Shutter
1. 소개
셔터는 빛을 정해진 시간 동안 빛이 지나가도록 만들어 주는 장치이며, 카메라에서 필름이나 촬상소자를 빛에 노출시켜 영구적인 화상을 얻을 수 있게 하는 노출에 관여하는 아주 중요한 기구이다. 또한, 영사기 등의 장치에서 빛을 외부로 투과시킬 때에 사용되는 장치를 칭하기도 한다.카메라에서 셔터는 다양한 위치에 있을 수 있다. 소비자용으로 판매되는 카메라에는 주로 렌즈의 중앙이나 필름면 가까이에 셔터가 위치하지만, 렌즈 앞에 달리거나 혹은 렌즈 바로 뒤에 달린 셔터도 존재한다.
셔터의 종류를 막론하고, 20세기 후반부터 대부분의 카메라에는 전자식으로 제어되는 정교한 셔터를 사용하게 되었다. 기계의 제어를 전자식으로 조절하는 것이지, 전자셔터는 아니다. 메커니즘에 관계 없이 셔터의 역할은 일정한 시간 동안 촬상면에 빛이 쪼이도록 하는 것이며, 셔터 속도와 조리개값의 조합은 필름/센서의 감도값과 함께 노출에 영향을 미치는 세 가지 요소이다.
2. 기계식 셔터
사진속 장치는 포컬 플레인 셔터. 렌즈교환식 카메라에서 가장 일반적인 셔터로, 부품 자체의 모습을 확인하기 가장 쉬운 셔터의 종류이다. DSLR 카메라에서는 바디 마운트 부분의 미러를 위로 들면 뒤에 숨어 있는 셔터막을 볼 수 있다. 미러를 청소하고 싶다면 내부에 손가락을 넣어 고의로 들어올리지 말고 미러락업 기능을 이용해서 고정시켜 주자. 혹시 사진을 찍었을 때, 먼지가 보인다면 이 곳을 청소해야 한다. SLR 필름 카메라에서도 동일하지만 더 간단하게 그냥 필름 삽입부를 열면 바로 보인다(...)
기계적인 장치로써, 일정 시간 동안 빛을 통과시키고 차단시키면 되는 도구이기 때문에 다양한 재료, 다양한 형태로 제작된다.
2.1. 포컬 플레인 셔터
초점면 근처, 즉 필름/센서 바로 앞에 위치하여 Focal Plane Shutter라는 이름이 붙게 되었다. SLR, RF, DSLR과 미러리스 카메라 등에 주로 사용된다. 두 개의 막으로 구성되어, 선막이 먼저 내려가서 촬상면을 개방하고 후막이 뒤따라 내려와 촬상면을 가리는 방식. 한글로 말해도 알아먹기 힘드니 영상을 보자.포컬 플레인 셔터의 선막과 후막은 노출 시간에 상관없이 한 방향으로 일정한 속도로 움직이며, 선막의 이동과 후막의 이동 사이의 간격이 곧 노출시간이 된다. 선막 및 후막이 각각 촬상면을 가로질러 움직이는 데 걸리는 시간을 X-Sync 속도, 혹은 최대 동조속도라고 부르며, 고급 기종들은 1/250~1/320s, 보급 기종들은 1/160s~1/200s 정도의 사양을 갖는다. 포컬 플레인 셔터의 메커니즘상 X-Sync 속도보다 짧은 셔터 속도를 사용할 경우 선막이 다 내려오지 않은 상태에서 후막의 움직임이 시작된다. 따라서 이런 셔터속도에서 스트로브가 한 번만 발광할 경우 사진의 일부는 셔터막에 가려 스트로보의 빛을 받지 못해 노출이 고르지 않게 된다. 따라서 동조속도 내에 맞추어 사용하거나, 고속동조(HSS, High Speed Syncronization)를 지원하는 장비를 사용해야 한다. 고속동조는 셔터막이 내려오는 동안 스트로브가 여러 번에 걸쳐 발광하여 화면 전 영역에 고르게 노출이 되게 하는 기능인데, 최대 광량이 떨어지는 단점이 있다.
