CCD 카메라를 대체하는 최신 CMOS 카메라
글│Ren′e von Fintel 박사/ 선임 제품 관리 책임자
2015년 초, 세계 최대의 CCD 센서 제조업체인 Sony사는 이 기술을 기반으로 한 모든 센서의 단종을 선언했다. CCD, CMOS란 무엇일까? 둘의 차이점은 무엇인가?
이 글에서는 센서 기술에 대한 간단한 설명, 기존 CCD 센서와 CMOS 센서의 비교, CMOS 센서를 사용한 카메라의 신규 구매 선택이 바람직한 경우와 통합 후에 지켜야 할 사항에 대해 소개하고자 한다.
1. 두 가지 센서 기술의 차이는 무엇일까?
현재 시판 중인 센서 종류에는 CCD(Charge-coupled device)와 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다. 이들 센서의 역할은 빛(광자)을 전기 신호(전자) 로 변환하는 것이다. 하지만 이 정보는 두 가지 센서에서 서로 다른 방식과 수단에 의해 전달되며 각각의 설계 자체에 근본적인 차이가 있다.
1.1 CCD 센서 디자인
CCD 센서에서는 광 감지 픽셀의 전하가 신호로 전환된다. 반도체 노출에 의해 생성되는 픽셀의 전하는 ‘버킷 체인’ 작업과 비슷한 수많은 아주 작은 이동 작업(세로 및 가로 시프트 레지스터)을 통해 중앙에 있는 A/D 컨버터로 이동된다. 전하의 이동은 센서의 전극에 의해 생성되는 전기장에 의해 이루어진다.
1.2 CMOS 센서 디자인
CMOS 센서에서는 개별 픽셀에 전하 저장소 역할을 하는 커패시터가 평행하게 배열된다. 이 커패시터는 각 픽셀이 광전류에 노출되어 충전된다. 커패시터에 생성된 전압은 밝기 및 노출 시간에 비례한다. CCD와 달리, 센서가 빛에 노출됨으로써 포획된 전자는 단일 출력 증폭기로 이송되는 대신 각 픽셀 자체 전자 회로를 통해 소스에서 직접 측정 가능한 전압으로 변환된다. 그런 뒤 이 전압이 아날로그 신호 프로세서에 전달된다.
픽셀별로 별도의 전자 회로를 사용함으로써 CCD에서처럼 전하를 이동시키지 않고도 각 픽셀을 처리할 수 있다. 이로 인해 CCD 센서에 비해 이미지 정보를 훨씬 빨리 읽을 수 있고 과도한 노출로 인해 생길 수 있는 초점 번짐(Blooming) 또는 스미어링(Smearing)과 같은 현상이 훨씬 적거나 아예 발생하지 않는다. 단점은 각 픽셀 전자 회로에 필요한 추가 공간이 빛을 감지할 수 있는 영역으로 제공되지 않는다는 것이다.
따라서 CCD 센서에 비해 전체 면적으로 정의되는 센서 면적에서 빛을 감지할 수 있는 영역 비율이 낮다. 이로 인해 이론적으로는 이미지 정보를 수집할 수 있는 광자 수가 적어진다. 하지만 이런 단점을 보완할 수 있는 방법들이 있다.
2. 높은 해상도가 필요할 경우 : 다중 탭(Multi-Tap)
CCD 센서
CCD 센서의 전하 이동에는 많은 시간이 소요된다. 많은 수의 픽셀을 바탕으로 여러 번의 변환작업을 통해 중앙 증폭기에 전하를 공급해야 하는 고해상도 센서에서 이러한 단점은 특히 두드러진다. 이로 인해 최대 프레임 속도가 제한된다. 이 문제에 대한 기술적 대응 방법이 바로 다중 탭(Multi-tap) 센서이다.
다중 탭 센서에서는 센서 표면을 여러 개의 탭 영역으로 구분한다. 각각의 탭 영역에는 탭 영역을 위한 개별 출력과 신호를 생성하기 위한 탭에 해당하는 자체적인 전자회로가 있다. 탭 영역의 이미지정보는 짧은 거리에 걸쳐 탭별로 동시에 이동, 증폭, 그리고 선택되므로 속도가 더 빠르다. 이들 영역은 나중에 다시 이미지로 재결합해야 한다.
