영상처리를 위한 디지털카메라의 기초 지식(구조 및 파라미터)

사진 찍는걸 좋아하고 디지털 카메라를 구비하고 있는 사람들은 이미 알고 있는 내용일수도 있다.

카메라의 구조는 크게 렌즈 -> 조리개 -> 셔터 -> 이미지센서 가 있다.

그 외에도 몇가지가 더 있지만 영상과 관련된 부분만 놓고 보자면 위의 4개가 있겠다.

 

렌즈

렌즈는 대상으로부터 반사되는 빛을 한 곳으로 모으는 역할을 한다.
카메라의 렌즈는 볼록렌즈를 사용하고 그 특성으로 렌즈를 통과한 광선들은 한 점으로 모이게 된다.

피사체에서 반사된 광선의 방향은 제각각일 것이다.

각각 다른 방향의 광선들 중에서 카메라의 렌즈를 향하는 광선들은

렌즈를 통과하여 카메라 내부의 어떠한 지점에 모이게 되고 상을 맺게 된다.

여기서 렌즈를 통과한 광선들이 한점에 모이는 곳이 바로 초점거리(f)가 된다.

 

렌즈의 지름이 커질수록 더 많은 양의 빛을 받을 수 있고 때문에 피사체에 대한 더 많은 양의 정보를 얻을 수 있다.

이 말은 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있다는 것과 같다.

 

조리개

카메라로 들어오는 빛의 양을 조절한다.
조리개가 얼마나 열려있고 닫혀있냐는 F값(조리개 값)을 사용해서 표시한다.
$$ F=\frac{f}{D} $$ 여기서 $ D=렌즈의 지름 $, $ f=초점거리 $ 이다.
F값이 클수록 조리개가 많이 닫혀있는 것을 뜻하고 F값이 작을수록 조리개가 많이 열려 있는 것을 뜻한다.
조리개의 크기는 렌즈의 크기보다 커질 수 없다.
F값이 작은 렌즈가 집광 성능이 더 뛰어나기에F값을 크게 설정했을 때와 비교했을 때 어두운 장소에서도 밝은 영상을 촬영할 수 있다.

 

셔터

셔터는 평소에는 빛이 이미지센서에 도달하지 못하도록 항상 닫혀있다.

하지만 촬영 시 정해진 시간 동안 셔터를 열어 빛이 지나가도록 만들어 주고 최종적으로 이미지센서에 도달하게 만든다.

 

출처: 위키백과 셔터

셔터가 열려있는 시간이 길어질수록 이미지센서에 도달하는 빛의 양이 많아진다.

때문에 셔터의 시간을 조절하여 영상의 밝기를 조절할 수 있다.

하지만 셔터 속도가 느리면 역동적인 물체에 대해서나 손의 흔들림에 의해 영상에 motion blur 효과가 발생할 수 있다.

역으로 이를 이용해서 다이나믹한 영상을 촬영하기도 한다.

 

이미지센서

이미지센서는 빛의 신호를 디지털신호로 변환해주는 역할을 한다.

센서의 종류에 따라 A/D변환기가 필요할 수 있다.

 

이미지센서는 여러 개의 셀로 구성되어 있다.

이 셀의 개수가 카메라의 화소수를 결정한다. 또한 셀 하나당 모니터의 한 픽셀로 볼 수 있다.

즉 셀의 개수가 많을수록 영상의 해상도가 올라가는 것이다.

 

출처: 위키백과 Bayer filter

이미지센서를 자세히 보면 한 셀당 정해진 파장의 빛만을 통과시키는 필터가 적용되어 있다.

이를 통해 픽셀의 색상 정보를 얻어오게 된다.

색을 표현하기 위해서는 RGB 채널의 색상값이 모두 필요하지만 위의 경우 한 픽셀당 한 가지의 색상 정보만을 담기 때문에 다양한 색상을 표현하기 어렵다.

 

출처: 위키백과 Bayer filter

때문에 이처럼 빈 공간의 색들을 채워주기 위해서 여러 가지 보간법을 사용하여 각 채널 픽셀의 색상 정보를 계산하여 최종 영상을 만들어 낸다.

 

보간을 통해 계산해낸 색상은 오차가 있기 마련이다.

색분활프리즘과 3개의 이미지센서를 사용하여 보간 계산이 필요 없이 색상 정보를 그대로 받아오는 3ccd카메라가 있다.

데이터 손실이 없어 보다 높은 화질의 영상을 얻을 수 있지만 추가적인 비용도 크고 카메라의 크기 또한 많이 커지기 때문에

위의 Bayer filter를 적용한 이미지센서를 주로 사용한다.

 

 

 

이 내용들을 숙지하고 뭔가 사진을 더 잘 찍을 수 있을 거 같은 기분이 들었지만...

그건 기분 탓이었다고 한다...