HDR(하이 다이나믹 레인지)란 카메라나 이미지 센서가 포착할 수 있는 밝기의 범위를 말합니다. 이 기술을 통해 매우 어두운 부분부터 매우 밝은 부분까지 동시에 자세하게 표현하는 것이 가능해집니다. 본 기사에서는 HDR의 기본 개념, CMOS 이미지 센서에서의 다이나믹 레인지 정의와 계산 방법, 그리고 HDR을 구현하기 위한 기술적 접근법에 대해 자세히 해설합니다.
HDR이란 무엇인가?
HDR은 “High Dynamic Range”의 약자로, 카메라나 이미지 센서가 포착할 수 있는 밝기 범위, 즉 다이나믹 레인지를 확장하는 기술입니다. 기존의 SDR(Standard Dynamic Range)에서는 명암차가 큰 장면에서 어두운 부분이 손실되거나 밝은 부분이 하이라이트로 날아가는 현상이 있었습니다. HDR 기술을 사용함으로써 이러한 문제를 해결하고, 장면 전체의 디테일을 보다 충실하게 재현할 수 있습니다.
아래 이미지는 SDR과 HDR의 비교를 보여줍니다. SDR에서는 어두운 부분과 밝은 부분의 계조가 손실되었지만, HDR에서는 두 부분의 계조가 확실하게 표현되고 있습니다.
引用元：Sony What’s HDR(https://imagesensor-info.com/wp-admin/post.php?post=83&action=edit)
CMOS 이미지 센서에서의 다이나믹 레인지
CMOS 이미지 센서의 다이나믹 레인지는 센서가 동시에 포착할 수 있는 가장 어두운 신호와 가장 밝은 신호의 비율로 정의됩니다. 구체적으로는, 픽셀의 포화 신호량(Ssat)과 암전류 노이즈(Ndark)의 비율로 표현되며, 다음의 식으로 계산됩니다:
$$ DR = 20logfrac{Ssat}{Ndark}[dB] $$
예를 들어, 포화 신호가 100,000이고 암전류 노이즈가 10인 경우, 다이나믹 레인지는 100dB가 됩니다. 일반적으로, 다이나믹 레인지가 100dB 이상일 경우, HDR 성능을 갖춘 것으로 간주됩니다.
다이나믹 레인지를 확장하는 방법
CMOS 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 확장하기 위해서는 다음과 같은 접근법이 고려됩니다:
- 포화 용량의 증가: 픽셀의 포화 용량을 증가시킴으로써 센서가 수신할 수 있는 최대 광자 수를 증가시키고, 밝은 부분의 정보를 더 많이 얻을 수 있습니다.
- 노이즈의 저감: 암전류나 읽기 노이즈를 저감함으로써 어두운 부분의 신호 대 노이즈 비율(SNR)을 향상시키고, 어두운 부분의 디테일을 더욱 선명하게 포착할 수 있습니다.
- 다중 노출의 합성: 다른 노출 시간으로 촬영한 여러 이미지를 합성하여 넓은 다이나믹 레인지를 가진 이미지를 생성하는 방법입니다. 이를 통해 밝음과 어둠 양쪽의 디테일을 효과적으로 표현할 수 있습니다.
이러한 기술적 접근법을 통해 CMOS 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 효과적으로 확장하고, HDR 촬영을 실현할 수 있게 됩니다.
요약
HDR(하이 다이나믹 레인지) 기술은 카메라나 이미지 센서가 매우 어두운 부분부터 매우 밝은 부분까지의 디테일을 동시에 포착할 수 있게 합니다. CMOS 이미지 센서의 다이나믹 레인지는 픽셀의 포화 용량과 암전류 노이즈의 비율로 결정되며, 이를 확장하기 위해서는 포화 용량의 증가, 노이즈의 저감, 그리고 다중 노출의 합성 등의 방법이 사용됩니다. 이러한 기술을 통해 보다 고품질의 이미지를 얻을 수 있습니다.
Q. 다이나믹 레인지란 무엇인가?
A. 센서가 처리할 수 있는 밝기 범위입니다.
$$ DR = 20logfrac{Ssat}{Ndark}[dB] $$
으로 표현됩니다.
Q. HDR이란 무엇인가?
A. 하이 다이나믹 레인지의 약자입니다.
(명확하게 정의되어 있지는 않지만, 약 100dB 이상일 경우 HDR이라고 주장하는 경향이 있습니다)
이미지 센서에 대한 해설도 하고 있으니, 그쪽도 확인해 주세요!
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