ISO는 감도를 올려주지 않는다

등가노출의 개념으로 적도의 노출 수준에 맞게 ISO 수치를 높게 설정하고 은하수를 촬영했지만, 후보정 과정에서 항상 느꼈던 의문점은 결과물의 느낌이 확연이 다르다는 것이었습니다.  이 게시물에서는 그 이유를 알아보겠습니다.

 

 

 

 

<목차>

노출의 이해

ISO는 무엇인가요?

신호 대 잡음비(SNR Ratio)는 무엇인가요?

ISO는 노이즈를 증가하지 않습니다.

높은 ISO 설정이 노이즈를 증가시키는 이유는 무엇인가요?

촬영 설정값에 따른 노이즈 변화

카메라 기종에 따른 ISO 불변성 여부

ISO가 변하지 않는 카메라는 무엇인가요?

ISO 변경 기종에 대한 설명

베이스 ISO와 듀얼 베이스 ISO는 무엇인가요?

ISO 설정에 따른 노이즈 실험 예시

결론

 

 

노출의 이해

노출 삼각형

노출 삼각형이 중요한 이유는 디지털카메라에서 3가지 요소 조리개, 셔터스피드, ISO 가 거의 모든 것을 결정짓는 주요 요소이기 때문입니다. 오늘의 이야기는 조리개와 셔터스피드 그리고 ISO의 설정에 따라서 노출이 변화한다는 지극히 상식적인 이야기에서 출발합니다. 

 

 

위의 이미지는 디지털카메라 촬영 시 결과물을 얻기 전까지 과정을 설명한 이미지입니다. 광원으로부터 렌즈를 통해 센서에 닿고 이렇게 모인 신호들은 ISO 증폭기를 거치게 됩니다. 디지털카메라에서 ISO는 카메라가 센서에서 처리된 결과로부터 시작되는 것을 알 수 있습니다.

 

이는  노출 삼각형의 3요소에서 사실 ISO가 직접적으로 노출을 결정짓는 요소가 아니라는 것을 말해줍니다. 그리고 디지털 카메라 촬영에서 노출을 결정 짓는 요소는 조리개와 셔터스피드 단 두 가지라는 것을 기억해야 합니다. 

 

디지털카메라의 ISO 증폭기는 센서가 받은 데이터를 단순히 증폭시키는 역할을 하게 됩니다. 그렇게 사진의 밝기만 높일 수 있습니다. 그리고 이 과정(ISO를 높이는 과정)에서 오히려 노이즈가 감소합니다. 이것은 아래에 이어지는 과정에서 천천히 살펴보겠습니다.

 

ISO가 증가하면 ADC(Analog-to-digital converter) 이후의 처리 과정(다운스트림 리드 과정)에서 발생하는 노이즈가 감소합니다. 현재 출시되는 카메라의 경우 이 과정에서 발생하는 노이즈 보다 패턴 노이즈(밴딩 노이즈)가 상대적으로 더 심하게 관찰됩니다.

그리고 대부분의 고화소 카메라는 낮은 ISO 에서 밴딩 노이즈가 더 심하게 나타납니다. 따라서 고화소 카메라의 경우 ISO를 높이면 밴딩 현상도 감소합니다.

 

 

아래의 복잡한 과정을 생략하고 결론부터 알고 싶은 분들을 위해 말씀드리자면 ISO 설정이 높을수록 이미지에 노이즈가 증가한다는 것은 오해라는 것입니다.높은 ISO 설정만으로는 이미지 노이즈가 증가하지 않으며 더 높은 ISO는 저조도 사진에 오히려 도움이 될 수 있습니다. 

 

그리고 이를 이해하기 위해 다시 한번 ISO에 대한 정의를 살펴보고 신호 대 잡음비라는 다소 생소한 개념에 대해 알아보는 것으로 진행하겠습니다.

 

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ISO는 무엇인가요?

 ISO는 국제 표준화 기구(ISO)에서 정한 필름 감도에 대한 표준 규격(ISO 12232:2006)입니다. 디지털 시대의 ISO는 이미지 센서가 필름 카메라의 어느 정도 감도를 가지고 있냐에 따라서 정해집니다. 다시 말해 동네 고스톱처럼 룰이 다르고 기준이 다르던 것을 일정한 기준을 통해 필름이 빛에 반응하는 속도를 국제 규격으로 정한 것입니다. 
 

