조용현의 천체사진 | 디지털 카메라에 대한 기본적인 이해

Techniques.

Techniques of My Works

Step 2. 천체사진 촬영을 위한 디지털 카메라에 대한 이해

1. 디지털 카메라에 대한 기본적인 이해

   디지털 카메라의 센서


                                                      그림 1-1 DSLR 카메라의 구조와 CCD/CMOS 센서

  천체사진에서 주로 이용되는 디지털 카메라는 DSLR카메라이다. 카메라와 렌즈를 함께 사용하기도 하고 렌즈를 제거한 카메라 본체를 망원경에 직초점으로 연결하여 촬영하는데 카메라의 수동기능을 주로 사용하기 때문에 이러한 기능이 풍부하게 들어있는 카메라인 DSLR 카메라가 사용하기 편하다. 그림 1-1은 DRLR카메라의 구조와 필름에 해당하는 이미지 센서를 보여준다.
  디지털 카메라에 대한 이해는 이미지 센서에 대한 것으로부터 시작되는데 이미지 센서는 크게 CCD와 CMOS 방식으로 구분된다. CCD 나 CMOS의 광소자는 빛(광자)을 흡수하고 이를 전기신호로 변환시키는 광전 장치(광 다이오드) 빛에 민감한 반도체 소재로 만들어져있다, 노출 시간 동안 누적된 빛은 전기적인 신호로 저장되어 처리되고 다시 빛의 신호로 재생된다. 이 때 재생되는 신호의 양은 광소자를 두드린 광자의 수와 비례한다. 이러한 전기 신호는 누적되고 증폭되어서 디지털- 아날로그 변환기를 통해서 재생된다.

즉 CCD, CMOS 센서는 광자를 흡수하여 전자를 생성하고 전자는 전기신호로 변환되어 디지털 상태로 출력되어지는 역할을 한다.(주. CCD와 CMOS는 광센서가 아니라 전송소자이다. 그러나 촬상소자에서는 전송소자가 중요한 역할을 하기 때문에 일반적으로 전송소자를 촬상소자인 것처럼 CCD, CMOS라고 부른다. CCD는 CMOS에 비해서 노이즈가 적고 전하 전송속도가 빠른 소자이나 제조공정이 복잡하여 가격이 높지만 소비전력이 높아 배터리 소모가 크다. 주로 TV와 같은 영상 장비에 주로 사용된다. CMOS는 노이즈가 많이 개선되었으며 가격이 저렴하고 소비전력이 낮으며 소자의 크기를 크게(35mm) 제작할 수 있는 소자이다. 최근 기술이 급격하게 발달하여 대부분의 이미지 센서는 CMOS가 사용되고 있으며 디지털 카메라의 경우 거의 대부분이 CMOS 센서를 사용한다)

                                                     그림 1-2 CCD와 CMOS 센서의 전기적 처리방식 비교

  위의 그림 1-2는 CCD와 CMOS의 전기적인 처리 방삭의 차이를 그림으로 나타낸 것으로 CCD는 각 픽셀에 들어온 광자는 순차적으로 모아서 전기신호로 변환하는 반면에 CMOS의 경우에는 각 픽셀에서 광자의 에너지 세기를 처리하여 보내는 방식이다. CCD는 직렬식 처리 CMOS는 병렬식 처리한다고 한다.


                   그림 1-3 광자가 전기적인 신호로 바뀌는 과정                                그림 1-4 베이어 구조의 센서(우)와 포베온 구조의 센서(좌)

디지털 카메라는 렌즈를 통해 모아진 빛이 빛에 민감한 작은 반도체 판에 부딪혀 전기적인 신호로 바뀌면서 이미지를 만드는 도구이다. 반도체를 구성하는 작은 소자 단위를 픽셀(pixel)이라고 하고 카메라 광센서의 기본단위로 DSLR카메라의 경우 수 백만개 이상이 집적되어 있다.

디지털 카메라는 빛의 신호를 시간에 따른 평면적 차원과 색조적인 차원으로 추출하여 이미지를 생성한다. 평면적인 빛 신호 추출은 카메라 시야의 크기와 대응하는 빛을 받은 면적으로 픽셀 면에 직각 방향으로 입사하는 빛에 의해서 형성되고 색조적인 추출은 입사하는 빛의 세기와 관련하여 연속적으로 변화하는 빛의 밝기를 세분하여 단계별로 기록하면서 이미지를 만든다.
평면적인 추출과 색조의 추출이 정확하다면 디지털 카메라는 실제 이미지를 똑같이 재현하게 되며 촬영 동안의 노출 시간은 정확힌 이미지를 생성하는 중요한 요소가 된다. 노출시간이 짧거나 길면 실제 이미지와는 다른 형상의 이미지가 만들어진다.

