카메라에 가장 적합한 렌즈를 선택하는 방법 2
Basler
(이 기사는 총 2회에 나눠서 연재되었습니다.)
5. 해상도/ 픽셀 크기/ 백만 픽셀 마케팅
해상도는 이미지 안에서 인지할 수 있는 가장 작은 디테일이 얼마나 작은지에 대한 측정치다. 검정색과 흰색 줄무늬를 이용해 두 무늬의 경계를 구분할 수 있는 선에서 두 줄무늬를 얼마나 가까이 배치할 수 있는지에 대해 측정 한다.
실제로, 해상도는 이미지 안에서 서로 구분할 수 있는 두 선 또는 두 점 사이의 측정 가능한 최소 거리를 나타낸다. 해상도는 ‘밀리미터당 라인 쌍’(lp/mm, 즉, 검정색 줄 한 개와 흰색 줄 한 개가 라인 쌍을 이룸) 또는 μm 단위의 픽셀 크기로 표시된다. μm 단위의 픽셀 크기는 밀리미터당 라인 쌍으로부터 계산할 수 있다.
픽셀 크기 μm = 1000 / 2x(lp/mm)
픽셀 크기는 센서가 신호로서 처리할 수 있는 광량을 결정한다. 따라서 픽셀이 큰 센서는 작은 픽셀을 가진 센서에 비해 더 많은 빛을 포집할 수 있다. 이는 센서 표면 자체에도 적용된다. 표면이 넓을수록 신호 처리를 위한 공간이 넓어지는데 이는 큰 픽셀이 적은 수가 있든, 아니면 작은 픽셀이 많은 수가 있든 마찬가지이다. 카메라의 데이터시트에 높은 픽셀 수가 적혀 있다면 높은 해상도를 암시하는것 같지만, 이는 렌즈와 함께 조합해 검토하면 일부만 맞다.
카메라와 센서가 얼마나 많은 픽셀 수를 제공하는지에 관계없이 픽셀 수에 렌즈를 최적으로 매칭시켜야 한다. 렌즈에는 해상도를 표시하기 위해 ‘메가픽셀, 5MP’ 등의 레이블이 붙어 있을 수 있지만 센서 크기와 관계없는 lp/mm 또는 m 수치가 그렇지 못한 ‘메가 픽셀’ 레이블 정보에 비해 더욱 유용하다. 메가픽셀 정보는 항상 센서 크기와 연계해 고려해야 한다.
렌즈 데이터시트의 메가 픽셀 수치는 해상도를 파악하는 데 유용하긴 하지만 센서 크기에 독립되어 있는 μm 및/또는 lp/mm 수치가 그렇지 못한 메가 픽셀 정보에 비해 더욱 유용하다. 메가 픽셀 정보는 항상 센서 크기와 연계해 고려해야 한다. 예를 들어 센서의 12메가 픽셀(즉, 1200만 개의 이미지 포인트)은 이상적인 경우라면 렌즈에 의해 완전하게 구분되어야 한다. 이럴 경우에만 ‘진정한 의미의’ 12 MP 해상도를 갖게 된다. 하지만 예를 들어, 렌즈 해상도가 5메가 픽셀이고 카메라 센서는 2메가 픽셀이라면 디테일과 구조는 카메라의 2메가 픽셀 센서안에서만 발휘될 것이다.
렌즈는 카메라와 결합된 뒤 ‘고해상도’ 카메라 센서의 데이터 시트 사양에 나와 있는 사양을 간신히 만족시키는 수준의 성능만 발휘한다. 그 결과는 산업용 화상 처리 애플리케이션의 요구 사항과 기대치를 일부만 만족시키는 품질이다. 렌즈에서 5 MP 해상도는 어떤 의미가 있을까? 이상적인 해상도는 검정색과 흰색 줄 사이의 경계가 쉽게 인식되는 것을 의미한다. 이것은 물리적으로 확인하는 것은 불가능하므로 이론상의 문제로 남아 있다. 사실 이들 경계는 흰색에서 검정색으로 전환되면서 흐려져 그레이 톤을 만든다.
렌즈 해상도가 낮을수록 색상 전환이 덜 선명해진다.
