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문제 정의
- 본 연구에서는 CRT용으로 설계된 레이다 장치의 영상 출력을 평면 디스플레이용으로 용이하게 변환하면서도 그 표시 방식을 기존 CRT 표시 방식과 유사하도록 하여 사용자가 연속적으로 사용 가능하도록 하고, 레이다 측정 영상과 기호 등의 부가적인 표시 영상을 서로 다른 방식(색상, 잔상여부)으로 표시하도록 하여 기존 CRT와 같은 환경이지만 식별력을 더욱 높일 수 있도록 기능을 구현에 대하여 연구하였다. 아울러 본 연구에서는 원형 디스플레이의 외곽에 방위를 나타내는 베젤을 영상으로 생성하도록 적용하여 베젤 기능이 하드웨어적으로 지원하지 않을 경우에도 선명한 베젤을 제공할 수 있도록 하며 영상 데이터 분석에 용이하도록 사용자가 원하는 방향각으로 360° 회전시킬 수 있도록 한다.
- 그러므로 CRT영상신호를 LCD화면에 디스플레이하기 위한 적합한 신호생성 및 신호제어를 위한 하드웨어 로직과 정보표현을 위한 고속 소프트웨어 알고리즘이 절대적으로 필요하다. 연구에서는 기존의 CRT 디스플레이에 비해 대폭적인 성능 향상을 위해 레이더 데이터 정보를 수신 받아 고속의 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체 로직 설계와 반도체 구동 프로그램, 고속 잔상표출, 색상표출 고정함수 그래픽 파이프라인[11] 알고리즘 구현 기술을 연구하였다.
제안 방법
- 레이더 정보디스플레이 형태는 첫째, 레이더영상, 심볼영상, 극 좌표계 베젤영상으로, 베젤은 레이더 영상정보 판독에서 필수요건이다. 3개의 영상을 구분하기 위해 별도의 메모리에 데이터가 적재되며, 3개의 별도 메모리에 적재된 영상 데이터를 FPGA 영상 합성 알고리즘에서 취합하여 DAC부로 전송하고 DAC에서는 LCD 디스플레이부로 전송한다. DAC에서는 RGB신호를 동기신호와 합성된 아날로그 RGB신호로 수평동기 63.
- 충실한 레이더 정보 표출 기능을 갖기 위해서 다음 그림 7에 제시된 바와 같은 형태로 모듈화 시켜 수행속도 향상 및 신뢰성 향상, 신속한 유지보수를 고려하였다. 구성된 9개 모듈별 핵심 기능을 Hardware FPGA로 구성 하였고 처리속도에 영향을 미치지 않도록 초고속 108Mhz Clock을 갖춰 방대한 데이터 연산을 위한 로직과 성능 향상을 위한 초고속 연산 알고리즘을 고정함수 파이프라인 동작 알고리즘 형태로 적용하였다.
- 동시에 영상입력 분리부 모듈에서는 실시간 입력되는 레이더영상 데이터 극 좌표계에 따른 새로운 영상 정보를 매핑된 레이더 영상 데이터 메모리에 시스템에서 설정한 휘도로 표시 되도록 구현함으로써 자연스럽게 시간에 따른 잔상 효과를 얻을 수 있는 FPGA로직과 알고리즘을 적용하였다. 그리고 제어부 모듈을 통해서 균등 감소하는 감소 값을 조정하는 것으로 이전 픽셀에 적재된 값이 갱신될 때까지 감소되는 휘도의 정도를 결정할 수 있고, 최대 휘도를 조정하는 것으로 레이더 영상정보 운영환경에 적합한 휘도를 결정할 수 있도록 하였다.
- 신호처리 시 발생될 수 있는 지연문제를 해결하기 위해 각 요소별로 Latch logic을 탑재하여 FPGA 클럭에 동기 시켜 파이프라인 고속대용량 처리 알고리즘과 같은 형태의 고정함수 그래픽 파이프라인 알고리즘을 연구하고 적용시켜 문제점을 해결하였다. 그림 10의 오른쪽 출력 로직 구성은 DAC Digital analog converting 부분으로 VESA규격 Video signal을 1280*1024 해상도를 가지도록 연구하여 구현 하였다.
