산란광(플레어) 관련 문서 페이지
소개: 산란광 테스트 및 정규화된 산란광 소개 |Imatest 산란광 분석 결과 | 역사
배경: 산란광 사례 |근본 원인 |테스트 개요 |테스트 요소 | 테스트 고려 사항 | 용어집
계산: 측정 이미지 |정규화 방법 |광원 마스크 방법 | 요약 측정 항목 | 분석 채널 | 채도
지침: 고급 Imatest 분석 지침(Master 및 IT) | Imatest를 이용한 정규화된 산란광 계산 | 전동 짐벌 사용 지침
설정: 설정 목록 및 INI 키/값 | 표준 및 권장 사항 |구성 파일 입력
페이지 내용
이 페이지는 Imatest의 산란광 관련 문서의 첫 화면입니다. 산란광에 대한 소개와 작고 밝은 광원을 이용한 산란광 측정 방법을 설명합니다. 또한 "정규화된 산란광 측정 이미지" 개념도 소개합니다. 산란광의 한 형태인 베일링 글레어를 측정하는 차트 기반 방식에 대한 정보는 베일링 글레어 관련 문서를 참조하십시오.
Stray Light (Flare) 소개
산란광이란 무엇이며 어떻게 측정합니까?
산란광(stray light), 또는 플레어(flare)라고도 하는 이 빛은 설계된 광 경로를 통하지 않고 검출기(즉, 이미지 센서)에 도달하는 모든 빛을 말합니다(IEEE-P2020 사전 공개 표준 정의). 산란광은 체계적이고 장면에 따라 달라지는 광학적 노이즈로 생각할 수 있습니다. 산란광을 유발하는 메커니즘에 따라 장면 내에 허상(고스트/고스팅)을 생성하거나, 이미지의 특정 부분에서 대비를 감소시키거나(예: 베일링 글레어), 시스템의 동적 범위를 실질적으로 감소시킬 수 있습니다. 이러한 요소들은 다양한 시나리오에서 카메라 시스템의 응용 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다. [1]
카메라의 산란광은 카메라 시야각 안팎에 다양한 각도로 배치된 밝은 광원의 이미지를 촬영한 후, 이러한 촬영된 이미지를 처리하여 산란광 측정 이미지로 변환함으로써 측정할 수 있습니다. 이때 이미지의 각 픽셀은 산란광 값을 나타내도록 정규화됩니다. 광원 자체는 산란광으로 간주되지 않으므로 이미지에서 제외되거나 마스크 처리됩니다. 이렇게 생성된 산란광 측정 이미지로부터 다양한 정보와 요약 통계를 얻을 수 있습니다.
Imatest 버전 22.2에서는 사용자가 높은 수준의 설정 기능을 통해 정규화된 산란광 측정 이미지 및 기타 관련 출력물을 생성할 수 있는 산란광원 분석 기능이 도입되었습니다.
산란광을 테스트하는 방법
산란광을 측정하는 한 가지 방법은 어두운 방에서 작고 밝은 광원의 이미지를 촬영하는 것입니다. 측정 범위를 넓히기 위해 카메라를 회전시키거나 광원을 이동시켜 다양한 입사각에서 이미지를 촬영할 수 있습니다. Imatest를 사용하면 촬영된 이미지를 "정규화된 산란광 측정 이미지"로 처리하여 이미지 내 산란광의 크기를 객관적으로 측정할 수 있습니다.
최소한 산란광을 측정하려면 다음이 필요합니다.
어두운 (검은) 방
작고 밝은 광원 (빛의 크기와 초점은 카메라에 발생하는 산란광의 형태에 영향을 미칠 수 있습니다.)
테스트 대상 카메라를 회전시키는 방법 (또는 테스트 대상 카메라 주변에서 광원을 이동시키는 방법)
Imatest는 산란광 테스트에 도움이 되는 여러 가지 하드웨어 옵션을 제공합니다.
테스트 환경
산란광 테스트에 이상적인 환경은 진공 상태의 무한히 크고 무한히 어두운 방입니다.
