KR102364226B1 - 온도측정장치 및 그 장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도측정장치 및 그 장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치는 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지를 수행하는 센서부, 및 센서부에서 수신되는 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시 임의 픽셀의 픽셀값과, 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀의 픽셀값들을 근거로 임의 픽셀의 온도값을 보정해 임의 픽셀과 상기 주변 픽셀간 크로스토크 간섭을 상쇄시키는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 온도측정장치 및 그 장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 물체 또는 인체 등의 피사체에서 발생하는 미세한 적외선(Infrared Ray: IR)을 수신하여 그에 상응하는 열화상(Thermal Picture)을 측정할 때 픽셀 간에 발생하는 크로스토크(crosstalk) 간섭을 보상하여 피사체의 최고 온도를 정확하게 추정하는 온도측정장치 및 그 장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 물체 또는 인체 등에서 발생하는 미세한 적외선을 수신하여 열을 감지하는 열 감지장치는 여러 기술 분야에 사용되고 있다. 특히 최근에는 다중시설 이용시 화상을 통해 발열체크가 가능한 체온측정 시스템이 출시되고 있다. 그 중, 많이 활용되는 온도측정 센서는 다수의 써모파일 센서들이 정방형(예: 32 × 32)의 픽셀(Pixel)들로 배치되어 하나의 모듈(Module)로 제작된 써모파일 어레이 센서(TAS: Themopile Array Sensor)이다.
그런데, 써모파일 어레이 센서는 싱글(single) 타입 센서와 마찬가지로 기본적인 각 픽셀의 FOV(Field of view)를 가지고 있으나 배열 형태로 사방으로 센서가 인접해 있고 불가피하게 FOV가 겹쳐지는 오버랩 영역이 발생하여 이로 인해 필요적으로 크로스토크가 발생하는 문제가 있다.
일반적인 써모파일 어레이 센서 제품의 경우, 각 픽셀마다 FOV를 가지고 있고 이로 인해 좌우 배치된 픽셀 간격이나 FOV로 인해 20% 정도의 신호가 겹쳐지는 현상이 발생된다. 특히 4 × 4 제품과 같은 2D 어레이 센서는 행렬 간섭이 중첩되게 되어 크로스토크 현상이 심하다.
이와 같이 써모파일 어레이 센서는, 픽셀 간의 FOV 오버랩 영역으로 인한 간섭 현상으로 인해 픽셀 본래의 온도 값을 정확하게 나타내지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 가령 물체 또는 인체 등의 피사체에서 발생하는 미세한 적외선을 수신하여 그에 상응하는 열화상을 측정할 때 픽셀 간에 발생하는 크로스토크 간섭을 보상하여 피사체의 최고 온도를 정확하게 추정하는 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법 및 그 방법을 이용한 온도측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치는 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지를 수행하는 센서부, 및 상기 센서부에서 수신되는 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시 임의 픽셀의 픽셀값과, 상기 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀의 픽셀값들을 근거로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정해 상기 임의 픽셀과 상기 주변 픽셀간 크로스토크 간섭을 상쇄시키는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 임의 픽셀(T0)을 둘러싸는 상하좌우의 4개의 주변 픽셀들(T1, T2, T3, T4)의 픽셀값을 이용하여 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 임의 픽셀이 상기 주변 픽셀들과 간섭이 오버랩되지 않는 구간의 온도값과 오버랩되는 구간의 온도값들을 합하는 방식으로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정할 수 있다.
상기 임의 픽셀의 보정된 온도값(T0_original)은, T0_original = 임의 픽셀의 측정 온도값(T0) - (Tavg_01 + Tavg_02 + Tavg_03 + Tavg_04) × k) / (1 - k × 4)의 관계식을 만족하며, 여기서 k는 오버랩 비율로 0 ~ 0.25 사이의 값, Tavg_01은 TO와 T1의 측정값의 평균값, Tavg_02는 TO와 T2의 측정값의 평균값, Tavg_03은 T0와 T3의 측정값의 평균값, Tavg_04는 T0와 T4의 측정값의 평균값을 각각 나타낼 수 있다.
상기 제어부는, 상기 다수의 써모파일 센서가 8 × 8 또는 32 × 32의 정방형을 갖는 경우, 보상의 연쇄반응에 따른 복잡도를 줄이기 위해 최대 개수를 지정하여 보상을 수행할 수 있다.
