천체사진과 관련된 용어 정리

<참고>

  본 게시물은 아주아주 긴 내용으로 되어 있습니다. 
  이걸 처음부터 끝까지 읽으라는 뜻은 아닙니다. 일단 제가 정리하려고 쓴 것도 있고, 
  여러분이 필요할 때 찾아 보시도록 적은 것입니다. 
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  모든 용어는 가나다순과 알파벳 순으로 정리되어 있습니다.






천체관측 관련용어 


시간각 : 남중 자오선에서 천체가 속한 시간권까지 천구의 적도를 따라 시계방향으로 잰 각을 말한다. 항성시를 구할 때 주로 사용하며, 남중한 별의 시간각은 0시이다. 



 
짧은 노출로 얻은 쌍성의 이미지.
대기의 요동 때문에 두 별이 여러개의 반점(speckle)들로 흩어져 보인다

대기의 흔들림 때문에 달 표면 이미지가 영향을 받는 모습

망원경을 통해 본 별의 움직임
반점들이 시간에 따라 움직이는 것이 보인다



시상 (seeing) : 천문 시정도라고 하며, 지구 대기의 흔들림 때문에 천체가 흐릿하게 보이거나 깜빡이거나 일렁이는 것처럼 보이는 현상을 일컫는 말이다. 보통 대상의 이미지(seeing disk)의 지름(FWHM)을 각초(arcsecond)의 단위로 측정한다. "시상이 좋지 않다"는 말은 "별의 이미지가 크게 보인다"는 뜻이다. 




적도좌표계 : 망원경을 통한 천체관측에서 사용되는 좌표체계이다. 우리가 지구의 적도를 가르는 평면에 서 있다고 했을때 이를 기준으로 대상이 어디에 있는지를 설명한다. 흔히 적위와 적경, 그리고 시간각이 있다.


적경 (Right ascension) : 천구의 춘분점에서 천구의 적도를 따라 천체까지 반시계 방향으로 측정한 시간각이다.


적위 (Declination) : 적도평면(0도)에서 천체까지 수직으로 측정한 각도이다. 지구를 적도평면으로 나누어 보았을때 북극은 +90°, 남반구의 남극은 -90°가 된다.


