센서노이즈(Sensor Noise)

노이즈는 카메라 센서의 중요한 파라미터 중 하나로, 영상의 품질과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 노이즈가 많은 이미지에서는 세부 디테일을 구분하기 어려울 뿐만 아니라 중요한 정보가 손실될 위험도 커집니다.

특히, 미세한 결함을 검사하거나 작은 변화를 감지해야 하는 산업용 머신비전, 의료 영상 등에서는 노이즈가 아주 중요한 문제가 됩니다. 노이즈가 많다면 실제로 존재하는 결함이나 이상을 정확히 인식하지 못할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 반도체 제조 공정에서 회로에 작은 결함을 찾아내야 할 때, 노이즈로 인해 결함이 감지되지 않는다면 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

노이즈를 줄이기 위해 고성능 카메라 센서를 선택하는 것이 중요한 이유도 바로 여기에 있습니다. 낮은 노이즈 수준의 센서는 선명하고 신뢰성 높은 이미지를 제공하여, 중요한 세부 사항과 미세한 차이까지 잡아낼 수 있도록 도와줍니다.

정상 이미지

노이즈가 있는 이미지

머신비전 시스템에서 사용되는 이미지 처리 알고리즘은 대부분 노이즈가 적은 이미지를 기준으로 설계됩니다. 그래서 이미지에 노이즈가 많아지면 여러 작업의 정확도에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

예를 들어, 엣지 검출은 물체의 가장자리나 윤곽을 식별하는 중요한 과정인데, 노이즈가 많으면 엣지가 흐릿하거나 잘못 검출되어 원하는 결과를 얻기 어려울 수 있습니다. 패턴 인식도 마찬가지로 노이즈가 섞인 이미지를 분석하면 패턴을 정확히 인식하지 못하거나 오인식하는 경우가 발생할 수 있습니다. 결과적으로 노이즈는 검사 오차와 불량률을 증가시키고, 이미지 처리 과정의 신뢰성을 떨어뜨리게 됩니다.

따라서 고성능 센서나 노이즈 저감 기술을 통해 노이즈가 적은 깨끗한 이미지를 얻는 것이 머신비전 시스템의 성능을 높이는 데 매우 중요합니다.

Teledyne Dalsa Sapera Processing Pattern Finding Tool

노이즈는 발생 원인과 특성에 따라, 크게 고정패턴노이즈 (Fixed Pattern Noise) / 랜덤노이즈 (Random noise) 로 나눌 수 있습니다.

각각의 노이즈 유형은 이미지 품질에 서로 다른 방식으로 영향을 미칩니다

고정패턴 노이즈 (FPN)

고정 패턴 노이즈는 센서의 각 픽셀이 고유의 응답 특성을 가지고 있어 특정 패턴으로 나타나는 노이즈를 말합니다. 주로 이미지 센서가 빛을 받지 않을 때도 일정한 패턴으로 나타나며, 이 패턴은 조건이 동일하다면 반복적으로 발생합니다.

주요 발생 원인으로 센서의 픽셀 별 민감도 차이, 전자회로의 불균일성, 제조 공정상의 미세한 불균형이 있습니다.

고정패턴노이즈는 Dark/ Light fixed pattern noise로 나눌 수 있습니다.

다크패턴 노이즈

(Dark fixed patten noise or Dark Signal Non-Uniformity, DSNU)

빛이 없는 상태에서 나타나는 고정 패턴 노이즈를 말하며, 암전류 (dark current) 로 인해 발생합니다. 암전류 (Dark current)는 빛이 없는 상태에서 각 픽셀에서 열로 인해 생성되는 전자들로 발생합니다. 픽셀마다 dark current 생성량이 다르기 때문에 고정된 패턴으로 나타나며, 센서 온도에 민감하여 센서온도가 높아질수록 증가합니다.

센서 외곽 부분에서 발생한 Dark Noise (Teledyne Photometrics)

암전류(Dark Current)

Dark Current는 이미지 센서가 빛이 없는 상태에서도 전류를 생성하는 현상이며, 센서가 빛을 감지하지 않을 때도 전자들이 열에 의해 활성화되어 흐르는 전류를 의미합니다.

주 로 열 에너지로 인해 발생합니다. 이미지 센서의 픽셀 내부에서 전자들이 열로 인해 방출되면서, 마치 빛을 받은 것처럼 신호를 생성하게 됩니다. 이 현상은 센서의 온도에 매우 민감하여 온도가 높아질수록 Dark Current가 증가합니다.

