35mm CMOS 이미지 센서를 사용하는 시네카메라

 

이미지 센서의 대부분은 베이어(bayer) 배열의 컬러 필터를 기준으로 영상제작의카메라에서 대형단일 센서(Large format single sensor)가 등장하기 시작했다. 일반적으로 컬러카메라는 프리즘(Prizm)사용하여 R, G, B 컬러 신호의 빛을 만들고 3 CCD나 3 CMOS로 받아들여 전자화한 후 디지털화하여 색보정을 행해왔다. 

그런데 마치 Flim처럼 단일 이미지 센서의 카메라에서 사용되는 알고리즘이 크게 발전하면서 촬영 후 요구되는 이미지처리 및 색 보정을 할 수 있게 R, G, B 비디오 컴포넌트로 변화하는 과정이 지속적으로 향상되고 있다.

최초의 대형단일 센서 디지털 카메라는 특별히 개발된 디지털 카메라로 2003년 처음 등장했다. 그 후 10여 년 동안 카메라 제조사들이 다양한 디지털 카메라와 캠코더를 내놓게 되어 현재 4K카메라, 8K 카메라에 도전한다.

영화촬영 기사들에게 이러한 디지털시스템의 가장 큰 매력은 기존에 사용하던 35mm 영화용 렌즈를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 동시에 모든 렌즈 제조사에서 새로운 렌즈(특히 줌 렌즈)를 개발하고 있다. 특히 주목할 점은 영화분야까지 경쟁이 심화 되고, 디지털 카메라의 가격, 이미지성능, 조작기능 면에서 급속도로 발전 되고 있다는 점이다.

이런 대형단일 센서 카메라에는 CCD와 CMOS 이미지센서 모두 사용된다. 대부분의 대형단일 이미지센서 카메라에는 일반적인 베이어 패턴에 따른 컬러필터배열(CFA)이 적용되지만, RGB 스트라이프 필터 방식을 채용하는 방식도 있다.

새로운 CMOS 이미지 센서를 설계할 때 가장 먼저 결정한 사항은 이미지 사이즈를 이미 잘 알려진, 표준화된 35mm 영화 형식의 이미지 크기에 따르자는 것은 이는 전 세계적으로 많이 남아있는 관련 영화용 렌즈들을 사용할 수 있는 가능성을 염두에 둔 결정이었다.

CCD나 CMOS는 이미지센서의 특징은 영화 필름과는 상당히 다를 수 있다. 전자 잡음(electronic noise)을 영화에서는 그레인(grain)이라 했고, 비디오의 다이내믹 레인지(dynamic range)란 용어는 영화에서 노출관용도(exposure latitude)라는 말과 같다. 비디오의 콘트라스트(contrast)는 영화에서 톤재현(ton reproduction)으로 이미지 샤프니스(picture sharpness) 대신 해상도(resolution)라 한다.

CMOS 센서배열 자체는 영상 이미지의 휘도에 민감하다.
첫 번째는 충분한 포화전하량을 축적할 수 있는 포토다이오드를 설계하는 것이었고, 두 번째는 축적된 전하를 고속으로 전송해, 출력 전압으로 판독하는 능력이다. 이는 이미지 센서의 포토수가 많고, 60프레임의 순차방식으로 판독할 필요가 있는 경우 문제가 있다. 이를 극복한 새로운 이미지 센서의 개발이 관건이다.

                             

                                                         <그림> 2K 카메라  CFA에 의한 R,G,B신호 생성

                                         * CFA : Color Filter Array

이 이미지 센서는 초당 최대 60프레임의 내부 이미지 캡쳐(image capture) 속도로 순차주사를 스캔하는 표준 1920 (H) x 1080 (V)의 고화질 4:4:4 RGB 비디오 컴포넌트 출력 세트를 제작하기 위해 설계된다.

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

새로운 이미지 센서의 중요한 장점은 동일한 대역폭의 RGB, 즉 각각 프로그레시브로 판독되어, 각각의 디지털 샘플이 1920(H) x 1080(V)의 R, G, B = 4 : 4 : 4로 하여 만들어낸다. Green은 두 개의 별도 1920 X 1080 신호를 만들어 PRE-PROCESSING하여 전송되고 최종적으로 Y, r-y(Cr), b-y(Cb)가 디지털신호의 샘플링으로 사용된다.   

  <그림> COMS 이미지 센서의 컴포넌트 신호 출력과정

 

  그렇다면 왜 CMOS 이미지 센서에서 R, G, B 중 Green 색상을 2배 더 많이 사용할까? 그 이유는 우리가 생활하고 있는 햇빛을 프리즘(Prism)을 통해 분석해 보면 Green 색상이 차지하는 비중이 Red, Blue 색상을 합한 량보다도 많다.

  영상의 밝기를 나타내는 휘도신호 Y = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B의 식으로 나타내는데 이를 자세히 보면 Red가 21%. Green이 72%, Blue가 7%로 구성돼 있음을 알 수 있다. 그래서 늘 영상에서는 Green색상을 기준신호로 사용하고 있다. 일예로 색상을 보정하려면 밝기의 기준을 Green으로 정하고 Red와 Blue 색상을 조정하여 원하는 색상이 되도록 조정한다.