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독일의 연구자들은 물체의 3D 감지를 위한 카메라 시스템을 개발했습니다.

Jena의 Fraunhofer IOF 연구원들은 2대의 고속, 고해상도, 모노크롬 카메라와 GOBO 프로젝터로 물체를 3차원으로 감지하기 위한 카메라 시스템을 개발했습니다. 온도 변화는 빠른 공간적 프로세스 외에도 충돌 테스트 또는 에어백 전개와 같은 일반적인 동적 응용 분야에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. Jena 연구팀은 최근 초당 최대 1000프레임의 속도로 녹화할 수 있는 정확한 3D 열화상 시스템을 만들겠다는 목표로 공동 측정 프로젝트의 일환으로 FLIR의 냉각 고성능 열화상 카메라로 시스템을 업그레이드했습니다.

Fraunhofer IOF - 빛을 이용한 솔루션

Jena의 프라운호퍼 응용광학 정밀가공 연구소(IOF, www.iof.fraunhofer.de)는 광공학 분야에서 응용 분야 중심 연구를 수행하고1메가픽셀 해상도에서 작동합니다. —생성 및 조작에서 응용 분야에 이르기까지 빛을 제어하기 위한 혁신적인 광학 시스템을 개발합니다. 이 연구소의 서비스 스펙트럼은
광기계 및 광전자 시스템 설계에서 고객별 솔루션 및 프로토타입 제작에 이르는 광 프로세스 체인을 다룹니다. 2019년부터 FLIR의 과학 카메라가 장착된 고속 3D 열화상 시스템도 포함되었습니다.

3D 열화상 시스템

IOF 팀은 2016년에 고속 3D 카메라 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 스테레오 배열의 고속 흑백 카메라 2대와 활성 상태의 빛을 위한 자체 개발 GOBO 프로젝터로 구성됩니다. 연구자들은 이제 열화상 카메라를 시스템에 추가했습니다. FLIR X6900sc SLS LWIR 열화상 카메라를 사용하며, 640 × 512픽셀의 해상도에서 최대 1000Hz의 프레임 속도로 작동합니다.

적용 분야 및 목표

이 시스템의 목적은 매우 동적인 공간 3D와 열 데이터를 결합하는 것입니다. 움직이는 운동선수, 충돌 테스트 또는 에어백 전개와 같은 매우 빠른 프로세스는 표면 형태의 급격한 변화뿐만 아니라 국소 온도 변화도 보여줍니다. 과거에는 이러한 변화를 동시에 포착할 수 없었습니다. 이는 Fraunhofer IOF의 새로운 고속 3D 열화상 측정 시스템을 통해 처음으로 가능하게 되었습니다.

시스템 작동 방식

이 시스템은 시각적 스펙트럼 범위(VIS)에 민감한 2대의 모노크롬 카메라를 기반으로 합니다. 더 낮은 해상도에서 —더 높은 프레임 속도가 가능하지만 12,000Hz 이상의 프레임 속도와 1메가픽셀 해상도에서 작동합니다. 그러나 두 카메라는 아직 원하는 품질의 의미 있는 3D 데이터를 생성할 수 없습니다. 또한, 스트라이프 패턴의 초고속 시퀀스를 투사하는 정교한 조명 시스템이 필요합니다. 이러한 패턴은 종래의 사인파 스트라이프와 유사하지만, 이러한 스트라이프의 폭은 비주기적으로 변합니다.

원하는 효과를 달성하기 위해, 유리창을 크롬의 금속 스트라이프로 증기 코팅을 했습니다. 그런 다음 이 창을 광학 장치 앞의 프로젝터에서 회전하여 두 카메라의 특정 픽셀 할당에 필요한 스트라이프 패턴을 제공합니다. 이 원리를 GOBO 투사(GOes Before Optics)라고 합니다.

재구성된 3D 데이터와 FLIR X6900sc SLS 고속 열화상 카메라의 2D 데이터를 결합하면 —간단히— 3차원 고속 열화상 이미지를 만들 수 있습니다.

FLIR X6900sc SLS는 장파 적외선 범위에서 작동하므로 GOBO 프로젝터의 램프가 방사선을 방출하는 가시광선 및 근적외선 파장 범위에서는 민감하지 않습니다. 투사된 비주기적 사인파 패턴으로 인한 물체의 가열도 중요하지 않기 때문에 GOBO 프로젝터는 열화상 촬영에 영향을 미치지 않습니다.

측정 및 데이터 계산

3대의 카메라 모두 측정 중에 이미지 데이터를 동시에 기록합니다. GOBO 프로젝터의 비주기적 스트라이프 투사와 결합된 흑백 카메라의 데이터는 실제 3D 이미지를 생성하며, 이에 대해 일반적으로 10개 이미지 쌍의 시퀀스가 계산되어 3D 이미지를 형성합니다. 이러한 '3D 재구성'은 이제 FLIR LWIR 카메라의 열화상 데이터가 중첩되는 공간적 형상을 가져와 맵핑 프로세스에서 공간 좌표에 온도 값을 할당합니다.

교정

물론 VIS 카메라와 LWIR 카메라로 구성된 시스템은 측정 전에 교정해야 합니다. 이를 위해 IOF 팀은 규칙적인 그리드가 있는 개방되고 채워진 원과 교정 보드를 사용합니다. 이러한 구조가 균일한 온도 분포로도 VIS 및 LWIR 모두에서 검출될 수 있도록 원 및 배경에 대해 매우 상이한 반사도(VIS)와 방사율(LWIR)을 갖는 재료를 선택했습니다. Jena 연구자들은 인쇄 회로 기판을 사용하여 이 문제에 대한 해결책을 찾았습니다. 이렇게 함으로써 전기 부품 사이의 전기 연결 대신 규칙적인 그리드가 있는 개방되고 채워진 원으로 구성된 매우 특이한 회로 보드가 개발되었습니다.

측정 결과: 에어백 및 농구

이제 시스템은 다양한 시나리오에서 테스트되었습니다. 여기에는 공을 드리블하는 농구 선수가 포함되었습니다(공을 변형시킬 뿐만 아니라 열 가열을 일으킴). 또 다른 가능한 응용 분야는 에어백이 전개될 때의 온도 발생 및 공간 표현의 측정입니다. 시스템은 3m에서 0.5초 동안 고속 프로세스를 기록했습니다. 3차원 데이터와 열화상 정보를 결합함으로써 에어백이 전개의 결과로 얼마나 뜨거워졌는지 뿐만 아니라 어느 시점에서 정확히 어떤 공간 좌표로 조정되었는지도 분명해졌습니다. 이러한 정보는 에어백 전개와 관련하여 운전자의 부상 위험을 줄이고 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

결론 및 전망

IOF 연구팀의 Martin Landmann은 다음과 같이 확신합니다. 고해상도 3D 데이터와 빠른 열화상 이미지의 조합을 위한 응용 분야는 매우 다양합니다. Martin Landmann은 “에어백이 작동하거나 스위치 캐비닛에 있을 때 충돌 테스트 관찰, 변형 및 마찰 프로세스 조사 또는 폭발과 같은 매우 빠른 열 관련 이벤트 등을 통해 유익한 정보를 얻을 수 있다”고 설명합니다. 그는 시스템이 지속적으로 개발되고 최적화되고 있음을 강조합니다. 따라서 향후 Frauhofer IOF 팀으로부터 보다 혁신적인 연구 결과를 기대할 수 있습니다.