노출시간은 천체 사진 촬영에는 가장 중요한 조절 요소 중의 하나이다. 사람의 눈은 낮의 경우 수 십분의 1초의 짧은 시간 노출 시간에 해당하는 신호와의 작용으로 설명된다. 그러나 어두운 곳에서의 경우에는 눈의 빛에 대한 노출 시간은 증가하게 된다. 따라서 눈은 어두운 천체를 관측할 경우 망원경을 이용한다고 할지라도 천체를 인식하는데 일정한 시간이 필요하게 된다. 눈은 민감하지만 낱개의 작은 광자를 시신경을 통해 인식하기는 어렵고 몇 개 이상의 광자들이 모여져야 인식이 가능하다. 디지털 카메라의 센서는 눈과 같이 예민하고 필름보다 더 작은 단위의 광자까지 인식할 수 있다.

천체 사진에서 디지털 카메라의 역할은 긴 시간 노출을 통하여 눈보다 더 많은 광자를 모으고 통합할 수 있는 능력을 활용하는 것이다. 이것은 디지털카메라가 집광력이 큰 대구경 망원경을 통해서도 눈으론 볼 수 없는 어두운 천체를 긴 노출시간을 통해서 기록할 수 있다는 것을 의미한다.
그림 1-3은 센서에 도착한 광자가 광자의 저장소(Well)에 저장되어 전기적인 신호로 변환되는 단계를 보여준다.

  그런데 센서는 빛의 색을 인식하지 못하고 빛의 세기만을 전기적인 신호로 변환하는데 생상은 어떻게 얻어내는 것일까? 그 답은 센서 앞면에 놓인 삼색의 필터에 있다.
  그림 1-4는 색상으르 만드는 방식을 보여주는 두가지의 예이다. 일반적으로 베이어 패턴의 구조를 같는 색상필터가 디지털 카메라에서 가장 많이 사용된다. 이것은 한 픽셀을 R,G,G,B영역으로 4영역으로 구분하여 각각의 색상을 가진 빛만을 통과시켜 전기적인 신호로 변화하고 이를 세가지 색의 세기를 수식으로 계산하여 원색을 만드는 방식이다. 한 픽셀에서 세가지 색을 나누어서 함성하는 방식이다.
  반면에 포베온 구조는 시그마사에서 사용하는 방식으로 R,G,B의 필터를 센서위에 B, G, R 순서로 포개어 설치한 구조이다. 픽셀의 전체영역에서 삼색의 세기를 순차적으로 모두 전기적인 신호로 변환하는 방식이다. 이 방식의 단점은 맨 아래에 있는 R영역의 빛의 신호는 B와 G 필터를 통과해야하기 때문에 신호가 약해지고 노이즈가 발생한다는 것이다. 그러나 픽셀 전체영역을 모두 한가지 색상을 받아들이는데 사용하기 때문에 해상도가 좋고 색상의 표현이 필름과 흡사하다는 평을 받지만 천체사진 촬영에서는 좋은 평을 받지는 못하는 구조이다.

그림 1-5 이미지 센서의 수직구조 그림 1-6 베이어 패턴의 색상 결정

그림 1-5는 이미지 센서의 수직구조를 보여주는 것으로 센서의 맨 상단에는 마이크로 렌즈가 올려져 있어 빛의 양을 모으는 역할을 하며 이 빛이 색상 필터를 통과하여 광다이오드를 자극하여 전기신호로 변환하게 된다. 그림 1-6은 베이어 패던의 센서가 색상을 표현하는 모식도로 보간이란 삼색의 영역을 표현하는데 경계부를 주변의 색상을 참조하여 부드럽게 처리하는 과정을 의미한다.

천체사진과 디지털 카메라

디지털 이미지 파일은 사각형 모양으로 배열된 위치와 각각의 위치에 해당하는 빛의 밝기에 대한 정보를 갖는 수치 형태로 기록되며 이 수치들은 컴퓨터를 이용하여 작업할 수 있는 형태로 저장되어 있다.

