Top 39 Ccd 카메라 의 원리 The 35 Detailed Answer

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CCD의 핵심 원리는 아인슈타인이 발견한 광전효과와 관련이 있다. 광전효과는 금속 또는 반도체의 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어 나오는 현상이다. 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛이 CCD에 도달하면 광전효과에 의해 전자가 발생해 수많은 화소(광다이오드) 내부에 모인다.

필름카메라와 디지털카메라의 원리 / YTN 사이언스

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요즘에는 필름 카메라를 보기 힘들다. 거의 대부분 디지털 카메라를 사용하기 때문이다. 전문가용이라고 하는 DSLR(디지털 일안 반사식 카메라)도 인기를 끌고 있다. 디지털 카메라는 필름을 교체할 수고를 덜어주고 인화나 현상을 할 필요도 없다. 대신 경치나 인물 등 피사체에 빠져 정신없이 사진을 찍다가 데이터 용량이 넘지 않을까, 배터리가 떨어지지 않을까를 걱정한다. 이 모두가 디지털 카메라에 들어 있는 이미지 센서 ‘덕분’이다. 웬만한 디지털 카메라에 장착돼 있는 이미지 센서는 흔히 CCD(Charge-Coupled Device)라 부르는 ‘전하 결합 소자’다. CCD는 디지털 카메라의 핵심 부품이기도 하지만, 허블 우주 망원경이나 캡슐형 내시경에서도 없어서는 안 되는 존재다. ‘세상을 보는 디지털 눈’이라 해도 과언이 아닌 CCD는 어떻게 탄생해 이렇게 다양하게 쓰이고 있는 것일까.

메모리에서 이미지 센서로 … 2009년 노벨상 수상

우표 크기만 한 CCD는 디지털 카메라의 성능을 좌우하는 핵심이다. CCD는 화소(pixel, picture element)라 불리는 일종의 광센서(광다이오드)가 2차원 평면에 배열돼 있는 구조다. 네모난 CCD에는 각 화소에 해당하는 광다이오드가 대개 수백만 개씩 들어 있다. 화소 수가 많을수록 CCD를 통해 고해상도 이미지를 얻을 수 있다. CCD는 1969년 미국 AT&T 벨연구소에서 윌러드 보일와 조지 스미스가 발명했다. 두 사람은 CCD를 발명한 업적 덕분에 2009년 노벨물리학상을 수상했다. 흥미롭게도 두 사람은 원래 이미지 센서가 아니라 메모리칩을 개발할 목적으로 연구를 시작했다. 당시 벨연구소는 반도체 메모리에 대해 연구하고 있었는데, 그들은 ‘전하 버블 소자’라 일컫던 원시적인 CCD를 설계했다.

두 사람은 자신들의 연구노트에서 이 소자가 어떻게 ‘자리 이동 레지스터(shift register)’로 사용될 수 있는지를 기술했다. 즉 설계의 핵심은 반도체 표면을 따라 하나의 축전기에서 또 다른 축전기로 전하를 옮기는 능력이었다. 1970년 4월 그들은 이런 개념을 ‘전하 결합 반도체 소자(Charge Coupled Semiconductor Devices)’라는 제목의 논문으로 발표했다. 이 논문에는 이 소자가 메모리, 지연선(遲延線), 영상 소자로 사용될 수 있다고 밝혔다. 작동하는 최초의 CCD는 집적회로 기술로 만들어진 8비트짜리였다. 이 소자는 입출력 회로가 있었으며, 자리 이동 레지스터뿐 아니라 8개 화소가 일렬로 배열된 투박한 영상소자로 쓰일 수 있었다. 1971년 11월에는 마이클 톰셋이 주도한 벨연구소 연구진이 간단한 직렬 소자를 이용해 영상을 찍을 수 있었다.

이후 CCD는 빠른 속도로 발전했다. 페어차일드 반도체, RCA 사, 텍사스 인스트루먼트 등을 포함한 몇몇 회사들이 CCD의 진가를 알아차렸고 이를 발전시키려고 노력하기 시작했다. 최초의 상용 CCD는 1974년에 페어차일드에서 개발됐는데, 500개 화소의 직렬 소자와 100×100 화소(1만 개 화소)의 2차원 소자가 그것이었다. 이듬해에는 미국 코닥의 전기공학자 스티븐 새슨이 페어차일드의 100×100 CCD를 이용해 최초의 디지털 카메라를 발명했다.

아인슈타인 원리와 바이어 필터의 만남

디지털 카메라에 들어 있는 CCD는 카메라에 들어온 빛을 전기 신호로 바꾸어 디지털 이미지를 구현해 낸다. CCD의 핵심 원리는 아인슈타인이 발견한 광전효과와 관련이 있다. 광전효과는 금속 또는 반도체의 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어 나오는 현상이다. 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛이 CCD에 도달하면 광전효과에 의해 전자가 발생해 수많은 화소(광다이오드) 내부에 모인다. 이렇게 모인 전자의 양은 들어온 빛의 양에 비례한다. 따라서 전자의 양에 따른 전압을 측정해 빛의 양을 알아내고, 이를 통해 실제 상을 디지털 이미지로 재구성한다. 이 단계에서는 빛의 양만 알 수 있기 때문에 흑백 이미지가 얻어진다.

그렇다면 컬러 이미지는 어떻게 얻을 수 있을까. 보통 CCD 위에 ‘바이어 필터’라는 삼원색 필터를 씌우면 실제 사물의 색깔까지 구현할 수 있다. 바이어 필터는 적색 필터 1개, 청색 필터 1개, 녹색 필터 2개가 이루는 정사각형 모양이 기본인데, 색 필터 1개가 CCD의 화소 1개씩 덮는다. 여기서 녹색 필터가 더 많은 이유는 인간의 눈이 적색이나 청색보다 녹색에 더 민감하기 때문이다. 바이어 필터를 CCD 위에 씌우면 적색, 청색, 녹색 빛의 양이 각각 얼마만큼 들어오는지 파악할 수 있다.

물론 적색 필터를 씌운 CCD 화소에서 녹색 빛의 양을 바로 알 수는 없다. 이때 주변에 녹색 필터를 씌운 화소에서 얻은 빛의 양을 통해 이를 추정해야 한다. 그래서 어떤 추정 알고리즘을 쓰느냐에 따라 이미지의 질이 달라진다. 최근에는 각 화소에 3개의 CCD를 사용하는 방식도 등장했다. 카메라에 들어오는 빛을 처음부터 삼원색 빛으로 가른 뒤 각각 다른 CCD를 통과하게 하면 모든 화소에서 적색, 청색, 녹색 빛의 양을 정확히 파악할 수 있다. 당연히 깨끗한 이미지를 얻을 수 있다.

첩보위성에서부터 캡슐형 내시경까지

CCD는 인간의 눈이 가진 한계를 극복하는 도구이기도 하다. 기존의 필름보다 빛을 감지하는 능력이 1000배 이상 뛰어날 뿐 아니라, 가시광선은 물론이고 자외선이나 적외선까지 감지할 수 있어 우주를 관측하는 데 유용하게 쓰이고 있다. 웬만한 지상 망원경이나 우주 망원경에 이미지 센서로 CCD가 장착돼 있다. 예를 들어 현재 지구 상공 560㎞ 높이에 떠 있는 허블 우주 망원경은 장착된 고성능 CCD 덕분에 신비하고 멋진 우주 천체의 이미지를 촬영해 왔다. 외계 행성을 탐색하는 케플러 우주 망원경에 설치된 이미지 센서는 42개의 CCD로 구성돼 있으며 화소 수가 약 9500만 개나 된다.

사실 초창기 CCD는 첩보위성에도 장착됐다. 1976년 12월에 800×800 화소의 CCD 배열이 장착된 KH-11 케넌 정찰 위성이 발사됐다. CCD가 우주의 신비를 밝힐 뿐 아니라 지구를 감시하는 역할을 톡톡히 한 셈이다.

