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ELECTRONICSPTZ 카메라 활용 가이드

2022-10-04
조회수 3015


지난 호에서는 PTZ 카메라를 선택할 때, 참고가 될 만한 사항 몇 가지를 설명했는데, 이번 글에서는 PTZ 카메라를 실제 사용할 경우에 도움이 되는 Tip 몇 가지를 소개하겠다.





PTZ 카메라의 영상 출력 인터페이스


최신 PTZ 카메라들은 다양한 영상 출력 단자를 갖추고 있다. 그만큼 사용자들에게 넓은 선택의 폭을 제공한다.


Minrray UV570의 영상 출력 단자


전문적인 방송 영역에서 전통적으로 사용해 온 SDI(Serial Digital Interface)는 하나의 BNC 케이블을 통해, 고화질의 비압축 영상과 음향, 그리고 기타 데이터들을 전송할 수 있는 매우 효율적인 인터페이스다. 기본적인 영상 포맷은 YCbCr 4:2:2 10bit이며, 무압축 고화질 영상이라 높은 대역폭을 필요로 한다.

1080 60p의 Full HD 영상의 경우, 초당 약 3 Giga bit의 Bitrate를 가지기 때문에, 3G-SDI라고 하고, 1080 60i는 그 절반인 1.5Gbps인데, 흔히 HD-SDI라고 한다. 이는 HD 방송의 표준 규격이 1080 60i였기 때문이다. 2160 60p의 UHD 방송인 경우, 1080 60p의 4배 대역폭이 되므로, 12G-SDI라고 한다. SDI는 여러가지 장점에도 불구하고, 3G-SDI 기준으로 최대 150m 정도까지 송수신이 가능하기 때문에, 설치와 유지보수 비용이 높고, 전체적인 방송 시스템 차원에서 확장성 혹은 유연성이 좋지 못하다.



12G-SDI 케이블과 Ethernet(LAN) 케이블


이에 따라, 방송 시스템은 점차 SDI에서 IP로 전환되는 추세다. 일반적으로 방송에서 IP(Internet Protocol)라는 용어는 근거리 통신망(LAN: Local Area Network)이나 원거리 통신망(WAN: Wide Area Network) 혹은 인터넷 등으로 불리고 있는 통신 네트워크를 통해, 영상과 음향을 송수신하는 것을 뜻한다.

최신 PTZ 카메라들은 모두 Ethernet 단자를 갖추고 있다. 이를 통해, PTZ 카메라의 제어 뿐 아니라, 영상의 출력과 PoE를 지원할 경우에는 심지어 전원 공급까지 네트워크 케이블을 통해 가능하다. 따라서 설치와 유지보수가 매우 간편하고, 방송 시스템의 구성을 필요에 따라 유연하게 변경하는 것이 가능해진다. 특히, NewTek社에서 개발한 NDI(Network Device Interface) 기술은 고유의 압축을 통해, 기존 SDI에 비해 훨씬 가벼우면서도 일정한 수준의 화질을 보장하여 방송의 IP화에 기여하고 있다. 기존 1G 네트워크에서도 원활하게 운용할 수 있어, 기업, 학교, 학원, 연수원, 병원 등에서 많은 사랑을 받고 있다.





물론, SDI나 IP 이외에도 함께 사용하는 장비들과의 호환성이나 편리성에 맞춰 HDMI(High Definition Media Interface)나 USB(Universal Serial Bus)와 같은 인터페이스를 사용할 수도 있다. HDMI는 방송 뿐 아니라, TV나 Monitor, Blu-ray Player, Camcorder 등 일반 가전제품도 폭넓게 사용되고 있는 인터페이스다. HDMI도 버전에 따라 지원 가능한 해상도가 다른데, HDMI 1.3은 1080 60p, HDMI 1.4는 2160 30p, 그리고 HDMI 2.0은 2160 60p까지 지원이 가능하므로, PTZ 카메라를 선택할 때, 지원 가능한 최대 해상도 스펙을 참고하기 바란다.