광소자 칩의 모든 영역이 빛에 반응하는 것은 아니다. 단지 광소자 부분만이 빛의 신호와 관련이 있다. 광소자 칩에서 빛에 반응하는 영역의 크기는 퍼센트로 나타낸다. CMOS 칩의 경우 반응영역(fill factor)은 30~40% 정도이고 칩의 나머지 부분들은 신호증폭기, 노이즈 감쇄처리 회로와 같은 전기회로로 채워져 있다. 이처럼 광소자 칩의 구조적인 문제는 빛과 반응하는 부분이 적기 때문에 칩의 빛에 대한 민감도가 작아지게 되고 따라서 반응영역을 증가시키기 위해서 제조사들은 빛에 반응하는 영역을 벗어난 부분으로 떨어지는 광자들을 광소자 쪽으로 향하도록 경로를 굴절시키는 마이크로렌즈를 사용한다.

노출시간 동안 센서로 떨어지는 광자는 전하로 변환되어지고 노출이 끝날 때 까지 전하저장소(potential well)에 저장된다. 이 저장소는 최대 저장용량(full-well capacity)에 따라 얼마나 많은 전하를 담을 수 있는지가 결정된다. 최대저장용량은 픽셀 단위에서 전하로 포화되어 블루밍이 발생되기 전까지 담을 수 있는 전하의 총 양을 의미한다.

(주. full-well-capacity : 블루밍 현상이 없이 하나의 양자 저장소에 담을 수 있는 전하수의 총량으로 CCD의 화소수와 비례한다)

그림 1-7 블루밍 현상의 모식도 그림 1-8 안티블루밍 현상의 모식도

이 저장소에 전하가 가득 차고 넘치는 전하들은 옆에 인접한 저장소로 흘러 들어가게 되고 이런 현상은 빛의 세기가 강한 밝은 별을 촬영할 경우에 나타나는데 밝은 별의 상하방향으로 광자가 흘러 넘쳐서 가는 꽃잎이 상하 방향으로 펼쳐진 것과 같은 형태로 나타나는 블루밍(blooming) 현상이 나타나게 된다.

그림 1-9 오리온성운 사진의 블루밍 현상

블루밍 현상은 소프트웨어로 일부분 제거가 가능하지만 완전하게 처리되지는 않고 처리 과정에서 이미지 손상이 발생하기 때문에 노출시간을 조절하여 블루밍 현상이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 카메라에 따라서는 이 현상을 감소시키거나 제거하는 블루밍 차단(anti-blooming)기능이 내장된 것도 있다. 대부분의 DSLR카메라의 경우는 블루밍 현상의 조절기능을 가지고 있어 큰 문제가 되지 않지만 CCD 카메라의 경우 블루밍 차단 기능이 없는 것도 있다.

저장소에 저장할 수 있는 전하의 수는 센서의 활성화 영역(dynamic range)를 결정한다. 활성화 영역은 출력 신호가 훼손되지 않는 한도 내에서 입력될 수 있는 최대 입력신호와 최소 입력신호 사이의 범위를 의미한다. 이는 카메라가 한 화면에서 최소신호에 해당하는 가장 어두운 부분과 최대 입력신호에 해당하는 가장 밝은 부분으로 기록할 수 있는 흑에서 백까지의 밝기의 범위를 의미한다. (주, dynamic range : 광센서로 측정 가능한 최소 신호 값과 최대 신호 값의 비로 클수록 좋다)

노이즈와 관련 있는 최대저장용량(full-well capacity)이 클수록 활성화 영역(dynamic range)도 커진다. 노이즈가 작은 센서는 활성화 영역을 넓게 하여 희미한 부분의 이미지를 상세히 표현하는데 도움이 된다.

광센서에 입사하는 빛이 없으면 신호가 0이 되어야 하지만 실제로 센서 내부에서 발생하는 열 전하에 의한 일정한 신호값을 갖게 되는데 이를 암전류(dark current)라 하고 이에 의한 열화노이즈가 발생한다. 암전류에 의한 신호값은 활성화영역의 최소 신호값에 해당하며 열화노이즈는 활성화영역을 감소시키는 요인이다.