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신호 대 잡음비(SNR Ratio)는 무엇인가요?

SNR이라는 개념이 있습니다. Signal to Noise Ratio, 신호 대 잡음비가 맞는 표현이지만 신호 대 노이즈 비율이라 이해하시면 더 좋을 듯합니다. SNR이 높을수록 이미지의 품질은 좋아집니다. 빛은 신호(Signal)이고 더 많은 빛을 모을수록 더 많은 신호를 가집니다. 그리고 대부분의 경우 화질은 좋아질 것입니다. (열로 인해 발생하는 노이즈를 제외하면 말입니다.)

 

잡음, 즉 노이즈는 디지털 카메라 촬영에서 열이나 그냥 찍을 때마다 무작위로 발생하는 랜덤 노이즈와 일부는 광원이 센서로 이동하는 과정에서 발생하거나(업스트림 리드 노이즈, 위 이미지에서 ISO 증폭기까지의 과정), 센서의 신호가 증폭된 후(다운스트림 리드 노이즈, ISO 증폭기 이후의 과정) 전자 장치에서 발생하는 노이즈가 있습니다.

 

이를 정리하면 다음과 같습니다. 

 

• 더 많은 신호 = 더 많은 빛 = 품질향상
• 더 많은 노이즈 = 품질하락

 
아래는 소니 A7s, 55미리 F/1.8 기종으로 촬영한 F 2.8 , 48*5s (55mm 파노라마) , ISO12800의 결과물입니다. SNR 이 높을수록 이미지 품질이 좋아집니다. 
 

 

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ISO는 노이즈를 증가하지 않습니다.

앞서 이미지로 살펴본 바와 같이 ISO는 감도를 올려주는 것이 아니라 수광 센서의 신호를 증폭시켜서 사진의 밝기를 올려줍니다. 다시 말해 ISO는 카메라가 수집할 수 있는 신호, 즉 빛의 양에 영향을 주지 못합니다. 만일 더 많은 양의 데이터를 원한다면 조리개를 열어주거나 셔터 시간을 늘려야 합니다. 

 

모든 조건이 동일하다면 ISO가 높을수록  결과물은 다음과 같습니다.

 

• ISO가 높을수록 이미지의 밝기가 높아진다. 
• ISO가 높을수록 다이내믹 레인지는 감소한다. 
• ISO가 높을수록 가시 노이즈가 감소한다. 
   

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높은 ISO 설정이 노이즈를 증가시키는 이유는 무엇인가요?

 

일반적으로 ISO를 높이면 노이즈가 증가한다는 오해는 조리개 우선 모드와 같이 자동 모드에서 ISO를 높이면 상대적으로 셔터스피드가 감소하거나 조리개 값이 높아지는 것을 간과하고 있기 때문입니다. 다시 말해 낮은 SNR로 인해 노이즈가 발생하는 것입니다.

 

반자동 모드에서 더 높은 ISO설정은 카메라가 히스토그램 상의 데이터를 안정적으로 가져가기 위해서 (노출 과다를 피하기 위해서) 셔터스피드를 낮추거나 조리개를 조여서 적정 노출로 조율하려는 카메라의 개입이 발생합니다. 그렇게 결과물을 만드는 신호(빛)는 줄어들게 됩니다.

 

간단하게 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

 

만일 조리개 우선모드 일 때

📌 ISO 증가 → 셔터스피드 감소 → 더 적은 빛 (신호) → 더 낮은 품질    <SNR 감소>

 

 

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촬영 설정값에 따른 노이즈 변화

 이제부터 ISO 설정이 이미지에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 아래의 이미지를 통해 알아보겠습니다. 다음의 결과들은 서로 다른 조건으로 촬영하여 후처리 과정에서 이미지 밝기를 동일하게 조정한 결과입니다. 
 

원본 이미지

 

a. F2.8 ISO 3200 동일한 조건에 셔터 스피드만 다른 결과입니다.

