KR100970249B1

KR100970249B1 - 폐쇄회로 텔레비전 카메라의 엘이디 조명 제어 방법

Info

Publication number: KR100970249B1
Application number: KR1020090034659A
Authority: KR
Inventors: 전덕관
Original assignee: 전덕관
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-07-16

Abstract

본 발명은 CCTV 카메라의 LED 조명 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 CCTV 카메라용 LED 조명을 제어함에 있어서, CCTV 카메라로부터 입력되는 비디오 신호로부터 비디오 동기 신호를 분리하고, 분리된 비디오 동기 신호로부터 촬상소자의 노출시점과 노출시간을 계산하여 얻어진 CCTV 카메라 촬상소자 노출시점과 노출시간을 이용하여 LED 조명을 CCTV 카메라 촬상소자 노출시작 시점에서 노출시간만큼 LED 모듈에 전원을 공급하고 차단하는 LED 조명 제어 방법이다.

이로써 지금까지의 일반적인 LED 조명 방법이나 펄스폭 제어에 의한 LED 조명 방식보다 효율을 높일 수 있으며 적은 소비 전류로 LED조명 밝기를 수 배 이상 증가시킬 수 있으므로, 기타 일반 제어 방식보다 에너지 효율을 최대로 향상시켜 CCTV 카메라에 보다 밝은 광량을 제공할 수 있고, 줄어든 소비전력만큼 LED 조명의 열 발생 또한 극히 미미한 수준으로 LED 조명의 수명을 연장할 수 있다.

LED, 조명장치, CCTV 카메라, 동기 신호

Description

폐쇄회로 텔레비전 카메라의 엘이디 조명 제어 방법 {Method for LED illumination controlling of CCTV cameras}

본 발명은 폐쇄회로 텔레비전(Closed Circuit TV, CCTV)카메라에 사용되는 엘이디(Light Emitting Diode, LED)조명을 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 소비전혁을 절약하면서 LED 조명 효율을 극대화하고, 수명 또한 수 배 이상 연장할 수 있는 CCTV 카메라의 LED 조명 제어 방법에 관한 것이다.

CCTV 카메라의 구조 및 동작 원리와 LED조명의 제어 방법 등

[문헌 1] 비디오 싱크 세퍼레이터(Video Sync Separator) 6쪽[on-line], 2006.5, 내셔널세미컨덕트(LM 1881)

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[문헌 2] 적외선 돔 램프 규격 (IR Ø5 Dome Lamp 850 nm)[on-line], 잇스웰(Parts No. : IWL-I5R30F-XXX-B)

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CCTV 카메라는 보안·방범 및 주정차 단속 시스템, 도로의 교통상황 감시, 산불 감시, 하천 수위 감시, 3차원 측정 및 계측기, 의료용 내시경 등 그 쓰임새가 광범위하여 이루 헤아릴 수 없을 정도로 다양하게 사용되고 있다.

그러나 CCTV 카메라는 주위의 밝기에 따라 화질에 영향을 받으며, 주간보다는 야간에 영향을 많이 받고 일출 일몰 전후로 더 영향을 많이 받는다.

따라서 CCTV 카메라에 사용되는 조명 또한 매우 중요하여 CCTV 카메라의 필수 품목으로 자리 잡게 되었다.

CCTV 카메라의 조명은 야간 촬영이나, 폐쇄공간의 어두운 곳을 촬영하기 위한 필수 품목으로 기술의 발달에 따라 LED 조명으로 대체되어 가고 있는 추세이며 기존의 조명과 대비하면 적은 소비전력과 긴 수명으로 그 사용량이 급속도로 증가하고 있다.

그러나 CCTV 카메라의 조명이 새로운 LED 조명으로 대체되어 가고 있음에도 불구하고 어두운 공간 촬영시 사물이 선명하게 보이지 않아 이를 개선하기 위한 일환으로 저조도에서 촬영 가능하도록 많은 연구가 진행되고 있는 상황이다.

CCTV 카메라는 주간에는 컬러 영상으로 촬영되고, 야간이나 폐쇄된 어두운 공간에서는 모노(MONO) 영상으로 주로 촬영되며 이때에는(어두운 공간 촬영 시) 주로 적외선 엘이디(IR LED)가 조명으로 사용된다.

LED 조명은 가시광선용과 비 가시광선용(적외선 또는 자외선)으로 구분할 수 있으며 가시광선용 LED 조명은 실내등, 가로등, 자동차 전조등, 신호등과 같이 주로 사람이 거주하는 환경에서 사용되고, 비 가시광선용은 특수한 환경 즉 의료용, 측정 및 계측장비, CCTV 카메라 등의 야간 조명으로 사용된다.

