정밀조도정보를 이용한 전천카메라 기반의 주 · 야간 구름영상촬영용 원형장치 개발

2.1 정밀조도계(Lightmeter)

본 연구에서는 주, 야간 구분없이 연속적으로 하늘과 구름 영상을 촬영하기 위하여 어안렌즈가 장착된 전천카메라 기반의 광학장비를 이용하였다. 여기에서 광학장비는 피사체의 밝기변화에 따라 지속적인 촬영설정을 조정해야만 주, 야간 식별 가능한 영상을 촬영할 수 있기에 조도정보가 필수적으로 제공되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 2009년 국제천문의 해(International Year of Astronomy)에 야간 광공해(light pollution)를 정량적으로 분석하기 위하여 개발된 정밀조도계를 장착하였다. 이 장비는 Table 1에서 보듯이 주, 야간 모든 밝기조건에서 측정이 가능하여 태양광이 있는 밝은 주간의 밝기(2 × 10⁵ 룩스)부터 달빛이 없는 매우 어두운 그믐날의 밝기(5 × 10⁻⁴ 룩스 이하)까지 측정이 가능한 해상도를 지닌다. 정밀조도계의 센서는 태양광발전 패널(Photovoltaic Panel)에 널리 이용되는 실리콘(silicon, Si) 소재로 제작되어 다양한 외부환경(온도, 습도 등) 조건에서도 안정된 성능을 보장하고 있다.

Table 1.

Technical specification of the precision Lightmeter.

정밀조도계에서 측정된 원시자료(raw data)는 밝기 정도에 따라 광에너지 입자가 반도체소자 표면에 충돌시 발생하는 전자들뜸현상의 정도인 전하값을 면적당 일률(watt m⁻²) 단위로 표시한다. 이 값을 일반적으로 통용되는 밝기 단위인 룩스(lx)로 나타내기 위해서는 온도의존성을 가진 실리콘소자의 고유특성과 측정장소의 운영환경을 반영하는 변환과정을 거쳐야 한다. 그러나 측정장소에 대한 환경계수 산출을 위해서는 장기간의 관측자료가 필요하고, 변환과정에서 추가적인 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 본 연구에서는 정밀조도계에서 원시자료인 전하값을 그대로 적용하였다.

2.2 광학계

정밀조도정보를 이용하여 주, 야간 동안 연속적으로 하늘과 구름을 촬영하기 위하여 구름관측장비에 적용한 광학장비의 선택조건으로 광시야각(wide Field Of View)을 고려하였다. 이에 따라 관측천문 분야에서 천체망원경의 운영환경을 파악하는 목적으로 널리 활용되는 어안렌즈를 카메라 본체에 장착하였다. 일반적으로 어안렌즈는 반구(hemisphere) 위의 360^o 전방위를 촬영할 수 있는 시야각을 가지고 있기에 빠르게 변하는 하늘과 구름 영상을 광범위하게 촬영할 수 있다. 그리고 일반 DSLR (Digital Single Lens Reflex) 카메라와 결합이 용이하기에 비교적 저렴하게 장비제작이 가능하다. 어안렌즈와 일반 DSLR 카메라를 결합한 형태의 광학장비는 구름과 하늘 영상을 안정적으로 촬영 가능하지만, 주, 야간 동안 식별할 수 있는 영상을 얻기 위해서는 카메라의 촬영설정 세 가지 요소인 ISO, 셔터속도(Shutter Speed), 조리개(Aperture)를 조정해야 한다. 그래서 개발된 구름관측장비도 정밀조도계로부터 제공되는 조도에 따라 ISO와 셔터속도만을 조정하도록 설계하였다. 여기에서 조도값이 큰 주간에는 ISO(최소 100)를 낮게 설정하고 조도값이 작은 야간에는 ISO(최대 3,200)를 높게 설정하였으며, 셔터속도는 주간에 속도를 빠르게 설정(1/4,000초)하고 야간에 셔터속도(10초)를 느리게 설정하였다. 주간에는 조도값이 영상을 촬영하기에 충분한 밝기이기에 셔터속도는 거의 최대로 빠르게 설정되며, 구름이 두껍게 낀 경우에 ISO가 주로 변하도록 설정되었다. 반면에 야간에는 영상을 촬영하기 위한 밝기가 부족하기에 ISO는 거의 최대 민감하도록, 셔터속도는 거의 5초에서 10초로 설정하였다. 나머지 조리개 설정도 밝기정보에 따라 조정이 가능하지만, 이번 연구에서는 구름관측장비 제작 상의 경제성을 고려하여 제외하였으며, 향후에는 조리개 설정까지 조정할 수 있도록 기능 개선을 계획하고 있다.