 

8초로 찍은 이미지의 노이즈가 가장 적고 2초로 찍은 이미지가 가장 노이즈가 심하게 보입니다. 다시 말해 셔터 스피드를 길게 가져갈수록 이미지의 품질은 좋아집니다. 셔터 스피드 4초의 이미지 1 STOP 노출을 올렸고 2초는 2TOP 올렸습니다.

 

 

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b. 8초, ISO 3200 동일한 조건에 조리개 수치만 다른 결과입니다. 

 

조리개 값이 가장 큰 이미지가 노이즈가 가장 심합니다. 다시 말해 조리개를 낮게 가져갈수록 이미지의 품질은 좋아집니다. 그리고 여기서 우리는 f2.8, iso 3200 세팅값에서는 적어도 8초 이상은 찍어야 한다 판단이 생깁니다. 조리개 우선모드를 모든 상황에 신뢰할 것이 아니라 매뉴얼 모드가 간혹 필요한 이유입니다. 조리개 f/4 이미지는 1 stop 밝게, f/5.6은 2stop 밝게 보정한 이미지입니다.

 

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c. F2.8, 셔터스피드 8초 동일한 조건에 ISO만 다른 결과입니다. 

 

ISO 6400의 이미지는 노출은 1stop 감소, 12800의 이미지는 2 stop을 감소한 아래의 결과는 높은 ISO가 노이즈를 증가시키는 것이 아니라는 것을 말해줍니다. 

 

요약하자면 짧은 셔터스피드와 높은 조리개 수치는 SNR(신호 대 잡음비) 감소를 가져오고 가시 노이즈는 증가합니다. 다시 말해 ISO 설정값이 높다고 해서 더 많은 노이즈를 가져오는 것이 아니다는 결론을 낼 수 있습니다. 

 

그럼에도 불구하고 잊지 말아야 할 점이 있습니다. ISO가 노이즈를 증가시키는 요인이 아니라고 해서 무작정 올릴 수는 없습니다. ISO의 증가는 다이내믹 레인지의 감소를 가져옵니다.

 

그리고 장노출의 경우 항상 열로 인한 암전류 노이즈 발생 위험이 있습니다.  

 

 

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카메라 기종에 따른 ISO 불변성 여부

 
여기서 문제가 하나 발생합니다. 본인이 가진 기계가 ISO가 가변인지 불변인지에 대한 정보를 얻기가 힘듭니다. 먼저 아래의 사진을 한번 살펴봐주세요. ISO가 변형되는 기종의 경우 더 높은 ISO에서 더 적은 노이즈가 발생합니다. 
 

ISO 변형 기종의 경우 광원에서 센서가 신호를 받고 그 아날로그 신호의 증폭을 통해서 ISO 증폭값을 조정하고 그 값이 높을수록 센서 출력 데이터가 증폭됩니다.

이해가 힘드신 분들은 아래의 이미지를 통해 직관적으로 이해를 하시면 되겠습니다.

 

 
위 이미지의 촬영 기종은 캐논 EOS 6D입니다. 동일한 세팅에 ISO만 달리하여 동일 노출 수준으로 처리한 이미지입니다. 대략 ISO 6400에서 최적의 노이즈 성능을 보여주고 있습니다.

 

캐논 EOS 6D와 같이 ISO가 변형되는 카메라의 경우 ISO 설정에 따라 아날로그 신호의 증폭값이 변하게 됩니다. 만약 ISO 값을 100, 200, 400, 800 등으로 올리면 센서에서 출력되는 전자 전압 판독값을 2배씩  증가됩니다. 따라서 ISO가 높다는 것은 센서 출력 데이터의 증폭도가 높다는 것입니다. 

 

이렇게 ISO 증폭기를 거친 데이터는 ADC(아날로그 신호를 디지털로 변환)로 이동하는데 ISO가 변형되는 카메라의 경우 이 과정에서 노이즈가 많이 증가하게 됩니다. 

 

신호가 상대적으로 적은 경우, 즉 어두운 촬영 조건에서는 낮은 ISO 설정은 ADC에서 노이즈가 더 많이 발생할 수 있습니다.(전자 노이즈 발생) 그 결과로 위 이미지에서 보여준 바와 같이 오히려 높은 ISO 설정에서 더 깨끗한(노이즈가 적은) 결과를 갖게 합니다. 

