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그림 1은 죠르슈 피에르 쇠라의 ‘그랑드 자트 섬의 일요일 오후’로 각각의 기본적인 색 점을 캔버스위에 찍어 넣은(점묘화법) 그림으로 붓으로 그린 그림보다 더 화려한 작품이다. 명암이 있는 단지 몇 가지의 점들이 모여 전체적인 그림을 만든 것이다. 여러 가지 면에서 점묘화법은 컬러 이미지 센서와 비슷했다. 각각의 독립적인 색의 점(Pixel)들이 조합되어 선명한 Full Color 이미지를 만들어낸다. 죠르슈 피에르 쇠라는 그가 원하는 그림을 그리기 위해서는 어떻게 점의 색과 위치를 캔버스위에 배치해야 하는지를 잘 알고 있었다. 하지만 디지털 이미지 센서를 만드는 사람들은 어떻게 점들을 배치해야 하는지를 찾지 못하고 있었다.
코닥의 Bryce Bayer, 풀 컬러 이미지센서 개발
1970년대 Kodak 사의 연구원이였던 Bryce Bayer는 ‘베이어 컬러 필터 패턴(Bayer Color Filter Pattern)’을 개발함으로써 그 과제를 해결했다. 베이어 컬러 필터 패턴은 Red와 Green, 그리고 Blue Pixels을 조합하여 1개의 센서(Single Sensor)로 효율적이고 효과적인 풀 컬러 이미지(Full Color Image)를 만들어낼 수 있었다.
이 컬러 필터 패턴으로 각각의 Pixel은 Red, Green, Blue 중 하나의 빛신호를 담아내고(각각의 Pixel 위에는 R, G, B 중 하나의 컬러 필터만 올라가고, 그 필터는 해당되는 Color의 빛만을 Pixel로 통과시킨다), 알고리즘을 사용하여 세 가지 색을 조합하며 풀 컬러이미지를 만들어 내었다. 이 기술은 현재까지도 매우 효과적인 기술로 증명되었고, 실제로도 Single Sensor의 Color 구현에 가장 많이 사용되는 산업표준이 되었다.
신개념 이미지센서 ‘트루센스 CFA’
최근에 코닥의 John Compton과 John Hamilton이라는 연구원들은 기존의 Bayer 컬러필터 패턴을 뛰어넘는, 좀 더 밝고 선명한 Color 이미지를 만들 수 있는 기술에 대해 연구를 시작했다. 그리고 기존 베이어 컬러 필터 패턴에 투명한 필터(Clear or Panchromatic Filter)를 추가한 ‘코닥 트루센스 컬러 필터 패턴(Kodak Truesense Color Filter Pattern, 이하 트루센스 CFA)’이라는 새로운 기술을 개발했다. 트루센스 CFA에는 여러 가지의 패턴 형태가 있는데, 가장 효과적인 컬러패턴은 사진 3과 같다.
해당 패턴을 자세히 보면, 투명한 픽셀이 베이어 패턴의 일부 그린 픽셀을 교체(Replace)하고, Red와 Blue 픽셀은 베이어 패턴과 유사하게 배치되어 있는 것을 알 수 있다. 그렇다면 새로 추가된 투명한 픽셀들의 역할은 무엇일까?
바로 풍부한 빛이다. 투명한 픽셀은 빛에 대한 민감도(Light Sensitivity)가 좀 더 정밀하다. 컬러 필터가 없기 때문에 빛이 픽셀에 닿을 때 방해되는 것이 없기 때문이다. 이로 인해 이 픽셀은 가시광선 전체를 감지할 수 있게 된다. 그리고 4가지 컬러 정보(R, G, B, 그리고 투명)를 조합하는 알고리즘을 이용해 기존 베이어 패턴보다 좀 더 밝은 풀 컬러 이미지를 만들어 낼 수 있다.
사실 컬러 필터가 없는 흑백 센서는 컬러 센서보다 감도가 훨씬 좋다는 것은 모두가 알고 있는 사실이다. 자세한 것을 보기위해 KODAK의 64fps@1080p(1920×1080) 센서인 ‘KAI-02150’ 이미지 센서를 사용해 베이어 컬러 필터 패턴과 트루센스, 그리고 모노크롬 버전(Monochrome version, 흑백) 세 가지로 사진을 촬영해봤다.
사진 1과 사진 2는 동일한 조건(시간, 빛, 장소, 노출 등)과 동일한 센서로 촬영된 것이다. 두 사진을 자세하게 보면 사진 2의 컬러사진이 사진 1의 흑백사진보다 상당히 어두워 보인다. 그 이유는 컬러를 만들어내기 위한 컬러필터가 빛을 감소시키기 때문이다. 실제로 컬러와 흑백의 감도를 측정하면 1스탑(One Photographic Stop, 2배)정도 차이가 난다. 그리고 사진 3은 코닥 트루센스 CFA로 촬영된 동일한 사진이다.
사진 3은 사진 2보다 매우 밝으며 사진 1의 흑백사진과 밝기가 동일하다. 이는 코닥 트루센스 CFA를 사용함으로써, 컬러에 대한 손실 없이 흑백사진과 동일한 밝기의 이미지를 만들어낼 수 있게 되었다는 것을 알 수 있다.
트루센스 CFA가 적용된 픽셀들은 가시광선의 모든 파장에 감응하기 때문에, 센서에 들어오는 빛을 더 높은 비율로 모으게 된다. 이러한 픽셀 배열이 코닥의 소프트웨어 알고리즘과 만나면, 광감도를 2~4배까지 증가시킬 수 있어 빛이 부족한 환경에서 뛰어난 퍼포먼스를 얻을 수 있다.
현재 코닥의 트루센스 CFA는 많은 CCTV 제조사에서 테스트를 통해 제품에 적용하고 있다. 고감도가 CCTV의 큰 숙제인 만큼 앞으로 수많은 CCTV에서 코닥 트루센스 CFA를 만나볼 수 있을 것이다.
<자료제공 : 한국코닥(www.kodak.co.kr)>
[월간 시큐리티월드 통권 제165호(info@boannews.com)]
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