제14장 해상도와 화소와의 관계
해상도가 높다고 해서 무조건 화질이 좋은 것일까? 결론부터 말하면 같은 말이다. <*해상도 解像度 : 도형표시, 화면해상도, display resolution) 또는 #선명도(鮮明度) 또는 #화질(畵質, resolution)은 종이나 스크린 등에 표현된 그림이나 글씨 따위가 표현된 섬세함의 정도> 우리가 흔하게 실수하는 부분이라 설명에 넣어 보았다. #해상도가 높다는 것은 결국 화소가 많다고 해석하기도 한다. 하지만 화질이 무조건 좋다고는 하지 못한다. 그리고 화소가 높다고 해서 이미지퀄리티가 무조건 좋은 것도 아니다.(예: 스마트폰 카메라가 1억화소다)
그렇다면 해상도란 화질이고 그렇면 화소는 무슨 차이일까? 화소는 당연히 픽셀이라는 것은 알것이다. 그러면 화소수가 높으면 해상도도 좋을까?
그 기준을 일단 우리의 눈을 기준으로 봐 보자. 우리의 눈이 화질의 좋고 나쁨을 결정할 수 있는 기준은 그때그때 다르다 이다. 이말은 결국 사람마다 다르다(시력과 색약 등등) 그래도 수치로 계산해 본다면, 한때 레티나디스플레이라고 해서 광고하던게 떠오른다. 그걸로 조합을 해보면 약 400dpi정도 된다고 볼 수있다. 이는 눈이 좋은 사람과 나쁜사람 그리고 거리에 상관이 있다. 인화물의 경우와 비슷하다. 작은 사이즈의 인화물이라면 당연히 가까이 다가가서 감상할 것이고, 거대한 A0 이상 크기의 프린트나 인화물이라면 당연히 떨어져서 감상을 할 것이니 말이다. 이때 한번에 보이지도 않을 만큼 가까이 다가가서 감상평을 남길 사람을 없을 것이다. 화소가 엄청 높은 이미지를 작게 감상한다면 그만큼 화질을 구겨넣은 상태(저하된 상태)에서 볼 것이니 말이다. 결국 1:1로 보았을 때 무조건 화질이 좋은 게 좋다고 볼 수는 있으나, 고화소의 경우 1:1로 감상하는 건 극히 일부분만 한눈에 감상할 수 있기에 거의 불가능 하다.
아무튼 인화나 프린트의 경우 스마트폰의 경우와 마찬가지로 모니터도 포함하여 감상거리가 있는 것이다. 이 거리의 기준으로 해상도를 결정하면 되겠다. 모니터의 경우 글씨를 잘 알아보지 못한다거나 이미지가 깨져보인다고 한다면 당연히 해상도가 낮은 것이다. 그러니 이는 원본의 이미지도 중요한 것이다. 원본의 이미지의 해상도가 높다고 해도 출력되고 보는 모니터의 해상도가 낮다면 당연히 좋지 않게 보일 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지 인 것이다. 결국 좋은 이미지는 좋은 출력기기가 필요한 것이다.
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14-1. #해상도(解像度, Resolution)의 표시는 dpi 혹은 ppi로 요즘은 많이 표시를 한다. (*DPI(dots per inch)는 주로 인쇄 출력물에, PPI(pixels per inch)는 화상 출력물에 각각 쓰인다) 결국 1인치 안에 얼마나 많은 픽셀과 도트를 넣는냐에 해상도가 갈리는 것이다. 많이 집어 넣으면 당연히 해상도는 좋아지겠지만은 물리적으로 무작정 구겨 넣을 수도 없는 것이다. 아무튼 집어넣다 보면 결국은 물리적한계에 다다를 것이고, 무한정 확대를 하면서 연구하는 특수한 경우의 연구소가 아닌이상 우리의 눈이 감상하기에 부담 없는 수준이라면 최고의 해상도가 될 것이다.
<잠시 모니터로 옆길로 세어서...> 특히 요즘은 해상도도 해상도지만 주사율에도 선택의 영향을 미친다. 초기의 CRT모니터가 떠오른다. 도트피치는 72dpi에 주사율은 고자 30~60hz 정도 였으니 말이다. 지금은 어떠한가? ppi라고 표기를 하는데 무려 440ppi가 넘어가고 거기에 주사율 또한 120hz가 나오고 있다. 그것도 스마트폰에서 먼저 말이다. 지금 현재도 솔직히 넘치는 스펙의 모니터이지만 더더 발전을 할 것은 당연할 것이다.
