CMOS 와 CCD 이미지 센서에서 비닝의 차이점
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CMOS 와 CCD 이미지 센서에서 비닝의 차이에 대한 근본적인 이유는 기술의 차이다. 해당 신호 즉, 광유도 전하 캐리어의 처리와 프로세싱 방식 때문이다. ‘비닝(binning)’은 처음에 CCD 이미지 센서에 도입됐다. CCD 이미지 센서는 레지스터라고 하는 저장 위치를 통해 전하 캐리어 패키지를 손실 없이 전송하고 축적하거나 합산할 수 있다. 이후 이 두 가지 기능 모두 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 비닝을 가능하게 했다.
CCD 이미지 센서에서의 비닝
디지털화 이전에 새로운 슈퍼 픽셀을 형성하기 위해 CCD 이미지 센서의 두 개 이상의 픽셀의 전하 캐리어 함량(충돌광 신호에 의해 생성됨)의 조합을 ‘비닝’이라고 한다. 단일 픽셀들로부터 생성된 전하 캐리어들 중 하나를 포함하며, 이는 일반적으로 수평 판독 레지스터들에서 행해진다. 가장 큰 장점은 신호 대 잡음비(SNR)의 개선이다. 판독 과정이 진행되기 전에 신호가 증가하기 때문에 노이즈 기여도가 높아져 매우 낮은 조명 수준에서도 유용한 이미지를 기록할 수 있지만, 이미지의 공간 해상도를 낮추는 대가가 발생한다.
그림 1은 분해능 감소와 함께 신호 개선을 보여준다. 기록해야 할 신호가 약하고 잡음 레벨에 가까우면 일반적으로 비닝이 적용된다. 왼쪽의 첫 번째 이미지는 CCD 이미지 센서의 640x480 픽셀의 전체 해상도로 약한 조명의 결과다. 일부 세부 사항을 볼 수 있지만 일반적으로 이미지가 매우 어둡다.
그림 1 b의 중간 이미지는 2x2 픽셀 비닝의 결과를 보여 주므로, 결과 픽셀당 신호는 4개의 원본 픽셀 내용의 합이다. 애플리케이션과 필요한 처리로 인해 신호가 여전히 너무 작으면 4x4 픽셀을 결합하여 16 픽셀의 전하 캐리어 패키지를 누적하여 하나의 결과 픽셀 값을 생성할 수 있다. 비닝과 함께 제공되는 공간 해상도의 감소는 그림 1의 세 이미지에서 볼 수 있다.
그림 2는 동일한 이미지를 보여준다. 더 작은 해상도의 이미지는 해상도 손실을 자세하게 보여주기 위해 확대했다(CCD 카메라 측면의 회사 이름). CCD 이미지 센서에서 비닝의 장점과 단점의 비교는 다음과 같다.
CCD 이미지 센서에서 비닝의 장점
- 더 나은 신호 대 잡음비(SNR): 판독 잡음이 판독 픽셀 당 기여하고 전하 캐리어가 결합되면 합산되지 않으므로, 따라서 이미지 프로세싱(포스트 획득)에 의한 픽셀의 조합은 동일한 방식으로 SNR을 개선하지 못한다.
- 보다 빠름: 공간 해상도가 낮기 때문에 더 높은 이미지 반복 속도(이미지 녹화 빈도)가 빠르다.
CCD 이미지 센서에서 비닝의 단점
- 결합된 픽셀 수(큰 픽셀)로 공간 해상도가 감소한다.
- 픽셀당 감지 가능한 빛의 양 감소(더 낮은 동적 범위): 픽셀의 특정 최대 양의 캐리어(최대 웰 용량, full well capacity)가 최대 개수의 카운트를 발생시키는 경우, 이 최대 전하 캐리어의 양은 결합된 픽셀 수에 반비례한다. 즉, 최대 카운트 수가 보다 낮은 빛 수준으로 도달함을 의미한다.
- 왜곡: 픽셀 조합이 대칭이 아닌 경우 x-방향과 y-방향의 동일하지 않은 수의 픽셀이 결합되면 왜곡이 발생하여 후속 이미지 처리로 수정해야 한다.
기존 CCD 이미지 센서의 대부분에서, 아날로그-디지털 변환 전의 합산 점뿐만 아니라 일반 시프트 레지스터는 전하 캐리어 용량을 가지며, 이는 각 픽셀의 전체 웰 용량에 비해 최소 2배다. 따라서 픽셀 역학의 손실은 위의 적절한 단점이 제시하는 것만 큼 중요하지 않다.
비닝은 주로 저조도 상황과 CCD 이미지 센서 구성에 적용되며, 암전류와 같은 다른 노이즈 기여는 비닝과 합쳐지기 때문에 판독 노이즈(주로 냉각된 CCD 이미지 센서에서)가 지배적인 구성의 CCD 이미지 센서에 적용된다.