보틀 등급(Bortle scale) : 밤하늘 밝기를 9단계로 구분한 등급이다. 2001년 2월 Sky & Telescope 매거진에 존 E 보틀이 이 등급을 처음 만들어 올렸다. 아직도 일반적으로 많이 쓰이기는 하나 간 등급간의 차이에 대해 애매함이 있어 논란의 여지가 있다. 최근에는 안시 한계등급(Naked-Eye Limiting Magnitude, NELM)이 쓰이기도 한다.
ClassTitleNELMApprox.
SQM[3]
mag/arcsec2
DescriptionColor
1Excellent
dark-sky site
7.6–8.021.7–22.0Black
2Typical truly
dark site
7.1–7.521.5–21.7
  • the zodiacal light is distinctly yellowish and bright enough to cast shadows at dusk and dawn
  • airglow may be weakly visible near horizon
  • clouds are only visible as dark holes against the sky
  • surroundings are barely visible silhouetted against the sky
  • the summer Milky Way is highly structured
  • many Messier objects and globular clusters are naked-eye objects
  • M33 is easily seen with naked eye
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 16.5
Gray
3Rural sky6.6–7.021.3–21.5
  • the zodiacal light is striking in spring and autumn, and color is still visible
  • some light pollution evident at the horizon
  • clouds are illuminated near the horizon, dark overhead
  • nearer surroundings are vaguely visible
  • the summer Milky Way still appears complex
  • M15M4M5, and M22 are naked-eye objects
  • M33 is easily visible with averted vision
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 16
Blue
4Rural/suburban
transition
6.1–6.520.4–21.3
  • the zodiacal light is still visible, but does not extend halfway to the zenith at dusk or dawn
  • light pollution domes visible in several directions
  • clouds are illuminated in the directions of the light sources, dark overhead
  • surroundings are clearly visible, even at a distance
  • the Milky Way well above the horizon is still impressive, but lacks detail
  • M33 is a difficult averted vision object, only visible when high in the sky
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 15.5
Green/Yellow
5Suburban sky5.6–6.019.1–20.4
  • only hints of zodiacal light are seen on the best nights in autumn and spring
  • light pollution is visible in most, if not all, directions
  • clouds are noticeably brighter than the sky
  • the Milky Way is very weak or invisible near the horizon, and looks washed out overhead
  • when it is half moon (first/last quarter) in a dark location the sky appears like this, but with the difference that the sky appears dark blue
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 15
Orange
6Bright
suburban sky
5.1–5.518.0–19.1
  • the zodiacal light is invisible
  • light pollution makes the sky within 35° of the horizon glow grayish white
  • clouds anywhere in the sky appear fairly bright
  • even high clouds (cirrus) appear brighter than the sky background
  • surroundings are easily visible
  • the Milky Way is only visible near the zenith
  • M33 is not visible, M31 is modestly apparent
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 14.5
Red
7Suburban/urban
transition
4.6–5.0
  • light pollution makes the entire sky light gray
  • strong light sources are evident in all directions
  • clouds are brightly lit
  • the Milky Way is nearly or totally invisible
  • M31 and M44 may be glimpsed, but with no detail
  • through a telescope, the brightest Messier objects are pale ghosts of their true selves
  • when it is full moon in a dark location the sky appears like this, but with the difference that the sky appears blue
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 14
Red
8City sky4.1–4.5<18.0
  • the sky is light gray or orange – one can easily read
  • stars forming familiar constellation patterns may be weak or invisible
  • M31 and M44 are barely glimpsed by an experienced observer on good nights
  • even with a telescope, only bright Messier objects can be detected
  • limiting magnitude with 12.5" reflector is 13
White
9Inner-city sky4.0
  • The sky is brilliantly lit
  • many stars forming constellations are invisible and many fainter constellations are invisible
  • aside from the Pleiades, no Messier object is visible to the naked eye
  • the only objects to observe are the Moon, the planets, and a few of the brightest star clusters
White


Offset (오프셋) : 천체사진 용어와 다르다.




천체사진 관련용어


셔터 (Shutter) : 일반 DSLR과 마찬가지로 천체사진용 카메라도 셔터가 있다. 천체사진용 카메라는 크게 두 가지 셔터를 제공하는데 하나는 기계식 셔터(Mechanical shutter)이고 다른 하나는 전자식 셔터(Electronic shutter)이다. 이 용도에 대해서는 모두 알 것이므로 생략하고, 전자식 셔터의 두 가지 종류에 대해 설명한다. 일부 고가의 제품에서는 기계식 셔터도 제공한다고 하나 충분한 정보를 찾을 수 없었다.

셔터의 종류에 따른 촬영의 시간적 차이

셔터에 따른 영상의 차이

전자식 셔터는 글로벌 셔터(Global shutter)와 롤링 셔터(Rolling 셔터)가 존재한다. 글로벌 셔터는 센서의 모든 픽셀이 동시에 노출을 하고 동시에 종료하는 것을 말한다. 물론 데이타의 전송에 있어서는 시간적인 차이가 발생하나 일단 촬영 순간은 모두 동일하므로 일종의 정지영상을 찍을 수 있다. 반면에 롤링 셔터는 센서의 특정 방향을 따라 순차적으로 노출과 중단이 발생하는 셔터를 말한다. 기술적으로 좀 더 용이하기에 이 방법을 많이 사용하나 센서의 행이나 열로 노출의 시간적 차이가 발생하므로 영상의 왜곡이 일어난다. 


파포칼(Parfocal) : “동 초점” 이라는 뜻으로 튜브 렌즈 및 대물렌즈의 배율이 변경(W.D 변경) 되더라도 포커스가 맺히는 거리가 같다는 뜻. 쉽게 생각해 필터를 바꿔도 포커스를 조절해주필 필요가 없는 상황을 생각하면 됨. 


