야스민 엘칼리시 작성

드론을 조종해 본 적이 있다면, 촬영된 영상이 비정상적으로 흔들렸던 것을 한 번쯤 경험해 보았을 것입니다. 이러한 왜곡은 마치 촬영 중에 누군가 카메라를 흔든 것처럼 보이며, 흔히 "젤로 효과"라고 불립니다. 이 증상은 인기 디저트와 비슷하게 생겼다고 해서 이런 별명이 붙었지만, 공식적으로는 롤링 셔터 효과라고 합니다.

이 글에서는 젤로 효과의 원인과 셔터 유형 간의 주요 차이점, 그리고 롤링 셔터 효과를 해결하는 방법을 설명합니다.

목차

1. 젤로 효과의 원인
   1. 프로펠러 불균형 
   2. 셔터 유형: 롤링, 글로벌 및 기계식 셔터
2. 롤링 셔터 효과 해결 방법

그림 1: 풍경 드론 영상의 젤로 효과 (밥 호지)

젤로 효과의 원인

드론 영상의 젤로 효과는 크게 두 가지 요인에 의해 발생합니다. 드론 자체에서 발생하는 진동과 드론 카메라 센서가 프레임을 캡처하는 방식입니다.

프로펠러 불균형과 진동 

프로펠러 불균형은 드론의 비행 효율을 떨어뜨릴 수 있는 원치 않는 진동을 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 진동은 비행 성능뿐만 아니라 안정적인 영상 스트림에 의존하는 항공 영상 촬영 및 데이터 수집과 같은 드론의 다른 기능에도 영향을 미칠 수 있습니다.

추가 읽을거리: UAV의 프로펠러 진동을 줄이는 방법

드론 카메라는 일반적으로 미세 진동을 흡수하도록 설계된 짐벌에 장착됩니다. 그러나 모든 고주파 진동을 억제할 수 있는 것은 아니며, 이로 인해 카메라 영상이 왜곡될 수 있습니다. 

프로펠러와 모터의 불균형은 불안정성과 과도한 진동의 가장 흔한 원인입니다. 불균형한 추진 시스템은 기계 부품의 마모를 가속화하여 베어링과 모터의 고장을 유발합니다. 이는 드론 전체로 퍼지는 진동의 양의 피드백 루프를 형성합니다.

이 영상은 이러한 효과가 실제로 나타나는 모습을 잘 보여줍니다. 프로펠러가 회전하기 전에는 영상이 선명하고 부드럽습니다. 프로펠러가 회전하기 시작하자마자 영상에 젤로 효과가 나타나며, 프로펠러의 안정성과 영상 품질 사이의 연관성을 보여줍니다.

그림 2: 미니 드론으로 지상에서 촬영한 젤로 효과

롤링, 글로벌 및 기계식 셔터 

젤로 효과가 무엇인지, 언제 발생하는지 살펴보았으므로 이제 왜 발생하는지 알아보겠습니다. 모든 것은 카메라 셔터에 달려 있습니다.

드론 카메라는 롤링 또는 글로벌 셔터와 같은 전자 셔터를 사용하거나, 드물게 포컬 플레인 또는 리프 셔터와 같은 기계식 셔터를 사용합니다.

롤링 셔터는 CMOS 센서가 탑재된 카메라에서 흔히 사용되는 판독 방식입니다. CMOS 센서는 전력 소비가 적고 비용 효율적이어서 드론에 사용하기에 이상적입니다. CMOS 센서는 잉크젯 프린터와 유사하게 이미지를 한 줄씩 캡처하여 작동합니다.

그러나 롤링 셔터 왜곡은 결국 드론 영상에서 볼 수 있는 젤로 효과의 원인이 됩니다. 드론의 진동으로 인해 이미지 캡처 중에 카메라 위치가 미세하게 변할 때 이 문제가 발생합니다. CMOS 센서는 이미지를 한 줄씩 기록하기 때문에 프레임 하단에 도달할 때쯤에는 장면이 약간 변해 있을 수 있습니다. 이로 인해 원치 않는 "젤로 효과"가 발생하여 실제 장면을 왜곡되고 부정확하게 표현하게 됩니다.

글로벌 셔터는 최근 CMOS 센서에 도입되었으며, 프레임을 순차적으로가 아니라 전체를 동시에 캡처하는 더 나은 기술을 사용하여 젤로 효과의 근본적인 문제를 해결합니다. 그러나 제조업체에 따르면 이 기술은 비용이 많이 들고 통합하기 어렵습니다.

그 결과, 가장 고급 드론 카메라에만 글로벌 셔터가 적용됩니다.

그림 3: 롤링 셔터와 글로벌 셔터의 광 노출 차이.

