아두이노를 활용한 카메라 렌즈 어댑터 AF의 성능 비교

아래의 그림1은 초점(Focus) 값이 제일 높은 지점은 17600 pps(pulses per second)으로 초점이 제일 좋다는 의미이며, 렌즈의 위치는 123이다. 포커스 값의 변화는 렌즈의 위치 이동에 따른 선예도의 변화에 대한 지표이다[1].

Fig. 1.

Well-focused position 123

아래의 그림과 같이 스탭퍼 모터(Stepper motor)의 주기에 따라 렌즈의 초점 값의 오차범위가 검색된다[2].

Fig. 2.

Focus value range for stepper motor cycle. a) One step of 200 pps lens in one period, b) One step of 1000 pps lens in one period

카메라 렌즈 제조사인 캐논의 스탭퍼 모터 종류인 초음파 모터(USM motor)의 기술개요에 따르면 링타입(Ring-type) 초음파 모터는 초당 3만회인 30,000 Hz 이다. 따라서 100번의 주기를 가진 모터가 초점 값의 오차범위가 1 ms이면 30000번의 주기를 가진 초음파 모터의 오차범위는 약 0.03 ms이다. 아두이노 명령어 지속시간의 최소단위는 1 ms이고 아두이노 UNO 기종의 명령어 주기인 시리얼 통신주기는 1초에 9600회 이므로 초음파 모터의 오차범위는 고려대상이 아니다. 아래의 그림과 같이 옵토커플러가 첫 번째로부터 두 번째 신호 응답을 전송하는 분리된 전원공급에 널리 쓰이고 많은 전원 공급원 중, 응답 증폭기는 제어 설계에 해당하는 추가된 응답경로에 출력 전압으로 공급되어진다[3].

Fig. 3.

Opto-coupler mechanism at isolated ground

본 연구의 목적은 카메라의 자동초점 속도를 측정하기 위해서 아두이노를 셔터릴리즈(shutter release)로 사용할 수 있는 전기회로 설계하는 것이며, 아두이노를 활용하여 자동초점 속도 측정을 할 수 있게 프로그래밍 한다. 이와 같이 설계된 ‘디지털카메라 렌즈의 자동초점 속도측정을 위한 장치’를 이용하여 자동초점 속도의 실측여부를 검증한다.

2-1-1 실험장치

본 연구를 위해 제작한 아두이노를 이용한 자동초점 속도측정용 장치는 그림 4와 같다. 2.5파이 스테레오 잭은 카메라와 아두이노에 연결되어 릴리즈 시 셔터가 작동하게끔 신호를 보내는 역할을 한다. 아두이노는 카메라 본체의 릴리즈 단자에서 작동하는 신호를 읽어 들인다. LED는 아두이노와 카메라가 정상적으로 통신되었을 때 연결유무를 점등으로 표시한다. 왼쪽 4N35는 2.5 파이 스테레오 잭을 통하여 렌즈의 자동초점 모듈이 작동할 수 있게 신호를 보내고, 오른쪽 4N35는 2.5 파이 스테레오 잭을 통하여 셔터가 작동할 수 있게 신호를 보낸다. 자동초점시간을 측정하기 위하여 캘리브레이션 프로세스를 거쳐 ‘exposure’명령어의 지속시간을 대입한다. 그 다음 자동초점 시간 ‘focus‘에 대한 수식을 통하여 자동초점 속도를 구한다.

Fig. 4.

Fritzing sketch up

Fig. 5.

