동적 범위 개선에 있어서 픽셀 기술의 역할

다이나믹 레인지 이해

동적 범위는 매우 밝은 장면과 매우 어두운 장면을 동시에 캡처하거나 표시할 수 있는 시스템의 기능을 말합니다. 더 넓은 동적 범위는 이미지의 하이라이트와 섀도우에서 더 많은 디테일을 표현할 수 있게 해줍니다. 적절한 동적 범위가 없으면 밝은 영역이 과다 노출(희석)되거나 어두운 영역이 노출 부족(완전히 검은색)되어 디테일이 손실되고 장면이 덜 사실적으로 표현됩니다.

일몰 사진을 생각해 보세요. 낮은 다이내믹 레인지 카메라는 밝은 하늘을 잘 포착할 수 있지만, 전경의 세부 사항은 어둠 속에서 사라질 것입니다. 반대로 전경이 적절히 노출되면 하늘은 특징 없는 흰색 덩어리로 보일 수 있습니다. 그러나 높은 다이내믹 레인지(HDR) 시스템은 밝은 하늘과 어두운 전경을 모두 세부 사항과 함께 포착하여 시각적으로 더 매력적이고 정확한 이미지를 만들어냅니다.

동적 범위 측정은 종종 데시벨(dB) 또는 비율로 표현됩니다. 더 높은 dB 값 또는 더 큰 비율은 더 큰 동적 범위 기능을 나타냅니다.

픽셀 아키텍처 및 다이내믹 레인지

개별 픽셀의 디자인과 아키텍처는 이미징 센서 또는 디스플레이의 전반적인 동적 범위에 상당한 영향을 미칩니다. 각 픽셀이 처리할 수 있는 빛의 양을 최대화하고 노이즈를 최소화하기 위해 여러 가지 기술이 사용되어 동적 범위가 개선됩니다.

픽셀 크기 및 전체 웰 용량

풀 웰 용량(FWC)은 픽셀이 포화되기 전에 저장할 수 있는 최대 전자 수를 말합니다. 일반적으로 더 큰 픽셀은 FWC가 더 높아 더 많은 빛을 포착하여 동적 범위를 늘릴 수 있습니다. 그러나 픽셀 크기를 늘리면 이미지 해상도가 낮아질 수 있으므로 균형을 맞춰야 합니다.

작은 픽셀은 종종 낮은 FWC로 인해 동적 범위가 제한될 수 있습니다. BSI(Backside Illumination) 센서와 같은 혁신적인 디자인은 광 캡처 효율성을 개선하여 이 문제를 완화합니다.

궁극적인 목표는 과도한 노이즈를 발생시키거나 해상도를 희생하지 않으면서 각 픽셀이 포착할 수 있는 빛의 양을 최대화하는 것입니다.

전하 이동 및 판독 기술

전하가 픽셀에서 판독 회로로 전송되는 방식도 동적 범위에 영향을 미칩니다. 효율적인 전하 전송은 전하 손실을 최소화하고 노이즈를 줄이며, 둘 다 더 높은 동적 범위에 기여합니다.

상관 이중 샘플링(CDS)은 CMOS 이미지 센서에서 리셋 노이즈를 줄이는 데 사용되는 일반적인 기술입니다. 노출 전후의 픽셀 전압을 측정함으로써 CDS는 리셋 노이즈를 효과적으로 상쇄하여 더 깨끗한 신호와 향상된 동적 범위를 제공합니다.

다중 샘플링과 평균화 같은 기타 고급 판독 기술을 사용하면 노이즈를 더욱 줄이고 동적 범위를 향상시킬 수 있습니다.

높은 전환 이득 픽셀

높은 변환 이득(HCG) 픽셀은 소수의 전자를 더 큰 전압 신호로 변환합니다. 이는 픽셀의 감도를 높여 저조도 조건에서 더 많은 세부 정보를 캡처할 수 있게 합니다. HCG 픽셀은 하단에서 동적 범위를 개선할 수 있지만 밝은 빛에서는 더 쉽게 포화될 수 있습니다.

픽셀이 밝은 장면의 낮은 변환 이득(LCG)과 어두운 장면의 HCG 사이를 전환할 수 있는 듀얼 변환 이득 기술은 다양한 조명 조건에서 성능을 최적화하여 더 넓은 다이내믹 레인지를 제공합니다.

이러한 적응형 접근 방식을 사용하면 밝은 영역과 어두운 영역을 모두 세부적으로 캡처하여 보다 사실적이고 균형 잡힌 이미지를 얻을 수 있습니다.

다이나믹 레인지를 강화하기 위한 기술

픽셀 수준의 개선 외에도 여러 가지 이미지 처리 기술을 활용하여 동적 범위를 더욱 향상시킵니다.

고동적 범위(HDR) 이미징

HDR 이미징은 동일한 장면의 여러 이미지를 서로 다른 노출 레벨에서 캡처한 다음 이를 결합하여 더 넓은 동적 범위를 가진 단일 이미지를 만드는 것을 포함합니다. 이를 통해 장면의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분 모두에서 세부 정보를 캡처할 수 있습니다.

