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문제 정의
- 본 논문에서 EOSYSTEM에서 자체 개발한 비냉각 열영상 모듈인 SETTTI를 소개하였다. 시스템의 다양한 요구 조건을 신속하게 대응하기 위해 320급 검출기와 640급 검출기의 구동 보드를 제외하고 공통 모듈화하였다.
제안 방법
- 2015년도에는 640×480 및 384×288급 17um 픽셀 피치의 검출기를 이용하여 32×32mm, 소모전력 1.9W의 열영상 카메라 모듈 (Fig. 2 참조)을 개발하였고 개발 과정의 카메라 모듈의 이름을 각각 검출기 크기에 따라 SETTTI 1) 320, SETTTI640 으로 하였다.
- SETTTI 모듈은 Bilateral filter와 Dynamic range partitioning (BF&DRP) [7]의 알고리듬을 변형하여 적용하였다.
- 4와 같은 형태로 출력되어 식 (2)와 같이 검출기 온도에 따른 2차식의 형태를 얻을 수 있다[4]. SETTTI 모듈은 이 오프셋 값을 Fig. 5와 같은 보정 환경을 구성하여 10~15 ℃ 간격으로 온도 챔버를 변화시켜가며 얻은 각 픽셀의 값들을 이용하여 미리 공정상에서 식 (2)의 a, b, c 계수를 구한 후 검출기 주변 온도 T가 변할 때 오프셋이 보정되도록 하는 온도 기반 불균일 보정 방법을 적용하였다. Fig.
- SETTTI 모듈을 소형화하기 위해서 TEC-less 형태의 검출기를 사용하였으며, 시스템에 최적화된 카메라 모듈을 제공하기 위해 384×288, 640×480 17um 픽셀 피치의 검출기를 모두 적용할 수 있도록 하였다.
- 본 논문 2장에서는 SETTTI 모듈에 적용된 검출기들의 사양에 대해 언급하고, 3장에서는 SETTTI 모듈에 적용된 열영상 처리 알고리듬에 대해 언급하였다. Tec-less 검출기를 적용할 때 고려되어야 하는 온도 보정알고리듬 [2]을 실험적 검토를 통해서 FPGA에 구현 가능한 형태로 제안하였다. 그리고 온도보정 이후에 잔여 노이즈를 제거하기 위한 SBNUC (Scene Based NUC)의 잔상효과를 최소화하는 알고리듬 [3]을 개선한 세로 패턴의 잡음 제거 알고리듬을 소계한다.
- 에서 SETTTI640이 SETTTI320에 비교해서 소모전력이 높은 이유는 사용 검출기의 포맷 차이로 인한 것이다. 그리고 SETTTI 모듈은 RS232 통신을 이용하여 모듈을 제어할 수 있도록 하였다. 향후 USB 또는 이더넷을 적용하여 고속데이터 전송이 가능하도록 할 계획이다.
- Tec-less 검출기를 적용할 때 고려되어야 하는 온도 보정알고리듬 [2]을 실험적 검토를 통해서 FPGA에 구현 가능한 형태로 제안하였다. 그리고 온도보정 이후에 잔여 노이즈를 제거하기 위한 SBNUC (Scene Based NUC)의 잔상효과를 최소화하는 알고리듬 [3]을 개선한 세로 패턴의 잡음 제거 알고리듬을 소계한다. 마지막 4장에서는 개발된 SETTTI 모듈의 상세 사양을 언급하였다.
- 이들 블록들은 AXI Lite BUS를 통해서 소프트 프로세서 코어의 제어를 받는다. 메모리 제어블록 (Memory Control Block)은 전처리 과정에서 필요한 영상 데이터의 프레임버퍼 역할을 하는 LPDDR (Low Power Double Data Rate) 메모리를 제어하는 역할을 하는데 이 데이터의 경로는 AXI M-BUS에 연결이 되어 고속의 데이터 이동이 가능하도록 하였다.
- 시스템의 다양한 요구 조건을 신속하게 대응하기 위해 320급 검출기와 640급 검출기의 구동 보드를 제외하고 공통 모듈화하였다. 모듈의 소형화를 위해 TEC-less 검출기를 사용하였고, 소형 경량 모듈을 구현하기 위한 온도 보상 불균일 처리 및 비냉각 열상 검출기에 적합한 영상 처리 알고리듬을 적용하였다. 이 모듈은 다양한 야간 관측용 군사 장비에 적용될 예정이다.
- 세로 방향의 고정 패턴을 제거하기 위해서 배경 기반 불균일 보정 기법 (Scene based non-uniformity correction) [3]이나 단일 영상에서 세로 패턴의 노이즈를 축출하여 보정하는 방식이 있다. 배경 기반 불균일 보정 방식은 세로 패턴의 노이즈를 효과적으로 제거하나 영상에 잔상이 발생하는 단점이 있어 SETTTI 모듈은 후자의 방식을 적용하였다.
- 본 논문에서 EOSYSTEM에서 자체 개발한 비냉각 열영상 모듈인 SETTTI를 소개하였다. 시스템의 다양한 요구 조건을 신속하게 대응하기 위해 320급 검출기와 640급 검출기의 구동 보드를 제외하고 공통 모듈화하였다. 모듈의 소형화를 위해 TEC-less 검출기를 사용하였고, 소형 경량 모듈을 구현하기 위한 온도 보상 불균일 처리 및 비냉각 열상 검출기에 적합한 영상 처리 알고리듬을 적용하였다.
- 전처리 부분에서는 TEC-less 검출기의 사용으로 인한 온도 보상기반의 불균일 보정 (Temperature compensation non-uniformity correction), 결점화소 대체 (Bad/Dead pixel replacement), 세로 노이즈 제거 (Column noise removal), 시변 노이즈 제거 (Temporal noise removal) 순으로 처리된다. 전처리의 결과는 후처리 블록에서 대조비 개선 (Contrast enhancement), 경계선 개선(Edge enhancement) 등의 과정을 거쳐 최종 영상 출력을 한다.
대상 데이터
- SETTTI 모듈은 17um 픽셀 피치의 TEC-less 형태의 검출기를 적용하였다. TEC-less 형태의 검출기는 검출 소자의 온도를 안정화하기 위한 TEC (Thermoelectric Cooler) 소자가 없는 검출기이다.
- SETTTI 모듈은 앞의 3장에서 언급한 알고리듬들을 구현하기 위해 Xilinx社의 Spartan6 계열의 FPGA인 xc6slx75csg484를 사용하였다. FPGA의 내부는 열영상 알고리듬 구현과 함께 시스템 연동을 위한 통신 제어용 주변 장치로 이루어져 있고, 이들의 제어를 위한 소프트 프로세서 코어를 포함하고 있다 (Fig.
후속연구
- 이러한 상황에서 열영상을 구현하기 위해 적용 시스템마다 열영상 처리 하드웨어 및 소프트웨어를 반복적으로 개발 및 제작하기보다는 독립적인 열영상 처리 카메라 모듈을 개발하고 이 카메라를 여러 시스템 (열 영상 조준경, 열 영상 조종수 잠망경, 열 영상 관측경 등)에 적용하여 시스템의 개발 시간을 단축시킬 필요성이 생기게 되었다. 이러한 필요성을 충족시키기 위해 국내에서는 2013년부터 소형, 경량, 저 소비전력의 열영상 카메라 모듈을 개발해왔다.
- 그리고 SETTTI 모듈은 RS232 통신을 이용하여 모듈을 제어할 수 있도록 하였다. 향후 USB 또는 이더넷을 적용하여 고속데이터 전송이 가능하도록 할 계획이다.
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