Table 2는 구름관측장비의 광학계를 구성하고 있는 DSLR 카메라와 어안렌즈의 기능적 사양을 간단하게 기술하였다.

Table 2.

Specifications of the optical components for the cloud monitor based on whole-sky imager.

2.3 제어부

마지막으로는 개발된 구름관측장비를 통해 하늘과 구름 영상을 촬영, 저장하고 영상을 후처리한 후 최종적으로 웹 서비스까지의 기능을 수행하는 제어부에 대한 설명이다. 구름관측장비에서 제어부의 첫 번째 역할은 정밀조도계로부터 측정된 조도정보를 저장하고, 미리 설정된 조도 조건에 따라 어안렌즈가 장착된 카메라의 셔터속도와 ISO를 포함한 촬영설정값을 조정한다. 두 번째는 구름관측장비의 광학계(전천카메라)에서 촬영된 원본영상(original image)을 저장하고, 원본영상에 촬영위치, 분 단위의 촬영시간, 밝기정보 등이 표시된 후처리 영상을 웹페이지에 실시간 제공하는 연속적인 과정을 제어한다. 위에서 언급한 모든 과정을 순차적으로 수행하기 위하여 본 연구에서는 영국의 라즈베리파이 재단에 의해 개발되어 컴퓨터 교육분야나 개발도상국의 기초컴퓨터 과학교육분야에 널리 활용되는 컴퓨터보드 형태의 라즈베리파이(Raspberry Pi) 모델을 활용하였다. 이 장비는 40달러($) 내외 비교적 저렴한 가격과 사물인터넷 분야에서도 널리 활용될 정도로 작은 크기이지만, 다양한 기능과 안정적인 성능을 보장한다. 이러한 라즈베리파이 모델은 일반 컴퓨터가 수행하는 거의 모든 기능을 구현할 수 있기에, 이 연구에서는 정밀조도계로부터 측정된 조도정보를 활용하여 전천카메라의 셔터속도와 ISO를 직접 조정하는데 필요한 관련 프로그램을 설치하였다.

이외에도 주, 야간 24시간 지속적으로 하늘과 구름 영상을 촬영하기 위해서는 구름관측장비를 외부에 설치하여 운영해야 하기 때문에 기온변화, 강수 및 강설과 같은 다양한 외부환경조건으로부터 내부 구성품을 보호하도록 외부케이스를 제작하였다. 외부케이스는 구름관측장비의 구성품인 전천카메라, 라즈베리파이 모델 등이 허용하는 작동온도범위로 유지될 수 있도록 냉각장치와 히터를 장착하였으며 대략적인 형태는 Fig. 1과 같다. 외부케이스의 투명아크릴돔(Dome) 주변에는 열선을 설치하여 돔 표면의 서리나 물방울 등을 제거하도록 하였다. 또한 외부케이스는 제작 용이성과 경제성을 고려하여 시중에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 철제 함체(box type)형태의 분전함을 개조하였으며, 구름관측장비의 개발목표인 주, 야간 연속 관측 기능을 수행하는데 중요한 역할을 하는 구성품이다.

Fig. 1.

The upper shape and schematic diagram of the cloud detector based on Whole-Sky Camera.

3.1 정밀조도 관측결과

본 연구에서 개발된 전천카메라 기반의 구름관측장비를 안정적으로 작동하게 하는 핵심원리는 주변 밝기인 조도정보에 따라 카메라의 촬영설정값을 지속적으로 조정하는 것이기에, 구름관측장비에 장착되어 있는 정밀조도계에서 실제로 관측된 조도자료를 적용하여 전천카메라의 촬영설정이 조정 가능여부를 살펴보았다.

