Elements of a Digital Camera & Sensor
기본적인 구성 요소
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Lens (렌즈): 빛을 한 점으로 모아주는 역할
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Aperture (조리개): 렌즈 구경을 조절해 빛의 양과 심도(depth of field)를 조절
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Shutter (셔터): 노출 시간을 제어
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Sensor (센서 칩): 빛을 전기 신호로 변환하는 광검출기(array of photosensitive elements)
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A/D Converter: 아날로그 전압을 디지털 수치로 변환
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Post-processing: 감마 보정, 노이즈 제거, JPEG 인코딩 등
이미지 센서
CMOS/CCD 형태로 제작되며, 각 픽셀 셀(pixel cell)은 들어온 광자를 전기 신호로 바꾼다.
셀 크기가 클수록 (larger pixels) 동일 시간에 더 많은 빛을 모아 감도가 좋아지나, 생산 단가와 렌즈 비용이 증가.
Three-Chip vs. Single-Chip
Three-Chip Camera
빔스플리터(beam splitter) 로 들어온 빛을 R/G/B 세 경로로 분기
각 경로마다 별도 센서 칩이 있어, 보간 없이 순도 높은 컬러 획득 가능
단점: 무겁고 비쌈
Single-Chip Camera & CFA
하나의 센서 칩 위에 컬러 필터 어레이(CFA) 를 얹어 RGB를 분리
대표적 패턴: Bayer 패턴 (50% G, 25% R, 25% B)
사람 눈이 녹색 에 민감해 해상도 유지에 유리
디모자이킹(demosaicing): 누락된 두 채널 값을 인접 화소에서 보간(interpolation)
(a) original full resolution image
(b) bilinear interpolation
(c) the high-quality linear interpolation
(d) using the local two-color prior
보간 방식에 따라 화질(특히 에지 주변)이 달라짐. 또한 위처럼 엣지 주변에 노이즈가 발생하기도 함.
셔터
셔터 속도(Exposure Time)
이미지 센서에 도달하는 빛의 총량을 제어한다.
긴 노출 시간 → 더 많은 빛 → 밝은 이미지, 그러나 모션 블러(Motion Blur) 발생 가능
롤링 셔터(Rolling Shutter)
센서의 각 라인(행)을 순차적으로 노출한다.
빠르게 움직이는 물체나 카메라 이동 시, 프레임이 왜곡되는 특유의 ‘휘어진’ 왜곡 현상이 생긴다.
글로벌 셔터(Global Shutter)
센서 전체를 동시에 노출 → 왜곡 없음.
기하학적 재구성(3D 재투영)이 중요한 SLAM에 유리하나, 제조 비용이 높다.
렌즈
기하광학(Geometric/Ray Optics) 네 가지 공리
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빛은 균질 매질에서 직선으로 진행
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경계면에서 반사(Fresnel 반사) 또는 굴절(Snell 법칙)
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광경로는 가역적
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광선 간 상호 간섭 없음
핀홀 카메라 모델(Pinhole Camera)
작은 구멍만 통과시키는 구조로, 모든 광선이 한 점(핀홀)을 거쳐 이미지 평면에 맺힌다.
구멍이 작을수록 선명하나 노출 시간이 길어짐.
얇은 렌즈 모델(Thin-Lens Approximation)
핀홀 대신 얇은 렌즈를 사용.
물체점, 렌즈 중심, 상(image)이 한 직선상에 있어야 한다.
렌즈 외곽을 지나는 광선일수록 오차(aberration)가 커지므로, 조리개(Aperture) 로 빛 경로를 제한
왜곡
기하학적 왜곡(Geometric Distortion)
- 배럴 왜곡: 화면 중앙이 팽창, 외곽이 압축.
- 핀쿠션 왜곡: 화면 중앙이 합축, 외곽이 팽창.
- 머스테시 왜곡: 둘의 복합 형태.
광학수차(Aberrations)
- 구면 수차: 렌즈 가장자리에서 광선이 과도하게 굴절
- 색수차: 파장별 굴절률 차이로 초점 거리 불일치
- 코마: 비축축 광선의 구면+난시 수차 복합
- 비네팅: 이미지 테두리 밝기 저하
