Dynamic Range vs. Tonal Range (다이나믹 레인지 vs. 계조)

Dynamic range와 tonal range(흔히 말하는 계조)는 관련이 있지만 다른 의미를 가지고 있습니다. 여기에서는 dxomark의 dynamic range와 tonal range 그래프들을 가지고 이 둘의 차이를 설명해보겠습니다.

1. Dynamic Range: 센서가 구분할 수 있는 밝기(brightness)의 범위입니다. 이때, 가장 밝은 밝기는 센서 픽셀이 포화(saturated)되었을 때고, 구분할 수 있는 가장 어두운 밝기는 노이즈에 의해 결정됩니다. 즉, 센서가 기록할 수 있는 가장 밝은 밝기와 가장 어두운 밝기의 "비율"입니다.

센서 차원에서 설명하자면, Dynamic range는 보통 read noise, full well capacity(픽셀이 담을 수 있는 전하 양)에 의해 결정됩니다. 다음 수식에서 full well capacity와 read noise는 모두 electron 단위입니다.

Dynamic range = full well capacity / read noise
참조: http://www.evolve-emccd.com/whitepapers/dynamicrange.php

Dxomark는 RAW 데이터를 분석해서 dynamic range를 구합니다. 따라서 dxomark의 dynamic range 수치를 통해 알 수 있는 것 중 하나는 암부노이즈(shadow noise)입니다. 보통 고 ISO 비교에서 가장 눈에 띄는 것 중 하나가 암부노이즈이죠. 즉, dynamic range가 좋다면 암부노이즈가 적다는 뜻으로 해석해도 큰 무리가 없습니다. 암부노이즈는 보통 read noise에 의해 결정됩니다. Photon shot noise, read noise 등에 대한 내용은 http://en.wikipedia.org/wiki/Image_noise 를 참조하세요.

2. Tonal Range: tonal range는 이미지에서 얼마나 많은 밝기 단계들을 구분할 수 있느냐를 나타냅니다. 흔히 말하는 계조입니다. 여기서 밝기를 구분할 수 있는지 여부를 결정하는 것은 노이즈입니다. 두 개의 밝기가 구분 가능 하려면 두 밝기의 차이가 노이즈보다 커야 합니다.

다음은 dxomark의 tonal range 설명입니다.
Tonal range indicates how many gray levels are distinguishable up to noise in an image. The tonal range corresponds to an integration of the signal-to-noise ratio (SNR) over the dynamic range of the sensor, and is therefore representative of the average noise level. The larger the tonal range, the better the image: noise is lower, and subtle nuances can be distinguished. It is expressed on a logarithmic scale as the bit depth necessary to encode that number of gray levels: an increase of 1 bit of tonal range corresponds to doubling the number of distinguishable gray levels.

언뜻 tonal range는 dynamic range와 비슷할 것 같다고 생각할 수 있습니다. 노이즈는 이미지 전체적으로 "일정"하다고 생각할 수도 있기 때문입니다. 하지만, 노이즈는 밝기에 따라 달라집니다. Photon shot noise 때문에 밝은 부분일수록 노이즈가 큽니다. 다만 밝은 부분은 신호(signal)가 노이즈보다 훨씬 크기 때문에 SNR은 더 높습니다.

참조: 화질의 이해 - 신호 대 잡음비(SNR), 포톤 샷 노이즈 http://shotgunlee.egloos.com/9289101

이렇게 밝기에 따른 노이즈 변화를 고려하여야 흔히 말하는 계조를 계량화할 수 있습니다.
참조: http://luminous-landscape.com/forum/index.php?showtopic=42756


이렇게 tonal range는 dynamic range와 유사하지만 다릅니다. Dynamic range는 full well capacity와 read noise에 의해 결정되지만, tonal range는 full well capacity, read noise, photon shot noise에 의해 결정됩니다. 여기서 photon shot noise는 센서 수광능력의 영향을 받습니다.

간단히 정리하자면, tonal range에는 dynamic range에 추가적으로 센서의 수광능력이 반영됩니다.


3. 니콘 D90, 니콘 D700, 캐논 EOS 5D Mark II를 예로 좀 더 설명해보겠습니다.

우선 다이나믹 레인지를 비교해보겠습니다.