야간에 사용하는 CCTV 카메라는 주로 보안·방범용으로 적외선LED 조명이 사용되고, 기타 폐쇄공간을 촬영하는 CCTV 카메라는 일반 고휘도 LED가 조명으로 사용된다.

보안·방범용으로 사용되는 CCTV 카메라 조명은 주위 환경에 영향을 주지않는 가시광선 이외의 파장을 갖는 즉 IR(적외선)LED가 조명으로 많이 사용된다.

LED 조명을 켜기 위하여 연속적으로 전류를 흘려 켜는 방법과 전류 펄스 폭을 제어하는 방식(Pulse With Modulation, PWM)이 있는데, PWM 방식이 효율이 좋아 주로 많이 사용되고 있으나 CCTV 카메라의 조명으로서 양질의 광원을 제공하기에는 아직 부적합한 상태이다.

LED 조명을 제어하기 위한 PWM 방식은 CCTV 카메라의 특성과는 무관하게 단순히 LED조명의 휘도(밝기)를 크게 하기 위하여 펄스 폭을 줄이고 전류의 세기를 증가하거나 또는 휘도를 감소시키기 위하여 펄스 폭을 늘리고 전류의 세기를 감소시키므로 LED 조명의 휘도(밝기)를 조정하는 방법으로, LED 조명에 연속적으로 전류를 흘려 제어하는 방법보다는 적은 소비전력으로 LED 조명의 휘도를 향상시킬 수 있으나 CCTV 카메라의 조명으로는 광원이 부족하고 펄스에 의한 제어로 깜박임 현상이 발생한다.

도로의 보안·방범용 CCTV 카메라는 PWM 방식에 의하여 LED 조명을 제어하고 있으나, 차량 전조등의 영향을 받아 전조등보다 휘도가 약할 경우 전조등 불빛에 의하여 CCTV 카메라 촬상소자가 빛에 너무 많이 노출되어 카메라의 영상이 일시적으로 하얗게 변하거나 야간에 전조등을 껐을 경우 차량 등이 보이지 않게 된다.

또한, 도로의 CCTV 카메라용 LED 조명은 프린트기판에 수백 개의 LED를 집합하여 사용하므로 소비전력이 높고 그 제조 비용 또한 많이 소요된다.

본 발명은 CCTV 카메라용 LED 조명장치에 있어 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로, LED 조명제어장치에 비디오신호를 입력받을 수 있는 입력단자를 1개 이상 구비하고 이 비디오신호 입력단자에 CCTV 카메라로부터 출력되는 비디오 신호를 입력하여, 입력된 비디오 신호([도 1] 의 (a)컴포지티브 비디오(Composite Video)로부터 비디오 동기 신호를 추출하는 모듈과 추출된 동기신호를 기준으로 CCTV 카메라 촬상소자(CCD 또는 CMOS)의 노출시작 시점과 노출시간을 계산하고 계산된 시간을 이용하여 CCTV 카메라 촬상소자 노출 시작 시점에서 노출 시간만큼 LED 모듈에 전원을 공급하고 차단하는 방법과 이 기능을 할 수 있는 초소형 연산 장치(Micro Processor Unit,MPU)를 구비한 LED 조명 제어장치 및 LED 집적 모듈로서, 기존 CCTV 카메라용 LED 조명장치의 문제점을 해결한다.

따라서 본 발명은 CCTV 카메라에 적용할 수 있는 기술로, CCTV 카메라의 촬상소자 노출 시간에만 LED 조명에 흘릴 수 있는 최대 펄스 전류를(Peak Pulsed Forward Current) 흘려 켜줌으로 LED 가 최대한 밝힐 수 있는 빛(광원)을 CCTV 카메라에 제공할 수 있다. CCTV 카메라는 카메라의 특성상 촬영 시 노출 시간에만 광원이 필요하며 이 후 다음 노출 시간까지는 광원이 필요하지 않으므로 이때에는 LED 조명을 꺼줌으로 LED 조명의 유휴시간(遊休時間)을 확보할 수 있으므로 LED 조명이 동작 되는 시간보다 꺼져있는 시간이 길므로 평균적인 소비전력은 일반 LED 조명을 연속적으로 켤 때보다 작아 전기 에너지를 절약할 수 있으며, CCTV 카메라에 필요한 시간만 동작시킴으로 LED 조명의 효율을 최대로 끌어내고도, 동작 되는 시간보다 수십 배의 유휴 시간을 확보하여 줌으로 일반 LED 조명대비 소비전력을 절약하는 것은 물론이거니와 그 수명 또한 수 배 이상 연장할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 CCTV 카메라의 원리를 이용하여 LED 조명을 제어하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.

