IR Cut-Off Filter가 차단하지 못한 미량의 적외선이 디지털화상에 미치는 영향 분석 The analysis of the Effect the Minute Quantities of Infrared Rays that Were not Filtered by IR Cut-Off Filter has on Digital Images원문보기
분광특성의 차이로 필름은 자외선에 민감한데 반해 디지털 카메라의 센서는 적외선에 굉장히 민감하다. 이에 따라 CCD 또는 CMOS를 사용하는 모든 디지털 카메라에는 IR Cut-Off Filter가 센서전면에 장착되어 있다. 이상적으로 100% 적외선을 차단하여야 하지만 실험 결과 완전히 적외선을 차단하지 못하고 있었으며, 각 카메라마다 적외선 투과량 또한 달랐다. 따라서 본 연구는 디지털 카메라에 장착되어 있는 IR Cut-Off Filter의 기계적 특성에 의해 투과되는 미량의 적외선이 디지털 화상이미지에 끼치는 영향을 분석하는 데 그 목적이 있다. UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선미투과상태)를 비교분석한 결과, 잡음(Noise)과 색 재현력 평가에서는 그 차이가 미세하거나 거의 동등한 수준이지만, 동적 폭(Dynamic Range)과 해상도에는 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 미량의 적외선이 어느 정도 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
분광특성의 차이로 필름은 자외선에 민감한데 반해 디지털 카메라의 센서는 적외선에 굉장히 민감하다. 이에 따라 CCD 또는 CMOS를 사용하는 모든 디지털 카메라에는 IR Cut-Off Filter가 센서전면에 장착되어 있다. 이상적으로 100% 적외선을 차단하여야 하지만 실험 결과 완전히 적외선을 차단하지 못하고 있었으며, 각 카메라마다 적외선 투과량 또한 달랐다. 따라서 본 연구는 디지털 카메라에 장착되어 있는 IR Cut-Off Filter의 기계적 특성에 의해 투과되는 미량의 적외선이 디지털 화상이미지에 끼치는 영향을 분석하는 데 그 목적이 있다. UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선미투과상태)를 비교분석한 결과, 잡음(Noise)과 색 재현력 평가에서는 그 차이가 미세하거나 거의 동등한 수준이지만, 동적 폭(Dynamic Range)과 해상도에는 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 미량의 적외선이 어느 정도 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
Films are sensitive to ultraviolet rays and in contrast, digital camera sensors are extremely sensitive to infrared rays due to the differences in spectral characteristics. As a result, all digital cameras that use CCD or CMOS are equipped with IR Cut-Off Filter on the overall sensor. Complete block...
Films are sensitive to ultraviolet rays and in contrast, digital camera sensors are extremely sensitive to infrared rays due to the differences in spectral characteristics. As a result, all digital cameras that use CCD or CMOS are equipped with IR Cut-Off Filter on the overall sensor. Complete block out of infrared rays is ideal, but the actual experiment results showed that infrared rays were not being blocked out completely. Infrared permeability was also different for each camera. Therefore, this study aims to analyze the effect of the minute quantities of infrared rays, which get transmitted due to mechanical properties of IR Cut-Off Filters that are installed on digital cameras, on digital picture images. The results obtained by carrying out a comparative analysis of a UV Filter (infrared transmitting state) and a UV-IR Filter (infrared blocked out state) are as follows. It was confirmed that the minute quantities of infrared rays do affect dynamic range and resolution to some extent, despite the little or no difference in noise and color reproduction.