- 마지막으로 영상 감쇄부 모듈은 모든 픽셀에 대해 휘도를 나타내는 데이터 값이 초기화 값으로 적용 될 때까지 시간비율에 따라 일정한 값으로 감소하도록 레이더영상 메모리의 값을 조정한다. 동시에 영상입력 분리부 모듈에서는 실시간 입력되는 레이더영상 데이터 극 좌표계에 따른 새로운 영상 정보를 매핑된 레이더 영상 데이터 메모리에 시스템에서 설정한 휘도로 표시 되도록 구현함으로써 자연스럽게 시간에 따른 잔상 효과를 얻을 수 있는 FPGA로직과 알고리즘을 적용하였다. 그리고 제어부 모듈을 통해서 균등 감소하는 감소 값을 조정하는 것으로 이전 픽셀에 적재된 값이 갱신될 때까지 감소되는 휘도의 정도를 결정할 수 있고, 최대 휘도를 조정하는 것으로 레이더 영상정보 운영환경에 적합한 휘도를 결정할 수 있도록 하였다.
- 각각의 시스템부로 구성된 전체 동작은 제어부가 관리하도록 구성하였다. 동작 형태에 따라 베젤영상 저장부의 이미지 정보를 베젤영상 메모리에 로드하거나, 영상 입력 분리 부를 통해 분리된 영상을 레이더영상 메모리와 심볼영상 메모리에 기록하도록 하였다. 영상합성 부를 제어하여 베젤영상을 회전시키거나 표시되는 각 내용의 색상이나 표현 방식을 변형하도록 하였다.
- 둘째, 영상 합성부로 레이더 영상 메모리의 영상 정보에 심볼 영상 메모리의 영상 정보를 상위 레이어로 합성한다. 합성된 영상을 상부 베젤 영상과 메모리 영상 정보를 합성하여 정보표출 내용의 우선순위를 달리하는 FPGA로직에서 수행되는 알고리즘을 적용하여 고품질의 선명한 원형의 영상을 구현하였다.
- 영상합성 부를 제어하여 베젤영상을 회전시키거나 표시되는 각 내용의 색상이나 표현 방식을 변형하도록 하였다. 레이더 영상이 CRT처럼 잔상이 갱신되는 형태로 표시되도록 에뮬레이션 기능을 구성하여 단위별 프로세스 제어 알고리즘을 통해 구현하여 신뢰성과 처리 속도 향상을 실현하였다.
- 본 연구는 레이더 디스플레이 장치가 CRT용으로 설계된 레이더 장치의 영상데이터 출력을 LCD평면 디스플레이용으로 용이하게 변환되도록 하였다. 레이더 영상데이터 분석에서 불가능하던 영상캡처, 동영상 저장, 특정 감시대상물 강조, 색상표현이 가능해 졌고, CRT와 LCD 디스플레이 매체에 따라 필요 장소에 쉽게 설치 운영을 할 수 있도록 하였다.
- 하지만 모든 잡음 비트 영상 내용은 유사한 반면, 프레임 간에는 임의적이다. 본 연구에서는 앞서 언급한 FPGA로직에 적합한 필터기능을 갖는 회로와 고정함수 그래픽 파이프라인 알고리즘을 적용함으로써 잡음제거 효율이 높고 선명도 손실 없이 달성[3]하는 방법을 적용하고 있다.
- 셋째, 제어부는 운영자가 선택한 입력신호를 수신하여 영상 합성부가 출력하는 영상 신호를 Analog RGB신호로 변환 처리과정을 거쳐 캡처한 후 이미지로 저장하거나 동영상으로 저장하는 기능을 수행할 수 있도록 운영의 편리성 기능을 부가적으로 실현하였다. 그리고 심볼영상 메모리에 적재된 심볼은 레이더영상 메모리의 레이더 감시 데이터영상을 영상과 영상을 오버레이(Video overlay) 시킬 수 있는 특수 표출기능을 실현하였다.
- 레이더에서 핵심정보를 표출하기 위해 그림 10의 위쪽은 방위각 중앙은 Sweep 아래는 Symbol 영역 로직으로 구현하였고 3개의 신호 값과 칼라 RGB 3색 R-BG, G-BG, B-BG 를 판독, 합성하여 우선순위를 부여하였다. 신호처리 시 발생될 수 있는 지연문제를 해결하기 위해 각 요소별로 Latch logic을 탑재하여 FPGA 클럭에 동기 시켜 파이프라인 고속대용량 처리 알고리즘과 같은 형태의 고정함수 그래픽 파이프라인 알고리즘을 연구하고 적용시켜 문제점을 해결하였다. 그림 10의 오른쪽 출력 로직 구성은 DAC Digital analog converting 부분으로 VESA규격 Video signal을 1280*1024 해상도를 가지도록 연구하여 구현 하였다.