Fritzing schematic

아두이노를 이용한 장치의 회로도는 위와 같다. 아두이노로부터 그라운드(Ground)가 분리된 스테레오 신호(L, R)를 보내는 두 개의 회로를 이용하여, 각 신호가 옵토커플러(opto-coupler)에 도달할 때 LED가 점등한다. 4N35는 옵터커플러로써, 아두이노와 카메라 두 장치간의 유선통신에 있어서 그라운드와 기준전압이 달라서 발생하는 통신 불가를 해결하기 위해서 사용된다. 옵토커플러 4N35는 그라운드 공유가 없는 상태에서 신호가 카메라 바디에 도달할 때 자동초점과 셔터가 작동하게끔 전력을 보내준다. 아두이노에서 발생하는 전기신호를 카메라의 셔터릴리즈 입력단자로 전송시킬 때 카메라 셔터릴리즈는 4N35를 통하여 데이터핀(Data-pin)이 연결된 경우 셔터릴리즈 단자의 규격과 기준전압에 무관하게 작동한다.

Fig. 6.

Arduino programming

Arduino IDE 프로그램으로 짜여진 명령어를 Fritzing 프로그램으로 정리한 코드는 위와 같다. 코드에 대한 설명은 우측에 표기되어 있다. 명령어에 따르면 카메라에 수신되는 명령어인 노출시간 ‘exposure’ 동작에는 ‘wake up’, ‘focus’, ‘shutter’ 3가지 프로세스가 있고 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

(exposure)=(wake up)+(focus)+(shutter) (1)

명령어에 따르면 (wake up)은 아래와 같다.

(wake up)=(exposure)×(wake up)⁄(time) (2)

(wake up)=0.1(exposure) (3)

따라서

(exposure)=(wake up)+(focus)+(shutter) (4)

은 아래와 같이 정리된다.

(exposure)=0.1(exposure)+(focus)+(shutter) (5)

AF시간을 의미하는 동작인 (focus)는 아래와 같이 정리된다.

(focus)=0.9(exposure)-(shutter) (6)

‘focus’의 값은 동작에 걸리는 시간이므로 0이나 음수가 될 수 없다. 따라서 ‘exposure’의 최솟값은 ‘shutter’값의 약 1.13배 이다.

2-1-2 검출

아두이노를 이용한 장치를 통하여 카메라에 명령어가 전송되었을 경우 카메라의 동작에는 두 가지 상황이 발생한다.

상황Ⅰ

‘exposure’에 해당하는 명령어 지속시간을 충분히 주었을 때, 카메라와 피사체 사이의 거리만큼 거리계가 도달하면 ‘focus’가 완료되고 비프음이 들린다. 이때, 정상적으로 ‘shutter’가 작동하여 촬영이 완료된다.

상황Ⅱ

‘exposure’에 해당하는 명령어 지속시간이 충분하지 못하였을 때, 카메라와 피사체 사이의 거리만큼 거리계가 도달하지 못하고 ‘focus’ 동작이 완료되지 못하기 때문에 비프음이 들리지 않는다. 또한 ‘shutter’가 작동하지 않아 촬영에 실패한다.

상황 Ⅰ에 해당하는 노출시간인 ‘exposure’의 최솟값을 얻기 위하여 아래의 과정을 거친다. ‘exposure’는 카메라의 노출시간이 아닌 카메라의 ‘wake up’, ‘focus’, ‘shutter’ 세 동작이 모두 합쳐진 촬영에 해당하는 모든 동작이다. 만약 ‘shutter’ 값이 100 ms 일 때, (focus)=0.9(exposure)-(shutter) (7)이고 ‘focus’는 10ms 이하가 입력될 수 없으므로 ‘exposure’의 최솟값은 130ms 이다.

Fig. 7.

Calibration process map

2-2-1 측정기준

거리계는 렌즈의 최소 초점거리로부터 무한대 까지 거리가 표기되어 있다. 또한, 촬영 시 카메라로부터 초점이 맞은 곳 까지 거리를 표시해준다. AF 속도측정을 위해 사용될 렌즈의 종류와 렌즈의 최소 초점거리는 표 1과 같다.

Fig. 8.

Telemeter

Table 1.

