Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
이전 수다에서 필름(감광 소자의 화학반응)과 아날로그 화상 기술(광전효과에 의한 아날로그 신호화)은 화상의 정보를 촬영/저장하여 다시 우리가 원하는 시간, 공간 등에서 볼 수 있도록 재생하는 시각화의 방식면에서 꽤 유사하지만, 이를 구현하는 기술적 원리/메커니즘은 달라서 구분되는 것에 대해 장황하게 다루었다. 이번에는 아날로그 화상과 디지털 이미지 데이터/기술에 대해서 수박 겉핥기에 불과할지라도 한번 살펴보는 것도 좋겠다. 개인적으로 아날로그와 디지털 이미지 기술의 전환기에서 기술적 특징에 대한 궁금증과 호기심으로 웹에서 자료를 찾다가 정리한 것에 개인적인 망상을 조금 덧붙인 것에 불과한 수다임을 미리 밝혀둔다.
전문적인 지식 없이 상식 수준을 맴돌다 보니 기술적인 설명과 논리적 구성이 허술해 정확한 근거나 이해를 위한 충분한 설명이 되기 어렵겠지만, 사진이나 영상과 관련된 주요 기술의 흐름이나 필름, 아날로그 화상 신호, 그리고 디지털 이미지 신호의 차이를 간략히 비교하고 현재의 디지털 기술의 발전 배경과 앞으로의 전망 등을 추측할 수 있는 정도에서 다루고 싶다. 일부 복잡한 내용은 이해를 돕기 위해 (스스로의 정신 단속을 위해) 단순화시켜서 다루었다.
'화상'이라는 용어는 이미지와 비디오를 모두 포괄하는 용어지만, 편의상 '화상'은 '비디오'의 의미로 조금 축소해서 사용했다. 아날로그 화상 신호의 경우 대부분 아날로그 비디오 중심으로 사용되었고 아주 예외적으로 아날로그 이미지 신호도 있겠지만, 필름에 비해 그 효용이 높지 않아 잘 활용되지 못한 측면에서 애써 이를 무시했다. 디지털 이미지 신호의 경우에는 디지털 화상 신호라고 사용하는 것도 좋겠지만, 앞서 아날로그 화상 신호에서 '비디오/video'의 의미로 사용해서 부득이 디지털 이미지 신호로 정의했다. 이는 이해를 돕기 위한 임의적인 정의에 불과한다.
▶ 디지털 이미지 센서 이전의 아날로그 화상 신호(비디오) 카메라
텔레비전은 화상을 보내는 데 2차원의 명암을 시간적으로 변화하는 전기신호로 변환한다. 이를 주사(朱査) 혹은 스캐닝(scanning)라고 하는데 이에 의하여 전기신호를 만들어 내는 장치를 텔레비전 카메라라고 한다. 텔레비전 카메라는 촬상관(撮像管)과 그의 제어장치 및 증폭기 등으로 이루어져 있다.
화상을 분해하고 다시 화상을 만들어 내고 있는 것의 예로 신문사진(新聞寫眞)이 있다. 이것은 화상을 많은 점으로 분해하고, 신문지상에 재현할 때는 흰 곳은 점의 크기를 작게 하고, 검은 곳은 크게 하여 농도(濃度)의 차를 내고 있다.
이것과 마찬가지로 텔레비전에서도 화상을 점으로 분해한다. 먼저 렌즈로 상을 맺고 상이 있는 곳에 작은 광전관을 많이 배열한다. 이렇게 하여 스위치 S를 전환해 가면 스위치가 접속된 광전관으로부터 광전류가 저항 Ri에 흘러 출력으로 나온다. 즉, 순차 스위치를 전환함으로써 주사가 행하여지게 되는 것이며 이에 의하여 광상(光像)이 전기신호로 바뀌게 된다.
