2021년 8월 25일디지털 이미징 분야에서 이미지 품질에 가장 큰 영향을 미치는 기술적 요소는 센서에 내장된 전자 셔터의 종류입니다. 고속 산업 공정 촬영, 영화 시퀀스 촬영, 희미한 천문 현상 포착 등 어떤 작업을 하든 CMOS 카메라에 내장된 셔터 기술은 최종 이미지의 결과물에 중요한 역할을 합니다.
CMOS 전자 셔터의 두 가지 주요 유형인 글로벌 셔터와 롤링 셔터는 센서에서 빛을 노출하고 판독하는 데 매우 다른 접근 방식을 취합니다. 이미징 시스템을 애플리케이션에 맞게 조정하려면 두 셔터의 차이점, 장점, 그리고 장단점을 이해하는 것이 필수적입니다.
이 글에서는 CMOS 전자 셔터가 무엇인지, 글로벌 셔터와 롤링 셔터가 어떻게 작동하는지, 실제 상황에서 어떻게 수행되는지, 그리고 어떤 셔터가 자신에게 가장 적합한지 결정하는 방법에 대해 설명합니다.
CMOS 전자 셔터란?
CMOS 센서는 대부분의 최신 카메라의 핵심입니다. 들어오는 빛을 이미지로 처리할 수 있는 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 카메라의 "셔터"는CMOS 카메라반드시 기계식 커튼은 아닙니다. 많은 현대적 디자인은 픽셀이 언제 어떻게 빛을 포착하는지를 제어하는 전자 셔터에 의존합니다.
빛을 물리적으로 차단하는 기계식 셔터와 달리, 전자식 셔터는 각 픽셀 내에서 전하의 흐름을 시작하고 멈추는 방식으로 작동합니다. CMOS 이미징에는 글로벌 셔터와 롤링 셔터라는 두 가지 주요 전자식 셔터 아키텍처가 있습니다.
구별이 왜 중요할까요? 노출 및 판독 방법이 다음 사항에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.
● 모션 렌더링 및 왜곡
● 이미지 선명도
● 저조도 감도
● 프레임 속도 및 지연 시간
● 다양한 유형의 사진, 비디오 및 과학적 이미징에 대한 전반적인 적합성
글로벌 셔터 이해
출처: GMAX3405 글로벌 셔터 센서
글로벌 셔터 작동 방식
CMOS 글로벌 셔터 카메라는 센서 전체에서 노출을 동시에 시작하고 끝냅니다. 이는 픽셀당 5개 이상의 트랜지스터와 판독 과정에서 획득된 광전자 전하를 저장하는 '저장 노드'를 사용하여 구현됩니다. 노출 순서는 다음과 같습니다.
1. 획득한 전하를 접지로 제거하여 각 픽셀에서 동시에 노출을 시작합니다.
2. 선택한 노출 시간 동안 기다리세요.
3. 노출이 끝나면 획득한 전하를 각 픽셀의 저장 노드로 옮겨 해당 프레임의 노출을 종료합니다.
4. 행 단위로 전자를 픽셀의 리드아웃 커패시터로 이동시키고, 축적된 전압을 리드아웃 구조로 전달하여 아날로그-디지털 변환기(ADC)에서 최종적으로 처리합니다. 다음 노출은 일반적으로 이 단계와 동시에 수행될 수 있습니다.
글로벌 셔터의 장점
● 동작 왜곡 없음 – 연속 판독에서 발생할 수 있는 왜곡이나 흔들림 없이 움직이는 피사체의 모양과 기하학적 형태가 그대로 유지됩니다.
● 고속 캡처 – 스포츠, 로봇 공학 또는 제조 품질 관리와 같이 빠르게 움직이는 장면에서 동작을 정지하는 데 이상적입니다.
● 낮은 지연 시간 – 모든 이미지 데이터를 한 번에 사용할 수 있으므로 레이저 펄스나 스트로브 조명과 같은 외부 이벤트와 정밀하게 동기화할 수 있습니다.
