목차
획득과 표현(Acquisition & Representation)
1. 사람의 눈과 카메라
| 사람의 눈 | 카메라/이미지 파이프라인 | 비고 |
|---|---|---|
| 수정체(Lens) | 렌즈군(Lens) | 굴절률·초점거리 $f$로 원근투영 $x=\tfrac{fX}{Z},y=\tfrac{fY}{Z}$ 실현 |
| 홍채(Iris) | 조리개(Aperture, f-number $N=f/D$) | 개구 지름 (D)로 노출·심도 제어 |
| 동공(Pupil) | 유효 구경(Entrance Pupil) | 광량 제어(조리개와 동일하게 동작) |
| 망막(Retina: 막대/원추) | CCD/CMOS 센서 + CFA(베이어) | 광자→전자 변환(포토다이오드), 색 필터배열로 RGB 분리 |
| 시신경·피질 전처리 | ISP(디모자이킹, 노이즈 억제, 색보정, 화밸, 감마/톤매핑, 샤프닝) | 눈은 생물학적 적응, 카메라는 명시적 알고리즘 |
2. A Photon’s Life Choices
- Absorption(흡수)
- 매질 내부에서 광자 소멸
- Diffuse Reflection(난반사)
- 거친 표면에서 무작위 산란 → 방향 독립에 가까운 반사
- Specular Reflection(정반사)
- 매끄러운 계면에서 거울같이 반사(뷰 의존)
- Transparency(투사)
- 흡수·산란 거의 없음 → 선명 투과
- Refraction(굴절)
- 굴절률(밀도) 차이로 진행 방향 변화
- Fluorescence(형광)
- 흡수 직후 장파장 재방출(나노–마이크로초)
- Subsurface Scattering(표면하 산란, SSS)
- 표면 아래 들어가 다중 산란 후 다른 지점에서 출사
- Phosphorescence(인광)
- 삼중항 전이로 지연 방출(ms–시간)
- Interreflection(상호반사)
- 표면 간 다중 반사로 색·광량 교환
3. Image Formation
- 요소 사슬: 광원 → 표면 형상·방향 → 표면 반사특성 → 광학계 → 센서(Exposure 포함). 이들이 합쳐져 영상이 형성된다.
- 기본 방사측정 관계: 영상면 조사조도 $E$는 장면 복사휘도 $L$에 선형이며, 렌즈 구경(면적) 에 비례, 렌즈–영상면 거리의 제곱에 반비례, 시선각 증가에 따라 감소 한다.
- \[E = \big[\frac{\pi}{4}(\frac {d}{f})^2 \cos ^4 \alpha \big]L\]
4. From Light Rays to Pixel Values
- 카메라 응답함수(CRF): 조사조도/노출량 → 픽셀값으로의 비선형 매핑. 재질 추정·HDR 복원에서 중요
5. 투영 모델과 좌표 사상
- 핀홀 카메라와 3차원 → 2차원 투영
- 원근 투영식: Optical center 기준
- \[3D (P(X,Y,Z)) → 2D (P'(x,y))\]
-
\[x=f \frac{X}{Z},\quad y= f \frac{Y}{Z}\]
- $f$(렌즈~상까지의 거리)가 $Z$(상~물체까지의 거리)와 같다면 3차원 크기 그대로 유지
- 수직적 거리의 평행성 유지 X, 수평적 거리의 평행성 유지 O
- 2D 차원에서는 소실점을 통해 간접적으로 거리감을 느낌
- 행렬 체인: World→Camera(4×4) → Perspective(3×4) → Pixel(3×3). 구현 시 이 순서로 곱해 한 번에 사상.
6. 디지털 표현(Representation)
- 샘플링·양자화
- 센서 신호(연속)를 ADC가 0–255(8-bit) 정수값으로 변환해 그레이스케일 영상(컬러는 채널별 변환) 구성.
- 2차원 영상 공간을 $M \times N$ (해상도)으로 샘플링
- 명암을 L 단계로 양자화(L을 명암 단계라 부름, 즉 명암은
[0, L-1]사이 분포)
- 영상 좌표계
- 화소 위치는 $x = (i, j)$로 표기
- 영상은 $f(x)$ 또는 $f(i, j)$, $0 ≤ i ≤ M-1$, $0 ≤ j ≤ N-1$로 표기
- 컬러 영상은 $fr(x)$, $fg(x)$, $fb(x)$의 세 채널로 구성
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