[전기설비 안전점검 시 화상처리 기술의 활용과 전망 ③] 사회 인프라를 지지하는 화상처리 기술과 향후 전망
노후화된 사회 인프라는 국민의 생활 속 안전을 위협하는 심각한 문제가 되고 있으며, 이에 따라 사회 인프라 유지를 위한 화상처리 기술의 연구개발도 적극 추진되고 있다. 화상처리 기술은 현재 카메라 장치의 다양화·고성능화·저가격화와 함께 딥러닝(Deep Learning)으로 대표되는 혁신적인 분석기술의 등장으로 급격한 진보의 과정에 있다. 본고에서는 화상처리 기술의 향후 발전 방향성에 대한 전망을 이야기한다.
정리 편집부
화상처리 기술의 동향과 향후 전망
화상처리 기술을 활용한 점검 시스템은 대체로 다음과 같은 운용이 이루어진다.
(A) 카메라 장치(여기서는 광의의 의미로 레이저광 등을 이용한 촬상장치도 포함)를 점검개소를 관측할 수 있는 위치에 적절하게 설치한다. (B) 카메라 장치에 의해 점검개소의 촬영을 실시한다. (C) 촬영된 화상의 분석을 실시한다.
이러한 모든 공정들이 중요하지만, 우선 (A)와 (B)에 의한 점검대상의 적절한 촬영이 대전제가 된다. (A)에 대해서는 철탑 및 교량의 안쪽과 같이 접근이 어려운 장소나 선로 등 대상의 범위가 넓은 경우에는 차량 및 드론 등의 이동체를 활용하는 연구가 진행되고 있다. 본고에서는 특히 (B)에 중점을 두어 카메라 장치의 동향과 향후 전망에 대해 짚어보기로 한다. (C)에 대해서는 부분 공간법 등의 강력한 식별 기법과 함께 최근 큰 화제가 되고 있는 딥러닝(Deep Learning)이 향후 점검 시스템의 성능 향상에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다.
카메라 장치의 동향과 향후 전망
점검대상에 발생할 우려가 있는 이상현상을 정확하게 포착하기 위해 고려해야 할 카메라 장치의 주요 요건들을 [표 1]에 정리했다.
먼저, 화소수와 관련하여 최근 고화소수 및 고감도 촬상소자가 잇따라 등장하고 있으며, 앞으로 그에 따른 성능 향상이 급속하게 이루어질 것으로 예상된다. 단, 카메라 장치 전체로서의 해상도는 촬상소자의 화소수뿐만 아니라 렌즈의 성능에도 크게 의존하며 고해상도 렌즈의 경우 비용이 높아진다는 점에 주의가 필요하다. 또한, 화소수가 증가하면 취득되는 데이터량도 커지므로 특히, 시계열 데이터를 축적하는 경우 기억용량에 주의가 필요하다. 이러한 문제들이 해결된다면, 화소수가 많을수록 보다 상세한 정보를 얻을 수 있기 때문에 나중의 분석처리에 있어 유리하다.다음으로 파장과 관련하여 이른바, 디지털 카메라 등 기존의 「일반 카메라」는 촬영한 화상을 인간이 육안으로 감상하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 육안의 특성에 맞춘 3원색(RGB)을 필터링하여 인식하는 것이지만, 점검을 목적으로 하는 경우는 이에 구애 받을 필요 없이 점검대상에서 발생할 수 있는 이상의 특성에 맞춰 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 온도차를 발생시키는 경우에는 열적외선 영역이, 표면의 미세한 텍스처를 판단하는 경우에는 근자외선 영역이, 수분량이 관계하고 있는 경우에는 근적외선 영역이 적당한 것으로 알려져 있다. 또한, 최근에는 광범위한 파장을 연속적으로 취득할 수 있는 하이퍼 스펙트럼 카메라 시스템이 등장하고 있다. 기존에는 인공위성에 탑재되는 등 특수한 용도로 사용되던 매우 고가의 시스템이었지만, 현재는 저가격화가 급속도로 진행되고 있어 가까운 장래에 널리 보급될 것으로 예상된다. [그림 1]에 하이퍼 스펙트럼 카메라로 취득한 화상의 예를 나타냈다. 중앙의 띠는 화상(귤, 바나나, 노란 파프리카)의 어느 한 라인의 스펙트럼을 표시한 것으로 띠의 세로축이 파장(이 카메라에서는 350~1100nm의 파장을 151밴드에서 관측 가능함)이다. [그림 2]는 팔을 촬영한 화상으로, 근자외선 영역의 [그림 2](a)에서는 피부표면의 질감이 강하게 관측되었으며, 근적외선 영역의 [그림 2](b)에서는 피부표면이 아닌 바로 아래의 혈관이 관측되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 관측 가능한 파장이 늘어나면 점검을 위해 필요한 더 많은 단서들을 얻을 수 있게 된다.
