ISO를 올리면 잡음이 줄어들까

ISO를 올려도 센서에 들어오는 빛은 늘지 않습니다. 잡음을 비교할 때는 모은 빛의 양과 ISO에 따른 읽기 잡음을 따로 봐야 합니다.

밤하늘이 어두우니 ISO를 올리라고 배웁니다. ISO 6400으로 5초를 찍으면 화면은 밝지만 확대하면 하늘이 거칩니다. ISO 1600으로 20초를 찍고 보정 프로그램에서 밝기를 맞추면 훨씬 깨끗합니다. 둘 다 같은 밝기로 보이는데 왜 잡음이 다를까요?

이 글에서는 ISO가 실제로 무엇을 하는지, 산탄 잡음과 읽기 잡음이 ISO에 따라 어떻게 다르게 움직이는지 살펴봅니다. 그리고 ISO를 바꿔도 잡음이 거의 같아지는 ISO 불변성과, 은하수 촬영에서 노출 시간을 먼저 정해야 하는 이유를 정리합니다.

ISO는 빛을 모으지 않는다

센서의 화소는 셔터가 열린 동안 들어온 광자를 전자로 바꿔 모읍니다. 모이는 전자의 개수는 조리개와 노출 시간, 그리고 하늘의 밝기로 정해집니다. ISO는 이 과정에 끼어들지 않습니다.

ISO는 모은 빛을 얼마나 밝게 기록하고 표시할지에 관여합니다. 많은 카메라는 전자를 전압으로 읽은 뒤 숫자로 바꾸기 전 신호를 키우며, 일부 설정은 숫자로 바꾼 뒤의 증폭이나 메타데이터로 구현합니다. 사진은 밝아져도 이미 모인 빛의 양은 그대로입니다. 볼륨을 올려도 녹음된 소리 자체가 바뀌지 않는 것과 비슷합니다.

그래서 같은 노출 시간과 조리개라면 ISO 1600과 ISO 6400의 사진은 같은 양의 빛을 담고 있습니다. 다른 것은 화면에 표시되는 밝기와, 아래에서 볼 읽기 잡음과 포화 한계입니다.

두 가지 잡음은 다르게 움직인다

여러 장을 겹치면 왜 잡음이 줄어들까에서 본 잡음 중, 여기서는 암전류를 제외한 두 가지에 집중합니다.

• 산탄 잡음: 빛이 알갱이로 도착해서 생기는 흔들림입니다. 크기는 모은 전자 수의 제곱근입니다. 빛에서 오므로 ISO와 상관이 없고, 노출 시간이나 조리개로만 바뀝니다.
• 읽기 잡음: 모인 전자를 숫자로 읽는 동안 회로에서 더해지는 오차입니다. 한 장에 한 번 생기고, ISO에 따라 크기가 달라집니다.

읽기 잡음이 ISO에 따라 바뀌는 이유는 회로의 위치에 있습니다. 읽기 잡음의 일부는 아날로그 증폭보다 뒤쪽, 숫자로 바꾸는 회로 등에서 생깁니다. 신호를 먼저 키워 두면 뒤에서 더해지는 잡음이 상대적으로 작아집니다. 센서 입력의 전자 수로 환산하면 읽기 잡음이 줄어드는 셈입니다. 숫자로 바꾼 뒤 밝기만 올리는 디지털 증폭은 이런 이점을 주지 않습니다.

다만 이 효과에는 끝이 있습니다. 뒤쪽 잡음이 충분히 작아지고 나면 앞쪽, 화소 자체의 잡음만 남아서 ISO를 더 올려도 거의 줄지 않습니다. 요즘 카메라 중에는 어느 ISO에서 회로의 증폭 방식을 바꿔 읽기 잡음을 한 번에 낮추는 기종(듀얼 게인)도 많습니다.

ISO 불변성

읽기 잡음이 더 줄지 않는 구간에 들어서면 재미있는 일이 생깁니다. ISO 1600으로 찍고 보정에서 2스톱 밝게 올린 사진과, 처음부터 ISO 6400으로 찍은 사진의 잡음이 거의 같습니다. 이것을 ISO 불변성이라고 부릅니다.

이 구간에서도 아날로그 증폭을 더 올리면 포화 한계가 낮아질 수 있습니다. 전압을 담는 범위가 고정된 단순 모형에서는 증폭이 2배가 될 때 기록 가능한 입력 전자 수가 절반이 됩니다. 화소 자체의 전자 저장 용량이 매번 절반이 된다는 뜻은 아닙니다. 실제 카메라는 듀얼 게인 전환과 디지털 ISO 구현 등에 따라 달라집니다.

표는 설명을 위해 정한 가상의 값이며 센서 A와 B는 최근·구형을 나누는 이름이 아닙니다. 포화 한계도 ISO에 반비례하도록 단순화했습니다. 센서 B처럼 낮은 ISO의 읽기 잡음이 큰 경우에는 그 구간의 ISO 불변성이 약합니다. 모든 카메라가 같은 곡선이나 전환점을 갖는 것은 아닙니다.

노출 시간이 먼저인 이유

이제 처음 질문으로 돌아갑니다. 하늘 배경이 화소에 1초에 약 3 e⁻, 은하수가 약 1 e⁻씩 들어온다고 가정하고 센서 A로 계산하면 다음과 같습니다.

