백서 광역역광보정 (WDR) 포렌식가치를위한 WDR 솔루션 2017 년 10 월
목차 1. 요약 3 2. 서론 4 3. 광역역광보정 (WDR) 장면 4 4. 카메라다이내믹레인지의물리적제약 5 4.1 픽셀크기및노출시간 5 4.2 노이즈및비트심도 6 4.3 이미지디스플레이 6 5. 카메라다이내믹레인지확대를위한일반적인방법 6 5.1 이중또는다중노출사용 6 5.2 이중또는다중감도픽셀사용 6 5.3 대비증강사용 7 5.4 국소대비증강사용 7 6. Axis 카메라의 WDR 이미징 7 6.1 Axis 가설명하는 WDR 성능 7 6.2 Axis WDR 솔루션 8 7. db 단위의다이내믹레인지성능 9 8. WDR 이미징의아티팩트 10
1. 요약 매우어둡고매우밝은부분이공존하는장면은카메라에큰문제입니다. 보안에있어서이러한광역역광보정 (WDR) 장면의일반적인예로는입구, 주차장, 터널등이있는데, 밝은외부와어두운실내사이조명대비가큽니다. 직사광선과짙은그늘이있는야외장면또한문제입니다. 카메라가전체장면내용을보다잘구현할수있게하는몇가지방법이개발되었습니다. 모든장면과상황에적합한단일기술은없으며, 모든방법에는아티팩트라고하는다양한시각적변형이유발되는단점이있습니다. Axis 는어려운장면의이미징에서혁신적인개선을이룬두가지포렌식솔루션을비롯한여러 WDR 솔루션을제공합니다. 밝은부분을과도하게노출하지않고장면의어두운부분을자세히볼수있는 Axis WDR 솔루션의성능은비교할수없이우수하며이미지에특출한포렌식가치를부여합니다. Axis WDR 솔루션 : > > Forensic WDR은이중노출과국소대비증강방법을결합한것입니다. 포렌식유용성을극대화하도록조정된이미지를제공합니다. 최신이미지처리알고리즘을채택한이기술은시각적노이즈와아티팩트를효과적으로줄여줍니다. 또한 Forensic WDR은움직임이많은장면과초고해상도카메라에적합합니다. > > WDR - Forensic Capture는이중노출과국소대비증강방법을결합한것입니다. 포렌식유용성을극대화하도록조정된이미지를제공합니다. > > WDR - Dynamic Capture는노출시간이다른이미지를병합하기위해이중노출방법을사용합니다. 다이내믹레인지는모션및깜박임과관련된아티팩트에의해제한됩니다. > > WDR - Dynamic Contrast는매우제한된다이내믹레인지의대비증강방법을사용하지만아티팩트가거의없습니다. 이방법은단일노출을사용하기때문에모션이많은장면에잘맞습니다. 카메라의다이내믹레인지성능은일반적으로 db 값으로표시되지만, 실제 WDR 성능은측정하기가어렵고장면의복잡성, 장면내움직임의양, 카메라의이미지처리성능등다른요인에따라달라집니다. Axis 는높은 db 값대신포렌식유용성과이미지품질을우선시합니다. 따라서특정다이내믹레인지의 Axis 카메라가 db 값이더높은타사카메라보다성능이뛰어날수있습니다. 3
2. 서론 표준감시카메라는광역역광보정 (WDR) 의장면, 즉조도변화가많은장면으로인해어려움을겪습니다. 이백서에서는카메라의제한된다이내믹레인지뒤에있는기술과우수한 WDR 성능을달성하기위한일반적인방법을설명하고, 영상의포렌식가치와이용성을극대화하기위한 Axis WDR 솔루션을소개합니다. 3. 광역역광보정 (WDR) 장면 다이내믹레인지는장면또는이미지에서가장어두운부분과가장밝은부분사이조도차이를의미합니다. 따라서광역역광보정 (WDR) 장면은매우밝고매우어두운부분이공존합니다. 