Films are sensitive to ultraviolet rays and in contrast, digital camera sensors are extremely sensitive to infrared rays due to the differences in spectral characteristics. As a result, all digital cameras that use CCD or CMOS are equipped with IR Cut-Off Filter on the overall sensor. Complete block out of infrared rays is ideal, but the actual experiment results showed that infrared rays were not being blocked out completely. Infrared permeability was also different for each camera. Therefore, this study aims to analyze the effect of the minute quantities of infrared rays, which get transmitted due to mechanical properties of IR Cut-Off Filters that are installed on digital cameras, on digital picture images. The results obtained by carrying out a comparative analysis of a UV Filter (infrared transmitting state) and a UV-IR Filter (infrared blocked out state) are as follows. It was confirmed that the minute quantities of infrared rays do affect dynamic range and resolution to some extent, despite the little or no difference in noise and color reproduction.
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문제 정의
2006) 결과에서 밝혀졌다[3]. 따라서 본 연구는 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 적외선이 이미지 화질에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 분석하고자 하였다.
따라서 본 연구는 디지털 카메라에 장착되어 있는 IR Cut-Off Filter의 기계적 특성에 의해 투과되는 미량의 적외선이 디지털 화상이미지에 끼치는 영향을 분석하는 데 그 목적이 있다.
이에 본 연구는 디지털 카메라에 장착되어 있는 IR Cut-Off Filter의 기계적 특성에 의해 투과되는 미량의 적외선이 디지털 화상이미지에 끼치는 영향을 과학적으로 분석하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 일반적인 촬영상황 즉, UV 필터를 장착한 상태와 자외선과 적외선을 모두 차단하고 가시광선만을 투과시키는 UV-IR필터를 장착하여 적외선의 투과상태와 차단상태를 과학적으로 분석한다. 이를 위하여 적절한 필터를 실험을 통하여 선별하고, TE253 S, Kodak Gray Scale Q-14, Macbeth SG Digita Color Checker, 적외선 투과율 실험을 위해 Kodak Gray Card를 표준 피사체로 촬영한다.
제안 방법
Delta E와 더불어 각 컬러오차를 분석하였다. 색 좌표에서는 이상적인 색 값과 실험 카메라의 실제 색 값을 나타내준다.
Digital Color Checker SG Chart를 표준타깃으로 하여 카메라 별 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)를 각 조명 조건(텅스텐, 스트로보, 태양광)에 따라 Imatest 3.4.1를 사용하여 색 재현력을 분석하였다. Delta E 값은 Delta L (명도의 차이)·Delta H (색상 각의 차이)·Delta C (채도의 차이)를 종합적인 평균값으로 산출 한 값을 의미한다.
각 카메라 Body 내부에 장착된 IR Cut-Off Filter의 적외선 투과상태를 알아보기 위하여 Kodak Waretten Gellaten Filter No, 87 적외선 투과필터를 장착하여 실험하였다.
각각의 조명조건에서 그레이카드를 표준피사체로 선정하여 UV필터 장착상태에서의 적정노출을 기준으로 Kodak Waretten Gellaten Filter No, 87 적외선 투과필터를 장착하여 브라케팅 촬영을 한다. 촬영한 후 농도를 측정하여 실제 실험카메라의 IR Cut-Off Filter가 적외선을 투과하는 지 확인한다.
TE253 S Siemens star 차트는 방사형의 사인 주파수를 가진 선들로 구성되어 있다. 기존에는 선명한 경계선을 가진 차트를 사용하였으나 샤픈 때문에 나타나는 문제점을 해결하고자 경계선이 흐릿한 차트로 설계되었다.
이를 위하여 적절한 필터를 실험을 통하여 선별하고, TE253 S, Kodak Gray Scale Q-14, Macbeth SG Digita Color Checker, 적외선 투과율 실험을 위해 Kodak Gray Card를 표준 피사체로 촬영한다. 마지막으로 촬영한 데이터를 바탕으로 해상도, 색재현력, 다이나믹레인지, 노이즈를 비교분석한다. 본 연구에서는 다음과 같은 한계점을 밝혀둔다.
본 연구에서는 카메라 별 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)를 각 조명 조건(텅스텐, 스트로보, 태양광)에 따라 동적 폭을 비교분석하였다. 분석프로그램은 Imatest 3.
