카메라 감도 평가법

EMVA1288 화상 성능 표준을 사용한 카메라 성능 비교

포함 내역:
• EMVA1288을 활용한 화상 성능 측정법 소개
• 다양한 측정 요소의 정의와 측정 방법
• 서로 다른 노출 시간을 활용하여 카메라의 저조도 성능 비교
• 기존의 CCD와 최신 CMOS 센서 비교
• 결론

프레임률, 해상도, 인터페이스 등 카메라 관련 기본 사양의 경우, 쉽게 비교가 가능합니다. 반면, Quantum efficiency, 일시적 Dark Noise, Saturation Capacity 등 카메라의 화상 성능은 쉽게 비교 할 수가 없습니다. 우선, 이러한 다양한 측정 요소들이 실제 무엇을 의미하는지를 이해해야 합니다.

Quantum efficiency란, 무엇입니까? 특정 파장에서 측정되는 것입니까, 아니면 최대 값에서 측정되는 것입니까? 신호 - 노이즈 비율은 동적 범위와 어떻게 다릅니까? 이 백서에서는 위와 같은 질문들을 다루고 EMVA1288 표준에 따라 화상 성능 데이터를 기반으로 카메라를 비교하고 선택 할 수 있는 방법을 제시 할 것입니다.

EMVA1288은 카메라의 성능을 평가 할 때 어떤 요소를 측정해야 하는지, 측정하는 방법, 일관성 있는 방식으로 결과를 제공 할 수 있는 방법 등을 정의한 표준입니다. 백서의 첫 번째 부분은 화상 센서의 화상 성능을 다양한 측면에서 이해 할 수 있도록 도와줍니다. 특히, 화상 센서가 어떤 원리로 빛을 디지털 형태의 화상으로 변환하는지 기본 개념을 설명하고 또한, 화상 센서가 궁극적으로 센서의 성능을 어떻게 좌우하는지를 제시합니다. 그림 1은 하나의 픽셀을 보여주고 해당 개념을 강조하는 그림입니다.

우선, 빛 자체에 내재된 노이즈를 정확히 이해하고 있어야 합니다. 빛은 광원에 의해 생성되는 불연속적 입자, 즉 광자로 구성됩니다. 광원은 임의로 정해지지 않은 시점에 광자를 생성하기 때문에, 빛이 감지되는 강도에는 노이즈가 포함되어 있습니다. 빛을 다루는 물리학 분야에서는 빛의 조도에서 관찰되는 노이즈가 광원에 의해 생성된 광자 수의 제곱근과 동일하다고 보고 있습니다. 이러한 유형의 노이즈는 샷 노이즈라고 합니다.

여기서, 픽셀에 의해 관찰되는 광자의 수는 노출 시간 및 빛의 조도에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 이 기사에서는 광자 수를 노출 시간과 광 조도를 합친 개념으로 활용합니다. 또한, 픽셀 크기는 감광 영역을 판단 할 때, 제곱을 해야 하기 때문에 센서의 집광 능력에 비선형적인 영향을 미칩니다. 이 내용은 다음 자료에서 두 카메라의 성능을 비교 할 때, 더욱 자세히 논의될 예정입니다.

빛을 디지털화 하는 과정의 첫 번째 단계는 바로, 광자를 전자로 변환하는 것입니다. 이 기사에서는 센서가 빛을 디지털화 하는 방법 대신, 전환 효율의 측정 할 수 있는 척도가 제시됩니다. 디지털화 하는 과정에서 생성된 전자와 광자의 비율은Quantum efficiency(QE)라고 합니다. 그림 1에 제시된 샘플 센서의 경우, 6개의 광자가 센서에서 “떨어지면” 3개의 전자가 생성되기 때문에 QE가 50%입니다.

디지털화가 되기 전에 전자는 픽셀 내의 “우물”이라는 부분에저장됩니다. 이 우물 내에 저장 될 수 있는 전자의 수는Saturation Capacity또는우물 깊이라고 합니다. 우물이 Saturation Capacity 이상의 전자를 수용하게 될 경우, 잉여 전자는 저장되지 않습니다.

