아날로그 세상에 존재하는 광자를 어떻게 디지털화할 수 있을까. 디지털카메라의 이미지 센서에서는 ‘광자의 개수' 를 센다고 했는데, 그렇다면 그 ‘개수' 를 세는 기준이 무엇일까라는 질문이 광자를 어떻게 디지털화할 수 있을까에 대한 답이 된다 (참고1). 광자의 개수를 세는 기준에 대한 내부 메커니즘은 매우 복잡하지만 사람들은 이를 Gain 이라는 하나의 파라미터로 표현하기로 한다. Gain 이 높다는 것은 빛을 더 민감하게 인식하겠다는 것이고, Gain 이 낮다는 것은 빛을 더 둔감하게 인식하겠다는 것이다.
Gain 은 analog gain 과 digital gain 으로 나누어볼 수 있다. 빛과 같은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 ADC (Analog to Digital Converter) 는 analog gain 에 따라 광자의 개수를 세어주는 핵심적인 역할을 한다 (참고2). ADC 는 다양한 요소들을 고려하여 현재 센서에 부딪치는 빛을 적절하게 0~1 사이의 실수값으로 변환한다 (참고3). 이때 ADC 는 전반적으로 빛이 많은 상황에서는 빛을 조금 둔감하게 받아들이고, 빛이 적은 상황에서는 빛을 보다 민감하게 받아들일 수 있도록 하는데, 이를 analog gain 을 조절한다고 말한다. 반면 Digital gain 은 ADC 를 통해 변환된 실수값에 단순히 n 배를 취하는 방식으로 민감도에 영향을 미친다. ADC 를 통해 [0.3, 0.4, 0.1] 의 값이 들어왔다면 산술연산을 통해 [0.6, 0.8, 0.2] 따위의 값으로 바꾸어줌으로써 빛을 더욱 민감하게 인식하도록 하는 것이다 (참고3).
빛을 더욱 민감하게 받아들여야 하는 상황에서, analog gain 에 비해 digital gain 만을 조절해서 gain 을 증가시키도록 만든다면 값이 증폭되기 때문에 해상도가 떨어지고 노이즈가 많이 발생하게 된다는 특징이 있다 (참고3,4).
참고