상기 제어부는, 변환 테이블을 적용해 상기 평균값을 온도값으로 변환하여 상기 보정된 온도값을 최종 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법은, 센서부가, 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지를 수행하는 단계, 및 제어부가, 상기 센서부에서 수신되는 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시 임의 픽셀의 픽셀값과, 상기 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀의 픽셀값들을 근거로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정해 상기 임의 픽셀과 상기 주변 픽셀간 크로스토크 간섭을 상쇄시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 크로스토크 간섭 현상을 수학적으로 모델링하고, 센터 즉 중심 픽셀을 중심으로 사방으로 둘러싸인 인접 픽셀의 간섭을 수치화하여, 픽셀 본래의 온도값을 정확히 추정해 낼 수 있을 것이다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따르면 열화상(thermal picture)을 측정할 때 픽셀간에 발생하는 크로스토크 간섭을 보상하여 피사체의 최고 온도값을 정확하게 추정할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치의 세부구조를 예시한 블록다이어그램,
도 2는 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 현상을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 크로스토크 간섭 보상을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭 보상의 예로서 8 × 8 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 간섭 보상의 예로서 32 × 32 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면, 그리고
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 현상을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 크로스토크 간섭 보상을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭 보상의 예로서 8 × 8 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 간섭 보상의 예로서 32 × 32 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면, 그리고
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
일반적으로 온도를 측정하는 방법은 접촉식(contact type)과 비접촉식(non-contact type)으로 분류할 수 있는데, 비접촉식은 접촉이 불가능한 경우, 예를 들면 회전하는 측정대상물, 이동하는 측정대상물 또는 매우 고온이어서 접촉할 수 없는 측정대상물 등의 경우에만 한정하여 사용되어 왔으며, 이러한 비접촉식 온도측정장치는 고가이고 취급이 어렵다는 이유로 인해, 접촉식 측정 장치가 보편적으로 사용되고 있다.
그러나 최근에는 유아의 체열측정기 등을 비롯하여, 약 0~300℃ 정도의 비교적 저온영역의 측정에 사용될 수 있는 간단하고 저가인 비접촉식 방사온도계에 대한 요구가 커지고 있다. 또한 최근에는 코로나19의 전파로 인해 비접촉 체온계의 기술 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
현재, 방사 에너지를 감지하는 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effect)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type) 센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type) 센서가 있다.
이들 중, 양자형 센서는 입사파(incident radiation)가 전자를 여기(excite)시켜 센서의 전기적 특성을 변화시키는 것을 이용하는 것으로서, 일반적으로 선택된 파장범위에서 감지성능이 매우 뛰어나고 빠른 응답 특성(responsivity)을 가진다는 장점이 있지만, 고가이며 소정의 적외선 감도를 얻기 위해서는 액체질소 온도에서 동작시켜야 하는 단점이 있다.
써모파일 센서 어레이는 복수의 써모파일 센서들이 어레이로 배치된 구조를 지칭할 수 있다. 써모파일 센서는 적외선 센서의 일종으로서 대상물에서 방사되는 적외선양을 정적으로 그리고 동적으로 감지할 수 있고, 자가 발열 문제가 없이 미세한 온도 측정이 가능하여 대상물의 온도를 세밀하게 모니터링하는 데 이용될 수 있다. 이러한 써모파일 센서 어레이는 기존의 반도체 공정으로 제조가 가능하며, 다른 적외선 센서에 비해서 냉각이 필요 없고 저가임에도 높은 정확도와 신뢰성을 가질 수 있다.
이러한 써모파일 센서 어레이 내의 각 써모파일 센서는 열기전력이 서로 다른 두 가지 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고, 한쪽은 떼어놓은(open) 구조로 형성하여 만들어진 써모커플을 기본구조로 사용하며, 이 접점 부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생하는 제벡효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지할 수 있다. 이러한 써모파일 센서 어레이의 경우 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 상대적으로 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려 있다.
이러한, 써모파일 센서 어레이는, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 중요하고, 센서의 감도를 향상시키는 부분과 마찬가지로 열영상장비 및 야간투시경 등과 같은 분야에 써모파일이 적용되기 위해서는 높은 출력감도 이외에 빠른 응답특성이 중요할 수 있다.
