[카메라 기술 백서 #2]머신비전 카메라 기술_카메라의 감도는 왜 다를까?


  전 검사 시스템에서 감도의 중요성은 지난 포스팅(2014/06/27 - [머신비전 기술 백서/카메라] - 카메라의 감도, 대체 누가 더 밝은거야?)에 언급하였고, 이제 실제 어플리케이션에서 어떤 카메라가 더 높은 감도를 가지고 있는지 찾을 수도 있을 것이다. 이번 포스팅에서는 비슷한 사양의 카메라들이 왜 서로 다른 감도를 가지고 있는지 알아보겠다.


카메라 감도에 영향을 미치는 요소 3가지

  

  카메라가 빛을 받아 데이터를 출력할 때까지 아래와 같은 과정을 거친다.


  

  대략적으로 설명하면 빛을 받은 Pixel은 광전효과를 통해 e-을 생성하고 Readout회로를 통해 전압으로 변환한다. 변환된 전압은 Analog offsetAnalog gain을 통해 조정되고 ADC 컨버터가 Voltage를 digital 값으로 변환한다. 변환된 Digital Data는 적절한 Image processing(Calibration, LUT…)을 거쳐 출력된다.  

  데이터 변환 과정에서 감도에 영향을 미치는 요소는 Pixel의 크기, Readout시 변환효율, Analog Gain이며 이 값에 따라 카메라의 감도가 결정된다. 각 요소에 따라 어떤 영향을 미치는지 항목별로 알아보자.


1. Pixel의 크기와 부피

  

  서로 다른 Pixel 크기를 가진 3가지 경우를 한번 가정해 보자. 두 개의 pixel은 상당히 큰 부피를 동일하게 가지고 있고 다른 하나는 상대적으로 적은 pixel 부피를 가지고 있다. 그리고 2개의 픽셀은 빛이 입사하는 부분의 면적이 동일하다. 우리가 사용하는 카메라의 출력은 8bit 형식을 사용할 경우 0~255DN 범위로 언제나 동일하다. 이런 상황에서 동일한 양의 빛이 3개의 pixel에 동시에 입사한다면 그 출력 값은 어떻게 될까?



면적당 동일한 양의 빛이 입사하였을 때 1번 pixel과 2번 pixel에 쌓이는 전자의 양은 동일하나 입사 면적이 큰 3번 pixel은 더 많은 양의 전자가 쌓인다. 그리고 각 픽셀에서 전자가 차지하고 있는 비율은 각기 다르게 된다. 여기서 유의할 점은 영상 데이터 출력 값은 픽셀의 전체 부피에 대비하여 전자가 차지하고 있는 비율이 된다는 것이다. 아래 표를 보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.


 일반적으로 우리가 말하는 pixel의 크기는 위 값 중에서 입사면 면적이라 할 수 있다. 위의 표에서 볼 수 있듯 pixel의 크기(입사면 면적)가 크다고 출력 값이 무조건 높은 것은 아니며 pixel의 부피도 상관관계가 있다. Pixel의 부피는 pixel에서 생성된 전하를 품을 수 있는 최대 양이며 Full well이라는 용어를 사용한다. 이번 포스팅에서는 ‘pixel size와 full well이 복합적으로 감도에 영향을 미친다’ 정도까지만 설명하고 더 자세한 사항은 향후 포스팅에서 다루겠다.

2. Readout 변환 효율

  광전효과에 의해 생성된 charge는 Readout시 Voltage로 변환된다. 이때 floating diffusion node의 capacitance(CFD)에 따라 변환 효율이 결정된다. 이 변환 효율에 따라 출력되는 voltage swing 폭이 달라지며 이는 감도와 직결되게 된다. CFD 값을 줄여 감도를 크게 높이면 좋겠지만 이 값을 줄이면 노이즈에 영향을 미치게 된다. 이 노이즈에 대해서는 이후 포스팅에서 다루는 것으로 하겠다.


3. Analog gain

  Gain에 대해서는 직관적으로 ‘더 밝아지는 것’ 이라고 익히 알고 있을 것이다. Analog gain이 높아지면 더 밝아진다는 말은 너무 당연하므로 넘어가고 다른 면에서 생각해보자. 


  만약 동일한 이미지 센서를 사용하여 2개의 카메라 제조사에서 카메라를 만들었다고 가정해 보자. 그런데 1번 제조사는 1.3x의 analog gain을 사용하였고 2번 제조사는 1.5x의 analog gain을 사용하여 카메라를 제조하였다. 결과적으로 2번 제조사가 더 감도가 높은 카메라를 만들었다. 물론 카메라 spec sheet에도 더 높은 responsity 값으로 표기해 두었다. “뭘 말하고 싶은 거야?” 라고 생각되는 분은 지난 카메라 포스팅을 한번 읽어보길 바란다. 지금은 그냥 “카메라 제조사에서 gain을 높이 세팅해 두면 감도는 더 좋은 카메라가 만들어진다” 정도로만 알아두자.


 필진 소개



목한상, Kyle Mok

(앤비젼 Product Engineer/카메라 담당)


사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는...

카메라 담당 Product Engineer


Posted by 비전만

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


빠르고 정확한 비전 검사를 위한 필수 조건, '감도'


전 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.


    메라의 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>

















와 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 1

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.


래는 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>

<DSLR 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.


 필진 소개



목한상, Kyle Mok

(앤비젼 Product Engineer/카메라 담당)


사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는...

카메라 담당 Product Engineer



Posted by 비전만

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  1. Iso gain 2018.09.03 16:28  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    Iso와 gain(게인) 이 둘다있는 카메라인경우는 차이점이있나요?

    한카메라에 두개(iso, 게인)이있는데 둘 차이점은 이미지센서 에 빛을 받는게 더 민감해진다고하더라구요 둘차이점은 알수있나요? 둘다 영상카메라에서 입니다