실제 실험실 테스트에서는 어둡거나 검은색 표면으로 된 방을 사용하는 것이 좋습니다. 테스트에 필요한 전체 스펙트럼(또는 카메라의 대역폭)에 걸쳐 방의 표면이 반사 방지 처리가 되어 있어야 할 수 있습니다. 방이 어둡지 않은 경우, 암막 커튼을 사용하여 효과적으로 어둡게 할 수 있습니다. 암막 커튼은 설치물을 완전히 둘러싸는 것이 아니라, 커튼과 설치물(카메라 및 광원) 사이에 공간을 두어 불필요한 반사를 더욱 줄여야 합니다. 공간이 클수록 좋습니다. 필요에 따라 설치물 전체에 차광판을 추가하여 불필요한 반사와 주변광을 더욱 줄일 수 있습니다.
이상적으로, 산란광 테스트는 먼지가 없는 환경에서 수행되어야 합니다. 테스트 표면(카메라 또는 광원)에 먼지가 많거나 광선 내에 떠다니는 먼지가 있으면 원치 않는 반사를 유발하고 빛을 차단하여 측정에 영향을 미칠 수 있습니다. 공기 필터를 사용하면 더 깨끗한 환경을 조성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 공기 중 적정 습도는 떠다니는 먼지의 양을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
테스트에 대한 개괄적인 내용은 산란광 테스트 개요 페이지를 참조하십시오.
통제된 테스트를 위해서는 일반적으로 밝고 평행한 "점" 광원을 사용하는 것이 좋습니다. 그러나 카메라 장치의 전면이 상당히 크거나 카메라 적용 분야의 관심 대상이 "무한대"에 있지 않은 경우에는 발산광이 유용할 수 있습니다.
광원은 점광원이어야 하는데, 광원의 각도 크기가 이미지의 산란광 형태에 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 이미지에서 광원의 크기는 카메라의 순간적인 시야각(FOV)에 상대적입니다. 작은 "점광원"은 선명하고 고주파수의 산란광 아티팩트를 생성하는 반면, 큰 "확장된 광원"은 흐릿하고 저주파수의 산란광(베일링 글레어와 유사)을 생성합니다. 이는 점광원이 베일링 글레어를 유발할 수 없다는 의미가 아니라, 확장된 광원은 뚜렷한 고스트 현상을 유발할 가능성이 낮다는 것을 의미합니다. 확장된 광원에서 발생하는 산란광은 확장된 광원이 차지하는 영역에 걸쳐 점광원에서 발생하는 산란광이 합성된 것입니다. 이것이 바로 산란광 테스트에 대한 차트 기반 접근 방식이 베일링 글레어 측정에만 국한되는 근본적인 이유입니다 [1] .
광원에서 나오는 빛은 카메라 장치의 전면, 특히 광 경로에 영향을 줄 수 있는 모든 표면을 완전히 비춰야 합니다. 카메라 장치 전면만 비추는 더 작은 빔(집중 또는 평행광)을 사용하면 설정 또는 테스트 환경에서 발생할 수 있는 불필요한 반사를 줄이는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 보호 유리 패널로 덮인 여러 개의 카메라 모듈이 있는 휴대폰의 경우, 특정 카메라 모듈을 테스트할 때 유리 패널 전체에 빛이 충분히 비춰져야 합니다. 이는 유리 표면에서 산란광이 발생할 가능성이 있기 때문입니다.
정렬과 관련하여 카메라는 광선의 중심과 병진적으로 정렬되어야 하며, 광선은 카메라를 비추는 영역 전체에 걸쳐 공간적으로 균일해야 합니다. 시야각이 0에 해당하는 기준 위치(대개 축상)를 찾으려면 카메라를 회전시켜 광원의 직접상이 이미지의 "중심"(일반적으로 수치 중심)과 정렬되도록 하면 됩니다. 기준 이미지의 예는 정규화 보정 섹션을 참조하십시오.
