고속 카메라
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1. 개요
고속 카메라는 일반적인 카메라보다 훨씬 빠른 속도로 움직이는 물체를 촬영하는 데 사용되는 특수 카메라이다. 필름, 고속 비디오, 프레이밍, 스트리크 카메라 등 다양한 종류가 있으며, 1초에 수백만 프레임을 촬영할 수 있다. 고속 카메라는 과학 연구, 산업 현장, 스포츠 중계, 방송 및 엔터테인먼트, 군사 분야 등에서 활용되며, 폭발, 동물의 움직임, 스포츠 경기 중 슬로우 모션 영상 제작 등에 사용된다.
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| 고속 카메라 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 초당 250프레임 이상으로 이미지를 캡처하는 장치 |
| 관련 기술 | 고속 촬영 |
2. 종류
고속 카메라는 촬영 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 필름에 기록하는 고속 필름 카메라
- 전자 메모리에 기록하는 고속 비디오 카메라
- 여러 이미지 평면 또는 동일한 이미지 평면의 여러 위치에 이미지를 기록하는 고속 프레이밍 카메라[3] (일반적으로 필름 또는 CCD 카메라 네트워크)[3]
- 필름 또는 전자 메모리에 일련의 선 크기 이미지를 기록하는 고속 스트리크 카메라[3]
고속 비디오 카메라는 과학 연구,[4][5] 군사 시험 및 평가,[6] 그리고 산업 분야에서 널리 사용된다.[7] 산업 응용 분야로는 기계 제조 라인 촬영, 충돌 시험에서 충돌 더미 탑승자와 자동차에 미치는 영향 조사 등이 있다. 오늘날 디지털 고속 카메라는 차량 충돌 테스트에 사용되는 필름 카메라를 대체했다.[8]
''MythBusters'' 및 ''Time Warp''와 같은 텔레비전 시리즈는 종종 고속 카메라를 사용하여 테스트를 슬로우 모션으로 보여준다.
2010년에 연구자들은 각 프레임을 2조 분의 1초(피코초) 동안 노출하는 카메라를 제작하여, 효과적인 프레임 속도가 500조 fps(펨토 사진)이 되었다.[12][13] 최신 고속 카메라는 입사광(광자)을 일련의 전자로 변환한 다음, 이를 양극판으로 편향시키고 다시 광자로 변환하여 필름 또는 CCD에 기록하는 방식으로 작동한다.
2. 1. 필름 카메라
일반적인 영화 필름은 24 fps로 재생되는 반면, 텔레비전은 25fps(PAL) 또는 29.97fps(NTSC)를 사용한다. 고속 필름 카메라는 셔터를 사용하는 대신 회전하는 프리즘 또는 거울 위로 필름을 돌려 최대 25만 fps로 촬영할 수 있다. 이러한 높은 속도에서는 필름이 찢어질 수 있기 때문에 셔터 뒤에서 필름을 정지하고 시작할 필요가 없다. 이 기술을 사용하면 1초의 동작을 10분 이상으로 늘릴 수 있다(슈퍼 슬로우 모션).필름식 고속 카메라에는 드래그 방식과 로터리 프리즘 방식이 있다.
고속 카메라의 문제점은 필름에 필요한 노출이다. 40,000 fps로 촬영하려면 매우 밝은 빛이 필요하며, 이로 인해 조명의 열로 인해 피사체가 파괴될 수도 있다. 흑백 촬영은 필요한 빛의 강도를 줄이기 위해 때때로 사용된다.
2. 1. 1. 드래그 방식
필름식 고속 카메라에는 드래그 방식과 로터리 프리즘 방식이 있다. 드래그 방식의 고속 카메라는 로터리 프리즘 방식보다 화질이 좋지만, 35mm로 200 프레임 정도가 필름의 내구성에 대한 물리적인 한계였다. 1949년에 SMPTE는 250 프레임 이상의 기기를 고속 카메라로 정의했다[24]。카메라에 담긴 필름 롤을 고속으로 회전(이송)시켜 촬영한다. 드래그 방식 필름 고속 카메라의 촬영 속도는 기계 구동 방식이라는 점에서도 최대 1만 프레임/초 정도가 상한(2만 프레임의 기기가 존재한다)으로 여겨진다. 필름을 드럼에 감아 촬영하는 방법 등을 사용하여 적은 프레임 수이면서도 100만 프레임/초를 넘는 기기도 존재한다.