- 아울러 본 연구에서는 원형 디스플레이의 외곽에 방위를 나타내는 베젤을 영상으로 생성하도록 적용하여 베젤 기능이 하드웨어적으로 지원하지 않을 경우에도 선명한 베젤을 제공할 수 있도록 하며 영상 데이터 분석에 용이하도록 사용자가 원하는 방향각으로 360° 회전시킬 수 있도록 한다.
- TFT-LCD에서 잔상의 원인은 동일한 전압인가에 따른 LC의 열화에 따른 V-T Curve 변경, 열화 변형된 LC에 기인한 PI표면에 이온 흡착에 따른 V-T Curve 변경, 비정상 구동에 따른 + Frame 과 – Frame의 전압차에 의한 잔류로 PI면에 전사되어 발생 되는 현상으로 품질불량 형태로 분류되기 때문[2,3]에 본, 연구에서 잔상(Image sticking)영상으로 레이더 신호 데이터 표출 구현은 TFT-LCD Hardware 특성에서 발생하는 잔상을 이용한 것이 아니다. 앞서 언급한 ASIC형태로 구성된 FPGA 반도체 로직에 탑재된 메모리 영역에서 영상 맵 변화를 발생시킨 부분만큼 지속적인 신호인가 방법을 적용하여 데이터의 신뢰성 향상과, 정교한 표현으로 정보표출 신뢰성 및 효율성을 높이는데 주안점을 두고 구현하였다.
- 연구에서는 레이더 장치의 CRT용 영상 출력 신호를 수신하여 이를 디지털 신호로 변환하는 영상 신호 수신부가 있다. 영상 신호 수신부가 제공하는 복합영상 정보에서 시간적으로 정보가 다르다는 것을 분석을 통하여 결정하였고, 이를 집중적으로 연구하여 레이더 영상에 대한 신호와 심볼 영상에 대한 신호로 각각 분리하여 실제 디스플레이의 화면에 대응되도록 하였다. 충실한 레이더 정보 표출 기능을 갖기 위해서 다음 그림 7에 제시된 바와 같은 형태로 모듈화 시켜 수행속도 향상 및 신뢰성 향상, 신속한 유지보수를 고려하였다.
- 그리고 심볼영상 메모리에 적재된 심볼은 레이더영상 메모리의 레이더 감시 데이터영상을 영상과 영상을 오버레이(Video overlay) 시킬 수 있는 특수 표출기능을 실현하였다. 영상 오버레이 기능은 제어부의 설정 값에 따라 심볼 영상에 우선순위를 둘 수 있으며 오버레이 형태로 겹쳐서 표출하는 기술적 방법과 심볼의 색상을 변화 시켜 운영자가 데이터 판독에 오류가 발생하지 않도록 차별화된 영상 표출 방법을 연구를 통하여 구현하였다.
- 동작 형태에 따라 베젤영상 저장부의 이미지 정보를 베젤영상 메모리에 로드하거나, 영상 입력 분리 부를 통해 분리된 영상을 레이더영상 메모리와 심볼영상 메모리에 기록하도록 하였다. 영상합성 부를 제어하여 베젤영상을 회전시키거나 표시되는 각 내용의 색상이나 표현 방식을 변형하도록 하였다. 레이더 영상이 CRT처럼 잔상이 갱신되는 형태로 표시되도록 에뮬레이션 기능을 구성하여 단위별 프로세스 제어 알고리즘을 통해 구현하여 신뢰성과 처리 속도 향상을 실현하였다.
- 한 주기 동안 영상신호 구성형태는 좌측은 Radar Video Signal, 우측은 Symbol Signal 이다. 이 두 개의 신호는 메모리에 위치한 데이터 영역에 Mapping되며 읽기 쓰기를 반복하여 새로운 데이터를 형성하도록 하였다.