포컬플레인 셔터는 리프셔터 대비 빠른 셔터속도 확보가 가능하여, 현재 존재하는 대부분의 포컬플레인 셔터를 가진 디지털 카메라는 최대 1/4000 ~ 1/8000초의 셔터스피드를 갖고 있으며, 간혹 1/16000초 까지 가능한 카메라도 있다. 리프 셔터의 경우 최대 1/2000초가 한계. 또한 카메라 바디 자체에 셔터가 있는 만큼 렌즈에 셔터를 넣을 필요가 없어 광학 설계가 리프셔터 카메라 대비 자유롭고, 렌즈 단가도 비교적 낮다는 장점이 있다.
참고로 렌즈 내부에 있어서 건드리기가 불가능한 리프 셔터와 달리 포컬 플레인 셔터는 촬상면 앞에 있는 덕분에 렌즈를 빼면 건드릴 수 있는 위치에 있어서 호기심에 건드려 보는 사람이 간혹 있는데, 포컬 플레인 셔터의 셔터막은 빠른 속도로 작동하기 위해 설계된 만큼 아주 얇은 합금이나 섬유 등으로 매우 가볍게 제작되므로 손으로 건드리면 절대 안된다.[1] 아주 약한 힘에도 셔터막이 찢어지거나 휠 수 있어 호기심에 건드렸다간 셔터박스를 통째로 갈아야 할 수도 있다.
2.2. 리프 셔터
Argus C3의 셔터부분. 3장의 퍼런 금속판으로 된 리프셔터[2]로, 이것보다 더 복잡한 리프셔터[3]도 존재한다.
렌즈 내에 위치하여 렌즈 셔터로도 부른다. 쉽게 얘기하면, 조리개와 모양이 같다. 다만 조금이라도 열려 있는 조리개와 달리, 완전히 닫힌다는 것이 다를 뿐.[4] 포컬 플레인 셔터에 비해 높은 셔터 속도[5]를 내는 것이 어렵지만 항상 전부 열려 빛을 균일하게 받기 때문에 모든 셔터 속도에서 스트로보의 동조가 가능한 장점이 있으며, 고속 동조를 사용하는 것보다 더욱 안정적이다. 애초에 HSS 기능을 쓰면 셔터가 움직일 때마다 스피드 라이트가 터뜨려야 하기 때문에 전력소비가 더 많고 불안정할 수 밖에 없다. 특히 사물이 빠르게 움직을 경우. 또한 카메라 바디 내에 셔터가 없는 경우, 리프 셔터 렌즈 외에는 쓸 수가 없다. 주로 중형 및 대형 카메라의 렌즈에 내장되며, 소형 카메라에서도 컴팩트 카메라에 자주 사용된다.
2.3. 로터리 셔터
'개각도'라는 명칭으로도 부른다. 영화 등 동영상 촬영용으로 주로 사용되었으며, 일부 스틸 카메라에도 사용되었지만 현재는 거의 사용되지 않는 방식. 아래에 설명할 '셔터 각도' 계산법으로만 그 흔적이 남아 있다.
돌아가는 디스크가 빛을 단속하는 역할을 하며, 위의 GIF에서는 디스크의 회전과 함께 필름을 끌어내리는 구조 또한 볼 수 있다. 이러한 특수한 구조로 인해 로터리 셔터가 개방된 각도를 나타내는 셔터 각도(Shutter Angle) 로 3요소를 표시하기도 하는데,[6]셔터 각도를 360°로 나눈 값은 곧 노출 시간(=통상적으로 말하는 셔터 속도)을 프레임 사이의 간격으로 나눈 값과 동일하다. 즉, 24프레임에서 셔터 각도 360°의 경우 셔터 속도로 환산하면 1/24초, 180°의 경우 1/48초가 되는 식.
