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연재 센서 기초 강좌(11)<이미지 센싱 (이미지 센서와 응용)>

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작성자 댓글 0건 조회 3,768회 작성일 20-12-24 13:21

본문

그림 1. 이미지 센서의 원리 


서론

대표적인 이미지 센서로 2차원 촬상 소자를 이용한 카메라가 있다. 1차원 센서를 주사하여 2차원 이미지를 생성할 수도 있으며 TOF 카메라 등으로 거리 데이터를 추가한 3차원 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 이미지를 선명하게 만들거나 대상물의 계측이나 인식, 이해 등을 위하여 이미지 처리 기술도 많이 이용되고 있다.

 

이미지 센서의 원리

이미지 센서는 물체를 2차원 평면 이미지로 보는 것이며, 대표적인 것으로 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라 및 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 등이 있다.

이들은 렌즈를 통해 CCD 등의 촬상 소자면에 대상물을 투영한다. 촬상 소자면에는 포토다이오드 등의 광전 변환 소자가 XY 평면 상에 배열되어 있으며 그 하나 하나가 화소가 된다. 화소별로 촬영된 상의 명암에 맞는 전하량으로 변환(광전 변환)된다. 그 후 축적된 전하량을 순차적으로 읽어내고 구성함으로써 이미지를 추출한다. 이렇게 카메라는 대상물을 표본화, 양자화하여 디지털 이미지로 출력하게 된다.


컬러 이미지를 얻기 위해서는 컬러 필터를 통해 빛을 RGB(빨강, 녹색, 파랑) 또는 CMY(시안, 마젠타, 노랑)로 색 분해한 후 촬상 소자에 투영한다. 각 색깔을 3개의 촬상 소자에서 받는 경우와 색깔 필터의 배열 패턴을 작성하여 1개의 소자로 받는 경우가 있다. 3CCD 등이라 불리는 것이 전자이며 고급 제품이다. 일반 제품은 후자로, 색 해상도는 화수 수의 수분의 1로 떨어져 버리게 되는데, 신호 처리 엔진으로 보간 처리를 하여 컬러 이미지를 작성한다.


이미지의 해상도 한계는 촬상 소자의 화소 수에 달려있다. 화소 수가 많을수록 부드러운 이미지를 얻을 수 있다. 반면에 수광 면적이 작아져서 감도가 저하된다. 최근에는 고감도의 소자 개발이 진행되고 있으며 광학적으로 감도 향상을 위한 마이크로 렌즈 어레이를 각 화소에 배치하여 집광률을 향상시키는 방법도 있다.

<그림 1>은 이러한 흐름을 나타낸 것이다.


또한 동영상은 일정한 주기로 이러한 처리를 할 수 있게 된다. 그리고 터널 출구 등과 같이 명암 차이가 큰 경우에 밝은 부분이 허레이션(halation)되거나 어두운 부분이 뭉개져서 보이지 않는 경우가 있다. 이것은 소자의 동적 범위(명암비)가 한정되어 있기 때문이다. 동적 범위를 넓히기 위해서는 감마 보정이 효과적이다. 또한 더 좋은 이미지를 얻으려면 HDR(High Dynamic Range) 카메라를 사용하면 된다. 다양한 방식이 있지만, 노출을 바꾸어 촬영하고 합성하는 경우가 많이 있다. 

촬상 소자는 위와 같이 2차원으로 배열되어 있는 것이 일반적이지만, 1차원으로 배열된 라인 센서도 스캐너 등에서 이용된다. 이 경우 대상물이 이동하거나 센서가 이동하면서 촬영을 하고 2차원의 이미지를 합성하게 된다.


