[테크 리뷰] 스마트폰 망원 카메라와 이미지 센서의 진화 > 테크리뷰

[리뷰타임스=김우선 기자] 삼성이 지난 1월 차세대 프리미엄 스마트폰으로 디테일이 살아있는 초고해상도 사진을 촬영할 수 있는 2억 화소 이미지 센서인 아이소셀 HP2를 공개했다. 그리고 2월에는 갤럭시 언팩(Unpacked) 행사에서 아이소셀 HP2가 탑재된 갤럭시 S23 울트라를 공개하며 고화소와 고감도 사진을 담고 싶어하는 전문가 및 일반 프리미엄 스마트폰 사용자를 위한 새로운 가능성을 열었다.  

 

 

어떤 환경에서도 가능한 최상의 픽셀 성능을 구현하여 디테일하고 선명한 사진을 촬영할 수 있도록 다양한 최신 기술을 접목하고 픽셀 구조를 개선해 빛 흡수율을 높이고 있다. 새롭게 설계된 픽셀 구조인 D-VTG(Dual Vertical Transfer Gate)는 매우 밝은 환경에서도 각 픽셀의 색상과 디테일을 보다 선명하게 표현할 수 있는 아이소셀 HP2의 핵심 요소이다.

아이소셀 HP2는 역대 갤럭시 시리즈 중 가장 큰 크기의 이미지 센서로, 탑재된 픽셀은 2억 개에 달한다. 덕분에 색과 이미지의 선명도는 높아지고 까다로운 환경에서도 순간의 세세한 디테일까지 기록할 수 있다. 높은 화소 외에도 향상된 픽셀 구조, 픽셀 비닝 기술, 빠른 자동 초점과 HDR 등의 기능을 통해 다양한 촬영 조건에서도 선명하고 세밀하게 표현된 결과물을 제공한다.

 

 

2억 화소 이미지는 1,250만 화소 이미지보다 16배 더 크다. 즉, 16배 더 많은 정보와 디테일을 담을 수 있다. 일반적으로 이미지를 잘라내거나 확대하면 픽셀 수가 줄어들어 사진이 흐릿해지는 반면, 높은 화소의 이미지는 크롭한 후에도 비교적 높은 해상도를 유지할 수 있다.

갤럭시 S23 울트라로 촬영한 2억 화소 이미지의 경우, 가로와 세로 모두 반으로 잘라내도 여전히 5,000만 화소가 남아 디테일의 풍부함과 선명함을 지켜낸다. 뿐만 아니라 아이소셀 HP2는 첨단 딥 러닝 알고리즘을 통해 이미지의 컬러를 보다 정확하게 구현한다.

이처럼 카메라가 스마트폰을 판단하는 주요 기준점이 되고 있다. 그 이유는 첫째, 일상 생활에서 가장 자주 사용되는 기능이고 둘째, 훈련되지 않은 사람의 눈으로도 성능 평가가 가능하다는 점이다. 

스마트폰 카메라는 지난 10년간 급속도로 발전해 왔지만, 스마트폰의 두께로 인한 한계가 존재해왔다. 매년 스마트폰 사용자들은 새로운 기기의 본체가 보다 얇고 가볍기를, 동시에 더 뛰어난 카메라가 탑재되기를 바란다. 동시에 기술 전문가들 사이에서도 카메라 렌즈 부분의 높이와 기기 전체 두께, 무게에 대한 지적이 점점 더 많아지고 있다.

이 과제를 해결하기 위한 선도적인 솔루션 중 하나는 망원 카메라다. 업계에서는 망원 카메라 용 센서 기술을 점진적으로 개선해 왔다. 주요 스마트폰 제조업체에서 망원 카메라가 강화된 주력 제품을 발표하면서 망원 카메라는 이제 단순한 보조 카메라가 아닌 제2의 메인 카메라로 인식되고 있다. 이제 망원 카메라는 스마트폰 카메라 사양 향상을 주도하는 핵심 요소로 부상했다.

인물 사진 촬영은 망원 카메라 기능이 빛을 발하는 대표적인 영역 중 하나이다. 많은 스마트폰 사용자는 원거리 스틸 사진을 촬영할 때 망원 카메라의 고배율 모드를 사용한다. 그러나 인물 사진의 경우 광각 모드를 켜고 촬영하는 경향이 있다. 문제는 이 경우 화각이 왜곡되어 가까운 피사체를 있는 그대로 포착하기 어렵다는 점이다.

