Ｈ.264 압축방식 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치

[박월성]

Ｈ.264 압축방식 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치

2009-04-10 오후 7:59:05

본 기술은 H.264 압축 방식을 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸고 이를 H.264로 압축하여 UTP 케이블을 이용하여 전송한다. 여기에 전원 공급 및 영상 출력을 동시에 하고 영상 및 음성을 함께 전송하며 화질의 저하 없이 원거리 전송을 지원하고, 카메라 PTZ 제어 및 설정 값 제어 신호 전송을 통해 수신 측에서 카메라를 제어할 수 있는 원거리 디지털 신호 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 기존 카메라 시스템은 카메라 전원과 비디오 신호 출력을 각각의 선으로 따로 배선 공사를 해야 한다는 문제점이 있었다. 즉, 많은 수의 전선이 필요하게 됨으로써 그 설치가 어렵고 미관을 저하시키는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 PoE(Power over Ethernet)이 등장하였다. PoE는 이너넷을 통한 전원 공급 장치로서, 이는 무선 AP나 기타 유선랜에 사용되는 네트워크 장비들에 전원을 별도로 공급할 필요가 없도록 고안된 것이다.

일반적으로, 상기의 PoE 케이블로는 UTP(Unshielded Twisted-Pair)을 사용하며, UTP 케이블은 가장 일반적인 형태의 구리선으로, 일반 전화선이나 랜(LAN:근거리통신망)의 환경을 이어주는 신호선의 한 종류이다. 절연된 2개의 구리선을 서로 꼬아 만든 여러 개의 쌍케이블 외부를 플라스틱 피복으로 절연시킨 선이라는 뜻으로 이런 이름이 붙었다.

UTP 케이블은 100Mbit 랜카드에 사용되는 표준 신호선으로 외관은 전화선과 비슷한 RJ-45 규격의 커넥터와 케이블로 이루어져 있다. 내부의 선은 8가닥의 신호선으로 이루어져 있는데, 케이블 외피를 벗기고 안을 들여다보면 두 가닥씩 꼬인 4쌍의 선이 보인다. 8가닥의 선 색깔이 모두 다르며, 이 색깔에 따라 핀 번호가 규격으로 정해져 있다.

그러나, 상기와 같은 기존의 UTP를 이용한 전송 시스템은 아날로그 신호 형태로 원거리 전송을 시키는 방식으로, 겨우 200m 정도 이상에는 화질의 저하가 나타나기 시작한다는 문제점이 있었다. 또한, 영상 신호만이 전송 가능할 뿐 음성 신호 및 제어 신호의 전송이 불가능하며, 전송해야 할 데이터의 양이 너무 많아 과부하가 발생하는 경우도 있었다.

본 기술은 위와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, UTP 카메라는 UTP 선에 영상 신호와 전원을 동시에 공급하여 전원 공급과 영상 출력을 동시에 할 수 있게 해야 한다. 또한 장거리 전송에도 화질 저하를 방지하며, H.264 압축을 통해 전송해야 할 데이터를 감소시켜 데이터 전송 속도를 상승시키고, 수신부에서 송신부의 카메라를 제어할 수 있는 H.264 압축 방식을 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 기술 H.264 압축 방식을 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치는, 

UTP 케이블을 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치에 있어서

-입력된 디지털 입력 신호를 H.264 압축부에 전송하는 중앙 처리부
-상기 중앙 처리부에 연결되어 입력된 신호를 H.264 압축하고 이를 영상 및 음성 전송부에 전송하는 H.264 압축부
-상기 H.264 압축부에 연결되어 입력 받은 신호를 수신단에 전송하는 영상 및 음성 송신부를 포함하여 구성 되는 송신단
-영상 및 음성을 수신하고 이를 H.264 복원부에 전송하는 영상 및 음성 수신부
-상기 영상 및 음성 수신부에 연결되어 압축된 영상 및 음성을 복원하는 H.264 복원부
-상기 H.264 복원부에 연결되어 영상 및 음성을 출력부로 전달하는 중앙처리부
-전원을 발생시켜 이를 송신부에 공급하는 전원부
-전원부를 포함하여 구성되는 수신단


그림 1. 원거리 디지털 신호 제어 장치의 일 실시 예

본 기술은 그림 1에 도시된 바와 같이, 송신단에서는 아날로그 영상 및 음성을 입력으로 받고, 이러한 아날로그 데이터를 H.264 코덱을 이용하여 디지털 신호로 압축(20)한 후 '55TP 케이블을 통하여 전송하고, 수신단에서는 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 복원(30)한 다음 아날로그 영상 및 음성을 출력(40)한다.

즉, 영상 및 음성 신호를 H.264로 압축된 디지털 신호로 바꾸어 전송하고, 수신부에서는 압축된 H.264 영상 및 음성 신호를 아날로그 신호로 다시 복원한다. 이러한 디지털 압축 방식을 사용할 경우 1km 이상까지 화질의 저하가 발생하지 않으며, 전송 중간에 리피터(repeater)를 설치하면 무한정 전송 거리의 확장이 가능하다.

또한, 기존 UTP 카메라에서는 영상과 음성을 동시에 전송하기 위하여 4개의 선이 필요하나, 본 기술과 같이 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 전송할 경우 영상과 음성을 동시에 전송하는데 2개의 선만이 필요하다.