이를 위하여 적외선을 흡수하는 흑체의 역할이 상대적으로 중요할 수 있고, 이러한 흑체는 매우 검은색을 띄고, 동시에 불투명한 표면 재질(반사율)이어야 한다. 여기에 부가적으로 물질의 열전도율을 조절할 수 있는 물질의 첨가로 조절이 가능할 수 있다. 써모파일 센서 어레이에 대한 구체적인 구조나 기술은 이미 널리 공지된 것으로 이하에서 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치의 세부구조를 예시한 블록다이어그램이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치(100)는 가령 비접촉 체온계로서, 센서부(110), 제어부(120), 온도보정부(130) 및 저장부(140)의 일부 또는 전부를 포함하며, 온도 측정값을 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
여기서, "일부 또는 전부를 포함한다"는 것은 저장부(140)와 같은 일부 구성요소가 생략되어 온도측정장치(100)가 구성되거나, 온도보정부(130)와 같은 일부 구성요소가 제어부(120)와 같은 다른 구성요소에 통합되어 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서, 발명의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
센서부(110)는 이미지 센서와 온도 측정 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어 휴대용 온도측정장치는 스마트폰, 태블릿 PC 및 노트북 등을 포함한다. 가령 스마트폰의 경우 사진을 촬영할 수 있는 카메라의 이미지 센서를 그대로 활용할 수 있다. 스마트 폰의 내부에 장착된 이미지 센서에 온도 측정 모듈을 일렬로 배치되게 할 수 있다. 물론 본 발명의 실시예에서는 스마트 폰 등과는 별도로 독립된 제품으로 비접촉 온도계를 제작하여 사용할 수 있다.
온도 측정 모듈에서 정해진 일정 영역의 온도를 측정한다. 제어부(120)는 또는 온도보정부(130)는 온도 측정 모듈에서 측정된 온도값을 연산하고, 그 값을 이미지 센서를 이용하여 얻어진 이미지 상에 시현하는 프로그램을 제어할 수 있다. 또, 프로그램은 이미지 센서를 이용하여 얻어진 이미지 상에 적어도 하나의 온도 측정 점과 온도 측정 점에서 측정된 온도값을 화면표시부를 통해 표현할 수 있다.
온도 측정 모듈은 적외선 렌즈, 써모파일을 포함할 수 있다. 온도 측정 모듈은 휴대용 온도측정장치와 결합할 수 있는 보드(board) 즉 인쇄회로기판(PCB) 등을 더 포함할 수 있다. 보드는 휴대용 온도측정장치와 데이터를 송신 또는 수신할 수 있으며, 전기적으로 연결될 수 있다.
온도 측정 모듈 내에 적어도 하나의 써모파일을 실장할 수 있다. 써모파일은 써모파일 센서의 자체 온도를 측정하기 위하여 산화바나듐(VOx), 티타늄이 도핑된 산화철(Fe2O3:Ti), 리튬이 도핑된 산화니켈(NiO:Li) 및 티탄산바륨(BaTiO3) 중 적어도 어느 하나인 써미스터(Thermistor)를 포함할 수 있다.
써미스터는 주위의 온도 변화에 따라 저항값이 변화되는 저항체를 뜻하며, 주위의 온도가 증가함에 따라 저항값이 증가하는 정온도계수형 써미스터와 이와는 반대로 주위의 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소되는 특성을 갖는 부온도계수형 써미스터가 있다.
써미스터의 사용온도 범위는 약 -50℃ 내지 500℃로 일상적인 온도조절을 필요로 하는 모든 범위에 응용되며, 또한, 소형으로 사용 가능하며, 가격이 저렴하고, 고감도이므로 가전기기나 산업기기의 온도센서 및 온도 보상용으로 사용할 수 있다. 써미스터와 써모파일을 일체형으로 결합하여 주위의 온도 변화에 따라 저항 변화 응답특성이 빨라 저비용으로 더 정확한 온도 측정이 가능한 장점이 있다.
써모파일에 사용되는 열전체는 비스무스 텔룰라이드(BixTey) 또는 안티몬 텔룰라이드(SbxTey)와 같은 반도체 재료들 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 도 1의 센서부(110), 온도보정부(130) 및 저장부(140)의 전반적인 제어 동작을 담당한다. 대표적으로 제어부(120)는 센서부(110)로부터 열화상과 관련한 픽셀값들을 수신하여 저장부(140)에 임시 저장한 후 온도보정부(130)에 제공할 수 있다. 또한 제어부(120)는 온도측정값, 더 정확하게는 온도보정부(130)에 의해 크로스토크가 보상된 온도값을 표시부에 표시할 수 있다.