D90이 풀프레임인 D700, 5D Mark II보다 다이나믹 레인지가 넓습니다. 최신 센서인 만큼 read noise가 적은 것이고, 암부 노이즈가 적다는 뜻입니다. 5D mark II와 D700을 비교하면 D700 ISO 200의 read noise가 5D mark II ISO 100의 read noise보다 적습니다. Read noise 측면에서는 니콘이 많이 앞서 나가는 듯 합니다.


다음으로는 18% 그레이의 SNR을 보겠습니다.


 
18% 그레이의 SNR은 read noise 보다는 photon shot noise의 영향이 훨씬 큽니다. 즉, 비슷한 ISO에서는 센서가 크고 양자효율이 좋아서 "빛을 많이 받을수록" 18% 그레이의 SNR이 좋습니다. 또는 full well capacity가 커서 base ISO가 작을수록 "더 많은 빛을 받을 수 있으므로" base ISO가 작을수록 18% 그레이의 SNR이 좋습니다.

여기서 보면, 5D Mark II가 base ISO가 100이어서 가장 많은 빛을 받을 수 있고, 이에 따라 18% 그레이 SNR이 가장 좋습니다. D90은 다이나믹 레인지는 가장 좋았지만, 센서가 APS-C이기 때문에 수광량이 상대적으로 떨어져서 18% 그레이 SNR도 5D mk2, D700에 비해 떨어집니다.


마지막으로 tonal range를 보겠습니다.


5D mark II의 경우 ISO 100에서는 D700, D90에 비해 훨씬 많은 빛을 받기 때문에 read noise가 많음에도 불구하고 계조가 좋습니다. 즉, 암부(shadow)에서는 계조가 떨어지지만, 그외에서는 계조가 좋아서 전체적으로 계조가 좋은 것입니다. 물론 ISO 200 이상에서 5D mk 2와 D700을 비교하면 D700이 근소하게 앞섭니다. D90의 경우 18% 그레이 SNR에서와 같이 센서 크기에 따른 불리함을 극복하지 못했습니다.



같이 보면 좋은 글들:

화질의 이해 - 신호 대 잡음비(signal to noise ratio), 포톤 샷 노이즈 http://shotgunlee.egloos.com/9289101
DSLR 센서 성능 비교에 유용한 DxOMark 이해하기 http://shotgunlee.egloos.com/9830173
픽셀 크기가 클수록 노이즈가 적을까? (픽셀 크기, 센서 크기, SNR) http://shotgunlee.egloos.com/9955587
카메라 SNR(노이즈) 비교시 조리개값, 셔터스피드를 왜 동일하게 해야 하는가? http://shotgunlee.egloos.com/10217203

by shotgunlee | 2010/05/31 23:17 | 디지털카메라의 기술적인 면 | 트랙백 | 핑백(1) | 덧글(2)

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... tonal range에 대한 설명은 다음 강좌를 참조하세요. Dynamic Range vs. Tonal Range (다이나믹 레인지 vs. 계조) http://shotgunlee.egloos.com/104996171D mark 4는 ISO 1600까지는 5D mark 2와 비슷하군요. 즉, read noise가 비슷한 것 같습니다.18% 그레이 SNR은 ... more

Commented by 지친이 at 2016/04/19 16:06
지금까지 본 한국어 블로그 중에서 센서에 관련된 정보를 가장 정확히 전달하고 있는 듯 합니다, 대부분은 그냥 매우 피상적인 내용 뿐이죠... 캐논 센서의 경우 확실히 read noise가 발목을 크게 잡고 있는 듯 합니다. dpreview에서 요즘 열심히 밀고 있는 ISO-invariance 테스트도 read noise를 보는 테스트인데, 캐논은 native high ISO에서는 노이즈를 잘 잡아도 이 테스트에서는 처참히 망가지죠. 아마도 아시겠지만, DxOmark 의 정보를 토대로 이론식을 바탕으로 이것저것 계산을 해놓은 사이트가 있습니다. http://www.sensorgen.info/ 에 가보시면 각 센서들의 계산된 특성을 보실 수가 있습니다.
Commented by shotgunlee at 2016/07/10 17:12
과찬 감사합니다. 좋은 정보도 감사합니다.

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