최근 수년간 영상 센서와 영상처리 분야에서 이루어진 진보는 상당히 높은 성능 수준을 갖춘 비디오카메라의 등장으로 이어졌다. 고성능 광역역광보정 카메라는 영상감시 분야에서 다양한 용도로 수많은 기간 동안 사용되어 왔다. WDR 기능은 영상에서 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분이 동시에 재생 가능하다는 의미이다. 우리는 정보처리 시스템 체계의 성능 수준은 가장 약한 요소의 성능으로 결정된다는 사실을 다른 기술을 통해 알고 있다. 카메라 성능은 괄목할 만한 발전을 이루어왔다. 그래서 여기에서는 렌즈의 정확도와 성능에 대해 다루고자 한다.
극장·호텔·도서관 등의 휴게실, 로비 등의 장소들은 렌즈에 대해 아주 높은 기능을 요구하게 된다.
단순한 호기심이나 재미를 위해서 이상한 안경을 써 보지 않은 사람이 있을까? 어떤 사람들은 스스로 안경을 쓰게 된다. 세상이 달라 보이고 친숙한 것들이 새롭고 신나는 것으로 바뀌기도 한다. 습관은 변할 수 있다. 다시 독서를 시작하기도 하고 군중 속에서 보다 자신 있게 행동하게 된다. 이러한 일련의 사건들로 놀란 사람들은 스스로에게 반문한다. 어떻게 해서 이전에는 제한된 인식들을 절대적인 것으로 믿을 수 있었는지 의아해하며, 비로소 눈을 뜨게 된 사람들은 새로운 시각을 갖게 된다. 필자는 이를 CCTV의 광학 시스템의 핵심 역할을 설명하는 데 사용하고자 한다.
휴게실, 로비 등의 모니터링
특별히 렌즈의 특성과 긴밀히 연관된 현대 감시 카메라의 세 가지 특징들이 있다. 즉, 그것은 광역역광보정(WDR), 높아진 색깔 식별력을 갖춘 천연색 재생, 그리고 IR 조명을 갖춘 카메라 사용과 눈부심 방지기능이 그것이다. 이러한 특징들을 갖춘 카메라들은 감시를 위한 가장 어려운 상황을 해결하기 위해 선호되고 있다.
극장·호텔·도서관 등의 휴게실, 로비 등에서 일어날 수 있는 상황은 WDR 성능의 필요성을 증명한다. 휴게실, 로비 등 일반적으로 큰 창문이 포함돼 있는 방의 감시는 주간에 지속적인 모니터링이 이루어져야 한다. 그리고 많은 경우 밤에도 마찬가지로 지속적인 모니터링이 이루어져야 한다. 낮에는 다양한 역광이 발생할 수 있는 반면에 밤에는 비전문적인 방식으로 설치된 조명이 상당한 문제가 될 수 있다. 관찰자는 주로 방에 있는 사람들, 얼굴이 잘 보이지 않는 사람들을 확인하는 데 관심을 갖고 있다. 배경의 강렬한 빛 때문에 기존의 전통적인 기술을 사용하여 장시간 동안 사용 가능한 영상자료를 얻는 것은 불가능했다. 사람들을 식별·확인할 수 있는 영상을 얻기 위하여 모종의 타협이 이루어져야 했다. 이러한 경우 카메라를 재배치하고 방향 설정을 다시 함으로써 방해가 되는 역광의 문제를 해결하려고 하기도 했다. 그러나 현대의 유리 건물에서나 고가의 예술작품이나 보석 전시장 같은 곳에서는 그러한 타협이 자주 시도되지 않는다. 믿을 수 있는 해결책은 자동 작동 모드로 역광 상황을 해결할 수 있는 카메라를 통해서만 제공될 수 있다.
이러한 요건은 정상적인 작동에서 역광의 보충이라는 단순한 변화를 훨씬 초월하는 것이다. 왜냐하면 역광 상황은 일출과 기상조건이 변화한 뒤 몇 시간 후에나 개선될 것이기 때문이다. ‘역광보정 기능’과 관련된 카메라 메뉴에서 찾을 수 있는 선택은 충분치 않을 것이다. 오히려 감마 보정, 대조 범위, 대역폭 조절 등의 진보한 기술에 의해서만 실현될 수 있을 뿐이다.