온도보정부(130)는 크로스토크 간섭 현상을 수학적으로 모델링하고, 센터 즉 중심 픽셀을 중심으로 상하좌우(up, down, left, right)로 둘러싸인(혹은 상하좌우에 위치하는) 인접 픽셀의 간섭을 수치화하여 픽셀 본래의 온도값을 정확하게 추정한다. 온도보정부(130)는 이의 과정에서 픽셀값과 온도값의 변환 테이블, 가령 룩업테이블(LUT) 등을 활용할 수 있다. 물론 이러한 LUT는 저장부(140)에 저장될 수 있다. 이를 통해 온도보정부(130)는 물체 또는 인체 등의 피사체에서 발행하는 미세한 적외선을 수신하여 그에 상응하는 열화상을 측정할 때 픽셀 간에 발생하는 크로스토크 간섭을 보상하여 피사체의 최고 온도값을 정확하게 추정한다.
온도보정부(130)는 예를 들어, 각 픽셀에 간섭이 존재하는 경우 이러한 간섭 비율을 정의하고, 관심 픽셀값과 관심 픽셀에 인접해 있는 픽셀의 측정값을 이용하여 관심 픽셀의 참(true) 온도값을 유추하여 크로스토크에 의한 간섭을 상쇄시킨다. 이후에 좀더 다루겠지만, 예를 들어 온도보정부(130)는 관심 픽셀 즉 임의의 픽셀에 대하여 주변의 픽셀들과 간섭이 오버랩되지 않는 구간의 온도값과 오버랩된 구간의 온도값을 합하는 형태로 (연산식, 또는 프로그램을) 모델링한다. 이때, 크로스토크 간섭 보상을 위해 오버랩 비율을 0 ~ 0.25 사이의 값을 설정하여 보상이 이루어질 수 있다. 자세한 내용은 이후에 좀더 다루기로 한다.
저장부(140)는 제어부(120)의 제어하에 다양한 유형의 데이터를 저장할 수 있으며, 앞서 언급한 대로 열화상 데이터 즉 픽셀값을 저장한다. 또한, 픽셀값(예: 픽셀의 평균값)을 온도값으로 변환하기 위한 변환 테이블을 저장하고, 제어부(120)의 제어하에 픽셀값이 입력될 때 그에 상응하는 온도값을 출력해 줄 수 있다.
상기한 내용 이외에도 본 발명의 실시예에 따른 센서부(110), 제어부(120), 온도보정부(130) 및 저장부(140)는 다양한 동작을 수행할 수 있으며, 기타 자세한 내용은 이후에 설명하는 내용들로 대신하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 도 1의 센서부(110), 제어부(120), 온도보정부(130) 및 저장부(140)는 서로 물리적으로 분리된 하드웨어 모듈로 구성되지만, 각 모듈은 내부에 상기의 동작을 수행하기 위한 소프트웨어를 저장하고 이를 실행할 수 있을 것이다. 다만, 해당 소프트웨어는 소프트웨어 모듈의 집합이고, 각 모듈은 하드웨어로 형성되는 것이 얼마든지 가능하므로 소프트웨어니 하드웨어니 하는 구성에 특별히 한정하지 않을 것이다. 예를 들어 저장부(140)는 하드웨어인 스토리지(storage) 또는 메모리(memory)일 수 있다. 하지만, 소프트웨어적으로 정보를 저장(repository)하는 것도 얼마든지 가능하므로 위의 내용에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서 제어부(120)는 CPU 및 메모리를 포함할 수 있으며, 원칩화하여 형성될 수 있다. CPU는 제어회로, 연산부(ALU), 명령어해석부 및 레지스트리 등을 포함하며, 메모리는 램을 포함할 수 있다. 제어회로는 제어동작을, 그리고 연산부는 2진비트 정보의 연산동작을, 그리고 명령어해석부는 인터프리터나 컴파일러 등을 포함하여 고급언어를 기계어로, 또 기계어를 고급언어로 변환하는 동작을 수행할 수 있으며, 레지스트리는 소프트웨어적인 데이터 저장에 관여할 수 있다. 상기의 구성에 따라, 가령 온도측정장치(100)의 동작 초기에 온도 보상부(130)에 저장되어 있는 프로그램을 복사하여 메모리 즉 램(RAM)에 로딩한 후 이를 실행시킴으로써 데이터 연산처리 속도를 빠르게 증가시킬 수 있다.
