비디오 감시 시스템의 렌즈 선택에 대한 중요한 고려 사항

이 이야기는 렌즈 선택이 잘못된 경우와 잘된 경우에 관한 것입니다. 종종 렌즈 선택은 별로 중요하게 여기지 않거나, 최악의 경우 뒷전으로 밀리는 경향이 있습니다. 렌즈 선택이 신중하게 고려된 경우에도 항상 완벽하게 이해되는 것은 아닙니다. 영상 감시 시스템 설계 시 비용이 많이 드는 실수를 피하기 위해서는 충분한 주의가 필요합니다.

다음 두 가지 사례는 렌즈 선택에서 가장 중요한 고려 사항을 설명하기 위해 사용됩니다. 두 사례 모두 공립 학교 부문에서 나온 것입니다. 두 학교는 명확한 목표를 설정하고, 설치 전에 렌즈를 연구하고 평가하며 테스트했습니다. 하지만 한 프로젝트는 실패하고, 다른 프로젝트는 성공했습니다. 그렇다면 실패한 사례에서는 무엇이 잘못되었을까요? 성공적인 서례에서는 무엇이 차이를 만들었을까요? 그 세부 사항을 파헤쳐 보겠습니다.

사례 연구 1 - 뉴저지 고등학교

이 학교는 문제를 안전 문제로 설명했습니다. 학생들의 공격적인 신체 행동이 폭력으로 이어질 가능성을 막고, 약간의 절도 문제도 있었습니다. 학교는 감시 시스템을 개선하면 범죄 억제와 사건 후 대응에 도움이 될 것이라고 생각했습니다. 기존 감시 시스템은 "고해상도"라고 여겨지던 아날로그 카메라로 구성되었으나, 넓은 지역을 감시할 수 있을 만큼 해상도가 충분하지 않았습니다. PTZ 카메라를 설치할 인력이 부족해 그런 장비를 사용하고 싶지 않았습니다.

학교는 출입구에서 포렌식 품질의 식별을 가능하게 하고, 주차장에서 사람을 인식하며, 독특한 육각형 중앙 복도에서 포렌식 품질의 식별을 목표로 설정했습니다. 보안 담당자는 온라인에서 제품을 광범위하게 검색하고 비교했습니다. 고해상도 카메라가 넓은 지역을 커버할 수 있을 것이라고 생각했으나, 모든 카메라가 그들의 필요를 충족시키지는 못한다는 사실을 알게 되었습니다.

또한 광각 렌즈를 연구하고 통합업체들과 상담했으며, 4개의 렌즈 제조사에서 샘플을 평가했습니다. 그 결과, 많은 광각 렌즈에서 심각한 어안 효과가 나타났고, 일부 렌즈는 5메가픽셀 카메라로도 흐릿한 이미지를 제공한다는 것을 발견했습니다.

조사와 평가 후, 그들은 360도 멀티 센서 카메라 2대를 선택했습니다. 하나는 식당에, 다른 하나는 컴퓨터 실에 설치했습니다. 또한 34대의 5메가픽셀 카메라를 선택했는데, 그중 11대는 야외 돔형 카메라, 6대는 실내 돔형 카메라, 나머지 17대는 5인치 실내 돔형 카메라였습니다.

그들은 18~25도의 수평 시야각 렌즈와 8개의 90도 렌즈를 선택했습니다. 추가로 Theia Technologies의 135도 수평 시야각 렌즈 12개를 선택했으며, 이는 6개가 육각형 복도를 커버하고, 2개는 주차장과 넓은 야외 지역을 커버하며, 1개는 정문을, 2개는 건물 날개 모서리를, 1개는 임시 건물 2곳을 커버합니다.

프로젝트는 예산 대비 30% 절감된 상태에서 예상한 결과를 달성했고, 지정된 위치에 선택된 장비를 설치하여 우수한 해상도와 이미지 유동성, 빠른 반응 시간을 얻을 수 있었습니다. 학교 행정 부서도 매우 만족하며 학군 내 다른 학교들도 업그레이드할 계획을 세웠습니다.

광각 렌즈 선택

학교의 독특한 육각형 복도는 큰 도전이었습니다. 뉴저지 주 세일럼 시 교육구의 프로젝트 매니저 닉 스틸에 따르면, "연락한 모든 설치업체가 복도의 각도가 너무 과도하다며 카메라 수를 두 배로 늘리고 각도를 절반으로 줄이길 원했습니다. 주차장도 마찬가지였습니다. 몇몇 공급업체와 설치업체들과 몇 번의 언쟁까지 벌였습니다. 우리는 수학적으로 계산을 했고, 새로운 5메가픽셀 카메라가 이를 해결할 수 있다는 것을 알았으며, 단지 맞는 렌즈를 찾으면 되는 문제였습니다.

