Contrast

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Contrast는 피사체에 대해 주어진 resolution에서 흑백을 얼마나 잘 구분할 수 있는지 나타냅니다. 이미지를 잘 구분하려면 검정 디테일은 검정색으로 흰색 디테일은 흰색으로 나타나야 합니다(그림 1 참조). 검정색과 흰색 정보가 중간인 회색으로 인식되는 경우가 많을 수록 해당 주파수에서의 contrast가 낮아집니다. 밝은 선과 어두운 선 사이의 강도 차이가 클 수록 contrast가 좋은 것입니다. 당연한 얘기처럼 들릴 수 있지만 이것은 아주 중요한 사실입니다.

그림 1: Contrast 이해하기. 검정에서 흰색으로의 변화는 높은 contrast를 의미하고 중간 회색은 낮은 contrast를 의미합니다.

특정 주파수에서의 contrast는 공식 1을 이용해 계산할 수 있습니다. 이 공식에서 I_max는 최대 강도(카메라를 사용하는 경우 대개 픽셀 그레이스케일 값임)이며 I_min은 최소 강도입니다.

(1)$$ \text{% Contrast} = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] $$

렌즈, 센서, 그리고 조명 모두 이미지의 contrast를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 각각의 요소 모두 서로 조화롭게 제대로 적용하지 않을 경우 주어진 resolution에서 시스템의 전체 contrast를 저하시키는 원인이 될 수 있습니다.

렌즈 및 Contrast의 한계

렌즈의 contrast는 보통 이상적인 조명하에서 재현되는 object contrast의 백분율로 정의합니다. 구체적인 contrast에서 규정하지 않는다면 Resolution은 사실 별 의미가 없습니다. Resolution에서는 픽셀에서 피사체 가장자리에서의 선명한 전환을 포함해 피사체에서의 완벽한 재현을 가정했습니다. 하지만 현실은 결코 그렇지 않습니다. 빛의 특성으로 인해 완벽히 설계 및 제작된 렌즈조차 피사체의 resolution 및 contrast를 완전히 재현할 수 없습니다. 렌즈가 diffraction limit(Diffraction Limit에서 설명)에서 동작하는 경우조차 그림 2의 점 가장자리는 이미지에서 번져 보이게 됩니다. 이것은 시스템의 resolution을 단순한 픽셀 개수로 계산하는 것이 정확도가 얼마나 떨어지는지, 그리고 심지어 전혀 무의미한 계산이 될 수도 있음을 보여 줍니다.

그림 3에서와같이 렌즈를 통해 서로 인접한 두 개의 점을 촬영하는 경우를 생각해 보겠습니다. 스폿 사이에 충분한 거리가 있을 경우(낮은 주파수에서) 점은 가장자리는 다소 번져 보이지만 뚜렷하게 구분됩니다. 서로 가까이 접근하면 번지는 부분이 중첩되며 더 이상 점들을 서로 분리된 개체로 구분할 수 없을 정도가 됩니다. 시스템의 실제 분해 능력은 이미징 시스템이 점 사이의 공간을 탐지할 수 있는 능력에 좌우됩니다. 스폿 사이에 많은 픽셀이 존재한다 해도 contrast 부족으로 두 스폿이 섞여 보인다면 두 개의 분리된 스폿으로는 쉽게 구분할 수 없게 됩니다. 따라서 시스템의 resolution은 diffraction 및 기타 광학적 오류로 인한 blur, 점 간격, 그리고 센서의 contrast 감지 능력을 포함한 많은 것들에 의해 좌우됩니다.

그림 2: 동일한 렌즈로 촬영한 두 개의 점. 위쪽 렌즈는 피사체를 낮은 주파수로 촬영하고, 아래쪽 렌즈는 보다 높은 주파수로 촬영.

Contrast 예

세부 정보를 구분하는 능력은 렌즈의 contrast 재현 능력 및 사용 픽셀 개수 모두와 직접적인 관련이 있습니다. 아래 이미지는 동일한 타겟을 서로 다른 두 가지 렌즈를 이용해 촬영한 것입니다. 센서의 픽셀 개수는 같습니다. 양쪽 이미지 모두 센서의 중심에서 포착한 것입니다. 각 렌즈의 contrast 재현 능력은 시스템 성능에 결정적인 요소입니다.

렌즈 1은 contrast 레벨 22.6%를 보인 반면, 렌즈 2는 contrast 레벨이 12.7%에 불과합니다. 사람의 눈으로 볼 때는 시스템이 비슷한 것처럼 보이지만 이 결과는 두 렌즈 사이의 성능 차이가 78%에 달함을 의미합니다.

또한, 렌즈는 동일한 주파수에서도 전체 FOV에 걸쳐 동일한 contrast를 재현하지는 않을 수도 있다는 점을 알아야 합니다. 아울러, 렌즈의 f/#를 조절하면 contrast 레벨이 변경됩니다. 자세한 내용은 f/# (Lens Iris/Aperture 설정)와 Resolution 및 Contrast의 한계: The Airy Disk에서 볼 수 있습니다.