CMOS 전자 셔터: 글로벌 셔터 vs. 롤링 셔터, 그리고 선택 방법

디지털 이미징 분야에서 이미지 품질에 가장 큰 영향을 미치는 기술적 요소 중 하나는 센서에 사용되는 전자 셔터의 종류입니다. 고속 산업 공정을 촬영하든, 영화 장면을 촬영하든, 희미한 천문 현상을 포착하든, CMOS 카메라 내부의 셔터 기술은 최종 이미지 결과물에 매우 중요한 역할을 합니다.

CMOS 전자 셔터에는 크게 글로벌 셔터와 롤링 셔터 두 가지 유형이 있는데, 이 두 유형은 센서에서 빛을 노출시키고 읽어내는 방식이 매우 다릅니다. 이미징 시스템을 용도에 맞게 선택하려면 이 두 유형의 차이점, 장점 및 장단점을 이해하는 것이 필수적입니다.

이 글에서는 CMOS 전자 셔터란 무엇인지, 글로벌 셔터와 롤링 셔터는 어떻게 작동하는지, 실제 상황에서 어떤 성능을 보이는지, 그리고 어떤 셔터가 자신에게 가장 적합한지 결정하는 방법을 설명합니다.

CMOS 전자 셔터란 무엇인가요?

CMOS 센서는 대부분의 최신 카메라의 핵심 부품입니다. 들어오는 빛을 이미지로 처리할 수 있는 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 카메라의 "셔터"는 이러한 역할을 수행합니다.CMOS 카메라반드시 기계식 커튼일 필요는 없습니다. 많은 최신 디자인은 픽셀이 빛을 포착하는 방식과 시기를 제어하는 전자식 셔터를 사용합니다.

물리적으로 빛을 차단하는 기계식 셔터와 달리, 전자식 셔터는 각 픽셀 내에서 전하의 흐름을 시작하고 멈추는 방식으로 작동합니다. CMOS 이미지 처리에는 글로벌 셔터와 롤링 셔터라는 두 가지 주요 전자식 셔터 구조가 있습니다.

왜 구분이 중요할까요? 노출 방식과 판독 방식이 다음과 같은 요소에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.

● 모션 렌더링 및 왜곡

● 이미지 선명도

● 저조도 감도

● 프레임 속도 및 지연 시간

● 다양한 유형의 사진, 비디오 및 과학 영상 촬영에 전반적으로 적합합니다.

글로벌 셔터 이해하기

GMAX3405 글로벌 셔터 센서

글로벌 셔터는 어떻게 작동하나요?

CMOS 글로벌 셔터 카메라는 센서 전체에 걸쳐 노출을 동시에 시작하고 종료합니다. 이는 픽셀당 5개 이상의 트랜지스터와 판독 중에 획득한 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 기다립니다.

3. 노출이 끝나면 획득한 전하를 각 픽셀의 저장 노드로 이동시켜 해당 프레임의 노출을 종료합니다.

4. 각 행별로 전자를 픽셀의 판독 커패시터로 이동시키고, 축적된 전압을 판독 아키텍처로 전달하여 최종적으로 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 도달하게 합니다. 일반적으로 이 단계와 동시에 다음 노출을 수행할 수 있습니다.

글로벌 셔터의 장점

● 움직임 왜곡 없음 – 움직이는 피사체는 순차 판독에서 발생할 수 있는 기울어짐이나 흔들림 없이 형태와 기하학적 구조를 유지합니다.

● 고속 촬영 – 스포츠, 로봇 공학 또는 제조 품질 관리와 같이 빠르게 움직이는 장면에서 동작을 정지시키는 데 이상적입니다.

● 낮은 지연 시간 – 모든 이미지 데이터가 한 번에 제공되므로 레이저 펄스 또는 스트로브 조명과 같은 외부 이벤트와 정확하게 동기화할 수 있습니다.

글로벌 셔터의 한계

●낮은 광감도일부 글로벌 셔터 픽셀 설계는 동시 노출에 필요한 회로를 수용하기 위해 빛 수집 효율을 희생합니다.

