초고속카메라

초고속카메라

1/1,000초 미만의 노출 또는 250fps를 초과하는 프레임 레이트(fps, frame per second)로 동영상을 캡처할 수 있는 장치. 빠르게 움직이는 물체를 사진 이미지로 저장 매체에 기록하는 데 사용된다.

역사

1. 움직임을 포착하려는 시도 (19세기 후반)

  초고속 카메라의 역사는 '움직임'의 본질을 포착하려는 열망에서 시작되었다. 이 시기의 기술은 연속된 사진을 통해 빠른 움직임을 분해하여 보여주는 것에 초점을 맞췄다.

   * 에드워드 마이브리지 (Eadweard Muybridge): 1878년, 사진작가 마이브리지는 "달리는 말의 네 발이 모두 공중에 뜨는 순간이 있는가?"라는 논쟁을 해결하기 위해 독창적인 실험을

     진행했다. 그는 경주 트랙을 따라 12대의 카메라를 설치하고, 말이 달려가면서 설치된 줄을 건드리면 각 카메라의 셔터가 차례로 터지도록 설계했다. 이 실험을 통해 말의 네 발이

     모두 지면에서 떨어지는 순간을 성공적으로 포착했으며, 이는 연속 사진을 통한 동작 분석의 시초이자 초고속 촬영의 개념을 연 중요한 사건으로 평가받는다.

   * 에티엔쥘 마레 (Étienne-Jules Marey): 프랑스의 생리학자 마레는 마이브리지의 작업에서 한 걸음 더 나아갔다. 그는 1882년 '크로노포토그래픽 건(Chronophotographic Gun)'을

     발명했다. 이 장치는 총 모양의 카메라로, 방아쇠를 당기면 회전하는 원판 필름에 초당 12장의 이미지를 연속적으로 기록할 수 있었다. 여러 대의 카메라를 사용한 마이브리지와

     달리, 단일 카메라로 다중 프레임을 포착한 마레의 방식은 현대적인 고속 촬영 기술의 직접적인 조상으로 여겨진다.

  2. 발전기: 기계식 및 전자식 기술의 등장 (20세기 초중반)

  20세기에 들어서면서 필름 기술과 기계 공학이 발전함에 따라 초고속 카메라는 본격적인 성장기에 접어든다.

   * 회전 프리즘 카메라: 필름을 계속 움직이면서 촬영하기 위해 '회전 프리즘'이나 '회전 거울'을 이용한 카메라가 개발되었다. 이 기술은 필름의 움직임에 맞춰 빛의 경로를 보정해

     줌으로써, 초당 수천 프레임에 달하는 촬영 속도를 구현할 수 있게 했다. 벨 연구소(Bell Labs) 등이 이 기술을 주도하며 과학 및 산업 연구에 활용하기 시작했다.

   * 해럴드 에저턴 (Harold "Doc" Edgerton): '파파 플래시'라는 별명으로 불리는 MIT의 해럴드 에저턴 교수는 초고속 카메라 역사에 한 획을 그은 인물이다. 그는 기계식 셔터의

     한계를 극복하기 위해 '스트로보스코프(Stroboscope)'라는 전자 섬광 장치를 발명했다. 이 장치는 아주 짧은 시간 동안 강력한 빛을 터뜨려 움직이는 피사체를 순간적으로

     '얼리는' 효과를 낸다. 그의 유명한 작품인 '사과를 관통하는 총알', '왕관 모양으로 튀어 오르는 우유 방울' 등은 스트로보스코프를 이용해 100만 분의 1초에 달하는 찰나를

     포착한 것으로, 초고속 촬영 기술의 가능성을 전 세계에 알렸다.

  3. 혁신기: 디지털 혁명과 센서 기술 (20세기 후반 ~ 현재)

  필름에서 디지털로의 전환은 초고속 카메라 기술에 가장 큰 혁신을 가져왔다. CCD(전하결합소자)와 CMOS(상보성 금속산화물 반도체) 이미지 센서의 등장은 초고속 카메라를 더욱

  강력하고 편리한 도구로 만들었다.

   * 디지털 기술의 장점:

       * 즉각적인 결과 확인: 필름을 현상할 필요 없이 촬영 즉시 결과를 확인하고 분석할 수 있게 되었다.

       * 데이터 처리의 용이성: 촬영된 영상은 디지털 파일로 저장되어 컴퓨터로 쉽게 전송하고, 정밀하게 분석하며, 영구적으로 보관할 수 있다.