 

 

위 사진에서 초점 거리가 24mm, 화각이 약 84°인 광각 카메라로 클로즈업 촬영을 했기 때문에 피사체의 왜곡이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 클로즈업 촬영 시 광각 카메라의 촬영 거리가 짧기 때문이다. 

사람 얼굴의 3D 형상을 2D 이미지 센서에 투사하기 때문에 카메라와의 상대적 거리로 인해 얼굴의 중심부가 주변부에 비해 확장된다. 이를 “원근 왜곡”이라고 한다. 촬영 거리가 짧으면 얼굴 3D 형상의 상대적 거리 차이가 커진다. 따라서 촬영 거리가 짧을수록 원근 왜곡이 커지게 된다. 

때문에 광각 카메라는 관광지와 같이 풍경을 배경으로 인물을 촬영하는 데는 적합하지만, 사람이 주요 피사체가 되는 이미지에는 적합하지 않다. 반면 초점 거리가 85mm이고 화각이 29°인 망원 카메라는 가장 일반적인 배율인 3-3.5배에서 왜곡이 훨씬 적어 인물 사진 촬영에 더 적합하다.

망원 카메라가 인물 사진 촬영에 탁월한 또 다른 이유는 초점 거리로 인한 아웃포커스 효과 때문이다. 다른 모든 변수가 동일할 때 초점 거리가 길수록 피사계 심도가 얕아진다. 즉, 피사체 주변의 배경이 흐릿해지고 초점이 흐려져 피사체에 더 집중된 사진이 찍힌다. 따라서 광각 카메라는 관광지에서 인물과 배경을 모두 담는 데 적합하지만 망원 카메라는 인물 자체에 초점을 맞춘 사진을 찍는 데 훨씬 적합하다.

현재 망원 카메라는 고사양 스마트폰에서 가장 많이 사용된다. 고사양 스마트폰 광각 카메라에 사용되는 이미지 센서의 옵티컬 포맷은 1/1.4인치에서 1인치까지 다양하며, 큰 센서 크기와 HDR(High Dynamic Range) 및 고속 촬영과 같은 기능에 상응하는 이미지 품질을 제공한다. 

반면 일반적으로 망원 이미지 센서의 옵티컬 포맷은 1/2.7인치 ~ 1/2인치 범위로 상대적으로 작다. 사용자 관점에서 볼 때 이러한 사양 차이는 망원 카메라가 광각 카메라와 다른 화질, 색상 및 HDR 경험을 제공한다는 것을 의미한다. 

망원 카메라는 경기장이나 콘서트홀과 같이 멀리 떨어진 피사체를 추적하는 데 자주 사용되는데, 이때 사용자가 원하는 수준과 화질로 사진과 동영상을 촬영하기 어려울 수 있다.

 

 

광각 카메라와 망원 카메라의 격차를 줄이는 것은 스마트폰 업계의 핵심 과제가 되었다. 망원 센서가 궁극적으로 광각 센서의 사양 및 기능과 동일한 수준에 도달해야 할 필요성이 대두되고 있다. 

다행히도 광각 센서 모듈이 점점 더 커지고 높아짐에 따라 망원 이미지 센서 모듈을 위한 공간도 커지고 있다. 망원 이미지 센서의 크기와 기능을 높이면 광각 센서에 가까운 촬영 연출을 할 수 있을 뿐만 아니라 인물 사진 촬영 시 아웃포커싱을 효과적으로 구현할 수 있다. 동일한 화각에서 이미지 센서가 클수록 초점 거리가 길어져 크기가 작은 망원 센서보다 피사계 심도가 얕아지기 때문이다.

아이소셀의 초고화소 이미지 센서는 망원 카메라의 성능 향상이라는 트렌드에 적합한 솔루션으로, 진정한 제2의 메인 카메라라고 할 수 있다. 초고화소 이미지 센서의 가장 큰 강점은 당연히 해상도이며, 이는 다양한 스마트폰에서 성공적으로 구현되어 그 성능이 입증되었다. 

또한 별도의 망원 카메라를 채택하기 어렵거나 불가능한 가격대의 스마트폰에서 특히 그 가치를 발휘했다. 아래 그림은 2억 화소 센서 하나가 망원과 광각의 역할을 모두 수행할 수 있으며, 센서 내 4배 줌으로 기존 망원 센서에 필적하는 화질을 제공할 수 있다는 것을 보여준다.

