공기 분석을 위한 3D 열화상 카메라 시스템 개발

고해상도 3차원 이미지를 기록하는 항공 카메라 시스템은 도심 지역 지도를 작성하고 공중에서 지리적 데이터를 확보하는 데 사용됩니다. 2017년 까지 3D 열화상을 기록할 수 있는 시스템은 없었습니다. 필요성이 증가하면서 독일 데사우의 안할트 응용과학대학 팀은 디지털 카메라 4대와 25° 시야각을 가진 FLIR A65sc 카메라 4대로 촬영한 사진을 오버랩해 3D 이미지를 만드는 열화상/RGB 시스템을 개발했습니다.

지리 정보 및 조사 기관

데사우에 있는 안할트 응용과학대학은 1992년부터 조사 분야에 대한 강연과 2002년부터 지리 정보에 대한 강연을 제공해 오고 있습니다. 이전의 조사 학과가 지리 정보 및 조사 기관으로 변경되었습니다. 건축, 시설관리 및 지리 정보 학부 내 기관으로써 조사 및 지형정보 원리에 관한 학술적 조사 역량을 제공합니다. 강의 외에도 이 기관은 응용 연구에도 중점을 두고 있습니다.

적용 분야 및 아이디어

이 기관의 프로젝트 중 하나는 8대의 카메라를 이용해 자이로콥터에서 촬영한 사진을 중첩시켜 3D 이미지로 변환하는 새로운 열화상 카메라와 RGB 카메라 시스템 개발하는 것이었습니다. 이 기관의 지리정보수집 및 센서기술학과의 학과장인 Lutz Bannehr 교수는 2016년 4월에 아이디어를 제안했습니다. 고해상도 3D 카메라 시스템(RGB 사각 앵글 카메라 시스템)을 사용할 수 있었지만 열화상 데이터의 이점을 제공할 수 있는 시스템은 없었습니다. Bannehr 교수는 열화상에 대한 경험이 있었습니다. 2001년에 FLIR SC3000 냉각식 적외선 카메라를 구입한 적이 있으며 온열 측정 교육에 참여하기도 했습니다. 그는 비냉각식 열화상 카메라를 사용한 솔루션이 효과가 있을 것이라고 확신했습니다. 그러한 솔루션은 재고 데이터 수집, 감시, 노천 광산 운영에서 용량 감시, 산불 감시, 절연 분석, 광전지 및 태양열 난방 시스템을 위한 산출량 평가, 환경 감시, 지질학 및 지형학 이미징, 디지털 도시 모델 제작을 포함해 다양한 분야에 적용할 수 있는 잠재성을 지니고 있었습니다.

프로젝트

Bannehr 교수는 연구 제안서를 제출했고 그의 박사과정 학생인 Christoph Ulrich, FLIR 통합 회사인 bgk infrarot-service GmbH (Riesa)의 Hermann Kaubitzsch, 자이로콥터 생산업체 Airborne Technical Systems (베를린)의 Henrik Pohl과 함께 소규모 개발 팀을 만들었습니다. 길이와 너비 모두 85% 중첩 되었음에도 불구하고 기존의 고해상도 카메라는 건물의 모든 세부적인 면을 묘사할 수는 없었습니다. 따라서 이 팀은 해당 이미지를 중첩시켜 3D 열화상과 3D 지리 데이터를 만들기 위해 4대의 RGB 카메라와 4대의 열화상 카메라로 구성된 시스템을 설계했습니다. 이후 표준 소프트웨어를 이용해 이 데이터를 분석 및 평가할 수 있었습니다.

카메라

시스템을 생성하기 위해 이 팀은 4대의 A65sc 열화상 카메라와 약 5백 메가 픽셀 이미지를 생성하는 다른 제조업체의 초소형 RGB 카메라 4대를 선택했습니다. Kaubitzsch는 이 팀에게 FLIR A65sc 열화상 카메라를 사용할 것을 권고했습니다. × A65sc 열화상 카메라는 640x512 분해능, 30 Hz 프레임속도, 이더넷 포트, 초소형 106 × 40 × 43 mm 크기를 지닌 제품입니다. Hermann Kaubitzsch는 또한 카메라의 동기화와 평가에 관한 책임을 맡고 있었으며 이 업무는 결코 무시할 수 없는 중요한 일이었습니다.

