CCD의 이해

이제는 디지털 카메라가 일반인들에게 널리 보급되어 이 CCD라는 전문용어가 그리 낮설은 단어는 아니다. 그러나 이러한 CCD가 정확이 어떠한 것이며 어떠한 역할을 하는지 잘 아는 사람은 그리 많지는 않을 것이다. 이러한 CCD에 대해서 살펴보도록 하겠다. CCD의 사이즈와 초점거리 디지털 카메라의 카탈로그를 보면 렌즈의 초점거리가 f=7~21mm 등과 같이 표기되어 있고 35mm환산 초점거리는 38~115mm상당이라는 식으로 별도의 환산 초점거리를 표기하고 있다. 이것은 카메라의 필름에 해당하는 CCD의 사이즈가 일반 35mm필름에 비해 매우 작기 때문에 이러한 용어를 쓰고 있는 것이다. 렌즈를 통해 들어온 빛은 카메라 내부에서 모아져 초점거리만큼 떨어진 위치의 필름 또는 CCD에 상이 맺히게 된다. 그런데 35mm카메라와 같은 화각(사진에 촬영되는 범위, 사람의 시야각과 같다)을 만들려면 디지털 카메라의 렌즈는 매우 작은 초점거리를 가질 수 밖에 없다. 일반적으로 사용되는 2백만 혹은 3백만화소 1/2.7인치 CCD의 경우 촬상면의 대각선 거리가 약 7mm로 대각선 거리가 약 43mm인 35mm필름에 비해서 면적비로는 3.6%정도밖에 되지 않는 매우 작은 크기이다. 그런데 이 CCD의 크기가 제품마다 다르기 때문에 동일 화각을 얻기 위한 렌즈의 초점거리가 다르게 된다. 그래서 실제 초점거리와 함께 환산초점거리를 표기하고 있는 것이다. CCD의 사이즈가 이렇게 작은 이유는 CCD는 반도체이므로 면적이 커질수록 제조비용이 급격히 상승하기 때문이다. 따라서 동일 웨이퍼의 면적에 보다 많은 집적을 해서 가격이 저렴하게 제조하는 것이다. 그렇지만 면적이 넓은 CCD가 감도가 좋은 것은 사실이다. CCD의 면적이 넓을수록 받아들일 수 있는 빛의 양이 늘어나므로 상대적으로 충실한 표현이 가능하다. 현재 35mm필름과 같은 면적의 CCD가 개발되고는 있지만 가격의 문제로 당분간은 일반 소비자용 디지털카메라에 채택되기는 어려울 것이다. CCD의 원리 CCD는 미세한 화소가 세밀하게 집적된 형태로, 각 화소는 렌즈를 통해서 받은 빛을 전하로 바꾸어서 그 전하를 축적하는 것이 가능하다. 화소는 컨덴서의 기능을 가지고 있는 것이다. 그래서 각 화소의 위치와 전하의 크기를 가지고 명암의 데이터를 얻을 수 있다. 주의할 것은 CCD 자체로서는 컬러 정보를 얻을 수가 없다는 것이다. 단지 빛의 세기만을 알 수가 있다. (컬러 정보를 얻는 방법은 뒤에 설명한다) 그리고 CCD에서 출력된 시점에서는 아직 전하라고 하는 아날로그 데이타이고, A/D컨버터에서 디지털의 수치 데이타로 변환할 필요가 있다. CCD는 전하의 축적을 담당하며 출력명령이 내려지면 지금까지 축적해온 전하를 출력한다. 그러므로 그 전까지는 들어오는 빛을 계속해서 축적하고 있는다. 이것을 이용해 전자셔터가 가능하다. 필름카메라의 경우 필름에 도달하는 빛을 셔터를 이용해 끊어주게 되는데 CCD의 경우는 원하는 시간만큼 전하를 축적하고 있다가 순간적으로 전하를 출력하면 그것이 셔터속도의 개념을 가질 수가 있다. 