코로나19 열화상 카메라의 올바른 조건
TeledyneDALSA
코로나19가 장기화되면서 바이러스 탐지하는 올바른 도구를 찾고 있다. 이를 위해 제안된 솔루션 중 하나는 열 스캐너이다. 대부분의 의료 이미징 방식과는 달리, IR 열화상 촬영은 고가의 방사선 장비등이 필요하지 않으며 건강에 해를 입히지 않는다. 열화상 카메라는 피부에서 방출되는 적외선을 감지할 수 있으며 주변 환경에 대한 정보를 사용하여 피부 온도를 추정하고 출입자에 대한 체온을 바르게 감지할 수 있다.
열화상 카메라 시스템이 할 수 있는 일은 많이 있다. 예를 들어 대규모의 개인 집단을 더 작은 집단으로 빠르게 좁힐 수 있다. 이러한 시스템은 정교한 고정 위치 스캐너 및 휴대용 온도계를 포함한 형태로 다양하게 제공될 수 있다.
서아프리카에서 발생한 에볼라, 2003년의 급성 호흡기 증후군, 2009년 인플루엔자 발생과 같은 전염병 발생에 대한 비접촉식 대량 스크리닝 방법은 노트북과 열화상 카메라 였다. 공항과 같이 신속한 처리를 요하는 공공 환경에서는 다른 옵션이 많지 않다. 즉각적인 격리가 필요한 감염자를 식별할 수 있는 실시간의 체온 측정이 필요하기 때문이다.
적외선 시스템의 정확도는 사람, 환경 및 장비의 변수에 영향을 받는다. 이러한 변수를 이해하면 사용자와 시스템 제작자가 최상의 결과를 제공받을 수 있다.
고려 사항1 : 사용자에 대한 고려
과거 아시아에서는 빠르고 비용 효율적인 IR 온도계가 공항과 같은 공공장소에서 스크리닝을 위해 사용되었다. 질병 통제 예방 센터는 IR 온도계가 카메라 기반 시스템보다 정확하다고 말한다. 물론 온도계는 사용하기 간편할 수 있다.
하지만 온도계에는 약점이 있다. 첫째, 사용자가 사회적 거리두기 유지를 벗어나게 되어 모든 사람의 위험을 증가시킨다. 또한 단일 지점의 온도만 측정하면 표면의 변화를 쉽게 설명 할 수 없거나 상황에 맞는 체온의 '큰 그림'을 얻을 수 없다.
2015년에 돼지 독감을 감지하려는 연구자들은 싱가포르 공항의 덥고 습한 환경에서 체온을 측정하는 데 어려움을 겪었다. 그들은 온도계 및 구형 열화상 카메라를 대신하여 SARS를 탐지하는 데 새로운 카메라를 사용했다. 이 중 일부는 1도 이하의 정확도로 온도를 측정했다.
새로운 카메라 시스템은 자동 표적 인식, 고해상도 열화상 카메라, 가시광선 카메라 페어링, 전염병 사례에 대한 자동 경보, 고온에 대한 명확한 개요 등 기술을 쉽게 사용할 수 있다. 2018년에 연구원들은 ‘발열 진단을 위한 적외선 열화상 측정기의 표준화된 성능 테스트를 위한 모범 사례’에서 카메라가 귀 또는 입을 온도계로 직접 족촉하는 방법보다 효과적이라고 발표했다.
Teledyne DALSA의 소프트웨어 Bruno Menard는 “이미징 도구를 지원하는 최신 열화상 시스템은 공항과 창고와 같은 환경에서 체온 측정을 초기에 수행할 수 있다."고 말했다.
LUT를 사용한 임계 값: Calibir GXM 및 제어 소프트웨어를 사용하면 자신만의 LUT를 설정할 수 있다. 나머지는 단색으로 유지하면서 목표 온도를 색상으로 표시한다. 여기에서는 38~41°C 사이의 모든 것이 빨간색으로 표시된다. (그림 1)
초정밀을 위한 프레임 에버리징: Calibir GXM은 움직임에 대한 허용 오차에 따라 조정할 수 있는 스마트 프레임 평균화 기능을 지원하므로 매우 낮은 NETD 값에 도달할 수 있다. (그림 2)
우수한 다이나믹 레인지: Calibir GXM의 범위는 타사 감지기와 비교된다. 일관된 NETD <0.05°C와 함께 1500°C 이상의 온도 범위는 고급 21 비트 ADC 설계를 통해 가능하다. Calibir GXM은 전례 없는 방사 측정 세부 정보를 제공한다. (그림 3)
검사영역 설정과 메타 데이터: 카메라 내에서 최대 2개의 검사 설정 영역(ROI)을 정의할 수 있다. 크기, 위치 및 최소 최대 평균 온도, 다른 유형과 결합하는 데 사용할 수 있는 메타 데이터 프로토콜에서 사용할 수 있는 이미지 센서 정보이다. (그림 4) 이러한 발견에서 얻은 통찰력은 사람들이 열 감지 접근 방식을 계획하는 데 도움이 될 것이다. 최신 열화상 카메라 시스템은 간단한 사용 설명으로 온도계보다 신뢰할 수 있는 결과를 제공할 수 있다.
고려 사항2 : 베이스라인 설정
환경이 온도 측정에 영향을 미칠 수 있기 때문에 제조업체는 건강한 사람 약 10명을 카메라로 스캔하고 판독 값을 저장하는 것이다. 이후에 스캔된 대상은 모집단 기준과 비교한다. 다만 이것에는 몇 가지 문제가 있다. 바이러스, 특히 코로나19의 잠복기 시간과 테스트의 불안정성으로 인해 누가 건강한지 알 수 없다는 점이다. 코로나19는 개인 간에도 상당한 차이가 있기 때문이다.