우리는 검색을 했고, 우리의 사양을 충족하는 유일한 제품은 Theia 렌즈였습니다. 설치업체들이 사진을 보고 놀랐습니다. 우리가 필요로 했던 매우 넓은 시야각을 확보했을 뿐만 아니라, 모든 이들이 불가능하다고 말했던 어안 왜곡도 없이, 5.1백만 픽셀 이미지의 모든 점이 완벽하게 활용되었고 왜곡되지 않았습니다."

5메가픽셀 카메라와 Theia의 5메가픽셀 렌즈의 조합은 기대했던 해상도를 제공했습니다. "누군가가 연필을 들고 있는지까지 알 수 있다"고 말했습니다.

5MP 카메라와 Theia SY125M 렌즈로 촬영한 육각형 복도

사례 연구 2 – 남부 캘리포니아 고등학교

뉴저지 고등학교에서 제시된 문제와 유사하게, 이 학교의 행정부도 학생과 교직원의 안전을 최우선 과제로 삼았습니다. 이 학교의 기존 비디오 감시 시스템은 170대의 아날로그 카메라로 구성되어 있었습니다. 그러나 이 시스템은 광각 렌즈에 대한 충분한 해상도를 제공하지 못했고, 법적으로 인정될 수 있는 인물 식별이 불가능했습니다. 또한 시스템 신뢰성이 낮아 자주 고장 나고 다운타임이 발생했으며, 시스템 유지 및 모니터링이 복잡하고 비용이 많이 들었습니다.

행정 부서의 목표는 기존 아날로그 시스템보다 넓은 공간을 커버하고, 향상된 이미지 선명도, 증가된 시스템 가동 시간, 더 쉽게 관리할 수 있는 시스템 크기를 달성하는 것이었습니다. 새 시스템을 통해 1.8~2.1m 떨어진 곳에서도 법적으로 인정될 수 있는 인물 식별을 할 수 있고, 넓고 연속적인 커버리지를 원했습니다. 또한 PTZ 카메라는 사용하고 싶지 않았습니다.

그들의 접근 방식은 조금 달랐습니다. 학군은 그들의 요구를 충족시킬 수 있는 시스템을 설계하기 위해 컨설턴트를 고용했습니다. 컨설턴트는 학교와 만나 그들의 요구를 파악하고, 장비를 선택했으며, 제조업체의 조언을 구하고 테스트를 진행했습니다.

컨설턴트는 시스템을 지정하면서 아날로그 카메라 수를 170대에서 43대의 메가픽셀 카메라로 줄였고, 43대의 광각, 왜곡이 적은 5메가픽셀 렌즈(역시 Theia Technologies 제품)를 선택했습니다.

결과는? 카메라와 렌즈가 구매되어 설치되었지만, 얼마 지나지 않아 렌즈가 반품되었습니다. 무엇이 잘못되었을까요?

무엇이 잘못되었을까요? 'CSI 효과' 등장

메가픽셀 카메라와 메가픽셀 렌즈의 조합이 강력할 수 있지만, CSI와 같은 인기 TV 프로그램들이 무시하는 기술적 한계가 존재하며, 이로 인해 비현실적인 기대가 생깁니다. 메가픽셀 카메라와 렌즈가 있으면 모든 것이 가능하다는 유혹에서 벗어나기 어렵습니다.

해상도와 시야각 간의 상충 관계

중요하지만 종종 간과되는 고려 사항 중 하나는 이미지 해상도와 시야각 간의 상충 관계입니다. 카메라와 렌즈의 조합에 따라, 카메라의 고유 해상도는 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 분산되어 픽셀 밀도와 이미지 해상도에 영향을 미칩니다. 해상도가 넓게 퍼질수록 픽셀 밀도는 낮아집니다. 아래에 동일한 카메라로 동일한 거리에서 촬영한 이미지들은 이 상충 관계를 보여줍니다. 가장 넓은 시야각은 가장 넓은 영역을 커버할 수 있지만, 높은 디테일을 볼 수 없으며, 가장 좁은 시야각은 높은 디테일을 잡을 수 있지만 넓은 영역을 커버하는 데는 한계가 있습니다.

1.7mm fl = 125° HFOV 5mm fl = 65° HFOV

15mm fl = 24° HFOV 50mm fl = 7° HFOV

다음에 나오는 일련의 이미지들도 마찬가지로 동일한 고해상도 카메라로 동일한 거리에서 촬영되었으며, 넓은 시야각으로 넓은 영역을 커버할 수 있는 대신, 세부 디테일과 사람을 식별할 수 있는 능력이 희생된다는 것을 보여줍니다.