       * 성능 향상: 센서 기술이 발전하면서 초당 수십만, 수백만 프레임까지 촬영 속도가 비약적으로 향상되었고, 해상도와 감도 또한 크게 개선되었다.

       * 소형화 및 비용 절감: 기술의 발전은 초고속 카메라의 크기를 줄이고 가격을 낮춰, 과거에는 거대 연구소에서나 가능했던 분석을 일반 산업 현장이나 방송국에서도 쉽게

         활용할 수 있게 만들었다.

  4. 현대의 초고속 카메라와 활용 분야

  오늘날 초고속 카메라는 상상을 초월하는 성능으로 다양한 분야에서 활약하고 있다.

   * 과학 및 연구: 유체 역학, 플라스마 물리, 신소재 파괴 실험, 곤충의 날갯짓이나 동물의 움직임 같은 생물학적 현상 분석 등 미시 세계의 비밀을 푸는 데 핵심적인 역할을 한다.

   * 산업 및 공학: 자동차 충돌 테스트, 에어백 전개 과정 분석, 반도체 및 전자기기 생산 라인의 오류 검출, 용접 및 절삭 과정 모니터링 등 제품의 안전성과 품질을 높이는 데

     필수적이다.

   * 군사 및 항공우주: 탄도 분석, 폭발 현상 연구, 로켓 및 미사일 발사 과정 관찰 등 국방 및 우주 기술 개발에 사용된다.

   * 미디어 및 스포츠: 스포츠 중계에서 결정적인 순간을 슬로우 모션으로 보여주거나, 영화나 다큐멘터리에서 극적인 시각 효과를 연출하는 데 널리 활용된다.

구조와 명칭

본체 (Sensor Head)

• 카메라의 핵심 모듈로, 이미지 센서·메모리·프로세서가 내장된 부분

렌즈 마운트

• 렌즈를 장착하는 부위

방열판 (히트 싱크)

• 장시간 고속 촬영 시 발생하는 열을 해소하는 방열 구조

마운트 홀

• 삼각대·로봇 암 고정을 위한 부분

전원 포트

• DC 전원 케이블 연결부

Ethernet 포트

• PC 제어 소프트웨어 연결을 위한 LAN 단자

초고속 카메라 설치 모습

*강원과학고등학교 초고속 카메라 | Phantom VEO E310L

풀 해상도에 Up to 3,260PPS 촬영

Phantom VEO E310L 고속카메라는 기존 VEO-L 기능을 기반으로 하여 새롭게 설계된 고속카메라로 기존 VEO 고속카메라보다 20% 정도 작고 가볍다. 1,280x800 1메가픽셀의 CMOS 센서의 와이드한 화면비율을 제공하며 풀 해상도에 초당 3,260장까지 촬영하고, 축소된 해상도로는 기본 최대 초당 650,000장을 촬영한다.

고속카메라 VEO E310L은 업계표준 커넥션 사용으로 효과적이면서 설치가 쉽도록 설계되었으며, 연구소나 교육기관에 가성비 대비 매우 적합하고, 3G HD-SDI와 HDMI 출력기능과 2개의 Programmable I/O를 제공한다. 그리고 최단 1㎲의 셔터속도를 제공하므로 미세하고 세밀한 순간을 캡쳐할 수 있고 이미지 흐림을 제거할 수 있다.

12비트 센서

Phantom VEO E310L 고속카메라는 풀 해상도에서 12비트 픽셀 심도, 글로벌 셔터, 슈퍼 35mm 형식의 고유한 CMOS 센서 설계로 다양한 고품질 광학장치와의 사용이 용이하다. 높은 비트 심도는 더 좋은 그레이 레벨과 아주 미세한 부분까지 고속촬영이 가능하다.

사용 방법

1. LED 설치

- 형광등은 우리 눈에 보이지 않는 속도로 깜빡이고 있다. 그러나 초고속 카메라는 그 깜빡임까지 잡아낼 정도로 초당 찍어내는 프레임 수가 많다 보니, 실험 시 형광등을 끄고 LED를 사용한다.

- LED는 역광을 피하기 위해 카메라가 위치한 곳과 같은 곳에 있는 것이 좋다. 또한, 주변에 빛 반사가 심하게 되는 물체나 기구를 치우면 더욱 좋은 조건에서 촬영이 가능하다.

- 설치를 모두 끝냈는데도 LED와 조리개가 심하게 흔들린다. 원래 그런 것이니 너무 걱정하지 말 것. 촬영하는 데에는 전혀 지장이 없다.

