Understand how cameras operate
사진과 이미지를 만들어내는 장치인 카메라에 대해서 알아보고자 한다. 전문적인 포토그래퍼들은 외부적인 요인과 카메라 내부적인 요인에 대해서 잘 알고 이를 조절하여 원하는 목적의 사진과 이미지를 얻는다. 여기서는 카메라의 내부적인 요인에 대해서 알아보고자 한다. 특히 카메라가 어떠한 구조로 되어 있으며, 카메라의 어떠한 부분을 통제함에 따라 변화하는 것은 무엇인지 알아볼 것이다.
Camera Structure
카메라의 대표적인 예시로는 요즘 사람들이 많이 사용하는 흔히 DSLR이라고 하는 카메라가 있다. DSLR이라는 것은 영어로는 Digital Single-Lens-Reflection Camera의 약자로 디지털 일안 반사식 카메라를 칭한다. 이와 대조적인 것으로 SLR이 있는데, digital sensor 대신에 film을 사용한다. 즉, SLR은 필름을 사용하고 DSLR은 필름 대신에 digital sensor를 사용한다고 생각하면 된다. 우리가 DSLR을 통해서 원하는 풍경을 찍는다고 했을 때, 그 풍경은 카메라 내부의 mirror를 거쳐서 pentaprism을 통과해 눈으로 들어오게 된다. 이때, 셔터를 눌러서 이미지를 캡쳐하게 된다면, 카메라 내부의 film-up mirror가 열리면서 shutter와 digital sensor를 지나게 되어 이미지가 찍히게 되는 것이다.
카메라의 구조는 사람의 눈과 굉장히 유사한 구조를 이루고 있다. 가령 홍채라고 불리는 iris와 동공으로 불리는 pupil의 움직임을 통해서 우리는 눈으로 들어오는 빛을 조절할 수 있다. 망막이라고 불리는 retina는 디지털 카메라에서 digital sensor와 유사한 역할을 하게 되는데, 카메라 렌즈에 의해 생긴 이미지처럼 뒤집히고 거꾸로 되어 있다. 그렇기 때문에 이미지를 포착하고 초점을 맞추는 것이 가능해진다. 이외에도 카메라와 눈의 유사한 점은 많지만 전문가가 아니기 때문에 넘어가도록 할 것이다.
Pinhole Camera
Pinhole camera는 렌즈 없이 사진이 촬영이 가능하다. 그래서 렌즈 대신에 작은 구멍을 통해서 선명한 상을 얻을 수 있는데, 위의 그림처럼 원하는 물체를 필름이나 디지털 센서에 투영하게 되었을 때, 작은 구멍이 없다면 무분별하게 찍혀 색들이 섞이는 현상이 생길 것이다. 그래서 구멍이 존재하는 barrier가 이미지의 적절한 캡쳐를 위해서 등장하게 되었다.
Pinhole camera의 특징으로는 먼저 모든 빛은 하나의 점을 통과하여 필름등에 거꾸로 투영이 된다. 이때, 이 구멍을 우리는 Center of Projection(COP) 라고 부른다. 그리하여 투영된 이미지는 image plane이라고 하는 공간에 형성이 되게 된다. 이때, COP와 image plane 사이의 거리를 우리는 effective focal length라고 하며 f로 간단하게 표기할 것이다.
Aperture
한국말로 흔히 조리개라고 하면 많이들 들어보았을 것이다. 영어로는 aperture라고 하며, 이 aperture는 감광 센서에 도달하는 빛의 양을 물리적으로 조절하는 장치를 말한다. 쉽게 이야기하면 aperture의 개방 정도에 따라서 빛의 양을 조절한다고 생각하면 된다. 즉, 빛을 통과하는 구멍이다. 그래서 이 구멍이 커지게 되면 빛이 많이 들어오고, 반대로 이 구멍이 작아지게 되면 들어오는 빛의 양도 줄어들게 되는 것이다.
Aperture의 값은 f로 나타낼 수 있다. Aperture의 구멍의 크기를 제어하여 카메라 렌즈를 통과할 수 있는 빛의 양을 조절하는데, f 값은 렌즈의 초점 거리를 렌즈의 구경으로 나눈 비율로 결정이 된다. 그렇다면 빛의 양은 왜 중요한 것일까? 빛이 과다하면 사진이 제대로 확인이 불가능하고, 빛이 너무 적으면 사진이 그만큼 어두워지게 된다. f값의 조절을 통해서 이미지를 선명하게 저장할 수 있도록 해야 한다.
