카메라의 기본 구조 2 - 센서

카메라의 꽃이라 할 수 있는 센서에 대해 알아봅니다. 

카메라의 렌즈를 통해 들어오는 빛을 어딘가에선 기록을 해야 하는데 그것이 바로 필름이나 센서입니다. 필름은 각자 파랑, 녹색, 빨강에 반응하는 화학성분을 아주 얇은 레이어로 만들어서 겹친 것입니다. 각자 반응한 정도를 결국 다 겹치면 그림이 나오는 것이죠. 흔히 사용하는 필의 크기가 35mm였고 이것을 기반으로 디지털로 발달된 것들이 우리가 말하는 Full frame 카메라 라고 하는 겁니다. 예전의 필름처럼 35mm다 쓴다고 해서 꽉 찬 프레임이라고 하는 것입니다. 이게 필름일 때는 필름 규격이 있고 카메라도 필름을 써야 하기 때문에 다 통일이 되어 있었는데 디지털화되면서 필름처럼 통일할 필요가 전혀 없기 때문에 센서의 크기들이 여러 개로 나뉘어 버렸습니다. 하지만 기본적인 작동 원리는 비슷합니다. 각자의 색에 반응하는 아주 작은 알갱이가 필름에 있듯, 디지털 센서에도 각자의 색에 반응하는 아주 작은 픽셀들이 있습니다. 

 

2024년 기준 현재에는 거의 대부분의 카메라들이 CMOS계열의 센서를 사용하는데 10년 전까지만 해도 CCD와 CMOS의 경쟁 구조였습니다. 지금도 CCD카메라가 쓰이긴 합니다. 사진, 즉 정지된 장면을 촬영하는 데에는 사실 CCD가 훨씬 앞썬 기술이라고 보면 됩니다. 애초에 CMOS는 CCTV 같은 카메라에 많이 사용했는데 이게 점차 발달해서 우리가 사용하는 카메라 자리를 잡게 된 것입니다. 비디오는 CMOS 많이 사용하지만 스틸사진기는 거의 모든 카메락 CCD를 사용했었습니다. 아직도 CCD를 사용하는 줄 안다면 아마 CCD시대에 20~30대였을 가능성이 많습니다. 

CCD는 발전이 많이 된 기술이라 노이즈도 훨씬 적고 보다 정확하고 정밀한 촬영이 가능합니다. 아직도 의료나 천체관련 카메라에 사용되고 있습니다. 그에 반에 CMOS는 CCTV에나 사용될 정도로 그다지 뛰어난 화질을 구연하지 못했습니다. 노이즈도 많고 생산원가 CCD보다 몇 배나 더 많이 드는 기술이었습니다. 하지만 전력 소모가 워낙 히 낮아서 비디오 센서로 쓰였습니다. 사진은 찍을 때만 전기를 흘려보내는 CCD가 저 적합했고 매 순간 피드를 해야 하는 비디오에는 CMOS가 더 적합했습니다. 

CCD가 결국 소비자 제품군에서 사라지게 된 이유는 CCD가 가진 단점이 작은 단점이 아니라 큰 단점으로 떠오르고, 유투브나 동영상 콘텐츠가 빛을 발하면서 전기도 많이 먹고 한 장 한 장 찍어내는 CCD가 점차 필요 없어진 거죠. CCD로 300~400장만 찍어도 배터리가 거의 다 소모되는 정도였습니다. 

카메라 상단에 이렇게 LED화면으로 모든 정보고 표기 됐다. 이런 정보가 처음 LCD로 표기 되었을때 엄청 생소하다고 느꼈다. LCD는 찍은 사진 확인용으로 사용했었다.카메라의 전력 절반이상이 LCD로 낭비 되기때문에 viewfinder뷰파인더 화면을 이용하면 더 오래 간다.

 

카메라기능에 점차 비디오 기능이 강세를 보이면서, 판매상 주요 기능이 되어 버린겁니다. 비디오 기능을 넣지 않으면 팔리지 않았고 점차 좋은 비디오 기능을 요구하기 시작했습니다. 그래서 대부분의 카메라 회사들이 CMOS를 주목했고 그 덕에 CMOS의 엄청난 발전이 이루어졌고, 그러면서 생산단가도 엄청나게 떨어졌습니다. CMOS의 가장 큰 단점 중 하나였던 노이즈도 많이 감소하게 되었습니다. DSLR처럼 거울 달린 카메라가 사라지고 미러리스가 유행하면서 CMOS처럼 상시로 전기를 흘리면서 사진 프드를 받는 것이 필요해진 것도 이유 중 하나입니다. LCD화면으로 찍기 전 결과물을 볼 수 있다는 장점. DSLR도 CCD를 사용했다면 찍은 후 보는 게 흔했습니다. CCD로 라이브 피드가 불가능한 건 아니지만 라이브 피드를 꺼놓는 기능이 있을 만큼 전기소모가 심했습니다. 

 

졸려서 빨리 쓰고 자기 위해 이제부터 제가..반말을 하겠습니다. 

