노출

[CamCyclopedia담당]

👨‍🎓백수곤 👨‍🎓박건우

목차

1. 카메라의 노출
    - 노출이란?
    - 조리개 크기, 셔터 속도, 센서 감도
2. 갤럭시 카메라의 Auto Exposure
    - Auto Exposure
    - 측광
    - 노출 선도 (Exposure chart)
    - 갤럭시 AE algorithm
    - Pro/Pro Video (매뉴얼 모드)
3. 참고

카메라의 노출

노출이란?

빛이 카메라의 렌즈를 통과해 이미지 센서(CCD, CMOS) 또는 필름까지 도달하며, 이때 이미지 센서나 필름에 기록되는 휘도를 말합니다. 노출은 조리개 크기, 셔터 속도, 센서 감도라는 3가지 요소를 통해 조절하며 이미지의 밝기를 결정하는 중요한 요소입니다.

용어에 대한 설명으로 조도 (Illuminance) 는 단위 면적당 입사되는 광속으로써 피사체에 도달하는 빛의 밝기를 의미합니다. 그리고 휘도 (Luminance) 는 피사체의 표면에서 관측자 방향으로 방사되는 빛의 밝기를 의미하며 카메라에서 바라보는 밝기에 해당합니다.

조도와 휘도를 구분하여 사용하는 이유는 피사체 표면에 입사한 빛들이 흡수/투과/반사되고 사람과 카메라는 이 중 피사체의 반사된 빛만을 인지하기 때문입니다. 즉, 같은 조도라도 피사체의 반사 특성에 따라 휘도는 다를 수 있습니다.

과한 노출은 이미지를 너무 밝게 만들어 심한 포화가 발생하며 적은 노출은 너무 어두워 이미지를 식별하기 어렵게 만듭니다. 따라서 조리개 크기, 셔터 속도, 센서 감도의 조합으로 사용자는 원하는 적절한 밝기를 만들 수 있으며 이를 자동으로 조절해 주는 기능을 AE(Auto Exposure) 이라고 합니다.

조리개 크기, 셔터 속도, 센서 감도

노출을 조절하는 각 요소는 이미지 밝기 조절 이외에도 다른 특성들이 있습니다.
따라서, 이들의 특성을 이해하고 적절한 조합으로 원하는 밝기를 조절하는 것이 필요합니다.

조리개는 사람의 눈에 있는 홍채처럼 통과되는 빛의 양을 조절하는 역할을 합니다. 조리개의 크기는 F no.[1]로 구분되며 숫자가 크면 구멍이 좁고 숫자가 작으면 구멍이 큽니다. 조리개의 크기가 크면 빛이 많이 통과되어 이미지가 밝아지며 반대로 작아지면 그만큼 빛이 통과하지 못해 이미지가 어두워집니다.

또한, 밝기 이외에도 조리개의 크기가 커지면 배경을 흐리게 만드는 아웃포커싱 효과를 낼 수 있습니다.초점이 잡힌 거리 근처의 피사체만 잘 보이며 이를 "심도가 얕다"라고 표현합니다.
반대로 조리개의 크기가 작아지면 초점이 잡힌 거리부터 먼 거리의 물체까지 모두 잘 보이며 이를 "심도가 깊다"라고 표현합니다.

셔터는 사람의 눈에서 눈꺼풀과 같은 역할이며 셔터 속도는 셔터가 열렸다 닫히는 속도를 의미합니다. 셔터 속도가 느려지면 이미지 센서나 필름이 빛을 받는 시간이 길어져 이미지가 밝아지고 반대로 셔터 속도가 빠르면 빛을 받는 시간이 짧아져 어두워집니다.

셔터는 빛을 기록하는 시간에 영향을 주기 때문에 피사체의 움직임 및 손 떨림 등 상의 변화와 밀접한 관계가 있습니다. 셔터의 종류를 보면 실제 셔터가 움직이는 방식의 기계식 셔터(Mechanical Shutter)와 기계적 부품이 없는 전자식 셔터(Electronic Shutter)로 나뉘는데 일반적인 휴대폰에서는 전자식 셔터를 사용하기 때문에 셔터 속도 대신 Exposure time(이미지 센서의 photo diode가 빛을 받은 시간) 으로 나타냅니다.

전자식 셔터는 주로 rolling shutter와 global shutter로 나뉘며 rolling shutter는 line 별로 노출 및 readout을 수행하며 global shutter는 전체 line이 동시에 노출을 수행한 뒤 readout을 수행하는 방식입니다. 두 방식은 rolling shutter effect[2]와 같은 이미지 왜곡의 유/무 및 복잡도 등의 장단점이 존재합니다.