의학 분야에서도 CCD의 활약이 눈부시다. 단순히 세포나 조직의 변화를 관찰하는 것은 물론이고 작은 구멍을 통해 수술하는 경우 수술 부위를 들여다보는 데 요긴하게 쓰인다. 최근 CCD가 장착된 캡슐 모양의 내시경도 이용되고 있다. 이 캡슐형 내시경은 환자가 삼키면 소화기관을 따라 내려가며 CCD가 몸속을 촬영하고 그 이미지를 몸 밖으로 무선 전송하는 방식이다.

1969년 CCD를 발명한 보일 박사와 스미스 박사도 CCD가 지금처럼 활약할지 예상하지 못했을 것이다. 새로운 발명은 항상 목표하는 대로만 이뤄지지 않고 예상을 뛰어넘는 결과를 낳기도 한다. 앞으로 CCD가 어떻게 활약할지 자못 궁금하다.

CCD란 무엇인가?

1. CCD란 무엇인가?

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디지털 카메라(digital camera)에는 은염 카메라(film camera)와 같은 필름(film)을 사용하지 않습니다. 대신 빛의 세기를 전기(電氣)적 신호로 바꾸어 주는 CCD(Charge Coupled Device) 를 사용합니다. CCD는 디지털 카메라에서 빛을 전기적 신호로 바꿔주는 광센서(optical sensor) 반도체(semiconductor)로, 일반 카메라로 말하자면 필름을 감광(感光)시키는 기능에 해당되며 디지털 카메라의 핵심입니다.

렌즈(lens)와 조리개(aperture)를 통해 카메라 내부로 전달된 빛은 CCD에 의해 빛의 강약(强弱)을 통하여 전기적 신호로 변환되고, 이 신호는 다시 아날로그 신호(analog signal)를 0과 1의 디지털 신호(digital signal)로 바꿔주는 ADC(Analog―Digital Converter)라는 변환 장치를 통해 이미지 파일로 변환돼 메모리에 저장됩니다.

셔터(shutter)를 누르면 빛이 렌즈와 조리개를 통해 들어와 CCD에 닿습니다. 렌즈로부터 들어온 빛의 세기는 CCD에 기록됩니다. 이 때 촬영된 영상(image)의 빛은 CCD에 붙어있는 RGB 색필터에 의해 각기 다른 색(色)으로 분리됩니다. 분리된 색은 CCD를 구성하는 수십만 개의 감광소자(感光素子)에서 전기적 신호로 바뀌게 됩니다.

↑ CCD가 모듈에 장착된 모습 [ 출처 (편집)]
(위에 푸른색 띠가 보이는 것이 필터이며, 필터 아래쪽에 CCD가 있습니다.)

CCD는 이미지를 이루는 점(點)을 표현하는 화소(畵素)가 같은 범위에 몇개 들어있느냐에 따라 성능이 구별됩니다. 우리가 흔히 디지털 카메라를 고를 때 300만 화소냐 400만 화소냐를 따지는 것은 바로 이 CCD에 들어간 화소수(畵素數)를 말합니다. 같은 범위에 화소가 많을수록 더 선명한 이미지를 얻을 수 있지만, 화소의 집적도(集積度, degree of integration)뿐 아니라 CCD 자체의 크기도 화질(image quality)에 큰 영향을 줍니다.

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2. 화소와 화소수

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CCD에 배치되어 있는 화소수는 사양표(스펙)의 가장 중요한 부분을 차지합니다. 100만화소 카메라, 200만화소 카메라, 300만화소 카메라 같은 말들이 바로 CCD에 배치되어 있는 화소의 수(數)를 말하는 것입니다. 그렇다면 화소가 하는 일이 무엇이기에 화소수가 많은 카메라들이 고급 기종으로 분류되는 걸까요?

(1) 화소 (畵素)

↑ 이미지 파일 확대 [ 출처 ]
컴퓨터 모니터나 인쇄물에서 볼 수 있는 모든 디지털 이미지(digital image)들을 아주 크게 확대하면, 그림의 경계선들이 연속된 곡선이 아니라 작은 사각형들이 붙어서 마치 계단같이 보이는 것을 알 수 있습니다. 이처럼 디지털 이미지들은 더 이상 쪼개지지 않는 (주로) 네모 모양의 작은 점들이 모여서 전체 그림을 만들게 됩니다. 이 때 이미지를 이루는 가장 작은 단위인 이 네모 모양의 작은 점들을 ‘픽셀(Pixel)’이라고 합니다. 픽셀은 영어로 그림(picture)의 원소(element)라는 뜻을 갖도록 만들어진 합성어로, 그래서 우리말로는 ‘화소(畵素)’라고 번역합니다.

따라서 화소의 수가 많을수록 해상도(resolution)가 높은 영상(image)을 얻을 수가 있습니다. 아래 그림처럼 화소가 많아질수록 표현되는 이미지는 더 선명하고 정교하기 때문입니다. “이 그림은 해상도가 640픽셀×480픽셀이다.”라는 말은 이 그림 속에 작은 사각형의 점 즉, 화소(픽셀)가 640×480 = 30만 7200개 들어 있다는 뜻이 됩니다.

디지털 사진도 마찬가지입니다. 디지털 카메라는 필름(Film) 대신 빛에 반응하는 반도체 센서로 CCD나 CMOS를 사용합니다. 이 반도체 센서는 빛의 양을 감지하는 작은 회로들로 구성되어 있는데, 그 회로들이 바로 ‘화소(畵素)’입니다. 100만화소급 카메라라면 CCD에 100만 개의 화소가 있다는 말입니다. 그 각각의 화소들은 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전하(electric charge)의 형태로 바꾸어 지니고 있습니다. 각각의 화소의 위치가 모두 다르고 포함한 전하의 크기 역시 다르기 때문에 화소들의 정보를 종합하면 피사체(被寫體)에 대한 정보를 만들어 낼 수 있는 것입니다. 마치 어린 아이들이 가지고 노는 블록과 같다고 할 수 있겠죠. 화소수가 많으면 그만큼 높은 해상도의 이미지를 만들어 낼 수 있는 것입니다.

↑ 디지털 카메라 반도체 센서의 화소 [ 출처 ]
BACKGROUND ☞ CCD와 CMOS ▷ CCD: Charge Couple Device(전하결합소자). 빛의 신호를 전기적인 신호로 바꿔주는 센서(image sensor)의 일종으로 고체촬상소자(固體撮像素子)라고도 불립니다. 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기 신호로 바꾸어 주는 장치로 필름 카메라의 필름(film)에 해당하는 역할을 합니다. CCD는 ‘픽셀(pixel)’이라고 불리는 빛을 감지하는 센서들로 이루어져 있는데 이것을 화소(picture element)라고 하며 화소수가 많을수록 고화질(high quality)의 영상(image)을 얻을 수 있습니다. CCD는 빛의 강약(强弱)만을 감지하며 색 필터를 사용하여 컬러 이미지를 만들어 냅니다. 크기는 CCD의 대각선 직경을 Inch(인치)로 표현(1/2Inch, 1/3Inch)하며, CCD의 크기가 클수록 사진의 화질이 좋습니다. ▷ CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor(상보성금속산화물반도체). CCD와 더불어 가장 많이 사용하는 이미지 센서입니다. CCD보다는 전력소모가 적고 작게 만들 수 있지만, 화질이 떨어지는 단점이 있었습니다. 그래서, 주로 화상 카메라(PC camera)에만 사용되어 왔습니다. 하지만 현재는 화질이 많이 개선된 것으로 보입니다. 예로 캐논의 EOS-D30이라는 전문가형 디카에서는 CMOS 센서를 사용하고 있습니다. 현재는 CCD가 CMOS에 비해 절대적으로 많이 사용되지만, 전력소모가 적은 장점이 있고 화질 면에서도 개선되어 차후에는 주도권을 CMOS가 가지게 될 가능성도 있습니다.

(2) 화소수 (畵素數)

500만화소의 카메라는 최대 사진 크기가 몇일까요? 보통 가로 2,592픽셀, 세로 1,944픽셀입니다. 이 가로·세로를 곱하면 2,592×1,944 = 5,038,848으로 약 500만이란 숫자가 나옵니다. 즉, 500만화소 카메라는 500만 개의 점으로 이루어진 사진을 만들어 낸다는 뜻입니다.

