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문제 정의
- 본 연구는 열화상카메라의 열영상포화 특성을 파악하기 위한 기초연구로써 상대적으로 낮은 주변열적조건에 대해 화재용 열화상 장치의 영상포화 발생여부와 영상특성을 파악함으로써 화재용 열화상카메라의 신뢰성을 높이기 위한 실증적 자료를 제공하고 성능평가 기준의 개선을 도모하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구는 열화상카메라의 성능을 평가하기 위한 장치를 개발하여 배경 및 목표물의 열적특성에 따른 열화상 장치의 영상성능을 CTF(대조비 변환함수)를 통해 정량화하고 열영상 포화 현상의 발생 여부를 실험을 통해 파악하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 실험은 초기 목표물의 온도가 배경보다 높은 경우(Tc= 30℃)와 낮은 경우(Tc= 10℃)로 나누어 실시하였으며 막대 목표로 유입되는 유체의 온도를 조절하여 초기 목표물의 준정상상태 온도를 설정하였다. 배경의 온도를 0.
대상 데이터
- 008℃이다. 배경 흑체표면온도를 측정하기 위하여 시야각(Field of view)이 6o, 측정온도범위가 −18~250℃인 비접촉식 적외선 온도측정장치(IR pyrometer)를 흑체표면에서 20 cm 떨어진 위치에 설치하여 실시간으로 표면온도데이터를 기록하였다.
- 본 연구에서는 센서종류에 따라 3가지 종류의 열화상 카메라(TIC, Thermal Imaging Camera)가 사용되었으며 Table 1은 실험에 사용된 카메라의 상세 사양을 나타낸다. 대부분의 화재용 열화상 카메라는 1 m 이상의 초점거리를 가지고 있으며 연기투과율이 우수한 것으로 알려진 8~14 µm의 파장대를 이용한다.
- Figure 2는 주변의 열적조건에 따른 영상포화시험을 위해 적용된 실험장치의 개략도를 나타낸다. 실험 장치는 크게 배경과 목표물의 온도차를 유발하기 위한 막대 목표(bar target)와 흑체표면(blackbody), 그리고 초점거리(focal length)를 증가시키고 영상을 확대하기 위한 광학거울, 그리고 열화상카메라로 구성된다.
데이터처리
- 선택된 영상에 대해 실시간으로 CTF값을 평가하기 위하여 영상입력보드(image grabber)를 통해 열화상장치와 PC를 연결하였으며 입력된 영상신호는 Labview사의 영상처리모듈인 IMAQ Vision 소프트웨어를 이용하여 영상의 기록과 CTF값의 산정이 동시에 이루어지도록 하였다.
이론/모형
- 대부분의 화재용 열화상 카메라는 1 m 이상의 초점거리를 가지고 있기 때문에 배경/막대 목표로부터 일직선 상에 열화상 장치를 두고 시험할 경우 전체 실험 설비가 길어지고 시야각이 증가하여 화면에서 막대목표가 차지하는 영상크기가 작아지기 때문에 영상의 수준을 평가하는데 어려움을 갖게 된다. 본 연구에서는 배경/막대목표에서 열화상 장치까지의 경로거리를 확보하고 영상을 확대하기 위해 원형의 평면거울과 오목 거울(concave mirror)을 이용하였다. 실험에 사용된 거울은 0.
성능/효과
- 1) 본 실험에 사용된 마이크로볼로메터 타입의 열화상 장치(Type A, B)는 20℃ 미만의 온도차에서 민감한 반응을 보였으며 온도차가 30℃ 이상에서는 CTF 값의 변화 없이 거의 일정한 값을 보였다. 반면에 BST타입의 열화상 장치는 온도변화에 따라 CTF값이 비례하는 경향을 보였다.
- 2) 전체 실험동안 배경 온도가 목표물의 온도보다 높은 경우 실험에 사용된 열화상 장치 모두 배경온도 변화에 따라 영상포화 현상이 발생하지 않았으나 초기 배경의 온도가 목표물의 온도보다 낮은 상태에서 배경의 온도가 증가하는 경우 마이크로볼로메터 타입의 열화상장치의 CTF값은 배경과 목표의 온도차에도 불구하고 현저하게 낮은 값을 보였으며 TIC A에서 영상포화현상이 발생하였다. 그러나 TIC C의 경우 주변 열적조건에 상관없이 온도차에 기초하여 CTF값이 비례하는 경향을 보였으며 영상포화현상도 발생하지 않았다.
