[논문]Image Correction Method for Uncooled IR TECless Detector with Non-linear characteristics due to Temperature Change

Shin, Jung-Ho; Ye, Seong-Eun; Kim, Bo-Mee; Park, Chan

doi:10.9708/jksci.2017.22.10.019

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韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.22 no.10, 2017년, pp.19 - 26

Shin, Jung-Ho (Electro-Optronics 2Team, Hanwha Systems Company) , Ye, Seong-Eun (Electro-Optronics 2Team, Hanwha Systems Company) , Kim, Bo-Mee (Electro-Optronics 2Team, Hanwha Systems Company) , Park, Chan (Electro-Optronics 2Team, Hanwha Systems Company)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an efficient image equipment implementation for the detector characteristics of various detectors by analyzing un-cooled thermal detector that exhibits nonlinear changes due to external temperature effects. First, we explain Thermal Electric Cooler for un-cooled detector temperature control system and Non-image correction methode for IR system. Second, we present the results of a study on an efficient control technique that can minimize the deterioration of image quality by controlling a un-cooled thermal detector without a thermal electric cooler(TEC) inside. Third, we suggest Image Correction Methods for Uncooled IR TECless Detector with Non-linear characteristics due to Temperature Change. So, we analyze and present the results of Image correction methods for various un-cooled thermal detector.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비 냉각 검출기 제어를 위해 사용되는 열전 소자와 영상처리 기법을 설명하고, 내부에 열전소자가 없는 비 냉각 열상 검출기를 보다 효과적으로 제어하여 영상의 화질저하를 최소화할 수 있는 효율적인 제어기법에 대한 연구 결과에 대해 제시 하고자 한다. 특히, 그리고 최근 출시된 비 냉각 검출기를 소개함으로써 외부 온도 영향에 의한 비선형 변화를 나타내는 비 냉각 열상 검출기를 특정해 이의 특성 곡선을 관찰 및 연구함으로써 온도변화에 의한 비선형 특성 검출기에 대한 효율적인 영상 장비 구현 방안 알고리즘을 제시하고, 이 알고리즘을 적용한 시험결과를 제시 및 분석한다.
그중 열전 소자가 없는 비 냉각 방식의 검출기는 검출기 내부 FPA 면의 온도를 보정하는 보정요소가 없어 외부 온도 변화에 의한 영상 데이터의 변화가 크고 이는 영상을 통해서 확연히 드러난다. 이에 내부에 열전소자가 없는 비 냉각 열상 검출기를 보다 효과적으로 제어하여 영상의 화질저하를 최소화할 수 있는 효율적인 제어기법을 제시하였다. 특히, 외부 온도 영향에 의한 비선형 변화를 나타내는 비 냉각 열상 검출기를 특정해 이의 특성 곡선을 관찰 및 연구함으로써 다양한 검출기의 특성에 대한 효율적인 영상 장비 구현 방안을 제시하였다.

제안 방법

외부 온도변화에 의한 비 냉각 검출기의 비선형 데이터 변이에 대한 데이터을 획득하고 이를 극복하기 위한 소프트웨어를 설계 및 구성하였다. 가장 기본적인 이론의 보정절차뿐만 아니라 한 단계 고차원 알고리즘으로 구현하여 실제 영상의 보정효과를 확인하였다.
외부 온도변화에 의한 비 냉각 검출기의 비선형 데이터 변이에 대한 데이터을 획득하고 이를 극복하기 위한 소프트웨어를 설계 및 구성하였다. 가장 기본적인 이론의 보정절차뿐만 아니라 한 단계 고차원 알고리즘으로 구현하여 실제 영상의 보정효과를 확인하였다.
본 논문에서는 비 냉각 검출기 제어를 위해 사용되는 열전 소자와 영상처리 기법을 설명하고, 내부에 열전소자가 없는 비 냉각 열상 검출기를 보다 효과적으로 제어하여 영상의 화질저하를 최소화할 수 있는 효율적인 제어기법에 대한 연구 결과에 대해 제시 하고자 한다. 특히, 그리고 최근 출시된 비 냉각 검출기를 소개함으로써 외부 온도 영향에 의한 비선형 변화를 나타내는 비 냉각 열상 검출기를 특정해 이의 특성 곡선을 관찰 및 연구함으로써 온도변화에 의한 비선형 특성 검출기에 대한 효율적인 영상 장비 구현 방안 알고리즘을 제시하고, 이 알고리즘을 적용한 시험결과를 제시 및 분석한다.
이에 내부에 열전소자가 없는 비 냉각 열상 검출기를 보다 효과적으로 제어하여 영상의 화질저하를 최소화할 수 있는 효율적인 제어기법을 제시하였다. 특히, 외부 온도 영향에 의한 비선형 변화를 나타내는 비 냉각 열상 검출기를 특정해 이의 특성 곡선을 관찰 및 연구함으로써 다양한 검출기의 특성에 대한 효율적인 영상 장비 구현 방안을 제시하였다.

