Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
가을이다. 이 즈음의 쾌적한 날씨는 출사에도 좋고, 책을 읽거나 사색을 즐기기에도 더할 나위 없이 좋다. 그간 3D 프린팅으로 잡동사니를 만드느라 외면했던 (사색을 빙자한 망상의) 수다를 이어가기에도 좋은 계절이다. 사진과 관련한 지엽적이고 사소한 주제에 대해 장황하고 한편으론 무쓸모의 수다이고, 이번 주제는 그동안 다른 내용을 다루면 몇 번 언급했던 바 있는 그리 참신하지 못한 주제이다. 사실 따지고 보면 별 것 없는 내용임에도 궁금해지는 경우가 종종 있으니 한번 더 별도로 다루어 한 걸음 더 자세히 들어가 보자.
디지털 미러리스나 DSLR 등의 디지털 카메라 전자 셔터 모드를 지원하는 제품이 늘어나고 있지만, 전자 셔터 모드에서 여전히 순간광 플래시 동조 기능이 제한되고 있다. (기본적인 내용을 대충 요약정리하면,) 최근의 디지털 카메라 이미지 센서는 CMOS 방식이고 대부분의 CMOS는 이미지 센서 상면의 픽셀 정보를 행 또는 종(대부분 기계식 셔터의 진행 방향과 동일한 종적 방향)의 순서로 순차적으로 읽어서 판독(Read out)하는 롤링 셔터 방식으로 작동한다. (글로벌 셔터와 롤링 셔터 방식 중 롤링 셔터에 한정한 내용이지만 대부분의 이미지 센서가 CMOS 롤링 셔터에 해당한다 - 보다 자세한 내용은 아래 링크를 참고하자) 판독 속도는 셔터 스피드와는 구별되어야 한다. 즉, 이미지 센서 상의 픽셀의 점멸 간격 조절을 통해 기계식의 셔터 스피드와 유사하게 노광 시간을 구현할 수 있다. 다시 말해, 셔터 스피드 설정은 픽셀이 켜졌다가 꺼지는(On/Off) 전기적 작동 제어로 작동하므로 판독 속도와 셔터 스피드 설정은 직접 연관되지 않지만, 판독이 완료되어야 비로소 한 장의 이미지에 해당하는 완전한 데이터 생성이 가능하고 따라서, 판독 속도는 연사 속도나 영상의 프레임 레이트의 최고 설정 등과 관련된다. 그리고 순식간에 점멸하는 전자 (순간광) 플래시 동조와 관련성을 가진다.
<카메라와 렌즈의 구조 32> 디지털 이미지 센서의 구조 II - 전자 셔터(글로벌 셔터와 롤링 셔터, 그리고 전자 선막 셔터 기능) / Degital image sensor II - Electronic shutter (Glob
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 디지털 이미지 센서의 구조에서 빼놓을 수 없는 부분이..
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▶ 디지털 카메라 이미지 센서와 판독 속도
전자 셔터 모드에서 순간광 플래시 동조 사용은 왜 제한될까? 기능적으로 불가능한 것일까? 아니면 제조사에서 막아 둔 걸까? 추측하는 해답부터 밝히면, 불가능한 것은 아니지만, 몇 가지 기술적인 문제가 있고 이를 해결할 수 있는 방법이 있지만, 굳이 그 필요가 크지 않고 이를 통해 얻을 실익이 거의 없기 때문이다. (구체적인 내용에 대해서는 아래의 다음 항목에서 다루자)
디지털카메라(정확하게는 롤링 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서를 사용하는 디지털 카메라)의 판독 속도는 이미지 센서를 통해 만들어지는 데이터의 용량 (이미지 센서의 픽셀(화소) 수/해상력, 파일 유형 등), 이미지 센서의 물리적인 크기(면적 또는 규격), 데이터 전송을 위한 회로/배선, A/D 전환 및 이미지 프로세싱 하드웨어의 성능 등의 영향을 받는다. 카메라의 사양이나 내부 하드웨어 성능에 따라 차이가 있겠지만, 거의 대부분의 DSLR/디지털 미러리스 카메라의 각기 설정 가능한 최고 화질 조건(RAW)에서 이미지 센서의 판독 속도는 1/20~1/30 sec 내외에 그치지 싶다. (판독 속도와 셔터 스피드는 전혀 다른 개념이다. 그리고 이 정도 판독 속도만으로도 매우 훌륭한 사양/성능이지 싶다)
"무슨 X 소리냐? 내 카메라는 동영상 FPS 설정에서 4K 60 fps 설정이 가능한데, 초당 60장의 이미지를 만드니 최소 1/60초 이내에 판독이 완료되는 것 아니냐"라고 반문할 수 있겠다.