CMOS 및 sCMOS 이미지 센서에서 비닝
CMOS 및 sCMOS 이미지 센서에서, 광 생성 전하 캐리어 ‘패키지’의 처리는 크게 다르다. 전하 캐리어는 각 픽셀 내에 유지되고 픽셀 자체의 전압 신호로 변환된다. CMOS 이미지 센서에서도 전하 캐리어 패키지를 합치기 위한 최근의 몇 가지 방법이 있다. 이를 위해서는 각 픽셀 사이에 더 많은 전기적 상호 연결이 필요하므로 타이밍 제어가 더 복잡해지고 fill factor가 크게 감소한다(양자 효율을 줄임으로써 센서의 감도가 떨어짐).
따라서, CCD 이미지 센서가 디스플레이 하는 기본 하드웨어 비닝(전압 신호로 변환하기 전에 전하 캐리어 패키지의 증가)은 최근의 몇몇 센서 설계에서 실현된다. 그러나 언급된 복잡성으로 인해 기존의 대부분의 기존 sCMOS 및 CMOS 이미지 센서에서는 사용할 수 없었다.
대신에 수학적 비닝이 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 사용되었다. 이는 이미지에서 더 나은 밝기를 얻기 위해 픽셀 값의 합(그림 3) 이거나 또는 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 해당 픽셀 값의 평균 일 수 있다(그림 4).
비닝에 대한 요약
CMOS 픽셀 합산의 경우, 단순히 관련된 모든 픽셀 값이 추가된다. 이는 CCD 이미지 센서의 실제 ‘비닝’과 매우 유사하게 작동하며, 그림 3에서 볼 수 있다. 가장 밝은 이미지가 나타난다. 그러나 신호 대 잡음비의 개선은 CCD 비닝에 비해 작으며 제곱근 2의 계수로 향상된다. 이것이 카메라에서 또는 나중에 컴퓨터의 후 처리에서 수행되는 경우, 신호가 각 픽셀의 경우 25%와 2x2 비닝의 경우 100% 값을 생성하므로 오버플로가 발생하지 않도록 주의해야 한다.
평균화를 통한 비닝
평균화를 사용한 비닝은 2의 제곱근으로 신호 대 잡음비를 향상 시키지만 그림 4의 예에서 볼 수 있듯이 더 밝은 이미지를 생성하지는 않는다. 왼쪽에서 오른쪽으로 512x512 픽셀 이미지는 2x2 및 4x4에 의해 비닝되고 신호 대 잡음은 개선되지만, 해상도가 작아지는 동안 밝기는 일정하게 유지된다. 프로세스를 평균으로 사용하는 경우 오버플로에 주의를 기울일 필요가 없다. CMOS 및 sCMOS 이미지 센서에서 수학적 ‘비닝’의 장단점의 비교는 다음과 같다.
CMOS 및 sCMOS 이미지 센서에서 비닝의 장점
- 4개의 픽셀 값을 조합하면 신호 대 잡음비가 2의 제곱근으로 향상되므로 신호 대 잡음비가 약간 향상된다.
- 보다 적은 양의 이미지 데이터로 인해 더 높은 이미지 전송 속도(카메라에 USB2.0과 같이 낮은 대역폭의 데이터 인터페이스가 있는 경우 관련이 있을 수 있음)가 빨라진다.
CMOS 및 sCMOS 이미지 센서에서 비닝의 단점
- 결합된 픽셀 수로 공간 분해능이 감소한다.
- 카메라 또는 컴퓨터에서 추가 시간이 소요되며, 이는 고해상도 이미지 센서와 관련이 있을 수 있다.
- 픽셀 조합이 대칭이 아닌 경우 x-방향과 y-방향의 동일하지 않은 수의 픽셀이 결합되면 왜곡이 발생하여 후속 이미지 처리로 수정해야 한다.
CCD 와 CMOS(sCMOS) 이미지 센서의 비닝 차이
비닝 프로세스는 CCD와 CMOS 이미지 센서에서 기술적으로 근본적으로 다르다. CCD 이미지 센서의 경우 신호 대 잡음비가 크게 향상된다. 총 판독 노이즈가 일정하게 유지되는 동안 신호가 증가하기 때문이다. 다만, emCCD 이미지 센서에서만 충격 이온화 기반 곱셈 프로세스 및 클럭 노이즈로 인한 추가 증폭 노이즈로 인해 더 많은 노이즈 소스를 추가해야 하므로 좀 더 복잡하다. 충전 모드 비닝 기능이 없는 CMOS 이미지 센서에서 신호 대 잡음비의 개선은 노이즈 신호의 평균화에 의한 개선과 동일하므로 더 작다.
최근의 sCMOS 이미지 센서는 개선되어 매우 민감해졌다. 90% 이상의 양자 효율과 매우 낮은 판독 노이즈의 조합으로써 비닝 없이도 낮은 조명 측정이 가능하게 됐다.
자료 제공: PCO(www.pco.com)
