노이즈의 종류와 원인

이미지 노이즈란 디지털 이미지에서 원치 않는 밝기 또는 색상 정보의 무작위적인 변화로 인해 나타나는 아티팩트를 말합니다. 예상치 못한 입자나 얼룩진 형태로 나타나며 선명도를 떨어뜨려 이미지 품질을 저하시킬 수 있습니다. 그러나 필름사진을 연상시키는 오랜 감성을 더할 수 있어서 경우에 따라서 인위적으로 가미하기도 합니다. 
 

노이즈의 종류와 원인

 
왼쪽부터 차례대로 고정패턴 노이즈, 랜덤노이즈, 밴딩노이즈입니다. 서로 다른 원인으로 인해 다른 형태로 이미지에 나타납니다. 노이즈의 원인을 파악하고 형태를 아는 것은 노이즈를 대비하고 또 선명하고 깨끗한 이미지를 얻는
 

고정패턴 노이즈(Fixed Pattern Noise)

고정 패턴 노이즈는 모든 픽셀이 동일한 양의 빛을 받지 못하기 때문에 발생합니다. 다시 말해 픽셀마다 받아들이는 광량이 다릅니다.  보통 "핫 픽셀"의 형태로 나타납니다. 고정 패턴 노이즈는 일반적으로 장노출 촬영 시에 발생합니다. 고온에서는 더욱 심해집니다. 고정 패턴 노이즈는 동일한 조건(온도, 노출 시간, ISO 속도)에서 촬영된 경우 거의 동일한 핫 픽셀 분포를 보입니다.

 

일반적인 경우 이미지 보정 소프트 웨어(포토샵, 라이트룸)의 노이즈 감소 기능을 활용하면 제거할 수 있습니다. 

 

랜덤노이즈

랜덤 노이즈는 이미지의 실제 강도에 따라 강도와 색상이 일정하지 않게 나타납니다. 이러한 노이즈는 특정 조건에 구애받지 않고 항상 어느 정도 발생하게 되는데, 동일한 노출 설정에서도 랜덤 노이즈의 분포나 패턴은 항상 일정하지 않을 수 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

 

랜덤 노이즈를 '광자 노이즈' 또는 '샷 노이즈'라고도 하는데 이는 카메라의 잘못이 아닌 빛의 특성과 관련이 있기 때문입니다. 이를 이해하기 위해서 뒷마당에 양동이 30개를 나란히 두고 하늘에서 떨어지는 비를 받는다고 생각해 봅시다. 모든 양동이가 동일한 양의 비를 받지는 않을 것입니다. 저도 해본 적은 없지만 그렇다고 믿고 있습니다. 

 

다시 말해, 일정 시간 동안 픽셀이 받아들이는 광자의 개수는 무작위입니다. 받아들이는 빛의 양이 많을수록 랜덤 노이즈는 증가하지만, 증가의 폭은 빛의 양에 비해 점점 작아지게 됩니다. 바로 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)가 증가하게 됩니다. 

 

이에 대한 해결책은 다음과 같습니다. 

• 노출 시간 증가(셔터 스피드 증가)
• 빛의 양 증가(조리개 개방)
• 여러 장의 이미지의 평균값으로 정리(이미지 스택)

 

밴딩노이즈

밴딩 노이즈는 디지털 센서에서 데이터를 읽어올 때, ISO 증폭기,  ADC에 의해서 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환될 때 주로 발생합니다. 카메라의 모델에 따라 그 특성이 다르게 나타납니다. 이 노이즈는 희미하게 세로 줄무늬, 가로 줄무늬, 방사형 형태 등 패턴이 일정하게 나타날 수도 있지만 무작위 하게 발생하기도 합니다.  이미지의 어두운 부분에서 더욱 명확하게 관찰됩니다. 이미지를 과도하게 밝게 조정했을 때도 밴딩 노이즈는 나타날 수 있습니다. 더불어, 카메라의 화이트 밸런스 설정에 따라서도 밴딩 노이즈의 정도가 변할 수 있음을 주의해야 합니다.