CCTV 카메라는 빛이 렌즈와 필터(RGB, CMY 필터)를 통해 촬상소자(이미지센서)에 닿으면 전하가 발생하고 빛의 세기에 따라 전하의 양이 달라져 빛의 양을 검출할 수 있으며, 이렇게 검출되는 데이터는 전기적 신호로 바뀌어 아날로그 디지털 컨버터(A/D convertor)에서 디지털 데이터로 변환되어 메모리에 저장하게 된다.

CCTV 카메라의 촬상소자는 보통 전하 결합 소자(charge coupled devices, CCD)와 시모스(complementary metal oxide semi-conductor, CMOS) 2 가지 방식 중에서 하나를 선택하여 사용하고 있으며, 방식은 다르지만 영상이 찍히고 저장되는 기본 원리는 같다.

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CCD는 약한 빛에도 민감하게 반응하며 이미지 퀄리티가 높아 대부분의 카메라에 CCD 방식을 채택하고 있으며 생산 공정이 까다롭고 생산 단가가 비싸다는 단점이 있지만 고화질을 구현하는데 적합한 방식이기 때문에 가장 널이 쓰이고 있다.

CMOS 센서는 CCD에 비해 생산 단가가 적게 들고 생산과정도 비교적 덜 까다로워서 저가형 디지털 카메라나 웹캠의 센서로 사용되며, 최근 개발되고 있는 CMOS 이미지센서는 전문가용 카메라에도 널리 쓰일 만큼 고화질 구현이 가능해졌다.

촬상소자는 카메라의 필름에 해당하며 주로 CCD가 많이 사용되어 통상 CCD라 칭한다.

렌즈를 통해 들어온 빛은 CCTV 카메라 내부에서 모아져 초점거리만큼 떨어진 위치의 CCD에 상이 맺히게 된다.

CCD는 크기가 제품마다 크기가 다르다. 면적이 넓은 CCD가 감도가 좋으며 CCD의 면적이 넓을수록 받아들일 수 있는 빛의 양이 늘어나므로 상대적으로 충실한 표현이 가능하다.

CCD는 미세한 화소가 세밀하게 집적된 형태로 각 화소는 렌즈를 통해서 받은 빛을 전하로 바꾸어서 그 전하를 축적하는 것이 가능하다. 화소는 콘덴서의 기능을 가지고 있는 것이다.

그래서 각 화소의 위치와 전하의 크기를 가지고 명암의 데이터를 얻을 수 있다. 주의할 것은 CCD 자체로서는 컬러 정보를 얻을 수가 없다는 것이다. 그리고 CCD에서 출력된 시점에서는 아직 전하라고 하는 아날로그 데이터이고, A/D컨버터에서 디지털의 수치 데이터로 변환할 필요가 있다.

CCD는 전하의 축적을 담당하며 출력명령이 내려지면 지금까지 축적해온 전하 를 출력한다. 그러므로 그 전까지는 들어오는 빛을 계속해서 축적하고 있다. 이것을 이용해 전자셔터가 가능하다. 필름카메라의 경우 필름에 도달하는 빛을 셔터를 이용해 끊어주게 되는데 CCD의 경우는 원하는 시간만큼 전하를 축적하고 있다가 순간 적으로 전하를 출력하면 그것이 셔터속도의 개념을 가질 수가 있다.

또한, CCD의 제어만으로는 들어오는 빛을 정확히 차단하기가 어려운 점이 있어 CCD의 스캔 방식에 따라서 반드시 기계식 셔터를 사용해야만 하는 경우가 있다.

CCTV 카메라의 렌즈를 통해서 CCD에 입사될 상의 전하의 차를 골라내고, 그것을 화상 데이터로 변환한다.

CCD에 있는 광량이 소량이라고 할지라도 전하 차의 정도를 골라낼 수 있다면 화상 데이터를 만들어내는 것이 가능하리라고 생각을 해볼 수 있다. 이상적으로는 빛이 매우 적다 하더라도 전하의 차이를 골라내는 것이 가능하다면, 화상 데이터를 만들어 내는 것이 가능하다.