이를 위해 Table 3에서 보듯이 천체력(almanac)과 기상상태에 따라 변하는 일반적인 조도의 분포범위(Cagatay, 2009)와 정밀조도계의 제작사에서 제공하는 식 (1)과 같은 조도변환식을 참고하여 측정된 원시자료인 전하값과 비교하였다.

Table 3.

Illumination lever according to almanac and weather conditions.

X는 조도(lx) 단위로 표시되는 조도값이며, t는 센서의 온도(^oC), n은 원시자료인 전하값이다. 환경계수 a, b, c, d는 독일 광환경 실험에서 산출된 값인 a = 2.020 × 10⁵, b = 1.510 × 10⁻², c = 8.090 × 10⁻⁷, d = 7.630× 10⁻³을 적용하였다(Muller et al., 2011). 여기에서 정밀조도계의 실제 관측된 전하값(count)을 조도 단위로 변환했을 때 주, 야간 일반적인 룩스 단위 조도의 분포범위 내에서 원시 측정값들이 분포하는 것을 확인하였다.

이러한 결과는 정밀조도계의 실측된 조도정보를 이용하여 하늘과 구름 상태를 주, 야간 지속적으로 촬영하기 위해 개발된 원형 구름관측장비에 장착된 카메라의 촬영설정을 조정 가능한 관측 범위와 해상도를 가지는 것을 의미한다.

Figure 2는 광환경이 상이한 서울 용산과 강원도 원주 인근에 구름관측장비를 설치하여 정밀조도계에서 실측된 조도값의 시계열이다. Figure 2a는 원주에서 맑은 날 2016년 12월 15일 1200 LST부터 16일 1200 LST까지, Fig. 2b는 구름 낀 날 12월 13일 1200 LST부터 14일 1200 LST까지 24시간 동안의 조도관측 시계열이다. 두 그림에서 공통적으로 주간과 야간 사이 급격한 조도값의 변화를 보여주고 있다. 그래프의 윗부분은 주간의 태양광 효과를 반영하여 삼백만 단위(watt m⁻²) 내외의 측정값을 보여주고 있으며, 아랫부분은 태양광이 없는 야간으로 상대적으로 매우 낮은 측정값을 보인다. 수직선으로 표시되어 있는 일몰시간과 일출시간 전후에 급격하게 조도 측정값이 변하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2.

Time series of illumination for a clear sky and cloudy sky at (a), (b) Wonju site, and (c), (d) Yongsan site.

또한 Fig. 2c는 용산에서 맑은 날 2017년 10월 2일 1200 LST부터 3일 1200 LST까지, Fig. 2d는 용산의 구름 낀 날 10월 11일 1200 LST부터 12일 1200 LST까지 24시간 동안의 실측된 조도값의 시계열로, 원주에서 관측된 사례와 유사하게 태양광 유무에 따라 측정값이 크게 변하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 용산 사례는 원주 사례보다 야간동안 측정된 절대값이 크게 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 도심 중앙에 위치한 용산의 측정값에 야간 인공광원 효과가 반영된 것이다. 특히 야간동안 낮은 구름의 영향을 받은 사례인 Fig. 2d에서 인공광원이 구름에 반사되는 효과로 측정된 절대값(4.71 × 10⁵ watt m⁻²)이 다른 사례들에 비해 크게 나타날 뿐 아니라, 구름분포(운량)의 변화에 따라 측정되는 절대값의 편차도 상대적으로 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.

위 사례에서 보듯이 구름관측장비가 설치된 위치에 따른 주, 야간 광원(자연광, 인공광)이나 구름분포와 같은 기상조건들이 복합적으로 반영되는 사실을 정밀조도계에서 실측된 조도값 분석을 통하여 확인할 수 있다. 특히 일몰과 일출시간대에 급격하게 변하는 밝기 정도를 정밀조도계로 측정할 수 있었으며, 이러한 값들에 따라 전천카메라의 셔터속도(1/4,000초~1초)와 ISO (400~1,600)를 설정하였다.