카메라나 광원을 회전시킬 때 회전 중심은 카메라 앞면 또는 광 경로에 영향을 줄 수 있는 장치의 가장 앞쪽 표면이어야 합니다. 예를 들어, 카메라에 렌즈 후드가 있는 경우 렌즈 후드의 앞쪽 끝이 회전 중심에 오도록 카메라를 배치해야 합니다. 이렇게 하는 첫 번째 이유는 투사되는 빛의 면적을 최소화하기 위해서입니다. (앞면이 아닌 다른 지점을 중심으로 회전시키면 지렛대 효과가 발생하여 모든 각도에서 장치를 균일하게 채우려면 더 큰 광선이 필요하게 됩니다.) 두 번째 이유는 카메라 앞면이 산란광 경로의 시작점이 될 수 있기 때문입니다.
산란광 테스트에서 테스트 범위는 매우 중요한 요소이며, 측정 범위(범위)와 샘플링 간격(차이)을 모두 포함합니다. 산란광은 측정 가능한 요소가 매우 다양하기 때문에 다차원적인 문제입니다. 이미지에서 나타나는 다양한 산란광 현상을 정확하게 파악하기 위해서는 충분한 테스트 범위가 필수적입니다.
테스트 범위 원칙은 이미지 중앙 부분만 사용하여 선명도(MTF/SFR)를 측정할 수 있지만, 이 단일 측정값이 이미지의 다른 위치(예: 이미지 모서리)에서의 성능을 대표하지 못할 수 있는 방식과 유사합니다. 마찬가지로, 가장 기본적인 형태의 산란광 테스트는 광원의 단일 이미지를 분석하는 것으로 시작될 수 있습니다. 그러나 산란광은 장면에 따라 달라지므로 카메라에 대해 다양한 각도로 광원을 배치하여 테스트해야 합니다. 여기에는 광원이 카메라의 시야각(FOV) 밖에 위치한 이미지도 포함될 수 있습니다.
카메라에 대한 광원의 위치 또는 각도는 시야각과 방위각이라는 두 가지 속성으로 정의할 수 있습니다. 산란광 "포착 계획"은 이 두 가지 속성을 가진 일련의 위치로 정의할 수 있습니다. Imatest 산란광 분석의 경우, 각 입력 이미지에 대한 광원 방위각과 시야각을 구성 파일을 통해 정의하고 분석에 참조할 수 있습니다.
간단한 산란광 포착 계획의 예로는 광원의 단일 축 스캔이 있습니다. 이 스캔에서는 카메라를 회전시키거나 광원을 이동시켜 광원이 카메라의 전체 시야각(FOV)을 가로지르는 호(예: 180도 호)를 덮도록 합니다. 포괄적인 테스트를 위해서는 카메라의 FOV에 따라 모든 산란광 경로를 파악하기 위해 1도 이하의 미세한 시야각 증가가 필요할 수 있습니다. 또한 먼지, 렌즈 표면 결함 또는 카메라의 광학-기계 설계의 비대칭성으로 인해 발생하는 특정 산란광 경로는 비대칭적인 산란광 성능을 초래할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
종합적인 테스트에는 광원의 다축 스캔이 포함될 수 있으며, 이 경우 카메라를 회전시켜 여러 방위각에서 여러 번 스캔을 수행합니다. 예를 들어, 유효한 캡처 계획은 0도에서 90도까지 0.1도 간격으로 시야각을 변화시키면서 수평, 수직 및 대각선에 해당하는 방위각에서 테스트하는 것입니다. 여기서 대각선 각도는 이미지 모서리와 교차합니다.
정규화된 산란광 측정의 기본 전제는 입력 데이터가 선형적이라는 것입니다. 특정 영상 신호 처리(ISP), 특히 선형성에 영향을 미치는 처리(예: 감마 보정)는 영상의 상대적인 산란광 응답에 영향을 주어 측정값에 영향을 미칠 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 카메라의 ISP가 인지되는 산란광에 어떤 영향을 미치는지 파악하는 것은 유용할 수 있으므로 처리된 영상도 분석할 수 있습니다.
Imatest의 산란광 분석은 흑백 또는 3채널(예: RGB) 이미지 데이터가 포함된 입력 이미지 파일을 지원합니다. Read Raw 설정을 사용하면 형식이 지정되지 않은 RAW 이미지도 지원됩니다. 지원되는 파일 형식 및 획득 장치에 대한 자세한 내용은 이미지 파일 형식 및 획득 장치를 참조하십시오.
