항공 영상에 가장 중요한 카메라 파라미터

영상 촬영 시스템을 구축할 때 고려해야 할 카메라 파라미터

항공 사진 페이 로드 용 구성 요소는 복잡하게 하지 않아도 된다. 이 기사는 이미지를 하늘에서 볼 때 가장 중요한 배 설명하고 있다. 이 기능은 카메라의 분해능과 센서 크기를 다루며, 감도 및 노이즈 측정 방법을 설명하고 항공 영상에 필요한 셔터 유형에 대해 논의하고 동적 범위 및 비트 깊이를 탐색하고 카메라 안정성 고려 사항을 강조한다.

해상도와 센서 크기
해상도는 DSLRs, 전자동 카메라, 스마트폰과 같은 가전제품 덕분에 널리 알려진 용어이다. 하지만 항공사진의 경우에는 더 많은 메가 픽셀이 더 많은 지상 해상도로 반드시 변환되지는 않는다. 지상 샘플링 거리(GSD)는 지상으로부터 항공기의 높이, 사용되는 렌즈의 초점 길이 및 픽셀 크기에 의해 결정되기 때문에 카메라 해상도가 높을수록 지상 해상도가 높아지지는 않는다.

예를 들어 소니 사진에 기반을 둔 글로벌 셔터 COMOS의 Lumenera LtX45R 시리즈는 3, 6, 9, 12 메가 픽셀 모델로 제공된다. Lumenera Lt1245R(12메가 픽셀)이 Lumenera Lt345R(3메가 픽셀) 보다 훨씬 더 높은 지상 해상도를 나타낸다고 가정하기 쉽다. 하지만 이러한 모든 4개의 카메라는 정확히 같은 픽셀 크기(3.45㎛)의 센서를 사용하기 때문에 각각의 카메라에 의해 생성되는 지상 해상도는 지면 위에 주어진 높이와 렌즈 초점 길이에 대해 동일하다. 이는 아래의 지상 샘플링 거리 공식을 사용하여 수학적으로 확인할 수 있다:

이 공식은 각 픽셀의 크기에 불과한 ‘메가 픽셀’ 에 대해서는 언급하지 않는다. 더 많은 메가 픽셀을 더 많은 지상 해상도에 연결하는 것은 센서 크기이다. 다시 말해, 센서 크기가 동일하고 메가 픽셀의 양이 서로 다른 두 대의 카메라는 지상 해상도가 다르므로 더 많은 메가 픽셀이 현재 더 많은 지상 해상도와 같다.
예를 들어 카메라의 시야 또는 카메라에 캡처된 총 시각 정보의 양이 변경된다. 카메라의 센서 크기와 일치하는 렌즈와 함께 사용할 경우 Lt1245R은 이미지 높이를 대략 두배 정도 캡처하고 Lt345R은 이미지의 폭을 두 배로 늘린다. 이는 LT1245R에는 1.1인치 센서가 장착되어 있는 반면 Lt345R 에는 1/1.8인치 센서가 장착되어 있기 때문이다. 더 큰 센서는 더 넓은 이미지 계층을 제공하므로 항공 조사를 수행하는데 한 영역을 넘어가는 시간이 더 적게 필요하다. 이는 공기 중의 시간, 연료 소비, 전반적인 운영비용을 절감하는 결과를 가져온다.

하단 라인: 픽셀 크기는 메가 픽셀 수와 센서 크기가 아니라 이미지 페이로드의 지상 해상도를 결정하며, 카메라가 올바르게 일치하도록 렌즈를 선택하면 시야를 결정한다.

감도와 잡음
항공 영상 애플리케이션에 대해 선택한 카메라가 가능한 한 판독 노이즈가 적고 감도가 매우 높아야 하는 것은 이해할 수 있는 일이다. 하지만 이러한 파라미터가 영상 페이로드와 함께 어디에서 재생되는지 이해할 필요가 있다.

- 민감도 정의
카메라 감도는 여러 가지 장치를 사용하여 정의 할 수 있다. EMVA 1288 은 한 픽셀의 값을 증가시키는데 필요한 광자의 숫자로 카메라의 절대 감도 임계 값을 정의한다. 그러나 이는 픽셀의 크기를 고려하지 않는다. 절대 감도 임계 값에 도달하기 위해 두 픽셀에 필요한 광자의 수가 서로 같고 한 픽셀의 크기가 다른 광자의 두 배일 경우 더 큰 픽셀이 실제로 더 적은 빛을 필요로 하고 더 작은 광자보다 더 민감하다. 이것이 Lumenera가 감도를 다음과 같은 단위로 나타나는 이유이다.

