KR101671252B1 - 방사선 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 방사선 검출 장치는, 방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 범용 카메라; 및 상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하고 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고 검출된 백색 픽셀이 방사선에 의한 백색 픽셀인지를 판단하는 신호 처리 유닛;을 포함한다.

Description

방사선 검출 장치 및 방법{Apparatus and Method for detecting radiation ray}
본 발명은 방사선 검출 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 카메라 모듈을 이용하여 방사성동위원소(radiosotope)에서 방출되는 감마선에 의해 카메라에 발생되는 영상 노이즈를 통해 감마선을 검출 및/또는 분석하는 방사선 검출 장치 및 방법에 대한 것이다.
원자로 및 관련시설의 주기적인 방사선 안전성 평가를 위해 지속적인 방사선 계측기술의 연구개발이 요구된다. 이러한 방사선 계측기술 중 핵심기술인 방사선 검출기(radiation detector)의 설계 및/또는 제작기술이 제안되고 있다.
일반적으로, 기초연구로 비례 계수기(proportional counter) 등과 같은 구형 검출기 등이 개발되고 있다.
또한, 여러 종류의 방사선을 측정 및/또는 분석할 수 있는 가이거 뮐러 계수관(Geiger-Muller counter), 섬광 계수기(scintillation counter), 이온전리함(ionization chamber) 및 서베이 미터(survey meter)등의 방사선 검출기를 연구 개발 및 상용화하여 원자력 관련 시설 등에 사용하고 있다. 이중 가이거 뮐러 검출기는 쉽게 방사능 검출이 가능하지만 불감 시간이 길고，수명이 짧으며 검출 오차가 큰 단점을 가진다. 섬광 계수기는 고전압의 광증배관을 필요로 하고， 직사광선의 노출에 주의해야 하는 단점을 가지고 있다，
그러나, 이들의 연구 및/또는 제작기술은 이미 개발 포화 상태에 직면하여 사용 목적에 따른 방사선 검출기의 소형화 연구 및/또는 정확도 향상 연구를 수행하고 있는 실정이다.
또한, 다양한 신소재 및/또는 반도체(semiconductor)를 사용하여 성능이 우수한 방사선 검출기에 대한 개발이 요구되고 있는 상황이다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0128147호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 범용 카메라를 이용하여 감마선을 검출 및/또는 분석하는 방사선 검출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 간편하고 정확하게 감마선을 검출 및/또는 분석하는 방사선 검출 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 범용 카메라를 이용하여 감마선을 검출 및/또는 분석하는 방사선 검출 장치를 제공한다.
상기 방사선 검출 장치는,
방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 범용 카메라; 및
상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하고 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고 검출된 백색 픽셀이 방사선에 의한 백색 픽셀인지를 판단하는 신호 처리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신호 처리 유닛은, 상기 동영상 이미지를 상기 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하는 변환부; 제 n 번째 프레임의 정지 이미지와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지의 차이, 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지를 이미지 스무딩 처리한 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 복수의 차이 이미지를 생성하는 차이 이미지 생성부; 및 상기 복수의 차이 이미지에 대한 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값 이상 인지 여부에 따라 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 정지 이미지는 그레이 스케일 이미지인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리 유닛은, 상기 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단되는 백색 픽셀의 수를 계수(counting)하는 계산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 백색 픽셀의 수는 상기 방사선원의 방사능에 따라 비례로 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 범용 카메라는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라 또는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 방사선원은 감마 선원인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 범용 카메라의 이미지 촬영 설정값이 커지면 상기 백색 픽셀의 수의 표준편차가 줄어 변동계수가 0에 근접하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이미지 촬영 설정값은 해상도, 프레임률 및 측정 시간인 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 해상도는 1,408 × 1,408이고, 상기 프레임률은 82fps이고, 상기 측정 시간은 1분 내지 15분인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 범용 카메라를 이용하여 방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 동영상 이미지 생성 단계; 신호 처리 유닛을 이용하여 상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하는 정지 이미지 변환 단계; 및 상기 신호 처리 유닛을 이용하여 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고, 검출된 백색 픽셀을 이용하여 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 판단 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법을 제공한다.
