후지필름 센서가 정말 특별할까? [후지필름 x-trans 센서 : 그들의 주장과 테스트]
본 게시글은 아래 페타픽셀 기사글을 참고하여 작성하였습니다. (2017년 3월 3일 기사)
X-Trans vs Bayer Sensors: Fantastic Claims and How to Test Them
Since the introduction of the Fujifilm X-Series line of cameras, reviewers and consumers have struggled to compare them directly to the competition.
petapixel.com
본 게시글은 2017년 3월 3일 작성된 기사를 참고하였습니다. 후지필름이 X-trans 센서와 필름 시뮬레이션을 통해 무엇을 보여주고 싶은지, 그리고 X-trans 4세대 이후 바디부터 컬러크롬이란 옵션을 만든 이유 또한 유추할 수 있었습니다.
결론
후지필름 카메라의 *X-Trans 센서는 타 카메라의 *Bayer 센서에 비해 특별히 우수한 점이 없는 것으로 보입니다. 특히 후지필름이 주장하는 X-Trans 센서의 노이즈 억제력과, 높은 해상도는 Bayer 센서가 조금 더 좋은 결과값을 보입니다. *모아레 현상 억제능력은 유의미한 결과를 보입니다. 하지만 *AA필터를 제거하고 *고화소로 출시되는 최근 카메라 시장의 동향에 따라 앞으로 그 격차는 줄어들거나 역전될 것으로 생각됩니다.
하지만 이것은 어떤 광학적, 기술적 요소가 포함되지 않은 실험의 결과값으로 절대적이지 않습니다.
결론 용어 설명
*X-Trans 센서 : 엑스-트랜스 센서. 후지필름 디지털 카메라의 센서. 기존 Bayer 패턴과 다른 독자적인 패턴.
*Bayer 센서 : 베이어 센서. 베이어 패턴이 적용된 센서. 대부분의 디지털 카메라가 채택하였으며, RGGB 또는 BGGR.
*CFA : Color Filter Array. 컬러 필터 어레이. Color filter Mosaic(컬러 필터 모자이크)라고도 불리며 이미지 센서의 픽셀 센서 위에 배치되어 컬러 정보를 캡처하는 작은 컬러 필터.
*모아레(무아레) 현상 : Moire. 카메라의 이미지 센서의 주파수 배열과 촬영 대상의 주파수 배열이 서로 간섭하여 발생하는 간섭 현상.
*AA필터 : 계단 현상 방지 필터. anti-aliasing filter (AA필터) 안티 앨리어싱 필터라고 부릅니다. 사진에선 로우패스필터 (LPF, low pass filter.)와 비슷한 의미로 사용되며 낮은(Low) 주파수 영역의 정보만 통과(Pass)시키는 필터입니다. 사진에선 모아레 현상을 억제하거나 센서가 가시광선을 효과적으로 받아들이기 위한 용도로도 사용됩니다.
*고화소로 출시 : 카메라 센서의 화소가 높아질수록 센서에 메가픽셀이 더 많다는 것을 의미하므로 이미지에 더 ㅁ낳은 세부 정보를 캡처할 수 있고 모아레 현상의 가능성을 줄일 수 있습니다.
후지필름 센서가 정말 특별할까? [후지필름 x-trans 센서 : 그들의 주장과 테스트]
후지필름은 X 시리즈 라인이 도입된 후 자체적인 센서배열(비표준 CFA(Color Filter Array))과 다른 표준의 ISO를 사용하기 시작했습니다. X-trans 센서와 200으로 시작하는 ISO(흔히 뻥감도라고 부릅니다.)가 그것인데요, 이것은 지금까지 이어져 후지필름 카메라만의 독특함으로 자리잡았습니다.
후지필름은 이를 마케팅 수단으로 사용했고, 다른 브랜드의 카메라와 비교할 때 노이즈, 모아레, 해상도와 관련하여 본인들의 기준을 앞서 제시했습니다. 이 게시글에는 조명, 광학 수차, 렌즈 광 투과율, ISO, 노이즈 감소, 광학 필터 등 모든 요인을 제거하고 Bayer CFA와 X-Trans CFA를 직접 비교하는 위 기사글을 통해 후지필름이 주장하는 X-Trans 센서의 장점이 실제로 제공되는지 확인하는 과정이 담겨있습니다.
