Chapter 08

셔터와 HDR

CMOS 센서에는 기계식 셔터가 없어도 된다. 픽셀을 비우고(리셋) 빛을 모은 뒤(적분) 읽어 내는 타이밍이 곧 셔터다. 이 장에서는 그 타이밍이 만드는 롤링 셔터 왜곡과 플리커, 이를 없애는 글로벌 셔터, 그리고 한 장면의 밝기 차가 센서 능력을 넘어설 때 쓰는 여러 HDR 기술을 다룬다.

리셋–적분–읽기로 이루어진 전자 셔터의 노출 과정을 설명한다.
롤링 셔터의 행 순차 타이밍을 그리고, 스큐·젤로·프로펠러 왜곡의 크기를 계산한다.
글로벌 셔터 픽셀의 구조와 PLS·노이즈 트레이드오프를 이해한다.
50/60 Hz 조명 플리커의 원인과 노출 시간 n/(2f) 해법을 안다.
다중 노출, DOL, DCG, 분할 픽셀, LOFIC HDR을 비교하고 HDR 합성·톤 매핑·고스트 문제를 이해한다.

노출이란: 리셋 → 적분 → 읽기

필름 카메라에서 노출은 셔터 막이 열려 있는 시간이다. CMOS 이미지 센서에서는 셔터 막 대신 픽셀 트랜지스터의 타이밍이 노출을 정의하는데, 이를 전자 셔터(Electronic Shutter)라 한다. 4T 픽셀 하나의 노출은 세 단계다.

리셋(Reset): 전송 게이트(TX)와 리셋 트랜지스터(RST)를 함께 켜서 포토다이오드(PD)에 남은 전하를 모두 비운다. 이 순간이 노출의 시작이다.
적분(Integration): TX를 끈 채로 PD가 광전자를 모은다. 모인 전자 수 $N_e = \Phi\cdot\eta\cdot A\cdot t_{\text{int}}$ (광자 선속 밀도 × 양자효율 × 면적 × 시간).
읽기(Readout): 플로팅 디퓨전(FD)을 리셋하고 그 레벨을 먼저 샘플링한 뒤, TX를 켜 전하를 FD로 옮기고 신호 레벨을 샘플링한다(CDS). TX가 꺼지는 순간이 노출의 끝이다.

그림 8-1. 4T 픽셀의 노출. 첫 TX 펄스(PD 리셋)가 끝나는 순간부터 읽기 때의 TX 펄스가 끝나는 순간까지가 노출 시간이다. SHR/SHS는 CDS의 리셋·신호 샘플링 시점.

전자 셔터는 기계 셔터와 달리 마모가 없고 1/100,000초 같은 초단 노출도 쉽다. 하지만 모든 픽셀이 같은 시각에 리셋·읽기될 수는 없다. 컬럼 ADC가 한 번에 한 행(또는 몇 행)만 변환하기 때문이다. 이 제약에서 롤링 셔터가 나온다.

롤링 셔터: 행마다 다른 순간

롤링 셔터(Rolling Shutter) 센서는 맨 윗행부터 한 행씩 차례로 리셋하고, 정확히 노출 시간 $t_{\text{exp}}$ 뒤에 같은 순서로 읽는다. 모든 행의 노출 길이는 같지만 노출 시점은 한 행마다 행 시간(Line Time, 1H) $t_{\text{line}}$씩 밀린다. 행 수가 $N_{\text{row}}$이면 첫 행과 마지막 행 사이의 시간 차가 프레임 판독 시간이다.

$$T_{\text{readout}} = N_{\text{row}}\cdot t_{\text{line}}, \qquad t_{\text{start}}(r) = t_0 + r\,t_{\text{line}}$$

예: 12 MP(4000 × 3000), $t_{\text{line}} = 10$ µs → $T_{\text{readout}} = 30$ ms. 적층형 고속 센서는 수 µs 이하로 줄여 5 ms 안팎까지 단축한다.