20초에서 ISO 1600과 6400은 거의 차이가 없습니다. 반면 5초 · ISO 6400은 20초 · ISO 1600의 신호 대 잡음비의 약 절반입니다. 빛을 4분의 1만 모았기 때문입니다. 산탄 잡음은 ISO로 줄일 수 없습니다.

낮은 ISO에서 읽기 잡음이 크면 손해가 생깁니다. 센서 A의 20초 · ISO 100은 같은 빛을 모았지만 SNR이 약 1.90입니다. 센서 B라면 같은 설정에서 약 0.68까지 떨어집니다. 그러니 순서는 이렇게 정리됩니다. 먼저 빛을 충분히 모으고, ISO는 읽기 잡음과 밝은 부분의 포화를 함께 보며 정합니다.

아래 시뮬레이터에서 노출 시간과 ISO를 바꿔 보세요. 왼쪽 절반은 같은 카메라로 20초 · ISO 1600에 찍은 기준이고, 오른쪽 절반이 지금 설정입니다. "밝기 맞춤"은 두 사진을 보정 프로그램에서 같은 밝기로 맞춘 모습입니다.

시뮬레이터에서 해 볼 만한 것들입니다.

• "ISO 6400 · 5초"와 "ISO 6400 · 20초"를 번갈아 눌러 보세요. ISO는 같은데 노출 시간만으로 오른쪽 잡음이 크게 달라집니다.
• 노출을 20초에 두고 ISO를 1600, 3200, 6400으로 올려 보세요. 센서 A의 SNR은 거의 그대로이고, 포화가 예상되는 별과 분홍색 화소가 늘어납니다. 별 개수는 좌우 절반이 아니라 모형 전체 70개를 기준으로 셉니다.
• "센서 B"로 바꾸고 ISO 100, 400을 골라 보세요. 읽기 잡음의 몫이 커지면서 같은 빛을 모아도 하늘이 거칠어집니다. 표시된 몫은 잡음의 크기가 아니라 분산, 즉 제곱값의 비율입니다.
• "찍힌 그대로"로 바꾸면 낮은 ISO의 사진이 어둡게 보입니다. "밝기 맞춤"으로 돌아오면 모은 빛의 양과 읽기 잡음의 영향을 비교할 수 있습니다. 두 보기 모두 설명용 밝기 변환이며 카메라 JPEG의 재현은 아닙니다.

실제로 찍을 때

조리개와 노출 시간부터 정합니다. 조리개를 렌즈가 감당할 수 있는 만큼 열고, 별이 흐르지 않는 셔터 속도의 범위에서 노출을 최대로 줍니다. 이 두 가지가 모으는 빛의 양을 정합니다.

ISO는 그다음에 정합니다. Photons to Photos의 입력 환산 읽기 잡음 그래프에서 자신의 기종을 골라, 곡선이 낮아지고 평평해지는 구간을 살펴봅니다. 전환점은 기종마다 달라 공통 ISO 범위를 정할 수 없습니다. 같은 노출로 ISO만 바꾼 RAW를 보정에서 같은 밝기로 맞춰 비교하면 직접 확인할 수 있습니다.

카메라 화면의 밝기만으로 판단하지 않습니다. 일반적인 뒷면 화면과 히스토그램은 JPEG 미리보기 기준이므로 RAW의 상태와 다를 수 있습니다. 같은 조리개·시간이라면 어둡게 보여도 모은 빛은 같습니다. 하늘 봉우리의 위치만으로 읽기 잡음이 충분히 작은지 판단할 수는 없습니다. 별의 포화 경고와 실제 RAW의 어두운 부분도 함께 확인합니다.

잡음을 더 줄이려면 빛을 더 모읍니다. 노출 시간을 더 늘릴 수 없으면 여러 장을 찍어 겹치거나, 하늘을 따라가는 적도의를 씁니다.

참고 자료와 계산의 한계

• Hamamatsu — 신호 대 잡음비 계산: 광자·배경·읽기 잡음의 제곱합.
• Photons to Photos — 입력 환산 읽기 잡음: 기종별 곡선과 아날로그·디지털 증폭의 구분.
• 시뮬레이터와 표의 읽기 잡음, 포화 한계, 하늘 밝기는 설명을 위한 가상의 값입니다. 실제 카메라는 기종과 ISO마다 다릅니다.
• 산탄 잡음은 같은 분산의 정규분포로 근사했습니다. 카메라 안의 잡음 감소 처리, 암전류, 듀얼 게인 전환, 숫자로 바꿀 때의 계단 오차(양자화)는 넣지 않았습니다.
• 계산은 한 장 기준입니다. 별의 흐름은 따로 다루지 않았습니다.

정리

• ISO는 센서에 모이는 빛의 양을 바꾸지 않는다. 빛의 양은 조리개와 노출 시간이 정한다.
• 산탄 잡음은 빛에서 오므로 ISO로 줄지 않는다. 아날로그 증폭으로 입력 환산 읽기 잡음이 줄 수 있지만, 이득이 작아지는 구간이 있다.
• 읽기 잡음이 평평한 구간에서는 ISO를 올려 찍든 나중에 밝게 올리든 잡음이 거의 같다(ISO 불변성).
• 읽기 잡음의 이득이 작은 구간에서도 증폭을 더 올리면 밝은 별을 기록할 여유가 줄 수 있다. 구현은 기종마다 다르다.
• 순서는 조리개, 노출 시간, 그리고 ISO다.