본 게시글은 아래 페타픽셀 기사글을 참고하여 작성하였습니다. (2017년 3월 3일 기사)
X-Trans vs Bayer Sensors: Fantastic Claims and How to Test Them
Since the introduction of the Fujifilm X-Series line of cameras, reviewers and consumers have struggled to compare them directly to the competition.
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방법론
이 방법은 광학 기술과 센서 기술 등 복잡한 요소를 제거하기 위해 synthesized raw images로 진행되었습니다. synthesized raw images란 합성 로우 데이터입니다. 실제로 찍은 Raw파일이 아닌 프로그램으로 임의 센서 패턴 알고리즘을 사진에 적용시킨 실험용 이미지입니다. 그러므로 이 방법은 실제 촬영되는 사진과 결과물의 차이가 있을 수 있습니다.
이 과정에서 후지필름이 중형 디지털 카메라가 X-Trans 센서가 아닌 일반 Bayer 패턴의 CMOS 센서를 사용한 이유 중 하나를 추측할 수 있습니다. X-trans의 *Demosaicing(디모자이킹) 시간이 Bayer보다 약 3.27배 정도 오래걸리기 때문에 5000만 화소 이상의 X-trans 이미지를 생성하는데 너무 오래걸린다는 점입니다. 즉, X-trans 센서로 촬영된 사진을 디모자이킹 하는데 Bayer에 비해 효율이 30% 정도라는 뜻입니다. 이것은 이미지 센서가 큰 고화소의 사진을 촬영하기엔 X-trans 센서가 너무 느리다는 것을 뜻합니다.
*Demosaicing(디모자이킹) : Color Filter Array(CFA) Interpolation. 색 필터 배열 보간. 각 이미지 센서가 할당 된 색이 아닌 다른 색을 표현하기 위한 색 보간 알고리즘. 또는 이미지 센서에서 RGB 데이터를 재구성 하는 것.
X-trans와 관련된 후지필름의 주장
"X-trans의 고유한 랜덤 CFA는 AA필터(로우 패스 필터)없이도 모아레와 거짓 색상을 줄여줍니다. 그리고 해상도를 높이는 효과가 있어 고해상도 후지논 렌즈로 촬영할 때 실제 사용한 픽셀의 수 보다 훨씬 큰 인지 해상도를 전달합니다. 또한 색수차를 최소화 하는 동시에 선명하고 질감이 풍부한 사진을 제공합니다."
모아레 현상 비교 (X-trans vs Bayer)
왼쪽 테스트 차트를 보면 실제로 모아레와 *거짓 색상은 X-trans가 더 잘 억제하는 것으로 보입니다. 하지만 실제 패브릭을 촬영한 오른쪽의 사진에선 Bayer가 더 우세합니다. 사실 이러한 방식은 모아레 현상이 어떤 센서에서 더욱 억제되는지 확인하는데 어려움이 있습니다. 피사체의 일부 패턴과 방향은 X-trans에, 또는 Bayer와 더 잘 어울리기 때문입니다. 즉, 센서에 따라, 피사체에 따라 모아레 현상이 더욱 잘 관찰될 수 있습니다.
*거짓 색상 : 실제 피사체의 이미지가 센서 위에 배치될 때, 카메라 센서는 각 픽셀마다 삼원색을 모두 수광하는 구조가 아니므로 색을 구현하기 위해서 픽셀 주변의 값들을 바탕으로 보간합니다. 보간 알고리즘에 따라 결과물이 크게 바뀌며, 이 보간 알고리즘에 따라 모아레 현상이 두드러질 수 있습니다.
그렇다면 X-trans 패턴이 모아레 현상을 억제하는 방법은?
X-tranc 센서가 이미지를 디모자이킹 하는 것 이상으로 노이즈 감소와 색상 프로파일(필름 시뮬레이션)을 적용하면 이와 같은 이미지를 만들 수 있습니다. 즉, 후지필름이 이미지의 모아레 현상을 처리하는 방식은 단순히 X-trans 센서만을 이용한 방법이 아니라는 것입니다.