그림 8-2. 롤링 셔터 타이밍 차트. 초록선(리셋)과 빨간선(읽기)이 같은 기울기로 내려가며, 두 선 사이의 평행사변형이 각 행의 노출 구간이다. 기울기 = 행 시간.

장면이 정지해 있으면 아무 문제가 없다. 그러나 판독 시간 동안 물체나 카메라가 움직이면 윗행과 아랫행이 서로 다른 순간의 장면을 담아 왜곡이 생긴다.

스큐(Skew): 수평으로 움직이는 수직선이 기울어진다. 속도 $v$(픽셀/s)로 움직이면 판독 동안의 이동량 $\Delta x = v\,T_{\text{readout}}$.
젤로 효과(Jello): 손떨림·진동처럼 판독 시간보다 빠르게 흔들리면 영상이 젤리처럼 출렁인다.
프로펠러 왜곡: 회전체의 날개가 휘거나 떨어져 보인다. 3000 rpm(50 rev/s) 프로펠러는 30 ms 판독 동안 1.5바퀴(540°)를 돈다.
부분 노출: 플래시나 섬광처럼 짧은 빛이 판독 도중 켜지면 프레임의 일부 행만 밝아진다.

계산 예: 차창 밖 전봇대

시속 100 km 차 안에서 10 m 떨어진 전봇대를 f = 4.3 mm, 1 µm 픽셀 카메라로 찍는다. 각속도 ≈ 27.8/10 = 2.78 rad/s, 상면 이동 속도 = 2.78 × 4.3 mm = 11.9 mm/s = 11,900 픽셀/s. 판독 30 ms 동안 약 360 픽셀 밀리므로, 3000행 높이의 전봇대가 약 $\arctan(360/3000) \approx 7°$ 기울어진다.

SIMULATOR

롤링 셔터 vs 글로벌 셔터: 행 단위로 쌓이는 영상

장면

셔터 방식

행 시간 t_line 노출 시간 물체 속도

판독 시간 (3000행)—

판독 중 이동—

노출 중 블러—

재생 배속—

왼쪽: 실제 장면(슬로 모션)과 셔터 위치 — 초록선은 리셋, 빨간선은 읽기, 그 사이 음영이 지금 노출 중인 행들. 오른쪽: 센서가 읽어 낸 영상이 한 행씩 쌓인다. 아래: 행–시간 타이밍 차트. 해볼 것: 롤링에서 행 시간을 40 µs로 늘려 프로펠러가 어떻게 휘는지 보고, 글로벌로 바꿔 같은 조건에서 비교하자. 노출 시간을 늘리면 두 방식 모두 모션 블러가 생긴다.

글로벌 셔터: 모든 픽셀을 같은 순간에

글로벌 셔터(Global Shutter, GS)는 모든 픽셀의 노출을 동시에 시작하고 동시에 끝낸다. 판독은 여전히 한 행씩 진행되므로, 노출이 끝난 전하를 읽힐 차례가 올 때까지 픽셀 안에 잠시 보관할 장소가 필요하다. 전하 영역 GS는 PD 옆에 빛을 가린 메모리 노드(Storage Diode / Memory Node, MN)를 두고, 모든 픽셀이 동시에 PD → MN 전송(TX1)을 한 뒤 행 순서대로 MN → FD(TX2)로 읽는다.

그림 8-3. 전하 영역 글로벌 셔터. 노출 구간이 수직 직사각형이라 행 사이 시간 차가 없다. 대신 아래쪽 행일수록 전하가 메모리 노드에서 오래 기다리며, 그동안 스며드는 빛(PLS)과 암전류가 오차가 된다.

동시 노출의 대가는 여럿이다.