USB는 인터넷 방송을 할 때, 편리하게 사용할 수 있다. SDI나 HDMI로 출력되는 영상의 경우는 별도의 캡쳐나 인코딩 장비를 사용해야 인터넷을 통해 송신할 수 있지만, USB로 출력되는 영상은 곧바로 YouTube나 Zoom 등을 통해 송출할 수 있기 때문이다. 단, 일반적으로 USB로 출력되는 영상은 SDI나 HDMI에 비해, 해상도 또는 Frame Rate에 제약이 있거나 화질이 조금 떨어질 수 있으니, 정확한 스펙을 참고해야 한다.






1) PTZ 카메라 제어: Serial vs IP


PTZ 카메라의 가장 큰 장점은 카메라를 멀리서 조정할 수 있다는 점이다. 강사의 움직임을 따라 카메라의 방향을 상하좌우로 조정하거나 멀리 있는 피사체 혹은 인물을 Zoom 기능을 이용해서 확대해 보여주는 등의 작업을 할 수 있다. 보통 PTZ 카메라 제조사에서 별매로 판매하는 원격 제어 장치, 즉 Remote Controller를 활용하지만, 대부분의 경우에는 기본적인 Pan, Tilt, Zoom 제어에 대해서는 다른 제조사의 PTZ 카메라와 호환이 되는데, 호환되는 제어 프로토콜을 사용할 수 있기 때문이다.

가장 많이 사용하는 제어 프로토콜은 VISCA라는 것으로, Sony社가 개발하였고, 거의 모든 PTZ 카메라들이 VISCA를 지원한다. VISCA는 RS-232와 같은 시리얼 통신(Serial Communication)을 통해 PTZ 카메라와 Remote Controller를 연결하도록 고안되었다. 하지만, Ethernet 케이블을 타고 네트워크에 연결되어 PTZ 카메라를 제어할 수 있는 VISCA over IP라는 프로토콜도 만들어져 있고, 이 프로토콜은 대부분의 최신 PTZ 카메라들이 지원하므로, PTZ 카메라의 제어는 시리얼 통신이나 인터넷 통신(IP)을 통해 가능하게 되었다.


이미지 출처: vmPTZ


PTZ 카메라를 여러 대 사용할 경우에 시리얼 통신으로 연결하게 되면, 거리 제한이 있기 때문에, 보통 데이지 체인(Daisy Chain)으로 PTZ 카메라들을 연결하게 된다. 즉, Controller에 연결된 첫 번째 카메라가 두 번째 카메라로 통신을 연결해주고, 다시 두 번째 카메라가 세 번째 카메라로 연결해 주도록 하는 방식이다.

반면, IP 방식의 경우는 모든 PTZ 카메라들이 각기 네트워크에 연결되어져 있기만 하면, 동일한 네트워크에 연결된 하나의 Controller로 모두 제어가 가능하고, PTZ 카메라가 IP 영상 출력까지 지원한다면, SDI나 HDMI와 같은 별도의 영상 케이블이 필요 없기 때문에, 더욱 편리하다. 여기에 PoE까지 지원하는 PTZ 카메라는 전원까지도 Ethernet 케이블을 통해 공급해 줄 수 있으므로, 설치와 유지보수 측면에서 상당한 장점이 있다. 또한, IP로 연결된 PTZ 카메라는 웹 화면(Web U.I)을 통해서도 키보드와 마우스로 제어가 가능하기 때문에, 요즘은 대개 IP를 지원하는 PTZ 카메라를 선호한다.



네트워크에 연결된 PTZ 카메라와 컨트롤러 구성도


참고로, VISCA 이외에도 PELCO-D와 PELCO-P도 많이 사용되는 제어 프로토콜이다. IP의 경우에도 VISCA over IP 외에 ONVIF나 NDI와 같은 네트워크용 제어 프로토콜이 있다. NDI는 지난 글에서 설명한 바와 같이 NewTek社에서 개발한 영상 압축 프로토콜이자, 영상 송수신 프로토콜이며, 제어 프로토콜에도 사용되는 명칭이다.


2) Ethernet 케이블 하나로 해결해라 - PoE


Ethernet 케이블을 활용하는 네트워크 영상 송출, 그리고 Ethernet을 통한 PTZ 카메라의 조종에 더해 Ethernet 케이블을 통해 전원까지 공급한다면, 설치와 유지보수, 운용 측면에서 금상첨화가 된다. 바로 PoE(Power over Ethernet)이라는 기술이다. PoE가 지원되는 Ethernet Hub를 이용하여 PTZ 카메라에 전원을 공급할 수 있기 때문에, PTZ 카메라에는 Ethernet 케이블만 하나만 꽂아주면 된다.

