카메라 감도 평가법

EMVA1288 이미징 성능 표준을 사용한 카메라 성능 비교

내용:

• EMVA1288에 기반한 이미징 성능 측정 소개
• 다양한 측정의 정의와 측정 수행 방식
• 서로 다른 노출 시간에서 카메라의 저조도 성능 비교
• 기존의 CCD와 최신 CMOS 센서 비교
• Sony Pregius 센서 세대 비교
• 결론

프레임 속도, 해상도 및 인터페이스와 같은 기본 카메라 사양을 비교하는 일은 쉽습니다. 당사의 새 카메라 선택기를 사용하여 14가지 이상의 EMVA 사양을 필터링하고 정렬하여 프로젝트 요구사항과 정확하게 일치하는 것을 찾으십시오. 그러나, 양자 효율, 템포럴 다크 노이즈 및 포화용량과 같은 카메라의 이미징 성능을 비교하는 일은 조금 더 복잡해지는 경향이 있습니다. 먼저, 이러한 다양한 측정이 실제로 의미하는 바가 무엇인지 이해해야 합니다.

양자 효율이란 무엇이며, 이것은 피크 또는 특정 파장에서 측정되는 것입니까? 신호 대 노이즈 비율은 동적 범위와 어떻게 다릅니까? 이 백서에서는 이러한 질문을 다루고 EMVA1288 표준에 따라 이미징 성능 데이터를 기반으로 카메라를 비교하고 선택하는 방법을 설명합니다.

EMVA1288은 카메라의 성능을 평가할 측면과 이러한 측면을 어떻게 측정하고, 측정한 결과를 어떻게 통일된 방식으로 나타내는지를 정의하는 표준입니다. 백서의 첫 번째 섹션은 이미징 센서의 다양한 이미징 성능 양상을 이해하는 데 도움을 줍니다. 이것은 이미지 센서가 빛을 디지털 이미지로 변환해서 궁극적으로 센서의 성능을 정의하는 방식을 고려할 때 이해하고 있어야 하는 기본적인 개념을 개괄합니다. 그림 1은 단일 픽셀을 나타내며 이러한 개념을 강조합니다.

그림 1: 이미지 센서가 빛을 디지털 이미지로 변환하는 방식

먼저 빛 자체에 내재된 노이즈를 이해해야 합니다. 빛은 광원에 의해 생성되는 불연속적 입자, 즉 광자로 구성됩니다. 광원은 정해지지 않은 임의 시점에 광자를 생성하므로, 감지되는 빛의 세기에 노이즈가 있습니다. 빛 전문 물리학자는 빛의 세기에서 관찰된 노이즈는 광원에 의해 생성된 광자 수의 제곱근과 같다고 설명합니다. 이러한 유형의 노이즈를 샷 노이즈(Shot Noise)라고 합니다.

픽셀로 관찰된 광자 수는 노출 시간과 빛의 세기에 따라 달라짐에 유의해야 합니다. 이 문서에서는 광자 수를 노출 시간과 빛 세기의 조합으로 고려합니다. 이와 유사하게, 감광 영역을 판별하려면 픽셀 크기를 제곱해야 하므로 픽셀 크기는 센서의 집광 능력에 비선형적인 영향을 미칩니다. 이 부분은 카메라 두 대의 성능을 비교하는 맥락에서 다음 문서에서 자세히 다루겠습니다.

빛을 디지털화하는 과정의 첫 번째 단계는 광자를 전자로 변환하는 것입니다. 이 문서에서는 센서가 이 작업을 수행하는 방법을 살펴보지 않고, 오히려 변환 효율성의 척도에 대해 제시합니다. 디지털화 과정에서 생성된 전자 대 광자의 비율을 QE(Quantum Efficiency: 양자 효율)라고 합니다. 그림 1의 센서 예에서는 6개 광자가 센서에서 "감지"될 때 3개 전자가 생성되므로 QE가 50%입니다.

광자는 디지털화되므로, 웰(Well)이라고 칭하는 픽셀 내에 저장됩니다. 웰 내 저장될 수 있는 전자 수를 포화 용량 또는 웰 깊이라고 합니다. 웰이 포화 용량보다 많은 전자를 받아들일 경우, 추가 전자는 저장되지 않습니다.