기생 광감도(Parasitic Light Sensitivity, PLS): 차광막 아래 메모리 노드에도 빛이 조금 새어 들어가거나, 기판에서 생긴 전자가 확산해 들어온다. 대기 중인 동안 장면이 바뀌면 그 성분이 섞인다. PLS = MN 감도 / PD 감도로 정의하며, 1/10,000(−80 dB)보다 작아야 좋은 GS 픽셀로 본다.
노이즈 증가: 메모리 노드 자체의 암전류, 추가 전송에서의 잔류 전하. 전압 영역 GS(픽셀 내 커패시터에 샘플링)는 kTC 노이즈가 더해져 읽기 노이즈가 커지기 쉽다.
필 팩터·풀웰 감소: MN과 트랜지스터가 면적을 차지해 같은 피치에서 PD가 작아진다. 그래서 GS 픽셀은 2.2~3 µm 이상이 일반적이다(롤링 셔터는 0.56 µm까지).

항목	롤링 셔터	글로벌 셔터
행 간 시간 차	$t_{\text{line}}$씩 누적 (수~수십 ms)	없음
픽셀 트랜지스터	4T (공유 시 1.5~2T/픽셀)	5T~8T + 메모리
최소 피치(상용)	~0.56 µm	~2.2 µm (적층 DPS는 더 작게)
읽기 노이즈	~1~2 e⁻	~2~5 e⁻ (구조에 따라)
주 용도	스마트폰, 카메라	머신 비전, 차량 DMS, AR/VR 트래킹, 바코드

적층 픽셀 병렬 ADC

픽셀 층과 로직 층을 Cu–Cu 하이브리드 본딩으로 픽셀 단위 연결하면, 픽셀(또는 작은 픽셀 블록)마다 ADC를 두어 모든 픽셀을 동시에 디지털화할 수 있다. 메모리 노드에서 오래 기다릴 필요가 없어 PLS 문제가 줄고, 매우 빠른 GS가 가능하다.

플리커: 조명의 깜박임과 롤링 셔터 띠

교류 전원(50 Hz 또는 60 Hz)으로 켜는 조명은 전류의 절댓값을 따라 밝기가 변한다. 전압이 $\sin(2\pi f t)$이면 광출력은 대략 $\sin^2$에 비례하므로 밝기 변화는 2배 주파수, 즉 100 Hz(50 Hz 지역) 또는 120 Hz(60 Hz 지역)다. 형광등과 저가 LED 드라이버는 변조 깊이가 크고, 백열등은 필라멘트의 열관성 때문에 작다.

$$L(t) = \bar L\,\bigl[1 + m\cos(2\pi\cdot 2f\cdot t)\bigr],\qquad S(r) = \frac{1}{t_{\text{exp}}}\int_{t_r}^{t_r+t_{\text{exp}}} L(t)\,dt$$

$m$: 변조 깊이, $t_r = t_0 + r\,t_{\text{line}}$. 롤링 셔터에서 행마다 적분 구간의 위상이 달라 $S(r)$이 행에 따라 사인 모양으로 변한다 → 가로 띠(Banding).

적분하면 띠의 진폭은 $m\,|\mathrm{sinc}(2f\,t_{\text{exp}})|$ ($\mathrm{sinc}\,x = \sin\pi x/\pi x$)로 줄어든다. 따라서 노출 시간을 밝기 주기 $1/(2f)$의 정수배로 맞추면 모든 행이 정확히 같은 양의 빛을 받아 띠가 사라진다.

$$t_{\text{exp}} = \frac{n}{2f}\quad (n = 1,2,3,\dots)\qquad\Rightarrow\qquad 50\ \text{Hz}: 10, 20, 30\ \text{ms},\quad 60\ \text{Hz}: 8.33, 16.7, 25\ \text{ms}$$

띠의 주기(행 수)는 $1/(2f\,t_{\text{line}})$: 100 Hz, $t_{\text{line}}$=10 µs면 1000행마다 한 줄. 밝은 야외처럼 10 ms보다 짧은 노출이 필요하면 이 해법을 쓸 수 없어, 센서는 플리커 검출 후 노출을 제한하거나 ISP에서 보정한다.