다중 탭 프로세스는 높은 해상도와 속도를 제공하지만 매우 복잡하다는 단점도 갖고 있다. 개별 탭 전자 회로들은 서로 겹치도록 신중히 조절해야 한다. 아주 작은 편차조차 이미지에서는 눈에 띄는 차이를 유발하여 무엇보다 탭 영역의 뚜렷한 경계는 사람의 눈에 잘 보이게 된다. 다중 탭 센서는 일반적으로 에너지를 더 많이 소모하기 때문에 열도 더 많이 발생한다. 이로 인해 센서의 노이즈가 증가하고 경우에 따라서는 냉각수단이 필요할 수 있다.
빠른 속도와 내부 디자인으로 인해 CMOS 센서는 해상도가 더 높고 다중탭 아키텍처를 사용할 필요가 없다.
3. 신형 CMOS 센서와 CCD 센서의 비교
고해상도 글로벌 셔터 CMOS 센서가 판매되기 시작한 것은 아주 최근의 일이다. 전에는 대부분의 센서들이 롤링셔터를 기반으로 제작되었다. 오늘날 많은 CMOS 센서들의 이미지 품질은 CCD 센서의 이미지 품질에 비해 우수하다. 이는 세계 시장에서 CCD 센서의 최대 공급업체였던 Sony조차 CCD 센서를 단종시키고 앞으로 CMOS 센서에 완전히 집중하기로 결정한 이유이기도 하다.
지능형 교통관제시스템(ITS)에 적용한 사례 : 왼쪽 이미지는 4 탭 CCD 센서인 ON Semiconductor(구 Kodak)의 KAI405센서를 사용해 촬영한 것이다. 오른쪽 이미지는 Sony의 신형 CMOS 센서인 IMX174를 사용해 촬영한 것이다. 우측 이미지에서는 같은 사진에서 운전자뿐 아니라 번호판까지 보다 뚜렷하게 확인할 수 있어 확실히 더 높은 다이내믹레인지를 갖고 있음을 알 수 있다. 아울러, 동일한 설정에서 이 센서는 보다 우수한 감도를 갖고 있어 배경이 보다 자세히 보인다.
다른 모든 설정은 같은 상태로 센서의 노이즈를 증가시켜 이에 대한 성향을 관찰하면 이미지 품질을 잘 비교할 수 있다. 신호대잡음비(SNR)는 균일한 옅은 회색표면(왼쪽 아래 이미지)의 이미지 그레이레벨스펙트럼을 사용하면 가장 잘 확인할 수 있다. 그레이 값의 스펙트럼 폭이 좁을수록 좋다. 예에는 옅은 회색표면에 대한 이미지, 그리고 해당되는 그레이레벨스펙트럼이 나타나 있다. 왼쪽은 Sony ICX625의 CCD 글로벌 셔터 센서에 대한 것이며 오른쪽은 e2V의 CMOS 글로벌 셔터센서 EV76C560에 대한 것이다. 픽셀 크기에 따른 영향은 사라졌다.
4. 카메라 기술 교체를 검토해야 할 경우는 언제일까?
다음 질문들 중 한 개 이상에 대해 “예”로 답한다면 CMOS 기술로 바꿔야 할 때이다. 이 점은 앞으로 개발할 새로운 시스템뿐 아니라 기존 시스템에도 동일하게 적용된다.
•빠른 카메라를 사용하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있는가?
•성능 향상을 통해 어두운 환경에서도 더 잘 볼 수 있는가?
•카메라에서의 열 발생이 문제가 되나? 강력한 냉각이 필요한가?
•눈에 보이는 선, 초점번짐(Blooming) 또는 스미어링(Smearing)과 같은 이미지 잡음이 문제가 되는가?
•시스템의 비용 절감을 생각하고 있는가?
•기존 센서가 단종되었거나 단종될 예정인가?
5. 최신 CMOS 기반 카메라를 통합할 때 고려해야
할 것은 무엇일까?
