안개가 짙게 끼거나 불투명한 막에 가려진 물체는 눈으로도 카메라로도 선명하게 확인하기 어렵다. 빛이 물체에 도달하거나 카메라로 들어오는 과정에서 산란되면서 물체의 모습이 흐려지기 때문이다. 하지만 최근 안개처럼 시야를 흐리는 환경에서도 물체의 모습을 선명하게 확인할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다.
산란층에 가려진 물체, 한 번의 촬영으로 복원
한국과학기술원 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀은 두 개의 움직이는 산란층 사이에 완전히 가려진 위상 물체를 한 번의 촬영만으로 복원하는 단일 촬영 위상 영상 기술을 개발했다는 소식을 학술지 ‘Optica’에 보도했다.
위상 물체는 일반 카메라로는 잘 보이지 않지만 빛이 지나갈 때 아주 미세한 변화를 일으키는 투명한 물체를 의미한다. 위상 물체는 유리나 투명 비닐, 살아 있는 세포처럼 일반 카메라로는 주변과 밝기 차이가 거의 없어 잘 보이지 않는 물체다.
하지만 빛이 물체를 통과하면서 생기는 아주 미세한 변화(위상)를 분석하면 물체의 형태와 광학적 두께까지 알아낼 수 있다. 그래서 위상 영상 기술은 살아 있는 세포를 염색하지 않고 관찰하거나 반도체와 디스플레이의 투명 부품을 검사하는 데 활용된다.
문제는 안개 낀 창문 너머를 촬영하면 물체가 흐릿하게 보이는 것처럼 물체 앞뒤에 있는 산란층이 움직이면 빛의 경로도 계속 바뀌어 물체의 정보를 정확히 얻기 어렵다는 것이다. 그래서 기존 기술은 같은 대상을 여러 번 촬영하거나 산란 환경을 미리 측정해야 했고, 많은 학습 데이터를 이용해 인공지능을 훈련시키는 과정도 필요했다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 돋보기로 빛을 모으듯 빛을 한곳에 집중시켜 첫 번째 산란층을 통과한 빛이 물체의 정보를 최대한 안정적으로 담도록 했다.
이후 빛이 물체와 산란층을 통과하면서 어떻게 변하는지를 계산하는 광학 모델과 인공지능을 결합했다. 일반적인 인공지능처럼 수많은 정답 사진을 미리 학습하는 대신 ‘이 빛이 어떤 경로로 거쳐 왔을까’를 물리 법칙에 따라 거꾸로 추적하며 실제 모습을 찾아가는 방식이다.
마치 안개 속에서 흐릿하게 찍힌 사진 한 장만 보고 안개를 걷어내듯 원래 모습을 복원하는 것과 같다.
연구팀은 이를 통해 한 번 촬영한 영상만으로 투명 물체의 모양과 두께는 물론 빛이 얼마나 산란됐는지, 물체가 어디에 있는지까지 동시에 알아내는 데 성공했다.
또한 물체의 위치가 바뀌거나 산란층이 움직여 빛이 흐려지는 정도가 달라져도 별도의 학습 데이터 없이 안정적으로 작동했다. 실험에서도 다양한 산란 환경에서 기존 단일 촬영 위상 복원 기술보다 물체의 경계와 세부 구조를 더욱 선명하게 복원했다.
반도체부터 바이오까지, 다양한 분야에 활용 기대
이번 기술은 안개 낀 유리창 너머의 물체를 선명하게 보는 것처럼 기존 광학 장비로는 검사하기 어려웠던 반도체, 디스플레이용 투명 부품과 광학 소재를 더욱 정밀하게 검사할 수 있다.
또, 살아 있는 세포를 손상 없이 관찰하는 바이오 영상, 차세대 광학 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
장무석 교수는 “이번 연구는 안개나 불투명한 막처럼 빛이 심하게 흐트러지는 환경에서도 한 번의 촬영만으로 투명한 물체의 모양과 위치를 복원한 첫 사례”라고 말했다.
이어 “앞으로는 더 복잡한 환경에서도 안정적으로 작동하는 기술로 발전시켜 반도체 검사와 바이오 영상 등 다양한 분야에 활용할 계획”이라고 밝혔다.
박연정 기자 / hello@sciencewave.kr
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