실험에 사용된 필터는 Rodenstock사의 UV필터와 UV-IR필터를 사용하였다. 실험에 적합한 필터를 선정하기 위해 시중에 판매되고 있는 여러 UV필터들과 실제 UV-IR필터의 투과율과 파장대역을 Cary 500 UV-VIS-NIR Spectrometer를 사용하여 측정하였다.
이에 본 연구에서는 일반적인 촬영상황 즉, UV 필터를 장착한 상태와 자외선과 적외선을 모두 차단하고 가시광선만을 투과시키는 UV-IR필터를 장착하여 적외선의 투과상태와 차단상태를 과학적으로 분석한다. 이를 위하여 적절한 필터를 실험을 통하여 선별하고, TE253 S, Kodak Gray Scale Q-14, Macbeth SG Digita Color Checker, 적외선 투과율 실험을 위해 Kodak Gray Card를 표준 피사체로 촬영한다. 마지막으로 촬영한 데이터를 바탕으로 해상도, 색재현력, 다이나믹레인지, 노이즈를 비교분석한다.
야외 풍경을 대상으로 Kodak Waretten Gellaten Filter No, 87를 장착하여 촬영한 결과 IR Cut-Off Filter를 제거하지 않은 상태에서도 [그림 5]와 같이 적외선 사진효과를 얻을 수 있었다. 이에 따라 그레이카드를 사용하여 실험환경의 3가지 조명조건에서 적외선 투과실험을 진행하였다.
조명은 적외선 방출량이 서로 다른 태양광과 텅스텐광, 스트로보 총 3조건에서 실험을 진행하였다.
각각의 조명조건에서 그레이카드를 표준피사체로 선정하여 UV필터 장착상태에서의 적정노출을 기준으로 Kodak Waretten Gellaten Filter No, 87 적외선 투과필터를 장착하여 브라케팅 촬영을 한다. 촬영한 후 농도를 측정하여 실제 실험카메라의 IR Cut-Off Filter가 적외선을 투과하는 지 확인한다.
태양광, 텅스텐광, 스트로보광의 다른 조명 조건에서 각 카메라마다 UV필터(적외선 투과상태)와 UV-IR필터(적외선 미투과상태)를 장착하여 필터 별 촬영한다. 실내조명은 차트면의 균일도 확보를 위하여 45°로 설치한다.
측정한 결과 [그림 3]과 같이 모든 UV필터가 적외선 영역을 투과시키고 있음을 확인하였으며, Rodenstock 사의 UV-IR필터의 경우 대부분의 근적외선을 차단하고 있음을 측정을 통하여 실제 확인하였다. 따라서 Rodenstock사의 UV-IR필터와 동일한 제조사의 UV필터를 선정하였다.
실험에 사용된 필터는 Rodenstock사의 UV필터와 UV-IR필터를 사용하였다. 실험에 적합한 필터를 선정하기 위해 시중에 판매되고 있는 여러 UV필터들과 실제 UV-IR필터의 투과율과 파장대역을 Cary 500 UV-VIS-NIR Spectrometer를 사용하여 측정하였다.
데이터처리
Digital Color Checker SG Chart를 각 카메라 별로 촬영하여 분석 프로그램 Imatest 3.4.1를 사용하여 적외선 투과상태와 적외선 미투과상태를 분석한다. Imatest는 Norman Koren에 의해 디지털 카메라 화상 이미지 평가를 목적으로 Matlab 기반으로 만들어져 있다.
동적 폭 분석을 위하여 Kodak Gray Scale Q-14 Chart를 촬영하여 분석 프로그램 Imatest 3.4.1를 사용하여 적외선 투과상태와 적외선 미투과상태를 분석한다.
본 연구에서는 카메라 별 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)를 각 조명 조건(텅스텐, 스트로보, 태양광)에 따라 동적 폭을 비교분석하였다. 분석프로그램은 Imatest 3.4.1를 사용하였다.
