2000년대 초반 무렵만 해도 디지털카메라는 아주 흔한 아이템은 아니었습니다. 필름 카메라를 무서운 속도로 대체해나가던 혁신적인 전자기기였고, 마치 요즘의 휴대전화와 같이 특별한 날 선물 받고 싶어 하는 전자제품이기도 했습니다. 스마트폰이 보급된 이후 이제는 "휴대전화 == 통신 기능이 있는 디지털카메라"의 개념이 되었고 언제 어디서든 원하는 장면을 카메라로 담을 수 있는 시대가 되었습니다.
카메라로 촬영을 하게 되면, 렌즈를 통해 통과한 빛은 전기 신호로 바뀌어 최종적으로 디지털 이미지의 형태로 전환됩니다. 그리고 압축과정을 거쳐 이미지 파일의 형태로 메모리에 저장됩니다. 컴퓨터로 이미지 파일을 열어본 적이 있는 분들은 JPEG나 PNG와 같은 확장자들을 한 번쯤은 보았을 것입니다.
이렇듯 디지털 이미지가 너무나도 당연해진 시대에 과연 어떤 과정을 거쳐 디지털 이미지가 만들어지는지 궁금하신 분들을 위해 그 과정에 대해 조금씩 알아보고자 합니다.
목차
필름 카메라의 원리
디지털카메라의 원리
0과 1로 나타내는 디지털 이미지
필름 카메라의 원리
디지털 이미지가 만들어지는 과정을 설명하기에 앞서, 필름 카메라의 원리를 아주 간략하게 알아보겠습니다. 필름 카메라의 구조를 살펴보면, 크게 빛을 모으는 렌즈, 빛을 기록하는 필름, 그리고 셔터, 조리개, 몸통이나 버튼과 같은 나머지 기계적 장치들로 이루어져 있습니다.
전기가 필요 없는 수동 필름 카메라를 예를 들어 작동 원리를 살펴보겠습니다. 먼저, 촬영하고자 하는 물체의 표면에서 반사된 빛이 카메라의 렌즈로 들어오게 됩니다. 빛이 렌즈를 통과하면서 굴절하게되고 모아지게 됩니다. 그림 3에서는 렌즈가 하나만 표현되었지만 실제로는 여러 개의 다른 렌즈들이 여러 겹으로 존재합니다. 굴절된 빛은 필름에 도달하게 됩니다.
필름에는 특수한 화학성분(감광제)이 있어서, 빛이 흡수되는 양에 비례하여 필름 표면에 화학반응이 일어나게 됩니다. 촬영 직후에는 필름에 맺힌 상이 눈에 보이지 않습니다. 필름을 현상액이라는 약품에 담그면 숨겨져 있던 상이 실상으로 변하여 눈에 보이게 됩니다. 이처럼 필름에 화학처리를 함으로써 실상이 나타나도록 하는 작업을 "현상"이라고 합니다. 필름은 빛에 예민하기 때문에 보통 암실 환경에서 인화를 하거나, 혹은 자동화된 기기를 사용해서 인화가 가능합니다.
디지털카메라의 원리
필름을 대체하는 이미지 센서
디지털카메라는 필름 카메라에서 필름의 역할을 전자식 이미지 센서로 대체한 것으로 생각할 수 있습니다. 물체에서 반사된 빛이 카메라의 렌즈를 통과하여 이미지 센서에 도달하면, 이 빛은 센서에 의해 전기 신호로 전환됩니다. 대부분의 디지털카메라에서는 그림 4에서와 같은 CCD 혹은 CMOS 이미지 센서가 사용되는데, 이들은 각각 수백만 개의 작은 셀(cell)들이 2D array의 형태(격자 모양)로 이루어져 있습니다. 여기서 "셀"은 solar cell인데, 이는 빛 에너지를 직접 전기 신호로 변환하는 반도체 소자입니다. 필름 카메라에서 필름이 빛을 흡수하면 화학 반응을 일으켜 빛의 세기를 필름에 기록하는 것과 유사하게, 디지털카메라의 경우에는 이미지 센서가 빛을 받으면 에너지를 전기적 신호로 변환하게 됩니다.
각 셀(Solar cell)은 하나의 픽셀
센서의 각 셀은 하나의 이미지 픽셀(pixel)에 해당하는 전기 신호를 처리하게 됩니다. 보통 카메라의 스펙을 말할 때 이미지 센서의 사이즈, 즉 픽셀의 개수, 로 표현을 자주 합니다. 예를 들어, 그림 5는 애플의 홈페이지에서 캡처한 아이폰 12의 카메라 스펙입니다. 첫 줄에 "12MP camera"라고 되어있는데 이는 약 12 메가 픽셀, 즉 12,000,000 개의 픽셀로 구성된 이미지 센서를 사용한다는 뜻입니다. (엄밀히 말하면, 12 메가 픽셀에 해당하는 셀의 대부분은 빛을 처리하는 데 사용되지만, 나머지 일부 셀들은 빛을 처리하는 대신 다른 연산을 담당하는 데 사용됩니다.)