일반적인감시의예 : > > 입구와같이바깥은밝고실내는어두운환경. > > 바깥은밝고실내는조도가낮은주차장또는터널. > > 직사광선이비치고짙은그늘이있는야외장면. > > 창에반사광이많은사무실건물또는쇼핑몰. 아래는기존방식의감시카메라를사용해캡처한광역역광보정 (WDR) 장면의예입니다. 그림 1 및 2: 광역역광보정 (WDR) 이있는일반적인감시장면 : 주차장내부와입구. 두이미지는노출시간을다르게해서촬영했으며왼쪽은노출시간이짧은이미지이고오른쪽은긴이미지입니다. 사용한노출시간에따라카메라가밝은입구와외부를보거나어두운주차장내부를볼수있습니다. 전통방식카메라는전체장면내용을하나의이미지로캡처할수없습니다. 아래이미지는장시간노출이미지에짧은노출이미지가삽입되어있거나그반대의경우입니다. 전통방식카메라가장면의중요한물체를놓치고있다는증거입니다. 4
그림 3 및 4: 앞의그림과같은장면. 왼쪽이미지는노출시간이짧았을때놓친부분을자세히보여줍니다. 오른쪽이미지는노출시간이길었을때놓친부분을자세히보여줍니다. 전체장면내용을캡처하려면 WDR 기능이있는감시카메라가필요합니다. 이러한카메라는하나의이미지에양극단을포착할수있습니다. 즉, 조명이밝은입구와주차장안의어두운그림자속의세부사항을선명하게보여줍니다. 하지만, 전통방식카메라를사용하면여러요인에의해다이내믹레인지가제한됩니다. 4. 카메라다이내믹레인지의물리적제약 전통방식카메라의다이내믹레인지가제한되는주된이유는카메라센서에빛이캡처되는방식, 이미지가처리되는방식, 빛자체의특성과관련이있습니다. 보다실질적인용어로설명하면, 다이내믹레인지는픽셀크기, 노출시간, 노이즈, 비트심도에따라달라집니다. 4.1 픽셀크기및노출시간 빛은광자라고하는개별에너지묶음으로이루어져있습니다. 장면의조명강도가증가하면카메라에전달되는광자수가많아지는것입니다. 하지만, 카메라또는그이미지센서는노출시간내에제한된수의광자만탐지할수있습니다. 이미지센서는포착된광자를전자로변환할수있는픽셀이라고하는수백만개의감광성점으로구성됩니다. 이미지를만들때각픽셀의전자수를측정하여캡처한장면의여러부분에조도정보를제공합니다. 각픽셀은특정크기를가지며, 포화되기전에일정한수의전자만보유할수있습니다. 최신카메라에픽셀수를최대화하고싶지만비용상의이유로전체센서크기를줄이면서픽셀크기를효과적으로제한합니다. 광역역광보정 (WDR) 장면의경우, 장시간노출은이미지의밝은부분에있는픽셀을포화시킵니다. 노출시간을줄이고광자를짧은시간동안수집하면밝은부분에서광자가넘치는것을피할수있습니다. 하지만, 노출시간이짧으면어두운부분에서수집되는광자수가매우적어질수있습니다. 빛의입자특성과포톤샷노이즈 (photon shot noise) 라고하는현상때문에이부분의이미지는시각적인노이즈가많아지게됩니다. 픽셀에대한올바른노출시간은신호대잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR) 를최대화하는시간이며, 따라서이미지의어두운부분에있는픽셀보다밝은부분에있는픽셀에대한노출시간이더짧습니다. 5
