ITS 애플리케이션의 야간 플래시 조명 지침

JAI 

ITS 애플리케이션용 카메라는 짧은 노출 시간으로 이미지의 모션 블러(motion blur)를 방지한다. 일반적으로 노출 시간은 최대 몇 밀리초(milliseconds)다. 그러나 짧은 노출 시간은 모션 블러 제거에 긍정적 영향을 미치지만, 카메라 민감도에 부정적인 영향을 미친다. 카메라의 감도는 노출 시간의 선형 함수 관계에 있다. 노출 시간이 짧을수록 센서에 축적되는 빛이 적다. 그래서 야간에 작동하는 교통 카메라는 밝게 빛나는 지역에 있지 않는 한 일반적으로 번호판, 차량, 또는 두 가지 모두 쓸 수 있는 이미지를 만들 수 있는 특수 광원으로 지원해야 한다.

요금징수, 비디오 시행, 또는 기타 목적의 카메라가 포함된 ITS 솔루션 구현에 관여하는 경우 환경의 일부로 조명을 포함해야 할 가능성이 있다. 이 기사에서는 계획과 구현에 도움이 되는 몇 가지 권장 사항과 간단한 배경 정보를 제공한다.

다양한 종류와 광원의 색상

ITS 애플리케이션에 대한 추가 조명에는 두 가지 주요 형태가 있다. 지속적으로 조명하는 홍수 조명(flood light)이거나 차량이 지나갈 때만 점등되는 게이트 트리거(레이저 트리거), 또는 도로 트리거 광원(road-triggered light source)이 있다. 후자의 타입은 ‘플래시(flash)’ 광원으로 불리며 ITS 애플리케이션에서 매우 일반적이다.

교통 애플리케이션에 사용되는 플래시는 홍수 조명과 같이 가시광선, 또는 적외선이 될 수 있다. 플래시 장치의 조명 색상은 상업적으로 이용할 수 있는 LED 색상일 수 있지만 일반적으로 스펙트럼의 근적외선(NIR) 영역에서 흰색(광역 스펙트럼), 또는 IR이 가장 일반적으로 사용된다. 사용할 올바른 유형 및 색상의 빛은 설계 제한 사항에 따라 달라질 수 있다.

예를 들어, 애플리케이션이 많은 숫자의 번호판에 빨간색 문자가 있을 가능성이 있는 영역에 있는 경우, 빛의 파장으로 인해 판을 읽을 수 없으므로 IR 조명은 좋지 않은 선택이다. 이 경우 백색 광원을 사용할 수도 있으며, 만약 이 백색이 눈을 너무 혼란스럽게 한다면 청색 광원이 방해가 덜 되는 옵션일 수도 있다.

역 반사광(retro-reflective light)을 이용한 번호판 이미지 캡처

이미지를 생성하는 것은 사용하는 교통 플래시의 색깔에 관계없이 빛의 반사 원리에 의존한다. 반사의 법칙은 들어오는 빛과 법선 사이의 각도가 반사되어 나가는 빛과 법선 사이의 각도가 동일하다는 것을 나타낸다. 이 법칙은 항상 유효하지만, 물체의 다른 표면 특성이 다양한 유형의 반사를 유발할 수 있다. 이러한 반사 유형은 확산 반사, 정 반사, 그리고 역 반사의 세 가지 주요 범주로 분류된다.

확산 반사: 확산 반사는 ‘거친’ 표면을 갖는 물체, 즉 다수의 작은(종종 미세한) 형상, 또는 각도로 이루어진 표면에 의해 발생한다. 식물, 의류, 흙 및 건조한 도로 표면이 그 예가 된다. 이러한 거친 표면은 들어오는 빛을 여러 방향으로 반사시킨다. 이 산란으로 인해 카메라에 의해 수신된 세기가 광원에 비하여 현저히 감소된다. 이것은 노출 목적을 위한 ‘기본’ 레벨로 생각할 수 있다.

정 반사: 표면이 매끄러울 때 정 반사가 발생한다. 금속, 유리, 그리고 잔잔한 물이 정 반사를 나타내는 표면의 좋은 예다. 여기서 물체에 부딪치는 빛의 파동은 반사의 법칙에 따라 모두 같은 방향으로 반사되는 경향이 있다. 그러나 표면이 평평한지, 혹은 구부러졌는지, 그리고 빛에 대해 어떻게 경사져 있느냐에 따라 노출에 다른 영향을 줄 수 있다. 반사 각도가 카메라를 똑바로 가리키도록 광원을 향하면, 반사 표면이 밝은 눈부심을 유발할 수 있다. 그러나 빛이 카메라에서 반사되도록 반사각도를 기울이면 어두운 영역이 발생할 수도 있다.

역 반사: 역 반사는 최소의 빛 산란으로 시작된 곳과 같은 방향으로 빛을 반사하는 것이다. 유리 구슬, 프리즘형 반사경, 또는 반사 법칙을 활용하여 구석에 정확하게 겨냥된 당구공을 형성할 수 있는 것과 동일한 방식으로 조명을 광원 쪽으로 되돌려 보내는 방식으로 특수 설계된 표면이 필요하다. 역 반사는 거리 표지판, 차량 테일 라이트, 그리고 번호판의 경우에 활용된다.

ITS 애플리케이션은 광원을 카메라 렌즈 가까이에 배치하여 번호판의 역 반사 특성을 활용할 수 있다. 이것은 종종 교통 카메라의 렌즈를 둘러싼 ‘링 라이트(ring light)’의 형태를 취한다. 이 ‘축 상(on-axis)’ 빛의 산란이 거의 없기 때문에 번호판을 적당히 노출시키려면 빛의 강도가 별로 필요하지 않다. 이렇게 하면 짧은 노출 시간을 사용하여 모션 블러를 최소화할 수 있다.