ADC (Analog to Digital Convertor) : 이미지 센서에 들어오는 광자(아날로그)의 양을 전자(디지탈) 신호로 변환시켜 주는 장치. ADC의 비트(ADC bit)는 ADC가 들어오는 데이타를 어느정도 수준까지 표현(변환) 해 줄 수 있는지를 뜻한다. 


ADU (Analog to Digital Unit) : ADC에 의해 포집된 광자의 양을 전자적으로 표현할 때 사용하는 단위. 빛의 세기라고 생각하면 쉽다. 일반적으로 정수로 표현되며 ADC의 종류에 따라 표현할 수 있는 범위(수의 갯수)가 달라진다. 예를 들어 8비트 ADC는 256가지 결과값을 가지며 12비트 ADC는 4,096가지, 그리고 16비트는 65,536가지 결과값을 가질 수 있다. 
실제적으로 주의할 점은, 사용하는 소프트웨어와 그 세팅에 따라 결과값이 달라진다. 


Bayer pattern (베이어 패턴) : 모자이크 패턴이라고도 부른다. OSC는 단색 이미지 센서의 앞에 RGB 색상의 필터를 얇게 코팅한 후, 그 색에 해당하는(해당 색의 필터가 달려있는) 센서의 값을 읽어들여 R/G/B를 표현한다. 


베이어 패턴의 형태


베이어 패턴이 색을 읽어들이는 방식


베이어 패턴이라는 말은 이 센서 앞에 놓인 필터의 패턴이 어떤 것인지를 말하는 용어이다. 
BGGR, GRBG, GRGB, RGGB 패턴이 있으며 어느 패턴이든 녹색이 50%, 적색이 25%, 청색이 25%를 이루는게 일반적이다. 베이어 패턴을 사용하게 되면 특정 색을 읽어들일때 빈 공간(빠진 픽셀)이 발생하게 되며 이를 보통 수학적 해석으로 추정하여 나타내게 된다.


Bit depth : 색 정밀도. 흔히 bit depth라고도 쓰며 같은 색상을 얼마나 다양하게 표현해 줄 수 있는지를 말한다. 이 값이 16bit라는 뜻은 216 즉 65,536단계로 색을 표현할 수 있다는 뜻이며 12bit라는 뜻은 212 즉 4,096단계로 색을 표현할 수 있다는 뜻이다. 결국 Bit depth가 크면 색을 더욱 자연스럽게 표현할 수 있다. 

색 정밀도에 따른 표현의 차이
(인용 위치)

통상적으로 천체사진용 디지탈 카메라는 모노크롬이므로 이 수치를 "그래디언트의 단계"라고 이해하면 쉽다. 



CIE L*a*b* (CIELAB) : 인간 시각의 길항이론에 의거해 만들어진 CIE XYZ 색 공간이라는 것을 비선형 변환하여 만들어낸 색 공간이다. 이 용어에서 L* 값은 밝기를 나타내며 L* = 0이면 검은색, L* = 100이면 흰색이다. a*은 빨강과 초록 중 어느쪽으로 치우쳤는지를 나타내며 a*이 음수이면 초록이고 양수이면 빨강/보라 쪽으로 치우친 색깔이다. b*은 노랑과 파랑을 나타내며 b*이 음수이면 파랑이며 양수이면 노랑이다. 기본적으로 RGB나 CMYK와 달리 매체에 독립적인 특징을 가진다.



CIE L*c*h* : CIE L*a*b* 색공간과 유사한 색공간. 위의 그림과 같이 나타낸다 (자세한 정보를 찾을 수 없었음)


Clipping (클리핑) : 영상영역 또는 전자기학에서의 클리핑이란, 특정 신호가 들어올 때 센서가 받아들일 수 있는 범위를 초과한 경우 센서의 한계치부터 초과한 모든 신호가 동일한 수준으로 나타내어지는 것을 말한다. 

