ISO 감도 및 노출 지수

소개

ISO 감도 (또는 ISO 속도)는 이미지 센서 및/또는 카메라가 빛에 얼마나 강하게 반응하는지를 나타내는 척도입니다. 감도가 높을수록 좋은 품질의 이미지를 촬영하는 데 필요한 빛의 양(조리개 크기를 줄이거나 노출 시간을 단축)이 줄어듭니다. 하지만 감도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있으며, 그 값들이 일관적이지는 않습니다. Imatest는 포화 기반 ISO 감도와 표준 출력 감도, 이렇게 두 가지 감도를 계산합니다.

노출 지수(EI) 는 하나 이상의 감도 측정값을 기반으로 도출되는 카메라 설정입니다. 이는 빛의 양 측정에 따른 카메라의 노출을 결정하는 데 사용됩니다. 노출 지수와 감도는 밀접한 관련이 있으며 때때로 혼용되지만, 명확하게 구분해야 합니다. 예를 들어, "노출 지수가 100으로 설정되었을 때 카메라의 포화 기반 ISO 감도는 80입니다."라고 말할 수 있습니다.

노출지수 증가

디지털화(A-to-D 변환) 전에 이미지 센서 출력의 (아날로그) 게인을 증가시켜 카메라가 더 적은 빛에서도 작동할 수 있도록 합니다.
노이즈가 증가하여 전반적인 이미지 품질이 저하됩니다.
이로 인해 시스템이 낮은 조도에서 포화 상태에 도달하게 되지만 ( 센서가 포화되는 조도 자체는 변하지 않음), 감도 측정값이 모두 증가합니다. 측정값은 카메라가 최소 EI로 설정되었을 때 센서의 실제 성능을 가장 잘 나타냅니다(단, 센서 자체가 포화되기 전에 시스템이 최대 픽셀 레벨에 도달하는 경우에는 완벽하게 대표성을 갖지 못할 수 있습니다).

다음 표는 Imatest에서 지원하는 두 가지 민감도 측정값을 요약한 것입니다.

포화 기반 및 표준 출력 감도
	포화 기반 감도 S _sat	표준 출력 감도 S _SOS
조치	센서 또는 시스템을 포화시키는 휘도 수준에 대한 감도입니다. S _sat 에서 파생된 EI를 사용하여 반사율이 18%인 영역에 대해 이미지를 노출시키면 141% 반사율에 해당하는 휘도에서 시스템이 포화됩니다(여유 공간 41%).	노출을 결정하는 데 사용되는 영역에 대한 표준 출력 레벨을 생성하는 감도입니다. 노출은 일반적으로 반사율 18%(0.18)의 회색 영역을 기준으로 합니다. 표준 출력 레벨은 정규화된 픽셀 레벨 = 0.18 ^{인코딩 감마} , 즉 인코딩 감마 = 1/2.2일 때 픽셀 레벨 = 116(최대 255 중)입니다.
영향을 받음	센서 포화 수준 및 아날로그 게인은 A/D 변환 전에 조절됩니다(카메라의 EI 설정에 따라 결정됨). 톤 응답 곡선(TRC) 의 영향을 받지 않습니다.	모든 신호 처리 요소, 특히 RAW 변환 중에 센서 포화 가능성을 줄이기 위해 적용되는 TRC의 "숄더" 부분. TRC 숄더는 S _SOS를 증가시키는 경향이 있습니다.
측정 정확도	오차 범위는 약 ±10%입니다. 감마 인코딩을 올바르게 하면 (어깨 부분이 없는) 최상의 결과를 얻을 수 있으며, 이는 dcraw를 사용하여 RAW 이미지를 디코딩함으로써 얻을 수 있습니다. TRC에 "어깨 부분"이 있는 경우 오차가 줄어들 수 있습니다. 노출 부족 시 화질이 저하되고, 약간 또는 중간 정도의 과다 노출(가장 밝은 부분이 포화 상태에 가깝거나 포화된 상태) 시 화질이 개선됩니다.	오차 범위는 약 ±10%입니다. S _SOS는 신호 처리(TRC 등) 효과를 포함하고 있으므로 측정 정확도는 TRC의 영향을 받지 않습니다. 하지만 이미지의 각 부분을 다르게 처리하는 "적응형" 처리 방식에서는 정확도가 저하될 수 있습니다.
기원	ISO-12232 표준 원본(1997)	CIPA DC-004 (2004)

입사광(조도) 측정 (2025년 12월 2일 수정)

반사형 차트: 입사광(조도) 측정(단위: 럭스, I )은 비교적 간단합니다. 평면 확산판이 있는 입사 조도계를 차트 바로 앞에 놓고 카메라 방향(차트와 평행하게)으로 향하게 하여 빛을 가리지 않도록 합니다. 측정된 럭스 값을 그대로 사용합니다.

