카메라 판형(이미지 센서 규격)의 영향에 대하여_02 "저조도 촬영에서 큰 판형이 노이즈 감소에 유리한가?" / "Is a larger format advantageous for noise reduction in low-light shooting?"

Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

 

이미지 센서 포맷의 크기가 클수록 저조도에서 노이즈가 감소하고 화질에서 더 낫다는 주장이 지배적이다. 웹 검색에도 이와 유사한 논지의 정보가 대부분이고(아래 링크 참조) 국내외 사진/영상 관련 커뮤니티의 지배적인 의견으로 보인다. 최근 핫한 대형 언어모델 기반의 인공지능 챗봇의 답도 (이런 다수 정보의 결과로) 별반 다르지 않다. 이 주장은 '판형이 깡패', '판형이 크면 더 좋다'라는 편향된 생각의 연장선에 있거나 또는 잘못된 비교 조건에서 일부 사실을 성급한 일반화의 오류가 아닐까? 세간의 속설과 클리세는 비틀고 깨어져야 제 맛이니 한번 따져 보자!

 

이 글은 아래 링크의 이전 포스팅과 유사한 내용이고 동일한 맥락의 다른 내용이다. 사실, 별반 다르지 않은 내용의 다른 방식의 설명에 불과하니 유사한 내용은 이전 포스팅으로 갈음하자.

 

카메라 판형(이미지 센서 포맷)의 영향에 대하여. feat_스냅 사진과 핸드핼드 샷 / Snapshots & handheld

 

저조도 성능
"크롭 센서로는 풀 프레임으로 얻을 수 있는 저조도 성능을 얻을 수 없습니다. 풀 프레임이 훨씬 더 선명하고 노이즈가 적으며 디테일이 많이 포함됩니다"라고 사진작가 Felipe Silva는 말합니다.
 천체 사진은 큰 센서가 진가를 발휘하는 저조도 환경의 한 예입니다. "크기가 작은 크롭 센서를 사용하면 빛이 덜 들어오기 때문에 어두운 상태에서 멋진 밤하늘을 촬영하기가 매우 어렵습니다"라고 Silva는 말합니다.
 높은 ISO 성능은 저조도 기능과 관련이 있습니다. 센서가 클수록 많은 빛이 들어오기 때문에 빛을 보완하기 위해 ISO를 크게 높이지 않아도 되며, 오히려 ISO를 높이면 거친 노이즈가 생기므로 사진의 품질이 저하됩니다. (출처-아래 링크 참조)

 

크롭 센서와 풀 프레임 비교 | 초보자 가이드 | Adobe

 

AI 챗봇인 OpenAI의 '챗gpt'나 구글의 '제미나이'의 답변 또한 유사하다. 그나마 고려해야 할 점을 언급하고 있는 점은 좀 낫다.

저조도 촬영에서 큰 이미지 포맷의 노이즈 감소 효과에 대한 답변

저조도 촬영에서 큰 카메라의 큰 이미지 포맷이 노이즈 감소에 유리하다는 것은 일반적으로 맞는 말입니다. 하지만 왜 그런지, 그리고 어떤 조건에서 더 유리한지 자세히 알아보겠습니다.
큰 이미지 포맷이 노이즈 감소에 유리한 이유
더 많은 빛 포집: 큰 이미지 센서는 작은 센서보다 더 많은 빛을 받아들일 수 있습니다. 즉, 같은 조도 환경에서 더 많은 정보를 담을 수 있어 노이즈가 상대적으로 적은 이미지를 얻을 수 있습니다.
더 큰 픽셀 크기: 이미지 센서의 크기가 커지면 개별 픽셀의 크기도 커지는 경우가 많습니다. 큰 픽셀은 더 많은 빛을 포집하여 신호 대 잡음비(SNR)를 높여 노이즈를 줄이는 데 유리합니다.
더 넓은 다이나믹 레인지: 큰 센서는 더 넓은 다이나믹 레인지를 제공하여 어두운 부분과 밝은 부분의 디테일을 모두 살릴 수 있습니다. 이는 저조도 환경에서 특히 유용합니다.

하지만, 고려해야 할 점
렌즈의 역할: 이미지 센서만큼이나 렌즈의 품질도 중요합니다. 좋은 렌즈는 더 많은 빛을 모아 센서에 전달하고, 이미지 품질을 높여줍니다. 노이즈 감소 기술: 최근에는 카메라의 이미지 처리 기술이 발전하여 작은 센서에서도 노이즈를 효과적으로 줄이는 것이 가능해졌습니다. 촬영 환경과 용도: 저조도 환경이라도 극한의 환경이 아니라면, 작은 센서를 가진 카메라로도 충분히 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 또한, 휴대성이나 가격 등 다른 요소도 고려해야 합니다.