4.2 노이즈및비트심도 픽셀레벨에서다이내믹레인지는최대신호를노이즈플로어 (noise floor) 로나눈값으로정의됩니다. 노이즈플로어는모든노이즈소스의합계강도보다높게확인될수있는최저신호강도를결정합니다. 일부노이즈는전자수를계산하고픽셀당판독값을생성하는아날로그 - 디지털변환기결함에의해생깁니다. 또다른유형의노이즈로는포톤샷노이즈가있으며완벽한장비일지라도이노이즈를피할수없습니다. 모든노이즈는실제장면의실제밝기를반영하지않는픽셀값을만듭니다. 비트심도는한픽셀에서정보를캡처하는데사용되는비트수를나타내며감지할수있는조도를결정합니다. 보안카메라는일반적으로비트심도가 10 비트입니다. 이론적으로비트심도가커지면감지할수있는조도가증가하지만, 실제로는센서픽셀이충분히크고노이즈가충분히낮은경우에만이미지품질이좋아집니다. 센서데이터에노이즈가많으면비트수를높이는것이큰효과를보지못합니다. 4.3 이미지디스플레이 비트깊이와관련하여보안전문가가감시영상을보는일반모니터의비트심도는컬러채널당 8 비트에불과하다는사실을명심해야합니다. 즉, 센서의 10 비트에서모니터의 8 비트로변환하는알고리즘은우수한 WDR 결과를이루기위해매우중요합니다. 5. 카메라다이내믹레인지확대를위한일반적인방법 카메라의다이내믹레인지제한을피하면서 WDR 이미징을달성하기위해여러가지방법이개발되었습니다. 더나은결과를만들기위해여러방법이결합되기도합니다. 각각의방법은아티팩트라부르는다양한시각적이상현상을가져오기때문에, 모든적용분야에적합한단일기술은없습니다. 한분야에서보이지않던아티팩트가다른분야에서는완벽한결함이될수있습니다. 자주발생하는아티팩트에대한설명은 8 장을참조하십시오. 5.1 이중또는다중노출사용 병합알고리즘을사용하면여러노출시간으로캡처한다중이미지를단일이미지형태로통합할수있습니다. 다이내믹레인지를확대하기위한가장일반적인방법입니다. 그러나순차적캡처로인해이방법은장면에모션과관련된아티팩트를유발합니다. 일반적으로물체가캡처사이에이동할수있기때문에깜박이는광원과빠른모션이문제가될수있습니다. 또한이미지를처리할때줄무늬노이즈 (banding noise) 가생길수있습니다. 다음과같은아티팩트가포함됩니다. > > 깜박임 > > 모션블러및고스팅 > > 노이즈 5.2 이중또는다중감도픽셀사용 이방법을사용할경우카메라가광감도가다른두가지이상의픽셀유형이포함된이미지센서를사용합니다. 따라서기본적으로한가지노출로각픽셀세트마다 1 개씩어두운이미지와밝은이미지의두가지이미지를생성할수있습니다. 이이미지를통합하면최종 WDR 이미지가만들어집니다. 인접픽셀의감도차이를나타내는고정감도비등일반적인제약이있어서이방법으로달성할수있는다이내믹레인지가제한됩니다. 동시노출을통해모션및깜박임과관련된아티팩트를피할수있지만다른유형의아티팩트가대신유발될수있습니다. 예를들어, 이방법에의해해상도가감소하기때문에이미지에모아레패턴 (moiré patterns) 과계단효과가생길수있습니다 ( 이미지를만드는데사용할수있는픽셀이적기때문 ). 6
또한픽셀두세트를결합하는처리는복잡할수있으며일부의경우다른문제가생길수있습니다. 일반적인아티팩트 : > > 모아레패턴과계단효과 > > 노이즈 > > 색상편차 > > 흐릿함 5.3 대비증강사용 적게노출된이미지를사용해디지털방식으로가장어두운부분을밝게만드는디지털방법입니다. 이방법은캡처된다이내믹레인지를실제로확장하지는않지만, 특히과다노출된영역의최종이미지에서감지가능성을개선할수있습니다. 제한된다이내믹레인지와모션이많은장면에매우유용합니다. 일반적으로유발되는아티팩트는다음과같습니다. > > 어두운영역의줄무늬노이즈 > > 일부영역의매우적은회색레벨 > > 자연스럽지못한색상 5.4 국소대비증강사용 전통방식카메라는전역방법을사용해톤커브를조정합니다. 즉, 이미지의모든픽셀을동일하게변환합니다. 또한국소방법을사용해센서영역마다톤커브를다르게조정할수있습니다. 캡처한다이내믹레인지가실제로확장되지는않지만대비를완화해서다이내믹레인지가낮은화면에보다나은영상을부여하는강력한시각화도구입니다. 