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드론 기체와 촬영 장비 이해하기드론 - 하늘을 나는 기체와 카메라렌즈의 조합

드론의 상용화로 인해 하늘 위를 나는 기체를 직접 조종할 수 있게 됐다. 여기에 카메라 렌즈와의 조합이 더해져 높은 고도에서의 촬영이 가능해졌다. 드론은 영상촬영용, 취미용으로 사용되기도 하고 농작물 감시 등의 목적으로 사용되기도 한다. 수요가 늘어나면서 드론의 비행기술, 영상기술, 안정성 등이 발전했으며, 가격은 초기에 비해 낮아지고 있다. 또한, 어린이용, 입문용부터 전문가용 드론까지 있어 사용범주가 넓어졌다. 이번 호에서는 끊임없이 발전하고 있는 드론의 기체와 촬영 장비에 대해 정리해 보는 시간을 가졌다.

1. 장비에 대한 특성

드론은 멀티로터(rotter, 프로펠러)로 무선 조종기에 의해 비행한다. 비용 대비 안정성과 영상 품질 그리고 휴대성이 뛰어나 사진 촬영이나 영상 촬영 등에 폭넓게 사용되고 있다. 드론을 선택할 때 고려할 요소는 많지만, 기본적으로 촬영용 드론은 ‘기체’와 ‘조종기’ 그리고 임무 지원 장비(탑재장비) 중 하나인 ‘짐벌과 카메라’를 장착하면 촬영할 수 있다. 촬영용 드론의 기본 구성을 간단히 정리해 보면 다음 그림과 같다.

촬영용 드론의 기본구성

(1) 드론(멀티콥터)의 종류

무인 비행체는 다양한 기준에 따라 분류될 수 있다. 비행체의 가장 중요한 요소인 날개 형태에 따라 고정익(fixed wing), 회전익(rotary wing) 무인 비행체로 분류할 수 있으며, 고정익과 회전익의 장점을 결합한 가변 로터(tilt-rotor, 혼합형) 무인 비행체도 있다.

드론 날개 형태에 따른 분류

회전익 무인 비행체는 다시 로터(프로펠러)의 개수에 따라 메인로터가 3개 이하인 헬리콥터와 로터가 3개 이상인 멀티콥터로 구분된다.

회전익 드론의 종류

멀티콥터는 로터 개수에 따라 트라이콥터(프로펠러 3개), 쿼드콥터(프로펠러 4개), 헥사콥터(프로펠러 6개), 옥토콥터(프로펠러 8개)로 구분된다.

회전익 드론은 수직 이착륙 및 정지 비행이 가능한 데 비해 고정익 드론은 이착륙할 때 활주로가 있어야 한다. 지상 가까이 붙어 비행하는 근접비행도 어렵다. 일반적으로 비행시간이 긴 고정익 드론은 대규모 농장의 작황 상태를 파악하거나 산불 감시 등에 주로 활용되고 있고, 하늘에서 호버링 비행(정지 비행)이 가능한 멀티콥터는 항공 촬영이나 재난 및 화재 현장 등에 주로 사용된다. 드론 항공 촬영에서는 멀티콥터 중에서도 로터가 4개인 쿼드콥터(quad-copter)를 많이 사용하고 있다.

(2) 무선 조종기 (Remote controller)

기체 조종이나 항공 촬영 등 임무 제어의 모든 기능은 드론 기동의 핵심 부분인 ‘조종기’라 부르는 송신기의 조작을 통해 이루어진다. 무선 조종기에는 일반적으로 고도, 방향, 속도 등을 조절하는 2개의 조종 스틱과 세 가지의 비행 모드 설정 스위치인 P 모드(자동모드, GPS 모드), A 모드(자세 제어 모드, ATTI Mode), S 모드(스포츠 모드, Sports Mode)가 장착되어 있다. 최근에 DJI에서 생산하는 조종기의 비행 모드 전환 스위치의 3가지 모드는 C 모드(Cine 모드), N 모드(일반 모드, 자동 모드), S 모드(스포츠 모드)로 원하는 비행 모드를 선택하도록 되어 있다. 더 자세한 설정은 USB 연결 스마트 폰 및 태블릿 장치에서 설정해야 한다. DJI의 인스파이어2 등의 전문가용 영상 촬영 드론에서는 2인 체제로 기체와 카메라의 조작을 진행할 수 있는 드론도 있다.

