디지털 카메라와 이미지 센서

DSLR(Digital Single-Lens Reflex)은 디지털 일안 반사식 카메라를 의미하며, 미러리스는 내부의 미러 및 펜타프리즘을 제거하여 크기와 무게를 줄인 카메라를 의미한다. 이 두 카메라 모두 렌즈를 통해 빛을 받고 이미지 센서를 통해 기록된다.

이미지 센서의 종류

이미지 센서의 종류는 크게 CCD와 CMOS로 나뉜다. CCD와 CMOS의 차이점을 잘 설명한 동영상이 있어 가져왔다.

CCD(Charge Coupled Device)

CCD는 전하결합소자의 약칭으로, 빛에너지로 발생한 전하를 축적 후 전송하여 최종단에서 전하가 전기신호로 전환된다. 포토다이오드에서 발생한 전하를 보관 가능한 부분은 하나로 결합된 전송로로 일제히 옮기고, 나머지는 버킷 릴레이식으로 전하를 전송해 신호열로써 앰프에 읽어내는 심플한 구조다.  또 읽기의 채널수가 한정되므로 DSLR과 같은 대형 이미지센서에서는 읽기에 시간이 걸리고 소비 전력이 많은 것이 단점이다.

CMOS(Complimentary metal Oxide Semiconductor)

CMOS는 화소 내에 신호 증폭을 위한 앰프를 내장하고 있는 것이 큰 특징이다. 그러므로 빛 에너지로 발생된 전하를 바로 전기신호로 증폭하여 전송한다. 게다가 읽기의 다채널화나 부분 읽기를 할 수 있으므로 고속 연사에 대응하기 쉽고 소비 전력이 적어 라이브뷰 기능에도 대응하기 쉽다. 반면 화소 내에 회로 부분이 필요하기 때문에 포토다이오드의 면적은 작아지기 쉽다.

CCD vs CMOS

CCD 장점

  • 선명한 화질과 섬세한 색상 구분
  • 노이즈가 상대적으로 적음
  • 칩사이즈가 작음

CCD 단점 

  • 주변회로가 복잡하고 영상 처리 속도가 느림
  • 전력 소비가 크다

CMOS 장점

  • 상대적으로 저렴하게 대량 생산 가능
  • 다양한 회로들을 하나로 집적 가능
  • 전력 소비가 CCD 대비 1/10 감소

CMOS 단점

  • 상대적으로 감도가 낮고 노이즈에 취약함

최근 CMOS의 단점이 많이 개선되고 낮은 전력 소비, 발열, 제조 단가 등의 이유로 CCD보다는 CMOS가 더 많이 쓰일 예정이다.

이미지 센서와 베이어 패턴(Bayer Pattern)

디지털 카메라는 카메라의 셔터 버튼을 누르면 빛에 노출되어 이를 수집하고 전기 신호로 저장하게 된다. 

이때 이미지 센서에 배치된 수광부 배열(Cavity array)은 각 수광부는 색상을 구분할 수 없기 때문에 특정 색상의 빛만 허용하는 컬러 필터를 배치하게 된다. 

컬러 필터가 있는 포토 사이트

컬러 필터가 있는 포토 사이트

이렇게 한가지 색상만 받는 수광부를 다음 그림과 같이 배열한다.

바이엘 어레이

이를 베이어 패턴이라고 한다. 베이어 패턴은 보통 2X2배열에 BGGR 순서로 배치하여 반복적으로 구성한다. G가 두번씩 들어가는데, 이는 녹색(G)이 자연계에서 존재하는 가장 많은 색상이기도 하지만 인간이 가장 민감하게 구분하는 색상이기 때문이다. 인간은 휘도(밝기)값에 가장 민감한 편인데 G값이 휘도에 가장 큰 영향을 준다.

참고: 모든 디지털 카메라가 Bayer 패턴을 사용하는 것은 아니다.

다음과 같은 물체가 존재한다고 가정하자.

이를 카메라로 촬영하여 Bayer패턴에 의해 저장된 이미지는 다음과 같을 수 있다.

이렇게 베이어 패턴으로 이미지를 저장 또는 전송하게 되면 원래 컬러이미지를 구성해야하는 3개의 채널별 이미지(R,G,B)가 아닌 하나의 이미지만 다루기 때문에 데이터의 크기를 1/3로 줄일 수 있다.

Demosaicing

원본 이미지

베이어 필터 이미지

Demosaicing 한 복원 된 이미지

베이어 패턴으로 저장된 이미지는 품질이 떨어져 보일 수 밖에 없다. 하지만 우리가 디지털 카메라로 찍은 이미지가 베이어 필터 이미지처럼 출력되지는 않는다. 그 이유는 베이어 패턴으로 저장된 이미지를 다시 복원(Reconstruction)하기 때문이다.

소프트웨어적으로 각 화소마다 주변 셀들의 색상값을 보간(interpolation)하여 색을 구성하게 된다. 이를 Demosaicing이라고 한다. 따라서 보간된 컬러 이미지를 받으면 픽셀별로 3바이트가 필요하지만, 베이어 패턴 이미지를 그대로 받은 후 단말에서 이미지를 보간하면 데이터 전송량을 크게 줄이게 되어 카메라가 찍을 수 있는 프레임 수를 늘리게 된다.

Demosaicing은 어떤 알고리즘을 사용하느냐에 따라 화질이 크게 좌우된다. 위키에서 Demosaicing 알고리즘 종류를 확인하자.

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