시그널 클리핑의 가장 대표적 사례
오실로스코프의 표현범위를 넘어서
꼭지가 평평해진 상태로 보인다

예를 들자면 아주 밝은 대상을 장시간 촬영했을 때, 너무 많은 빛이 센서에 들어와 덜 밝은 대상과 아주 밝은 대상이 모두 동일한 색상(흰색)으로 표현되어 버리는 것을 말한다. 천체사진에서는 초보자가 M42 오리온 대성운을 촬영했을때 흔히 나타난다.
클리핑을 줄이기 위해서는 넓은 Dynamic Range를 갖는 것이 중요하며 이 이유로 인해 HDR촬영 또는 HDR 프로세싱이 나왔다. 


Dynamic Range (DR) : 표현할 수 있는 가장 어두운 정도와 가장 밝은 정도의 차이, 즉 명암비를 말한다. 흔히 관용도라고도 표현하나 조금 다른 용어이다. 통상적으로 EV 스톱이나 스톱이라고 쓴다. DR이 넓다거나 스톱이 많다는 것은 같은 대상을 표현할 때 훨씬 부드러운 그래디언트로 표현할 수 있다는 뜻이라고 이해하면 편하다. 


Full-Width Half Maximum (FWHM) : 가운데가 볼록한 함수(가우시안 함수)가 있을때, 최대 세기(함수에서 Y축)의 중간인 지점에서 폭(X 축)을 의미함. 



일반적으로 천체관측에서는 시상(seeing)의 결정에 사용되며 대기의 요동이 심한 날에는 이 폭이 커지게 되므로 시간에 따른 시상의 변화를 측정하는데 유용함. 또한 천체사진에서는 초점이 정확하게 맞을 수록 별상의 크기가 작아진다는 뜻이므로 FWHM이 가장 작을 때 초점이 맞았다고 판단할 수 있음. 

Dynamic Range의 예


Gain (게인) : 증폭률. 센서에 들어오는 빛의 정도(실제로는 전자적 신호)를 어느정도 증폭시키는지에 대한 용어이다. 쉽게 생각해 Gain을 올리면 어두운 상황에서 흐릿한 대상을 보다 밝게 만들 수 있다. 다만 천체사진에서 Gain을 증가시키면 Full Well Capacity가 떨어지며 Dynamic Range가 동시에 줄어들게 되어 빠른 촬영은 가능하나 회색이 없는, 흑/백으로 이루어진 사진이 되어버린다. 일부 회사에서는 심우주 천체의 촬영에서는 Gain을 증가시켜 촬영하는 것을 권하고 있으나 꼭 추천되는 방법은 아니다. 일반적인 영상 촬영에서 Gain은 가급적 0으로 두고 촬영하도록 하고 있다. Gain의 단위는 데시벨(db)이다. 


Half flux diameter (HFD) : FWHM의 단점(시상이 안좋을때 측정이 정확하지 않게 됨)을 보완하기 위해 나온 개념. 오토 포커서의 작동에 주로 이용된다. HFD는 어떤 별이 있을때 이 별의 중심을 기준으로 전체의 절반 정도 에너지(빛의 세기)를 포함하는 가상의 원으로 정의한다. 

에너지의 분포(빛의 퍼짐)을 나타내는 두 개의 원
작은 청색 범위가 HFD이며 큰 원이 HFD와 동일한 값을 가진다


쉽게 말해 어떤 별을 기준으로 사방에 빛이 균일하게 퍼진다면, 그 별의 빛 세기에 대해 절반 정도를 포함하는 직경을 HFD로 잡고 나머지 뿌옇게 퍼진 곳이 빛의 절반을 갖게 된다. 이렇게 보면 HFD가 작으면 작을 수록(HFD의 직경이 작으면 작을 수록) 빛이 퍼지지 않고 가운데 집중되어 있다는 뜻이라 초점이 잘 맞았다고 생각할 수 있다. HFD의 단위는 픽셀이다. 다시말해 사람이 계산하는게 아니다.


