플레어광에 대한 동적 범위 측정의 안정성 확보

Introduction

카메라의 다이내믹 레인지(DR)는 적절한 콘트라스트와 우수한 신호 대 잡음비(SNR)로 재현할 수 있는 장면의 톤 범위를 나타냅니다. 카메라의 DR은 주로 렌즈 요소 사이의 반사로 인해 발생하는 이미지의 잡광인 플레어 현상에 의해 제한됩니다. 플레어 현상은 이미지를 흐릿하게 만들어 어두운 영역의 디테일을 떨어뜨려 DR을 저하시킵니다. 이것이 바로 카메라(렌즈 포함)의 DR이 이미지 센서보다 떨어지는 주된 이유입니다. 최근 HDR(고다이내믹 레인지) 센서의 경우 최대 150dB(3천만:1)의 DR을 제공합니다.

지난 2년간 우리는 테스트 차트 이미지에서 플레어 광이 이론적으로 테스트 차트 이미지 자체로 오인되어 DR 측정값이 과장될 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 이러한 문제는 2019년 중반에 실제로 오류가 발생하는 이미지를 발견하면서 현실화되었습니다. 이러한 이미지를 분석하여 플레어 광으로 인한 신호 대 잡음비(SNR) 측정값 과장을 방지하는 기술을 개발했습니다. 이 글에서는 이러한 기술에 대해 설명합니다.

일부 고객께서는 과장된 측정값을 선호하실 수 있다는 점을 인지하고 있습니다. 과장된 측정값은 HDR 센서의 사양에 근접하는 매우 높은 HDR 수치(때로는 120dB 이상)를 제공하여 마케팅 자료에서 보기 좋게 나오기 때문입니다. 하지만 플레어광의 영향을 제거하여 얻은 실제적인 다이내믹 레인지(DR) 측정값은 이러한 고객 중 일부에게는 불편하게 느껴질 수 있습니다. 저희는 고객 여러분의 이러한 이의 제기에 최선을 다해 대응하겠습니다.

섬광등의 영향

플레어 현상은 XYLA 차트 이미지를 통해 설명할 수 있습니다. XYLA 차트는 선형 구조의 정밀 HDR 테스트 차트로, 광학 밀도(OD)가 0.3씩 증가하는 21개의 회색조 패치로 구성되어 있습니다. 이 이미지는 저가형 "블랙박스" 카메라로 촬영한 것입니다.

이미지 통계 모듈을 사용하여 생성된 위쪽 단면 그림은 XYLA 이미지의 중앙 부분을 나타냅니다. 플레어는 이미지에서 가장 뚜렷하게 나타나며, 단면 그림에서는 가장 밝은 부분의 왼쪽에서 감소하는 양상을 보입니다.

아래쪽 단면은 활성 차트 이미지 바깥쪽(아래쪽)에서 촬영되었으며, 위쪽 차트 이미지는 플레어 빛이 더 잘 보이도록 밝게 표시되었습니다. 차트 오른쪽 부분( x 값 이 800에서 1600 사이)의 픽셀 레벨 변화는 왼쪽의 가장 밝은 부분에서 확산되는 플레어 빛 때문에 발생합니다.

이 이미지에 대한 몇 가지 참고 사항입니다.

이 이미지는 국부적인 톤 매핑이 매우 강하여 측정된 감마 값이 0.148이라는 매우 낮은(그리고 그다지 의미 없는) 값을 나타냅니다. 신호 대 잡음비(SNR)는 일반적인 선형 이미지 센서처럼 단조롭게 감소하지 않고 특이한 방식으로 변화합니다. 이는 여러 동작 영역을 가진 HDR 이미지 센서가 사용되었음을 시사합니다.

이미지에 배럴 왜곡이 심해서 영역 선택이 어려웠습니다. 명암 해상도 차트는 사용하기 훨씬 쉽고 톤 매핑이 적용된 환경에서 시스템 성능을 더 잘 보여줍니다.

