초보자를 위한 초고속카메라 사용 가이드

초보자를 위한 초고속카메라 사용 가이드

 고속촬영의 시작
디지털 고속촬영을 하는 이유
고속촬영 전에 고려해야 할 사항
초고속카메라의 이해
   초고속카메라 촬영속도
   초고속카메라의 분해능
   초고속카메라의 감도
   초고속카메라의 노출시간
   초고속카메라의 센서크기
   초고속카메라의 심도
   초고속카메라의 메모리
   초고속카메라의 칼라와 흑백
광원 및 조명방법 이해 및 설정
초고속카메라 렌즈, 트리거장치, 삼각대 등 이해 및 설치
초고속카메라 설치 및 촬영 준비
초고속카메라 응용분야 예

고속촬영의 시작

영국의 사진작가 Edward Muybridge라는 사람이 맨 먼저 고속촬영의 역사를 열었다. 그는 1873년 말경 움직임을 스틸카메라로 연속 촬영을 했다. 그 당시 모든 말이 달리는 동안 말의 다리가 쌍으로 나란히 움직이는 줄 알았다. 그러나 Muybridge는 고속촬영 기술을 이용하여 동시에 네 다리가 땅에서 떨어지는 것을 촬영했는데 이것이 눈으로 볼 수 없는 현상을 고속 촬영한 첫 시발이었다.
1960년대 초까지 필름은 빠른 현상을 관찰하고 기록할 수 있는 저장 매체였다. 1960년대 말 비디오 기술의 개발로 인하여 연구 개발자들에게 모션분석의 툴이 제공되었고, 즉석에서 촬영한 영상을 바로 볼 수 있게 되었다. 1970년대 electronic을 이용한 모션 분석 장치가 상업적으로 이용할 수 있게 되었고 또한 필름 고속카메라도 중요한 촬영대상체에 따라 계속 이용되고 있었다. 1990년대 CCD 촬상 소자를 이용한 고속촬영 장치가 상용화된 이래 16mm 필름고속카메라의 성능(속도 및 영상화질)을 능가하는 CMOS 센서 1600 x1200 화소에 초당 1000장, 640x480화소에 10,000장을 촬영하는 카메라가 2005년 현재 상용화되고 있다. VisionResearch, inc.가 고속카메라에 CMOS의 저전력 소모의 특징을 잘 이용한 최초의 성과라 하겠다.

디지털 고속촬영을 하는 이유

디지털고속카메라에 의한 고속촬영은 필름 고속촬영과 달리 사용하기 편리하며, 촬영 설정값 실시간 설정, 저렴한 기록 매체 그리고 촬영한 영상을 바로 재생하여 볼 수 있다는 것이 최대의 장점이다.
고속촬영 분야에는 공장 생산라인의 문제 해결, 기기 고장 진단, 파괴 실험, 자동화 부품, 제품 포장, 종이 생산, 충격, 낙하 실험, 연소, 탄도, 미사일, 공기역학, 유동가시화, 사람 동작, 스포츠, 생체 물리학, 예술사진 등에 사용되고 있다.
필름 고속카메라처럼 최대속도 값에 이르는데 필요한 wind-up time이 필요 없고, 여러 대의 카메라 동기화가 가능하고, 다른 각도에서 동시에 촬영하여 3차원 분석 같은 것이 가능하다.

고속촬영 전에 고려해야 할 사항

고속 촬영 전에 고려할 몇 가지 사항은 촬영대상체 면적, 촬영대상체 이동속도, 사건이 일어나는 시간, 촬영속도, 카메라분해능, 촬영 기록시간, 트리거 방법 및 동기화, 조명의 필요정도 등, 이러한 것들은 촬영 결과에 바로 영향을 미친다.
제일 중요한 것은 내가 촬영하려는 것이 무엇이며 , 무엇을 얻으려 하는가이다. 디지털 고속촬영의 큰 장점은 촬영한 영상을 바로 다시 보기하여 볼 수 있다. 만약 속도가 느리다면 간단히 증가시키면 되고, 좋은 영상을 얻기 위해 광량이 더 필요하면 다른 램프를 더 준비하든가, 조리개를 열든가 하여 실험자는 최적의 상황을 쉽게 만들어 실험할 수 있다.