SIMULATOR

조명 플리커와 롤링 셔터 띠

조명

노출 시간 행 시간 t_line 변조 깊이 m 연속 프레임(30 fps) 재생

밝기 변화 주파수—

띠 주기—

띠 대비—

가까운 무플리커 노출—

위 왼쪽: 흰 벽을 찍은 영상(3000행). 위 오른쪽: 행별 평균 밝기. 아래: 조명 밝기 파형과 세 행(맨 위·가운데·맨 아래)의 노출 구간. 해볼 것: 50 Hz에서 노출을 10 ms로 맞추면 띠가 사라진다. 그 상태에서 60 Hz로 바꾸면? 30 fps 영상에서는 프레임 주기와 조명 주기가 맞지 않아 띠가 위아래로 흐른다.

LED 플리커와 자동차

신호등·차량 LED는 수백 Hz PWM으로 켜진다. 노출이 짧은 HDR 프레임이 LED의 꺼진 구간에 걸리면 신호등이 꺼진 것처럼 찍힌다. 자동차 센서는 이 LFM(LED Flicker Mitigation)을 위해 PWM 주기(예: 90 Hz → 11 ms)보다 긴 노출을 유지하면서도 포화되지 않도록 분할 픽셀이나 LOFIC을 쓴다.

다이내믹 레인지와 HDR의 필요성

센서가 한 장에 담을 수 있는 밝기 범위, 즉 다이내믹 레인지(Dynamic Range, DR)는 가장 큰 신호(풀웰 용량)와 가장 작은 구분 가능한 신호(읽기 노이즈 바닥)의 비다.

$$\mathrm{DR} = 20\log_{10}\frac{N_{\text{FWC}}}{\sigma_{\text{read}}}\ \text{[dB]},\qquad 1\ \text{stop} = 20\log_{10}2 = 6.02\ \text{dB}$$

예: 풀웰 6000 e⁻, 읽기 노이즈 2 e⁻ → 69.5 dB ≈ 11.5 stop. 1 µm급 모바일 픽셀은 60~72 dB가 일반적이다.

그런데 실제 장면은 훨씬 넓다. 햇빛 드는 창밖 하늘은 수천~수만 cd/m², 같은 방 안 그늘진 구석은 1 cd/m² 안팎이어서 한 프레임 안의 휘도 차가 10⁵(100 dB)를 쉽게 넘는다. 터널 출구, 역광 인물, 야간 헤드라이트는 120 dB(10⁶ : 1, 20 stop)에 이른다. 센서 DR보다 넓은 부분은 밝은 쪽이 포화(Clipping)되거나 어두운 쪽이 노이즈에 묻힌다. 이를 해결하는 기술이 HDR(High Dynamic Range)이다.

그림 8-4. 장면 휘도 범위(보라)와 센서 한 번 노출이 담는 범위(파랑). 노출을 조절하면 파란 창을 좌우로 옮길 수 있을 뿐 넓힐 수는 없다.

HDR 방식들

DR을 넓히는 길은 둘이다. 밝은 쪽의 포화를 늦추거나(더 많은 전하를 담거나 감도를 낮춘 채널), 어두운 쪽 노이즈를 낮추는 것. 실제 HDR 센서는 서로 다른 감도의 신호를 두 개 이상 얻어 합친다. 감도 비가 $R$이면 확장된 DR은 대략

$$\mathrm{DR}_{\text{HDR}} \approx \mathrm{DR}_{\text{single}} + 20\log_{10}R$$

예: 70 dB 센서에 노출비 16을 쓰면 +24 dB → 약 94 dB. 대신 전환점에서 SNR이 $\sqrt{R}$배(=12 dB) 떨어지는 'SNR 딥'이 생긴다.

시간 분할: 다중 노출 합성

순차 프레임 방식은 긴 노출 프레임과 짧은 노출 프레임을 번갈아 찍어 합친다. 가장 간단하지만 두 프레임 사이 시간 차(한 프레임 주기, 수십 ms)가 커서 움직이는 물체에 고스트가 심하다. 스태거드 HDR(Staggered HDR, Sony 명칭 DOL: Digital Overlap)은 한 프레임 안에서 긴 노출 행과 짧은 노출 행을 교대로(Line-Interleaved) 읽어, 두 노출 사이 간격을 수 ms 이하로 줄인다.