↑ 화소수 = 사진의 크기 [ 출처 ]
(실제로는 실화소수와 유효화소수의 오차로 인해 차이가 조금 있습니다.)

컴퓨터에서 사진을 열었을 때 이미지의 일부만 보인 적이 있을 것입니다. 가로가 2,592픽셀이면 얼마 만큼의 크기일까요? 요즘 사용하는 일반적인 모니터의 해상도는 가로 1,024픽셀, 세로 768픽셀 정도입니다. 1,024픽셀×768픽셀을 계산해보면 80만화소도 안 됩니다. 모니터의 크기와 500만화소의 사진과 비교하면 아래 그림과 같이 어마어마한 차이가 나게 됩니다. 블로그나 게시판에 올리는 사진의 크기는 가로가 400~600픽셀 정도입니다.

↑ 500만화소의 사진 크기와 모니터에서의 사진 크기 비교 [ 출처 ]
그렇다면, 왜 큰 사진이 필요할까요? 섬세한 표현을 위해서라고 할 수 있습니다. 같은 크기의 글자라도 점 20개로 표현하는 것과 100개로 표현하는 것은 그 섬세함이 다릅니다. 사진도 마찬가지로 같은 물체를 큰 화소수로 표현하면, 더 세밀한 사진을 얻을 수 있습니다.

하지만, 화소수는 이미지의 크기를 결정하는 요인이지 선명도와는 크게 상관이 없습니다. 렌즈(lens)나 반도체 센서(CCD나 CMOS)의 크기와 성능, 그리고 디지털 처리 방식 등에 따라 많은 변수가 있기 때문입니다. 오히려 CCD의 크기가 이미지의 선명도와 연관이 있습니다. CCD가 커지면 같은 화소수의 CCD라도 크기가 크면 하나의 화소가 받아들이는 빛의 양이 많아집니다. 그렇게 되면 광량(光量)이 적은 어두운 곳에서 촬영한 이미지도 더 선명하게 나오게 됩니다.

CCD의 화소수와 크기는 카메라의 가격을 결정하는데 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있습니다. CCD가 커지면 받아들일 수 있는 광량과 정보가 많아지지만 그만큼 가격이 상승하기 때문에 좁은 공간에 최대한의 화소를 집적시키기 위해 많은 시간과 노력이 투자되고 있습니다.

(3) 화소수가 큰 사진의 단점

높은 화소수로 큰 사진을 얻으면 섬세함은 좋지만 단점도 있습니다. 픽셀이 많다는 것은 데이터의 양이 많다는 뜻으로 사진의 파일 용량이 커지게 됩니다. 예를 들어 128MB의 메모리카드(memory card)에 200만화소 카메라는 100장의 사진을 저장할 수 있다면, 500만화소 카메라는 50장도 저장 못할 수도 있습니다. 결국 큰 용량의 사진을 저장하거나 편집하는데는 컴퓨터의 더 큰 저장 공간이 필요합니다. 그러므로 메모리가 충분하지 않다면 자신에게 필요한 용도에 맞춰 사진 크기를 조절할 필요가 있습니다.

↑ 큰 사진은 그만큼 더 많은 메모리가 필요 [ 출처 ]
(3) 용도별 사진 크기

↑ 디카에서의 이미지 사이즈 조절 [ 출처 ]
어떤 사람은 사진을 무조건 최대 크기로만 찍고, 또 어떤 사람은 블로그에 사진 올린다고 최소 크기로만 찍는 경우가 종종 있습니다. 어떤 사진 크기가 가장 적합할까요?

웹(WEB)에 올릴 목적의 사진인 경우에는 필요한 사진 크기의 2배 이상으로 찍어서 편집 프로그램으로 작게 리사이즈(resize)해서 사용하면 화질이 좋습니다. 예를 들어 가로 500픽셀의 사진이 필요하다면 1024픽셀 이상으로 찍는 것이 좋습니다.

인화(printing)를 목적으로 하는 사진인 경우에는 가로 1600픽셀 이상으로 찍는 것이 좋습니다. 인화 서비스 업체들의 홈페이지 안내를 보면, 사진 크기 별로 적용되는 인화지 크기가 나옵니다. 사진을 가공하거나 편집할 사진은 카메라가 허용하는 한 최대 사이즈로 찍는 것이 좋습니다.

그러나 큰 사진은 작게 줄일 수 있어도, 작은 사진은 크게 확대할 수가 없습니다. 작은 사이즈의 이미즈를 크게 확대해서 인화할 경우에는 화질에 큰 손상을 주기 때문입니다. 그러므로 다른 용도로 쓰이게 될 가능성이 있는 사진이라면 지나치게 작은 사이즈로 찍지 않는 것이 좋습니다.

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3. CCD의 크기

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디지털 카메라 부품 중 가장 가격이 높은 부품 중 하나가 CCD입니다. 성능에 직결되기 때문입니다. CCD가 크면 촬상면(撮像面)이 커지기 때문에 빛을 잘 받아들여 노이즈(noise)가 적습니다. 또한 CCD에 집적되어 있는 화소가 같은 상황일 경우에는 CCD는 클수록 화질이 좋아집니다. CCD가 커질수록 더 많은 화소를 집어 넣을 수도 있고, 심도(depth) 확보에도 유리합니다. CCD는 쉽게 이야기하면 필름 카메라에서 좋은 필름을 사용하는 것과 같다고 할 수 있습니다. 좋은 필름이 좋은 사진을 만들어 내듯 디지털 카메라도 핵심 부품인 CCD의 성능이 좋아야 좋은 사진을 촬영할 수 있습니다.

CCD 크기를 1/3″, 1/4″, … 등으로 표기하는 것은 CCD 소자(素子)의 대각선 방향 길이를 말합니다. 예를 들어 1/1.8″의 CCD라면 그 CCD의 대각선 길이가 1/1.8인치(inch)라는 의미고, 1/2.5″의 CCD라면 대각선이 1/2.5인치(inch)라는 뜻입니다. 당연히 분모가 작은 1/1.8″의 CCD의 크기가 더 큽니다. CCD가 크면 위에서 언급한대로 노이즈나 화질면에서 약간이나마 유리합니다. CCD가 커지면 각 화소의 면적이 넓어지고, 화소당 수광(受光) 면적이 증가되어 노출을 받을 시 노이즈(noise)와 핫픽셀(hot pixel)이 덜 생깁니다.

┏ 1/3″ → CCD의 가로 × 세로 = 0.6cm × 0.6cm = 3.6㎠,

┣ 1/4″ → CCD의 가로 × 세로 = 0.45cm × 0.45cm = 2.0㎠

┗ 1/6” → CCD의 가로 × 세로 = 0.3cm × 0.3cm = 0.9㎠

↑ CCD와 35mm 필름의 크기 비교 [ 출처 ]
(참고로 “는 인치(inch)가 아니라 인치에 근접한 단위입니다.)

그러나 단점도 있습니다. 동일한 크기의 CCD에서 화소만 높이게 된다면 픽셀피치 [pixel pitch: 화소(pixel)와 화소(pixel)간의 간격] 가 좁아지게 되어, 촬영된 사진에 노이즈가 증가하게 됩니다. 이것은 다시 말해서 어두운 곳에서 촬영할 경우나 야간 촬영, 벌브(flash bulb) 촬영 시 다량의 노이즈가 발생하게 되는 원인이 됩니다.

그리고 한가지 더 알아야 할 것이 CCD의 크기와 조리개 수치(F-number)의 관계입니다. 일반적으로 CCD의 크기가 커질수록 화질이 좋지만, 반면에 CCD의 크기가 크면 조리개의 최대 수치(F값의 수치)도 높아지게 됩니다. 예를 들면, CCD의 크기가 23.7mm×15.6mm인 니콘(NIKON) D1은 최대 조리개가 F32까지 가능하지만, 올림푸스(OLYMPUS) E-10의 경우 2/3인치(8.8mm×6.6mm) CCD이기 때문에 조리개가 F11까지만 가능합니다.