Camera lens minimum focal length

렌즈 마다 최소초점 거리가 다르기 때문에 자동초점 속도 측정을 위해 사용될 초점거리는 1 m를 기준으로 한다. AF속도는 획일화된 성능비교를 위해 초점거리가 무한대에서 1 m까지 도달하는 시간과, 실제 카메라 촬영 시 거리계 이동을 고려해 거리계의 중간부에서 1 m까지 도달하는 시간을 측정한다. 자동초점 속도 측정을 위해 사용될 렌즈의 종류와 거리계의 중간위치는 표 2과 같다.

Table 2.

Camera lens telemeter intermediate position

자동초점 속도는 초점거리가 무한대에서 1 m까지 도달하는 시간으로 가정한다.

그림9의 명령어에는 노출시간(exposure)을 ms 단위로 설정 할 수 있다.

Fig. 9.

exposure time setting

노출시간은 (exposure)=0.1(exposure)+(focus)+(shutter) (8)이므로 AF 속도는 (focus)=0.9(exposure)-(shutter) (9) 이다.

Fig. 10.

Datacolor Spyder Lenscale

Datacolor Spyder Lenscale을 이용하여 자동초점을 맞춤과 동시에 촬영된 결과물의 초점이 맞는지 확인한다. Lenscale을 1m 거리에 두고 카메라를 세팅한 뒤, ‘exposure’을 다음과 같은 방법으로 설정한다.

상황Ⅰ

‘exposure’에 해당하는 명령어 지속시간을 충분히 주었을 때, 카메라와 피사체 사이의 거리만큼 거리계가 도달하면 ‘focus’가 완료되고 비프음이 들린다. 이때, 정상적으로 ‘shutter’가 작동하여 촬영이 완료된다.

상황Ⅱ

‘exposure’에 해당하는 명령어 지속시간이 충분하지 못하였을 때, 카메라와 피사체 사이의 거리만큼 거리계가 도달하지 못하고 ‘focus’ 동작이 완료되지 못하기 때문에 비프음이 들리지 않는다. 또한 ‘shutter’가 작동하지 않아 촬영에 실패한다.

상황Ⅰ에 해당하는 ‘exposure’의 최솟값을 얻기 위하여 그림7의 ‘Calibration Process’를 거친다.

표 3과 같이 실험을 진행하였다. 카메라 설정은 셔터속도 1/10, 조리개 f 5.6, 감도 iso 100이며, 실험은 카메라 설정 값에서 적정노출이 나오도록 촬영환경을 만들어 주었다. 카메라는 캐논의 5Dmark3와 소니의 a7mark2를 사용하였으며, DSLR 주요 렌즈인 표준줌렌즈(24-70 mm)와 표준단렌즈(50 mm), 접사렌즈(100 mm)를 사용하였다. 표준줌렌즈의 경우 줌 기능이 있기 때문에 화각별(24 mm, 50 mm, 70mm) 자동초점 속도를 3번 나누어 측정하였고, 접사렌즈의 경우 초점거리의 범위를 설정할 수 있기 때문에 초점범위설정(Full, Limit)에 따라 2번 나누어 측정하였다. 표준렌즈의 경우 어댑터 장착 시, 초점이 무한대에 이동한 뒤에 자동초점을 잡기 시작하기 때문에 최소초점거리와 무한대 두 지점에서 측정하였다.

Table 3.

Canon body, Canon lens

캐논 5Dmark3에 캐논 렌즈를 사용한 경우이다. 캐논 50 mm렌즈의 경우 무한대로부터 촬영할 경우에는 빠른 속도를 보였으나, 최소초점 거리로부터 촬영할 경우에는 자동초점 속도가 느려졌다. 캐논 100 mm 렌즈의 경우 초점영역의 설정과 무관하게 자동초점 속도는 동일하였다.

