Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
이번에는 ISO 감도와 관련된 노이즈, 다이내믹 레인지 등에 대해서 알아보자. 이들은 카메라의 사양이나 성능과 관련하여 자주 언급되지만, 서로의 상관관계에 대해서는 잘 알려지지 않은 듯하고 이에 크게 관심도 없지 싶다. ISO 감도나 다이내믹 레인지를 결정하는 요소는 디지털카메라의 노이즈와 관련이 깊어서 이쯤에서 다루는 것도 좋겠다. 연작 수다가 되어버린 노이즈의 발생 원인과 종류, 노이즈 리덕션의 원리 등 이전 포스팅을 먼저 참고하는 것이 도움이 되지 싶다.
▶ ISO 감도와 노이즈
ISO 감도를 높이면 노이즈가 증가한다. 하지만, 이는 좀 더 깊이 있게 들여다보면 ISO 감도를 변경에 따라 이미지 센서 픽셀에서의 전기 신호 증폭에 직접 연관되어 증가하는 노이즈가 있고, 이와는 관련 없이 노이즈가 발생할 수밖에 없는 여건 (저조도의 촬영 조건, 장노출 노이즈 등)으로 인해 증가하는 노이즈로 구별할 수도 있다. 즉, ISO 감도와 노이즈의 증감 관계는 일응 당연히 연관되어 있어 보이지만, 이를 단순하게 ISO를 높여서 노이즈가 증가하였다고 이야기하기에는 조금 석연찮은 면이 있다. 한 걸음 더 들어가 보자.
이전의 '노이즈 발생 원인과 종류'의 제목의 수다에서 언급했듯이 이미지 노이즈의 대표적인 두 종류는 '광자 샷 노이즈(Photon shot noise)'와 판독 노이즈(read/readout noise)다. (그 외 암전류 노이즈-Dark current noise-나 리셋 노이즈 - Reset noise- , 양자화 노이즈 등이 있지만, 여기서는 두 개의 대표적인 그리고 비교하기 좋은 두 개의 노이즈에 대해서 주로 다루고 암전류 노이즈에 대해서는 간략히 언급만 하자) 각각의 노이즈 발생 조건에 대해 구분해서 알아보자.
- 광자 샷 노이즈 (Photon shot noise)
광자 샷 노이즈는 저조도 촬영 조건으로 이미지 센서 픽셀의 포토 다이오드에 포집되는 광자의 수의 문제 즉, 광자의 수가 매우 적을 경우 통계상의 편차가 커지고 이는 부정확한 데이터가 되면 결과적으로 유의미한 이미지 결과물에 시각화되어 광자 샷 노이즈가 발생한다. ISO 감도의 변화는 신호와 노이즈를 함께 증감시키므로 광자 샷 노이즈에만 한정할 경우의 노이즈 발생 정도의 변동(SNR-신호대 잡음비)은 거의 없다고 할 수 있다. 다시 말하자면, 광자 샷 노이즈는 포토 다이오드에 포집되는 광자의 수가 적은 저조도가 원인이므로 피사체의 조도에 변화가 없는 카메라에서의 ISO 증감만으로 광자 샷 노이즈가 증가하거나 줄어드는 것은 아니다.(광자샷 노이즈 이외의 판독 노이즈는 증가한다) 즉, 빛이 충분한 촬영 조건 다시 말해 포토 다이오드에 포집되는 광자가 충분하다면 ISO 증감에 따른 광자 샷 노이즈는 거의 차이를 보이지 않을 것이다. 그리고 저조도 촬영 조건에서 장노출 등의 방법으로 포토 다이오드에 충분한 광자가 포집되도록 한다면 광자 샷 노이즈를 확연하게 줄일 수 있다.(단, 장노출로 인한 암전류 노이즈 등이 증가할 개연성은 크다)
- 판독 노이즈 (Read out noise)
증폭기 고유의 노이즈라 할 수 있는 '판독 노이즈'는 ISO 감도 증감으로 인해 직접 영향을 받는다. ISO 감도 조절은 증폭 작동의 세기 변화를 의미하며, 증폭이 높아질수록 즉, ISO 감도를 높일수록 증폭기 고유의 노이즈는 증가한다. 판독 노이즈는 이미지의 어두운 영역(암부)에서 주로 발생하므로 ISO 감도를 높일수록 암부의 노이즈는 증가한다. 하지만, ISO 감도를 2배 증가한다고 해서 동일하게 2배로 증가하는 것과 같이 증폭률과 직접적인 비례는 아니다. 즉, 신호의 증폭 이후에 발생하는 노이즈이므로 판독 노이즈는 증폭기의 증폭 배율이나 정도와 상관없이 증폭기 고유의 노이즈이며 판독 노이즈의 증가율과 증폭기의 증폭률은 일정 정수의 배로 증감하는 것은 아닐 테다. (따라서, 낮은 감도 ISO에서 1 step 간의 노이즈 증가는 크지 않지만, 고감도 ISO에서 1 step 증가에 따라 노이즈가 눈에 띄게 증가한다. 증폭기의 설계와 성능에 따라 다양한 증가 비율을 보이지 싶다.)