아날로그 전기 신호의 디지털로의 변환 (Analog-to-Digital Converter, ADC)
빛의 세기가 (아날로그) 전기 신호로 변환되고 나면, 변환된 전기 신호는 불연속적인(discrete) 디지털 값으로 전환되며, 이는 메모리에 저장됩니다. 구체적인 과정은 CCD와 CMOS에 차이가 있으나, 어쨌든 핵심은 빛의 세기가 최종적으로 디지털 값이 되어 기록된다는 것입니다.
컬러 이미지를 얻기 위한 방법 예시
한편, CCD와 CMOS 이미지 센서 자체는 빛의 세기를 하나의 디지털 값으로 변환하기 때문에, 컬러에 대한 정보가 없습니다. 이를 해결하여 위한 방법 중 하나로, 별도의 필터를 이미지 센서 앞에 놓아 빛이 필터를 먼저 통과하도록 하는 방법이 있습니다. 예를 들어, 그림 6과 같이 센서의 각 셀마다 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 중 한 가지 색상의 빛만 통과할 수 있는 필터를 모자이크처럼 배치하게 되면, 각 셀마다 각 색상에 해당하는 빛의 세기가 기록됩니다. 이후 모자이크의 반대(demosaicing or debayering) 연산을 거쳐 각 색상마다 빈 값들을 인터폴레이션(interpolation) 할 수 있습니다. 그림 6과 같이 R-G와 G-B 색상 필터가 각 row마다 반복되는 Bayer 필터가 가장 자주 쓰여지는 필터이며, 그 외에도 CMYG (Cyan, Magenta, Yellow, and Green) color filter array 등이 사용되기도 합니다. (RGB, CMYG 등의 필터 선택 기준은 각 색상을 적절히 조합했을 때 사람의 눈에 보이는 대부분의 색상들을 조합을 만들어낼 수 있기 때문입니다.)
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0과 1로 나타내는 디지털 이미지
지금까지 물체 표면에 반사된 빛이 렌즈를 통과하고, 컬러 필터와 이미지 센서를 지나 ADC를 통과하면, 빛의 세기가 최종적으로 디지털 신호로 변환되어 카메라 메모리에 저장되는 과정을 설명하였습니다. 메모리에 저장된 이미지 데이터는 설정에 따라 주로 다음과 같은 포맷들로 기록됩니다.
- Mono: MONO8, MONO16, MONO12_PACKED, MONO12_PACKED_MSFIRST
- Color: BAYER8, BAYER16, BAYER12_PACKED, BAYER12_PACKED_MSFIRST, YUV422
- Polar: STOKES4_12, POLAR4_12, POLAR_RAW4_12, HSV4_12
출처: https://support.pixelink.com/support/solutions/articles/3000044970-image-data-formats
예를 들어, 컬러 이미지 데이터가 BAYER16의 포맷으로 카메라 메모리에 저장되었다면, 이는 빛이 Bayer 필터를 통과하였고 센서의 각 픽셀이 16 비트로 표현되어 저장되었음을 의미합니다. Demosaicing (or debayering)의 과정을 거쳐 각 R, G, B 색상에 해당하는 픽셀 값들을 복원해낼 수 있습니다. 그리고 최종적으로 원하는 이미지 파일의 형태에 따라 압축 등의 과정을 거쳐 JPEG, PNG 등의 파일로 저장할 수 있습니다.
간단한 예시를 통해 디지털 이미지가 어떤 식으로 표기되는지 알아보겠습니다. 압축되지 않은 8-bit PNG 컬러 이미지의 경우, 각 이미지 픽셀의 값은 8 비트로 표현됩니다. 즉, 각 이미지 픽셀은 0-255의 정수 중 하나의 값을 가지게 됩니다. 그리고 컬러 이미지의 경우, 기본적으로 R, G, B 세 개의 컬러 채널로 자주 표현됩니다. 해상도가 640-by-480(VGA)인 컬러 이미지의 경우, 640*480*3 = 921,600 개의 픽셀 값이 있으며, 각 픽셀은 8-bit, 즉 1-byte이기 때문에 921.6KB 사이즈의 이미지가 됩니다.
출처
- 그림 2: https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/photomicrography/filmcameras
- 그림 3: https://photographicoptics.weebly.com
- CCD vs. CMOS sensors: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
- 그림 4: https://www.teledynedalsa.com/en/learn/knowledge-center/ccd-vs-cmos/
- 그림 6: https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=1097
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