섬광 신호가 더 심했다면 차트 자체에서 나오는 신호로 오인되어 잘못된 DR 측정이 이루어질 수도 있었을 것입니다.

플레어 현상은 매우 복잡합니다. 이미지에 오프셋(흔히 "베일링 글레어"라고 함)을 추가할 수 있는데, 이는 이미지 처리 과정에서 블랙 레벨 오프셋과 구별하기 어렵습니다. 대부분의 경우 밝은 부분 근처에서 가장 크고, 밝은 부분에서 멀어질수록 감소합니다. 감소율은 드물게 일정한 지수 함수를 따릅니다.

렌즈 반사는 중간 거리 플레어 광의 주요 원인입니다. 코팅되지 않은 유리 표면(굴절률 ≅ 1.5)은 입사광의 4%인 0.04 를 반사합니다. (유리판이나 렌즈 부품은 두 개의 표면을 가지고 있다는 점을 기억하세요.)

렌즈 표면과 광원 사이에 있는 각 유리 표면에서, 1차 반사(원래 입사광의 R² )의 일부 (R) ^가 이미지 센서로 반사됩니다. 이를 2차 반사 라고 합니다. 대부분의 렌즈 표면은 곡면이기 때문에, 이 빛은 초점이 맞지 않아 이미지의 일부가 흐릿해지는 경향이 있습니다.

Edmund Optics 에 따르면, 최상의 반사 방지 코팅은 가시광선 영역(~400-700nm)에서 R ≅ 0.4% = 0.004의 반사율(R)을 갖습니다. 적절한 입사각 범위에서는 R = 0.005가 더 현실적일 수 있습니다. 각 2차 반사에서 센서로 되돌아오는 빛의 반사율은 R ² = 0.000025 = 2.5*10 ^-5 = -92 dB(20*log ₁₀ ( R ² ))입니다. 2차 반사 횟수 N _sec 는 렌즈의 구성 요소 수 M (각각 두 개의 공기-유리 표면을 갖는 접합된 요소 그룹)에 따라 급격히 증가합니다. 구성 요소가 하나인 경우 1, 두 개인 경우 6, 세 개인 경우 15, 네 개인 경우 28, 다섯 개인 경우 45 등입니다. M 개의 구성 요소에 대해,

고품질 카메라폰의 경우 M =5개의 구성 요소가 일반적이며, DSLR 줌 렌즈의 경우 M ≥12개의 구성 요소가 일반적입니다. 전반적으로 렌즈 플레어는 2차 반사 개수가 많을수록 심해 보이지만, 실제로는 산란광이 이미지 전체를 덮지 않기 때문에 밝은 영역에서 멀어질수록 감소합니다. 센서의 다이내믹 레인지(DR)가 훨씬 높더라도 실제 카메라의 DR 측정값이 70~90dB 정도로 제한되는 이유를 쉽게 알 수 있습니다.

ISO 18844 플레어 모델은 렌즈 반사로 인해 발생하는 공간적으로 의존적인 플레어를 측정하지 않기 때문에 실제 시스템 성능을 특성화하는 데에는 한계가 있습니다.

원형 테스트 차트

Imatest 에서 DR 측정을 위해 권장하는 테스트 차트는 (대략적으로) 원형 패치 구성을 가진 투과형(즉, 백라이트 방식) 차트입니다. 즉, 선형이 아닌 차트(위 그림의 XYLA 차트와 같은 방식)를 사용합니다. 오른쪽에 보이는 2층 또는 3층 구조의 고해상도(HDR) 차트는 여러 종류 가 있습니다. 사진 필름 차트는 패치 밀도가 일정하지 않게 제작되기 때문에 이러한 차트를 사용할 때는 참조 파일이 필요합니다.