그림 8-5. 순차 프레임 HDR(왼쪽)은 Long·Short 사이 시간 차가 한 프레임이지만, DOL(오른쪽)은 Long 읽기 선 바로 뒤를 Short 읽기 선이 따라가며 한 행 단위로 번갈아 출력한다.

공간·회로 분할: 한 번의 노출로 두 감도

DCG(Dual Conversion Gain, 이중 변환 이득): FD에 스위치로 추가 커패시터 $C_{\text{DCG}}$를 붙였다 뗐다 한다. 작은 FD(고변환이득 HCG, 예: 150 µV/e⁻)로 어두운 부분을 낮은 노이즈로 읽고, 커패시터를 붙인 큰 FD(저변환이득 LCG)로 같은 전하를 포화 없이 한 번 더 읽는다. 같은 노출 시간·같은 전하이므로 모션 아티팩트가 없다. 단 DR 확장은 PD 풀웰 한계를 넘지 못한다.
분할 픽셀(Split Pixel): 한 픽셀 안에 큰 PD(고감도)와 작은 PD(저감도)를 둔다. 감도 비가 10~100배이므로 동시에 노출하면서 밝은 쪽을 작은 PD가 담당한다. 자동차 LFM에 특히 유리하다.
LOFIC(Lateral Overflow Integration Capacitor): PD가 넘치면 전하가 옆의 큰 커패시터로 흘러넘쳐(Overflow) 쌓인다. 넘치지 않은 전하는 HCG로, 넘친 전하는 커패시터와 합쳐 LCG로 읽는다. 단일 노출로 120 dB 이상도 가능하다.

그림 8-6. 단일 노출 HDR 픽셀. DCG는 FD 용량을, 분할 픽셀은 감도를, LOFIC은 전하 저장 용량을 두 갈래로 나눈다.

방식	원리	DR 확장	모션 아티팩트	단점
순차 다중 노출	프레임마다 노출 바꿈	큼 (노출비로 조절)	심함	프레임률 저하, 고스트
스태거드 / DOL	한 프레임 안에서 행 교대	큼 (노출비 ~16~64)	작음 (ms 간격)	라인 메모리, 짧은 노출 SNR·LED 플리커
DCG	FD 용량 전환, 두 번 읽기	중간 (+12~18 dB)	없음	PD 풀웰 한계, 읽기 시간 증가
분할 픽셀	큰/작은 PD	큼 (+20~40 dB)	거의 없음	작은 PD 노이즈·감도 비 보정, 픽셀 복잡
LOFIC	오버플로 커패시터	매우 큼 (120 dB+)	없음	커패시터 면적, 암전류·kTC

HDR 합성과 톤 매핑

긴 노출 신호 $S_L$(시간 $t_L$)과 짧은 노출 신호 $S_S$(시간 $t_S = t_L/R$)를 얻었다고 하자. 각 신호를 노출 시간으로 나누면 같은 물리량, 즉 장면 조도(Radiance)의 추정치가 된다. 포화된 값은 버리고, 남은 추정치를 신뢰도로 가중 평균하면 HDR 방사 휘도 맵(Radiance Map)을 얻는다.

$$\hat E(x) = \frac{\sum_i w_i(x)\,S_i(x)/t_i}{\sum_i w_i(x)},\qquad w_i \propto t_i\cdot h\!\left(\frac{S_i}{N_{\text{FWC}}}\right)$$

$h$는 포화 근처에서 0으로 떨어지는 모자(Hat) 함수. 샷 노이즈 한계에서 추정치의 분산은 $E/t_i$이므로 역분산 가중은 $t_i$에 비례한다 — 긴 노출을 쓸 수 있는 곳에서는 긴 노출을 믿는다.

