열화상 카메라 도입 시 엔지니어가 고려해야 할 7가지 요소

1. 최신 열화상 기술과 새로운 응용 분야

열화상 카메라 도입 검토 시 열화상에 대한 이해가 필요한데, 열화상 카메라는 물체에서 방출되거나 반사되는 적외선 에너지의 상대적인 강도를 감지한 후 이를 수치화해 표현한다. 적외선 에너지는 사람들의 주변에 항상 존재하며, 눈으로 받아들이는 가시광선 에너지의 양과는 상관이 없는데, 이를 종합해 보면 열화상 카메라가 빛이 아닌 열을 감지하는 야간 투시경과 같은 역할을 수행한다고 할 수 있다. 열화상 카메라에 의해 도출된 온도 값은 열에너지의 차이에 기반을 두고 있는 계산을 거쳐 산출되며, 다양한 산업 분야에서 활용된다. 한편, 열화상 카메라는 열 탐지뿐만 아니라 동작을 감지하는 용도에도 적합한데, 카메라가 내장하고 있는 열 감지 센서가 온도를 통해 물체의 존재를 파악하기 때문에 별도의 거리 센서 없이도 움직임을 측정하는 것이 가능하다.

이로 인해 열화상 카메라는 보안 분야에서도 널리 활용되고 있으며, 가정용 자동화, 게임 및 도로 주행 제스처 인식과 같은 분야에서도 활용되고 있다.

2. 열화상 이미지의 정의

열화상 카메라는 적외선 에너지의 차이를 모니터에서 흑백 또는 컬러 차이로 표현하는데, 여기서 적외선 에너지는 사람의 눈으로 볼 수 없을 만큼 긴 파장을 가진 스펙트럼의 일부다. 열화상 카메라가 이와 같은 적외선 에너지를 측정하기 때문에 카메라 사용자는 면밀히 볼 수 없는 짙은 안개나 먼지 속의 작은 온도 차이 등을 감지할 수 있다. 일반적으로 사람들에게 친숙한 전자 에너지는 가시광선인데, 약 0.39㎛의 대역폭으로 전체 빛에서 매우 좁은 영역을 차지한다. 하지만 적외선 대역은 이와 달리 약 1.0㎛에서 1,000㎛에 이르는 넓은 분포도로 구성되어 있다.

이 같은 적외선 대역을 세분화하면 다음과 같다.

· 단파 적외선: 0.9~1.7㎛

· 중파 적외선: 3~5㎛

· 장파 적외선: 8~14㎛

3. 열화상 카메라의 동작 원리

열화상 카메라는 실생활 속에 존재하는 적외선 에너지를 캡처한 후 디지털 또는 아날로그 비디오 출력을 통해 영상 혹은 데이터를 만든다. 일반적으로 사람들이 사용하는 열화상 카메라는 단파 적외선, 중파 적외선, 장파 적외선 중 한 가지 파장 범위에 대해서만 민감하게 반응하도록 설계되어 있다.

세계적인 열화상 카메라 제조업체인 플리어 시스템이 제조한 장파장 카메라는 바나듐 산화물로 구성되며, 이물질은 장파 복사 방사선 검출을 위한 민감한 물질로 이뤄져 있다. 열화상 카메라의 센서는 이와 같은 소자의 집합체이며, 픽셀이라는 단위가 적용되는데, 열화상 카메라는 일반적인 2D 카메라보다 더 큰 픽셀을 보유하고 있다. 그 이유는 앞서 설명한 것처럼 열화상 카메라가 가시광선 영역보다 더 넓은 스펙트럼의 빛을 검출하기 때문인데, 이와 같은 여러 이유들로 인해 열화상 카메라의 해상도는 일반적인 2D 카메라보다 낮게 설정된다.

열에너지가 검출기에 닿게 되면 판독 장치가 시스템이 받아들일 수 있는 신호로 변환시키는데, 이 SOC(System-on-a-Chip)는 이미 카메라에 내장되어 있어 이미지 처리, 분석 및 기타 고급 기능을 활용해 사용자에게 통합된 기능을 제공한다. 한편, 플리어의 열화상 카메라에 활용되는 렌즈는 게르마늄 또는 칼코겐화물로 제작되는데, 이 물질들은 장파 방사선에서 높은 투과율을 구현한다. 이 같은 열화상 카메라의 렌즈는 일반적인 2D 카메라 렌즈와 동일한 재료로 구성될 수 없는데, 이유는 일반적인 렌즈의 재료가 적외선 에너지를 차단하기 때문이다.