하지만 최근의 디지털카메라는 나중에 설명할 어떤 이유로 인해 기계식 셔터를 같이 사용하고 있다. CCD의 제어만으로는 들어오는 빛을 정확히 차단하기가 어려운 점이 있기 때문이다. 그리고 CCD의 스캔 방식에 따라서 반드시 기계식 셔터를 사용해야만 하는 경우가 있다. CCD와 노출관계 디지털카메라는 렌즈를 통해서 CCD에 입사될 상의 전하의 차를 골라내고, 그것을 디지털 사진 데이터로 만든다. 그렇다면 CCD에 있는 광량이 소량이라고 할지라도 전하의 차 정도를 골라낼 수 있다면 디지털 사진 데이터를 만들어내는 것이 가능하지 않겠는가 하는 생각을 해볼 수 있다. 이상적으로는 빛이 매우 적다 하더라도 전하의 차이를 골라내는 것이 가능하다면, 디지털 사진 데이타를 만들어 내는 것이 가능하다. 그러나 CCD가 그런 이상에 응하기에는 아직 이런저런 문제를 안고 있다. 예를 들면 음전하는 CCD에 빛이 부딪히지 않아도 발행하는 전하로, CCD의 온도가 높으면 높을수록 음전하는 다량으로 발생한다. 발생한 음전하가 전하로써 추가된다 하더라도 그것에 의한 오차가 무시할 만큼이 되기 위해서는 렌즈로부터 들어온 빛에 의한 전하의 절대량을 많게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉 오차를 적게 하기위해 어쨌든 많은 빛을 받아야만 한다는 것이다. 또 빛이 지나치게 많아도 문제는 발생한다. CCD의 각 화소는 축적 가능한 전하량의 최대치가 있다. 빛의 양이 너무 지나치면 이번에는 전하가 포화가 되어서 거기서부터 전하의 차를 골라내는 것이 불가능하게 되어 버린다. 따라서, CCD에도 적절한 광량이라고 하는 것이 필요하게 되어 있고, 여기서 감도라고 하는 구체적인 수치가 나오고 조리개를 포함해서 그 제어에 셔터스피드의 요소가 필요하게 된다는 것이다. 그렇지만 CCD의 기술이 개량되어서 음전하에 의한 오차가 거의 없고 기타 성능이 높아진다면 CCD의 감도는 자유롭게 조정가능하게 된다. 최근의 디지털 카메라는 CCD의 감도를 ISO100~400사이로 자유롭게 조절할 수 있는 기능을 가지고 있는 것이 있는데 아직은 감도를 인위적으로 높여주면 상당량의 노이즈가 발생하고 있다. 화소수의 증가와 노이즈 CCD는 반도체이기 때문에 제조비용을 줄이기 위해 사이즈를 작게 하지않으면 안된다. 35만화소에 비교해 5배 이상 많은 화소를 가지고 있는 200만 화소 CCD도 사이즈는 약 1.5배 정도밖에 증가하지 않아 밀도는 4배 이상이다. 반도체 제조기술의 발달로 인해 소자의 집적에는 문제가 없다. 하지만 그에 따라 저하되는 감도 문제는 여전히 존재하고 있다. CCD의 밀도가 증가하면 감도가 감소되는 것은 1개의 화소가 빛을 받는 면적이 줄어들기 때문이다. 그렇다면 기존의 1화소가 받던 빛의 양을 그대로 받으려면 셔터스피드를 느리게 해 빛을 받는 시간을 늘려주거나 조리개를 열어주거나 하는 방법밖에 없다. 그렇지만 이런 것은 촬영에 제약 조건이 된다. 셔터스피드가 느리면 손떨림에 의한 흔들림이 발생하고 촬영할 수 없는 장면도 생긴다. 이것을 빛의 양을 가지고 해결하지 않고 전기적으로 해결하는 방법이 신호의 증폭, 즉 게인 업이라는 것이다. 