- 촬영속도 : 초당 몇 장의 영상을 촬영할 것인가
- 분해능 : 영상을 분석하기위한 화면의 공간 분해능(mm/pixels), 화질.
- 기록시간 : 분석하고자 하는 사건의 기록 시간은 ( 대개의 경우 0.5초안에 있다 )
- 조명은 : 필요한 광량 및 카메라 감도 - 트리거 및 동기화 - 렌즈

   촬영속도 (temporal resolution)

촬영속도는 고속카메라에서 가장 중요한 요소 중 하나로 ,초당 최대 해상도( Full Resolution)에서 몇 장의 영상을 촬영하는 할 수 있는 가이고, PPS( Pictures Per Second)로 표시한다.
프레임속도(Frame Rate), 샘플속도(Sample Rate), 촬영속도(Capture Speed) 카메라속도(Camera Speed)는 다 같은 개념의 용어다. 최대 촬영 장수와는 혼동해서는 안된다. 보통 카메라는 분해능을 줄여 ( decreased resolution) 초당 최대 촬영 장 수를 늘리게 할 수 있다 , 예를 들어 초당 100,00장을 촬영 한다고 할 시 센서가 사용하는 영역은 256 x 48pixels 로 , 적은 부분만 사용하게 되는 것이다.
촬영하려고자 하는 영역(FOV), 얻으려는 영상 수(images)와 대상 체의 움직이는 속도(Motion Velocity)를 고려하여 촬영 속도( frame rate)를 사용자들은 결정할 수 있다.
예를 들어, 초당 1000장 촬영한다는 것은 매 1ms(1/1,000초)마다 1장의 영상을 촬영하는 것이다. 그랬을 때 100ms(100/1,000초)동안 일어나는 현상이 있다면, 100장의 영상을 얻게 되는 것이다. 1초=1000ms.

따라서 낮은 촬영속도로 설정하여 촬영한다면, 움직이는 동안 충분한 영상 수(images)를 얻지 못하고, 필요했던 촬영 속도보다 높게 촬영한다면, 제한된 메모리 용량으로 인하여 필요한 영상을 전부 메모리에 저장하지 못하게 될 수 있다.
이때 센서의 분해능을 줄여( 최대해상도에서) 메모리 저장 시간을 늘려 사용할 수도 있다 . 현재의 고속카메라는 최대 2백만화소 분해능으로 초당 1,000장을 촬영할 수 있고, 분해능을 줄여 초당 100,000(256 x 64pixels)장도 촬영 할 수 있다.

   분해능 (Spatial Resolution )

분해능은 센서에서 화소수(pixels)를 의미하며, 가로 x 세로의 화소에 의해 결정된다. 가로 x 세로(1024x1024)의 화소가 백만화소 보다는 2백만 화소(1632x1200)일 때 details한 영상을 얻을 수 있다. 이런 고해상도의 센서를 만드는 기술이 어려운 것이 아니고, '고속의 고해상도 센서'를 만들기가 힘든 것이다.
예를 들어 촬영하려는 영역이 300 x 200m 이고, 촬영 영역에서 촬영대상체가 직경이 0.3m인 것을 촬영하려면 분해능이 최고로 좋은 것이 유리하다.
가로x세로(300m x 200m)의 촬영 영역을 가로x세로(1632 x 1200pixels)의 화소수로 나누면 분해능(0.18 x 0.17m)이 나오는데 분해능이 좋은지 안좋은지를 알 수가 있다.