 

랜덤 노이즈는 일반적으로 이미지 품질 저하 없이 제거하기가 훨씬 더 어렵습니다. 소프트웨어가 랜덤 노이즈와 먼지나 나뭇잎에서 발생하는 미세한 텍스처 패턴을 구분하기 어렵기 때문에 랜덤 노이즈를 제거하면 이러한 질감도 함께 제거되는 경우가 많습니다.  

 

고화소 카메라의 경우 밴딩 노이즈 현상이 더 두드러집니다. 이와 같은 경우 ISO 설정값을 올려보시거나 이미지 스택의 방법으로 감소할 수 있습니다. 그리고 대비 추가를 소극적으로 하는 것도 좋은 방법입니다. 

 

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색온도

 
이미지 노이즈는 일부 극단적인 상황에 색온도 설정에 따라 증가할 수 있습니다.
 
 
수중 촬영 시 카메라는 흰색이 흰색으로 보이게끔 녹색 및 파란색 채널에 비해 빨간색 채널의 신호를 인위적으로 증폭시키게 됩니다. 
(ISO 100으로 설정되어 있다 하더라도 빨간색 신호는 더 높은 ISO 수준에서 처리됩니다. )
 
적절한 화이트 밸런스 설정이 매우 중요한 이유입니다.

 

화이트 밸런스 설정	Kelvin
빛 (Daylight)	약 5000K - 5500K
흐림 (Cloudy)	약 6000K - 6500K
그늘 (Shade)	약 7000K - 8000K
텅스텐 (Tungsten)	약 2500K - 3500K
형광등 (Fluorescent)	약 4000K - 4500K
플래시 (Flash)	약 5500K - 6000K

 

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베이어 구조

 
베이어 구조는 디지털카메라 센서에서 널리 사용되는 컬러 필터링 기술입니다.
베이어 구조는 센서에 녹색 필터를 50%, 파란색 필터를 25%, 빨간색 필터를 25%로 배치합니다.
 
 
 
 
 

Bayer 구조의 이해 ⓒ위키피디아

 
이후에 디모자이크(보관법)이란 과정을 거치게 됩니다.
 
디모자이크란 이미지에 노출된 칩에서 각 픽셀을 판독하여 녹색 필터가 있는 픽셀은 녹색 성분을 정확하게 측정할 수 있지만 부족한 빨간색과 파란색의 값은 이웃 픽셀값을 통해 추측하여 값을 정하게 됩니다.
 
보간법은 색상이 일정한 부분에서는 문제가 없지만 고주파 영역(예:방충망)에서는 모아레가 발생할 수 있습니다.
 
또한 녹색을 훨씬 많은 데이터를 받아들이는 구조적 특성으로 인해 보통 녹색 채널에서 노이즈가 덜 합니다. 
 

은하수 같은 야경사진 노이즈 제거 시에 파란 채널과 빨간 채널만 선택적으로 보정하는 것이 좋습니다.

 

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비교해서 보면 좋을 것 같은

후지필름의 주장

후지필름 X-Trans ⓒ위키피디아

 
후지 Xtrans는 후지필름이 개발한 디지털카메라 센서의 한 유형으로, 기존의 Bayer 패턴과는 다른 고유한 컬러 필터 배열을 사용합니다. 이러한 Xtrans 센서는 여러 가지 장점을 제공합니다. 다음은 후지 Xtrans의 주요 장점들입니다:
 
○ 모아레 감소: Xtrans 센서의 컬러 필터 배열은 Bayer 패턴보다 모아레 현상을 효과적으로 감소시킵니다. Xtrans의 임의적인 배치는 고주파 성분과 겹치지 않는 패턴을 형성하여 모아레 현상을 줄여줍니다. 이로 인해 추가적인 필터링이 필요하지 않으며, 세부 사항과 패턴을 더욱 정확하게 재현할 수 있습니다.
 
○ 더 큰 해상도: Xtrans 센서는 동일한 해상도를 가진 Bayer 센서와 비교했을 때 더 많은 디테일과 해상도를 제공합니다. Xtrans 센서의 무작위 한 필터 배열은 주로 사용되는 Bayer 패턴의 특정 패턴 문제를 완화시킵니다. 이를 통해 더욱 선명하고 정확한 이미지를 캡처할 수 있습니다.
 
