카메라의 원리 4- ISO

카메라가 빛을 조절하는 도구로 사용하는것이 셔터스피드, 조리개, ISO이다. 오늘은 그 첫번째로 ISO에대해 이야기해 보고자 한다.

 

사실 셔터스피드, 조리개, ISO는 인터넷에 찾아보면 정말 수 없이 많은 정보를 얻을 수 있는데, 궂이 또 나까지 나서서 이들을 설명하려는 이유는, ISO에 대하여 잘못알고 있는 경우가 굉장히 많아서이다. 그래서 이글이 조금이나마 ISO에 대한 정확한 개념을 소개하는데 도움이 되고자 한다.

 

ISO는 쌩뚱맞게도 International Organization for Standardization의 약자로, 우리말로 국제표준화기구이다. 이게 이런 용어를 쓰게된건 필름 카메라 시절로 넘어간다. 필름카메라 시절에 필름이 화학적으로 빛이랑 얼마나 잘 반응하느냐하는 것을 감도라는 말로 표현했는데, 이 수치가 100, 200, 400, 800, 1600과 같은 식으로 올라간다. 숫자가 클 수록 빛이랑 잘 반응한다. 다시말해 빛에 민감하게 반응한다는 소리이다. 근데 이 앞에 일종의 단위처럼 쓰는것이 미국의 경우 ASA 100, 200 과같은 식으로 썼다. 이게 나라마다 달랐다. 그래서 이걸 통일시키려는 목적으로 ISO라는 것을 쓰게 되었다고 한다. 그래서 지금 디지털 카메라에서 ISO 100, 200 과 같은 수를 감도라고 보통 많이 쓰고있다.

 

그럼 ISO 100은 CMOS 센서가 빛에 둔감하고, ISO 25600은 CMOS 센서가 빛에 민감해진다는 소리가 된다. 보통 이렇게 알고있는 분들이 많다. 그런데 이건 사실 절반정도만 맞은 것이다. 센서가 빛에 민감하게 반응하느냐 못하느냐 하는건 양자효율이라는 용어로 표현한다. 지난 포스팅에서 설명하였다. 이건 해당 CMOS의 고유한 특성으로, CMOS 센서 자체를 바꾸지 않는 한 바꿀 수 없는 요소이다. 양자효율에 대해서는 아래 글을 참고하면 된다.

 

카메라의 원리 3 - 필름카메라와 디지털 카메라의 양자효율

  1. DSLR의 ISO란 무엇일까?

DSLR에서는 엄밀하게 말하면 센서가 빛에 얼마나 민감하게 반응하느냐 하는 식으로 표현하면 정확한 정의가 아니다. 센서의 빛에대한 반응정도는 이미 공장에서 출하되는순간 결정되어있다. 그럼 디지털 카메라는 어떤식으로 ISO를 조작하며 실제로 민감하거나 둔감하게 보이는 것처럼 만들어 주는 것일까? 두 가지 방법을 이용한다.

 

1) CMOS의 광 다이오드의 전압을 높인다.

 예를들어 어떤픽셀에 100개의 빛이 들어왔을 때 걸리는 전압이 1이라고 하자. ISO를 높이면 이 걸리는 기본 전압 자체를 높여준다. 그래서 100개의 빛이 들어왔을 때 걸리는 전압을 100으로 높여버리면, DSLR의 이미지 프로세서는 이걸 보고 와~ 밝다라고 이해하게 되고 밝은 이미지로 표현하게 된다. 쉽게 말해 하드웨어적으로 전압을 높여 신호를 증폭하는 것이다. 이 과정에서 노이즈도 함께 증폭된다. 하지만 광 다이오드에서 발생하는 증폭으로, 아직 신호가 이미지 프로세서에 도착하기 전이므로 이미지 프로세싱 과정에서 신호와 노이즈를 구분하여 제어가 가능한 단계이다. 그래서 요즘 DSLR이 굉장히 높은 ISO에서도 낮은 노이즈를 유지할수 있다. 

  DSLR이나 미러리스의 메뉴에 보면, 상용감도와 확장감도라는 것이 있다. 상용감도가 바로 위에 서술한 방법으로 ISO를 조절하는 것이다. 확장감도를 쓰면, 상용감도보다 훨씬 넓은 ISO 범위를 구현하게 된다. 확장감도에 대해서는 아래 글에서 서술한다.

 

2) 표현된 사진 자체를 밝게한다.

 광다이오드를 거치고 ADC를 통해 측정된 전류량이 이미지 프로세서에 도착한 신호를 증폭하는 방법이다. 광 다이오드에서 전압을 높여 신호를 증폭한 뒤 이미지 프로세서로 보내는 것과는 다른 방식이다. 쉽게 얘기하여 소프트웨어적으로 신호를 증폭하는 셈이다. 여기서는 신호가 노이즈와 함께 이미지 프로세서로 도착하여, 이미지 프로세싱 과정을 통해 신호를 증폭할 때 노이즈도 함께 증폭된다. 그래서 확장감도에서 노이즈가 굉장히 심해진다. 

