자동차 품질 검사에 사용되는 열화상 카메라
토파가 BMW에 설치한 동력측정 시스템
플리어시스템의 총판으로 시스템 통합 기술과 서비스를 제공하는 독일의 토파(TOPA GMbH)는 1997년부터 지금까지 독일 딩골핑(Dingolfing)에 있는 BMW 자동차 공장에 열화상 카메라를 공급해 오고 있다. BMW는 기존의 타사 열화상 카메라로 가동해오던 시스템을 20대에서 10대로 줄이는 FLIR의 시스템으로 교체해 비용절감은 물론 제품의 완성도 또한 높였다.
자동차는 제작 공정에서 여러 종류의 자동화된 품질검사를 거치게 된다. 예를 들어 롤러식 동력측정 시스템은 경음기와 엔진의 성능을 시험한다. BMW는 이 과정 중 나이트 비전 시스템을 도입해 검사 시간을 몇 분으로 단축했다. FLIR 디텍터가 차량의 종류와 규격에 따라서 프로그램돼 있는 다양한 방식에 맞춰 검사를 실시한다.
쉽지 않은 두 번째 배기관 플랩 테스트
시험에 소요되는 비용과 시간을 최소화하기 위해 토파는 각 시험별로 최적화된 절차와 방법을 연구했다. 이중 배기계통을 가진 자동차에서 배기 플랩을 시험하는 것과 같이 BMW의 대형, 고성능 8기통 자동차에서도 이중 배기관을 사용한다.
BMW M5 모델의 경우 두 번째 배기관의 개폐용 플랩은 엔진이 일정 속도에 도달할 때에만 작동하도록 설계됐다. 고성능 엔진의 배기음이 잘 들릴 수 있게 하려고 BMW M5 두 번째 배기관은 고속 운전 시에만 작동된다. 이 기능은 BMW의 색깔을 드러내기엔 안성맞춤이었지만 검사 과정은 그리 간단하지 않았다.
처음에는 이 기능을 검사하기 위해 FLIR가 아닌 다른 제조사의 열화상 카메라 10대를 롤러식 동력 측정 시스템에 설치했다. 이 열화상 카메라는 이중 배기계통에 있는 두 배기관의 온도 프로파일을 시각화하는데 사용됐다.
배기가스의 흐름을 검사하는 FLIR 열화상 카메라
기존 시스템은 두 대의 열화상 카메라를 사용해 좌우 배기관을 위쪽과 측면에서 검사하는 것으로 설비비용이 많이 부담될 뿐만 아니라 카메라가 번번히 고장나 운전 상 오류를 야기시켰다. BMW는 약 8년 동안 이 검사 시스템을 사용해오다 최근 새로운 시스템 설치를 위해 FLIR를 찾은 것이다.
토파는 신형 카메라 하드웨어 비용을 절반으로 줄일 수 있는 솔루션을 제안했다. 고정설치된 FLIR A310 열화상 카메라와 45도 렌즈를 각 동력계에 설치하는 방법이었다.
이 시스템의 장점은 종전에 양쪽에 설치된 두 대의 열화상 카메라로 검사하던 것을 가운데 설치된 한 대의 FLIR 열화상 카메라로 검사할 수 있다. 이는 FLIR A310 열화상 카메라와 45도 광각렌즈가 자동차 뒷부분 전체를 시야에 넣을 수 있기 때문에 가능한 것이다. 따라서 기존에 20대의 열화상 카메라를 사용했던 것을 각 동력계마다 한 대씩, 도합 10대로 모든 검사를 완료할 수 있게 됐다.
외부 장치를 제어하는데 사용되는 디지털 출력 제공
FLIR A310 열화상 카메라는 프레임 속도 30㎐의 아날로그 동영상 신호를 제공한다. 이 모델은 시스템 통합이 간편하고 PAL 비디오에 쉽게 연결할 수 있으므로 배기가스 흐름을 측정하는데 적합하며 카메라는 다양한 연결 옵션을 지원한다.