이때의 판독 속도는 초당 60장 즉, 한 장당 1/60초 이상이 되어야 할 것이다. 하지만, 4K의 화질은 약 800만 화소 정도에 불과하고, 영상 코덱은 대표적인 손실 압축 포맷으로 스틸 이미지의 최고 화질과는 큰 격차가 있다. (더구나 영상의 코덱은 동일한 이미지의 변화 없는 연속적인 부분에서 매우 높은 압축 알고리즘을 사용하므로 동일한 해상도의 스틸 이미지와 비교하면 압축 알고리즘이 이 부분에 특화되어서 한 장 한 장의 이미지 데이터의 양은 매우 작은 편이다. 동영상 코덱의 압축 알고리즘에 대해서 정리할 자신이 없으므로 검색을 추천한다) 해상력과 화질을 좀 더 낮춘다면 초당 120장의 판독이 가능한 HD 120 fps 설정도 가능하다. 즉, 판독 속도는 여러 요소의 영향을 받는데 그 대표적인 것이 생성되는 이미지 데이터의 양에 영향을 받는다. (이미지 센서에서 픽셀 정보를 읽는 방식 중 '라인 스키핑이'나 '픽셀 비닝' 등도 판독 속도에 영향을 미치지 싶다. 그리고 이미지 데이터의 양과 질은 관련성이 있어서 양뿐만 아니라 질 영향을 받는다고 해도 결과에서 크게 다르지 않겠다)
판독 속도는 이미지의 화질이나 이미지 파일의 용량에 따라 변동적이므로 촬영 설정에서 이미지 화질(해상력 등)을 낮추거나, 선택하는 파일유형이나 코덱에 따라 다를 수 있고, 카메라 이미지 센서의 작동 범위를 조정/제한하는 설정(크롭 모드 등)으로 판독 속도가 달라지게 할 수 있다.
영상에서 화질을 평할 때, 단순히 해상력을 기준으로 화질을 평가하거나 촬영된 카메라의 이미지 센서 규격 즉, 큰 이미지 센서가 작은 이미지 센서에 의해 촬영된 데이터가 화질에서 더 낫다고 할 수는 없다. 즉, 영상의 화질은 해상력이나 계조(색심도) 다이내믹 레인지뿐만 아니라 fps도 중요한 요소라고 생각한다. (4K 30 fps 영상과 FHD 120 fps 영상 중 어느 것이 더 화질이 좋은지는 어느 요소에 중점을 두는지에 따라 달라지지 않을까!)
▶ 순간광 플래시의 발광 지속 시간과 전자 셔터 (CMOS 롤링 셔터)
느린 판독 속도가 문제라면 느린 판독 속도에 맞춰 노출을 설정하여 플래시를 사용하면 되지 않을까? 즉, 기계식 셔터의 동조 촬영에서처럼 최고 동조 속도 이하의 셔터 스피드에서 원활하게 플래시 동조 촬영이 가능하듯이 전자 셔터 동조 촬영 또한 이 방식과 유사하게 판독 속도보다 느린 셔터 스피드 설정에서 전자 플래시와 동조 촬영이 가능하지 않을까? 좀 더 풀어서 설명하면 이미지 센서 상면의 모든 픽셀의 정보를 판독하는 속도가 만약 1/30 sec라고 가정하면 셔터 스피드를 1/30초 이하로 설정하고 전자 플래시와 동조 촬영을 하면 괜찮지 않을까 하는 생각을 할 수도 있겠다. 하지만, 이 방식 또한 문제를 가지는데 이는 CMOS 이미지 센서에서 전자 셔터의 작동 방식과 전자 플래시의 순간광이라는 특성인 발광 지속 시간 듀레이션 타임(flash duration time)과 관련된다.
전자 플래시는 매우 짧은 듀레이션 타임을 가진다. 일반적으로 스트로보로 불리는 휴대용 전자 플래시는 약 1/600~1/900초 내외, 스튜디오용 전자 플래시는 이보다 짧다. 즉, 순간광 플래시의 특성으로 매우 짧은 발광 지속 시간을 가지고 이 듀레이션 타임이 짧을수록 더 좋은 플래시 성능으로 평가받는다. 즉, 충분한 광량을 매우 짧은 지속 시간 내에 발광하여야 한다.
