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촬영장비

[2015년 7월 21일] ASI224MC 카메라 테스트

by 두루별 2015. 7. 21.

[2015월 7월23일 수정]
단일 표본 이미지가 아닌 동영상의 모든 프래임을 평균 합성한 이미지로 변경하여 테스트 결과를 수정하였습니다.

 

새로운 ASI224MC 카메라의 테스트를 했습니다.

실제 테스트는 직접 행성을 촬영해야 알 수 있겠지만, 날씨가 허락하지 않아 우선 실내에서 할 수 있는 테스트 위주로 진행했습니다.

이런 테스트는 통제된 환경(항온(恒溫), 동일한 광원 등)에서 진행해야 정확한 데이터를 얻을 수 있겠습니다만,
아마추어인 개인이 그런 환경을 만드는 것은 불가능합니다. 오차를 줄이려고 최대한 노력을 했지만 환경의 한계로 인해 테스트한 값은 정확한 값이 아닐 수 있습니다.

또, 이번 테스트의 목적은 이미지 센서(Image sensor)의 잡음 특성(Noise characteristics)을 파악하거나 측정하는 테스트가 아닙니다. 일반적인 상황에서 Gain의 변화에 따른 잡음비(Noise ratio)를 측정하여 행성 촬영에 사용할 수 있는 Gain의 적정한 범위를 알아내는 것이 목적입니다.

마지막으로 최종 결과는 개인의 의견일 뿐이므로 어디까지나 참고로 봐주시기 바랍니다.

음... 이렇게 적고 보니 왠지 거창한데요? 무슨 엄청난 실험을 혼자 막 한 거 같고...

지금부터 저의 최첨단 테스트 장비를 소개하겠습니다.


 

아아... 책상이 너무 지저분하네요...

촬영을 위한 렌즈는 Canon의 번들(EFS 18-55mm) 렌즈를 사용하여 55mm로 촬영하였습니다. 그리고 외부의 빛에 의한 광량 변화를 막기 위해 외부의 빛을 최대한 차단했습니다.

그랬더니... 형광등 만으로는 실내가 너무 어둡더군요...
할 수 없이 굴러다니던 USB LED 램프를 보조 광원으로 사용했습니다.
그리고 테스트하는 동안 실내 온도는 28℃로 최대한 유지되도록 했습니다.

이렇게 촬영 준비를 하고 렌즈의 30cm 앞에 흰 종이를 고정하고 테스트를 했습니다.

1. ASI224MC 카메라의 Gain에 의한 Noise의 변화

촬영전에 ASI224MC 카메라의 정확한 설정값을 알기 위해 ZWO社에서 제공하는 카메라의 SDK를 사용해서 카메라의 설정 값을 확인했습니다.

이렇게 얻은 값은 다음과 같습니다.

 

 

지금까지 Gain의 Max가 600인 줄 알았는데요. 720이라는 값을 리턴합니다. 하지만 720으로 설정을 하면 카메라가 동작하지 않았습니다. 왜 이러는 걸까요...

이런 어처구니없는 일이...

SDK에서 제공하는 값을 사용하는데 동작하지 않는 건 또 뭔지... 기껏 기술력 좋다고 칭찬했더니 바로 배신을 하는군요. ZWO Users forum에 문의를 해 봐야 알겠지만 일단 600까지는 정상 동작을 하는 것을 확인했습니다.

 

[2015년 7월 23일 추가]
ZWO Users Forum에 문의한 결과 Max Gain은 600이라고 합니다. 

아직 SDK가 Release 되지 않았으며 곧 공개될 거라고 하는군요.

새로운 SDK가 공개되면 다시 확인해 봐야겠습니다.

설정값의 범위를 확인했으니 이제 동영상을 촬영하기로 했습니다.

테스트에 사용할 동영상은 다음과 같이 설정하고 촬영을 하였습니다.

  1. Gain은 0부터 100씩 증가시켜 600까지 총 7단계로 촬영을 했습니다.
  2. 노출은 Auto로 설정하여 자동으로 설정되도록 했습니다. (동일한 밝기의 이미지를 얻기 위함입니다.) 
  3. Gamma는 50으로 설정하였습니다. 
  4. Brightness는 0으로 설정하였습니다. 
  5. White balance는 Red, Blue 모두 50으로 설정하였습니다. 
  6. 동영상의 해상도는 1024x768로 촬영하였습니다.
  7. 모든 동영상은 100프레임을 촬영하였습니다.


이렇게 촬영된 동영상의 모든 프레임(100 Frame)을 평균 합성한 후 합성된 이미지의 중앙 부분을 130x100 크기로 잘라 Noise 측정을 위한 테스트 이미지로 사용하였습니다.

준비된 테스트 이미지들을 다음과 같이 처리하여 계산하였습니다.

