디지털 시네마 제작용 35mm CMOS : 추가설명

1. 카메라의 이미지 센서

일반 카메라의 이미지 센서(Image Sensor)는 대부분 베이어(bayer) 배열의 컬러필터를 기준으로 사용된다. 세계 영화제작의 촬영부문에 Flim이 사라지면서 대형단일 센서(Large-format single-sensor)인 디지털 시네카메라가 등장하기 시작했다.

이런 카메라에 사용되는 알고리즘이 크게 발전하면서 촬영 후 편집과정에서 요구되는 이미지 처리 및 색 보정을 할 수 있게 R,G,B 비디오 컴포넌트로 변화하는 과정이 지속적으로 향상되고 있다.

최초의 대형 단일 이미지 센서(Large-format single-sensor)의 디지털 카메라는 필름영화제작을 대체하기 위해 특별히 개발된 디지털 카메라가 2003년 처음 등장했다. 그 후 15년 이상이 지나면서 카메라 제조사들이 이러한 목적을 지닌 다양한 일반카메라와 캠코더(Camcorder)를 내놓고 있다.

영화촬영 기사들에게 이러한 디지털시스템의 가장 큰 매력은 기존에 사용하던 Film용 35mm 영화촬영용 렌즈를 사용할 수 있다는 장점이다. 동시에 모든 주요 렌즈 제조사에서는 새로운 렌즈(특히 줌 렌즈)를 개발하고 있다.

특히 주목할 점은 영화분야의 경쟁이 확실히 격해지고, 그러한 카메라의 가격, 이미지 성능, 조작기능 등등이 급속도로 발전 되었다는 점이다.

이런 대형 단일 이미지센서(Large-format single-sensor)는 CCD와 CMOS 이미지가 모두 사용됐다. 대부분의 대형 단일 이미지센서 카메라에는 일반적인 베이어 패턴에 따른 컬러필터배열(CFA)이 적용되지만, R,G,B 스트라이프 필터 방식을 채용하는 방식도 있다.

새로운 CMOS 이미지센서를 설계할 때 가장 먼저 결정한 사항은 이미지 사이즈로 이미 잘 알려진, 표준화된 35mm 영화형식의 이미지 크기를 따르자는 것은 전 세계적으로 많아진 것은 영화용 렌즈들을 사용할 수 있는 가능성을 염두에 둔 결정이었기 때문이다.

그러나 CCD나 CMOS의 이미지센서의 특징은 영화 필름과는 상당히 다를 수 있다. 사용하는 용어부터 다르다. 영화에서 그레인(grain)이라하든 것은 전자잡음(electronic noise)이라 했고, 영화에서 노출관용도(exposure latitude)란 표현은 비디오의 다이내믹 레인지(dynamic range)란 용어로 사용된다.

영화에서 톤 재현(ton reproduction)은 비디오의 콘트라스트(contrast)로, 이미지 샤프니스(picture sharpness)는 해상도(resolution)라 한다.

CMOS 이미지센서 배열 자체는 영상 이미지의 휘도에 민감하다. 첫 번째는 충분한 포화전하량을 축적할 수 있는 포토다이오드를 설계하는 것이었고, 두 번째는 축적된 전하를 고속으로 전송해, 출력전압으로 판독하는 능력이다.

이는 이미지센서의 포토 수가 많아지고, 60 Frame/sec의 순차주사방식으로 판독할 필요가 있는 경우 문제가 생긴다. 이를 극복한 새로운 이미지센서의 개발이 관건이다. 

 

 <표1-1> CFA에 의한 R, G, B 신호 샘플링

카메라 종류	형식	해상도	sample bit	sampling (Y:r-y:b-y)	bit rate	비고
PMW-ex3	VHD	1440x1080	8 bit	4 : 2 ; 0	25 Mb/s
	HD	1920x1080			35 Mb/s
PMW-200, PMW-300	FHD	1920x1080	8 bit	4 : 2 ; 2	50 Mb/s
FDR-AX100	FHD	1920x1080	8 bit	4 ; 2 ; 0	50 Mb/s
	UHD	3840x1080			60 Mb/s
FDR-AX1	FHD	1920x1080	8 bit	4 : 2 ; 0	50 Mb/s
	UHD	3840x1080			150 Mb/s
PXW-Z100	FHD	1920x1080	10 bit	4 : 2 ; 2	223 Mb/s
	UHD	4096x2160			600 Mb/s
DMC-GH4	HD	1920x1080	10 bit	4 : 2 : 2	200 Mb/s
	UHD	4096x2160			500 Mb/s

 

이 이미지센서는 초당 최대 60프레임의 내부 이미지 캡쳐(image capture) 속도로 순차주사를 스캔하는 표준 1920(H) x 1080(V)의 고화질 4 : 4 : 4인 R, G ,B 비디오 컴포넌트 출력를 제작하기 위해 설계된다.