- 하지만 렌더링과 디스플레이 재생률은 보통 다르기 때문에 끊김(Tearing)현상 즉, 영상에서 수평동기가 적정하지 않기 때문에 수평선의 어느 그룹이 불규칙하게 벗어나는 일종의 화상 결함 현상이 발생한다. 이러한 문제를 디스플레이 장치의 수직 블랭킹 간격(Vertical blanking interval)으로 버퍼스왑(Buffer swap)을 동기화 하여 수직 동기화[11]를 가능함으로써 완벽히 제거할 수 있는 기술적 방법을 연구하여 구현함으로써 별도의 고가 고성능 그래픽 연산장치 (GPU :Graphic processing unit) 없이 FPGA 로직에 수행알고리즘을 적용하여 경제성은 물론 레이더 정보표출 신뢰성과 성능을 향상시켰다.
- 레이더 시스템은 고가의 초정밀 부품과 초정밀 기계 장치로 구성되는데, CRT 성능이 현저히 낮아지더라도 CRT를 제외한 레이더 시스템은 정상적으로 동작하는 특징을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 레이더 시스템에서 CRT를 대체할 수 있는 기술 연구 개발을 통해, 기능이 떨어진 CRT만 교체하여 고가의 특수 레이더 시스템 장치를 연속적으로 현업에서 사용하고자 하는 요구와, CRT는 제조가 중단되고, 신규 개발 모델 출시가 불투명한 점 그리고 CRT 유지보수를 받을 경우 오랜 시간과 매우 높은 기술료를 지급해야 하는 기술적 문제 3가지 조건에 맞추어 연구 하였다.
- 정교한 영상을 표출하기 위해 구현된 회로구성 그림 12의 특징으로 High speed Dual port memory를 탑재시켜 메모리데이터 입출력 처리 속도를 향상시켰고, 최적화된 데이터를 입출력하기 위해 앞서 언급한 바와 같이 고정함수 그래픽 파이프라인[11] 고속 대용량 처리 기법과 같은 형태의 알고리즘을 연구하여 적용시켰다. 이로써 데이터 정확성과 특화된 영상정보 표출형식을 구현하여 고정함수 그래픽 파이프라인과 같이 자동으로 처리되고 아울러 심벌영상, 심도(Depth of field) 영상, 스텐실영상(Stencil), 칼라영상 데이터 및 최종 픽섹을 포함한 프레임 버퍼(Frame buffer) 단편 데이터가 합성처리 되도록 하였다.
- 정교한 영상을 표출하기 위해 구현된 회로구성 그림 12의 특징으로 High speed Dual port memory를 탑재시켜 메모리데이터 입출력 처리 속도를 향상시켰고, 최적화된 데이터를 입출력하기 위해 앞서 언급한 바와 같이 고정함수 그래픽 파이프라인[11] 고속 대용량 처리 기법과 같은 형태의 알고리즘을 연구하여 적용시켰다. 이로써 데이터 정확성과 특화된 영상정보 표출형식을 구현하여 고정함수 그래픽 파이프라인과 같이 자동으로 처리되고 아울러 심벌영상, 심도(Depth of field) 영상, 스텐실영상(Stencil), 칼라영상 데이터 및 최종 픽섹을 포함한 프레임 버퍼(Frame buffer) 단편 데이터가 합성처리 되도록 하였다.
- 영상 신호 수신부가 제공하는 복합영상 정보에서 시간적으로 정보가 다르다는 것을 분석을 통하여 결정하였고, 이를 집중적으로 연구하여 레이더 영상에 대한 신호와 심볼 영상에 대한 신호로 각각 분리하여 실제 디스플레이의 화면에 대응되도록 하였다. 충실한 레이더 정보 표출 기능을 갖기 위해서 다음 그림 7에 제시된 바와 같은 형태로 모듈화 시켜 수행속도 향상 및 신뢰성 향상, 신속한 유지보수를 고려하였다. 구성된 9개 모듈별 핵심 기능을 Hardware FPGA로 구성 하였고 처리속도에 영향을 미치지 않도록 초고속 108Mhz Clock을 갖춰 방대한 데이터 연산을 위한 로직과 성능 향상을 위한 초고속 연산 알고리즘을 고정함수 파이프라인 동작 알고리즘 형태로 적용하였다.