광센서 부딪치는 모든 광자가 모두 저장되는 것은 아니다. 감지되는 광자수는 센서의 양자효율(quantum efficiency)에 의해서 설정된다. 양자효율은 광자나 전자가 다른 전하로 변환되는 비율로 CCD에서는 입사하는 빛의 반응 정도로 나타낸다. 양자효율은 퍼센트로 나타내며 양자효율이 40이라는 것은 센서에 도달하는 광자 10개 중 4개가 감지되고 전자로 전환된다는 것을 의미한다. 대부분의 CCD와 CMOS 센서의 양자효율은 빛의 파장영역에 따라 20~50% 정도이다. 고급사양의 천체 관측용 CCD카메라의 경우는 비록 흑백으로 반응하지만 80% 이상의 양자효율을 갖는다. (주. quantum efficiency : 양자효율이라고 하며 광자 또는 전자가 다른 광자나 전자로 변환되는 비율로 서로 다른 빛의 파장에 따른 반응정도를 나타낸다)

전하저장소에 쌓인 전하수는 감지되는 광자의 수와 비례한다. 이들 전하는 전압으로 변환되고 변환되는데 전압은 연속적으로 변화하는 아날로그 형태로 신호의 세기가 미약해서 디지털 신호로 전환하기 전에 증폭시킬 필요가 있다. 신호증폭기는 증폭기를 통과한 출력 전압이 아날로그-디지털 변환기의 입력에 맞도록 신호를 증폭하는 역할을 하는데 증폭기를 통과한 신호는 아날로그-디지털 변환기를 거치면 2진수의 데이터로 변환되는데 이를 디지털화한다고 한다. 변환기에서 활성화 영역을 몇 단계로 분할하는데 이 단계는 변환기의 비트수로 나타난다. 대부분의 DSLR카메라는 12bits(2¹²=4096 steps)에 해당하는 계조의 깊이를 갖는다. 16비트 카메라는 2¹²=65536개의 출력이 가능하다.

센서의 출력은 analog-to-digital unit(ADU) 또는 digital number(DN)으로 표시하며 ADU당 전자의 갯수는 그 시스템의 입력 값에 의해서 결정된다. 입력 값이 4라는 것은 A/D변환기 각 ADU당 4개의 전자가 신호로 디지털화 했다는 것을 의미한다.

ISO는 필름의 연속적인 속도비로서 즉 빛에 대한 민감도라고 한다. 디지털 카메라의 센서는 기계적으로 한 종류의 감도를 갖지만 카메라의 입력 값을 변화시켜 ISO값을 변경하는 원리의 방식을 택하고 있다. 입력 값이 2배이면 ADU 당 전하수는 2배 감소한다. 즉 디지털 카메라의 ISO값을 증가시키면 ADU에서 변환되는 전하의 수는 감소한다. ISO를 증가시킨다는 것은 같은 비트의 심도에서 활성화 영역의 크기를 더 작게 분할하여 활성화 영역을 감소시키는 것을 의미한다.

ISO1600에서는 센서의 최대전하저장용량의 1/16만을 사용할 수 있는 것으로 반응속도가 빨라진다는 것을 의미한다. ISO100에서 1초 동안의 노출은 ISO 200에서 노출 1/2와 같고 ISO400에서는 노출 1/4과 같은 결과를 나타낸다. 이러한 원리는 저장소를 어차피 광자로 다 채우지 못할 어두운 대상의 천체사진을 촬영할 때 유용하다.

카메라는 희박한 광자로부터 변환되어지는 전하를 변환시키는 역할을 하고 단계가 정해진 활성화 영역에서 각 단계별로 차이를 크게 하는 것이 가능하며 희미한 데이터의 계조정도와 상의 해상도를 증가시키기 위한 후처리 작업을 할 수 있는 신호로 만들어 주는 역할을 한다.

센서의 픽셀마다 12bit 아날로그-디지털 변환기의 경우 0~4095까지의 밝기 값과 픽셀의 위치의 좌표가 파일에 저장된다. 이 저장된 데이터는 카메라의 외부 저장장치에 저장되기 전까지는 카메라의 임시 저장소에 저장되어진다. 이러한 수치 값의 파일은 컴퓨터, 모니터 프린터에 표현될 때는 재구성되어 이미지로 출력된다.

디지털 카메라의 이미지 생성을 위한 자료 추출

카메라 센서의 화소는 사진으로 출력했을 때 디지털 이미지의 픽셀과 1대 1로 대응한다. 이런 이유로 대부분의 사람들은 카메라의 센서의 화소를 픽셀이라고 부른다. 디지털 카메라의 화소는 카메라의 성능으로도 여겨지는 경우가 있는데 3504 × 2336의 크기는 약 8.2백만 화소에 해당한다. 각각의 픽셀은 일반적으로 보이지는 않지만 이미지를 크게 확대할 경우 각각의 픽셀을 볼 수 있다.