이 때문에 고감도 촬영이나 장시간 노출을 요구하는 촬영에서는 센서를 냉각하는 방식으로 Dark Current를 줄이기도 합니다.

온도 상승에 따른 Dark current 그래프 (Teledyne Princeton Instrument InGaAs Camera)

Dark Noise

Dark Noise는 이 Dark Current의 변동성으로 인해 발생하는 노이즈입니다. Dark Current는 Dark Noise의 원인이 됩니다. Dark Current가 높을수록 Dark Noise도 증가하게 되며, 이러한 노이즈는 센서의 온도와 직결된 문제입니다. 이를 관리하기 위해서는 센서 냉각, FFC, 노이즈 감소 알고리즘 등의 방법이 사용될 수 있습니다.

I-TEK 사 TS25MCXP12-150M 카메라 GMAX0505 Sensor Dark current SPEC

위 Dark Current 값은 1.0 e⁻/pixel/s @ 30°C로 표시되어 있습니다. 이 단위는 Dark Current의 크기를 나타내며, 이를 해석하면 다음과 같습니다

e⁻ (전자 수): e⁻는 전자(electron)를 의미합니다. 빛이 없는 상태에서도 센서의 각 픽셀에서 발생하는 전자의 수를 나타냅니다.

pixel: Dark Current는 각 픽셀 단위로 측정됩니다. 이는 이미지 센서의 각 픽셀이 일정 시간 동안 생성하는 Dark Current를 나타낸다는 뜻입니다.

s (초): Dark Current는 시간에 따라 변화하므로, s는 초(seconds) 단위로 Dark Current의 속도를 나타냅니다. 즉, 1.0 e⁻/pixel/s는 센서의 각 픽셀당 1초 동안 발생하는 Dark Current의 양이 1.0 전자라는 의미입니다.

@ 30°C: Dark Current 값이 측정된 온도 조건을 나타냅니다. 이 경우에는 30°C에서의 Dark Current입니다. Dark Current는 온도에 민감하기 때문에, 특정 온도에서의 값을 제공해야 정확한 평가가 가능합니다.

이 값은 30°C에서 센서의 각 픽셀이 매초마다 평균적으로 1.0개의 전자(electron)를 생성한다는 것을 의미합니다. Dark Current는 온도가 높을수록 증가하는 경향이 있기 때문에, 특정 온도 조건에서의 수치를 제공하여 사용자가 해당 조건 하에서의 노이즈 성능을 평가할 수 있도록 합니다.

따라서, 이 값은 Dark Current의 강도를 나타내며, 이미지 센서의 저조도 성능을 평가할 때 중요한 지표로 사용됩니다.

광 패턴 노이즈

Light Fixed pattern Noise

빛이 있는 상태 (일반적인 이미지 촬영 상황)에서 나타나는 고정 패턴 노이즈입니다. 센서가 빛을 받아들이고 처리하는 과정에서 발생하는 고정적인 노이즈입니다

Pixel Response Non-Uniformity (Teledyne Photometrics)

PRNU

(Pixel Response Non-Uniformity)

각 픽셀이 동일한 양의 빛에 대해 동일하게 반응하지 않을 때 발생합니다. 일부 픽셀은 다른 픽셀보다 더 많은 전자를 생성하거나 덜 생성할 수 있습니다.

각 픽셀 전자 신호가가 ADC (아날로그-디지털 변환기) 의해 증폭될 때 불 균일한 증폭률로 인해 발생하거나 센서의 전자 회로에 있는 미세한 차이로 인해 특정 픽셀이 다른 픽셀보다 더 많은 신호를 발생시킬 수 있습니다.

빛의 세기와 비례하며 더 밝은 빛일수록 (광량이 많을수록) 노이즈가 더 두드러지게 나오며 특정 조명 조건에서 항상 동일한 형태의 패턴으로 나타납니다.

PRNU를 보정하여 이미지를 개선시키기 위해 일반적으로 FFC (Flat Field Correction) 알고리즘을 사용합니다.

FFC (Flat Field Correction)은 픽셀 간 밝기 불 균일성을 보정하는 알고리즘입니다. 이미지 센서의 각 픽셀이 동일한 조명 조건에서도 약간의 감도차이를 가질 수 있기 때문에 이를 보정하여 더 일관된 이미지를 얻는데 사용됩니다.

ARES CIS Camera FFC 적용 전 이미지

ARES CIS Camera FFC 적용 후 이미지

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