  1. 준비된 RGB 이미지를 Grayscale로 변환합니다.
  2. 변환된 Grayscale 이미지의 Histogram을 계산합니다.
  3. Histogram을 통해 평균(Mean)과 표준 편차(Std dev: Standard deviation)를 계산합니다.
  4. 변동 계수(COV: Coefficient Of Variation)를 계산합니다. (= Std dev / Mean)
  5. 잡음비(Noise ratio)를 계산합니다. (= 현재 COV / Gain 0의 COV)


이런 과정을 통해 계산한 결과는 다음과 같습니다.

(촬영된 이미지가 초록색인 것은 Whitebalance를 조절하지 않았기 때문입니다.)


결과를 보면 Gain의 단계별 평균값(Mean)은 큰 차이 없이 비슷한 수준으로 이미지들의 평균 밝기는 거의 동일하다고 할 수 있습니다. (밝기의 차이가 큰 이미지의 비교는 의미가 없기 때문에 중요한 부분입니다.)

평균값(Mean)이 비슷한 수준인데 비해 표준 편차(Std Dev)는 Gain이 증가할수록 급격하게 증가하고 있습니다.



이렇게 계산된 평균값(Mean)과 표준 편차(Std Dev)를 이용해서 변동 계수(COV)를 계산하면 Gain의 단계별 잡음비(Noise ratio)를 계산할 수 있습니다.

Gain이 0일 때의 Noise를 기준으로 계산한 각 단계별 잡음비(Noise ratio)는 다음과 같습니다.



잡음비(Noise ratio)를 보면 Gain 200까지는 Gain 0인 경우와 큰 차이가 없습니다. 이후 Gain 300부터 2배 넘게 증가하기 시작하여 Gain 400에서는 4.7배로 증가한 것을 알 수 있습니다. Gain 400 이후로는 단계마다 거의 두 배씩 증가하여 Gain 600은 17.48배나 증가하였습니다.

이렇게 잡음비를 수치화 한것은 각 단계의 차이를 알아보기 쉽게 하기 위한 의도였습니다.
CCD나 CMOS의 Noise를 계산하는 방법은 다양합니다만 저는 간단히 할 수 있는 방법을 사용했습니다. 숫자의 정밀도는 차이가 나겠지만 증가비율은 크게 차이 나지 않을 거라 생각합니다.

이 잡음비(Noise ratio)의 결과를 보면 Gain은 400에서 상황에 따라 500까지 사용을 해도 괜찮을 거 같습니다.

Gain 300과 500의 잡음비(Noise ratio) 차이는 3.2배지만 노출(Exposure)은 약 15배나 차이가 납니다.
수치상의 차이지만 분명 빠른 노출 시간은 시상의 영향에서도 유리하고 더 많은 프레임을 저장할 수 있다는 이점(利點)이 있습니다. USB 3.0을 지원하기 때문에 늘어난 프레임을 전송하는데도 문제가 없을 것입니다. 이렇게 빠른 노출로 얻어진 여유 프레임의 합성으로 잡음(Noise)을 극복할 수 있지 않을까 조심스레 생각해 봅니다.

실제로 행성을 촬영하면서 확인을 해야겠지만 Gain 400이 상용 영역이라는 소문에는 수긍이 가는 결과입니다.

Noise 확인의 마지막으로 Gain 단계별 이미지의 DFT(Discrete Fourier Transform)계산 결과입니다.



불행인지 다행인지 특정할 만한 패턴 노이즈는 보이지를 않습니다.

이렇게 얼렁뚱땅 ASI224MC의 Gain의 증가에 따른 노이즈 비교를 마무리하였습니다.
(쓰다보니 너무 길어졌습니다. 급 마무리...)
이제는 필드에서 테스트하고 실제 결과를 확인하는 일이 남았습니다.

참고로 CCD의 Noise와 FFT의 관계에 대해 잘 설명한 QSI의 "CCD의 읽기 노이즈의 이해"라는 글을 읽어 보는 것도 도움이 될 거 같습니다.

2, ASI120MC와 ASI224MC의 비교

ASI120MC와 ASI224MC는 이미지 센서도 다르고 증폭 범위도 다르기 때문에 Gain에 의한 노이즈 변화를 비교하는 것은 의미가 없다고 생각했습니다.

그래서 준비했습니다. 두 카메라의 감도(感度) 비교입니다!!!

감도가 기존 보다(어떤 카메라를 말하는 걸까요??) 2배가 좋아졌네, 노이즈가 엄청 줄었네 하며 저를 현혹시켰으니 정말 감도가 좋아졌는지 확인은 해 봐야죠.