결론
일반적으로 큰 이미지 포맷은 저조도 촬영에서 노이즈 감소에 유리하지만, 절대적인 것은 아닙니다. 카메라의 종류, 렌즈, 이미지 처리 기술, 그리고 촬영 환경과 용도에 따라 달라질 수 있습니다.
따라서 저조도 촬영을 위해 카메라를 선택할 때는 다음과 같은 점을 고려해야 합니다.
센서 크기: 큰 센서가 일반적으로 유리하지만, 휴대성이나 가격 등을 고려하여 적절한 크기를 선택해야 합니다. 렌즈 품질: 렌즈는 카메라의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다. 노이즈 감소 기능: 카메라의 노이즈 감소 기능을 비교해 보는 것이 좋습니다. 다이나믹 레인지: 어두운 부분과 밝은 부분의 디테일을 모두 살리고 싶다면 넓은 다이나믹 레인지를 가진 카메라를 선택해야 합니다.
출처- 구글 "Gemini"

 

 

▶ 저조도 촬영에서 무엇이 문제인가? (노이즈의 발생 원인과 종류)

 

디지털 카메라에서 이미지 노이즈의 발생 원인은 다양하다. 그중 저조도(어두운) 촬영 환경에는 이미지 센서의 픽셀에 포집되는 광자 수의 부족으로 발생하는 광자 (또는 샷) 노이즈 그리고 ISO 감도 설정 관련한 고감도 촬영 조건에서 아날로그 디지털 전환 및 신호 증폭 등의 처리 과정의 노이즈 (판독/Read-out 노이즈)에 주목해야 한다. (그 외 다양한 노이즈에 대하여는 이전 글 링크 참조)

 

<카메라와 렌즈의 구조 47> 디지털 카메라의 노이즈 - 이미지 (사진) 노이즈의 발생 원인과 종류/ W

 

디지털 카메라의 노이즈 2 - "광자 샷 노이즈"와 "판독 노이즈" / Noise of a digital camera II - Photon shot n

 

 

<카메라와 렌즈의 구조 48> ISO 감도와 노이즈, 다이나믹레인지 그리고 듀얼 네이티브 ISO 시스템 /

 

판독/Read-out 노이즈는 이미지 센서 각각 픽셀의 전기 신호의 증폭/처리 과정의 고유 노이즈이고 이미지 센서의 규격이나 픽셀의 크기와 직접적 관련은 없다. 즉, 판독 노이즈는 이미지 센서 증폭 고유의 성능과 이미지 프로세싱 전반의 "최적화" 문제와 관련있다. 동일한 이미지 센서(하드웨어)를 사용한 카메라에서도 제조사별 또는 기종별 '최적화'에 따라 노이즈 성능이 다르게 나타난다. 최근 이미지 센서를 직접 제조하지 않는 카메라 제조사들의 핵심 기술 또한 이미지 센서의 최적화와 각 제조사의 디지털 이미징 프로세싱(소프트웨어) 기술에 있다고 생각한다. 이는 동일한 패널(하드웨어)을 사용하더라도 모니터 제조사의 최적화나 고유의 프로파일링에 따라 드러나는 서로 다른 특징과 성능의 사례와 같은 맥락에서 이해할 수 있다.

 

 

▶ 픽셀 당 수광 면적과 노이즈

 

앞에서 언급했 듯이 저조도 촬영 환경의 노이즈 문제는 광자 샷 노이즈가 관건이다. 큰 이미지 센서 규격일수록 저조도 촬영 환경에서 노이즈가 적게 발생한다는 주장의 근거는 동일한 해상도일 경우 이미지 센서의 픽셀 하나당 면적이 더 크고 따라서 픽셀당 충분한 광자 포집(높은 수광율)으로 "광자/샷 노이즈"의 감소다.  4K (3840 x 2160, 총 830만 픽셀/화소) 35mm 풀프레임 이미지 센서는 같은 해상력의 마이크로 포서드 이미지와 비교하면 전체 면적은 약 4배 더 넓고 픽셀 당 수광면적 또한 각각 4배에 해당한다. (각 규격의 종횡비가 다르므로 정확하게 일치하지는 않는 점을 고려하자. APS-C 또는 영상 super 35mm 포맷의 경우는 대략 2배에 해당한다)

 

 

▷ 주요 카메라의 픽셀 피치 정보

Camera Sensor Pixel Pitch List

 

▶ 이미지 센서/필름 포맷에 따른 화각과 심도 변화의 고려

 

이미지 센서/필름 규격에 따른 화각(시야범위, FOV)과 심도 차이에 대해서 자세한 내용은 아래 포스팅으로 대신하자. 