그런데 실제의 텔레비전에서는 화면의 크기는 세로 3·가로 4의 비율로 되어 있다. 그리고 이 세로를 525개의 점으로 분할한다. 그렇게 되면 가로에 배열되는 점의 수는 점의 수는 도합 525×700＝36만 7,500개나 된다. 이 점들의 하나하나를 회소(繪素)라고 한다.
이와 같이 매우 가늘게 나누고 있으나 이 방법은 그다지 좋은 방법이라고 할 수 없다. 왜냐 하면 광전관에는 쉴새 없이 빛이 들어오고 있음에도 불구하고 1개의 광전관이 유효하게 동작하는 시간은 전체의 약 40만 분의 1에 지나지 않기 때문이다.
<출처> 위키백과
CCD가 등장하기 이전(1930~80)의 아날로그 화상 신호 카메라는 렌즈를 통과한 상이 맺는 지점에 광전관(튜브)을 배치한 형태로 광전관에서 광전효과를 통해 화상 신호를 출력하는 방식이어서 카메라 장치는 매우 컸고, 많은 전기를 필요했으며 따라서 방송 스튜디오나 특수하게 제조된 방송용 (전파 송신 장치가 설치된) 중계차량 등의 제한된 조건에서만 활용이 가능했다. 광전관(광전 튜브)의 소재나 종류(Image orthicon, Vidicon)는 기술 발전으로 변화가 있었지만 그 작동 원리에서는 거의 유사하다. 이후 1980년 대 비로소 소비전력 등을 대폭 줄인 CCD 이미지 센서가 아날로그 화상 카메라에 상용화되고 이를 통해 얻은 아날로그 화상 정보를 소형화되어 카메라에 부착된 자기 테이프에 기록 장치와 결합하여 아날로그/디지털 ENG 카메라의 등장으로 스튜디오를 벗어나 독립적으로 사용이 가능했다. 초기의 아날로그 화상 기록은 자기 테이프에 기록할 수 있었지만, 이후 아날로그 화상 정보를 디지털 신호로 전환, 디지털 압축을 통해 더 효율적인 사용이 가능했고, 이런 장치를 더욱 소형화하여 디지털 캠코더(초기의 저장 매체에는 여전히 자기 테이프 방식) 등이 상용 제품으로 등장했다.
▶ 아날로그 신호와 디지털 신호 전환의 장점
아날로그 신호와 디지털 신호에 대한 정의나 설명은 쉽게 찾을 수 있고, 잘 설명된 자료가 많으므로 따로 언급할 필요는 없겠다. 그리고 이미지/화상 신호와 관련해서 아날로그 신호와 디지털 신호의 전환으로 인해 얻는 이점 또한 동일하고 대표적인 장점 몇 가지를 나열하면 디지털 압축으로 동일한 대역에서 더 많은 정보/데이터를 담을 수 있고, 전송/저장 상의 데이터 오류가 적어서 정보의 손실을 방지하고 원본과 복제물의 차이가 없고, 디지털화(수치화)된 데이터로 인해 가공의 폭과 편의성이 증대하며 디지털 암호화를 통한 보안 강화가 가능하다.
이를 사진이나 영상과 관련한 화상 처리 기술에서 보자면, (아날로그 신호를 디지털로 전환하여) 압축으로 동일한 저장/전송 조건에서 더 많은 화상 정보의 저장/전송이 가능하고, 전송/복제 상의 오류가 거의 없어서 즉, 전송/복제 시 화질 저하가 없고, 후반 작업을 통한 데이터 정보의 재배치/재구성으로 일명 다양한 가공(보정, 합성 등)이 가능하다.