 

 

광각 카메라와 망원 카메라의 격차를 줄이는 것은 스마트폰 업계의 핵심 과제이다. 망원 센서가 궁극적으로 광각 센서의 사양 및 기능과 동일한 수준에 도달해야 할 필요성이 대두되고 있다. 다행히도 광각 센서 모듈이 점점 더 커지고 높아짐에 따라 망원 이미지 센서 모듈을 위한 공간도 커지고 있다. 

망원 이미지 센서의 크기와 기능을 높이면 광각 센서에 가까운 촬영 연출을 할 수 있을 뿐만 아니라 인물 사진 촬영 시 아웃포커싱을 효과적으로 구현할 수 있다. 동일한 화각에서 이미지 센서가 클수록 초점 거리가 길어져 크기가 작은 망원 센서보다 피사계 심도가 얕아지기 때문이다.

아이소셀의 초고화소 이미지 센서는 망원 카메라의 성능 향상이라는 트렌드에 적합한 솔루션으로, 진정한 제2의 메인 카메라라고 할 수 있다. 초고화소 이미지 센서의 가장 큰 강점은 당연히 해상도이며, 이는 다양한 스마트폰에서 성공적으로 구현되어 그 성능이 입증되었다. 

또한 별도의 망원 카메라를 채택하기 어렵거나 불가능한 가격대의 스마트폰에서 특히 그 가치를 발휘했다. 아래 그림은 2억 화소 센서 하나가 망원과 광각의 역할을 모두 수행할 수 있으며, 센서 내 4배 줌으로 기존 망원 센서에 필적하는 화질을 제공할 수 있다는 것을 보여준다.

아이소셀의 2억 화소 센서는 뛰어난 리모자이크 알고리즘 덕분에 해상도 손실 없이 2배 및 4배의 센서 내 줌 기능을 제공한다. 위의 4배 줌 화면은 광학 3배 모듈에 필적하는 화질을 보여 주며, 이는 별도의 광학 줌 시스템이 필요 없어 보일 정도로 뛰어난 성능이다. 이 알고리즘은 컬러 픽셀을 RGB 베이어(Bayer) 패턴으로 재배열하므로, 2억 화소 센서가 해상도 손실 없이 1배/2배/4배 줌에서 1천2백50만 화소를 유지할 수 있다. 스마트폰의 기본 광각 카메라는 일반적으로 1배 모드에서 기본값이 12MP이므로 이 기술을 통해 사용자는 2x와 4x 줌에서도 동일한 해상도를 경험할 수 있다.

 

 

특히 2억 화소 아이소셀 HP2와 아이소셀 HP3는 딥러닝 기반 리모자이크 알고리즘을 적용해 장면에 최적화된 디테일을 더욱 잘 표현할 수 있도록 줌 촬영 품질을 향상시켰다. 또한 스냅드래곤(Snapdragon®) 모바일 플랫폼을 비롯하여 여러 플래그십 애플리케이션 프로세서(AP)가 병렬 연산에 유리한 디지털 신호 처리 장치(DSP), 그래픽 처리 장치(GPU) 등을 채택하면서 시너지를 창출하고 화질을 크게 향상시켰다.

초고해상도 이미지 센서는 본질적으로 메인 센서로 설계되었기 때문에 이미지 품질을 향상시키기 위해 여러 가지 기술이 적용되었다. 첫째, 최대 16개의 인접 픽셀을 병합하여 저조도 이미지 품질을 향상시키는 테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra²pixel) 기능이다. 둘째, HDR 및 초당 프레임 측면에서 더 나은 성능을 제공한다. 

1/1.3인치 ~ 1/1.4인치의 대형 옵티컬 포맷의 초고화소 이미지 센서는 기존 망원 센서와 비교해도 아웃포커스가 개선된 이미지를 촬영할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 2억 화소 아이소셀 이미지 센서는 광각과 망원 카메라 사이의 장벽을 허물고 있다. 메인 카메라와 서브 카메라 간에 일관된 이미지 품질을 제공하는 것에서 나아가 플래그십 스마트폰 사용자에게 혁신적인 사용자 경험을 제공한다.

예를 들어 2억 화소 센서가 장착된 3배 망원 모듈은 3배, 6배, 12배까지 무손실 줌을 수행할 수 있다. 이 놀라운 기능 덕분에 해상도 손실 없이 더욱 다양한 장면을 촬영할 수 있다. 일상생활, 특히 관광지에서 사용자는 전경 전체를 촬영할 뿐만 아니라 아래 이미지의 건물과 같이 특정 영역을 확대하고 싶은 순간이 종종 있다. 