- 조리개는 필요 시에만 설치하되 실험자의 안구 건강을 위해 설치하는 편이 좋다.

i. LED의 삼각대를 설치한다. 안전을 위해 삼각대 중간 나사를 끝까지 조인다.

ii. LED의 손잡이가 움직이지 않도록 먼저 고정한다.

iii. LED를 삼각대에 넣고 나사를 조인다.

iv. 조리개를 설치한다.

2. 카메라 설치

i. 카메라를 올릴 삼각대를 설치한다. 카메라의 높이는 LED보다 낮은 것이 좋다.

ii. 삼각대의 레버를 당기고 카메라를 올려 고정한다. 기계의 안녕을 위해 카메라는 항상 손잡이를 들어 옮긴다.

iii. 카메라에 렌즈를 연결한다. 카메라 렌즈는 두 가지 종류가 있다. 더 긴 것이 더욱 배율이 좋지만, 현미경처럼 물체를 자세히 볼 것이 아니기 때문에 보통 더 짧고 두꺼운 렌즈를 선호한다.

iv. 렌즈를 연결한 후 렌즈 마개를 제거한다.

v. 카메라에 DC 전원을 연결한다.

vi. 노트북과 카메라를 ethernet 포트로 연결한다.

3. 노트북 연결과 전체적 설정

i. 카메라 전용 앱에 들어간다. 카메라가 ethernet 포트로 잘 연결되었다면, 우리 학교 기준 "slave"로 시작하는 카메라가 잡힐 것이다. 왜 slave로 시작하는지는 알 수 없다. 카메라는 애초부터 실험자의 노예가 될 운명이었다는 걸 의미하는 게 아닐까

ii. 연결 후 정상적으로 화면이 보이는지 확인한다. 이때 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

화면이 너무 밝은 경우

카메라 렌즈의 가장 안쪽 다이얼을 돌려 조도를 조절한다.

노트북 프로그램에서 "exposure"이라고 시작하는 메뉴얼을 하나씩 조정해가며 최적 조도를 찾는다.

화면이 기울어 보이는 경우

카메라에 달린 여러 다이얼을 돌려가면서 카메라의 여러 각도를 조정한다. 수평계도 있으니 참고해서 화면을 잘 조정한다.

초점이 맞지 않는 경우

우선 렌즈의 중간 다이얼을 돌려 얼추 초점이 맞는 것 같은 지점을 찾는다(배율을 조절한다). 실험을 진행할 그 위치에 글씨가 써진 물체를 두어 글씨가 선명하게 보이는지 확인하는 방법이 가장 좋다.

초점이 얼추 맞는다 싶으면 렌즈의 가장 바깥쪽 다이얼을 이용해 더욱 정교하게 초점을 맞춘다.

iii. 실험을 고려하여, lasting time을 조정한다. 촬영 지속 시간을 의미한다. 이 시간이 길수록 만들어진 영상의 용량이 기하급수적으로 커진다. 만든 영상을 저장할 거라면 최소한의 lasting time으로 설정하자.

*하지만 아무리 조정해도 영상을 저장하는 건 시간이 정말 많이 오래 걸린다. 그냥 그 프로그램 자체에서 분석할 것을 모두 분석하고 실험을 마치는 것이 최고이다.

iv. fps는 실험 특성상 필요한 만큼 조절한다. 일반적 역학 실험이라면 1000프레임을 많이 사용한다.

v. 설정이 모두 완료되면 오른쪽 맨 아래 촬영 버튼을 눌러 실험을 시작/촬영한다.

4. 결과 분석 팁

촬영이 끝나서 분석을 하려고 한 프레임 한 프레임 화면의 초록색 오른쪽 화살표 버튼을 눌러 앞으로 가다간 10년이 지나 버릴 수도 있다.

마우스를 이용해 재생 바를 좌우로 움직여가며 원하는 장면이 나오는 부분으로, 대충이라도 맞춰 놓는 것이 빠르다. 그 후 마우스로 한 프레임 한 프레임 넘겨가며 분석을 진행한다.

주의할 점

- 실험 장비가 모두 매우 무거우니 떨어뜨리지 않도록 주의하십시오.

- 렌즈를 손으로 만지지 않도록 주의하십시오.

- LED를 분해하기 위해 고정 장치를 풀 때, 꼭 다른 한 손으로 본체를 붙잡으십시오.

- 주변에 강한 자석을 위험하게 두지 마십시오.

- 전선이 바닥에 많이 깔리니 이동 시 걸려 넘어지지 않도록 주의하십시오.

- 더 가까이 찍기 위해 실험 현장과 카메라를 너무 가깝게 하지 마십시오. 배율을 조정하여 화면 크기를 키워 주십시오.