 과정에서 편집자의 감각적인 색 보정 완성도에서 차이가 발생할 수 있고 감각적인 색감으로 현실적인 색과는 또 다른 묘사로 눈길을 끄는 경우가 있는데, 이를 확대 해석해서 Log 프로파일 모드가 "후보정을 위한?"이라고 착각하는 것이라 생각한다. 물론 흔히 색감이나 톤이라 언급하지만 엄밀하게 따지면 색감/색채는 색도와 명도가 뒤섞인 복합적인 것이므로 색 이외에도 넓은 DR-넓은 명도 범위와 단계의 표현-이 주는 이점이 상당 부분 공존하지 싶다)
따라서 상대적으로 고감도의 ISO 설정일 수밖에 없는 로그 프로파일 모드로 촬영된 영상 데이터를 다시 SDR 디스플레이에 적합하도록 환원하는 과정에서의 어두운 영역을 더 밝게 톤 맵핑(암부 들어 올리기)하는 과정에서의 암부 노이즈(판독 노이즈)가 눈에 띄게 드러나는 것을 방지하기 위해서 밝은 영역이 클리핑(clipping) 되지 않는 범위 내에서 약 2 stop 정도 오른쪽으로 노출하는 것이 사후 보정에서 암부 노이즈가 쉽게 드러나는 것을 방지할 수 있다는 것이 핵심적인 내용인 듯하다. 이는 일응 암부 노이즈를 줄이는 효과가 있어 보인다. 하지만, 이 방법이 Log 프로파일 모드의 실제 사용 이유 등 전체적인 평가에서 과연 효과적인가? 에 대해서는 제대로 따져봐야 하지 않을까?
- Log 프로파일 모드에서 노출 +2 stop 설정의 실효성에 대하여
먼저, 왜 Log 프로파일 모드로 촬영하는가에 대해 생각해 보자. 일반적인 모드보다 더 확장된 다이내믹 레인지를 확보가 Log 프로파일 모드의 존재 이유인데, 정상 노출에서 2 stop 오른쪽으로 노출하면 2 stop 만큼의 DR을 희생하는 결과가 되지 않을까. 일반 모드의 DR이 최대 10 스탑이고 Log 프로파일 모드로 얻을 수 있는 DR이 최대 14 스탑 정도라면 2 스탑만큼 오른쪽으로 노출해서 얻을 수 있는 DR 증가는 최대 12 스탑 정도에 그치지 않을까. 2 stop 정도의 DR 확장을 위해서 Log 프로파일 모드를 고집해야 할 실익이 있을까. 그리고 14 스탑이 아닌 12 스탑에 머문 DR 확장으로 이를 다시 SDR 디스플레이 환경에 맞도록 확장된 DR을 기존 SDR 범위로 욱여넣은 후보정 과정에서도 당연히 줄어든 DR만큼 암부의 적게 톤 맵핑(들어 올리기?)하므로 노이즈는 눈에 띄지 않게 되지 싶다. 즉, 다시 말해 넓은 DR로 인해 야기되었던 문제가 DR 확장 폭이 줄어들었으니 앞에 언급했던 단점이 크게 드러나지 않는 결과라고 할 수 있지 않을까.
Log 프로파일 모드는 DR과 관련해서 하드웨어의 한계를 극복하는 소프트웨어 해법으로 매우 효과적이고 기술적인 해법이라고 생각한다. 하지만, 앞에서 언급했듯이 HDR 디스플레이 환경이 아닌 현재의 가장 일반적인 SDR 디스플레이 환경에 이를 환원? 하는 과정에서의 부조화 문제로 암부 노이즈가 두드러져 보이는 문제 또한 가지고 있다. 다시 한번 더 언급하지만, HDR 디스플레이에서 재생하는 환경이라면 (어두운 영역의 노출을 들어 올리는 후반 보정이 필요하지 않을 것이므로) 암부의 노이즈가 문제 될 소지는 크지 않게 된다. 따라서 로그 프로파일 모드로 촬영된 이미지의 암부 노이즈가 보정 시에 두드러지는 것은 Log 프로파일 자체의 문제라고 단정 지어 말하는 것은 log 프로파일 입장에서는 조금 억울한 평가다. 달리 표현하면 확장된 DR의 이미지 데이터를 감마 곡선의 대수 함수를 대입한 해법이 log 프로파일 모드이고, 이 확장된 DR의 이미지 데이터를 다시 좁은 DR(SDR)의 출력 장치에 넓은 DR 이미지 데이터를 암부와 명부의 데이터 손실을 최소화하여 재생하기 위한 꼼수?(후보정)가 다시 얽히면서 암부의 노이즈가 드러나는 것이다. 이를 해결하기 위해 다시 2 stop 오른쪽으로 노출하는 꼼수? 의 연속이 과연 효과적일 수 있을까.
모든 카메라에 해당하는 것은 아니지만, 최근 영상 기능이 강화된 디지털카메라에서 다양한 감마 곡선과 이에 적합하도록 조정된 색 영역을 선택할 수 있는 특화된 모드(스틸 이미지는 Raw로 대응 가능하므로 주로 영상과 관련된 프로파일 모드)들이 존재한다. 일례로 (SDR의 표준 감마 곡선에 해당하는 H. 709와 log 프로파일 모드의 중간 정도에 해당하는) '하이퍼 감마 곡선(커브)이 적용된 시네마 프로파일 모드'로 어느 정도 DR 확장 효과를 얻을 수 있고, 로그 프로파일에 비해 상대적으로 낮은 ISO 감도 설정이 가능한 점도 있다. 따라서 촬영 조건이나 촬영자의 판단에 따라 DR 확장이 무엇보다 중요할 때는 Log 프로파일 모드를 선택할 수 있고, 어느 정도의 DR 확장과 상대적으로 저감도의 ISO 선택 이점, 그리고 색 재현력의 문제 등을 감안하여 하이퍼 감마 커브의 '시네마 프로파일 모드' 등을 선택할 수도 있겠다. (SDR 디스플레이 환경에서 재생될 것을 전제로 촬영할 때에서 소니의 경우, Cine2 또는 Cine4 등의 프로파일 모드를 선호하여 사용하지 싶다)
촬영 시에 환경이나 조건, 촬영자가 의도한 효과, 녹화된 영상의 사용 목적 등이 모두 다를 것이고, 카메라의 종류나 특성에 따라 효율적인 모드 또한 모두 같지 않으므로 일률적으로 어느 모드가 적합하다고 말하는 것은 타당치 않다고 생각한다. 이거 하나면 모두 해결되는 만능의 옵션이나 설정이 없는 것이 사진이나 영상 촬영에서의 어려움이자 묘미가 아닐까. 답이 없다기보다는 해답은 아주 많이 존재하지만, 스스로 판단해서 자신이 가지고 있는 장비나 촬영 여건에 맞는 해답을 구할 수밖에 없다. 자신이 직접 고민해야 하고 주어진 조건, 촬영 여건, 목적 등을 모두 감안하여 스스로 판단하여야 하지 않을까 싶다.