후지필름은 모아레나 거짓 색상 처럼 컬러 노이즈를 처리하기 위해 설계된 기술을 함께 사용하여 모아레 현상을 억제합니다(이 과정에서 색이 변형되는 것을 관찰할 수도 있습니다.). 즉, 순수한 CFA의 특정 배열이 아니라 이미지 처리 알고리즘을 통해 모아레 현상이 억제된 이미지를 만들어 냅니다. 하지만 이러한 과정은 일반적인 Bayer 패턴의 센서를 가진 카메라에서도 동일하게 적용되기 때문에 X-trans 패턴 센서만의 특이점으로 보기 어렵습니다.
해상도 비교 (X-trans vs Bayer)
여기서는 PSNR 통계를 통해 해상도를 비교합니다. 앞서 서술한 모아레 현상 비교와 마찬가지로 Bayer 센서에 AA필터 알고리즘을 적용하였습니다.
Bayer 센서가 전체적으로 우수한 결과를 보입니다. *X-trans는 Bayer에 비해 물리적으로 청색과 적색 픽셀이 적기 때문에 test1처럼 붉은 계열이 많은 사진에서 불리합니다. 그러나 test4(흑백) 사진의 결과가 더욱 놀라운데, 휘도에 영향을 크게 받는 흑백사진의 선예도에서 *녹색 픽셀이 더욱 많은 X-trans 센서가 더 낮은 해상도를 보였습니다. 하지만 대부분의 결과 값이 Bayer와 크게 차이나지 않는다는 점을 통해 두 센서의 성능 또한 크게 차이나지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
*이미지 센서에서 R,G,B 픽셀 수가 차이나는 이유 : 일반적으로 이미지 센서에서 녹색(G) 픽셀이 적색(R) 픽셀과 청색(B) 픽셀보다 많은 이유는 녹색이 사람의 눈에서 밝기(휘도)에 더 많은 영향을 끼치며 더 민감하게 반응하기 때문입니다.
*Bayer 센서는 50%의 녹색, 25%의 청색 및 25%적색을 포함합니다. X-trans 센서는 55%의 녹색, 22.5%의 청색 및 22.5%의 적색을 포함합니다. 이를 통해 X-trans 센서가 Bayer 센서에 비해 물리적으로 더 넓은 DR과 상대적으로 높은 ISO 성능을 보여준다는 것을 유추할 수 있습니다.
*PSNR : Peak Signal to Noise Ratio) : 화실 손실 정보를 평가할 때 사용합니다. 이는 *MSE를 이용해 계산할 수 있으며 ESM값이 작을수록 PSNR 값이 높습니다.
즉, MSE값이 작으면 원본과 가깝다.= PSNR이 높다.
하지만 MSE는 High Texture Details에 대한 손실을 복원하기 어렵기 때문에 PSNR이 높다고 무조건 고해상도를 뜻하지는 않습니다.
*MSE : Mean Square Error(평균 제곱 오차). 알고리즘이 예측한 값과 실제 정답과의 차이를 제곱한 값의 평균. MSE가 작을수록 알골리즘의 성능이 좋다고 볼 수 있습니다.
만약 노이즈가 있는 상황이라면 어떨까?
"후지필름은 노이즈도 감성적이다."라는 말을 들어본 적이 있을겁니다. 이것을 직접 느낀 사람들은 X-trans 센서가 비교적 적은 컬러 노이즈와 필름과 유사한 무작위적인 노이즈를 만들어 낸다고 주장합니다. 이는 후지필름 커뮤니티에서도 자주 볼 수 있는 내용입니다.
하지만 노이즈와 그레인을 동일하다고 착각하면 안됩니다. 노이즈는 디지털에서 신호 증폭으로 일어나는 현상이고, 그레인은 필름의 입상성에 의한 현상입니다.