초창기 LCD모니터를 생각해보면 정말 최악이였었더랬다. 오죽했으면 LCD는 금방이라도 사라질 운명이였었다. 하지만 지금은 오히려 CRT를 찾기 힘들다. 아니 박물관에나 있을 것이다. 그게 고작 20년전일이다. 아무튼 고작 72dpi였던 모니터가 지금은 440ppi가 넘어가고 8K해상도의 티비모니터도 나오는 실정이다. 그리되면 지금 디지털카메라의 주력인 2400만화소의 이미지를 1:1로 모니터로 볼 수 있게 되는 것이다. 화면을 꽉채우기 위해 억지로 줄이거나 늘리거나 할 필요가 없는 셈이다.
그렇다면 이미지센서를 봐보자. 모니터의 경우 해상도를 올리면서 함께 크기를 키우면 된다. 그렇다고 해서 무한정 늘릴 수도 없다. 지금 85인치 티비까지 나온걸 보면 한 없이 커질 것 같지만 그렇지 않다. 필요한 크기는 한계가 있으니 말이다. 그렇다면 다음으로 발전할 건 뭘까? 당연히 해상도와 컨텐츠개발(*이 부분에 대해서는 할 이야기가 정말 많다) 그리고 PPI를 높일 것으로 보인다.
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모니터 픽셀 / 배이어패턴 / 센서사이즈
디지털카메라의 경우 모니터와 다르게 이미지센서의 크기가 결정되어 있다. 결국 화소수가 올라가려면 집적도를 올려야한다. 픽셀집적도를 올리면 올릴수록 해상도는 분명히 올라갈 것이다. 픽셀이 촘촘하면 촘촘할 수록 원이 좀 더 둥그런 원이 표현되기 때문이다. 그렇다면 화소수도 무한정 올릴 수 있을까? 모니터는 크기라도 커졌지만 이미지센서는 35mm판형에서는 언젠가는 한계에 다다를 것으로 본다. 그렇다면 다음으로 발전할 방향은 무엇일까? 바로 해상도인 화질에 더 신경쓸 것이다. 동영상에 더 많은 기능을 할당한 DSLR의 경우를 봐보자. 화소수가 낮다. 그렇다고 해서 화질이 낮은 건 절대 아니다. 요즘 나오는 디지털카메라에 비하면 확실히 화소수가 적다. 적은만큼 화소집적도나 낮아지니 그만큼 센서간섭도 없을 것이다. 그래서 고감도노이즈에 강해(?)서 특화되어 있기도 하다. 그리고 1:1로 픽셀비닝 없이 업스케일이나 다운스케일이 필요없이 영상제작이 가능하다면 이보다 더 좋은 확실한 화질도 없을 테니 말이다.