하지만 피사체가 멀리 떨어져 있으면 몇 걸음만 움직여도 이전 광각에서 보았던 이미지와 매우 다른 이미지가 나타난다. 기존 스마트폰 카메라의 미흡한 줌 기능과 더불어 저화소 망원 센서의 낮은 화질은 사용자들이 피사체에 줌인할 때 가장 큰 불만 사항이다. 망원 카메라의 초고해상도 이미지 센서는 사용자가 같은 장소에서 원하는 각도로 주변 환경을 더욱 정확하고 다채롭게 담아낼 수 있는 해결책이 될 수 있다.

프리미엄 스마트폰에서 광각 카메라의 옵티컬 포맷이 대형화됨에 따라 현재 광각 카메라에 사용되는 1/1.3인치 ~ 1/1.4인치 등의 이미지 센서도 향후 망원 모듈에 실장 될 수 있을 것으로 보인다. 아이소셀은 다양한 옵티컬 포맷의 2억 화소 센서 라인업을 갖추고 있으며, 그 중 아이소셀HP2와 아이소셀HP3는 위에서 언급한 사이즈에 적합하다. 두 센서 모두 화질, 자동 초점, HDR 및 FPS 측면에서 프리미엄 광각 센서에 대한 니즈를 충족하기 위해 설계되었으며 현재 여러 스마트폰에 탑재되어 생산되고 있다. 일부 측면에서는 차이가 있지만 두 센서 모두 2배/4배 무손실 줌을 가능케 하는 핵심 기능인 4×4 소프트웨어 딥러닝 리모자이크 알고리즘과 4배 온칩 크롭 줌(on-chip crop zoom)을 탑재하고 있다.

2억 화소 아이소셀 이미지센서는 이미 여러 스마트폰 제품에서 줌 기능을 선보이며 초고화소의 가치를 입증한 바 있다. 프리미엄 스마트폰의 경쟁 구도는 단순히 하드웨어를 넘어 차별화된 사용자 경험을 제공하는 데 점점 더 초점을 맞추고 있으며, 초고화소 아이소셀 이미지센서는 뛰어난 디테일로 보다 향상된 줌 경험으로 트렌드를 선도함으로써 그 가치를 입증할 것이다.

 

 

팁스터 레베그너스(@Tech_Reve)에 따르면 삼성은 현재 50MP 아이소셀 GN6, 200MP 아이소셀 HP7, 440MP 아이소셀 HU1 등 세 가지 새로운 카메라 센서를 개발 중인 것으로 알려졌다. 팁스터는 삼성이 2024년 하반기에 이러한 센서들을 양산할 계획이라고 전했다.

그 중 첫 번째 카메라 센서는 아이소셀 GN6이다. 이 센서는 삼성전자 최초의 1인치 센서로서, 이미 잘 알려진 아이소셀 GN2 1.4μm 픽셀 크기보다 더 큰 1.6μm 픽셀 크기를 가질 것으로 예상되고 있다. 더 큰 픽셀 크기는 낮은 조명 환경에서의 사진 품질을 높여줄 것으로 기대된다.

두 번째 센서는 200MP 아이소셀 HP7이다. 이 센서의 픽셀 크기는 0.6μm로 추정되며, 갤럭시S23 울트라에 사용된 200MP 아이소셀 HP2 카메라 센서와 비슷한 크기를 가진다. 이 센서는 주로 플래그십 및 중급 스마트폰에 탑재될 것으로 예상되고 있다.

가장 놀라운 센서는 삼성의 최초 440MP 카메라 센서인 '아이소셀 HU1'이다. 이 센서는 1인치 아이소셀 GN6보다 더 큰 크기로 개발되어 사람의 눈을 능가하는 6억 화소(4억 4천만 화소라는 얘기도 있다) 이미지 센서로 주목받고 있다. 삼성은 지난 2020년 뉴스룸 기고문을 통해 사람 눈을 능가하는 6억 화소 이미지센서를 개발할 것이라고 밝힌 바 있다. 현재 어떤 기기에 적용될지는 분명치 않지만, 스마트폰이나 자동차 등에 탑재될 가능성이 있다.

 

<ansonny@reviewtimes.co.kr>

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