정리하자면, 광자 샷 노이즈와 판독 노이즈의 가장 구별되는 특징 중 하나로 ISO 감도를 높였을 때의 변화를 들 수 있겠다. 광자 샷 노이즈는 신호의 증폭과는 상관관계가 없으므로 감도를 높인다고 하여도 노이즈 증감에 영향을 크게 받지 않지만, 판독 노이즈는 ISO 감도가 높아질수록 고유의 증폭기 노이즈 또한 증가하므로 ISO 감도 증감에 따라 영향을 크게 받는다. 하지만 일반적인 사용에서 저조도에서 고감도 ISO로 설정하는 경우가 일반적이므로 ISO 감도가 높아질수록 노이즈가 증가한다고 해도 결과에서 큰 차이는 없다. (왜 이렇게 구구절절 구분하려는 이유에 대해서는 아래에서 다시 다루자)
▶ ISO 감도와 다이나믹 레인지 (Dynamic range)
거의 대부분의 상용 카메라에서 ISO 감도를 높이면 다이내믹 레인지가 감소한다. 이 원인은 바로 앞에서 언급한 판독 노이즈의 영향이라고 할 수 있는데, ISO 감도를 높일수록 어두운 영역(암부)의 판독 노이즈가 증가하고, 암부 노이즈의 증가는 이미지의 가장 어두운 영역의 디테일을 구분할 수 없게 한다. 결과적으로 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 영역을 의미하는 다이내믹 레인지는 고감도 ISO로 갈수록 감소한다.
따라서 ISO 감도의 증가에도 DR이 좁아지는 문제를 해결하기 위해서는 '판독 노이즈' 즉, '증폭기 고유의 노이즈'를 최대한 억제할 수 있는 설계 기술이 요구된다.
빛이 충분한 상황에서 ISO 감도를 높여서 촬영했다고 아쉬워하는 경우를 주변에서 종종 보게 되는데, 사실, 일상의 평이한 용도의 사진이라면 그리 큰 문제는 없지 싶다. 결과물은 어두운 영역의 노이즈(판독 노이즈)가 더 증가하였을 것이고, 다이내믹 레인지가 좀 줄어들었을 것이다. 하지만, 이를 체감하기에는 쉽지 않다. ISO 감도가 높은 만큼 셔터 스피드의 선택이나 조리개 설정에서 이점이 있으므로 ISO 고감도 설정에 그리 인색할 이유는 없지 싶다. 하지만, 넓은 다이내믹 레인지가 필요한 자연 풍광이나 도시 야경 등의 촬영이라면 다른 조건이 모두 동일하다면 낮은 ISO 감도 선택을 통 넓은 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 화질 측면에서 더 좋은 것은 당연하다.
▶ 듀얼 네이티브 ISO 시스템 / Dual native ISO (Dual conversion gain) system
비교적 최근에 시네마 카메라나 영상 특화용 카메라의 상용 제품에 적용되기 시작한 기술로 조금 생소한 면이 있다. 복잡하게 설명할 수도 있겠지만, 최대한 간명하게 다루자. 최신 기술이나 개념은 자세히 다루다 보면 밑천이 금방 드러나서 망상이나 억측의 빈도가 높아지고 실제 사실과 뒤섞여서 더 애매해지는 경우가 많았던 것 같다.