이때, 상기 판단 단계는, 제 n 번째 프레임의 정지 이미지를 이미지 스무딩 처리하여 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지를 생성하는 단계; 제 n 번째 프레임의 정지 이미지와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지의 차이, 상기 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 복수의 차이 이미지를 생성하는 단계; 및 상기 복수의 차이 이미지에 대한 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값 이상 인지 여부에 따라 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 방사선 검출 방법은, 상기 백색 픽셀로 판단하는 단계이후, 상기 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단되는 백색 픽셀의 수를 계수(counting)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 범용 카메라를 이용하여 감마 선원에서 방출되는 감마선에 의해 발생되는 영상 노이즈를 촬영함으로써 방사선 검출이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 범용 카메라의 영상 촬영 설정값인 해상도, 프레임률, 측정 시간이 커지면 측정되는 백색 픽셀수의 표준편차가 줄어 변동계수가 0에 근접하게 되므로 방사선 검출의 정확도가 향상될 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 범용 카메라의 이미지 센서(image sensor)가 일반 반도체 공정을 이용하여 동시에 직접화시킨 단일 일체형으로 구성됨으로써 신호에 대한 잡음을 개선할 수 있으며 방사선에 대한 민감도와 반응속도가 빠르다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 부피 및 무게를 현저히 줄여 초경량화할 수 있을 뿐만 아니라 작업 생산성을 향상시킴으로써 제작단가를 크게 낮출 수 있으며 간단한 시스템 구조로 인해 저전력으로 동작이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 설정 장치(10)의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 방사선 검출 장치(20)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감마선과 범용 카메라 중 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라의 CMOS 이미지 센서와의 상호작용에 의해 이미지에서 발생되는 백색 픽셀을 보여주는 화면예이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라에서 발생되는 백색 픽셀을 계수한 후, 변동 계수(coefficient of variation)로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선원에 의해 범용 카메라 중 CMOS 카메라에서 발생된 백색 픽셀을 계수한 후, 변동 계수(Coefficient of Variation)로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라를 약 1,408×1,409 해상도로 설정후, 프레임률에 따른 변동계수를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라의 해상도를 약 1,408×1,409로 프레임률을 82fps로 설정하였을 경우, 시간에 따른 변동 계수를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라의 해상도 및 프레임률에 따른 변동계수를 보여주는 그래픽이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최적의 해상도, 프레임률 및 측정 시간과 같은 영상 촬영 설정값을 범용 카메라 중 CMOS 카메라에 적용시킨 후, 측정한 방사선원의 방사능에 따른 영상의 백색 픽셀의 개수 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시되는 방사 선원의 거리와 백색 픽셀의 계수(counts) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 검출 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 설정 장치(10)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 흑색 차폐 케이스(110) 내에 차광 상자(light-tight box)(130)가 설치되고, 이 차광 상자(130) 내부에 범용 카메라(140)가 설치된다. 이 차광 상자(130)의 앞단에 개구부(131)가 형성되며, 이 차광 상자(130)의 앞단에는 방사선원(120)이 설치된다.
방사선원(120)은 방사선원(120)은 디스크 형태의 방사성동위원소로서 케이스(121) 중심에 고정된 방사성 물질(122)을 플라스틱 재질의 케이스가 둘러싼 구조로 구성되어 있다.
방사성동위원소는 Cs-137, Na-22 등이 될 수 있다. Cs-137은 약 85.1% 확률로 약 661.7 keV의 감마선을 방출하며, 0.2μCi 내지 5 μCi의 방사능을 갖는다. Na-22는 약 511, 1.275keV의 감마선을 방출하며, 76μCi의 방사능을 갖는다.