투과율 차트: 이는 그리 간단하지 않습니다. 입사 조도(럭스) 측정은 적절하지 않습니다. 이 용도에서는 다음 두 가지 중 하나의 휘도를 측정해야 합니다.

차트 회색조의 흰색 패치는 투과율 ρ = 10 ^{(-패치 밀도)} 을 가지며, 여기서 패치 밀도는 차트 참조 파일에 지정되어 있습니다.
라이트박스의 확산 표면은 램버트 광원(즉, 휘도가 각도에 무관한 광원)에 가까워야 합니다.

(거의) 램버트형 광상자에서 밀도 ρ 를 갖는 패치의 등가 조도( I )를 측정하려면 다음 방정식을 사용합니다.

L = ρI/π 또는 I = πL/ρ ,

여기서 L 은 패치에서 측정된 휘도입니다. 라이트박스 휘도에서 직접 I를 얻으려면(즉, 차트 없이) 방정식에서 ρ를 제거합니다( ρ = 1 ).

밀도 참조 파일이 있는 투과형 차트의 휘도를 측정할 때(노출 지수 이외의 계산용), 측정된 참조 파일 밀도에는 기본 밀도가 포함되어 있다는 점에 유의하십시오. 차트 없이 라이트박스의 휘도를 측정하는 경우, 다음 공식을 적용하십시오.

패치 밝기 = 라이트박스 밝기 * 10 ^{(–패치 밀도)}

유용한 공식: 노출계가 EV(노출값) 단위로 표시되는 경우: @ ISO 100
참고: ISO 100에서의 EV _는 광량값 ( LV )이라고도 합니다.

Imatest 모듈의 민감도

감도는 imatest Master의 5개 모듈(eSFR ISO, SFRplus, Color/Tone Interactive, Stepchart 및 Colorcheck)에서 계산됩니다.

입사광량(럭스)을 입력합니다(럭스 측정기는 테스트 랩 페이지에 설명되어 있습니다).
EXIF 데이터 는 이미지 파일에 포함되어 있거나 조리개(F-스톱 값)와 노출 시간(초)을 수동으로 입력할 수 있습니다. 프레드 하비의 EXIFtool 사용을 적극 권장합니다. 이 도구가 없으면 JPEG 파일의 EXIF 데이터만 디코딩할 수 있습니다.

일반적으로 입사 조도(lux)는 입력 대화 상자에 입력되며, 감도는 출력 그래프 중 하나와 CSV 출력 파일(작성되는 경우)에 표시됩니다. 세부 사항은 모듈에 따라 약간씩 다릅니다.

단계 차트

단계 차트 입력 대화 상자의 일부 입사광량(럭스)은 스텝차트 입력 대화 상자의 왼쪽 하단에 있는 입력란에 입력합니다. 입력란이 비어 있거나 0인 경우 감도가 계산되지 않습니다.

EXIF 데이터가 있는 경우 조리개 (F-스톱 값)와 노출 시간(초)이 입사 조도 아래에 표시됩니다. 이 칸이 비어 있으면 감도 분석을 실행하려면 수동으로 입력해야 합니다.

결과( S _sat , S _SOS 및 입사 조도)는 스텝차트 노이즈 상세도 그림(모든 항목을 선택했을 때 두 번째 그림)의 오른쪽 상단에 표시됩니다.

컬러체크

색상 확인 입력 대화 상자 하단 중앙에 있는 상자에 입사광량(럭스)을 입력합니다. 입력란이 비어 있거나 0인 경우 감도가 계산되지 않습니다.
	결과( S _sat , S _SOS 및 입사 조도)는 Colorcheck 노이즈 상세 그림(모든 항목을 선택했을 때 두 번째 그림)의 왼쪽 상단에 있는 밀도 응답 플롯에 표시됩니다.

