엔지니어들이 열화상 카메라에 대해 알아야 하는 8가지

다음 프로젝트에 열화상 센서를 적용하기 위해 확인해야할 점

새로운 프로젝트에 열화상 카메라를 추가 한다면 보이지 않던 것을 볼 수 있으며, 미지의 영역에 대한 감각을 확장할 수 있다.
또한 열화상 카메라를 추가하는 것에 대해서 고려를 하고 있다면 필요한 기능을 확보하는 데 몇 가지 고려해야 될 사항이 있다.

오늘날의 열화상 기술과 새로운 응용 분야
열화상 카메라 도입을 검토하고 있다면, 열화상에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 귀신을 잡거나 빅풋을 찾는 용도로만 사용하는 것이 아니라면 다음 내용이 도움이 될 것이다.
열화상 카메라는 물체에서 방출되거나 반사되는 적외선 에너지의 상대적인 강도를 감지하고 이를 수치화하여 표현 한다. 적외선 에너지는 우리 주변에 항상 존재하며, 우리 눈으로 받아들이는 가시광선 에너지의 양과는 아무런 상관이 없다. 결론적으로 열화상 카메라는 빛이 아닌 열을 감지하는 야간 투시경과 같은 역할을 하는 것이다.
열화상 카메라를 통해 얻어지는 온도 값은 위에서 말한 열에너지의 차이를 계산하여 얻어지므로, 사람, 동물, 전자, 기계 등 모든 산업 분야에서 사용이 가능 하다. 열화상 카메라는 연기를 통과해 볼 수 있으므로, 소방서 혹은 수색 및 구조 작업에 검증된 도구이다. 연기 속 동물들의 존재를 보여 줄 수 있고, 먼지 또는 암흑 속에서도 대상 물체를 볼 수 있으며 닫혀 있는 문 뒤에 얼마나 큰 불이 기다리고 있는지도 미리 예측 할 수 있다.
단순히 열 탐지를 위한 목적뿐만 아니라 동작을 감지하는 용도로 사용 될 수 있다. 또한 열 감지 센서가 동물의 존재를 온도를 통해 알 수 있으므로 별도의 거리센서 없이도 움직임을 측정하기 위한 용도로 응용될 수 있다. 이러한 특징으로 인해 보안 분야에 널리 사용 되고 있으며 가정용 자동화, 게임 및 도로주행 제스처 인식과 같은 분야에도 널리 사용 될 수 있다.

열화상 이미지란 무엇인가?

적외선 대역을 세분화 하면 다음과 같이 나눌 수 있다.
·Shortwave infrared (SWIR) : 0.9 ~ 1.7 ㎛
·Midwave infrared (MWIR) : 3 ~ 5 ㎛
·Longwave infrared (LWIR) : 8 ~ 14 ㎛

열화상 카메라는 어떻게 동작할까?

열화상 카메라는 우리 주변에 있는 적외선 에너지를 캡처하여 디지털 또는 아날로그 비디오 출력을 통해 영상 혹은 데이터로 출력하게 된다. 일반적으로 우리가 사용하는 열화상 카메라들은 위에서 언급한 SWIR, MWIR, LWIR 중에 한 가지 파장범위에 대해서만 민감하도록 제작되어 있다.
FLIR에서 제작하는 LWIR 카메라의 경우 Vanadium Oxide로 만들어지며, 이물질은 longwave radiation 방사선 검출을 위한 가장 민감한 물질이다. 열화상 카메라의 센서는 이러한 소자의 집합체이며, 픽셀(Pixel)이라고 표현 한다. 일반적인 열화상 카메라의 해상도는 320×256 및 640×512가 있으며, 이것은 앞서 말한 소자(Pixel)가 가로×세로로 해당 개수만큼 존재한다는 것을 의미 한다.
일반적인 2D 카메라보다 열화상 카메라의 픽셀은 더 크다. 일반 2D 카메라는 픽셀 하나가 1~2㎛ 인데 반해, 열화상 카메라의 경우 12~17㎛ 정도의 픽셀 크기를 갖는다. 이러한 이유는 앞서 말했듯이 가시광선 영역보다 더 넓은 스펙트럼의 빛을 검출해야 하기 때문 이다. 따라서 이러한 이유들 때문에 열화상 카메라의 해상도는 일반적인 2D 카메라보다 낮다.
열에너지가 검출기에 도착하면 판독 장치는 시스템에서 받아들일 수 있는 신호로 변환한다. 이 SOC(System-on-a-Chip)은 카메라에 내장되어 있어, 이미지처리, 분석 및 기타 고급 기능을 사용하여 통합된 기능을 제공한다. FLIR 열화상 카메라에 사용되는 렌즈는 Germanium 또는 Chalcogenide으로 제작된다. 이 물질들은 Longwave 방사선에서 투과율이 좋기 때문이다. 열화상 카메라의 렌즈는 일반적인 2D 카메라 렌즈와 동일한 재료를 사용할 수 없다. 일반적인 렌즈의 재료들은 적외선 에너지를 차단하기 때문이다. 이것은 곧 열화상 카메라가 유리창을 통과하여 온도측정이 불가능한지에 대한 이유가 된다.

나에게 맞는 열화상 카메라는?
카메라를 이용하여 무엇을 할 것인가, 얼마나 많은 카메라가 필요한가에 따라 어떠한 열화상 카메라가 적절한 선택인지 정해진다.