앞서 PTZ 카메라 구매 가이드에서도 설명한 바가 있는데, 현재 PoE, PoE+, PoE++ 등의 규격이 나와 있으며, 각기 공급가능한 전류량이 다르므로, PTZ 카메라가 지원하는 PoE 스펙을 정확히 확인하고 Ethernet Hub를 구입해야 한다.

* PD: Powered Device(Device Powered by PoE)

이미지 출처: Wikipedia



3) 화면 깜박임을 잡아라 - Anti-Flicker


카메라로 촬영할 때에는 주변광의 영향을 많이 받게 되는데, 특히 실내에서 촬영할 경우에는 조명의 종류나 특성에 따라 깜박임(Flicker)이 발생할 수 있다. 이러한 깜박임은 조명의 주파수와 카메라의 주파수가 달라서 생기는 문제다. 형광등이냐 혹은 LED 조명이냐에 따라 양태가 다르게 나타난다. 가장 눈에 잘 띄는 것은 형광등의 깜박임인데, 보통 형광등의 Flash Rate는 전력선 주파수의 배수를 따라간다. 따라서 우리나라의 전력선 주파수는 60Hz이므로, 카메라의 Anti-Flicker 기능으로 들어가서 60Hz로 설정해주면, 깜박임이 감소한다. 유럽과 같이 60Hz의 전력선 주파수를 사용하는 곳에서는 형광등 역시 50Hz의 배수의 Flash Rate를 가지므로, 카메라를 50Hz로 설정해주면 된다.

이미지 출처: Sony



4) 색감의 균형을 잡아라 - Auto White Balance


White Balance는 빛의 3원색인 Red, Green, Blue를 적당한 비율로 섞어서 평소 태양광 아래서 사물을 볼 때와 같은 자연스러운 톤(Tone)의 컬러가 나오도록 색의 균형을 잡아 주는 것이다. 다른 말로는 적정 색온도(Color Temperature)를 잡아 준다고 말하기도 한다. 이 색온도라는 개념은 나중에 별도의 글을 통해 보다 상세하게 설명하겠다. 우선, 이번 글에서는 White Balance를 잘 잡을 수 있는 방법에 대해서만 간단히 설명하겠다.

일반적으로 동영상을 촬영하는 Camcorder나 PTZ 카메라 등에는 Auto White Balance라는 기능이 탑재되어 카메라에 들어오는 빛의 성분을 분석해서 자동으로 색온도를 맞춰준다. 하지만, 완벽한 것이 아닐 수 있기 때문에, 보통 그레이 카드(Gray Card)와 카메라의 One Push라는 기능을 이용해서 수동으로 White Balance를 잡아 주는 경우도 많다. 이를 위해, 다양한 Gray Card가 판매되고 있다. 아래의 2번이나 4번과 같이 밝은 회색, 중간 회색, 어두운 회색의 3가지가 고루 들어간 Gray Card를 추천한다. 백색이나 중간 회색 하나만 있는 카드를 사용하면, 좀 더 어둡거나 밝은 색에서는 균일한 색온도를 구현하는 데 미흡할 수 있기 때문이다.




5) 색감의 기초를 굳힌다 – Black Level



아래의 좌측 그림은 Offset 혹은 Brightness Control의 원리를 보여주고 있다. Offset이나 Brightness Control은 Y = aX + b와 같은 함수식에서 b의 역할, 즉 더하기/빼기의 기능을 한다. 따라서 Offset이나 Brightness를 올리거나 낮추면, 전체적으로 Y 값이 정비례해서 상승하거나 하강한다.

아래의 우측 그림은 이러한 Offset 혹은 Brightness Control을 전형적인 CRT Display에 적용했을 때, 실제 입력 값(입력 전압)과 출력 값(휘도)과의 상관관계를 보여준다. 직선이 아닌 아래로 다소 볼록한 곡선의 형태로 출력이 되는데, 결과적으로는 밝은 색에 비해, 어두운 색에 훨씬 많은 영향을 미치게 된다. 즉, Brightness Control을 올릴수록 Black의 휘도가 높아져 들뜬 검정색이 되고, 일정 수준 이하로 낮추면, 이번에는 어두운 색들이 모두 Black에 묻혀버린다. 이런 특성 때문에, Display 기기에서 Brightness Control은 제조사에 따라서 Black Level Control이라는 명칭이 사용되기도 한다.