3.2 정밀조도와 구름관측 관측결과

앞에서 언급했듯이 전천카메라 기반으로 개발된 구름관측장비의 핵심적인 작동원리는 주, 야간 동안에 끊임없이 변하는 밝기인 측정값에 근거하여 전천카메라에서 하늘과 구름을 구별할 수 있는 영상을 촬영할 수 있도록 셔터속도(1/4,000초~10초)와 ISO (100~3,200)를 조절하는 방식을 적용하였다. 이러한 구름관측장비의 작동원리에 따라 태양이 있는 밝은 주간에는 Fig. 3a와 같은 촬영영상의 포화를 최소화하기 위하여 셔터속도(1/4,000초)를 가능한 빠르게 설정하고 촬영민감 정도를 나타내는 ISO (100~400)는 작은 값을 설정하였다. 이와는 반대로 Fig. 3b와 같은 태양이 사라진 어두운 야간에는 카메라 센서에 도달하는 광량의 부족으로 촬영된 영상이 검게 나타나는 현상을 보완하기 위하여 셔터속도는 느리게 1초~10초, ISO는 1,600~3,200으로 큰 값을 갖도록 설정하였다.

Fig. 3.

(a) Daytime (saturation) image, (b) nighttime (darkness) image without illumination data from Lightmeter.

Figure 4는 정밀조도계에서 실측된 조도정보에 따라 셔터속도와 ISO를 조정하여 구름과 하늘을 촬영한 영상으로, 원본영상에 후처리과정을 통하여 촬영시간과 촬영된 영상에 대한 좀 더 직관적인 이해를 위하여 영상 중앙에 ‘+’로 표시된 천정(zenith)을 기준으로 고도각(elevation) 30°마다 원형과 방위(동-서-남-북)를 표시하고 있다. 천정에서 가까운 첫 번째 원(circle)은 지상의 관측장비에서 천정을 중심으로 60^o의 원추(cone)를 투영한 부분을 의미하며, 두 번째와 세 번째 원형은 각각 120^o와 180^o 원추를 투영한 부분을 나타낸다.

Fig. 4.

Sample images of each day and night from the cloud monitor (a), (b) at Wonju site, (c), (d) at Yongsan site.

Figures 4a, b는 2016년 10월 1일부터 12월 19일까지 구름관측장비를 원주에 설치하여 촬영된 주, 야간 영상 중에서 구름이 있는 주간과 구름이 없는 야간 사례로, 두 영상에서 하늘에 분포하고 있는 구름을 분명하게 식별할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 Figs. 4c, d는 2017년 3월 21일부터 10월 12일까지 용산에서 촬영된 사례 중에 구름이 없는 주간과 구름 낀 야간을 촬영한 사례로 구름과 하늘이 육안으로 식별이 가능한 것을 볼 수 있다. 특히 구름이 없는 주간에 고도각 50^o 부근에 강한 태양광이 위치하고 있으나, 조도정보에 따라 미리 설정된 빠른 셔터속도와 작은 ISO를 설정하여 Fig. 3a와 같이 직사 태양광 아래에서 발생하는 영상의 포화현상이 감소된 것을 볼 수 있다.

개발된 원형 구름관측장비로 촬영된 구름과 하늘 영상은 실측된 조도정보에 따라 제어부에서 미리 설정된 셔터속도와 ISO를 직접적으로 조정하여 촬영하기 때문에, 고가의 다중스펙트럼 광학필터와 같은 부가적인 장치없이 일반 전천카메라만으로 구름과 하늘을 식별할 수 있는 영상을 촬영할 수 있었다. 그러나 원형 구름관측장비에서 촬영된 관측영상에 대한 분석이 제한적으로 이루어졌기 때문에 조도정보에 따른 촬영설정을 최적화 하지는 못했다. 향후 광학장비 기반 구름관측이 현업분야에 적용되기 위해서는 더 많은 구름관측 영상사례의 분석결과에 근거하여 구름관측장비의 촬영설정을 좀 더 세밀하게 조정해야 한다.