글로벌 셔터의 한계
● 낮은 광 감도 – 일부 글로벌 셔터 픽셀 설계는 동시 노출에 필요한 회로를 수용하기 위해 광 수집 효율성을 희생합니다.
● 높은 비용 및 복잡성 – 제작이 더 까다로워서 롤링 셔터에 비해 가격이 더 비싼 경우가 많습니다.
● 노이즈 증가 가능성 – 센서 설계에 따라 픽셀당 추가 전자 장치로 인해 읽기 노이즈가 약간 더 높아질 수 있습니다.
롤링 셔터 이해
롤링 셔터 작동 방식
트랜지스터 4개만 사용하고 저장 노드를 사용하지 않는 이 단순한 CMOS 픽셀 설계 방식은 전자 셔터 작동을 더욱 복잡하게 만듭니다. 롤링 셔터 픽셀은 센서 노출을 한 번에 한 행씩 시작하고 중지하며, 센서를 아래로 '굴립니다'. 각 노출에는 반대 순서(그림에도 표시됨)가 적용됩니다.
그림: 6x6 픽셀 카메라 센서의 롤링 셔터 프로세스
첫 번째 프레임은 센서 상단에서 노출(노란색)을 시작하여 라인당 한 라인씩 아래로 이동합니다. 상단 라인의 노출이 완료되면, 판독(보라색)이 시작되고 다음 노출(파란색)이 센서를 따라 아래로 이동합니다.
1. 획득한 전하를 접지하여 센서의 윗줄에 대한 노출을 시작합니다.
2. '행 시간'이 경과한 후 센서의 두 번째 행으로 이동하여 노출을 시작하고 센서를 따라 반복합니다.
3. 위쪽 행에 대해 요청된 노출 시간이 완료되면, 획득된 전하를 판독 아키텍처를 통해 전송하여 노출을 종료합니다. 이 작업에 걸리는 시간을 '행 시간'이라고 합니다.
4. 행에 대한 판독이 완료되면 이전 노출을 수행한 다른 행과 겹치더라도 1단계부터 다시 노출을 시작할 준비가 됩니다.
롤링 셔터의 장점
●더 나은 저조도 성능– 픽셀 설계는 빛 수집을 우선시하여 어두운 환경에서도 신호 대 잡음비를 개선합니다.
●더 높은 다이내믹 레인지– 순차적 판독 디자인은 더 밝은 하이라이트와 더 어두운 그림자를 더 우아하게 처리할 수 있습니다.
●더 저렴한– 롤링 셔터 CMOS 센서는 제조 비용이 저렴하고 일반화되어 있습니다.
롤링 셔터의 한계
●모션 아티팩트– 빠르게 움직이는 피사체는 기울어지거나 구부러져 보일 수 있는데, 이를 "롤링 셔터 효과"라고 합니다.
●영상 속 젤로 효과– 진동이 있거나 빠른 팬이 있는 핸드헬드 영상은 이미지가 흔들릴 수 있습니다.
●동기화 과제– 외부 이벤트에 대한 정확한 타이밍이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.
글로벌 셔터 vs. 롤링 셔터: 나란히 비교
롤링 셔터와 글로벌 셔터를 비교한 개략적인 보기는 다음과 같습니다.
