야간에 CCTV 시스템의 설치와 활용

Night-Time CCTV : The Future of CCTV Lighting

CCTV 시스템에서 조명의 역할은 매우 중요하다. 여기서는 미래의 CCTV 조명으로 각광 받고 있는 LED 기반의 조명기를 통해 실현 가능한 비용절감 효과와 CCTV 조명의 운영비용 산출방식에 대해 설명한다.

CCTV 조명의 미래

LED가 조명의 미래라는 것은 의심의 여지가 없다. 최근 수년간 그 사용은 폭발적으로 증가했고 심지어 자동차 전조등과 교통신호등과 같이 기존 분야에서도 LED 기술을 수용하고 있다. 여기서 중요한 질문은 왜 LED가 조명의 미래인가라는 것인데, 그 이유는 다음과 같은 2가지 이점 때문이다.

·긴 수명

·낮은 운영 및 유지비용

대부분의 사람들은 LED의 수명이 매우 길다는 것에 대해서는 알고 있지만, 조명 시스템과 관련해서 운영 및 유지비용에 대한 이해수준은 낮다. 실제 LED는 엔드유저에게 엄청난 비용의 절감효과를 가져다주는데, 일례를 들어, 100개의 LED 조명기를 사용하는 CCTV 애플리케이션은 기존의 500W 조명기를 사용했을 때보다 10년간 최대 65만 달러를 절약할 수 있다.

이 정도의 금액이면 누구든 LED 조명기의 사용을 결정할 수 있을 정도로 충분한 확신을 줄 수 있는 수치이다. 뿐만 아니라 LED는 최근 보안성도 증대시켰는데, 구형 전구와는 달리 LED는 터지지 않으므로, 사건이 발생할 경우, CCTV 조명기가 100% 작동하는 것을 보증하게 된다.

CCTV 조명의 원천

백열등(할로겐 포함)

CCTV용으로 전구의 수명은 제한적이고 매우 비효율적이다. 일반적으로 운영비용이 고가이고(일반적으로 500W) 유지비용도 비싼(1년에 전구를 3번까지 교체해야 한다) 편이기 때문에 엔드유저들은 LED의 장수명을 선호하면서 할로겐 기반의 조명 사용을 점점 꺼려하고 있다.

백열등은 처음 개발된 전구로써, 투입된 에너지의 90%를 열로 소모해버리기 때문에 매우 비효율적이고, 또 방출된 열은 손으로 건드리기에 너무 뜨거울 만큼 가까운 주변 물체들을 데우는 피해를 끼칠 수가 있다.

할로겐등은 백열등에 비해 약간의 효율성 증대를 기했지만, 여전히 입력 에너지의 85%를 열로 낭비하고 있다. 백열등에 비해 더 작고 고밀도이기 때문에 만지기에 위험할 정도로 표면이 뜨거우며, 지문의 잔유물이 전구의 나트륨과 접촉하게 되면 고장을 일으킬 수도 있다.

형광등

형광등을 CCTV용 조명으로 사용하는 것은 제한적인데, 이는 CCTV 카메라와 함께 사용했을 때의 ‘타격’ 효과로 알려진 현상 때문이다. 일반적으로 형광등은 전력이 낮고 내부 조명을 위해 설계된 것으로 광범위한 확산 효과를 갖고 있기 때문에 방출되는 빛을 모으고 조정하기가 어렵다. 특히 형광등은 백열등보다 훨씬 더 효율적이어서 약 40% 정도의 효율로 운영되는데, 60%의 입력 에너지만을 열로 소비하기 때문에 백열등에 비해 훨씬 차가운 상태로 작동되고, 낮은 전력을 공급해도 동등한 효과를 얻을 수 있다. 이런 이유와 백열등에 비해 10~20배 더 오래 작동할 수 있다는 사실 때문에 형광등은 가정에서 수명이 긴 전구로써 흔히 사용되고 있다. 하지만, 형광등은 사람의 눈이 감지하지 못하는 깜빡임을 만들어내므로 이것이 카메라에는 ‘타격’ 효과의 영향을 미치게 됨으로써 비디오 감시에 적절하지 못한 원인이 되고 있다. 뿐만 아니라 형광등은 유해물질인 수은을 함유하고 있어 CCTV용으로 사용하기에는 한계가 있다.