센서 감도는 센서로 수광 된 빛을 얼마만큼 증폭시켜 읽어들 일지를 의미합니다. 센서의 감도는 일반적으로 국제 표준 규격인 ISO 수치를 사용합니다. 센서의 감도인 ISO가 커지게 되면 센서의 증폭(gain)이 높아져 이미지가 밝아지며 반대로 ISO가 작아지면 증폭(gain)이 낮아져 이미지가 어두워집니다.

센서 감도는 앰프(amplifier)처럼 입력된 빛을 증폭시키며 이때 노이즈 성분도 함께 증폭되어 취약해지고 이미지에 노이즈가 증가하게 됩니다.

갤럭시 카메라의 Auto Exposure

AE(Auto Exposure) 이란?

ISP에서 출력하는 AE statistics data를 이용하여 카메라에서 피사체의 밝기를 판단하고 해당 밝기를 특정 값(Target)이 되도록 Control factors 이용하여 자동으로 제어하는 기능을 말합니다. 여기서 Control factors에 따라 변하는 밝기는 특정 밝기 향해 수렴하는 방식으로 제어됩니다.

위에서 AE statistics data는 Window 별 R,G,B,Y average value 및 R,G,B,Y histogram 등의 다양한 밝기 정보를 의미합니다. 그리고 카메라에서 control factors는 앞서 설명했던 조리개 크기, 셔터 속도, 센서 감도를 말하지만 휴대폰 카메라의 경우는 조금 다릅니다.

일반적인 갤럭시 카메라의 경우는 고정된 조리개와 전자식 셔터를 사용하기 때문에 Exposure time과 ISO(센서 감도) 두 factor를 노출 제어로 사용합니다.

아래는 AE의 이해를 돕기 위해 대략적인 예시를 나타낸 사진입니다. 적정 노출 상태에서 화각을 이동하게 되면 해당 조도 조건에 맞춰 AE가 수행되게 됩니다. AE의 수행은 매 프레임별 일정 노출만큼 바꿔주며 적정 노출로 수렴되며 적정 노출을 계산하기 위해 앞서 설명했던 statistic data를 활용하게 됩니다.

측광

측광이란 단어 그대로 광량을 측정하는 것으로 촬영에서의 측광은 밝기와 아주 밀접한 관계에 있습니다.
AE수행은 밝기를 판단하고 control factors를 제어해 특정 밝기까지 수렴되도록 한다고 앞서 설명하였습니다. 여기서 밝기를 판단하는 부분이 측광에 해당됩니다.

측광은 전체 이미지에 대해 수행할 수도 있고 센터 영역, 특정 영역, 사용자가 원하는 영역 등 다양하게 수행되어 이를 기준으로 현재 밝기 상태를 다르게 판단할 수 있습니다. 측광의 방식에 따라 조도 측정이 다르게 나오며 조도에 따라 노출이 결정되어 최종 이미지의 밝기를 제어하게 됩니다.

아래 그림은 대표적인 측광 방식의 예로서 현재 조도를 측정하기 위해 영상의 어떤 영역을(Block) 얼마만큼(Weight) 참고할 것인지를 의미합니다.

위와 같은 측광 방식 이외에도 인물 씬의 경우는 얼굴을 인식하여 이를 기준으로 AE가 수행(FDAE) 될 수 있도록 하거나 사용자가 원하는 영역을 touch 하여 해당 영역의 가중치로 AE가 수행(touchAE) 되기도 합니다.

노출 선도 (Exposure chart)

앞서 자동 노출(Auto Exposure)은 현재의 밝기를 판단하고 특정 밝기가 되도록 제어하는 기능이라고 설명하였습니다.

하지만, 특정 밝기를 만드는 control factor 조합은 유일하지 않습니다. (ex. ISO 50/노출시간 0.5s == ISO 100/노출시간 0.25s)

노출 선도는 이러한 특정 밝기를 만드는 control factor의 조합 표를 의미합니다.

위 사진은 선도표 예시입니다. 차트의 x축은 조도 조건을 나타내며 오른쪽은 밝은 조도, 왼쪽은 어두운 조도를 의미합니다. y축은 셔터 속도 및 센서 감도를 나타내며 높을수록 어두운 노출값, 낮을수록 밝은 노출 값을 나타냅니다.