SFR플러스

입사광량(럭스)은 Rescharts SFRplus 설정 창에서 "설정 및 옵션"을 클릭하여 열리는 SFRplus 설정 및 옵션 창의 "설정 " 영역에 입력합니다. 해당 영역이 비어 있거나 0인 경우 감도가 계산되지 않습니다.

SFRplus 입력 대화 상자

EXIF 데이터가 있는 경우 조리개 (F-스톱 값)와 노출 시간(초)이 설정 창 하단의 선택적 매개변수 영역에 표시됩니다. 이 입력란이 비어 있으면 감도 분석을 실행하려면 수동으로 입력해야 합니다.

결과( S _sat , S _SOS 및 입사 조도)는 톤 응답 및 감마 표시의 밀도 응답 플롯 오른쪽 하단에 표시됩니다.

SFRplus 민감도 결과

색상/톤 인터랙티브 및 색상/톤 자동

색상 확인 입력 대화 상자의 일부 색상/톤 대화형 창 오른쪽의 표시 영역에 럭스 단위의 입사 조도를 입력합니다. 이때 표시 설정이 7. 흑백 밀도 로 되어 있어야 합니다. 해당 영역이 비어 있거나 0이면 감도가 계산되지 않습니다.

EXIF 데이터를 확인하거나 (EXIF 데이터가 없는 경우 조리개 및 노출 설정을 입력하려면) 설정 버튼을 클릭하십시오. 그러면 색상표 및 추가 설정 메뉴가 열립니다. 조리개와 노출을 표시하거나 입력하는 부분은 아래와 같습니다.

색상/톤 대화형 추가 설정 - 조리개 및 노출 입력

결과( S _sat , S _SOS 및 입사 조도) 는 흑백 밀도 플롯의 오른쪽 하단에 표시됩니다. '데이터 저장'을 누르면 흑백 밀도 플롯이 표시된 경우에만 결과가 CSV 파일 [루트 이름]_multicharts.csv에 저장됩니다.

방정식

일반적인 배경

Imatest 에서 계산하는 두 가지 주요 감도 측정값은 모두 동일한 방정식에서 도출됩니다.

(1)

H 는 노출을 결정하는 데 사용되는 대상(테스트 차트 패치, 일반적으로 반사율 18% 영역)에 대한 이미지 센서의 노출 시간(럭스-초)입니다. I _sensor는 센서의 조도(럭스)입니다. t 는 노출 시간(초)입니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

H 에 해당하는 물체 평면의 조도(즉, 테스트 차트의 럭스)와 출력 신호(즉, 픽셀 레벨)를 지정하는 방법은 무엇입니까?
H를 선택하는 기준.

테스트 차트 휘도와 센서 조도 사이의 관계는 Jacobson, Ward, Ray, Attridge 및 Axford의 사진 매뉴얼 (Focal Press, 5장, 방정식(5), 65페이지)에 있는 방정식에서 도출할 수 있습니다.

(2)

어디

I 는 이미지(센서) 평면에서의 조도를 럭스(lux) 단위로 나타낸 것입니다.
T 는 렌즈 투과율이며, 일반적으로 0.9로 가정합니다.
L _obj 는 물체면(테스트 차트)에서의 휘도(칸델라/제곱미터)입니다.
N 은 조리개 값(f-stop)입니다.

감도 기준에는 T 외에도 렌즈를 통과하는 빛의 양을 줄이는 두 가지 요소가 포함되어 있습니다. 하나는 비네팅 계수 v 로, 0.98로 가정하며, 다른 하나는 cos ⁴ ( T )입니다. 여기서 T 는 10도로 가정합니다. cos ⁴ (10도) = cos ⁴ ( π /18 라디안) = 0.9406입니다. 이 값은 일반적인 Imatest 테스트 조건에서는 다소 높은 값입니다. T = 6도를 사용하면 cos ⁴ ( T ) = 0.9783이 됩니다. 이러한 추가 요소를 고려하면,

(3)

I를 방정식 (1)에 다시 대입하면 다음과 같습니다.