감도 확인을 위해 흰 종이를 걷어내고 딱풀(Glue stick)을 세워놓고 촬영을 했습니다.
(흰 종이를 걸어 놓으니 무슨 사당(祠堂)도 아니고... 분위기가 별로였거든요)



이렇게 동일한 비율로 딱풀을 촬영한 후 파란색 사각형 부분만 오려서 확인을 했습니다.

두 카메라 모두 Gain은 0으로 설정하였고, Brightness도 0으로 설정했습니다. White balance는 둘다 Auto로 설정하였고요.(이제 색이 제대로 나옵니다...)

동일한 환경에서 두 카메라 모두 200ms의 노출로 촬영한 각각의 RGB 이미지를 HSV로 변환하여 밝기 값인 V(Value) 채널의 Histogram을 분석하였습니다.



대충봐도 ASI224MC 카메라로 촬영한 이미지가 훨씬 밝네요. 평균값으로만 봐도 2배 차이가 납니다.
밝기를 바로 감도로 환산할 수는 없겠지만 동일한 광량(光量)에서 2배 더 밝게 이미지를 촬영할 수 있다고 할 수 있겠습니다.

광고가 사실이었어요!!~

이렇게 일은 안 하고 사무실은 어두컴컴하게 해 놓고 한참을 끙끙거리며 촬영을 하고 계산을 하고...
참 즐거운 시간이었습니다!!

지식이 부족하여 더 많은 분석을 할 수는 없었지만 실제 노이즈의 변화를 계산해 보니 촬영에 사용할 영역도 대충 정할 수 있었고요. SONY가 엄청난 이미지 센서를 만들어 냈다는 생각도 들었습니다.

이제 재밌는 일은 다 끝났고... 촬영만 남았네요... 얼른 날이 맑아지기를...

댓글4

  • 한빛나 2015.07.21 23:05 신고

    기다리고 있었는데 오늘 올려주셨네요. 감사합니다. ^^


    대단하시다는 말이 먼저 나옵니다! 대단하세요!!

    정말 전문적인 성능 테스트입니다. 많은 도움이 되었습니다. 말씀하신 것들을 하나하나 알아가다 보면 또 많은 도움이 될 것 같습니다.

    저는 무작정 부딪히며 그때 그때 오는 느낌으로 촬영을 하는데, 이렇게 데이터로 분석하시는 게 놀랍기도 하고 경이롭습니다. 저랑은 완전 차원이 다르신 것 같아요.

    느낌상 gain 450 정도, 무리하면 500이라고 생각했는데 결과가 비슷하게 나온 것 같아 참 다행이라고 생각합니다. 시행착오를 줄일 수 있을 것 같습니다.

    전혀 분석적이지 않고 조금 다른 의미이기도 하지만 저도 노이즈에 대해서는 비교할 필요가 없다고 생각했었습니다. 완전 다르지만, 다들 비슷하겠지만, 어차피 어느 정도의 노이즈가 생기는 범위까지의 게인을 줘서 노출을 줄여보기도 할 생각이니까요. 물론 감도가 좋고 노이즈가 적으면 더 유리한 노출과 게인값을 설정할 수 있기는 하겠지만요.

    정보를 공유하고 싶은데 늘 도움만 받는 것 같아 죄송하네요. 정말 잘 봤습니다. ^^
    답글

    • 두루별 2015.07.22 18:10 신고

      아침해님 덕분에 IR 촬영도 해보고 제가 더 많이 배우고 있습니다! ^^
      이렇게 방문해 주시고 의견도 나눌 수 있어서 너무 감사합니다~

      이번 ASI224MC는 정말 물건인 거 같습니다.

      말씀처럼 노이즈 보다는 같은 환경에서 훨씬 짧은 노출로 촬영이 가능한 것이 대박인 거 같습니다.
      얼른 토성을 촬영해 보고 싶은데 날씨가 계속 흐림이네요 ^^;;

  • 김택 2016.02.18 16:48

    안녕하세요..좋은 글 잘 읽었습니다.
    혹시 테스트에 사용한 프로그램이 무엇인지 알수 있을까요?
    답글

    • 두루별 2016.06.08 17:28 신고

      답변이 너무 늦었습니다.. 죄송합니다. ^^

      테스트에 사용한 프로그램은 python을 이용해서 모두 직접 제작을 하여 사용했습니다.
      테스트 만을 위해 제작된 프로그램이라 기능은 글에 소개한 기능이 전부고요.
      필요하시면 보내드릴까 싶어 뒤적여 봤습니다만 오래된 내용이라 자료가 없네요..
      꼭 프로그래밍을 하지 않아도 히스토그램 분석이 가능한 포토샵, Gimp 등을 이용하셔도 값을 확인하실 수 있습니다. ^^;;
      이미지 스택은 AutoStakkert 등을 이용하시면 되고요. 답변이 되셨는지 모르겠습니다.