| 특징 | 롤링 셔터 | 글로벌 셔터 |
| 픽셀 디자인 | 4트랜지스터(4T), 스토리지 노드 없음 | 5개 이상의 트랜지스터, 저장 노드 포함 |
| 빛 민감도 | 더 높은 채우기 계수, 백라이트 형식에 쉽게 적용 → 더 높은 QE | 채우기 계수가 낮을수록 BSI가 더 복잡해집니다. |
| 소음 성능 | 일반적으로 낮은 읽기 노이즈 | 추가된 회로로 인해 소음이 약간 더 높아질 수 있습니다. |
| 모션 왜곡 | 가능(비뚤어짐, 흔들림, 젤리 효과) | 없음 - 모든 픽셀이 동시에 노출됨 |
| 속도 잠재력 | 노출을 겹치고 여러 행을 읽을 수 있습니다. 일부 디자인에서는 더 빠릅니다. | 전체 프레임 판독에 제한이 있지만 분할 판독이 도움이 될 수 있습니다. |
| 비용 | 제조 비용 절감 | 제조 비용이 더 높음 |
| 최상의 사용 사례 | 저조도 이미징, 영화 촬영, 일반 사진 | 고속 모션 캡처, 산업 검사, 정밀 계측 |
핵심 성능 차이
롤링 셔터 픽셀은 일반적으로 저장 노드가 없는 4트랜지스터(4T) 디자인을 사용하는 반면, 글로벌 셔터는 픽셀당 5개 이상의 트랜지스터와 읽기 전에 광전자를 저장하기 위한 추가 회로가 필요합니다.
●채우기 계수 및 감도– 더 단순한 4T 아키텍처는 더 높은 픽셀 필 팩터(fill factor)를 허용하여 각 픽셀의 더 많은 표면적이 빛을 모으는 데 사용됩니다. 이러한 설계는 롤링 셔터 센서가 백라이트 방식에 더 쉽게 적용될 수 있다는 사실과 결합되어 더 높은 양자 효율을 가져오는 경우가 많습니다.
●소음 성능– 트랜지스터가 적고 회로가 덜 복잡하다는 것은 일반적으로 롤링 셔터가 읽기 노이즈를 낮게 나타내므로 저조도 애플리케이션에 더 적합하다는 것을 의미합니다.
●속도 잠재력– 롤링 셔터는 특정 아키텍처에서 더 빠를 수 있는데, 이는 노출과 판독이 겹치기 때문입니다. 하지만 이는 센서 설계와 판독 전자 장치에 크게 좌우됩니다.
비용 및 제조 – 롤링 셔터 픽셀의 단순성은 일반적으로 글로벌 셔터에 비해 생산 비용이 낮다는 것을 의미합니다.
고급 고려 사항 및 기술
가상 글로벌 셔터
하드웨어로 트리거되는 LED 또는 레이저 광원을 사용하는 것처럼 빛이 센서에 도달하는 시점을 정밀하게 제어할 수 있는 상황에서는 롤링 셔터를 사용하여 "글로벌 셔터와 유사한" 결과를 얻을 수 있습니다. 이 유사 글로벌 셔터 방식은 조명을 노출 창과 동기화하여 진정한 글로벌 셔터 설계 없이도 모션 아티팩트를 최소화합니다.
이미지 오버랩
롤링 셔터 센서는 현재 프레임의 판독이 완료되기 전에 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다. 이러한 중첩 노출은 듀티 사이클을 개선하고 초당 최대 프레임 수를 포착하는 것이 중요한 고속 애플리케이션에 유용하지만, 타이밍에 민감한 실험을 복잡하게 만들 수 있습니다.
다중 행 판독
많은 고속 CMOS 카메라는 한 번에 여러 행의 픽셀을 읽을 수 있습니다. 일부 모드에서는 행을 쌍으로 읽지만, 고급 설계에서는 최대 4개의 행을 동시에 읽을 수 있어 전체 프레임 판독 시간을 효과적으로 단축할 수 있습니다.
분할 센서 아키텍처
롤링 셔터와 글로벌 셔터는 모두 분할 센서 레이아웃을 사용할 수 있습니다. 여기서 이미지 센서는 수직으로 두 부분으로 나뉘며, 각 부분에는 ADC 행이 있습니다.
● 롤링 셔터 분할 센서의 경우, 판독은 중앙에서 시작하여 상단과 하단을 향해 바깥쪽으로 굴러가며 지연 시간을 더욱 줄입니다.
● 글로벌 셔터 디자인에서는 분할 판독을 통해 노출 동시성을 변경하지 않고도 프레임 속도를 향상시킬 수 있습니다.
용도에 맞게 롤링 셔터나 글로벌 셔터를 선택하는 방법?
글로벌 셔터는 응용 프로그램에 도움이 될 수 있습니다.
