자율주행 자동차의 영상 처리 인공지능

인공지능(AI)의 원리나 기술에 대해 잘 모르는 사람이라도 그것이 인간의 생활을 모든 면에서 변화시키고 있다는 것은 인식한다. 핸들을 잡고 운전하지 않아도 스스로 안전하게 달리는 자율주행 자동차(self-driving car)가 경쟁적으로 개발되고 있다. 밤길이나 폭우가 쏟아지고 강풍이 부는 도로를 달리는 자율주행 자동차는 카메라가 흔들리고 시야가 흐릿하여 안전운행이 어려울 것 같다. 그러나 자율 자동차의 카메라와 인공지능은 흔들리고 희미한 영상을 선명하게 변화시켜 안전운행을 하도록 하는 시스템을 갖추고 있다.

자율주행 자동차(자율자동차)가 현실이 된다는 것은 기적처럼 생각된다. 그러나 많은 공학자들이 장기간 연구하는 동안에 기술적으로 어려운 문제들이 많이 해결되었다. 자율자동차는 실시간에 주변 물체의 종류와 이동 상태, 전자지도 상에서 자신의 위치를 입체 형태로 정밀하게 판단한다. 위험한 순간이 닥치면 최단 시간에 안전 시스템을 작동시킨다. 또한 주행 중에 교통신호는 물론이고 교통정보 방송까지 수신하여 빠르고 안전한 행로를 현명하게 판단한다. 심지어 차 앞을 지나가는 동물이 개인지 노루인지 인하고 즉시 알고 피한다.​

인공지능 영상처리 알고리즘의 발전

범죄수사 드라마를 보면, 범인이 탄 자동차 번호판의 흐릿한 숫자를 선명하게 변화시켜주는 인공지능 영상처리 장치(AI image sharpner)를 자주 본다. 오늘날의 인공지능 시스템은 흐린 영상만 아니라 불분명한 음성까지 명확하게 재현하는 기술로 발전했다.​

현대전에서 병사들이 야간전투 때 사용하는 적외선 카메라의 영상은 흑백인 동시에 흐릿하기 때문에 유령상(ghosting)이라 부르기도 한다. 자율자동차에도 적외선 카메라가 사방에 설치되어 있고, 그들의 영상 또한 흐릿하고 색상의 구분이 없다. 가시광선이 아니고 파장이 긴 적외선 영상은 선명한 상이 되지 않는다. 그러나 이런 유령상도 인공지능 영상처리 시스템으로 실물처럼 선명한 모습으로 보이도록 하는 알고리즘이 발전하고 있다.​

흐릿한 영상이나 음성을 섬세한 얼굴 또는 발음으로 재현하는 기술은 자율자동차만 아니라 의학에서는 X레이 사진, CT사진, 초음파 사진을 세밀화하여 정확히 진단하도록 하는 기술에도 이용되고 있다.​

미국 퍼듀대학의 물리학자 바오(Fanglin Bao)와 동료 과학자들은 파장이 서로 다른 복수의 적외선 카메라로 촬영한 유령상을 인공지능을 이용하여 실물에 가깝도록 형태와 색상을 재현하는 방법을 연구하여, 그 결과를 2023년 7월 26일자 <Nature>에 발표했다.

F. Bao et al. Heat-assisted detection and ranging. Nature. Vol. 619, July 26, 2023,

적외선 카메라는 물체로부터 나오는 열(적외선)을 감지하여 도로, 나무, 풀밭, 바위, 사람, 냇물을 구분지어 나타낸다. 밤이 오면 적외선 카메라가 자율자동차의 눈이 된다. 이 영상의 윗부분은 적외선 카메라에 잡히는 숲길이다. 유령 마을처럼 보이는 흐린 영상을 판단하면서 밤길을 자율로 달린다는 것은 위험하다. 그러나 아래 절반의 영상은 바오 교수 팀이 인공지능으로 위의 영상을 실상처럼 형태와 색상까지 선명하게 재현한 것이다. 자율자동차는 이런 기능이 실시간으로 이루어져야 안전운행을 할 수 있을 것이다. (출처 ScienceNews)

현재 세계 여러 회사가 개발하고 있는 자율주행자동차들은 복수의 음파 송수신 장치와 레이더를 설치하여 주변 물체나 차와의 거리를 실시간에 입체로 파악한다. 자율자동차가 일반화되면, 모든 차들이 비슷한 주파수의 음파와 전파를 송수신하기 때문에 서로 간섭하여 판단에 방해를 일으킬 위험이 있다.​

바오 교수 팀이 개발한 적외선 카메라 시스템은 크게 두 가지 특성을 가졌다. 첫째는 위의 영상에서 보듯이, 적외선의 유령상을 일반 카메라의 상과 거의 비슷하게 재현하는 것이다. 그리고 두 번째 특징은, 파장이 다른 복수의 영상을 인공지능으로 처리하면, 음파 송수신기나 레이더를 사용하지 않아도 물체들과의 거리를 실시간으로 판단할 수 있다는 것이다.​

하지만 바오 팀이 개발한 현재의 적외선 카메라가 실용되려면 해결해야 할 큰 문제들이 있다. 첫째는 그들이 지금까지 만든 적외선 카메라가 너무 크고(길이가 약 50cm) 무겁다는 것이고, 두 번째는 영상에 나타나는 물체와의 거리를 인공지능으로 측정하는데 거의 1초가 걸리고 있다는 것이다. 빠르게 달리는 자동차에게 1초는 너무 긴 시간이다. 그리고 세 번째 문제는 현재 상태의 적외선 카메라를 제작하는 비용이 거의 $1,000,000나 소요된다는 것이다.​

바오 교수 팀이 발표한 적외선 카메라와 인공지능 영상처리 기술은 아직 실용 단계는 아니지만, 모든 중요 발명품들이 그러했듯이, 거듭 연구가 진행됨에 따라 실용화될 가능성이 있을 것이다. 우리나라 현대 자동차는 100원짜리 동전 크기의 카메라 10대와 고성능 레이더 5개가 설치된 시속 80km로 달리는 자율자동차를 2023년 말까지 상용화할 계획이라는 뉴스가 있었다. 밤이든지 낮이든지 상관없이 자율주행하는 인공지능 로봇 자동차 시대가 가까이 왔다. 이런 자율주행 시스템은 육상의 자동차만 아니라 선박, 드론, 비행기, 농업기구에까지 적용하게 될 것이다. – YS