빛 수집이 픽셀로 완료되면 웰의 전하가 측정되고 이 측정을 신호라고 합니다. 그림 1에서 신호 측정은 화살표 게이지로 나타납니다. 이 측정과 연관된 오류를 템포럴 다크 노이즈 또는 리드 노이즈라고 합니다.

마지막으로, 그레이스케일(Grey Scale)은 전자로 표현된 신호 값을 16비트의 ADU(Analog to Digital Units) 픽셀 값으로 변환하여 정의됩니다. 아날로그 신호 값 대 디지털 그레이스케일 값의 비율을 게인으로 칭하고 ADU 당 전자 수로 측정됩니다. EMVA1288 표준에 따라 정의된 대로 게인 매개변수를 "아날로그에서 디지털로" 변환 프로세스의 게인과 혼동하지 마십시오.

카메라 성능을 평가할 때, 신호 대 노이즈 비율 및 동적 범위를 참조하는 것은 매우 흔합니다. 이러한 두 가지 카메라 성능 측정은 카메라에서 관찰된 노이즈와 신호의 비율을 고려합니다. 단, 동적 범위는 템포럴 다크 노이즈만 고려하는 반면, 신호 대 노이즈 비율은 평균 제곱근(RMS) 합계도 포함하는 차이가 있습니다.

절대 민감도 임계값은 센서에서 관찰되는 노이즈에 동등한 신호를 얻는 데 필요한 광자 수입니다. 이것은 유의미한 신호를 관찰하는데 이론적으로 필요한 최소 광량을 나타내는 것이기 때문에 매우 중요한 측정 기준입니다. 이 측정의 세부 정보는 다음 문서에서 자세히 다루겠습니다.

EMVA1288 표준에 기반하여 센서 및 카메라를 비교하는 데 도움을 주기 위해 FLIR은 70개가 넘는 카메라 모델의 이미징 성능에 대해 업계 최초로 실시한 포괄적인 연구를 마련했습니다. 

카메라의 저조도 성능 비교

본 백서의 목적을 위해 일반적으로 단색 이미지가 사용되고 카메라가 수집할 수 있는 빛의 양이 짧은 노출 시간으로 인해 제한될 수 있는 차량번호인식기(LPR) 또는 광학문자인식(OCR)과 같은 애플리케이션을 고려할 예정입니다. 이미징 문제를 해결하는 데 필요한 해상도, 프레임 속도 및 시야를 정의하는 것은 매우 간단하지만, 카메라의 이미징 성능을 충분한지를 판별하는 것은 더 어려울 수 있습니다.

일반적으로 이 문제는 시행착오를 거쳐 해결됩니다. 비전 시스템 설계자가 30 FPS에서 ¼’’ CCD가 실행 중인 VGA 카메라가 애플리케이션에서 충분하다고 판별하는 예를 고려하겠습니다. 최초 검사는 물체가 정지해 있을 때 10ms의 노출 시간으로 카메라가 충분히 감지함을 보여줄 수 있습니다. 비전 알고리즘에서 쉽게 혼동할 수 있는 B, 8, D 및 0 문자가 있는 간단한 예를 보여주는 그림 2를 참조하십시오. ¼’’ CCD 카메라로 촬영한 왼쪽 위 이미지는 이미지 처리에 충분한 이미지를 생성합니다.

그림 2: 서로 다른 노출 시간에서 1/4''와 1/2'' CCD 카메라로 획득한 결과

그러나, 개체가 움직일 때, 노출 시간을 줄여야 하고 "B" 및 "D" 문자는 숫자 "8"과 "0"과 구분할 수 없으므로 카메라가 유용한 정보를 제공할 수 없습니다. 그림 2의 중단 및 왼쪽 아래에 있는 이미지는 이미지 품질의 저하를 보여줍니다. 특히, 2.5ms 노출 시간에서 ¼’’ CCD는 이미지 처리에 부적합한 이미지를 생성합니다.

이 예의 목적을 위해 큰 피사계 심도가 필요 없으므로, 렌즈의 최소 F-수가 수용될 수 있다고 가정합니다. 즉, 렌즈의 셔터를 열어 더 많은 빛을 모으는 것이 불가능합니다.