독일 FLIR의 고성설치형 열화상 카메라 자동사업부 책임자인 크리스토크 회른렌은 “FLIR A310 열화상 카메라는 외부 장치를 제어하는데 사용할 수 있는 경보용 디지털 출력을 제공하며 데이터를 TCP IP나 이더넷을 통해 전송할 수 있다”며, “A314 모델은 GigE Vision 표준과 GeniCam 프로토콜을 모두 지원한다”고 피력했다.
흑색 팔레트를 도입해 플랩 개폐여부 정확히 확인
배기계통의 성능은 자동차 전면에 있는 모니터에 표시되는 열화상을 통해 검사할 수 있다. 이 모니터에 표시되는 열 프로파일을 통해 배기관 플랩이 정상적으로 작동하고 있는지 확인할 수 있다. FLIR A310 열화상 카메라는 온도 분포를 다양한 색상 팔레트를 선택해 표시할 수 있지만 이 사례에서는 가장 간편하면서 명확하게 볼 수 있는 흑백 팔레트를 사용했다.
그 이유는 배기가스의 흐름이 난류적이기 때문이다. 비교적 많은 양의 배기가스가 서로 뒤섞이면 일정하게 흐르지 않게 된다. 또한 유량도 고려해야 한다. 이런 요인들은 더 넓은 색상 스펙트럼을 사용해 가시화할 수도 있지만 검사원을 혼동시킬 염려가 있다. 따라서 검사는 배기관 플랩이 정확하게 열리고 닫히는지 여부를 확인해야만 한다.
FLIR의 신뢰성 검증
BMW가 토파의 제안을 수락하며 FLIR 열화상 카메라를 채택한 것은 FLIR의 신뢰할 수 있는 품질 때문이었다. 토파는 현장에 기술자를 파견해 카메라를 설치하고 교정하도록 지원했다. 현재 이 새로운 검사 시스템은 기존보다 더 저렴한 비용으로 우수한 성능을 발휘하고 있다.
FLIR A310 열화상 카메라는 2011년에 설치된 이후로 연중무휴로 가동되며 아직까지 문제된 적이 없었다. 실제 현장에서는 23시부터 다음날 5시까진 작업을 하지 않지만 카메라는 기능을 계속 유지하고 있다. 만약의 사태를 대비해 예비 A310 카메라도 설치돼 있지만 가동된 적은 한 번도 없었다.
출처 | 플리어시스템코리아(www.flir.com)
Mini News
적외선 컬러 암시 카메라용 촬상 소자 개발
손바닥 사이즈의 소형 카메라로 컬러 암시 촬영
단판방식의 적외선 컬러 양산에 의한 신규 애플리케이션 기대
일본의 독립 행정법인 산업기술 종합 연구소(AIST)의 나노 시스템 연구그룹은 샤프(Sharp)와 협력해 적외선 컬러 암시 촬영용 촬상 소자<주1>를 개발했다. 이번에 개발한 촬상 소자는 AIST가 독자적으로 개발한 어두운 곳에서도 컬러 동영상을 촬영할 수 있는 기술에 의해 촬영 영상의 고정밀화를 이뤄낸 것이다.
보안 카메라 시장규모는 2014년 전 세계 1,000만대가 넘어설 것으로 예상된다. 아시아 메이커의 제품은 저렴한 가격으로 유통돼 가격 경쟁에서 인건비가 높은 일본은 고전을 면치 못할 것으로 보인다. 가격 외의 차별화를 도모하기 위해 일본에겐 첨단 기술을 이용해 고성능이면서도 고부가가치를 지닌 보안 카메라의 개발이 시급했었다.
이에 AIST는 적외선 조명만을 이용해 피사체의 컬러 동영상을 얻을 수 있는 적외선 컬러 암시 촬영 기술을 개발해왔다. 이는 물체의 가시광선 영역 반사 특성과 적외선 영역의 반사 특성 사이에 있는 약한 상관관계에 근거해 표색<주4> 처리로 가시광선의 피사체 색과 동일한 색이나 가까운 색에 의한 컬러 화상을 얻는 기술이다.
그러나 지금까지 3-CCD 방식(3판방식<주5>) 등의 적외선 컬러 암시 카메라는 거의 대형으로 제작돼 범용 용도로는 적합하지 않았다. 이에 AIST는 샤프와 공동으로 독자적인 최첨단 나노테크로놀로지를 이용해 카메라의 소형화가 가능한 컬러 암시 카메라용 촬상 소재를 개발한 것이다.
