CMOS 롤링 셔터 카메라
롤링 셔터는 이미지 센서가 라인 단위로 순차적으로 노출되는 방식의 노출 기술입니다. CMOS 롤링 셔터 센서의 주요 장점은 낮은 노이즈와 적은 발열로, 효율적인 이미지 품질을 제공합니다. Basler의 ace, ace 2, 그리고 dart 시리즈의 주요 에어리어 스캔 카메라는 롤링 셔터 기술을 적용한 CMOS 센서를 탑재하고 있으며 다양한 머신 비전 환경에 유연하게 대응합니다.
글로벌 셔터와 롤링 셔터 비교
이미지 처리 시스템에 적합한 카메라를 선택할 때는 해상도와 속도도 중요하지만 노출 방법, 즉 셔터 유형도 중요합니다. 이 백서에서는 글로벌 셔터와 롤링 셔터의 작동 원리와 각 방식의 장단점에 대해 자세히 설명합니다.
롤링 셔터 카메라는 어떻게 작동하나요?
롤링 셔터 기술은 많은 디지털 카메라 센서와 이미지 획득 모듈에 사용됩니다. 롤링 셔터 방식에서는 이미지 센서의 각 픽셀 라인이 순차적으로 노출되며, 센서의 종류에 따라 위에서 아래로 또는 좌에서 우로 진행될 수 있습니다. 반면, 글로벌 셔터는 이미지 센서의 모든 픽셀이 동시에 노출되는 방식입니다.
픽셀 라인의 라인 단위 판독
롤링 셔터 센서는 이미지 데이터를 라인 단위로 순차적으로 읽어들입니다. 효율적인 처리를 위해 각 라인의 노출 시작 시점과 종료 시점 사이에는 시간 차이가 존재하며,이 시간 차는 곧 리드아웃(readout) 시간을 의미합니다.
이 시간은 사용하는 센서에 따라 달라집니다. 빠른 센서일수록 이 시간은 짧아지며, 각 라인 간의 시간 지연도 줄어듭니다. 반면, 롤링 셔터 센서의 프레임 속도가 낮을수록, 움직이는 물체에서 왜곡 현상이 더 뚜렷하게 나타납니다. 그러나 정적인 물체의 경우 움직임이 없기 때문에 이러한 아티팩트는 발생하지 않습니다.
최신 롤링 셔터 카메라의 장점
센서 표면이 빛 정보를 캡처하고 판독하는 방식은 글로벌 셔터와는 다릅니다. 롤링 셔터 센서의 경우, 이 과정을 제어하는 전자 회로 구성이 더 간단하며, 구성 부품이 적고 비용이 낮습니다. 또한, 트랜지스터 수가 적기 때문에 발열과 노이즈가 줄어들어,
센서의 감도가 향상됩니다.
CMOS 롤링 셔터 카메라는 정지하거나 느리게 움직이는 물체를 검사하는 데 뛰어난 감도와 이미지 품질을 제공하므로, 이러한 어플리케이션에 매우 적합합니다. 많은 경우, CMOS 롤링 셔터 기술을 탑재한 카메라는 해상도 대비 뛰어난 가성비를 자랑합니다. 작은 픽셀 사이즈 덕분에, 더 작은 센서 포맷에서도 매우 높은 해상도를 구현할 수 있습니다.
롤링 셔터의 차별화된 특징
롤링 셔터 센서는 글로벌 셔터 센서에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다:
고해상도에서 노이즈가 적어 우수한 이미지 품질 제공
간결한 설계로 비용 및 에너지 효율성 향상
롤링 셔터 효과
라인 단위 노출 방식으로 인해, 첫 번째 라인의 노출 시작 시점과 마지막 라인의 노출 시작 시점 사이에 피사체가 빠르게 움직이면 왜곡 현상이 발생할 수 있습니다.
롤링 셔터 효과가 발생하는 원리
이미지 데이터를 읽어올 때, 노출된 각 라인은 순서대로 조합되어 하나의 전체 이미지를 구성합니다. 그러나 각 라인의 노출 시점에 시간 차이(Temporal Offset)가 존재하기 때문에, 이 시간차가 결합된 이미지에서 왜곡 형태로 시각적으로 드러날 수 있습니다.
