개선된 이미지를 위한 디지털 카메라 설정의 기본사항

디지털 카메라는 아날로그 카메라에 비해 구입한 소프트웨어를 이용해 카메라 설정을 조절할 수 있어서 융통성이 더 뛰어나다고 할 수 있다. 경우에 따라서는 DIP(Dual In-line Package) 스위치 또는 RS-232 Connection과 같은 하드웨어를 통해 아날로그 카메라도 설정을 조절할 수 있지만 소프트웨어로 설정을 수정하면 화질, 속도, Contrast를 크게 증가시킬 수 있어 아날로그보다 높은 융통성을 지니게 되는 것이다. 또한 이러한 강점은 결함 포착 가능성을 결정하는 중요한 요소가 될 수 있다.

디지털 카메라에는 디지털 신호 처리를 위한 FPGA(Field-Programmable Gate Arrays)가 내장돼 있다. FPGA는 연산 작업뿐만 아니라 단순한 이미지 처리 및 모자이크 필터용 Color Interpolation과 같은 기능까지도 수행이 가능하다(스마트 카메라의 경우).

그리고 카메라의 펌웨어는 FPGA 및 온보드 메모리를 제어할 수 있다. 카메라의 펌웨어를 업데이트해 기능을 추가, 개선할 수도 있는 것이다. 또한 디지털 카메라의 온보드 메모리는 설정, 조회 테이블 저장, 고속 전송을 위한 버퍼링, 이더넷 스위치를 통한 멀티 카메라 네트워크 연결을 허용한다.

가장 일반적인 디지털 카메라 설정은 Gain, Gamma, Area of Interest, Binning/Subsampling, Pixel Clock, Offset, Triggering 등이 있다. 이러한 기본 설정을 이해해두면 다양한 용도에서 최적의 시스템을 구성해 결과를 도출하는데 도움이 될 것이다.

낮은 조도에서 Bit-Depth를 최대한 활용할 수 있는 Gain
Gain은 카메라 센서의 신호 증폭을 제어하는 디지털 카메라 설정이다. 주목할 점은 관련 배경 소음이 포함돼 신호를 증폭한다는 것이다. 대부분의 카메라는 Automatic Gain 또는 Autogain 기능이 있는데 이는 줄여서 AGC라고 부른다.

Gain은 ADC(Analog-To-Digital Converter) 앞뒤에 있을 수 있다. 하지만 ADC 이후에 적용되는 Gain은 Digital Gain이라는 점을 유념해야 한다. Digital Gain은 조회 테이블을 사용해 다른 값에 디지털 값을 매핑하기 때문에 프로세스에서 일부 정보가 손실된다.

ADC 이전의 Gain은 Low Light 조건에서 카메라의 Bit-Depth를 최대한 활용하는데 유용하고 Muti-Tap Sensor의 Tap이 잘 매칭되도록 보장하는데 사용된다. 일반적으로 Gain은 Exposure 설정을 최적화한 뒤 Exposure Time이 주어진 Frame Rate을 위한 최대값으로 설정한 뒤에만 사용할 수 있다. Gain이 이미지 안에서 만들 수 있는 개선 효과를 그림 1a, 1b, 2a, 2b에 나타냈다.

픽셀 범위를 늘릴 수 있는 Gamma
Gamma는 이미지에 재현된 Grayscale을 제어하는 디지털 카메라 설정이다. 이미지 Gamma가 개체일 경우(그림 3a, 3b) 카메라 센서가 Object Grayscale(linear Response)을 정밀하게 재현해 나타낸다.

Gamma 설정이 개체보다 클 경우는 이미지가 흑백 윤곽으로 표시된다(그림 4a, 4b). 그림 4b에서 그림 3에 비해 감소된 Contrast를 주목해 보면 Gamma는 다양한 픽셀 범위의 한 면(검정 또는 백색)을 늘릴 수 있는 능력으로 간주할 수 있다. 이 컨트롤은 SNR(Signal-To-Noise Ratio)을 높이기 위해 신호 처리에 사용되곤 한다.

해상도를 최소한의 수준으로 줄일 때 유용한 AOI
AOI(Area Of Interest)는 소프트웨어 또는 온보드 모듈을 통해 필드별로 카메라 센서 어레이 일부를 읽을 수 있게 해주는 디지털 카메라 설정이다. 이 설정은 전송 데이터양을 줄여 가능한 Frame Rate을 높일 수 있으므로 FOV 또는 해상도를 최소한의 필수 수준으로 줄일 때 유용하다.

 또한 전체 필드의 서브셋에 대해 Nyquist Frequency, Spatial Sampling Frequency를 기준으로 최대 해상도를 유지할 수 있다.