중심부 해상도 측정을 위해 TE253 S Siemens star for resolution measurement 차트를 사용하여 IE Analyzer 4.0을 통하여 분석하였다. TE253 S Siemens star 차트는 방사형의 사인 주파수를 가진 선들로 구성되어 있다.
이론/모형
중심부 해상도 측정을 위해 TE253 S Siemen star for resolution measurement 차트를 사용한다. Siemen Star는 방사형의 사인 주파수를 가진 선들로 구성되어 있다.
카메라 파일 저장방식은 RAW로 설정하였다. 컨버팅 프로그램은 다양한 프로그램이 있지만 동일한 조건에서의 컨버팅을 위하여 Adobe Camera RAW를 사용하였다. 프로그램 설정과 카메라 설정은 모두 Default 값으로 설정하였다.
성능/효과
IR Cut-Off Filter의 효과와 역할에 대한 실험을 한 결과, 아날로그 사진에서의 적외선 사진의 효과를 디지털 사진에서도 같은 효과를 얻을 수 있다는 사실을 확인하였으며, IR Cut-Off Filter를 제거하지 않은 카메라에서도 적외선 필터를 사용하면 적외선 사진의 효과를 일정부분 얻을 수 있다는 결론을 내렸다. 또한 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 적외선이 많지 않아 이미지 화질에 큰 영향을 미치지 않을 것이라는 추론을 하였다[3].
UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태) 보다 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 미세하게 Delta E 값이 거의 동등하거나 미세하게 상승하였듯이 색 좌표에서의 각각의 색 방향성 또한 시각적으로 거의 동등한 수준으로 나타났다. 특히 스트로보광조건에서 CANON 1Ds Mark3는 Delta E 값이 동등한 수준이지만 오히려 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)에서 미세하게 높아 색 재현력에서는 큰 차이점을 발견하지 못하였다.
[표 4]와 같이 Delta E를 분석한 결과, 스트로보 광에서 CANON 1Ds Mark3에 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)보다 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)에서 Delta E 값이 미세하게 상승한 점을 제외하고 모든 조명조건에서 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 그 차이가 미세하지만 더욱 더 정색에 가까운 색 재현력을 보여주었다.
공통적으로 두 카메라 모두 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 다이나믹 레인지가 향상된 것을 확인할 수 있다.
넷째, 해상도 측정결과, 3가지 조명조건(텅스텐, 스트로보, 태양광)에서 두 카메라 모두 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)보다 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 해상도가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다.
둘째, 실험에 사용된 각각의 카메라에 장착된 IR Cut-Off Filter의 정확한 적외선 차단율은 제조사의 기밀자료로서 공개가 되지 않아 정확하지 않다는 것이다. 따라서 적외선 차단율이 100%가 아니라는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
둘째, 잡음 측정 값은 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 약 0.00~0.04%의 차이를 보이며 거의 동등한 수준의 잡음 값을 보여주어 큰 차이점은 발견되지 않았다.
둘째, 실험에 사용된 각각의 카메라에 장착된 IR Cut-Off Filter의 정확한 적외선 차단율은 제조사의 기밀자료로서 공개가 되지 않아 정확하지 않다는 것이다. 따라서 적외선 차단율이 100%가 아니라는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
셋째, 색 재현력 평가에서는 스트로보 광에서 CANON 1Ds Mark3에 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)보다 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)에서 Delta E값이 미세하게 상승한 점을 제외하고 모든 조명조건에서 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 그 차이가 미세하지만 더욱 더 정색에 가까운 색 재현력을 보여주었다.
05% 편차를 보여 UV필터를 장착한 상태(적외선 투과상태)와 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 유의미한 차이는 나타나지 않았다. 실험 카메라의 잡음은 D3X가 1Ds Mark3보다 큰 차이는 아니지만 더 우수한 것으로 나타났다.