- 2) 전체 실험동안 배경 온도가 목표물의 온도보다 높은 경우 실험에 사용된 열화상 장치 모두 배경온도 변화에 따라 영상포화 현상이 발생하지 않았으나 초기 배경의 온도가 목표물의 온도보다 낮은 상태에서 배경의 온도가 증가하는 경우 마이크로볼로메터 타입의 열화상장치의 CTF값은 배경과 목표의 온도차에도 불구하고 현저하게 낮은 값을 보였으며 TIC A에서 영상포화현상이 발생하였다. 그러나 TIC C의 경우 주변 열적조건에 상관없이 온도차에 기초하여 CTF값이 비례하는 경향을 보였으며 영상포화현상도 발생하지 않았다.
- 1) 본 실험에 사용된 마이크로볼로메터 타입의 열화상 장치(Type A, B)는 20℃ 미만의 온도차에서 민감한 반응을 보였으며 온도차가 30℃ 이상에서는 CTF 값의 변화 없이 거의 일정한 값을 보였다. 반면에 BST타입의 열화상 장치는 온도변화에 따라 CTF값이 비례하는 경향을 보였다.
- 실험결과 화재용 열화상장치의 열상포화특성은 목표와 배경간의 절대적인 온도차뿐만 아니라 열적변화조건에 의존하며 적용된 센서에 따라 영향을 받는다는 사실을 파악하였다.
후속연구
- 3) 열화상 장치의 영상성능은 온도차 뿐만 아니라 열적조건의 변화 상태에도 영향을 받는다는 사실을 파악하였으며 영상성능 평가에 대한 보다 세밀한 성능평가 기준을 필요로 한다. 또한 실제 대부분의 열화상 장치는 본 연구에서 적용된 실험조건에 비해 가혹조건이기 때문에 화재상황을 모사하는 기계적, 화학적 상태에서 영상성능을 평가하여 실제 열화상 장치가 작동하는 환경에서의 성능을 평가하는 기준을 마련할 필요가 있다.
- 3) 열화상 장치의 영상성능은 온도차 뿐만 아니라 열적조건의 변화 상태에도 영향을 받는다는 사실을 파악하였으며 영상성능 평가에 대한 보다 세밀한 성능평가 기준을 필요로 한다. 또한 실제 대부분의 열화상 장치는 본 연구에서 적용된 실험조건에 비해 가혹조건이기 때문에 화재상황을 모사하는 기계적, 화학적 상태에서 영상성능을 평가하여 실제 열화상 장치가 작동하는 환경에서의 성능을 평가하는 기준을 마련할 필요가 있다.
- 적외선 열화상 기술은 화재조건하에서 연기를 투과하여 시야를 확보하는 차원에서 현재의 소방기술을 첨단화 하는 기술로 인식되고 있으나 이러한 장치의 신뢰성을 확보하고 기술의 발전을 유도하기 위해서는 보다 합리적이고 실질적인 성능평가 기준의 마련이 병행되어야 한다. 본 연구는 화재용 열화상카메라의 영상성능평가를 위한 실증적 자료를 제공하는 기초연구로서 향후 다양한 열화상 장치와 열적조건에 대한 추가적인 연구를 필요로 한다.
- 적외선 열화상 기술은 화재조건하에서 연기를 투과하여 시야를 확보하는 차원에서 현재의 소방기술을 첨단화 하는 기술로 인식되고 있으나 이러한 장치의 신뢰성을 확보하고 기술의 발전을 유도하기 위해서는 보다 합리적이고 실질적인 성능평가 기준의 마련이 병행되어야 한다. 본 연구는 화재용 열화상카메라의 영상성능평가를 위한 실증적 자료를 제공하는 기초연구로서 향후 다양한 열화상 장치와 열적조건에 대한 추가적인 연구를 필요로 한다.
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