CCD의 크기가 반드시 성능의 척도가 되는 것은 아니며, 최근에는 이미지 처리 기술과 엔진이 발달해서 작은 CCD에 고화소(高畵素)를 집적시켜도 노이즈가 적고 선명한 화질을 얻을 수 있으므로 CCD의 크기에 너무 연연할 필요는 없습니다.

BACKGROUND 1 ☞ 노이즈(Noise) 빛이 부족한 곳이나 밤에 찍은 사진을 자세히 살펴보면, 화질이 굉장히 거칠어 보이거나 먼지가 가득 찬 것처럼 보이는데, 이런 현상을 노이즈(Noise)라고 합니다. 디지털 카메라에서는 ISO(감도)를 높이거나, 장시간 노출을 하거나, 기온이 높거나, 기기가 열을 받았을 때 주로 발생하며, 촬영된 이미지를 심하게 압축하거나 확대할 경우도 노이즈가 발생합니다. 디지털 카메라인 경우 오랜 시간 켜 두고 있으면 카메라 본체에 열이 많이 나게 됩니다. 열은 LCD(Liquid Crystal Display)와 CCD(Charge Coupled Device)에서 주로 나타나지만, 카메라가 따뜻하다고 느낄 정도의 열이라면, 주로 CCD에서 나오는 열입니다. 그러면 왜 CCD에서 열이 날까요? CCD는 외부의 빛을 받아들인 후 이미지를 처리하면서 많은 열이 납니다. 그 열을 외부로 분산하도록 제품을 설계하다 보니 카메라의 아랫부분이나 옆부분이 따뜻해집니다. 디지털 카메라로 촬영한 사진에 나타나는 대부분의 노이즈는 CCD에서 발생하는 열 때문입니다. 만약 제품을 잘못 설계해서 CCD의 열을 외부로 신속하게 배출하지 못하면, 촬영된 사진에 노이즈가 많이 나타나게 됩니다. 최근 출시되는 제품들은 알루미늄 합금 등의 재질을 사용한 케이스가 CCD와 연결되어 있기 때문에, 내부의 열을 효과적으로 분산시켜서 노이즈를 많이 감소시키고 있습니다. 노이즈가 없는 사진을 찍으려면, 노이즈의 원인이 되는 CCD에 열이 나지 않도록 해야 합니다. 카메라를 잘 관리하면, CCD에서 발생하는 열을 줄일 수 있는데, 다음과 같은 방법으로 노이즈를 줄일 수 있습니다. ▷ 카메라를 사용하지 않을 때에는 항상 전원을 끈다: 카메라를 계속 켜 두면, LCD에서 발생하는 열 때문에 CCD의 온도가 높아집니다. 따라서 카메라를 사용하지 않을 때에는 전원을 끄는 것이 좋습니다. ▷ 전원을 켠 후 30분 이상 사용하지 않는다: 카메라를 켠 후 연속해서 수십 장의 사진을 찍거나 30분 이상 사용하면, CCD와 LCD에서 많은 열이 발생하여 노이즈가 증가하게 됩니다. 따라서 오랫동안 사진을 찍을 때에는 중간에 카메라의 전원을 꺼서 열을 식히는 것이 좋습니다. ▷ 전원을 켠 후 곧바로 촬영한다: 전원을 켜고 몇 분 정도 지나서 촬영한 사진에 비해 전원을 켜자마자 촬영한 사진에 노이즈가 덜 나타납니다. ▷ 열이 많이 발생하는 부분을 식혀 준다: 카메라 외부에 발생한 열을 빨리 식혀 주면 카메라 내부의 열을 빨리 방출시킬 수 있습니다. 특히 외부가 금속성 물질로 되어 있는 카메라의 케이스를 집중적으로 식혀 주면, 노이즈를 크게 감소시키면서 오랜 시간 촬영할 때에도 노이즈 없는 사진을 찍을 수 있습니다. ▷ 어두운 곳에서는 플래시나 외부 조명을 사용한다: 노이즈는 어두운 곳에서 찍은 사진에 많이 나타납니다. 플래시를 사용할 수 없는 조건이 아니라면, 플래시나 외부 조명을 밝게 하여 사진을 찍는 것이 좋습니다. ▷ 노이즈 제거 기능(NR기능)을 활용한다: 노이즈 제거 기능(NR기능)이 있는 카메라로 야간 촬영을 하거나 셔터를 오랜 시간 동안 개방하면 노이즈를 어느 정도 감소시킬 수 있습니다. BACKGROUND 2 ☞ 불량화소(Dead Pixel) 디지털 카메라 구입 시 흔히 ‘불량화소’의 유무(有無)가 구입의 중요한 요소가 되기도 합니다. 불량화소(Dead Pixel)이란, 디지털 카메라의 핵심 부품인 CCD와 이미지 확인 등에 쓰이는 LCD에서 나타나는 물리적 결함을 말합니다. 이들 CCD나 LCD가 색깔을 표현하기 위해서는 R(Red), G(Green), B(Blue)의 세 가지의 색이 발광하여 표현하게 됩니다. 하지만 이 때 화소(픽셀)의 물리적, 전기적 결함 등으로 세 가지 색 중 하나 이상의 색을 표현하지 못하는 경우를 불량화소(데드픽셀)라고 합니다. 따라서 불량화소는 적색이나 녹색, 흰색 등 원색(原色) 계열의 점(點)으로 촬영됩니다. 화소 자체의 결함이기 떄문에 항상 같은 위치에 나타나게 되며, 이러한 불량화소는 사진에 직접적인 영향을 미치기 때문에 카메라 구입 시 성능과 불량 여부를 평가하는 요소가 됩니다. BACKGROUND 3 ☞ 핫픽셀(Hot Pixel) 핫픽셀(Hot Pixel)은 불량화소와 비슷한 원리로 생기지만, 기계적인 결함으로 볼 수 없다는 점에서 불량화소와는 다릅니다. 불량화소와의 공통점은 픽셀이 발광하지 못해 적색, 흰색 등의 점(點)의 형태로 나타난다는 것과 사진에 직접적인 영향을 미친다는 점입니다. 마찬가지로 CCD와 LCD 양측에서 발생하지만 불량화소와 가장 큰 차이점은 나타나는 위치가 정해져 있지 않다는 것입니다. 즉 어떠한 임의의 화소에 불량화소가 발생하였다면 항상 같은 위치에 화소의 불량이 나타나게 되지만, 핫픽셀의 경우에는 여러 요소에 따라 나타나는 때도 있고 나타나지 않는 때도 있습니다. 또한 처음 사용 시에는 핫픽셀이 전혀 없다가 사용함에 따라 간혹 나타나기도 합니다. 핫픽셀은 보통 사용 기간이 오래된 카메라, 또는 셔터(shutter speed)를 길게 설정해 노출이 길어진 경우, 카메라 자체가 장시간 사용으로 과열된 상태에서 더욱 잘 나타나는 경향이 있으며, 픽셀이 기계적으로 고장난 것이 아니므로 결함이라 볼 수 없습니다. 또한 노이즈 제거 기능(NR기능)을 적용한 카메라에서는 이러한 핫픽셀을 걸러주는 기능이 있어 핫픽셀을 경감시켜주기도 합니다.