밝은 조도 구간은 주로 야외 장소에 해당되며 위 사진에서는 노출 시간으로 노출을 제어하고 있습니다. 어두운 조도 구간은 주로 실내 및 야간에 해당되며 위 사진에서는 센서 감도 및 노출 시간 으로 노출을 제어하고 있습니다.

정리하면, 노출 선도는 밝은 구간부터 어두운 구간까지 전체 조도 조건에 대한 센서 감도 및 노출 시간의 조합을 나타내며 어두운 조도 조건일수록 밝은 노출값을 사용하여 적정 노출을 맞춰주도록 제어됩니다.

갤럭시 AE algorithm

언제나 사용자에게 만족스러운 영상을 제공하기 위해 갤럭시에는 다양한 AE algorithm[3]이 탑재되어 있습니다. 측광에서 설명했던 FDAE, touchAE를 포함하여 히스토그램 및 색상 정보 등 많은 정보를 이용해 여러 상황에 대한 AE를 수행합니다.

그중 몇 가지 갤럭시 AE algorithm을 간단히 소개 드립니다.

Histogram보정 알고리즘
영상의 histogram 분포를 분석하여 영상의 밝기가 특정 level에 집중되지 않고 전체적인 표현의 밸런스를 맞춰주는 역할을 수행합니다.

Color보정 알고리즘
피사체의 Color 정보를 분석하여 사람의 눈으로 봤을 때와 유사한 color로 표현하기 위해서 노출을 조절하는 역할을 수행합니다.

역광보정 알고리즘
역광 조건에서 과도하게 어두워지는 단점을 보완하기 위해 영상의 밝은 영역과 어두운 영역의 밝기 차이를 줄여주는 역할을 수행합니다.

전면 피부톤 분할
AI 학습을 통해 특징별로 영역을 구분하여 얼굴을 화사하게 밝기를 조절하는 역할을 수행합니다.

동영상 포화 억제 알고리즘
동영상의 밝기 level를 분석하여 실시간으로 영상의 포화를 억제해주는 역할을 수행합니다.

Pro/Pro Video (매뉴얼 모드)

일반적인 휴대폰 카메라에서는 편리함을 추구하기 위해 자동노출(Auto Exposure)을 기본으로 제공합니다. 다만, 갤럭시에서는 노출 제어를 이용하는 전문가들 위해 Pro/Pro Video(매뉴얼 모드)도 함께 제공합니다.

Pro/Pro Video 모드
Pro/Pro Video는 AE 이외에 Focus, white balance 등 다양하게 조절 가능하지만 이 중 AE에 관한 내용을 설명드리겠습니다.

모드로 진입하면 하단에서 ISO(센서 감도), SPEED(노출시간), EV(Exposure Value)를 조절할 수 있습니다. 여기서 ISO와 SPEED 중 한 가지만 조절하게 되면 다른 한 가지는 타겟 밝기를 맞추기 위해 자동으로 변하게 됩니다. (ISO 우선 모드 or Shutter 우선 모드)
(ex. ISO 100 manual, SPEED 1/1000 auto -> 조도 환경이 어두워짐 -> ISO 100 manual, SPEED 1/100 auto)

물론 ISO, SPEED 모두를 조절할 수도 있으며 이때는 조도 환경이 변하더라도 고정된 ISO, SPEED로 촬영됩니다. (매뉴얼 모드)

마지막 EV 조절은 -2.0EV ~ +2.0EV까지 조절이 가능하며 타겟 밝기를 조절하는 탭입니다. 타겟 밝기를 밝거나 어둡게 만들어 자동으로 ISO, SPEED가 변경되는 정도가 변하게 되므로 Manual 모드 상태일 땐 의미가 없으며 조절도 불가능합니다.

이처럼 사용자가 노출을 직접 제어하여 촬영할 수 있으며 감도와 노출시간에 따른 이미지 특성도 그대로 나타납니다. Pro/Pro Video 모드처럼 전문가를 위한 Expert RAW app. 도 제공하고 있으니 이들을 활용하여 다양한 촬영을 진행해 보면 좋을 거 같습니다.

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참고

[1] https://ko.wikipedia.org/wiki/F_값

[2] https://ko.wikipedia.org/wiki/롤링_셔터

[3] 소개된 알고리즘은 모델에 따라서 적용에 차이가 있을 수 있습니다.

[4] 위 이미지들 중 일부는 설명을 목적으로 그래픽효과가 적용된 가상 이미지입니다.