●비용 및 복잡성 증가- 제작 과정이 더 어려워 롤링 셔터에 비해 가격이 더 높은 경우가 많습니다.

●소음 증가 가능성센서 설계에 따라 픽셀당 추가되는 전자 장치로 인해 판독 노이즈가 약간 높아질 수 있습니다.

롤링 셔터 이해하기

롤링 셔터 작동 원리

트랜지스터 4개만 사용하고 저장 노드가 없는 이 간소화된 CMOS 픽셀 설계 방식은 오히려 더 복잡한 전자 셔터 작동 방식을 초래합니다. 롤링 셔터 방식은 센서의 노출을 한 줄씩 순차적으로 시작과 중지하며, 마치 센서를 '말아 내리는' 것처럼 작동합니다. 각 노출마다 반대 순서(그림 참조)가 반복됩니다.

6x6 픽셀 카메라 센서용 롤링 셔터 프로세스

첫 번째 프레임은 센서 상단에서 노출(노란색)을 시작하여 한 줄씩 아래쪽으로 스캔합니다. 상단 라인의 노출이 완료되면 판독(보라색)이 시작되고, 이어서 다음 노출(파란색)이 센서 아래쪽으로 스캔됩니다.

1. 센서의 맨 윗줄에 노출을 시작하려면 먼저 축적된 전하를 제거하십시오.

지면.

2. '행 시간'이 경과하면 센서의 두 번째 행으로 이동하여 노출을 시작하고, 센서 아래쪽으로 이 과정을 반복합니다.

3. 맨 위 행에 대해 요청된 노출 시간이 완료되면, 획득한 전하를 판독 아키텍처를 통해 전송하여 노출을 종료합니다. 이 과정에 소요되는 시간을 '행 시간'이라고 합니다.

4. 한 행에 대한 판독이 완료되는 즉시, 이전 노출을 수행하는 다른 행과 겹치더라도 1단계부터 다시 노출을 시작할 준비가 됩니다.

롤링 셔터의 장점

●저조도 환경에서의 성능 향상– 픽셀 설계는 빛 수집을 우선시하여 어두운 환경에서 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있습니다.

●더 높은 다이내믹 레인지– 순차 판독 방식은 밝은 하이라이트와 어두운 그림자를 더욱 자연스럽게 처리할 수 있습니다.

●더 저렴한 가격– 롤링 셔터 CMOS 센서는 제조 비용이 더 저렴하고 일반적입니다.

롤링 셔터의 한계점

●모션 아티팩트빠르게 움직이는 피사체는 왜곡되거나 휘어져 보일 수 있는데, 이를 "롤링 셔터 효과"라고 합니다.

●영상 속 젤리 효과– 손으로 들고 촬영할 때 진동이나 빠른 패닝으로 인해 영상이 흔들릴 수 있습니다.

●동기화 문제- 외부 이벤트와의 정확한 타이밍이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

글로벌 셔터와 롤링 셔터: 나란히 비교

다음은 롤링 셔터와 글로벌 셔터의 주요 차이점을 간략하게 비교한 내용입니다.

특징	롤링 셔터	글로벌 셔터
픽셀 디자인	4트랜지스터(4T), 스토리지 노드 없음	트랜지스터 5개 이상, 스토리지 노드 포함
광감도	높은 충전율, 백라이트 포맷에 용이한 적용성 → 높은 양자 효율	충전율이 낮을수록 BSI는 더 복잡해집니다.
소음 성능	일반적으로 판독 노이즈가 더 낮습니다.	추가 회로로 인해 소음이 약간 더 커질 수 있습니다.
동작 왜곡	(비틀림, 흔들림, 젤리 효과 가능성 있음)	없음 — 모든 픽셀이 동시에 노출됨
속도 잠재력	노출 영역을 겹쳐서 여러 행을 읽을 수 있으며, 일부 설계에서는 더 빠른 경우가 있습니다.	전체 프레임 판독에 의해 제한되지만, 분할 판독을 통해 개선할 수 있습니다.
비용	제조 비용 절감	제조 비용 상승
최적 활용 사례	저조도 촬영, 영화 촬영, 일반 사진 촬영	고속 모션 캡처, 산업 검사, 정밀 계측

핵심 성능 차이점

롤링 셔터 픽셀은 일반적으로 저장 노드가 없는 4트랜지스터(4T) 설계를 사용하는 반면, 글로벌 셔터는 픽셀당 5개 이상의 트랜지스터와 판독 전에 광전자를 저장하기 위한 추가 회로가 필요합니다.