그런 다음 톤 매핑 알고리즘을 사용하여 고동적 범위 이미지를 표준 화면에 표시하기에 적합한 저동적 범위 형식으로 압축합니다. 이러한 알고리즘은 디스플레이의 제한 내에 맞추는 동시에 원래 장면의 디테일과 대비를 보존하는 것을 목표로 합니다.

HDR은 이제 사진, 영상, 디스플레이 기술 분야에서 널리 사용되어 더욱 사실적이고 시각적으로 매력적인 이미지를 만들어냅니다.

로컬 톤 매핑

로컬 톤 매핑 알고리즘은 이미지의 여러 영역의 밝기와 대비를 독립적으로 조정합니다. 이를 통해 이미지의 전반적인 균형에 영향을 주지 않고 밝은 영역과 어두운 영역 모두의 디테일을 향상시킬 수 있습니다.

이러한 알고리즘은 종종 각 지역의 로컬 대비와 밝기를 분석하고 해당 특정 지역에 최적화된 톤 매핑 곡선을 적용합니다. 이를 통해 글로벌 톤 매핑 기술에 비해 더 자연스럽고 자세한 이미지를 얻을 수 있습니다.

로컬 톤 매핑은 대비가 높은 장면에 특히 유용한데, 글로벌 톤 매핑을 적용하면 하이라이트가 과다 노출되거나 그림자가 과소 노출될 수 있습니다.

대수 증폭

대수 증폭은 픽셀의 신호를 대수 방식으로 압축합니다. 이를 통해 채도 없이 더 넓은 범위의 광 강도를 캡처할 수 있습니다. 그런 다음 대수 신호는 처리 중에 압축 해제되어 원래 밝기 값을 복원합니다.

이 기술은 매우 넓은 동적 범위가 필요한 과학적 이미징 응용 분야에 특히 유용합니다.

신호를 압축함으로써 대수 증폭은 매우 약한 신호와 매우 밝은 신호를 동시에 포착할 수 있습니다.

시간적 오버 샘플링

시간적 오버샘플링은 동일한 장면의 여러 프레임을 빠르게 연속해서 캡처한 다음 이를 함께 평균화하는 것을 포함합니다. 이를 통해 노이즈가 감소하고 센서의 효과적인 동적 범위가 증가합니다.

여러 프레임의 평균을 내어 무작위 노이즈를 줄이고, 신호가 더 깨끗하고 이미지 품질이 향상됩니다.

이 기술은 노이즈가 심각한 문제가 될 수 있는 어두운 환경에서 특히 유용합니다.

디스플레이 기술과 다이내믹 레인지

디스플레이 기술의 동적 범위는 이미징 센서의 동적 범위만큼 중요합니다. 동적 범위가 더 높은 디스플레이 기술은 더욱 사실적이고 세부적으로 이미지를 재현할 수 있습니다.

OLED 디스플레이

유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이는 각 픽셀의 밝기를 개별적으로 제어할 수 있기 때문에 뛰어난 동적 범위를 제공합니다. 이를 통해 진정한 검은색과 매우 밝은 하이라이트가 가능해져 높은 대비율과 넓은 동적 범위가 제공됩니다.

OLED 디스플레이는 응답 시간이 매우 빠르기 때문에 움직임 흐림이 줄어들고 전반적인 시청 경험이 향상됩니다.

개별 픽셀을 완전히 끌 수 있는 능력은 동적 범위 측면에서 OLED 기술의 주요 장점입니다.

로컬 디밍이 적용된 LCD 디스플레이

액정 디스플레이(LCD) 기술은 로컬 디밍을 사용하여 높은 동적 범위를 달성할 수도 있습니다. 로컬 디밍은 백라이트를 여러 구역으로 나누고 각 구역의 밝기를 독립적으로 제어하는 ​​것을 포함합니다. 이를 통해 더 어두운 검은색과 더 밝은 하이라이트를 사용할 수 있어 대비율이 높아지고 동적 범위가 개선됩니다.

로컬 디밍의 효율성은 영역의 수와 각 영역의 밝기를 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는지에 따라 달라집니다.

로컬 디밍 기술을 적용한 LCD 디스플레이는 우수한 동적 범위를 구현할 수 있지만, 일반적으로 이 측면에서 OLED 디스플레이만큼 좋지는 않습니다.

마이크로 LED 디스플레이

MicroLED 디스플레이는 OLED 디스플레이보다 더 높은 동적 범위를 제공할 수 있는 잠재력을 제공하는 새로운 디스플레이 기술입니다. MicroLED는 OLED와 유사하게 개별적으로 제어할 수 있는 작은 LED입니다. 그러나 MicroLED는 OLED보다 더 밝고 효율적이며 동일한 번인 문제가 없습니다.

MicroLED 디스플레이는 아직 개발 초기 단계이지만, 앞으로 몇 년 안에 디스플레이 시장의 주요 업체가 될 것으로 기대됩니다.

높은 밝기, 높은 효율성, 개별 픽셀 제어가 결합된 MicroLED는 매우 높은 동적 범위를 달성하는 유망한 기술입니다.