센서기술을 변경하기로 결정했다면 신속하고 효과적인 통합을 위해 몇 가지 사항을 유념해야 한다. 장점: 이미지품질의 최적화를 포함해, 완전하면서도 매우 복잡한 센서 통합은 제조업체의 핵심노하우로서 CMOS 카메라를 여러분이 사용할 무렵이면 이미 기술적으로 안정되어 있을 것이다. 카메라를 선택할 때 사용자가 관심을 가져야 할 것은 ‘외적’ 요소뿐이다.
여기에는 다음과 같은 것들이 포함된다.
5.1 필요한 해상도, 센서, 그리고 픽셀 크기에 맞는 카메라 결정
실제로, 해상도는 이미지 안에서 서로 구분할 수 있는 두 선 또는 두 점 사이의 측정 가능한 최소 거리가 어느 정도인지를 나타낸다. 그렇다면 카메라 사양서에 ‘2048×1088’이라고 적혀 있다면 이것은 무엇을 의미하는가? 이 정보는 줄당 픽셀(이미지를 구성하는 점) 수를 나타내며 이 경우에는 이미지의 가로줄 2048 픽셀, 그리고 세로줄 1088 픽셀을 나타낸다. 두 개의 숫자를 곱한 결과인 해상도는 2,228,224 픽셀 또는 2.2 메가 픽셀(백만 픽셀, MP)에 해당된다.
사용자의 애플리케이션에 필요한 해상도를 결정하는 데는 간단한 공식이 사용된다.
물체크기
해상도 = __________________________
검사 대상 세부 정보의 크기
필요한 해상도는 이미지에서 분석하고자 하는 세부사항에 따라 달라진다. 센서 및 픽셀 크기 센서와 개별 픽셀의 표면이 넓을수록 빛을 포획할 수 있는 공간이 넓어진다. 빛은 센서가 이미지정보를 생성해 처리하는 신호이다. 표면적이 넓을수록 신호대잡음비(SNR) 가 좋아지고 대형 픽셀일 경우(예: 3.5㎛) 더욱 그러하다. SNR이 좋을수록 이미지 품질도 높아진다. 바람직한 값은 42dB 범위 이내이다.
대형센서의 또 다른 장점은 더 많은 픽셀을 담을 수 있는 넓은 공간을 갖고 있어 보다 높은 해상도를 구현한다는 점이다. 여기에서의 실제 장점은 개별픽셀이 항상 우수한 SNR을 보장할 만큼 충분한 크기를 갖는다는 것이다. 이는 작은 센서에서 표면적이 작아 픽셀이 상대적으로 작아지는 것과 대조적이다.
적당한 렌즈 없이 대형 센서와 많은 수의 픽셀을 확보하는 것은 절반의 진실에 지나지 않는다. 높은 수준의 해상도를 표현할 수 있는 적당한 렌즈와 결합될 때만 최대한의 성능을 발휘 할 수 있다. 또한 대형 센서는 더 넓은 공간을 위해 더 많은 실리콘을 사용하게 되어 결국 가격이 비싸진다.
5.2 카메라 인터페이스의 결정
무엇보다 이 결정은 필요한 케이블 길이, 대역폭, 속도 및 실시간 요구 사항과 PC 하드웨어 가용성에 좌우된다. 여기에서 많은 CMOS 센서들은 높은 데이터 전송속도를 제공하므로 넓은 대역폭이 필요하다. 이런 이유로 가능한 한, 카메라 인터페이스는 높은 대역폭을 지원하면서도 비용 대비 효과적인 구조(예: GigE 또는 USB 3.0)를 갖고 있는 것을 선택해야 한다. 그러면 보다 높은 프레임속도로 성능이 다시 한 번 높아질 경우, 미래에 대처할 수 있는 훌륭한 시스템이 마련된다.
다음은 최신 카메라 인터페이스와 해당 인터페이스의 장단점에 대한 간략한 그림 설명이다.
GigE Vision 및 USB 3.0은 한 동안은 인터페이스 시장을 장악할 것이므로 CMOS용 인터페이스로 최상의 선택이 될 것이다.