○ 색상 재현력: Xtrans 센서는 고유한 컬러 필터 배열을 사용하여 색상 재현력을 향상합니다. 컬러 필터의 임의적인 배치로 인해 보다 정교한 컬러 세부 사항을 재현할 수 있으며, 보다 자연스럽고 생생한 색감을 제공합니다.
 
○ 노이즈 감소: Xtrans 센서는 노이즈를 효과적으로 감소시킵니다. 컬러 필터 배열의 특성으로 인해 녹색 채널에서 더 적은 노이즈가 발생하며, 이는 전체 이미지의 노이즈 수준을 줄여줍니다. 노이즈 감소는 낮은 조도 조건에서도 높은 품질의 이미지를 캡처할 수 있도록 도와줍니다.

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ETTR 이란 무엇인가?

 

ETTR(Exposure to the right)은 디지털 사진에서 사용되는 기법으로, 의도적으로 이미지를 과노출시켜 이미지 센서에서 사용 가능한 정보의 양을 극대화하는 방법입니다.

 

ETTR의 개념은 디지털 센서가 노출 히스토그램의 밝은(오른쪽) 부분에 더 높은 민감도를 가지고 있는 것을 이해한 것에 기반합니다.

 

 

 

 

의도적으로 이미지를 과노출시킴으로써 사진작가는 히스토그램을 오른쪽으로 밀어 밝은 부분의 중요한 세부사항이 센서의 높은 민감도 범위 내에서 캡처되도록 할 수 있습니다. 이 기법은 밝은 하이라이트와 어두운 그림자가 모두 존재하는 고대비 장면을 포함한 동적 범위가 센서의 능력을 초과하는 상황에서 특히 유용합니다.

다음은 ETTR 기법의 단계별 설명입니다:

1. 상황판단: 장면의 다이내믹 레인지를 평가하여 ETTR이 필요한지 여부를 판단합니다. 현재 담고자 하는 장면이 넓은 범위의 밝기를 가지며 하이라이트와 그림자 모두 중요한 세부사항이 있는 경우 ETTR이 유용할 수 있습니다.
2. 노출 보정 설정: 노출 보정(EV)을 1~2 스톱 높여서 조정합니다. 이 조정은 의도적으로 이미지를 과노출시킵니다.
3. 이미지 촬영: 조정된 노출 설정으로 촬영합니다. 하이라이트가 데이터가 안전한지 아닌지 확인합니다. 히스토그램을 검토하여 톤의 분포를 확인할 수 있습니다.
4. 후처리: 후처리 단계에서 노출을 줄여 하이라이트를 원하는 수준으로 되돌립니다. 이 단계는 하이라이트 세부사항을 복구하면서 그림자의 노이즈 수준을 낮추는 데 도움이 됩니다.

 

ETTR의 주요 장점은 가장 밝은 영역의 정보를 더 많이 캡처하여 하이라이트의 세부사항을 보존하고 후처리 중 어두운 영역의 노이즈를 줄일 수 있다는 것입니다. 이 기법은 주로 풍경, 건축 및 고대비 사진 촬영에서 하이라이트 세부사항을 보존하는 것이 중요한 경우에 사용됩니다.

 

ETTR은 모든 상황에 적합하지는 않음을 유념해야 합니다. 현재 담고자 하는 장면이 큰 동적 범위를 가지지 않거나 완전히 표출되면 안 되는 강한 하이라이트를 가진 주제를 촬영하는 경우, 보다 균형 잡힌 노출 접근 방식을 사용하는 것이 더 적절할 수 있습니다. 또한 카메라 센서의 동작 방식을 이해하고 ETTR 기법을 실험하여 원하는 결과를 얻을 수 있도록 하는 것이 중요합니다.

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ISO란 무엇인가?

2023.06.30 - [사진 알아가기/사진공부] - ISO와 화해하기 / ISO 불변 / ISO와 노이즈

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