DN을 1로 설정한 경우, 이 값은 픽셀 영역에 떨어지는 빛 에너지가 픽셀의 디지털 번호를 1씩 증가시키는 것을 나타낸다. 이렇게 하면 픽셀 크기에 맞게 디지털 화되므로 감도를 더 직접적으로 비교할 수 있다. 하단 라인은 카메라 데이터 시트에 지정된 감도 값이 높을수록 잡음층 위에 있는 사용 가능한 신호를 얻는데 필요한 빛이 줄어든다는 것이다.

- 노이즈 정의
잡음 층은 영상 촬영 시스템의 모든 노이즈 소스 합계에 따라 결정된다.
카메라에 의해 결정되는 두 가지 주요 잡음의 원천은 읽기 노이즈와 어두운 전류 노이즈다. 읽기 노이즈는 카메라가 이미지를 촬영할 때마다 발생하며 어두운 전류 노이즈는 열 및 시간에 따라 달라진다. 노출 시간이 카메라가 더 뜨거울수록 더 많은 어두운 전류 노이즈가 발생한다.
이러한 노이즈 소스는 데이터 시트에 각각 초당 전자 및 전자 단위로 나열되어 있다. 이는 센서의 반도체 격자 구조에서 의도치 않게 해제된 전자의 수를 지정한 다음 신호로 수치를 지정한다.

- 어떻게 민감도와 노이즈가 비행에 영향을 미치는가?
카메라의 감도는 사용할 수 있는 노출 시간에 직접적인 영향을 미친다. 또한 감도가 더 뛰어나 셔터 속도를 더 빠르게 할 수도 있다. 항공기의 속도는 카메라의 셔터 속도에 직접 연결된 모션 블러에 의해 제한된다. 따라서 감도가 더 높은 카메라는 더 짧은 노출 시간을 사용할 수 있기 때문에 항공기가 더 빠른 속도로 이동할 수 있도록 해준다.
노이즈는 카메라의 게인(카메라 센서의 일부인 승산기 회로)과 연관되어 있다. 이득은 신호와 노이즈를 임의로 증폭시킬 수 있으므로 노이즈를 줄이면 이미지 데이터 무결성을 유지하면서 더 높은 이득을 사용할 수 있다. 이를 통해 항공기 지상 속도를 더욱 높일 수 있도록 노출 시간을 단축하게 한다.

셔터 타입
카메라는 일반적으로 두 가지 종류의 셔터(글로벌 또는 롤링) 중 하나가 제공된다. 롤링 셔터는 센서의 각 라인을 한 번에 하나씩 빠르게 연속적으로 노출하도록 구성되어 있는 반면 글로벌 셔터는 모든 픽셀을 한꺼번에 노출시킨다. 노출 중에 프레임을 통과하는 높은 속도로 움직이는 개체가 있는 경우 롤링 셔터에 흐리거나 얼룩이 질 수 있다. 하지만 글로벌 셔터는 모든 픽셀을 동시에 노출시켜 이동하는 개체를 고정하기 때문에 이러한 인공물(artifact)을 제거한다.
기존에 CCD 센서가 글로벌 셔터와 함께 작동하는 유일한 센서였으며 롤링 셔터 기능이 CMOS 센서에 그대로 남아 있다.

 하지만 CMOS 기술이 CCD를 넘어서기 시작하면서 소니의 Pregius 센서와 같은 고품질의 글로벌 셔터 CMOS 센서들이 현재 시중에 나와 있다. 

- 항공 이미지를 위한 이상적인 셔터 타입
지상 속도를 최대화하는 것이 중요한 경우 글로벌 셔터 카메라가 항공사진에 대해 유일하게 사용 가능한 옵션이다. 흐릿한 계산과 마찬가지로 롤 셔터 카메라를 사용하는 경우에는 각 픽셀 행이 인접 행에 약간의 지연을 보이기 때문에 항공기의 움직임이 이미지에 인공물을 형성시킨다.
이렇게 하면 위의 그림과 같이 이미지에 왜곡이 생긴다.

다이내믹 레인지
동적 범위는 카메라가 그림자를 얼마나 잘 볼 수 있는지를 결정하는 정량화 가능한 방법이다. 다시 말해, 이것은 카메라가 단일 이미지의 세부 정보를 추출할 수 있는 밝기 수준의 범위를 나타낸다. 산업용 카메라의 경우 동적 범위는 일반적으로 로그 스케일인 데시벨(dB)로 지정된다.
소비자 사진 세계에서 이와 동등한 것은 ‘노출 값(EV)’ 또는 ‘정지’ 이다. 렌즈를 통해 통과하는 빛의 양은 개구부가 완전한 f-stop에 의해 증가할 때마다 두 배가 된다. 여기서는 한번 노출 시 카메라가 몇 번의 정지를 감당할 수 있는지에 따라 동적 범위가 평가된다.
동적 범위를 정지 상태의 동적 범위로 변환하려면 DR(Dynamic Range)이 동적 범위인 다음 공식을 사용하면 된다.