▶ 이미지 센서 (CCD, CMOS, 3CCD) 그리고 디지털 이미지 센서
이미지 센서는 아날로그 신호와 디지털 신호 모두에 사용될 수 있다. 따라서 초기의 이미지 센서 유형만을 고려하면 이는 아날로그 장치일 수도 있고(특히 CCD가 이런 경향이 강해 보인다), ADC(아날로그-디지털 변환기)가 결합하여 디지털 이미지 센서로 불린다(근래 CMOS 각 픽셀의 행에 소형의 ADC를 직결한 구조-Column ADC-로 판독 속도 향상 등 많은 발전이 있었고, 따라서 CMOS 이미지 성능 발전은 고집적화가 가능한 공정상의 장점, 픽셀의 정보를 순차적으로 판독하는 롤링 셔터 문제 등의 단점을 개선하기 위한 즉, 판독 속도 향상을 위한 다양한 기술 등이 눈길을 끈다. 캐논 CMOS 이미지 센서의 경우 ADC가 이미지 센서에 직결되어 있지 않은 설계를 유지하고 있는데, 이로 인해 소니와 삼성 등의 이미지 센서에 비해 다운스트림 리드 노이즈 등에서 단점이 있지만, 이외 캐논만의 독자적 이미지 센서 설계에서 고유 기술이 있고, 소니나 삼성 등이 이미지 센서 시장에서 높은 점유율을 가지고 있지만, 캐논의 기술이 뒤처졌다거나 효과적이지 못하다는 주장에 완전히 동의하지 않는다. 그럼에도, 현재 디지털 이미지 센서 기술의 주류에서는 비켜나 있는 것은 분명해 보이고 다양한 기술이 경쟁하며 발전하기를 기대하므로 캐논 이미지 센서의 선전을 기대한다)
현재 디지털 카메라나 모바일 스마트 기기의 카메라 모듈에서도 CMOS 디지털 이미지 센서 즉, 픽셀 내부의 광다이오드를 통해 취득한 전압 정보를 한 줄씩 디지털화하는 ADC 장치가 결합된 형태(column ADC)가 소니 이미지 센서 성공의 한 축을 담당하고 있다고 생각한다. (머신 비전 유형의 CCD 카메라 모듈도 일부 있지만, 전체 이미지 센서 시장에서 보면 그리 큰 비중이 아니며, 주요 이미지 센서 업체에서 제조되는 경우도 점차 감소하고 있다. 소니의 경우, 2020년 중반 이후에는 더 이상 CCD 이미지 센서를 생산하지 않을 계획임을 밝힌 바 있다)
앞서 언급하였듯이 데이터의 압축, 전송/저장/복제에서의 데이터 오류 방지 등을 위해 디지털 신호를 사용하는 것이 대체 불가한 여러 장점이 있어서 아날로그 화상을 디지털로 대체되고 이 과정에서의 효과적인 신기술 등장은 어쩌면 당연한 결과이지 싶다. 수십 년간 아날로그 화상 신호의 아성으로 자리 잡았던 TV 방송도 디지털 방송으로 대체(업그레이드)되었고, 디지털화로 개선된 화질과 장점은 필름으로 대표되던 사진(스틸 이미지)과 영화에서 조차 디지털 이미지 기술이 주도하는 형국이다.
화질 문제는 현재는 대부분 디지털 이미지 정보로 , 이미지 센서 픽셀을 이루는 광 다이오드에서 생성된 아날로그 신호(전압)는 ADC 전환이 이루어지고 따라서 이런 일련의 과정을 수행하여야 비로소 디지털 이미지 센서라고 부를 만하다.