컬러이미지는 흑과 백의 각각 2개 채널과 R, G, B 색상을 위한 1개로 총 3개의 채널로 이루어진다.

그림 1-10 삼원색의 농도

12bit 또는 4096 단계의 밝기의 정보를 갖는 디지털 카메라로 얻은 화상일지라도 출력되는 대부분의 출력장치는 채널당 8bit 또는 256단계로서 출력된다. 즉 원본이 12bit(2¹²=4096)로 입력된 자료라도 8bit (2⁸=256)로 변환되어 출력된다.

위 예는 R채널 252, G채널 231, B채널 217에 해당하는 밝기를 갖는다는 것을 의미하고 각 채널의 밝기는 0~255까지의 256단계로 구성되어 출력된다. 0은 검정이고, 255는 흰색이다. R, G, B 각각의 256개의 색상수는 많지 않은 것처럼 생각되지만 실제로 256×256×256=약 16백만 색의 거대한 수이다.

계조(흑백농도,K) 추출

빛과 색의 농도는 연속적이다. 그러나 디지털 카메라는 들어오는 빛의 양을 세분화하여 연속적인 색의 농도를 단계적으로 분리하여 수치화한다. 즉 이미지를 디지털화 하는 것이다. 위 예를 들면 농도의 분리 단계(계조)를 적게 했을 경우는 연속적이지 못한 농도를 보여 주지만 계조 단계가 증가하여 세분화되어 128단계가 넘어가면 연속적인 이미지로 보여진다.

256 계조

128 계조

64 계조

32 계조

16계조

그림 1-11 계조의 단계에 따른 상의 변화

2. 천체사진 촬영에 이용되는 디지털 카메라

이미 언급된 것과 같이 천체사진에서는 DSLR 카메라가 주로 이용되지만 최근에는 DSLR 타메라에서 펜타프리즘을 제거하여 가볍고 작게 만든 미러리스 카메라도 적지 않게 사용되고 있다. 그림 1-12는 필자가 사용해본 경험이 있는 캐논 DSLR 카메라를 나열하였다. 5D와 6D는 플프레임 카메라로서 필름의 크기와 같은 크기의 이미지 센서를 장착하고 있어서 화각이 넓은 반면 가격이 다른 카메라에 비해서 많이 비싼편이다. 30D에는 라이브 뷰 기능이 없어서 초점을 맞추거나 구도를 잡을 때 불편한 점이 많았다.
캐논 카메라를 주로 사용했던 이유는 노이즈도 적은 편이지만 무엇보다도 같은 패턴이라서 사용이 편하고 렌즈와 기타 악세서리를 같이 사용할 수 있었기 때문이었다.

그림 1-12 캐논 DSRL 카메라 5D, 6D, 30D(APS-C 타입), 650D(APS-C 타입) 순서임

아래 그림 1-13은 천체사진에서 사용되는 다양한 카메라들을 보여준다. 소니의 알파7 카메라는 미러리스 카메라로서 감도가 뛰어나고 풀프레임이기 때문에 최근에 천체사진용도로 많이 사용되고 있으며 장시간의 노출로인한 열화노이즈의 발생을 억제하기 위한 냉각장치를 추가로 장착한 카메라가 판매되기도 한다. 읻르 냉각 카메라는 천체사진 촬영을 위하여 기존의 카메라를 개조하는 것이기 때문에 주간용으로 사용하는 것은 포기해야한다.

그림 1-13 소니 알파7, 니콘 D70(APS-C 타입), 캐논 5D 냉각 카메라, 냉각카메라 CDS-600D(APS-C 타입) 순서

천체사진용으로 캐논 카메라를구입하고자 하는 경우는 아래 그림 1-14를 참조하여 각각의 특성과 가젹을 비교해보고 중고 카메라를 구입하는 것도 나쁘지는 않은 방법이다. 그리고 가능하면 처음에 풀프레임 카메라를 구입하는 것이 나중에 중복된 손실을 방지하는 방법 중의 하나가 될 수도 있다.

그림 1-14 캐논 DSLR의 연대별 라인업

그림 1-15는 카메라의 센서 크기를 상재적으로 비교할 수 있도록 정리한 것이다. 풀프레임이 아닌 크롭바디 카메라의 경우 대부분이 APS-C 타입일 가능성이 크기 때문에 센서의 크기를 참조하여 구입하는 것이 현명한 방법이다.

그림 1-15 카메라 센서의 크기 비교