롤링 셔터 효과가 발생할 수 있는 상황
롤링 셔터 카메라로 촬영할 때, 센서의 프레임 속도에 따라 피사체나 카메라가 빠르게 움직이면 경미한 왜곡부터 심한 왜곡까지 발생할 수 있습니다.
빠르게 움직이는 차량: 고속으로 지나가는 자동차, 기차, 오토바이의 바퀴는 타원형으로 보일 수 있으며,
전체 차량이 기울어지거나 뒤틀려 보이는 현상이 나타날 수 있습니다.프로펠러 및 로터 블레이드: 헬리콥터 로터나 항공기 프로펠러처럼 빠르게 회전하는 물체는, 원형의 움직임이 아닌 휘어진 띠 형태로 왜곡되어 보일 수 있습니다.
컨베이어 벨트 위의 물체: 품질 관리의 일환으로, 머신 비전 시스템을 활용해 결함이 있거나 오염된 물체를 감지하고 선별합니다. 그러나 고속 처리 공정에서는 직선이 기울어지거나 휘어 보일 수 있어, 검사 결과의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.
달리기 또는 빠른 스포츠: 사람이 달리거나 축구, 테니스 등 스포츠 활동을 할 때, 선수의 다리나 팔이 왜곡되어 휘어 보이는 현상이 나타날 수 있습니다.
카메라 패닝: 장면을 추적할 때와 같이 카메라를 빠르게 패닝할 때, 건물이나 울타리처럼 직선인 구조물이 기울거나 휘어져 보일 수 있습니다.
프레임 속도와 노출 시간의 영향
롤링 셔터 효과의 결정적인 요소는 라인의 판독 시간입니다. 초당 60프레임 이상의 빠른 센서는, 최대 15프레임 수준의 느린 센서보다 왜곡 현상이 덜 나타나는 경향이 있습니다.
일반적으로
센서의 최대 프레임 속도가 높을수록 판독 속도가 빨라지고 롤링 셔터 왜곡 현상은 줄어듭니다.
반면, 노출 시간은 롤링 셔터 왜곡 현상에 영향을 미치지 않습니다.
롤링 셔터 왜곡 현상 방지 방법
롤링 셔터 왜곡을 최소화할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다:
스택형 BSI 센서
최신 스택형 BSI 센서는 더 빠른 판독 속도를 제공하여 롤링 셔터 왜곡 현상을 줄이는 데 효과적입니다.플래시
정밀하게 트리거된 플래시는 모든 라인이 노출되는 순간에 강한 빛을 순간적으로 비춰줍니다. 이는 글로벌 셔터처럼 센서 전체를 동시에 노출시키는 효과를 만들어 롤링 셔터로 인한 왜곡을 줄일 수 있습니다.소프트웨어 보정
이미지 처리 기능을 활용하면 롤링 셔터 왜곡을 보정하거나 최소화할 수 있습니다.
글로벌 셔터를 사용하면 롤링 셔터로 인한 왜곡 현상을 완전히 방지할 수 있습니다. 모든 픽셀 라인을 동시에 노출하는 이 방식은 롤링 셔터에서 발생하는 아티팩트를 원천적으로 차단합니다. 단, 글로벌 셔터 센서는 일반적으로 롤링 셔터 센서보다 비용이 더 높습니다.
롤링 셔터 카메라 또는 글로벌 셔터 카메라?
이 선택은 어플리케이션의 구체적인 요구 사항에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
간단히 말해서
롤링 셔터 카메라는 정지된 검사 대상을 촬영할 때 우수한 이미징 성능을 제공합니다.
글로벌 셔터 카메라는 동적인 시나리오에 가장 적합한 선택입니다. 공장 자동화의 조립 라인에서 물체를 인식하거나 교통 모니터링의 자동 번호판 인식과 같은 빠른 동작 시퀀스에 이상적입니다.