이벤트 기반 카메라를 활용한 실시간 3D 입자 추적 기술
유동 진단은 공기나 물에 투입한 추적 입자의 움직임을 촬영해 속도와 방향, 난류와 와류를 분석하는 기술이다. 기존 고속 카메라는 높은 시간 해상도를 제공하지만 대용량 데이터 처리와 정밀한 촬영 설정이 필요하다. 이 기사에서는 픽셀 단위의 밝기 변화만 기록하는 이벤트 기반 카메라를 여러 대 결합해 입자의 3차원 위치와 궤적을 재구성하는 방법을 살펴본다.
고속 카메라의 한계를 보완하는 이벤트 기반 비전
유동 진단은 공기와 물 등 유체에 추적 입자를 투입하고, 입자의 위치 변화를 영상으로 계산해 속도와 방향, 난류와 와류를 분석하는 기술이다.
기존 고속 카메라는 정밀한 영상을 제공하지만 촬영 영역 전체를 프레임 단위로 저장하기 때문에 데이터 전송과 저장, 처리에 큰 부담이 따른다. 노출시간과 조명, 광학계 설정이 적절하지 않으면 모션 블러나 어두운 영역, 입자 누락도 발생할 수 있다.
이벤트 기반 카메라는 각 픽셀에서 일정 수준 이상의 명암 변화가 발생한 순간만 기록한다. 출력 데이터에는 픽셀 좌표와 발생 시각, 밝기의 증가 또는 감소 정보가 포함되며, 움직임이 없는 배경은 대부분 데이터로 생성되지 않는다. 따라서 빠른 입자 움직임을 높은 시간 정밀도로 관찰 하면서도 전체 데이터량을 줄일 수 있다.
IDS 사례에 적용된 Sony IMX636 센서는 약 100μ s의 시간 정밀도를 제공한다. 1kHz 측정에서는 최대 약 1만 개, 10kHz에서는 약 1000개의 입자를 동시에 추적할 수 있다. 다만 측정 주기와 입자 수가 늘어날수록 데이터와 연산량도 증가하므로 요구 해상도와 처리 성능의 균형이 필요하다.
여러 시점으로 입자의 3D 위치 재구성
한 대의 카메라는 입자의 수평·수직 위치만 측정할 수 있어 깊이 방향의 움직임을 정확히 판단하기 어렵다. 3차원 유동 측정에서는 일반적으로 3~4 대의 카메라를 서로 다른 각도에 배치하고, 동일한 측정 체적을 영상 영역이 일부 겹치도록 촬영한다.
각 영상에서 동일한 입자에 해당하는 픽셀과 카메라 위치 정보를 결합하면 삼각측량을 통해 입자의 3차원 위치를 계산할 수 있다. 시점이 많아질수록 입자 궤적의 재구성 정확도와 안정성도 높아진다.
이 방법은 독일항공우주센터(DLR) 추진기술연구 소가 수행해 온 이벤트 기반 유동 진단 연구를 기반으로 한다. 여러 시점을 결합한 측정은 입자영상 유속계(PIV)와 3차원 입자추적유속계(PTV), 엔진 블레이드 사이의 복잡한 압축 충격파 구조 분석 등에 활용할 수 있다.
정확한 3차원 재구성을 위해서는 카메라 보정과 시간 동기화가 필수다. 먼저 각 카메라의 이벤트 데이터를 기하학적으로 정합한 뒤, 동기화된 이벤 트에서 입자의 3차원 위치를 직접 계산하거나 각 카메라 시점에서 입자의 움직임을 먼저 추적한 후 3차원 궤적 으로 재구성한다.
IDS 시스템은 트리거 입력을 통해 모든 데이터 스트림에 기준 타임스탬프를 기록하고, 하드웨어 인히 비트 기능을 이용해 서로 다른 컴퓨터에 연결된 카메라도 동시에 시작한다. 시험에서는 동기화된 4대의 카메라가 약 20μ m 크기의 추적 입자를 여러 방향에서 촬영했다.
▲ 서로 다른 각도에 배치된 4대의 IDS EVS 카메라가 약 20μm 크기의 추적 입자를 동시에 촬영한다. 각 카메라의 데이터를 결합해 입자의 3차원 위치와 이동 경로를 재구성한다.
이벤트 누적으로 유동 구조 가시화
이벤트 데이터는 완성된 프레임이 아니므로 일정 시간 동안 발생한 이벤트를 시간적·공간적으로 누적해 분석한다. 누적된 픽셀 위치와 타임스탬프는 입자가 이동한 흔적을 만들며, 이를 여러 카메라의 보정 정보와 결합하면 측정 체적 내부의 3차원 입자 궤적을 재구성할 수 있다.
일정 시간 동안 이벤트를 누적하면 입자의 이동 흔적이 형성되며, 이를 통해 역류, 와류 형성, 난류, 국부적인 속도 변화와 충격파 전파 등 복잡한 유동 현상을 시각화할 수 있다.
▲ 추적 입자의 움직임을 분석해 측정 영역 내 유체 흐름을 시각화한 결과. 화살표는 유체의 이동 방향과 유동 구조를 보여준다.
실시간 분석과 능동 유동 제어
데이터량이 줄어들면 유동장을 실시간으로 평가하는 것도 가능해진다. IDS가 소개한 연구에서는 초당 250개가 넘는 3차원 유동장을 분석했다. 하나의 유동장은 특정 시점에서 측정 체적 내부에 있는 입자들의 위치와 이동 상태를 나타내며, 이를 연속 생성하면 빠르게 변하는 난류와 와류를 추적할 수 있다.
▲ 4대의 이벤트 기반 카메라가 수집한 입자 데이터를 실시간으로 처리해 유체 흐름을 분석하는 화면. 데이터 전송률은 카메라당 초당 약 1000만 이벤트다.
실시간 유동 정보는 플랩이나 노즐 등의 기계 요소를 제어하는 능동 유동 제어에 활용할 수 있다. 유동 박리나 와류를 감지하고 해당 요소를 제어함으로써 실시간 측정 정보를 활용하는 적응형 시스템으로 확장할 수 있다. 또한 IDS uEye EVS 는 Prophesee Metavision SDK와 연동되며, 이벤트 데이터의 임베디드 처리를 통해 로봇, 산업 자동화, 자율비행 플랫폼과 같은 소형 시스템으로 적용 범위를 넓힐 수 있다.
다만 이벤트 기반 카메라는 기존 고속 카메라를 완전히 대체 하는 기술은 아니다. 전체 장면의 높은 공간 해상도와 완전한 영상 정보가 필요할 때는 프레임 기반 카메라가 적합하다. 이벤트 기반 비전은 변화가 빠른 움직임을 적은 데이터로 포착해야 하는 분야에서 기존 시스템을 보완하며, 기존 고속 카메라 중심의 방식보다 비용과 시스템 구성을 간소화하면서 3차원 유동 진단의 적용 범위를 넓히는 기술로 활용될 수 있다.
자료제공: IDS(en.ids-imaging.com)
