영화 매트릭스 카메라

DIY 라즈베리파이 카메라 만들기

https://www.raspberrypi.org/learning/getting-started-with-picamera/worksheet/

라즈베리파이 홈페이지에 워낙 잘 정리가 되어 있을뿐 아니라, 관련 자료가 많으므로 여기서는 생략하고, 단순 보드 상태가 아니 케이스를 포함하는 카메라를 만들어 보았습니다.

참고한 사이트는 adafruit이며 ( DIY WiFi Raspberry Pi Touchscreen Camera )

워낙 설명이 잘 되어 있어서 따라하기만 하면 저절로(?) 됩니다.

(2014.1.14) 처음 만들어 본것은 아래 카메라 입니다만, 케이스가 없어서 좀 없어 보입니다.

(2015.1.28) 케이스가 있는 파이 카메라가 나옵니다.

문제는 케이스를 만들려면 3D 프린터가 있어야 한다는 것입니다. 수많은 자료 조사후에 3D 프린터를 구입했습니다.

기종은 Up Plus2 입니다. 2년정도 사용하고 있는데, 대단히 만족하는 기종이며,

아쉬운것이 있다면 필라멘트가 좀 비쌉니다. 그리고 밀패된 곳에서 하면 ABS라 냄새도 나구요. 그래도 결과물이 좋으니 다 용서가 되는군요..

이걸 사용하기 위해서 기구 설계는 필수인지라 구글 SketchUp을 무려 1개월동안열심히 공부 했습니다. ㅠ.ㅜ (솔직히 이부분은 피할 수 없습니다.)

유튜브에 올라와 있는 강의만 들어도 충분합니다.

추천하는 강의는 "부지런한소"라는 분이 올린 56편의 동영상 강의 입니다. 하루에 2개정도 듣고 따라하면 1개 이내에 모두 끝낼 수 있습니다.

3D 도면은 Thingiverse 에 가면 모두 올라와 있습니다.

무료 기구 설계 툴을 만든 구굴과 무료 동상강 강의를 올려주신 "부지런한소"님

그리고 무료로 3D 파일을 올려 놓으신 분들과 함께 공유 할 수 있는 Thingiverse 에

무조건 감사드립니다.

Thingiverse 에서 "DIY WiFi Raspberry Pi Touchscreen Camera "로 검색하면 3D 프린터에서 바로 사용 가능한 STL 파일이 있습니다.

두번째 케이스인 "Touch Pi : Portable Raspberry Pi A+" 도 올라와 있습니다.

그냥 다운 받아서 3D 프린터에 넣기만 하면 동작하니 간단합니다만, STL 파일을 수정하려면 구글 SketchUp을 배울수 밖에 없습니다.

처음엔 어렵지만 지금은 잘 사용하고 있어서 만족합니다. 

문제는 이렇게 만든 케이스들은 단품으로서는 가치가 있는데, 카메라 렌즈가 고정되어 있어 셀카등은 촬영이 어렵습니다. 수정을 위해 원본 STL 파일을 직접 변경하기로 하고 설계를 시작했습니다.

Raspberry Pi camera 모듈을 라즈베리파이 HDMI 소켓에 고정할 수 있도록  카메라 마운트 수정해서 만들고, 라즈베리파이 보드 케이스도 아래 처럼 새로 만듭니다.

완성된 RPi2 보드로 만든 셀카입니다.

라즈베리파이2 보드를 사용해서 잘 동작하는 것까지는 확인 했고, 카메라 렌즈의 방향을 쉽게 바꿀수 있도록 외부로 돌출시켜 놓았습니다. 처음으로 만든 라즈베리파이 카메라중 최초(?)의 셀카 겸용 카메라입니다. ^^

하지만 고프로의 액션캠 처럼 자전거나 다른 어딘가에 고정하는데 어려움이 있고, 여러대의 카메라를 만들기에는 라즈베리파이2 보다가 비싸기도 하여, Raspberry Pi A+ 보드를 사용하여 다시 만들기로 했습니다.

기존 STL 파일을 부분적으로 변경합니다.

(기존) Raspberry Pi A+ Bottem case

(변경) Raspberry Pi A+ Bottem case

(추가) Gopro용 mount와 Knob도 설계후 3D 프린터로 전송합니다.

제작된 실물

자.. 이제 이렇게 여러대의 카메라를 만든후 카메라가 제대로 동작하는지 여러가지 Testing을 합니다.