 

앞에도 말했듯 디지털 센가 도입된 후로 센서의 크기를 굳이 35mm로 유지할 필요가 없어졌고 각자의 센서에 맞는 렌즈를 개발하기 시작했다. 물론 35mm를 기반으로 만들어진 렌즈를 사용하면 작은 센서가 작아진 만큼만 빛을 받기 때문에 여백이 날아가고 그만큼 줌 된 화면이 촬영됐다. 하지만 이도 각자 맞는 렌즈 개발과 기술 발달로 무의미 해졌다. 아직도 풀프레임이 많이 사용되는 이유는 그만큼 렌즈가 많고 많은 빛을 받아내기 때문이다. 작은 센서에서 빛을 돋보기처럼 모아서 받으려면 센서와 렌즈 와의 거리 또한 늘어나기 때문에 렌즈가 길어진다. 그래서 그냥 가까이 붙이고 35mm에서 Crop 된 비율을 적용해서 사용한다. 센서의 크기는 Full Frame, APS-C, Micro4/3 (M43), 1inch 순으로 작아진다. 센서가 작아질수록 전력이나 공간 효율이 극대화되기 때문에 APS-C센서를 많이 사용하다 더 작아진 Micro 4/3 가 유행했었다. 작지만 너무 작지 않고 충분히 좋은 화질을 구현하고 전력소모도 적어서 인기가 많았다. 풀 프레임을 마이크로 포떠드로 바꿔주는 스피드 부스터가 불티나게 팔렸다. 그리고 1인치 센서도 니콘에서 주력 미러리스로 판매하면서 작은 센서도 잘 찍힌다는 것을 알게 되었다. 센서가 작아지기 시작하면서부터 거의 대부분의 모든 회사가 CMOS를 사용하기 시작했다. 

내가 가장 좋아하는 것은 1인치 센서이다. 화질을 포기하지 않은 최소한의 크기라고 생각한다.

CMOS의 변화. CMOS는 다 좋았지만 단점인 노이즈를 극복하기 위해 BSI-CMOS 만들었다. 자세한 구조는 글로 쓰기는 애매하니 구글을 검색해 보기를 바란다. 결론만 말하자면 노이즈가 확연히 줄어든 센서다. 

하지만 노이즈가 줄어도 CMOS의 가장 지랄이라 할 수 있는 롤링셔터 현상은 어쩔수 없었다.

CCD센서는 빛을 한순간에 다 잡아서 사진을 만들었기 때문에 정말 한장의 사진이라 할 수 있었다. CMOS는 센서면적에서 작은 픽셀을 순서대로 전기를 흘려서 그 옆에 있는 전자기기판이 신호를 감지하고 일일이 프로세싱을 하기 때문에 보통 센서의 윗부분에서부터 아래로 차례대로 픽셀들이 빛을 잡아내는 형식이다.

노란 줄처럼 순서대로 주루룩 찍힌다. 좋은 CMOS일수록 엄청 빨리 찍혔다

이게 가장 짜능나는 부분이다. 엄청나게 빨리 움직이는 사진을 찍기에는 무리이기 때문에 스포츠용 카메라는 CCD가 대부분 이였다. 그러나 불편함을 견디지 못하는 인간들이 Stacked CMOS를 개발했다. 센서의의 픽셀 뒤로 쌓듯이 각 픽셀에 반응하는 전자기판이나 프로세싱 유닛을 배열하면서 픽셀판 전체가 동시에 찍히게 만든 것이다. 이로 인해 롤링서텨가 없어진 것만이 아닌 엄청나게 빨리 연사가 가능 해진 것이다. 초당 30장만 찍혀도 그게 결국 비디오의 30 fps가 되는 것이다. 그럼 비디오도 롤링셔터 없는 보다 정확한 그림의 구현이 가능해진 것이다. 

사실상 이정도면 그냥 센서의 끝이라고 봐도 무색하다. 요즘 캠코더를 보면 거의 다 S-CMOS라고 적혀 있던지 그냥 stacked cmos라고 적혀있다. scmos와 그냥 cmos의 가격차이도 좀 날뿐더러 실제 찍었을 때도 결과물이 다르다. 가장 흔한 캠코더가 1인치 크기의 스택씨엠오에스 센서이다. 작고 오래가고 센서는 작지만 화소수는 높고 센서크기에 딱 맞는 렌즈로 판매된다. 이제 글을 읽으로 하지 않고 유부브로만 정보를 얻으려는 세상에서 SCMOS야 말로 최적의 센서라 할 수 있다. 

 

그리고 정말 끝판왕으로 만든게 바로 Dual ISO이다. 이것은 센서 이름이 아니라 ISO가 두 개 들어간 센서이다. ISO가 낮을 때는 노이즈도 적고 다이내믹 레인지도 꽤 넓은 편이다. 물론 낮다고 다 넓은 건 아니고 200~400 사이에서 가장 넓은 다이내믹 레인지가 나오는 카메가도 많다. 빛이 적으면 ISO를 올려 찍는 것이 맞는데 그럼 노이즈가 늘어나기 때문에 아예 ISO 범위가 엄청 넓게 개발을 해서 낮은 범위의 ISO 보다 폭넓게 사용하게 했다. 그래도 밤촬영은 여전히 노이즈가 많았다. 그래서 만든 게 듀얼 ISO이다. 하나는 일반적으로 오후에 촬영하기 적합하게 했고 다른 하나는 밤이나 빛이 없을 때 낮은 ISO로 시작한다고 보면 된다. 대게 ISO가 하나일 경우 하나로 오후 밤을 다 커버해야 하기 때문에 밤으로 갈수록 구려진다. 하지만 dual iso는 빛이 적은 상태에서 ISO의 시작점 이기 때문에 결과물이 깨끗하다. 그래서 ISO를 듀얼로 적용한 것이 Dual ISO sensor이다.

이런 센서는 비디오 카메라에 많이 사용하고 일반적인 스틸 카메라를 타깃으로 만든 카메라에는 많이는 없다. 비디오보단 스틸이 노이즈가 적다. 

우리가 스틸을 직더라도 LCD화면에 나오는 노이즈 많은 화면이 최종 결과 물은 아니다. CMOS를 사용해도 라이브 피드를 LCD화면으로 할 경우 전력소모도 아낄 겸 이모저모 해서 노출만 대충 확인할 수 있게 해주는 경우가 있다. 막상 찍어보면 LCD화면에서 본 것과 대조적인 좋은 결과물이 나온다.