동적 범위는 신호 대 노이즈 비율과 같지 않다. 두 가지 모두 데시벨 단위로 표시될 수 있지만 동적 범위는 카메라가 커버할 수 있는 전체 범위이지만 신호 대 노이즈 비는 사용 가능한 신호에 따라 달라지고 항상 동적 범위보다 작다. 동적 범위가 더 넓기 때문에 영상에 더 넓은 범위의 가능한 신호 대 노이즈 비가 존재할 수 있다. 

비트 깊이
카메라 비트 깊이는 각 픽셀이 측정되는 정밀도를 나타낸다. 비트 깊이는 전자적으로 저장되는 데이터의 이진법에서 온다. 각 비트의 값은 0 또는 1이 될 수 있다. 이는 지수 관계이므로 각 추가 비트의 잠금이 해제될 때마다 데이터가 두 배로 증가한다. 픽셀 당 사용 가능한 음영의 수는 비트 깊이에 대해 2를 적용하여 계산할 수 있다. 표준 이미지는 일반적으로 컬러 채널당 8비트의 비트 깊이를 가지며 이는 거의 천 7백만 개의 별개 색상에 해당한다. 색상 채널당 비트 깊이가 12 또는 14 비트로 증가하면 색상 데이터는 각각 680억 색상과 4조 색상 이상으로 크기에 따라 증가하게 된다.

- 비트가 얼마나 필요한가?
비트 깊이 요구 사항은 시스템 설계에 따라 달라진다. 만일 이 카메라에 의해 생성된 시각 자료가 사람에 의해서만 볼 수 있도록 되어 있다면, 한 컬러 채널당 깊이에 대한 표준 8비트만으로도 충분하다. 하지만 NDVI 또는 항공사진 측량과 같은 분석이나 측정이 데이터에 대해 수행되어야 한다면, 더 높은 비트 깊이가 필요할 것이다.

신뢰성에 대한 추가 입증
카메라 안정성은 영상 페이로드용으로 카메라를 선택할 때 고려해야 하는 요소이다.
하지만 데이터 시트에서 쉽게 확인하거나 비교하는 것은 아니다. 최대 및 최소 운용 온도와 같은 요인을 비교할 수 있지만 전체 내용을 의미하지는 않는다. ‘산업용 카메라’ 라는 이름만으로도 훌륭한 신뢰성의 출발점이 된다. 일반 사용자 등급의 DSLR과 달리 이상적인 작동 조건 이하에서 연속적인 사용을 위해 설계되었음이 입증되었다는 의미이기 때문이다. 보증 기간 또한 카메라의 신뢰성을 나타내는 표시이다.
예를 들어, Lumenera는 일반적으로 1년에서 2년의 보증기간을 갖는 DSLR과 비교해볼 때, 모든 카메라에 대한 업계 최고 수준인 4년 보증을 제공한다.
- 전자 셔터
산업용 카메라는 일반적으로 두 가지 방법으로 항공사진에 유용한 기계식 셔터 대신 전자 셔터가 있다. 첫 번째, 움직이는 부품이 없기 때문에 전자 셔터에 진동이 없다. 이렇게 하면 선명한 이미지를 얻을 수 있도록 흐릿하게 보이는 것을 줄일 수 있다. 둘째로 움직이는 부품이 없다는 것은 카메라가 시간이 지남에 따라 DSLR와 같은 카메라에 일반적인 기계적 결함에 취약하지 않다는 것을 의미한다.

- 절연보호코팅(Conformal Coating)
Lumenera는 카메라의 회로 기판에 추가적인 보호를 제공하기 위해 적합한 코팅을 사용하는 등의 사용자 지정 작업을 수행하여 카메라의 내구성을 더욱 높일 수 있다. 절연보호코팅은 PCB에 매우 얇은 중합체 막을 도포하여 카메라의 내부 회로에 응결이 발생할 위험을 줄이는데 도움이 된다.

- 크기, 무게, 그리고 파워 (SWaP)
작은 크기, 낮은 무게, 그리고 낮은 전력 소모는 무인 항공 시스템에 중요하다. 이는 더 긴 비행시간과 더 작은 설계를 가능하게 한다. 소니 프리미엄 기반 산업용 카메라는 CMOS 센서가 CCD 센서보다 전력을 훨씬 더 요구하기 때문에, UAS 페이로드에 고려할 수 있는 훌륭한 옵션이다.
그들은 또한 더 작은 폼 팩터를 가지고 있을 수 있도록 해주는, 가동에 더 적은 전자 부품을 필요로 한다. Lumenera 는 페이로드 무게를 더욱 줄이기 위해 이러한 카메라의 보드 레벨 변형을 생산할 수 있다.

자료제공 : Lumenera