참고로 동영상 촬영에서 가장 자연스러운 모션 블러를 얻을 수 있는 정석적인 셔터 각도는 180°로, 연출자의 의도가 아니라면[7] 180°를 크게 벗어나는 셔터 각도로 촬영을 진행하는 경우는 흔하지 않다.
상기했듯이 지금은 로터리 셔터를 사용하는 카메라가 거의 없지만, 셔터 각도가 동영상 업계에서 오래 사용되어 왔기 때문에 현대의 디지털 시네마 카메라에서도 프레임 당 노출 시간을 셔터 각도로 표기하는 경우가 많다. 셔터 앵글은 프레임레이트와 상호작용하므로 촬영 중 프레임레이트를 변경해도 모션 블러가 일관적으로 유지된다는 편의성도 있다. 반면 노출이 틀어지므로 이를 조리개나 감도, 조명, ND 필터 등을 통해 조정해 주어야 한다.
3. 전자식 셔터
기계적인 구조 없이 촬상소자를 전자적으로 통제하는 것으로 셔터의 효과를 낸다. 상당히 많은 디지털 카메라와 휴대폰 카메라는 전자식 셔터에 의지하고 있으며, DSLR이나 미러리스의 경우에도 일부 셔터 속도나 혹은 전체 셔터 속도에서 전자식 셔터를 이용하는 경우가 있으며, 고속연사나 1/8000s보다 짧은 노출에서 종래의 기계식 셔터에 비해 장점이 많다. 렌즈교환식의 경우, 포컬플레인 셔터의 특성 상 1/8000s보다 짧은 노출을 구현하기 몹시 어렵다. 또한 디지털 카메라로 촬영하는 동영상의 경우에도 당연히 전자식 셔터로 프레임을 끊어낸다. 이는 글로벌 셔터를 사용하는 CMOS 센서또한 똑같다는 점이다.3.1. 전자식 셔터의 작동 원리
일반적인 전자식 셔터는 CCD를 기반으로 만들어졌으므로, 이것을 기준으로 설명하자면,- 먼저 빛이 들어오면 CCD의 셀에 전하가 충전된다.
- 동기화 신호가 들어오면 전체 셀이 캡처된 다음 리프레시되어 초기화된다.
- 다시 빛을 받는다.
의 심플한 과정을 거친다. 이 때 CCD의 특정 픽셀에 전하가 과도하게 쌓이면 수직 방향으로 넘쳐 세로로 줄이 그어지게 되는데 이걸 스미어 현상이라고 부른다.
이런 줄이 생긴다.
그러한 이유로 전자식 셔터는 낮은 수준의 속도로 동영상을 촬영하는데 쓸 수도 있다. 폰카가 어두운 곳에서 촬영속도가 엄청나게 늦어지는 것을 생각해보면 된다.
전자식 셔터의 다른 용도로는 초고속 촬영인데, 대부분의 CCTV가 CCD 센서에 전자식 셔터를 사용하므로 자체적인 조리개 값이나 감도를 변경하는 대신 어느 정도의 밝기 이상에선 프레임율을 유지한 채 셔터 속도를 올려 수광량을 줄이는 식으로 적절한 노출을 유지하게 된다. 이렇게 하면 빛을 받는 시간을 짧게 하고, 대기시간을 늘린다.
일반적인 CCD의 캡처 과정에서 과도한 빛을 받은 픽셀이 있으면 스캔 도중 주변부로 전자가 넘친다. 헷갈리지 말아야 할 것이 CCD 센서의 경우 '캡처'는 전 픽셀이 한번에 이루어지지만, 캡처된 신호를 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 전송하는 '스캔'은 한 줄씩 이루어진다는 점이다. 수직으로만 넘치면 스미어 현상(Smear effect)이 되고 수평, 수직으로 모두 넘치면 블룸 현상(Bloom effect)이 된다. CMOS는 위에서 아래로 한 줄씩 대상을 캡처하기 때문에 빠르게 움직이는 물체를 촬영 시 이미지가 휘는 젤로 현상(Jello effect)이 발생한다. 한 줄이 스캔되는 동안 다른 줄은 계속 빛을 받고 있기 때문이다.