본 발명의 일실시예에서, 방사선원(120)은 디스크 형태(disk - type)이며 방사성핵종(radionuclide)의 누출과 오염을 막기 위해 0.1 mm 두께의 플라스틱 케이스가 외곽을 둘러싸는 구조이다. 따라서, 방사선원(120)은 방사성 물질(122)의 내측 부분외에는 외부와 차단된다.
특히, 본 발명의 일실시예에서 방사선원(120)은 감마 선원인 것을 특징으로 할 수 있다.
범용 카메라(140)는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라 또는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라가 될 수 있다. 따라서, 방사선원(120)으로부터 방사선(122)이 방출되면, 범용 카메라(140)의 이미지 센서(141)상에 백색 픽셀(141-1)이 생성된다. 방사선과 이미지 센서(141)와의 상호작용에 의해 영상에서 발생된 백색 픽셀이 도시된다.
일반적으로 CMOS 카메라의 경우, 전자기파 방사선(electromagnetic radiation)인 감마선을 CMOS 이미지 센서에 조사하면, 이미지 센서(141) 내에 있는 픽셀과 방사선이 반응하여 전자-전공쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 이러한 전자-전공쌍은 이미지 센서에서 광전류(photon electric current)를 유발하여 최종적으로 영상에 백색 점(white spot)으로 나타난다. 이때 발생된 백색 점을 이루는 백색 픽셀의 수는 감마선원의 방사능에 따라 비례하는 특성을 갖는다.
또한, CCD 카메라의 이미지 센서 역시 방사선에 노출될 경우, 동영상 이미지의 평균 밝기 값 보다 높은 값을 갖는 백색 픽셀이 발생하므로 방사선의 검출이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 방사선 검출 장치(20)의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 상기 방사선 검출 장치(20)는, 방사선원(도 1의 120)의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 범용 카메라(140), 상기 동영상 이미지를 처리하여 방사선을 검출하는 신호 처리 유닛(200) 등을 포함하여 구성된다.
신호 처리 유닛(200)은 동영상 이미지를 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하고 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고 검출된 백색 픽셀이 방사선에 의한 백색 픽셀인지를 판단한다. 물론, 이때 정지 이미지는 그레이 스케일 이미지가 될 수 있다.
이를 위해, 신호 처리 유닛(200)은 상기 동영상 이미지를 상기 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하는 변환부(210), 상기 다수 프레임의 정지 이미지를 이용하여 복수의 차이 이미지를 생성하는 차이 이미지 생성부(220), 상기 복수의 차이 이미지를 이용하여 방사선(특히, 감마선이 됨)에 의한 백색 픽셀로 판단하는 판단부(230), 방사선에 의한 백색 픽셀의 수를 계수하는 계산부(240) 등을 포함하여 구성된다.
차이 이미지 생성부(220)는, 제 n 번째 프레임의 정지 이미지와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 제 1 차이 이미지를 생성하고, 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지를 이미지 스무딩 처리한 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 제 2 차이 이미지를 생성한다.
판단부(230)는 상기 복수의 차이 이미지에 대한 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값 이상 인지 여부에 따라 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라를 이용하여 방사선을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 범용 카메라(도 2의 140)를 이용하여 방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하고, 신호 처리 유닛(도 2의 200)을 이용하여 상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지(301,302)로 변환한다(단계 S300).
이후, 제 n 번째 프레임의 정지 이미지(302)를 이미지 스무딩 처리하여 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지(311)를 생성한다(단계 S310). 이미지 스무딩 처리(Image Smoothing Process)는 주위 픽셀보다 화이트 픽셀이 상대적으로 높은 그레이 레벨(grey level)을 갖도록 처리하는 기술이다. 따라서, 이 이미지 스무딩 처리를 통해 주위 픽셀과 동등한 그레이 레벨(grey level)을 주어 원래 이미지와 비교하면 백색 픽셀의 유무를 확인할 수 있다.