디지털카메라는 다양하고 광범위한 조도 조건에서 정상적인 이미지 촬영이 가능하도록 만들어져야 하고 이런 폭넓은 사양이 곧 성능을 평가하는 주요 요소가 되어왔다. 따라서 필름 카메라의 초창기 시절부터 렌즈/광학계의 경우 최소 조리개 값은 회절 등의 문제로 한계가 있으므로 최대 개방 조리개 값에 (한편으론 필요 이상으로 지나치게) 집착하는 경향이 있고, 셔터 스피드 또한 최장 노출을 위한 느린 스피드에서는 벌브 모드의 한계가 있으므로 최고 셔퍼 스피드 성능에 집착하며 카메라 성능을 대변하는 잣대로 심심찮게 언급되기도 했다.
필름에서 이미지 센서로의 전환 즉, 디지털 카메라 시대가 된 이후에도 사양/스펙을 따지는 유구한 전통? 은 여전한데, 거기에다 몇 가지가 디지털 요소가 더 덧붙여져 복잡해진 듯하다. 그 대표적인 것이 이미지 센서의 고화소화 경쟁, 그리고 최고 연사 속도 등등 이 추가되곤 하는데, 최근에 눈길을 끄는 부분 중 하나가 사용 가능한 '고감도 ISO'의 사양 경쟁이지 싶다. 사용 가능한 최고 상용/기본 감도과 확장 감도는 최근 신제품이 출시될 때마다 갱신되는 듯한 느낌을 받게 된다. (ISO 감도에는 기본(표준/상용) 감도와 확장 감도로 나뉘기도 하는데 여기서는 이미지 센서 픽셀에서 증폭이 일어나는 기본 감도에 한정해서 다루자. 사실 확장 감도는 편의상 기능의 하나이고 이미지의 화질에 실제 기여하는 바는 그리 크지 않아서 굳이 따로 언급하지 않아도 되지 싶다)
사용 가능한 최고 감도의 확장, 특히 상용/기본 감도의 확장은 ISO 감도 증가만큼 이미지 센서에서 증폭(amplification)이 강하게 이루어지는 것을 의미하고 넓어진 ISO 감도만큼이나 고감도에서 노이즈 (특히, 판독 노이즈)에 대해서 쉽게 눈에 띄므로 이를 억제하기 위한 노력 또한 필요할 수밖에 없다. 이런 고민에 대응한 기술적인 해법 중 하나가 듀얼 네이티브 ISO 시스템이라고 생각한다. 이는 특히 영상 촬영에서 더 요구되는데 이유는 (스틸 이미지는 극단적인 저조도에서 장노출 촬영을 통해 노이즈에 대응이 가능하지만,) 움직이는 피사체의 영상 등에서 자연스러운 동작 표현 즉, 모션 블러를 일정 수준으로 유지하기 위해서 적절한 프레임 레이트(FPS)를 유지해야 하므로 셔터스피드 설정에 제한이 많을 수밖에 없고 결과적으로 고감도 ISO 설정으로 영상 촬영할 여지가 크다. 따라서 시네마 카메라 또는 영상 특화용의 카메라에서 듀얼 네이티브 ISO 시스템이 적용된 이미지 센서의 이점이 있다.
