TDI 카메라는 왜 노이즈가 적을까요?

[카메라 기술 백서 #12] TDI 카메라와 노이즈 상관성

 

 

Line scan camera를 사용하는 검사기를 다루는 분들에게는 TDI 카메라는 매우 익숙한 이름이라 생각한다. 그런데 그 익숙함과는 다르게 TDI 카메라를 정확하게 이해하고 사용하는 분들은 생각보다 많지 않다. 

 

그럴만하다 생각이 드는 건… 지금까지 TDI 카메라는 Teledyne Dalsa만이 가지고 있는 카메라였고, 12k를 사용할지 8k를 사용할지 고민하는 상황은 있어도 2종류의 12k TDI를 놓고 비교할 일은 없었다. 더 좋은 TDI카메라가 무엇인지 고민할 이유가 없었던 것이다. 최근 Teledyne dalsa는 Piranha HS 시리즈 이후 Linea HS 시리즈를 출시하였고 서로 다른 spec을 가진 카메라를 비교하여 더 적합한 카메라를 선택해야 할 필요가 생겼다.

 

Linea HS 출시 이후 가장 많이 받은 질문을 꼽자면…

“TDI 카메라의 stage 숫자가 많으면 더 많은 영상을 평균하여 획득하니 노이즈가 더 적은 것 아닌가요?”

라는 질문인데 “그렇지 않습니다”라고 결론만 전달하면 대부분 의아한 표정을 보인다.

 

오늘은 이 TDI 카메라에 대해서 이야기해 볼까 한다.

옛날 전쟁 영화를 보면 꼭 등장하는 씬이 하나 있는데 기차를 타고 전쟁터로 향하는 군인과 이를 플랫폼에서 지켜보는 연인이다. 그리고 기차가 출발하면 조금 더 오래 연인의 얼굴을 보고자 플랫폼을 따라 기차와 같은 속도로 달린다. 방금 TDI 카메라의 가장 중요한 개념을 설명했다. 여기서 중요한 문구는 “더 오래” 와 “같은 속도로” 2가지이다. TDI 카메라는 더 오랫동안 물체에서 나오는 빛 데이터를 센서로 받고자 만들어진 카메라이다. 

 

좀 더 쉽게 설명하기 위해 나는 기찻길 옆에서 카메라를 들고 서 있고 등속도로 기차가 지나가는 사진을 찍는다고 가정해보자.

첫 번째 상황: 기차 사진을 처음부터 끝까지 찍기 위해서는 1000장!!! 의 사진을 찍어야 하고 blur를 줄이기 위해 최대한 짧은 노출시간을 사용한다. 하지만, 너무 짧은 노출시간을 사용한 나머지 촬영한 영상을 보니 너무 어둡게 찍혀 있다. 더 밝게 촬영하고 싶은데 조명을 더 올릴 수도 없고... 어떻게 해결해야 할까? 

 

두 번째 상황: 고민 끝에 노출시간을 최대한 늘려서 사진을 찍는데 blur를 피하기 위해 기차와 똑같은 속도로 달리며 기차 사진을 찍기로 했다. 1번 방식으로 100장의 사진을 찍을 시간 동안 달리면서 1장의 사진을 찍었다. 내가 기차의 1장의 사진을 찍을 동안 다른 부분을 놓치게 되므로 나처럼 기차와 동일한 속도로 달리면서 기차의 다른 부분의 사진을 찍어줄 사람 100명을 고용했다. 이 사람들은 100장의 사진을 찍을 수 있는 시간 동안 1장의 사진을 100배의 노출시간으로 촬영하고, 이 촬영을 10번을 반복해 1000장의 사진을 얻었다.

 

말도 안 되는 상황이긴 하지만 두번째 상황은 TDI 센서가 어떻게 영상을 밝게 찍을 수 있는가에 대한 원리에 대해 설명하고 있다.

 

여기서 한 가지 언급하지 않은 가정이 있는데 모든 사람은 똑같은 카메라를 들고 있다는 것이다. 그렇다면 촬영 결과물은 어떨까? 하나의 카메라로 찍었던 첫 번째 상황보다 100대의 카메라로 찍은 두 번째 상황이 100배 밝은 영상을 얻을 수 있다는 것은 명확하다. 만약 첫 번째 상황에서 조명이 100배 밝아서 1번과 2번 모두 밝은 영상을 얻는다면 노이즈 수준은 같을 것이다. 하지만, 어디에도 영상을 평균하여 노이즈를 줄이는 행위를 TDI 카메라는 하지 않는다.