그 구조상, 목표로 하는 프레임 수에 필름을 이송하는 속도에 도달하기까지의 시작 시간이 필요하며, 실질적으로 목표로 하는 속도에 도달한 후에 정속 촬영할 수 있는 시간은 수 초 정도가 일반적이다. 또한, 필름을 고속으로 이송하기 때문에, 그 마지막 부분이 카메라 내에서 격렬하게 움직여 부서지므로, 다음 촬영을 할 경우에는 카메라의 기구 부분을 분해하는 등의 세심한 청소 작업이 필요하며, 반복 촬영을 할 경우에는 상당한 시간이 소요된다.
2. 1. 2. 로터리 프리즘 방식
필름식 고속 카메라에는 드래그 방식과 로터리 프리즘 방식이 있다. 드래그 방식의 고속 카메라는 로터리 프리즘 방식보다 고화질이지만, 35mm로 200프레임 정도가 필름의 내구성에 대한 물리적인 한계였다. 1949년에 SMPTE는 250프레임 이상의 기기를 고속 카메라로 정의했다.[24]2. 2. 디지털 카메라
디지털 고속 카메라는 필름 카메라에 비해 많은 운영 및 비용상의 이점을 제공하며, 현재 고속 카메라 개발의 중심이 되고 있다.[10][11]디지털 방식은 촬영 후 즉시 영상을 재생할 수 있어 현장에서 간편하게 영상 평가가 가능하다. 반복 촬영 시 다시 녹화 버튼만 누르면 되므로 간편하고 소모품도 발생하지 않는다. 메모리식 카메라의 가장 큰 특징은 엔드리스 루프 레코딩 기능이다. 비디오 테이프나 필름은 물리적 기록 시간 제한이 있지만, 디지털 메모리는 용량 내에서 덮어쓰기를 반복하여 엔드리스 기록(링 버퍼)이 가능하다. 단, 이 경우 덮어쓰기된 영상은 사라진다.
고속 카메라에는 주로 CMOS 이미지 센서가 사용되며, CCD 이미지 센서를 사용한 카메라는 적다. 빠른 속도로 영상을 촬영하는 것이 고속 카메라의 주요 기능이므로, 전하를 고속으로 읽을 수 있는 CMOS가 적합하다. CMOS는 CCD에 비해 감도와 노이즈 측면에서 불리한 경우가 많아, 이를 해결하는 것이 센서 개발의 핵심이다.
일반적인 디지털 비디오 카메라와 달리, 촬영 프레임 수만큼 빛을 분기하여 동일한 영상을 여러 센서에 결상시키는 방식으로 고속 촬영을 하는 경우도 있다. 이 방식은 최대 10억 프레임/초의 촬영이 가능하지만, 촬영 가능 길이는 센서 수에 제한된다. (NAC사의 ULTRANAC Tau)
최근 고화질, 고감도 CMOS 센서가 개발되어 고속 카메라에 채용되는 사례가 늘고 있다. 하지만 고속 카메라 제조사가 난립하면서, 사용자는 기능 및 성능을 표시한 카탈로그나 웹사이트의 표현을 이해하기 어려워 원하는 제품을 잘못 선택할 수 있으므로 주의해야 한다. 카시오의 엑시림 Pro EX-F1과 같이, 디지털 카메라에도 1200fps의 고속 촬영 기능을 갖춘 기종이 있다.