따라서, 설계자는 다른 카메라를 고려해야 합니다. 문제는 다른 카메라를 사용하면 시스템의 성능을 개선할 수 있는가입니다. 일반적으로 저조도 성능 문제를 해결하기 좋은 방법으로 더 큰 센서를 사용하는 방법이 수용되었으므로, ½’’ 센서가 좋은 선택일 수 있었습니다. 그러나, 시행착오를 계속하는 대신, 카메라의 EMVA 1288 이미징 성능을 고려하는 것이 유용할 수 있습니다.

EMVA 1288 데이터를 살펴보면, ¼’’ 센서가 더 좋은 양자 효율과 더 낮은 노이즈를 가지지만. ½’’ CCD는 더 큰 픽셀과 더 큰 포화 용량을 가진다는 것을 관찰할 수 있습니다. 이 문서에서는 ½’’ 카메라가 더 잘 수행하는지를 판별하는 방법을 보여줍니다.

그림 3은 신호 값 대 광 밀도(광자/µm2)를 플로팅하여 카메라를 비교합니다. 광 밀도의 함수로 신호는 다음 수식을 사용하여 확인됩니다.

이 문서에서 세운 중요한 가정은 렌즈의 시야각, F-수, 카메라 설정이 동일하다는 것입니다.

그림 3: 광수준의 함수로 1/4'' 및 1/2'' CCD 카메라에 의해 생성된 신호

그림은 동일한 광 밀도의 경우, ½’’ 센서가 더 높은 신호를 생성함을 보여줍니다. 또한 포화 현상은 700 광자/µm2의 비슷한 광 밀도 수준에서 발생하지만, ½’’ 센서의 포화 용량이 상당히 높다는 것도 관찰할 수 있습니다.

이 백서에서 고려되는 응용 분야에서는 저조도에서 카메라를 비교해야 합니다. 따라서, 노이즈 수준을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

그림 4는 저조도에서 신호와 노이즈를 보여줍니다. 그림에 나타난 노이즈는 다음 공식을 사용하여 계산된 TDN(Temporal Dark Noise)과 SN(Shot Noise)의 RMS 합계입니다.

그림 4: 저조도에서 1/4" 및 1/2" CCD 카메라의 신호 및 노이즈

그래프는 절대 민감도 임계값(신호가 노이즈와 동일한 조도)에 ¼’’ 센서의 수준보다 다소 더 낮은 수준에서 ½’’ 센서가 도달함을 보여줍니다. 저조도 환경에서 어떤 카메라가 더 잘 수행하는지를 판별하는 데 필요한 더 중요한 측정은 신호 대 노이즈 비율(SNR)입니다.

그림 5는 두 카메라의 SNR을 조도의 함수로 보여줍니다.

그림 5: 저조도에서 1/4'' 및 1/2'' CCD 카메라의 신호 대 노이즈 관계

½’’ 센서의 더 높은 신호 대 노이즈 비율에 기반하여, 이론상으로는 ½’’ 카메라가 저조도에서 ¼’’ 카메라보다 더 잘 수행합니다.

그림 2의 이미지에서는 2.5ms 노출 시간에서 ½’’ 센서는 모든 노출 시간에 문자의 모양을 보존하는 반면, ¼’’ 센서는 문자 간에 구분하기 어렵다는 것을 볼 수 있습니다. 따라서, ½’’ 센서가 성능이 더 좋고 실제 결과도 이론과 일치합니다.

FLIR은 광범위한 카메라 연구를 수행했으며 EMVA 1288 이미징 성능 결과를 게시했습니다. 이 정보를 사용하여 서로 다른 카메라 모델의 성능을 비교할 수 있습니다. 카메라 구현이 이미징 성능에 영향을 주지만, 일반적으로 이 연구는 본 문서에서 다루는 센서를 사용하는 두 카메라를 비교할 때 유용할 수 있습니다.

FLIR은 특정 카메라 비교 문서를 제공합니다. [email protected]에 연락하여 FLIR의 카메라 모델 간 비교를 요청하십시오.

이 백서에서 개괄된 방법은 카메라가 다른 카메라와 비교해서 얼마나 성능이 좋은지에 대한 일반적인 정보를 얻는 데 유용합니다. 이 방법은 필요한 성능을 향상시킬 가능성이 없는 카메라를 배제하는 데 도움을 줄 수 있지만, 카메라의 최종 성능 테스트는 실제로 해봐야 합니다.