(4)

참고로 T = 10도일 때 감도는 다음과 같습니다. 온세미 ISO 측정 문서에 따라 감도는 1/(광량 * 노출)의 단위를 갖습니다. 이는 노출이 광량 및 감도에 반비례한다는 점을 떠올리면 쉽게 이해할 수 있습니다. 즉, 광량이나 감도가 증가하면 노출은 감소합니다.

감도를 측정하는 Imatest 모듈은 알려진 밀도 d 또는 반사율 ρ 를 가진 패치로 구성된 회색조 단계 차트 이미지를 분석합니다. X-Rite Colorchecker 와 Color/Tone Interactive 에서 지원하는 주요 차트에는 이러한 패턴이 포함되어 있습니다. 참고로, 순백색 표면의 굴절률(ρ) 은 약 90%(0.9)이며, 이는 굴절률 (d) 이 약 0.05에 해당합니다. 차트 패치의 휘도는 다음과 같습니다.

여기서 I는 테스트 차트의 조도를 Lux 단위로 나타낸 것입니다. (5)

참고: Stroebel, Current, Compton, Zakia 공저, 『기본 사진 재료 및 프로세스』 제2판, 1장, 27쪽(각주), "미터법: 1미터캔들(1룩스)로 조명된 완벽하게 확산 반사하는 표면(100%)은 제곱미터당 1/ π 칸델라를 반사합니다."

럭스 단위의 조도는 저렴한 BK Precision 615 와 같은 입사광량계를 사용하여 쉽게 측정할 수 있습니다.

포화 기반 ISO 감도 S _sat

이 측정은 이미지가 반사율 18%( r = 0.18)의 표준 회색 카드를 사용하여 노출되었고, 센서가 141% 반사율(순백색의 90% 반사율보다 훨씬 높음)에서 포화(최대 출력 도달)되어 여유 공간을 확보한다고 가정합니다. 센서가 포화되는 영역(및 해당 휘도 Lsat 및 포화 반사율 rsat )은 가장 밝은 포화되지 않은 영역을 외삽하여 계산됩니다. (포화된 영역은 실제 정보가 없으므로 _직접 사용할 수 없습니다. 이러한 _경우 외삽된 포화 휘도는 첫 번째 포화된 영역의 휘도보다 클 수 없습니다.)

이 방정식은 L _obj가 센서를 포화시키는 값의 18/141이라고 가정하여 도출되었습니다. 여기서 r _sat 와 L _sat는 패치 픽셀 레벨을 외삽하여 포화점을 찾아냄으로써 결정됩니다. 즉, 테스트 차트에서 우리는 다음을 사용해야 합니다.

(6)

포화도 기반 ISO 감도는 신호 처리의 영향을 받지 않지만, 측정 정확도는 크게 영향을 받을 수 있습니다. 최상의 정확도를 위해서는 RAW 파일을 사용하는 것이 좋습니다.

표준 출력 감도 S _SOS ( CIPA DC-004 기준)

이 측정은 이미지가 반사율 18%( r = 0.18)의 표준 회색 카드를 사용하여 노출되었고, 이 영역의 정규화된 픽셀 레벨이 0.18^(1 / gamma) 라고 가정합니다. 여기서 gamma 는 색 공간에 해당하는 디스플레이 감마입니다.

sRGB 및 Adobe RGB와 같은 많은 표준 색 공간은 감마 = 2.2로 표시되도록 설계되었으므로 정규화된 픽셀 레벨은 0.4586입니다(8비트 픽셀의 경우 최대값이 255이므로 픽셀 레벨은 116입니다). (sRGB 감마가 정확히 2.2가 아니기 때문에 DC-004 에서는 0.461 또는 픽셀 레벨 118이 사용됩니다.) 패치 밀도 d ₄₆ = -log ₁₀ ( r ₄₆ ) 및 휘도 어디 이 픽셀 레벨에 해당하는 값은 패치 밀도의 함수로 로그된 픽셀 레벨에 2차 다항식을 적용하여 구합니다. 만약 L _obj 가 패치의 휘도라면,

(7)

SOS는 신호 처리에 크게 의존합니다. 톤 응답 곡선(TRC)에 "어깨" 부분이 있을 때 증가합니다. 어깨 부분은 하이라이트 "번아웃"(포화) 현상을 줄이기 위해 널리 사용됩니다. 감마 = 1/2.2 직선 곡선으로 인코딩된 파일(dcraw로 RAW 파일을 디코딩할 때 얻는 결과)의 경우, 즉, 이미지는 100% 반사율에서 포화된다고 가정합니다(여유 공간 없음). 어깨 부분이 존재할 경우, S _SOS 는 일반적으로 S _sat 보다 큽니다.