도 2는 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 현상을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 크로스토크 간섭 보상을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭 보상의 예로서 8 × 8 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면, 그리고 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 간섭 보상의 예로서 32 × 32 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면이다.
도 2에서 볼 때, 일반적인 써모파일 어레이 센서 제품의 경우 각 픽셀마다 FOV를 가지고 있고, 이로 인해 좌우 배치된 픽셀 간격이나 FOV로 인해 20% 정도의 신호가 겹쳐지는 현상이 발생된다. 특히 4 × 4 제품과 같은 2D 어레이 센서는 도 2의 (b) 및 (c)에서와 같이 행렬 간섭이 중첩되어 크로스토크 현상이 심하다.
본 발명의 실시예에 따른 도 1의 온도측정장치(혹은 비접촉 체온계)(100)는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 픽셀에 간섭이 존재하는 경우 이러한 간섭 비율을 정의한 후 임의의 픽셀 가령 관심 픽셀의 픽셀값과 관심 픽셀에 인접하는 픽셀의 측정값을 이용하여 관심 픽셀의 참 온도값을 유추하여 크로스토크에 의한 간섭을 상쇄한다. 이후에 설명하겠지만, 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치(100)는 어레이 센서의 크기에 따라 연산처리 방식이 상이할 수 있으며, 또한 임의 픽셀을 중심으로 둘러싸는 주변 픽셀이 존재할 때와 존재하지 않을 때의 연산 처리 방식이 상이할 수 있다. 예를 들어, 어레이 센서의 크기와 관련해 보면, 8 × 8 제품이나 32 × 32 제품은 모든 픽셀에 대해 보상하면 연쇄반응이 일어나 연산 등이 복잡해질 수 있으므로, 지정된 범위에서 가령 최대 2-3개의 관심 픽셀에 대하여만 보상하는 형태로 보상 즉 보정 동작이 이루어질 수 있다.
좀더 구체적으로, 도 3을 참조하면, T0는 중심 픽셀이다. 즉 관심 픽셀이 된다. 여기서 관심 픽셀 등의 픽셀값은 앞서 언급한 대로 변환 테이블을 통해 얼마든지 온도값으로 변환될 수 있다. T1 내지 T4는 T0의 주변 픽셀들로서 인접하는 픽셀이며, 상하좌우의 픽셀을 각각 나타낸다. 물론 주변 픽셀들도 픽셀값의 형태로 측정이 이루어질 수 있다. 보상을 위한 관련식은 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있다
(여기서, T0: 관심 픽셀, k는 오버랩 비율 0 ~ 0.25 이의 값, Tavg_01: T0와 T1의 평균값, Tavg_02: T0와 T2의 평균값, Tavg_03: T0와 T3의 평균값, Tavg_04: T0와 T4의 평균값)
위의 <수학식 1>은 T0으로 측정된 값은 T0 픽셀 내의 오버랩 되지 않는 구간의 온도 참값(T0_original)과 오버랩된 구간의 값이 더해진 형태로 모델링할 수 있다는 것을 보여준다.
따라서 픽셀 전구간의 참값에서 (T0_original) 오버랩 비율 k만큼 제거한 뒤, 관심 픽셀 사방면과 관심 픽셀의 온도 평균값들(Tavg_01.. Tavg_04)을 오버랩 된 만큼(k) 더하면, 측정된 관심픽셀 T0 측정 값이 나오며, 이 방정식을 이용해 우리가 알고자 하는 관심 픽셀의 참값인 T0_original을 구할 수 있다. 이는 <수학식 2>와 같이 표현될 수 있다.
예를 들어, 체온 계산을 위해 보상을 위한 최대값 2-3개의 픽셀을 구하고, 각각 주변셀에 대한 크로스토크 간섭 보상 후 평균값을 대표값으로 선정하여 변환 데이터를 적용해 체온을 계산할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 간섭 보상 적용 실험에 근거해 보면, 관심 픽셀 사방의 픽셀온도가 낮을수록 T0_original은 더 높은 값으로 추론됨을 확인할 수 있다. 블랙바디와 같이 주변 픽셀온도와 T0의 편차가 없으면 T0_original과 T0는 같음을 확인할 수 있다. 8 × 8 기존 체온값과 비교(도 4 참조) 및 32 × 32 기존 체온값과 비교(도 5 참조)의 경우 모든 픽셀에 대해 보상하면 연쇄반응이 일어나겠지만, 이 경우 복잡해지므로 관심 픽셀(예: Max 2nd 3rd)에 대해서만 보상을 한다.