 

<ISO 100 과 3200>의 비교

 

  위 그림에 1, 2, 3 숫자를 표시해 두었다. ISO를 작게하고 찍었은 1번, 그리고 1번보다 셔터스피드를 빠르게, 조리개를 조이고 높은 ISO로 찍어 결과적으로 신호가 작게 나온 2번, 1번과 동일한 신호를 받고자 2번 상태에서 셔터스피드, 조리개를 늘렸을 때 3번을 비교해 보면, 2번에서 3번으로 갈 수록 신호의 양과 동시에 노이즈가 증가한 것을 알 수 있다. 단순히 이미지 프로세서가 전달받은 모든 신호를 증폭하다보니 노이즈도 함께 증폭되는 것이다. 

 

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 1)번 과정이나 2)번 과정이나 모두 신호를 증폭한다는 것은 동일하다. 단지 어떻게 증폭하느냐가 다를 뿐이다. 여기서 신호를 증폭한다는 말을 좀 더 구체적으로 알아보자.

 

<어떤 천체사진을 확대한 그림(좌)과 각 픽셀별 세기를 측정한 그림(우)>

 

  위 그림에서 왼쪽은 어떤 별을 촬영한 사진 중 일부를 확대한 것이고, 오른쪽은 이 사진에서 각 픽셀당 세기를 측정한 것이다. 보면 알 수 있듯, 검정색 부분이 밤하늘인데, 밤하늘에서는 어떠한 신호도 감지되지 않아, 거의 0에 가깝다. 별이 있는 부분만 신호가 높게 쭉 감지되었다. 여기서 신호를 증폭한다는건, CMOS에 감지된 모든 신호를 높인다는 것이다. 0이아닌이상 당연히 모두 높아진다. 저 그래프를 보면 알 수 있듯, 실제 저기서 완전히 0인 값은 거의 없다. 다이오드에서 전압을 높이거나 이미지 프로세서가 받은 신호를 일괄적으로 높이는 과정을 통해 모든 신호가 높아지는 것이다. 

 

 

왼쪽은 증폭하기 전이고, 오른쪽은 증폭한 후이다. 예시로 만든 그래프이니 어디까지나 참고...

 

(노이즈에 대해서는 다음 포스팅에서 다룹니다)

 

이제 긴 글의 결론을 짓고자 한다. ISO는 센서의 민감도가 아니다. 정확히 말하면 신호를 증폭하는 것이다. 필름 카메라 시절 필름에서 쓰던 용어가 아직도 쓰이며 혼동하고 있는 분들이 많은 만큼, 바로 알고, ISO를 정확히 쓰도록 하자. 

 

  2. ISO를 높인 사진의 결과와 ISO 활용하기

  ISO를 높이면 신호가 증폭되어 사진은 밝아지지만 동시에 노이즈도 많아져 사진의 품질이 떨어진다. 물론 요즘 카메라는 노이즈 억제 능력이 좋아 크게 거슬리는 수준은 아니다.(하지만 확장감도에서는 심해진다.) 어쨌든 ISO를 높이면 밝은 사진을 만들어 낼 수 있는데, 어느 경우에 써야할까?

 

우선, ISO는 부득이한 경우가 아니면 많이 높이는 것을 추천하지 않는다. ISO를 높여야 하는 예를들면, 실내에서 공연하는 사진을 찍는 경우, 조명은 굉장히 어둡기 때문에 셔터스피드를 느리게 하거나 조리개를 넓혀야 한다. 조리개를 너무 넓히면 사진의 해상력이 떨어지거나 불필요하게 심도가 얕아질 수 있다. 적당히 조여야 하는데, 그러다보니 셔터스피드가 너무 느려진다. 셔터스피드가 느려질 경우, 피사체가 심하게 움직이면 선명한 사진을 얻을 수 없다. 이런 경우에는 부득이 ISO를 높이고 셔터스피드를 빠르게 해야한다. Av, Tv, M 등과 같은 촬영 모드 중 Tv모드는 이럴때 쓰면 매우 유용하다. 카메라는 아마도 적정 노출을 맞추기 위해 ISO를 꾀나 높일 것이다.

 

  앞서, ISO를 높이면 사진이 밝아지지만, 노이즈가 증가한다는 이야기를 하였다. 적정 노출을 유지한 채로 ISO에 변화를 주어 촬영을 해 보았다.

 

<ISO에 따른 노이즈의 변화>

 

위 사진을 보면 알 수 있듯, ISO가 높아질 수록 노이즈가 증가하는것이 확연히 보인다. 특히 상용감도범위인 25600까지는 비교적 노이즈가 잘 억제되고 있지만, 확장감도인 51200부터는 노이즈가 극도로 높아지고, 65535에서는 정말 대충 봐도 노이즈가 눈에 확연히 들어난다.

(촬영정보 : Canon 5D mark 4 / 24-70 F/2.8 IS II / Av mode)

 

 

 

노이즈의 변화를 좀 더 확실히 알아보기 위해, 렌즈 캡을 닫고, 빛이 전혀 들어오지 않도록 촬영하였다. 이렇게 하면 light image는 전혀 촬영되지 않고, 오로지 noise만 찍힌다. (나중에 포스팅하겠지만, 천문학에서는 이런 방법으로 노이즈를 제거한다.) ISO가 32000까지 비교적 조금씩 노이즈가 증가하는것이 보이나, 그래도 잘 억제하고 있다. 그런데 확장감도인 51200(H1)부터는 급격히 눈에띄게 증가하는것을 확인할 수 있다.

 

다음번 포스팅에서는 조리개에 대하여 알아볼 예정이다.

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