성능/효과

n차 방정식을 이용한 Nonlinear TECless 알고리즘을 실제 적용한 결과를 확인해 본 결과 2차 이상에서 유효한 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 3차 이상에는 뚜렷하게 결과가 나아지는 것을 확인가능하다.
기존에 보유한 그래프의 변화의 경향성이 일정한 방향성을 가지는 경향으로 바꾸는 것을 확인할 수 있다. 그러나 앞서 설명한 것과 같이 검출기 FPA 내부에 분포된 비선형특성의 픽셀의 외부 온도 경향성을 극복하지 못하는 것이 확인된다. 이러한 외부 온도 변화에 대한 미극복은 아래 그림과같이 영상의 분균일로 드러나게 된다.
왼쪽 그래프는 외부 온도변화에 의한 비선형 특성을 가지는 검출기의 외부 온도 변화에 의한 데이터를 획득한 결과이고, 오른쪽 그래프는 왼쪽의 데이터를 TECless 알고리즘을 통하여 보상한 결과이다. 기존에 보유한 그래프의 변화의 경향성이 일정한 방향성을 가지는 경향으로 바꾸는 것을 확인할 수 있다. 그러나 앞서 설명한 것과 같이 검출기 FPA 내부에 분포된 비선형특성의 픽셀의 외부 온도 경향성을 극복하지 못하는 것이 확인된다.
시험 이미지를 통해 3차와 4차 방정식 Nonlinear TECless 알고리즘의 사이에는 영상에 의한 뚜렷한 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한 것과 같이 고차원 알고리즘을 적용하기 위해서는 SW 구현시 더 복잡한 계산식과 높은 수행능력을 보유한 HW를 구성에 사용해야 한다.
왼쪽 영상은 사람을 타겟으로 촬영한 영상이다. 열상 영상은 기본적으로 주변보다 고온 에너지를 방출하는 물체의 관측이상대적으로 유리한 특성을 가지는데 주변에 비해 고온 에너지를 방출하고 있는 모니터도 특정 패턴에 의해 모니터 엣지 추출 및 관측이 어려운 것을 확인할 수 있다.
왼쪽 영상은 사람을 타겟으로 촬영한 영상으로 고차원 방정식 Nonlinear TECless 알고리즘을 적용한 결과로 불균일 보상이 더 개선된 것을 확인할 수 있다. 사물 및 사람의 사이의 빈공간 영역에서의 작은 패턴도 관찰이 없어져 대부분의 용도에 사용 가능한 것으로 보인다.
이렇게 2차 방정식 Nonlinear TECless 알고리즘을 사용하여 외부 온도 변화에 의한 비 냉각 열상 검출기 고유의 패턴을 상쇄하면 열상 야간 관측용 장비 제작 및 구현에 도움을 줄 수 있다는 것을 확인하였다.
그리고 3차 이상에는 뚜렷하게 결과가 나아지는 것을 확인가능하다. 이를 통해 2차 방정식을 사용하면서 추가 보정을 사용하면 장비 구현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 3차 방정식 이상을 사용하면 추가 보정 없이 영상이 관찰 가능하다는 것이 예상된다.

후속연구

앞서 제안한 대로 비선형특성을 극복하기 위해서는 비선형 방정식을 통해 이를 극복함으로써 불균일이 보상된 영상을 획득 및 제공할 수 있다. 이때, 중요하게 고려해야하는 요소로 과도한 연산데이터는 실제 장비 구현 및 소형 저전력 장비 구현에 방해가 되는 요소가 된다는 점이다.
열전소자가 없는 비 냉각 검출기는 열전 소자를 보유한 비 냉각 검출기가 가지고 있는 소모 전력 및 크기의 한계를 극복할 수 있는 방법 및 장치로서 가치를 가지고 있으며 다양한 분야에서 영상획득의 수준을 향상시킬 저가형 검출기로 대두되고 있다. 이에 본 연구의 과정 및 결과자료가 본 목적인 국방분야 뿐만 아니라 차량분야, 시큐리티 분야, UAV 카메라 등의 연구 분야에서도 도움이 되기를 희망한다.

참고문헌 (13)

Hong, Seok-Min "Advanced LWIR Thermal Imaging Sight Design", Korean Journal of Optics and Photonics" Vol. 16, No. 3, pp. 209-216, 2005

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Kim, Sangjin "Study of methods to enhance Uncooled Microbolometer Efficiency", Kyunghee university, pp. 5-15, 2003
M. H. Unewisse, et al "The growth and properties of semiconductor bolometers for infrared detection", SPIE, Vol. 2554, 1995
Lee, Je il "Nonuniformity Correction Algorithm and First Implementation for Infrared Camera Including the Background Effect due to Camera Temperature Variation", Sae Mulli 11, pp. 269-274, 2000
Kim, Yong-Jin "Novel control scheme for the absence of the thermoelectric(TEC) of infrared detector in an Uncooled thermal system", Ajou university, pp. 2337, 2012
Han, Joon Hwan "Novel Accuracy Enhancement Method for Absolute Temperature Measurement Using TEC-LESS Control in Uncooled Thermal Imaging", Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 17, No. 12, Dec. 2012.
Yole "Uncooled Infrared Imaging Technology & Market Trends 2016" pp. 51, 2016

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