사진 수필(학습 자료)
사진의 새로운 패러다임 DRONE

▲ 현장감과 입체감 있는 전원 풍경 . Phantom 4 Pro+ 드론 카메라( 1인치(13.2×8.8mm) Sony exmor CMOS센서 2,000만 픽셀)

 

체에 프로펠러를 단단히 부착하고 짐벌 및 카메라 보호용 클림프를 벗긴다.
조종기의 안테나를 11자형으로 조정하여 조종기의 전원을 넣어  앱(DJI GO)을 구동시키고 다음 기체의 전원을 켜 3~5m 떨어진 거리에서 앱의 구동 상황을 지켜 보면서, 현재 드론 시스템 상태와 GPS 신호 강도를 관찰한다.
기체가 비행에 충분한 GPS 신호를 받아 이륙 포인터가 설정되고 이륙준비가 완료되었다는 메시지와 녹색신호가 깜박이면 수동이나 자동 이륙시킨다.
기체가 눈높이에서 제자리 비행(
hovering )하면 기수 방향과 기체 수평및수직비행 상태를 확인후 스로틀 조종 스틱을 위로 천천히 젖혀 고도를 높인다.

고도를 상승시키면서  짐벌 다이얼(30~-90도)기울기를 원하는 화각으로 조정하여  촬영하고자는 의도대로 구도를 잡는다.
디테일한 세부 구도는 피치 조종 스틱으로 기체를 전.후.좌.우로 미세 조종하거나, 기수를 좌우로 미세 조정으로 최종 촬영 구도로 2차원의 땅에서 육안으로 볼 수 없는 역동적이고 현장감있는 3차원의 입체적인 모습의풍경을 찍는다.
드론의 기계식 셔터는 빠르게 움직이는 물체가 휘게 보이는 롤링 셔터 왜곡 (젤로현상)을  잡고 드론의 손인 짐발의 기능으로
한치의 흔들림도 없이 선명하고 디테일한 3차원의 영상 촬영이 가능하다.. 
 

드론 카메라가 2차원의 땅에서 사람의 손을 떠나 3차원의 하늘에서 본 모습을 조종기의 기계식 셔터로 초점을 잡아 찰깍 촬영하는 재미는 실제로 해보지 않고는 짜릿함을 모른다.
 
뒤꿈치만 들어도 달라지는게 사진인데 카메라가 하늘로 날아 높은 곳에서 내려다본 상태의 조감도(鳥瞰圖)로 찍어주는 3차원의 드론 카메라는 사용자와 카메라와의 공간적 한계를 뛰어 넘어 하늘이라는 3차원의 공간을 이용할 수 있는 획기적인 사진의 새로운 패러다임(paradigm)이다.

일반적으로 사진을 찍는다 하면 카메라를 손으로 잡거나 삼발이에 거취하여 2차원의 평면 시각으로 수평적으로 찍는 것으로  인식하고 있지만, 최근에  '도시어부. 나는 자연인이다' 등 방송 프로그램에서 사람의 눈으로 볼  수 없었던 역동적이고,현장감 있는, 3차원의 입체사진을 일상으로 접하면서 일반인들도 사진은  땅에서 카메라를 손으로 들고만 찍는 것이 아니고, 하늘에서도 찍는 구나하는 사진에 대한 인식이 달라지고 있다.

드론은 항법, 제어, 센서 시스템 등 소프트웨어 IT기술과 비행체 하드웨어가
융합(融合)된 첨단과학의 산물이다.
GPS(Global Positioning System), 자이로(Gyro) , 짐벌(Gimbal)과 같은 스마트한 ‘3G 첨단 기술’의 눈부신 발전 덕분에 지금은 방송 영상,택배,농약살포 등 다방면으로 활용되고 있는 4차산업 핵심 기술(무인 운송 수단)이다.
드론의 핵심 기술인 '드론의 방향과 움직임 제어 센서', '드론 위치와 고도 측정 센서','드론의 안전과 안정된 비행 센서' 들의 기본 개념을 살펴 보자.
 

▲ 방송용으로 많이 활용되고 있는 드론(팬텀4 프로 + )

 

 

 ▲ 무인비행장치(드론) 지도자 자격증 예시

▲ 입체적인 전원풍경 .  Phantom 4 Pro+  /  8~1/2000 초 기계식 셔터로 반셔터로 초점을 잡아 온셔터로 촬영,빠르게 움직이는 물체가 휘게 보이는 롤링 셔터 왜곡 (젤로현상)을  잡을 수 있다.  

 

1.드론의 방향과 움직임 제어 센서
하늘에서 드론이 수직,수평 자세로 원하는 방향으로 비행하도록 제어하는 센서는 자력계,3축가속도계,3축 자이로스코프 가 있다.