HID 램프

HID 램프는 CCTV용으로 적당한데, 이는 효율성이 높고, 양질의 색채를 연출할 뿐만 아니라 수명도 최대 12,000시간 동안 사용할 수 있을 만큼 긴 편이다. 고농도 방출 램프는 60~80% 정도의 효율성을 갖고 있는데, 이는 백열등이나 형광등과 비교하면 더 작은 패키지로 더 많은 빛을 방출한다. HID는 저밀도 나트륨(노란색 색조 때문에 CCTV에는 적절하지 않음), 고밀도 나트륨(사용 가능하지만 메탈 할로겐보다 나쁜 색을 연출해서 만들어냄)과 메탈 할로겐 등으로 구성된다. 메탈 할로겐 HID 전구는 뛰어난 색채 식별력으로 사용이 매우 자연스럽고, 차가우며, 선명한 백색광을 띄어 가로등이나 자동차 전조등에 흔히 사용되고 있다.

LED

LED는 CCTV 애플리케이션용으로 가장 빠르게 성장하는 조명 솔루션이며 효율성이 매우 높고, 그 어떤 조명도 추종할 수 없는 신뢰성을 제공하고 있다. 이는 다른 조명에 비해 운영주기(최대 10년)가 가장 길며, 운영비용은 최저(최고 높은 전력 단위에 100W 이하 사용)다. 발광 다이오드(LED)는 자연적으로 폭이 좁은 빛을 방출하는 반도체로써 최근에 개발됐지만, 사용분야는 기술적 이점에 힘입어 급속도로 확대되고 있다. LED를 구매하기에는 가격이 상대적으로 비싼 편이지만, 10,000시간의 형광등, 1,000시간의 백열등과는 비교할 수 없을 만큼 100,000시간의 장수명을 제공해주고 있다. LED의 효율성은 일반적으로 LED가 만들어내는 적색광으로 80~90%에 달할 만큼 높다. LED의 장점은 매우 적은 전력 소모와 낮은 구동온도, 장수명 동안 지속되는 컬러 등을 들 수 있다. LED는 구식 전구와는 달리 내구성이 높고, 진동에도 덜 민감한 편일 뿐만 아니라 단단한 껍질로 인해 쉽게 파손되지도 않는다. 또 주어진 파장에서 필터 없이 빛을 방출할 수 있고, 신속하게 구동할 수도 있다. 또한 전력관리와 열관리는 LED가 기대되는 성능을 제공하는데 있어 중요한 요소들이다.

최근 발전 추세

LED는 구멍을 통해 PCB에 실장을 해야 하기 때문에 비용이 비싸고, 또 표면 실장기술을 적용했기 때문에 그리 견고한 편은 아니다. 최근 표면실장 기술의 발전에 힘입어 LED는 성능을 저하시키지 않고 보다 개선된 열관리 기능을 제공하며, 견고하게 제작되는 추세에 있다.

CCTV 조명의 운영비 산출법

환경과 에너지 소비 문제는 전 세계적으로 관심이 높은 의제가 됐다. 전 세계적으로 조명에 사용되는 비용을 살펴보면, 5달러당 1달러가 조명에 주로 사용되고 있으며, 이것의 상당부분이 비효율적이고 불필요한 조명에 사용된다는 사실이다. 또 운영비용을 살펴보면 에너지 절감을 위한 부담이 지속적으로 증가 추세에 있기 때문에 지역 당국과 기업체들은 에너지 비용 절감을 위한 방안 수립에 전력을 다하고 있다. 이런 점에서 조명은 주의 깊게 관심을 기울여야 할 주요 대상인 것이다.

종래의 조명(CCTV 조명 포함)은 본선에 연결된 전구에 의해 제공되었다. 비록 어떤 전구는 다른 것에 비해 더 효율적이기도 하지만, 조명의 미래는 발광 다이오드(LED)에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 다른 어떤 전구와 비교해도 LED는 전력소모 측면에서 엄청난 절감효과를 얻을 수 있으며, LED는 유지비용을 거의 투입하지 않고서도 장수명을 제공한다. 표 1은 Raytec사에서 출시한 RAYMAX와 RAYLUX LED 조명기의 운영비용을 일반 CCTV 조명기와 비교해서 나타낸 것이다.

CCTV 조명의 작동비용 비교

표 2는 LED 조명기를 활용했을 경우, 운영비용을 나타낸 것으로 대형 시스템에서의 비용절감 효과를 산출하는데 도움이 될 것으로 보인다.

사건 구동에 의한 조명

CCTV 조명의 전력소모를 더욱 줄이기 위해 설치업체들은 원격측정법이나 PIR 사건 구동 경보(Event Driven Alarm)을 통한 조명의 운영을 고려해 볼 수 있다. 사건에 의해 구동되는 조명은 전력소모를 줄이고 제품의 수명을 연장하며, 가시 백색광 시스템을 통해 빛의 공해를 줄이는 데도 도움이 된다.