그러나 CCD가 그런 이상에 응하기에는 아직 이런저런 문제를 안고 있다. 예를 들면 음전하는 CCD에 빛이 부딪히지 않아도 발행하는 전하로, CCD의 온도가 높으면 높을수록 음전하는 다량으로 발생한다. 발생한 음전하가 전하로써 추가된다 하더라도 그것에 의한 오차가 무시할 만큼이 되기 위해서는 렌즈로부터 들어온 빛에 의한 전하의 절대량을 많게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉 오차를 적게 하기 위해 어쨌든 많은 빛을 받아야만 한다는 것이다. (CCTV 카메라에 있어 야간에 LED 조명을 최대한 밝게 해야 하는 이유)

또 빛이 지나치게 많아도 문제는 발생한다. CCD의 각 화소는 축적 가능한 전 하량의 최대치가 있다. 빛의 양이 너무 지나치면 이번에는 전하가 포화가 되어서 거기서부터 전하의 차를 골라내는 것이 불가능하게 되어 버린다. 따라서, CCD에도 적절한 광량이라고 하는 것이 필요하게 되어 있고, 여기서 감도라고 하는 구체적인 수치가 나오고 조리개를 포함해서 그 제어에 셔터속도가 필요하게 된다. 그렇지만, CCD의 기술이 개량되어서 음전하에 의한 오차가 거의 없고 기타 성능이 높아진다면 CCD의 감도는 자유롭게 조정가능하게 된다.

최근의 디지털 카메라는 CCD의 감도를 ISO 100~400 사이로 자유롭게 조절할 수 있는 기능이 있으며, 아직은 감도를 인위적으로 높여주면 상당량의 잡신호가 발생긴다.

CCD는 반도체이기 때문에 제조비용을 줄이기 위해 사이즈를 작게 하지 않으면 안 된다. 예를 들어 40만 화소에 비교해 5배 이상 많은 화소가 있는 200만 화소 CCD도 사이즈는 약 1.5배 정도밖에 증가하지 않아 밀도는 4배 이상이다. 반도체 제조 기술의 발달로 인해 소자의 집적에는 문제가 없다. 하지만, 그에 따라 저하되는 감도 문제는 여전히 존재하고 있다.

CCD의 밀도가 증가하면 감도가 감소 되는 것은 1개의 화소가 빛을 받는 면적이 줄어들기 때문이다. 그렇다면, 기존의 1화소가 받던 빛의 양을 그대로 받으려면 셔터 빠르기를 느리게 해 빛을 받는 시간을 늘려주거나 조리개를 열어주거나 하는 방법밖에 없다. 그렇지만, 이런 것은 촬영에 제약 조건이 된다. 셔터속도가 느리면 손 떨림에 의한 흔들림이 발생하고 촬영할 수 없는 장면도 생긴다. 이것을 빛의 양을 가지고 해결하지 않고 전기적으로 해결하는 방법이 신호의 증폭, 즉 게인 업이 라는 것이다. 실제로 ISO감도를 100~400까지 조절할 수 있는 것이 있다. 그렇지만, 신호의 증폭에 의해 CCD에 원래 포함되어 있던 잡신호까지도 증폭이 되는 부작용이 생긴다. 기존에는 잡신호에 비해 빛의 양을 절대적으로 늘려 잡신호를 감출 수 있었지만 이제는 그럴 여유가 없어진 것이다. 그리고 화상의 계조에서도 떨어지게 된다. 실제로 얻은 빛의 신호가 4bit밖에 되지 않는 것을 8bit로 증폭하면 그것은 8bit의 계조가 아니라 4bit의 계조를 가지게 되므로 명암의 그라데이션이 딱딱하게 끊어지는 느낌을 가지게 된다.

CCD의 사양서를 보면 인터레이스드 스캔(interlaced scan)과 프로그레시브 스캔(progressive scan)의 두 가지 스캔 방식이 있음을 알 수 있다. 인터레이스드 방식은 기존의 비디오용 CCD에서 사용되던 방식으로 화상을 두 번에 걸쳐 나누어 스캔한다. 여기서 스캔한다는 것은 축적된 전하를 출력하는 것을 의미하며 CCTV용 카메라가 여기에 해당하며, 화상을 두 번에 나누어 스캔하게 되면 한 번의 스캔이 이루어진 후 두 번째 스캔하기까지 빛이 계속 들어와 버려 사진이 이상하게 된다.