1) 자력계(磁力計)  Magnetometer
나침판(compass) 기능을 하는 센서이다. 자력계는 磁北을 측정하여 드론의 방향 정보를 드론의 CPU로 보낸다. 정확한 동서남북 방향을 알게 해 주는역할을 한다. GPS의 位置 정보,자력계의 方位 정보, 가속도계의 移動 정보를 結合하면 드론의 움직임을 파악할 수 있다.북위 70도 이상에서는 자북의 측정이 불가능하기 때문에 이 위도 이상에서는 GPS 드론의 사용이 제한 된다.
磁力計는 지구의 자기(磁氣)를 측정해 주는 센서로 지구 자기장의 방향과 세기를 정확히 알 수 있게 해 주는 전자나침반이라 할 수 있는데 , 자력계는 전력선(송전탑), 전자기기 (스피커 등), 자동차 같은 철구조물도 영향을 미치기 때문에 이러한 곳은 피한다.
자력계(콤파스) 에러가 발생하면 현재 위치에서 조금씩 이동하다 보면 해결된다.
GPS는 어느 위치(position)에 있는지를, 자력 센서는 어느 방향을 보고 있는지를 알 수 있게 해 준다.

2) 3축가속도계 Accelerometer
X축, Y축, Z축 방향의 가속도를 측정하여 기체의 속도와 위치,기울기,뒤틀림,방향전환 움직임을 감지하여 드론의 안전된 자세를 유지할 수 있게하는 센서이다.

3) 3축 자이로스코프Gyroscope
드론이 수평을 유지할 수 있도록 도와주는 가장 기본적인 센서이다. X축,Y축,Z축 세 축 방향의 각가속도를 측정하여 드론의 기울기 정보를 제공한다.

▲ 7군 8매 24mm초점거리 , F2.8~F11 조리개, 1m~무한 대 오토 포커스 Phantom 4 Pro+ 드론 카메라의 해상도

 

2.드론 위치.고도 측정 센서
드론의 위치와 고도측정 센서는 먼 거리 드론 비행시 사용자에게 드론 위치와 고도 정보를 파악할 수 있도록 하는 센서다.
이 센서는 리턴 투 홈(RTH)기능을 사용하는데 활용되며 항공법규 150m고도 제한을 지키기 위해 사용된다

1)  기압계
대기압은 해수면에서의 높이에 따라 결정된다. 기압계 원리는 대기압을 측정하여 드론 고도를 측정한다.
기압계(압력계) 센서는 정확도가 높지않아 GPS센서를 사용하여 고도를 정밀하게 측정한다. GPS를 사용할 수 없는 실내에서는 초음파나 이미지센서를 사용하여 정밀하게 고도를 측정한다.

2)  GPS센서
인공위성의 신호를 사용하여 드론의 位置 座標와 고도를 측정한다. GPS(Global Positioning System)는 군사적 목적으로 사용하다가 1980년대 들어 상업용으로 개방되어 네비게이션, 스마트폰, 드론 등에서  GPS 신호를 활용할 수 있게 되었다.
24기의 위성이 지구를 감싸고 있어 별다른 장애물이 없다면 지구상 어느 위치에서도 10개 내외의 인공위성 신호를 받아 자신의 정확한 위치와 고도를 찾을 수 있다.GLONASS(글로나스)는 러시아에서 1982년 위성을 쏘아올려 구축한 위성항법 시스템이다.
DJI의 팬텀4 기종의 드론은 GPS와 글로나스 센서를 장착하여 모두를 지원한다.
특히 GPS 신호는 드론에서는 이륙 위치를 인식하여 원위치로 돌아오게하는 (Return To Home)기능을 구현하는데도 사용된다.GPS 신호 오작동으로 가끔 드론을 잃어버리기도 하는데 지자기(KP)가 강한 날은 드론을 띄우지 않은게 좋다.

■  리턴 투 홈(RTH)
리턴 투 홈(RTH) 기능은 마지막으로 기록된 홈 포인트로 기체를 되돌린다.
홈포인트란 기체가 이륙하기전에 강력한 GPS신호가 잡힌 경우 홈포인트는 기체가 작동을 시작한 위치가 된다. GPS신호 강도는 GPS신호 아이콘 신호바가 4개 이하이면 GPS신호가 약하다는 의미이다.
홈 포인트가 기록되면 기체 상태 표시기가 빠르게 녹색으로 깜박인다.
기체는 전방 비전 시스템이 활성화되고 조명 조건이 충분한 상태에서 장애물을 감지하고 피할 수 있다.
기체는 홈 포인트로 돌아올 때 자동으로 상승했다가 천천히 하강하면서 장애물을 피한다.기체가 홈포인트로 돌아올 수 있도록 전방 비전 시스템을 사용하는 동안 RTH중에 회전하거나 왼쪽 및 오른쪽으로 비행할 수 없다.