MTF(modulation transfer function)는 특정 해상도에서 렌즈가 제공하는 컨트래스트 레벨(예: 25%)을 결정한다(lp/mm 또는 픽셀 크기).
MTF는 꼭 확인해야 할 주요 정보이다. 물리적 측정과 픽셀 크기를 감안할 때 400 pixels/mm의 해상도를 갖는 센서를 예로 들어보겠다. 이 해상도는 200 lp/mm(line pairs)다. 아래 도표를 보면 이 렌즈는 40% 컨트래스트 등급을 갖게 된다. 40%의 값이 낮게 들리지만 사실 꽤 높은 값이다.
따라서 해상도에 대한 정보(MP, Lp/mm 또는 μm)는 컨트래스트에 대한 정보와 조합될 때만 이해할 수 있다. 제조업체의 정보는 보통 컨트래스트 25%를 기준으로 하며 25%의 MTF값은 이미지 샤프니스 차원에서 좋은 절충 지점이다.
2MP 카메라로 비슷한 해상도의 렌즈와 조합했을 때 보통 달성할 수 있는 것보다 높은 컨트래스트를 얻으려면 5MP 렌즈를 사용할 만한 가치가 있다. 5MP 렌즈가 저해상도 렌즈에 비해 더 비싸긴 하지만 컨트래스트는 눈에 띄게 높아질 것이다. 궁극적으로 카메라와 렌즈의 용도를 기준으로 추가 비용을 지불할 만한 가치가 있는지, 아니면 상대적으로 낮은 디테일로 충분한지 결정해야 한다.
6. 구경
최대 상대 구경에서 렌즈 데이터시트는 1:1.8 또는 1:2.2와 같은 정보를 제공한다. 이 수치가 f 값 또는 f 스톱 k를 결정한다. 이 값은 구경 지름(d)에 대한 초점 거리(f)의 관계를 제공한다.
K = f/d
f 값이 커질수록 구경이 작아지고 렌즈에 들어오는 빛이 적어진다.
f 값은 f 값 k와 포집된 광량의 감소 사이의 관계를 보여 준다.
이는 구경이 작으면(즉, f 값이 큼), 예를 들어 f 값이 16이면 f 값이 1인 경우(작은 f값)에 비해 256배 적은 빛이 들어옴을 의미한다.
f 값에 대한 표기법은 다양하다.
렌즈에는 다양한 종류의 구경을 장착할 수 있다. 이와 관련해 ‘조리개’ 또는 ‘구경’이라는 동의어에 대한 참고 자료가 작성되어 있다.
고정 조리개란 변경할 수 없는 고정된 구경을 의미한다. 대개 S-마운트 렌즈에 설치된다. 수동 조리개는 수동으로 조절 및 변경할 수 있다. 산업용 렌즈 및 IP 렌즈에서 찾을 수 있다.
DC 조리개, P 조리개는 변화하는 빛의 상태에 따라 자동으로 조절할 수 있다. 실외에서 작동하는 네트워크 카메라, 특히 모니터링 애플리케이션 및 지능형 교통 시스템에서는 이 기능이 중요하다.
셔터 속도 변경으로 노출 시간을 쉽게 전자 제어할 수 있기 때문에 일반적으로 자동 조리개 기능은 권장하지 않는다. 이미지 밝기를 조절하기 위해 조리개 크기, 즉 f 값을 변경하면 피사계 심도(depth of focus)도 바뀐다.
구경이 작아질수록, 즉 f 값이 커질수록 이미지 오류로 인한 영향이 작아지고 피사계 심도는 커진다. 하지만 구경이 작아진다 해도 구경 개구부에서 편차가 생겨 번짐 현상이 발생하기 때문에 이미지가 더 선명해지지는 않는다. 따라서 이미지 초점을 최적으로 맞출 수 있는 최적의 구경 설정이 있다. MV 카메라를 위한 최적의 구경은 1:2.0(3μm 미만의 픽셀과 높은 해상도의 렌즈), 그리고 1:11(10μm 초과 픽셀 크기 및 낮은 해상도의 렌즈) 사이이다.
