[머신비전]카메라의 감도, 대체 누가 더 밝은거야?

[카메라 기술 백서 #1]카메라의 감도 비교 방법: 카메라 감도, 대체 누가 더 밝은 거야?

 

빠르고 정확한 비전 검사를 위한 필수 조건, '감도'

 

비전 검사 시스템은 빠르고 정확하게 검사하는 것이 목표이며 이 중 빠른 검사 수행을 위해서는 빠른 속도의 카메라가 필수적이다. 이런 이유로 카메라 제조사는 더 빠른 카메라 생산을 위해 센서를 개량하고 인터페이스를 지속적으로 발전시켜 나가고 있다. 그러나 단순히 속도만 빠르다고 모든 문제가 해결되는 것은 아니다. 카메라의 촬영 속도가 빨라질수록 한번의 영상 촬영에 소모할 수 있는 시간, 즉 노출시간이 짧아지게 된다. 더 짧은 노출시간에 동일한 밝기의 영상을 얻기 위해서는 더 강한 조명 혹은 더 높은 감도의 카메라가 필요하게 된다. 그렇다면 카메라 선정 시 어떤 카메라가 더 높은 감도를 가지고 있는지 어떻게 알 수 있을까? Datasheet에 고지된 카메라의 감도는 어떻게 받아들여야 하며 이런 감도 스펙 비교만으로 더 높은 감도의 카메라를 찾을 수 있을까? 아래 내용은 이런 질문에 대한 대답이 될 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

    카메라의 감도는 ‘입력되는 광량에 대비하여 얼마나 높은 출력을 가지는가’ 라고 할 수 있을 것이다. 카메라 제조사는 일정 크기의 영역(가로x세로 1cm영역)에 일정 에너지의 빛(1nJ)이 들어 갔을 때의 출력(Digital number)을 감도라 표기한다. 아래는 Dalsa의 P3-16k의 감도 곡선이다.

 

 

 

 Responsivity의 단위는 DN/(nJ/cm2)을 사용하며 우측 상단에는 8bit @ 10dB라고 표기되어 있다. 해석하자면 650nm의 파장을 가지는 빛이 1평방센티미터에 1nJ의 에너지만큼 입사하면 카메라의 gain이 10dB로 설정된 상태에서 8bit 데이터로 9DN의 출력을 갖는다는 뜻이 된다. 상당히 명확한 표현이며 이런 spec 데이터를 이용해 다른 조건의 감도도 비교할 수 있다.

 

 예를 들어 9DN/(nJ/cm2) @10dB 8bit at 650nm 의 감도는 0dB gain 상태의 10bit 출력으로 변경하면 9DN/(nJ/cm2) / 3.16 * 4 = 11.4DN/(nJ/cm2) @8dB 10bit 가 된다. (3.16은 10dB값을 변환한 값이며, 4는 8bit data를 10bit로 bit shift하기 위한 값이다.

 

 

 

<낮은 감도 카메라>	<높은 감도 카메라>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

위와 같은 방법으로 사용자는 충분히 카메라의 감도를 테스트 없이 비교해 볼 수 있다. 그러나 다음의 경우는 어떨까? 

 

'감도'에 대한 더 정확한 이해: Noise 대비 얼마나 더 강한 Signal을 가지는가?

 

	카메라 1번	카메라 2번
Spec상 감도	30DN/(nJ/cm2) @0dB 8bit	120DN/(nJ/cm2) @0dB 8bit
촬영 영상

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

분명 spec상 카메라 2번이 높은 감도를 가지고 있으며 촬영 영상도 더 밝다. 그러나 분명한 것은 카메라 2번의 영상은 다량의 노이즈를 포함하고 있다는 것이다. 만약 카메라 1번에 gain을 주어 영상을 밝게 만들면 분명 노이즈는 더 많아지겠지만 충분히 카메라 2번의 밝기를 얻을 수 있을 것이다. 2대의 카메라 중 어떤 카메라가 감도가 더 높다고 할 수 있을까?

 

이런 이유로 카메라의 감도는 responsivity spec에 noise라는 요소를 추가적으로 고려해야 실제 사용자가 체감하게 되는 감도라 할 수 있다. 단순히 signal이 얼마나 강한가를 나타내는 수치보다 Noise 대비 얼마나 강한 Signal을 가지는가를 표현하는 수치가 실제 사용자가 체감하기엔 더 적절한 수치가 될 수 있다.

이를 나타내는 값으로는 SNR(신호대 잡음비)를 사용하며 이를 통해 실 사용시 어떤 카메라가 더 적합한지 판단할 수 있을 것이다. 

 

 

다르게 말하면 동일한 광량의 조명조건하에 128DN 8bit의 출력을 가지는 2대의 카메라가 있다고 가정하고 spec상 두 카메라의 감도 58DN/(nJ/cm2)으로 동일하다고 가정한다. 이 때는 두 카메라 중 노이즈를 적게 포함하고 있는 카메라가 더 높은 체감 감도를 가지고 있다고 말할 수도 있을 것이다.

 

아래는 2대의 일반 스틸 카메라고 촬영된 영상이다. 정확히 좌측은 16M 픽셀의 휴대폰 카메라 우측은 16M 픽셀의 DSLR이다. 동일하게 1/125s의 노출시간을 사용하였고 렌즈의 조리개 값은 f2.8이였으며 감도를 나타내는 ISO 값은 400이다. 스틸 카메라에서 감도를 표현하는 ISO값이 동일하다는 것은 두 카메라가 동일한 감도 스펙으로 세팅 되어 있다는 말이기도 하다. 그러나 분명 2개의 영상은 노이즈 성능에 상당한 차이를 보이고 있으며 결코 동일한 감도를 가지고 있다고 말하기 어려울 것이다.

 

 

<휴대폰 카메라>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

휴대폰 카메라와 DSLR을 비교하면 당연히 DSLR의 영상이 좋다는 인식을 가질 수 있다. 그러나 머신 비전 시스템에서는 이런 당연한 상황을 간과하는 경우도 종종 발생한다. 차후엔 휴대폰 카메라와 DSLR 사이의 SNR이 차이를 야기하는 원인에 대해 알아보도록 하겠다.

 

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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