맞춤형 설계의 필요성

시스템 설계에서 또 다른 중요한 고려 사항은 특정 요구 사항을 이해하고 그에 맞는 장비를 사용하는 맞춤형 설계입니다. 앞서 이야기한 것처럼, 캘리포니아와 뉴저지의 학교들은 각각의 위치에서 다른 해상도를 필요로 한다는 것을 인식했습니다. 그럼에도 불구하고, 새로운 캘리포니아 학교 시스템에 선택된 장비는 "단일 제품으로 모든 것을 해결"하는 접근 방식을 반영했습니다. 이 방식은 시스템 설계의 큰 결함이었고, 렌즈 반품을 초래했습니다. 설치 후, 학교 관리진은 넓은 주차장을 커버할 수 있을 뿐만 아니라, 번호판을 확대하여 확인하고 멀리서 얼굴을 식별할 수 있기를 기대했었습니다. 이 경우, 넓은 시야각 렌즈로 커버하고, 좁은 시야각 렌즈로 출입구와 같은 주요 지점을 고해상도로 커버하는 방식을 사용했어야 했습니다.

맞춤형 장비 선택은 연구와 테스트 측면에서 시간이 더 오래 걸릴 수 있으며, 대량 구매를 통해 얻을 수 있는 가격 할인을 놓칠 수도 있습니다. 하지만 잘못된 장비를 설치하고 다시 철거한 후 올바른 장비를 재설치하는 데 발생하는 불편함, 시간, 비용, 시스템 중단 및 안전 위험을 피할 수 있습니다.

이용 가능한 도구 활용

시스템 설계 및 올바른 장비 선택을 지원하는 유용한 도구들이 많이 있습니다. 그 중 하나가 Theia의 무료 이미지 해상도 및 렌즈 계산기입니다. 이 도구는 애플리케이션과 잠재적인 장비의 중요한 세부 사항을 입력하면, 해당 가정 하에서 이미지 해상도를 빠르게 계산해 줍니다. 카메라 해상도와 사용하려는 센서 크기, 필요한 렌즈 시야각을 입력하고, 프로젝트의 주요 변수인 픽셀 밀도, 커버해야 할 거리 또는 카메라와 대상 간의 거리를 입력하면 도구가 나머지 변수를 계산해 줍니다.

예를 들어, 5메가픽셀, 1/2.5인치 센서 카메라와 3mm 렌즈를 사용할 계획이며, 대상과 50피트 떨어져 있다고 가정하면, 도구는 픽셀 밀도가 27픽셀/피트, 커버 폭이 97피트라는 결과를 계산해 줍니다. 그러면 도구는 선택한 변수로 얻을 수 있는 이미지 해상도 수준을 시각적으로 제공하여, 해당 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는지 빠르게 확인할 수 있습니다.

메가픽셀 렌즈가 필요한가요?

뉴저지 고등학교의 테스트 결과, 표준 해상도 렌즈와 5메가픽셀 카메라를 함께 사용하면 흐릿한 이미지가 생성된다는 사실을 확인했습니다. 일반적으로 멀티 메가픽셀 카메라가 제공하는 모든 픽셀을 활용하려면, 해상도가 일치하는 고품질 렌즈가 필요하며, 그렇지 않으면 고해상도 카메라에 투자한 비용이 낭비될 수 있습니다.

메가픽셀 카메라를 사용할 때, 사용하는 렌즈의 초점면의 스팟 크기가 카메라의 픽셀 크기와 같거나 더 작아야 합니다. 그렇지 않으면 빛이 픽셀에서 벗어나 흐릿한 이미지가 만들어지기 때문입니다. 스팟 크기는 아래 그림과 같이 렌즈가 빛의 광선을 집중시키는 영역을 의미합니다.

메가픽셀 렌즈는 더 많은 요소, 더 복잡한 모양, 그리고 더 높은 정밀도의 요소(예: 비구면)를 필요로 하기 때문에 제조하기가 더 어렵고, 구매 비용도 더 비쌉니다.

메가픽셀 카메라에서는 센서 크기와 픽셀 수에 따라 픽셀 크기와 필요한 렌즈 스팟 크기가 달라집니다. 동일한 1.3메가픽셀 카메라라도 센서 크기가 다르면 픽셀 크기도 다를 수 있습니다. 아래 그림이 이를 보여줍니다.

렌즈를 선택할 때는 동일하거나 더 작은 센서 크기와 함께 사용하도록 설계된 렌즈를 선택하는 것이 중요하며, 카메라의 메가픽셀 등급과 일치하거나 그 이상인 렌즈를 선택해야 합니다.