잘 알려져 있듯이 대표적 디지털 이미지 센서에는 CCD, CMOS가 있고(관련해서 자주 다루었으므로 부가적인 설명은 생략) 그 외 TV 방송용 등에 사용되는 특수 카메라로 3 CCD(이색 프리즘을 통해 색상-RGB-을 분리하여 색정보의 정확성을 향상)는 완전한 4:4:4의 신호 생성이 가능하다. 정확한 색정보를 얻는 방법이라는 것에 일반적인 CFA(컬러 필터 어레이)에 비교하면 아래 그림의 그래프에서와 같이 질적 차이를 보인다. CFA 방식의 이미지 센서에서도 이를 보완하기 위한 '보간법'으로 Demosicing 등의 다양한 알고리즘이 활용된다. 디모자이싱(De-mosicing)에 대해서는 다음을 기약하자. 최근 삼성의 홍보 자료 등에 등장하는 테트라셀이나 노나셀 기술 또한 디모자이싱의 알고리즘 중 하나로 보인다)
▶ 디지털 이미지 센서와 '디지로그'
즉, 현재의 디지털 이미지 센서는 광(포톤) 다이오드를 통해 얻은 픽셀 당 빛의 세기를 전압이라는 아날로그 신호로 포착하고 이를 다시 ADC(아날로그 신호의 디지털 전환)를 통해 디지털 신호로 만드는 장치라고 할 수 있다. 이는 기존의 아날로그 신호에서 디지털 신호 전환을 의미하고 (현재 대부분의 디지털로 불리는 많은 장치들이 이런 작동 방식을 보이는 것 같다) 이는 엄밀하게 따지면 아날로그 + 디지털 기기라고 해야 하지 않을까? 이런 관계는 십수 년 전 자주 회자되던 '디지로그'와 유사한 점이 있어 보인다. 물론, 아날로그 신호에서 디지털 신호 전환으로 얻을 수 있는 장점은 매우 많아서 이를 활용하는 다양한 기술은 현재 진행형의 가장 대중적인 디지털 기술이지 싶다.
디지로그(Digilog)
Digital과 Analog의 합성어로 디지털 기술과 아날로그적 정서가 결합한 제품과 서비스, 또는 아날로그 시대에서 디지털 시대로 넘어가는 변혁기에 위치한 세대. 디지털의 장점을 수용하지만 기본적으로는 아날로그 시스템으로 구성된 제품을 일컫는다. 아날로그적 사고는 디지털 사회에서도 여전히 필요한 요소이며 아날로그적 행태가 디지털 사회를 더욱 풍부하게 해 준다는 인식 아래 첨단 외양에 인간적 정감과 추억이 깃든 상품에 관심과 수요가 증가하는 현상을 나타내는 말이다.
디지로그라는 이제는 추억이 되어가는 용어가 10여 년 전에 자주 회자되곤 했다. 디지털과 아날로그를 합성한 용어라는데, 기술적 의미는 모호해서 '디지로그' 용어 자체는 과학 분야에서 유래한 조어는 아닌 것 같고 추측하건대 인문학에서 만들어진 조어/용어이지 싶은데(찾아보니 이어령 교수/전 문화부 장관이 만든 신조어란다), 디지털과 아날로그의 경계지점을 이야기하는 용어이고, 모호한 경계/과도기를 설명하는 말로 이처럼 적당한 것도 없지 싶다. 현재 모두가 디지털을 외치고 있지만, 디지털은 아날로그 신호를 디지털화하여 전송/가공/저장하는 것으로 그 실질에서는 아날로그와 디지털이 뒤섞여 있는 '디지로그'의 그 융합한 모습이라 생각한다. 그리고 현재의 '디지털 카메라(이미지 센서)가 만들어내는 디지털 이미지 정보'를 설명하기에도 딱 알맞다.