(1) 촬상 소자 크기

촬상 소자 크기는 화소 수와 화소 크기에 달려있다. 용도에 따라 감도, 해상도, 크기, 가격 등의 가장 중요한 항목이 있기 때문에 일괄적으로는 결정할 수 없지만 어두운 곳을 촬영하는 등 감도를 올리고 싶은 경우에는 고감도 소자나 큰 화소의 소자를 사용할 필요가 있다. 고해상도의 이미지를 얻으려는 경우에는 화소 수가 많은 것이 좋기 때문에 화소 사이즈를 작게 만들거나 큰 촬상 소자 사이즈의 카메라를 사용할 필요가 있다. 촬상 소자를 크게 만들면 그만큼 렌즈도 커지고 비싸진다. 요즘은 스마트폰에도 초소형의 고정밀도 카메라가 탑재되어 있다. 이것은 촬상 소자의 진화에 의해 고감도 소자를 얻을 수 있게 되었기 때문이다. <1>은 용도에 맞는 대표적인 촬상 소자의 크기를 정리한 것이다.


또한, 감시용 등에서 이미지 표시가 주요 목적인 경우에 표시 화면이 고해상도가 아니면 모처럼 고해상도로 촬영을 했어도 거친 이미지밖에 표시할 수 없게 되므로 균형이 필요하다.


(2) 렌즈: 초점 거리(f)와 밝기(F )

렌즈의 대표적인 사양으로 초점 거리 f’‘F 이 있다.

초점 거리 f와 촬상 소자 크기를 알면 촬영 화각 θ를 구할 수 있다.

 

θ = 2×atan(촬상 소자 크기/2)÷(초점 거리 f)...(1)

 

예를 들어 f50렌즈를 사용했을 경우, 1/3(4.8×3.6) 카메라의 수평 화각 θH는 약 5.5도가 되며 풀사이즈(36×24)40도가 된다. 이렇게 같은 초점 거리의 렌즈라도 소자 크기에 따라서 화각이 바뀐다.

F값은 렌즈의 조리개를 최대로 열었을 때의 밝기를 나타내며, <수식 2>를 통해 구할 수 있다.

 

F= 초점 거리 f ÷ 렌즈 구경 D ...(2)

 

예를 들어 f50에서 렌즈 구경 D25라면 F값은 2가 된다. F값이 작을수록 밝은 렌즈이며 높은 해상력을 얻을 수 있다. 반면에 초점에서 벗어났을 때의 보케는 커진다. 렌즈 해상도가 낮으면 아무리 고화소의 촬상 소자를 사용한다고 해도 고화질의 이미지를 촬영할 수 없다.

 

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표 1. 용도와 촬상 소자 사이즈의 예 


(3) 이미지 센서의 종류 

대표적인 이미지 센서로 앞서 설명한 카메라가 있으며 사람이 볼 수 있는 가시파장역(389~780nm)의 빛을 받아 이미지로 만든다. 의 열선을 받은 적외선 센서를 이용하면 열화상 센서가 되지만, 렌즈도 포함하여 가격이 비싸다. 900nm 부근의 근적외선 이미지 센서라면 유리 렌즈도 사용할 수 있으며 비교적 저렴하게 구성할 수 있다. 또한 X선이나 다른 파장대에서도 각각에 있었던 센서를 사용함으로써 다양한 이미지를 얻을 수 있다.


더 나아가 거리 이미지도 사용된다. 대표적인 거리 센서로 ‘TOF(Time Of Flight)’ 방식의 센서가 있으며 대상물까지의 빛의 이동 시간을 계측하여 거리를 구한다. 스테레오 카메라 등에서도 거리 이미지를 얻을 수 있다. 이들은 평면 (x, y)과 거리 (d)의 데이터를 얻을 수 있으므로 3차원 센서가 된다.

또한 마이크로 소프트에서 발매한 Kinect(키넥트)RGB 카메라, 거리 센서 등으로 구성되며 게임 플레이어의 위치, 움직임, 얼굴 등을 인식할 수 있다.

 

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표 2. 대표적인 디스플레이 규격
 



..(후략)




関口 眞吾 / (일사)차세대센서협의회

본 기사는 2020년 11월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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