그래서 기계식 셔터를 이용해 완전히 빛을 차단해준 후 두 번에 나누어 스캔을 하는 것이며, 이후 디지털 카메라에서는 프로그레시브 스캔 방식이 사용되었는데 이것은 모든 화소를 한번에 스캔한다. 따라서 두 스캔 간에 시간 간격으로 인한 오차가 없는 장점이 있었고 따라서 기계셔터가 없이 전자셔터만으로 제어가 가능하다. 그러나 최근의 디지털 카메라에서도 다시 인터레이스드 스캔 방식이 사용되고 있다. 그 이유는 같은 CCD사이즈에서 프로그레시브 방식보다 많은 빛을 얻을 수 있으며 상대적으로 감도가 좋기 때문이다.

따라서, 본 발명은 이상과 같은 CCTV 카메라의 원리와 처리과정에서 착안한 것으로, 순서에 따른 과정을 설명하면 일정시간 촬상소자를 빛에 노출한 다음 셔터를 닫아 빛을 차단하고 촬상소자에 발생한 전하의 전기적 신호를 디지털 데이터로 변환 버퍼메모리에 저장하였다가 출력하고 다시 셔터를 열어 촬상소자를 빛에 노출하고 하는 일련의 과정을 연속적으로 반복한다.

이러한 연속 과정을 1초에 30번 반복하며 이를 30Frame 부르고 1번 반복을 1Frame 이라 하며 1장의 사진과 같다. 좀더 자세 하게는 CCTV 카메라가 인터레이스드 스캔 방식을 사용하고 있으며, 2번의 스캔 과정(EVEN/ODD)을 통해 영상을 획득하고 합쳐서 하나의 영상을 만들어 내는 것이다. 따라서 이를 시간별로 보면 노출(0.61ms), 짝수 주사선 읽음(EVEN Field SCAN) 및 데이터 처리 15.99ms, 노출(0.61ms), 홀수 주사선 읽음(ODD Field SCAN) 및 데이터 처리 15.99ms로 1 Frame 의 영상이 만들어지며 시간은 33.3ms이고 30번 반복과정을 거처 1초간 30Frame의 영상이 만들어지는 것이다.

따라서, 본 발명은 이러한 CCTV 카메라의 원리를 이용하는 것으로 1초의 시간 중 노출시간은 (30Frame * 2(EVEN /ODD FIELD SCAN) * 0.61ms=)36.6ms로 전체 시간(1000ms)의 3.66% 불과하며 이 시간에만 LED 조명을 켜줌으로 96.34%의 에너지를 절약할 수 있으며 LED 조명의 수명 또한 상당히 연장할 수 있다. 또한, 극히 짧은 노출시간에만 LED 조명을 켬으로 평상시보다 많은 전류를 흘릴 수 있으므로 LED 조명의 휘도(밝기)를 최대로 향상시켜 촬상소자에 풍부한 광량을 노출해 밝은 영상을 얻을 수 있다.

무엇보다도 카메라 조명은 어두운 환경에서 풍부한 광량을 제공하는 것이 목적이다. 그러나 일반적인 방법으로는 조명의 전기적 특성과, 발열문제 등 에너지 효율 면에서 그 목적을 달성하기 어렵다. 따라서 본 발명은 CCTV 카메라의 노출 시간에만 LED 조명을 켜고, 이때에 LED 조명의 최대 허용 전류를 흘려 조명의 빛을 최대한 밝게 하는 것이다. 그래야만 CCTV 카메라에서 밝고 선명한 영상을 얻을 수 있는 것이다. 또한, 이 시간은 극히 짧으며 LED의 허용 규격 이내로 동작하는데 이상이 없으며 오히려 전체적인 평균 소비전력은 연속적으로 켤 때에 비하여 수 배 이상 낮다.

CCTV 카메라에 사용하는 LED 조명은 전원을 공급하는 전원부와, LED 공급전류를 제어하기 위한 제어부와, 1개 이상의 LED를 다수 사용하므로 다수의 LED를 프린트 기판에 집적시킨 LED 모듈로 구성된다.

LED 조명을 켜기 위하여, 즉 LED 조명에 전류를 흘려 보내기 위한 방법으로는 현재 2가지의 방법이 사용된다.

첫째는 LED 조명에 연속적으로 전류를 흘려서 켜는 일반적인 방법이다.

둘째는 전류를 펄스로 공급하는 방법(Pulse Width Modulation, PWM)이다.

LED 조명은 효율을 높이기 위하여 주로 PWM 방식이 사용된다.

2가지 방식의 차이점을 [도 2]를 참고로 하여 설명한다.