따라서, 나머지 2개의 선은 카메라 제어 및 PTZ제어 신호로 활용할 수 있고, 이를 통해 1km이상의 원거리에서도 카메라의 PTZ 제어 및 설정 값 변경 등이 자유로이 가능하게 된다.

여기서, PTZ는 Pan/Tilt/Zoom의 약자로서, 팬(Pan)은 카메라를 수평으로 선회시키는 기능을 말하고, 틸트(Tilt)는 카메라를 위로 치켜들거나 아래로 내리는 기능을 말하며, 줌(Zoom)은 카메라의 초점 거리를 변화시켜 원근감을 조절하는 기능을 말한다. 이러한 기능을 통하여 PTZ 카메라는 다양한 카메라를 상하 좌우로 움직이거나 렌즈의 초점 거리를 변화시키면서 대상을 자유롭게 촬영할 수 있기 때문에 여러 분야에서 유용하게 사용될 수 있다.

위와 같은 기능을 달성하기 위한 송신단의 구조를 그림 2, 그림 3 및 그림 4를 참조하여 상세하게 설명한다.


그림 2. 구조를 나타낸 도면

송신단(100)은 중앙처리부(110), H.264 압축부(120), 영상 및 음성 송신부(130)로 구성되며, 카메라 PTZ 및 제어 신호 수신부(140)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 중앙처리부(110)는 디지털 신호를 입력 받고, 이를 H.264 압축부(120)로 전송한다. 또한 카메라 PTZ 및 제어 신호 수신부(140)에서 수신된 제어 신호를 입력 받아 이를 처리한다.

H.264 압축부(120)는 중앙처리부에서 전송된 디지털 신호를 H.264 코덱을 통하여 압축하고, 이를 영상 및 음성 송신부(130)로 전송한다. 영상 및 음성 송신부(130)는 현재의 신호 형태, 예를 들어 RS485의 형태에서 UTP 전송 형태로 바꾼 후, UTP 케이블을 통해 이를 수신단에 전송한다. 상기 카메라 PTZ 및 제어 신호 수신부(140)는 수신단에서 전송된 제어 신호를 입력 받고, 이를 중앙 처리부로 전송한다.

시리얼 통신 규격으로 RS485를 사용한 본 기술의 일 실시 예를 그림 3에 도시하였다.


그림 3. 송신단의 구조

또한, UTP 케이블 끝단은 RJ(Registered Jack)-45 커넥터와 연결되어 다른 장치와의 접속을 용이하게 하고, 이때 RJ45 커넥터 핀 배열은 기존 PoE(Power Over Ethernet)의 핀 배열과 호환성을 유지하여 네트워크 선을 잘못연결하여도 네트워크와 제품에 이상이 없도록 한다.

RJ-45 커넥터를 사용하여, 영상음 성 데이터, 카메라 PTZ 및 제어 신호, 영상 전송 장치를 위한 전원을 송신단에 동시에 공급한다. 이러한 RJ-45 커넥터의 구성을 그림 4에 나타내었다. 1, 2 번은 전송 신호를 위해, 3,6번은 수신 제어 신호를 위해, 그리고 4, 5 번은 전원을 공급받기 위해 사용한다.


그림 4. RJ-45 커넥터를 나타낸 도면

이하, 본 기술에 따른 수신단의 구조를 그림 2 및 그림 5를 참조하여 상세하게 설명한다.


그림 5. 수신단의 구조를 나타낸 도면

수신단은 중앙처리부(210), H.264 복원부(220), 영상 및 음성 수신부(230), 전원부(250)를 포함하여 구성되며, 카메라 PTZ 및 제어 신호 송신부(240)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 중앙 처리부(210)는 복원된 디지털 신호를 처리하여 출력하며, 카메라 PTZ 및 제어 신호 송신부(240)에 필요한 제어 신호를 전송한다.

H.264 복원부(220)는 영상 및 음성 수신부(230)에서 전송된 압축된 디지털 신호를 H.264 코덱에 맞게 복원한다. 상기 영상 및 음성 수신부(230)는 UTP 케이블을 통해 데이터를 수신하며, 수신된 데이터를 UTP 전송 형태에서 앞으로 사용될 형태, 예를 들어 RS485 형태로 변환한다.

상기 카메라 PTZ 및 제어 신호 송신부(240)는 중앙 처리부에서 전송된 제어 신호를 UTP 전송 형태로 전환하여 상기 송신단의 카메라 PTZ 및 제어 신호 수신부(140)로 전송한다. 또한, 상기 전원부(250)는 전원에서 UTP 케이블을 통해 송신단에 전력을 공급한다.

수신단은 제어 신호 입력부를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 제어 신호 입력부에서는 사용자로부터 제어 신호를 입력 받아 이를 중앙 처리부에 전송하는 역할을 한다.

위와 같은 기술 H.264 압축방식을 이용한 원거리 디지털 신호 제어 장치에 의하면,

첫째, UTP 카메라는 UTP 선에 영상신호와 전원을 동시에 공급하므로 공사시에 UTP 케이블만을 공사하면 전원 공급과 영상 출력을 동시에 할 수 있다.

둘째,  RJ-45 커넥터 하나로 전원까지 공급해서 설치가 편리하다.

셋째, 장거리 전송에도 화질 저하가 일어나지 않는다.

넷째, H.264 압축을 통해 전송해야 할 데이터가 감소하여 데이터 전송 속도가 상승 한다

다섯째, 수신부에서 송신부의 카메라를 제어할 수 있으므로, 다양한 기술적·경제적 효과가 기대된다.