실제 실험 결과값은 X-Trans 센서가 노이즈가 있는 사진에서 해상도가 우세합니다. 이는 Raw 이미지를 압축하여 jpeg로 만들어질 때 더욱 크게 차이날 것으로 예상됩니다. 이 실험을 통해 노이즈가 발생하는 상황에서 X-trans 센서가 가진 비교적 뛰어난 노이즈 억제능력을 볼 수 있습니다. 하지만 "필름과 유사한 무작위적 노이즈"가 발생하는 이유로 제시하긴 어려워 보입니다. (이건 분명 다른 이유가 있다고 생각합니다.)
X-trans센서와 AA필터+Bayer 센서의 비교
AA필터를 사용하면 이미지의 선명도가 다소 떨어집니다. 그렇기에 디지털 후처리를 통한 선명도 증가 작업이 필요하지만, 효과적으로 모아레 현상을 억제할 수 있습니다. 반대로 AA필터를 사용하지 않으면 매우 선명한 사진을 얻을 수 있지만 모아레 현상과 거짓 색상에서 비교적 자유로울 수 없습니다.
AA필터는 센서에서 발생하는 ISO 노이즈에는 전혀 도움되지 않기 때문에 높은 ISO로 인한 색상 노이즈는 영향을 받지 않습니다.
일반 Bayer 패턴(위)에서 나타나는 모아레 현상과 거짓 색상은 AA필터를 사용한 Bayer(아래) 패턴에서 완벽에 가까울 정도로 억제된 모습을 보입니다.
그리고 이것이 AA필터+Bayer의 대안으로 주장된 후지필름의 X-trans 센서의 모아레 억제 능력입니다.
결론
특정 상황을 제외하곤 Bayer 패턴의 센서가 조금 더 우수한 결과를 보여줍니다. 후지필름 카메라의 모아레 억제력과 거짓 색상 감소 능력은 센서 CFA의 능력이 아닌 후지필름 카메라의 이미지 처리 알고리즘에서 비롯됩니다. 참고 자료로 사용된 기사에선 X-trans 센서가 보여준 노이즈 억제 능력을 다른 요인에서 비롯된 오류 정도로 보고 있습니다. (X-trans 센서의 마케팅에 대해 불만을 가진 것으로 느껴집니다.)
하지만 이 결과는 Raw 데이터를 가정하여 만들어진 비교 실험으로 진행되었습니다. 실제로 후지필름 카메라의 필름 시뮬레이션 알고리즘을 통해 만들어지는 jpeg는 bayer 패턴 센서를 사용하는 타 브랜드의 카메라들에 비해 조금 더 높은 수준의 이미지 퀄리티를 만들어 낼 것으로 기대됩니다.
후지필름 카메라의 X-Trans 센서는 타 카메라의 Bayer 센서에 비해 특별히 우수한 점이 없는 것으로 보입니다.
특히 후지필름이 주장하는 X-Trans 센서의 노이즈 억제력과, 높은 해상도는 Bayer 센서가 조금 더 좋은 결과값을 보입니다. 하지만 특정 상황(높은 ISO로 인한 많은 노이즈가 발생)에선 X-trans 센서가 조금 더 해상도가 높은 이미지를 만들어 내는 것으로 나타납니다. 특히, 모아레 현상 억제능력은 유의미한 결과를 보입니다. 이러한 부분은 후지필름 카메라가 일반적인 것과는 "다른 표준의 ISO값"을 사용하는 이유가 될지도 모른다는 생각이 듭니다.
하지만 AA필터를 제거하고 고화소로 출시되는 최근 카메라 시장의 동향에 따라 앞으로 그 격차는 줄어들어 X-trans 센서만의 고유 장점으로 남지는 않을것으로 생각됩니다.
참고자료로 사용된 기사글은 X-trans IV가 출시되기 전, 2017년 작성되었습니다. X-Trans IV가 출시되고 이미지 품질 설정에 컬러크롬과 컬러크롬 블루 옵션이 추가되었습니다. 이는 Bayer 패턴에 비해 비교적 청색(B)과 적색(R) 픽셀이 적어 특정 색상 표현력이 떨어지는 X-trans 센서의 약점을 보완하기 위해 추가된 것으로 생각됩니다.
이처럼 X-trans 센서 또한 계속해서 발전하고 있기 때문에 Bayer 패턴 센서와는 다른 후지만의 독특한 발전을 기대해도 좋을 것 같습니다.