TIP 1 ☞ 불량화소(Dead Pixel)와 핫픽셀(Hot Pixel)의 차이점 ▷ 불량화소(Dead Pixel) ┏ 자체 결함이나 기타 이유로 해서 화소(픽셀)가 발색(發色)하지 않거나 오작동(誤作動)하는 경우에 나타남. ┣ 사진을 찍게 되면 항상 같은 자리에 녹색 또는 백색 등의 점(點)으로 나타남. ┗ 어떤 상황에도 나타남. ▷ 핫픽셀(Hot Pixel) ┏ 화소(픽셀)가 ‘잠시’ 작동 하지 않는 것. ┣ 카메라의 온도나 전원, 사용 시간 등에 의해 변수가 많이 생기므로 결함이라 볼 수 없음. ┣ 사진을 찍을 때마다 나타날 때가 있고, 나타나지 않을 때가 있음. ┗ 저속 셔터 시에 자주 나타남. TIP 2 ☞ 불량화소(Dead Pixel)와 핫픽셀(Hot Pixel)의 확인 방법 불량화소(Dead Pixel)와 핫픽셀(Hot Pixel)을 확인하는 방법은 즉석에서도 가능합니다. 카메라의 렌즈캡을 닫거나 가리는 등 빛을 완전 차단 후 촬영해서 완전히 검은색의 이미지를 얻습니다. 수동 기능이 있는 카메라라면 셔터와 조리개 값을 다르게 해서 여러 장 촬영하고 자동 카메라라도 여러 장 촬영합니다. 그 후 촬영한 이미지를 확인할 때 항상 같은 자리에 나타나는 화소의 이상을 불량화소로 의심합니다. 화소의 이상이 불규칙하게 나타나거나 몆몆 사진에서만 발견되었다면 핫픽셀로 간주합니다. 더욱 정확한 방법으로는 프로그램을 사용하는 방법인데, 육안으로 확인 불가능한 위치의 불량화소를 정확하게 파악해줍니다. 현재 카메라 제조 기술 공정이 발달하면서 불량화소와 핫픽셀은 예전의 제품에 비해 상당히 줄어들었지만 소중한 사진에 영향을 미칠 수도 있기 때문에 사전에 확인하는 것이 필요하며, 불량화소 발생 시에는 AS나 교환 등을 통해 불량화소가 없는 카메라를 사용하는 것이 좋습니다.

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3. CCD의 구조와 동작 원리

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아래의 그림들은 CCD의 구조와 동작을 알기 쉽게 표현한 것입니다. 위에서 떨어지는 빗방울은 빛의 알갱이(photon; 光子)를 나타냅니다. 각각의 컵은 CCD에서의 한 픽셀(pixel)을 나타냅니다. 일정 시간 노출을 준다면 위치에 따라 컵에는 다양한 양의 물(빛)이 담기게 될 것입니다. 노출이 끝나면 오른쪽 컵의 물을 비이커에 붓습니다. 그 크기를 재서 메모리에 기록합니다. 다음 오른쪽에서 두번째 컵의 물을 비어 있는 맨 오른쪽 컵으로 옮겨 붓습니다. 이러한 과정은 거의 동시에 모든 컵에서 일어나며 맨 오른쪽의 비이커에는 차례대로 물이 옮겨져서 해당하는 메모리에 기록됩니다.

↑ <그림1> CCD의 비유 [ 출처 (편집)]
위의 <그림1>은 한 줄(1차원)로 되어 있는 CCD를 표현한 것인데, 2차원의 면적을 갖는 CCD도 마찬가지로 이해할 수 있습니다. 위와 같은 구조가 세로로 계속해서 나열되어 있다고 생각하면 됩니다. 그러면, 맨 오른쪽 컵들에서 비이커들로 물을 옮기고 나서 이번에는 비이커들끼리 또 옮겨집니다. 머릿속으로 한 번 상상해 보시기 바랍니다. 라인(1차원) CCD의 실제 구조는 다음과 같습니다.

↑ <그림2> CCD의 내부 구조 [ 출처 (편집)]
포토다이오드(photodiode)위로 빛(photons)이 입사되면 n+로 되어 있는 반도체 층에서 전하(electric charge)가 발생됩니다. 이 전하는 포토다이오드 아래의 전하 우물에 저장이 됩니다. 이 우물은 좌우(左右)의 벽에 의해 둘러싸여 있습니다. 촬영 전에는 PR(Pixel Reset gate)이라는 전극을 통해 포토다이오드를 리셋(reset)시킵니다. 이 과정은 포토다이오드 우물의 왼쪽 벽을 허물어서, 들어 있던 전하들을 쏟아버리는 것으로 이해하시면 됩니다. 그런 다음 노출을 주면 그때부터 새로운 전하들이 포토다이오드의 전하 우물에 저장이 됩니다. 노출이 끝나면 이번에는 오른쪽의 벽을 허물어서 CCD의 우물로 전하를 옮깁니다. CCD로 옮겨진 전하는 CCD 전극의 게이트(gate)에 일련의 펄스(pulse)를 주어 세로 방향으로 읽어내게 되고 이렇게 읽어낸 전하들은 적당히 디지털(digital)로 변환되어 메모리에 저장하는 것입니다.

그러면 CCD는 어떻게 전하들을 차례차례 읽어낼 수 있는 걸까요? 다음 그림을 봅시다.

↑ <그림3> CCD 읽어내기 [ 출처 (편집)]
f1, f2, f3는 CCD의 각 픽셀에 연결되어 있는 전극입니다. 이 전극에 －의 전압을 걸어주면 그 아래에 전하를 저장할 수 있는 우물이 생깁니다. 자, 이제 t1이라는 시각에 f3에 －전압을, 나머지 전극에는 ＋전압을 걸어줍니다. 그러면 f3전극 아래의 CCD에만 우물이 생깁니다. 최초에 이 우물에 전하가 저장되어 있었다고 가정하고, 이제 t2라는 시각에 －전압을 f3에서 f1으로 바꾸어 걸어줍니다. 그러면 f1 전극 아래의 CCD에 우물이 생기고 f3 우물에 있던 전하가 이리로 옮겨가게 됩니다. t3라는 시각에는… 말씀 안 드려도 이제 아시겠죠? 그래서 각각의 픽셀에 있던 전하들이 차례로 오른쪽으로 옮겨가는 것입니다. 맨 오른쪽에는 이렇게 옮겨진 전하들을 증폭하고 디지털 변환하여 메모리에 저장하는 일련의 회로들이 포진하고 있겠죠. 2차원 센서의 경우도 마찬가지입니다. 다음 그림을 또 봅시다.

↑ <그림4> 2차원 CCD의 동작 [ 출처 (편집)]
예를 들어 100×100의 해상도를 갖는 CCD 센서라고 가정하면, 위 그림에서 100개의 픽셀을 갖는 Vertical CCD가 100줄이 필요하고 아랫쪽에 다시 100개의 픽셀을 갖는 Horizontal CCD가 필요하게 됩니다. 각각의 Vertical CCD를 통해 내려온 전하들은 이 Horizontal CCD를 통해 다시 오른쪽으로 이동하여 출력됩니다. 그러니까, 카메라에 사용되는 CCD 센서는 사실은 빛을 전하로 바꾸어 주는 포토다이오드(photodiode)와 이 전하들을 차례로 옮겨서 읽어낼 수 있게 해 주는 CCD의 두 소자(device)가 합쳐진 것입니다. 여기에 컬러 신호를 만들어 내기 위해 포토다이오드 위에 적당한 RGB 필터를 얹기도 하고 적외선 차단 필터를 얹기도 하는 것입니다.

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4. CCD의 결함

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디지털 카메라는 필름 카메라에서 필름(Film)을 사용하는 것과 달리 촬상 소자(imaging device)로 CCD나 CMOS를 사용합니다. 이 센서들은 필름과는 달리 전기적 신호와 디지털 체계로 이미지를 기록하게 되는데, 이 과정에서 나타나는 오류로 인해 발생하는 현상이 바로 스미어(Smear) 현상, 블루밍(Blooming) 현상, 그리고 모아레(Moire) 현상입니다.

(1) 스미어 현상 (Smear)

↑ 스미어 현상이 나타난 사진들 [ 출처 ]
스미어(Smear) 현상이란 밝은 광원을 촬영할 때 세로 방향(혹은 가로 방향)으로 밝은 줄이 나타나는 현상을 말합니다. 왼쪽 사진들에서 밝은 줄은 포화된 광원의 윗쪽으로만 나타납니다. 왜 그럴까요?

