다이내믹 레인지(Dynamic range)

머신비전 카메라를 선정하거나 비교할 때, 외관 사이즈, 해상도, 최대 FPS 등 기본적인 스펙을 확인하는 것이 중요합니다. 하지만 두 개의 카메라를 비교할 경우에는 각 카메라의 특정 기능이나 사용되는 센서의 차이점이 중요한 요소로 작용합니다. 특히 다이내믹 레인지(Dynamic Range)는 카메라의 성능을 결정짓는 핵심적인 요소 중 하나입니다.

다이내믹 레인지(Dynamic Range)란?

다이내믹 레인지는 흔히 카메라가 표현할 수 있는 가장 밝은 값(Gray Value)과 가장 어두운 값의 차이로 정의됩니다. 또는, 최대 Gray Value에 도달할 때의 조명 레벨과 최소 Gray Value에 도달할 때의 조명 레벨 간의 차이를 나타내기도 합니다.

즉, 다이내믹 레인지란 특정한 양을 추정할 수 있는 최댓값과 최솟값의 비율을 뜻하며, 주로 소리나 빛과 같은 신호에 적용됩니다. 머신비전 카메라에 이를 대입해 보면, 특정한 양은 Gray Value이며, 최댓값과 최솟값은 카메라가 표현할 수 있는 밝기 레벨의 최댓값과 최솟값을 의미합니다.

“다이내믹 레인지(Dynamic range), 줄여서 DR, DNR, 또는 DYR는 특정한 양을 추정할 수 있는 최댓값과 최솟값 사이의 비이다. 소리와 빛과 같은 신호적 문맥에 사용된다.”

머신비전(구체적으로는 머신비전 카메라)을 이 문장에 대입을 시킨다면, ‘특정한 양은 Gray Value가 되고, 최댓값과 최솟값은 밝기 레벨에 대한 최댓값과 최솟값이 됩니다. 그러나 가장 중요한 부분은 바로 ‘비‘ 즉 상대적인 값이라는 것입니다.

머신비전에서 감도, 다이내믹 레인지, FWC, 노이즈 바닥의 관계와 중요성

위 그래프는 감도가 다른 가상의 두 센서를 나타낸 것입니다. 이 그래프에서 X축은 조명 레벨을, Y축은 최종적으로 나타나는 이미지의 Gray Value 값을 의미합니다. 그래프의 기울기는 센서의 감도를 나타내며, 기울기가 클수록 센서의 감도가 높다는 것을 의미합니다.

즉, 감도가 높을수록 조명의 변화에 민감하게 반응하여 Gray Value가 빠르게 증가하며, 이는 적은 조명에도 이미지가 더 밝게 나타나는 것을 의미합니다. 반면, 감도가 낮은 센서는 같은 조명 변화에 대해서도 Gray Value가 천천히 증가해 조명이 더 강할 때까지 이미지가 어두운 상태를 유지합니다.

감도란 카메라 센서가 빛에 얼마나 민감하게 반응하는지를 의미하며, 다이내믹 레인지는 카메라가 동시에 표현할 수 있는 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분의 비를 나타냅니다.

감도가 높다는 것은 카메라가 적은 빛에도 민감하게 반응하여, 이미지에서 상대적으로 높은 Gray Value로 나타난다는 의미입니다. 감도가 높은 카메라는 적은 조명에서도 쉽게 포화 상태(Gray Value 255)에 도달하게 되며, 이로 인해 상대적으로 적은 광량에서도 이미지가 밝아집니다. 하지만 이러한 높은 감도는 다이내믹 레인지의 공식인 ‘최댓값/최솟값’에서 최댓값을 줄이는 결과를 가져옵니다. 결과적으로, 감도가 높아지면 다이내믹 레인지 값이 줄어들게 됩니다.