   감도(Sensitivity)

감도가 좋은 카메라는 적은 광량으로도 좋은 영상을 얻을 수 있다. 일반 Video camera는 저속(30pps)의 촬영속도로 촬영하기 때문에 좋은 영상을 보여 준다. 대부분의 현재 센서는 400/600/1200 ISO/ASA 칼라 감도와 600/1200/4800 흑백의 감도를 갖고 있다.
고속촬영을 할때는 광량을 많이 필요로 하게 되는데, 물리적인 제약으로 인하여 대상체에 조명을 조사하기 힘들게 될 경우, 카메라가 갖고 있는 좋은 감도요소가 밝고 깨끗한 영상을 얻기 위해서 매우 중요한 항목이 된다.
만약 영상이 흐릿하게 나타나면 조리개를 열어 밝은 영상을 얻도록 한다. 조리개를 닫아 촬영할 때는 감도가 좋은 카메라야 한다. 그렇지 않으면 어두워서 영상이 흐려지게 된다. 조리개를 열면 초점을 벗어나 초점 심도를 낮게 만들어 영상흐림현상(blur)이 나타나게 된다.

   노출시간(Exposure time)

노출시간, 셔터시간, 셔터각 등은 같은 개념이다. 전자 셔터는 센서가 빛에 노출되는 시간을 제어한다. 만약 빠른 대상물체를 촬영하려면 노출 값을 줄여 영상흐림현상 없이 촬영해야 되는데, 이때 노출이 작아 영상이 어둡게 되는 경우가 많다.
이미지 센서의 광량에 영향을 주는 것은 렌즈의 F-Number, 촬영속도 , 노출 속도, 빛의 세기 , 측정 대상체의 반사정도, 센서의 감도 및 센서의 SNR(신호대잡음비, Signal-to-Noise Ratio) 등이다.
고속카메라의 모든 조건이 똑같이 주어진다면 카메라 센서의 감도능력(Sensitivity)이 바로 영상의 화질(pretty pictures)에 영향을 미친다. 그래서 조명이 좋은 영상(pretty pictures)을 얻는데 매우 중요하다. 충분하지 않은 광량을 가진 영상은 어두운 부분이 보이지 않게 되지만 적절하지 않은 색온도 좋지 않은 칼라 영상을 만들고 심도의 부족으로 영상흐림현상(blur)이 나타난다.
여러 중요한 개념들 중 그냥 지나치기 쉬운 것 중의 하나가 노출시간(exposure time)이다.
노출시간은 촬영대상체의 속도와 방향, 실제 촬영대상체 크기와 센서의 확대비, 촬영속도과 관련하여 얼마나 선명하고 밝게(sharp or not blur) 촬영할 것인가에 의해 결정하게 된다.

예를 들어, 날개 안전 분리 철갑탄을 Phantom V7.1으로 촬영하려 할 때 적절한 노출 값은
= 2 x pixels 크기 / 센서크기 x ( FOV / object velocity ) = 2 x 22㎛ / 17.6mm x ( 2,000mm / 1,700,000mm/s ) = 2.2㎲이 적정 노출값 이다.

   센서의 크기

카메라의 영상센서의 실제 크기를 아는 것은 매우 중요하다. 일반적인 센서의 크기는 1/2"(6.4 x 4.8mm), 2/3" (8.8x6.6mm) 그리고 1"의 크기 (12.8 x 9.6mm)이다. 어떤 렌즈는 작은 센서에서 큰 센서에 이르기까지 잘 적용되며, 가장자리 영역에서 왜곡(저해상도의 렌즈 사용시)을 일으키고, 주어진 조리개에 의해 심도를 계산할 수 있게 하고, 정확한 노출 값을 개산하여 영상의 흐림현상을 막을 수 있게도 해준다.




   심도

심도는 측정 대상체가 초점이 맞는 거리범위를 의미한다. 렌즈가 무한대 초점에 위치해 있을 때에 최대 심도가 된다. 낮은 F- Stop은 작은 초점 심도 거리를 갖는다. 만약 대상체가 렌즈 가까이 있을수록 (확대할수록) 초점 심도는 낮아진다. 다른 초점거리를 갖는 렌즈는 주어진 같은 F- stop이라도 다른 초점 심도를 갖는다. 초점 심도를 깊게 하기 위해서는 좋은 카메라 감도와 밝은 렌즈를 구매하는 것이 필요하다.