이후, 제 n 번째 프레임의 정지 이미지(302)와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지(301)의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 비교하여 제 1 차이 이미지(320-1)를 생성하고, 상기 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지(311)와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지(302)의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 제 2 차이 이미지(320-2)를 생성한다(단계 S320).
이후, 복수의 차이 이미지(320-1,320-2)을 이용하여 백색 픽셀의 위치를 비교하여 동일 위치인지를 확인한다(단계 S330). 부연하면, 복수의 차이 이미지(320-1,320-2)는 동일한 해상도(예를 들면 1,408×1,408)를 가지므로 각각의 픽셀들은 이미지의 특정 위치에서 고유좌표 (X, Y)를 가지게 된다. 그러므로 고유좌표를 가진 백색 픽셀은 복수의 차이 이미지(320-1,320-2)에서 위치 비교가 가능하므로 정확한 백색 픽셀의 위치를 검출하는 것이 가능하게 된다.
확인 결과, 단계 S330에서 동일 위치가 아니면 단계 S300 내지 S330이 반복수행된다. 이와 달리, 단계 S330에서 동일 위치이면 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값(예를 들면 120을 들 수 있음) 이상 인지를 확인한다(단계 S340).
확인 결과, 단계 S340에서 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 특정값 이상이면, 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하고 백색 픽셀의 수를 계수(counting)한다(단계 S350). 부연하면, 두 정지 이미지(301,302)의 동일한 위치의 백색 픽셀에 대해서 스무딩 처리(Smoothing process)의 결과와 그레이 레벨(grey level) 차가 120보다 크면 감마선에 의한 백색 픽셀로 인식하여 계수한다.
이와 달리, 확인 결과, 단계 S340에서 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 특정값 이상이 아니면 이는 감마선에 의한 백색 픽셀이 아닌 것으로 판단하고, 단계 S300 내지 S340가 반복 수행된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감마선과 범용 카메라 중 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라의 CMOS 이미지 센서와의 상호작용에 의해 이미지에서 발생되는 백색 픽셀을 보여주는 화면예이다. 도 4를 참조하면, 전자기파 방사선(electromagnetic radiation)인 감마선을 CMOS 카메라(도 2의 140)에 조사하면, CMOS 카메라(140)의 이미지 센서 내에 있는 픽셀과 방사선이 반응하여 전자-전공쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 이렇게 발생된 전자-전공쌍은 이미지 센서에서 광전류(photon electric current)를 유발하여 최종적으로 이미지(400)에 백색 점(white spot)(410)으로 나타난다. 이때 발생된 백색 점(410)을 이루는 백색 픽셀(420)의 수는 감마선원의 방사능에 따라 비례하는 특성을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라의 해상도에 따른 백색 픽셀의 계수 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, CMOS 카메라(도 2의 140)를 Cs-137 감마 선원에서 방출되는 감마선에 3분 동안 노출시킨후, 감마선에 의해 발생되는 백색 픽셀을 계수하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, CMOS 카메라(140)의 해상도가 커질수록 백색 픽셀이 증가함을 볼 수 있다. 이는 해상도가 커질수록 이미지 측정에 사용되는 이미지 센서의 유효 면적이 커지기 때문이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선원에 의해 범용 카메라 중 CMOS 카메라에서 발생된 백색 픽셀을 계수한 후, 변동 계수(Coefficient of Variation)로 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 변동계수는 CMOS 카메라로 측정된 백색 픽셀의 표준편차와 평균을 이용하여 구할 수 있다. 실험에서 모든 해상도의 프레임률은 82 fps로 동일하게 유지하고 해상도만 변경하여, 약 3분 동안 CMOS 이미지 센서를 감마선에 노출하였다.