즉, 감도와 다이내믹 레인지는 상반된 관계에 있습니다. 감도가 높아지면 다이내믹 레인지가 줄어들 수 있으며, 반대로 다이내믹 레인지를 넓게 유지하려면 감도를 적절히 낮추어야 합니다.

다이내믹 레인지와 함께 자주 언급되는 중요한 요소로 Full Well Capacity(FWC)와 노이즈 바닥(Noise Floor)가 있습니다. 이 두 요소는 다이내믹 레인지 공식인 ‘최댓값/최솟값’에서 각각 최댓값과 최솟값을 결정하는 주요 요소이기 때문입니다.

Full Well Capacity(FWC): FWC는 각 픽셀이 받아들일 수 있는 최대 전하(전자)의 양을 나타냅니다. 쉽게 말해, 센서의 픽셀이 어느 정도까지 빛을 포착해 저장할 수 있는지를 나타내는 값으로, 이 용량이 클수록 다이내믹 레인지의 최댓값이 커집니다. FWC가 큰 센서는 더 많은 빛을 받아들이므로, 밝은 환경에서도 이미지가 포화되지 않고 정보를 충분히 담을 수 있는 장점이 있습니다.

노이즈 바닥(Noise Floor): 노이즈 바닥은 센서가 감지할 수 있는 최소 신호를 나타내며, 다크 노이즈와 Readout 노이즈 등을 포함한 종합적인 값입니다. 노이즈 바닥이 낮을수록 센서는 더 어두운 환경에서도 미세한 차이를 감지할 수 있게 되어, 다이내믹 레인지의 최솟값이 낮아지고, 결과적으로 다이내믹 레인지가 넓어지게 됩니다.

다이내믹 레인지와 관련된 요소들을 이해하였으니, 이제 다이내믹 레인지를 어떻게 받아들이면 되는지 가보겠습니다.

다이내믹 레인지 비교

가상의 두 센서를 예로 들어 다이내믹 레인지가 어떻게 계산되고 비교되는지 알아보겠습니다.

센서 1: 조명의 밝기 단계가 20일 때부터 Gray Value가 증가하여 100에서 포화 상태에 도달합니다.

센서 2: 단계가 10일 때부터 Gray Value가 증가해 60에서 포화 상태에 도달합니다.

대부분의 경우, 센서 1은 20에서 100까지 80의 범위에서 Gray Value를 나타내기 때문에 10에서 60까지 50의 범위인 센서 2에 비해 다이내믹 레인지가 ‘넓다’ 또는 ‘좋다‘고 할 겁니다. 그러나, 다이내믹 레인지는 최댓값과 최솟값 사이의 비이기 때문에 값을 비교한다면 60/10=6인 센서 2가 100/20=5인 센서 1에 비해 값이 크다고 할 수 있습니다.

따라서, 검사 환경에 따라 필요한 다이내믹 레인지 특성을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 어두운 환경에서의 검사라면 초기 밝기 단계부터 반응하는 센서 2가 유리할 수 있습니다.

다이내믹 레인지의 중요성

1. 다이내믹 레인지가 넓을수록 좋은 이유

카메라의 다이내믹 레인지가 넓다는 것은 밝고 어두운 부분을 더 정확하게 표현할 수 있다는 의미입니다. 이는 고대비 환경에서도 세부적인 이미지를 잘 표현할 수 있음을 뜻합니다.

2. 센서의 Full Well Capacity와 다이내믹 레인지

센서의 Full Well Capacity가 클수록 다이내믹 레인지가 넓어집니다. 이는 카메라가 한 장의 이미지에 담을 수 있는 밝기 범위가 넓어짐을 의미하며, 결과적으로 더 풍부한 감도를 가질 수 있게 됩니다.

3. 다이내믹 레인지와 감도

다이내믹 레인지가 넓을수록 감도도 좋아지며, 이는 어두운 환경에서도 디테일을 잘 표현할 수 있는 성능을 제공합니다.

copyright by Billy

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