●충전율 및 민감도– 더 단순한 4T 아키텍처는 더 높은 픽셀 충진율을 가능하게 하여 각 픽셀 표면의 더 많은 부분이 빛을 모으는 데 사용됩니다. 이러한 설계는 롤링 셔터 센서가 후면 발광 포맷에 더 쉽게 적용될 수 있다는 점과 결합되어 양자 효율을 높이는 결과를 가져오는 경우가 많습니다.

●소음 성능트랜지스터 수가 적고 회로가 단순하기 때문에 롤링 셔터는 일반적으로 판독 노이즈가 낮아 저조도 환경에 더 적합합니다.

●속도 잠재력- 롤링 셔터는 특정 아키텍처에서 노출과 판독을 겹치게 할 수 있기 때문에 더 빠를 수 있지만, 이는 센서 설계 및 판독 전자 장치에 크게 좌우됩니다.

●비용 및 제조롤링 셔터 픽셀의 단순성은 일반적으로 글로벌 셔터에 비해 생산 비용을 낮추는 결과를 가져옵니다.

고급 고려 사항 및 기술

유사 글로벌 셔터

하드웨어로 작동되는 LED 또는 레이저 광원과 같이 센서에 빛이 도달하는 시점을 정밀하게 제어할 수 있는 상황에서는 롤링 셔터를 사용하여 "글로벌 셔터와 유사한" 결과를 얻을 수 있습니다. 이 유사 글로벌 셔터 방식은 조명을 노출 시간과 동기화하여 진정한 글로벌 셔터 설계 없이도 모션 아티팩트를 최소화합니다.

이미지 겹침

롤링 셔터 센서는 현재 프레임의 판독이 완료되기 전에 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다. 이러한 중첩 노출은 듀티 사이클을 향상시키고 초당 최대 프레임 수를 캡처하는 것이 중요한 고속 응용 분야에 유용하지만, 시간에 민감한 실험에는 어려움을 줄 수 있습니다.

다중 행 판독

많은 고속 CMOS 카메라는 한 번에 여러 행의 픽셀을 읽을 수 있습니다. 일부 모드에서는 행을 두 개씩 읽으며, 고급 설계에서는 최대 네 행을 동시에 읽어 전체 프레임 판독 시간을 효과적으로 단축할 수 있습니다.

분할 센서 아키텍처

롤링 셔터와 글로벌 셔터 모두 이미지 센서를 수직으로 두 부분으로 나누고 각 부분에 자체 ADC 행을 배치하는 분할 센서 레이아웃을 사용할 수 있습니다.

● 롤링 셔터 분할 센서에서는 판독이 중앙에서 시작하여 위쪽과 아래쪽으로 바깥쪽으로 진행되는 경우가 많아 지연 시간이 더욱 줄어듭니다.

● 글로벌 셔터 설계에서 분할 판독은 노출 동시성을 변경하지 않고도 프레임 속도를 향상시킬 수 있습니다.

용도에 맞는 셔터를 선택하는 방법: 롤링 셔터 또는 글로벌 셔터?

글로벌 셔터는 애플리케이션에 도움이 될 수 있습니다.

● 사건 발생 시점의 높은 정밀도가 요구됨

● 매우 짧은 노출 시간이 필요합니다

● 이벤트와 동기화하기 위해 데이터 수집 시작 전에 1밀리초 미만의 지연 시간이 필요합니다.

● 롤링 셔터와 유사하거나 더 빠른 시간 척도로 대규모 움직임이나 역동성을 포착합니다.