위의 CCD 구조를 보면서 이해해 봅시다. 포토다이오드(photodiode)에 입사(入射)된 빛이 일정 수준을 넘어서면 전하를 저장하는 우물이 넘쳐나게 됩니다. 포토다이오드 한 열이 CCD로 옮겨지고 이 CCD 우물을 다시 세로 방향으로 읽어내게 되는데, 포화된 포토다이오드 우물에서 이웃한 CCD로 계속 전하가 넘쳐서 전달됩니다. CCD는 한쪽 방향으로 읽어내므로 스미어 현상은 광원을 중심으로 한쪽 방향으로만 나타나게 되는 것입니다.

이러한 스미어 현상을 줄이기 위해서는 포토다이오드의 전하가 넘치기 전에 재빨리 CCD를 읽어내거나, 아니면 넘치지 않도록 포토다이오드와 CCD 사이에 더욱 높은 벽을 쌓는 것입니다. 그러나 이렇게 하려면 구조가 복잡해지므로 만들기도 어렵고 따라서 센서의 가격도 비싸지게 됩니다.

그러면, 이러한 스미어 현상은 왜 고속 셔터에서 많이 일어날까요? 그것은 위의 <그림2> ‘CCD의 내부 구조’를 보고 설명드릴 수 있습니다. 일반적으로 CCD의 노출 시간은 카메라 바디의 셔터를 통해 이루어집니다. 그러나 동조 속도 이상의 셔터 속도에서는 CCD를 직접 제어함으로써 노출을 조절할 수 있습니다. 위 <그림2>에서 포토다이오드의 우물을 CCD의 우물로 전달하는 역할을 하는 TCK(Transfer Gate)를 주목하십시오. 여기에 －전압을 걸면 포토다이오드 우물과 CCD 우물 사이의 벽이 낮아져서 전하가 CCD쪽으로 이동합니다. 이렇게 벽이 낮아지는 시간을 조절하면 셔터를 이용하여 노출시간을 조절하는 것과 동일한 효과를 얻게 됩니다. 이것이 바로 CCD의 전자 셔터입니다. 그러나 그 와중에도 바디의 셔터가 열려 있다면 포토다이오드에는 계속 빛이 입사되고 그 아래 우물에는 전하가 넘쳐나서 CCD와의 사이에 있는 벽을 넘어 CCD로 흘러들게 됩니다(전자 셔터가 닫혀 있더라도). 이 상황에서 세로로 배열되어 있는 CCD의 전하를 읽어낸다면 넘쳐나는 전하들로 인해 밝은 줄이 생기게 되는 것입니다.

스미어 현상은 블루밍 현상과 발생 원인은 비슷하지만, 블루밍 현상과는 다르게 CCD에서만 나타납니다. 주로 고속 셔터를 사용할 때 나타나며 태양과 같이 너무 밝은 물체를 촬영할 때 흔히 볼 수 있습니다. 블루밍 현상은 빛이 원형으로 퍼지는 대신 스미어 현상은 넘친 전하가 일직선 모양을 이루고 있습니다.

(2) 블루밍 현상 (Blooming)

CCD의 결함에는 스미어(Smear) 현상 이외에 블루밍(Blooming) 현상도 있습니다. 블루밍 현상은 밝은 광원을 중심으로 원형으로 퍼지는 현상을 말하는데, 이것도 마찬가지로 포토다이오드(photodiode) 또는 CCD의 전하 우물이 이웃으로 넘쳐나서 생기는 현상입니다.

↑ 블루밍(Blooming) 현상 [ 출처 ]
스미어 현상이 CCD에서만 나타나는 현상임에 반해, 블루밍 현상은 CCD나 CMOS 센서에서 모두 나타납니다. 주로 태양이나 전구와 같은 고휘도(高輝度)의 물체로 인해 발생하며, 태양 주위나 가로등 주위에 동그란 테두리가 생기는 것으로 플레어(Flare) 현상과 거의 비슷한 모습입니다. 블루밍 현상은 피사체에 태양이나 전구 등의 물체가 포함되어 있을 때 이 물체의 빛이 너무 밝아 이미지 센서가 처리할 수 있는 용량을 넘어서면서 이 빛이 주위로 번지면서 나타나는 것입니다.

BACKGROUND ☞ 플레어(Flare) 플레어(Flare) 현상은 크게 고스트(Ghost) 현상과 포그(Fog) 현상으로 나눌 수 있습니다. ▷ 고스트(Ghost) 현상: 고스트 현상이란 눈으로 봤을 때는 없었던 테두리가 나타나거나, 도깨비 불과 같은 동그란 모양의 빛이 촬영된 것을 말합니다. 야간에 가로등을 촬영했을 때 가로등 불빛이 번지는 현상도 고스트 현상의 일종으로 볼 수 있는데, 광량이 부족한 경우나 필터를 사용해 촬영할 때 나타나기 쉽습니다. ▷ 포그(Fog) 현상: 포그 현상은 촬영한 이미지가 전체적으로 안개가 낀 것처럼 흐리게 나오는 것을 말합니다. 보통 렌즈에 습기가 찼을 때 나타나는 현상과도 비슷하지만, 여기서 말하는 포그 현상은 빛에 의해 발생하는 현상을 의미합니다. 이와 같은 플레어 현상이 생기는 원인은 주로 렌즈의 문제로 볼 수 있습니다. 카메라 렌즈는 2매 이상으로 이루어져 있는데, 렌즈 내부로 들어온 빛이 렌즈 내부에서 반사(反射)와 분산(分散)을 일으켜 이러한 현상이 발생하게 됩니다. 물론 렌즈의 반사를 막기 위해 코팅 렌즈를 많이 사용하지만 이것으로 반사가 완전히 제거되지 못해 플레어 현상이 발생하게 되는 것입니다. 보통 밝기의 광원에서는 플레어 현상이 발생하는 일이 적지만, 태양이나 전구 또는 야간에 가로등을 촬영할 경우, 즉 주위 환경과 비교해 밝은 물체가 피사체에 포함되어 있을 때 발생할 확률이 높습니다. 고스트 현상이나 포그 현상을 사용해 특이한 분위기의 사진을 연출하기도 하지만 이는 어디까지나 촬영자의 의지를 반영한 의도된 설정이며 기본적으로는 배제되어야 할 현상입니다. 이러한 현상을 방지하고 싶다면 고휘도의 피사체를 촬영할 때는 렌즈 후드(lens hood)를 사용하는 것이 좋습니다. 렌즈 후드를 사용하면 태양 주위나 전등 주위에 테두리가 생기는 현상은 대부분 방지할 수 있습니다. 또한, 야간이나 광량이 부족한 곳에서 촬영할 때 필터를 사용하지 않는 편이 고스트 현상을 방지하는데 도움이 됩니다.

(3) 모아레 현상 (Moire)

↑ 차트 위에 생긴 무지개색 물결무늬 [ 출처 ]
모아레(Moire)란 단어는 프랑스인들이 고대 중국에서 수입된 비단 위에 나타나는 물결무늬(wave pattern)를 일컬었던 말로, 요즘에는 두 개 이상의 주기적인 패턴(periodic pattern)이 겹쳐져 생기는 간섭무늬(interference fringe)를 지칭하는 단어로 사용됩니다.

모아레가 발생하는 원인을 살펴보면, 우선 맥놀이 현상에 대한 이해가 필요합니다. 맥놀이(Beat) 현상이란 주파수(frequency)가 비슷한 두 개의 파동(wave)이 서로에게 영향을 미쳐 두 주파수의 차이에 따라 주파수 폭이 일정한 주기로 변하는 것을 말합니다.

보신각 종을 쳤을 때 뒤로 갈수록 종소리가 커졌다 작아졌다 하면서 여운을 남기는 것을 그 예로 들 수 있습니다. 타종되는 종의 부위와 두께가 정확하게 일치하지 않기 때문에 종을 쳤을 때 유사한 두 개 이상의 음(音)이 발생하게 되는 것입니다. 서로 비슷한 주파수를 가진 소리들은 상대방 주파수에 상쇄(相殺)와 보강(補强)을 일으켜 일정한 주기를 형성하게 됩니다. 바로 이 주기에 따라 종소리가 커졌다 작아지는 것처럼 들리게 되고, 두 주파수가 일치하게 되면 이러한 현상은 사라집니다.

