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'드론의 눈' 카메라와 렌즈 조합, 실패하지 않으려면…

중앙일보 2019.03.26 09:00
[더,오래] 신동연의 드론이 뭐기에(19)
카메라의 센서 크기 비교. [출처 Altavian]

카메라의 센서 크기 비교. [출처 Altavian]

 
산업용 드론데이터는 정밀성이 생명이다. 측량, 매핑, 정사 영상, DEM 등 각종 산업현장에서 유용한 정보로 변환돼 사용될 데이터이기 때문이다. 영상미 위주의 촬영용 결과물과는 사뭇 다르다. 따라서 양질의 드론 이미지를 얻기 위해선 몇 가지 고려해야 할 중요한 요소들이 있다. 그중 하나가 카메라와 렌즈의 선택이다.
 
카메라의 선택
드론에는 렌즈 교환이 가능한 DSLR(Digital Single Lens Reflect) 카메라와 일명 ‘콤팩트 디카’라고 불리는 포인트 앤드 슛(Point&Shoot) 카메라가 사용된다. 일반 촬영용 카메라를 드론에 장착해 사용한다고 보면 된다. 일반적으로 DSLR 카메라는 포인트 앤드 슛 카메라보다 더 큰 센서를 가진다. 
 
DSLR과 P&S카메라 렌즈의 색수차 비교. [출처 Altavian]

DSLR과 P&S카메라 렌즈의 색수차 비교. [출처 Altavian]

 
사진의 화질은 카메라의 센서 크기가 중요하지만 이보다 더 중요한 것은 센서를 구성하는 개별 픽셀(화소)의 크기이다. 예를 들어, 센서의 전체 면적은 같지만 픽셀 밀도가 다른 두 센서는 서로 다른 화질의 이미지를 생성한다. 무조건 픽셀(화소) 수가 많다고 화질이 좋은 것만은 아니다. 예를 들면 최근 출시된 스마트 폰의 3천여만 화소와 Sony a7R의 3천여만 화소의 화질 차이가 없을까. 비교할 수 없을 정도로 차이가 크다.
 
그렇다면, 픽셀 크기는 왜 중요한가? 픽셀은 광자(Photons)를 전자(Electrons)로 변환해 주는 역할을 한다. 픽셀을 양동이에 비유해 설명하면 카메라 렌즈를 통해 들어온 광자(Photons)를 양동이(픽셀)에 담아 그 전자의 양(DN.디지털 번호)을 측정하고 기록한다. 그리고 다음 영상을 받기 위해 양동이를 비운다. 이는 모든 픽셀에서 반복되며 각 픽셀에서 기록된 값을 모두 결합하면 한 이미지가 구성되는 원리이다.
 
픽셀. [출처 Altavian]

픽셀. [출처 Altavian]

 
그러나 픽셀은 크기에 따라 전자의 수를 캡처하고 담아두는 양이 정해진다. 이미지의 화질에 영향을 주는 전자의 수는 픽셀의 총용량(FWC. Full Well Capacity)에 의해 결정된다.
 
픽셀의 크기. [출처 Altavian]

픽셀의 크기. [출처 Altavian]

 
피사체의 어두운 부분부터 밝은 부분의 영역을 센서가 얼마나 폭넓게 캡처할 수 있는지를 나타내는 능력이 바로 픽셀의 총용량(FWC)이다. 이를 양동이에 비유하면 픽셀의 크기가 작은 경우 물이 양동이(픽셀)에 가득 차 넘치면 더는 물을 담을 수 없게 된다.
 
따라서 문제의 이미지 영역이 포화상태가 돼 더 이상의 정보를 기록할 수 없게 된다. 따라서 FWC가 크면 클수록 충분한 양의 정보를 받아들여 해상도가 높고 노이즈가 적은 양질의 이미지를 만들 수 있게 된다. 바로 픽셀의 크기가 이미지의 화질을 높이는 중요한 요인이 된다.
 
포인트 앤드 슛 카메라보다 더 큰 픽셀을 가진 DSLR 카메라가 정밀성이 요구되는 산업용 데이터를 취득하는 데 적합한 이유이다. 포인트 앤드 슛 카메라는 1.5~2.5미크론 레벨의 픽셀 크기를 가지지만 DSLR 카메라는 4~6미크론 범위에 픽셀을 갖는다.
 

카메라의 픽셀 크기 비교. [출처 신동연]

 
렌즈의 선택
픽셀 크기만큼은 중요한 것은 렌즈의 선택이다. 그 이유는 렌즈의 왜곡 현상이 데이터의 오류를 야기 시킬 수 있기 때문이다. 대부분 렌즈의 왜곡을 보정하는 알고리즘은 병합된 이미지의 블러(Blur) 현상을 최소화해주긴 하지만 렌즈를 선택하기 전에 색수차 등 다양한 렌즈의 정보를 잘 파악하고 사용하는 것이 중요하다.
 
DSLR 스타일의 카메라의 장점은 동일한 초점 길이의 다양한 렌즈를 선택할 수 있다는 것이다. 그러나 카메라 제조사는 보통 APS-C나 ‘풀 프레임’ 등 센서 사이즈와 관계없이 자사 렌즈를 호환적으로 사용할 수 있게 출시한다. 따라서 렌즈가 주로 어떤 센서 형식을 사용하는지 확인하는 것이 중요하다. 풀 프레임 카메라에 APS-C 센서를 사용하면 마운트보다 렌즈가 작기 때문에 이미지가 일부 크롭된 상태로 보여 데이터 손상이 일어날 수 있다. 
 
APS-C 센서(좌)와 Full-Frame 센서(우). [출처 steemit.com]

APS-C 센서(좌)와 Full-Frame 센서(우). [출처 steemit.com]

 
반면 4.5μm 픽셀 크기의 35mm 센서(풀 프레임)용 렌즈를 2.5μm 픽셀 크기의 작은 센서로 카메라에 장착하면 커버력 상실이 발생하지 않지만, 의도된 렌즈의 조합이 아니기 때문에 생각지 않은 '결함'이 발생할 가능성이 있다.
 
렌즈와 카메라의 조합은 다양하게 할 수 있으나 적절한 렌즈 크기와 마운트의 운영으로 데이터의 결함이 최소화하는 것이 중요하다. 교환 가능한 렌즈의 다양한 조합이 DSLR 카메라의 장점이긴 하나 드론의 애플리케이션이 까다로운 경우 잘 보정된 고정식 단 렌즈를 사용하는 것도 방법이다.
 
신동연 드론아이디 세일 마켓 담당 theore_creator@joongang.co.kr
 
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신동연 신동연 드론아이디 세일 마켓 담당 필진

[신동연의 드론이 뭐기에] 전문가를 위한 상업용 드론 회사를 창업한 전직 사진기자. 신문사를 퇴직한 뒤 드론과 인연을 맺었다. 미래학자 토머스 프레이는 지난해 “2030년 지구 위의 하늘엔 10억 개 드론이 날아다닐 것”이라고 예측했다. 불과 12년 후면 드론이 현재 굴러다니는 자동차의 숫자만큼 많아진다는 얘기다. 드론의 역사는 짧지만 성장 속도는 상상 밖이다. 우린 곧 다가올 ‘1가구 1드론 시대’를 준비해야 한다. 모두가 즐길 수 있는 안전하고 재미있는 드론 세상으로 안내한다.

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