고품질 카메라

최근까지 우리가 분석한 다이내믹 레인지(DR) 이미지 대부분은 플레어 현상이 비교적 적은 DSLR 또는 미러리스 카메라로 촬영한 것이었습니다. 하지만 최근 심각한 플레어 현상이 나타나는 이미지들은 성능이 떨어지는 카메라로 촬영한 것입니다. 플레어 현상이 왜 이렇게 심해졌는지 정확한 원인은 아직 밝혀내지 못했지만, 다중 요소 렌즈의 코팅 품질 저하나 렌즈 경통 내부의 차광 장치 부족 등이 원인일 수 있습니다.

다음은 고화질 카메라로 촬영한 결과물의 예시입니다. 아래 썸네일을 클릭하시면 전체 크기 이미지를 보실 수 있습니다.

	고품질 렌즈(캐논 90mm 틸트/시프트)로 촬영한 JPEG 이미지 결과

이 네 장의 이미지는 서로 다른 두 렌즈를 사용하여 소니 A7Rii 카메라로 촬영한 48비트 RAW(또는 RAW에서 파생된 TIFF) 파일과 24비트 JPEG 파일입니다.

• 보급형 캐논 EF 75-300mm f/4-5.6 렌즈(오리지널 버전)를 80mm, f/5.6으로 설정한 것입니다. 이 렌즈는 10군 15매로 구성되어 있습니다.

• 최고급 품질의 캐논 TS-E 90mm f/2.8 (틸트/시프트) 렌즈를 f/5.6으로 설정했습니다. 이 렌즈는 5군 6매 구성으로, 75-300mm 렌즈보다 플레어 현상이 적을 것으로 예상됩니다.

• 두 개의 가장 어두운 부분인 35번과 36번의 결과는 밀도(8.184와 8.747, 각각 163.7dB와 174.5dB에 해당)가 그래프의 160dB 한계를 초과하기 때문에 그래프 밖에 표시되어 있습니다. 160dB는 1억:1의 비율에 해당하며, 센서 앞에 렌즈가 있는 어떤 카메라 시스템으로도 처리할 수 없는 값입니다.

예상대로 90mm T/S 렌즈는 훨씬 뛰어난 다이내믹 레인지(DR)를 보여주었고, JPEG 파일에서는 밝은 부분의 응답 곡선이 완만해지는 현상(숄더)이 더 두드러지게 나타났습니다. 하지만 한 가지 놀라운 점이 있습니다. JPEG 이미지의 DR이 RAW 이미지와 거의 비슷하다는 것입니다. 이는 밝은 영역의 픽셀 레벨 수를 줄이고 어두운 영역의 픽셀 레벨 수를 늘리는 감마 인코딩 방식 덕분에 8비트(256 레벨) 선형 파일에서 예상되는 것보다 더 넓은 DR을 얻을 수 있었기 때문인 것으로 보입니다.

위의 네 이미지 중 세 이미지에서는 저품질 DR이 기울기를 이용한 DR보다 낮고, 나머지 한 이미지에서는 두 값이 매우 유사함을 알 수 있습니다. 기울기 기반 DR만 단독으로 사용하는 것은 권장하지 않습니다. (기울기 기반 DR은 SNR이 0dB(신호 대 잡음비 = 1)인 영역을 훨씬 넘어 확장되는 경우가 많기 때문입니다. 즉, SNR이 낮아 노이즈가 이미지 세부 정보를 완전히 가리는 영역까지 포함하게 됩니다.)

저가형 "블랙박스" 카메라

최근 입수한 저가형 "블랙박스" 카메라로 촬영한 이미지와 비교해 보면, 두 렌즈(중급 및 고급)의 다이내믹 레인지 차이는 미미한 것으로 보입니다.

저품질(SNR = 0dB, Low로 표시됨 ) ——— DR은 148dB로 측정되었는데, 이는 놀라울 정도로 높은 수치입니다. 슬로프 기반 DR은 66dB로, 여러 품질 기반 DR 측정값보다 훨씬 낮습니다(90mm T/S 렌즈의 슬로프 기반 DR보다도 낮습니다). 가장 어두운 두 영역은 밀도(8.184와 8.747)가 그래프의 160dB 한계를 넘어서기 때문에 이 그래프에 나타나지 않습니다. (160dB는 1억에서 1까지의 범위로, 어떤 센서나 카메라에서도 예상되는 범위를 훨씬 초과합니다. 다시 말해, 하나의 광자가 가장 어두운 영역에 도달하면 가장 밝은 영역에서 차트나 센서에 불이 붙을 정도의 충격을 줄 수 있습니다.)