CCD의 전자식 셔터는 전체 면적 단위로 빛을 읽어들인 후 하나의 ADC에 한 줄씩 신호를 전송하기 때문에 속도가 좀 늦어진다. 그렇지만 X-sync는 확실히 보장해 줄 수 있다. CMOS의 전자식 셔터는 줄 단위로 빛을 읽어들인 즉시 각 픽셀마다 존재하는 ADC에 신호를 전송하므로 매우 높은 셔터 속도를 가진다. 얼마까지 올라가냐 묻는다면 제조사 재량에 따라 다르지만, CCTV에 들어가는 CMOS 센서는 최대 1/250,000s까지 올라간다. 물론 롤링셔터 메커니즘은 그대로이므로 빠르게 이동하는 물체는 여지없이 휘어지게 된다.
3.2. 롤링 셔터
CMOS 센서의 맨 윗줄부터 맨 아랫줄까지 차례로 빛을 읽어나가는 방식. 위에 설명된 포컬 플레인 셔터와 같은 방식이나 전자적으로 구현했다고 생각하면 된다. 따라서 동일 사진 내에서 시간 차가 발생하는 단점, 즉 롤링 셔터 아티팩트(= 젤로 현상)가 발생한다. 동영상 촬영간에 두드러지게 나타나는 현상이다. 아래 영상들을 참고하자.- 롤링 셔터 현상의 예시
- 롤링 셔터의 원인에 대해서 SmarterEveryDay가 설명한 동영상.
스틸/영상 촬영용 상용 카메라들에서 전자식 롤링 셔터의 사용이 늘어나면서 리드아웃 속도도 중요한 요소가 되었다.
리드아웃 속도 모음
3.3. 글로벌 셔터
이미지 센서에 입사하는 모든 빛을 한 번에 읽어들이는 방식. 롤링 셔터와는 달리 센서 리드아웃의 시간차가 존재하지 않으므로 젤로 현상이 발생하지 않는다. 사진기보다는 영상 장비에서 주로 찾아볼 수 있다. CCD 센서는 그 특성 상 모두 글로벌 셔터인 반면, CMOS 센서는 기본적으로 롤링 셔터이므로 글로벌 셔터 방식으로 설계할 시 단가가 높아지고 다이나믹 레인지에서도 다소 불리함이 있다. 물론 이는 기술의 발전으로 어느 정도 해결되어 가는 중이다.아이러니하게도 디지털 카메라의 센서 방식이 CCD밖에 없던 시절엔 홈비디오나 찍을 가정용 VHS, 8mm 캠코더나 지금 기준으로는 흔해빠진 저화소 똑딱이조차 당연히 글로벌 셔터였는데, CMOS 롤링 셔터가 시장에 보급된 이후 글로벌 셔터는 시네마 카메라 등의 고가 장비에서나 찾아볼 수 있는 귀하신 몸이 되어 버렸다(...). 영상 업계에선 이 문제 때문에[8] 반 농담으로 CCD 시절을 그리워하는 사람도 있을 정도. 물론 CCD가 글로벌 셔터라는 장점에도 불구하고 밀려난 데에는 이유가 있는데, CMOS가 급격히 발전하면서 리드아웃 속도를 제외한 거의 모든 면에서 CCD를 압도해 버렸기 때문이다.[9]
현재 CMOS가 태생적으로 가지는 이러한 단점은 DRAM을 적층하여 리드아웃 속도를 크게 높인 적층형 CMOS 센서를 통해 극복하고 있으며, 글로벌 셔터가 적용된 고가 장비의 가격대도 점차 내려오며 보급이 진행되는 중이다. 결국 지속된 기술 발전 끝에 소니가 CMOS 풀프레임 글로벌 셔터 센서를 탑재한 A9M3를 출시하면서 컨슈머용 사진기 시장에도 글로벌 셔터의 보급이 시작되었다. 다만 CMOS 풀프레임 센서로썬 최초로 나온 모델이라 카메라의 가격이 약 800만원으로 상당히 비싸고, 최소 iso가 250으로 늘어나면서 저조도 수광 성능도 조금 떨어지는 편.