Thin lens and Focus
Pinhole 카메라에서 lens 카메라를 사용하는 이유는 무엇일까? 아무래도 image plane에 pinhole을 사용하게 되면 formal circle이 생기게 되는데, 이 모양이 lens에 의존적이기 때문이다. 이 원이 완벽한 원에 가까워야 상의 왜곡이 발생하지 않는다. 근거리에서 원거리까지 모두 초점이 맞는 특징이 있지만, 구멍을 통해서 들어오는 빛의 양이 적기 때문에 장시간의 노출을 필요로 하며 움직이는 물체를 포착하는데는 적합하지 않는다.
하지만 이와 다르게 lens를 사용하게 된다면 모든 빛이 lens를 지나 굴절하게 되어 image plane의 하나의 점으로 모이게 된다. 이는 pinhole을 대안할 수 있는 방안이다.
Thin lens에서의 focal length의 정의는 lens의 중앙으로부터 focal point까지의 거리가 된다. 여기서 focal point는 빛이 평행하게 들어와서 lens를 통과하게 되면 한 점으로 모이게 되는데 바로 이 점을 focal point라고 하는 것이다. 이 focal length는 lens가 어떠한지에 따라 달라지게 된다. 즉, focal length는 lens와 의존적인 관계이다.
우리가 흔히 스마트폰이나 카메라를 통해서 줌을 하는 과정에서 포커싱이 맞다고 표현하기도 한다. 여기서 focus와 defocus에 대해서 알아보려고 한다. 우리가 원하는 물체의 어떠한 점들도 lens를 지나 뒤짚혀진 상으로 존재할 때 한 점으로 정확하게 모이게 된다면 이를 focus 상황이라고 한다. 만약 어느 물체의 한 점이 lens를 지나서 하나의 점으로 모이지 않는다면 이를 defocus 상황이라 할 것이다. 이를 수식으로 확인하게 되면 focal length f와 물체와 lens사이의 거리와 lens와 이미지 사이의 거리를 이용한 관계식을 만족하면 되는데, 우리는 이를 thin lens equation이라 할 것이다. 만약 defocus 상황이 된다면 blurry하게 보일 것이다.
Defocus 상황에서 circle of confusion으로 빛이 모이게 되는데, 모든 lens에서 초점은 특정한 거리에서만 나타나 선명한 상을 만들어주게 된다. 하지만 입체적인 물체를 찍거나 초점면에서 떨어져 있는 물체에는 초점과의 거리에 따라서 물체가 특정한 모양으로 흐려지는 현상이 나타나는데, 이를 circle of confusion이라 한다.
우리는 초점을 맞추어 focus 상황이 되게 하기 위해서 focusing이라는 작업을 해줄 수 있다. Focusing은 sensor나 film을 lens에 대해서 앞뒤로 이동시키는 것을 말한다. Lens는 자체적으로 변경이 힘들지만, lens를 sensor에 따라서 이동시키는 것도 focusing이라 할 수 있다.
우리는 thin lens equation을 노랗게 칠한 두개의 삼각형의 닮음으로부터 유도할 수 있다. 생각보다 어렵지 않은 과정이기 때문에 넘어가도록 한다.
Field of View(FOV) and Focal Length(f)
Field of View, 줄여서 FOV는 말그대로 시야이다. Sensor의 크기와 lens의 배율에 따라 FOV는 달라지게 된다. 자세하게 살펴보기 전에 말로 풀어서 설명을 하면 시야라는 것이 보통 사람들의 눈을 가리키는 상황이 많이 있다. 그 시야를 카메라에 그대로 대입해서 이야기하는 것이다. 카메라가 바라보는 곳이 얼마나 카메라에 담기는지가 카메라의 시야가 되는 것이다. 흔히 줌이라는 과정을 통해서 자세히 보거나 넓게 보는 상황을 생각하면 쉽다.
이러한 FOV는 카메라의 focal length f와 반비례 관계를 가지고 있다. 즉, f가 커짐에 따라 FOV는 작아지게 되어 좁은 곳을 자세하게 볼 수 있게 된다. 그렇기 때문에 물체는 더욱 크게 나타나 보일 것이다.
FOV에 영향을 주는 요인으로는 첫번째로는 앞서 말한 focal length가 있고, 두번째로는 sensor size가 있다. Focal length와는 반비례하는 관계지만, sensor size와는 비례하는 관계이다. 아무래도 sensor의 크기가 커지게 되면 카메라가 볼 수 있는 시야는 넓어지게 될 것이다. 그래서 이 두가지 요인을 통해서 시야를 조절할 수 있다는 사실을 기억하면 된다.