개선된 접근 방식은 특정 온도 또는 온도 범위에서 스스로를 유지하도록 설계된 장치로, 주변 온도가 변하더라도 열화상 카메라 시스템이 찾고 있는 온도에 대해 자동으로 보정 할 수 있다. 측정하는 동안 흑체를 시야에 배치해야 이미징 소프트웨어가 카메라 단독으로 할 수 있는 것보다 더욱 정확한 값으로 보정할 수 있다.
카메라에 도달하는 적외선 신호의 강도를 특정 온도로 해석할 수 있는 방사 측정 카메라가 좋다. 이를 위해서는 제조업체의 엄격한 설계 및 테스트가 필요하다. 이미지 균일성은 중요한 매개 변수이다. 피사체가 이미지의 정확히 중앙에 있을 필요는 없다. 높은 해상도 또는 낮은 감지 가능 온도 차이와 함께 균일성을 통해 정확하게 측정할 수 있다.
고려 사항3 : 올바른 장소
우리는 일반적으로 열화상 카메라를 군중 속으로 향하게 한다. 이러한 설정은 체온 측정의 정확성에 기하는 데에 상당한 결함이 있다. 열화상 카메라는 표면 온도만 감지할 수 있지만, 피부의 여러 지점은 코어 체온과 더 밀접한 관련이 있다. 최근의 과학적 연구에 따르면, 인간의 얼굴에서 가장 신뢰할 수 있는 부분은 눈꺼풀, 위와 아래 눈꺼풀이 만나는 부분이다.
여러 연구에 따르면 적외선 열화상으로 측정한 눈 안쪽 안각의 온도는 심부 온도를 추정하는 데 적합한 방법이다. 이보다 정확한 테스트는 대상자가 휴식, 운동 및 회복과 같은 다양한 활동을 할 때이다.
고려 사항 4 : 거리 및 성능 확인
카메라 성능을 하나씩 신중하게 검토하는 경우가 많지만 현장에서는 상황이 더 복잡할 수 있다. 사람들은 화장을 하거나 생리적 스트레스를 받고 있거나 땀을 흘리거나 모자를 쓰고 있을 수 있다. 움직일 수 있다.
이러한 상황에서 사람들을 시스템에 가능한 한 근접하면서 핵심 체온을 추정하기 위해 눈의 안각에 균형 있게 조정해야 한다. 장파 적외선 이미징의 제약 조건 중 하나는 저해상도이다. 단파 적외선은 환경에서 반사된 빛과 피사체에서 방출되는 빛을 보는 반면 열화상은 피사체에서 방출되는 빛만 본다. 신호가 적다는 것은 해상도가 낮다는 것을 의미한다.
결과적으로 열화상 카메라는 QVGA(320 x 240) 또는 VGA(640 x 480)에서 작동하는 경향이 있어 시스템에서 작업할 픽셀 수가 적다. 얼마 전까지 만해도 산업용 열화상 카메라는 매우 비싸고 사용하기가 매우 어려웠으며 섬세한 보정이 필요했다.
열화상 이미지의 특성은 멀리 있는 피사체를 촬영할 때 문제가 있었다. 카메라는 정확한 측정을 위해 약 3픽셀 x 3픽셀만 필요하다. 거리가 멀수록 대상의 픽셀 수가 적다. 눈의 안각은 주변 피부보다 뜨겁기 때문에 중요한 판독 값을 놓칠 수 있다. 렌즈 옵션은 거리에 따라 이 작은 신체 부위를 확인하는 기능을 제공하는 동시에 정확한 측정을 수행하기에 충분한 픽셀을 제공한다. 온도 검사가 수행되는 거리에 따라 0.7~10m 사이의 구성이 필요하다.
Teledyne Imaging의 Uncooled IR 사업부 Arnaud Crastes는 “실제로 VGA 카메라를 사용하면 5미터 범위에서 최대 4명까지 스캔 할 수 있다. 이미징 처리 도구를 사용하면 관리가 더 쉬워진다.”고 말했다.
흑체는 카메라의 기본 정확도를 높이는 데 도움이 될 수 있다. 흑체는 피사체와 동일한 거리에 카메라에서 배치해야 하며, 최소 20x20 픽셀의 픽셀 클러스터는 IEC 표준에 따라 신뢰할 수 있는 결과를 제공한다. 이러한 접근 방식을 통해 카메라는 발생할 수 있는 온도 변화를 고려하여 뛰어난 정확도를 얻을 수 있다.
고려 사항 5 : 열화상 이미징 성능을 위한 필수 조건
열화상 카메라 시스템은 IEC 80601-2-59 의료용 전기 장비와 같은 표준을 충족할 수 있다. 인간의 체온 스크리닝을 위한 안전 및 필수 성능에 대한 요구 사항은 다음과 같다.
• 최소 320 × 240 픽셀 해상도
• 공간 분해능 ≤ 1mm(1mrad)
• 34°C에서 39°C 사이의 정확도 ± 0.5°C
• ± 0.3°C의 정확도와 ± 0.1°C 미만의 안정성을 갖춘 외부 20x20 픽셀 흑체 기준
• 레인보우 컬러 맵 및 온도 디스플레이 해상도 0.1°C
자료 제공: TeledyneDALSA(www.teledynedalsa.com)