본 발명의 실시예에 따른 크로스토크 간섭 보상의 예를 더 설명한다. 예를 들어, 도 3의 픽셀들은 <표 1>과 같이 나타낼 수 있다. 오버랩 비율(k)는 0.15로 지정한다.
| T1 | ||
| T2 | T0 | T4 |
| T3 |
이를 다시 픽셀값(또는 온도값)으로 표현하면 <표 2>에서와 같다.
| 2615 | 2734 | 2654 |
| 3011 | 3049 | 3047 |
| 2990 | 2986 | 2971 |
<표 2>의 값들을 <수학식 1> 및 <수학식 2>에 적용하여 <표 3>에서와 값들을 얻을 수 있다.
| Tavg_01 | 2892 |
| Tavg_02 | 3030 |
| Tavg_03 | 3018 |
| Tavg_04 | 3048 |
| T0_original | 3127 |
예를 들어, 보상전에는 30.49℃였으나, 인접한 사방면의 주변 픽셀이 온도가 낮아서 간섭을 받지 않았다면, 이보다는 더 높은 온도로 측정된다. 크로스토크 간섭보상을 위해 오버랩 비율을 15% 비율로 추정하고 계산해 보면, 31.27℃로 보상 이전보다 0.78℃로 약 2.6%가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
다음은 크로스토크 간섭보상의 예로서 블랙바디의 경우를 살펴본다. 위에서와 같이 오버랩 비율(k)은 동일하게 0.15로 지정한다. 관심 픽셀(T0)에 인접하여 상하좌우의 주변 픽셀들이 존재한다.
| T1 | ||
| T2 | T0 | T4 |
| T3 |
이를 다시 픽셀값이나 온도값으로 표현하면 <표 5>에서와 같다.
| 3510 | 3520 | 3520 |
| 3510 | 3500 | 3480 |
| 3500 | 3490 | 3500 |
<표 5>의 값들을 <수학식 1> 및 <수학식 2>에 적용하여 <표 6>에서와 값들을 얻을 수 있다.
| Tavg_01 | 3510 |
| Tavg_02 | 3505 |
| Tavg_03 | 3495 |
| Tavg_04 | 3490 |
| T0_original | 3500 |
블랙바디의 경우, 센터 픽셀 즉 관심 픽셀의 주변 픽셀들이 균일(uniform)하게 거의 균일한 온도 분포를 갖는다. 이 경우, 크로스토크 간섭보상을 하더라도 픽셀값의 변화폭이 작고, 위의 예에서는 추정한 T0_original의 값이 측정된 값과 동일하게 나오는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭 보상의 예로서 8 × 8 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내고 있으며, 도 4의 (b)의 경우는 주변 셀이 없는 경우의 처리를 보여주고 있다.
도 4에서 볼 때, 체온 계산을 위해 Max 2,3 구하기를 수행하고, 각각 주변 셀에 대한 크로스토크 간섭 보상 후 평균값을 대표값으로 선정한다. 그리고 변환 테이블을 적용하여 (대표값에 매칭되는 온도값을 근거로) 체온을 계산한다. 도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는 연산 과정을 자세히 보여주고 있다.
또한, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 다른 간섭 보상의 예로서 32 × 32 어레이의 기존 체온값과의 비교를 나타내는 도면이다. 도 5의 (a) 내지 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기존 방법과 본 발명의 실시예에 따른 크로스토크 간섭 보상을 비교해 보면, 온도차가 확연히 구분되는 것을 확인할 수 있다. 간섭 보상과 관련해서는 앞서의 내용들과 크게 다르지 않으므로, 자세한 내용은 그 내용들로 대신하고 자 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법을 나타내는 흐름도이다.
설명의 편의상 도 6을 도 1과 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도측정장치(100)는 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지 동작을 수행한다(S600).
또한, 온도측정장치(100)는 열 감지 동작에 의한 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시 임의 픽셀의 픽셀값과, 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀의 픽셀값을 근거로 임의 픽셀의 온도값을 보정해 임의 픽셀과 주변 픽셀들간 크로스토크 간섭을 상쇄시킨다(S6910).
