이미지 센서란 무엇인가?
이번 글에서는
이미지 센서에 대하여
살펴보겠습니다.
카메라의 이미지 센서는
크게 CCD 와 CMOS 로 구분됩니다.
CCD는 모은 빛을 내려와서
한 번에 처리,
CMOS는 각 자리에서
모은 빛을 처리한다는
차이점이 있습니다.
빛을 처리한다는 것은
각 센서의 Photo Diode 가 받은 빛을
전기 신호로 바꾸는 과정을 의미합니다.
최근에는 CMOS 센서 위주로 사용되고 있습니다.
픽셀 구조 살펴보기
아까 사진의 격자무늬에서
한 픽셀을 가져와서
자세히 보겠습니다.
맨 위 빛을 모으는 렌즈를
지나서 특정 파장 영역만
받아들이기 위한 필터를 통과한 뒤
Photo Diode 로 빛이 들어가
전기 신호로 바꿔주게 됩니다.
하나 하나의 픽셀 사이즈가
크다는 것은 더 많은 빛을
모을 수 있다는 의미이므로,
어두운 환경이나,
빛이 부족한 상황에서
장점이 있습니다.
빛 신호 변환 과정
대략적인 전체 과정을 살펴봤으니,
하나 하나 원리를 살펴보겠습니다.
이미지 센서의 픽셀 하나에서
특정 파장을 필터링 합니다.
파장의 강도를 측정하기 위해서
측정 타겟의 파장만
걸러내는 과정입니다.
Bayer pattern (BGGR) 이
가장 많이 사용됩니다.
너무나도 많은 필터링 디자인과
너무나도 많은 픽셀
디자인이 있습니다.
Aliasing 문제
가장 많이 사용되는
Bayer pattern 의 단점이 있습니다.
전체 픽셀 수는 많으나,
각 채널로 보면 적기 때문에
Aliasing 문제가 발생합니다.
Aliasing 문제는 이전에 다룬 내용을
참고하시면 도움이 될 듯 합니다.
픽셀 수와 이미지 품질의 관계
이미지 센서안에 단순히
픽셀 수가 많으면 좋은 걸까요???
아닙니다.
이미지 센서 자체가 크면 클수록
카메라의 성능은 올라가지만,
동일한 이미지 센서 크기에서
잘게 쪼개서 픽셀 수만
늘리는 것은 더 많은
노이즈를 유발하기도 합니다.
실제 세상에서의 우리가
보는 빛은 연속적인 빛입니다.
이 연속저인 빛을
카메라를 통해
불연속적으로
픽셀에 담아내고 있습니다.
즉, 디지털화 하는 과정입니다.
광전 효과와 양자 효율(Quantum Efficiency)
아인슈타인이 처음 발견한
Photoelectric effect (광전 효과) 에 의해
빛 에너지가 Photo Diode 에 들어와서
전기 신호로 바뀌게 됩니다.
각 파장 마다 전기로
바뀌는 정도가 다르며,
이것을 Quantum Efficiency (QE) 라고 합니다.
각 파장마다 반응하는
정도가 다르기 때문에,
원하는 목적에 따라 특정 영역의
파장을 측정할 수 있습니다.
카메라는 가시광선 파장 영역에
잘 반응하는 센서를 이용하여
전기적 신호로 바꿔주게 됩니다.
이렇게 연속적인 에너지를 측정하여
기록할 수 있는 가장 가까운
Intensity (강도)로 저장하면
이미지가 됩니다.
표현할 수 있는 Level 이
많을 수록 좋은 품질의
이미지를 얻을 수 있습니다.
만약 빛 에너지가
너무나도 강하게 되면,
전기적 신호로 변경할 수 있는
최대값에 도달하여
어느정도 이상부터는 그냥
하얀색으로 나타나게 됩니다.
우리가 흔히 카메라로
태양을 찍으려고 할 때,
너무 밝아 이미지로 제대로
촬영할 수 없는 경험을
해보셨을겁니다.
반대로 빛 에너지가
너무 적어 증폭하고자 ISO 값을
조절하여 측정한 값 x scalar 값을 곱해서
이미지를 촬영할 수도 있습니다.
이것을 Gain 이라고 합니다.
스칼라 값이 곱해질 때,
Noise 에도 곱해지기 때문에
이미지에 노이즈가 심한 것을
확인할 수 있습니다.
그런 건 난 잘 모르겠고,
이미지 센서는
연속적인 빛 에너지를
불연속적인 전기 신호로
바꿔주는 장치
참고자료