카메라의 전자 셔터 모드에서 노출이 작동 방식은 판독(read out) 속도에 맞춰 해당 열의 픽셀이 순차적으로 On/Off 작동하는 방식이다. 풀어서 설명하면 1/30초의 판독 속도를 가지고 있고 셔터 스피드를 1/1000로 설정했다면 픽셀의 상단에서 하단까지 1/30초에 걸쳐 판독 스피드에 맞춰 각 행의 픽셀은 1/1000 sec 동안 점멸하는 방식으로 순차적으로 작동한다. (참고로, 실제 카메라 내부에서 렌즈를 통과한 상은 도립상이므로 기계식 셔터뿐만 아니라 판독 방향 또한 이미지 센서 하단에서 상단의 방향으로 작동하지만, 편의상 이미지를 기준으로 상단에서 하단으로 설명하자) 이런 작동 방식으로 이미지 센서 상면의 상하 픽셀 사이에 작동하는 시차가 판독 속도만큼 발생하게 되고 이는 젤로 효과로 이미지 결과물에 영향을 미친다. 판독이 이루어져야 노출이 완전히 종료되는 CMOS 롤링 셔터의 작동 방식의 고유한 특징이자 대표적인 단점이라 하겠다.
앞에서 설명한 CMOS 롤링 전자 셔터의 작동 방식에 있어 순간광 플래시의 발광 특성 즉, 순간에 발광하는 밝은 플래시 빛의 잘못된 만남? 은 결과적으로 이미지의 일부 (상단)에만 플래시 발광의 빛에 노광 되고 그 외 부분은 발광 지속 시간 이후에 픽셀이 작동(on/off)하므로 아래 이미지와 같은 결과로 이어진다. (판독 속도가 빠른 카메라에서 촬영될 이미지일수록 플래시 발광에 의해 밝아진 영역이 더 늘어나지 싶다.
이해를 돕기 위해 전자 셔터 모드에서 플래시 동조 촬영된 샘플 이미지를 만들고 싶지만, 현재 소유한 디지털 카메라 전자 셔터 모드에서 플래시 트리거 동조에 제한일 걸려 있어서 아쉽다.(제조사에서 이런 오류 발생을 사전에 차단하기 위해서 둔 제한이므로 불만은 없다) 외장 셔터 릴리즈 등의 우회(꼼수) 방법으로 트리거 연동을 통해 강제로 전자 셔터에서 동조 발광 가능하리라 생각하지만, 사실, 조금 귀찮으니 그냥 예상되는 유사한 이미지를 구글에서 찾아서 대신했다.
▶ 기계식 셔터와 전자 선막 셔터에서의 플래시 동조
그렇다면, 여기서 동일한 카메라에서 '기계식 셔터 모드'를 사용하면 왜 플래시 동조 촬영에서도 정상적인 이미지를 얻을 수 있는 걸까? 하는 의문이 당연히 뒤따르지 싶다. (생각해 보니 이 또한 이전 수다에서 다룬 적이 있는 것 같지만, 어느 주제에서 언급했는지 기억나지 않으니 다시 한번 더 다루자)
찾아보니 젤로 효과와 관련해서 다루었다. 참고하자.
디지털 이미지 센서의 젤로 효과(현상)의 발생 원인과 대응법 / Jello effect cause and solution
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 디지털카메라의 이미지 센서에 대한 주제의 마지막은 롤..
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<카메라와 렌즈의 구조 33> 디지털 카메라 기계식 셔터의 효용과 장단점 - 셔터 타임 랙 등 / Utility and Disadvantages of Digital Camera Mechanical Shutter
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 그동안 다루는 주제도 고리타분한 데다 설명하기 쉽지 않..