이처럼 아날로그 시대에서 디지털 시대로의 전환은 감성적으로 볼 때는 한 시대를 구분하게 하는 큰 변화로 여겨질 수도 있지만, 디지털 이미지 센서에서의 기술 방식에서 본다면 조금 다르게 생각될 수도 있겠다. 아날로그가 물리적 속성을 유추하여 길이나 각도, 전압, 전류 등의 연속적인 물리량으로 나타내던 것을 의미하고 디지털은 연속적 물리량으로 표시된 값을 이산 신호로 수치화한 것이며, 이런 수치화 즉, 디지털화의 목적은 해당 정보/데이터를 원하는 방향으로 수정/보완하기 용이한 상태로 만들기 위한 것으로 아날로그 신호의 디지털 신호화는 연속적 물리량을 이산하여 수치화하고 압축하는 방식이며 이로 얻는 이점은 결코 작지 않다. 아날로그 신호를 디지털 신호 처리된 후, 디지털 신호를 연산을 통한 가공으로 테이터를 압축하거나 전송 상의 오류를 줄이고 보다 완전한 신호로 재가공하는 이점이 있다. 이런 일반적인 이점이 사진이나 영상에서 그대로 적용되어서, 아날로그 신호에서는 제거하기 어려웠던 노이즈를 제거하여 더 선명한 이미지를 만들고, 전송/저장 간의 정보 손실을 줄이고, 압축을 통해 일정 화질 수준을 유지하며 용량을 줄여서 전송/저장 상의 이점을 누릴 수 있으며, 다양한 효과를 가공하는 후반 작업(Post-production)에서 많은 이점이 있다. 단점으로는 디지털 전환과 다시 재생하기 위한 화상으로 전환하기 위해서는 디지털 신호를 아날로그 신호로 재전환하여야 하는 단계를 거쳐야 하고 이런 일련의 과정(이산화와 압축과 데이터 가공 등)에서 일정 데이터 손실과 정확도에서의 저하도 있지만, 이는 디지털화의 샘플링 심도(비트율) 등의 문제에서 비롯된 것이 대부분이며 이는 현재 디지털 기술의 저급함(세밀하지 못함)이 원인이지 디지털 기술 자체의 단점이라 할 수 없으며, 이런 점을 양보하여 단점이라 하더라도 디지털화를 통해서 얻는 장점에 비하면 이를 굳이 단점이라 하기도 적절치 않다.
▶ 필름과 아날로그 화상 신호 그리고 디지털 이미지 신호에 대하여
두서없다 보니 정리가 잘 되지 않았는데, 요지를 정리하면, 현재의 디지털 이미지의 특성 이해를 위해서는 디지털 이미지 데이터가 만들어지는 과정에서의 아날로그 신호와 이를 디지털 전환하는 방식(이를 가장 잘 보여주는 예가 이미지 센서의 작동 방식이 아닐까 생각한다)을 고려하면 이를 이해하는데 큰 도움이 되지 싶었다. 즉, 디지털이라는 이름에 가려져 있는 아날로그 화상 신호에 대한 부분도 간과하지 말고 조금 관심을 가지면 도움이 되는 부분이 있다고 말하고 싶었다.
필름과 아날로그 신호의 이미지는 사실 시각적인 정보를 취득/저장하여 정지된 이미지나 영상으로 볼 수 있다는 기능적 측면에서 유사하지만, 이를 구현하는 기술적 방식은 전혀 다르다. 즉, 경제 관련한 용어에서 말하는 대체제 정도에 해당하지 않을까 싶다. 쌀과 밀처럼 주식으로 삼기 위해 재배하는 점은 같지만, 쌀과 밀이 완전히 동일한 것이라 할 수 없듯이 필름과 아날로그 화상은 사진이나 영상의 재현이라는 유사한 시각적 결과물을 보여주지만, 그 속의 기술과 결과물의 질은 서로 다른 즉, 조금은 미묘하고 복잡한 관계에 있지 싶다. 다시 말하자면 각각의 쓰임에 필름과 아날로그 화상은 상호 대체제로 작용할 수 있지만, 그렇다고 양자의 특성과 특질이 완전히 동일한 것이 아니며, (쌀과 밀이 생육 환경 등에 영향을 받아 주 재배 지역과 주식으로 사용되는 문화적 차이가 존재하는 것과 같이) 필름과 아날로그 화상도 각자의 영역 (사진이나 영화 그리고 아날로그 TV 방송)에서 지배적 기술로 자리매김하였다고 생각한다. 물론 각각의 방식을 유사한 시각적 결과라는 측면에서 서로 비교되고 경쟁하였지만, 이런 경쟁이 성능을 향상하고 안정적인 기술로 나아가게 하는 역할도 하였겠다.