6) 하이라이트 날리지 않게 하라 – Contrast


아래의 좌측 그림은 Gain Control의 원리를 보여준다. Offset Control이 더하기/빼기의 기능이라면, Gain Control은 곱하기/나누기의 기능을 한다. 따라서 Gain 값을 높이면, 밝은 색들부터 더 밝아지고, 어두운 색으로 갈수록 영향을 덜 받는다. Display 기기에서는 이를 Contrast Control이라고 하고, 모 제조사는 이를 Picture Control이라고 부르기도 한다.

Brightness가 모든 계조들의 밝기에 다 영향을 미치지만, 특히 어두운 색에 큰 영향을 미친다. 이에 비해 Contrast Control은 주로 밝은 계조에만 영향을 주고 있어, Black Level이 들뜨거나 암부(Dark Colors)가 뭉개지는 일이 발생하지 않는다.

PTZ 카메라에 있는 Brightness와 Contrast의 개념 역시 앞서 살펴본 Display 기기에서의 Brightness 및 Contrast Control과 동일한 원리로 작동한다.




7) 암부와 명부 뭉개짐이 없는 톤 조절 – Gamma



앞서 설명한 것과 같이 Brightness나 Contrast 조절 기능은 조금 과하면, 암부(Dark Colors)가 뭉개져서 Black과 구분이 안되거나 명부(Highlight)가 날아가는 현상이 발생하게 된다. 전체적인 계조들의 밝기를 조절하고는 싶지만, Black Level이나 Highlight의 계조들은 그대로 유지하고 싶을 경우에는 Gamma Control을 활용하면 좋다.

Gamma는 그 개념과 의미가 다소 혼란스럽게 사용되는 경우가 많아서 2000년대에 들어서는 OETF(Opto-Electrical Transfer Function, 광전 변환 함수) 혹은 EOTF(Electro-Optical Transfer Function, 전광 변환 함수)라는 공식적으로 용어가 사용되고 있다. OETF와 EOTF는 각기 카메라 Gamma와 Display Gamma라고 이해하면 된다.

EOTF, 즉 Display Camma의 경우, ‘입력 값 = 인가 전압 vs 출력 값 = 휘도’에 대한 CRT 고유의 비선형적 응답 특성을 그대로 반영한 것인데, 약 2.5정도의 자승 값을 가지는 곡선이다. 반면에 OETF, 즉 카메라 Gamma는 주어진 대역폭에서 더욱 효율적으로 영상 신호를 담기 위해 인위적으로 만든 것인데, 대략적으로 EOTF Gamma의 역(逆, Reverse)이 된다. 그래서 OETF와 EOTF의 결합은 결과적으로 대략적인 선형이 된다. 정확하게 말하자면, TV 방송은 OETF와 EOTF의 결합이 약 1.125가 된다.

어쨌든 이러한 Gamma 특성은 카메라에서도 조절할 수 있고, Display 기기에서 조절할 수도 있다. Gamma Control은 암부나 명부에 영향을 끼치지 않고, 중간 계조들의 밝기만 조절할 수 있다는 점이 장점이다. 그래서 카메라로 촬영하고 있는 영상이 조금 더 밝거나 어둡기를 바라지만, 조명을 손댈 수 없는 상황일 때는 이 Gamma Control 기능을 이용하면 유용하다.




아래의 그림은 Minnray社의 UV570에 내장되어 있는 Gamma Control 기능인데, default, 0.47, 0.50, 0.52, 0.55 중에서 하나를 선택할 수 있다. 이를 그래프로 그려보면, 위로 볼록한 곡선임을 알 수 있다. 0.47~0.55 사이의 값을 자승 값으로 가지는 함수식이라고 보면 된다. 즉, 1/2.2 = 0.45이므로, Y = aX(1/2.2) + b와 같은 함수식을 그림으로 그리면, 아래의 오른쪽 그래프와 같이 된다는 뜻이다.




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