[머신비전]카메라 선택과 Dynamic range의 활용

[카메라 기술 백서 #5]머신비전 카메라 선택과 Dynamic range의 활용

 

  Dynamic range라는 용어는 카메라의 Spec을 나타내는 용어 중 가장 오해가 많은 용어가 아닐까 생각된다. 일반적으로 Dynamic range라는 용어는 카메라 뿐만 아니라 음향, 디스플레이등 다른 분야에서도 사용되는 용어로 보통 “DR이 넓다”, “DR이 좁다”라는 말로 device의 성능을 평가하게 된다. 사실 이런 표현이 완전히 잘못된 것은 아니지만 우리는 조금 더 정확하게 용어를 사용할 필요가 있기에 이번 포스팅에서는 카메라의 Dynamic range의 의미와 이를 이용해 카메라를 선택하는 방법에 대해 알아보려 한다.

 먼저 질문을 하나 해보자 “카메라의 Dynamic range가 좋으면 어떤 이득이 있을까요?” 이에 대해 마음속으로 답변을 하나 해보고 다음 글을 읽어보자.

 예상되는 답변은 아래 3가지 정도이다.

 

1. DR이 높으면 밝은 이미지와 어두운 이미지를 동시에 촬영할 때 유리하다

2. DR이 높으면 비슷한 밝기의 이미지를 구분하는 것이 용이하다.

3. DR이 높으면 그냥 노이즈가 좋다더라~

 

3가지 모두 어느 정도는 맞는 말이다.

 

서론이 너무 길었으니 일단 Dynamic range의 정확한 의미에 대해 알아보자

아래 그래프에서 가로축은 입력되는 광량이며 세로축은 출력되는 signal의 크기이다.

 

 

 

그래프에서 볼 수 있듯 X축의 입사되는 빛의 양이 점점 늘어날수록 출력 값은 커지며 Full well에 전자가 가득 차는 시점이 되면 Saturation 상태로 출력 값을 유지하게 된다. 그리고 그래프의 우측 하단은 입력 값이 미세한 시점에서의 변화 량을 확대하여 표시한 그래프 이며 최초 빛이 입력되지 않다가 빛이 입력되더라도 일정량 까지는 출력 값을 유지하다가 증가되기 시작한다.

 여기서 Dark 영역에서 출력 값이 유지되다가 출력이 시작되는 지점을 간단히 Dark noise level이라 하고 pixel이 표화되는 시점을 saturation level 이라고 하자.

 Dark noise level은 이전 포스팅에 언급했듯 pixel을 read out하는 과정에서 발생되는 노이즈 이며 saturation level은 pixel의 full well과 관계가 있다.

2개 pixel의 dark noise level과 saturation 레벨을 입력 값 기준에서 표로 정리하면 아래와 같다.

 

	Dark noise level	Saturation level	Saturation level  - Dark noise level	Saturation level /Dark noise level
Pixel 1	25	450	450 - 25 = 425	450/25 = 18
Pixel 2	5	300	300 - 5 = 295	300/5 = 60

 

위의 표에서 pixel이 빛을 표현할 수 있는 범위의 크기가 얼마인가 라고 한다면 Saturation level과 Dark noise level 사이의 크기가 될 것이다. 그리고 그 크기는 pixel 1이 더 크다. 그러나 Dynamic range spec은 Dark noise level에 대비한 Saturation level의 비율이 되며(saturation level / dark noise level = Dynamic range) 이 값은 pixel 2가 더 크다.

많은 분들이 이 부분에서 Dynamic range를 잘못 알고 있는 경우가 있다. 정확히 말해 Dynamic range는 표현할 수 있는 범위의 절대적인 크기가 아니라 어두운 영역의 표현 한계와 밝은 영역의 표현한계의 상대적인 비율이 된다.

 

그렇다면 카메라 선택 시 Dynamic range를 어떻게 활용해야 할까

Dynamic range는 상대적인 값으로 절대적 기준으로 활용하면 오판의 소지가 있다. 

Dynamic range를 산출하는 수식을 우리가 지금까지 사용했던 용어로 다시 쓰면 아래의 식으로 바뀐다.

Full well / Read out noise = Dynamic range

DR이 커지기 위해서는 Full well이 커져 shot noise에 대한 내성이 강해지거나 read out noise가 적어져 Dark signal의 검출 한계가 낮아져야 한다. 

만약 사용자의 검사가 미량의 빛을 감지해서 불량 유무를 판단한다면 Dynamic range를 절대적 기준으로 사용해서는 안되며 read out noise의 양이 얼마인지 체크해 봐야 한다.

반대로 사용자의 검사가 다량의 빛을 받았을 때 일정한 출력을 내는 shot noise에 강한 특성이 필요하다면 full well의 양이 얼마인지 체크해 봐야 한다.

 

결국 Dynamic range는 절대적인 기준으로 활용하는데 무리가 있으며 전반적인 노이즈 수준을 판단하는 정도로만 활용하고 사용자의 검사환경에 맞는 다른 spec을 점검해야 할 것이다.

 

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필진 소개

 

목한상, Kyle Mok (앤비젼 Product Engineer/카메라 담당) 사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는... 카메라 담당 Product Engineer