드론 무선 조종기 Remote-controller (출처 https://www.dji.com/kr)

(3) 임무 지원 장비

임무 지원 장비(임무탑재장비, payload)란 드론의 사용 목적에 따라서 드론에 탑재되는 다양한 장비이다. 촬영 임무 때는 카메라가 탑재되며, 원격 탐사 및 사진 촬영을 위해서는 고해상도의 카메라가 탑재된다. 촬영용 드론에 장착된 카메라는 기체의 진동과 기울임에서 자유로워야 안정된 영상을 담을 수 있다. 특히, 카메라나 광학 장비를 탑재할 때 진동 흡수와 일정한 자세 유지를 도와주는 짐벌(Gimbals) 같은 장비를 부가적으로 사용하기도 한다. 최근에 판매되는 촬영용 드론은 카메라와 짐벌이 하나의 장치처럼 부착되어 있다.

[ Tip ] ‘임무 지원 장비’란?

①임무 지원 장비는 드론 비행 시 임무에 따라 드론에 탑재되는 다양한 장비를 뜻한다.

②다양한 측량 혹은 측정을 위한 임무 지원 장비 – 라이다, 적외선 카메라 등

③농약 살포를 위한 임무 지원 장비 – 농약 살포기

④촬영용 임무 지원 장비

⑤특수 목적용 임무 지원 장비(소방, 인명 구조 등) - 로봇 암 등

특수 임무를 위한 열화상 카메라 탑재

2. 드론 카메라의 이해

드론이 개발되어 시장에 판매되기 시작한 초기에는 대부분 드론 제작 업체들은 안정된 비행을 위한 프로그램 개발에 집중했다. 특히, 미국과 유럽의 드론업체는 드론용 카메라를 많은 카메라 제작 회사들이 개발할 것으로 예측하고 비행 기능과 비행 관련 소프트웨어 개발에 집중했다. 반면, 중국의 D사를 비롯한 드론업체는 비행 기능과 비행 지원 소프트웨어뿐만 아니라, 안정적인 비행과 공중에서 흔들림을 최소화하는 짐벌과 가볍고 고화질의 카메라들로 구성된 초경량 무인 항공기 드론(멀티콥터)을 개발, 생산하기 시작했다. 현재 중국의 DJI사는 전 세계 드론 시장의 80% 이상을 점유하고 있다. (2020 첸잔산업연구원 통계)

(1) 드론 카메라의 종류와 특징

드론에 사용되는 카메라는 드론 제작사 자체에서 제작한 카메라를 기체에 장착한 ‘기체 일체형 카메라(온 보드 카메라)’와 드론 기체에 비행 임무 목적에 따라 짐벌과 카메라 기종을 각각 선택해서 장착하는 ‘기체 분리형 카메라(짐벌 장착형 카메라)’로 나눌 수 있다. 온 보드 카메라와 짐벌 장착(분리)형 카메라는 각각의 장단점이 있으며, 카메라 자체 성능에도 많은 차이가 있다.

① 일체형 온 보드 카메라

카메라가 부착되어 출시된 드론 카메라는 짐벌과 카메라의 성능 (특히 렌즈)을 주로 고려하도록 한다. 사진을 주로 촬영하는 경우는 해상도 및 사진 출력을 위한 ‘이미지 크기(메가픽셀)’에 중점을 두고, 동영상 촬영이 주가 되는 경우 화질에 관련해선 해상도와 동영상 압축에 사용되는 ‘코덱‘ 등을 고려하여 선정한다.

‘일체형 온 보드’ 드론

② 짐벌 장착(분리)형 카메라

짐벌 장착(분리)형 카메라의 경우에는 짐벌의 무게와 카메라의 크기, 렌즈의 종류까지 세심하게 확인해야 한다. 물론, 짐벌 장착(분리)형 카메라가 일체형 카메라보다 사진이나 영상 자체의 품질은 좋겠지만, 2개의 개별 기기를 다루어야 하므로 편의성, 휴대성, 정비성도 고려하도록 한다.

‘짐벌 장착형’ 드론

[ Tip1 ] 일체형 & 짐벌 장착형 카메라의 성능 비교

참고: 박승근저(2018.06.04.). 『드론사진강의』. 한빛미디어, p.33.

3. 짐벌(Gimbal)의 이해

(1) 짐벌(Gimbal)이란?

드론이 안정적으로 비행하면서 흔들림 없이 안정된 영상을 기록할 수 있는 것은 짐벌 기능이 장착된 카메라가 리모컨(조종기)과 앱을 통해 연동되기 때문이다. 짐벌은 현재로는 안정적인 항공 촬영을 가능하게 하는 유일한 방안으로, 어떤 상황에서도 수평을 유지하여 안정되게 사진이나 동영상 촬영을 지원한다.