상기한 내용 이외에 기타 자세한 내용은 앞서 충분히 설명하였으므로 그 내용들로 대신하고자 한다.
한편, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비일시적 저장매체(non-transitory computer readable media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다.
여기서 비일시적 판독 가능 기록매체란, 레지스터, 캐시(cache), 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라, 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로, 상술한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리 카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독가능 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
110: 센서부 120: 제어부
130: 온도보정부 140: 저장부
130: 온도보정부 140: 저장부
Claims (7)
- 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지를 수행하는 센서부; 및
하드웨어, 소프트웨어 또는 그 조합에 의해 구성되며, 상기 센서부에서 수신되는 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시, 상기 열화상의 임의 픽셀과 상기 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀간 크로스토크(crosstalk) 간섭을 상쇄하기 위해 상기 임의 픽셀의 픽셀값과 상기 주변 픽셀의 픽셀값들을 근거로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하는 제어부;를 포함하되,
상기 제어부는, 상기 임의 픽셀(T0)을 둘러싸는 상하좌우의 4개의 주변 픽셀들(T1, T2, T3, T4)의 픽셀값을 이용하여 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하고,
상기 제어부는, 상기 임의 픽셀이 상기 주변 픽셀들과 간섭이 오버랩되지 않는 구간의 온도값과 오버랩되는 구간의 온도값들을 합하는 방식으로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하며,
상기 임의 픽셀의 보정된 온도값(T0_original)은,
T0_original = 임의 픽셀의 측정 온도값(T0) - (Tavg_01 + Tavg_02 + Tavg_03 + Tavg_04) Х k) / (1 - k Х 4)의 관계식을 만족하며,
여기서 k는 오버랩 비율로 0 ~ 0.25 사이의 값, Tavg_01은 TO와 T1의 측정값의 평균값, Tavg_02는 TO와 T2의 측정값의 평균값, Tavg_03은 T0와 T3의 측정값의 평균값, Tavg_04는 T0와 T4의 측정값의 평균값을 각각 나타내는 온도측정장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 다수의 써모파일 센서가 8 × 8 또는 32 × 32의 정방형을 갖는 경우, 보상의 연쇄반응에 따른 복잡도를 줄이기 위해 최대 개수를 지정하여 보상을 수행하는 온도측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 변환 테이블을 적용해 상기 평균값을 온도값으로 변환하여 상기 보정된 온도값을 최종 산출하는 온도측정장치. - 센서부가, 정방형으로 다수의 써모파일 센서를 배치하여 물체 또는 인체에서 발생하는 열 감지를 수행하는 단계; 및
하드웨어, 소프트웨어 또는 그 조합에 의해 구성되는 제어부가, 상기 센서부에서 수신되는 열 감지신호를 이용한 열화상 처리시, 상기 열화상의 임의 픽셀과 상기 임의 픽셀의 주변에 위치하는 주변 픽셀간 크로스토크 간섭을 상쇄하기 위해 상기 임의 픽셀의 픽셀값과 상기 주변 픽셀의 픽셀값들을 근거로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하는 단계;를 포함하되,
상기 제어부가, 상기 임의 픽셀(T0)을 둘러싸는 상하좌우의 4개의 주변 픽셀들(T1, T2, T3, T4)의 픽셀값을 이용하여 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하는 단계;
상기 제어부가, 상기 임의 픽셀이 상기 주변 픽셀들과 간섭이 오버랩되지 않는 구간의 온도값과 오버랩되는 구간의 온도값들을 합하는 방식으로 상기 임의 픽셀의 온도값을 보정하는 단계;를 더 포함하며,
상기 임의 픽셀의 보정된 온도값(T0_original)은,
T0_original = 임의 픽셀의 측정 온도값(T0) - (Tavg_01 + Tavg_02 + Tavg_03 + Tavg_04) Х k) / (1 - k Х 4)의 관계식을 만족하며,
여기서 k는 오버랩 비율로 0 ~ 0.25 사이의 값, Tavg_01은 TO와 T1의 측정값의 평균값, Tavg_02는 TO와 T2의 측정값의 평균값, Tavg_03은 T0와 T3의 측정값의 평균값, Tavg_04는 T0와 T4의 측정값의 평균값을 각각 나타내는 온도측정장치의 써모파일 어레이 센서의 크로스토크 간섭 보정 방법.
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| GRNT | Written decision to grant |