열화상과 나이트 비전의 차이는 무엇일까요?
기본 원리부터 살펴보겠습니다. 우리의 눈은 반사된 빛을 감지합니다. 실화상 카메라, 나이트 비전 기기, 사람의 눈이 사물을 인식하는 기본원리는 가시 광선이 물체에 반사되어 나오는 빛을 감지하고 이를 이미지로 변환하는 것으로, 모두 동일합니다.
이 때, 이미지를 효과적으로 인식하여 생성하기 위해서는 반드시 충분한 빛이 확보되어야 합니다. 당연히 야간에는 태양광을 활용할 수 없기 때문에 별빛, 달빛, 인공 조명 등과 같은 광원에 의존해야 합니다. 이렇게 가시 광선의 절대적인 양이 줄어들면, 자연스럽게 원하는 사물을 보는 능력도 떨어지게 됩니다.
열화상카메라
열화상 기술은 작동 원리가 완전히 다릅니다. 사실, 엄밀히 따지면 “카메라”라기 보다는 센서에 더 가깝습니다. 열화상 기술의 원리를 이해하기 위해서는 일반적인 사진을 생성하는 카메라의 개념에서 벗어나야 합니다.
FLIR 열화상 카메라는 가시 광선이 아닌, 열을 이용해 이미지를 만들어 냅니다. 열(적외선, 열, 에너지 등)과 빛은 모두 전자기 스펙트럼의 범주에 속한 에너지 형태입니다. 하지만, 가시 광선을 감지할 수 있는 카메라는 열 에너지를 감지할 수 있는 능력이 없고 반대로 열 에너지를 감지하는 카메라는 가시 광선을 감지하지 못합니다.
열화상 카메라는 단순히 열을 감지하는 기능 이외에도 0.01°C의 미묘한 온도의 차이까지 잡아내고 이러한 온도 차이를 각기 다른 색으로 표시해 주기도 합니다. 이러한 열화상의 개념은 다소 생소할 수 있기 때문에 아래에서 자세히 살펴보겠습니다.
우리가 일상적으로 접하는 사물은 모두 열을 발산하며, 열과는 거리가 멀 것 같은 얼음도 열 에너지를 발산합니다. 물론, 온도가 높은 사물일수록 많은 양의 열 에너지를 발산합니다. 이때 발산되는 열 에너지의 흔적을 "열 신호"라고 합니다. 나란히 놓여 있는 두 물체의 온도가 미묘하게 다른 경우, 실화상 카메라로는 구분이 어려울 수 있지만, FLIR 열화상 카메라를 활용하면 조명 조건에 관계없이 두 물체의 차이를 매우 명확하게 확인할 수 있습니다.
따라서, 열화상 기기를 이용해 어떤 목표물을 측정할 때에는 그 목표물의 특징에 따라 다양한 곳에서 발산되는 열 에너지를 활용하게 됩니다. 예를 들어 온혈 동물(사람 등), 엔진 및 기계류는 생물학적 또는 기계적인 방법을 이용해 자체적으로 열을 생성합니다. 이에 반해 흙이나 바위, 부표, 초목 등의 경우, 낮에는 태양열을 흡수하고 밤에는 열을 방출합니다.
서로 다른 사물이나 물질은 서로 다른 속도로 열 에너지를 흡수하고 방출하기 때문에 실제로 열화상 카메라를 이용해 특정한 장면을 측정하면 다양한 온도가 모자이크처럼 화면에 표시됩니다. 물 속 깊이 잠겨 있는 통나무 조각의 경우, 발산하는 특성이 달라 눈으로는 확인이 어려워도 열화상 카메라를 활용하면 확인이 가능합니다. 이것이 바로, 열화상 기술이 작동하는 원리입니다. FLIR 열화상 카메라는 이러한 온도 차이를 감지하여 이미지로 변환해 주는 역할을 합니다.
다소 개념이 복잡하게 여겨질 수도 있지만, 실제 최신 열화상 카메라를 사용하는 방법은 매우 간단한데, 별도의 교육이나 분석을 하지 않아도 이해하고 활용이 가능할 만큼 명확한 이미지를 만들어 냅니다. TV를 사용할 줄 아는 사람이라면, 열화상 카메라도 충분히 사용할 수 있습니다.
나이트 비젼 기기
영화나 TV 드라마를 보면 가끔 사람들이 밤에 녹색 화면을 통해 주변을 살피는 장면을 보셨을 것입니다. 이때 사용되는 것이 바로 나이트 비전 고글(NVG)입니다(혹은 나이트 비전 기술을 이용한 기타 기기). 나이트 비전 고글은 소량의 가시 광선을 확대하여 이미지를 생성한 후, 해당 이미지를 디스플레이에 표시하는 기기입니다.