무슨 일이 일어나고 있는지 이해하려면 고품질 카메라로 촬영한 이미지의 어두운 부분(어두운 부분의 세부 사항이 보이도록 추가적으로 (X) 또는 XX)을 밝게 처리한 부분과 저가형 카메라로 촬영한 유사한 영역을 비교해야 합니다.

6군 90mm 렌즈의 RAW 이미지에서는 7번째 행(아래에서 두 번째 행, 패치 27-32)에서 밝기가 점차 감소하는 영역이 뚜렷하게 나타나고, 맨 아래 행에서도 밝기 감소는 더 이상 나타나지 않지만 여전히 뚜렷한 영역이 보입니다. 패치 30에서는 (렌즈에서 반사된 것으로 추정되는) 반사가 관찰됩니다. 90mm 렌즈의 JPEG 이미지에는 노이즈가 더 많습니다. JPEG는 256단계(0-255)의 양자화 레벨만 지원하기 때문에 일부 노이즈는 양자화 노이즈일 수 있습니다. 15군 75-300mm 렌즈의 이미지에서는 플레어 현상이 훨씬 더 뚜렷하게 나타납니다.

이제, 이러한 결과들을 비교해 보십시오. 특히 90mm T/S 렌즈로 촬영한 RAW 이미지(왼쪽 썸네일)를 저가형 블랙박스 카메라로 촬영한 이미지와 비교해 보십시오.

하단 두 행(패치 27~36)에서는 패치 세부 정보가 보이지 않습니다. 각 행에서 왼쪽에서 오른쪽으로 감소하는 대신, 픽셀 레벨이 위에서 아래로 감소하며 하단 두 행에서는 상대적으로 일정하게 유지되고, 밴딩 현상(255개 레벨로 인한 결과)이 뚜렷하게 나타납니다. 이는 테스트 차트에서 발생하는 신호가 아니라 명백한 플레어 광입니다 . 안타깝게도 이 행들의 SNR은 상당히 양호한데, 이는 Imatest가 노이즈 계산에서 조명 불균일성의 영향을 제거하기 때문입니다. (설정에서 이 기능을 끌 수 있지만, 실제 조명 불균일성이 있는 경우 더 나은 결과를 얻으려면 일반적으로 이 기능을 켜두는 것이 좋습니다.) 하지만 이 신호는 실제 신호가 아니라 인공적인 현상입니다.

다행히 위 그림의 36개 패치 DR 차트처럼 원형 배열을 가진 DR 테스트 차트에서는 이러한 판별이 어렵지 않습니다(선형 차트의 경우 더 어렵습니다). 패치 배열 덕분에 플레어 광이 장면을 지배하게 되면 패치 레벨 감소가 멈춥니다. 이는 위 예시의 아래쪽 두 행에서 명확하게 확인할 수 있는데, 이 행들은 패치 배열에 수직으로 위에서 아래로 갈수록 이미지가 어두워집니다. 패치 밝기 감소가 멈추면 플레어 광이 지배적이라는 것을 확신할 수 있습니다. 즉, 카메라의 DR 범위를 벗어난 것입니다. 이는 기울기 기반 DR 범위를 벗어난 패치에 해당합니다.

이러한 이유로 품질 기반 DR 측정값을 모두 기울기 기반 DR(최대값)로 제한하는 것이 타당합니다.

Imatest 5.2 에서는 옵션 II 창( Imatest 메인 창 오른쪽 하단의 버튼을 통해 접근 가능)에서 품질 기반 DR을 경사 기반 DR로 제한할지 여부를 선택할 수 있습니다. 해당 확인란을 선택하면 결과 표시창에 제한 사항이 나타납니다.