이 촬상 소자는 프레임 레이트(Frame Rate)<주2>화가 가능한 새로운 방식의 소자로 단판방식<주3>에 의한 촬영에 적용할 수 있기 때문에 촬영 장치의 소형화가 가능하다. 작아진 장치로 적외선 컬러 암시 촬영 기술의 적용 범위 확대와 신규 애플리케이션의 개척 등이 기대된다. 또한 양산에 의한 가격 다운도 가능하기 때문에 촬영 장치의 소형화와 저가격화를 모두 실현했다는 평을 받고 있다.
※ 설명
그림 1은 촬상 소자의 외관이다. 수지 몰드 패키지<주6>와 커버 유리 리드<주7>에 의해 패키지화된 합계 35개의 촬상 소자가 정전기 방지 트레이의 각 구획에 수납돼 있다. 패키지 표면 사이즈는 약 10×10㎜이다. 이번 개발한 촬상 소자는 HD720<주8>(1,280×720 화소)의 고화질로 30fps<주9>의 매끄러운 적외선 컬러 동영상을 촬영할 수 있다.
그림 2는 적외선 컬러 암시 촬영용 촬상 소자를 이용해 제작한 적외선 컬러 암시 카메라다. 카메라 본체 사이즈가 약 55×60×90㎜, 중량이 약 250g으로 소형, 경량이며 운반 또는 설치가 용이하기 때문에 다양한 용도에 응용할 수 있다.
그림 2(a)는 아이보리색 카메라 본체의 좌부와 상부에 각각 줌 렌즈와 적외선 조사기를 장착해 고정된 카메라다. 그림 2(b)는 모니터, 녹화기, 배터리를 추가한 녹화용 세트다. 이 세트로 어두운 곳에서도 거리 5m 정도까지의 피사체의 동영상 촬영이 가능하다.
그림 3은 세트를 이용해 야간 옥외를 촬영한 동영상의 스냅샷(snapshot)이다. 그림 3(a), (b), (c)는 적외선을 조사하지 않고 촬영한 화상으로 육안에 가까운 영상이다. 한편 그림 3(a`), (b`), (c`)는 각각 적외선을 조사하여 촬영한 화상으로 그림 3의 좌우 화상을 비교하면 왼쪽 화상에서는 안 보였던 곳이 오른쪽 화상에서는 명료하게 보여 컬러 암시 촬영이 가능하다는 것을 알 수 있다.
출처 | AIST(www.aist.go.jp)
<주1> 촬상 소자
빛을 전기신호로 변환하는 것으로 투영된 화상을 촬상하는 소자로 CCD 촬상 소자, CMOS 촬상 소자 등이 있고 이미지 센서라고도 부른다.
<주2> 프레임 레이트(Frame Rate)
매초 표시되는 양을 나타내는 값.
<주3> 단판방식
1개의 촬상 소자를 이용하여 촬영하는 방식으로 일반적으로 컬러 촬영에는 화소마다 RGB 컬러 필터가 피착(被着)된다.
<주4> 표색
가시광선 하에서의 화상 명도 또는 특정 물리량의 강도 분포를 색 명도로 표현하는 것.
<주5> 3판방식
3개의 촬상 소자를 이용해 촬영하는 방식으로 일반적으로 프리즘 등에 의해 RGB로 분리된 빛을 각각의 촬상 소자로 촬영해 컬러로 화상화 한다.
<주6> 수지 몰드 패키지
촬상 소자를 고정하기 위한 몰드 성형된 수지제품의 받침대 또는 패키지.
<주7> 커버 유리 리드
패키지에 고정된 촬상 소자를 봉해 보호하기 위한 유리창.
<주8> HD720
HD는 High Definition의 약어로 SD(Standard Definition)보다 고화질인 화상을 촬영 또는 표시하는 주사 방식이며 720은 수평 주사선의 개수를 나타낸다. 총획 소수(素數)는 일반적으로 1,280×720이다.
<주9> fps
frame per second의 약자로 매초 표시되는 양를 나타내는 단위.