생각보다 LCD 불량이 많네요.. ㅠ.ㅜ

Raspberry Pi Camera Module SPEC

우선 라즈베리 파이 카메라를 만들기 전에 카메라 렌즈에 대해서 정확하게 알아봐야 합니다. 그래야 추후에 응용할때, (특히, VR카메라나 3D 카메라를 만들경우) 다양한 활용이 가능 하기 때문입니다. 나름 공부해서 이해한 내용이므로 틀릴수 있음을 양해 부탁드립니다.

2016년 4월에 시판된 V2.1 Technicla Parameter를 살펴 보면 아래와 같습니다.

(상세한 내용은 http://elinux.org/Rpi_Camera_Module 을 참조 바랍니다.)

Technical Parameters (v.2 board)

• Sensor type: Sony IMX219PQ^[7] Color CMOS 8-megapixel
• Sensor size: 3.674 x 2.760 mm (1/4" format)
• Pixel Count: 3280 x 2464 (active pixels) 3296 x 2512 (total pixels)
• Pixel Size: 1.12 x 1.12 um
• Lens: f=3.04 mm, f/2.0
• Angle of View: 62.2 x 48.8 degrees
• Full-frame SLR lens equivalent: 29 mm
• Video Modes:
• 1 - 1080P30 cropped (680 pixels off left/right, 692 pixels off top/bottom), up to 30fps
• 2 - 3240x2464 Full 4:3, up to 15fps
• 3 - 3240x2464 Full 4:3, up to 15fps (identical to 2)
• 4 - 1640x1232 binned 4:3, up 40fps
• 5 - 1640x922 2x2 binned 16:9 (310 px crop T/B before binning), up to 40fps
• 6 - 720P bin+crop (360 px L/R, 512 px T/B before binning), 40..90fps (OC: 120fps)
• 7 - VGA bin+crop (1000 px L/R, 752 px T/B before binning), 40..90fps (OC: 120fps)
• Board size: 25 x 23.86 x 9mm
• Mounting Holes: 4x D=2.20 mm on 12.5 x 21.0 mm centers

References: Semi-official v.2 thread:[7] Sony IMX219 product brief:[8] Crypto chip:[9]

순서대로 확인해 보면...

(1)Sensor type : Sony IMX219PQ Color CMOS 8-megapixel

Color CMOS 8M Pixel로 사진 한장에 잡히는 화소수가 800만개라는 의미입니다. 좀 더 쉽게 생각해 보면,

우리가 흔히 알고 있는 모니터의 해상도인 Full HD 화질이 1920 * 1080 이니까 약 200만개(2M)이고 Full HD 보다 4배 화소수가 많다고 보면 될것 같습니다. 요즘 자주 나오는 4K 해상도 ( 4096 * 2160 또는 3840 * 2160)은 계산해 보면 약8.8M (8847만개) ~ 8M 라고 보면 800만 화소수는 4k의 해상도를 촬영할 수 있는 수준이라고 생각됩니다.

물론 이미지 센서에 들어가는 화소수라 모니터 해상도와는 차이가 있습니다만 의미는 같을 것 같습니다.

더 쉽게 이해한다면, 아래 비교 사진처럼 같은 사진이지만 확대 했을 경우 선명도가 다르므로 동일 모니터에서 보면 화질이 다르게 보일 것입니다.

어찌되었든, 8M 정도면 훌륭한데? 이런 생각이 든 다면 잠시 접어 두셔야 합니다.

왜냐면...

(2)Sensor Size :3.674 X 2.760 mm (1/4" format)

사실 화소수가 중요하긴 합니다만, 사진 전문가라면 같은 800만개 화소수라면 센서 사이즈가 더 큰 것을 원한다고 합니다. 이유는 센서 크기에 따라 활영할 수 있는 빛의 양을 결정하기 때문에 더욱 세부적이고 정확한 사진을 촬영할 수 있어서 입니다. (http://www.itworld.co.kr/news/89083)

아이폰7에 들어가는 센서 사이즈가 12M(1200만 화소)에 1/3인치 크기 이므로

스마트폰 센서 보다 작고, 아래 그림을 보면 쌀알(?) 보다 작다고 보면 될것 같습니다. 즉 800만 화소니까 쓸만하네!!!가 아니고, 센서 사이즈가 엄청 작군!!! 사진 Quality가 나쁘겠는걸... 이런 생각이듭니다. 면적이 10.1mm^2 정도이니 아이폰 7의 15mm^2에 비해 약 0.7배 수준입니다.