정규화된 산란광 측정 이미지
Imatest 산란광 분석의 주요 출력물은 산란광 측정 이미지입니다. 산란광 측정 이미지는 FITS 파일과 색상 매핑된 플롯(이미지 파일 및/또는 비디오 파일로 저장)으로 출력될 수 있습니다.
정규화된 산란광 배경
Imatest에서 분석을 위해서는 입력으로 완전히 어두운 방에 있는 작고 밝은 광원(예: 점 광원)의 선형 이미지를 사용해야 합니다. 이 테스트의 핵심 가정은 이러한 이미지의 모든 응답이 광원의 직접 이미지에서 발생하는 응답을 제외한 산란광이라는 것입니다. 광원의 직접 이미지는 이미지에서 광원의 실제 크기를 나타내는 작은 영역입니다(즉, 이미지에 산란광이나 블루밍이 없는 경우) [1] . 광원의 직접 이미지는 산란광이 아니므로 분석 중에 마스킹(무시)됩니다.
Imatest를 사용하면 입력 이미지의 각 픽셀을 정규화하여 산란광 측정값을 나타낼 수 있으며, 정규화 방법에 따라 측정값이 결정됩니다. 간단히 말하면, 정규화된 산란광 계산은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
참고로, 이 방정식의 형태는 산란광 투과율 에 해당하며, 역수는 산란광 감쇠율 에 해당합니다.
Imatest에서 지원하는 주요 정규화 방법은 광원의 직접 이미지 내의 이미지 레벨(평균 디지털 값(DN) 또는 픽셀 값)을 기준으로 정규화하는 것입니다. 이 방법을 사용하면 측정 이미지의 값은 광원에서 직접 나오는 산란광의 레벨/응답에 대한 이미지 내 산란광의 레벨/응답을 나타냅니다. 점 광원을 사용하는 경우 이 정규화 방법은 점 광원 제거율(PSRR) 지표 [2] 에 해당합니다. 확장 광원을 사용하는 경우 확장 광원 제거율(ESRR) 지표 [2] 가 됩니다. 예를 들어 태양은 다른 멀리 있는 별들과 달리 약 0.53도의 각 직경을 가진 "무한대"의 확장 광원입니다. 광원의 각 크기는 이미지에 나타나는 산란광의 형태를 결정할 수 있으며, 이는 작고 밝은 광원을 사용하여 이러한 유형의 테스트를 수행하는 근본적인 이유 중 하나입니다.
정규화 보정
테스트의 또 다른 핵심 가정은 테스트 이미지 데이터를 정규화하는 데 사용되는 레벨(즉, 정규화 계수)이 포화 미만이라는 것입니다. 포화, 즉 테스트 대상 카메라의 동적 범위는 본질적으로 테스트 자체의 동적 범위를 제한합니다. 포화 레벨로 정규화하면 포화 데이터의 레벨이 모호하기 때문에 상대적으로 의미 없는 결과를 제공합니다. 포화로 정규화하면 결과 메트릭 이미지의 값은 0에서 1 사이의 값을 가지며, 여기서 1은 포화 레벨에 해당합니다. 많은 카메라의 경우 이미지에 산란광을 유도하기 위해 광원의 직접 이미지가 포화 되어야 할 수 있습니다. 이 경우 광원의 직접 이미지가 포화되지 않도록 광 레벨이 감쇠된 별도의 노출이 잘 된 참조 이미지의 정보를 사용할 수 있습니다. 카메라에서 사용할 수 있는 제어 기능에 따라 광원의 포화되지 않은 이미지를 생성한 다음 "테스트 이미지 등가"(보정된) 정규화 계수를 생성하는 데 사용할 수 있는 다양한 기술이 있습니다. 예를 들어 [1] 과 같습니다.