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먼저, 기계식 셔터 설정으로 플래시 동조 촬영에서는 전자 셔터 설정 모드에서와 달리 (기계식 셔터) 선막이 열림과 동시에 이미지 센서 전체의 픽셀이 일시에 On 상태가 되어 픽셀(포토 다이오드)에 노광이 시작된다. 그리고 이미지 센서 픽셀의 포토 다이오드는 설정된 셔터 스피드에 따라 기계식 후막이 닫힐 때까지 노광 된다. 엄밀하게는 픽셀에서 노출의 완전한 종료는 판독이 이루어져야 종료되므로 기계식 셔터 후막이 닫힘과 동시에 노출이 종료되는 것은 아니지만, 기계식 셔터막에 의해 노광이 차단되어 완전한 암흑 상태가 되므로 노광은 더 이상 이루어지지 않고 결과적으로 판독이 이루어지기까지 노광량(노출)은 일정하게 유지된다. 즉, 짧은 듀레이션 타임을 가지고 있는 전자 플래시와 함께 사용하여도 기계식 셔터의 개입으로 일시에 노광이 시작/종료되므로 판독 속도에 크게 구애받지 않고 동조 촬영이 가능하다.
포컬 플레인 셔터 방식의 카메라에서는 기계식 셔터가 완전히 개방 상태 (선막이 열리고 후막이 닫히기 전)에서 전자 플래시가 발광하여야 이미지 전체에 고르게 노광이 가능하고 따라서 짧은 발광 지속 시간(duration time) 셔터가 완전히 열린 상태를 유지할 수 있어야 한다. 이 타이밍을 맞추는 것을 플래시 동조라 하고 셔터가 완전히 열린 상태를 유지할 수 있는 가장 빠른 셔터 스피드가 최고 동조 속도라 하겠다.
기계식 셔터의 개입에 의한 동일한 방식은 전자 선막 셔터에서도 적용되므로 전자 선막 셔터 모드(E 프런트 촬영 모드)에서 전자 플래시와 동조 촬영이 가능하다. 전자 선막 셔터 모드에서는 기계식 셔터와 차이점은 기계식 선막이 내려와 이미지 센서를 가려서 암흑 상태로 만드는 과정이 전자 셔터로 대체되고 후막 부분은 기계식 셔터와 동일하게 작동하는 방식이다. 기계식 셔터의 동작을 간소화해서 셔터 충격과 소음을 줄일 수 있는 방식이지만, 기계식 셔터 선막이 촬영 전 이미지 센서 픽셀의 포토다이오드에 누적된 전화를 초기화하는 과정이 생략되므로 일부 화질 측면(리셋 노이즈 억제 등)에서 불리한 점이 있다.
▶ 판독 속도 향상의 영향과 글로벌 CMOS 센서에 대해서
CMOS 이미지 센서에서 판독 속도의 향상을 통해 전자 플래시의 발광 지속 시간으로 인한 문제를 해결할 수 있을까?
최근 이미지 센서에 메모리를 적층하고 전송 회로 등의 효율 향상을 통해 판독 속도를 대폭 향상한 이미지 센서를 탑재한 카메라가 등장하고 있다. 순간적인 대응에 특화된 프레스 제품군으로 분류되는 이런 카메라의 이미지 센서의 일정 화소를 수준에서 빠른 연사(연속 촬영) 등을 보여주는데, 판독 속도는 기존 고해상도를 지향하는 카메라보다 월등히 빠른 성능이지 싶다. 추측컨데 Sony a9의 경우 일정 조건에서 1/60~1/125 sec 수준의 판독 속도를 보여주지 싶다. 그렇다면 셔터 스피드 1/125 또는 1/250 sec 정도의 설정으로 전자 플래시 동조 촬영이 가능하다고 말할 수도 있겠다. 하지만, 앞에서 언급했듯이 전자 플래시의 듀레이션 타임이 매우 짧아서 고르게 전 영역에 발광되는 시간 등을 감안하면 1/125 또는 1/250 sec 수준의 빠른 판독 속도라 하여도 순차적으로 판독이 이루어지는(즉, 전자 셔터에서 판독이 종료되어야 노출이 종료되므로 결과적으로 이미지 센서 픽셀 행으로 순차적으로 노출이 종료되는 결과) CMOS 이미지 센서의 전자 셔터의 특상상 이미지 상단과 하단에 고른 노출 수준을 보이는 이미지를 얻기에는 부족하지 싶다. 결론은 CMOS 이미지 센서의 판독 속도가 향상만큼 분명히 개선되는 부분이 있지만, 이미지 전체에 만족할 만한 촬영 결과물을 얻는 데에는 분명히 한계가 있다고 생각한다.
"그렇다면 기계식 셔터도 없는 스마트폰의 카메라는 어떻게 플래시 촬영이 가능한가?"