C 마운트가 부착된 많은 MV 렌즈는 1:1.4의 구경으로 시작한다. 아주 높은 해상도의 렌즈나 초점 거리가 35mm 이상인 렌즈는 대개 1:2.0에서 1:2.8까지의 구경으로 시작한다. 대부분의 렌즈에서 수동 조절이 가능하기 때문에 구경은 보다 작게할 수 있다. 하지만, 이미지 서클이 너무 큰 경우와 마찬가지로 높은 가격에 구입한 렌즈의 성능을 최대한 활용하지 못하게 된다. 따라서 광량이 충분한데 렌즈를 선택해야 할 경우 비교적 작은 구경의 렌즈를 선택하라.
7. 스펙트럼 범위
표준 렌즈는 파장이 400–700nm 사이인 가시광용으로 설계되어 있다. 이는 적외선 빛이 번지게 됨을 의미한다. 이러한 번짐 현상은 적외선만 사용한다면 받아들일만 한다. 하지만 렌즈가 적외선과 가시광을 동시에 받아들일 경우 400–1000nm 사이의 파장을 처리할 수 있어야 한다. 이렇게 되면 렌즈 가격이 높아지거나 다른 쪽 성능을 포기해야만 해당 파장 범위를 커버할 수 있음을 의미한다.
8. 작동 거리/ 배율 상수
대부분의 MV 렌즈는 산업용 애플리케이션에서 카메라와 피사체 간평균 거리에 해당되는 대략 50cm의 작동 거리에 최적화되어 있다. 표준 렌즈는 ß = 1: 및 1:10(센서 크기: 피사체 크기) 사이의 비율에서 최상의 이미지를 생성한다. 이것은 대개 최소 광학 거리(MOD)로 제한되어 있다. 이 거리를 늘려 배율을 높이기 위해 렌즈와 카메라 사이에 스페이서를 끼울 수 있다.
하지만 렌즈가 해당 배율에 맞게 설계되어 있지 않기 때문에 일반적으로 이미지 품질이 심각하게 저하된다. 따라서 최적의 이미지 품질을 위해서는 가능하면 스페이서 사용을 피해야 한다. 산업용 화상 처리에서 자주 있는 경우와 같이 배율 상수가 1:10을 초과하면 대략 1:10–1:1 범위를 커버하는 매크로 렌즈의 도움을 받을 수 있다. ß가 5 이상(또는 5배 이상)인 배율은 현미경 렌즈의 영역이다.
9. 결론
적합한 렌즈를 검색할 때는 주요 기준을 하나씩 따져보는 것이 도움이 된다. 기준은 다음과 같다.
1. 카메라의 렌즈 연결 포인트에 따라 렌즈를 카메라에 고정하기 위해 필요한 렌즈 마운트 종류가 결정된다.
2. 렌즈 이미지 서클과 카메라 센서 크기가 최대한 일치하는지 확인하라. 관련 정보는 렌즈 데이터시트의 ‘최대 이미지 서클’ 정보에서 제공된다.
3. 정확한 초점 거리를 계산하려면 제조업체 홈페이지 온라인 Lens Selector를 이용하라.
4. 적합한 렌즈 종류는 초점 거리를 조절해야 할지 여부에 좌우된다.
5. 센서 해상도를 렌즈가 실제로 수용할 수 있는지 꼼꼼히 따져 보라. 해상도가 높은 것만으로는 아무런 의미가 없다.
6. 다양한 종류의 구경과 f 값에 익숙해지라. f 값은 대개 ‘최대 상대 구경’ 밑의 데이터시트에 표시된다.
7. 렌즈가 처리해야 할 스펙트럼 범위는 무엇인가. 가시광만 처리하면 되는가 아니면 적외선도 처리해야 하는가.
8. 카메라와 피사체 간 최소 광학 거리(MOD)를 파악하라. 이 거리에 따라 작동 거리가 결정되고 이미지 품질에 중요한 영향을 준다.
렌즈는 기본적으로 특정 성능 사양에 맞춰 최적화된다. 이는 f 값, 이미지 서클/센서 크기, 스펙트럼 범위, 해상도 및 가격 등의 절충이 이루어짐을 의미한다.
자료 제공: Basler(www.baslerweb.com)