일반적인아티팩트는이방법을사용하는강도에달려있으며다음결함이포함될수있습니다. > > 고스팅 (Ghosting) > > 카투닝 (Cartooning) > > 대비부족 > > 과도한색상 6. Axis 카메라의 WDR 이미징 Axis 는 WDR 이미징을위한몇가지솔루션을제공하며아티팩트를줄이기위해 5 장에설명된일반적인몇가지방법과최첨단이미지처리및절차를결합합니다. 6.1 Axis 가설명하는 WDR 성능 Axis 는 WDR 솔루션을평가하기위해몇가지주요관점을선정했습니다. 특정감시사례에적합한솔루션을결정할때사례의상황에따라이관점을다르게평가해야합니다. 관점평가는실제사용과주관적판단을기반으로이루어집니다. 관점 의미 모션 모션및깜박임과관련된아티팩트를어떻게회피할수있나? 도달거리 실질적인다이내믹레인지. db 값과관련됨. 표현 어려운장면에서이미지를어떻게구현하나? 표 1: WDR 성능판단에사용되는관점. 7
모션의관점평가에는샘플링기술과관련된인공결함을유발하지않고모션이포함된장면을캡처하는솔루션기능이요약됩니다. 깜박임처리는이관점에서중요한요소이며아티팩트병합을피하는것은또다른문제입니다. 도달거리의관점평가에는이미지의감시유용성은유지하면서이미지의가장밝은부분과가장어두운부분사이의밝기차이가얼마나큰지요약됩니다. 표현의관점평가에는어려운조명조건을구현하는솔루션기능이요약되지만컴퓨터모니터의보안담당자가볼수있는이미지를계속렌더링합니다. 세부묘사가가려질수있기때문에가능한높은충실도로장면을구현하지않는것이목표입니다. 6.2 Axis WDR 솔루션 카메라의다이내믹레인지는일반적으로 db 값으로지정되며이전단원에서설명한도달거리관점과관련이있습니다. 그러나일반적인감시장면에유용성과세부묘사를제공하기위해 Axis WDR 솔루션은도달거리관점에서모션과표현관점을우선시합니다. 이우선순위로인해 Axis 카메라가 db 값보다우수한다이내믹레인지이미징을제공할수있습니다. 감소된아티팩트와향상된유용성을고려할때 db 값이낮은 Axis 카메라가높은 db 값의타사카메라성능을능가할수있습니다. db 값에대한자세한내용은 7 장을참조하세요. Axis WDR 솔루션이아래에나와있습니다. Forensic WDR 은이중노출과국소대비증강방법을결합한것입니다. 포렌식에최대한이용할수있게조정된이미지를제공합니다. 최신이미지처리알고리즘을채택한이기술은시각적노이즈와아티팩트를효과적으로줄여줍니다. 또한 Forensic WDR 은움직임이많은장면과초고해상도카메라에적합합니다. WDR - 포렌식캡처는이중노출과국소대비증강방법을결합한것입니다. 포렌식에최대한이용할수있게조정된이미지를제공합니다. WDR - 다이내믹캡처는노출시간이다른이미지를병합하기위해이중노출방법을사용합니다. 예를들어, 다이내믹레인지는모션및깜박임과관련된아티팩트에의해제한됩니다. WDR - 다이내믹대비는매우제한된다이내믹레인지의대비증강방법을사용하지만아티팩트가거의없습니다. 이솔루션은노출을한개만사용하기때문에모션이많은장면에잘맞습니다. 표 2 는성능의관점에서 Axis WDR 솔루션에대한평가를보여줍니다. WDR 솔루션 움직임도달거리표현 모션및깜박임과관련된아티팩트를어떻게회피할수있나? 실질적인다이내믹레인지. db 값과관련됨. Forensic WDR +++ +++ +++++ WDR - 포렌식캡처 ++ +++ +++ WDR - 다이내믹캡처 + + ++ WDR - 다이내믹대비 +++++ - - 어려운장면에서이미지를어떻게구현하나? 표 2. 모션, 도달거리, 표현의관점에따라평가된 Axis WDR 솔루션. 8
