홀로그램·3D 영상·초분광 이미징 등 적용 기대
포스텍 연구팀이 렌즈 앞에 묻은 빗방울이나 먼지 등 장애물은 흐리게 하고 그 뒤의 장면은 선명한 컬러로 촬영할 수 있는 초박형 메타렌즈를 개발했다.
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| ▲ 포스텍 컴퓨터공학과 백승환 교수(왼쪽 사진부터), 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 포스텍 컴퓨터공학과 통합과정 윤승우 씨, 포스텍 기계공학과 통합과정 강도현 씨. [포스텍 제공] |
포스텍은 컴퓨터공학과 백승환 교수, 통합과정 윤승우 씨, 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강도현 씨 연구팀이 인공지능대학원 곽수하 교수 연구팀, 미국 워싱턴대 아르카 마줌다르 교수, UNIST(울산과학기술원) 최민호 교수 연구팀과 함께 렌즈 바로 앞 장애물에 가려진 장면을 컬러로 선명하게 촬영할 수 있는 광대역 메타렌즈를 개발했다고 27일 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
카메라 렌즈에 먼지나 흙, 빗방울이 묻으면 그 너머의 장면이 가려진다. 사람이 바로 닦기 어려운 드론, 로봇, 내시경 카메라에서는 화질이 떨어지고 영상을 보고 판단하는 인공지능 정확도까지 낮아진다.
종전에는 렌즈 여러 개를 나란히 놓고 서로 다른 각도에서 찍은 영상을 합쳐 장애물 너머를 봤다. 그러나 렌즈가 많아지는 만큼 장치를 작게 만들기 어려웠다.
연구팀은 빛의 파장보다 작은 구조물을 평평한 판 위에 새겨 빛을 조절하는 '메타렌즈'에 주목했다. 매우 얇아 소형 카메라에 제격이지만 여러 색의 빛으로 먼 풍경은 선명하게 찍으면서 코앞의 장애물은 흐리게 만들기 어려웠다.
빛의 파장이 바뀔 때와 물체까지의 거리가 바뀔 때 초점이 비슷하게 움직이는 '깊이-파장 대칭성' 때문이다. 렌즈 입장에서는 '색이 다른 빛'과 '거리가 다른 물체'를 헷갈리기 쉽다.
연구팀은 먼저 이 관계를 수식으로 풀었다. 어떤 색에서 먼 풍경이 선명하게 보이면 가까운 장애물은 다른 색에서 선명하게 보인다는 것이다.
이를 바탕으로 빨강·초록·파랑 각 색을 빛이 통과하는 구간과 막히는 구간으로 나눴다. 먼 풍경의 빛은 통과 구간에서 또렷하게 모으고 장애물이 선명해지는 빛은 차단 구간으로 보내 필터로 걸러냈다.
그 결과 장애물은 안개처럼 흐려지고 그 뒤의 장면만 선명하게 남았다. 남은 흐림과 왜곡은 인공지능 영상 복원 기술로 보정했다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 렌즈는 장애물이 있는 상황에서 화질이 좋아졌을 뿐 아니라 인공지능이 자율주행차·항공 촬영·내시경 영상을 분석하는 성능도 높아졌다.
연구팀은 작은 카메라 시제품도 만들어 드론, 자율주행차, 로봇은 물론 스마트폰 화면 아래 숨은 '언더디스플레이 카메라(UDC)'에도 적용할 수 있음을 보였다. 이번에 밝혀낸 색과 거리의 관계는 홀로그램, 3D 영상, 눈으로 구분하기 어려운 미세한 색까지 분석하는 초분광 이미징 등에도 활용될 수 있다.
백승환 교수는 "장애물을 뚫고 보는 풀컬러 메타렌즈 기술은 정확한 영상이 필요한 극한 환경에서 카메라의 시야를 확보하는 데 유용할 것"이라고 밝혔다.
노준석 교수는 "메타렌즈를 이용한 광학적 투시 기법은 장애물을 직접 닦아내기 어려운 소형 카메라가 안정적으로 영상을 얻는 데 도움줄 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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