2022. 3. 6. 23:03ㆍPhotography/이론
ISO는 셔터, 조리개와 함께 카메라의 중요한 요소 중 하나이다. ISO 조작을 통해 동일한 노출이 주어졌을 때 사진을 얼마나 밝게 할지를 조절할 수 있다. ISO를 조절함으로써 촬영자가 어떤 효과를 얻을 수 있는지 알아보자.
* ISO는 카메라 바디에 따라 작동 방식과 특성이 다르다. 이 글은 소니 a7iii를 이용하여 raw 파일로 촬영했을 때를 기준으로 작성하였으며, 검색을 통해 학습한 내용과 다른 사람들의 테스트를 바탕으로 작성한 것으로 내용이 부정확할 수 있다.
ISO는 어떻게 작동하는가
센서로 들어오는 빛의 양은 셔터와 조리개를 조작함으로써 조절할 수 있다. 이를 노출(exposure)이라고 한다. ISO를 통해서는 이러한 센서로 들어오는 물리적인 빛의 양을 조절할 수는 없다. 단지, 정해진 노출에서 얼마나 사진을 밝게 할지를 결정할 뿐이다.
아래 그림은 이미지 캡처 시퀀스를 나타낸 그림이다. 빛은 이미지 센서의 픽셀에 도달하여 전기신호로 변환되고, 이 전기 신호는 증폭기에 의해 증폭된 후, ADC(Analog to Digital Convertor)에 의해 디지털 값으로 변환된다.
- 아날로그 증폭 : ISO 값에 따라 이미지 센서에서 나오는 전기 신호를 얼마나 증폭할지를 결정한다.
- 디지털 증폭 : ISO 값에 따라 ADC에 의해 디지털 값으로 변환된 값을 얼마나 증폭할지를 결정한다.
소니 a7iii는 dual gain mode가 적용되어 ISO 설정에 따라 두 가지 아날로그 증폭기가 사용된다. 낮은 ISO에서는 낮은 아날로그 증폭기가 사용되고, 높은 ISO에는 높은 아날로그 증폭기가 사용된다. 증폭된 전기 신호는 ADC를 거쳐 디지털 신호로 변환되고 디지털 증폭기에서 ISO값에 맞는 이미지로 변환된다.
사진의 밝기 조절
ISO를 통해 사진의 밝기를 조절할 수 있다. ISO 숫자가 높을수록 더 적은 빛으로도 적정 밝기의 이미지를 만들 수 있다.
ISO 200으로 적정 밝기를 얻을 때 필요한 빛의 양은 ISO 100의 절반, 그리고 ISO 400의 두 배가 된다.
아래 사진은 ISO 값을 제외한 조리개와 셔터 속도를 고정해 두고, ISO 값만 변경해서 찍은 사진이다. 왼쪽 사진은 ISO값이 200이고, 오른쪽 사진은 ISO 값이 100이다. 사진의 밝기 차이가 느껴질 것이다.
(참고) 노이즈(Noise) 조절?
ISO에 영향을 받는 것 중에 노이즈가 있다. 사진에서 노이즈가 많다 또는 적다는 Signal-to-Noise Ratio라는 시그널(빛)과 노이즈의 비율에 의해 결정된다. 시그널(빛)/노이즈 비율이 높으면 노이즈가 적은 사진이고, 시그널(빛)/노이즈가 낮으면 노이즈가 많은 사진이다. 흔히, ISO값을 높이면 사진에서 노이즈가 증가한다고 알고 있지만, 정확히 말하면 높은 ISO값이 높은 노이즈를 의미하지는 않는다.
먼저, 노이즈의 종류에 대해 알아보자. "이미지 캡처 시쿼스"를 보면, 두 가지 노이즈가 나온다.
- upstream read noise : 빛이 이미지 센서에 의해 전기신호로 변환되고 증폭되기까지 발생하는 노이즈로 이미지 센서의 발열 또는 픽셀에 남아있는 전기신호 등에 의해 발생한다.
- downstream read noise : 전기신호가 증폭된 이후에 발생하는 노이즈로 ADC 등에 의해 발생한다. 일반적으로 upstream read noise보다 downstream read noise가 전체 시그널/노이즈 비율에 영향을 많이 끼친다. downstream read noise는 ADC의 입력으로 들어오는 전기신호의 값이 일정 수준보다 낮을 때 노이즈가 크게 증가한다. 반대로 말하면, ADC로 들어오는 전기신호를 일정 수준보다 높게 해 주면 downstream read noise를 낮게 유지할 수 있다.