CMOS 카메라 해상도가 512×512(262,144 화소)으로 낮을 경우 변동계수 및 오차가 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 해상도가 커짐에 따라 변동계수가 작아지는 특성을 보인다. 변동계수는 0에 근접할수록 CMOS 이미지 센서에서 감마선을 검출하는 정확도가 높음을 말한다. CMOS 카메라의 최대 해상도에서 보다 1,408×1,408(1,982,464 화소) 해상도에서 변동계수가 낮으므로 모든 실험은 1,408×1,408 해상도에서 실험이 수행되었다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라를 약 1,408×1,409 해상도로 설정후, 프레임률에 따른 변동계수를 보여주는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 바와 같이 변동계수는 16.4 fps에서 제일 큰 값을 가지고, 82 fps까지는 프레임률이 커질수록 변동계수는 낮아지며 그 이상의 프레임률에서는 균일한 변동계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 감마선과 CMOS 이미지 센서의 반응으로 발생된 백색 픽셀의 검출 효율이 커질수록 변동계수는 0에 근접한 값을 가진다
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라의 해상도를 약 1,408×1,409로 프레임률을 82fps로 설정하였을 경우, 시간에 따른 변동 계수를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 도 4 내지 도 6에 도시된 결과를 토대로 Cs-137 감마선원에서 방출되는 감마선을 검출하기 위해 사용된 CMOS 카메라의 최적의 해상도 및 프레임률을 도출하였다. 특히, 이를 CMOS 카메라에 적용한 후 1 ~ 15분까지 감마선 노출 시간을 길게 하면서 최적의 시간을 분석하였다.
13분까지는 시간이 길어짐에 따라 변동계수가 점점 낮아지고, 그 이상부터는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 측정시간은 13분에서 제일 낮은 변동계수를 가지므로 감마선을 검출하기 위한 최적의 시간으로 선정할 수 있다. 하지만, 3분부터 변동계수는 0.05 아래의 값을 가지며, 이는 검출오차가 약 5%내의 값을 가진다는 것을 의미한다. 따라서, 시간대 검출효율을 고려하면 3분 이후부터 감마선 검출 효율이 높음을 알 수 있다. 또한, 노출시간이 길어짐에 따라 감마선을 검출하는 CMOS 이미지 센서의 정확도가 점점 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 범용 카메라 중 CMOS 카메라의 해상도 및 프레임률에 따른 변동계수를 보여주는 그래픽이다. 도 9를 참조하면, CMOS 카메라를 이용하여 Cs-137 감마선원에서 방출된 감마선을 검출하기 위한 최적의 카메라 설정을 도출하기 위하여 해상도 및 프레임률을 다양하게 변경시키면서 변동계수를 측정하였다. 실험결과, 해상도와 프레임률이 커질수록 계수된 백색 픽셀의 표준편차가 낮아지고, 변동계수 또한 점점 작아지므로 CMOS 카메라를 이용한 감마선 검출 정확도가 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최적의 해상도, 프레임률 및 측정 시간과 같은 영상 촬영 설정값을 범용 카메라 중 CMOS 카메라에 적용시킨 후, 측정한 방사선원의 방사능에 따른 영상의 백색 픽셀의 개수 변화를 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, Cs-137 감마선원의 방사능이 커짐에 따라 영상의 백색 픽셀이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며 측정 결과와 추세선 사이의 결정계수(coefficient of determination, R2)는 0.9953으로 나타났다.
도 11은 도 1에 도시되는 방사 선원의 거리와 백색 픽셀의 계수(counts) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, Cs-137 감마선원의 방사능은 4.765 μCi를 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, CMOS 카메라와 감마선원 사이의 거리가 멀어질수록 영상에서 계수되는 백색 픽셀의 수가 감소하는 것을 알 수 있다.
실험결과를 확인하기 위하여 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo N-Patricle Extended, MCNPX)을 이용하여 CMOS 카메라의 앞에 위치한 Cs-137 감마선원에서 방출되는 감마선이 CMOS 이미지 센서의 유효 해상도에 영향을 주는 모든 감마선을 계산한 결과, 거리가 멀어질수록 감소하는 것을 확인할 수 있다.