   메모리

고속카메라의 메모리는 저장시간을 결정하며 촬영속도와 해상도에 의해서 결정된다. 대개의 경우 대상체는 0.5-1.0초 안에 촬영하려는 움직임이 이루어진다.
phantom V7(8Gbytes memory) 사용시 최대해상도(800 x600pixels)로 초당 1000장 촬영 할 때 16초를 저장할 수 있으며, 1,4,8,80Gbytes의 옵션을 이용할 수 있게 되었다.

기록시간 = 메모리(4096Mbytes) ÷ 해상도( 800 x 600pixels x 8bit) x 1000pps
              = 8.5sec

Phantom V9.0 = 1.5G, 3G, 6G and 12G memory
Phantom V7.2 or V7.1 = 1G,2G,4G and 8G memory
Stream Data Memory, 80G memory

   칼라 및 흑백 고속카메라

칼라와 흑백 카메라중 어느 카메라를 선택할 것인가? 주저없이 칼라를 선택하겠지만 몇 가지 기본적인 개념을 이해한다면 좀더 신중히 고려하여 선택할 것이다.
빛의 파장에 의해 색이 결정되는데, 파장이 길면 빨강, 짧으면 파랑 색으로 차갑게 된다. 뇌에 의한 생리현상으로 사람에겐 빨강색이 더 지각하기 쉽다. 색의 순도와 밝기는 색상(hue)이다. HUE는 R.B.V.Yellow의 기본색이다. 휘도로 알고 있는 빛의 밝음은 빛의 강도이다. 현재 칼라를 생산하는 방법은 칼라 필터 배열(CFA)에 의한 방법이다. Beam splitter에 의한 방법은 필터에 의한 방법보다 3배의 비용으로 비싸다. 일반적으로 흑백이미지가 화질과 감도가 더 좋다. 흑백이미지의 단점은 칼라 차별화의 손실이다. 칼라와 흑백카메라 중 어느 카메라를 구매할 것인지는 사용자가 결정해야 할 일이다.

초고속카메라의 광원 및 조명 방법

조명은 고속촬영에서 중요한 요소 중의 하나이다. 고속촬영에서 조명 방향은 Front, Side, Fill and Back-lighting 방법이 있다. 대게 일반적인 방법은 렌즈의 뒤편 또는 옆에 위치하는 것이고, Front light에 의해 생긴 그림자를 제거하는 Fill, Side lighting이 필요하다. 난반사를 제거하기 위해서는 렌즈의 뒤편에서 조사하는 것이 좋다. Side조명은 낮은 콘트라스트 물체에서 details을 살리는데 좋다. Fill 조명은 렌즈 옆이나 위쪽에서 조사하는 것이 좋으며, 그림자나 어두운 곳을 밝게 하기위해 사용한다. Back-lighting은 고속촬영에서는 많이 사용하지는 않지만 현미경, Web검사, 유동가시화에 적당하기 때문에 사용된다.
고속촬영을 위한 광원은 균일도, 강도, 색온도, 플리커의 양, 광원의 크기, 조사각의 변화 등을 고려하여 선택해야 한다.
광원의 종류는 텅스텐(백열램프, 3,200K), 탄소 아크(두 탄소 전극간의 아크 소비), 형광등(알곤;불황성가스), 수은(자외선 방출, 60회 빛 방출 ), HMI(Mercury Medium Arc, 개폐식 전류안전 장치 사용, 강렬한 하얀색으로 매우 낮게 깜박거림, 가장 많이 사용)
- 텅스텐 / HMI
- Fiber Guide Xenon

초고속카메라의 렌즈, 삼각대 , 트리거 장치

- 105mm F2.8 micro lens
- 50mm F1.4 lens
- 85mm F1.4 lens
- 24-70mm F2.8 lens
- 80-200mm F2.8 lens
- Manfrotto tripod
- sound 또는 optical 트리거 장치 등 여건에 맞게 사용

