[Computer Vision] 이미지 센서 원리 및 종류 CCD, CMOS 차이

카메라에서 사용되는 이미지 센서는 크게 CCD와 CMOS로 나누어 집니다.

CCD와 CMOS의 차이는 가격, 기술 등에 차이를 보이며

현재는 반도체기술의 발전에 따라 CMOS 센서의 사용 비율이 높아져 있습니다.

이러한 이미지 센서의 차이와 개념을 알아보겠습니다.

1. 이미지 센서 원리

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이미지 센서(Image sensor)는 반도체소자의 제조기술을 이용하여 집적회로화된 광전변호소자입니다.

이미지 센서는 두가지로 나뉘는데

CCD 이미지 센서

• 라인 이미지 센서 : 빛을 검출해서 전하가 발생시키는 광다이오드를 일렬로 배치한 것임. 촬영 대상(문서, 사진)을 센서라인과 직각방향으로 스캔해서 정지화면을 취득하는데 사용됨.
• 어레이 이미지 센서 : 광다이오드를 이차원에 배열한 것이며, 한번에 이미지를 획득할 수 있어 비디오 같은  동영상용으로 사용됨.

이미지 센서 중 하나인 CCD는 1969년 AT&T 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 스미스가 세계 최초로 디지털 센서를 이용한 전하전달기술을 개발하여 시작되었음.

 

AT&T 벨 연구소

이미지 센서는 광학적인 이미지를 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다.

이러한 역할을 수행하기 위해서 이미지 센서는 두 가지 기본 원리를 활용합니다.

① 포토다이오드 (Photodiode) 원리

포토다이오드는 빛을 전기 신호로 변환하는 센서입니다. 포토다이오드는 반도체 소자를 이용하여 만들어지며, 반도체 내부에 빛이 전해지면 전하 쌍이 발생합니다. 이러한 전하 쌍은 전극으로 이동하여 전기 신호로 변환됩니다. 포토다이오드는 카메라에서 이미지 센서의 일부분으로 사용됩니다.

② CCD (Charge-Coupled Device) 원리

CCD는 광전하를 저장하는 방식으로 이미지를 획득하는 센서입니다. CCD 센서는 반도체에서 빛을 받아 전하를 생성한 후, 전하를 일시적으로 저장하고, 순차적으로 이동시켜서 이미지를 획득합니다. 이때, 전하를 저장하는 공간을 픽셀이라고 합니다. CCD 센서는 매우 높은 이미지 품질과 뛰어난 선형성을 보입니다. 하지만, 전력 소모량이 높아 비싸며, 빠른 셔터 스피드를 요구하는 경우에는 사용이 어려울 수 있습니다.

③ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 원리

CMOS는 빛을 전기 신호로 변환하는 것 외에도, 노이즈 제거와 신호 증폭을 포함한 다양한 기능을 수행할 수 있는 센서입니다. CMOS 센서는 각각의 픽셀이 개별적으로 전하를 쌓고, 쌓인 전하를 읽어서 이미지를 생성합니다. CCD 센서에 비해 전력 소모가 적으며, 빠른 셔터 스피드를 지원합니다. CMOS 센서는 가격이 비교적 저렴하며, 생산성이 높아 널리 사용됩니다. 그러나, 이미지 품질이 CCD에 비해 낮을 수 있습니다.

이러한 센서들은 디지털 카메라, 스마트폰, 비디오 카메라 등 다양한 기기에서 사용되며, 각각의 센서들은 장단점이 있어서 상황에 맞게 선택하여 사용해야 합니다.

 

 

이와 같이
CCD 센서는 높은 이미지 품질을 가지지만, 전력소모량이 높은 단점을 가짐.
CMOS 센서는 영상에 노이즈가 있지만 가격이 비교적 저렴하고 생산성이 높은 이점을 가짐.