 

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ISO가 변하지 않는 카메라는 무엇인가요?

 

모든 카메라가 캐논 EOS 6D와 같은 특성을 가지는 것은 아닙니다. 대표적으로 오막포가 그렇습니다.(ISO 불변기종) ISO 변형 기종이라 해서 ISO가 높을수록 좋은 결과를 준다기보다는 적절한 세팅값을 찾아야 하는 것이 진짜 결론입니다.

 

소니와 후지필름에 나오는 대부분의 기종은 ISO 불변이라 들었습니다. 이를 정확하게 판별하기 위해 어두운 방이나 야간의 별 촬영을 해보는 방법이 있습니다.

 

수동 노출 모드와 RAW 형식으로 지정하여 화이트 밸런스는 일정하게 두고 ISO만 단계별로 촬영하여 후보정을 통해 모든 이미지를 동일한 노출로 설정하여 비교하는 방법이 좋겠습니다. 

 

아래의 카메라 기종들은 특정 ISO 값에서 동일한 ISO 증폭값을 가집니다.

 

보다 자신의 카메라가 어떤 특성을 가지고 있는가에 대한 정보가 필요하신 분들은 아래의 링크를 가셔서 살펴보시면 됩니다. 

https://www.photonstophotos.net/Charts/PDR_Shadow.htm

Shadow Improvement of Photographic Dynamic Range versus ISO Setting

 

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ISO 변경 기종에 대한 설명

ISO 불변 기종과 ISO 변경 기종의 차이점을 다시한번 살펴보겠습니다. 

위의 그래프는 앞서 링크로 남겨드린 사이트에서 얻을 수 있는 자료입니다. 이 그래프는 ISO값에 따른 DR(다이내믹 레인지) 값의 변화를 보여줍니다. ISO 설정값에 따라 뱀처럼 춤을 추는 캐논 EOS-60D와는 달리 소니 A7m 4와 A7 m3는 일정한 구간에서 평평한 기울기 값을 가지고 있습니다.

 

만약 이렇게 a7 m4, a7 m3 보여주는 결과와 같이 DR 값이 ISO 값에 따라 변화하지 않고 일정한 값을 가진다면 이는 ISO가 변하지 않는 구간을 의미합니다. 즉 ISO 불변 카메라입니다.

 

그런데 다시 한번 살펴보면 소니 기종은 a7 m4, a7 m3 평평한 구간이 두 구간으로 나뉘어서 관찰되는데요. 이는 듀얼 베이스 ISO에 대한 이해가 필요합니다. 

 

그리고 가장 중요한 점은 ISO 불변 구간에서는 자유롭게 노출 삼각형의 이해를 바탕으로 촬영 설정값을 가져가도 된다는 것입니다. 

 

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베이스 ISO와 듀얼 베이스 ISO는 무엇인가요?

 

 

 

베이스 ISO

'베이스 ISO'는 카메라 제조사가 권장하는 ISO 설정값을 의미합니다. 이 값은 카메라 노이즈와 다이내믹 레인지를 최적화하기 위해 결정됩니다.

 

비디오 촬영에서는 베이스 ISO가 중요한 개념으로 다뤄지지만, 사진 촬영에서는 크게 중요하지 않습니다. 이는 사진과 비디오의 촬영 목적과 방식의 차이 때문입니다.

 

듀얼 베이스 ISO

'듀얼 베이스 ISO'는 한 센서가 두 개의 다른 ISO 수준 (High, Low)에서 이미지 데이터를 각기 다른 수준으로 처리하는 기술을 의미합니다.  이를 통해 센서는 높은 ISO에서도 낮은 노이즈와 높은 다이내믹 레인지를 유지할 수 있습니다.

 

이 기술은 주로 고급 비디오 카메라에서 사용되며, 높은 노출과 낮은 노출 상황에서 모두 최적의 이미지 품질을 제공하기 위해 설계되었습니다.

 

사진과 비디오의 ISO 차이

DSLR 카메라는 JPG와 RAW 이미지 촬영 시 서로 다른 프로세스를 거칩니다. JPG는 카메라 내부에서 이미지 처리가 이루어지는 반면, RAW는 원본 데이터를 그대로 저장하므로 후처리에서 더 많은 유연성을 가지고 있습니다.