카메라의 이미지 센서 규격(크기)과 심도의 관계 / DOF due to differences in camera image sensor specifications

 

동일한 촬영조건 (카메라와 피사체, 배경의  위치가 같고 사진/영상의 화각시야범위와 심도 표현 모두 동일하게 촬영하는 경우)이 되려면  렌즈의 초점거리는 이미지 센서 규격에 따라 적절히 달라야하고(렌즈의 초점거리 ÷크롭 팩터) 동일한 심도 표현을 위해 조리개 값도 반영되어야 한다.

 

대표적인 이미지 센서/필름 규격에 따른 광합계 조합과 설정값을 예시하면 아래와 같다.

 

• 35mm 풀 프레임(FF) 포맷 카메라 + 50mm 초점거리 렌즈 + 조리개 f/4
• super 35mm(또는 APS-C) 포맷 카메라 + 약 35mm 초점거리 렌즈 + 조리개 f/2.8
• 마이크로 포서드((MFT) 포맷 카메라 + 25mm 초점거리 렌즈 + f/2

즉, 이미지 포맷의 크기가 작아질 수록 더 낮은 스탑의 조리개값을 가져야 하고, 따라서 이미지 센서/필름에 도달하는 (단위 면적 당) 빛의 세기/광량은 증가한다. (35mm 풀프레임 포맷에 비해 MTF 포맷은 대략 2 stop 그리고 Super 35mm(APS-C)는 1 stop  차이가 있으며 빛의 세기/광량은 각각 4배와 2배에 달한다) 

 

 

앞서 나열한 내용을 정리하면, 동일한 해상력의 전제 하에 이미지 센서 규격에 비례해서 각각 픽셀 당 크기(피치)는 변하고 따라서 이에 비례해서 수광 면적도 변한다. 한편, 동일한 시야범위 + 심도 효과를 얻기 위해서는 이미지 센서 규격에 대응하여 렌즈의 초점거리와 조리개 값을 반영해야 하며, 결과적으로 이미지 센서와 픽셀에 도달하는 빛의 세기/광량 또한 영향을 받는다. 

 

앞에 예시한 경우에 맞춰 설명하면, (이미지 센서의 규격 차에 관계없이 동일한 해상력과 촬영되는 사진/영상의 시야범위와 심도 효과가 동일해야 한다는 전제 조건에서) 35mm 풀 프레임 규격의 이미지 센서 각각의 픽셀은 MFT 규격에 비해 약 4배 큰 수광면적을 가지지만, 렌즈를 통과하여 이미지 센서에 도달하는 빛의 세기(광량)는 MTF 규격에 비교하면 대략 1/4에 해당한다. super 35mm(APS-c) 규격의 픽셀은 MTF 대비 약 2배 의 큰 수광면적을 가지고 동시에 빛의 세기(광량)는 1/2이다.

 

다시 정리하면, 이미지 센서의 판형(포맷/규격)에 따른 픽셀 당 수광면적의 차는 빛의 세기(광량)의 변화로 상쇄되고, 각 픽셀에 포집되는 광자의 수는 거의 같을 것이며, 따라서 저조도 촬영에서 광자 샷 노이즈의 발생 여부는 판형(포맷/규격)에 따른 차는 거의 없다. 달리 표현하면 카메라의 이미지 센서의 판형(포맷)이 저조도 촬영에서 광자 노이즈 발생 정도에 유불리로 작용하거나 화질에 기여하는 바는 없거나 있다고 해도 아주 미미하다. 포맷에 따라 장착되는 광학계/렌즈의 차이에 따른 영향이 있을 수 있지만, 최근의 잘 만들어진 '렌즈'라면 유의미한 차이를 만들 정도라고 생각하지 않는다. 그보다는 상대적으로 큰 판형은 얕은 심도 표현이 더 쉬울 수 있고, 회절 문제로 인한 화질 저하에서 더 나은 점도 있다. 하지만, 이 장점도 동전의 양면 같아서 다른 측면에서 단점일 수 있다. 

 

 

▶ 왜 이미지 센서 규격이 클수록 저조도 촬영에 유리하다고 생각하는 걸까?

 

아래 덧붙인 글은 불필요한 사족/과한 오지랖의 설명과 예시라서 충분히 이해되었다면 따로 필요하지 않은 부분이다.