5.3 렌즈 및 조명 선택
새로운 센서 포맷을 결정할 때는 렌즈도 바꾸어야 한다. 새로운 센서의 감도에 차이가 있다면 조명도 이에 맞게 조정해야 한다. 여러 경우에 성능은 높이면서 비용을 줄일 수 있다. 따라서 픽셀 크기가 작아지면 렌즈 포맷도 작아져 가격이 저렴해진다(‘광학’ 솔루션이 적합한 경우에 한함). 한 가지 예가 5MP 이상의 해상도를 제공하는 ½” 렌즈이다.
5.4 소프트웨어 및 카메라 제어 통합 비용
‘GenICam1’과 같은 최신 표준이나 USB3 Vision 또는 GigE Vision과 같은 인터페이스 표준을 지원하는 카메라는 대개 쉽게 통합할 수 있다. 이전 프로그래밍을 유지하면서 필요한 녹화용 변수만 조정할 수 있다. 이전 솔루션이 표준형이 아니었다면 통합비용이 다소 증가하긴 하지만 여전히 그럴 만한 가치는 있다. 새로운 솔루션은 미래에 충분히 대비해 언제든 다른 저렴한 카메라를 통합할 수 있도록 해야 한다.
5.5 다음으로 적합한 카메라 선택
이 점검 목록을 통해 적당한 CMOS 카메라를 결정할 수 있다. 이 과정에서는 구형 CCD 솔루션에 관해 다음 사항을 유념해야 한다.
광학 포맷 및 픽셀 크기
렌즈를 교체하지 않으려면 동일해야 한다. 감도가 더 높고 렌즈교체가 가능하다면 더 작은 것을 사용할 수도 있다.
카메라 속도-시스템 성능 향상을 위해서는 높을수록 좋다.
EMVA 데이터
동일하거나 더 우수해야 함(EMVA 데이터는 센서 및 카메라의 기본적인 이미지 특성을 비교할 수 있는 좋은 자료)
감도/파장
조명을 교체할 수 없을 경우 비슷해야 함
카메라의 설계 크기
동일하거나 작아야 함
카메라 펌웨어 기능
그 동안 특정 펌웨어 기능을 사용했다면 꼼꼼하게 비교해야 한다. 최신 CMOS 기반 카메라는 대부분 더 많은 기능을 제공한다. 샤프닝(Sharpening) 또는 노이즈 감소 알고리즘
소프트웨어 및 프로그래밍
예전의 프로세싱이 표준을 따르는 소프트웨어(예 : GenICam 및 GigE vision)를 통해 수행되었다면 가능한 한 프로그래밍에 대한 변화를 줄일 수 있도록 동일한 호환성을 유지해야 한다는 점을 유념해야 한다. 전용 소프트웨어를 사용했었다면 프로그래밍 수정을 위해 더 많은 시간을 할애해야 한다. 표준을 따르도록 소프트웨어를 변경하는 것이 바람직하다.•카메라 인터페이스
구형 인터페이스나 그래버 기반 인터페이스일 경우 장기적으로 시스템 비용을 줄이고, 보다 지속 가능한 디자인을 위해 USB 3.0 또는 GigE와 동일한 인터페이스 채택을 고려해야 한다.
Tool을 사용하면 CCD 카메라에 이어 사용할 최적의 CMOS 카메라를 찾는 이 모든 문제들을 해결하는 데 도움이 된다. Basler는 이에 따라 웹 사이트 등에서 광학 포맷 또는 프레임 속도와 같은 기준을 바탕으로 CMOS 카메라 선택을 크게 간단하게 만들어 주는 Camera selector를 제공한다.
Bassler 소개
Bassler는 산업 및 비디오 감시 애플리케이션, 의료 장비 및 교통 시스템을 위한 디지털 카메라 생산에서 선도적인 자리를 차지하고 있는 글로벌 제조업체이다. Basler의 제품은 업계의 요구 사항에 따라 디자인되며, 용이한 통합, 작은 크기, 우수한 화질과 우월한 가성 비를 제공하고 있다. Basler는 1988년에 설립되어 비전 기술에서 25년간의 경험을 쌓아왔으며, 15년 동안 고품질의 디지털 카메라를 설계 및 제조하고 있다. 400여명의 직원이 독일 아렌스부르크의 본사와 미국, 싱가포르, 타이완, 중국, 일본, 한국의 지사에 근무 중이다.
자료제공 | 바슬러코리아(www.baslerweb.com)