특히, 아래 그림중 가장 큰 사이즈인 1:1 format Full frame (35mm 필름)의 경우

36mm x 24mm = 85mm^2이므로 무려 85.2배나 작습니다. 즉 동일한 실력의 전문가가 촬영한다면 무려 85배나 나쁜 사진이 나올 가능성이 있는 수준이군요..

(아래 사진 그대로 표현하면 쌀알과 5백원의 가치 비교가 맞는 표현인듯합니다.)

(링크) : http://sonkarak.tistory.com/entry/디지털카메라-이미지센서CCD-CMOS크기비교

참고로 위의 사진중 35mm 필름에 표기된 붉은색선이 36mm이고 파란색이 24mm이며, 연두색선이 35mm라고 합니다. 35mm 필름이라고 하는지 이제야 알겠습니다.

(3) Pixel Count: 3280 x 2464 (active pixels) 3296 x 2512 (total pixels)

Active pixels: 3280 x 2464 = 8081920개, Total pixels: 3296 x 2512 = 8279552개로 표시한것 같은데, 굳이 Active와 Total로 나누어 표현한 이유는 잘 모르겠습니다. 중요하지 않은것 같으므로 패스...

(4) Pixel Size: 1.12 x 1.12 um

Google Pixel폰이 12.3M 픽셀, 1/2.3인치 이미지센서 크기에 픽셀 사이즈가 1.55um이므로 순수하게 픽셀 사이즈로만 보면 더 작군요. 위의 Active pixels(3280 x 1.12um, 2464 x 1.12um ) =  (3.67mm x 2.76 mm) = 10.13mm^2로  센서 사이즈와 동일하게 계산이 됩니다.

(5) Lens: f=3.04 mm, f/2.0

촛점거리(focal Length : f ) = 3.04mm의 의미는 렌즈로부터 이미지 센서의 거리를 의미합니다. 즉 상의 촛점이 센서에 맺히는 거리를 의미하며, 위에서 설명한 이미지 센서의 크기가 1/4" 로 대단히 작아서 렌즈와 거리가 가까워야 합니다. (참조 : http://cafe.naver.com/houdinistudio/4677 ) 즉, 3.04mm가 촛점 거리입니다.

아이폰7 focal length = 3.9mm이므로 약 1mm 정도 작습니다. 아이폰에서는 두개의 렌즈를 사용하는데 일반 카메라의 28mm(와이드앵글렌즈)와 56mm(tele lens) 초첨거리 효과를 내며, DSLR처럼 아웃 포커스 효과를 내는 것으로 알고 있습니다.

(어떻게 그런 효과가 나는지는 공부해봐야 겠습니다.)

Focal Length(촛점거리)는 나중에 open cv로 카메라 캘리브레이션(Camera Calibration)을 이해 하는데 필요하므로 잘 기억해 두고 있습니다.(참조: 다크 프로그래머)

f/2.0은 Focal Ratio = Focal Length / Lens Aperture의 의미 입니다. f값이 작은 것은 빛의 양이 많아 상이 밝아서 촬영 노출 시간을 줄일수 있다고 되어있다. (http://blog.naver.com/ronation/220134251526)

역으로 환산해서 계산해 보면, 2(Focal Ratio)= 3.04mm / Lens Aperture 이므로

Lens Aperture = 1.52mm로 기존의 5MP 렌즈 diameter = 1.25mm 보다 다소 커진것을 의미합니다. ( 5MP 렌즈:Focal Length 3.6mm / Lens Aperture 1.25 mm = f/2.9) 

참고로 아이폰7이 F/1.9라고 되어 있으니 거의 스마트폰 사이즈이군요

(6) Angle of View: 62.2 x 48.8 degrees

8MP 렌즈의 화각(Angle 0f view)이 62.2도(Horizental Angle of View)이고 48.8도(Vertical Angle of View)입니다. 이는 화면을 4.3 aspect ratio(종횡비)로 놓았을때의 기준이며, 이전 5MP 렌즈는 54도(Horizental Angle of View), 41도(Vertical Angle of View)이고 대각선 화각(Digonal FOV)은 65도 이므로 화각이 8도 정도 커진것을 알 수 있습니다.  (참고 : http://www.truetex.com/raspberrypi )

중요한 것은 Full HD급 동영상을 촬영할 때는 사진 보다 화각이 줄어 듭니다.