예를 들어, 494×494의 Square Field에는 특정 프레임에 유용한 모든 정보가 포함될 수 있으며 대역폭을 낭비하지 않기 위해 사용할 수 있다.

더 큰 Effective Pixel을 형성하는 Binning/Subsampling
Binning 또는 Subsampling을 사용하면 전체 FOV가 적절하지만 카메라 최대 해상도는 필요하지 않게 된다. 또한 인접 픽셀의 Gray Value를 모두 평균화해 더 큰 Effective Pixel을 형성하거나 다른 모든 픽셀을 읽을 수 있게 된다. Binning과 Subsampling은 전송 데이터양을 줄여 속도를 높일 수 있게 만드는 것이다.

Binning은 CCD 센서별로 적용되며 인접 픽셀의 전하가 물리적으로 결합돼 Effective Exposure와 Sensitivity를 높인다. Subsampling은 일반적으로 Binning이 불가능한 경우 CMOS 센서에 적용된다.
Subsampling은 Exposure와 Sensitivity를 증가시키지 않는다. 이는 기존 Exposure가 필요하지 않고 저해상도에 높은 전송 속도가 요구될 때 Binning 대신 Subsampling을 CCD 센서에 사용할 수 있다.

Saturation Capacity(Linear Range)와 Frame Rate 성능을 좌우하는 Pixel Clock
CCD 센서에서 Pixel Clock은 Shift Register을 통해 Charge Packet을 Read Out Amplifer 쪽으로 옮기는데 사용되는 Complementary Signal의 속도를 결정한다. 이에 전체 센서를 읽는 시간이 좌우되지만 패킷이 다소 빨리 전송될 때 발생하는 노이즈와 Spilover 이슈에 의해 제한이 되기도 한다.
예를 들어, 동일한 센서를 사용하는 두 대의 카메라가 서로 다른 Pixel Clock Rate을 사용해 Saturation Capacity (Linear Range)와 Frame Rate 성능이 달라질 수 있다. 이 설정은 센서와 FPGA 기능별로 최적값이 설정되기 때문에 사용자가 쉽게 조절할 수 있다. 그러나 Pixel Clock를 높여 센서를 오버클럭하면 과열 문제가 생길 수도 있다.

이미지의 Black Level을 설정하는 Offset
Offset이란 비디오 또는 이미지 신호의 DC 컴포넌트를 말하며 이미지의 Black Level을 설정하는 기능을 한다. Black Level은 Pixel Value of Zero에 해당되는 Pixel Level(Electrons 또는 Volts 단위)이다.

카메라 Bit-Depth를 최대한 사용해 Signal-To-Noise를 효과적으로 높일 수 있도록 보장하기 위해 Histogram과 함께 사용되곤 한다. 데이터 개선 효과는 없지만 Non-Black Pixel을 0으로 만들어 이미지를 밝게 한다. Offset은 Black Level을 높임으로써 이미지를 밝게 하고 Blob Detection을 위한 임계값을 효과적으로 만드는 단순한 머신비전 이미지 처리 기술로 사용된다(특정 값 미만의 모든 픽셀을 0으로 설정해 밝게 하는 기능).

비 주기적인 방식으로 이미지 촬영 시 사용하는 Triggering
Trigger 설정을 사용해 카메라가 명령이 주어질 때만 이미지를 촬영하도록 만들 수 있다. 이 기능은 Strobed Light Source와 이미지 캡처를 동기화하거나, 피사체가 특정 지점을 통과해 Proximity Switch를 작동시킬 때 사용할 수 있으며 나중에 검토하기 위해 이미지를 저장하는 경우에도 유용하다. 또한 Trigger는 사용자가 일정한 Frame Rate와 같이 비 주기적인 방식으로 일련의 이미지를 촬영할 때에도 사용할 수 있다.

Triggering은 하드웨어와 소프트웨어 모두를 통해 수행할 수 있다. 하드웨어 Trigger는 소프트웨어 Trigger 고유의 Latency(Milliseconds)로는 부적합한 초정밀 용도에 이상적이다. 소프트웨어 Trigger는 일반적인 통신 경로로 전송된 컴퓨터 명령의 형태를 갖기 때문에 구현하기가 더욱 수월하다. 소프트웨어 Trigger의 예로는 Image Viewing 소프트웨어에서의 Snap 기능을 들 수 있다.

다양한 추가 디지털 카메라 설정이 존재하지만 Gain, Gamma, AOI, Binning/Subsampling, Pixel Clock, Offset, Trigger 등의 기본 설정을 이해하는 것은 고급 이미지 처리의 기반이라 할 수 있다. 이를 토대로 적절한 시스템을 구축하면 개선된 이미지를 도출할 수 있울 것이다.

출처 | 에드몬드 옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)