10: 설정 장치
110: 흑색 차폐 케이스
120: 방사선원
121: 케이스 122: 방사성 물질
130: 차광 상자
140: 범용 카메라
141: 이미지 센서
20: 방사선 검출 장치
200: 신호 처리 유닛
210: 이미지 변환부
220: 차이 이미지 생성부
230: 판단부
240: 계산부
301,302: 정지 이미지
311: 스무딩 이미지

Claims (18)

  1. 방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 범용 카메라; 및
    상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하고 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고 검출된 백색 픽셀이 방사선에 의한 백색 픽셀인지를 판단하는 신호 처리 유닛;
    을 포함하며,
    상기 신호 처리 유닛은,
    상기 동영상 이미지를 상기 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하는 변환부;
    제 n 번째 프레임의 정지 이미지와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지의 차이, 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지를 이미지 스무딩 처리한 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 복수의 차이 이미지를 생성하는 차이 이미지 생성부; 및
    상기 복수의 차이 이미지에 대한 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값 이상 인지 여부에 따라 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 판단부;를 포함하고,
    상기 방사선원은 감마 선원인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지 이미지는 그레이 스케일 이미지이며,
    상기 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단되는 백색 픽셀의 수를 계수(counting)하는 계산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 백색 픽셀의 수는 상기 방사선원의 방사능에 따라 비례로 증가하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 범용 카메라는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라 또는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 범용 카메라의 이미지 촬영 설정값이 커지면 상기 백색 픽셀의 수의 표준편차가 줄어 변동계수가 0에 근접하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이미지 촬영 설정값은 해상도, 프레임률 및 측정 시간인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 장치.
  9. 삭제
  10. 범용 카메라를 이용하여 방사선원의 방사능 노출에 따라 백색 점을 갖는 동영상 이미지를 생성하는 동영상 이미지 생성 단계;
    신호 처리 유닛을 이용하여 상기 동영상 이미지로부터 다수 프레임의 정지 이미지로 변환하는 정지 이미지 변환 단계; 및
    상기 신호 처리 유닛을 이용하여 상기 다수의 프레임의 정지 이미지를 이용하여 상기 백색점을 이루는 백색 픽셀을 검출하고, 검출된 백색 픽셀을 이용하여 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 판단 단계;를 포함하며,
    상기 판단 단계는,
    제 n 번째 프레임의 정지 이미지를 이미지 스무딩 처리하여 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지를 생성하는 단계;
    제 n 번째 프레임의 정지 이미지와 제 n-1 번째 프레임의 정지 이미지의 차이, 상기 제 n 번째 프레임의 스무딩 이미지와 상기 제 n 번째 프레임의 정지 이미지의 차이로 각 픽셀에 대한 그레이 레벨을 이용하여 복수의 차이 이미지를 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 차이 이미지에 대한 동일한 위치의 백색 픽셀의 세기가 미리 설정되는 특정값 이상 인지 여부에 따라 해당 백색 픽셀을 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단하는 단계;를 포함하고,
    상기 방사선원은 감마 선원인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 정지 이미지는 그레이 스케일 이미지이며,
    상기 백색 픽셀로 판단하는 단계이후, 상기 방사선에 의한 백색 픽셀로 판단되는 백색 픽셀의 수를 계수(counting)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 백색 픽셀의 수는 상기 방사선원의 방사능에 따라 비례로 증가하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 범용 카메라는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 카메라 또는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 범용 카메라의 이미지 촬영 설정값이 커지면 상기 백색 픽셀의 수의 표준편차가 줄어 변동계수가 0에 근접하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이미지 촬영 설정값은 해상도, 프레임률 및 측정 시간인 것을 특징으로 하는 방사선 검출 방법.
  18. 삭제
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