이유는  "8MP 센서는 binning을 통해 1080p의 해상도가 나오지 않음으로서 센서에서 1:1로 픽셀을 뽑아온다. 그러므로 화각이 줄어든다." 입니다. 상세한 것은  링크를 참조바랍니다. 감광도를 높이기 위해 아래 처럼 3*3이든 2*2든 binning시 화소수가 부족하여 1:1로 뽑아와서 그렇게 된다고 합니다.

<겔럭시 S2의 사례 적용 참조 - 2011.9.2 작성 - 위의 링크 >

따라서, 아래 왠쪽 그림처럼 녹색부분은 사진 촬영시 화각이 되고 동영상 촬영시 화각은 작을 수 밖에 없습니다.

(7) Full-frame SLR lens equivalent: 29 mm

결국 카메라 특성은 사진 촬영시 62.2도의 화각(Angle of View)를 갖으며 아래 그림에서와 같이 29mm 렌즈를 사용하는 것과 동일한 것으로 표기 되어있습니다. 분류표를 보니 60도까지는 wide Angle에 속합니다.

(8) Video Modes:

   1) 1080P30 cropped (680 pixels off left/right, 692 pixels off top/bottom), up to 30fps

   2) 3240x2464 Full 4:3, up to 15fps

   3) 3240x2464 Full 4:3, up to 15fps (identical to 2)

   4) 1640x1232 binned 4:3, up 40fps

   5) 1640x922 2x2 binned 16:9 (310 px crop T/B before binning), up to 40fps

   6) 720P bin+crop (360 px L/R, 512 px T/B before binning), 40..90fps (OC: 120fps)

   7) VGA bin+crop (1000 px L/R, 752 px T/B before binning), 40..90fps (OC: 120fps)

1) 동영상 촬영의 경우1920 x 1080p의 경우 30fps로 그다지 좋다고 할 수 없군요. 고해상도로 갈 수록 fps가 작아저서 동영상으로서의 가치기 떨어집니다.

끊김없이 부드러운 화질은 30fps정도면 어느 정도 커버가 되지만 아이폰6의 1920 x 1080(full HD) 60fps에 절반 수준입니다. 아이폰7에 적용된 3840 x 2160 (4k) 30fps에 비하면 한참 낮은 스팩이라 다소 실망 스럽긴 합니다.

5)항목에 보면, 2X2 binning을 통해 16:9의 40fps 이상의 화질이 촬영가능하기 하지만 여전히 1920 x 1080p 보다는 낮습니다.

6),7) 항목을 보면 최대 120fps까지 가능한 것으로 보이며, 화질을 포기한다면 고속 촬용도 가능해 보입니다. 소니 사이트에 방문하면( Sony IMX219 ) 180p까지 적용해서 슬로우모션으로 촬영한 결과가 있습니다. 꽤 쓸만해 보입니다.

5MP vs 8MPS의 전반 적인 SPEC 비교시 아래표와 같습니다.

< 화질 비교 >

Stephen Wilkes: The passing of time, caught in a single photo(2016)

(12:27초 강연)

15~30시간 동일한 장소에서 사진 1500장을 촬영하여 한달여간의 작업후 1장으로 표현합니다. 한장의 사진 안에서 시간을 압축하고 시공간의 연속성을 탁샘하는 새로운 방식을 선보입니다.

연사의 말을 빌리자면,

"사진술과 기술이 함께 진화하면서 사진은 시간과 기억의 더 깊은 의미를 전하고 알려지지 않은 이야기들을 새롭게 서술하여 우리의 세계로 향하는, 세월이 흘러도 변하지 않는 창을 낼 것입니다.."

"낮에서 밤으로" 라는 개념은 기존 Time slice 기법과 같은 것 같아서 자세히 들어 보지 않은 강연이였는데, 들어 보니 사진 한장에 이야기의 변화를 모두 담자!는 것입니다. 마치 동영상을 1장에 압축한것이라고 할까요?

연사는 이렇게 말합니다.

"저는 이야기를 들려주는 사진을 창조하고 싶다는 순수한 열정에 사로잡혀 있습니다. 사진은 시간의 파편 안에 정지된 순간의 기록으로 정의 할 수 있습니다. 각각의 순간 또는 사진은 시간이 지나면서 분명히 존재하는 기억의 조각을 대표합니다. 하지만 하나의 사진 안에 둘 이상의 순간을 포학할 수 있다면 어떨까요? .... 중략...

그것이 여러분들이 세상을 보는 방식을 바꿀것이라 믿습니다."

(링크 : https://www.ted.com/talks/stephen_wilkes_the_passing_of_time_caught_in_a_single_photo )