기존의 CCD와 최신 CMOS 센서 비교

이제 저조도 이미징 조건과 광범위한 조명 조건의 장면에서 종래의 CCD 센서와 최신 CMOS 센서의 성능을 비교하겠습니다.

이전 섹션에서는 Sony ICX414를 사용하는 카메라, ½’’ VGA CCD가 Sony ICX618을 사용하는 카메라, ¼’’ VGA CCD보다 저조도 조건에서 성능이 더 좋다는 것을 보여주었습니다. 이제는 ½’’ VGA CCD를 새 Sony Pregius IMX249, 1/1.2’’ 2.3Mpix 글로벌 셔터 CMOS 센서와 비교하겠습니다.

언뜻 보기에는 이것이 "사과와 오렌지"를 비교하는 것처럼 보일 수 있지만, 이러한 두 센서를 사용하는 카메라의 비용은 대략 €400에 상당할 수 있고, CMOS 카메라의 VGA ROI는 실제로 ¼’’ 카메라의 광학 크기에 더 근접하고 프레임 속도는 VGA 해상도에서도 비슷합니다.

카메라용 EMVA 1288 데이터는 IMX249 CMOS 센서의 양자 효율이 상당히 향상되고, 노이즈가 낮고 포화 용량이 높다는 것을 보여줍니다. 반면, ICX414 CCD 센서의 픽셀은 더 높고, 이것은 이전 문서에서 제시된 예시에서 중요한 매개변수였습니다.

그림 6: 저조도에서 ICX414 CCD 및 IMX249 CMOS 센서의 신호 대 노이즈 비율

그림 7: 서로 다른 노출 시간에서 ICX414 CCD와 IMX249 CMOS 센서에서 얻은 결과

더욱 흥미로운 비교는 두 센서 간의 포화 용량 차이로 인해 더 높은 빛 세기에서입니다. 그림 8은 전범위의 빛 세기에서 빛 세기의 함수로 신호를 나타냅니다. 그래프에서는 ICX414 CCD 센서가 700 광자/µm2 정도의 포화 농도에 도달하는 반면, IMX249 CMOS 센서는 1200 광자/µm2 이상으로 포화됨을 볼 수 있습니다.

그림 8: ICX414 CCD 및 IMX249 CMOS 센서에서 생성된 신호를 조도의 함수로 사용

첫 번째로 낼 수 있는 결론은 ICX414 CCD 센서로 생성된 이미지가 IMX249 CMOS 센서로 생성된 이미지보다 밝다는 것입니다. 이것이 그래프에서 명확하지 않다면 약 700 광자/µm2에서 생성되는 이미지를 고려하십시오. 이 경우, ICX414 CCD 센서가 생성한 이미지를 보면 그레이스케일은 최고 수준일 가능성이 크고 포화 상태일 확률이 높습니다. 반면, IMX249 CMOS 센서는 최대 밝기의 50%가 다소 넘는 이미지를 생성합니다. 카메라의 감도를 평가하기 위한 기본적인 접근방식은 이미지의 밝기를 관찰하는 것이므로, 이러한 관찰은 중요합니다. 즉, 성능이 더 좋은 카메라에서 더 밝은 이미지가 제공된다고 가정합니다. 그러나, 이 가정은 사실이 아니고, 이 예에서는 실제로 그 반대입니다. 즉, 더 어두운 이미지를 생성하는 카메라가 실제로 성능이 더 좋습니다.

그림 9: 서로 다른 조명 조건에서 ICX414 CCD 센서와 IMX249 CMOS 센서에서 얻은 결과

두 번째 관찰에서는 IMX249 CMOS 센서가 더 넓은 범위의 조명 조건에서 이미지를 처리할 경우 유명한 이미지를 생성합니다. 그림 9는 두 개의 카메라로 촬영된 동일한 장면을 보여줍니다. 이미지의 어두운 부분은 표시 목적을 위해 개선되었지만, 기본 데이터는 수정되지 않았음을 주의하십시오. 이미지에서 ICX414 CCD는 장면의 밝은 영역에서 포화된 반면, 동시에 어두운 영역의 노이즈가 너무 많아서 문자를 읽을 수 없다는 것도 관찰할 수 있습니다. 반대로, IMX249 CMOS 센서는 장면의 밝은 부분과 어두운 부분에서 문자를 읽을 수 있도록 합니다.