사진과 비디오 모드에서 ISO 값이 같아도 결과물의 품질이나 노이즈 수준이 다를 수 있습니다. 이는 두 모드가 서로 다른 목적과 방식으로 설계되었기 때문입니다. 다시 말해 비디오 모드는 JPEG처럼 카메라 이미지 프로세스가 나름의 개입을 하게 됩니다.

 

이는 사진과 비디오 모드에서 같은 기종이라도 같은 ISO 값에서 사진과 비디오 모드에서 각기 다른 ISO 값을 가질 수 있다는 것을 의미합니다. 

 

 

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ISO 설정에 따른 노이즈 실험 예시

만약 그래프를 믿지 못하겠다는 분은 다음과 같이 실험을 진행하시면 되겠습니다. 

다음은 조리개 2.8 / 셔터스피드 30초/ 노이즈 설정값만 달리 한 결과를 노출만 동일 수준으로 조정한 자료입니다. 

 

캐논의 EOS 700D가 보여주는자료는 ISO 3200 수준에서 노출 수준을 동일하게 맞춘 자료입니다. (캐논 ISO 3200 자료는 무보정) 위 이미지와 같이 캐논 EOS 700D로 ISO100의 이미지를 후보정으로 ISO 3200 수준의 밝기 결과물을 원한다면 노이즈가 위의 이미지만큼 보이게 됩니다. 

다시 말해서, 처음부터 찍을 때 ISO를 올려서 찍어야지 ISO 100으로 찍고 후보정으로 ISO 3200 밝기 수준까지 올리면 노이즈가 더욱더 발생하게 된다는 설명입니다. 

그리고 보시는 바와 같이 ISO 불변인 카메라 후지 X-T1은 전체 단계에서 동일한 노이즈 수준을 가집니다. 그러나 DR을 고려한 최적의 설정값을 찾으시는 것도 잊지 마셔야 합니다.

다음의 링크에서 ISO 수준에 따른 다이내믹 레인지 변화값 정보도 얻으실 수 있습니다. 
 
 

Shadow Improvement of Photographic Dynamic Range versus ISO Setting

 

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결론

 
대부분의  ISO 불변 카메라는 ISO 조정을 통해서 이미지의 밝기만 조정가능하다. 그리고 노이즈와는 거의 무관하다.

 

다시 말해  ’ 노이즈와는 거의 무관하다 ‘라는 명제는 히스토그램이 기준이 되어 카메라가 개입하는 상황을 벗어나 우리는 ‘M모드 (매뉴얼 모드)'를 통해서  개인이 적극적으로 판단하여 촬영 세팅 값에 개입을 해야 한다는 의미입니다. 

물론 이것을 당장 모든 상황에 대해서 규격화된 답을 내리기는 여러모로 힘들지만, 아마도 이 글을 끝까지 읽어주신 분들이라면 상황에 대한 이해는 저 보다 나으실 것 같아서 안심이 됩니다.

이미지 품질을 높이기 위한, SNR 값을 올리기 위해서는 개인이 통제 가능한 선택은 2가지뿐이다

 

• 셔터스피드를 증가하거나
• 밝은 조리개를 확보해야 한다.
• 혹은 둘 다 고려요소이다
   

그래서 높은 수준의 은하수 품질을 얻으려면 더 긴 셔터스피드가 필요하기 때문에 적도의가 필요하다. ISO 가변 기종은 낮은 ISO에서 낮은 증폭 과정을 거친다. 그래서 어둡게 찍으면 노이즈 발생 수준이 더 심하다. 상황에 맞는 ISO값을 찾고 ETTR을 생각하자. 반면에 ISO 불변 기종은 (상용감도에서) 광원으로부터 센서와 ADC 그리고 CPU에서 메모리카드에 저장되기까지 거의 동일한 수준의 증폭 수준을 가진다. 다시 말해 대부분의 ISO 단계(상용감도)에서 노이즈 발생 수준은 동일하다.

 

ISO 너무 겁내지 말자!!
 

2023.06.09 - [사진 알아가기/사진공부] - ETTR 촬영의 이해와 활용

ETTR 촬영의 이해와 활용