4. 여담
이 셔터가 닫히는 모양을 본떠서 리듬 게임에서 플레이 도중 죽게 될때 '셔터가 닫혔다'는 표현을 쓰기도 한다. 해당되는 게임은 서바이벌 게이지를 사용하는 게임들. 합격점이나 합격구간을 사용하는 리듬게임엔 당연히 쓰이지 않는다. 예외도 있는데 대표적으로 IIDX는 하드 이상의 게이지 사용시, 또한 노멀 이하 게이지라도 게임을 포기할 경우 셔터가 닫힌다. 가장 먼저 셔터쾅을 도입한 리듬게임은 댄스 댄스 레볼루션이다.유비트 시리즈에서 사용하는 마커 중에서 셔터 마커가 제일 많이 쓰인다.
[1]
디지털, 필름 가릴 것 없이 SLR 카메라는 미러 뒤에 항시 셔터가 내려와 있으며, 현대의 미러리스의 일부 기종은 전원 off 시 셔터막이 내려와 먼지가 앉는 것을 막아주는 기능이 있어 셔터를 보는게 어렵지 않다.
[2]
셔터의 작은 둥근부분은 셔터날을 움직이는 부분
[3]
Prontor 셔터라던가 등등
[4]
그래서 렌즈를 통해 피사체를 보는 것이 불가능하다. 보기만을 위한 렌즈를 따로 달거나(2안 리플렉스 카메라) 아예 피사체를 보는 렌즈가 없고 구멍이나 프레임만 있다.
[5]
Carl Zeiss Jena Werra의 경우 1/750 이란 속도를 낼수 있지만, 보통 Argus C3처럼 1/300 정도로 만든다.
[6]
예시로 위의 GIF에서는 로터리 셔터가 180°만큼 개방되어 있으므로 셔터 각도는 180°가 된다.
[7]
가령 동세가 큰 장면에서 모션 블러를 줄여 시인성을 높이기 위해 90°와 같은 타이트한 셔터 앵글을 사용하는 등.
[8]
DV나
DVD 등
SD급에서 HDV와 AVCHD 등 염가형
HD급 캠코더로 넘어가던 시기가 얄궂게도 CMOS가 보급되며 CCD가 밀려나는 시기와 거의 겹친다.
소니는
3CCD인 HDR-FX1/HVR-Z1 모델을 제외하면 전부 일반인용은 CMOS, 전문가용은 3CMOS로 내기 시작했다.
파나소닉과
캐논,
JVC 등은 그나마 전문가용에선 3CCD를 오래 유지했지만 일반인용 소형 모델은 마찬가지로 CMOS로 바꿨다.
[9]
앞 각주에서 언급된, 소형 HD 캠코더가 전문가용 중형에 비해 CMOS로 빠르게 대체된 것의 이유 중 하나가 CCD의 한계 때문이다. 전문가용
ENG 카메라~중형 핸드헬드급 HD 캠코더는 최소 1/3인치급 이상 센서를 쓰기 때문에 CCD여도 성능 면에서 무리가 없지만, 소형 HD 캠코더의 1/4인치 센서부터는 무리가 생긴다. 그냥 모델 자체의 문제일 수도 있지만, 1/4인치 센서 HD 캠코더끼리 비교할 경우 12년도 3CCD AVCHD 모델이 06년도 1CMOS HDV 모델한테 성능으로 밀리는 극단적인 경우도 있다(...). 그리고 상술한 CCD에서 발생하는 스미어 현상은 촬영자에 따라 상당히 치명적일 수 있는 단점인데, CMOS는 구조상 이 현상이 절대 생기지 않는다.