<*TMI: 1. 분해능 또는 해상력 (Resolving power 또는 Resolution): 아주 작은 차이를 분별해내는 기기의 능력
※ [비교] 렌즈와 같은 광학계의 결상 능력에서 `해상도`,`분해능`,`해상력` 의미 차이
- 해상도 : 동영상/이미지 등이 얼마나 자세하게 표현될 수 있는가의 척도
- 분해능 : 기기가 갖는 최대 능력 (가장 좋은 조건하에서의 해상력) . 흔히, 분해능은 파장에 따라 달라짐 . 아주짧은 파장을 쓰면 분해능을 높힐 수 있음
- 해상력 : 주변여건에 따른 기기의 한계 분해능>
스마트폰센서크기 / 1인치("inch=2.54cm)
14-2. 그 다음은 스마트폰의 화소에 대해서 이야기 해보자. 요즘 1억화소도 나왔다고 광고하는 것을 보게 된다. (음......) 센서의 구조가 화질의 차이를 만들어낸다는 것을 이미 알고 계신분이라면 콧웃음을 치실지도 모르겠다. 일단 1인치센서와의 크기부터 비교해 보자. 거짐 9배정도 차이가 난다. 뭐 앞으로 화소집적도가 높아진다면 화질은 좋아질 것은 분명하다. 그렇다고 디지털카메라의 센서기술은 가만히 기다려줄 것인가? 같이 발전하지 않을까? 그러니 모니터처럼 결국 크기의 한계에 부딪히는 것은 센서가 작은 쪽일 것이다. 그러니 1억화소의 스마트폰을 잘 활용할 수 있는 방법은... 빛이 아주 좋은 주광에서 팬포커스(pan focus)로 사진을 담아낸다면 정말 대단한 사진을 얻을 것이다. 마치 조리개를 많이 조여 놓은 렌즈 이상의 또렷함을 유지하면서 말이다. 빛이 충분한 환경에는 솔직히 인정한다.(DR을 제외)
이면조사형 CMOS
결국 화소수가 아무리 높아 봐야 화질과 해상력이 받쳐주지 못한다면 그냥 용량만 거대한 파일일 뿐인것이다. 그렇다고 해서 장점이 없는 것은 아니다. 그만큼 화소수가 높으니 잘라내기 하기에도 좋을 것이고... 그럴것이다. 하지만 화소수보다는 역시 화질이 좋은쪽 사진을 확대하면 뭉게지더라도 처음부터 뭉게진 화소수 높은 이미지보다는 더 좋다는 것이다. (*. 센서가 디지털화 되면서 가장 큰 장점은 편리하다는 것이지만, 그 보다 더 큰 장점은 발전과 기술개발이 계속 진행되어 간다는 것이다.)
@#디지털줌과 #광학줌
둘의 차이는 광학식으로 망원경처럼 먼거리의 사물을 가깝게 보이는 것이다. 디지털줌은 이미지를 잘라내어서 보여주는 것이다. 그러니 화소수가 높으면 높을 수록 디지털중에 도움이 된다. 한마디로 속이는 것이다. 어짜피 디지털줌을 사용할 꺼라면 나중에 자신이 크롭을 하면 똑같은 이미지를 얻을 수 있다. 허나... 후보정이라는 귀차니즘이 생긴다는 것이다. 우리는 후보정이라는 것에 많은 거부감을 갖는다. 마치 원본이 아닌 것 처럼 말이다. 이건 전혀 다른 이야기다. 아무리 원본이여도 더 보기좋은 이미지가 더 오래 사랑(?)받지 않을까?
아무튼 스마트폰에서 디지털줌과 나중에 크롭하는 거랑 같은 거라고 해도 디지털줌을 계속 사용하는 분(?)에게 물어봤다. "왜?", "귀찮잖아... 편집기를 선택해서 열어서 내가 또 잘라야 하는데, 디지털줌을 사용하면 바로 사용 가능하고 자동으로 크롭도 해주는 거잖어~" 그렇다. 그러다네~
그러니 스마트폰카메라의 1억화소는 결국 디지털줌을 위한 꼼수 제품이라고 보면 되겠다.
@#화질과 해상력의 차이
그렇다면 화소가 아무리 높은 들... 해상도가 아무리 높은 들... 결국 빛과 같은 렌즈와 같은 좋은 사진이 나올 수 밖에 없는 환경이 아니라면 그 차이는 확일하게 난다. 특히 빛이 중요하다. 그리고 적게 들어오는 빛을 같은 양이라고 한다면 당연히 큰 이미지센서가 더 유리할 것이고 말이다. 저조도에서의 이미즈를 살펴보면 확연히 차이가 난다. 확대해 보면 말이다. 결국 이미지보간법으로 해상도를 올린들 좋은 렌즈를 통해서 들어오는 원본화질과 빛이 중요하다는 것이다.
**아참 그러고 보니까 우리에게는 #보간법(interpolation)이라는 엄청난 기술(?)이 있지 않은가? 그러니 예전에 찍은 사진이 화질은 우수하지만 화소수가 낮다고 좌절하지 말자. 기술의 발전은 결국 이 화소수도 보상(?)해 줄것이니 말이다. 하지만 원본사진의 화질이 나쁘다면 보간법도 어짜피 의미가 없을 것이다.