- 극 좌표계 정보로서 제공되는 CRT용 영상을 직교 좌표계에 표시하면서 잔상 효과도 주려면 각도의 지속적 회전에 맞추어 신규 정보는 휘도를 높이고 오래된 정보는 감마보정을 하며 점차 휘도를 낮추는 등 복잡한 수학적 처리가 요구된다. 하지만, 본 연구에서는 FPGA로직과 고속 동작 알고리즘으로 MEMS 기술을 적용하여 스마트하고 저 전력으로 구현될 수 있도록 연구함으로써 수학적 연산을 제거함으로써 시스템 부하를 획기적으로 개선하고 시스템 내부에서 수행되는 에뮬레이션에 필요한 연산 자원이 부족하더라도 지연되거나 동작이 순간 정지되는 현상을 제거하여 레이더 영상데이터 표출이 원활하도록 구현하였다.
- 둘째, 영상 합성부로 레이더 영상 메모리의 영상 정보에 심볼 영상 메모리의 영상 정보를 상위 레이어로 합성한다. 합성된 영상을 상부 베젤 영상과 메모리 영상 정보를 합성하여 정보표출 내용의 우선순위를 달리하는 FPGA로직에서 수행되는 알고리즘을 적용하여 고품질의 선명한 원형의 영상을 구현하였다.
성능/효과
- 레이더 영상데이터 분석에서 불가능하던 영상캡처, 동영상 저장, 특정 감시대상물 강조, 색상표현이 가능해 졌고, CRT와 LCD 디스플레이 매체에 따라 필요 장소에 쉽게 설치 운영을 할 수 있도록 하였다. CRT에 고정된 영상데이터 표출 형태를 수용하여 아날로그와 디지털 정보 모두를 사용할 수 있도록 하여, 고가의 레이더 시스템에서 영상데이터를 표출하는 디스플레이 판넬이 교체 되더라도 신속한 정보연계와 운영자 판독능력에 혼란을 초래하는 일이 발생하지 않도록 하여 전파를 이용한 정보 감시업무의 연속성이 유지되고, 신뢰성, 경제성, 운영성, 유지보수성을 갖으면서 동시에 가능과 운영 효과가 제고 될 수 있도록 하였다. 아울러 현 단계에서 연구된 레이더 정보를 2D영상으로 표출하는 기술을 입체영상으로 표출하는 기술적 연구가 필요하다.
- 셋째, 제어부는 운영자가 선택한 입력신호를 수신하여 영상 합성부가 출력하는 영상 신호를 Analog RGB신호로 변환 처리과정을 거쳐 캡처한 후 이미지로 저장하거나 동영상으로 저장하는 기능을 수행할 수 있도록 운영의 편리성 기능을 부가적으로 실현하였다. 그리고 심볼영상 메모리에 적재된 심볼은 레이더영상 메모리의 레이더 감시 데이터영상을 영상과 영상을 오버레이(Video overlay) 시킬 수 있는 특수 표출기능을 실현하였다. 영상 오버레이 기능은 제어부의 설정 값에 따라 심볼 영상에 우선순위를 둘 수 있으며 오버레이 형태로 겹쳐서 표출하는 기술적 방법과 심볼의 색상을 변화 시켜 운영자가 데이터 판독에 오류가 발생하지 않도록 차별화된 영상 표출 방법을 연구를 통하여 구현하였다.
- 본 연구는 레이더 디스플레이 장치가 CRT용으로 설계된 레이더 장치의 영상데이터 출력을 LCD평면 디스플레이용으로 용이하게 변환되도록 하였다. 레이더 영상데이터 분석에서 불가능하던 영상캡처, 동영상 저장, 특정 감시대상물 강조, 색상표현이 가능해 졌고, CRT와 LCD 디스플레이 매체에 따라 필요 장소에 쉽게 설치 운영을 할 수 있도록 하였다. CRT에 고정된 영상데이터 표출 형태를 수용하여 아날로그와 디지털 정보 모두를 사용할 수 있도록 하여, 고가의 레이더 시스템에서 영상데이터를 표출하는 디스플레이 판넬이 교체 되더라도 신속한 정보연계와 운영자 판독능력에 혼란을 초래하는 일이 발생하지 않도록 하여 전파를 이용한 정보 감시업무의 연속성이 유지되고, 신뢰성, 경제성, 운영성, 유지보수성을 갖으면서 동시에 가능과 운영 효과가 제고 될 수 있도록 하였다.
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