야외 풍경을 대상으로 Kodak Waretten Gellaten Filter No, 87를 장착하여 촬영한 결과 IR Cut-Off Filter를 제거하지 않은 상태에서도 [그림 5]와 같이 적외선 사진효과를 얻을 수 있었다. 이에 따라 그레이카드를 사용하여 실험환경의 3가지 조명조건에서 적외선 투과실험을 진행하였다.
이에 따라 CCD 또는 CMOS를 사용하는 모든 디지털 카메라에는 IR Cut-Off Filter가 이미지 센서전면에 장착되어 있다. 이상적으로 100% 적외선을 차단하여야 하지만 실험 결과 완전히 적외선을 차단하지 못하고 있었으며, 각 카메라마다 적외선 투과량 또한 달랐다. 따라서 본 연구는 디지털 카메라에 장착되어 있는 IR Cut-Off Filter의 기계적 특성에 의해 투과되는 미량의 적외선이 디지털 화상이미지에 끼치는 영향을 분석하는 데 그 목적이 있다.
이에 따라 잡음과 색 재현력 평가에서는 그 차이가 미세하거나 거의 동등한 수준이지만, 동적 폭과 해상도에는 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 미량의 적외선이 어느 정도 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
태양광에서는 CANON 1Ds Mark3가 적정노출과 -9stop의 차이를 보였으며, NIKON D3X는 적정노출과 -12stop의 차이를 보였다. 전반적으로 CANON 1Ds Mark3가 NIKON D3X보다 IR Cut-Off Filter의 적외선 투과율이 높은 것으로 확인되었다.
전반적인 동적 폭, 잡음, 색 재현력, 해상도를 분석한 결과 잡음과 색 재현력은 IR Cut-Off Filter를 통해 투과되는 미량의 적외선의 영향과 거의 무관한 것으로 판단되어지며, 동적 폭과 해상도는 어느 정도 이미지 화질에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
첫째, 동적 폭 평가에서 공통적으로 두 카메라 모두 UV-IR필터를 장착한 상태(적외선 미투과상태)에서 동적 폭이 향상된 것을 확인하였다.
측정한 결과 [그림 3]과 같이 모든 UV필터가 적외선 영역을 투과시키고 있음을 확인하였으며, Rodenstock 사의 UV-IR필터의 경우 대부분의 근적외선을 차단하고 있음을 측정을 통하여 실제 확인하였다. 따라서 Rodenstock사의 UV-IR필터와 동일한 제조사의 UV필터를 선정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적외선 사진은 어떻게 제작할 수 있는가?
적외선 사진은 적외선 필름을 사용하거나 디지털 카메라 내부의 IR Cut-Off Filter를 제거하여 적외선 사진을 제작할 수 있다. [그림 1]에서도 나타나듯이 적외선 필름은 일부 가시광선에서 적외선 영역까지 감광이 되는 필름으로서, 적외선 사진촬영 시 반드시 가시광선은 차단하고 적외선만을 투과시키는 적외선 투과필터를 장착해야 한다.
적외선이란 무엇인가?
적외선은 약 700nm 이상으로 가시광선보다 길고 라디오 파장대역보다 짧은 전자기파를 말한다. 이러한 적외선은 사진뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용되고 있다.
디지털 카메라의 이미지 센서는 감색성의 차이로 인하여 적외선에 굉장히 민감한데, 이 때문에 센서 전면에 어떤 필터를 장착하는가?
때문에 디지털 카메라의 이미지 센서는 기존의 자외선에 민감한 필름과는 달리 감색성의 차이로 인하여 적외선에 굉장히 민감하다. 이러한 이유로 디지털 카메라에는 이미지 센서 전면에 IR Cut-Off Filter를 필수적으로 장착하고 있다. 일반적으로 IR Cut-Off Filter는 적외선을 차단하는 역할을 한다.
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