모아레(Moire) 현상은 맥놀이(Beat) 현상이 시각(視覺)적으로 발생하는 것으로, 일정한 간격을 갖는 물체 사이에 발생하는 간섭무늬(interference fringe)를 말합니다. 위의 그림에서는 차트 위에 무지개색 물결무늬가 생긴 것을 확인할 수 있습니다. 실제 촬영에서는 아래 사진과 같이 구조물 틈 사이로 무지개색 무늬가 생기기도 하는데, 이러한 현상이 바로 모아레 현상입니다.

↑ 모아레 현상 [ 출처 ]
예를 들어 햇빛이 비치는 날 모기장이나 커텐 등이 겹쳐져 있으면 물결무늬가 생기는 것을 보신 적이 있을 겁니다. 이것이 바로 모아레 현상입니다. 줄무늬 옷을 입고 촬영한 사진이나 일정한 간격의 구조물을 촬영했을 때 무지개 빛이 나타나는 모습에서도 확인할 수 있습니다.

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NOTE 1 ☞ 이미지 해상도 4:3 비율과 3:2 비율의 차이

디지털 카메라에서 촬영되어 저장되는 해상도는 보통 모니터의 해상도 비율인 4:3 비율입니다. 모니터를 통해서 이미지를 보는데는 4:3 비율이 오히려 편리합니다. 하지만, 촬영 이미지를 전문 출력 사이트에 맡겨서 출력할 경우 비율이 3:2입니다. 4:3 비율의 이미지라면 이미지의 위와 아래 부분의 일부가 잘리는 경우가 있습니다 .그래서 최근에 출시되는 일부 디카에서는 3:2 비율 모드가 추가된 경우가 있습니다. 대표적으로 소니(SONY)와 니콘(NIKON)의 디지털 카메라의 일부 모델에서는 3:2 비율 모드가 추가되어 있습니다.

NOTE 2 ☞ 해상도에 따른 구성 화소수

우리가 흔히 사용하는 모니터의 화면 비율은 4:3의 비율입니다. 모니터의 해상도에 따라 보여지는 크기가 다릅니다. 해상도에 따른 구성 화소수는 다음 표와 같습니다. 표에서 보면 이미지의 화소수보다 디지털 카메라에 사용되는 CCD의 화소수가 항상 큰 것을 볼 수 있습니다. 이것은 렌즈로부터 들어온 빛을 CCD에 비출 때 그 경계를 정확히 맞추기 어렵기 때문에 더 큰 CCD를 사용하여 이미지 화소수 만큼을 뺀 나머지 부분은 사용하지 않게 되기 때문입니다.

▼ 디지털 카메라의 저장 해상도별 사용되는 CCD 해상도

해상도 이미지 화소수 일반적인 디카에 사용되는 CCD 화소수 640 × 480 307,200 35만 800 × 600 480,000 41만 1,024 × 768 786,432 85만 1,280 × 1,024 1,310,720 140만 1,600 × 1,200 1,920,000 210만 2,048 × 1,536 3,145,728 334만 2,272 × 1,704 3,871,488 413만 2,560 × 1,920 4,915,200 524만 3,024 × 2,016 6,170,000 610만

※ 800×600의 해상도의 제품은 몇 종류 되지 않으며, 실제로 저장 이미지 화소에 CCD 화소수가 미치지 못한다.

▼ 모니터 상(上)에서의 해상도 크기 비교

NOTE 3 ☞ 원색계 필터와 보색계 필터

흔히 화질에 절대적인 영향을 미치는 것은 CCD라고 생각하는 경우가 많지만 화질에 미치는 영향은 생각처럼 크지 않습니다. 캐논(CANON), 니콘(NIKON), 올림푸스(OLYMPUS), 소니(SONY) 등 대부분의 디지털 카메라 업체가 대부분 소니(SONY)를 비롯해 몇 개사(社)의 한정된 업체의 CCD를 사용하고 있습니다. 그럼에도 제조사마다 화질(畵質)이나 색감(色感)이 다른 것은 CCD에 덧씌운 필터와 이미지 처리 기술이 다르기 때문입니다. 흔히 알고 있는 것과 달리 CCD는 색상을 인지하지 못합니다. 이러한 CCD에서 색상을 인식하기 위해서 CCD 위에 각 색상의 빛을 받아 들여 색상 신호를 내보내는 필터를 덧씌웁니다. 색상별(보통 3~4가지) 필터를 차례대로 배열하고 이 필터에서 얻어진 색상에 대한 신호와 CCD에서 받아들인 신호를 조합해서 원하는 색상과 밝기를 가진 화소를 만들어냅니다. 원색계 필터 와 보색계 필터 중 어떤 필터가 좋다 아니다 의견이 분분 하지만, 필터 외에도 이미지 처리 기술에 따라서 카메라 제조사마다 이미지의 색감이 다르고 이는 개인적 취향에 따라 선택될 문제입니다.

▷ 원색계 필터: 빛의 3원색은 R(Red), G(Green), B(Blue)입니다. 원색계(原色系) 필터는 CCD위에 G-R-G-B의 순서로 필터를 배열하고 있습니다. 원색계 필터는 정확한 색을 재현할 수 있는 장점이 있지만, 화소 당 광량이 부족해서 샤프니스(sharpness)가 떨어지는 단점이 있습니다.

[5장] 이미지센서의 원리와 종류(CMOS, CCD)

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오늘은 이미지 센서에 대해 이야기해보겠습니다.

21세기에 가장 훌륭한 과학자가 누구로 선정되었는지 혹시 아시나요? 바로 아인슈타인입니다. 아인슈타인 상대성 이론으로 더 유명하지만, 빛의 광전효과를 증명한 것으로도 유명한데요. 오늘날 우리가 카메라를 이용해 사진을 찍거나, 휴대폰으로 동영상 촬영할 할 수 있었던 이유는 다 아인슈타인이 저 광전 효과를 증명했기 때문입니다.

아인슈타인(출처: 위키피디아)

1. 이미지 센서의 원리

카메라로 빛 정보를 처리하려면 빛 정보를 숫자 정보로 바꿔주는 매개체가 있어야 합니다. 그것이 센서의 역할입니다. 광양자 이론에 의하면 빛 안에는 광양자가 빛의 세기만큼 존재하고 이 빛이 금속판을 쏘면 광양자에 비례에서 금속판에서 전자가 나옵니다. 금속판에서 전자를 측정만 할 수 있다면 그게 센서가 되는 것입니다. 당연히 광양자에 잘 반응하는 금속판이 있다면 센서의 성능이 더 좋겠죠? 센서 회사에선 센서의 성능을 높이기 위해서 광양자가 잘 반응하는 재질의 금속판을 만들기 위해 많은 노력 한답니다.

아인슈타인의 광양자 이론(출처: 위키피디아)

센서라는 것은 단순히 빛의 세기를 측정하는 ‘금속판’입니다.

2. 이미지 센서의 구조

자 이제 원리는 알았으니, 이미지 센서의 구조에 대해 이야기해봅시다. 렌즈와 셔터 아이리스에 의해 모아진 빛이 이미지 센서에 닿게 된다는 건 다 아실 것입니다. 이미지 센서에도 이 빛들을 금속판 위에서 잘 모아 주기 위해 마이크로 렌즈가 존재합니다. 마이크로 렌즈가 없다면 빛이 퍼져서 들어와 제대로 감광이 잘 되지 않을 것입니다.

이미지 센서의 구조(하늘색: 마이크로 렌즈, 빨간/초록/파랑색: 필터)(출처: 위키피디아)

그리고 여기서 빛의 세기만 측정하면 단순히 흑백 영상이겠죠? 칼라 이미지를 얻기 위해서 추가적인 작업을 합니다. 금속판의 셀에 칼라 필터를 넣어서 빨간색 필터는 빨간색 성분의 빛만 통과시키고 나머지 초록색/파란색 필터는 각각 초록 파란색 성분의 빛만 통과를 시킵니다. 제일 금속판의 마지막단에 전위를 측정할 수 있는 전자 회로가 있어서 빛의 세기를 측정할 수 있는 것입니다.