미러리스 / 스마트폰 야간촬영 비교
요즘 나오는 스마트폰의 센서 크기가 대충 1/3.6"정도 된다. 그러면 얼마나 작은 것인가? 너무 작다. 극단적으로 한예를 들어보자. 1인치의 이미지센서에 1천만화소의 센서가 있다고 치자 그에 반해 풀프레임센서의 1천만화소의 센서가 있다. 이둘의 해상도는 당연히 센서가 작은 쪽이 좋을 것이다. 당연히 해상도는 PPI로 결정이 되니 말이다. 그렇다면 화질은 어떨까? 화소수를 글씨로 바꿔서 해석해 보자. 그렇다면 35mm사이즈의 1천만자와 1인치사이즈의 1천만자중에 어느쪽의 글씨를 보기가 쉬울까? 당연히 당연히 센서가 큰쪽의 글씨가 더 잘 보일 것이다. 뭐 극단적인 표현이기는 했다. 화소집적도가 커지면 커질 수록 더 부드럽고 또렸하게 표현되니 말이다. 그러나 렌즈의 크기와 빛이 받아 들이는 광량에 따라 화질은 한없이 바뀌게 된다. 그리고 조리개 값에 따라서도 바뀌는 게 바로 빛의 회절현상이다.
그러니 해상도와 더불어 화질의 차이는 결국 화소수가 아닌 센서의 크기와 더불어 집적도와 함께 얼마나 많은 빛을 잘 받아 들일 수 있느냐가 중요하다 하겠다. 그러니 주광에서는 많은 차이를 특히나 조리개를 많이 조여야 하는 상황에서는 별차이를 못 느낄 수도 있다. 센서의 빛을 얼마나 잘 받아들이느냐에 따라 화질이 차이가 난다고 했다. 그러니 같은 조건이라면 야간에 사진을 찍어보면 확실이 그 차이를 느낄 수 있을 것이다.
14-3. 해상도(=화질) 이야기를 하면 회절현상을 빼놓고 이야기 할 수 없다. 그런데 이번 편에서는 셔터스피드는 빼고 가겠다. 이유는 요즘 디지털카메라는 아니 미러리스카메라는 전자셔터라는 게 있으니 말이다. 빛의 회절현상이라는 게 결국 좁은 틈을 지나려고 하는 빛의 성질이기 때문인데, 전자셔터는 물리적으로 지나칠 게 없으니 말이다. 빛의 회절현상을 우리는 빛갈라짐이라고도 한다.
#회절(*回折, Diffraction : 대표적인 파동 현상 중의 하나이다. 순우리말로 '에돌이'라고 하며 음파나 전파 또는 광파 등이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 파동이 그 뒤편(그림자 부분)까지 전파하는 현상) 은 빛의 파동이 좁은 틈을 통과하면서 부채꼴로 퍼지는 현상이라고 하면 될까? 그렇다면 이 빛의 회절이 왜? 중요한 걸까?
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빛의 파동 해상도 MTF차트
카메라조리개 모양
카메라에서 빛은 일단 렌즈를 통하고 조리개를 통하여 센서에 도달한다. 그 빛이 렌즈를 통하면서 파동이 일어나고 조리개를 통과하면서 회절이 일어나게 된다. 그래서 빛의 갈라짐 현상도 일어나는데, 조리개 날 수가 짝수라면 짝수대로 홀수개라면 두배로 나타난다. 원형조리개와 핀홀모양에 가까워지면 그냥 퍼진다. 왜그러냐? 빛은 파동으로 되어 있다. 왜? 파동이냐? 라고 한다면... (@저도 잘 모르겠네요..;;;) 암튼 파동으로 되어 있다. 그리고 장파장과 단파장으로 나뉜다. 왜그러냐? 역시나 모른다. (@저엉 궁금하신 분이라면 이번만큼은 물리학을 따로 공부하시기를 권해드립니다) 그러다보니 색상마다 각기 다른 파장으로 인하여 화질에 지대한(?) 관여를 하신다. 그냥 일직선으로만 뻗어 가는게 빛이라면 솔직이 이럴필요도 없겠지만 말이다. 그러면 우리의 그림자는 칼로 베어낸듯하게 또렷하기만 하겠지만... 