다이나믹 레인지 및 계조 수는 특히 옥외의 계측에 있어서 중요하다. 예를 들어 점검대상의 일부에 직사광선이 닿고 다른 곳에는 닿지 않을 경우, 충분한 다이나믹 레인지가 확보되지 않으면 명부(明部)와 암부(暗部)의 어느 한쪽이 포화되게 된다. 또 밝음에서 어둠까지를 몇 단계로 표현하는가 하는 계조수도 부족하게 되면 미묘한 명암 표현이 불가능해진다. 하이 다이나믹 레인지(HDR) 카메라를 사용하면 이러한 경우에 있어서도 안정적인 관측이 가능하다. 다이나믹 레인지를 확대하기 위해서는 카메라를 고정시킨 다음에 노출을 바꿔 여러 회 촬영한 것을 사용하여 연산하는 방법이 가장 간편하지만, 동영상 촬영에는 적합하지 않다. 이와 관련해 최근 1회의 촬영으로 하이 다이나믹 레인지 화상을 얻을 수 있으며, 동영상 촬영도 가능한 시스템이 등장하고 있다. [그림 3]에 관련 화상의 예를 나타냈다. 왼쪽의 일반 카메라 화상과 비교하면 실내(수백 럭스)와 실외(수만 럭스)가 동시에 촬상되고 있음을 확인할 수 있다.
마지막으로, 관측 차원수와 관련하여 점검대상의 2차원상(이른바, 일반 사진)뿐만 아니라, 3차원상을 취득할 수 있다면 점검을 위한 더 많은 단서들을 얻을 수 있게 된다. 하지만, 그러기 위해서는 기존 레이저 스캐너 및 패턴광 투영형 계측장치 등 고가의 전용장치를 사용할 필요가 있어 장벽이 높다. 또 이러한 장치들은 주사형(走査型)인 경우가 많아 카메라 및 점검대상에 움직임이 있는 경우 상이 왜곡되는 문제가 있다. 여러 대의 카메라를 이용해 삼각측량을 실시하는 스테레오 카메라 시스템은 비교적 저렴하게 구성할 수 있으며 이동하면서 촬영도 가능하지만 카메라 간의 시차(視差)를 산출하기 위해 관측대상에 어떠한 모양(텍스처)이 필요하다. 예를 들면, 새하얀 벽면에서는 3차원 정보를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 이에 대하여 최근 Microsoft® Kinect®로 대표되는 저렴한 RGB-D 카메라가 주목을 받고 있다. 이러한 카메라는 관측대상에 근적외광 등을 조사하여 깊이를 계측하기 때문에 새하얀 벽면 등도 문제없이 관측할 수 있다.
[그림 4]는 Kinect® 센서를 교정(較正)한 후 지상에서 지하로 이어지는 배관 파이프를 연속촬영하고 정렬시켜 작성한 3차원 모델의 예이다. [그림 5]는 라이트 필드 카메라로 불리는 카메라 어레이 시스템의 예이다. 대상을 여러 시점(視點)에서 관측함으로써 3차원 정보의 취득뿐만 아니라, 촬영 후의 리포커스 처리도 가능하다.
[그림 6]은 완전히 똑같은 정경을 똑같은 시각에서 각각 촬영한 것(즉, 완전히 동일한 데이터)이지만, 촬영 후의 처리에 의해 [그림 6](a)는 카메라 전방에 있는 가리개(대나무발)에, [그림 6](b)는 가리개의 후방에 서 있는 인물에 리포커스 처리를 하고 있다. 가리개에는 약간의 틈이 있어 위치가 다른 각 카메라로부터 인물의 다른 부분이 조금씩 보이기 때문에 이러한 합성이 가능해진다. 이 예와 같이 관측 시 점검대상의 전후에 방해물이 있는 경우 이러한 시스템을 통해 그 영향을 경감할 수 있다.
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