 스마트  RTH
 GPS를 사용하여 스마트  RTH를 시작할 수 있는 경우 조종기의 RTH 버튼을 사용하거나 DJI GO 4앱에서 RTH버튼을 탭하면 기체는 마지막으로 기록된 홈포인트로 자동으로 돌아 온다. 스마트  RTH가 진행되는 동안 조종기로 기체 속도나 고도를 제어하여 충돌을 방지할 수 있다.
스마트  RTH버튼을 길게 누르면 pro세스가 시작되고  스마트  RTH를 다시 누르면 과정이 종료되어 기체를 완전히 수동으로 제어 할 수 있다.

 배터리 부족 RTH
DJI인텔리전트 플라이트 배터리가 기체의 안전한 귀환에 영향을 줄 수 있는 수준으로 떨어지면 배터리 부족 페일세이프가 수행된다.이 경우 기체를 즉시 홈포인트로 되돌리거나 착륙시켜야 한다.배터리 부족 경고가 실행되면  DJI GO 4앱에 알림이 표시된다.10초동안 아무런 조치가 취해지지 않으면 기체가 자동으로 홈포인트로 돌아온다.사용자는 조종기에서 RTH 버튼을 눌러 RTH절차를 취소할 수 있다.

 

3)  거리계Range finder (초음파 센서)
초음파 레이저를 발산한 후 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 초음파 센서를 사용하여 드론과 지면간 거리, 드론과 물체간의 거리를 측정한다. 주로 실내에서 드론의 고도를 측정하는 용도의 센서이다. 초음파를 흡수하는 카폣이나 이불위에서 날리면 초음파를 흡수하여 고도 측정을 방해하므로 주의를 요한다.

 

3.드론의 안전과 안정된 비행 센서
드론은 안정된 비행과 안전한 비행을 위해 다양한 센서가 장착되어 있다.

1) 관성 측정장치 I MU  Inertial measurement unit
드론 기체의 기울어짐이나 움직임을 감지하여 균형을 잃지않도록 하는 센서이다. 관성측정장치로서 GPS와 연동되어 기체의 이동방향,이동 경로,이동 속도를 유지하는 역할을 한다. 3축 자력계와 GPS수신기가 결합된 형태로 얻어진 정보를 드론의 CPU로 전달한다.드론의 자동비행 기능이 일반화 되면서 관성측정장치의 중요성은 더욱 커졌다. 드론은 GPS신호가 사라지면 현 위치에서 정지한다.

2) 비전센서(장애물 센서.비디오 카메라)
사물을 비디오로 찍어 이미지를 분석하여 장애물 유무를 판단하여 장애물 회피 센서이다.
실내에서 10m 이하의 고도를 측정하거나 호버링 위치를 잡을 때 장애물을 측정하여 충돌을 방지할 때 주로 사용되는 장애물회피 센서이다. 비전센서는 이미지 패턴을 분석하기 때문에 같은 하얀색 단색 벽면,전깃줄 같이 가는 물체는 인식 못하여 호버링 위치를 잡지 못하거나 장애물을 회피하지 못하는 현상이 발생하므로 유의해야 한다.
장애물 회피 센서는 좁은 공간에서 이동을 못하게 하기 때문에 혹자는 꺼놓고 띄우기도한다.


▲ 강구항 /Phantom 4 Pro+
최대 속도가 1/2,000인 기계식 셔터는 빠르게 움직이는 물체의 스틸 사진을 촬영할 때 롤링 셔터 왜곡을 없앤다.
3축 짐벌은 부착된 카메라에 견고한 플랫폼을 제공하여 흔들림없이 선명하고 안정적인 스틸사진과 동영상을 촬영할 수 있도록 도와준다.짐벌은 카메라를 30도~ -90도까지 기울일 수 있다.

▲ 장사무인 역  / Phantom 4 Pro+

■ 드론 카메라 짐벌(Gimbal) 시스템

짐벌(Gimbal)이란, 비행체 드론의 진동에 관계없이 카메라가 연직(鉛直)과 수평(水平)으로  유지할 수 있게 해주는 장치이다.
일반 무선조종 장비를 이용하면 빠르게 움직이는 비행체가 심하게 흔들려 카메라의 중심을 잡기 어렵거나 카메라 파손 우려가 있는데 드론의 짐벌 시스템은 드론의 손과같은 역할로 카메라의 수평과 수직을 유지 시켜 주기위해  드론 카메라의 내부에는 3축 자이로스코프와 3축 가속도계,기압계 등으로 이뤄진  IMU(Inertial Measurement Unit)란 센서를 갖추고 있어 흔들림 없는 선명한 사진 촬영이 가능하다.

