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Image Acquisition 이란..

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[카메라·영상]

2020. 5. 19.

 

 

Pixel이라 불리는 개별의 빛에 감응하는 센서(sensor)들로 이루어진 CCD(Charge Coupled Device) Chip을 사용하는 영상입력장치 (Image Acquisition Unit)가 주류를 이루며 이는 예전의 Tube Type에 비하여 작고, 가벼우며, 빠르게 반응하고, 나은 선형성(linearity)을 갖고 있을 뿐만 아니라 기계적인 충격, 자기장이나 광학적 변화에도 강하다. 또한 높은 생산성으로 대량생산이 가능해서 낮은 가격을 유지할 수 있다. CCD는 빛(wavelength 400nm - 1000nm)을 부하(charge)로 변화시키고 읽는 주기일 때 Voltage로 바뀌어 출력하게 된다. 2개의 광자(photon)는 1개의 전자(electron)를 발생시키며 50,000개의 전자가 1V로 출력된다. 또한 온도에 의해서도 전자는 생성되며 (Dark Current) 이것은 불필요한 Noise의 원인이 된다. 빛이 없는 상태라 해도 Dark Current에 의해 일반 온도(room temperature)에서 1분 정도만 경과하면 CCD는 포화 상태가 된다. Dark Current는 7Kelvin(절대온도 단위)마다 배가되기 때문에 CCD 소자의 온도에 따른 Noise의 발생량은 엄청나다.

위의 이유로 노광시간(Exposure Time)이 카메라(Camera)에 있어 매우 중요한 요소가 된다. 대표적인 Exposure Time을 제어하는 방법으로는 일반 사진기에 적용되는 기계적 셔터(Shutter)를 들 수 있지만 다행히도 CCD 소자에서는 우리가 electronic Shutter라 부르는, 전자회로로 exposure Time을 제어할 수 있는 기능을 가지고 있다. (Exposure Time은 종종 Integration Time으로 불린다). 대부분의 CCD Camera는 수동식(Manual)과 자동식(Automatic)의 두가지 방법으로 Exposure Time을 제어할 수 있다. 우리가 Shutter Speed라 부르는 Manual Type Control은 보통 1/50s부터 1/10000s까지 8단계 혹은 15단계로 구분되어 있으며, Automatic Type은 들어오는 빛의 양을 스스로 감지하여 카메라(Camera)에서 자동적으로 시간을 제어하는 것을 말한다

Standard Camera에 있어 EIA의 경우는 1/60s이며 CCIR의 경우는 1/50s이다. 카메라(Camera)에 들어오는 빛의 양이 위의 Exposure Time (1/60s or 1/50s)만으로 충분하지 않다면 우리는 Gain Control을 사용해야 한다. 대부분의 카메라(Camera)는 Manual Gain과 Automatic Gain Control 이 준비되어 있다.

다음으로 중요한 요소로는 CCD소자의 해상도(Resolution)를 들 수 있다. 최근 머신 비젼(Machine Vision)에서 많이 사용되는 고해상 카메라(Camera)는 수평으로 768, 수직으로 494 Pixels 정도이며 (CCIR 756x561), 이는 유효화소로 CCD 자체는 우리가 Optical Darkness라 부르는 좀더 많은 Pixel을 포함하고 있다. 또한 CCD 소자의 실제 사용되는 영역의 크기도 하나의 요소가 된다. 이는 Tube 시절부터 렌즈(Lens)등을 결정하는데 사용되었다. 주파수별 응답 특성도 빼놓을 수 없는 중요한 요소의 하나로 좋은 카메라(Camera) 일수록 적외선 Filter (Infrared Cut Filter)등을 사용하여 가시파장(400nm-700nm)에서만 균일하게 응답하는 특성을 지니고 있다. 물론 경우에 따라서는 Near Infrared(근적외선) 대역을 필요로 하며 이를 위해서 750nm에서 우수한 응답 특성을 지닌 소자도 있으며 그렇게 비싸지 않은 가격에 구할 수 있다. 하지만 자외선(Ultraviolet)이나 원적외선 (Far Infrared)을 위한 Standard CCD는 없다. UV의 경우는 특수한 CCD가 공급되고 있으며 IR의 경우는 완전히 다른 기술(Non-Contact Thermometer)을 사용해야 하며 물론 비싸다.

CCD Chip 자체는 Color에 따라 응답하는 특성이 없으므로 Color Camera는 빛을 필터(Filter)와 프리즘(Prism)을 이용하여 적녹청(Red, Green, Blue)의 삼요소로 분리한다. Color Camera는 보통 아래의 두 가지 방법 중 하나의 방법을 사용하여 Color를 구분한다. 하나는 흔히 우리가 3CCD Camera라 부르는 것으로 먼저 프리즘(Prism)으로 빛을 분리하여 각 color(Red, Green, Blue)별 필터(Filter)를 통해 각각의 CCD로 인가하는 것으로, 3개의 모노크롬 카메라(Monochrome Camera)와 Filter, 프리즘(Prism) 그리고 DSP를 사용하여 Color화하는 것이라 할 수 있다. 이것은 높은 해상도(High Resolution, High Color Quality)를 자랑하지만 특수한(Non 'C' mount) 렌즈(Lens)를 사용해야하고 가격도 비싸다. 다른 하나는 하나의 CCD에 하나의 Filter를 사용한다. Mosaic Filter라고 부르는 이 Color Filter는 CCD의 각 Pixel에 1:1로 설계되어 사람의 눈에 있는 색 세포와 유사한 형태라 볼 수 있다. 이 카메라(Camera)는 위의 3CCD Camera에 비해 가격은 낮은 편이지만 해상도는 나쁘다(Low Resolution).

아주 고해상의 Image Quality를 요구하는 어플리케이션(Application)을 위한 고해상도 CCD Array Camera가 있지만 아주 비싸기 때문에 우리가 흔히 라인 스캔 카메라(Line Scan Camera)라 부르는 1차원(Linear) Sensor Array를 응용하여 사용하는 경우가 많다. 이의 예로는 최근에 문서 및 그림의 입력 장치로 많이 사용되는 고해상도 스캐너(Scanner)를 들 수 있다. 흔히 1차원(Sound, Acoustic)에서 사용하는 해상도는 Sampling 정의(Nyquist Frequency 의 2배 이상으로 Sampling해야함) 에 입각한 최대 Sampling Rate를 기준으로 할 수 있지만 우리가 흔히 CCD Chip상에 있는 수평, 수직 Sensor의 수로 카메라(Camera) 해상도(Resolution)를 표시하는 2차원(Image)의 경우는 CCD Chip이 Sampling을 담당하는 Device이므로 1차원의 경우와 같이 설명할 수 없다. 오히려 Processing Speed가 빠른 최근에는 주변의 Sensor에 Charge된 값을 참고하는 Sub-Pixel 개념을 도입하여 해상도를 높일 수 있다. 하지만 이러한 Sub-Pixel 기술은 CCD Chip Sensor와 Image Memory가 1:1로 정확하게 일치할 때(Camera의 Pixel Clock과 그레버(Grabber)의 A/D Clock이 동기 될 때)에 그 정밀도를 인정할 수 있다.(물론 그렇지 않은 경우에도 상당한 효과가 있다.)

 

출처 : http://www.ipss.co.kr/technical.php?subP=tech06