영상 촬영에서 사용하는 짐벌은 일반적으로 2축 짐벌과 3축 짐벌로 구분할 수 있다. 2축 짐벌은 카메라를 안정적으로 잡은 채 상승과 하강, 때로는 전진과 후진(피치), 좌우 이동(롤)을 한다. 이에 비해, 3축 짐벌은 여기에 회전 기능(요)까지 더해 X, Y, Z 세 축을 중심으로 각 축의 기울기, 즉 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw)의 회전을 보정하여 카메라의 수평을 잡아 주는 장치나 시스템의 통합이다. 최근에 생산되는 드론은 카메라와 짐벌이 하나의 장치처럼 제작되기도 한다.

(2) 짐벌(Gimbal)의 종류

짐벌(Gimbal)의 종류(1축, 2축, 3축 짐벌) (출처https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=smoke2000&logNo=220828943032)

X축 : 팬(pan) - 좌우 이동

Y축 : 피치(pitch) - 카메라 땅에서 하늘까지 상하 틸트(tilt)

Z축 : 롤(roll) - 회전, 수평 이동

① 2축 짐벌(Gimbal)

2축 짐벌은 카메라를 안정적으로 잡은 채 상승과 하강, 때로는 전진과 후진(피치), 좌우 이동(롤)을 한다. 간략한 2축 짐벌의 예; 가운데 고리는 수직 성분이 고정되어 있다.

간략한 2축 짐벌의 예(출처:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Gyroscope_operation.gif)

② 3축 짐벌(Gimbal)

3축 짐벌은 2축 짐벌의 기능에 회전 기능(요)까지 더해 X, Y, Z 세 축을 중심으로 각 축의 기울기, 즉 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)의 회전을 보정하여 카메라의 수평을 잡아 주는 장치나 시스템의 통합이다. 세 개의 짐벌이 하나로 구성되어 있다. 각각의 짐벌은 롤(roll), 피치(pitch) 그리고 요(yaw)의 자유도를 가진다.

3축 짐벌의 예 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A7%90%EB%B2%8C#/media/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Gimbal_3_axes_rotation.gif

[ Tip2 ] 3축 짐벌

DJI 매빅2 짐벌의 3축 회전

4. 드론 카메라 렌즈의 이해

렌즈는 대상을 기록하는 첫 번째 요소로, 피사체로부터 반사되어 들어오는 빛을 모으고, 초점 조절을 통해 이미지 센서에 정확하고 선명한 상을 맺게 해 주는 역할과 조리개를 통해 적정 노출을 위한 빛의 양을 조절하기도 한다. 이러한 렌즈는 영상의 품질과 함께 다양한 영상 표현을 위한 중요한 도구이다.

(1) 렌즈의 특성

① 렌즈의 초점거리(Focal Length)

볼록 렌즈에 평행한 빛을 통과시키면 광축 위의 한점에 빛이 모인다. 이 렌즈 안의 하나의 점을 광학적 기준점으로 하여 초점면에 형성된 이미지까지의 직선거리를 렌즈의 초점거리(Focal Length)라 하며 밀리미터(mm)로 표시한다. 렌즈를 구분할 때 사용되며 기준 렌즈는 이 초점거리에 따라 표준렌즈, 광각렌즈, 망원렌즈로 분류한다.

일반 카메라의 렌즈 초점거리(Focal Length)
드론 촬영용 렌즈의 ‘플렌지 초점거리’-DJI 인스2 렌즈-ZENMUSE X7 렌즈-16.8mm(출처: https://www.dji.com/kr)

* ’플랜지 초점거리(flange focal distance)‘란? 초점면에서 렌즈 마운트 외측면까지의 거리. 렌즈 마운트는 이 거리에 대한 표준적인 기준치를 가지고 있어 이에 따라 초점 심도의 관용도를 측정할 수 있다. (출처 : 네이버 지식백과)

② 렌즈의 화각

카메라 화면 내의 이미지 센서(Image Sensor)에 촬영되는 화면의 범위를 각도로 나타낸 것으로 ’화각(FOV, Field of View)이라고 한다. 화각의 결정은 렌즈의 초점거리와 이미지 센서의 크기로 결정된다. 렌즈의 화각은 초점거리가 길어질수록(망원) 좁아지며, 반대로 초점거리가 짧아지면(광각) 넓어지게 된다.

렌즈의 화각(Field of View, Angle of View)

[ Tip3 ] 렌즈의 초점거리와 화각

렌즈의 초점거리와 화각
DJI 매빅2 프로의 초점거리와 렌즈 화각

(2) 렌즈의 종류

① 광각렌즈

렌즈의 초점거리가 화면 대각선 길이보다 짧은 렌즈로 단초점렌즈라고도 한며 표준렌즈에 비해 원경과 근경의 넓은 화각의 이미지를 담을 수 있지만 원근감이 과장되는 특성이 있다. 또한 광각렌즈는 피사계심도가 깊어 세부 묘사력이 뛰어나 드론 촬영용으로 많이 사용하고 있다. 일반적으로 16mm, 18mm, 20mm와 24mm 렌즈를 사용한다.

