디지털카메라의 고감도 노이즈 연산알고리즘 오차 분석

1-1 선행연구 고찰

본 연구를 시작하기에 앞서 디지털 이미지가 생성되는 과정 중 고감도에서 노이즈가 발생하는 요인을 두 가지로 좁혀볼 수 있다. 첫 번째로는 연산알고리즘 오차와 두 번째로는 센서 오차이다. 아날로그 정보를 디지털로 전환해주는 ADC(Analog to Digital Convert) 과정 중에 발생하며 그림1은 디지털 이미지 영상처리에 관한 그림이다.

FIG. 1.

Digital image processing[1]

픽셀은 광전효과를 통해 전류를 빛의 세기에 해당하는 전압 레벨로 바꾸어 생성하고 출력(Read Out) 회로를 통해 전압으로 변환된다.[2] 변환된 전압은 Analog Offset과 Analog Gain을 통해 조정되고 ADC 컨버터가 아날로그전압을 디지털 값으로 변환한다. 변환된 디지털 데이터는 이미지 프로세싱을 거쳐 출력된다.[1]

ADC 컨버터가 전압을 디지털 값으로 변환할 때 연산 알고리즘 오차, 또는 센서 오차에 의해 노이즈가 발생한다면 다음과 같은 현상이 발생하게 된다.

1) 연산알고리즘 오차

그림 2는 적은 양의 빛이 감도증가에 따라 높은 출력을 가지려 할 때 발생하는 연산 오차에 대한 그림이다.

FIG. 2.

High sensitivity computation error

디지털 데이터는 0과 1 이진법을 사용하기에 모호한 값이 있을 수 없고 정확한 단위로 표현된다.[3] 그러나 고감도 노이즈는 연산의 실수, 즉 연산알고리즘에 오차가 생겨 발생한다.[4] 이는 오차범위가 존재하고 이미지센서로 입사하는 빛이 범위 내에 들어오게 되면 각각의 픽셀이 밝기에 편차가 생겨 이미지가 거칠어 보이게 된다.

2-1 연구의 가설

본 연구는 고감도 노이즈 발생원인에 영향을 미치는 요인들을 가정하고 분석하여 고감도 노이즈 발생 원인에 대한 확정적 제안을 목표로 한다. 기존 문헌에 대한 고찰을 바탕으로 본 연구에서는 다음과 같은 연구가설을 제시한다.

연구문제 1. 고감도 노이즈는 연산알고리즘 오차에 의해 발생하는가?

연구가설 1-1. 연산알고리즘 오차로 발생한다면 불특정한 픽 셀이 밝기에 편차를 가질 것이다.연구가설 1-2. 표준감도에서 고감도에 이르기까지 오차 범위가 존재하고, 고감도에 이를수록 범위의 폭은 커질 것이다.

디지털카메라는 출력을 내보내기 전 연산알고리즘 과정을 거치게 되는데 표준감도(100)에서도 입, 출력값에 오차가 있다. 따라서 더 높은 출력을 만들 때 오차범위를 포함하여 전압을 증폭시키기에 고감도에 이를수록 오차범위의 폭은 커질 것이다.

2-2 가설에 대한 이론적 배경

디지털카메라뿐만 아니라 모든 디지털 전자기기들의 디지털신호는 0과 1의 조합을 통해 데이터의 크기를 나타낸다. 즉, 이진법을 통해 연산을 실행하게 되는데 디지털카메라는 출력 Bit가 존재하고 이 Bit는 몇 개의 자릿수를 사용하여 표현할 것 인가를 말한다.

Bit Depth는 동일한 밝기 범위를 숫자로 얼마나 잘게 쪼개는지를 말한다. 실제 카메라에서 Output Bit Depth가 결정되는 곳은 2곳이며 첫 번째로는 아날로그 전압을 디지털 형태로 변환시키는 Digitization(ADC), 두 번째로는 Image processing이다. Digitization 부분에서 256단계이면 8 Bit 출력을 4,096단계이면 12 Bit 출력이 되며 이 출력이 12 Bit라면 이후의 데이터는 12 Bit의 분해능을 넘는 것은 불가능하다. 그리고 이후의 Image Processing은 12 Bit Scale의 데이터를 통해 이루어지거나 사용자의 카메라 파라미터 설정에 의해 Down Scale 되어 이루어진다.[6] 카메라의 출력 Bit Depth에 맞는 단계로 나뉘어 Digitization 과정을 거칠 때 픽셀에 입력된 값과 얼마만큼 정확히 일치시키는지에 대한 연산을 관장하는 것이 연산알고리즘이라 볼 수 있다. 하지만 감도가 높아질수록 이미지센서에 신호를 증폭시켜 입력하게 되는데, 이때 오차범위로 인해 알고리즘 정확성이 떨어진다.