2. 2. 1. 일체형
디지털 고속 카메라는 비디오 카메라와 구성 요소는 비슷하지만, 크게 일체형과 분리형으로 나뉜다. 일체형은 카메라 본체에 기록용 메모리나 처리 회로를 내장하고, 하나의 하드웨어로 구성된다. 분리형은 센서와 주변 회로 외의 기능을 갖지 않는 작은 카메라 헤드와, 전용 케이블로 연결된 메모리 및 처리 회로를 내장한 본체 부분으로 구성된다. 이러한 외형의 차이는 사용 환경과 목적에 따라 결정된다. 촬영 후 이미지 데이터를 저장하려면 USB, IEEE 1394, 파이버 채널, 이더넷 등 다양한 연결 방식을 가진 컴퓨터가 필요하며, 어떤 연결 방식을 사용할지는 제조사에 따라 다르다. 일부 분리형 고속 카메라는 본체 대신 컴퓨터에 직접 연결하여 사용하기도 한다.2. 2. 2. 분리형
디지털 고속 카메라는 크게 일체형과 분리형으로 나눌 수 있다. 분리형은 센서와 그 주변 회로 외의 기능을 갖지 않는 작은 카메라 헤드와, 전용 카메라 케이블로 연결된 메모리 및 처리 계통 회로를 내장한 본체 부분으로 구성된다. 이러한 외관의 차이는 사용되는 환경이나 목적을 고려한 결과이다.[1] 일부 분리형 고속 카메라는 본체 부분에 전용 바디를 사용하지 않고, 직접 컴퓨터에 카메라를 연결하여 사용하기도 한다.[1]2. 3. 프레이밍 카메라
여러 이미지 평면 또는 동일한 이미지 평면의 여러 위치에 이미지를 기록하는 고속 프레이밍 카메라[3]가 있다. 일반적으로 필름 또는 CCD 카메라 네트워크를 이용한다.[3]2. 4. 스트리크 카메라
스트리크 카메라는 필름 또는 전자 메모리에 일련의 선 크기 이미지를 기록하는 고속 카메라이다.[3]3. 기술적 특징
고속 카메라는 기록 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 필름에 기록하는 고속 필름 카메라
- 전자 메모리에 기록하는 고속 비디오 카메라
- 여러 이미지 평면 또는 동일한 이미지 평면의 여러 위치에 이미지를 기록하는 고속 프레이밍 카메라[3] (일반적으로 필름 또는 CCD 카메라 네트워크)
- 필름 또는 전자 메모리에 일련의 선 크기 이미지를 기록하는 고속 스트리크 카메라
일반적인 영화 필름은 24 fps로 재생되는 반면, 텔레비전은 25fps (PAL) 또는 29.97fps (NTSC)를 사용한다. 고속 필름 카메라는 셔터를 사용하는 대신 회전하는 프리즘 또는 거울 위로 필름을 돌려 최대 25만 fps로 촬영할 수 있다.[3] 이 기술을 사용하면 1초의 동작을 10분 이상으로 늘릴 수 있다(슈퍼 슬로우 모션). 고속 비디오 카메라는 과학 연구,[4][5] 군사 시험 및 평가,[6] 그리고 산업 분야에서 널리 사용된다.[7] 오늘날 디지털 고속 카메라는 차량 충돌 테스트에 사용되는 필름 카메라를 대체했다.[8]
''MythBusters'' 및 ''Time Warp''와 같은 텔레비전 시리즈는 종종 고속 카메라를 사용하여 테스트를 슬로우 모션으로 보여준다.
현재 소비자 카메라는 초당 1,000프레임 이상의 프레임 속도로 최대 4메가픽셀의 해상도를 가지며 초당 11기가바이트의 속도로 기록된다. 기술적으로 이러한 카메라는 매우 발전했지만, 이미지를 저장하려면 느린 표준 비디오-컴퓨터 인터페이스를 사용해야 한다.[9]
고속 카메라의 문제점은 필름에 필요한 노출이다. 40,000 fps로 촬영하려면 매우 밝은 빛이 필요하며, 이로 인해 조명의 열로 인해 피사체가 파괴될 수도 있다. 흑백 촬영은 필요한 빛의 강도를 줄이기 위해 때때로 사용된다.
특수 전자 CCD 이미징 시스템을 사용하여 더 높은 속도의 이미징이 가능하며, 이는 2,500만 fps 이상의 속도를 달성할 수 있다. 그러나 이러한 카메라는 이전 필름 카메라와 마찬가지로 회전 거울을 사용한다. 고체 상태 카메라는 최대 1,000만 fps의 속도를 낼 수 있다.[10][11] 고속 카메라의 모든 개발은 현재 필름 카메라에 비해 많은 운영 및 비용 이점을 가진 디지털 비디오 카메라에 집중되어 있다.
2010년에 연구자들은 각 프레임을 2조 분의 1초(피코초) 동안 노출하는 카메라를 제작하여, 효과적인 프레임 속도가 500조 fps(펨토 사진)이다.[12][13]
4. 활용 분야
고속 카메라는 과학 연구, 산업 현장, 스포츠, 방송 및 엔터테인먼트, 군사 등 다양한 분야에서 활용된다. 일반적인 영화는 24 fps로 재생되지만, 고속 카메라는 이보다 훨씬 빠른 속도로 촬영하여 육안으로는 보기 힘든 빠른 움직임을 포착하고 분석하는 데 사용된다.