[도 2]는 모 LED 제조회사의 적외선 LED 규격이다.

[도 2]의 LED 규격에 의하면 연속적으로 LED에 흘릴 수 있는 전류(Continuous Foeward Current)는 100mA 이며, 100mA 의 전류 세기 만큼 빛을 낼 수 있다.

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그러나 PWM 방식에 의해 전류를 공급하면 최대(Peak Pulsed Forward Current) 1000mA 의 전류를 0.1ms의 시간 동안 흘릴 수 있으며 전류가 흐르고 있는 동안의 LED 밝기는 PWM 방식이 연속적으로 전류를 흘릴 때보다 10배의 전류 세기만큼 밝아진다 라고 생각할 수 있다.

PWM 방식은 [도 2] 의 규격에 의하면 1 Duty ratio= 1/10이므로 0.1ms 동안 1000mA의 전류를 흘리면 반드시 그 10배인 1ms 동안 유휴시간을 가져야 그 성능을 보장할 수 있으며 과전류 및 발열에 의한 LED가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

PWM 방식은 사람의 눈으로 인지할 수 없을 정도로 빠른 시 간에 LED 조명을 켜고 끔으로 사람의 눈은 계속 켜져 있는 것으로 인지된다.

PWM 방식은 연속적으로 흘릴 때보다 높은 전류를 흘려 LED 조명을 켬으로 고 휘도의 출력을 얻을 수 있으며 평균적인 소비전류 또한 연속적으로 흘릴 때의 100mA 와 같거나 더 적게 할 수 있어 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

PWM 방식의 LED 조명장치는 위와 같은 장점이 있음에도 불구 하고 CCTV 카메라의 조명으로 사용함에 있어 일반 조명보다 빛의 밝기가 약하고, 펄스에 의한 켜고 꺼짐(전원 on/off)의 반복으로 CCTV 카메라 촬상소자 노출시간에 겹쳐 조명이 꺼질 수가 있다. 따라서 잦은 깜박거림이 발생할 수 있으며, 도로에 사용하는 조명은 수백 개의 LED를 집적시켜 사용함으로 제조비가 일반 조명에 비하여 비싸다.

PWM 제어 방식의 LED 조명은 이러한 단점에도 불구 하고 수명이 길며, 발열이 적고, 조명을 필요로 하는 장비와 일체와 시켜 크기를 소형 경량화시킬 수 있어 새로운 조명으로 각광받고 있다.

따라서 본 발명은 LED 조명을 CCTV 카메라의 조명으로 사용함에 있어 노출된 문제의 해결 방법과 그 장치를 제공함에 있다.

CCTV 카메라 촬상소자 노출 시간에만 LED 조명을 켜는 방법에 따라 고안된 LED 조명제어장치는 CCTV 카메라로부터 비디오신호를 입력받을 수 있는 비디오 신호 입력단자를 구비하고, 입력 단자를 통하여 입력된 비디오 신호에서 비디오 동기 신호를 분리하는 모듈과, 분리된 동기 신호를 기준으로 CCTV 카메라 촬상소자 노출시점과 노출 시간을 계산하고 노출 시점에서 노출 시간만큼 LED 조명을 점등하고 이후 소등하는 일련의 과정을 반복할 수 있는 기능을 하는 초소형 연산 처리 장치(Micro Processor Unit, MPU)와, 주·야간 구분 및 일정 조도 이하일 경우 LED 조명을 동작할 수 있도록 광센서 및 다수의 LED 모듈을 구비한 것을 특징으로 한다.

CCTV 카메라는 비디오 신호방식에 따라 엔티에스시(National Television System Committee, NTSC)방식, 피에이엘(phase alternation by line, PAL)방식, 세캄(SECAM) 방식 등이 있으며, NTSC방식은 주사선이 525개, 60 필드=30프레임/초로 구성되어 있으며, PAL이나 SECAM은 주사선이 625개, 50 필드=25프레임/초의 구성으로 되어 있다. 이것이 NTSC와 PAL, SECAM이 크게 다른 점이다.

국내에서는 NTSC 방식이 사용되므로 NTSC 방식을 기준으로 설명한다.

CCTV 카메라는 초당 약 30프레임의 영상을 획득하여 출력하고, 1프레임을 얻기 위한 시간은 1초= 1000ms(Milli Second) 이므로 1000ms /30프레임=33.3ms로서 1장의 영상을 획득하는데 필요한 시간은 33.3ms 이며, 이 시간 안에 1장의 영상을 획득하기 위한 일련의 과정들이 CCTV 카메라 안에서 처리된다.