아울러 CMOS형 이미지센서는 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력됨으로[7] 각 화소의 소자의 불균일성이 그대로 출력 신호에 반영되게 된다.[8] 그렇기에 고감도 노이즈는 이미지센서에 입력되는 신호의 입, 출력값이 서로 틀리게 연산 되어 최종 이미지에 불특정한 픽셀에서 밝기에 편차가 있는 백과 흑의 패턴을 띈다.

3-1 연구 및 실험방법

본 연구는 고감도 노이즈 연산알고리즘 오차를 분석하기 위해 자연광에서 회색 타깃을 적정 노출에 맞게 촬영한다. 타깃이나 렌즈, 이미지센서에 붙은 먼지로 인해 Gray Scale 정보에 오류가 날 수 있기에 초점은 맞지 않게 한다. 전 감도 영역에서 조리개 수치는 F8로 고정하고, 셔터스피드와 ISO 감도만 조정하여 적정 노출을 유지한다. 표1은 자세한 실험 노출값에 대한 표이다. 모든 감도영역에서 촬영한 이미지 중앙부를 3200% 확대하여 가로 35개 x 세로 25개의 픽셀을 포토샵 Eyedropper Tool로 Gray Scale 정보를 추출하여 연산알고리즘 오차 범위를 분석한다. 또한, 모든 감도에서 분석하는 픽셀을 일치시킨다.

Table ·1.

Exposure value to assign to experiment

1) 실험에 사용할 카메라

표2는 이번 실험에서 사용할 카메라의 세부 사항이다. 일반적으로 잘 알려진 3개의 제조사 고감도 특화 기종들이며 모두 전면조사형 이미지센서(FSI, Front Side Illumination)가 탑재된 제품들이다.

Table ·2.

Camera specifications for the experiment

3-2 실험결과

표3은 Canon 1DX Mark2 기종의 고감도 노이즈 오차범위에 대한 표이다. 표준감도(100)에서도 미세하게 오차가 존재한다. 하지만 카메라의 최고화질 기준점이기에 표준감도에서의 편차는 노이즈로 판단하기에 무리가 있다. 따라서 표준감도에서의 최소값보다 작거나 최대값보다 큰 수치를 노이즈로 정의하였다. Canon 1DX Mark2 기종의 경우 감도가 높아질수록 오차범위의 폭은 커졌다. 특히, 감도 1600부터는 0.1 이상의 오차범위를 보였기에 밝기의 편차가 극명하게 나타났다. 그림3은 실험 이미지를 3200% 확대한 그림이다.

Table ·3.

Canon 1DX Mark2 Error Range

FIG. 3.

Canon 1DX Mark2 3200% Expanded Image

가로 2716번 픽셀에서 2750번, 세로는 1811번에서 1835번까지의 이미지이다. 모든 감도 영역에서 분석하는 픽셀을 일치시켰으나, 사진 이미지만으로 연구가설을 해결하기엔 어려움이 있다고 판단하였다. 따라서 다음의 그림4는 그림3의 Gray Scale 정보를 Microsoft 사의 Excel 프로그램으로 수치화한 그림이다.

FIG. 4.

Canon 1DX Mark2 Excel digitization

표준감도의 최소값 보다 작거나 최대값 보다 큰 수치들을 빨간색 처리하였다. Canon 1DX Mark2 기종의 경우 표준감도에서 주변픽셀과 대비하여 훨씬 작거나 큰 값을 갖는 픽셀은 확인되지 않았다. 이후 고감도 영역에서 노이즈로 중첩되는 몇몇 픽셀은 발견됐지만, 이는 연산알고리즘 오차로 판단할 수 있다. 센서 오차였다면 표준감도부터 주변 픽셀과 비교해 큰 폭으로 차이가 있어야 하기 때문이다. 또한, 감도에 따라 저감도에서는 오차가 있으나 고감도에서 오차범위 이내로 들어오는 등 불특정한 형태를 보였다. 다음의 그림 5는 오차범위를 그래프로 표현한 그림이다.