그러나 위에서 설명한 역 반사 설정을 사용하면 나머지 장면의 확산 반사 및 정 반사보다 훨씬 더 높은 역 반사의 강도로 인해 검은색 배경에 번호판이 떠 있는 것처럼 보인다. 번호판을 모두 캡처해야 하는 경우 이 방법은 이상적이다. 필요한 광도를 줄이고 OCR 엔진이 그림의 혼란을 덜 일으키기 때문에 판을 읽을 때 더 쉽고 빠르기 때문이다. 이 기법은 카메라 렌즈 앞에 적외선 플래시와 적외선 밴드 패스 필터를 사용하여 주간에서도 차량 주변보다 높은 명암비를 제공할 수 있다.

야간 이미지에 차량 번호판과 차량이 모두 포함되어야 하는 경우에는 별도의 고전력 교통 신호등을 지원 광원으로 추가해야 한다. 이미지가 차량의 색상을 캡처해야 하는 경우 적외선이 색상 정보를 올바르게 렌더링(rendering)하지 않으므로 일종의 백색 광원을 사용해야 한다.

눈에 보이는 흰색 교통 플래시를 이용한 올바른 색상 이미지 캡처

이전 섹션에서 언급했듯이 차량의 색상을 올바르게 캡처하려면 흰색 광원이 필요하다. 그러나 이것은 운전자에게 문제를 일으킬 수 있다. 어둠 속에서 갑자기 밝아지는 섬광이 운전에 많은 방해가 되지만, 꾸준히 밝게 넘치는 빛은 운전자에게 다가오는 것처럼 보인다. 대부분의 ITS 애플리케이션은 뒤에서 찍은 차량의 이미지만 필요로 하지만, 눈에 보이는 흰색 조명은 반대 방향의 교통흐름에 큰 문제가 될 수 있다.

불행하게도, 근적외선과 같은 보이지 않는 옵션은 컬러 이미징을 지원하지 않는다. 그러나 자유 통행 흐름, 속도 감시, 그리고 적색등 감시와 같은 교통 이미징 애플리케이션에서는 일반적으로 번호판, 자동차, 그리고 주변 환경의 올바른 색상이 요구된다. 필요한 것은 운전자에 대한 주의 산만한 문제를 최소화하면서 올바른 색상 재현을 얻기 위해 백색광을 사용하는 방법이다.

백색광으로 인한 불편함 감소

백색 조명 플래시로 인한 불편함을 줄일 수 있는 한 가지 방법은 교통 플래시를 지속적으로 조명 강도를 낮추도록 설정한 다음, 이미지를 촬영할 때 높은 강도로 플래시를 설정하는 것이다.

JAI는 이 기능을 교통 안전 모드라고 부르며 빛으로부터 오는 섬광의 산만함을 크게 줄이는 것으로 확인되었다. 일정한 빛의 전류가 깜박이는 전류보다 300배 더 낮으며 이것이 사실이다. 그러나 운전자에게 접근하는 경우, 항상 켜져 있는 낮은 강도의 광선은 플래시가 강도에서 훨씬 적은 차이를 보이는 것처럼 보인다.

겐트리에 카메라와 플래시가 올바르게 장착되어 있어야 한다

고출력 플래시 장치를 야간 조명용으로 사용하는 경우, 카메라와 플래시 사이의 특정 설치 거리(일반적으로 1m)를 준수하는 것이 좋다. 카메라와 플래시 장치가 겐트리에 너무 가깝게 설치되면, 역 반사 번호판에 너무 많은 빛이 도달하여 카메라 센서가 과다 노출된다. 결국 OCR 엔진이 읽을 수 없거나 불가능해질 수 있다. 또한, 거리에 따라 빛 강도가 기하급수적으로 감소하므로 플래시 장치에서 차량까지의 거리를 고려해야 한다(그림 참조).

주변 조명을 기반의 카메라와 플래시 스트로브(flash strobe) 설정

플래시의 펄스 폭은 일반적으로 카메라의 노출 시간과 동기화되며, 이는 모션 블러 없이 고대비 이미지를 보장하기 위해 최소로 유지되어야 한다. 주변 환경이 어두운 농촌 지역의 경우 조명이 저전력 링 라이트 플래시(플레이트 이미지만 필요한 경우), 또는 오프 액시스(off-axis) 플래시 장치(적절한 축외 각도 및 광도가 사용되는 경우 판과 차량을 포착할 수 있음)에서 비롯된다. 두 경우 모두 장면의 주변 빛이 없기 때문에 카메라의 노출 시간을 플래시의 펄스 폭과 동기화하는 것은 논리적이다.

도시 지역에서 야간에 교통 카메라를 사용할 때 상황은 조금 다르다. 이러한 환경은 일반적으로 가로등의 배경 조명이 있기 때문에 교통 카메라의 노출 시간을 길게 만들어 주변에서 빛을 축적하여 차체를 더욱 잘 노출시킬 수 있다. 노출 시간이 길어질수록 약간의 모션 블러가 발생하지만, 이미지에서 라이선스 플레이트를 ‘동결’하고 최대한 선명하게 유지하려면 플래시 장치(자유롭게 프로그래밍 가능)를 더 짧은 플래시 스트로브로 설정할 수 있다.

이러한 상황에서는, 야간 시간 이미지가 차체에 약간의 모션 블러를 허용하는 경우가 종종 있다. 짧은 플래시 스트로브는 최적의 OCR 판독을 위해 번호판이 명확한 초점으로 유지되도록 보장하기 때문이다.

자료 제공: JAI(www.jai.com)