이 외에도, 모든 메가픽셀 렌즈가 동일하게 만들어지는 것은 아니며, 메가픽셀 렌즈를 선택하는 작업은 복잡합니다. 더 자세한 정보는 'Why do I need a Megapixel lens?' 백서를 참고하세요.

Day/Night 렌즈는 필요한가요?

두 학교 사례에서 Theia의 SY125 렌즈가 사용되었습니다. SY125 렌즈는 주간/야간(Day/Night) 또는 IR 보정 기능이 없습니다. 렌즈 선택이 올바른지 여부에 대한 답은 "상황에 따라 다릅니다."

주간/야간 렌즈 또는 IR 보정 렌즈는 적외선(IR) 스펙트럼의 빛이 존재할 때 초점을 유지합니다. 일반적으로 렌즈는 가시광선 스펙트럼의 빛 범위에서 설계되고 초점이 맞춰집니다. IR 보정이 되어 있지 않으면, IR 스펙트럼의 빛이 들어올 때 초점이 이동하거나 흐릿한 이미지가 생기게 됩니다.

햇빛, 가로등(형광등 제외), 그리고 보이지 않는 조명을 위한 IR LED 조명기는 IR 빛의 출처입니다. 자연스럽게 발생하는 IR 빛을 사용할 때, 인공적으로 IR 조명을 도입하거나, IR 차단 필터를 제거하여 IR 빛이 센서에 도달하도록 하는 주간/야간 카메라를 사용할 때는 IR 보정 렌즈 또는 주간/야간 렌즈가 필요합니다.

IR 보정 렌즈는 가시광선과 IR 스펙트럼 빛을 같은 초점면에 맞추도록 특별히 설계됩니다. 이를 위해서는 보다 복잡한 렌즈 설계가 필요하며, 종종 더 많은 렌즈 요소와 복잡한 형태의 요소(예: 비구면), 그리고 특수 코팅이 포함됩니다.

더 자세한 정보는 'Day/Night DeMystified: Understanding Day/Night Cameras and Lenses.' 백서를 참고하세요.

F/#는 무엇인가요?

F/#는 렌즈를 통해 통과하는 빛의 양을 결정하며, 1:1.8, F1.8 또는 F/1.8과 같이 표현됩니다. 이는 렌즈의 초점 거리(focal length)를 조리개 구경(pupil diameter)으로 나눈 값을 나타냅니다. F/# 값이 작을수록 더 많은 빛을 모을 수 있기 때문에, 낮은 조도 상황에서는 F/# 값이 낮을수록 더 좋습니다. 보안 애플리케이션에서는 F/# 값이 2.0 이하인 렌즈를 찾는 것이 좋습니다.

렌즈의 요소 수와 유리 코팅도 빛의 투과에 영향을 미치며, 원하는 F/# 값과 빛 모으기 능력을 달성하기 위해서는 더 복잡한 렌즈 설계가 필요하고 종종 더 비싼 렌즈가 요구됩니다.

숙제를 대신할 방법은 없다

이 두 사례에서 알 수 있듯이, 시스템 장비와 그 기능 및 이점을 조사하는 것뿐만 아니라, 애플리케이션의 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다. 이 요구 사항은 위치에 따라 다를 수 있으며, 서로 상충될 수 있고 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 타협이 필요할 수도 있습니다.

애플리케이션 및 시스템의 요구 사항과 목표를 이해한 후, 각 위치에 맞는 장비를 조사하고, 선택한 장비가 예상대로 작동할지 계산 도구를 사용하여 확인해야 합니다. 그 다음으로 실제 애플리케이션에서 제품을 평가하여 장비가 실제로 작동하는지 검증해야 합니다.

대부분의 경우와 마찬가지로, 초기 단계에 시간을 투자하는 것이 결국 시간과 비용을 절약하는 길입니다. 요약하자면:

장소/애플리케이션의 요구 사항을 세부적으로 정의하라
처음부터 렌즈를 고려하라
요구와 욕구를 구분하고, 타협점을 찾아라
(CSI 효과) 너무 과도하게 설계하지 마라
전문가의 조언을 구하라 – 컨설턴트, 제조업체, 통합업체
내부의 직접적인 경험을 무시하지 마라
사용 가능한 도구를 조사하고 활용하라 (계산기, 설계 도구 등)
가능한 한 실제 상황에서 기술적 해결책을 테스트하라
예산을 기억하되, 눈앞의 이익에 얽매여 큰 손해를 보지 마라
시간을 투자하고 돈을 절약하라!

저자: Andrea Iniguez, Theia Technologies 사업개발 부사장