픽셀에 의해 집광이 완료되면, 우물의 전하가 측정되고 이렇게 측정된 정보를신호라고 합니다. 그림 1에서 신호의 측정 값은 화살표 게이지로 표현되어 있습니다. 이때, 신호 측정과 관련된 오류는일시적 Dark Noise또는Read Noise.

마지막으로,흑백 스케일은전자로 표시되는 신호 값을 16 비트 아날로그-디지털 단위(ADU)의 픽셀 값으로 변환함으로써 결정됩니다. 아날로그 신호 값과 디지털 흑백 스케일 값 사이의 비율은게인이라고 하며, ADU당 전자 단위로 측정됩니다. 이때, EMVA1288 표준에 정의된 게인 관련 매개변수와 "아날로그-디지털” 변환 절차의 게인은 서로 다른 개념이므로 혼동해서는 안됩니다.

카메라 성능을 평가할 때, 흔히 참조하는 지표는신호-노이즈및동적 범위입니다. 카메라 성능을 나타내는 이 2가지 지표는 카메라에서 관찰된 노이즈와 신호의 비율을 활용합니다. 단, 동적 범위는 일시적 Dark Noise만 고려하고 신호-노이즈 비율은 샷 노이즈의 실효 값(RMS) 합계를 포함한다는 점이 상이합니다.

절대 예민도 역치는센서가 관찰한 노이즈와 동일한 신호를 얻는데 필요한 광자의 수를 뜻합니다. 이것은 유의미한 신호를 관찰하는데 이론적으로 필요한 최소 광량을 나타내는 것이기 때문에 매우 중요한 측정 기준입니다. 이 측정치에 대한 내용은 추후 자료에서 더욱 상세한 설명이 제공될 예정입니다.

FLIR는 소비자들이 EMVA1288 표준을 기반으로 센서와 카메라를 비교하는 것을 돕기 위해, 업계 최초로 70여 개의 카메라 모델이 가진 화상 성능을 전체적으로 조사하였습니다.

저조도 환경에서의 카메라 성능 비교

본 백서는 일반적으로 Monochrome 화상을 활용하고 짧은 노출 시간 때문에 카메라가 수집 할 수 있는 빛의 양이 제한적인 번호판 인식(LPR) 시스템, 또는 광학 문자 인식 (OCR) 시스템을 다룹니다. 화상 관련 문제를 해결하는데 필요한 해상도, 프레임률, 시야각을 결정하는 것은 상당히 간단한 일입니다. 하지만, 카메라의 화상 성능이 충분한지를 판단하는 것은 한층 까다로울 수 있습니다.

이 문제는 일반적으로 시행착오를 거쳐 해결됩니다. 비전 시스템 설계자가 어떤 작업을 위해 1/4" CCD를 탑재하고 30 FPS 프레임 전송 속도로 작동하는 VGA 카메라를 선택했다고 가정해 보겠습니다. 최초 검사에서는 정지한 상태의 물체를 10ms의 노출 시간으로 촬영 했을 때, 카메라 감도 성능이 충분한 것으로 나타날 수 있습니다. 비전 알고리즘 사용 시, 쉽게 혼동될 수 있는 문자 B, 8, D, 0을 이용한 간단한 예시를 보여주는 그림 2를 참조하시기 바랍니다. 1/4” CCD 카메라로 촬영한 왼쪽 상단의 화상은 화상 처리에 적합합니다.

그림 2. 서로 다른 노출 시간을 기준으로 1/4” 및 1/2” 카메라를 통해 얻은 결과

그러나, 물체가 움직이기 시작하면, 문자 "B"와 "D"는 숫자 "8"과 "0"과 구분이 되지 않기 때문에 노출 시간을 줄여야하고 카메라는 더이상 유용한 정보를 제공 할 수 없게 됩니다. 그림 2의 중앙과 왼쪽 하단에 있는 화상은 화질이 저하된 것을 보여줍니다. 특히, 노출 시간이 2.5ms일 때, 1/4” CCD는 화상 처리에 부적합한 화상을 생성합니다.