사건 발생시 작동(Event Driven Activation)은 LED 조명에 적당하지만, 전구가 기본인 CCTV 조명에도 LED가 언제나 적당한 것은 아니다. 정기적으로 전구를 점멸하는 것은 전구에 엄청난 부담을 주므로 운영수명을 단축시킬 수도 있다. 게다가, 사건 구동 조명은 전구의 워밍업(또는 점화율) 때문에 메탈 할로겐에는 특히 부적절한데, 사전에 침입자를 감지하고 범죄가 일어나는 것을 방지하는 역할도 하므로 백색광 조명에 유용하다.

해를 거듭할수록 LED는 CCTV 조명의 미래로 급부상되고 있다. 오늘날 표면실장 기술의 발달로 LED는 지금 1,000 피트에 이르는 거리까지 빛을 비출 수 있게 됐다. LED는 구식 전구에 비해 더 장수명을 제공하고 지속적으로 안전한 환경을 보장한다.

하지만, LED 기반 CCTV 조명의 가장 중요한 한 가지 이점은 장수명을 통한 엄청난 비용의 절감이다. 따라서 엔드유저들은 LED가 제공하는 이 비용 절감효과와 낮은 유지관리비에 큰 매력을 느끼고 있으며, 설치업체 또한 보다 전문적이고 고성능 CCTV 조명을 제공하기 위해 LED를 적극 사용해야 한다.

CCTV 조명의 설정방법

적외선 혹은 백색광

CCTV 시스템의 용도에 대한 사전 규정이 어떤 유형의 빛을 사용할지를 결정한다. 적외선은 더 긴 거리, 다양한 정도의 기밀성(정확한 파장에 의존)을 제공하고 빛의 공해도 없으며, 오직 CCTV 카메라에 의해서만 사용되도록 설계됐다. 반면 백색광은 CCTV 시스템 외에도 보행자, 직원, 혹은 차량용으로 일정 구역을 비춰주는 역할도 한다. 이것은 침입자가 PIR에 의해 감지됐을 때 시각적으로 대응하기 위해 사용할 수도 있다. 적외선과 백색광의 주요 특징으로는 표 3과 같다.

① 백색광

■ 400~700nm에서 나온 빛의 혼합으로 실제 백색광을 제공한다.

■ 실생활 속에서의 사례는 다음과 같다.

·CCTV 시스템용 영역에 대한 조명

·주요 직원에 대해 조명 정도를 전반적으로 개선

·인가된 직원에 대한 친절한 환경 제공

·침입시 보안 구역에 대한 조명으로 범죄행위 억제

·단색, 컬러, 그리고 주간/야간 카메라와 함께 사용

② 적외선

■ 715~730nm

·공개된 IR, 적색 교통신호 같은 적색 빛을 발함

■ 815~850nm

·보이기만 하는 희미한 적색빛을 통한 반 노출 IR

■ 940~950nm

·사람의 눈에 보이지 않는 IR

■ 실제 적용

·CCTV용 은폐 조명 제공

·빛 공해의 최소화

·아주 먼 거리의 조명을 제공할 경우

·단색, 주/야간 카메라를 사용할 경우

각도

조명이 최선의 성능을 제공하기 위해서는 카메라/렌즈가 설정된 각도와 이상적으로 조화를 이루어야 한다. 그렇지 않거나 너무 좁은 조명각도를 선택하면, 카메라는 단지 촬영하고자 하는 중앙의 밝은 지점을 비추고 밝고 어두운 영역간의 대비가 너무 커서 고화질의 이미지를 제공할 수 없을 것이다. 카메라에 가변초점 렌즈를 도입하면서부터 조명을 설정하는 데 많은 어려움이 야기되고 있다. 그 이유는 가변초점 렌즈를 통하면, 정확한 FOV는 시행착오를 통해 종종 현장에서 설정되고, 사전에 고정된 각도로 조명을 정확하게 맞추는 것은 거의 불가능하게 된다. 표 4와 5는 서로 다른 고정초점 렌즈와 가변초점 렌즈에 대한 FOV 각도를 나타낸 것이다.

거리

각도를 선택한 다음에 고려해야 할 것은 거리이다. 조명을 얼마나 멀리 비춰야 하는가? 설치자와 운영자들은 각도가 증가하면 거리도 증가한다는 것을 알고 있어야 한다.