 

대부분의 비교 테스트에서 심도 효과의 차를 무시하거나 간과한다. 이미지 센서/필름 판형에 따른 저조도 비교에서 제 조건은 정확히 일치하는가? 실제 촬영한 이미지를 예시하는 것도 좋지만, (각자 직접 테스트하는 것이 더 낫고) 간단한 '산수'로도 충분히 이해할 수 있으니 허섭한 '사고 실험'으로 대신하자. 

 

카메라와 피사체 배경이 각각 1미터 간격으로 떨어져 있고 35mm FF 포맷 카메라에 50mm 초점거리 렌즈 (시야각 AoV-angle of view- 약 45도) 조리개 f/2.8, ISO 6400으로 설정을 가정하다. 전 단락에서 다룬 바와 같이 카메라 피사체 배경의 위치변경 없이 MFT 포맷 카메라에 25mm 초점거리 렌즈, 그리고 동일한 심도 효과를 위해 조리개 값 f/1.4, ISO 1600를 적용하면 거의 같은 화면(노출+시야범위 + 심도 표현_유효 개구의 지름은 대략 18미리)을 얻는다. 결과적으로 마이크로 포서드의 작은 규격 카메라는 2 Stop의 광량을 더 얻으므로 ISO 감도 설정에서 2 단계의 저감도로 설정할 수 있고, 저조도 촬영에서는 이점이라 하겠다. (반대로 광량이 풍부한 일광 조건의 촬영에서는 최저 감도 설정에도 노출 초과 여지가 있고, 따라서 감광(ND) 필터를 사용해야 한다면 + 2 stop 고밀도로 설정해야 할 것이다. 소형 캠코더 등의 작은 이미지 센서 포맷의 카메라에 내장 ND 필터 기능이 유용하고 필요한 이유다) 장점과 단점은 동전의 양면처럼 존재하고 우리가 어느 방향에서 어떤 특성에 주목하느냐에 따라 장/단점과 유불리에 대한 평가 또한 다르다. MFT 포맷 대신 super 35mm(APS-C) 촬영한다면  35mm 초점거리 렌즈 + f/2, ISO 3200이 될 것이다. 

 

앞에 예시와 모든 조건은 동일하고 '렌즈의 초점거리는 그대로 유지'하고 각각의 이미지 센서 포맷의 카메라로 동일하게 사진/영상을 촬영하는 설정이라면 어떤 점이 달라질까? MFT 포맷 카메라에 50mm 렌즈를 장착하면 시야각 AoV-angle of view- 대략 22.5도 정도이고 따라서 35mm FF 포맷 카메라에 50mm 초점거리 렌즈와 동일한 시야각(약 45도)을 얻기 위해서는 카메라와 피사체의 거리를 두배 (2미터) 확보하여야 한다. 이때 주목해야 할 부분은 심도 표현이다. 카메라와 피사체의 거리가 2배 증가하였지만, 피사체와 배경의 거리는 여전히 유지된다. 즉, 각각(피사체와 카메라:피사체와 배경 간 거리)의 거리비는 2:1이 되므로  35mm FF 포맷 카메라의 거리비 1:1과 동일한 심도 표현을 위해서는 조리개 값은 f/1.4로 2 stop 조정되어야 한다. 결과적으로 앞의 예시와 MFT 규격 카메라는 더 많은 광량(2 stop)으로 촬영된다.  

 

 

저조도(광량이 적은 어두운) 촬영과 (카메라 ISO 설정의 고감도 촬영은 대부분 어두운 곳에서는 높은 ISO 설정한다는 의미로 혼재해서 사용하지만 경우에 따라서는 구분할 필요가 있다. 동일한 감도 설정으로 촬영이라면 (동일한 해상력 전제 하에) 이미지 센서 규격에 따라 픽셀 당 수광 면적이 넓은 더 큰 규격의 이미지 센서가 상대적으로 더 좋은 성능(광자 샷 노이즈 감소)을 보이는 것은 당연하다. 하지만, 이미지 규격에 따른 동일한 화각 + 심도 표현까지 감안해야 하고, 결과적으로 저조도 촬영에서의 제조건과 각각의 설정 특성을 고려하면 (유효 개구의 크기를 적절히 반영해야해서) 실제 광자 샷 노이즈의 발생의 차이는 거의 없다. 따라서 저조도 촬영 조건에서 각기 다른 판형(포맷/규격)의 노이즈 성능을 엄밀히 비교하려면, 35mm FF 포맷 대비 MFT 포맷은 ISO 감도에서 2 스탑, super 35mm(APS-c) 포맷은 1 스탑 광량에서 이점이 있다. (따라서 픽셀 당 수광 면적의 단점과 더 많은 광량의 이점이 서로 상쇄되어 저조도 촬영의 유불리에 차이가 없다) 이점을 반영하면 사진에서는 더 빠른 셔터스피드 확보 또는 ISO 감도를 일정 낮춰 설정 가능하고, 영상에서는 여러 사정으로 FPS 고정이므로 더 낮은 ISO 설정이 가능해서 고감도 설정(주로 판독/read-out) 노이즈 억제에 유리하다고도 표현할 수 있다. (다른 방식의 비교 방식으로, 저조도 촬영에서 35 FF 포맷 + 50mm f/1.2로 촬영할 수 있는데, MFT 포맷은 25mm 렌즈에는 이에 해당하는 f 값의 렌즈는 만들기 어려워서 큰 이미지 포맷이 유리함이나 MFT 포맷 카메라 + 25mm f2 렌즈보다 35mm FF 포맷 + 50mm f/4의 렌즈 화질이 우수해서 화질이 더 좋다고 주장한다면 이 또한 일응 타당하다. 특정 조건에서 장점과 또 이면의 단점이 늘 함께 있다)  

