카메라와 렌즈 용어 정리

📝 이번 포스트에서는 카메라와 렌즈 용어를 정리하려고 합니다.

컴퓨터 비전 분야에서 빼놓을 수 없는 장비를 말하자면 카메라와 렌즈죠.
저는 카메라와 렌즈를 구매하려고 Basler나 Edmund Optics에 들어갔는데 모르는 용어가 많아서 난감했던 적이 있었죠.
저 뿐만 아니라 많은 컴퓨터 비전 개발자들 중 카메라와 렌즈에 대한 상식을 모른 채 코딩만 하면 되는 줄 알고 사는 사람이 꽤 있습니다.
그런 분들을 위해 카메라와 렌즈에 대한 지식을 알려드리려 합니다.

🔼 이미지 1. 이미징의 핵심 요소

• Pixel Size
  한 픽셀의 사이즈를 뜻한다.
  표시는 주로 $H \times V (\mu m)$로 표기한다.
  ✔️ $H$ = Horizontal(가로), $V$ = Vertical(세로) (이미지 2 참조)

🔼 이미지 2. 픽셀과 센서의 관계

• Pixels
  위에서 설명한 픽셀들이 가로와 세로에 몇개 씩 배치되었는지 뜻한다.
  표시는 주로 $H \times V (mm)$로 표기한다. (이미지 2 참조)

• Resolution
  해상도는 대상의 detail을 구별해내는 능력입니다.
  Resolution(해상도)은 $H \times V$ 개로 배치된 픽셀들(Pixels)을 가로 $\times$ 세로를 곱했을 때 값을 뜻한다.
  픽셀들의 총 개수라고도 할 수 있다.
  단위는 MP(Mega Pixel)입니다.(현존하는 카메라 기술로는 Mega 단위) (이미지 2 참조)

🔼 이미지 3. 실제 카메라의 스펙 (꼭 고려해야 하는 스펙은 파란색으로 칠해두었다.)

• Sensor Size
  Sensor라 하면 실제로 배치된 픽셀들의 집합을 뜻한다.
  $H \times V$ 개의 픽셀들이 배치되어 카메라 안에 센서의 크기를 뜻한다.
  공식으로 보면 Sensor Size $=$ Pixels $\times$ Pixel Size 입니다.
  실제 위의 표를 보면 가로를 봤을 때 Pixels = $4096 \times 3000$이고, Pixel Size = $3.45 \times 3.45(\mu m)$입니다.
  공식에 대입해보면
  Sensor Size($H$) = $4096 \times 3.45 = 14131.2 (\mu m) = 14.13(mm)$
  Sensor Size($V$) = $3000 \times 3.45 = 10350 (\mu m) = 10.35(mm)$
  이고 위의 표를 보면 똑같음을 확인할 수 있습니다. (이미지 2, 3 참조)

• Sensor Format
  카메라는 이미 포맷이 정해져있습니다.
  4/3", 1.1", 1", 2/3" 1/1.8", 1/2", 1/2.5", 1/3" 등 이미 규격이 정해져있고 각 규격마다 무슨 사이즈의 픽셀로 채워져야 하는지도 정해져있습니다.
  그거에 맞춰서 센서의 가로 세로 크기도 정해져 있죠.
  
  🔼 이미지 4. C-mount 카메라의 각 Sensor Format별로 Sensor Size와 Pixel Size

  광학에서 1"(inch)는 2.54mm가 아닙니다.
  광학에서 1인치의 기준은 진공관으로 카메라 센서를 만들던 시절 센서를 보관하는 케이스의 사이즈에서 시작되었는데 아직도 그 기준으로 표기된다고 합니다.

🔼 이미지 5. Working Distance 와 Focal Length의 이해

• Working Distance
  렌즈의 앞단의 끝에서 검사하려는 대상까지의 거리를 의미합니다. (이미지 1, 5 참조)

• Focal Length
  Focal Length(초점 거리)는 렌즈와 카메라 센서 사이의 거리를 뜻한다. (이미지 5 참조)

• Field of View(FoV)
  검사 대상 물체를 볼 수 있는 영역을 뜻한다. 즉, 카메라 센서를 채우는 피사체의 영역을 말한다. (이미지 1, 5 참조)

• Depth of Field
  특정 spatial frequency 혹은 resolution에서 수용 가능한 수준의 contrast는 유지하면서, 이미지 처리되는 피사체가 best focus plane 내외로 이동하는 거리. (이미지 1 참조)

• Frame
  연속되는 비디오에서 정지된 이미지 한 장을 의미합니다.