스마트폰 카메라와 이미지 센서의 관계 정의

지난번의 글에서는 센서 그 자체에 관해 공부해 보았는데요, 오늘은 우리 인류가 현재 가장 많이 사용하고 있는 전자 기기 중 하나인 스마트폰의 카메라용 센서에 대해 알아보고자 합니다. 스마트폰용 카메라 센서, 또는 스마트폰 카메라용 이미지센서라고도 하는데요, 이를 알아보기 위해서는 먼저, 스마트폰 카메라에 대해서 간단하게 살펴보겠습니다. 2000년대 초, 최초의 스마트폰용 카메라가 미국에서 출시된 이후, 많은 스마트폰 제조사 사이에서 무수히 많은 경쟁이 있었습니다. 당연하겠지만, 소비자들은 좀 더 좋은 화질의 사진과 동영상을 자신의 스마트폰에 남기기를 원했고, 이를 위해 다양한 형태의 스마트폰 카메라와 고성능의 스마트폰 카메라에 대한 고객의 니즈가 발생하게 되었으며, 이에 따라 스마트폰 제조사들은 저마다 매우 큰 노력을 기울여 연구에 연구를 거듭하게 되었죠. 소위 말하는 일반적인 카메라는 당연히 매우 크고 무겁습니다. 하지만, 이를 스마트폰에 넣기 위해서는 혁신적인 기술이 필요했습니다.

 스마트폰 카메라는 일반적으로 세 가지 영역으로 나눌 수 있는데요, 외부의 빛을 모으는 렌즈, 잘 모인 빛을 전기적인 정보로 바꾸어 주는 이미지 센서, 그리고 이 전기적인 정보를 우리가 보고자 하는 이미지로 바꾸어 주는 프로그램입니다. 스마트폰을 잘 보시면, 앞면과 뒷면에 렌즈가 작게는 하나, 많게는 3개 이상의 카메라가 있는 것을 보실 수 있습니다. 이를 전면 카메라, 후면 카메라라고 말하는데요, 최근의 전면 카메라는 눈에 잘 띄지 않기도 합니다만, 분명히 존재하고 있습니다. 외부의 빛이 스마트폰으로 들어올 때 가장 먼저 스마트폰 카메라의 렌즈를 지나게 되는데요, 이때 들어오는 빛의 양을 조절하는 조리개를 지나게 됩니다. 적절한 양의 빛이 들어오면 그다음에는 렌즈를 지나게 되는데요, 스마트폰마다 다르겠지만 여러 개의 렌즈를 통해서 빛을 적절한 형태로 지나갈 수 있게 해줍니다. 적절한 형태를 갖추게 된 빛은 마지막으로 센서로 향하게 되는 거죠. 여러 개의 렌즈 조합과 각각의 렌즈 형상을 조절하여 이미지 센서가 빛의 정보를 가장 잘 파악할 수 있는 형상으로 만들어 주는 거죠. 특히, 이 렌즈는 초점을 맞추는 것에 가장 중요한 역할을 합니다. 최근 대부분의 스마트폰은 저마다의 오토 포커스 기능을 가지고 있는데요, 소프트웨어를 활용하거나, 광학적인 특성(위상차)을 이용하거나, 하드웨어를 이용하는 등, 여러 가지 방법으로 초점을 맞출 수 있죠. 조리개를 통해 적절한 양의 빛이 들어와서, 렌즈를 통해서 잘 가공된다면, 마지막으로 이미지 센서로 빛이 들어옵니다. 스마트폰 카메라용 이미지센서는 반도체의 일종이라고 보시면 됩니다. 이 센서의 역할은 빛의 신호를 전기적인 신호로 바꾸는 역할인데요, 좀 더 전문적으로 표현하자면, 광자를 전자로 변환시켜 주는 일종의 반도체 소자라고도 할 수 있습니다. 이 센서에 빛이 들어오거나, 들어오지 않거나 하는 것을 활용하여 흑백을 표현할 수 있죠. 또한, 이미지의 색상을 표현하기 위해, 컬러 필터도 활용합니다. 일반적으로 잘 알려진 빛의 3원색인 빨강, 초록, 파란색의 필터를 활용하여 들어오는 빛의 색깔을 구분하여 센서로 보내줌으로써 들어오는 빛의 색상에 대한 정보를 얻을 수 있게 만들어 주는 거죠. 센서에서 가장 중요한 것을 뽑으라면 센서 그 차제의 크기와 픽셀이라고 볼 수 있습니다. 간단하게 생각하자면, 당연히 크면 클수록 더 많은 픽셀을 가지고, 더 많은 빛의 정보를 얻을 수 있으니 더 좋을 것입니다만, 스마트폰이라는 기기는 작으면 작을수록 소비자가 더 선호할 것이기 때문에, 각 제조사 저마다 다양한 크기의 센서를 사용합니다. 이렇게 모인 빛의 정보를 통해, 우리는 우리가 보고자 하는 사진이나 동영상을 우리의 스마트폰으로 촬영하고 저장할 수 있게 되는 것이죠. 하지만, 스마트폰으로 보다 좋은 사진과 영상을 얻기 위해서는 한 가지 과정을 더 거쳐야 하는데요, 잘 아시겠지만, 사람의 손은 계속 움직이고 진동하고 있기 때문에, 삼각대 위에 놓인 카메라와 같이 안정된 촬영이 어려운 단점이 있습니다. 이 때문에, 초창기의 스마트폰 이미지는 고품질의 화질을 얻기 쉽지 않았었죠. 이 단점을 해결하기 위해 스마트 폰에서는 이미지 보정 작업을 반드시 거쳐야 합니다. 이 이미지 보정이라는 기능은 스마트폰 안에 있는 자이로스코프나 렌즈 ~ 센서를 조정해 줌으로써, 이미지 센서가 짧은 시간 안에보다 더 많은 빛의 정보를 얻을 수 있게 해줍니다. 이렇게 최적의 형태로 얻어진 빛의 정보는 마지막으로 소프트웨어 프로그램을 통해서 다시 한번 가공되어 가장 최적의 형태로 보이게 됩니다. 이 역할을 이미지 프로세서라고 하는데요, 흑백으로 들어온 이미지 정보를 앞서 얘기했던 빨강, 초록, 파랑의 컬러 필터를 활용한 정보와 함께 활용하여 가장 선명하고 가장 높은 화질의 이미지나 영상으로 표시되게 되는 거죠.

 최근에는 남녀노소를 불문하고 스마트폰을 가지지 않는 사람을 찾기 어려울 만큼 많은 사람이 스마트폰을 가지고 있습니다. 본인, 가족, 사랑하는 연인이나, 반려동물 그리고 아름다운 풍경 등 여러 가지 피사체를 대상으로 스마트폰 카메라를 활용하여 사진과 동영상을 촬영하고 간직합니다. 어떤 분들은 머나먼 달의 모습까지 촬영하기도 하시죠. 이처럼 현대의 삶에 없어서는 안 되는 수준까지 도달한 스마트폰 카메라에 대해서도 알아본다면, 재미있는 시간이 되지 않을까 하는 생각에서 공부해 보았습니다.