합성된 방사 휘도 맵은 10⁵ : 1의 범위를 가지지만 모니터는 약 1000 : 1, 8비트 sRGB는 그보다 좁다. 넓은 범위를 좁은 표시 범위로 압축하는 과정이 톤 매핑(Tone Mapping)이다. 가장 유명한 전역 연산자인 Reinhard 톤 매핑은

$$L_m = \frac{a}{\bar L_w}\,L_w,\qquad \bar L_w = \exp\!\Big(\frac1N\sum\ln(\delta + L_w)\Big),\qquad L_d = \frac{L_m\,(1+L_m/L_{\text{white}}^2)}{1+L_m}$$

$a$(키, 보통 0.18)는 장면의 평균 밝기를 중간 회색에 맞추고, $L/(1+L)$ 형태가 어두운 곳은 거의 선형으로, 밝은 곳은 부드럽게 압축한다. 실제 ISP는 영역별로 다른 곡선을 쓰는 로컬 톤 매핑을 함께 쓴다.

SIMULATOR

HDR 합성: 긴 노출 + 짧은 노출 → 방사 휘도 → 톤 매핑

노출비 R = t_L / t_S 긴 노출 감도

합성 방식

톤 매핑

짧은 노출을 ×R 밝게 보기 두 노출 사이 공이 움직임 공 이동량

장면 DR—

단일 노출 DR—

합성 DR—

긴 노출 포화 화소—

전환점 SNR 딥—

센서 가정: 풀웰 10,000 e⁻, 읽기 노이즈 3 e⁻(단일 노출 DR 70.5 dB). 위 네 패널: 긴 노출(창밖 포화), 짧은 노출(그늘 노이즈), 합성 방사 휘도(로그 의사색), 톤 매핑 결과. 가운데 그래프: 장면 휘도에 대한 두 노출의 전자 수(전달 곡선). 아래 그래프: 톤 곡선. 해볼 것: R=1이면 합성해도 창밖이 살아나지 않는다. R을 키울수록 창밖이 살아나지만 전환점의 SNR 딥이 깊어진다. '임계값 전환'은 전환 경계에 노이즈 차이로 된 윤곽이 생긴다.

모션 아티팩트: 고스트

다중 노출 HDR의 가장 큰 약점은 두 노출이 다른 시각에 찍힌다는 점이다. 그 사이 물체가 움직이면, 합성기는 어떤 영역에서는 긴 노출을, 인접 영역에서는 짧은 노출을 가져오므로 물체가 두 곳에 반투명하게 겹치거나 윤곽이 끊긴다. 이것이 고스트(Ghost Artifact)다. 위 시뮬레이터에서 '두 노출 사이 공이 움직임'을 켜면, 밝은 창을 배경으로 한 곳에서 공이 짧은 노출 위치에 나타나고 실내 쪽에서는 긴 노출 위치에 나타나는 것을 볼 수 있다.

그림 8-7. 고스트의 원리. 포화 여부로 노출을 고르는 합성은 움직이는 물체에서 두 시각의 영상을 이어 붙인다.

대책은 센서 단과 알고리즘 단 양쪽에 있다.

시간 간격 줄이기: 순차 프레임 → DOL(수 ms) → DCG·분할 픽셀·LOFIC(동시). 단일 노출 HDR은 원리적으로 고스트가 없다.
디고스팅(Deghosting): 두 노출을 밝기 정규화 후 비교해 움직임 영역을 검출하고, 그 영역은 한 노출(보통 짧은 노출이나 기준 프레임)만 사용한다. 정렬(Alignment)·광류(Optical Flow)로 보정하기도 한다.
짧은 노출을 기준으로: 스마트폰 야간·HDR 모드는 짧은 노출 여러 장을 정렬·누적해 노이즈를 줄이는 '버스트' 방식(예: 같은 노출 N장 평균 → SNR $\sqrt N$배)으로 고스트와 블러를 함께 줄인다.

노출 사이 간격과 고스트 크기

상면에서 1000 픽셀/s로 움직이는 물체라면, 순차 프레임(33 ms 간격)은 33픽셀, DOL(예: 2 ms 간격)은 2픽셀의 어긋남을 만든다. DOL이 스마트폰 영상 HDR의 주력이 된 이유다.