실제로 ISO감도를 100~400까지 조절할 수 있는 것이 있다. 그렇지만 신호의 증폭에 의해 CCD에 원래 포함되어 있던 노이즈까지도 증폭이 되는 부작용이 생긴다. 기존에는 노이즈에 비해 빛의 양을 절대적으로 늘려 노이즈를 감출 수 있었지만 이제는 그럴 여유가 없어진 것이다. 그리고 화상의 계조성에서도 떨어지게 된다. 실제로 얻은 빛의 신호가 4bit밖에 되지 않는 것을 8bit로 증폭하면 그것은 8bit의 계조가 아니라 4bit의 계조를 가지게 되므로 명암의 그라데이션이 딱딱하게 끊어지는 느낌을 가지게 된다. CCD의 스캔 방식 CCD의 사양표를 보면 인터레이스드 스캔(interlaced scan)과 프로그레시브 스캔(progressive scan)의 두 가지 스캔방식이 있음을 알 수 있다. 인터레이스드 방식은 기존의 비디오용 CCD에서 사용되던 방식으로 화상을 두 번에 걸쳐 나누어 스캔한다. 여기서 스캔한다는 것은 축적된 전하를 출력하는 것을 의미한다. 그런데 두 번에 나누어 스캔하게 되면 한번의 스캔이 이루어진 후 두번째 스캔하기까지 빛이 계속 들어와버려 사진이 이상하게 된다. 그래서 기계식 셔터를 이용해 완전히 빛을 차단해준 후 두 번에 나누어 스캔한다. 그런데 35만화소급 디지털카메라가 주류를 이루던 시절에 새로 프로그레시브 스캔이라는 방식이 사용되었는데 이것은 모든 화소를 한번에 스캔한다. 따라서 두 스캔 간에 시간간격으로인한 오차가 없는 장점이 있었고 따라서 기계셔터가 없이 전자셔터만으로 제어가 가능했다. 그런데 최근의 3백만화소이상의 디지털 카메라에서는 다시 인터레이스드 스캔 방식이 사용되고 있다. 그 이유는 같은 CCD사이즈에서 프로그레시브 방식보다 많은 빛을 얻을 수 있기 때문에 상대적으로 감도가 좋기 때문이다. 컬러의 표현 CCD는 빛을 받으면 전하를 축적하는 소자로 빛의 양을 전하적 양으로 변환하는 역할을 한다. 그 말은 곧 CCD 자체적으로는 빛의 명암만을 파악할 수 있고 컬러 정보는 파악할 수 없다는 뜻이 된다. 그래서 디지털 카메라에서 컬러를 표현하는 방법은 그 흑백의 CCD위에 컬러 필터를 씌우는 방법을 사용한다. 컬러 필터를 씌우면 그 색만을 통과시키게 되어서 예를 들어 빨간색 셀로판지를 통해 보면 빨간색만 보이듯이 CCD위에 빨간색 필터를 씌우면 빨간색 빛만 지나가게 된다. 그런 색이 있는 필터를 적절히 배열하면 여러가지 색의 정보를 얻을 수 있다. 그런데 지금 디지털 카메라는 CCD의 한 좌표에 한가지 색의 필터만을 사용한다. 그러니까 원색계 필터의 경우는 G-R-G-B의 순서로 필터를 씌운다. 그러면 한 화소당 한가지 색을 받아들이는데 인접한 화소들이 각각 다른 색을 받아들이는 것이다. 이렇게 되면 사실 한 점은 한가지 색의 8bit의 정보만을 가지게 된다. 그런데 사진은 각점마다 24bit의 3원색이 모두 들어간 트루컬러를 가지고 있다. 그렇다는 것은 CCD에서 얻어낸 8bit의 단색을 가지고 적절한 알고리즘을 통해 24bit의 컬러를 만들어 낸다는 것이다. 그 알고리즘은 인접한 점의 색의 정보를 통해 그 점이 가진 실제 컬러를 유출해내는 알고리즘이다. 