Phantom 4 Pro+ 카메라 및 짐벌

1. 카메라
 Phantom 4 Pro+ 카메라는
1인치(13.2×8.8mm) Sony exmor CMOS센서를 사용하여 동영상(60fps에서 최대 4096×2160p) 및 2,000만 픽셀의 스틸 사진을 촬영한다.
동영상은 MOV 혹은MP4 형식으로 저장할 수 있다.사용 가능한 사진 촬영모드는 버스트,연속 및 타임랩스 모드이다.DJI GO 4 앱을 통해 카메라에 잡힌 대상을 실시간 미리 보기로 모니터링할 수 있다.
Phantom 4 Pro+ 카메라는  60fps에서 4K 촬영을 지원한다.H.265 ALC H.264도 지원한다.
애플리케이션이 지원하는 고급 이미지 처리 기법의 결과로  Phantom 4 Pro+에서 2,000픽셀 사진 촬영이 가능하다.더욱 향상된 촬영 환경을 구성할 수 있도록 다양한 촬영 모드가 제공된다.
최대 속도가 1/2,000인 기계식 셔터는 빠르게 움직이는 물체의 스틸 사진을 촬영할 때 롤링 셔터 왜곡을 없앤다.

☆ 소니 RX100급으로 노이즈 화질 색감 업그레이드
7군 8매 24mm초점거리 , F2.8~F11 조리개, 1m~무한 대 오토 포커스
☆ 8~1/2000 초 기계식 셔터로 반셔터로 초점을 잡아 온셔터로 촬영,빠르게 움직이는 물체가 휘게 보이는 롤링 셔터 왜곡 (젤로현상)을  잡을 수 있다.  

☆ ISO 100~12,800(자동),빛에 민감하다.

☆ 스틸사진 최대 크기 5,472×3,648픽셀

☆ 사진 포맷 JPEG, DNG, RAW, JPEG+RAW

● 카메라 조작
조종기에 있는 셔터 및 녹화 버튼이나 DJI GO 4 앱을 통해 사진 또는 동영상을 촬영한다.

2. 짐벌
3축 짐벌은 부착된 카메라에 견고한 플랫폼을 제공하여 흔들림없이 선명하고 안정적인 스틸사진과 동영상을 촬영할 수 있도록 도와준다.짐벌은 카메라를 30도~ -90도까지 기울일 수 있다.     

■ 비행

비행전 준비 작업이 완료되면 DJI GO 4 애플리케이션에서 비행 시뮬레이터를 사용하여 비행 기술을 익히고 안전하게 비행하는 방법을 연습하는 것이 좋다.비행은 항상 시야가 확보된 넓은 공간에서 수행해야 한다.

● 비행 환경 요구 사항
1.날씨가 좋지 않을 때는 기체를 사용하지 않는다.풍속이 10m/초를 초과하거나 ,눈,비가 오거나 안개가 낀 경우는 비행을 피한다.
2.시야가 확보된 넓은 공간에서 비행한다.고층건물과 대형 철골 구조물은 내장 콤파스와 GPS시스템의 정확성에 영향을 줄 수 있다.
3.장애물,군중,고압전선,나무 및 수계를 피한다.
4.기지국과 송신탑을 비롯하여 높은 수준의 전자기가 발생하는 지역을 피해 간섭을 최소화 한다.
5.기체 및 배터리 성능은 공기 밀도 및 온도와 같은 환경적 요소의 영향을 받는다.해발 6,000m가 넘는 고도에서 비행할 때는 기체 및 배터리 성능이 영향을 받을 수 있으므로 주의를 요한다.
6.팬텀4프로는 극지방에서는 작동할 수 앖다.

 

● 비행 제한 및 비행 금지 구역
모든 무인 항공기(UAV) 조작자는 ICAO와FAA를 포함하는 정부 및 규제 당국의 모든 규정을 준수해야 한다.사용자가 법을 위반하지 않으면서 안전하게 제품을 사용할 수 있도록 비행이 기본적으로 제한된다.
비행 제한에는 높이 제한,거리 제한, 및 비행금지구역이 포함된다.
P모드로 작동하는 경우 높이 제한, 거리 제한 및 비행금지 구역이 함께 적용되어 비행을 관리한다.
A모드에서는 높이 제한만 적용되어 기본적으로 500m를 초과하는 고도에서 비행할 수 없다.
최대 비행 고도 및 반경 제한 :최대 비행 고도 및 반경 제한은 DJI GO 4 애플리케이션 변경할 수 있다.
최대 비행 고도는 500m(1640피트)을 넘을 수 없다.

2018.7.23  사진 글 정해유