- 노출 시간을 조정하세요
- 시스템 게인을 조정하세요
- 광원 레벨을 조정하세요 예를 들어, ND 필터 및/또는
광원 출력의 직접 제어
이러한 기법들은 개별적으로 사용하거나 조합하여 보정 계수를 형성할 수 있습니다. 이는 기본 정규화 계수에 대한 승수 역할을 할 것입니다. 보정된 정규화 계수를 계산하기 위해 (이는 최종적으로 테스트 이미지 데이터를 정규화하는 데 사용됩니다.) 이 경우 기본 정규화 계수는 다음과 같습니다. 는 참조 이미지에서 소스의 직접 이미지의 이미지 레벨(디지털 번호 또는 픽셀 값)입니다 [1] . 전체 프로세스는 몇 가지 간단한 방정식으로 설명할 수 있습니다.
어디
그리고
이러한 기술은 카메라 데이터가 선형이거나 선형화 가능하며 상호성 법칙이 성립한다고 가정합니다 [1] . 다음 섹션에서는 보정 계수를 사용하여 정규화된 산란광 계산의 예를 제공합니다.
정규화된 산란광 측정 이미지 데이터 해석
선형화된 16비트 이미지 데이터를 출력하는 카메라에 대한 다음 테스트 절차 예시를 고려해 보십시오.
- 테스트 이미지의 경우, 광원의 레벨과 카메라의 노출 시간을 100ms로 설정하여 이미지에 상당한 산란광 아티팩트가 나타나도록 했습니다. 그러나 이러한 이미지에서 광원의 직접 이미지는 포화된 상태로 나타납니다.
- 참조 이미지를 얻기 위해 카메라의 최소 노출 시간을 1ms로 설정하고 광원 앞에 밀도 2.5(투과율 = 10^(-2.5) = 0.316%)의 ND 필터를 배치하여 광원의 직접 이미지가 이미지에서 포화되지 않도록 빛을 감쇠시켰습니다.
- 우리는 기준 이미지에서 광원의 직접 이미지 내의 (평균) 레벨을 측정합니다. 측정된 평균 포화되지 않은 레벨(픽셀 값)은 31941.617입니다. 이것이 기본 정규화 계수입니다. 우리는 이를 사용하여 테스트 이미지 데이터를 정규화할 것입니다.
- 기본 정규화 계수를 보정하여 "테스트 이미지 등가" 정규화 계수를 계산합니다. 이 보정은 알려진 ND 필터 투과율과 노출 차이를 이용하여 테스트 이미지의 광량과 기준 이미지의 광량 비율을 구하는 방식으로 이루어집니다. 보정 계수는 다음과 같습니다. 보정된 정규화 계수는 다음과 같습니다. 이 정규화 계수는 DN(디지털 번호 또는 픽셀 값) 단위입니다. 따라서 포화 수준 이상의 이론적인 픽셀 값으로 정규화하는 것과 같습니다.
- 측정 이미지 계산의 한 단계로, 테스트 이미지에서 광원의 직접 이미지는 산란광이 아니므로 마스크 처리(무시, NaN으로 설정)합니다.
- 정규화된 산란광 측정 이미지를 계산합니다.
결과를 살펴보면, 산란광 측정 이미지의 값이 0에서 6.476E-5 사이임을 알 수 있습니다. 이는 이미지에서 산란광의 최대 응답이 광원의 직접 이미지 응답의 약 0.0006476%로 측정되었음을 의미합니다. 여기서 6.476E-5는 포화된 이미지 데이터에 해당합니다 (이 카메라의 이미지 데이터에서 포화 수준은 65408이며, 이를 6.476E-5로 나누면 포화도가 0이 됩니다). 6.476E-5라는 값을 얻습니다. 이 수준에서는 포화된 데이터를 측정할 수 없기 때문에 산란광이 의미를 잃습니다. 구체적으로 말하면, 포화된 산란광의 크기는 측정 가능한 값보다 클 가능성이 높습니다. 그러나 포화되지 않은 데이터(산란광 값이 6.476E-5 미만인 값)는 여전히 의미가 있습니다. 다시 말해, 이러한 정규화된 산란광 값은 직접 광원의 응답에 대한 산란광의 응답을 나타냅니다. 데이터가 실제로 선형이고 상호성 법칙이 성립한다면, 광원의 강도나 카메라 노출 시간을 다르게 하더라도 이러한 정규화된 값은 크게 변하지 않을 것이라고 추론할 수 있습니다. 하지만 노출 시간이나 광원의 강도가 다르면 측정 가능한 산란광의 크기가 달라질 수 있습니다(예: 카메라 노출 시간이 길수록 산란광 아티팩트가 더 희미하게 나타납니다).