SMPTE 274M HDTV 제작표준에 따라 R, G, B 각 비디오 컴포넌트의 재현하기 위한 1920(H) x 1080(V)로 한다. CMOS 이미지센서의 장점은 판독 시에도 개별 픽셀에 접근할 수 있다는 점이다.

새로운 이미지센서의 중요한 장점은 동일한 대역폭의 R, G, B 각각을 프로그레시브로 판독되어, 각각의 디지털 샘플이 1920(H) x 1080(V)의 R : G : B = 4 : 4 : 4 샘플로 하여 만들어낸다.

Green은 두 개의 별도 1920 X 1080 신호를 만들어 PRE-PROCESSING 해 전송되고, 최종적으로 Y, r-y, b-y가 디지털신호의 샘플링으로 사용 된다.베이어(bayer)방식은 프리즘에 의한 R, G, B의 색분해에 의한 3CCD구조와 달리 하나의 CCD, CMOS 이미지센서를 사용하여 R,G,B의 정보를 얻을 수 있도록 고안된 것이다.

                                      <그림 1-1> 베이어(Bayer) 방식의 색분해

 

베이어(bayer) 방식은 위의 그림처럼 이미지센서에서 각각의 픽셀에 R,G,B 필터를 부착하여 색 정보를 얻어낸다. 이런 베이어 방식이 매우 발달하여 요즈음 캠코더나 스틸 카메라의 대부분에서 활용되고 있다.

그림처럼 한 줄은 R과 G의 연속이고, 다음 줄은 G와 B의 연속이다. 각각의 픽섹(pixel)들은 R,G,B 중 하나의 색상만을 기록할 수 있도록 된다. 그런데 2 줄을 분석해 보면 R과 B는 하나씩이지만 G를 보면 2배가 된다. 

이유는 색상 영역에서 G가 가장 넓게 분포되어 있기 때문에 2배로 얻어낸다. 다시 말해  G색상이 3판식 센서 사용에서와 같이 가장 충실하게 얻어 컬러의 휘도신호의 중심이 되도록한다.

아래와 같은 베이어 배열에서 얻어진 데이터를 RAW 파일이라 부르고 있는데, 이 RAW 파일은 우리가 알고 있는 영상으로 변환하기 위한 처리단계로 꼭 필요하다. 

마치 과거 필름에 담겨진 영상을 현상하는 것과 같은 이치로 처리 한다.영상 처리공정에서 우리가 알고 있는 그래픽 파일의 포맷으로 변환하기 위하여 기본적으로 다음과 같은 처리과정을 거치고 있다.

White Balance, Color Interpolation(컬러보간법:CI), Gamma 변환 Color correction 등등으로 처리가 되어야 비로소 디스플레이 가능한 8, 또는 12 bit의 R, G, B 데이터가 얻어진다.

이들 처리 중에서 컬러보간법인 CI를 거치면 모든 픽셀이 R, G, B 값을 갖도록 된다. CI처리의 개념은 생각보다 간단하다. 주변의 색으로 부터 해당 픽셀이 가지고 있지 않은 색의 값을 유추해 낸다.

8비트(bit)를 예를 들면 1 2 3 ★ 5 6 7에서 ★에 해당하는 값을 우리가 4라고 유추할 수 있는 방법과 같다.

                              <그림> COMS 이미지 센서의 컴포넌트 신호 출력과정

 

좀 이론적으로 어렵지만 3각 프리즘을 통해 피사체의 영상을 R,G,B 또는 Y,R-y,B-y 3개의 영상으로 나누어 처리하는 방식과 베어 방식이 있다는 정도 이해하면 될 것이다.

 

2, 영상화면이 해상도 관계