07. 광학계 - 롤링 셔터와 글로벌 셔터의 비교

이번 포스팅에서는 오늘은 롤링셔터와 글로벌 리셋, 글로벌셔터의 차이에 대해 알아보겠습니다.

카메라에는 ccd와 cmos와 같은 디지털 이미지 센서가 들어가는데, 이러한 센서의 중요한 기능은 셔터 유형입니다.

일반적으로 ccd센서는 글로벌 셔터만, cmos 센서는 롤링셔터/글로벌셔터 둘 다 선택가능하지만 롤링셔터가 주를 이룹니다. 

(cmos 센서에 글로벌 셔터 방식을 구현하기 위해서는 각 픽셀마다 캐퍼시터 등이 추가되어야 해서 회로가 복잡해지고 비용 또한 증가)

이러한 셔터는 카메라의 이미지센서가 이미지를 스캔하는 방식을 말하며 유형에는 글로벌 셔터와 롤링 셔터 두 가지가 있습니다.

 

1. 롤링 셔터 (rolling shutter)

 

롤링셔터는 모든 열이 동시에 노출이 시작되는 글로벌 셔터와는 달리, 순차적으로 노출 및 reaout(입사된 빛의 강도만큼 신호레벨 출력)을 진행합니다.

즉, 첫번째 행의 reset(픽셀에 있는 전하는 비워냄)이 끝나면 그 다음 행의 reset을 시작합니다.

 

cmos 센서는 reset이 순차적으로 진행되고 readdout이 끝나는 파이프라인과 같은 구조로 자세한 과정은 다음과 같습니다.

1) 센서의 가장 상단의 행에서 부터 포토 다이오드의 축적이 완성되며 신호가 출력되기 전에 전하검출부를 리셋게이트로 리셋한다. 

  (각 행의 축적 타이밍의 행의 출력 타이밍에 동기하고 있기때문에 전하가 축적되는 시간에 동시성이 거의 없다)

2) 신호가 없는 상태인 리셋 레벨이 앰프의 게이트로부터 반응한 전압으로 출력된다.

3) 그 직후에 포토다이오드에서 리딩게이트를 통하여 전하검출부의 신호 전하를 읽어내어 전송을 마친후 게이트를 닫으면

   전하 검출부의 전압이 포토다이오드에 입사된 빛의 강도만큼 변화하기 때문에 신호레벨이 전압으로 출력된다. 

 

이러한 롤링셔터는 수광부 외에 별도의 회로가 없기 때문에 센서 구조가 단순하고 노이즈가 적습니다.

 

장점

- 소비전력이 낮고 저발열인 cmos센서에 주로 사용되어 디지털 장비에 적용하기가 쉽다

- 제조 단가가 낮으므로 대형 센서 제작에 유리하다

- 낮은 노이즈

- 넓은 동적 범위 (실제 사물과 유사한 이미지)

 

단점

- 스트로브 조명, 움직이는 물체 등의 촬영에서 이미지 왜곡 발생

 (비선형스캔 방식의 부작용으로 젤로 현상, 워블링 현상, 얼라이어싱 현상, 부분 노출 불량 등이 나타난다)
- 센서 크기와 해상도 클 수록 비동기 시간이 늘어나 이미지 왜곡이 더 심해진다.

- 밝기 확보를 위한 최소 노출시간 김

- 프레임 rate 느림

 

1.1 글로벌 리셋 (global reset)

 

롤링셔터 센서에 대부분은 글로벌 리셋 기능이 들어있습니다.

움직이는 물체를 촬영할때 영상이 왜곡되는 것을 방지하기 위해 글로벌 셔터처럼 찍을 수 있도록 롤링 셔터를 이용하여 왜곡없이 사용하는 방식입니다.

 

글로벌 리셋은 롤링 셔터 센서의 추가 기능으로 왜곡없는 이미지를 촬영할 수 있지만, 센서의 빛을 받기 시작하는 시점은 동일한 것에 반해 노출이 끝나는 시점이 달라 상하 기준 밝기 편차가 생깁니다. 

따라서 글로벌 리셋을 적용하면 촬영 시점이 늦춰질수록 노출시간이 길어져 영상 하단으로 갈 수록 밝기가 밝아지는 왜곡이 발생합니다.

움직이는 물체를 촬상하기 위해 이러한 글로벌 리셋을 적용하는 경우 상하 밝기 편차를 없애는 방법은 다음과 같습니다.

- 암실에서 스트로브 조명을 사용한다. (순간적으로 일정량의 빛 조사, 외부광 차단) 

- 조리개를 짧게 순간적으로 열었다 닫는다.

 

출처 : https://my-rom.tistory.com/entry/Rolling-Shutter%EB%A1%A4%EB%A7%81-%EC%85%94%ED%84%B0-VS-Global-Shutter%EA%B8%80%EB%A1%9C%EB%B2%8C-%EC%85%94%ED%84%B0

 

2. 글로벌 셔터 (Global shutter)

 

글로벌 셔터는 ccd와 cmos 모두에 적용될 수 있는 셔터방식으로, 노출 시 모든 필셀이 동시에 빛에 노출됩니다.

즉, 모든 픽셀열이 동시에 reset 되고 설정된 노출시간 동안모든 픽셀은 빛을 받아 전하를 쌓습니다.

그리고 모든 픽셀의 노출이 끝나면 첫번째 행에 있는 픽셀부터 reaout을 시작합니다.

그 동안 다른픽셀들은 전하를 쌓아논채 보유하고 있습니다.

첫번째 행의 모든 픽셀의 readout이 끝나면 다음행에 위치한 픽셀이 readout을 시작합니다.

이처럼 각행에 위치한 픽셀들이 순차적으로 readout을 합니다.

 

글로벌 셔터는 축적된 전하를 쌓아놓을 수 있는 별도의 공간이 있어야 하는데 그로인해 픽셀의 수광부는 줄어들게 됩니다.

또한 별도 커패시터가 필요하여 구조가 복잡해집니다.   

 

장점 

- 밝기 확보를 위한 최소 노출시간 짧음

- 움직이는 물체 촬상에 좋음

- 프레임 rate 빠름

단점

- 가격이 비쌈

- cmos 센서에 적용 어려움