카메라 동기신호를 이용한 조명장치 기술

문명의 발달로 인한 편리성과 안전성에 반하여 차량을 이용한 각종 사건들의 급증으로 인하여 최근 CCTV 시장에서 야간 자동차 번호식별이 부상하고 있다. CCTV 카메라는 보안 방범 및 주정차 단속 시스템, 도로의 교통상황 감시, 산불감시, 하천 수위감시, 비 접촉 3차원 측정기 및 계측기, 의료용 내시경 등 그 쓰임새가 광범위해 이루 헤아릴 수 없을 정도로 다양하게 사용되고 있다. 또한 CCTV 카메라는 주위의 밝기에 따라 화질에 영향을 받으며, 주간보다는 야간에 영향을 많이 받고 일출일몰 전후로 더 영향을 많이 받는다. 따라서 CCTV 카메라에 사용되는 조명 또한 매우 중요하여 CCTV 카메라의 필수 품목으로 자리 잡게 되었다.

CCTV 카메라의 조명은 야간 촬영이나, 폐쇄공간의 어두운 곳을 촬영하기 위한 필수품목으로 기술의 발달에 따라 LED 조명으로 대체되어 가고 있는 추세다. LED 조명은 기존의 조명과 대비해 적은 소비전력과 긴 수명으로 그 사용량이 급속도로 증가하고 있다. 그러나 CCTV 카메라의 조명이 새로운 LED 조명으로 대체되어 가고 있음에도 불구하고 어두운 공간 촬영 시 사물이 선명하게 보이지 않아 이를 개선하기 위해 저조도에서 촬영이 가능하도록 많은 연구가 진행되고 있다.

CCTV에 사용되는 LED 조명의 특성

CCTV 카메라는 주간에는 컬러 영상으로 촬영되고, 야간이나 폐쇄된 어두운 공간에서는 모노(MONO) 영상으로 주로 촬영되며, 이때에는(어두운 공간 촬영 시) 주로 적외선 LED(IR LED)가 조명으로 사용된다.

LED 조명은 가시광선용과 비가시광선용(적외선 또는 자외선)으로 구분할 수 있으며 가시광선용 LED 조명은 실내등, 가로등, 자동차 전조등, 신호등과 같이 주로 사람이 거주하는 환경에서 사용되고, 비가시광선용은 특수한 환경 즉 의료용, 측정 및 계측장비, CCTV 카메라 등의 야간 조명으로 사용된다.

야간에 사용하는 CCTV 카메라는 주로 보안·방범용으로 적외선 LED 조명이 사용되고, 기타 폐쇄공간을 촬영하는CCTV 카메라는 일반 고휘도 LED가 조명으로 사용된다. 보안·방범용으로 사용되는 CCTV 카메라 조명은 주위 환경에 영향을 주지 않는 가시광선 이외의 파장을 갖는 즉 IR(적외선) LED가 조명으로 많이 사용된다.

자동차의 번호를 식별하기 위해서는 자동차의 헤드라이트에서 나오는 빛을 상쇄 할 수 있는 셔터 스피드를 선택해야 한다. 그림 1 ~ 그림 2에서 보는 바와 같이 최소한 셔터스피드가 1/1000sec 이상 되어야 한다. 그림 3과 같이 일반 LED 조명으로는 1/1000sec 에서는 조명의 효과가 없다. 여기서는 그림 4와 같이 1/1000sec 이상의 셔터 스피드에서도 조명의 효과가 확실한 조명장치 기술을 소개하고자 한다.

LED 모듈의 전력 제어로 광량/에너지/수명 확보

LED 조명을 켜기 위해서는 연속적으로 전류를 흘려 켜는 방법과 전류 펄스폭을 제어하는 방식(PWM : Pulse With Modulation)이 있다. 그 중 PWM 방식이 효율이 좋아 주로 많이 사용되고 있지만 CCTV 카메라의 조명으로서 양질의 광원을 제공하기에는 아직 부적합한 상태이다.

LED 조명을 제어하기 위한 PWM 방식은 CCTV 카메라의 특성과는 무관하게 단순히 LED 조명의 휘도(밝기)를 크게 하기 위하여 펄스폭을 줄이고 전류의 세기를 증가하거나, 또는 휘도를 감소시키기 위하여 펄스폭을 늘리고 전류의 세기를 감소시킨다. 때문에 LED 조명의 휘도를 조정하는 방법은 LED 조명에 연속적으로 전류를 흘려 제어하는 방법보다는 적은 소비전력으로 LED 조명의 휘도를 향상시킬 수 있으나, CCTV 카메라의 조명으로는 광원이 부족하고 펄스에 의한 제어로 깜박임 현상이 발생한다.

도로의 보안·방범용 CCTV 카메라는 PWM 방식에 의하여 LED 조명을 제어하고 있지만 차량 전조등의 영향을 받아 전조등보다 휘도가 약할 경우, 전조등 불빛에 의하여 CCTV 카메라 촬상소자가 빛에 너무 많이 노출되어 카메라의 영상이 일시적으로 하얗게 변하거나 야간에 전조등을 껐을 경우 차량 등이 보이지 않게 된다(그림 1 참조). 또한, 도로의 CCTV 카메라용 LED 조명은 프린트 기판에 수백 개의 LED를 집합하여 사용하므로 소비전력이 높고 그 제조비용 또한 많이 소요된다.