② 표준렌즈

사람의 시각과 가장 유사한 이미지를 포착하는 렌즈로 근ㆍ원거리에 있는 피사체의 상대적인 크기와 공간감도 과장되지 않고 정상적으로 표현된다. 기본적으로 35mm SLR(single lens reflex) 카메라에서는 50mm가 표준렌즈이며, 16mm 카메라(비디오 카메라)의 표준렌즈는 25mm이다. 드론 카메라의 표준렌즈는 일반적으로 작은 이미지 센서로 인해 24mm가 표준렌즈이다.

③ 망원렌즈

표준렌즈보다 초점거리가 긴 렌즈를 장초점렌즈 또는 망원렌즈라고 한다. 특징으로는 좁은 화각, 먼 거리에 있는 피사체 확대, 원근감의 압축과 얕은 피사계 심도 (Depth of Field)와 같은 특성이 있다.

28mm 단렌즈와 24~48mm 줌렌즈가 장착된 드론

④ 줌(Zoom) 렌즈

제한된 범위 안에서 초점거리를 연속적으로 자유롭게 변경할 수 있는 렌즈이며, 카메라의 이동 없이 다양한 화각의 이미지를 촬영할 수 있다. 대부분 드론 카메라에는 줌 기능이 없는 광각렌즈 장착으로 렌즈 교환이 불가능하지만, 중국 DJI 회사에서 출시되는 인스파이어 종류는 젠 뮤즈(Zenmuse) 렌즈 시리즈의 렌즈 교환과 줌 기능이 있으며, 얼마 전까지 렌즈 교환이 불가능했던 일체형 온 보드용 드론 매빅2 Zoom은 24~48mm의 광학줌 렌즈를 장착하고 있다. 하지만 현재 국내에 판매되지 않고 있는 제품이다.

드론 광학줌 렌즈 장착 기종
DJI 매빅2 줌의 광학줌 렌즈를 이용하여 시점 고정으로 촬영한 이미지

5. 촬영용 드론의 선택 기준

사진, 동영상 촬영이 주목적이라면 다음에 제시한 다섯 가지 기준으로 선택하는 것을 추천한다. 드론, 카메라의 조작은 상업용 드론 대부분이 공통적인 기능을 가지고 있어 항목별 세부 사항은 최소한의 선택 기준으로 삼는다.

촬영용 드론의 선택 기준

기체의 안정성

기체의 안정성은 GPS 모듈 탑재 여부 및 모듈 개수, 온 보드(On-Board) 컴퓨팅 성능, 배터리 용량, 배터리 로직 회로 탑재 여부, 장애물 회피 센서, 로그 파일 지원 여부를 확인한다.

짐벌 안정성

진동이 심한 멀티콥터형 드론에는 촬영할 때 발생할 수 있는 진동 및 움직임을 보정해 주는 짐벌이 필수적인 부품이다. 짐벌은 카메라 일체형과 분리형이 있으며, 선택할 때 짐벌의 안정성과 카메라 부품의 수리, 교체 가능 여부를 확인한다.

조종 편의성

촬영용 드론은 드론과 신호를 주고받는 감도가 약하며, 영상 수신이 불안정한 스마트폰 애플리케이션으로 조종하는 모델보다 반드시 전용 조종기를 사용하는 모델을 선택한다. 또한, 드론 촬영에는 디스플레이 장치가 필수적이므로, 조종기와 현재 보유 중인 디스플레이 장치로 사용할 스마트폰, 태블릿 PC의 호환성도 고려해야 한다.

카메라의 성능과 사양

상용 드론 대부분은 카메라가 탑재된 일체형으로, 카메라의 성능에 따라 사진 및 동영상의 품질이 다르므로 촬영용 드론의 운용 목적에 따른 객관적인 성능을 확인한다.

장비의 용이성

드론은 주로 야외에서 운용하는 만큼 기체 수리요소가 발생하며, 안정적인 비행을 위해서 주기적으로 교체가 필요한 부품도 있다. 따라서 교체 부품의 합리적인 가격과 제조사를 통한 부품 수급 안정 여부, 고객 서비스 가능 여부를 반드시 확인한다.

글·사진: 김철현 교수

[본 필자는 2019년 12월 한국직업능력개발원의 드론콘텐츠제작(08030212) NCS학습모듈 개발의 대표집필자이면서 ‘드론 영상 촬영(LM0803021208_18v1)’ 을 직접 집필하였습니다. 여기에 기고 내용은 당시 ‘드론 영상 촬영’ NCS 학습모듈의 내용들을 기반으로 하여 작성하였습니다.]

VDCM 편집부  vdcmag@naver.com

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