해당 예시에서 우리는 큰 피사계 심도가 불필요한 반면, 렌즈의 최소 F-값을 사용이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 렌즈의 셔터를 열어 더 많은 빛을 모으는 것이 불가능하다는 뜻입니다.

따라서, 설계자는 다른 카메라를 고려해 보아야 합니다. 관건은 다른 카메라를 사용했을 때, 과연 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 가의 문제입니다. 더 큰 센서를 사용하면, 일반적으로 저조도 환경에서의 성능 문제를 해결 할 수 있기 때문에 1/2” 센서를 선택하는 것이 좋은 대안일 가능성이 있습니다. 그러나, 이러한 시행 착오 과정을 되풀이하지 않고, 카메라의 EMVA 1288 화상 성능을 정보를 활용해 볼 수도 있습니다.

EMVA 1288 데이터를 살펴보면 1/4” 센서는 Quantum efficiency가 높고 노이즈는 낮지만, 1/2” CCD는 픽셀 용량과 Saturation Capacity가 더 크다는 특징을 갖고 있습니다. 본 기사는 1/2” 카메라가 목적에 맞게 더 잘 작동하는 지의 여부를 확인 할 수 있는 방법을 보여줍니다.

그림 3은 신호 값 대비 광 밀도(광자/μm2) 값을 플로팅하여 카메라를 비교합니다. 광 밀도의 변수로서 신호는 다음 공식을 기반으로 결정됩니다.

이 기사에서 한 가지 중요한 가정은 렌즈가 동일한 시야각, 동일한 F-값, 동일한 카메라 설정 값을 활용한다는 것입니다.

그림 3. 1/4” 및 1/2” 카메라가 조도로 인해 발신한 신호

상기 그림은 동일한 조도에서 1/2” 센서가 더 높은 신호를 생성한다는 사실을 보여줍니다. 또한, 포화 현상은 700 광자/um2의 비슷한 광 밀도 수준에서 발생하지만, 1/2” 센서의 경우에는 상당히 높은 Saturation Capacity를 갖고 있다는 것도 관찰 할 수 있습니다.

이 백서에서 활용하는 예시를 기준으로 보면, 저조도 환경에서 카메라를 비교해야 합니다. 따라서, 노이즈 수준을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

그림 4는 저조도 환경에서 신호와 노이즈의 수준을 보여줍니다. 그림에 표시된 소음은 다음 공식을 사용하여 산출된 일시적 Dark Noise와 샷 노이즈의 RMS을 합한 것입니다.

그림 4. 1/4'' 및 1/2'' CCD 카메라, 저조도 환경에서의 신호와 노이즈

그래프를 보면, 1/2” 센서가 1/4” 센서에 비해 다소 낮은 수준에서 절대 예민도 역치(신호가 노이즈와 동일해지는 빛의 수준)에 도달한다는 것을 알 수 있습니다. 저조도 환경에서 어떤 카메라가 더 잘 작동 할 것인가를 판단하는데 더 중요한 역할을 하는 것은 신호-노이즈 비율(SNR)입니다.

그림 5는 두 카메라의 SNR을 조명 수준에 따라 보여줍니다.

그림 5. 1/4'' 및 1/2'' CCD 카메라, 저조도 환경에서의 신호-노이즈 비율

1/2” 센서의 높은 신호-노이즈 비율을 보았을 때, 이론적으로는 1/2” 카메라가 저조도 환경에서 1/4” 카메라에 비해 더욱 우수한 결과물을 만들어 내는 것이 정상입니다.