듀얼 네이티브 ISO 또는 Dual conversion gain 시스템 원리는 그리 어렵지 않다. 일반적인 이미지 센서가 기본 감도 내에 기준이 되는 감도를 기준으로 낮은 ISO 감도와 높은 ISO 감도에 모두 대응하게 만들어지는데, 이미지 센서 설계에서 기준이 되는 감도가 ISO 800이라고 가정한다면 이를 기준으로 저감도 ISO에서는 증폭이 일어나지 않으므로 노이즈의 변화는 아주 미미하다고 할 것이다. 하지만, 고감도 ISO로 갈수록 더 높은 증폭(Amplification)이 이루어지고 노이즈는 고감도로 갈수록 비례해서 증가할 수밖에 없다. 이에 대한 해법으로 듀얼 네이티브 ISO 시스템은 또 다른 증폭기(이미지 센서 픽셀에 또 다른 용량의 캐퍼시터(capacitor)와 스위치를 추가하는 방식)를 추가하여 듀얼로 구성하는 방식이다. 즉, 예를 들자면 하나의 픽셀에 기준 설정이 ISO 800인 증폭기와 ISO 3200로 기본 설정이 다른 증폭기 두 개를 선택적으로 활용해서 저감도 ISO에서는 상대적으로 낮은 감도 기준으로 설정된 증폭기를 사용하고 고감도 ISO(예를 든 경우에는 ISO 3200 이상의 ISO)에서는 상대적으로 높은 감도 기준의 증폭기 사용을 통해서 (상대적으로) 낮은 수준의 증폭로도 고감도의 ISO의 화상을 얻을 수 있다. 낮은 수준의 감도 증폭은 낮은 (판독) 노이즈의 결과로 이어지는 것 또한 당연하다.
현실적인 Dual native ISO system의 장/단점을 따져 보자. 장점은 고감도 촬영에서의 노이즈 감소와 화질 개선(DR 확장)을 기대할 수 있다. 단점은 이미지 센서의 설계/제조가 복잡하고 제조 가격이 증가할 수밖에 없으며 결과적으로 제품의 가격이 높아질 수밖에 없지 싶다. 그리고 노이즈 감소 또한 증폭 과정에서 발생하는 판독 노이즈에 한정되고 광자 샷 노이즈나 기타 다른 원인으로 발생하는 노이즈에 감소 효과는 기대하기 어렵다. 그리고 노이즈 감소나 DR 확장 등의 개선이 일정 ISO 감도 이상의 고감도 ISO 설정에서 기대할 수 있고, 그 이외의 저감도 촬영에서의 개선점이나 이점은 기대하기 어렵다. 앞의 예를 든 경우를 가정하자면, ISO 3200 이상의 고감도 촬영에서만 어느 정도 이점이 있다.(실제 듀얼 네이티브 ISO는 제품별로 설계자의 의도에 따라 기본 값에 차이가 있지 싶다) 즉, 사용자의 촬영 방식이나 스타일에 따라 장점이 극대화될 수도 있고, 고감도 ISO 촬영이 없다면 전혀 무쓸모의 경우도 예상할 수 있겠다.
▶ 디지털 카메라에서 노이즈와 다이내믹레인지(DR)의 상관관계
디지털카메라에서 노이즈를 이해하기 쉽게 비유를 들어가면 수다를 이어가 보자. 카메라의 노이즈는 내연기관 자동차의 주행 소음과 비슷한 면이 있다. 자동차가 달리며 발생하는 소음에는 여러 원인이 있겠지만 주요 요소만 정리하면, 빠르게 달리는 속도의 풍절음, 노면 마찰음과 엔진 소음과 그리고 자동차 부속으로 인한 소음 등이 발생할지 싶다.
자동차의 주행으로 인해 발생하는 소음 중에서 풍절음과 노면과의 마찰 소음은 저조도의 조건일수록 증가하는 광자 샷 노이즈와 매우 비슷해 보인다. 자동차가 달리지 않는다면 발생하지 않을 소음이며 속도가 증가할수록 풍절음이나 노면과 타이거가 마찰하는 소음은 커진다. 자동차에서 이런 소음을 줄이기 위해 유선형(에어로다이내믹)으로 자동차를 설계하고 고성능 고무 타이어 사용하는 것은 카메라에서 이미지 센서 픽셀 전면에서 마이크로 렌즈를 사용하고 이면 조사형의 설계 등을 통해 수광률을 높여 광자 샷 노이즈 발생을 줄이려는 것과 유사한 해법이라고 볼 수 있겠다. 즉, 고속 주행의 결과로 발생하는 풍절음이나 타이어와 노면의 소음은 빠르게 달리지 않으면 발생하지 않는 것처럼, 광자 샷 노이즈도 저조도로 인해 발생하는 광자 포집의 절대적이 수치 부족을 장노출 등으로 이미지 센서에 조사되는 빛의 양을 충분하게 확보하는 방법으로 어느 정도 이를 완하 할 수 있다.