카메라와 렌즈의 선택시 고려사항

CCTV 시스템내 모든 조명기구들의 정확한 성능은 사용된 카메라와 렌즈의 조합에 달려있다. 최선의 결과를 얻기 위해서는 고감도의 카메라(IR 프로젝트에는 IR 감도가 좋은 카메라)가 투과율이 높은 렌즈와 함께 사용돼야 한다. 일반적으로 CCTV 이미징 시스템(카메라, 렌즈, 조명)은 그 중 가장 취약한 정도의 품질을 발휘한다.

특수 애플리케이션

CCTV 조명을 설정하는 일반적인 가이드라인 외에도 특정 조명이 필요한 특수 애플리케이션들도 다수 있다.

조명과 돔 카메라

돔을 대상으로 조명설비를 제공하는 것은 오랫동안 CCTV 전문가들에게 주요 과제가 되어왔는데, 종래의 PTZ 시스템을 설치하는 경우와 같은 방식으로는 카메라와 동기해서 움직이도록 조명을 고정시킬 수가 없다. 하지만, 돔에서 완전하게 작동하도록 하기 위해서는 사용할 수 있는 완전한 조명 솔루션이 3가지 있다.

① 광각 조명

120°에서 180°까지 커버하는 새로운 광각 조명은 2개의 조명만으로 돔의 360° 각을 완전하게 커버할 수 있다.

② 영역 조명

미리 지정된 위치상의 게이트와 입구지점 등과 같이 관심을 가져야 할 특별한 지점을 목표로 설정하기 위해 조명을 사용할 수 있다.

③ 국부조명

때에 따라서는 특정 장면을 가득 비추기 위해 조명이 카메라로부터 멀어질 수 있다. 이런 경우, 카메라가 줌 인이 될 경우에는 전체 영역에 조명이 들어와야 한다.

조명과 PTZ 시스템

일반적으로 PTZ 시스템은 하나의 카메라가 넓은 영역의 보안을 책임지도록 설계된 곳에 사용된다. 거리가 먼 경우, 카메라 렌즈는 종종 줌 인 되어 좁은 시야를 보여주고 짧은 거리에서는 카메라 렌즈가 광각으로 팬이 된다. 이 같은 시스템의 유연성에는 먼 거리를 좁고 넓은 각도로 잡아주는 조명이 요구된다.

이에 대한 해결책은 보통 트윈 조명 시스템을 사용하면 충분한 조명기능을 얻을 수 있다. 구식 방법은 1개의 좁은 각도와 1개의 광각 조명기를 사용하는 것인데, 오늘날은 이보다 더 향상된 조명 기능을 제공하는 솔루션이 있다. 이것은 2개의 조명기 모두 브래킷을 통해 PT 모터에 연결돼야 한다. 짧은 영역의 PTZ 장비에 대한 솔루션은 30~60。모델 같은 단일 광각 조명기를 사용하면 된다. 빛을 비춰야 하는 거리가 그리 긴 거리가 아닐 경우, 광각 조명기는 광각은 물론 최대거리까지 커버할 수 있다.

고감도 카메라와 조명

조명의 감도가 요구되는 카메라에는 단지 필요로 하는 빛의 양이 척도가 된다. 고감도 카메라는 고화질의 CCTV 이미지를 만들어내기 위해 더 적은 조명이 필요하다. 하지만, 고감도 카메라도 조명을 제공하기 위해 CCTV 조명에 맞춰져야만 카메라가 명확하고 깨끗한 이미지를 제공할 수 있다. 고감도 카메라를 사용할 경우, 조명을 제거하면서 CCTV 시스템의 성능을 손상해서는 안 된다. 보다 우수한 이미지를 제공하기 위해 조명을 설정하지 않을 경우에는 고성능 카메라를 위해 돈을 투자할 이유가 없다.

메가픽셀 카메라와 조명

디지털 카메라는 픽셀 단위로 밝기를 기록하므로 픽셀의 양이 많을수록 각 픽셀이 잡아낼 조명의 표면영역은 적어진다. 따라서 최종 결과는 해상도가 높을수록 카메라의 감도가 떨어진다는 것이다. 메가픽셀은 1,000,000개의 개별 픽셀로 이루어져 있고 메가픽셀 카메라는 더 높은 해상도, 더 넓은 각도의 이미지, 그리고 디지털 줌 기능 등을 포함한 여러 가지 이점을 제공한다. 하지만, 본래 이것은 표준형 CCD 카메라보다 덜 민감하고, 야간에 고화질의 이미지를 얻기 위해 별도의 조명이 필요한 단점이 있다. 메가픽셀 카메라와 함께 고화질의 야간 이미지를 얻기 위해서는 언제나 별도의 CCTV 조명을 사용해야 하는데, 그 이유는 메가픽셀 카메라는 제대로 조명을 받은 장면을 관찰할 때만 그 이점이 발휘된다.