4. 1. 과학 연구
고속 카메라는 전통적인 필름 속도로는 너무 빠르게 발생하는 현상을 분석하기 위해 과학 분야에서 자주 사용된다. 생체역학은 개구리와 곤충의 점프,[15] 물고기의 흡입 포식, 갯가재의 공격, 모션 분석을 사용하여 2D 또는 3D로 움직임을 특성화하기 위해 하나 이상의 카메라에서 생성된 시퀀스의 에어러다이나믹 연구와 같이 고속 동물 움직임을 포착하기 위해 이러한 카메라를 사용한다.[16]필름에서 디지털 기술로의 전환은 예측할 수 없는 동작을 가진 이러한 기술의 사용의 어려움을 크게 줄였다. 특히 지속적인 녹화와 트리거 후 사용을 통해 가능해졌다. 필름 고속 카메라의 경우, 조사자는 필름을 시작한 다음 필름이 다 떨어지기 전 짧은 시간 안에 동물이 행동을 하도록 유도해야 한다. 그 결과 동물이 너무 늦게 또는 전혀 행동하지 않아 쓸모없는 시퀀스가 많이 발생한다. 현대 디지털 고속 카메라에서는[17], 조사자가 동작을 유발하려고 시도하는 동안 카메라가 단순히 지속적으로 녹화할 수 있으며, 그 후 트리거 버튼을 누르면 녹화가 중지되고 조사자는 트리거 전후의 특정 시간 간격을 저장할 수 있다(프레임 속도, 이미지 크기 및 연속 녹화 중 메모리 용량에 따라 결정됨). 대부분의 소프트웨어는 기록된 프레임의 하위 집합을 저장하여 관심 시퀀스 전후의 쓸모없는 프레임을 제거하여 파일 크기 문제를 최소화한다. 이러한 트리거링은 여러 카메라에서 녹화를 동기화하는 데에도 사용할 수 있다.
알칼리 금속이 물과 접촉하여 폭발하는 현상은 고속 카메라를 사용하여 연구되었다. 물 속에서 폭발하는 나트륨/칼륨 합금의 프레임별 분석은 분자 역학 시뮬레이션과 결합하여 초기 팽창이 이전에 생각했던 것처럼 수소 가스의 연소가 아니라 쿨롱 폭발의 결과일 수 있음을 시사했다.[18]
디지털 고속 카메라 영상은 번개의 전파를 매핑할 수 있는 전기장 측정 장비 및 센서와 결합되었을 때, 이 과정에서 생성되는 전파를 감지하여 번개 리더의 전파를 이해하는 데 크게 기여했다.[19]
주로 산업 계측 장치, 자연 현상 분석, 엔터테인먼트 제작 용도로 사용된다.
- 우유의 밀크 크라운은 필름 카메라 시대에는 촬영이 어려웠지만, 고속 카메라를 사용하면 쉽게 촬영할 수 있다.
- 비디오 판독 - 경기 중 이의 제기(챌린지)의 증거로 사용하는 경우가 있다.
4. 2. 산업 현장
예방 정비에서 사후 정비로 전환할 때는 고장이 실제로 이해되어야 한다. 기본적인 분석 기술 중 하나는 생산 과정 등 너무 빨리 발생하여 볼 수 없는 현상을 특성화하기 위해 고속 카메라를 사용하는 것이다. 과학에서의 사용과 유사하게, 사전 또는 사후 트리거 기능을 통해 카메라가 계속 기록할 수 있으며, 정비공은 고장이 발생할 때까지 기다린 다음 트리거 신호(내부 또는 외부)가 기록을 중지하고 조사자가 트리거 이전의 특정 시간 간격(프레임 속도, 이미지 크기 및 연속 기록 중의 메모리 용량에 따라 결정됨)을 저장할 수 있게 한다. 일부 소프트웨어는 기록된 프레임의 하위 집합만 표시하여 문제를 실시간으로 볼 수 있게 하며, 관심 시퀀스 전후의 쓸모없는 프레임을 제거하여 파일 크기 및 시청 시간 문제를 최소화한다.[20]고속 비디오 카메라는 X선 방사선 촬영법과 같은 다른 산업 기술을 보완하는 데 사용된다. X선을 가시광선으로 변환하는 적절한 형광 스크린과 함께 사용하면 고속 카메라는 기계 장치 및 생물학적 표본 내부의 현상에 대한 고속 X선 비디오를 캡처하는 데 사용할 수 있다. 이미징 속도는 주로 형광 스크린의 감쇠율과 카메라의 노출과 직접적인 관계가 있는 강도 이득에 의해 제한된다. 펄스 X선 소스는 프레임 속도를 제한하며 카메라 프레임 캡처와 적절하게 동기화되어야 한다.[20]
고속 카메라는 주로 다음과 같은 목적으로 사용된다.
- 산업 계측 장치
- 자연 현상 분석
- 엔터테인먼트 제작
특히 다음과 같은 세부 분야에서 활용된다.