이표의평가에따르면일반적으로가장성능이우수한 WDR 솔루션은 Forensic WDR 이며 WDR - 포렌식캡처에비해모션관점과표현관점이모두개선됩니다. 하지만, 두가지포렌식솔루션모두어려운장면의이미징에서혁신적인개선을이루었습니다. 밝은부분을과도하게노출하지않고장면의어두운부분을자세히볼수있는능력은비교할수없이우수하며이미지에특출한포렌식가치를부여합니다. 포렌식솔루션의목적은포렌식유용성을우선시하는것이기때문에모든그림자가밝아지고세부묘사가향상되어평소에익숙한브로드캐스트비디오와매우다른모양과느낌으로이미지가제공됩니다. Forensic WDR 카메라를사용하면, 세부묘사가생략되지않은상태로장면의다이내믹레인지가매우낮은다이내믹레인지로압축됩니다. 전문직원이실시간영상과녹화된영상을검토하는보안센터에서눈의피로없이시청할수있도록비디오가최적화됩니다. 그림 5 와 6 은두가지카메라로캡처한장면을비교합니다. 왼쪽은 WDR 기능이없는네트워크카메라이고오른쪽은 Forensic WDR 기능이있는 Axis 카메라입니다. Forensic WDR 을사용하면실내와실외역광상태에서세부묘사가선명하게보입니다. 그림 5 및 6: 강한역광상태의실내장면. WDR 기능이없는전통방식네트워크카메라 ( 왼쪽 ) 와 Forensic WDR 기능이있는 Axis 카메라 ( 오른쪽 ) 간비교. 7. db 단위의다이내믹레인지성능 카메라의다이내믹레인지성능은일반적으로 db 값으로지정되며 6 장에나온도달거리관점과관련이있습니다. db 값은가장밝은물체의밝기와카메라로캡처할수있는가장어두운물체의밝기사이의비율을측정한것입니다. 비율이 1000:1 이면 db 값은이비율의로그를계산하고 ( 이경우 3) 20 을곱한 60 db 입니다. 이레벨아래의모든신호는노이즈에덮이기때문에가장어둡게감지할수있는레벨을센서픽셀의노이즈플로어로정의할수있습니다. 이정의에따르면양호한이미지센서는일반적으로약 70 db 의다이내믹레인지에도달할수있습니다. WDR 기술을사용하면카메라의실제 db 값을변경하지않고도실제다이내믹레인지또는도달거리를증가할수있습니다. 하지만, db 값이나도달거리가카메라의최대다이내믹레인지성능을나타내는것은아닙니다. 또한 WDR 이미지품질은사용한 WDR 방법, 보이는아티팩트가남아있는지, 이미지처리품질에달려있습니다. 이러한요소중일부가 6 장에지정된표현과모션관점으로요약되어있습니다. 아래의오른쪽이미지가왼쪽이미지보다지정된 db 값이낮은카메라로촬영한이미지입니다. 이광역역광보정 (WDR) 장면에서 db 값이낮은카메라가예상과달리비디오감시에적합한이미지를명확하게구현했습니다. 낮은 db 카메라에분명히 WDR 성능을개선하는우수한이미지처리기능같은다른기능이있습니다. 9
그림 7 및 8: 다른 db 값의카메라로캡처한역광상태실내. 예상과달리오른쪽이미지가왼쪽이미지보다지정된 db 값이낮은카메라로촬영한이미지입니다. 8. WDR 이미징의아티팩트 이단원에서는몇가지가장일반적인시각적아티팩트와그원인을설명합니다. > > 모션블러모션블러는장면에급격한움직임이있거나노출시간이너무길어단일프레임중에기록되는이미지가변할때발생할수있습니다. > > 고스팅 (Ghosting) 다중노출을사용해한이미지를만들때, 움직이는물체가다른위치에서캡처될수있습니다. 