사진을 찍다 보면 특히 야간 촬영 이미지에서 알록달록한 반점이나 거친 입자가 보인 경험이 있을 것입니다. 이것이 바로 디지털 노이즈입니다.
노이즈란 픽셀 수준에서 기대되는 값과 달라지는 모든 편차를 의미합니다. 예를 들어 카메라가 실제보다 약간 어둡거나 밝게 기록하는 경우가 있는데, 이러한 현상이 충분히 큰 규모로 발생해 눈에 보이는 질감으로 나타날 때 이를 노이즈라고 부릅니다.
노이즈는 복잡한 디테일이 많은 장면보다는 하늘처럼 평평하고 특징 없는 영역에서 더 쉽게 눈에 띕니다. 그 이유는 디테일이 풍부한 장면은 노이즈를 어느 정도 가려주는 반면, 단조로운 영역은 자세히 들여다보면 노이즈가 드러나기 때문입니다.
이미지에 노이즈가 생기는 원인
이미지가 왜곡되고 거칠어 보이는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 일부는 우리가 통제할 수 없는 요소이기도 합니다. 예를 들어 어떤 노이즈는 빛이 센서에 도달하는 방식 때문에 발생하고, 또 어떤 노이즈는 각 픽셀을 디지털 정보로 변환하는 과정에서 생겨납니다. 이미지 노이즈의 주요 원인을 하나씩 살펴보겠습니다.
1. ISO 감도
ISO는 노이즈의 가장 큰 원인입니다. 저조도나 야간 촬영용으로 높게 설정해야 하는 ISO를 낮에 사용하면 이미지가 왜곡됩니다. 즉, ISO 값이 높을수록 이미지에 더 많은 노이즈가 발생합니다.
2. 센서 크기
노이즈 발생 여부에는 센서 크기가 중요한 역할을 합니다. 스마트폰 카메라나 컴팩트 카메라는 센서가 작아 ISO 400 수준도 버티기 어렵고, 그 결과 이미지가 심하게 왜곡되며 색 재현력 저하도 쉽게 눈에 띕니다. 반면 DSLR처럼 센서가 큰 카메라로 촬영하면 그레인(입자)이 적은 선명하고 디테일한 이미지를 얻을 수 있습니다.
3. 픽셀 밀도
예를 들어 설명해 보겠습니다. 1400만 화소(14MP) 센서를 가진 카메라로 사진을 찍었다고 가정해 봅시다. 이 카메라는 화소수가 낮은 카메라보다 더 많은 노이즈를 만들어냅니다. 그 이유는 무엇일까요?
14MP 카메라로 촬영하면 실제 픽셀들이 좁은 면적에 빽빽하게 모이게 되는데, 이렇게 픽셀 밀도가 높아지면 자연스럽게 이미지가 왜곡되기 때문입니다.
4. 노출 시간
노출 시간이 길어져도 노이즈가 발생할 수 있습니다. 장시간 노출 시 센서가 열을 받으면 열화상 노이즈가 생기기 쉽습니다.
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이미지 처리에서의 노이즈 종류
1. 가우시안 노이즈(Gaussian Noise) 또는 증폭기 노이즈
가우시안 노이즈는 확률분포함수(PDF)가 정규분포와 같은 통계적 노이즈를 말하며, '정규분포 노이즈'라고도 불립니다.
이미지 처리 관점에서 가우시안 노이즈는 덧셈적(additive) 성질을 가지며 평균값이 0입니다.
이런 노이즈는 이미지를 부드럽게 만드는 공간 필터(spatial filter)로 제거할 수 있습니다. 가우시안 스무딩, 즉 가우시안 블러는 이미지에 가우시안 함수를 적용해 얻는 것으로, 그래픽 및 디자인 소프트웨어에서 이미지의 노이즈와 세부 디테일을 줄이는 데 활용됩니다.
2. 소금-후추 노이즈(Salt and Pepper Noise)
소금-후추 노이즈는 샷 노이즈(shoot noise) 또는 임펄스 노이즈(impulse noise)라고도 합니다. 촬영 중 발생한 교란, 카메라 센서의 오작동이나 타이밍 오류로 인해 생기는 노이즈입니다.
이름 그대로 이미지 위에 검은색과 흰색 픽셀이 점점이 나타나는 형태를 띠며, 마치 소금과 후추를 뿌린 듯한 모습이라 하여 붙은 이름입니다.
이 노이즈는 평균 필터(mean filter)나 중간값 필터(median filter) 기법, 또는 가우시안 필터를 사용해 제거할 수 있습니다.
3. 양자화 노이즈(Quantization Noise)
양자화 노이즈는 균등 노이즈(uniform noise)라고도 불립니다. 이미지의 픽셀 값을 일정한 단계(level) 수로 양자화하는 과정에서 발생하며, 분포가 전 과정에 걸쳐 거의 균등하기 때문에 균등 노이즈라는 이름이 붙었습니다.
양자화 노이즈는 균등 분포 특성 덕분에 다양한 유형의 노이즈 분포를 생성하는 데 활용될 수 있으며, 이미지를 의도적으로 열화시켜 이미지 복원 알고리즘을 테스트하는 용도로도 사용됩니다.
이미지 속 노이즈를 예방하는 방법
센서는 온도가 높은 환경에서, 그리고 사용 중 열이 올라갈수록 더 많은 노이즈를 만들어냅니다. 따라서 무더운 날씨에 촬영할 때는 이 점을 염두에 두어야 합니다.
이미지의 노이즈를 최소화하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 기본 원칙은 가능한 한 낮은 ISO 설정을 사용하는 것이며, 꼭 필요한 경우에만 높은 ISO를 쓰는 것이 좋습니다.
카메라에 ISO 상한 설정 기능이 있다면 최대 감도를 지정해 두세요. 그러면 일정 수준 이상의 감도가 자동으로 사용되는 것을 막을 수 있습니다.
높은 감도 대신 개방 조리개(넓은 조리개)를 활용해 보는 것도 좋은 방법입니다. 더 많은 빛이 센서에 들어와 고ISO 설정보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다. 다만 넓은 조리개가 원하는 피사계심도를 해치지 않는지 확인해야 합니다. 또한 고ISO 대신 장시간 노출을 시도해 볼 수도 있습니다.
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