초고속카메라의 설치 및 촬영준비

고속카메라의 설치과정은 다음과 같다.
   1) 컴퓨터 전원 on
   2) 삼각대에 카메라 장착
   3) 카메라에 전원 on
   4) 카메라와 컴퓨터간의 Interface LAN cable 연결
   5) Phantom S/W double click 실행
   6) 적당한 렌즈 장착
   7) 촬영속도, 노출 값, 조리개 설정, Post-trigger Number 설정
   8) Capture button click
   9) Waiting for trigger, OK
  10) 촬영된 영상에서 원하는 부분 선택 저장 (.Cine, .AVI or .TIFF 등)

초고속카메라(고속촬영) 응용분야

생산라인의 고장부분 촬영, 기계진단, 파괴실험, 자동화조립라인, 포장, 다양한 충격과 충돌 그리고 낙하실험, 벼락(낙뢰), 터빈엔진고장, 균열, 연소, 탄도, 공기역학, 유체흐름의 시각화, 3차원 연구, 인간행동연구 등의 모든 모션분석에 고속촬영 장치가 응용된다.

1) 국방 군사 분야
   - 발사체(200pps - 20,000pps), 9mm, 15mm, 40mm, 120mm 소총, 대포
   - 로켓(300pps)
   - 화염/연소(3,000pps)
   - 연료 분무( 10,000 - 20,000pps)
   - 풍동
   - 폭발 및 폭파 실험
   - 방전, 플라즈마
   - 스코아
   - 탱크 소화기 테스트
   - 권총, 소총 기기 메카니즘

2) 자동차 관련 고속카메라 응용분야
   - 에어백(1,000 - 3000pps, 70us; 500us 노출 설정시 영상흐림 현상 발생, 촬영시간 300ms)
   - 차량 충돌 실험 (1,000pps -2,000pps, 100us)
   - 트래드 실험
   - 엔진
   - 타이어 거동
   - 수막현상, 웨이브 현상 (1,000pps)
   - 연소(3,000pps), 청정연소 화염
   - 분무(20,000pps)
   - 풍동(1,000pps)
   - 안전벨트(1,000pps - 5,000pps)
   - 자동차 범퍼(1,000pps - 20,000pps)

3) 생물역학
   - 동물
   - 인간(200pps)
   - PIV

4) 의료
   - 제약
   - 심장 기기
   - 혈액흐름(1000pps)
   - 세포 판막

5) 제지 산업
   - 제지 기기 (300pps - 2000pps)
   - 팩킹

6) 섬유 산업
   - 바늘기기 (자수기, 재봉틀 ; 1000pps - 10,000pps(two imaging))
   - 직조, 편직기(500pps)
   - 섬유제조공정
   - 나노 섬유

7) 프린트
   - 바코드

8) 패키징
   - 볼트
   - 음식; 크래커, 포테이토 칩(300pps)
   - 라벨

9) 전기. 전자. 전력. 기계 산업
   - HDD Pick up &device (25,000pps)
   - PCB
   - 와이어 본드(1000 - 3000pps, 100us)
   - Battery 제조공정(1000pps)
   - 차단기(1000 - 3000pps, 100us)
   - 고속철도 유도량, spark, 변위량
   - 핸디폰 실뢰성 실험(open, close, drop)
   - 반도체 TR 제조공정
   - 방전현상(high voltage discharge)
   - 인장 및 압축에의한 시편실험
   - 화염전파(수소, 메탄, LPG)현상
   - 인젝터 코일
   - 플라즈마 용접
   - 방탄 헬멧, 오토바이헬멧
   - TROI(용융물 낙하 실험)

10) 스포츠
   - 골프 공(impact and flight(club), 1,000pps - 10,000pps)
   - 야구공 타격

11) 기타
   - 동전 세는 기기(500pps, 100us)
   - 복합재료 파괴 실험(1,000pps - 50,000pps, 100us)
   - 일반적인 연구 및 테스트 분석
   - 눈으로 확인하기 어려운 빠른 현상