핵심 정리

전자 셔터의 노출은 PD 리셋이 끝날 때부터 읽기 전송이 끝날 때까지다. 셔터 막이 아니라 픽셀 타이밍이 노출을 정한다.
롤링 셔터는 행마다 $t_{\text{line}}$씩 늦게 노출한다. 판독 시간 $T = N_{\text{row}} t_{\text{line}}$ 동안의 움직임이 스큐·젤로·프로펠러 왜곡을 만든다.
글로벌 셔터는 모든 픽셀을 동시에 노출하고 차광된 메모리 노드에 보관한 뒤 순차로 읽는다. 대가는 PLS, 노이즈, 큰 픽셀 피치다.
AC 조명은 2f(100/120 Hz)로 깜박이며, 롤링 셔터에서는 가로 띠가 된다. 노출을 $n/(2f)$로 맞추면 사라진다.
DR = 20 log(FWC/읽기 노이즈). 단일 노출 ~70 dB로는 100~120 dB 장면을 담지 못한다.
HDR: 순차·DOL 다중 노출(노출비 R로 +20 log R dB), DCG, 분할 픽셀, LOFIC(단일 노출, 모션 아티팩트 없음).
합성은 노출 시간으로 정규화한 추정치를 포화 제외·역분산 가중으로 평균하고, 톤 매핑(예: Reinhard)으로 표시 범위에 압축한다. 전환점에는 $\sqrt R$배 SNR 딥이 생긴다.
다중 노출의 시간 차는 고스트를 만든다. 간격 단축(DOL), 단일 노출 HDR 픽셀, 디고스팅 알고리즘으로 대응한다.

확인 퀴즈

Q1. 행 수 2000, 행 시간 15 µs인 롤링 셔터 센서의 판독 시간은?

$T = 2000 \times 15\ \mu s = 30$ ms. 판독 시간은 노출 시간과 무관하며, 첫 행과 마지막 행의 노출 시작 시각 차이다.

Q2. 50 Hz 전원 지역의 형광등 아래에서 롤링 셔터 띠를 없애는 노출 시간은?

밝기는 전원 주파수의 두 배인 100 Hz로 변하므로 주기 10 ms의 정수배로 노출하면 모든 행의 적분량이 같아진다. 8.33 ms는 60 Hz 지역의 값이다. 짧은 노출은 오히려 띠 대비를 최대로 만든다.

Q3. 글로벌 셔터 픽셀의 '기생 광감도(PLS)'가 문제가 되는 이유는?

GS는 노출이 끝난 전하를 차광된 메모리 노드에 보관하는데, 아래 행일수록 오래 기다린다. 그동안 스며드는 빛·확산 전하가 오차가 되며, 밝은 물체가 움직이면 번짐으로 나타난다.

Q4. 풀웰 8000 e⁻, 읽기 노이즈 2 e⁻ 센서로 노출비 R = 32의 2중 노출 HDR을 만들면 확장 DR은 대략?

단일 DR = 20 log(8000/2) = 72 dB, 확장 = 20 log 32 = 30 dB → 약 102 dB. 전환점에서 SNR은 $\sqrt{32}\approx5.7$배(15 dB) 떨어진다.

Q5. 움직이는 장면에서 고스트가 원리적으로 가장 적은 HDR 방식은?

DCG와 LOFIC은 같은 노출 시간에 모인 같은 전하를 두 가지 이득(또는 용량)으로 읽으므로 두 신호 사이 시간 차가 없다. DOL은 간격이 짧을 뿐 0은 아니다.

항목	롤링 셔터	글로벌 셔터
행 간 시간 차	\(t_{\text{line}}\)씩 누적 (수~수십 ms)	없음
픽셀 트랜지스터	4T (공유 시 1.5~2T/픽셀)	5T~8T + 메모리
최소 피치(상용)	~0.56 µm	~2.2 µm (적층 DPS는 더 작게)
읽기 노이즈	~1~2 e⁻	~2~5 e⁻ (구조에 따라)
주 용도	스마트폰, 카메라	머신 비전, 차량 DMS, AR/VR 트래킹, 바코드