[도 1]의 (a) 포지티브 비디오(Composite Video)의 수직 귀선 소거(Vertical Blanking Interval, VBI)구간이 CCTV 카메라 촬상소자의 노출이 필요한 구간이며, 이 구간 안에서 LED 조명을 켜줌으로 조명의 역할을 다 하는 것이며, 반복되는 다음 구간 시작 시점까지는 LED 전원을 꺼(OFF)줌으로 LED의 유휴 시간을 확보하여 LED 조명의 수명을 늘리고, 소비 전력을 줄일 수 있는 시간이다.

따라서 [도 1]의 (a) 포지티브 비디오의 VBI 구간을 참고로 CCTV 카메라 촬상소자 노출 시간을 계산할 수 있으며, 그 시간은 VBI 구간에서 영상 상부 구간(TOP OF PICTURE)을 뺀 시간으로 610us(Micro Second)이다. 따라서 1프레임의 영상을 획득하기 위하여 필요한 33.3ms 시간 중 NTSC 방식은 비월주사에 의한 짝수 라인(EVEN FIELD) 스캔시 610us 시간 동안 VBI 구간에 1번, 홀수 라인(ODD FIELD) 스캔시 610us 시간 동안 VBI 구간에 1번씩 16.65ms 마다 2번 LED 조명을 켜주면 된다. 1프레임의 영상을 획득하기 위한 33.3ms 중 노출시간은 1.22ms(610us * 2 )로서 LED 조명이 켜져 있는 시간이고, 32.08ms는 LED 조명이 꺼져있는 상태로 LED 유휴시간이다.

따라서 CCTV 카메라 영상을 얻기 위한 1초의 사용시간을 기준으로 일반적인 LED 조명 제어방식을 사용시간 대비 소비전력을 100% 보았을 때, PWM 제어방식은 50%, 본 발명은 3.66%의 소비전력으로 일반 LED 조명 대비 96.34%의 에너지를 절약할 수 있다.

예1) 1프레임당 LED 조명을 켜는 시간 1.22ms

30프레임 * 1.22ms = 36.6ms

36.6ms/1000ms=3.66 %(LED 조명 점등 시간)

100% - 3.66% =96.34 %(LED 조명 소등 시간)

일반 PWM 방식의 LED 조명은 10ms 동안 켜고 끔을 반복하므로 전체 시간 중 50%만 켜져 있으므로 연속적으로 켜는 방식보다 50%의 에너지 절감을 할 수 있으며, 본 발명은 3.66%의 시간만 켜므로 연속적으로 켜는 방식에 비하여 96.34%의 에너지를 절감하고, PWM 방식에 비하여 46.34%의 에너지를 더 절감할 수 있다.

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[도 3]은 LED 조명을 CCTV 카메라의 각각 프레임별 점등 및 소등 시간을 이해를 돕기 위하여 도식화한 것이며, 위 예1) LED 조명을 켜는 각각 방식별 소비 전류는 동일하다는 전제하에 사용 시간을 기준으로 한 것이며, LED 조명의 밝기(휘도)를 향상시키기 위하여 LED조명을 연속적으로 켜는 방식에 비하여 10배까지 전류를 증가시킬 수 있다.

- 연속으로 켜는 방식

소비 전력 180mW = 구동 전압 1.8V * 소비전류 100mA * 사용시간 1s

- 본 발명에 의한 방법으로 켜는 방식

소비전력 65.88mW= 구동 전압 1.8V * 소비전류 100mA * 사용시간 0.0366s

따라서 본 발명에 의하여 LED 조명을 켤 경우 LED 조명에 10배의 전류를 증가시켜 LED 밝기를 향상시켜도 평균 소비 전력은 연속으로 켰을 때에 비하여 63.4% 가 절약되는 것을 알 수 있다.

CCTV 카메라 촬상소자 노출 시간은 [도 1] 의 분리된 비디오 신호를 이용하여 계산할 수 있는데, 분리된 (C)의 수직 출력 펄스(Vertical Output Pulse)의 하이(High) 상태를 동기신호를 계산하는 기준으로 삼고 230us를 빼면 홀수 라인 스캔 시작 시간(ODD FIELD Scan start time)이며, 여기에 16.65ms를 더하면 짝수 라인 스캔 시작 시간(EVEN FIELD Scan start time)이다.