AOS-TX8 제어 및 사양

학생 팀은 초경량 항공기에서 최소한의 공간을 차지해야기 때문에 8대의 카메라를 위한 3D 배치를 개발했습니다. 개방형 맞춤화 베이스플레이트는 자이로콥터에 시스템을 장착하기 위함이었습니다. "Aerial Oblique System"을 위한 제품명을 찾는 데는 오래 걸리지 않았습니다: AOS-Tx8. 이 시스템은 이더넷을 통해 제어되며 이미지 데이터는 10인치 화면에 표시됩니다. Bannehr 박사는 "몇 년 전 우리는 다른 열화상 카메라로 실험했지만 이더넷을 통한 제어는 기대에 못 미쳤습니다. 그러나 FLIR A65sc 모델에서는 전혀 문제가 없었습니다."라고 설명했습니다. 전체 AOS-Tx8 시스템의 무게는 불과 11.6kg이며 크기는 330 × 400 × 320 mm입니다. 수동 카메라 작동과 비행 관리 시스템을 위한 연결뿐만 아니라 마우스, 스크린, 키보드(USB를 통해)와 전원 공급기를 제공합니다.

열화상 카메라 동기화

FLIR 카메라 간 중첩은 12% 또는 3°입니다. 유용한 데이터를 확보하고 이미지가 중첩되는 측정 값에서 온도 변화를 최소화하기 위해 4대의 FLIR 열화상 카메라가 동기화해야 했습니다. 기술적인 문제로 비냉각식 열화상 카메라는 온도 측정에서 최대 +/5%의 변동값을 갖게 됩니다. 기준 스포트라이트를 이용한 4대의 모든 카메라 시험은 예상한 편차가 존재했음을 보여주었지만 스펙트럼에서 선형으로 분산되었습니다. 따라서 카메라 중 하나를 기준 카메라로 사용한 후(평균값을 가진 한 대의 카메라) 다른 카메라를 기준 카메라에 일치할 수 있었습니다.

처녀 비행

2017년 8월 15일 드디어 첫 비행을 시도했습니다. AOS-Tx8는 자이로콥터에 장착되었으며 공중에서 최초 측정을 위한 준비가 완료되었습니다. 이벤트 순서는 이미 명확하게 정의되었습니다. 이 팀은 비행 계획 프로그램을 사용해 처녀 비행을 구성했으며 맵 데이터를 위해 구글 어스를 사용했습니다. 화상이 촬영되는 지점을 포함한 비행 계획 데이터는 비행 관리 시스템으로 복제됩니다.

비행 동안 이 데이터는 AOS-Tx8와 다른 센서를 작동시키는 데 사용됩니다. 안할트 대학의 Strenzfeld 캠퍼스에서 진행된 시험 비행 이후 Magdeburg에서도 8월에 비행이 진행되었습니다. 이미지는 수직 각도(소위 적외선 문자 이미지라고 불리는)에서 촬영되었을 뿐만 아니라 건물에서 절연의 효과를 보여주는 대형 3D 열화상을 만들기 위해 사용되기도 했습니다.

Aerial Oblique System 으로 얻어진 결과(AOS-TX8)

AOS-Tx8을 이용해 RGB와 적외선으로 디지털 지형 모형뿐만 아니라 건물 높이를 정밀하게 측정할 수 있는 디지털 표면 모델을 처음으로 얻을 수 있었습니다. AOS-Tx8은 작동이 간편하며 데이터는 Photoscan이나 Pix4D와 같은 표준 소프트웨어 제품을 이용해 평가할 수 있습니다.

전망

이 기관은 현재 3D 이미징이 필요하지 않은 항공 데이터 수집을 위해 FLIR A655sc를 갖추고 있습니다. 따라서 우리는 데사우의 안할트 응용과학대학에 있는 지리정보조사 기관 소속의 Bannehr 교수와 그의 혁신적인 팀이 수행하는 후속 적외선 연구 프로젝트를 기대하고 있습니다.