먼저, 스마트 폰의 플래시 촬영은 엄밀한 의미에서 전자 플래시 동조 촬영이 아니다. 스마트 폰 등의 플래시는 LED 지속광을 짧게 발광하는 방식으로 순간광이라고 하기엔 발광시간이 길고 광량 자체도 매우 작다. 그리고 작은 이미지 센서의 크기로 인해 이미지 센서 판독 속도 또한 큰 이미지 센서 규격의 전용 디지털 카메라에 비해 상대적으로 빠르다. 카메라 모듈의 작은 이미지 센서가 가지는 장점 중 하나는 빠른 판독 속도이고 고성능 스마트 폰에서 화질(해상도를 낮춘 상태)을 낮춘 상태에서 960 fps의 초고속 촬영이 가능한데 이 또한 작은 이미지 센서 규격 카메라 모듈 이미지 센서의 빠른 판독과 스마트 폰의 강력한 하드웨어 성능으로 구현하고 있지 싶다.
글로벌 CMOS 센서는 전자 플래시 동조 사용의 문제에 해법이 될 수 있다. CMOS 이미지 센서의 순차적이 판독으로 인해 야기되는 문제(플래시 동조와 젤로 이펙트 등) 이미지 센서 상면의 모든 픽셀을 동시에 판독하는 글로벌 셔터 방식에서는 전자 플래시 동조 촬영 불능이나 젤로 현상 문제는 해결된다. 하지만, 기계식 셔터 또는 전자 선막 셔터 모드 사용으로 전자 플래시 동조 촬영이 가능한데, 굳이 DSLR이나 미러리스 카메라에서 글로벌 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서를 고집하는 것은 "배보다 배꼽이 큰 경우"가 아닐까 생각한다.
2019년 3월 소니의 새로운 글로벌 CMOS 센서 발표가 있었지만, 이 센서는 소형 센서이고 주 용도 또한 머신 비전이나 CCTV 카메라 등에 채택을 염두에 둔 이미지 센서이지 싶다. 도로 등에 설치된 감시/기록용 또는 과속 단속 카메라나 특수 용도의 머신 비전의 경우, 글로벌 셔터 방식의 이미지 센서 채택이 필요한 경우가 많다. 대표적인 예로 빠르게 이동하는 차량과 번호판 등을 선명하게 촬영하기 위해서는 젤로 현상을 최대한 억제할 필요가 있고, 야간에는 플래시와 동조 촬영이 필요하기 때문이다.
글로벌 셔터 CMOS는 각각의 픽셀마다 포토 다이오드에서 포획한 전하를 저장할 수 있는 장치(위 이미지에서 Memory로 표시, 포토 다이오드의 전하를 저장하는 용도이므로 메모리 반도체가 사용되는 것은 아니고 캐퍼시티 -일종의 콘덴서-라고 이해하는 것이 좋겠다)를 가지고 있다. 그만큼 설계와 제조에 난도가 높고 제조/제품 가격 또한 높을 수밖에 없지 싶다.
종종, 글로벌 CMOS 이미지 센서를 장착한 카메라의 성능에 대한 기대를 표하는 경우가 있는데, 사실 일반적인 사진이나 영상에서 글로벌 셔터로 인해 얻을 수 있는 장점이 그 대가로 치러야 하는 경제적 대가에 비해 그리 커 보이지 않는다. 일부 예외적인 경우, 즉, 특수 목적의 카메라로 '슈퍼 슬로 촬영을 위한 초고속 프레임 촬영 카메라'나 앞에서 언급한 빠르게 이동하는 물체를 정확하게 인식하기 위한 카메라 등에서는 상대적 고비용을 지불하더라도 얻는 이점이 있겠지만, 그 외의 일반적인 용도에서는 가격대 성능에서 효율적이라 생각하기 어렵고, 일반 디지털카메라 등의 제품 적용을 기대하기는 가능성이 높지 않다고 생각한다. (하지만, 앞으로 글로벌 CMOS 이미지 센서의 성능과 제조 비용이 낮아지고, 기계식 셔터를 제거하고 전자 셔터로 이를 대체하는 비용과 효용 측면에서 역전이 일어난다면 가능성이 전혀 없는 것은 아니다.) 지극히 주관적인 추측으로는 (희박한 실현 가능성에도 불구하고) 이런 변화는 순간광 동조 촬영이 활용되는 스틸 이미지 카메라보다는 주로 영상 촬영용의 고성능 카메라에 먼저 등장할 가능성이 좀 더 높지 싶다.