헤드룸 Hdr

헤드룸은 100% 반사 패치에 대한 노출과 시스템 포화 사이의 여유 노출량을 의미합니다. 노출 지수(EI)가 포화 기반 ISO 감도( S _sat) 로 설정된 경우, 헤드룸은 항상 Hdr _sat = 41.4% 또는 1/2 f-스톱(또는 EV 또는 존)입니다.

표준 출력 감도( S _SOS) 와 그에 상응하는 헤드룸 (Hdr _SOS) 은 모두 응답 곡선의 중요한 함수입니다. 응답 곡선의 "숄더"(포화 부근의 곡률)를 증가시키면 S _SOS 와 Hdr _SOS 모두 증가합니다. 공식은 비교적 간단합니다.

(f-스톱 또는 EV 또는 구역) (8)

RAW 파일 사용하기

RAW 파일을 dcraw를 사용하여 다음 설정으로 변환하면 채도 기반 ISO 감도 측정값이 더 정확하고 신뢰할 수 있습니다.

dcraw 입력 대화 상자, 감도에 대한 권장 설정 표시 — dcraw 입력 대화 상자(RAW 파일을 열 때 나타남)
ISO 감도 측정에 권장되는 설정값을 보여줍니다.

자동 화이트 레벨 기능은 선택 해제되어 있어야 합니다 .
데모자이킹은 '일반 RAW 변환' 으로 설정해야 합니다. (Bayer RAW 파일에서 안정적인 결과를 얻을 수 있는 최적의 설정 조합을 아직 찾지 못했습니다.)
출력 색 공간은 일반적으로 sRGB 로 설정됩니다.
출력 감마는 sRGB 또는 2.2 로 설정해야 합니다.

Q-14 및 컬러체크 이미지,
잘라내고 줄인

포화점 결정은 가장 밝은 부분 중 포화된 부분이 있는지 여부에 따라 외삽법 또는 내삽법을 사용하여 이루어집니다. dcraw로 변환된 RAW 파일은 감마 곡선이 직선(로그 스케일에서 직선, 즉 "어깨" 부분이 없음)이므로 포화점을 매우 정확하게 결정할 수 있습니다.

아래 출력 결과는 스텝차트 실행 결과입니다.
이미지의 전체 크기 버전에서
오른쪽에 잘리고 축소된 이미지가 표시됩니다.

dcraw로 변환한 RAW(CR2) 파일의 결과입니다. 왼쪽 상단의 직선 형태의 톤 응답(기울기 = 감마)에 주목하십시오. 예상대로 S _SOS 는 대략 0.71 * S _sat 이지만, 약간의 실험 오차가 있을 수 있습니다.

단계차트 결과: dcraw — **RAW(CR2) 파일에서 밀도 응답 및 감도를 나타내는 단계 차트**
**dcraw로 변환했습니다.**

아래 결과는 동일한 노출에서 RAW 이미지 대신 JPEG 이미지를 사용했을 때의 톤 응답 곡선을 보여줍니다. 곡선 오른쪽 밝은 영역의 "어깨"(곡률) 때문에 포화 지점을 정확하게 추정하기는 어렵지만, 시각적으로는 나쁜 것이 아닙니다. 이 어깨 부분은 하이라이트 포화 가능성을 줄여주어 전반적으로 더 보기 좋은 이미지를 만들어냅니다. RAW 이미지에서 도출된 S _sat 값(위)이 더 신뢰할 만합니다. 표준 출력 감도 S _SOS = 110.8이 두 배 이상 증가했음을 알 수 있습니다. 헤드룸은 다음과 같습니다. 조리개 값.

단계도 결과: jpeg — **JPEG 이미지의 밀도 응답 및 감도를 나타내는 계단식 차트. 수평 스케일은 동일합니다.**

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