그러니까 현재 점 이 빨간색이 어느정도 포함되어 있는데 그 옆의 점들은 녹색이 얼마, 파란색이 얼마 포함되어 있으니까 현재의 점은 실제로는 RGB가 어느정도 섞인 색일 것이다라는 것을 유추해낸다. 그런데 이것은 그 점의 유사한 컬러를 유출해내기는 하지만 정확한 측정에 의한 결과가 아니므로 어느정도 오차가 생길 수 있고 이 알고리즘이 얼마나 우수하냐에 따라 그 디지털 카메라의 색표현력이 좌우된다. 참고로 위에서 CCD는 한가지 색밖에 파악해내지 못한다고 했었는데 그것을 해결하기 위해 각점마다 다른 색의 필터를 씌우는 방법을 사용하는 수도 있지만 아예 CCD를 세 장을 달아서 각 장마다 한가지 색을 파악한다면 제대로된 컬러를 얻어낼 수 있을 것이다. 현재 디지털 비디오 카메라 중에 3CCD(3판식)라고 말하는 방식이 그런 것이다. 렌즈를 통해 들어온 빛을 프리즘을 통해서 3방향으로 나누고 각 방향에서 CCD가 각각의 색을 파악한다. 그런 방식을 쓴 것의 대표적인 것이 소니 TRV-VX2000같은 기종이다. 실제로 TRV-VX2000은 스틸 사진도 찍을 수 있는데 비록 35만화소급인 640*480의 해상도의 스틸 사진을 만들어내지만 그 색의 재현성으로 인해 화질은 일반 35만화소 디지털 카메라에 비하면 매우 좋은 편이다. 원색계 필터와 보색계 필터 CCD에서 컬러를 표현하기 위해서는 그 위에 컬러 필터를 씌우는 방법을 사용하는데 그 필터의 색에는 4색을 한 조로 한 두 가지 종류가 있다. 원색계는 G-R-G-B(그린-레드-그린-블루)의 색을 사용하고 보색계는 C-M-Y-G(사이안-마젠타-옐로우-그린)을 사용한다. 컴퓨터에서 색을 표현하는 방식은 주로 RGB를 사용한다. 원색계의 경우 RGB정보를 가지고 있으므로 색의 표현은 단순하다. 하지만 보색계필터는 색정보를 RGB로 변환해야 하는 문제가 있다. 보색계는 CMY의 각각의 색에 RGB안의 2색을 포함하기 때문에 RGB로 변환하는 단계에서 G필터를 넣어 받은 정보로 뺄셈의 처리를 해 이것을 만들어 내고 있고, 이 연산에 의해 유효자리수의 버림이 일어나고 분해가능 부족이 일어나 문제가 된다. 따라서 색상의 표현이 원색계에 비해서 뒤지는 단점이 있다. 그렇다면 무엇 때문에 보색계필터를 사용하는가? 보색계필터는 CMY필터를 채용한 화소로 원색계필터에 대해 2배의 빛의 투과율이 있는 특성이 있다. 따라서 백만화소 이상의 CCD에서 집적도의 문제로 인해 감도가 떨어지자 그 보완책으로 보색계필터를 선택하게 된 것이다. 요즘에는 200만화소급의 제품에도 다시 원색계 필터를 사용하는 기종이 나오고 있다. 그것은 CCD의 감도가 그만큼 향상되었다는 뜻일 수도 있으나 그렇지 않은 경우는 취향의 문제이다. 색의 정보를 버리고 감도를 취할 것인지, 아니면 색을 취하고 감도를 버릴 것인지. 실제로 두 방식을 사용한 제품의 샘플사진을 보면 원색계 필터를 사용한 기종은 색의 재현성은 뛰어나지만 세부묘사가 잘 안되고 있고 보색계 필터를 사용한 기종은 색은 부자연스러우나 세부묘사력이 뛰어나다.

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