● 센서 전체에 걸쳐 동시 데이터 획득이 필요하지만, 넓은 영역에 걸쳐 유사 글로벌 셔터를 사용하기 위해 광원을 제어할 수는 없습니다.

롤링 셔터는 다양한 용도에 유용할 수 있습니다.

● 까다로운 저조도 환경: 롤링 셔터 카메라의 향상된 양자 효율과 낮은 노이즈는 종종 신호 대 잡음비(SNR) 개선으로 이어집니다.

● 센서 전체에서 정확한 동시성이 중요하지 않거나, 실험 시간 규모에 비해 지연 시간이 짧은 고속 응용 분야

● 롤링 셔터 카메라의 제조 용이성과 저렴한 비용이 유리한 기타 일반적인 응용 분야

흔히 잘못 알려진 사실들

1. "롤링 셔터는 항상 안 좋다."

사실이 아닙니다. 롤링 셔터는 많은 사용 사례에 적합하며 저조도 환경과 다이내믹 레인지 측면에서 글로벌 셔터보다 우수한 성능을 보이는 경우가 많습니다.

2. "글로벌 셔터가 항상 더 좋습니다."

왜곡 없는 촬영은 장점이지만, 비용, 노이즈 및 감도 측면에서의 절충이 느린 속도의 이미징이 제공하는 이점을 상쇄할 수 있습니다.

3. "롤링 셔터로는 동영상을 촬영할 수 없습니다."

많은 고급 영화 촬영용 카메라가 롤링 셔터를 효과적으로 활용하며, 세심한 촬영 기법을 통해 이러한 현상을 최소화할 수 있습니다.

4. "글로벌 셔터는 모든 모션 블러를 제거합니다."

기하학적 왜곡은 방지하지만, 장시간 노출로 인한 모션 블러는 여전히 발생할 수 있습니다.

결론

CMOS 카메라에서 글로벌 셔터와 롤링 셔터 기술 중 어떤 것을 선택할지는 움직임 처리, 감광도, 비용 및 특정 용도에 필요한 사항 간의 균형을 고려하여 결정됩니다.

● 빠르게 움직이는 장면을 왜곡 없이 촬영해야 한다면 글로벌 셔터가 확실한 선택입니다.

● 저조도 성능, 다이내믹 레인지, 그리고 예산을 우선시한다면 롤링 셔터가 최상의 결과를 제공하는 경우가 많습니다.

이러한 차이점을 이해하면 과학 이미지 촬영, 산업 모니터링 또는 창작 활동 등 어떤 목적에든 적합한 도구를 선택할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

항공 사진 촬영이나 드론 지도 제작에는 어떤 셔터 유형이 더 적합할까요?

기하학적 정확도가 중요한 지도 제작, 측량 및 검사 작업에서는 왜곡을 방지하기 위해 글로벌 셔터가 선호됩니다. 그러나 창의적인 항공 영상 제작의 경우, 움직임을 제어한다면 롤링 셔터도 여전히 훌륭한 결과물을 제공할 수 있습니다.

셔터 속도 선택은 저조도 촬영에 어떤 영향을 미칠까요?

롤링 셔터는 일반적으로 픽셀 설계에서 빛을 모으는 효율을 우선시할 수 있기 때문에 저조도 환경에서 성능이 우수합니다. 글로벌 셔터는 더 복잡한 회로를 필요로 하여 감도가 약간 떨어질 수 있지만, 최신 설계는 이러한 격차를 점차 줄여나가고 있습니다.

셔터 유형은 과학용 카메라에 어떤 영향을 미치나요?

입자 추적, 세포 역학 또는 탄도학 같은 고속 과학 이미징에서는 움직임으로 인한 왜곡을 방지하기 위해 글로벌 셔터가 필수적인 경우가 많습니다. 하지만 저조도 형광 현미경의 경우에는 그렇지 않습니다.sCMOS 카메라감도와 다이내믹 레인지를 극대화하기 위해 롤링 셔터를 선택할 수 있습니다.