그림 2의 화상에서 노출 시간이 2.5ms일 때, 1/2” 센서는 전체 노출 시간에 걸쳐 문자의 모양을 유지하는 반면, 1/4” 센서는 문자 구별이 어려워 진다는 것을 알 수 있습니다. 따라서, 이론적으로 제시된 바와 같이 1/2” 센서가 저조도 환경에서 더 우수한 성능을 발휘합니다.

FLIR는 각종 카메라를 대상으로 광범위한 연구를 수행했으며, EMVA 1288 화상 성능 결과를 게시하였습니다. 이 정보는 서로 다른 카메라 모델의 성능을 비교 할 때, 활용 할 수 있습니다. 화상 성능은 센서가 카메라에 어떻게 사용되는지에 따라 영향을 받지만, 해당 비교 자료에 수록되어 있는 센서를 탑재한 2대의 카메라를 비교 할 때에는 유용한 참고 자료가 될 수 있습니다.

FLIR는 해당 자료에 특정 카메라 간 비교 정보도 제공합니다. [email protected] 에 연락하여FLIR 카메라 모델간 비교자료를 신청하시기 바랍니다.

이 백서에 제시되어 있는 방법은 특정한 카메라가 다른 카메라와 비교했을 때, 어느 정도의 성능을 발휘하는지에 대한 일반적인 정보를 얻는데 유용한 것입니다. 해당 방법은 원하는 수준의 성능을 구현 할 가능성이 없는 카메라를 배제하는데 도움을 줄 수는 있지만, 실제 카메라 성능을 알아보기 위해서는 제품을 실제 활용해 보아야 합니다.

기존의 CCD와 최신 CMOS 센서 비교

이제, 저조도 환경의 화상과 다양한 조명 조건을 갖고 있는 화상을 기존의 CCD 센서와 최신 CMOS 센서로 촬영하여 그 성능을 비교해 보겠습니다.

앞선 섹션에서는 1/2” VGA CCD인 Sony ICX414를 탑재한 카메라가 1/2” VGA CCD인 Sony ICX618을 탑재한 카메라에 비해 저조도 환경에서 더 우수한 성능을 발휘한다는 사실을 확인하였습니다. 이제는 1/2” VGA CCD를 새롭게 출시된 Sony Pregius IMX249, 1/1.2” 2.3Mpix 글로벌 셔터 CMOS 센서를 비교해 보겠습니다.

언뜻 보기에는 전혀 다른 제품이기 때문에 의미가 없는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나, 이 두 센서를 탑재한 카메라의 가격은 약 400 유로로 유사하고 CMOS 카메라의 VGA ROI는 실제 1/4” 카메라의 렌즈 크기에 가까울 뿐만 아니라, 프레임률도 VGA 해상도에서도 비슷하기 때문에 충분히 비교해 볼 수 있습니다.

카메라의 EMVA 1288 데이터는 IMX249 CMOS 센서의 Quantum efficiency가훨씬 높고 노이즈가 적으며, Saturation Capacity가 높다는 것을 보여줍니다. 반면, ICX414 CCD 센서는 이전 기사에서 활용된 예시에서 중요한 변수였던 픽셀 크기가 더 큽니다.

그림 6. 저조도 조건에서 ICX414 CCD와 IMX249 CMOS 센서의 신호-노이즈 비율

그림 7. 서로 다른 노출 시간을 기준으로 ICX414 CCD 및 IMX249 CMOS 센서를 통해 얻은 결과

더욱 흥미로운 것은 두 센서 간의 Saturation Capacity 차이로 인한 더욱 높은 광 조도를 비교해 보는 것입니다. 그림 8은 전체 광도 범위의 광 조도에 따른 신호를 보여줍니다. 그래프를 보면, ICX414 CCD 센서는 약 700 광자/μm2 수준에서 Saturation Capacity에 도달 할 것이란 사실을 알 수 있고^,IMX249 CMOS 센서는 1200 photons/µm2 이상에서 포화 수준에 도달 할 것임을 알 수^,.