또한, 촬상소자의 노출구간인 VBI의 시작 시점은 (C)의 동기 신호 기준 시간에서 [도 1]의 (a)컴포지트 비디오(Composite Video)의 이퀄라이징 펄스(EQUALIZING PULSES)(190us) + 세라티드 수직 펄스(SERRATED VERTICAL PULSE) (230us) 시간을 빼면 계산할 수 있으며, (C)의 수직 출력 펄스의 하이(High) 상태가 ①동기신호 기준점이며, 이 기준점은 ②노출시간 기준점이 된다. 따라서 ②노출시간 기준점 이후에는 빛을 전기적신호로 변화하여 영상획득을 위한 일련의 처리과정 시간이므로 ②노출시간 기준점 이전에 LED 조명을 켜주어야 하며 그 시간은 VBI 구간인 (이퀄라이징 펄스(190us) + 세라티드 수직 펄스(230us) + 이퀄라이징 펄스(190us)=610us 이며, ②노출시간 기준점에서 610us를 뺀 지점부터 LED 조명을 켜주게 되면 610us의 시간이 줄어 CCTV 카메라 영상이 어두워 진다.

따라서 610us의 시간을 이용하여 CCTV 카메라 영상의 밝기 조절이 가능하다. [도 3]은 CCTV 카메라 영상의 각 프레임별 시간 및 노출 시간 등의 이해를 돕기 위한 개략도이다.

본 발명은 CCTV 카메라의 비디오 신호를 LED 조명 제어부의 동기신호 분리 추출모듈에서 비디오 동기신호를 추출하고 추출된 동기신호를 이용 촬상소자의 노출 시작시점 및 노출 시간을 계산하고, 이 계산된 시간을 이용하여 촬상소자 노출시작시점부터 계산된 노출 시간 만큼 LED 조명을 켜주고 노출 시간이 지나면 LED 조명을 끄는 방식으로, 16.65ms 시간마다 노출 시간만큼 반복적으로 켜주면 된다.

또한, 본 발명은 주·야간을 식별하고 일정 조도 이하에서 LED 조명을 제어하도록 광센서(CDS 또는 포토다이오드)를 LED 조명제어장치에 포함한다.

CCTV 카메라는 1초에 30프레임씩 반복적으로 영상을 획득 출력하므로 LED 조명제어장 치에서 비디오 신호를 입력받아 동기신호를 분리 추출하고 분리된 동기신호를 이용하여 한번 만 노출 시작 시점을 계산하면 이후 16.65ms 시간마다 계속 처리하게 되므로 노출시간을 계산하는 것이 제일 중요한 방법이라 하겠다.

따라서 본 발명은 CCTV 카메라용 LED 조명을 이상과 같이 서술한 방법에 의하여 CCTV 카메라 촬상소자 노출 시간에만 켜고 끄는 것을 특징으로 하며, 그 장치에 있어서 CCTV 카메라로부터 비디오 신호를 입력받기 위한 비디오신호 입력단자를 구비하고 이단자로부터 입력된 비디오 신호로부터 동기신호를 추출하는 모듈과 이 추출된 동기신호로부터 CCTV 카메라 촬상소자 노출시점과 노출시간을 계산하고 이 시점에 LED 드라이버를 제어하여 LED 조명을 노출 시간만큼 켜고 이후 꺼줌을 노출 시간마다 반복할 수 있는 기능을 하는 MPU와 주야간 판별 및 일정 조도 이하에서 LED 조명이 동작하도록 광센서를 내장하며, 다수의 LED가 프린트 기판에 집적되어 있는 LED 모듈 및 LED 모듈을 제어하는 LED 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치이다.

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도 1은 비디오 싱크 세퍼레이터 선도

도 2는 적외선 LED 램프(Ø5)의 규격

도 3은 비디오 프레임별 노출 시간 선도

도 4는 CCTV 카메라용 조명제어기의 블록도

Claims

CCTV 카메라용 LED 조명을 제어함에 있어서, CCTV 카메라로부터 입력되는 비디오 신호로부터 비디오 동기 신호를 분리하는 제1단계;

상기 제1단계를 통하여 분리된 비디오 동기 신호로부터 촬상소자의 노출시점과 노출시간을 계산하는 제2단계;

상기 제2단계를 통하여 얻어진 CCTV 카메라 촬상소자 노출시점 및 노출시간을 이용하여 LED 조명을 CCTV 카메라 촬상소자 노출시작 시점에서 노출시간만큼 LED 모듈에 전원을 공급하고 차단하는 것을 특징으로 하는 폐쇄회로 텔레비전 카메라의 LED 조명 제어 방법.
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