FIG. 5.

Canon 1DX Mark2 Error range graph

그림5의 그래프를 통해 표준감도에서 고감도에 이르기까지 오차 범위가 존재하고, 고감도에 이를수록 범위의 폭은 커진다는 것을 확인할 수 있다.

표4는 Nikon D5 기종의 고감도 노이즈 오차범위에 대한 표이다. Nikon D5 기종 또한, 표준감도에서 미세한 오차가 존재하였다. 감도가 높아질수록 오차범위의 폭은 커졌으며 감도 1600부터 0.1 이상의 차이를 보였기에 육안으로 밝기의 편차를 확인할 수 있었다. 그림6은 실험 이미지를 3200% 확대한 그림이다.

Table ·4.

Nikon D5 Error Range

FIG. 6.

Nikon D5 3200% Expanded Image

가로 2764번 픽셀에서 2798번, 세로는 1832번에서 1856번까지의 이미지이다. 그림7은 Excel 프로그램으로 수치화한 그림이다.

FIG. 7.

Nikon D5 Excel digitization

Nikon D5 기종 또한, 표준감도에서 주변 픽셀과 대비하여 훨씬 작거나 큰 값을 갖는 픽셀은 확인되지 않았다. 상대적으로 유효 화소수 대비 표준감도에서의 오차가 크지 않기에 감도 200부터 밝기편차가 보이기는 하지만 폭의 차이가 0.01단위이기 때문에 센서 오차로 보기엔 어렵다. 감도 3200부터 중첩되는 몇몇 픽셀이 발견됐지만, 그 이상의 감도에서 Random 한 형태로 나타났다. 또한, 감도 200, 400, 800과 비교해 봤을 때 노이즈 발생 픽셀이 고정적이지 않다는 것을 알 수 있다. 그림8은 오차범위 그래프에 대한 그림이다.

FIG. 8.

Nikon D5 Error range graph

Nikon D5 기종 또한, 그래프를 통해 표준감도에서 고감도에 이르기까지 오차 범위가 존재하고, 고감도에 이를수록 범위의 폭은 커진다는 것을 확인할 수 있다.

표5는 Sony α7SⅡ기종의 고감도 노이즈 오차범위에 대한 표이다. Sony α7SⅡ기종도 표준감도에서 미세한 오차가 존재하였다. 실험에 사용한 카메라 중 가장 적은 유효 화소 수를 가지고 있기에 오차의 폭이 상대적으로 작게 나타났다. 하지만 이전 실험 카메라들과 같이 감도가 높아질수록 오차범위의 폭은 커졌다. 그림9는 실험 이미지를 3200% 확대한 그림이다.

Table ·5.

Sony α7SⅡ Error Range

FIG. 9.

Sony α7SⅡ 3200% Expanded Image

가로 2100번 픽셀에서 2134번, 세로는 1403번에서 1427번까지의 이미지이다. 그림10은 Excel 프로그램으로 수치화한 그림이다.

FIG. 10.

Sony α7SⅡ Excel digitization

Sony α7SⅡ기종도 이전 실험 카메라들과 같이 표준감도에서 주변 픽셀과 대비하여 훨씬 작거나 큰 값을 갖는 픽셀은 확인되지 않았다. Sony α7SⅡ기종 또한, 감도 3200부터 몇몇 중첩되는 픽셀이 발견되었지만 감도 200, 400, 800과 비교해 봤을 때 노이즈 발생 픽셀이 고정적이지 않다는 것을 알 수 있다. 그림 11은 오차범위 그래프에 대한 그림이다.

FIG. 11.

Sony α7SⅡ Error range graph

이전 실험 카메라들과 같이 Sony α7SⅡ기종도 표준감도에서 고감도에 이르기까지 오차 범위가 존재하고, 감도가 높아질수록 범위의 폭은 커진다는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 실험에 사용한 3개의 기종 모두 감도에 따라 불특정한 픽셀이 밝기에 편차를 보였으며 표준감도에서 고감도에 이르기까지 오차범위가 존재하고 그 폭은 커졌다는 결과를 본 연구의 실험을 통해 도출할 수 있었다.