Detectable Light Intensity in a Camera Capture

Introduction

카메라는 광자의 흐름을 정보가 포함된 이미지로 변환하기 때문에 우리의 눈과 매우 유사합니다. 카메라의 이미징 센서에는 픽셀 격자가 포함되어 있습니다. 각 픽셀은 판독 단계(노출이라고도 함) 동안 도달한 광자의 수를 계산하고 강도 점수를 출력합니다.

카메라의 다이내믹 레인지는 검정에서 흰색까지 측정 가능한 최소 및 최대 빛의 강도(Light intensity) 사이의 비율을 정의하며 사진에서 필수적인 속성입니다.

Light intensity in imaging sensors

단일 이미지 획득의 경우 이미징 센서는 픽셀당 특정 범위의 빛 강도를 측정할 수 있습니다. 일반적인 센서는 입사광의 강도를 256~4096 레벨 또는 8~12비트로 구별할 수 있습니다.

설명을 위해 진폭과 열 잡음이 증가하는 사인파로 구성된 일반적인 신호를 보여주는 아래 그림을 살펴보겠습니다.

측정 가능한 가장 낮은 강도는 노이즈(일반적으로 read and quantization noise)에 의해 제한됩니다. 빛을 감지할 수 있으려면 픽셀에 닿는 빛의 강도가 이 노이즈 플로어보다 커야 합니다. 위 및 아래 그림에서 맨 왼쪽을 참조하십시오. 낮고 높은 SNR을 나타내는 중간 영역은 신호를 정량화할 수 있는 범위에 있습니다. 신호가 커지고 빛의 세기가 높아지면 픽셀이 포화 상태가 됩니다. 포화로 인해 클리핑 및 기타 아티팩트가 발생하여 정보가 손실됩니다. 맨 오른쪽에 있는 이 지역을 보십시오. 센서가 구별할 수 있는 가장 낮은 강도 값에서 가장 높은 강도 값까지의 범위를 dynamic range (DR) 라고 합니다. 관심 지점에서 발생하는 입사광과 추가된 노이즈 사이의 비율을 signal-to-noise-ratio (SNR) 라고 합니다. 아래 그래프는 신호 레벨, 노이즈 및 광도 사이의 관계를 설명합니다.

이미징 센서는 장면의 전체 동적 범위를 캡처할 수 없는 경우가 많으며 그 결과 클리핑(clipping)이라는 광학 현상이 발생합니다. 클리핑은 특정 영역의 강도가 센서가 나타낼 수 있는 최소 및 최대 강도를 벗어날 때입니다. 클리핑은 매우 밝은 부분과 매우 어두운 부분이 모두 존재하는 고대비 장면에서 발생합니다.

Adjusting exposure

카메라의 상한 및 하한 판독 한계는 광자 수에 따라 대략적으로 고정됩니다. 그러나 카메라의 노출을 변경하면 카메라에 들어가는 광자의 수가 변경되어 픽셀에 부딪혀 판독됩니다. 두 개의 다른 노출 값인 EV는 동일한 판독 강도 또는 대비 값으로 감지할 픽셀에 도달하는 데 서로 다른 수의 광자가 필요합니다. 본질적으로 목표는 관심 영역을 기반으로 카메라에 도달하는 빛을 변경하는 것입니다. 이를 통해 이미지 센서가 적절한 SNR을 사용하여 정상적으로 작동하는 영역에서 작동할 수 있습니다. 어두운 물체의 판독 값을 높이면 더 높은 노출이 필요하고 밝은 물체의 값을 낮추면 더 낮은 노출이 필요합니다.

추가 읽기

노출에 대해 자세히 알아보려면 다음 Introduction to Stops 를 읽어 보십시오.