나이트 비전 기술이 적용된 카메라는 사람의 눈과 기본적인 작동 원리는 동일하기 때문에 가시 광선이 충분하지 않으면 사물이 잘 보이지 않는다는 단점이 있습니다. 반사된 빛에 의존하는 기기의 이미징 역량은 전적으로 반사되는 빛의 양과 강도에 따라 달라지기 때문에 빛을 확보하는 것이 중요합니다.
단, 나이트 비전 고글 및 기타 저조도 카메라의 경우, 빛이 너무 강해도 제 기능을 발휘하지 못합니다(일몰 시간대 등). 반면, 열화상 카메라는 가시 광선의 영향을 받지 않기 때문에 일몰 시간대에도 선명하게 측정할 수 있습니다. FLIR 열화상 카메라 방향으로 강력한 스포트라이트로 비춰도 열화상 카메라는 가시 광선을 인식하지 않기 때문에 완벽한 이미지를 얻을 수 있습니다.
적외선 조명 (I2) 카메라
I2 카메라는 목표물에 근적외선을 조사한 후, 반사되어 돌아오는 에너지를 근적외선 에너지를 감지로 감지하여 자체 반사광을 생성합니다. 이러한 근적외선 방식도 경우에 따라서는 효과적으로 사용이 가능하지만, 사물에 반사되어 돌아오는 빛에 의존하기 때문에 다른 나이트 비전 카메라와 유사한 한계(짧은 유효 거리, 낮은 이미지 대비도)가 있습니다.
대비
이렇듯, 가시 광선을 활용하는 카메라(주광 카메라, 나이트 비전 카메라, I2 카메라)는 모두 반사광 에너지를 감지하여 작동한다는 점에서 동일하다고 볼 수 있습니다. 그러나 주광 카메라, 나이트 비전 카메라, I2 카메라의 성능에 영향을 미치는 것은 반사광 뿐만이 아닙니다. 이미지 대비도 매우 중요합니다.
목표물과 주변 환경의 대비가 큰 경우, 실화상 카메라로 측정하는 것이 더 효과적일 가능성이 큽니다. 이미지를 대비하는 성능이 떨어지면, 태양이 아무리 밝게 빛나고 있어도 확실하게 측정하기가 어렵습니다. 주변이 어두운 경우, 흰색 물체는 대비도가 크게 나타납니다. 반면, 어두운 색의 물체의 경우, 실화상 카메라로는 어두운 배경과 구분이 어려울 수 있으며, 이 경우 이미지 대비도가 떨어진다고 합니다. 가시 광선이 부족해지는 야간에는 이미지 대비가 자연스럽게 감소하기 때문에 가시 광선을 이용하는 카메라는 제 기능을 발휘하기가 어려워집니다.
열화상 카메라에는 이러한 단점이 없습니다. 우선, 열화상 카메라는 반사광에 의존하지 않고 열을 감지하기 때문에 주변이 어두워도 제 기능을 충분히 발휘합니다. 우리 주변에서 일상적으로 볼 수 있는 모든 사물은 열 신호를 가지고 있습니다. 따라서 야간에는 가시 광선을 이용하는 카메라(나이트 비전 카메라 포함)보다 열화상 카메라를 활용하는 것이 훨씬 효과적일 수 있습니다.
실제로, 사람이나 사물은 자체적으로 열을 생성하는 경우가 많기 때문에 자연스럽게 이미지 대비가 가능합니다. 열화상 카메라는 단순히 열을 감지해서 이미지로 보여주는 것이 아니라, 미묘한 온도의 차이까지 보여주기 때문에 매우 정확한 이미지를 만들어 낼 수 있습니다.
나이트 비전 기기는 실화상 카메라나 저조도 TV 카메라와 동일한 단점(사용 가능한 이미지를 생성하기 위해서는 충분한 조명과 대비가 필요)을 갖고 있습니다. 반면, 열화상 카메라는 주야간으로 목표물을 정확히 인식할 수 있고 자체적으로 대비를 만들어내기 때문에 언제든 사용이 가능합니다. 종합해 볼 때, 주변 조도 조건이나 시간에 관계없이 24시간 내내 탁월한 성능을 발휘할 수 있는 카메라를 찾고 있다면, 열화상 카메라가 최선의 선택이라고 볼 수 있습니다.