● 고정밀 이벤트 타이밍 요구
● 매우 짧은 노출 시간이 필요합니다
● 이벤트와 동기화하기 위해 수집 시작 전에 밀리초 미만의 지연이 필요합니다.
● 롤링 셔터와 비슷하거나 더 빠른 시간 척도로 대규모 동작이나 역학을 캡처합니다.
● 센서 전체에서 동시 수집이 필요하지만 넓은 영역에 걸쳐 가상 글로벌 셔터를 사용하도록 광원을 제어할 수 없습니다.
롤링 셔터는 응용 프로그램에 도움이 될 수 있습니다.
● 저조도 애플리케이션의 어려움: 롤링 셔터 카메라의 추가적인 양자 효율과 낮은 노이즈는 종종 향상된 SNR로 이어집니다.
● 센서 전체의 정확한 동시성이 중요하지 않거나 실험 시간 척도에 비해 지연이 작은 고속 응용 프로그램
● 롤링 셔터 카메라의 제조 단순성과 낮은 비용이 유리한 기타 보다 일반적인 응용 분야
일반적인 오해
1. "롤링 셔터는 항상 나쁘다."
사실이 아닙니다. 롤링 셔터는 다양한 사용 사례에 이상적이며 낮은 조명과 다이내믹 레인지에서 글로벌 셔터보다 성능이 뛰어난 경우가 많습니다.
2. "글로벌 셔터는 항상 더 좋습니다."
왜곡 없는 촬영이 장점이기는 하지만, 비용, 노이즈, 감도 측면에서의 균형이 느린 영상 촬영의 이점보다 더 클 수 있습니다.
3. "롤링 셔터로는 영상을 촬영할 수 없습니다."
고급 영화 카메라 중 상당수는 롤링 셔터를 효과적으로 사용합니다. 신중한 촬영 기술을 사용하면 아티팩트를 최소화할 수 있습니다.
4. "글로벌 셔터는 모든 모션 블러를 제거합니다."
기하학적 왜곡은 방지되지만 장시간 노출로 인한 모션 블러는 여전히 발생할 수 있습니다.
결론
CMOS 카메라에서 글로벌 셔터 기술과 롤링 셔터 기술을 선택하는 것은 동작 처리, 광 감도, 비용 및 특정 애플리케이션 요구 사항 간의 균형에 달려 있습니다.
● 빠르게 움직이는 장면을 왜곡 없이 촬영해야 하는 경우 글로벌 셔터가 확실한 선택입니다.
● 저조도 성능, 다이내믹 레인지, 예산을 우선시하는 경우 롤링 셔터가 종종 가장 좋은 결과를 제공합니다.
이러한 차이점을 이해하면 과학적 이미징, 산업 모니터링, 창의적 생산 등 어떤 용도에든 적합한 도구를 선택할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
항공 사진이나 드론 매핑에는 어떤 셔터 유형이 더 적합합니까?
기하학적 정확도가 중요한 매핑, 측량 및 검사의 경우, 왜곡을 방지하기 위해 글로벌 셔터가 선호됩니다. 하지만 창의적인 항공 영상의 경우, 움직임을 제어한다면 롤링 셔터로도 훌륭한 결과를 얻을 수 있습니다.
셔터 선택은 저조도 이미지에 어떤 영향을 미치나요?
롤링 셔터는 픽셀 설계가 집광 효율을 우선시하기 때문에 일반적으로 저조도 성능에 유리합니다. 글로벌 셔터는 감도를 약간 떨어뜨릴 수 있는 더 복잡한 회로가 필요할 수 있지만, 최신 설계는 이러한 차이를 줄이고 있습니다.
산업용 검사에는 어떤 것이 더 좋나요?
대부분의 산업 검사 작업, 특히 움직이는 컨베이어 벨트, 로봇, 머신 비전과 관련된 작업에서는 글로벌 셔터가 동작으로 인한 기하학적 오류 없이 정밀한 측정을 보장하는 더 안전한 선택입니다.
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