마지막으로, 최근 글로벌 셔터 CMOS 기술은 기계 비전 애플리케이션에서 CCD의 실효성 있는 대안이 되었다고 결론을 내릴 수 있습니다. 센서는 덜 비싸고, 동등한 해상도에서 프레임 속도가 더 높고, 스미어 및 블루밍과 같은 인공물이 없을 뿐만 아니라, CCD의 이미징 성능을 능가합니다.

Sony Pregius 세대 비교

이전 섹션에서 살펴보았듯이, 픽셀 수가 클수록 수집될 최대 광자 수도 높아질 뿐만 아니라, 동일한 조명 조건에서 더 많은 광자를 수집할 수 있다는 사실 때문에 센서 크기는 센서 성능에 크게 영향을 미칩니다. 픽셀 크기가 작은 센서를 사용할 때와 비교해서 픽셀 크기를 증가하면 지정된 해상도를 수용하기 위해 센서 크기를 더 크게 해야 하며, 이는 센서의 비용을 늘립니다. 아래 그림에서는 Sony Pregius 센서의 여러 세대 간 픽셀 크기의 변천사를 개괄합니다.

그림 10: Sony Pregius 센서의 여러 세대 간 픽셀 크기 차이

픽셀 크기의 작아지는 경향에도 불구하고(센서의 3세대 제외), 센서 용량을 제외하면 각 세대와 더불어 센서의 이미징 성능이 증가했습니다. 이미징 성능 향상의 주요 원인은 2세대 이후에서 발견되는 센서의 템포럴 다크 노이즈(TDN)가 낮기 때문입니다. 아래 그림에서는 Pregius 센서의 여러 세대를 통해 센서의 TDN이 어떻게 진전되었는지를 개괄합니다.

그림 11: Pregius S는 낮은 수준의 리드 노이즈를 유지
센서 이미징 성능을 완전히 파악하려면 아래 표에서 각 Pregius 세대의 대표 센서 사양을 참조하십시오.

위의 표를 살펴보면 최소 픽셀 크기를 가지지만, Pregius S 센서의 이미징 성능이 2세대 및 3세대 센서에 비교할 만함을 볼 수 있는데, 이것은 센서의 BI(Back Illuminated) 설계가 광자의 더 넓은 진입 각도를 허용하여 픽셀에 더 많은 빛을 포착하는 데 도움을 주기 때문입니다.

그림 12: BSI 센서는 종래의 FI(Front Illuminated) 센서 설계를 반전시켜 광자가 각 픽셀의 감광 광 다이오드에 진입하기 용이하게 함

이 새로운 센서 설계를 통해 Pregius S 센서군은 이전 세대의 이미징 성능을 유지하면서, 최소 픽셀을 이용하더라도 비교적 저렴한 가격에 높은 해상도 센서를 끌어냅니다.

결론

이 백서에서는 카메라 성능 평가에 사용되는 핵심 개념을 살펴보았습니다. EMVA1288 표준을 소개했고 결과를 적용하여 다양한 조명 조건에서 카메라 성능을 비교했습니다.  카메라를 평가할 때 고려할 수 있는 카메라 성능 요소는 여전히 더 많습니다. 예를 들어, 양자 효율은 여러 파장에서 크게 변하므로, 525nm에서 잘 수행하는 카메라가 광원이 근적외선(NIR) 주파수에 있을 때는 그다지 잘 수행되지 않을 수 있습니다. 이와 마찬가지로, 형광 및 천체 이미징에 공통적인 긴 노출 시간은 매우 낮은 조도에서 중요한 노이즈의 유형인 암전류의 영향을 고려해야 합니다.

이미징 성능 특성에 기반하여 적당한 카메라를 선택하는 것은 쉽지 않지만, 이 백서가 이 흥미로우면서도 복잡한 주제를 이해하는 데 조금이라도 도움이 되셨길 바랍니다.

14가지 이상의 EMVA 사양을 사용하여 필터링하고 정렬하여 프로젝트 요구사항에 딱 맞는 것을 찾으십시오. 새 카메라 선택기를 사용해 보십시오.