추천: 싱글 블레이드 프로펠러 테스트

DSLR 카메라의 표준인 기계식 셔터에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 포컬 플레인 셔터는 센서를 가로지르는 두 개의 커튼을 사용합니다. 첫 번째 커튼이 조리개를 열어 노출을 시작하고, 설정된 노출 시간이 지난 후 두 번째 커튼이 같은 방향으로 따라와 조리개를 닫습니다. 리프 셔터는 센서 중앙에서 열리고 닫히는 겹쳐진 날개를 사용합니다. 

DJI는 측량 및 지도 제작 애플리케이션에서 CMOS 롤링 셔터 효과를 제거하기 위해 Phantom 4 RTK 및 Mavic 3 시리즈 드론에 기계식 셔터를 추가했습니다.

기계식 셔터는 젤로 효과와 관련된 문제를 제거하지만, 움직이는 부품의 평균 고장 시간(MTTF)은 여전히 과도한 진동으로 인해 악화되므로 카메라는 불균형으로 인한 성능 저하에 취약한 상태로 남습니다.

롤링 셔터(젤로) 효과 해결 방법

큰 비용을 지불할 의사가 없다면 드론 카메라에서 롤링 셔터와 그 복잡성을 피하기는 어렵습니다.

그러나 효과를 제한하기 위해 적용할 수 있는 수정 방법이 있습니다. 설정에서 셔터 속도를 낮추고 라이트 필터를 조정하거나, 촬영 후 안정화 소프트웨어를 사용하여 이를 다듬어 볼 수 있습니다. 그렇다고 해도 젤로 효과의 근본 원인을 해결하는 데는 큰 도움이 되지 않습니다.

짐벌을 업그레이드하거나 프로펠러의 균형을 맞춰 문제의 근본 원인인 진동을 해결할 수 있습니다.

프로펠러 균형을 맞추는 방법

Tyto Robotics에서는 사용자가 드론 프로펠러와 모터의 불균형을 정량화하고 수정할 수 있는 동적 프로펠러 밸런싱 시스템을 개발했습니다.

몇 번의 빠른 회전만으로 사용자는 ISO 등급의 밸런싱을 달성할 수 있습니다:

그림 4: 무게추를 추가하여 프로펠러를 동적으로 밸런싱하는 방법 (출처)

결론

드론 영상의 젤로 효과는 대부분의 드론 카메라에서 이미지 캡처에 사용되는 한 줄씩 스캔하는 시스템 때문에 발생합니다. 고주파 진동 및 빠르게 움직이는 물체와 결합되면 영상 왜곡은 거의 불가피합니다.

셔터 유형이나 장면의 특성을 항상 제어할 수 없으므로, 왜곡을 줄이는 가장 좋은 방법은 불균형한 프로펠러와 모터로 인한 진동을 줄이는 것이며, 이는 영상 품질을 개선하는 효과적인 방법입니다.

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참고 문헌:

1. Phantom Pilots. 젤로 비디오 효과의 원인은 무엇인가? PhantomPilots 웹사이트. 2016년 발행.https://phantompilots.com/threads/what-causes-the-jello-video-effect.86315/#:~:text=Unbalanced%20props%20are%20the%20most,there%20is%20more%20play%20with

2. Mosaic51. 롤링 셔터 vs 글로벌 셔터: 카메라 효과 설명. Mosaic51 웹사이트. 2022년 발행. https://www.mosaic51.com/technology/rolling-vs-global-shutter-camera-effects-explained/#:~:text=The%C2%A0consistency%20and%20accuracy%C2%A0of%20the%20images,%E2%80%98jello%20effect%E2%80%99%20or%20object%20segmentation

3. Wondershare Filmora. 항공 영상에서 젤로 효과와 롤링 셔터 제거 방법. Filmora 웹사이트. 2022년 발행. https://filmora.wondershare.com/drones/remove-jello-effect-rolling-shutter-from-aerial-video.html

4. DJI Enterprise. 기계식 셔터 드론: 전문 측량사의 업무. DJI Enterprise 웹사이트. 2022년 발행. https://enterprise-insights.dji.com/blog/mechanical-shutter-drones#:~:text=The%20work%20of%20professional%20surveyors,provide%2C%20you%20need%20a%20shutter

5. Micrathene FPV. 젤로 효과: 원인, 해결 방법 및 부드러운 영상 촬영을 위한 팁. Micrathene FPV 웹사이트. 2023년 발행. https://www.micrathenefpv.com/blog/the-jello-effect-causes-solutions-and-tips-for-smooth-video-footage

6. 2Bridges Productions. 항공 영상의 롤링 셔터 젤로 효과를 해결하는 5가지 유용한 팁. 2Bridges 웹사이트. 2022년 발행. https://www.2bridges.nyc/nycblog/5-handy-tips-to-fix-rolling-shutter-jello-effect-in-aerial-footage/