 

픽셀의 수광 면적의 비교만으로는 설명하기 어려운 1인치 이하의 작은 규격의 스마트 카메라 모듈과 액션 캠의 뛰어난 저조도 환경에서 촬영 성능도 앞에서 장황하게 설명한 같은 맥락에서 이해되리라 생각한다. (물론 디지털 이미징 기술의 소프트웨어 방법을 통한 다양한 노이즈 감소/디노이징 기술의 성과 또한 기여한 바 크다)

 

 

마지막으로 긴 수다의 이유를 간략히 언급하고 싶다. 큰 판형에 대한 이점은 "필름" 카메라에서는 꽤 분명했다. 이는 필름 감광 입자는 (필름의 종류나 감도에 따라 다르지만) 필름 규격/포맷의 영향을 받지는 않는다. 즉, 필름 판형의 크기는 곧 해상력과 정비례한다. 하지만 이미지 센서는 반도체의 고집적 기술로 만들어져 규격의 크기와 해상력의 상관관계에서 필름에 비해 자유롭고(최근 35mm FF 규격이 6100만 화소 수준이지만 1인치 이하의 모바일 카메라 모듈에서 1억 화소를 구현한 제품도 있었다), 필름 카메라에서는 상상하기 어려웠던  다양한 규격으로 각각의 특징과 장점을 살린 카메라들이 만들어진다. 작은 포맷과 큰 포맷의 비교는 상대적인 무게나 크기에 따른 장/단점뿐만 아니라 광학적/기계적/전자적 성능에서 상대적 장점과 상대적 단점이 존재한다.

 

필름과 다른 디지털 카메라의 특징을 무시하고 필름 카메라 시절에 통용되던 "판형이 깡패"라는 속설/편견과 "돈 값"으로 칭하는 '비싸고 고급이 뭐든지 더 낫다'는 성급한 일반화의 오류에서 벗어나지 못한 것이 원인이라 생각한다. "큰 이미지 센서 규격이  저조도 촬영에 더 유리하다"는 디지털 카메라에서 만들어진 속설 또한 크게 다르지 않아 보인다. 장점만 있는 것들이 얼마나 있을까 싶다. 카메라의 줄어든 마켓파워로 다양성이 사라지고 특정한 포맷이나 특정 제조사&메이커 쏠림 현상이 우려스럽고 불만이다. 그동안 빈티지 수동 렌즈를 즐겨 사용해서 필름 시대의 지배 규격인 35mm FF 포맷을 선호했다. 하지만 디지털 이미징 시대의 카메라의 특성을 이해하면 35mm FF 포맷에 집착할 이유는 없다고 생각한다. 마이크로 포서드 규격과 APS-C 규격, 그리고 1인치 이하의 규격 또한 디지털 이미징에서 저마다의 장점이 있고 충분히 매력 있다. 하지만, 일반적인 소비자의 선호와 제품 시장의 흐름은 전용 카메라에서는 35mm FF, 그리고 1인치 보다 작은 (액션캠을 포함한) 모바일 카메라 모듈 규격으로 양분해서 굳어지는 추세이고, 그 사이에서 마이크로 포서드 규격의 미래가 꽤 위태로워 보인다. 그럼에도 새로운 시도의 마이크로 포서드 규격 카메라가 여전히 출시되고 있어 기대하며 지켜볼 부분이다. 카메라에서 더 다양하고 새로운 시도로 많은 선택지가 있기를 바란다.

 

마이크로 포서드 마운트 카메라 좌측 상단에서 시계 방향 순서_파나소닉 Gh7, Alice camera, 블래매직 4K Micro Studio Digital Camera, 로지텍 Mevo