허용 가능한 산란광 수준이 무엇인지에 대한 질문은 카메라의 용도에 따라 달라질 수 있습니다. 이는 "허용 가능한 MTF 측정값은 무엇인가"라는 질문과 유사한데, 이 또한 상대적으로 모호하며 시스템 용도에 따라 달라집니다. 그럼에도 불구하고, 카메라에 영향을 미치는 광원의 특성을 고려하여 허용 가능한 수준을 결정할 수 있습니다. 예를 들어 작고 밝은 광원인 태양을 생각해 보고, ADAS/자동차용 카메라에 대한 다음 예를 고려해 보겠습니다 [1] :
- 실제 적용 시, 카메라는 태양이 시야에 들어오고 카메라에 비치는 평균 조도가 E 인 상태에서 노출 시간 T 로 작동합니다.
- 이 테스트의 목적은 실제 응용 분야의 산란광 성능을 시뮬레이션하는 것이지만, 테스트에 사용된 광원의 밝기는 단지 그보다 낮은 수준으로 측정되었습니다. .
- 선형성과 상호성을 가정하면, 카메라의 노출 시간을 T x 10으로 테스트하여 애플리케이션의 산란광 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다.
생성된 테스트 이미지에서 산란광의 수준은 실제 응용 프로그램에서의 산란광 수준과 일치해야 합니다. 하지만 허용 가능한 수준을 결정하는 것은 여전히 사용자 몫입니다.
허용 가능한 산란광 수준은 카메라 시스템의 노출 알고리즘에 따라 달라질 수 있습니다. 특정 카메라의 경우, 주어진 장면에 맞춰 노출을 조정하기 위해 다양한 자동 노출 알고리즘이나 측광 기법이 사용될 수 있으며, 이는 서로 다른 수준의 포화도를 허용합니다. 예를 들어, 카메라의 노출 알고리즘이 이미지가 포화 상태에 도달하지 않도록 하는 경우, 허용 가능한 산란광 수준은 포화도와 블루밍 현상을 어느 정도 허용하는 경우보다 더 높을 수 있습니다 (이 경우 산란광이 더 많이 발생할 수 있습니다). 또한, 저조도 환경에서 작동하는 카메라는 산란광 수준을 낮추는 데 더 신경을 써야 합니다. 따라서 앞의 예시를 다시 살펴보면, 정규화된 산란광 값 6.476E-5는 일부 카메라와 상황에서는 문제가 될 수 있지만, 다른 경우에는 문제가 되지 않을 수 있습니다.
전반적으로, 산란광 측정 이미지는 객관적 및 주관적 분석 모두를 통해 분석해야 할 수 있습니다. 객관적 분석에는 측정된 산란광 수준을 확인하고 산란광 측정 이미지 데이터를 기반으로 통계를 도출하는 것(예: 광원 시야각에 따른 다양한 통계 그래프)이 포함될 수 있습니다. 주관적 분석에는 이미지 데이터를 시각적으로 검사하여 산란광 아티팩트의 색상, 모양 및 크기가 이미지 품질에 부정적인 영향을 미치는지, 또는 이러한 아티팩트가 카메라의 용도에 영향을 미칠 수 있는지 확인하는 것이 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 실제 문제가 되는 물체(예: 신호등)와 유사한 선명한 고스트 아티팩트가 있는지, 아니면 단순히 시청자에게 보기 싫거나 주의를 산만하게 하는 것인지 확인해야 합니다. 심각한 베일링 글레어가 있는지, 그리고 이것이 시스템의 명암비 또는 MTF에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 살펴봐야 합니다. 이미지의 산란광 아티팩트가 시스템 오류 시나리오로 이어질 가능성이 있는지 여부도 고려해야 합니다.
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