그리고 자동차 엔진 자체의 소음은 '판독 노이즈'와 비슷한데, 조용하지만 강력한 힘을 내는 내연 기관을 설계하기 위해서 자동차 엔지니어들이 노력하듯이 이미지 센서의 설계자 또한 판독 노이즈가 최대한 억제되면서도 증폭 성능이 좋은 센서를 설계하기 위해서 노력하지 싶다. 시동과 동시에 엔진이 작동하는 미세하지만 항상 기본적인 작동 소음이 발생하고 엑셀레이터를 밟을수록 RPM이 증가하고 엔지 소음이 커지는 것 또한 ISO 감도의 증감/증폭 정도에 따라 증폭의 강도 또한 달라져서 이에 영향을 받는 판독 노이즈와 한편으론 판박이라 생각한다.
자동차가 빨리 달리면 소음이 증가한다. 이 말은 타당해 보인다. 속도를 높이면 앞서 언급한 풍절음과 노면 마찰음도 증가하고, 빠르게 달리기 위해서는 엔진의 출력도 증가하여야 하므로 엔진 소음도 커질 것이다. 그렇다면 '엔진 출력을 높이면 소음은 증가한다'는 정의는 어떨까? 물론 엔진 소음은 증가할 것이지만, 만약 공회전으로 엔진 출력을 높였다면 '풍절음과 노면 마찰음'은 증가하지 않을 것이다. 따라서 속도를 증가시켰을 때 발생하는 소음은 풍절음과 노면 마찰음 + 증대된 엔진 출력 소음'이지만, 엔진 출력을 높였을 때 소음은 때로는 풍절음과 노면 마찰음이 제외되고 엔진 출력 소음만 증가할 때도 있지 않을까? 이를 앞에서 설명한 디지털카메라의 노이즈와 연관시키면 고감도 ISO 사용으로 노이즈가 증가한다는 것은 엔진 출력을 높이면 소음이 증가한다와 유사한 경우라고 할 수 있지 싶다. (이렇게 예를 든 것은 때때로 딱 맞아떨어지지 않는 경우의 수가 있음을 말하고 싶었다. 일반적인 경우 둘의 경우를 굳이 분리할 실익도 이유도 없다)
앞에서 예를 든 경우처럼 빛이 충분한 상황에서 실수로 고감도의 ISO로 설정하여 사진을 촬영한 경우는, 일정 속도를 달리기 위해 적절하지 않은 기어를 넣고 액셀레이터를 힘껏 밟아서 RPM을 증가시켜서 자동차를 달린 것과 유사하지 싶다.
듀얼 네이티브 iso 시스템은 자동차의 기어 변속 시스템과 유사하다. 예를 들어 전진 시 1단밖에 없는 자동차와 2단 변속이 가능한 자동차가 있다고 가정해 보자. 1단밖에 없는 자동차는 속도변화를 위해서는 엔진의 rpm(분당 회전수)에 의해서만 조절될 것이고, 고속으로 주행할수록 rpm 증가로 엔진 소음은 증가할 것이다. 2단 변속이 가능한 자동차는 저속 구간에서 1단 고속 구간에서는 2단 기어로 작동할 수 있어서 엔진의 rpm을 보다 효과적으로 활용할 수 있다. 즉, 고속 구간에서는 기어비를 높여 엔진의 rpm을 상대적으로 낮게 유지할 수 있을 것이며, 엔지 소음 또한 상대적으로 적게 발생할 것이다.
그 외, 자동차가 저속으로 주행 즉, 낮은 기어로 주행할 때 발생하는 특유의 저단 기어 진동이나 소음 등은 '암전류 노이즈'와 비슷하다고 할 것이고 자동차 자체 부속으로 인한 소음은 카메라 내부의 전자 회로의 간섭 등으로 발생하는 노이즈와 비슷해 보인다. 그리고 자동차의 전륜 후륜 또는 좌우의 무게 배분/밸런스 차이로 발생하는 소음이나 진동은 이미지 센서의 '리셋 노이즈'와 비슷하다 할 것이다.