 

그런데 사실 대부분의 TDI 카메라는 노이즈 특성이 좋다. 지금까지 TDI 카메라 구조는 노이즈와 관계가 없다고 했는데 갑자기 노이즈 특성이 좋다니 … 여기엔 다른 설명이 더 필요하다. TDI 카메라는 노출시간을 더 확보할 수 있어 일반 single line 카메라와 비교했을 때 더 높은 감도를 가질 수 있다. 이는 곧 더 많은 빛 정보를 수집할 수 있다는 것을 의미하고 이렇게 수집된 더 많은 빛을 더 높은 출력(더 밝은 영상)으로 활용할 수도 있고 더 낮은 노이즈를 위해 활용할 수도 있다. 이전 글에서 bit depth에 대해 한번 설명한 적이 있는데, 이를 짧게 요약하면 카메라가 측정할 수 있는 빛의 범위는 서로 다르지만 이를 digital화 시켜서 동일한 8bit 출력으로 사용하면 256단계로 빛을 표현한다는 것이다.

위의 그림은 서로 다른 2개의 pixel을 나타낸 것인데 2개 pixel 출력 모두 128을 나타내고 있다. 어느 쪽의 출력이 더 신뢰할 수 있을까 생각해 보면 오른쪽이라고 직관적으로 알 수 있다. 128과 129를 나타내는 빛의 양 경계가 오른쪽 픽셀이 훨씬 더 크기 때문이다. 자세한 설명은 과거 Fullwell을 설명한 글에 포함되어 있다. 그런데 오른쪽 pixel을 채우기 위해서는 더 많은 빛이 필요하다.

 TDI 카메라는 기본적으로 더 많은 빛 정보를 가지고 있기 때문에 TDI 이미지 센서를 설계할 때 더 높은 fullwell로 설계하는 경우가 많다. 그래도 충분한 감도를 확보할 수 있기 때문에 노이즈를 더 줄이는 것을 선택하는 것이다.  그리고 사용자는 TDI 카메라로 충분한 감도를 확보할 수 있기 때문에 추가적으로 gain을 사용할 필요가 없다는 점도 노이즈를 줄이는데 긍정적으로 작용한다.

 결국 TDI 카메라가 노이즈가 적은 이유는 TDI 구조를 통해 확보된 높은 감도 때문에 더 큰 fullwell capacity를 채울 수 있어서라고 할 수 있다.

 

 여기서 다시 처음 질문을 가져오면 우리는 무엇이 잘못됐는지 알 수 있을 것이다.

“TDI 카메라의 stage 숫자가 많으면(x) 더 많은 영상을 평균하여 획득하니(x) 노이즈가 더 적은 것 아닌가요?” 

 

그렇다면 stage 숫자가 더 많으면 발생하는 차이는 무엇이라 대답할 수 있을까? 지금까지의 설명으로는 stage가 더 많으면 더 오랜 시간 노출할 수 있어 더 높은 감도를 가질 수 있다는 것이었다. 이것은 맞는 말이나 stage 개수와 감도가 항상 비례하는 것은 아니다.

  Piranha HS vs Linea HS QE(Quantum Efficiency)

실제 감도는 얼마나 오래 노출하는가 와 얼마나 효과적으로 노출하는가 2가지를 모두 고려해야 한다. 

위의 그래프는 Linea HS(파란색 라인)와 PiranhaHS(빨간색 라인)의 QE(Quantum Efficiency-광전효율) 그래프를 오버랩한 것이다. 이 그래프는 Linea HS가 128 stage 밖에 안되는데도 불구하고, stage 수가 더 많은 PiranhaHS(256 stage)와 유사한 감도를 가지는 이유를 설명해 준다. TDI 카메라의 세대가 달라지며 더 진화한 성능을 보여주는 부분이라고 설명할 수 있다. 감도와 노이즈를 제외하더라도 TDI 카메라에 대해서는 할 말이 너무 많지만, 다른 이야기는 다음에 이어하는 것으로 하고 글을 마칩니다.

 

 

 

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필진 소개

 

목한상, Kyle Mok 앤비젼 Engineer 사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는... Camera Specialist