실제 설치 문제

적외선과 초점 변화

초점 변화는 적외선을 활용해서 24시간 작업을 하도록 카메라 시스템을 설정할 경우에 부딪치는 잠재적인 문제점이다. 가시광의 서로 다른 파장(400~700nm)과 적외선(750~950nm)은 카메라 칩 위의 렌즈를 통과하는 서로 다른 초점을 만들어낸다. 이것은 야간에, 특히 카메라가 주간에 운영되도록 설정된 경우에는 이미지의 손실을 야기할 수 있다. 대개의 경우, 초점 변화는 다음과 같이 다양한 요인에 의해 발생한다.

·렌즈의 품질

·IR의 파장. 950nm 같은 긴 파장은 더 과장된 포커스 시프트를 제공한다.

·카메라의 IR 반응

빛이 적은 상태에서의 성능을 발휘하기 위해 카메라의 초점을 제대로 맞추는 것은 구경이 전부 개방된 채 IR에 대해 카메라가 초점을 맞춘다는 것을 의미한다. 따라서 주간의 운영시간 동안 닫히는 구경에 의해 만들어진 시야의 깊이 증가는 초점의 변화 효과와 상충되게 된다. 따라서 최선의 솔루션은 적외선만을 사용하는 카메라에 초점을 맞추는 것인데, 이것은 다음과 같은 점을 통해 가능해진다.

·적외선 조명을 사용해서 야간용 카메라 설정

·시뮬레이션을 위해 카메라 렌즈에 IR 필터 사용

백 포커싱

백 포커스는 렌즈과 카메라 칩까지의 거리간의 관계를 설명한다. 이 거리는 초점거리의 변화와 조명 조건의 다양화를 통해 시야의 깊이를 적절하게 유지하기 위해서 매우 중요한 것이고, 알맞게 조종하면 24시간 동안 초점을 맞춘 채 이미지를 유지할 수 있다. 적절한 카메라의 백 포커스는 낮에는 선명하고 밤에는 뭉개진 이미지가 만들어지는 전형적인 문제를 해결하는데 활용할 수 있다. 이런 상황은 밝은 태양빛 아래에서 렌즈가 가깝게 밀착돼 있고, 시야의 깊이가 매우 깊을 때 야기되는 반면, 광도가 떨어지면 조리개가 열리고 시야의 깊이가 감소해 초점을 잃어버리게 만든다. 24시간 초점을 유지하기 위해 카메라는 최악의 시야 깊이를 시뮬레이션 하기 위해 조리개를 전부 개방한 채로 백 포커스돼야 한다.

Neutral Density 필터는 낮은 광도를 실험하기 위해 백 포커싱을 하는 동안 렌즈를 보호하기 위해 사용된다. 이것은 컬러 카메라나 백색광 CCTV 조명을 사용하는 카메라용으로 효과적이다. 하지만 흑백 카메라들이나 적외선 조명을 사용하는 주야간 카메라를 위한 최선의 솔루션은 렌즈에 적외선 투과 필터를 설치하는 것이다.

카메라의 통합과 CCTV 조명

광량이 적은 상황에서 가시적인 이미지를 얻기 위해 사용되는 흔한 수단 중의 하나가 카메라상의 프레임을 통합해서 활용하는 것이다. 프레임 통합은 활용 가능한 조명을 ‘배가’시켜서 이미지의 시야를 겹치게 한다. 예를 들면, ×2 통합은 2개의 이미지를 겹친 것이고, ×10 통합은 10개의 비디오 프레임을 겹쳐 놓은 것이다. 이것을 통해 카메라는 더 밝은 이미지를 훨씬 더 장시간 동안 확보할 수 있다. 하지만, 프레임 통합이 빛을 증폭하기 위해 이미지를 겹쳐 놓음으로써, 장면내의 움직임이 흐려지는 원인이 되기도 한다.

적외선 반사율

중요한 것은, 재료가 다르면 IR의 반사 정도도 다르게 된다는 것이다. 적외선 빛은 인공섬유의 색을 반전시키는데, 잎사귀와 인공섬유는 IR을 통하면 매우 분명하고 밝은 이미지를 제공하는 높은 적외선의 특성을 방출하게 된다.

<글: David Lambert, Marketing Director, Raytec>

[월간 시큐리티월드 통권 제129호(info@boannews.com)]

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