암튼 이놈의 빛의 파동이 틈이 좁을 수록 장파장일 수록 회절현상이 더 많이 일어난다는 것이다. (아~ 어렵다) 회절이 그런데 사진이랑 뭔 상관일까? 바로 이 회절현상 때문에 화질을 나쁘게 하는 것이다. 그래서 렌즈의 조리개를 조이면 어느정도까지 좋아지다가 어느 한계에 다다르면 화질(=해상도)이 나빠지는 모습을 볼 수 있다. 이유는 조리개를 열었을시에 퍼져 있던 파장이 어느정도 모이게 된다. 이때 회절은 늘 일어나고 있는 상태다. 그래서 화질이 좋아지게 되었다가 조리개를 더더 조이면 회절이 심해지기 시작하면서 화질이 나빠진다고 이해하면 될 것 같다.(아~ 어려워~)
#감도(*ISO : 필름을 사용하지 않는 디지털카메라에서는 설정된 ISO 수치에 상응하도록 CCD 센서의 반응도를 조절함으로써 필름의 감도와 같은 역할을 하도록 한다) 는 화질의 해상도를 결정하는 중요한 요소중 하나이다. 디지털카메라에 와서는 감도를 올렸을 시 화질에 영향이 생기는 노이즈가 나타나면 고감도노이즈라고 표현한다. 그외에는 상용감도라고 해서 일상적으로 사용이 가능한 감도라고도 한다. 그러니 디지털카메라에서의 저감도의 의미는 기본이 되는 ISO를 말한다. 필름시절 고운입자와 거친입자의 크기가 확실히 눈에 띄게 보였고 ISO100과 200이 거의 기준이였으니 말이다. 그래서 ISO100을 기준으로 고감도 저감도 필름이 결정되었다.
감도는 노출량의 한계를 '필름의 재질' 또는 '센서의 반응도'를 조절함으로써 극복할 수 있도록 하는 노출 조절의 마지막 요소이다. 따라서 야간 촬영 또는 실내 촬영 시에 ISO 감도를 높여줌으로써, 조리개의 크기 또는 셔터 속도의 제약을 조금 벗어나서 원하는 사진을 얻을 수 있게 된다. 그러나 필름의 경우 고감도로 갈수록 필름의 입자가 커지기 때문에 이미지가 거칠어지는 특성이 있다.
디지털 카메라의 경우도 크게 다르지 않아, 고감도일수록 노이즈가 증가하고 채도가 떨어지며 디테일이 뭉개져 결과적으로 열화된 듯한 이미지를 보여주게 된다. 또한 필름에는 없었던 색상 노이즈라는 것이 발생해, 어두운 부분에서 빨강, 파랑, 초록의 점이 무작위로 찍히게 된다. 그러니 감도를 올리는 것은 화질에 지대한 영향을 주기 때문에 신중히 사용해야 했던 적도 있었다. 초창기 디지털카메라의 경우 ISO800만 올려도 엄청난 컬러노이즈 때문에 거의 사용치 못할 정도 였지만 지금은 ISO102400까지 상용감도로 나오고 있는 실정이다. 물론 기본감도보다는 노이즈가 많기는 하지만... 아무튼 셔터스피드가 확보되지 못하게 될 시 마지막보루로 감도를 올려 사용하던 게 ISO였지만 지금은 야간에도 맘껏 감도를 상용감도내에서 자동으로 설정해 놓고 사용하고 있다.
예를 들면 요즘 디지털 카메라의 경우 상황에 따라 설정이 가능하다. "평소에는 저감도로 촬영을 하다가 야간이나 빛이 부족한 상황이 되어 셔터스피드가 1/30초 이하로 떨어지면 감도를 몇까지 올려라"라고 설정할 수 있는 것이다. 이 설정이 얼마나 편하고 좋은지 디지털카메라의 변화에 격세지감과 함께 감사(?)함을 전하고 싶을 정도다.
빛만 좋다면 스마트폰도 훌륭한 디지털카메라가 될 수 있다
(번외로 가끔 #다이나믹레인지 확보를 위해 의도적으로 iso100이 아닌 iso400~800 고정후 찍는경우도 있다. 이는 조리개로 심도를 확보하고 셔터스피드로 밝은 곳을 억제하고 감도로 어두운곳의 정보를 얻고자함)
[출처] 제14장 해상도와 화소와의 관계|작성자 강철30호
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