이자체로도이미지에유령같은형상이생길수있지만다른밝기의물체에대해모션블러가달라지기때문에이미징이더불분명해질수있습니다. 예를들어, 움직이는물체는밝은부분보다어두운부분에서더많이번져보입니다. > > 깜박임에의해생긴아티팩트깜박이는조명에의해생긴아티팩트는모든종류의카메라에나타날수있습니다. 일정한조명을정상으로가정하기때문에, 형광등같은변조된광원이문제가됩니다. 카메라유형에따라, 줄무늬또는시각적인점멸현상과같은아티팩트가나타날수있습니다. > > 줄무늬노이즈 (Banding noise) 이미지에일정량의노이즈가무작위로분산되는것이허용되는경우가많습니다. 그러나디지털처리과정에서, 픽셀값을판독하는데기술적인어려움때문에때때로직선형태의노이즈가나타날수있습니다. > > 카투닝및오버샤프닝 WDR 이미지의구현된색조가너무풍부하고세부묘사가너무증강되어표준모니터에표시하기어려울수있습니다. 결과적으로, 구현된이미지가만화같고부자연스러운스타일이될수있습니다. > > 색상편차모든픽셀을똑같이처리하지않는방법은색구현시아티팩트를유발할수있습니다 ( 예 : 잘못된색또는너무많은색 ). 10
> > 퍼플프린징퍼플프린징 (Purple Fringing) 또는블루프린징 (Blue Fringing) 은렌즈의색수차때문에이미지테두리근처에보라색테두리가보이는효과입니다. 색수차는여러색의빛이렌즈에서똑같이굴절되지않아센서에서약간벗어나거나초점이맞지않는경우입니다. 이효과는대개센서가장자리근처에서더강해집니다. WDR 카메라는이미지의어두운부분이톤매핑이많기때문에전통방식카메라보다색수차에더민감합니다. > > 렌즈플레어및헤이즈빛이광학렌즈시스템에들어갈때, 일부빛은렌즈시스템에올바로수집되지않고대신흩어지거나펼쳐집니다. 이빛중일부는산란되는빛을줄이기위해설계된내부배플에의해수집되지만, 일부는잘못된지점의이미지센서에도달해여러유형의아티팩트를유발합니다. 가장일반적인아티팩트는태양처럼강한광원을향해있는대부분의카메라에나타나는렌즈플레어 (lens flare) 입니다. 헤이즈 (haze) 라고하는또다른효과는이미지의더넓은부분에서대비와채도를감소시킵니다. 이두가지효과는특히이미지의강한광원, 광역역광보정장면, 더러운앞유리, 렌즈시스템의먼지등을통해방해를받습니다. 기상보호막을카메라에설치하면플레어와헤이즈가감소할수있지만넓은도달거리를목표로하는 WDR 카메라는광학시스템의산란광에의해여전히제한됩니다. 11
75240/KO/R1/1810 Axis Communications 에대하여 Axis 는보안개선과새로운비즈니스수행방식에대한통찰력을제공하는네트워크솔루션을개발하여보다스마트하고안전한세상을만들수있도록지원합니다. 네트워크비디오업계의선도기업인 Axis 는비디오감시및분석, 접근제어, 오디오시스템분야의제품과서비스를제공합니다. 50 개이상의국가에서 3,000 명이넘는 Axis 임직원이파트너와협력하여전세계고객에게최적의솔루션을제공하고있습니다. 1984 년에설립된 Axis 는스웨덴에본사를두고있으며, 현재 NASDAQ Stockholm 에상장 (AXIS) 되어있습니다. Axis 에대한자세한정보는 www.axis.com 에서확인하실수있습니다. 2018 Axis Communications AB. AXIS COMMUNICATIONS, AXIS, ETRAX, ARTPEC 및 VAPIX 는다양한관할지역에서 Axis AB 의등록상표이거나출원상표입니다. 모든회사명과제품은해당회사의상표이거나등록상표입니다. Axis 는사전통지없이수정할권한이있습니다.