4. 자신에게 적합한 열화상 카메라 선택

‘어떤 해상도와 렌즈가 필요한가’와 ‘어느 정도의 감도가 필요한가’ 등의 질문이 열화상 카메라 선택의 기준이 되는데 첫 번째 물음에 관한 답은 엔지니어에게 어떤 이미지가 필요한지와 엔지니어가 얼마나 먼 거리를 관찰해야 하는지, 어느 수준까지의 이미지 품질이 필요한지에 따라 결정된다. 대개 카메라의 해상도는 세부적인 관찰 범위와 직접적인 연관 관계를 가지는데, 만약 엔지니어가 단지 하나의 작은 개체를 측정하려 한다면 몇 개의 픽셀만으로도 충분하다. 하지만 사람이나 동물 혹은 이보다 더 큰 차량 같은 물체를 측정할 시에는 더 많은 픽셀이 필요하다. 만약 대상체를 구분하기 위한 목적으로 카메라를 사용한다면 조금 전에 설명했던 경우보다 더 높은 해상도가 필요하다.

한편, 엔지니어가 카메라의 해상도와 픽셀의 크기를 알고 있는 상태 하에 대상체와의 거리에서 필요한 FOV(Field of View)를 정했다면 자신에게 필요한 렌즈가 무엇인지 쉽게 알 수 있을 뿐만 아니라 통상 IFOV(Instantaneous Field of View)라고 불리는 공간 분해능 수치를 활용해 단일 픽셀의 화각과 픽셀 크기를 계산할 수 있게 된다. 두 번째 물음의 핵심인 카메라 감도는 NEDT(Noise Equivalent Differential Temperature)에 의해 결정되는데, 이것은 동일한 신호를 생성할 때 발생하는 노이즈의 양을 뜻하는 Singal-to-Noise를 통해 확인 가능하다. NEDT는 대개 mK(milliKelvin)로 표현되며, 숫자가 낮을수록 높은 성능을 지니고 있는데, 플리어의 열화상 카메라는 50mg 이하의 mK 감도를 보유하고 있다.

5. 단순 열화상 이미지와 온도 값의 필요 여부

대부분의 열화상 카메라는 가시 범위 내에서 열에너지의 상대적인 강도 차이만을 제공하지만, 일부 카메라는 사용자에게 보정된 온도 정보를 제공한다. 이를 위해서는 카메라가 방사선(렌즈 재료에 따른 반사), 대기 효과(습기, 기후 조건 및 대상까지의 거리) 및 관찰 대상 물질의 특성에 따른 추가적인 보정 기능을 갖춰야 하는데, 만약 엔지니어가 이 같은 요소들에 관한 지식을 가지고 있고 카메라에 보정 값을 입력할 수 있다면, 대상체의 온도 값을 도출할 수 있다. 이와 관련해 플리어의 열화상 카메라는 사용자에게 정확도와 보정과 관련되어 있는 다양한 설정을 제공하는데, 이로 인해 사용자는 단순히 이미지만 얻을 것인지 아니면 간단한 온도 차이만 나타낼 것인지 또는 보정 기능을 통해 향상된 정확도를 도출할 것인지 등의 요구사항에 따른 설정을 진행할 수 있다.

6. IR 공급 업체의 역할

엔지니어가 열화상 솔루션을 선택할 때에는 기술적인 부분 못지않게 신뢰할 수 있는 공급 업체를 발견하는 일에도 신경을 써야 한다. 엔지니어가 신뢰할 수 있는 열화상 카메라 공급 업체를 선정하는 데 있어서 기준으로 활용할 만한 세부적인 사항은 다음과 같다.

· 품질 관련 신뢰성 보유 여부

· 성공적인 OEM 기록 보유 여부

· 기술 지원 팀의 답변 태도

· 로컬 서비스 가능 여부

· 필요한 정보를 웹 사이트 또는 이메일로 빠른 시일 내에 전송 가능한지의 여부

· 업체의 안정성

· 제품의 발전과 기술 개발이 지속적으로 이뤄지는가에 관한 여부

· 업체가 보유하고 있는 산업군별 지식 수준

7. 총 소요 비용

엔지니어가 OEM 열화상 카메라의 가격이 합리적인지를 알기 위해서는 단가 외에도 여러 요소를 따져보아야 한다. 왜냐하면 통합 시스템의 구축이 어렵거나 추가적인 개발 시간이 필요한 경우와 확장 시간 단축이 어려워 필요한 시점에 제품 출시를 하지 못 할 때에는 누구도 쉽게 인지할 수 없는 비용이 발생하기 때문이다.

이로 인해 엔지니어는 공급 업체 선정 시 다음과 같은 조건을 충족하는 공급 업체를 선정해야 한다.

· 경쟁력 있는 가격 보유

· 통합 시스템 구축의 용이성과 이를 위한 전문 기술력을 보유

· 다양한 문서와 SDK, 애플리케이션 관련 엔지니어를 보유

· 높은 수준의 제품 보증 가능