•어떤 해상도와 렌즈가 필요할까?
이 질문에 대한 대답은 프로젝트에 어떠한 이미지가 필요한지, 얼마나 멀리까지 관찰해야 하는지 이미지의 퀄리티는 어느 수준까지 필요한지에 따라 결정 될 것이다. 스마트폰에 사용되는 저가형 열화상 카메라부터 생명을 구하기 위한 소방용 고성능 카메라까지 다양한 라인업이 존재 하기 때문이다. 고성능 라인업의 경우 해상도는 qVGA(320×256), VGA(640×512), 화각은 4~92°까지 일반적으로 사용되며, 저가형 라인업의 경우 80×60, 160×120 해상도의 제품군이 있다.

카메라의 해상도는 세부적인 관찰 범위와 직접적인 관련이 있다. 오직 하나의 작은 개체를 측정하기 위해서라면 몇 개의 픽셀만으로도 충분히 촬영이 가능할 것이다. 하지만 사람, 동물 혹은 그것보다 더 큰 차량 같은 경우 더 많은 픽셀이 필요할 것 이다. 그것도 아니라 대상체가 개인지 사슴인지, 차인지 트럭인지 구분해내기 위해서라면 반드시 더 높은 해상도가 필요 하다. 카메라의 해상도, 픽셀크기를 알고 대상 체와의 거리와 필요한 FOV가 정해져 있다면 프로젝트에 적합한 렌즈를 계산해 낼 수 있다. 또한 instantaneous field of view (iFOV)라고 불리는 공간 분해능 수치를 이용하여 단일 픽셀의 화각과 픽셀의 크기를 계산할 수도 있다.

•어느 정도의 감도가 필요할까?
카메라 감도는 Noise Equivalent Differential Temperature (NEDT) 에 의해 정해진다. 이것은 동일한 신호를 생성하는데 발생하는 노이즈의 양을 말하는 signal-to-noise로 볼 수 있다. NEDT는 대개 milliKelvin(mK)으로 표현되며, 숫자가 낮을수록 우수한 성능을 나타낸다. FLIR 열화상 카메라는 50㎎이하의 mK 감도를 가지고 있다.

•단순 열화상 이미지만 필요한가 온도 값이 필요한가?

대부분의 열화상 카메라는 가시 범위 내에서 열에너지의 상대적인 강도 차이만을 제공하지만 일부 카메라는 한 단계 더 나아가 보정된 온도 정보들을 전달해 준다. 이를 위해 카메라는 방사선(렌즈 재료에 따른 반사), 대기 효과(습기, 기후 조건 및 대상까지의 거리) 및 관찰 대상 물질의 특성에 따라 추가적인 보정을 필요로 한다. 이러한 요소들을 알고 있고 카메라에 보정 값을 입력할 수 있으면 대상 체의 온도 값을 얻어 낼 수 있으며, 정확도 값은 ±2℃로 향상 될 수 있다. FLIR 열화상 카메라는 정확도와 보정에 대하여 다양한 설정이 가능 합니다. 단순히 이미지만 얻을 것인가, 간단한 온도 차이만 나타낼 것인가, 아니면 보정기능을 통해 향상된 정확도를 얻어낼 것인가 원하는 요구에 따라 설정이 가능 하다.

IR 공급업체로써 무엇을 해야 할까?
열화상 솔루션이 필요할 때 기술적인 부분은 당연히 중요하지만 그것만큼이나 신뢰할 수 있는 공급업체를 찾는다는 것은 매우 중요하다. 프로젝트에 믿을만한 열화상 카메라를 도입하기 위해서는 열화상 카메라 공급 업체가 아래의 내용에 대하여 신뢰할 수 있는 업체인지 확인해 보는 것이 바람직하다.

·제품의 수명 주기를 보증할 수 있는 품질에 대한 신뢰성
·OEM 에 대한 성공적이고 검증된 기록
·제품의 기술에 대하여 당신이 질문하였을 때 기술지원 팀의 대답
·로컬 서비스
·도면, 제품 사양 등 필요한 문서가 있을 때 공급자의 회사 웹 사이트 또는 이메일을 통해 빠르게 받아 볼 수 있는지
·장기근속이 가능할 정도의 안정된 회사
·제품에 대한 지속적인 발전과 기술 개발이 있는지
·각 산업 군별에 대한 전문적인 지식

총 소요 비용이란 무엇인가?
OEM 열화상 카메라가 합리적인 가격인지 여부를 결정하기 위해서는 단순히 원가 말고도 고려되어야 하는 점이 많다. 물론 단가는 중요하지만, 시스템을 유지하기 위한 총 비용은 단가만으로는 책정될 수 없다.
통합 시스템의 구축이 어려운 경우, 추가적인 개발 시간이 필요한 경우, 확장 시간 단축이 힘들어 필요한 시점에 제품 출시가 어려운 경우에는 숨겨진 비용이 발생했다고 볼 수 있다. 총 소요비용을 줄이기 위해 반드시 아래의 내용을 고려하여 공급 업체를 선택하는 것이 좋다.

·경쟁력을 갖춘 가격
·통합 시스템 구축이 쉬운지 그것을 위한 전문적인 기술력이 되는지
·다양한 문서와 SDK, 애플리케이션 엔지니어를 보유하고 있는지
·높은 수준의 제품 보증