유명한 상점 체인의 경우 최첨단 기술의 WDR 카메라를 사용하여 빛이 강력하게 반사된 선반과 반짝이는 대리석 바닥에 있는 제품들을 모니터링한다. 기술적인 이유들로 인해 특정한 카메라들은 넓은 공간 모니터링 시에 아주 유용한 특징인 눈부심 방지 기능을 지닌다. 극도로 밝은 빛은 후광을 만들어내며 그 크기는 적절한 센서 기술을 사용함으로써만 최소화될 수 있다. 아침의 태양이 화면의 사람 옆에 위치하면 그 사람의 얼굴은 분명히 지나치게 밝아서 오히려 잘 보이지 않는다. 카메라에 똑바로 향하고 있는 LED 램프조차도 눈부심 방지기능을 갖춘 WDR 카메라를 약간은 방해할 것이다. 왜냐하면 고성능 WDR 카메라는 그림자뿐만 아니라 빛의 원천도 디테일하게 재생하기 때문이다. 또한 넓은 지역의 상황에 대한 시나리오는 카메라 노출 조절에 대한 보다 까다로운 조건이 요구된다. 개인들은 적절한 영상의 밝기에 노출되는 것은 필수적이다. 이를 확보하기 위해 일부 제품은 특별한 사전 조절기능을 제공한다. 이로써 창문 앞에서 아무리 어둡게 보이더라도 그 사람은 항상 아주 자세하게 보일 수 있는 것이다.
렌즈 요건
넓은 공간의 모니터링에 특별히 맞추어진 카메라는 개별적으로 선택 가능한 영상 디테일의 기능을 특징으로 한다. 이는 소위 역광 지대라는 것이다. 이 지대는 크기 변화가 가능하고 따라서 화면 내에서 적절하게 배치될 수 있다. 이 영상 디테일에서 밝기의 배분은 노출 조절, 대역폭 조절, 감마 보정을 위해 사용된다. 이 기능은 역광보정을 위한 보다 많은 가능성을 제공한다. 현재 설치된 주·야간 카메라의 수는 지난 몇 년 동안 상당히 증가했다. 이런 이유로 IR 조명뿐만 시각적 식별을 위해 다소 보정된 주·야간 렌즈가 점점 더 많이 사용되고 있다.
일반적으로 비구면 렌즈 디자인은 완전히 열린 조리개와 함께 높은 선명도와 선명한 명암 대비를 얻기 위해 사용된다. 중요한 요소인 렌즈 디자인 이외에 최소한의 미광, 눈부심 방지, 높은 명암 대비, 그리고 부분적인 컬러 재생은 코팅 품질에 따라서도 상당히 달라진다.
주·야간 렌즈는 보다 광범위한 스펙트럼 범위를 통해 보정될 필요가 있다. 이것은 작은 렌즈 표면에서는 실현이 어렵다. 따라서 다음의 문제들이 발생한다.
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야간 작동 시에 번짐 현상
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가시광선에서 적외선으로 이동할 때 초점의 이동
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가시광선 내의 컬러 프린징(굴절률의 차이로 인해 색상간 초점이 이동하여 여러 색이 겹치는 현상)
영상 부분과 코마의 팽창은 완전히 조리개가 열린 상황일 때 일부 물체에서 선명하게 나타나고 특히 야간의 반점이 있는 빛의 영상에서 두드러지게 나타난다.
WDR 카메라는 특히 빛이 있는 상황에서 ‘문제 해결사’ 역할을 수행할 수 있다.
넓은 지역을 커버하는 영상들은 밝은 배경 앞에서 어두운 사람을 분명하게 보여주기 위해 높은 명암 대비와 미광에 대한 저 민감도가 특히 필요하다는 것을 보여주고 있다. 흔히 만날 수 있는 또 하나의 현상은 ‘밝은’ 부분과 ‘어두운’ 부분이 충돌하는 부분에서는 전 공간에 걸쳐 푸른빛이 퍼져 보인다는 것이다. 이러한 효과는 푸른 색 컬러 프린징이라고 한다. 이런 현상은 가시광선으로 충분한 채도 보정이 되지 않는 렌즈에서 일어난다.
이러한 현상이 발생하는 이유는 흰색이 모든 색상의 요소를 구성한다는 사실로 쉽게 설명될 수 있다. 렌즈에 사용되는 유리의 종류는 색상마다 다른 굴절률을 가지고 있고(분광), 이것은 렌즈 시스템에 맞는 적당한 유리 타입을 선택할 때 반드시 고려되어야 하는 사항이다. 이러한 컬러 에러를 보이는 렌즈들은 나머지 가시광선 스펙트럼 중에서 푸른색에 대해 다른 초점을 가진다. 이 말의 의미는 ‘어두운’ 부분과 ‘밝은’ 부분이 만나는 선의 푸른 색 이미지 초점이 잘 잡히지 않는다는 의미이다.
발전된 카메라 기술이 제공하는 높은 수준의 성능 때문에 이러한 카메라들이 특정한 빛(조명) 상황에서 ‘문제 해결사’로 점차 사용되고 있는 추세이다. 이러한 특별한 기술 덕분에 이전의 전통적인 기술에서와 마찬가지로 렌즈의 장점과 단점이 보다 분명하게 드러난다. 따라서 카메라 제조업체들은 카메라에 맞는 고성능 렌즈 사용이 요구된다.
<글 : Dr. Kai Pahlke, Dallmeier electronic GmbH & Co.KG(www.dallmeier-electronic.com)>
[월간 시큐리티월드 통권 제147호 (info@boannews.com)]
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