이미지 센서의 원리와 종류

흔히 카메라를 우리의 눈에 비교한다. 우리가 물체 또는 배경(이 후 피사체라 한다)을 보면 그 빛이 망막을 통해 형성되고 여러 과정을 거쳐 뇌에서 인식된다.

본 문은 영상 처리의 기본이자, 영상이 저장되는 과정을 토대로 센서부터 포맷까지 살펴보도록 한다.

참고로 영상이라는 단어는 이미지와 비디오(동영상)를 포함하는 의미이다. 동영상도 결과적으로 이미지의 집합이기 때문에… 그래서 영상 처리를 영어로 Image Processing이라 한다.

 

 

이미지 센서

가장 먼저 알아볼 것은 이미지 센서이다. 컴퓨터 공학적인 측면에서 렌즈 등의 외부 장치는 제외하고 이미지 센서는 가장 핵심적인 장치라 할 수 있다.

이미지 센서는 피사체의 정보를 읽어 해당 정보를 전기적 이미지 시그널로 변환해주는 장치이다. 현실의 물체는 빛 에너지를 통해 우리 눈으로 들어온다. 마찬가지로 빛 에너지를 통해 센서로 전달되고, 센서를 거쳐 전기적 에너지로 변환된다. 뒤에서 설명하겠지만 여기서 RGB와 YUV와 같은 개념이 등장한다. 참고적으로 알아두면 빛은 RGB의 성질(가산혼합)을 띈다.

결과적으로 이미지 센서는 샘플링과 양자화를 통해 영상 신호를 저장하고 전송을 통해 디스플레이 장치(ex. 모니터)로 촬영한 영상을 볼 수 있게 하는 시발점인 셈이다.

 

CMOS와 CCD

이러한 이미지 센서는 대표적으로 CMOS와 CCD 센서로 나뉘는데, 간단하게만 살펴보면

CMOS는 각각의 셀(이미지 센서를 구성하는 단위)이 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성되었다. 빛 에너지 중 가시 광선을 실리콘 표면인 포토 다이오드에 집광시키는데 실리콘 표면은 빛 에너지를 받으면 공유 결합이 끊어져 전자와 정공 Pair를 생성한다. 생성도니 전자와 전공 pair의 전위는 A/D컨버터를 거쳐 디지털 데이터로 변환된다.

CCD의 경우 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 전송하는데 포토 다이오드로 빛이 입사되면 발생한 전하들을 수직 전송로를 통하여 전송한다. 그리고 다시 수평 전송로를 통하여 순차적으로 증폭 후 출력하며 이는 마찬가지로 ADC를 통해 디지털화된다.

간단하게 특징을 살펴보면 CMOS 센서는 전력 소모가 적고 저렴하며 전송 속도가 빠르다는 장점이 있다. 반면 CCD 센서는 상대적으로 고전력을 필요로 하며 순차적 증폭으로 전송 속도가 느리다. 그러나 전기적 신호를 그대로 전송하기 때문에 노이즈 발생이 적고 화질(품질)이 뛰어나다.