이 통과 시킨 빛이 필터 모양 그대로 빛 정보가 센싱이 되기 때문에 센싱된 정보만 보면 모자익 된 이미지(Bayer Pattern)와 같습니다.

Color Filter Array(Bayer pattern)-출처: 위키피디아

모자익된모자익 된 이미지는 아직 제대로 볼 수 있는 단계가 아닌데요. ISP가 이 모자익 된 이미지를 받아서 사람이 보는 영상처럼 보정을 해야 합니다.

(ISP에 대해선 다른 장에서 다루겠습니다.)

3. 이미지 센서의 종류

그리고 센서는 크게 CCD 센서와 CMOS 센서가 존재합니다.

3-1. CCD

먼저 CCD에 대해 이야기해볼 텐데, CCD는 chared coupled device의 약어로 벨 연구소에서 개발이 되었는데요.

CCD Image Sensor(출처: 위키피디아)

CCD가 동작하는 방식은 금속판에 쌓인 전하를 컨베이너 벨트 움직이듯 하나씩 옆으로 옮기고, 마지막에는 전하를 측정 회로가 하나만 있어서, 그 회로가 옮겨진 전하들을 하나씩 측정합니다. 이것이 어떻게 가능할까요? 빛의 세기만큼 금속판에서 튀어나온 전자는 양전하 쪽으로만 이동이 가능합니다. 그래서 임의로 전자 옆에 낮은 전압을 걸어 놓게 되면 이 전자는 움직이지 못하게 됩니다. 이러한 원리를 이용해 여기는 일부러 전압을 높게 걸고 저기는 전압을 낮게 걸어서 전자를 한 칸씩 이동하게끔 유도를 하는 것입니다. 그릇이 있다고 가정하면 이 그릇에 전하가 쌓이고 때가 되면 옆으로 하나씩 전하가 이동된다고 생각하시면 됩니다! 마지막에는 빛의 세기를 측정하는 회로가 하나 있습니다.

CCD/ CMOS의 동작원리를 알려주는 사이트가 있습니다! 원리를 동영상으로 확인해볼까요?

CCD/CMOS 동작 원리(출처:유튜브)

CCD의 장점은 전위를 측정하는 회로 장치가 하나이기 때문에 일관된 품질로 전하량을 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 그래서 CMOS 센서보다 노이즈가 적어 저조도 특성에 좋고 *감도가 좋습니다. (센서 *감도란 입력 신호 그대로 출력 신호로 재현해낼 수 있을 때 좋다고 이야기합니다.) 대신에 소비전력이 크고 회로도가 복잡한 단점이 있습니다. 과거에는 CMOS 센서가 성능이 너무 좋지 않아서, CCD를 사주로 용해 왔지만, CMOS 반도체 공정 기술과 센서 기술이 크게 발전됨에 따라 요즘은 대부분 CMOS 이미지 센서를 사용합니다. CCD 센서의 동작 방식 때문에 CCD 센서에서만 관찰되는 현상이 있습니다.

CCD:Smearing Effect (출처: 위키피디아)

CCD는 전하를 옆으로 한 칸씩 이동시킵니다. 특정 셀에서 빛을 많이 받는 다면 그 전하가 바로 옆에 전하로 흘러 들어가 버릴 수 있답니다. 그러면 그 라인은 전부 포화가 되겠죠? CCD의 동작 방식 때문에 이러한 현상이 관찰되곤 합니다. 다음 시간엔 CMOS에 대해서 이야기해보겠습니다.

3-2. CMOS

CMOS 이미지 센서는 반도체 소자를 이용해 빛의 세기를 측정합니다. 반도체라는 것은 전압을 걸지 않으면 부도체가 되고, 전압을 걸면 전기가 흐르는 도체가 되는 것을 말합니다.

CMOS Image Sensor(출처: 위키피디아)

CMOS는 CCD와 같이 전하를 하나씩 옆으로 이동시켜서 측정하는 방식이 아니라, 셀마다 반도체 회로가 있고 전압을 걸어 측정값을 한 번에 병렬로 읽는 방식입니다. 병렬로 읽기 때문에 CCD와 달리 빛의 세기를 측정하는 회로 장치가 셀 마다 전부 존재를 합니다.

CMOS 이미지 센서의 장점은 무엇일까요?

1) 소비 전력이 작습니다.

2) 반도체 공정 기술만 있다면 저비용 대량생산이 가능합니다.

3) 발열이 적습니다.

4) 병렬로 처리하기 때문에 고속 처리가 가능합니다.

그러면 단점은 무엇일까요?

1) 빛의 세기를 측정하는 장치가 셀 마다 있는 게 큰 단점입니다! 아무리 공정상에 동일한 빛의 세기를 측정하는 회로를 설계했다 하더라도, 재질의 편차, 공정상의 편차, 물리적인 편차는 어쩔 수없이 존재하게 됩니다. (그래서 센서 데이터 시트를 보면 편차 -00%~00%가 존재한다고 항상 명시되어있습니다.) 그 말은 셀마다 전위를 측정하는 방식에 조금씩 편차가 있어 영상의 품질을 일관되게 측정하는 것이 어렵다는 말입니다.

그래서 CMOS 센서는 감도가 낮습니다. CCD는 전위를 측정하는 회로가 하나라서 이러한 문제를 전혀 고려하지 않아도 됩니다. 2) 또 암 전류가 잔존하여 노이즈가 많이 생기는 문제가 있습니다. 당연히 저조도에 취약합니다. 광전 효과가 아주 오래전 아인슈타인에 의해 증명 되었지만, 품질상의 이유로 초기엔 CCD 이미지 센서를 사용한 카메라가 대다수였습니다.

하지만 센서 회사들의 독자적 기술들이 끊임없이 발전하고 CMOS 이미지 센서의 기술도 비약적으로 향상되면서 CCD가 재현해 낼 수 있는 성능만큼 CMOS 이미지 성능이 향상이 되었습니다. CCD의 장점을 CMOS가 전부 극복해내기 시작하면서, CCD를 사용하는 카메라도 점차 줄어들게 되었습니다. (CMOS 이미지 센서의 경우 위에서 얘기한 것처럼, 대량 생산이 쉽고 소비전력이 적기 때문에 요즘 카메라는 CMOS 이미지 센서를 대다수 채택하고 있답니다.) CMOS와 작동 방식 때문에, 그 특성에 의해서 CMOS 센서에서만 재현되는 문제있답니다. 태양과 같이 강한 광원이 있을 때 CMOS 센서는 Black Sun Effect가 관찰이 됩니다.

Black Sun Effect (출처: envision)
[참조]
https://www.envision.co.kr/ko/support/knowledge/detail.asp?iBOARD_CONT_NO=222&&sKeywordKind=&sKeyword=&sKIND_TYPE=

한 셀에서 밝다고 인식하는 경우는 전위차가 클 때, 밝다고 인식을 하는 것입니다! 전위차란 base가 되는 전위와 측정된 값의 차이를 의미합니다.

하지만 저런 상황에선 전하가 넘쳐흘러 넘치면 base가 되는 전위도 함께 넘칠 수가 있습니다. 그러면 전위차가 0이 되어버려서 그 셀은 까맣게 인식하는 것이랍니다. 신기하죠?

오늘 배운 내용 정리해보겠습니다.

CCD CMOS 장점 1) 센서 감도가 좋다

2) 노이즈가 적다 1) 소비전력이 적다.

2) 반도체 공정으로 대량 생산에 용이하다.

3) 병렬 방식 데이터 처리로 고속 영상처리가 가능하다. 단점 1) 소비 전력이 크다

2) 대량 생산에 적합하지 않다

3) 주변회로가 복잡하다.

4) 영상 처리속도가 느리다. 1) 센서 감도가 좋지 않았다.(최근엔 CCD 수준까지 개선)

2) 암전류에 의한 노이즈가 많다.

자 오늘은 여기까지입니다.

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