 

 

2. 이미지 센서 구조

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이미지 센서는 이미지를 수집하고 디지털 데이터로 변환하는 장치로, 주로 디지털 카메라와 스마트폰 카메라에서 사용됩니다.

 

이미지 센서는 크게 CCD(Charged Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)로 나뉩니다.

 

앞서 나왔던 CCD 센서와 CMOS 센서의 구조에 대해 알아봅시다.

CCD 센서 구조

CCD는 Charge Coupled Device의 약자로 포토다이오드와 전기 전송용 수직 전송 CCD가 늘어서 있는 구조로 되어 있습니다. 

단순히 이렇게 설명되면 어렵기 때문에 유튜브에 그 차이를 잘 설명해놓은 영상을 참조하겠습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=nxUDHcZl1uo 

 

CCD(Charged Coupled Device)

CCD는 광전효과를 이용하여 빛의 양을 전하로 변환하여 이미지를 캡처하는 방식입니다. CCD는 불규칙한 모양의 전하를 모아서 한 곳에 모으고, 한 줄씩 순차적으로 읽어들여서 이미지를 생성합니다. CCD의 전하는 가열을 통해 이미지에 고해상도를 제공합니다.

CCD는 광전자가 많기 때문에 노이즈가 적습니다. 또한, 초점 거리에 대한 높은 정확도를 제공합니다. 그러나, 제조 과정이 복잡하며, 전력 소모량이 높아 배터리 수명을 단축시키는 단점이 있습니다.

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

CMOS는 이미지 센서에서 가장 널리 사용되는 기술입니다. CMOS는 각 픽셀에 전송 게이트를 추가하여 신호를 읽어들입니다. 이 과정에서, 모든 전하가 아닌 일부 전하만 읽어들이기 때문에 CCD보다는 노이즈가 많습니다.

CMOS는 제조가 간단하며, 저전력 소모와 높은 속도를 제공합니다. 또한, 이미지 프로세싱에 대한 지원이 뛰어나며, 저가로 제작이 가능합니다.

 

 

이와 같은 차이를 보이며
CCD는 한 줄씩 순차적으로 읽어들여 이미지를 생성하고
CMOS는 병렬적으로 처리하여 저전력 소모와 높은 속도를 제공한다.

 

아래 사진은 두 센서의 차이를 잘 보여주는 사진입니다.

결론으로

CCD는 고품질, 고비용, 고전력소모의 특성이 있는 반면,
CMOS는 CCD와 비교하여 저품질, 저비용, 저전력소모, 다기능 등의 특성을 가집니다.
그러나 반도체 노광기술의 발전으로 CMOS 센서의 화질이 개선되었고, 집적도와 저전력 설계로 인한 시스템 크기 감소 등 CMOS 센서의 개발이 활발히 이루어지고 있어
현재로썬 고가의 CMOS의 경우 두 센서간 화질 차이를 거의 찾아볼 수 없습니다.

따라서 현재는 전문가용 DSLR 카메라와 최근 Sony의 1,000만원이 넘는 고급형 DSLR 카메라에도 CMOS 센서를 사용하고 있습니다.

 

컴퓨터비전에서 결국 많이 사용되는 스테레오 카메라, RGB, 고속 카메라 등 모든 제품들에서 CMOS 센서를 이용하여 구현되고 반도체의 발전에 따라 앞으로 특정 분야가 아닌 이상 CMOS 센서를 이용한 카메라를 주로 이용이 된다고 합니다.

 

여기까지 컴퓨터 비전을 위한 카메라의 이미지 센서에 대해 알아보았습니다.

 

 

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Reference

1. 나무위키 이미지센서, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%EB%AF%B8%EC%A7%80_%EC%84%BC%EC%84%9C

이미지 센서 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

2. https://popular-engineer.tistory.com/9 

3. https://www.envision.co.kr/ko/support/knowledge/detail.aspiBOARD_CONT_NO=202&sKIND_TYPE=CM00203&iPage=