Digital Image Processing - 기본 지식(1)

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Human Eye

Cornea - 각막
Iris - 홍채
Anterior chamber - 전안방
Ciliary body - 모양체
Lens - 수정체
Vitreous humor - 초자체
Fovea - 중심와
Blind spot - 맹점
Retina - 망막
Sclera - 공막
Choroid - 맥락막

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Cones vs. Rods

Cone cell - 원추세포: Color sensing, >4.5M
-장파장(Red), 중파장(Green), 단파장(Blue)에 반응하는 3가지 종류가 있다.

Rod cell - 간상세포: 덜 강한 빛을 감지하는 세포이다. >90M

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Brightness Adaptation

인각의 시각 시스템의 범위는 10^-6부터 10^4로 밝기 인식이 가능한 범위가 매우 크다. 그러나 이 범위를 모두 동시에 소화하여 인식을 할 수 있는 것은 아니다.

위에서 볼 수 있듯 Rod cell은 암순응을 주로 담당하고 Cone cell은 명순응을 주로 담당한다. 적응이 되면 긴 선을 따라서 붉은 선이 올라가고 내려가듯 움직으며 인식할 수 있는 빛의 범위가 결정된다.

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Brightness Discrimination

 Weber ratio는 ΔIc/I로 표현되는 비율로 I는 배경 조명 (background illumination), ΔIc는 조명의 증가량 (the increment of illumination)을 말한다.
  Weber 비율은 작을 수록 구별력이 좋다는 것을 뜻하고 Weber 비율이 크다는 것은 구별력이 나쁘다는 것을 나타낸다.
 JND (just-noticeable difference)는 차이를 인지할 수 있는 최소 변화량을 뜻하는데 밝기 변화에 대한 인지력을 표현하는 척도가 될 수 있다.

그래프는 log ΔIc/I를 Y축으로 하고 log I를 X축으로 하는 커브를 보여준다. 그래프의 커브는 높은 I 값에 대해서는 비교적 완만한 경사를 보이지만, I 값이 낮아짐에 따라 급격히 경사지며 더 큰 Weber 비율을 나타내는 것으로 보인다. 이는 밝기의 변화를 구별하는 능력이 배경 밝기가 높을 때 더 좋고, 배경 밝기가 낮을 때는 상대적으로 구별하기 어렵다는 것을 시각적으로 나타내고 있다.

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DSLR

DSLR은 디지털 단일 렌즈 반사식(Digital Single Lens Reflex)의 준말이다. DSLR카메라의 특징을 살펴보자.
- 렌즈와 시점(viewpoint)은 투시도(perspective)를 결정한다.
- 조리개(aperture)와 셔터 속도(shutter speed)는 노출(exposure)을 결정한다.
- 조리개와 다른 효과들은 피사계 심도(depth of field)를 결정한다.
- 필름 또는 센서(film or sensor)는 이미지를 기록한다.

내부를 살펴보면 아래와 같다.

5각 프리즘과 셔터를 누르면 움직이는 거울을 이용하여 필름에 순간적으로 기록하는 방식을 이용한다.

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Lens

물리시간에 배웠던 기억이 난다. 렌즈 방정식도 살펴보면 아래와 같다.

상이 맺히는 곳을 계산을 통해 찾아낼 수 있는 방정식이다.

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초점과 심도

심도는 핸드폰 사진의 인물 사진을 생각하면 간단하다. 아래 그림처럼 조리개를 넓게 열면 심도가 얕아져서 앞의 대상에만 집중되고 뒷 배경이 blur처리 되는 것을 볼 수 있다. 조리개가 좁으면 물체를 제대로 포착할 수 있는 범위가 늘어나서 배경까지 선명하게 찍히는 것을 볼 수 있다.

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Exposure

노출을 결정하는 두 가지 주요 요소가 있다.
- 셔터 속도(Shutter speed): 셔터가 열려 있는 시간으로, 센서가 빛을 받아들이는 시간을 결정한다.
- 조리개(Aperture): 렌즈를 통해 카메라로 들어오는 빛의 양을 조절한다. 조리개 값은 'f'로 표기되며, 숫자가 작을수록 더 많은 빛을 허용하고, 숫자가 클수록 더 적은 빛을 허용한다.
노출값 결정을 위한 이 두 매개변수 사이에는 상호보완적 관계가 있다. 즉, 조리개를 더 열어 많은 빛을 들이면 셔터 속도를 빠르게 해서 빛을 받아들이는 시간을 줄여야 하며, 조리개를 줄여서 빛의 양을 적게 하면 셔터 속도를 느리게 해서 더 오래 빛을 받아들여야 한다.

위의 그림들은 다양한 조리개 값(f/16부터 f/2까지)과 각 조리개 값에 해당하는 셔터 속도(1/8초부터 1/500초까지)를 보여준다. 같은 노출값을 유지하기 위해서 조리개가 커지면(즉, 'f' 숫자가 작아지면) 셔터 속도는 더 빨라져야 하고, 조리개가 작아지면(즉, 'f' 숫자가 커지면) 셔터 속도는 더 느려져야 하는 상호보완적인 관계를 나타낸다.

f/2.0, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16과 같이 조리개 값F가 표현되는데 이때 F값이 작을 수록 큰 렌즈를 말한다.

 

같은 광량을 얻기 위해 shutter speed와 조리개 값이 trade-off된 모습이고 각 값에 따라 어떤식으로 사진의 결과가 달라지는지 확인해볼 수 있다.

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