HSV 색공간 : 색을 표현하는 하나의 방법이자, 그 방법에 따라 색을 배치하는 방식이다. 색상(Hue), 채도(Saturation), 명도(Value)의 좌표를 써서 특정한 색을 지정한다. 비슷한 것으로 HSL(Lightness), HSI(Intensity) 등이 있다.


LRGB 촬영 : 모노크롬 카메라를 이용해 필터를 바꿔가며 촬영하는 방법을 말한다. L 필터는 Luminance 필터라고도 하는데 대상의 밝기만을 이용해 나타내는 것이고, R/G/B 필터는 흔히 합쳐 Chrominance 필터라고 하는데 대상의 색상만을 선택적으로 뽑아 나타낸 것을 말한다. 

LRGB 촬영에 사용하는 필터모음
L 필터가 색상이 있어 보이는 것은 
반사방지 코팅 때문이다

LRGB 촬영은 이미지 센서 전체를 한 가지 색상의 취득에 사용하므로 OSC에 비해 보다 선명하고 풍부한 색감을 낼 수 있다고 한다. 


Offset (오프셋) : 천체관측 용어와 다르다. 보통 Offset으로 쓰나 실제로는 bias offset 또는 ADC offset이라고 한다. 오프셋은 들어오는 신호를 전반적으로 증폭시켜 히스토그램상 표현된 영상의 영역을 우측(밝은쪽)으로 옮겨주는 역할을 한다. 오프셋의 목적은 너무나 좌편향된(온통 까맣게 되어버린) 영상을 우측으로 이동시켜 로우 시그널(low signal)의 클리핑(Clipping)을 막기 위한 기능이다. 


기억할 것은, 오프셋을 올린다고 노출시간을 늘린 것과 동일한 결과가 나오지는 않는다는 것이다. 일반적으로 제조사의 기본값에서 크게 바꾸지 않는 경우가 더 많다.


OSC (One Shot Color) : 칼라 카메라를 이용해 천체사진을 찍는 것을 말한다. 일반적인 DSLR뿐만 아니라 냉각 칼라 카메라도 포함하는 개념이다. 모노크롬 카메라를 이용한 LRGB 촬영에 대한 반대개념으로 사용한다. 


Quantum Efficiency (QE) : 양자효율. 이미지 센서나 태양광 패널과 같이 빛에 반응하는 장치에서 들어온 광자와 전환된 전자의 비를 나타내는 값이다. 이 수치가 커질수록 오차가 적어지고 이미지센서의 표현이 정확해지므로 수치가 큰 것이 도움이 된다. 다만 이 QE는 들어오는 빛의 파장에 따라 각기 다른 효율을 보여주므로 단순한 QE의 비교는 적절하지 않다. 


SNR : Signal to Noise Ratio. 신호대잡음비. 복잡한 수식을 제외하고 설명하면 노이즈(광해나 기타 요인)에 비해 신호(우리가 찍고자 하는 대상)이 얼마나 선명한가를 나타내는 수치라고 이해하면 쉽다. 

서브 프레임 수에 따른 영상의 변화 (SNR의 증가)
(출처)


천체사진에서 가장 중요한 개념으로 SNR이 높다(크다)는 것은 찍고자 하는 대상이 선명하게 나온다는 뜻이다. 통상적으로 SNR을 높이기 위해 서브 프레임 촬영을 여러장 한다. 


Sub-frame (서브 프레임) : 천체사진에서 동일한 대상을 여러장 촬영하여 합치는 경우 각각의 촬영 영상을 서브 프레임이라고 한다. 통상적으로 서브프레임의 노출시간은 '초'로 표시한다. 


Total exposure time (총 노출시간) : 촬영에 소요된 총 시간을 말하며, 서브 프레임 각각의 노출시간에 서브 프레임의 촬영 장수를 곱해 시간으로 나타낸다. 일반적으로는 총 노출시간이 긴 영상물일수록 대상이 선명하다. 



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