그림 8. ICX414 CCD 및 IMX249 CMOS 센서가 조도로 인해 발신한 신호

첫 번째로 내려 볼 수 있는 결론은 ICX414 CCD 센서에 의해 생성된 화상이 IMX249 CMOS 센서에 의해 생성된 화상보다 밝다는 것입니다. 그래프를 보았을 이해가 되지 않는다면, 약 700 광자/μm2에서 생성되는 화상을 한 번 상상해 보시기 바랍니다,. 이 경우, ICX414 CCD 센서가 생성한 화상을 보면 그레이스케일은 최고 수준일 가능성이 크고 포화 상태일 확률이 높습니다. 반면, IMX249 CMOS 센서는 최대 밝기의 50%가 다소 넘는 화상을 생성 할 가능성이 큽니다. 카메라의 감도를 판단 할 때, 화상의 밝기만 보는 것은 지극히 단순한 방법입니다. 이러한 평가법은 성능이 좋은 카메라가 밝은 화상을 제공한다는 가정을 기반으로 하는 것입니다. 그러나, 이런 가정은 옳지 않고, 이 예시에서는 그 반대인 것을 볼 수 있습니다. 즉, 더 어두운 화상을 제공하는 카메라가 더 나은 성능을 갖고 있다는 뜻입니다.

그림 9. 서로 다른 조명 조건을 기준으로 ICX414 CCD 및 IMX249 CMOS 센서를 통해 얻은 결과

두 번째는 IMX249 CMOS 센서가 다양한 조명 조건에서 화상 처리에 유용한 화상을 생성해낸다는 점입니다. 그림 9는 동일한 화면을 두 카메라로 촬영한 것입니다. 화상의 어두운 부분은 가시성을 위해 화상을 향상시켰지만, 기본 데이터는 수정하지 않았습니다. 화상을 보면, ICX414 CCD가 화면의 밝은 영역에서 화상이 포화 상태에 달했다는 것을 관찰해 볼 수 있습니다. 동시에 어두운 영역에는 너무 많은 노이즈가 섞여 있어 문자를 읽을 없다는 것도 알 수 있습니다. 반대로, IMX249 CMOS 센서는 밝고 어두운 지역 모두에서 사용자가 읽을 수 있도록 글자를 표시하고 있습니다.

마지막으로, 최근에 보급되고 있는 글로벌 셔터 CMOS 기술이 머신 비전 분야에서 CCD의 대안으로 활용될 수 있을 만큼 성능이 적정하다는 결론을 내릴 수 있습니다. CMOS 센서는 더 경제적인 가격에 구매가 가능하고 동등한 해상도에서 더 높은 프레임 속도를 제공할 뿐만 아니라, 스미어 현상이나 블루밍 현상도 없습니다. 더불어, 이제는 화상 성능 면에서도 CCD의 성능을 능가하기 시작했습니다.

결론

이 백서에서는 카메라 성능 평가에 사용되는 핵심 개념을 살펴보았습니다. EMVA1288 표준을 소개하고 관련 정보를 다양한 조명 조건에서 카메라 성능을 비교하는데 활용하였습니다. 그러나, 카메라 평가 시, 고려 할 수 있는 카메라 성능 요소는 여전히 많이 남아 있습니다. 예를 들어, Quantum efficiency는 각기 다른 파장에서 급격히 변화하기 때문에 525nm에서는 잘 작동하던 카메라가 광원이 근적외선(NIR) 주파수 수준에 근접했을 때는 정상적으로 작동하지 않을 수 있습니다. 이와 마찬가지로, 형광 화상 및 천체 화상처럼 긴 노출 시간을 활용해야 할 때에는 극히 낮은 조도에서 중요한 노이즈 유형인 암전류의 영향을 고려해야 합니다.

화상 성능 관련 특성을 기반으로 올바른 카메라를 선택하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 이 백서가 복잡하게 느껴질 수 있는 내용을 이해하는데 도움이 되기를 희망합니다.