- 자동차의 충돌 안전성 시험: 운전자나 동승자가 충돌 시 에어백으로 적절하게 보호되는지 등을 촬영한다.
- 반도체 생산 장치(마운터, 와이어 본더 등)의 불량 동작 해석
- 각종 제품이나 재료 등의 낙하·충격 시험
- 스포츠 선수의 폼 체크 및 용품 개발을 위한 데이터 수집: 골프 스윙 분석이나 육상 선수의 동작 분석 등에 활용된다. (예: 야구/피칭, 타격 순간, 골프/임팩트 순간, 테니스/서브, 리시브, 스매싱 순간)
4. 3. 스포츠
고속 카메라는 국제 크리켓 경기와 같이 일반 슬로 모션이 충분히 느리지 않을 때 슬로 모션 즉시 재생을 위해 많은 주요 스포츠 이벤트의 TV 제작에 자주 사용된다.[1]4. 4. 방송 및 엔터테인먼트
- 호기심 해결사(MythBusters)에서는 속도나 높이를 측정하기 위해 고속 카메라를 사용한다.[14]
- 타임 워프(Time Warp)는 육안으로 볼 수 없을 만큼 빠른 사물의 속도를 늦추기 위해 고속 카메라를 사용한다.[14]
- 고속 카메라는 국제 크리켓 경기와 같이 일반 슬로 모션이 충분히 느리지 않을 때 슬로 모션 즉시 재생을 위해 많은 주요 스포츠 이벤트의 텔레비전 제작에 자주 사용된다.[14]
- 비디오 판독 - 경기 중 이의 제기(챌린지)의 증거로 사용된다.
- 스포츠 중계에서 슬로 모션 리플레이에 사용된다.
- 미니어처 촬영에서 스케일감을 연출하기 위해 사용된다.
- 버라이어티 프로그램에서 재미있는 순간을 촬영하기 위해 사용된다.
4. 5. 군사
1950년 미국 애버딘 시험장의 육군 소속 물리학자 모턴 술타노프는 100만 분의 1초 간격으로 프레임을 촬영하여 작은 폭발의 충격파를 기록할 수 있는 초고속 카메라를 발명했다.[21] 고속 디지털 카메라는 공중에서 투하된 기뢰가 해안가 근처에서 어떻게 배치되는지 연구하는 데 사용되었으며,[22] 다양한 무기 시스템 개발에도 활용되었다. 2005년에는 4메가픽셀 해상도로 1500fps로 기록하는 고속 디지털 카메라가 탄도 요격을 포착하는 시험장에서 추적 마운트에 사용되는 35mm 및 70mm 고속 필름 카메라를 대체했다.[23]5. 주요 카메라 제조사
| 회사명 | 국가 | 주요 제품 및 서비스 | 홈페이지 |
|---|---|---|---|
| 키엔스 | 일본 | 고속 카메라 및 관련 장비 | [http://www.keyence.co.jp/microscope/special/vw_9000/index.jsp] |
| 노비텍 | 일본 | 고속 카메라 및 측정 장비 | [https://www.nobby-tech.co.jp/measure/highspeed.html] |
| 낙 이미지 테크놀로지 | 일본 | 고속 카메라 및 이미지 처리 기술 | [https://www.nacinc.jp/] |
| 포토론 | 일본 | 고속 카메라 및 관련 제품 | [http://www.photron.co.jp/products/image/index.html] |
| 디텍트 | 일본 | 고속 카메라 | [http://www.ditect.co.jp/] |
| 아사누마 상회 산업기재 사업부 | 일본 | 고속 카메라 및 산업용 장비 | [http://www.asanumashoukai.co.jp/sanki/] |
| 시마즈 제작소 | 일본 | 고속 카메라 및 시험 장비 | [http://www.shimadzu.co.jp/test/products/video/] |
| 시나노 켄시 | 일본 | 고속 카메라 (Plexlogger) | [http://plextor.jp/plexlogger/index.php] |
| 일본 바이너리 | 일본 | 고속 카메라 및 이미징 시스템 | [http://www.nihonbinary.co.jp/Products/Imaging/HighSpeed/index.html] |
| IDT 재팬 | 일본 | 고속 카메라 | [http://www.idt-japan.co.jp/] |
| 닛세이 기겐 | 일본 | 고속 카메라 및 기록 장비 | [https://nissei-giken.co.jp/machine_recorder/] |
참조
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논문
Effect of CH4–Air Ratios on Gas Explosion Flame Microstructurec and Propagation Behaviors
[5]
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