[3D Graphics/개념] 카메라 원리, 카메라 모델
3D 그래픽스에 대해 학습하기 전에 기본적인 카메라 원리에 대한 이해가 필요합니다. 그래서 이번 글에서는 카메라 원리에 대해 간단히 정리해봤습니다. 이번 글에서 다룰 내용은 아래와 같습니다.
- 카메라의 기본 원리
- 카메라 모델 (핀홀 카메라 모델, 렌즈 카메라 모델)
카메라 원리
카메라의 사진이 찍혀서 디지털 이미지로 저장되는 과정은 다음과 같습니다. 우리가 물체를 볼 수 있는 것은 물체가 반사한 빛이 우리 눈에 들어오기 때문입니다. 카메라도 이와 같은 원리로 동작됩니다. 물체에서 반사된 빛이 카메라의 렌즈를 통과하면 렌즈는 빛을 집중하여 이미지를 형성합니다. 이 이미지는 카메라 내부의 이미지 센서에 의해 캡처됩니다. 그런 다음 이미지 센서는 빛의 강도를 전기 신호로 변환하여 디지털 이미지로 저장합니다.
여기서 주요한 단계를 설명하겠습니다:
- 빛의 집중: 렌즈는 물체에서 반사된 빛을 집중시켜 카메라 내부에 이미지를 형성합니다. 이것은 광학적으로 이루어지는 단계로, 렌즈의 굴절 및 굴절률에 따라 빛이 집중되고 이미지가 형성됩니다.
- 이미지 캡처: 렌즈로 집중된 이미지는 이미지 센서에 캡처됩니다. 이미지 센서는 픽셀 배열로 구성된 칩으로, 각 픽셀은 빛의 강도를 전기 신호로 변환하여 디지털 이미지로 저장합니다. 렌즈의 초점 거리와 이미지 센서 사이의 거리가 적절히 조정되면 이미지 센서는 렌즈로부터 오는 이미지를 정확하게 포착할 수 있습니다.
- 디지털 이미지 저장: 이미지 센서에서 디지털 이미지로 변환된 정보는 카메라 내부의 이미지 프로세서에 의해 처리되고 저장됩니다. 디지털 이미지는 일반적으로 메모리 카드나 내부 저장 장치에 저장되며, 필요에 따라 전자적인 방법으로 표시되거나 전송됩니다.
이러한 과정을 통해 렌즈를 통해 캡처된 이미지는 디지털 형식으로 저장되어 나중에 보거나 가공할 수 있게 됩니다. 이렇게 저장된 이미지는 색상, 해상도 및 기타 세부 정보를 포함하여 원본 물체의 정보를 보존합니다.
Pinhole Camera Model/ Lens Camera Model
다음으로는 2개의 카메라 모델(핀홀 카메라 모델, 렌즈 카메라 모델)에 대해 설명하겠습니다.
Pinhole Camera Model (핀홀 카메라 모델)
- 간단한 구조의 카메라 모델, 깊이 정보 부족
Pinhole 카메라는 광학 시스템의 가장 기본 형태 중 하나입니다. 이러한 카메라는 단순한 작동 원리를 기반으로 하며, 핀홀이라는 작은 구멍을 통해 빛을 캡처하여 이미지를 생성합니다. 이러한 구멍이 있는 것으로 유명한 이 카메라는 렌즈 대신에 핀홀을 사용하여 빛을 조절하고 이미지를 형성합니다.
일반적인 카메라와 달리 Pinhole 카메라는 이미지 형성을 위해 렌즈를 사용하지 않으므로, 이미지에 깊이 감각이 부족합니다. 즉, 더욱 단순한 이미지가 생성되며, 멀리 있는 물체와 가까이 있는 물체의 깊이 차이를 제대로 파악할 수 없습니다.
또한, Pinhole 카메라의 또 다른 특징은 이미지의 상하 및 좌우가 반전된다는 것입니다. 이는 빛이 작은 구멍을 통해 투과하면서 뒤집히어서 발생하는 현상으로, 이러한 특징은 일반적으로 이미지를 처리할 때 고려해야 합니다.
그러나 이러한 단순한 작동 원리를 통해 광학 및 사진학의 기본 원리를 이해하는 데 도움이 됩니다
Lens Camera Model (렌즈 카메라 모델)
- 복잡한 광학 시스템, 다양한 파라미터
렌즈 카메라 모델은 일반적으로 사용되는 카메라 시스템입니다. 이 모델은 렌즈를 사용하여 이미지를 형성하는 광학 시스템을 모델링합니다. 렌즈 카메라는 Pinhole 카메라와는 다르게 렌즈의 특성과 다양한 파라미터를 고려합니다.
빛의 진행 법칙
렌즈에서의 빛의 경로는 다음의 세 가지 법칙을 따릅니다.
- 1법칙: 렌즈의 왼쪽에서 광축과 평행하게 들어온 빛은 렌즈 오른쪽의 초점을 지난다.
- 2법칙: 렌즈 왼쪽의 초점을 지나 들어온 빛은 렌즈를 지나 광축과 평행하게 진행한다.
3법칙: 렌즈의 중심을 지나는 빛은 꺾이지 않고 직선으로 진행한다.
빛의 진행 법칙 (이미지 출처)
피사체가 반사시킨 빛이 일부가 위의 법칙을 따라서 렌즈를 통과하여 한 점에서 모이게 됩니다. 이렇게 모인 빛들이 이미지를 형성하게 되며, 핀홀 카메라로 만들어진 이미지보다 훨씬 밝고 선명하게 나타나게 됩니다.
렌즈에 의한 이미지 형성 (이미지 출처)
렌즈 특성
렌즈 특성은 렌즈의 초점 거리, 조리개 크기 등과 같은 광학 특성을 나타냅니다. 이러한 특성은 렌즈와 센서 사이의 거리로 나타낼 수 있으며, 이는 렌즈가 이미지를 형성하는 데 얼마나 많은 빛을 모으는지를 결정합니다.
카메라 외부(Extrinsic) 및 내부(Intrinsic) 파라미터
렌즈 카메라 모델은 또한 카메라의 외부 및 내부 파라미터를 고려합니다. 외부 파라미터는 카메라의 위치 및 방향과 같은 카메라의 공간적인 특성을 설명하며, 내부 파라미터는 카메라 자체의 특성을 설명합니다. 내부 파라미터에는 렌즈의 왜곡, 센서의 해상도, 렌즈와 센서 사이의 관계 등이 포함됩니다.
렌즈 카메라 모델은 이러한 다양한 파라미터를 사용하여 현실적이고 정확한 이미지를 생성합니다. 이는 Pinhole 카메라보다 더 복잡하지만, 다양한 환경에서 더 나은 이미지 품질을 제공합니다.
렌즈 특성과 카메라 파라미터에 대해서는 다음 글에서 조금 더 자세하게 정리하겠습니다.