이처럼 자동차의 소음도 주변 환경이나 주행 조건에 따라 발생하는 소음과 자동차 자체의 소음 등으로 구분되듯이 디지털 카메라의 노이즈 또한 다양한 요인으로 노이즈가 발생하므로 이를 구분해서 파악할 필요가 있고, 노이즈를 감소하기 위해서도 원인별로 각각에 적합한 방법으로 대응하는 것이 가장 효과적이다. 자동차 소음을 줄이기 위해서는 유선형의 설계나 엔진 자체의 작동 소음을 줄이고 차체 부속을 안정적으로 만들어 줄이는 방법 등이 1차적이고 그래도 발생하는 소음은 외부와의 적절한 차폐를 통해 또 한 번 더 줄이 듯이, 디지털카메라의 노이즈 리덕션 또한 이런 추가적인 노이즈 해소 방법에 해당하지 싶다. 즉, 노이즈의 1차적 해결은 노이즈의 발생 원인에 대해서 각각의 대응책을 마련하는 것으로 2차적으로는 어쩔 수 없이 발생한 소음을 제거/보완하는 방식이 디지털카메라의 노이즈 리덕션 기능에 해당한다고 생각한다.
비전문가 입장에서 기술적인 원리나 내부 알고리즘에 대해 언급하는 것은 부담스럽다. 아무리 자료를 부지런히 찾아도 저질 이해 수준과 사고 깊이에 한계가 있을 수밖에 없고, 단순히 자신이 이해하는 부분에 한정하거나 망상을 보태서 '아전인수'격의 결론에 도달하는 경우가 태반이기 때문이다. 그리고 실제 현업에 종사하는 종사자나 전문가라 하여도 세분화되고 다양한 분야의 기술이 어우러진 복잡하고 정밀한 디지털카메라에서 모든 기술을 꿰뚫어 이해하는 이가 얼마나 있을까 싶기도 하다. 전반적이 개괄적인 지식을 가진 사람이 카메라 총괄 책임자가 되지 않을까 하는 생각도 든다. 이런 관점에서 디지털카메라의 모든 기술적 문제를 알고 있는 '전지전능한 전문가'는 기술이 발전하고 다른 새로운 기술이 융합할수록 점점 희소해지지 않을까. 1인의 전문가가 모든 것을 알기에는 너무 세분화되고 복잡하며 알아야 할 것들이 너무 많아 보이고 기술은 하루가 다르게 발전하고 인간의 삶은 짧고 유한하다. 대략적인 흐름을 파악하고 있는 이도 한편으론 전문가라고 할 수 있는지는 모르겠지만, '전문가가 사라진 세상'에서 어설픈 수다쟁이 망상가가 활개 치는 것이 가능한 이유이지 싶다.
장황하게 수다를 이어 간 이유 또한 단순히 노이즈는 이미지 결과물의 노이즈만의 문제가 아니라 카메라의 전반적인 성능이나 사양을 결정하는 요소와 '상호 얽히고설킨' 관계로 영향을 미친다는 것을 이야기하고 싶었다. 그 대표적인 것이 노이즈 발생 정도 그리고 해상력/분해능, 선예도의 성능과 관련한 문제고 이에 연장해서 DR 성능, ISO 감도 설정에 따른 문제, 그리고 엉성하게나마 이런 문제에 대한 현재의 해법에 대해 다루고 싶었다. 이런 수다는 재미없고 고루해서 계속 이어갈 이유를 찾기 쉽지 않다. 이렇게 이유를 주절주절 늘어놓는 것 또한 스스로에게 블로그를 유지할 동기 유발이 잘 되지 않기 때문이기도 하다. 처음 마음먹었던 목표의 끝이 보이는 것 같아 힘을 내고 있지만 사실 삶에 이런 문제가 그리 중요하지 않은 곁가지에 불과한 일 아닐까 싶다. 의미 없는 일에 너무 골몰해서 중요한 것을 그냥 흘려보내고 있지 않은가 두리번거리게 된다. 조만간 마무리가 지어지면 지금과는 전혀 다른 즐거움을 찾아봐야지 하는 삿된 꿈을 꾼다.