사진과 영화 그리고 아날로그 TV 방송(전파를 통한 공중파 TV와 폐쇄회로 TV)으로 양분하여 서로 간의 공존하며 안정적이던 필름과 아날로그 화상 기술의 쌍두 시대의 종말은 (아날로그 제국의 중심에서 잉태한) 디지털 기술이 아날로그의 세력을 압도하며 실권을 틀어지고 나아가 필름이 지배하던 사진(스틸 이미지)과 영화의 중심부 마저 디지털이 점령하게 되었으며, 비로소 통일 바로 직전의 모습이 현재의 모습이 아닐까 생각한다. 비록 변방으로 쫓겨난 필름이 아직 존속/연명하고 있지만, 과거의 영광으로만 남을 듯하다.
'쌀과 밀'의 허섭한 비유를 좀 더 이어가자면, 디지털은 '분말화'의 기술 정도로 비유할 수 있지 않을까. 즉, 밀을 가루로 만들어 빵이나 면, 국수 등으로 가공하기 쉽게 되었고, 가루 포대에 담아 압축하여 운송 보관이 용이하며, 방부 처리하여 곡식이 유통상의 문제 등을 해결 등은 아날로그 신호의 디지털 신호화의 이점과 비슷한 측면이 있어 보인다. 쌀 또한 가루로 만들어서 떡을 만드는 등은 과거 필름이 주로 사용되던 스틸 이미지나 영화 또한 디지털화시킨 것의 유사점도 있겠다.
예전에 비해 이제는 상대적으로 잠잠해진, 필름 방식과 디지털 이미지 방식의 우열 논쟁은 한식과 양식 중 어느 것이 더 우수한 음식인가를 따지는 것처럼 무의미한 논쟁으로 느껴진다. 필름이나 아날로그 또는 디지털 이미지 신호의 화상을 시각화하여 재현하기 위한 기술적인 차이 등을 감안하면 단순하게 얻어질 수 있는 답이 아니다. 단지 개인적/문화적 취향이나 선호 그리고 어떤 특정 조건에서 상대적인 효용의 차이 등 일반화하기 어려운 복잡한 문제이지 싶다. 그리고 우리의 감각적 취향 또한 익숙한 자극보다는 새로운 자극에 더 열광하기도 하고, 때로는 안정적이고 익숙한 자극이 더 좋게 다가올 때도 있어서 단순한 우열로 결론 지을 수 있는 부분은 아니지 싶다. 시대적 흐름이나 당장의 유행에 따른 대세 정도야 인정해야겠지만, 이 시대/시간 또한 흐르고 나면 대세의 흐름도 언제 뒤 바뀌어 있을지 장담할 수 없다.
필름이나 디지털 이미지 기술의 우열이나 선호의 문제와는 별개로 디지털 이미지 신호와 이미징 처리 기술의 발전은 앞으로 더 가속화되고 눈부시게 발전하리라 생각한다. 이제 디지털 시대의 문턱을 넘는 정도의 수준에서 디지털 기술의 진면목은커녕 겨우 긴 장편 소설의 시작 몇 페이지를 읽은 정도가 아닐까. 디지털 이미징의 가능성은 상상하는 그 이상의 무궁무진한 변화를 가져다줄 수 있어 보이고, 간혹 아날로그 신호를 디지털화하는 단계에서의 오류나 정보 유실 등을 이야기하지만, 이는 디지털의 문제라기보다는 현재 우리의 디지털 기술이 아날로그를 기반으로 디지털 신호화 정도의 저렴한 수준에 있기 때문이지 싶다. 그리고 근래에는 양자역학 등 미시세계의 본질이 '디지털'이 아닐까 하는 의혹?이 공공연하게 회자될 만큼, 미지의 세상은 넓고 모르는 것은 너무 많다. 더구나 최신 기술이니 뭐니 해도 디지털 카메라의 기술은 앞에서 언급한 아날로그와 디지털의 경계 즈음의 '디지로그' 수준이니 앞으로 현실화될 미래의 디지털 이미지 기술은 상상하기 조차 어렵고 그리고 가까운 미래에 하나씩 실현될 디지털 이미징 기술이 기대된다.