그래서 CCTV 카메라용 LED 조명장치에 있어 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로 LED 조명제어장치에 비디오 신호를 입력 받을 수 있는 입력단자를 1개 이상 구비하도록 했다. 그리고 이 비디오 신호 입력단자에 CCTV 카메라로부터 출력되는 비디오 신호를 입력한 후 입력된 ‘컴포짓 비디오(Composite Video)’로부터 비디오 동기신호를 추출하는 모듈과 추출된 동기신호를 기준으로 CCTV 카메라 촬상소자의 노출시작 시점과 노출시간을 계산한다. 이후 계산된 시간을 이용해 CCTV 카메라 촬상소자 노출시작 시점에서 노출시간만큼 LED 모듈에 전원을 공급하고 차단하는 방법과 이 기능을 할 수 있는 초소형 연산장치(MPU : Micro Processor Unit)를 장착한 ‘LED 조명 제어장치 및 LED 집적 모듈’로 기존 CCTV 카메라용 LED 조명장치의 문제점을 해결 할 수 있다(그림 5).

따라서 CCTV 카메라의 촬상소자 노출 시간에만 LED 조명에 흘릴 수 있는 최대 펄스전류(Peak Pulsed Forward Current)를 흘려 켜줌으로 LED가 최대한 밝힐 수 있는 빛을 CCTV 카메라에 제공한다.

CCTV 카메라는 카메라의 특성상 촬영 시 노출 시간에만 광원이 필요하며, 이후 다음 노출 시간까지는 광원이 필요하지 않으므로, 이때에는 LED 조명을 꺼 조명의 유휴시간을 확보할 수 있다. 이렇게 되면 LED 조명이 동작되는 시간보다 꺼져있는 시간이 길기 때문에 평균 소비전력이 줄어들어 전기 에너지를 절약할 수 있다. 또한 CCTV 카메라를 필요한 시간만 동작시킴으로 LED 조명의 효율을 최대로 끌어내고도 동작되는 시간보다 수십 배의 유휴 시간을 확보해 일반 LED 조명대비 소비전력을 절약하는 것은 물론 그 수명 또한 수 배 이상 연장할 수 있다.

CCTV 촬영 노출시간에 맞춘 LED 조명

그럼 이제부터 그 원리를 자세히 살펴보자. 이 특허기술은 CCTV 카메라의 원리와 처리과정에서 착안한 것이다.

순서에 따른 과정을 보면 우선 일정시간 촬상소자를 빛에 노출한 다음 셔터를 닫아 빛을 차단하고, 촬상소자에 발생한 전하의 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환 버퍼메모리에 저장했다가 출력하고, 다시 셔터를 열어 촬상소자를 빛에 노출하는 일련의 과정을 연속적으로 반복한다.

이러한 연속 과정을 1초에 30번 반복하며 이를 30Frame이라 부르고 1번 반복을 1Frame이라 하자. 이 특허 기술은 이러한 CCTV 카메라의 원리를 이용하는 것으로 1초의 시간 중 노출시간은 36.6ms로 전체 시간(1000ms)의 3.66% 불과하며 이 시간에만 LED 조명을 켜줌으로 96.34%의 에너지를 절약할 수 있으며, LED 조명의 수명 또한 연장할 수 있다. 또한, 극히 짧은 노출시간에만 LED 조명을 켬으로 평상시보다 많은 전류를 흘릴 수 있으므로 LED 조명의 휘도를 최대로 향상시켜 촬상소자에 풍부한 광량을 노출해 밝은 영상을 얻을 수 있다.

무엇보다도 카메라 조명은 어두운 환경에서 풍부한 광량을 제공하는 것이 목적이다. 그러나 일반적인 방법으로는 조명의 전기적 특성과 발열문제 등 에너지효율 면에서 그 목적을 달성하기 어렵다. 따라서 이번 특허기술은 CCTV 카메라의 노출 시간에만 LED 조명을 켜고, 이때에 LED 조명의 최대 허용 전류를 흘려 조명의 빛을 최대한 밝게 하는 것이다. 그래야만 CCTV 카메라에서 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있는 것이다.

앞서 설명한 것처럼 전류 양이 작고 풍부한 광량을 제공하기 때문에 셔터 스피드를 높일 수 있고, 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있기 때문에 배터리를 이용한 카메라 조명등에 응용할 수 있다. 셔터 스피드를 올릴 수 있다는 것은 저속 셔터 스피드에서 생기는 끌림 현상을 없앨 수 있어 선명한 영상을 얻을 수 있다는 것이다.

이상에서 CCTV 카메라 조명은 기존 조명과 비교하여 적은 소비전력과 긴 수명의 LED 조명으로 대체되고 있는 추세이며, 그 사용량도 급속히 증가하고 있다. 그러나 자동차 번호식별용 CCTV 카메라 조명은 셔터스피드가 1/0000sec는 되어야 하나, LED 조명으로는 1/1000sec에서는 선명한 영상을 얻을 수 없었다. 그러나 이번 특허기술은 극히 짧은 노출시간에만 LED 조명을 켜고 이때 많은 전류(최대 펄스 전류)를 흘려주므로 LED조명의 휘도를 최대로 향상시켜 촬상소자에 풍부한 광량을 노출해 선명한 영상을 얻을 수 있으며, 또한 셔터스피드를 1/1000sec로 높여 끌림 현상도 개선한 LED 조명제어기술이다. 또한, 초소형 연산장치를 포함한 LED 조명 제어장치 및 LED 집적모듈은 기존 CCTV 카메라용 LED 조명장치의 문제점을 해결했다.

<글 : 전 덕 관 아몬텍 대표이사(zu0380@paran.com)>

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