표 4는 소니 a7mark2에 소니렌즈를 사용한 경우이다. 24-70의 경우 줌 배율이 높아질수록 자동초점 속도가 느려졌으며, 캐논의 50 mm렌즈와 달리 소니의 50 mm렌즈는 자동초점 속도가 시작하는 초점거리에 크게 영향을 받지 않았다. 그러나 소니 100 mm 렌즈의 경우 초점영역 설정에 따라 두 배가 넘는 자동초점 속도 차이를 보여주었다.

Table 4.

Sony body, Sony lens

표 5는 소니 a7mark2에 시그마 MC-11 컨버터를 이용하여 캐논렌즈를 사용한 경우이다. 마찬가지로 컨버터를 이용하여 캐논렌즈를 사용할 때에도 캐논 50 mm 렌즈는 무한대로부터 촬영할 경우에는 빠른 속도를 보였으나, 최소초점거리로부터 촬영한 경우에는 자동초점 속도가 느려졌다. 그리고 캐논 100 mm렌즈의 경우에는 초점영역의 설정과 무관하게 자동초점 속도는 일정하였다. 전체적으로 캐논 5Dmark3를 이용하여 캐논렌즈를 사용하였을 때 보다 자동초점 속도가 느리다.

Table 5.

Sony body, MC-11 converter, Canon lens

표 6은 소니 a7mark2에 MetabonesV 컨버터를 이용하여 캐논렌즈를 사용한 경우이다. 캐논 24-70 mm 줌 렌즈의 경우 50 mm, 70 mm 영역에서 빠른 자동초점 속도를 보여주었다. 컨버터를 이용하여 캐논 50mm 렌즈를 사용할 때부터 무한대로 촬영할 경우에는 빠른 속도를 보였으나, 최소초점거리로부터 촬영한 경우에는 확연히 자동초점 속도가 느려졌다. 마찬가지로 캐논 100 mm렌즈의 경우에는 초점영역의 설정과 무관하게 자동초점 속도는 일정하였다.

Table 6.

Sony body, MetabonesV converter, Canon lens

앞서 말했듯이, 캐논과 소니 두 회사 모두 자사의 카메라와 렌즈를 사용하면 무한대가 아닌 거리계에서 가까운 근접거리로부터 초점을 잡는다. 그러므로 공정한 비교를 위하여 실제 카메라 촬영 시 근접거리로부터 초점을 검출하는 것을 고려하여 측정하였다. 렌즈 거리계의 중간 위치에서 1 m까지 도달하는 시간을 측정하였다. 거리계의 중간 위치를 측정하기 위하여 렌즈의 구조에 따라 두 가지 방법을 사용한다. 거리계가 있는 렌즈는 경통의 최소초점 거리인 좌측 끝부터 무한대인 우측 끝까지의 거리를 반으로 나누어 자동초점 시작점을 지정한다. 렌즈 거리계의 총 길이, 길이를 $$ \frac{1}{2}$$로 나눈 값 그리고 자동초점 시작점으로 설정하는 거리계 총 길이의 $$ \frac{1}{2}$$에 해당하는 초점거리는 표 7과 같다. 거리계가 없는 렌즈의 경우 카메라바디를 통한 디지털거리계를 이용하여 거리계의 중앙 위치를 지정한다. 렌즈의 최소초점거리나 무한대가 아닌 거리계의 중간 위치를 자동초점 시작점으로 설정한 뒤 측정한 카메라 및 컨버터에 다른 자동초점 속도는 다음과 같다.

Table 7.

AF starting point measure

표 8을 통하여 실제 촬영 시, 자사카메라 바디에 자사렌즈를 사용하는 것이 가장 자동초점 구동이 빠른 것을 알 수 있다. 그리고 표 9와 표 10을 비교 했을 때, 시그마의 MC-11 컨버터가 Metabones의 MetabonesV 컨버터 보다 자동초점 속도 측면에서 전반적으로 유리한 것을 알 수 있다.

Table 8.

Real situation considered autofocus drive speed measurement

Table 9.

Sony body, MC-11 converter, Canon lens

Table 10.

Sony body, MetabonesV converter, Canon lens