다음으로 ISO INVARIANT에 대해 알아보자. ISO 변화에도 시그널/노이즈 비율이 일정한 것을 말한다. 아날로그 증폭에서 일정한 증폭을 통해 ADC에 의해 발생하는 downstream read noise를 낮게 만들 수 있는 수준으로 전기신호를 증폭시키고, ISO 설정에 따른 사진의 밝기는 디지털 증폭을 통해 조절하면 ISO 변화에 따라 거의 일정한 시그널/노이즈 비율을 얻을 수 있게 된다.
아래는 소니 a7iii의 ISO변화에 따른 Dynamic Range Shadow Improvement (ISO 100 대비 어두운 곳을 담을 수 있는 범위 개선) 변화를 보여주는 그림이다. 아날로그 증폭기의 증폭 정도가 증가하게 되면 이 Shadow Improvement 수치는 항상 개선되게 된다(더 어두운 곳까지 디테일이 표현 가능하다). 이 그래프를 통해 dual gain mode가 적용된 소니 a7iii에서 어떤 ISO 구간에서 낮은 아날로그 증폭기가 사용되고, 어떤 ISO구간에서 높은 아날로그 증폭기가 사용되는지 확인할 수 있다. ISO 100-500과 640-51200 구간에서 Shadow Improvement가 일정하게 유지되는 것을 그래프에서 확인할 수 있다. 이 구간에서는 같은 아날로그 증폭기가 사용되고 있다고 유추할 수 있다. ISO 100-500 구간에는 낮은 아날로그 증폭기가 사용되고 ISO 640-51200구간에는 높은 아날로그 증폭기가 사용되는 것이다. 이후 ISO 설정에 따른 밝기는 디지털 증폭기를 통해 조절하게 되는 것이다. 위에서 설명한 ISO INVARIANT 설명과 일치한다. 즉, ISO 100-500 구간에서 시그널/노이즈 비율은 일정할 것이고, ISO 640-51200 구간에서 시그널/노이즈 비율도 일정할 것이다.
실제 사진을 통해 확인해보자. 아래는 동일한 노출(조리개, 셔터스피드)에서 ISO 800, 1600, 3200, 6400으로 ISO만 변경해가며 사진을 찍고, 후보정을 통해 사진의 밝기를 동일하게 맞춘 사진이다. 4개의 사진을 후보정으로 밝기를 동일하게 만들었을 때, 노이즈가 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, ISO 100-500과 640-51200 구간은 ISO INVARIANT 구간이다. 이러한 ISO INVARIANT 구간 내에서는 ISO 조절에 의한 밝기 조절과 컴퓨터로 후처리를 통해 밝기를 조절한 것 사이에 차이가 거의 없다고 볼 수 있다.
하지만 분명 ISO를 증가시켰더니 사진에서 노이즈가 증가하는 경우를 경험한 적이 있을 것이다. 그 이유는 시그널(빛)과 노이즈의 비율에서 시그널이 줄었기 때문이다. 우리는 주로 P(프로그램), A(조리개 우선), S(셔터스피드 우선) 모드로 촬영을 하는데, 촬영자가 ISO를 높이게 되면 카메라는 사진의 밝기를 적절하게 유지하기 위해 센서에 들어오는 빛의 양(노출)을 줄이려고 조리개를 조이거나, 셔터 스피드를 빠르게 할 것이다. 이 결과 시그널(빛)의 양이 줄어들게 되고 시그널(빛)/노이즈 비율이 낮아지게 되어 사진에 노이즈가 증가하는 것이다.
정리
카메라의 ISO가 어떻게 동작하는지 알아보았고, ISO를 조작하여 촬영자가 얻을 수 있는 효과와 ISO가 사진에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
- 낮은 ISO : 사진의 밝기를 감소시킨다. ISO 감소로 인해 노출이 증가(조리개 열림 또는 셔터 속도 감소)된다면 노이즈가 줄어든다.
- 높은 ISO : 사진의 밝기를 증가시킨다. ISO 증가로 인해 노출이 감소(조리개 조임 또는 셔터 속도 증가)된다면 노이즈가 증가한다.
ISO 감소/증가로 인해 노출이 변하지 않는 환경(카메라의 M 모드)이라면, ISO INVARIANT 구간(소니 a7iii에서는 100-500, 640-51200)에서의 ISO 변화는 노이즈에 거의 영향을 끼치지 않는다.
'Photography > 이론' 카테고리의 다른 글
| 카메라 조리개(Aperture) 이해하기 - 노출, 심도, 빛 갈리짐 조절 (3) | 2022.02.13 |
|---|---|
| 카메라 셔터(Shutter) 이해하기 - 노출, 물체의 움직임 조절 (1) | 2022.02.06 |